Nghiên ứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện việt nam

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là :Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam, làm rõ tác dụng bảo vệ c

- *** -

LUËN v¨n th¹c SÜ Khoa häc

Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt

hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam

N gµnh : C«ng nghÖ Ho¸ häc M· sè :

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

Lời cảm ơn

Luận văn này đ-ợc thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại - Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà N và tại Trung tâm T- vấn chống ăn ộimòn và Xây dựng - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Tô xin đ-ợc bày tỏ i lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới:

TS Hoàng Thị Bích Thủy ng-ời đã tận tình h-ớng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Các các bộ trong Trung tâm nơi tôi thực tập và công tác đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thí nghiệm và góp ý cho tôi để luận văn này hoàn thiện hơn

Tôi cũng xin đ-ợc bày tỏ sự biết ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau

đại học, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ hoá học, Bộ môn Công nghệ điện hoá

và bảo vệ kim loại, Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi xin đ-ợc gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những ng-ời đã luôn bên tôi, động viên khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009

Học viên

Vũ Thế Ph-ơng

LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph -¬ng

Lêi cam ®oan

Tªn t«i lµ: Vò ThÕ Ph-¬ng, häc viªn líp cao häc chuyªn ngµnh C«ng nghÖ

§iÖn ho¸ vµ b¶o vÖ kim lo¹i, kho¸ 2007-2009 T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy lµ do t«i tù viÕt, sè liÖu nghiªn cøu thu ®-îc tõ thùc nghiÖm vµ kh«ng sao chÐp

Häc viªn

Vò ThÕ Ph-¬ng

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

mục lục

Mục lục ……… 3

Danh mục hình ……… … 5

Danh mục bảng ……… 6

mở đầu ……… 7

ch-ơng I Tổng quan ……… 11

I.1 ăn mòn cốt thép trong bê tông ……… …… 11

I.1.1 Hiện t-ợng thụ động cốt thép trong bê tông ……… 11

I.1.2 Nguyên nhân, cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông …… 13

I.1.3 Ăn mòn cốt thép trong bê tông của công trình biển ……… 20

I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn mòn do ion clo ……… ……… 23

I.2.1 Biện pháp bảo vệ cơ bản ……… 24

I.2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ ……… 24

I.3 bảo vệ catốt trong bê tông bằng anốt hy sinh …… 30

I.3.1 Ph-ơng pháp bảo vệ catốt ……… 30

I.3.2 Vật liệu anốt trong hệ bảo vệ catốt ……… 32

I.3.3 Tình hình nghiên cứu v ứng dụng anốt kẽm dùng chống ăn mòn cho à cốt thép ……… 34

Ch-ơng II Thực nghiệm và ph-ơng pháp nghiên cứu 37 II.1 Chuẩn bị thí nghiệm……… … 37

II.1.1 Cốt thép ……… 37

II.1.2 Xi măng ……… 37

II.1.3 Cát ……… 37

II.1.4 Đá ……… 37

II.1.5 Anốt hy sinh ……… 37

II.2 Dung dịch và điều kiện thí nghiệm……… … 38

II 3 Các thông số cần đo và ph-ơng pháp đo 38 II.3.1 Ph-ơng pháp đo điện thế nửa pin haft-cell ……… 38

II.3.2 Ph-ơng pháp đo điện trở phân cực ……… 40

II.4 Thí nghiệm nghiên cứu hiệu quả bảo vệ cốt thép của anốt hy sinh trong môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt 41

II.4.1 Quy trình thí nghiệm ……… 41

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

II.4.2 Tiến hành đo ……… 43

II.5 Thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng của ANHS đối với quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận sau sửa chữa …… 43

II.5.1 Quy trình thí nghiệm ……… 43

II.5.2 Tiến hành đo ……… 46

Ch-ơng III Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của Anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông theo thời gian ……… 47

III.1 Điện thế cốt thép……… … 47

III.1.1 Tr-ờng hợp bê tông sạch (không có ion Cl- trong bê tông) ……… 47

III.1.2 Tr-ờng hợp bê tông sạch (không có ion Cl- trong bê tông) và đ-ợc gắn bằng anốt hy sinh ……….……… 48

III.1.3 Tr-ờng hợp BT có nhiễm ion Cl- (2% NaCl theo khối l-ợng xi măng có trong BT) ……… 49

III.1.4 Tr-ờng hợp bê tông (có ion Cl- trong bê tông) và đ-ợc gắn anốt hy sinh 50 III.2 Tốc độ ăn mòn bằng ph-ơng pháp đo điện trở phân cực 52 III.3 Nhận xét……… 53

Ch-ơng iV nghiên cứu ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận khi sửa chữa bê tông ……… 54

IV.1 Khảo sát điện thế ăn mòn của cốt thép……….…… 54

IV.1.1 Tr-ờng hợp thép bị gỉ (không có ion Cl- trong bê tông) ……… 54

IV.1.2 Tr-ờng hợp thép bị gỉ và có ion Cl- trong bê tông ……… 55

IV.1.3 Tr-ờng hợp đối với mẫu sửa chữa ……… 56

IV.1.4 Tr-ờng hợp đối với mẫu sửa chữa và đ-ợc bảo vệ bằng anốt hy sinh 58

IV.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn ……… 59

IV.2.1 Khảo sát tốc độ ăn mòn của cả thanh thép ……… 59

IV.2.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn khi cắt mẫu ……… 60

IV 3 Nhận xét 66 Kết luận ……… 67

Tài liệu tham khảo ……… 68

phụ lục ……… ……… 72

I

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

Danh mục hình

Hình I.1 - Lớp màng thụ động của cốt thép trong bê tông bị phá vỡ ………… 16

Hình I.2 - Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông có mặt ion Cl-…… 19

Hình I.3 - Giản đồ E - pH đối với cốt thép trong bê tông theo Pedeferi ….… 31

Hình II.1 - Cấu tạo anốt hy sinh để bảo vệ cốt thép trong bê tông ………… 37

Hình II.2 - Sơ đồ đo điện thế cốt thép trong bê tông ……… 39

Hình II.3 - Mô hình thí nghiệm đánh giá hiệu quả bảo vệ cốt thép của anốt hy sinh trong môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt ……… 42

Hình II.4 - Mô hình thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận sau sửa chữa ……… 44

Hình III.1 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu S1 … 48 Hình III.2 - Sự thay đổi điện thế cốt thép theo thời gian của mẫu S1-A ……… 49

Hình III.3 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu S2 … 50 Hình III.4 - Sự thay đổi điện thế cốt thép theo thời gian của mẫu S2-A ……… 51

Hình III.5 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian ……… 52

Hình IV.1 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu L1 55

Hình IV.2 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu L2 56

Hình IV.3 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu L3 57

Hình IV.4 - Sự chênh lệch điện thế giữa các vị trí theo thời gian của mẫu L3 57

Hình IV.5 - Sự thay đổi điện thế cốt thép theo thời gian của mẫu L3-A ……… 58

Hình IV.6 - Sự chênh lệch điện thế giữa các vị trí theo thời gian của mẫu L3-A 58 Hình IV.7 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian ……… 60

Hình IV.8 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo từng đoạn ……… 61

Hình IV.9 - Bặt cốt thép của mẫu L3 tại các vị trí khác nhau ……… 63

Hình IV.10 - Bặt cốt thép của mẫu L3-A tại các vị trí khác nhau ……… 65

LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph -¬ng

Danh môc b¶ng

B¶ng I.1 - Niªn h¹n x¶y ra h- háng kÕt cÊu BTCT th-êng gÆp trong m«i

B¶ng I.2 - T×nh tr¹ng ¨n mßn kÕt cÊu BTCT vïng biÓn mét sè n-íc §«ng Nam

¸ vµ NhËt B¶n ……… ………

23

B¶ng II.1 - §¸nh gi¸ kÕt qu¶ kh¶ n¨ng cèt thÐp bÞ ¨n mßn trong bª t«ng …… 40 B¶ng II.2 - Thµnh phÇn cÊp phèi bª t«ng dïng trong nghiªn cøu hiÖu qu¶ … 43 B¶ng II.3 - Thµnh phÇn cÊp phèi bª t«ng dïng trong nghiªn cøu khi söa ch÷a 45

điển hình nh-, năm 1967, cây cầu nối Point Pleasant, phía Tây Virginia với Kanauga, Ohio bị sập bởi rất nhiều bộ phận kết cấu xuống cấp do ăn mòn Tháng

5 năm 2000, sự cố sập cầu đi bộ ở Bắc Carolina làm th-ơng hơn 100 ng-ời Cây cầu Dickson ở Montreal năm 1990 cũng bị ngừng hoạt động do sự ăn mòn làm xuống cấp Ngày 28/8/2003 một cây cầu bê tông qua sông Daman Ganga, miền tây n Độ bị sập, làm 25 ng-ời thiệt mạng, nguyên nhân là do cầu quá cũ nát ấ(trong đó cốt thép bị ăn mòn) [21] Gần đây nhất là vào ngày 01/8/2007, một thảm hoạ đã xảy ra tại bang Minnesota khi một cây cầu trọng yếu bắc qua sông Missisippi của n-ớc Mỹ bất ngờ sập ngay vào giờ cao điểm buổi tối, nhấn chìm nhiều xe ôtô, làm 13 ng-ời thiệt mạng và nhiều ng-ời bị th-ơng mà một trong những nguyên nhân gây ra sập cầu là do bị ăn mòn

Việt Nam ch-a có tr-ờng hợp nào xảy ra nghiêm trọng về ng-ời nh-ng ở

đã gây thiệt hại lớn về kinh tế Tiêu biểu phải kể đến công trình bệnh viện K67 Quảng Ninh đ-ợc xây dựng vào năm 1990 và đ-a vào sử dụng năm 1993, tổng diện tích sàn của toàn bộ khu nhà là 5000m2 nh-ng chỉ sau 10 năm sử dụng công trình đã phải bỏ hoàn toàn do không an toàn trong quá trình sử dụng và có thể dỡsập bất cứ lúc nào Nguyên nhân chính là do sử dụng cát nhiễm mặn để đúc bê tông dẫn đến kết cấu bê tông cốt thép [BTCT] bị ăn mòn rất nhanh chóng [2]

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Bê tông cốt thép là một trong những vật liệu xây dựng đ-ợc sử dụng rất phổ biến hiện nay Việc tiêu thụ bê tông trên toàn thế giới đứng hàng thứ hai chỉ sau việc tiêu thụ n-ớc với hơn 1tấn/ng-ời/năm [22] Theo thời gian thì sự xuống cấp của các công trình BTCT, nhất là các công trình làm việc trong môi tr-ờng có hàm l-ợng ion Cl- cao (môi tr-ờng biển, công nghiệp hoá chất có chứa Cl-…) đều tiềm ẩn khả năng xâm thực mạnh đối với kết cấu BTCT dẫn đến h- hỏng công trình

Tính cấp thiết của đề tài :

Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, số l-ợng các công trình xây dựng ngoài khơi và dọc theo bờ biển n-ớc ta đang tăng nhanh, trong đó các công trình

có sử dụng kết cấu BTCT ngày càng phát triển N-ớc ta có bờ biển kéo dài trên

3200 km và kết hợp với điều kiện đặc thù của Việt Nam là môi tr-ờng khí hậu nóng ẩm với nhiệt độ trung bình cao, độ ẩm lớn, thời gian ẩm -ớt kéo dài là các tác nhân đẩy nhanh tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông Các biện pháp bảo vệ chống

ăn mòn cốt thép trong bê tông bao gồm: nâng cao chất l-ợng bê tông; tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép; ph-ơng pháp sơn phủ (phủ bề mặt bê tông, sơn phủ cốt thép); sử dụng thép hợp kim, thép không gỉ; sử dụng chất ức chế ăn mòn; ph-ơng pháp bảo vệ catốt… Mỗi ph-ơng pháp bảo vệ chống ăn mòn đều có -u

điểm, nh-ợc điểm nên tuỳ theo điều kiện và tính chất của công trình mà lựa chọn ph-ơng pháp bảo vệ thích hợp

Ph-ơng pháp sử dụng anốt hy sinh trong hệ bảo vệ catốt đ-ợc áp dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1970 để bảo vệ mặt cầu chống lại ăn mòn cốt thép do ng-ời ta rải muối để làm tan băng Bắt đầu từ những năm 1980, ph-ơng pháp bảo

vệ này đ-ợc áp dụng cho các công trình xây dựng nh-: toà nhà, công trình biển,

đ-ờng hầm, mặt cầu và các công trình ngầm ở các n-ớc công nghiệp phát triển nh- Mỹ, Châu Âu Tổng kết trên thế giới cho thấy đến năm 2000 ph-ơng , phápbảo vệ catốt đã đ-ợc áp dụng để chống ăn mòn cho 2.000.000 m2 diện tích bề mặt công trình BTCT [27] Anốt hy sinh trên cơ sở hợp kim kẽm đ-ợc sử dụng nhiều để bảo vệ cho kết cấu thép Đối với công trình BTCT thì kẽm có thể đ-ợc

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

dùng làm anốt trong hệ bảo vệ catốt d-ới dạng phun trực tiếp lên bề mặt bê tông

để bảo vệ cho cốt thép, hoặc dùng ở dạng l-ới, dạng tấm hay dạng khối đặt trong hoặc ngoài bê tông

ở Việt Nam, một số đơn đã bắt đầu đi sâu nghiên cứu về công nghệ vịchống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông bằng ph-ơng pháp bảo vệ catốt, tiêu biểu phải kể đến Trung tâm nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại - Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội Mặc dù ph-ơng pháp bảo vệ catốt là ph-ơng pháp rất hữu hiệu, có hiệu quả bảo vệ tốt ngay cả với công trình đã bị nhiễm ion Cl-, song để triển khai và áp dụng ở Việt Nam còn cần các nghiên cứu với điều kiện môi tr-ờng và thi công tại Việt Nam Xuất phát từ lý do này tác giả đã lựa chọn ch ủ

đề nghiên cứu của đề tài là: ”Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép

trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam”

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là :

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cho cốt thép trong

bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam, làm rõ tác dụng bảo vệ cốt thép trong tr-ờng hợp công trình thi công mới và thi công sửa chữa chống ăn mòn các công trình cũ

Để đạt đ-ợc mục tiêu đặt ra, đề tài cần giải quyết các nhiệm vụ sau đây:

- Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông theo thời gian d-ới tác động xâm thực mạnh của môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt;

- Nghiên cứu ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt

thép tại vùng lân cận khi sửa chữa bê tông;

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Kết quả nghiên cứu của đề tài đáp ứng nhu cầu cấp thiết về giải pháp chống ăn mòn hiệu quả cho công trình BTCT trong môi tr-ờng biển Việt Nam Giải pháp có thể đ-ợc ứng dụng hiệu quả trong các tr-ờng hợp sau:

- Đảm bảo tuổi thọ công trình trong tr-ờng hợp không đảm bảo đ-ợc biện pháp bảo vệ cơ bản (mác bê tông hoặc chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

không đạt yêu cầu để bảo vệ cốt thép chống ăn mòn clorua theo tiêu chuẩn TCXDVN 327 : 2004) 6] [1

- Nâng cao thời gian sử dụng công trình trong tr-ờng hợp vật liệu đầu vào

bị nhiễm mặn từ đầu hoặc bê tông bị nhiễm mặn trong quá trình thi công Tr-ờng hợp này xảy ra khi thi công ở vùng đảo xa khan hiếm vật liệu sạch hoặc thi công trên biển chịu tác động của thuỷ triều, sóng biển trong quá trình thi công

- Nâng cao hơn nữa tuổi thọ công trình trong các môi tr-ờng xâm thực khắc nghiệt Theo kết quả khảo sát trên các công trình biển ở Việt Nam cho thấy trong vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh mặc dù kết cấu có mác bê tông cao (M40) chiều dày bảo vệ lớn (50mm) nh-ng vẫn không thể đảm bảo đ-ợc tuổi thọ công trình trên 50 năm, lý do là ion Cl- thẩm thấu vào quá nhanh d-ới tác động xâm thực mạnh của môi tr-ờng [1]

Môi tr-ờng bê tông là môi tr-ờng dẫn điện do bê tông có cấu trúc lỗ xốp, các mao quản chứa dung dịch điện ly Tính chất hóa lý của bê tông phụ thuộc vào thành phần và tính chất của phối liệu bê tông, quá trình chế tạo, bảo d-ỡng

bê tông và đ-ợc xác định bởi phản ứng của bê tông với môi tr-ờng xung quanh

Sự kết hợp cốt thép với bê tông sẽ làm tăng sức bền chống ngoại lực, tạo ra

sự vững chắc cho công trình Lớp bê tông bao bọc bên ngoài bảo vệ cho cốt thép tránh đ-ợc những tác động cơ học và hóa học của môi tr-ờng

Cấu trúc của vữa xi măng đ-ợc tạo ra do phản ứng giữa bột xi măng và n-ớc khi trộn chúng với nhau Khi bê tông đông cứng ở mặt ngoài thì trong lòng khối bê tông quá trình hyđrat vẫn xảy ra Sản phẩm hyđrat hóa của xi măng Portland thông th-ờng gồm có hai loại:

- Các tinh thể t-ơng đối lớn canxihyđroxit [Ca(OH)2] chiếm khoảng 20% trong l-ợng vật chất

- Các hạt rất nhỏ ở dạng gel C-S-H có thành phần trung bình 3CaO.2SO4.2H2O Trong quá trình đóng rắn của bê tông, các thành phần khoáng của xi măng bị thủy hóa tạo ra môi tr-ờng ban đầu có độ kiềm cao (pH 13) Khi 

bê tông đông cứng, n-ớc còn lại đ-ợc giữ trong các lỗ xốp của khối bê tông và một phần n-ớc đ-ợc sử dụng để tạo ra sản phẩm hyđrat hóa Quá trình thuỷ hoá vẫn tiếp tục xảy ra ngay cả trong thời gian sử dụng của bê tông [12 ]

Tùy thuộc vào môi tr-ờng bên ngoài và khả năng thấm -ớt của bê tông mà l-ợng n-ớc trong lỗ xốp có thể thay đổi N-ớc trong lỗ xốp bê tông luôn chứa các ion hòa tan từ xi măng, do đó đ-ợc gọi là dung dịch lỗ Sau vài ngày diễn ra quá

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

trình hyđrat hóa, dung dịch lỗ của hầu hết các loại bê tông đều chứa ion kiềm (K+, Na+), hyđroxit (OH-) với nồng độ t-ơng đối cao và ion Ca2+, SO42- với l-ợng nhỏ hơn Nồng độ ion OH- trong dung dịch lỗ th-ờng khá cao bằng 0,5 1 mol/l, thậm chí cả khi các lỗ xốp của bê tông đ-ợc điền đầy dung dịch Nếu bê tông bị khô từng phần, nồng độ OH- có thể cao hơn, giá trị pH t-ơng đ-ơng với nồng độ

OH- cao là khoảng 13 Các yếu tố ảnh h-ởng đến độ pH của dung dịch lỗ trong

- Sự xâm nhập của CO2 không khí gây nên hiện t-ợng cacbonat hóa bê tông Đây là yếu tố làm giảm pH bê tông mạnh nhất

Tính chất hóa học của bê tông thay đổi dần theo thời gian do ảnh h-ởng của các tác nhân từ môi tr-ờng bên ngoài xâm nhập vào trong bê tông Đối với công trình bê tông trong không khí thì hiện t-ợng cacbonat hóa có ảnh h-ởng chính tới chính chất hóa học của bê tông Còn đối với công trình bê tông trong môi tr-ờng n-ớc thì sự xâm nhập của SO42-, Cl- là yếu tố ảnh h-ởng chính

Cấu trúc lỗ xốp, kích th-ớc hệ thống lỗ và mao quản của bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ n-ớc/xi măng, thành phần phối liệu, đặc tính của các vật liệu nh- xi măng, cát, đá, sỏi, chế độ bảo d-ỡng và các phụ gia (nếu có)

Các tính chất nh- độ thấm, độ thẩm thấu, tính dẫn điện, khả năng khuếch tán khí (CO2, O2) vào trong bê tông là những tính chất vật lý của bê tông có ảnh h-ởng nhiều đến quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Đối với công trình bê tông trong biển, do ảnh h-ởng của thủy triều lên xuống mà độ thẩm thấu lớn hơn rất nhiều so với độ thẩm thấu của bê tông ở vùng cao vì n-ớc biển thấm vào công trình khi thủy triều lên, khi thủy triều xuống n-ớc trong bê tông sẽ bay hơi và để lại muối ở bên trong

b Hiện t-ợng thụ động cốt thép trong bê tông

Cốt thép trong bê tông đ-ợc ngăn cách với môi tr-ờng bên ngoài bởi một lớp bê tông Lớp bê tông nh- một hàng rào hóa học cũng nh- vật lý đối với sự ăn mòn cốt thép

Hàng rào hóa học đ-ợc hiểu là môi tr-ờng kiềm cao của dung dịch điện ly trong bê tông Nhờ môi tr-ờng này, màng thụ động đ-ợc hình thành và duy trì trên bề mặt cốt thép có tác dụng bảo vệ cốt thép ở điều kiện bình th-ờng môi tr-ờng trong bê tông có pH 13, màng thụ động đ-ợc hình thành trên bề mặt cốt thép ở dạng Fe2O3.Fe3O4 có chiều dày khoảng 10-3 m theo phản ứng [12 ]:

Fe + 2OH- Fe(OH) 2 + 2e 3Fe(OH)2 + 2OH- Fe3O4 + 4H2O + 2e 2Fe3O4 + 2OH- 3Fe 2O3 + H2O + 2e Hàng rào vật lý là độ dày và khả năng chống thấm của lớp bê tông Rào chắn vật lý quyết định giới hạn độ khuếch tán của các tác nhân ăn mòn đến bề mặt cốt thép và vì vậy có thể ngăn cản các phản ứng ăn mòn xảy ra kể cả trong tr-ờng hợp màng thụ động bị phá vỡ

Quá trình ăn mòn có xảy ra đối với cốt thép trong bê tông hay không phụ thuộc vào lớp vỏ bê tông, cụ thể là phụ thuộc vào cấu trúc lỗ xốp và môi tr-ờng kiềm cao của dung dịch lỗ

I.1.2 Nguyên nhân, cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Sự ăn mòn cốt thép bắt đầu khi màng thụ động bị phá vỡ Sự phá màng thụ

động có thể xảy ra ở một vùng giới hạn trên bề mặt cốt thép nh- ở xung quanh các vết nứt gây ra ăn mòn cục bộ với vùng phá thụ động là anốt của pin ăn mòn,

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

hoặc có thể xảy ra trên phạm vi lớn nh- trong tr-ờng hợp bê tông xốp, khi đó bê tông có thể bị cacbonat hóa do sự xâm nhập của CO2 làm giảm mạnh pH trong dung dịch lỗ xuống tới 9 dẫn đến cốt thép bị ăn mòn mạnh với nhiều vị trí anốt hoạt động trên bề mặt cốt thép

Ngoài ra sự phá màng thụ động còn xảy ra do sự có mặt trong dung dịch lỗ một số ion có khả năng phá thụ động mà điển hình là ion Cl- Ion Cl- và một vài ion khác có đặc tính t-ơng tự có tác dụng làm mất ổn định màng thụ động, nếu chúng có mặt với nồng độ đủ cao thì tác dụng của chúng thực sử là một trong những nguyên nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong bê tông Sự có mặt của ion

Cl- trong bê tông có thể do khâu phối liệu sử dụng chất đóng rắn nhanh CaCl2, hoặc n-ớc chứa ion clo hoặc do ion Cl- xâm nhập vào bê tông trong quá trình sử dụng nh- tr-ờng hợp công trình bê tông cốt thép làm việc trong môi tr-ờng biển hoặc các công trình đ-ờng giao thông phải rải muối để chống đóng băng

Nguyên nhân gây ra ăn mòn cốt thép trong bê tông là do sự phá màng thụ

động bảo vệ cốt thép Màng thụ động bền trong môi tr-ờng kiềm, tuy nhiên màng có thể bị phá hủy khi pH giảm do quá trình cacbonat hóa hoặc sự xâm nhập của ion Cl-

a Sự phá màng thụ động do cacbonat hóa bê tông

Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông một phần phụ thuộc vào độ pH của dung dịch lỗ trong bê tông

Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc lỗ xốp, các phân tử CO2 từ môi tr-ờng bên ngoài xâm nhập vào bê tông, có thể phản ứng với gel C-S-H và Ca2+ trong dung dịch lỗ:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

Kết quả của các phản ứng nào là sự giảm mạnh pH của dung dịch lỗ tới giá trị 9 hoặc nhỏ hơn Vì màng oxýt chỉ tồn tại trong môi tr-ờng pH > 10,5 nên sự giảm pH do quá trình cacbonat hóa sẽ ảnh h-ởng đến màng thực hiện động trên

bề mặt cốt thép Khi pH thấp, màng oxýt vẫn tồn tại nh-ng không bám dính lên

bề mặt thép, do vậy không có khả năng bảo vệ ăn mòn

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Quá trình cacbonat hóa bê tông phụ thuộc và nhiều yếu tố nh-: tỉ lệ n-ớc/xi măng của bê tông, thời gian bảo d-ỡng, độ thẩm thấu và hệ số khuếch tán của bê tông, hàm l-ợng CO2 bao quanh bê tông, khả năng hấp thụ CO2 của bê tông, chất l-ợng bề mặt, thời gian và điều kiện làm việc của công trình bê tông…

Thông th-ờng quá trình khuếch tán CO2 vào bê tông xảy ra rất chậm, nhất

là với bê tông ngập n-ớc hoặc bê tông ẩm, nh-ng quá trình khuếch tán có thể xảy

ra nhanh hơn tại các vết nứt của bê tông Trong bê tông bão hòa, sự xâm nhập của CO2 có thể chỉ xảy ra bởi sự khuếch tán của CO2 đã bị hòa tan trong dung dịch lỗ, mà l-ợng CO2 hòa tàn trong dung dịch là rất nhỏ Sự phá màng thực hiện

động do quá trình cacbonat hóa th-ờng xảy ra đối với bê tông trong khí quyển Nói chung, thời gian để sự cacbonat hóa xâm nhập từ ngoài vào đến bề mặt cốt thép là hàm của độ dày bê tông và tốc độ khuếch tán của CO2 không khí vào bê tông, tức là phụ thuộc vào áp suất riêng phần của CO2 không khí xung quanh bê tông và độ xốp của bê tông p suất riêng phần của COá 2 trong môi tr-ờng công nghiệp cao hơn bình th-ờng

b Sự phá màng thụ động do ion Cl

Trong môi tr-ờng xâm thực mạnh nh- môi tr-ờng biển, khi có mặt ion clorua, do chênh lệch nồng độ nên ion này dễ dàng khuếch tán qua bề mặt bê tông và tiến dần đến cốt thép Tốc độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ, độ ẩm, hàm l-ợng clorua trong môi tr-ờng nh-ng chủ yếu phụ thuộc vào chất l-ợng bê tông Khi xuất hiện ion clorua tại bề mặt cốt thép, một số ion sẽ tìm đến những khu vực có khuyết tật trên lớp màng thụ động, đây là khu vực không đ-ợc bảo vệ và rất dễ bị phá hủy Do ion clorua có bán kính nhỏ (0,181nm) nên nó dễ dàng xâm nhập qua các vị trí khuếch tán của lớp màng thụ động, tham gia phản ứng trực tiếp so với sắt tạo thành dạng phức sắt clorua hòa tan

Tuy nhiên, ảnh h-ởng của ion Cl- trong việc phá thụ động thép, thậm chí ở giá trị pH cao có thể xem nh- hoạt động của sự cân bằng giữa hai quá trình cạnh tranh: sự ổn định của màng thụ động gây ra bởi ion OH- và sự phá thụ động gây

ra bởi ion Cl- Tồn tại một nồng độ ion Cl- tới hạn phụ thuộc vào nồng độ OH

-Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

trong dung dịch lỗ của bê tông Nếu tỷ lệ [Cl-]/[OH-]  0,6 thì sự phá thụ động sẽ xảy ra [26] Nghĩa là nồng độ ion clo gây ra ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào pH của môi tr-ờng bê tông Khi pH < 11,5 có thể xảy ra ăn mòn cốt thép ngay cả khi không có mặt ion clo Khi pH > 11,5 thì sự ăn mòn cốt thép chỉ xảy ra khi có l-ợng clo xác định và l-ợng ion Cl- tăng khi pH tăng

Trong thực tế sản xuất, nồng độ Cl- giới hạn th-ờng đ-ợc xác định thông qua tỷ lệ phần trăm về khối l-ợng so với xi măng L-ợng Cl- cho phép nhỏ hơn 0,2% khối l-ợng xi măng trong bê tông, khi nồng độ Cl- trong khoảng 0,2 0,4% thì nguy cơ ăn mòn xuất hiện nh-ng không th-ờng xuyên, nguy cơ ăn mòn cao nếu l-ợng Cl- lớn hơn 1% khối l-ợng xi măng

Khi màng thụ động bị phá vỡ thì nền thép sẽ tiếp tục trực tiếp xúc với các tác nhân gây ăn mòn và quá trình anốt xảy ra làm nền thép bị ăn mòn, còn quá trình catốt xảy ra trên màng thụ động của cốt thép, do có sự chênh lệch điện thế giữa màng thụ động và nền thép

c Cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông d-ới tác động của ion Cl- đã đ-ợc đề cập trong nhiều tài liệu trong và ngoài n-ớc [9, 28]

Trong điều kiện bình th-ờng, nguyên tử sắt ở trạng thái ổn định do tổng số electrôn bằng số prôtôn Nh-ng do lớp điện tử ngoài cùng còn có các điện tử tự

do nên sắt rất dễ nh-ờng 2 hoặc 3 điện tử Trong bê tông, sắt có thể tồn tại chủ yếu ở cả 3 dạng Fe0, Fe2+, Fe3+ Trong mỗi trạng thái hoạt động, Fe2+ hay Fe3+ có

Phức tan sắt clorua khuếch tán ra phía ngoài, nơi có pH cao hơn, ở đó xảy

ra phản ứng tạo thành thành sắt II hyđroxyt: Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2

Khi oxy khuếch tán trong lỗ rỗng bê tông đến vùng anốt nó sẽ ôxy hoá

Fe2+ thành Fe3+ : Fe(OH)2+ 1/2 H2O + 1/2O2  Fe(OH)3

Trong môi tr-ờng biển có thể xảy ra hai điều kiện để phá huỷ màng thụ

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Do chênh lệch nồng độ mà ion Cl- sẽ khuếch tán qua bề mặt bê tông và tiến dần đến cốt thép Ion Cl- có thể khuếch tán trong bê tông đặc chắc qua cấu trúc lỗ rỗng mao dẫn của đá ximăng Mức độ khuyếch tán phần lớn dựa vào các yếu tố gồm: tỷ lệ n-ớc/ximăng, loại xi măng, sự liên kết với ion Cl-, nhiệt độ, và tuổi của bê tông Khi xuất hiện ion Cl- tại bề mặt cốt thép, nên ion Cl- dễ dàng thâm nhập qua khu vực khuyết tật chủ yếu là sắt (II) oxit và phá huỷ lớp màng thụ

Sau khi lớp màng thụ động bị phá vỡ thì quá trình ăn mòn mới xảy ra Do

đó cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông gồm hai giai đoạn nối tiếp nhau:

- Giai đoạn khơi mào: là giai đoạn xảy ra sự xâm nhập của ion clo hoặc

CO2 làm giảm pH của dung dịch lỗ do quá trình cacbonat hóa, nh-ng ch-a xảy ra

ăn mòn cốt thép Các yếu tố ảnh h-ởng đến giai đoạn này là nồng độ và khả năng khuếch tán của Cl-, CO2 ở quanh bề mặt bê tông, độ thấm của bê tông, chiều dày lớp bê tông

Việc xác định giá trị giới hạn nồng độ ion Cl- gây ăn mòn cốt thép của giai

đoạn này trong bê tông vẫn còn nhiều điều ch-a sáng tỏ phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện biên khác Tiêu chuẩn kết cấu bê tông của Nhật Bản giá trị này

đ-ợc xác định là 1,2kg/m3 bê tông [30] Tiêu chuẩn Mỹ lại quy định giá trị giới hạn hàm l-ợng ion Cl- ban đầu trong bê tông không v-ợt quá ng-ỡng 0,6-0,9 kg/m3 bê tông [8 ]

Trong khi ion Cl- là tác nhân trực tiếp khơi mào ăn mòn thì chúng chỉ đóng vai trò gián tiếp quyết định đến tốc độ ăn mòn sau khi khơi mào Những nhân tố

Càng nhiều ion Cl- trong bê tông thì khả năng xâm nhập và phá huỷ màng thụ động càng cao Sản phẩm của quá trình ăn mòn lần l-ợt đ-ợc hình thành d-ới các dạng FeO, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)3.3H2O… tích tụ trên bề mặt kim loại có thể tích lớn hơn thể tích của thép bị mất đi trong phản ứng ăn mòn (trung bình từ 4 đến 6 lần phụ thuộc vào sự có mặt và hàm l-ợng oxy ở bề mặt cốt thép), gây ứng suất trong bê tông xung quanh cốt thép dẫn đến nứt vỡ Sự nứt

vỡ tạo điều kiện cho các tác nhân gây ăn mòn dễ dàng xâm nhập vào bê tông và tốc độ ăn mòn cốt thép tăng nhanh khi lớp bê tông bắt đầu nứa Hình I.2 là sơ đồ quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Môi tr-ờng xâm thực ion clorua

O 2 , H 2 O, Cl -

Ion Cl- tuy tồn tại trong bê tông ở ba dạng khác nhau: dạng liên kết hóa học, hấp phụ vật lý với thành lỗ và clo ở dạng tự do nh-ng nồng độ clo tự do mới

đóng vai trò là tác nhân gây ăn mòn cho cốt thép trong bê tông Ion Cl- dạng liên kết không gây ăn mòn cốt thép Tốc độ ăn mòn cốt thép sẽ cao trong điều kiện môi tr-ờng bê tông khô - -ớt liên tục

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

I.1.3 Ăn mòn cốt thép trong bê tông của công trình biển

Môi tr-ờng biển Việt Nam có tính xâm thực mạnh đối với kết cấu BTCT,

+ Nồng độ ion Cl- trong khí quyển cao, tăng dần từ Bắc vào Nam;

+ Thời gian ẩm -ớt kéo dài ở miền Bắc, Trung và Nam;

+ Nhiệt độ, độ ẩm không khí cao, độ ẩm giảm dần từ Bắc vào Nam;

Phạm vi ảnh h-ởng của khí quyển biển có thể vào sâu trong đất liền tới 30

bong vỡ lớp bê tông bảo vệ làm cốt thép bị ăn mòn mạnh, giảm tiết diện

- Tại vùng khí quyển biển: ion Cl- xâm nhập vào trong bê tông chậm hơn so với kết cấu vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh, tuy nhiên vẫn khá mạnh Mức độ xâm nhập ion Cl- vào kết cấu BTCT có xu h-ớng giảm dần khi càng xa biển

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

+ Với tiểu vùng khí quyển trên mặt n-ớc biển: sau khoảng 15 20 năm có thể xuất hiện ăn mòn cốt thép, xuất hiện các vết nứt mặt bê tông chạy dọc theo các thanh cốt thép bị ăn mòn, nhiều tr-ờng hợp lớp bê tông bảo vệ bị vỡ hẳn ra

do lớp gỉ thép quá dày, làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu (xem phụ lục số I.3 và I.4)

+ Với tiểu vùng khí quyển trên bờ: sau 20-25 năm có thể quan sát thấy các dấu hiệu ăn mòn và phá huỷ cốt thép trên diện rộng, chủ yếu xảy ra đối với kết cấu lộ thiên trực tiếp tiếp xúc với môi tr-ờng (xem phụ lục số I.5 và I.6)

- Tại vùng ngập n-ớc th-ờng xuyên ít thấy hiện t-ợng ăn mòn cốt thép, có

thể là do thiếu oxy hoà tan để phát triển gỉ

Từ các kết quả khảo sát ăn mòn các công trình BTCT vùng biển có thể đ-a

ra tổng kết về thời điểm mà kết cấu BTCT bắt đầu h- hỏng trong môi tr-ờng biển Việt Nam (bảng I.1) [11] Một số hình ảnh về tình trạng ăn mòn và h- hỏng kết cấu

BTCT ở vùng biển Việt Nam đ-ợc trình bày trong phụ lục số I.7

Bảng I.1 - Niên hạn xảy ra h- hỏng kết cấu BTCT th-ờng gặp trong môi

tr-ờng biển Việt Nam [11]

Niên hạn xảy ra h- hỏng kết cấu BTCT th-ờng gặp

Thực tế (năm)

% (so với thiết

kế trung hạn 50 năm)

1 Kết cấu bị nhiễm mặn từ đầu do sử dụng cát biển hoặc n-ớc biển để trộn bê tông 5- 10 10- 20

2 Kết cấu ở vùng thuỷ triều lên xuống và sóng đánh 10- 15 20- 30

3 Kết cấu ở vùng trên biển và sát mép n-ớc (< 0,25 km) 15- 20 30- 40

4 Kết cấu ở vùng ven biển (0,25 - 30 km) 15 25- 40- 50

5 Kết cấu ở vùng ngập trong n-ớc biển > 50 - 60 > 100

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Các số liệu tổng hợp trong bảng I.1 cho thấy một đặc điểm chung về ăn mòn kết cấu BTCT vùng biển n-ớc ta từ khoảng năm 1990 trở về tr-ớc là chỉ có phần kết cấu BTCT nằm ở vùng ngập n-ớc biển có tuổi thọ lâu dài Các kết cấu BTCT nằm trong những vùng khác nh- n-ớc thuỷ triều lên xuống và sóng đánh, khí quyển trên biển và vùng khí quyển ven biển đều chỉ đạt 20-50% tuổi thọ thiết

kế [1, 5, 11] Cá biệt nh- công trình bệnh viện K67 - Quảng Ninh, cốt thép bị gỉ chỉ sau thời gian sử dụng khoảng 2 năm, công trình chỉ đạt 10-20% tuổi thọ thiết

kế lý do là ng-ời ta sử dụng vật liệu đầu vào là cát đã bị nhiễm mặn, hàm l-ợng muối rất lớn v-ợt quá giới hạn cho phép [2]

Thực trạng ăn mòn BTCT trong vùng biển Việt Nam có thể khái quát hoá ở một số đặc điểm sau:

- Tính chất xâm thực của môi tr-ờng là rất mạnh, thực trạng ăn mòn là

đáng lo ngại Hầu hết kết cấu bị ăn mòn rất sớm, tuổi thọ không đạt yêu cầu

- Các nguyên nhân chủ yếu là bê tông ch-a đủ năng lực để bảo vệ cốt thép t-ơng ứng với mức độ xâm thực của môi tr-ờng thể hiện qua độ đặc chắc và chiều dày lớp bảo vệ Cá biệt có tình trạng sử dụng vật liệu đầu vào bị nhiễm mặn Hiện trạng bê tông bị nhiễm mặn trong quá trình thi công là khó tránh khỏi nếu thi công trên biển hoặc giữa hai đợt thuỷ triều lên xuống Chất l-ợng thi công kết cấu BTCT ở vùng biển cần phải đ-ợc kiểm soát nghiêm ngặt hơn rất nhiều so với thi công trên đất liền

- Cần phải nghiên cứu các giải pháp để cải thiện tình trạng này nhằm nâng cao hiệu quả đầu t-

Thời điểm và mức độ ăn mòn kết cấu BTCT ở các vùng biển của Nhật Bản

và của một số n-ớc Đông Nam đ-ợc trình bày thông qua các ví dụ trong bảng á

I (xem kết hợp với phụ lục số I.8) Từ các ví dụ này cho thấy tình trạng ăn mòn 2BTCT d-ới tác động của ion Cl- trong vùng biển không chỉ xảy ra ở Việt Nam mà còn ở nhiều n-ớc khác trong khu vực

0-2 2-4 4-6 6-8

7,194 4,279 4,279 2,805

20 64

- Bê tông bị nứt cục bộ

- Cốt thép bị ăn mòn cục bộ và gỉ trung bình

0-2 2-4 4-6 6-8

6-9 6-8 5-7 4-6

20-35 35-50

Măt A: phía biển

- Nứt lớn do ăn mòn thép, bong bục lớp bê tông nặng

Mặt B: phía đất liền

- Có một vài vết nứt nhỏ, bê tông không bị bong bục

0,5-1,5 2,5-3,5 4,5-5,5 6,5-7,5 8,5-9,5

10,42 8,04 5,71 5,96 4,13

- 51

- Nứt do ăn mòn thép, bong bục lớp

bê tông bảo vệ Chiều rộng vết nứt lớn nhất khoảng 3-5mm

- Tiết diện cốt thép giảm từ 2,58% đến 51,77%

0-2 2-4 4-6 6-8

3,0-6,0 0,5-2,0 0,5-1,0 0,2-0,5

30 50-60 ăn mòn nặng chủ

yếu ở đáy dầm

Ghi chú: R b : c -ờng độ nén của bê tông ; BV : chiều dày bảo vệ

I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn mòn do ion clo

Về nguyên tắc, bảo vệ chống ăn mòn cốt thép d-ới tác động của ion Cl

-đ-ợc phân thành 2 cấp là: bảo vệ cơ bản và bảo vệ hỗ trợ

I 2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ

Nếu kết cấu BTCT đ-ợc thiết kế và thi công tốt đáp ứng đầy đủ biện pháp bảo vệ cơ bản thì nó có thể bền lâu trong môi tr-ờng biển mà không cần bất cứ biện pháp hỗ trợ bổ sung nào khác Tuy nhiên, trên thực tế không phải lúc nào

điều này cũng thực hiện đ-ợc

Trong thực tế thi công các công trình BTCT vùng biển ở Việt Nam, không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc các yêu cầu tối thiểu để bảo vệ chống ăn mòn nh- đã quy định Trong một số tr-ờng hợp phải thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng hơn so với yêu cầu tối thiểu quy định, ví dụ: các vị trí đáy dầm, panel, sàn đổ tại chỗ rất khó để có thể thiết kế thi công đảm bảo chiều dày 50-70mm Mặt khác bê tông là một loại vật liệu hỗn hợp khó thi công đảm bảo

độ đồng nhất, chính vì vậy mác và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc đúng yêu cầu thiết kế Theo số liệu khảo sát thu đ-ợc thì những công trình xây dựng từ năm 1990 trở về tr-ớc tại vùng biển Việt Nam hầu nh- không đảm bảo yêu cầu độ đồng đều về mác và chiều dày bảo vệ chống ăn mòn, chiều dày thực tế th-ờng nhỏ hơn thiết kế yêu cầu [1,

2, 11] Ngay cả ở Mỹ khi kiểm tra các công trình BTCT vùng biển theo thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép là 38 mm nh-ng trong thực tế nhiều cấu

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

kiện chỉ đạt 29 mm [ ] Hơn nữa vấn đề sử dụng vật liệu nhiễm mặn hoặc bê 25tông bị lẫn n-ớc biển trong thi công đã từng xảy ra

Đối với môi tr-ờng khắc nghiệt nh- môi tr-ờng biển, thậm chí khi bê tông

có chất l-ợng tốt cũng khó có thể bảo vệ chống ăn mòn lâu dài, đặc biệt là đối với các công trình đòi hỏi niên hạn sử dụng trên 50 năm Các số liệu khảo sát thực tế đã chứng minh, kể cả với mác bê tông >30 MPa, sau 30 năm, hàm l-ợng ion Cl- tại chiều sâu 60-70 mm ở giá trị rất cao 2-5 kg/m3 BT đủ để gây gỉ cốt thép

Từ các phân tích trên đây cho thấy rất cần phải áp dụng các biện pháp bảo

vệ hỗ trợ Các biện pháp bảo vệ hỗ trợ bao gồm:

- Bảo vệ mặt ngoài kết cấu;

- Tăng mác và độ chống thấm hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ;

- Bảo vệ bằng chất ức chế ăn mòn;

- Bảo vệ kết cấu BTCT đã bị ăn mòn (ph-ơng pháp tách clo và tái tạo

kiềm);

- Bảo vệ trực tiếp cốt thép trong bê tông;

a Bảo vệ mặt ngoài kết cấu

Một số biện pháp tăng c-ờng bảo vệ mặt ngoài kết cấu th-ờng đ-ợc áp dụng là sơn phủ hoặc phun khô (trát) lên bề mặt kết cấu Bản chất là bao bọc xung quanh kết cấu BTCT một lớp áo đặc chắc có khả năng chống thẩm thấu ion

Cl- xâm nhập từ môi tr-ờng bên ngoài [7 9 10 , , ]

Các loại vữa đ-ợc sử dụng có các loại phụ gia pôlime hoặc khoáng hoạt tính siêu mịn, áp dụng ở quy mô nhỏ chủ yếu là cho sửa chữa chống ăn mòn kết cấu BTCT

Các biện pháp sơn phủ dễ áp dụng, phù hợp với các kết cấu BTCT ở vùng khí quyển trên biển và ven biển Có rất nhiều các loại sơn phủ đ-ợc sử dụng trong đó phổ biến hơn cả là sơn gốc epoxy, ximăng-pôlime, polyurethane, silicon Biện pháp này đ-ợc ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản, theo kết quả nghiên cứu của Yamaji T., áp dụng các loại sơn gốc Silane, Acryl polyme ximăng,

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

silicon, epoxy có hiệu quả bảo vệ tốt nếu đ-ợc quét ngay lên bề mặt kết cấu [32, 36] Việt Nam cho tới nay hầu nh- ch-a áp dụng biện pháp sơn phủ, nguyên ởnhân có thể là do ch-a có các nguồn vật liệu thích hợp

b Tăng mác hoặc độ chống thấm và tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ

Tăng mác bê tông hoặc độ chống thấm cũng có nghĩa là tăng độ đặc chắc của bê tông, đây là một trong số những chỉ tiêu quan trọng nhất ảnh h-ởng tới độ bền lâu của kết cấu BTCT vùng biển Bê tông có khả năng chống thẩm thấu cao

sẽ ngăn cản sự dịch chuyển các tác nhân xâm thực nh- Cl-, O2, H2O, CO2 vào trong và làm chậm lại quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông Đối với kết cấu BTCT vùng biển, chỉ số quan trọng để đánh giá năng lực bảo vệ cốt thép của bê tông là độ thấm ion Cl- trong bê tông

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng biện pháp nâng cao độ

đặc chắc của bê tông để chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép vùng biển bằng cách sử dụng các loại phụ gia: siêu dẻo, phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia pôlime Theo nghiên cứu của Berke N S để bê tông có độ thấm ion Cl- ở mức thấp (1000 - 2000 culông) thì phải giảm tỷ lệ n-ớc/ximăng < 0,4 và trong tr-ờng hợp này phải sử dụng phụ gia dẻo hóa, siêu dẻo và khoáng hoạt tính Các loại bê tông xi măng pooclăng xỉ loại A, B, C đ-ợc dùng phổ biến ở Nhật Bản đều nâng cao đáng kể (loại C có thể gấp 7 lần) tính năng chống ăn mòn so với bê tông xi măng pooclăng th-ờng [8]

ở Việt Nam cũng đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu về vấn đề này,

và chứng minh các loại bê tông xi măng pooclăng hỗn hợp thay thế 10% XM bằng tro bay hoặc tro trấu nâng cao (gấp 2 lần) tính năng chống ăn mòn so với bê tông xi măng pooclăng hỗn hợp thông th-ờng [31]

Việc sử dụng pôlime để biến tính vữa và bê tông đã đ-ợc nghiên cứu từ những năm 1920 và đến nay đã thu đựơc nhiều kết quả có ý nghĩa về khoa học cũng nh- thực tế Phụ gia pôlime cho phép tạo ra các tổ hợp vật liệu có những tính năng v-ợt trội nh-: có khả năng chống thấm cao, bền xâm thực hoá học [14 ]

Chất ức chế anốt:

Chất ức chế loại này th-ờng có tác dụng làm giảm quá trình anốt ứng với sự tăng quá thế anốt Có hai loại chất ức chế ăn mòn dạng này là:

- Anion oxi hóa, nh- là các muối crômát, nitrat và nitrit, chúng có thể thụ

động hóa thép khi không có mặt của oxy

- Ion không oxy hóa nh- phosphat, tungstat và molybdat, các muối này cần phải có oxy để thụ động hóa bề mặt thép Các chất ức chế dạng này đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất Tuy vậy, những chất này có thể gây nên ăn mòn điểm và làm tăng tốc độ ăn mòn khi hàm l-ợng thấp hơn một giá trị giới hạn nào đó

Trong số các chất ức chế anốt, thì canxi nitrit đ-ợc sử dụng nhiều hơn cả do hiệu quả chống ăn mòn cao và ít có tác dụng phụ đến tính chất cơ lý của hỗn hợp

bê tông và bê tông

Chất ức chế catốt:

Chất ức chế catốt là những hợp chất nh- Arsen, Antimoan chúng có tác dụng làm giảm quá trình catốt ứng với sự tăng quá thế catốt hoặc kết tủa trên bề mặt catốt làm tăng điện trở bề mặt và hạn chế sự khuếch tán chất khử đến khu vực này Chất ức chế catốt có khả năng ức chế ăn mòn theo 3 h-ớng sau đây:

- Thụ động hóa catốt

- Kết tủa trên vùng catốt

- Tiêu thụ oxy

d Ph-ơng pháp tách clo và tái tạo kiềm

Tách ion clo khỏi môi tr-ờng bê tông, tái tạo kiềm cho bê tông là các quá trình điện hóa đ-ợc thực hiện nhằm loại bỏ ion clo, khôi phục độ kiềm cao của môi tr-ờng bê tông

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Tái tạo kiềm là ph-ơng pháp làm ngừng sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

do sự cacbonat hóa Ph-ơng pháp này đòi hỏi mật độ dòng điện khoảng 0,8 tới 2A/m2 theo diện tích bề mặt bê tông, điện cực anốt nằm ngoài bê tông và điện áp

10 - 40V trong thời gian từ 1 đến 2 tuần Môi tr-ờng điện ly sử dụng trong ph-ơng pháp tái tạo kiềm là dung dịch Na2CO3 hoặc LiOH Sau xử lý pH của bê tông quanh cốt thép tăng, sự thụ động cốt thép đ-ợc phục hồ i

Còn ph-ơng pháp tách clo trong bê tông đ-ợc áp dụng cho các công trình

bê tông bị nhiễm clo Mật độ dòng yêu cầu là 1-2 A/m2, điện áp d-ới 30V và thời gian từ 2 đến 10 tuần phụ thuộc và nồng độ clo, sự phân bố clo trong bê tông và

sự phân bố dòng điện Khác với tái tạo kiềm, ph-ơng pháp này anốt phải nhúng trong dung dịch điện ly và tiếp xúc với bề mặt bê tông Môi tr-ờng điện ly sử dụng trong ph-ơng pháp tách clo là n-ớc, Ca(OH)2, Li3BO3

Các phản ứng chính xảy ra ở anốt và catốt trong quá trình tách clo và tái tạo kiềm nh- sau:

- Phản ứng anốt: xảy ra ở vật liệu anốt

Tuy nhiên, các ph-ơng pháp này có nh-ợc điểm là làm tăng nồng độ ion kim loại kiềm, ion OH- trong dung dịch lỗ ở bề mặt cốt thép - bê tông, làm thay

đổi cấu trúc lỗ và lực liên kết cốt thép và bê tông

Có 3 loại sơn phủ cốt thép chủ yếu sau [9 ]:

- Sơn hữu cơ gốc epoxy, vinyl chloride và polyetylene ;

- Mạ kim loại hoặc sơn giàu kim loại (kẽm, nhôm, đồng, nikel);

- Sơn pôlime hoặc xi măng pôlime;

Trong số các sản phẩm sơn nêu trên, hiện nay chủ yếu sử dụng sơn gốc epoxy và gốc pôlime Các kết quả nghiên cứu đều cho rằng sơn gốc epoxy có khả năng ngăn cản tốt sự xâm nhập của ion Cl- vào cốt thép Tuy nhiên nh-ợc điểm của loại sơn này là giòn, chịu va đập và uốn góc kém đồng thời làm giảm khả năng dính kết giữa cốt thép và bê tông Trái lại với sơn gốc epoxy thì sơn gốc pôlime có khả năng đảm bảo lực dính kết giữa cốt thép và bê tông nh-ng khả năng chống thẩm thấu ion Cl- ch-a rõ ràng [4 7 , ]

Sử dụng thép hợp kim, thép không gỉ:

Sử dụng thép không gỉ làm cốt thép trong kết cấu BTCT vùng biển là một biện pháp ít đ-ợc sử dụng Do chi phí khá tốn kém nên ngay cả ở những n-ớc phát triển nh- Mỹ, Nhật Bản ng-ời ta cũng chỉ sử dụng cho một số kết cấu đặc biệt trong mỗi công trình Tại Nhật Bản đã có một số nghiên cứu về sử dụng cốt thép không gỉ [37 ]:

- Tại điều kiện th-ờng (môi tr-ờng phun n-ớc biển) không xảy ra gỉ cốt thép trong bê tông thậm chí khi hàm l-ợng ion Cl- từ 6-8 kg/m3 BT

- D-ới điều kiện môi tr-ờng gia tốc 600C xảy ra gỉ cốt thép loại SUS 304 tại vị trí nứt bê tông với hàm l-ợng ion Cl- là 6 kg/m3 BT Tuy nhiên với các mẫu thép không gỉ khác loại: SUS 316, 430 không xảy ra ăn mòn cốt thép khi hàm l-ợng Cl- từ 6-7 kg/m3 BT

Bảo vệ catốt cho cốt thép:

Ph-ơng pháp này sẽ đ-ợc trình bày chi tiết d-ới đây

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

I.3 bảo vệ c ốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh

I.3.1 Ph-ơng pháp bảo vệ catốt

Nguyên tắc của ph-ơng pháp bảo vệ catốt là làm tăng phân cực catốt cho cốt thép trong bê tông sao cho duy trì đ-ợc màng thụ động trên bề mặt cốt thép hoặc là thụ động lại bề mặt cốt thép khi màng thụ động bị phá vỡ bằng cách cung cấp cho cốt thép một nguồn điện tử Nguồn điện tử đó có thể đ-ợc lấy từ nguồn

điện một chiều bên ngoài (ph-ơng pháp bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài) hoặc

từ kim loại hoặc hợp kim có điện thế âm hơn điện thế của cốt thép trong môi tr-ờng bê tông (ph-ơng pháp bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh) [30 Cốt thép đóng ].vai trò là catốt trong hệ thống bảo vệ Trong tr-ờng hợp bảo vệ catốt bằng anốt

hy sinh, anốt hy sinh đ-ợc kết nối trực tiếp với thép cốt Trong tr-ờng hợp dùng dòng điện ngoài, cực âm của nguồn cấp điện một chiều đ-ợc kết nối với cốt thép Việc lựa chọn sử dụng biện pháp nào là tuỳ thuộc vào đặc điểm của mỗi công trình, điều kiện môi tr-ờng và điện trở của bê tông

Sơ đồ nguyên tắc đ-ợc thể hiện trên giản đồ E - pH ở hình I.3 d-ới đây Vùng (1) thể hiện trạng thái thụ động của thép trong bê tông không bị cacbonat hoá và không bị nhiễm ion clo Khi bê tông bị nhiễm ion Cl-, pH không thay đổi nh-ng ion Cl- phá huỷ màng thụ động gây ăn mòn lỗ ở điện thế âm hơn ở vùng (2) p dụng biện pháp bảo vệ catốt trong tr-ờng hợp này sẽ làm cho ion Clá - điện

di ra khỏi bề mặt cốt thép và làm tăng pH quanh cốt thép, do vậy cốt thép bị thụ

động hoá lại ở vùng (3) Khi bê tông bị cacbonat hoá thì pH giảm và cốt thép bị

ăn mòn ở vùng (4) Nếu áp dụng biện pháp bảo vệ catốt trong tr-ờng hợp này thì

pH quanh cốt thép lại tăng lên và cốt thép sẽ tái thụ động ở vùng (3)

Thép trong bê tông thông th-ờng đ-ợc bảo vệ khỏi ăn mòn bằng lớp màng thụ động sinh ra do tính kiềm cao của bê tông Lớp màng thụ động ổn định này

đ-ợc hình thành trên bề mặt thép sẽ ngăn ngừa sự hoà tan anôt của sắt Nên áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ nếu lớp màng thụ động không ổn định do sự thâm nhập của ion clorua lên bề mặt thép hoặc bê tông bị cacbonat hoá làm giảm

độ pH

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

Bê tông, cụ thể là dung dịch trong lỗ rỗng sẽ cung cấp chất điện phân cho dòng điện và sự dịch chuyển ion liên kết Do vậy môi tr-ờng bê tông là môi tr-ờng dẫn điện liên tục nên ph-ơng pháp bảo vệ catốt không những áp dụng

đ-ợc đối với cốt thép của các công trình bê tông trong n-ớc, trong đất mà còn áp dụng cho các công trình bê tông trong không khí Yêu cầu để áp dụng ph-ơng pháp bảo vệ catốt đối với công trình BTCT là cốt thép phải đ-ợc nối điện liên tục

và môi tr-ờng bê tông phải dẫn điện liên tục Sự thay đổi điện thế thép/bê tông

đ-ợc biểu thị bởi các điện cực chôn chìm trong bê tông hoặc đặt trên bề mặt bê tông và đ-ợc sử dụng cùng với các thiết bị đo phù hợp và các mối liên kết với cốt thép để đo các điện thế thép/bê tông/điện cực

Trong các ph-ơng pháp bảo vệ cho cốt thép trong bê tông thì ph-ơng pháp bảo vệ catốt đ-ợc coi là ph-ơng pháp rất hiệu quả với các đặc điểm sau:

Vùng không ăn mòn và giảm độ bám dính thép/bê tông

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

- Rất hiệu quả đối với các công trình trong môi tr-ờng có ion clo và đ-ợc coi là ph-ơng pháp duy nhất để chống ăn mòn cho các công trình bê tông cốt thép đã bị nhiễm clo, trong khi các ph-ơng pháp khác không triệt để đ-ợc

- Có thể sử dụng kết hợp với các ph-ơng pháp bảo vệ khác

- Có thể áp dụng trên các công trình bê tông cốt thép mới và cũ

Nh-ợc điểm:

Yêu cầu của ph-ơng pháp bảo vệ catốt là cần duy trì dòng bảo vệ cho quá trình, do vậy phải th-ờng xuyên theo dõi hệ thống bảo vệ

I.3.2 Vật liệu anốt trong hệ bảo vệ catốt

a Vật liệu trong hệ bảo vệ bằng dòng ngoài

Hệ bảo vệ catốt bằng dòng điện một chiều ngoài có thể đ-ợc áp dụng với hầu hết các công trình bê tông cốt thép kể cả các công trình có điện trở cao nh- công trình bê tông cốt thép trong môi tr-ờng khí quyển hay thậm chí là với các công trình nhiễm hàm l-ợng clo lớn

Trong bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài thì anốt có vai trò rất quan trọng Hiệu quả của hệ thống bảo vệ catốt phụ thuộc vào độ thích ứng của vật liệu anốt Anốt và lớp phủ dẫn điện (nếu có) phải đáp ứng đ-ợc các yêu cầu sau:

- Có độ dẫn điện cao, phân bố đồng đều

- Bền về mặt cơ học, hóa học (bền với Cl-, O2, axit) Bền trong lắp đặt và sử dụng

- Có khả năng đảm bảo tuổi thọ cần thiết

- Trọng l-ợng anốt thêm vào công trình có thể chấp nhận đ-ợc

- Phù hợp với hình dáng của công trình

Các vật liệu th-ờng dùng làm anốt cho hệ thống bảo vệ catốt bằng dòng ngoài cốt thép trong bê tông gồm [12, 25, 36 ]:

- Các loại anốt trên nền titan (có lớp kim loại quý nh- planin, iridium và

ôxít của nó) đ-ợc chế tạo ở dạng dây, dạng thanh, l-ới hay phun lên bề mặt bê tông Anốt nền titan có cơ tính tốt, dễ phù hợp với hình dáng của công trình, bền với axít và có thể hoạt động ở mật độ dòng cao trong thời gian dài Các anốt titan

- Ngoài ra ng-ời ta còn sử dụng lớp kẽm phun trên bề mặt bê tông nh- một

anốt trong bảo vệ catốt bằng dòng ngoài cho cốt thép trên bê tông

b Vật liệu anốt hy sinh

Anốt hy sinh đ-ợc nối trực tiếp với cốt thép, anốt có thể là hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, hợp kim magie Anốt hy sinh có thể ở dạng rời để ngoài bê tông, dạng tấm mỏng đ-ợc gắn với bề mặt bê tông nhờ lớp gel n-ớc bám đích dẫn điện

tử hoặc dạng lớp phủ đ-ợc phun trực tiếp lên bề mặt bê tông Anốt hy sinh cũng

có thể đặt trong bê tông cùng với việc sử dụng lớp vữa đặc biệt xốp đắp xung quanh anốt có tác dụng chống nứt bê tông …

Anốt hy sinh hợp kim nhôm và magiê có -u điểm là tỷ trọng nhỏ hơn hợp kim kẽm song sản phẩm của quá trình hòa tan anốt lại có thể tích lớn và không

có lợi cho môi tr-ờng bê tông Để giảm ảnh h-ởng của sản phẩm hòa tan này thì lớp vữa đặc biệt quanh anốt hy sinh hợp kim nhôm và magiê phải có độ lỗ 20%

và thêm 1% Cl- 2 [1 ]

Thông th-ờng anốt hợp kim kẽm hay đ-ợc sử dụng nhờ đáp ứng tốt các yêu cầu về điện thế làm việc ổn định, mật độ dòng sản ra đủ lớn, sản phẩm hòa tan không ảnh h-ởng nhiều đến môi tr-ờng bê tông Khi anốt hy sinh đ-ợc đặt trong

bê tông thì các sản phẩm của quá trình hoà tan anốt có thể tích lớn gây ảnh h-ởng đến quá trình hoạt hoá anốt, gây nứt vỡ bê tông Do vậy lớp vữa đặc biệt bao bọc xung quanh anốt hy sinh đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đảm

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

bảo anốt làm việc đ-ợc trong môi tr-ờng bê tông Ngoài điều kiện phải xốp để cho sản phẩm của quá trình hoà tan anốt có thể khuếch tán ra ngoài và không tích

tụ ở bề mặt anốt, lớp vữa này còn phải trộn thêm ion Cl- để hoạt hoá anốt [ ] 13

I.3 Tình hình nghiên cứu v ứng dụng anốt kẽm dùng chống ăn mòn cho 3 à

cốt thép

Hệ bảo vệ catốt cho cốt thép trong bê tông đ-ợc nghiên cứu và ứng dụng lần đầu tiên để chống ăn mòn cho mặt cầu ở Mỹ vào những năm 1970 Từ những năm 1980, bảo vệ catốt đ-ợc ứng dụng ở các n-ớc phát triển nh- Mỹ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản Cũng trong những năm này, các hệ anốt hy sinh trong bảo

vệ catốt cũng đ-ợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nh-ng qua kết quả thống kê cho thấy rằng: anốt trên cơ sở magiê hiệu quả nh-ng chi phí đắt, anốt trên cơ sở nhôm thì không bền trong môi tr-ờng kiềm của bê tông, anốt trên cơ sở hợp kim kẽm cho thấy hợp lý và có hiệu quả cao

Nhiều nhà khoa học trong và ngoài n-ớc đã dành sự quan tâm đặc biệt nghiên cứu anốt hy sinh dựa trên nền kẽm, trong số đó tiêu biểu có thể kể đến:

 W Bohdanowicz là Giảng viên tại Tr-ờng Đại học Công nghệ Gdansk - Ba Lan nghiên cứu lớp phủ anốt kẽm để bảo vệ cốt thép trong bê tông Ông đã chứng minh lớp phủ kẽm trên bề mặt bê tông vừa có tác dụng nh- một anốt

hy sinh và vừa nh- dòng anốt c-ỡng bức Và mật độ dòng bảo vệ xấp xỉ 2mA/m2 Ngoài ra kẽm là vật liệu có giá thành rễ dàng ứng dụng và có khả năng chịu đ-ợc trong môi tr-ờng kiềm [35]

 Tiến sỹ Sergi tại Tr-ờng Đại học Leed, V-ơng Quốc Anh nghiên cứu về anốt hy sinh để bảo vệ cốt thép trong bê tông tại vùng sửa chữa khi bê tông

bị nhiễm ion clorua Kết quả nghiên cứu của ông chỉ ra rằng anốt hy sinh kẽm khi đ-ợc bọc trong khối vữa có công thức đặc biệt có chứa LiOH thì có

đủ khả năng ngăn ngừa quá trình catốt của cốt thép trong vùng sửa chữa bê tông bị ăn mòn (có chứa hàm l-ợng cao ion clorua) Sự phân cực của cốt thép duy trì ít nhất đ-ợc 2 năm 0] [2

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

 Alistair G, Allan tại Wellington, New Zealand cũng đã nghiên cứu và ứng dụng đ-ợc anốt hy sinh l-ới kẽm trong hệ bảo vệ catốt đ-ợc ứng dụng để bảo vệ các công trình bê tông cốt thép vùng biển Ngoài ra còn có thể để sửa chữa phục hồi công trình đã bị h- hỏng Việc ứng dụng anốt hy sinh l-ới kẽm này có hiệu quả và có ý nghĩa kinh tế lớn, đến năm 1999, trên 40.000

m2 bê tông ở 8 n-ớc vùng Bắc Mỹ, Châu , Trung Đông và Châu Âu Các áloại công trình đ-ợc ứng dụng anốt l-ới kẽm bao gồm bãi đỗ xe, cầu, cầu tầu, các toà nhà xây dựng ở đảo, khách sạn tại bờ biển, bể bơi và ga điện ngầm [19]

Ngoài ra còn có rất nhiều các nghiên cứu và ứng dụng khác trên thế giới sử dụng kẽm làm anốt hy sinh

Các kết quả nghiên cứu trong n-ớc liên quan tới việc bảo vệ cho cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh nói chung và anốt hy sinh trên cơ sở kẽm nói riêng còn rất ít Một số tác giả nghiên cứu đã đ-a ra đ-ợc vật liệu anốt hy sinh trên cơ sở kẽm phù hợp dùng trong môi tr-ờng bê tông [12, 33]

N-ớc ta có khí hậu nhiệt đới ẩm, với bờ biển kéo dài 3260km là điều kiện thuận lợi để có thể gây ăn mòn mạnh đến các công trình bê tông cốt thép Do vậy cần có các biện pháp chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông Hiện nay, ở n-ớc

ta chủ yếu là vá đắp sửa chữa những công trình đã bị ăn mòn bằng sử dụng phụ gia, chất ức chế ăn mòn cho bê tông, hay sơn chống ăn mòn cho cốt thép cũ

Đối với công trình xây mới hay công trình cần sửa chữa phục hồi ăn mòn ion doclorua thì một trong những ph-ơng pháp hiệu quả bảo vệ cho cốt thép là ph-ơng pháp bảo vệ catốt Ph-ơng pháp bảo vệ cho cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh đã đ-ợc nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại, Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội với việc sử dụng anốt hy sinh trên cơ sở kẽm, anốt kẽm đặt trong bê tông với lớp vữa đặc biệt xốp bao bọc xung quanh anốt để chống nứt cho bê tông

Ngoài việc nghiên cứu anốt hy sinh nền kẽm để bảo vệ một cách có hiệu quả cho cốt thép trong bê tông thì việc nghiên cứu để bảo vệ chống ăn mòn cho

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng

cốt thép tại vùng lân cận khi sửa chữa vá đắp cũng là một h-ớng nghiên cứu có ứng dụng thực tế trong tình hình n-ớc ta hiện nay có rất nhiều công trình cần phải sửa chữa chống ăn mòn cho kết cấu BTCT Do vậy, nhiệm vụ của luận văn

này là: ”Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng

anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam”

Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu :

- Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông theo thời gian d-ới tác động xâm thực mạnh của môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt;

- Nghiên cứu ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận khi sửa chữa bê tông;

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

Ch-ơng II Thực nghiệm và ph-ơng pháp nghiên cứu

II.1 Chuẩn bị thí nghiệm

II.1.1 Cốt thép

Cốt thép là loại thép CT3, tròn trơn, đ-ờng kính Φ12mm, chiều dài 380mm Cốt thép đ-ợc tẩy sạch dầu mỡ, đánh sạch bằng giấy nhám, rửa sạch và làm khô Một đầu của thanh thép đ-ợc nối với dây đồng loại một lõi để nối diện, tại mối nối giữa cốt thép và dây đồng đ-ợc phủ epoxy để tránh ăn mòn

II.1.2 Xi măng

Sử dụng hai loại xi măng là: xi măng Hoàng Thạch PCB 30 để chế tạo bê tông mác M20 v M30 Các chỉ tiêu của xi măng đáp ứng các tiêu chuẩn hiện àhành

II.1.5 Anốt hy sinh

Anốt hy sinh do Trung tâm Nghiên cứu ăn mòn & Bảo vệ kim loại, Tr-ờng

Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo theo kết quả của Đề tài: “ Nghiên cứu vật liệu

anốt hy sinh dùng trong môi tr-ờng bê tông” mã số B2002- - 28 64

Cấu tạo anốt hy sinh đ-ợc trình bày chi tiết trong hình II.1, gồm lõi là hợp kim kẽm đ-ợc bao quanh bằng lớp vữa đặc biệt có tác dụng hoạt hoá anốt [13]

Hình II.1 - Cấu tạo anốt hy sinh để bảo vệ cốt thép trong bê tông

Dây dẫn điện 2 Hợp kim kẽm 1 3 Lớp vữa đặc biệt

55mm

20mm

1 2 3

50mm

10mm

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

II.2 Dung dịch và điều kiện thí nghiệm

Trong suốt thời gian thử nghiệm, chúng tôi sử dụng muối NaCl 5% để gia tốc mẫu thí nghiệm

Mẫu phơi trong điều kiện tự nhiên ngoài trời và đ-ợc gia tốc ăn mòn trong ngày bằng cách t-ới ẩm dung dịch NaCl 5% trong 4 lần/ngày, đây là ph-ơng pháp để mô phỏng cho môi tr-ờng ăn mòn khắc nghiệt nhất Thời gian t-ới ẩm nh- sau:

- Lần 1: buổi sáng từ 07h 08h ữ

- Lần 2: buổi tr-a từ 10h h ữ 11

- Lần 3: buổi chiều từ 14h ữ 15h

- Lần 4: buổi chiều tối từ 17h ữ 18h

II.3 Các thông số cần đo và ph-ơng pháp đo

Các mẫu thử nghiệm không có anốt hy sinh bảo vệ và mẫu có anốt hy sinh bảo vệ ( ở chế độ ngắt dòng) đ-ợc đo tại thời gian: 07, 14, 30, 45, 60, 90, 120, đo

150 và 180 ngày Các thông số cần đo là:

- Điện thế nửa pin (ha -cell): cốt thép trong bê tông đ-ợc đo điện thế so với lf

điện cực đồng sunphát bão hoà (Cu/CuSO4) bằng máy đo Canin

- Tốc độ ăn mòn: cốt thép trong bê tông đ-ợc đo tốc độ ăn mòn bằng máy

đo Mullticorr

II.3.1 Ph-ơng pháp đo điện thế nửa pin

Ph-ơng pháp điện thế kiểm tra khả năng cốt thép bị ăn mòn là ph-ơng pháp để đo điện thế cốt thép nằm trong bê tông nhằm kiểm tra khả năng bị ăn mòn của nó Ph-ơng pháp này có thể áp dụng trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện tr-ờng

Ph-ơng pháp này dựa trên việc xác định điện thế cốt thép bằng điện cực so sánh, thông th-ờng sử dụng điện cực chuẩn đồng sunfat bão hoà Điện cực này

có điện thế so với thế điện cực chuẩn hiđro là -0,316V ở 22,20C Hệ số nhiệt độ của điện cực này là 0,0009V/oC trong khoảng từ 0 đến 49oC Ngoài điện cực

đồng sunfat bão hoà (Cu/CuSO4), có thể sử dụng một số điện cực chuẩn khác nh-

điện cực calomen hay bạc clorua

Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph -ơng

Nguyên lý của ph-ơng pháp đo này là mạch điện khép kín tạo thành bởi một đầu là cốt thép nối với cực d-ơng của vôn kế và đầu kia là điện cực so sánh nối với cực âm của vôn kế Mỗi khi cho điện cực tiếp xúc với bề mặt bê tông tại

vị trí đo nào đó thì mạch điện đ-ợc đóng kín và vôn kế chỉ số đo điện thế cốt thép tại vị trí đó

Tuy nhiên ph-ơng pháp này chỉ cho phép xác định mức độ ăn mòn cốt thép một cách định tính và để phản ánh kết quả đo này một cách chính xác thì ng-ời

đo phải có nhiều kinh nghiệm hoặc kết hợp với ph-ơng pháp kiểm tra khác Thiết

bị dùng để xác định mức độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông bằng ph-ơng pháp đo điện thế nửa pin là máy đo Canin Thụy Sĩ

Sau đây là bảng đánh giá kết quả đo khả năng cốt thép bị ăn mòn trong bê tông theo tiêu chuẩn TCXDVN 294:2003 (t-ơng đ-ơng tiêu chuẩn ASTM C876-2009) [15]

Dây dẫn điện

Cốt thép

Đầu kẹp Vôn kế

Bê tông

Điện cực đồng - đồng sunfat (Đặt trên mặt bê tông tại các

điểm đo điện thế) Dây dẫn điện

Dây dẫn điện

Cốt thép

Đầu kẹp Vôn kế

Bê tông

Điện cực đồng - đồng sunfat (Đặt trên mặt bê tông tại các

điểm đo điện thế) Dây dẫn điện