Luận văn thạc sĩ Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng: Nghiên cứu ăn mòn và chống ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép của các công trình xây dựng ở vùng biển

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép ởmôi trường biển - Nghiên cứu về hệ nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm- Thực nghiệm dé đánh giá: + Mức độ ản

TONG QUAN 1.1Giới thiệu về môi trường biến Việt Nam

Việt Nam là nước có bờ biển trải dài dọc theo chiêu dài đất nước, đó chính là điều kiện thuận lợi cho các quá trình ăn mòn và phá hủy cốt thép Đặc biệt là những công trình nằm ven biến trong vùng các tỉnh như Khánh Hòa, Vũng Tàu, Bình Thuận Theo thống kê các công trình xây dựng ven biển cho thấy nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự hư hỏng các kết cấu BTCT là do cốt thép trong bê tông bị ăn mòn dưới tác động xâm thực của ion Cl của môi trường biên.

Môi trường biến là một trong những môi trường có chứa tác nhân gây xâm thực mạnh cau kiện bê tông cốt thép Nước biển là một dạng của hệ thống hóa lý phức tạp có chứa chất điện phân gây xâm thực đối với bê tông: NaCl, MgSO4, CaSO4 Nhiéu nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biến, kết quả của những nghiên cứu chỉ ra rang, để tăng độ bền của bê tông và cốt thép trong môi trường biến thì cần giảm độ thấm của bê tông

Bảng 1.1 Thanh phan ion có trong nước biến Việt Nam [12]

Thành phõn CT Na’ | Mg” | SO, | Ca“ Kơ

Hình 1.1 Biểu đồ biéu diễn phan trăm các loại ion có trong nước bién[12] Đặc diém chung của khí hậu nước ta là nhiệt đới âm, gió mua, nhiêu năng va mưa Riêng vùng ven biên trong khí quyên thường còn lần các tạp chât mang tính xâm thực tới kết cầu bê tông cốt thép như Cl, SO3, CO

Một số đặc trưng của môi trường vùng biển miễn trung nước ta như sau:

Nước biển: có chứa các muối mang tính xâm thực bê tông va bê tông cốt thép: NaCl — 2,7%, MgCl, — 0,32%, MgSOx — 0,22%, CaSOx - 0,13%, KHCO; — 0,02%.

+ Lượng muôi clorua phân tán cao, giảm dân theo chiêu cao và theo chiêu sâu vào dat liên, giảm mạnh ở cự ly 100 mét cách bờ biên.

+ Ảnh hưởng của khí quyền bién lan rộng trên 10 km.

+ Đặc trưng khí hậu nhiệt đới nóng âm (bảng 1.2).

+ Khí quyền biển gây âm ướt bề mặt.

Bảng 1.2 Tính chất môi trường khí quyền ven biển miền trung Việt Nam [6] Địa | Dao động | Độ âm Lượng Số ngày Tốc độ ăn Lượng muôi điểm | nhiệt độ, trung | mưatrung | sương mon thép (CI) sa lang °C bỡnh, % | binh,mm | mự, ngày | CT3 ,ứ/m”.năm mg/m” ngay

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng âm Việt Nam, các công trình xây dựng ở vùng biến chịu tác động ăn mòn mạnh của môi trường Phố biến và nguy hại nhất trong đó là hiện tượng xâm thực clorua gây ăn mòn và phá huỷ nhanh chóng cốt thép trong các kết cầu đó Một số công trình cầu, cảng là những công trình thường nam trên hoặc gân mặt nước, có độ âm không khí cao; đặc biệt với các công trình vùng biên còn chịu tác động của khí hậu biên Do đó câu, cảng bê tông cốt thép là đối tượng chịu ảnh hưởng mạnh do ăn mòn và phá hủy của môi trường.

Như vậy, khí quyền ven biển miễn trung Việt Nam với độ âm và nhiệt độ cao, lượng muối lớn kèm theo các thay đổi chu kỳ khô 4m và gió bão mạnh tiềm an khả năng xâm thực mạnh tới cốt thép trong kết cầu bê tông cốt thép.

1.2 Ăn mòn cốt thép trong bề tông cốt thép ở môi trường biến [5],[6],[8]

Bê tông cốt thép được sử dung rộng rãi trong các công trình xây dựng vi có cường độ chịu lực cao Nếu cốt thép được bảo vệ chống gi tốt thì sẽ cùng bê tông tạo nên vật liệu có tuổi thọ cao Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của kết cầu bê tông cốt thép cũng như môi trường tác động, sẽ bị hư hại qua thời gian sử dụng Đặc biệt, đối với những công trình ven biên hoặc năm trong môi trường biển, van dé hư hại của BTCT từ lâu vẫn luôn là van dé nóng hồi và hết sức quan trọng.

Luôn được các nhà khoa học trong và ngoải nước quan tâm, nghiên cứu để tìm những phương pháp tối ưu, nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn cốt thép trong BTCT và dự đoán được tuôi thọ, dẫn đến nâng cao chất lượng công trình, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tẾ cao.

Cốt thép trong bê tông cốt thép có tồn tại lớp màng thụ động trên bề mặt có tác dụng như lớp bảo vệ cho cốt thép Hiệu quả bảo vệ của lớp bê tông phụ thuộc vào lớp màng bảo vệ của bê tông có thé xem như hang rào vật ly va hang rào hóa học Hang rao vật lý là độ day và khả năng không tham nước của lớp bê tông xung quanh cốt thép, ngăn cản sự khuếch tán của các tác nhân ăn mòn như các phân tử CO2, O2 va ion Cl- Hang rao hoá học là môi trường kiềm cao của bê tông, thường có giá trị pH = 13, cho phép tạo thành và duy trì mảng thụ động bảo vệ trên bề mặt thép Cốt thép trong bê tông có thể bị ăn mòn khi màng thụ động bị phá vỡ do sự cacbonat hoá bê tông, hoặc do sự xâm nhập của ion Clo qua bê tông đến cốt thép.

Sự nguy hại do ăn mòn cốt thép trong bê tông không chỉ năm ở việc giảm tiết diện ngang của thép mà còn ở sự tạo thành các vết nứt trên bề mặt bê tông do sự tích tụ gi ở xung quanh cốt thép gây ra Thể tích của gi được tạo ra thường lớn hơn 4 - lần thể tích của thép bị mất đi trong phản ứng ăn mòn, dẫn đến làm xuất hiện dư ứng suất trong bê tông xung quanh cốt thép, gây ra nứt vỡ và bong tróc lớp bê tông Khi nứt xảy ra, quá trình ăn mòn tăng tôc nhảy vọt vì lúc đó hiệu quả bảo vệ vật lý và hoá học của lớp bê tông không còn nữa. Ăn mòn cốt thép trong bê tông là hiện tượng phá huỷ vật liệu thép do tác dụng hoá học hay tác dụng điện hoá giữa cốt thép và môi trường bên ngoài Các vật liệu kim loại và hợp kim trên cơ sở sắt, thép khi tiếp xúc với môi trường xung quanh ( khí, lỏng, rắn ) đều bị phá huỷ với một tốc độ nào đó Nguyên nhân của sự phá huỷ này là có sự tương tác hoá học: kim loại tham gia phản ứng oxy hoá khử với các chất có trong môi trường xung quanh và bị oxy hoá hay còn gọi là ăn mòn kim loại (Hình 1.2).

| | Quá trinh xẩy ra tại catét

Khuech tan oxy qua 2e" + HạO + 1/505 —>> WOH, Kp be tong bảo ve

| TA) h Cathode ` | Fee CN có, i

Qua trỉnh xây ra : bóc Si TIN | Nước trong be tong

Hình 1.2: Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép[8] Đề ngăn ngừa sự ăn mòn và bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn người ta sử dung các phương pháp khác nhau như sử dụng các hợp kim bên, bảo vệ bề mặt băng chất phủ, phương pháp điện hóa trong đó phương pháp sử dụng silicafume dùng trong bê tông có cường độ cao, có độ chống thấm tốt và bền trong môi trường biển để chống ăn mòn cốt thép được ứng dụng nhiều trong các công trình ven biển

Kết quả nghiên cứu và khảo sát của Viện KHCN Xây dựng cho thấy quá trình ăn mòn cốt thép có thể bắt đầu ngay từ khi hàm lượng ion clorua xâm nhập vào miền bê tông cận cốt thép không lớn, khoảng 0,60 0,80 kg/m3 bê tông Do sản phẩm ăn mòn (gi sắt) nở thể tích 4 6 lần sẽ gây ứng suất làm nứt bê tông bảo vệ dọc theo các thanh cốt thép bị ăn mòn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập ngày cảng nhanh ion clorua vào bên trong bê tông, dân đên toc độ ăn mon cot thép phát triển mạnh và công trình xây dựng nhanh chóng bị phá hủy.

Van dé cải tiễn độ bên cho BTCT được thực hiện theo 2 cach:

Nghiên cứu tính chất của môi trường và xác định sự tác động của môi trường đến bê tông (BT) và cốt thép , đặc biệt là công trình BTCT.

Nghiên cứu cơ ché va động lực hoc ăn mon hay qua trình hu hại, va trên co sở đó dé ra phương pháp thiết kế dé cải thiện khả năng chống ăn mòn BT và

BTCT trong môi trường xâm thực mạnh.

Có nhiều khái niệm về độ bền của vật liệu xây dựng và kết cầu công trình. Độ bên có thé được định nghĩa là khả năng của vật liệu hay của kết cầu được chế tạo từ loại vật liệu này duy trì được sự làm việc thích hợp trong một khoảng thời gian được xác định theo tiêu chuẩn.

Can phải có các đơn vi do để xác định độ bền của vật liệu Độ bền cũng có thể được định nghĩa là “ thước đo” khả năng chống ăn mòn của vật liệu đối với sự thay đối lý hóa trong điều kiện sử dụng Định nghĩa này giúp lý giải những thí nghiệm độ bền kèm theo như là tiêu chuẩn được sử dụng để xác định sự ảnh hưởng của xâm thực đến tính chất của vật liệu và của kết cầu Khả năng chống ăn mòn hay độ bên của vật liệu có thé xác định chính xác thông qua thí nghiệm Tuy nhiên , thí nghiệm xác định độ bền có thể kéo dai rất lâu, và việc thúc đây nhanh thí nghiệm độ bền bang cách cải biến loại hay điều kiện mội trường xâm thực có thể làm thay đối cơ chế ăn mòn hay quá trình ăn mòn.

1.3 Tình hình nghiên cứu ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép trên thế giới và tại Việt Nam

1.3.1 Các công trình trên thế giới [2],[8],[12]

CƠ SỞ KHOA HỌC

Như các loài vật liệu khác, bê tông cốt thép cũng chiu tác động xâm thực cua môi trường xung quanh và phá hoại theo thời gian Nó làm suy giảm nhanh chóng tuôi thọ và chât lượng công trình, nhât là các công trình ở môi trường biên.

Việc chịu tác động xâm thực của môi trường xung quanh là nguyên nhân dẫn đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông Như ta đã biết thì cốt thép đóng một vai trò quan trọng cho sự bên vững của công trình Vì vậy ăn mòn cốt thép chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến phá hủy các công trình bê tông cốt thép (BTCT) xây dựng trong các môi trường xâm thực Do vậy việc hiểu và kiểm tra tình trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông là rất cần thiết và được xem là một trong những nội dung quan trọng của công tác nghiên cứu, kiểm định chất lượng kết cau bê tông cốt thép.

2.2 Ban chất điện hóa của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê téng[5],[7]

Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại phần lớn là do điện hóa trong tự nhiên và sự có mặt của hơi âm trên bề mặt của kim loại là điều cần thiết để cho quá trình ăn mòn xảy ra Cực anot và catot hình thành trên bề mặt của kim loại bị ăn mòn.

Sự phá hủy kim loại (oxy hóa anot ), hiện tượng các nguyên tử oxy hóa hòa tan vào trong dung dịch tạo thành anion hydrat , xuất hiện trong vùng anot Các electron tự do còn lại bám trên bề mặt của cốt thép va di chuyển về vùng catot của bề mat , tại nơi này chúng hấp thụ bởi các nguyên tử O2 hòa tan hay ion OH- ( giảm catot ) Dòng điện hình thành thông qua dung dịch chất điện phân có ion OH- dịch chuyên.

Sản phẩm ăn mòn là kết quả của quá trình thứ 2 do sự tương tác giữa ion hydrat và oxy Nếu chúng có khả năng hòa tan cao thì chúng dịch chuyển khỏi vị trí mà chúng hình thành Tuy nhiên , nếu chúng khó hòa tan (trường hợp này thường xảy ra đối với sản phẩm ăn mòn cốt thé ) thì sẽ kết tủa ngày trên bề mặt cốt thép tạo những lớp gỉ gồm có oxy sắt và hydroxyt sắt.

Vì vậy , điêu kiện cân cho quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra là :

Sự có mặt của các khu vực hoạt động trên bề mặt cốt thép mà ở đó sự phân hủy anot có thé diễn ra dễ dàng , ví dụ như sự chuyển hóa của các nguyên tử thành các ion hòa tan , diễn ra theo phan ứng sau :

Fe”! + 2e > Fe Sự có mặt của các hợp chat cần thiết để phản ứng catot xảy ra (giảm oxy)

Sự có mặt của điện cực dé các ion có thé dich chuyển giữa các anot và catot

Khả năng ăn mòn điện thế đặc trưng bởi sự khác nhau của các điện thế Nếu Pn và P, tương ứng cho các điện thé tại những điểm tiếp giáp trên bề mặt kim loại và chất điện phân trên, và nếu a và c tượng trưng cho anot và catot :

Suy ra (Pm — P,’) < (Pm — Py )

Hiệu số (Pm— Ps) thể hiện sự suy giảm của điện thế trong lớp điện cực đôi và được gọi là điện thế ( E ) Điện thé cục bộ ở anot luôn thấp hơn ở catot Điện thế thường được biểu thị tương ứng với điện cực đối chứng có điện cực là hăng số ( điện thé hydro tiêu chuẩn E=0.00V, CuSO4 E=+0.32V và caloment E

Hình 2.1 Mô hình biểu diễn sự ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép

2.3 Nhiệt động của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê téng[5],[7]

Phản ứng điện hóa với sự tham gia của 2 electron như sau: n,A+n,B=n,C+ngD

Khi nhiệt độ và áp suất không đối, cân bang điện thé như sau:

E=E.+(RT/zF)In ([A]®xIB]"9⁄4CI®xIDI*9) Trong đó : R; hăng số khí

T: nhiệt độ tuyệt đối F: hằng số Faraday E„ điện thế chuân của phản ứng

A: hoạt động của ion nạ số mol

Quá trình phản ứng tự sinh ra từ trái sang phải , nếu E E¿„ quá trình ở anot chiếm ưu thé ( ¡„ >l i, |) và khi E < E,, thì quá trình ở catot là quá trình chiếm ưu thé ( i„< l i, !)

Trong mỗi trường hop, electron được xem là phân cực Điện thé thay đổi có giá tri:

Na = E— Eeg ; Ne = Eea — E Sự phụ thuộc giữa qua thế và mật độ dòng điện có thể xác định băng thực nghiệm khi kiểm soát điện thế của kim loại thí nghiệm Đồ thị n— (i) được gọi là những đường cong phân cực Hình 2.4 mô tả đường cong phân cực của quá trình điện phân có tốc độ bị giới hạn do sự dịch chuyền điện tích, khi yn PmV , sự phụ thuộc giữa quá thế và mật độ dòng điện theo phương trình Tafel băng :

Na = balog(ia/io) ; Ne = belog(ic/io) Trong do hé số Tafel b„ và b„ là những hăng số phản ứng tại nhiệt độ xác định.

Hình 2.4 cho thay các đường cong phân cực của những quá trình điện cực như :

Khi tốc độ phản ứng catot bị hạn chế bởi sự dịch chuyển khối của phản ứng trong quá trình chúng khếch tán đến bề mặt điện cực ( còn gọi là nông độ phân cực), ở quá thế Nc có giá trị cao, mật độ dòng điện catot 1, xấp xi bang gia tri gidi han i, (giá tri này tùy thuộc vào nhiệt độ , khuấy trộn dung dịch ) Phương trình có dạng như sau : Nc = const log( — 1¿/1r)

Hình 2.3 Duong cong phân cực của qua trình điện phân

Hình 2.4 Đường cong phân cực của quá trình điện cực bị giới hạn bởi sự khuếch tán oxy đến catốt

KÉT QUÁ THỰC NGHIỆM

4.1 Nghiên cứu ảnh hướng của lớp bê tông bảo vệ và tỉ lệ nước/ xi măng đến kha năng ăn mòn cốt thép trong bê tông mác 300, NaCl 10%. Đề đánh giá ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ đến khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông tác giả đã đúc mẫu bê tông cốt thép (kích thước là 10x10x20 em) bên trong có đặt 2 thanh thép dài 40 cm là phi 8 và phi 10 với lớp bảo vệ lần lượt là 3 em và 5 cm với 3 tỉ lệ N/X khác nhau là 0.41; 0.5 và 0.62 Sau đó mẫu được dưỡng hộ trong nước tự nhiên sau 28 ngày để bê tông rắn chắc rồi được dưỡng hộ trong môi trường NaCl 10% theo chu kì khô ấm ( sấy khô 1 ngày va ngâm trong 2 ngày) Sau thời gian 5 chu kỳ ( 15 ngày) 10 chu ky (30ngay), 15 chu ky (45 ngày),

20 chu kỳ(60 ngày và 25 chu kỳ (75 ngày) tác giả đem mẫu đo điện thế ăn mòn theo tiêu chuan ASTM C876 và TCVN 9348-2012

Sau khi đo tác giả đã lập được các bảng số liệu như sau:

Bảng 4.1 Giá trị điện thế với tỉ lệ N/X và chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau

Kí Duong | Tỉ lệ Lớp bê Gia trị điện Gia trị điện Gia tri điện | Giá trị điện | Giá trị điện hiệu kính | N/X tông | thế sauthời | thế sau thời | thé sau thời | thé sau thời | thé sau thời mẫu cốt bảo vệ gian dưỡng | glandưỡng | gian dưỡng | gian dưỡng | gian dưỡng thép (cm) hộ hộ hộ hộ hộ

(15 ngày) (30 ngày) (45 ngày) (60 ngày) (75 ngày) mV mV mV mV mV

Thời gian dưỡng hộ (ngày)

300 | —ti le N/X=0.41 (3cm) co —m—ti le N/X=0.41 (5cm)

‹@ằ- = 500 | ——ti : ~ le N/X=0.5 (5cm) ° —t< tile N/X=0.62 (3cm)

Hình 4.1 Giá trị điện thé với tỉ lệ N/X và chiều dày lớp bê tông bao vệ khác nhau

Phõn tớch và đỏnh ứiỏ kết quả:

Kết quả từ bảng số liệu cho thấy: khi tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ đến

5em và với ti lệ N/X=0.41va 0.5 thì sau 10 chu ky (30ngày) dưỡng hộ, giá tri điện thế đo được > -350 mV nên chưa chắc chắn được khả năng ăn mòn cốt thép Nhưng với tỉ lệ N/X = 0.62 và lớp bê tông bảo vệ là 5 cm thì sau 10 chu kỳ (30 ngày dưỡng hộ cốt thép đã đánh giá được khả năng ăn mòn trên 90% Nhưng giá trị điện thế ăn mòn tiên dân về 0 hơn so với mâu bê tông có lớp bảo vệ là 3cm. ứ Chiờu day lớp BT bao vệ 3 cm m Chieu day lớp BT bao vệ 5 cm

Gia tri diộn the (-mV) N +ằS f=)oO â

MIA3 MIB3 MIC3 M2A3 M2B3 M2C3 MIAS MIBS MICS M2AS M2BS M2CS

Hình 4.2 Biéu đồ so sánh giá trị điện thế (-mV) ở thời gian 60 ngày với chiều day lớp bê tông 3em va 5 em.

Qua khảo sát ta thấy khi lượng nước tăng, tương ứng tỉ lệ N/X tăng từ 0.41-0,62 thì điện thế ăn mòn đo được ngày càng tăng lên từ -644mV đến -723 mV.

Khi lượng nước ít thì bê tông càng đặc chắc, bảo vệ cốt thép làm cho khả năng ăn mòn cảng ít hơn Ngược lại khi tỉ lệ N/X tăng đến 0,62 thì bê tông có nhiều lỗ rỗng chất lượng bê tông kém, khả năng chống xâm thực của bê tông giảm đáng kể Vì vậy trong quá trình thi công bê tông cốt thép cho công trình can phải kiểm soát lượng nước cho Im? bê tông cũng như độ sụt của hỗn hợp bê tông dé đảm bảo việc bảo vệ ăn mòn cốt thép của bê tông.

Dựa vào biểu đồ hình 4.2, sau 20 chu kỳ dưỡng hộ khô âm với lớp bê tông bảo vệ là 3cm và 5cm thì gia trị điện thế của các mẫu thí nghiệm