Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA BÊ TÔNG VÀ ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG ĐẾN ĐẶC TÍNH ANỐT CỦA LỚP KẼM PHUN TRÊN BÊ TÔNG" pot

ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA BÊ TÔNG VÀ ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG ĐẾN ĐẶC TÍNH ANỐT CỦA LỚP KẼM PHUN TRÊN BÊ TÔNG ThS. BÙI THỊ THANH HUYỀN TS. HOÀNG THỊ BÍCH THỦY Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TS. LÊ THU QUÝ Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 1. Đặt vấn đề Sự hư hại các công trình bê tông cốt thép ở vùng biển hoặc trong môi trường biển chủ yếu là do cốt thép bị ăn mòn dưới tác động của ion clo xâm nhập từ môi trường biển vào trong bê tông. Vùng gây ăn mòn mạnh nhất đối với cốt thép là vùng nước toé và vùng nước lên xuống. Hiện nay, việc chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông ở nước ta được thực hiện theo hướng dẫn của TCXDVN 327:2004 trong đó có chỉ định phương pháp bảo vệ catốt. Lớp kẽm phun trên bê tông có khả năng ứng dụng làm anốt trong hệ bảo vệ catốt để chống ăn mòn cho các công trình biển Việt Nam. Bài báo này trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của bê tông có trộn phụ gia siêu mịn silicafum hoặc phụ gia ức chế canxinitrit cũng như ảnh hưởng của độ ẩm môi trường (vùng ngập nước) đến tính chất của lớp kẽm phun trên bê tông dùng làm anốt trong hệ bảo vệ catốt. 2. Thực nghiệm a) Mẫu bê tông phun kẽm Mẫu bê tông cốt thép gồm 2 loại: - S (Bê tông có phụ gia siêu mịn PP1 với hàm lượng 5% khối lượng xi măng và siêu dẻo R4 với tỉ lệ 0,8l/100kg xi măng). - C (Bê tông có phụ gia ức chế canxinitrit với hàm lượng 2% khối lượng xi măng). Cốt thép là thép  8 có diện tích bề mặt làm việc là 10cm 2 . Lớp kẽm được phun lên bề mặt bê tông với diện tích 12 cm 2 và chiều dày 400 mm, sau đó được hàn dây dẫn điện. Chi tiết về tạo mẫu bê tông và lớp kẽm phun đã được trình bày trong tài liệu [3]. b) Điều kiện thí nghiệm Các chế độ thí nghiệm như sau: - Mẫu bê tông ngập 0,5 cm trong dung dịch để mô phỏng vùng nước toé. Anốt kẽm phun ở mặt trên của bê tông, không tiếp xúc với dung dịch và có độ ẩm nhỏ. - Mẫu bê tông ngập chu kỳ 20h khô - 4h ướt trong dung dịch để mô phỏng cho vùng thuỷ triều. Anốt kẽm cũng ngập chu kỳ trong dung dịch như mẫu bê tông. Dung dịch nghiên cứu là nước biển nhân tạo (NBNT) có tổng hàm lượng muối là 3,5%. Lớp kẽm phun được để ăn mòn tự nhiên và được phân cực anốt trong hệ bảo vệ catốt bằng dòng ngoài với các mật độ dòng anốt là 2, 5, 10 mA/m 2 . c) Phương pháp nghiên cứu - Điện thế hở mạch và điện thế làm việc của lớp kẽm phun được đo so với điện cực so sánh bạc clorua theo thời gian bằng vôn kế. - Tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun được xác định thông qua phép đo điện trở phân cực bằng phương pháp phân cực tuyến tính trên máy đo Multicorr đã được cài đặt sẵn phần mềm tính toán của hãng CorrOcean, Nauy. - Sản phẩm hòa tan anốt trên bề mặt ngoài của lớp kẽm phun được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị XPert PRO, hãng PANanalytical, tập đoàn Philip. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Đặc tính điện hóa của lớp kẽm phun trên bê tông khi hở mạch Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia bê tông và độ ẩm môi trường đến tính chất của lớp kẽm phun trên bê tông khi hở mạch được thực hiện thông qua khảo sát điện thế hở mạch và dòng tự hòa tan của lớp kẽm phun trên bê tông ở các chế độ ngập nước khác nhau trong NBNT. Trên hình 1 là biến thiên điện thế hở mạch của các lớp kẽm phun trên bê tông trong môi trường NBNT theo thời gian, điện thế của các mẫu ngập chu kỳ được đo ở cuối thời gian ngập nước. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 Thời gian (ngày) E (-mV.vs Ag/AgCl) Mẫu C ngập 0,5 cm Mẫu C ngập chu kỳ Mẫu S ngập 0,5 cm Mẫu S ngập chu kỳ Hình 1. Sự biến thiên điện thế hở mạch của các lớp kẽm phun trên bê tông theo thời gian ở các chế độ ngập nước khác nhau Từ hình 1 ta thấy, điện thế hở mạch của lớp kẽm phun trong điều kiện ngập chu kỳ (cả mẫu S và C) khá ổn định theo thời gian, có giá trị từ -950 đến -1020 mV so với điện cực bạc clorua và hầu như không có sự khác nhau đáng kể về giá trị điện thế của lớp kẽm phun trên hai loại mẫu. Giá trị này cũng tương tự như trong trường hợp mẫu bê tông không có phụ gia hay ức chế [3]. Ở chế độ ngập 0,5cm thì điện thế hở mạch của các mẫu kém ổn định hơn và dương hơn nhiều so với các mẫu ngập chu kỳ. Ngoài ra còn thấy sự khác biệt rõ về điện thế của lớp kẽm phun giữa các mẫu bê tông loại C và loại S. Điện thế hở mạch của mẫu loại S (từ -525 đến -700 mV) âm hơn của mẫu loại C (từ -420 đến -500 mV). Điều này có thể do ảnh hưởng của thành phần bê tông đối với quá trình ăn mòn kẽm trên bê tông ở chế độ này. Giá trị điện thế của các lớp kẽm phun đều nằm trong vùng ăn mòn theo giản đồ E-pH của kẽm. Kết quả về tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun trên bê tông ở các trường hợp ngập nước khác nhau được thể hiện trong bảng 1. Qua theo dõi cho thấy, tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun ở những tuần đầu có giá trị lớn hơn, sau đó giảm dần và ổn định theo thời gian ở những tuần sau. Bảng 1. Tốc độ tự hòa tan của kẽm phun trên các loại bê tông ở các chế độ ngập nước khác nhau m m/năm) Ngập chu kỳ Chế độ thí nghiệm Loại mẫu Giai đoạn khô Giai đoạn ướt Ngập 0,5 cm Các mẫu C 8,89  17,78 127  203,2 4,57  5,59 Các mẫu S 5,08  7,62 38,1  76,2 2,54  6,35 Tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm trên các loại bê tông có giá trị khác nhau nhiều và ở giai đoạn ướt thường lớn gấp nhiều lần ở giai đoạn khô của chu kỳ. Tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm trên mẫu C lớn hơn trên các mẫu S trong trường hợp ngập chu kỳ, nhưng cả hai trường hợp đều có tốc độ nhỏ hơn nhiều so với lớp kẽm phun trên bê tông thường [3]. Tốc độ tự hòa tan của hai loại mẫu ở chế độ ngập 0,5 cm là gần như nhau và thấp hơn đáng kể so với ở chế độ ngập chu kỳ. Số liệu thu được về điện thế hở mạch và tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun trên bê tông có phụ gia siêu mịn (mẫu S) và phụ gia ức chế (mẫu C) ở các chế độ ngập nước khác nhau cho thấy các thông số này chịu ảnh hưởng bởi độ ẩm mạnh hơn là thành phần bê tông. Điều này cũng tương hợp với nghiên cứu của tác giả K.Videm cho rằng độ ẩm có ảnh hưởng nhiều tới tính chất điện hoá của kẽm trong vữa xi măng: khi mức ẩm môi trường càng cao thì vữa được bão hòa nước càng nhiều, điện thế ăn mòn âm hơn và tốc độ ăn mòn cũng lớn hơn [4]. Như vậy, chế độ ngập nước (độ ẩm) có ảnh hưởng lớn đến điện thế hở mạch và tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun. Khi độ ẩm càng cao thì điện thế hở mạch càng âm và tốc độ tự hòa tan càng lớn. Phụ gia, ức chế trong bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị và độ ổn định của điện thế nhưng ảnh hưởng khá rõ đến tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun ở chế độ ngập chu kỳ. Ở chế độ ngập 0,5 cm thì các loại phụ gia này không ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ tự hòa tan nhưng có ảnh hưởng đến điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông, điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông có ức chế dương hơn trên bê tông có phụ gia ở chế độ này. 3.2. Đặc tính anốt của lớp kẽm phun trong hệ bảo vệ catốt cho cốt thép trong bê tông Đặc tính anốt của lớp kẽm phun trong hệ bảo vệ catốt cho cốt thép trong bê tông được nghiên cứu khi áp dòng anốt cho lớp kẽm phun. Mật độ dòng hoạt động của kẽm phun trong thực tế sử dụng khác nhau tùy thuộc vào vị trí và tính chất của mỗi công trình. Mật độ dòng anốt thường thấy là 2,2 mA/m 2 và có giá trị trung bình trong điều kiện môi trường ăn mòn khắc nghiệt là 11 mA/m 2 [5,6,7]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn các mật độ dòng anốt áp vào kẽm phun là 2, 5 và 10 mA/m 2 với hai chế độ làm việc của bê tông trong môi trường NBNT là ngập chu kỳ và ngập 0,5cm. Ảnh hưởng của chế độ ngập nước và phụ gia bê tông đến đặc tính của anốt lớp kẽm phun được thấy khi so sánh điện thế làm việc theo thời gian của các anốt kẽm phun ở cùng mật độ dòng anốt và ở các chế độ ngập nước khác nhau. Đồ thị biến thiên điện thế làm việc của các anốt kẽm phun trên bê tông có ức chế và phụ gia làm việc trong dung dịch NBNT ở mật độ dòng anốt 5mA/m 2 theo thời gian được đưa ra trên hình 2. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian (ngày) E (-mV vs. Ag/AgCl)) Mẫu C ngập chu kỳ Mẫu C ngập 0,5 cm Mẫu S ngập chu kỳ Mẫu S ngập 0,5cm Hình 2. Sự biến thiên điện thế làm việc của các anốt kẽm phun trên bê tông theo thời gian ở các chế độ ngập nước khác nhau Hình 2 cho thấy, điện thế làm việc của anốt kẽm phun khá ổn định theo thời gian. Đối với bê tông ở chế độ ngập chu kỳ, điện thế làm việc của lớp kẽm phun có giá trị khoảng -920 mV đến -960 mV, không thấy có sự khác nhau đáng kể về điện thế làm việc của lớp kẽm phun trên bê tông có phụ gia hay ức chế. Còn đối với bê tông ngập 0,5cm, điện thế làm việc có giá trị dương hơn so với ở chế độ ngập chu kỳ và có sự khác nhau đáng kể giữa các lớp kẽm phun trên bê tông có ức chế (từ -350 mV đến -500 mV) và trên bê tông có phụ gia (-600 mV đến -800 mV). Điện thế làm việc của anốt trong trường hợp bê tông có ức chế dương hơn khoảng 300 mV so với trường hợp dùng phụ gia có thể do canxi nitrit cũng có tác dụng ức chế đối với quá trình hòa tan kẽm phun trên bê tông. Như vậy, chế độ ngập nước có ảnh hưởng nhiều đến điện thế làm việc của anốt lớp kẽm phun trên bê tông. Giá trị và độ ổn định của điện thế làm việc của lớp kẽm phun trên bê tông ngập chu kỳ không chịu ảnh hưởng của loại bê tông (có phụ gia hay ức chế). Khi độ ẩm nhỏ (chế độ ngập 0,5cm) thì điện thế có giá trị dương hơn và điện thế làm việc của lớp kẽm phun trên bê tông có ức chế dương hơn trên bê tông có phụ gia ở chế độ này. Ảnh hưởng của mật độ dòng áp vào đến điện thế làm việc của anốt lớp kẽm phun trên bê tông được nghiên cứu thông qua điện thế làm việc của anốt ở các mật độ dòng khác nhau theo thời gian. Trên hình 3 là đồ thị sự biến thiên điện thế làm việc của các anốt kẽm phun trên bê tông có ức chế ngập chu kỳ trong NBNT theo mật độ dòng anốt ở các thời gian khác nhau. 800 900 1000 0 2 4 6 8 10 12 i (mA/m 2 ) E (-mV vs. Ag/AgCl) 1 ngày 2 ngày 4 ngày 7 ngày 14 ngày 21 ngày 28 ngày 42 ngày 49 ngày 56 ngày 70 ngày Hình 3. Sự biến thiên điện thế làm việc của lớp kẽm phun trên bê tông ngập chu kỳ theo mật độ dòng anốt ở các thời gian khác nhau Ta thấy, điện thế làm việc của anốt kẽm phun trong dung dịch NBNT khá ổn định theo thời gian và có giá trị từ -920 mV đến -970 mV so với điện cực bạc clorua. Khi mật độ dòng anốt tăng từ 2 đến 5 và 10 mA/m 2 thì điện thế làm việc của anốt dịch chuyển về phía âm ít (khoảng 5  25 mV), điều đó cho thấy độ phân cực của anốt kẽm phun nhỏ. Điều này cũng tương đồng với nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của tác giả R. Brousseau và cộng sự khi nghiên cứu tính chất của anốt kẽm phun trong phương pháp bảo vệ catốt bằng dòng ngoài với mật độ dòng anốt là 2 và 10 mA/m 2 [8]. Theo các tác giả này, điện thế làm việc của anốt ở mật độ dòng 10 mA/m 2 âm hơn và thất thường hơn ở mật độ dòng 2 mA/m 2 . Bên cạnh các thông số điện hóa thì sự hình thành sản phẩm hòa tan anốt trên bề mặt kẽm phun là yếu tố cần được quan tâm để đánh giá mức độ làm việc của anốt. Sự hình thành sản phẩm hoà tan anốt xảy ra ở cả trên bề mặt kẽm và ở mặt phân chia giữa anốt và bê tông. Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của loại bê tông (ức chế, phụ gia) và độ ẩm môi trường hay chế độ ngập nước đến sự hình thành sản phẩm hoà tan anốt trên bề mặt kẽm. Thành phần của sản phẩm hoà tan anốt trên bề mặt ngoài của lớp kẽm phun trên bê tông làm việc ở các chế độ khác nhau được phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X. Kết quả phân tích phổ cho thấy, trong thành phần của sản phẩm hoà tan anốt trên bề mặt kẽm phun không có mặt của chất phụ gia hay ức chế trong bê tông. Điều này có thể do phụ gia và ức chế tiết ra môi trường nhưng với lượng nhỏ [1,2], vì thế mà không thấy xuất hiện trên phổ. Trên hình 4 (a) và (b) đưa ra phổ nhiễu xạ tia X của lớp kẽm phun trên bê tông có phụ gia làm việc ở các chế độ ngập nước khác nhau, cho thấy ion chính tham gia trong thành phần của sản phẩm là Cl - và SO 4 2- . Ở chế độ ngập chu kỳ, ion SO 4 2- tham gia nhiều trong thành phần hơn Cl - . Thành phần sản phẩm của lớp kẽm phun trên bê tông ở chế độ này gồm Zn 12 (SO 4 ) 3 Cl 3 (OH) 15 .5H 2 O có cấu trúc tinh thể lục phương (thành phần chính), ZnO và Zn 4 O 3 (SO 4 ).7H 2 O. Hình 4. Phổ nhiễu xạ tia X của lớp kẽm phun trên bê tông ở chế độ ngập chu kỳ (a) và ngập 0,5 cm (b) ( a ) (b) Trong khi đó, ở chế độ ngập 0,5cm ion SO 4 2- tham gia ít hơn và sản phẩm chính là Zn 5 (OH) 8 Cl 2 .H 2 O (simokoleit), giống như sản phẩm ăn mòn lớp kẽm nhúng và kẽm phun trên thép trong môi trường khí quyển ven biển [9]. Ngoài ra còn có các thành phần khác như Zn 4 SO 4 (OH) 6 .H 2 O, 4ZnO.ZnCl 2 .xH 2 O và Zn(ClO 4 ) 2 .6H 2 O. Sự tồn tại các hợp chất Zn 5 (OH) 8 Cl 2 .H 2 O và Zn 4 SO 4 (OH) 6 .H 2 O ở đây cũng được thấy là giống như kết quả thu được từ phòng thí nghiệm và từ thực tế các công trình cầu ven biển ở Mỹ của tác giả G. R. Holcomb và cộng sự [5,10]. Điều này có thể do lớp kẽm phun trong các môi trường này đều làm việc ở điều kiện tiếp xúc trực tiếp và liên tục với không khí biển nên có thành phần chính là giống nhau. Như vậy, thành phần sản phẩm hòa tan anốt lớp kẽm phun trên bề mặt bê tông chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi độ ẩm mà không chịu ảnh hưởng bởi chất ức chế và phụ gia bê tông. 4. Kết luận Qua các nghiên cứu trên chúng tôi rút ra một số kết luận sau: - Chế độ ngập nước (độ ẩm) có ảnh hưởng nhiều đến điện thế hở mạch, điện thế làm việc và tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun. Khi độ ẩm càng cao thì điện thế càng âm và tốc độ tự hòa tan càng lớn; - Phụ gia, ức chế trong bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị và độ ổn định của điện thế nhưng ảnh hưởng khá rõ đến tốc độ tự hòa tan của lớp kẽm phun ở chế độ ngập chu kỳ. Ở chế độ ngập 0,5 cm thì các loại phụ gia này không ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ tự hòa tan nhưng có ảnh hưởng đến điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông và điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông có ức chế dương hơn trên bê tông có phụ gia ở chế độ này; - Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, anốt kẽm phun có thể dùng kết hợp được với bê tông có phụ gia và ức chế, độ phân cực anốt nhỏ; - Thành phần sản phẩm của quá trình hoà tan anốt trên bề mặt kẽm chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi chế độ ngập nước (độ ẩm) mà không chịu ảnh hưởng đáng kể của chất phụ gia hay ức chế trong bê tông. Lời cảm ơn : Công trình được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của Dự án hợp tác đại học -VLIR (VLIR UOS) thông qua đề tài AP06\Prj3\Nr08. Các tác giả xin chân thành cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PHẠM VĂN KHOAN, TRẦN NAM. Giải pháp chống ăn mòn và bảo vệ cốt thép chịu tác động xâm thực clo trong môi trường biển. Tạp chí KHCN Xây dựng, số 1/2004. 2. NGUYỄN NAM THẮNG. Nghiên cứu ứng dụng canxi nitrit làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép trong điều kiện Việt Nam. Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Viện KHCN Xây dựng, Hà Nội, 2007. 3. BÙI THỊ THANH HUYỀN, HOÀNG THỊ BÍCH THỦY, LÊ THU QUÝ. Nghiên cứu sự làm việc của hệ anôt bằng lớp kẽm phun trên bề mặt bê tông trong hệ thống bảo vệ catôt. Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3/2008. 4. K. VIDEM. Corrosion and electrochemistry of zinc in alkaline solution and in cement mortar. pp. 10-25. European Federation of Corrosion Publications (38), 2007. 5. G.R. HOLCOMB, BERNARD S. COVINO, JR., STEPHEN D. CRAMER, SOPHIE J. BULLARD, GALEN E. MCGILL. Thermal-Spray Coatings for Coastal Infrastructure. Oregon Department of Transportation, 2950 State Street, Salem, OR 97310. 6. S.J. BULLARD, S.D.CRAMER, B.S. COVINO, JR., G.R. HOLCOMB, and J.H. RUSSELL. Cathodic protection of The Yaquina Bay Bridge. DOE/ARC-2001-034, 2001. 7. DAE-KYEONG KIM, J.D.SCANTLEBURY, SRINIVASAN MURALIDHARAN, TAE-HYUN HA, JEONG-HYO BAE, YOON-CHEOL HA and HYUN-GOO LEE. Overview of cathodic protection of reinforced concrete structures by means of thermally sprayed zinc layers - a proven CP system. Journal of Corrosion Science and Engineering, Volume 9, Paper 11, 2004. 8. R. BROUSSEAU, M. ARNOTT, and B. BALDOCK. Laboratory Performance of Zinc Anodes for Impressed Current Cathodic Protection of Reinforced Concrete. Corrosion Engineering, Vol 51(8), pp. 639-644, 1995. 9. LÊ THỊ HỒNG LIÊN. Trạng thái ăn mòn khí quyển các lớp phủ kẽm trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam. Tuyển tập các công trình khoa học hội nghị toàn quốc lần thứ 2, “Ăn mòn và Bảo vệ kim loại với hội nhập kinh tế”, pp. 22-35, 2007. 10. G.R. HOLCOMB, S.J. BULLARD, B.S. COVINO, JR., S.D. CRAMER, C.B. CRYER, and G.E. MCGILL. Electrochemical Aging of Thermal-Sprayed Zinc Anodes on Concrete. DOE/ARC-97-001, 1997. . quả và thảo luận 3.1. Đặc tính điện hóa của lớp kẽm phun trên bê tông khi hở mạch Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia bê tông và độ ẩm môi trường đến tính chất của lớp kẽm phun trên bê tông. có ảnh hưởng đến điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông, điện thế của lớp kẽm phun trên bê tông có ức chế dương hơn trên bê tông có phụ gia ở chế độ này. 3.2. Đặc tính anốt của lớp kẽm phun. ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA BÊ TÔNG VÀ ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG ĐẾN ĐẶC TÍNH ANỐT CỦA LỚP KẼM PHUN TRÊN BÊ TÔNG ThS. BÙI THỊ THANH HUYỀN TS. HOÀNG THỊ BÍCH THỦY Trường Đại học Bách khoa Hà Nội