ăn mòn thép trong kết cấu bê tông
Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ hai về Sự cố và h hỏng công trình Xây dựng ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép vùng biển miền trung việt nam ABRASION OF REINFORCEMENT IN THE REINFORCED CONCRETE IN THE MIDDLE SEA OF VIETNAM KS. Lê Ngọc Quang ThS. Nguyễn Huy Quang Công ty t vấn công nghệ thiết bị và kiểm định xây dựng ABSTRACT: This presentation refers to some problems in regards of the abrasion of reinforcement in reinforced concrete structure under sea environmental effects of middle sea in Vietnam basing on the survey and inspection results of several actual projects. The conclusions and solutions are taken here from to propose reasonable technical prevention solutions for the basic civil construction and also economical activities with purpose of exploitation in the coastal areas of middle sea in Vietnam. 1. Đặt vấn đề Với nhiều lợi thế về địa lý, tự nhiên và xã hội phù hợp cho sự hoạch định phát triển kinh tế các vùng lãnh thổ ven biển của cả nớc nói chung và miền trung nói riêng đang đợc u tiên tập trung đầu t xây dựng các khu kinh tế nh công nghiệp, du lịch, đô thị Tuy nhiên, vấn đề giảm tuổi thọ công trình xây dựng ở những vùng này do ảnh hởng của các yếu tố môi trờng tự nhiên đang đặt ra cho các nhà thiết kế và thi công xây dựng một bài toán khá hóc búa. Vì hiện nay cha có đợc tiêu chuẩn hay qui phạm thiết kế và thi công thích hợp và dành riêng đối với điều kiện môi trờng. Chính vì vậy, việc nghiên cứu thực trạng các công trình đã có, đánh giá nguyên nhân, phân tích thực tiễn rút ra những kinh nghiệm và đề xuất các giải pháp nhằm khắc phục và giảm thiểu các thiệt hại là hết sức cần thiết. 2. Tính chất xâm thực của môi trờng Đặc điểm chung của khí hậu nớc ta là nhiệt đới ẩm, gió mùa, nhiều nắng và ma. Riêng vùng ven biển trong khí quyển thờng còn lẫn các tạp chất mang tính xâm thực tới kết cấu bê tông cốt thép nh Cl, SO 3 , CO 2 trong đó đặc biệt là Clo [3,4]. Một số đặc tr ng của môi trờng vùng biển miền trung nớc ta nh sau: Nớc biển: có chứa các muối mang tính xâm thực bê tông và bê tông cốt thép: NaCl 2,7%, MgCl 2 0,32%, MgSO 4 0,22%, CaSO 4 - 0,13%, KHCO 3 0,02%. Khí quyển biển: + Lợng muối clorua phan tán cao, giảm dần theo chiều cao và theo chiều sâu vào đất liền, giảm mạnh ở cự ly 100 mét cách bờ biển. + ảnh hởng của khí quyển biển lan rộng trên 10 km. + Đặc trng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm (bảng 1). + Khí quyển biển gây ẩm ớt bề mặt. Bảng 1. Tính chất môi trờng khí quyển ven biển miền trung Việt Nam Địa điểm Dao động nhiệt độ, o C Độ ẩm trung bình, % Lợng ma trung bình, mm Số ngày sơng mù, ngày Tốc độ ăn mòn thép CT3,g/m 2 .năm Lợng muối (Cl - ) sa lắng mg/m 2 .ngày Vinh 17,6-29,6 85 1994,3 26,8 309,6 0,6-1,0 Đà Nẵng 21,3-29,1 85 2041,5 3,3 382,1 8-40 Nha trang 23,8-28,4 82 1358,9 0,3 409,4 10-50 Ngoài các tác động thờng xuyên nh nhiệt độ, độ ẩm cao, lợng Clo lớn thì một trong những nét đặc trng của khí hậu miền trung Việt Nam là tác động theo chu kỳ khô - ẩm và nhiều gió, bão. Trong mùa Đông, thờng xen kẽ các đợt gió mùa Đông Bắc, kéo theo thời tiết hanh khô với các đợt ma phùn độ ẩm cao. Về mùa hè, trời nắng nóng làm nớc bốc hơi nhanh nhng lại có các đợt ma rào thấm ớt đột ngột. Các tác động trên gây nên quá trình khô ẩm bề mặt kết cấu và khuếch đại tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực. Ngoài ra các đợt gió, bão cũng đa lợng muối lớn vào đất liền. Nh vậy, khí quyển ven biển miền trung Việt Nam với độ ẩm và nhiệt độ cao, lợng muối lớn kèm theo các thay đổi chu kỳ khô ẩm và gió bão mạnh tiềm ẩn khả năng xâm thực mạnh tới kết cấu bê tông cốt thép [4]. 3. cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo hai giai đoạn chính (xem hình 1) [5]. Giai đoạn t 1 là khoảng thời gian các nhân tố ảnh hởng thâm nhập vào bên trong bê tông cho đến khi mức độ ăn mòn bắt đầu xảy ra và giai đoạn t 2 là khoảng thời gian mà sự ăn mòn xảy ra mạnh mẽ cho đến khi cốt thép bị h hại đáng kể. Hình 1. Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông Trong bê tông, thông thờng cốt thép đợc bảo vệ bằng một lớp ô xít thụ động. Lớp ô xít sắt này đợc tạo trên bề mặt cốt thép bền vững trong môi trờng kiềm. Có hai cơ chế chủ yếu phá huỷ lớp ô xít bảo vệ dẫn đến ăn mòn cốt thép [2]. Độ rỉ Tốc độ rỉ Thời gian Ngưỡng hư hại cốt thép t 1 t 2 - Các bonat hoá hoặc rửa trôi làm giảm độ pH của bê tông. - Xâm nhập Clo. 3.1. Quá trình Cácbonat hoá Khí CO 2 trong khí quyển thấm nhập qua các vết nứt và qua lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH) 2 có trong bê tông, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép. Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp ngày càng phát triển rộng trong bê tông theo chiều sâu. Khi nồng độ pH 8 và vùng này tiếp xúc với cốt thép, lớp ô xít bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn. Tốc độ cácbonat hoá đợc xác định bằng biểu thức sau: tkc . = (1) Trong đó: c chiều sâu cácbonat hoá t thời gian k hệ số cácbonat hoá, phụ thuộc vào chất lợng bê tông k < 3mm/(năm) 0,5 bê tông tốt k > 6mm/(năm) 0,5 bê tông xấu Các yếu tố cơ bản ảnh hởng đến mức độ các bonat hoá: - Chất lợng bê tông ( xốp, đặc chắc) - Độ ẩm ớt của bê tông: mức độ các bonat hoá mạnh nhất ở trong khoảng độ ẩm từ 50ữ70% 3.2. Quá trình xâm nhập clo Trong môi trờng kiềm, màng ô xít bảo vệ xung quanh cốt thép có thể bị phá huỷ do tác động của clo. Trong bê tông clo có thể đến theo hai giai đoạn: 3.2.1. Trong giai đoạn thi công: - Clo có trong nớc sử dụng trộn bê tông. - Clo có trong cốt liệu. 3.2.2. Trong giai đoạn sau thi công: Clo xâm nhập từ môi trờng bên ngoài vào - Clo có trong nớc biển, vùng lân cận thuỷ triều. - Clo có trong khí quyển. - Clo có trong các mạch nớc ngầm hoặc trong nớc sông nhận chất thải từ các khu công nghiệp. Sự ăn mòn bắt đầu khi có một lợng clo nhỏ nhất xâm nhập vào vùng có cốt thép. ở đây gọi là ngỡng ăn mòn và đợc coi nh vào khoảng 0,06% trọng lợng mẫu bê tông. Mức độ có thể lớn 10-15 lần hàm lợng ban đầu, tốc độ thẩm thấu của clo có khác nhau giữa các vùng. 4. phơng pháp đánh giá ăn mòn cốt thép trong bê tông 4.1. Xác định khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông Có nhiều phơng pháp để xác định khả năng xảy ra ăn mòn cốt thép trong bê tông, nh: xác định chiều sâu nhiễm các bon, xác định sự xâm nhập của clo, đo điện trở của bê tông và đo điện thế của bê tông. ở đây sử dụng phơng pháp đo điện thế của bê tông. 4.1.1.Cơ sở: Phơng pháp này dựa trên bản chất ăn mòn điện hoá của cốt thép. Ban đầu độ kiềm pH trong bê tông có trị số 12,5ữ13,0. Môi trờng này tạo nên 1 lớp ô xít sắt trên bề mặt cốt thép. Lớp ô xít ban đầu này có độ đặc chắc cao, ngăn cản không cho quá trình ăn mòn phát triển, đợc gọi là màng bảo vệ thụ động của cốt thép. Nhng trong quá trình khai thác, cùng với thời gian độ pH trong bê tông giảm xuống dới 11, đồng thời các ion xâm thực, đặc biệt là Cl - tấn công vào cốt thép. Khi 1 điểm của màng bảo vệ thụ động bị phá vỡ nó tạo thành 1 anod và đồng thời tạo ra dòng điện ion giữa anod và katod. Từ việc đo điện thế bề mặt bê tông xây dựng đợc bản đồ điện thế cho phép đánh giá khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông [2]. 4.1.2. Trình tự: - Xác định vị trí cốt thép, nối cốt thép với von kế, vôn kế nối với điện cực Cu-CuSO 4 . - Di chuyển điện cực trên bề mặt bê tông dọc theo vị trí cốt thép và ghi số hiện trên màn hình vôn kế. 4.1.3. Xử lý số liệu: So sánh giá trị điện thế đo đợc với bảng tiêu chuẩn để đánh giá ( bảng 2) Bảng 2. Bảng tiêu chuẩn đánh giá khả năng ăn mòn cốt thép Điện thế Khả năng ăn mòn + Lớn hơn 200mV 5% + Từ -200mV đến -350mV 50% + Nhỏ hơn -350 mV 95% 4.2. Đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép trong bê tông Để đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép, sử dụng thiết bị nội soi quang học. Sau khi xác định vị trí cốt thép và chiều dày lớp bảo vệ bằng thiết bị Proformetter, ngời ta khoan một lỗ đờng kính 10 mm đến cốt thép và luồn dây quang học để xem và chụp ảnh (với độ phóng đại gấp 10 lần). Căn cứ vào ảnh thu đợc sẽ tiến hành phân loại. 5. thực trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông ở một số công trình ven biển miền trung 5.1. Nhà điều hành ga Vinh Nghệ An Xây dựng và hoàn thành năm 1982, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm. Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 7.000 mét. Khảo sát tháng 8 năm 1999. Bảng 3. Kết quả khảo sát TT Tên cấu kiện Chiều dày, lớp bảo vệ, mm Điện thế, mV Cờng độ bê tông, kG/cm 2 Tình trạng ăn mòn cốt thép Tầng 1 1 Cột A1-9 20 - 242 255 Thép cha gỉ 2 Cột A1-13 10 - 368 210 Thép gỉ nặng 3 Cột B-5 10 - 315 215 Thép gỉ nặng 4 Cột B-10 15 - 300 205 Thép gỉ nặng 5 Cột B-16 20 - 216 260 Thép gỉ nhẹ 6 Cột B-22 15 - 320 215 Thép gỉ nặng 7 Cột D-14 20 - 278 245 Thép gỉ nhẹ 8 Dầm CB-13 10 - 359 200 Thép gỉ nặng 9 Dầm 22-C2B 10 - 346 205 Thép gỉ nặng 10 Dầm 10-BC 15 - 338 200 Thép gỉ nặng 11 Dầm 6-AB 15 - 331 210 Thép gỉ nặng 12 Dầm 3-AB 15 - 329 205 Thép gỉ nặng Tầng 2 13 Cột A1-13 15 - 332 210 Thép gỉ nặng 14 Cột A2-12 20 - 262 260 Thép cha gỉ 15 Cột A1-9 10 - 385 210 Thép gỉ nặng 16 Cột A2-9 15 - 347 205 Thép gỉ nặng 17 Cột B-11 15 - 339 210 Thép gỉ nặng 18 Cột D-12 10 - 354 205 Thép gỉ nặng 19 Cột D-10 20 - 276 250 Thép gỉ nhẹ 20 Dầm 4-AB 20 - 229 255 Thép gỉ nhẹ 21 Dầm 8-AB 10 - 353 200 Thép gỉ nặng 22 Dầm 11-DC 10 - 366 210 Thép gỉ nặng 23 Dầm 13-DC 10 - 371 215 Thép gỉ nặng 24 Dầm 6-DE 10 - 350 205 Thép gỉ nặng 5.2. Nhà lu mẫu Viện hải d ơng học Nha Trang tỉnh Khánh Hoà Xây dựng và hoàn thành năm 1985, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm. Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 500 mét. Khảo sát tháng 4 năm 2000. Bảng 4. Kết quả khảo sát TT Tên cấu kiện Chiều dày, lớp bảo vệ, mm Điện thế, mV Cờng độ bê tông, kG/cm 2 Tình trạng ăn mòn cốt thép 1 Cột 1-A 15 -346 195 Thép gỉ nặng 2 Cột 2-A 15 -382 190 Thép gỉ nặng 3 Cột 3-A 10 -376 210 Thép gỉ nặng 4 Cột 4-A 10 -362 200 Thép gỉ nặng 5 Cột 5-A 20 -249 240 Thép gỉ nhẹ 6 Cột 1-B 15 -356 220 Thép gỉ nặng 7 Cột 2-B 20 -233 215 Thép gỉ nhẹ 8 Cột 3-B 15 -361 205 Thép gỉ nặng 9 Cột 4-B 10 -347 200 Thép gỉ nặng 10 Cột 5-B 10 -351 210 Thép gỉ nặng 11 Dầm 1 15 -332 215 Thép gỉ nặng 12 Dầm 2 15 -344 200 Thép gỉ nặng 13 Dầm 3 20 -234 255 Thép gỉ nhẹ 14 Dầm 4 20 -229 250 Thép gỉ nhẹ 15 Dầm 5 15 -351 205 Thép gỉ nặng 5.3. Nhà điều trị Bệnh viện phong Tuy Hoà Xây dựng và hoàn thành năm 1978, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm. Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 500 mét. Khảo sát tháng 3 năm 2001. Bảng 5. Kết quả khảo sát TT Tên cấu kiện Chiều dày, lớp bảo vệ, mm Điện thế, mV Cờng độ bê tông, kG/cm 2 Tình trạng ăn mòn cốt thép 1 Cột 1 10 -360 230 Thép gỉ nặng 2 Cột 2 10 -357 210 Thép gỉ nặng 3 Cột 3 15 -334 215 Thép gỉ nặng 4 Cột 4 10 -372 225 Thép gỉ nặng 5 Cột 5 10 -381 235 Thép gỉ nặng 6 Cột 6 15 -329 240 Thép gỉ nặng 7 Cột 7 15 -342 215 Thép gỉ nặng 8 Cột 8 20 -286 255 Thép gỉ nhẹ 9 Dầm 1 20 -223 260 Thép gỉ nhẹ 10 Dầm 2 10 -318 225 Thép gỉ nặng 11 Dầm 3 15 -347 210 Thép gỉ nặng 12 Dầm 4 15 -364 205 Thép gỉ nặng 13 Dầm 5 10 -359 210 Thép gỉ nặng 14 Dầm 6 15 -318 200 Thép gỉ nặng 15 Dầm 7 15 -342 205 Thép gỉ nặng 5.4. Bệnh viện hữu nghị Việt Nam CuBa - Đồng Hới tỉnh Quảng Bình Xây dựng và hoàn thành năm 1980, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm. Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 500 mét. Khảo sát tháng 3 năm 2001. Tổng số đã đánh giá mức độ ăn mòn tại 210 vị trí. Trong đó: 169 vị trí cốt thép bị gỉ nặng, điện thế từ 300ữ500 mV, thậm chí >600mA chiếm 80 %. 41 vị trí cốt thép bị gỉ nhẹ, điện thế từ 150ữ300 mV, chiếm 20%. Phần lớn các cấu kiện kiểm tra tại các công trình cốt thép đã bị gỉ, nhiều vị trí mức độ gỉ rất nặng ảnh hởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu cần phải gia cờng hoặc loại bỏ thay thế. 6. đề xuất Một số giải pháp phòng chống ăn mòn cốt thép công trình ven biển 6.1. Lựa chọn vật liệu đầu vào hợp lý: nên sử dụng xi măng có hàm lợng C3A10%, kiến nghị dùng xi măng poóc lăng-xỉ, poóc lăng puzôlan hoặc xi măng bền sunphát. Cốt liệu không có tiềm năng gây phản ứng kiềm silic, hàm lợng Cl - 0,05%, nớc trộn bê tông có hàm lợng Cl - 500mg/lít, tăng cờng sử dụng các phụ gia loại hoá dẻo, chống thấm, ức chế chống ăn mòn, không chứa gốc clorua. 6.2. Thiết kế chiều dày lớp bảo vệ hợp lý với từng mác bê tông ( tỷ lệ nớc/ximăng). Với bê tông mác chống thấm B6 là 3cm và B8 là 2,5-3 cm. Bề mặt kiến trúc công trình nên thiết kế trơn phẳng, dễ thoát nớc, tránh góc cạnh. 6.3. Bảo vệ cố thép bằng sơn, phủ hoặc mạ kim loại bề mặt ngoài cốt thép. Khi các công trình ngầm dới đất hoặc nớc biển, bảo vệ cốt thép bằng Protecter khi lớp phủ bê tông không đủ khả năng bảo vệ cốt thép. 6.4. Công nghệ thi công phải phù hợp với điều kiện môi trờng. Sau khi thi công xong phải bảo dỡng bằng phủ ẩm hoặc màng cách nớc bề mặt đến 7 ngày sau đó tới ẩm, phủ màng cách nớc để giảm thiểu tối đa các vết nứt bề mặt do co ngót. Hạn chế tối đa mạch ngừng. 6.5. Bảo vệ mặt ngoài bằng vữa xi măng mác cao, các loại sơn phủ gốc epoxy biến tính hoặc sơn phủ xi măng polime gốc acrylic, gạch ốp 7. kết luận Các công trình bê tông cốt thép xây dựng ven biển miền trung nớc ta chịu tác động xâm thực mạnh của môi trờng ven biển, với đặc trng là vùng có lợng muối sa lắng lớn nhất cả nớc, tuổi thọ công trình có thể bị suy giảm tới 30ữ50% theo niên hạn thiết kế. Một trong những nguyên nhân chính làm giảm tuổi thọ công trình ven biển đó là do sự ăn mòn cốt thép, dẫn đến phá huỷ các kết cấu chịu lực. Nguyên nhân chính là do quá trình các bonat hoá hoặc rửa trôi làm giảm độ pH của bê tông phá hoại lớp ô xít bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép và do tích tụ hàm lợng Cl - vào trong bê tông từ không khí và nớc biển. Mức độ có thể lớn tới 10ữ15 lần hàm lợng ban đầu. Để khắc phục cần phải áp dụng tổng hợp nhiều giải pháp: từ công đoạn lựa chọn vật liệu đầu vào, các bớc thiết kế hồ sơ, cho đến công nghệ thi công. Đặc biệt công tác quản lý chất lợng trong quá trình thi công. Các biện pháp phòng chống trên đây cũng chỉ mang tính chất hỗ trợ vì độ bền của công trình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Vấn đề này cần đợc quan tâm đầu t nghiên cứu của các nhà khoa học, kỹ thuật để xây dựng đợc một tiêu chuẩn riêng cho loại công trình vùng ven biển nớc ta. Tài liệu tham khảo 1. Lê Quang Hùngm, Tổng luận Nguyên nhân ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép dới tác động khí hậu ven biển Việt Nam, một số hớng đảm bảo và nâng cao độ bền công trình. Trung tâm thông tin t liệu khoa học và công nghệ quốc gia. Hà nội 1994. 2. Vũ Mạnh Lãng, Những thí nghiệm để xác định gỉ cốt thép trong cầu bê tông cốt thép. Báo cáo hội thảo quốc gia về các phơng pháp kiểm tra không phá huỷ trong xây dựng. Hà Nội 18/10/2001, tr 78-84. 3. Cao Duy Tiến,Bảo vệ và sửa chữa các công trình bê tông cốt thép vùng ven biển Việt Nam. Bài giảng lớp tập huấn Bệnh học công trình. Hà Nội 1999, tr125-175. 4. Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học ăn mòn và bảo vệ các công trình xây dựng vùng ven biển. Viện khoa học kỹ thuật xây dựng. Hà Nội 8-1993. 5. Noel. P. Mainvaganam; Repair and protection of concrete structures. CRC Presss, London 1992. 6. B. Durand and J. Berard, Materials and structures. 1987, 20p. . tiềm ẩn khả năng xâm thực mạnh tới kết cấu bê tông cốt thép [4]. 3. cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra. giá ăn mòn cốt thép trong bê tông 4.1. Xác định khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông Có nhiều phơng pháp để xác định khả năng xảy ra ăn mòn cốt thép