Sử dụng phụ gia polymer bảo vệ bê tông cốt thép trong môi trường biển

Trang 1

NHẬN XÉT CỦA GVBM:

………

Trang 2

LỜI MỞ ĐẦU

Bê tông cốt thép đã được phát minh và ứng dụng từ giữa thế kỷ 19 Song phảiđến cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó mới được ứng dụng trong xây dựng các côngtrình biển Ngày nay ở những nước phát triển, cùng với việc công nghiệp hoá ngànhxây dựng, cơ giới hoá thi công với phương pháp thi công lắp ghép, cấu kiện bằng bêtông cốt thép và bê tông ứng suất trước được sử dụng hết sức rộng rãi, đặc biệt trongngành xây dựng dân dụng và công nghiệp với các loại cấu kiện có hình dáng kích thuớc

và công dụng khác nhau như cột nhà, móng nền, dầm cầu chạy, tấm lợp, tấm tường…

Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người Pháp đưa vào sử dụng ngay từnhững năm cuối của thế kỷ 19 Tuy nhiên phải sau năm 1960, khối lượng công trình bêtông cốt thép xây dựng trong môi trường biển mới tăng lên đáng kể Qua hơn một thế

kỷ sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của các công trình bê tông cốt thép được các quốcgia trên thế giới tổng kết như sau:

+ Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu bê tông cốt thép có thể làmviệc bền vững trên 100 năm

+ Trong môi truờng xâm thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tôngdẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và bê tông cốt thép có thể xuất hiện sau10- 30 năm sử dụng

Độ bền thực tế của kết cấu bê tông cốt thép phụ thuộc vào mức độ xâm thực củamôi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khảnăng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thicông và biện pháp quản lý, sử dụng công trình )

Quan điểm chung về chống ăn mòn cho kết cấu bê tông & bê tông cốt thép là:bảo vệ bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép Ở Việt nam, vấn đề nghiên cứu ăn mòn vàbảo vệ công trình đã được tiến hành từ năm 1970 Các đơn vị có bề dày trong lĩnh vựcbảo vệ công trình bê tông cốt thép gồm: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, ViệnKhoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Thuỷ Lợi, Viện Kỹ thuậtnhiệt đới, Viện Khoa học vật liệu - TTKHTN&CNQG, Viện Kỹ thuật Quân sự, TruờngĐại học Bách khoa Hà Nội, Truờng Đại học Giao thông vận tải, Truờng Đại học Xâydựng Hà Nội, v.v

Song rất tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên cứu đuợc ứng dụng vào thực tếxây dựng còn hạn chế Tất cả các công trình ven biển đuợc xây dựng từ những năm

Sử dụng phụ gia polymer bảo vệ bê tông cốt thép trong môi trường biển

Trang 3

1960 đến nay đều áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thuờng, ít chú ý đến vấn đềchống ăn mòn nhằm đảm bảo độ bền vững cho công trình, dẫn đến kết quả là tuổi thọcủa nhiều công trình trong môi truờng biển thấp

Hiện nay, bên cạnh các công trình bền vững sau 40- 50 năm, hàng loạt các côngtrình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 - 15 năm đã bị ăn mòn và phá huỷ trầmtrọng, đòi hỏi phải chi phí khoảng 40 - 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa bảo

vệ chúng.Do đó vấn đề ăn mòn và bảo vệ bê tông cốt thép đang là đề tài cho các nhàxây dựng

Vì những lý do trên nên nhóm em chọn đề tài “Sử dụng phụ gia polymer bảo vệ

bê tông cốt thép trong môi trường biển”- đây là một trong những phương pháp bảo vệ

bê tông cốt thép tránh khỏi hiện tượng ăn mòn

Trang 4

MỤC LỤC

1.GIỚI THIỆU CHUNG: 5

1.1.Lý thuyết ăn mòn: 5

1.1.1.Định nghĩa: 5

1.1.2.Phân loại: 5

1.2.Tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam: 5

2.TÌM HIỂU VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP: 6

2.1.Vật liệu cấu thành: 6

2.2.Tính chất: 7

3.NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG BIỂN 8

3.1.Các nguyên nhân gây ăn mòn bê tông cốt thép: 8

3.1.1.Sự xuống cấp của bê tông: 8

3.1.2.Sự ăn mòn cốt thép: 10

3.2.Cơ chế ăn mòn bê tông cốt thép: 11

3.2.1.Cơ chế ăn mòn bê tông: 11

3.2.2.Cơ chế ăn mòn cốt thép: 14

4.KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN CỐT THÉP BẰNG BIỆN PHÁP SỬ DỤNG PHỤ GIA POLYME TRONG BÊ TÔNG: 15

4.1.Các yếu tố ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất cơ lý của bê tông: 15

4.2.Khả năng bảo vệ chống ăn mòn của các loại phụ gia này tới cốt thép trong bê tông: 20

4.3.Kết luận: 21

5.TÀI LIỆU THAM KHẢO: 22

Trang 5

1 GIỚI THIỆU CHUNG:

- Phân loại theo cơ chế quá trình ăn mòn

- Phân loại theo điều kiện quá trình ăn mòn

- Phân loại theo dạng đặc trưng của ăn mòn

1.2 Tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam:

Trong môi trường biển Việt Nam do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm chứahàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷnhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống, khí quyển biển và ven biển.Kết quả khảo sát thực tế cho thấy các công trình bê tông cốt thép sau một thời gian

sử dụng đều có dấu hiệu gỉ cốt thép ở mức độ khác nhau dẫn tới hư hỏng sớm khôngđảm bảo tuổi thọ công trình

Hiện nay tình trạng ăn mòn thép trong kết cấu bê tông ở vùng biển Việt Namđang ở mức báo động, theo ước tính có khoảng 50 % số lượng kết cấu công trình bêtông cốt thép tại các vùng biển của Việt Nam hiện nay đã bị ăn mòn và đang bị phá hủynghiêm trọng Qua khảo sát, rất nhiều công trình xây dựng tại các vùng ven biển vàvùng có khí hậu biển của nước ta như các cảng biển, giàn khoan dầu khí sau từ 10 đến

20 năm sử dụng đều xuất hiện hiện tượng ăn mòn thép, làm nảy sinh các vết nứt bề mặt

bê tông, nhiều trường hợp bê tông bảo vệ bị vỡ do lớp gỉ cốt thép quá dày Điều này đãlàm thay đổi kết cấu, giảm khả năng chịu lực của thép cũng như giảm tuổi thọ của cáccông trình xây dựng Vì vậy cần thiết phải làm rõ thực trạng và tìm các giải pháp bảo

vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép nhằm giảm thiệt hại cho các công trình

Trang 6

2 TÌM HIỂU VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP:

2.1 Vật liệu cấu thành:

Bê tông bao gồm hỗn hợp của đá và cát (cốt liệu thô và mịn) trong vữa hồ xi măng.Vữa xi măng là hỗn hợp của xi măng và nước phản ứng với nhau tạo nên sản phẩm thủyhóa và các lỗ rỗng chứa nước Sản phẩm thủy hóa chủ yếu là các gel canxi silicat thủyhóa vô định hình và canxi hydroxit Rất nhiều các sản phẩm nhỏ khác cũng hình thành,đáng kể như các pha của khoáng aluminat (Taylor, 1997)

Hình 3 mô tả hình ảnh thu được từ máy quét siêu điện tử của mặt cắt théptrong bê tông xi măng Portland cho thấy sự hình thành các pha chính Sự khác nhau của

Hình 2: Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng sau 25 năm sử dụng

Hình 1: Cảng Thương Vụ Vũng

Tùa sau 15 năm sử dụng

Hình 3: Mặt cắt bê tông

Trang 7

gam màu xám trong các ảnh này phụ thuộc vào mật độ electron của vật liệu Các phachính được phân loại theo độ sáng, chẳng hạn như thép (sáng nhất) > các hạt xi măngchưa thủy hóa > Canxi hydroxit (CH) > gel (chủ yếu là canxi silicat thủy hóa C-S-H) ~các sản phẩm aluminat ~ cốt liệu) > lỗ rỗng (tối nhất).

Các phụ gia cũng được đưa vào trong bê tông với hàm lượng nhỏ (thường 1%)nhằm cải thiện các tính chất của bê tông Có thể ví dụ như các phụ gia siêu dẻo, các phụgia chống thấm, phụ gia cuốn khí và các chất làm chậm hay tăng tốc quá trình thủy hóacủa xi măng Phụ gia siêu dẻo cải thiện tính công tác của bê tông, vì thế cho phép giảmlượng nước nhào trộn đến 20% Phụ gia cuốn khí dùng để cải thiện khả năng chống sựxuống cấp của bê tông do quá trình đóng/tan băng Bê tông phải duy trì tính công táctrong khi đổ vào ván khuôn (Hình 4) Các phụ gia kiềm hãm quá trình thủy hóa có thểđược dùng nhằm kéo dài thời gian ninh kết, trong khi các phụ gia đóng rắn nhanh có tácdụng rút ngắn thời gian ninh kết, nhanh chóng đạt được cường độ sau đi đổ bê tông

2.2 Tính chất:

Bê tông là vật liệu rất khỏe, phát triển cường độ nén rất nhanh Chất lượng bêtông hợp lý có thể đạt cường độ lớn hơn 40 MPa Mặc dù chịu nén tốt, nhưng bê tông chịukéo rất kém Thông thường cường độ chịu kéo chỉ bằng 10% cường độ chịu nén Cốt thépđược dùng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo của bê tông Bê tông có

hệ số giãn nỡ nhiệt xấp xỉ so với thép, và do thế chúng có thể cùng làm việc tốt với nhaukhi nhiệt độ thay đổi

Bê tông có các lỗ rỗng và chúng có ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của bêtông Canxi-silicat thủy hóa, sản phẩm chính của quá trình thủy hóa, có độ rỗng khoảng28% (lỗ rỗng gel) Nước dư thừa sẽ chiếm chỗ trong bê tông, dẫn đến sự hình thành các

Hình 4: Công tác đổ bê tông

Trang 8

lỗ rỗng mao dẫn Trong bê tông cũng có chứa không khí và các lỗ rỗng khác Các lỗrỗng mao dẫn có đường kính đến 1µm, trong khi các lỗ rỗng gel có đường kính vài nm.Những bọt túi cuốn khí điển hình có đường kính 0.1 mm và được phân bố khắp nơitrong vữa xi măng Những túi khí hình thành do quá trình thi công thường có kích thướclớn hơn, có thể đến vài mm và chiếm đến 2% thể tích của bê tông Những khuyết tậtkhác cũng có thể tồn tại như các vết nứt bên trong, các lỗ rỗng bên dưới các hạt cốtliệu, và rỗ “tổ ong”.

Các chất dẫn điện thường xuất hiện trong các lỗ rỗng và các khuyết tật lớn hơntrong bê tông Nó chứa các ion như Na+, K+, Ca2+, OH- và SO42-, cũng như oxy hòa tan.Điểm đáng chú ý của xi măng thủy hóa là các pha chứa nước nhanh chóng đạt được pHcao Hơn nữa, vật liệu có phần lưu trữ kiềm lớn dưới dạng các sản phẩm thủy hóa hòa tanchống lại sự giảm pH ở các giá trị trên 10 Dung dịch có tính kiềm trong các lỗ rỗng của

bê tông tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt thép Lớpthụ động được hình thành từ các oxit không hòa tan, sản phẩm của các phản ứng nhiệtđộng học giữa thép, nước và oxy trong môi trường có pH cao Màng thụ động đóng vai tròlớp rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép Bê tông không có lớp bảo vệ, do đó dễ dàng

bị xâm nhập bởi các chất từ môi trường bên ngoài Sự xâm nhập của các chất độc hại cóthể diễn ra qua hệ thống lỗ rỗng, thường chủ yếu qua các lỗ rỗng mao dẫn Vết nứt sẽ pháttriển ở những nơi bê tông chịu ứng suất kéo và cốt thép chịu tải trọng, do đó sẽ làm giảmchức năng bảo vệ của lớp bê tông bảo vệ Cũng có rất nhiều nguyên nhân khác nhaugây co ngót của bê tông có thể gây ra các vết nứt trong bê tông

3 NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG BIỂN

3.1 Các nguyên nhân gây ăn mòn bê tông cốt thép:

3.1.1 Sự xuống cấp của bê tông :

Trang 9

Có rất nhiều quá trình làm giảm chất lượng khai thác của các công trình bêtông cốt thép, bao gồm quá trình xuống cấp của chính vật liệu bê tông và quá trình ănmòn cốt thép (Hình 5) Khi kiểm tra, đánh giá quá trình phá hoại hay làm suy giảm chấtlượng và đưa ra các giải pháp có thể, việc phân biệt các vấn đề có liên quan đến ăn mònthép trong bê tông và các vấn đề về sự xuống cấp của bê tông là rất quan trọng Quá trìnhsuy thoái của bê tông có thể do vật lý hoặc hóa học trong tự nhiên Chẳng hạn như, thờitiết, nhiệt độ quá cao hay thấp, sự ảnh hưởng của tự nhiên hay các chất công nghiệp, vàphản ứng tương tác giữa cốt liệu và kiềm có thể dẫn đến sự xuống cấp của bê tông.

Sự tác động của các chất hóa học đến vữa xi măng làm suy yếu tính chất của bêtông Trong môi trường không khí hay nước có chứa chất axit, bê tông có thể bị phá hoạibởi các chất có tính axit và trong nước biển sự phá hoại bê tông có thể do các phản ứng

Hình 5: Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép

Trang 10

hóa học của sun phát, cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong các lỗ rỗng.Trong nhiều trường hợp, khả năng chống thâm nhập của các chất nguy hiểm quyết địnhkhả năng của bê tông chống lại các sự tác động này.

Các ví dụ liên quan đến sự phá hoại vật lý gồm ảnh hưởng của đóng/tan băng, ảnhhưởng của lửa và các tác động bên ngoài, mài mòn, và nổ Ảnh hưởng chủ yếu của lửa làgây ra sự thay đổi nhiệt độ lớn trong bê tông với sự giãn nỡ nhiệt khác nhau làm phá

vỡ lớp bê tông bảo vệ Sự phá hủy cũng có thể do sai sót các nhân tố trong thiết kếnhư giãn nỡ do nhiệt và tải trọng

3.1.2 Sự ăn mòn cốt thép:

Ăn mòn cốt thép được coi là không đáng kể đối với bê tông khô hoặc là quá ướt(bão hoà hơi nước), vì khi đó trong bêtông hàm lượng oxy thấp Ngược lại tốc độ ăn mòncốt thép sẽ rất cao khi bê tông bị khô và ướt chu kì, ví dụ phần bê tông nằm ở vùngthuỷ triều lên xuống Đặc biệt phần bê tông nằm dưới đường mớm nước của côngtrình biển bị ăn mòn mãnh liệt mặc dù nó luôn luôn bị ẩm ướt

Bê tông bị hư hỏng khi cốt thép bị ăn mòn vì rằng sản phẩm ăn mòn, tức là rỉ cóthể tích lớn hơn thép nhiều lần Khi sản phẩm ăn mòn hình thành, nó gây ra ứng suất nộirất lớn làm nứt hoặc làm bong lớp bê tông Biểu hiện nhìn thấy được do ăn mòn cốt thép

là các vết nứt trên bề mặt bê tông hoặc các điểm rỉ màu vàng Ngoài ra ăn mòn làm giảmtiết diện của lõi thép do vậy sẽ làm giảm khả năng chịu tải của công trình

Thời gian từ khi xuất hiện vết nứt đầu tiên cho đến khi xuất hiện nhiều vết nứtdọc theo cốt thép và kết quả là làm hư hỏng công trình là tương đối ngắn Do đó, cầnnghiên cứu, khảo sát và đưa ra một tổ hợp phụ gia vừa đảm bảo tính cơ lý, vừa làm giảm

Sử dụng phụ gia polymer bảo vệ bê tông cốt thép trong môi trường biển 10

Hình 6: Sự xuống cấp của bê tông

Trang 11

độ thấm nước từ môi trường bên ngoài vừa có khả năng bảo vệ sự ăn mòn cốt thép trong

bê tông, nhằm tạo ra hỗn hợp vữa bêtông thích hợp cho việc sửa chữa, phục hồi cáccông trình trong ngành Giao thông vận tải đã xuống cấp hoặc bị hư hỏng

3.2 Cơ chế ăn mòn bê tông cốt thép:

3.2.1 Cơ chế ăn mòn bê tông:

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng lượng cácmuối hoà tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4; 0,02KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hoà tan Ngoài ra trong nước biển còn có các hợpchất hoá học như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit, cũng như các loại muối bromua,iodua … Độ pH của nước biển đạt 8,0 Nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độmặn tương tự với nước biển ở các nước khác trên thế giới, riêng ở vùng bờ thì độ mặn

có suy giảm ít nhiều do ảnh hưởng của nước ở một số con sông lớn chảy ra biển Thànhphần hoá học của nước biển Việt Nam và thế giới như trong bảng 1 dưới đây:

Bảng 1 Thành phần hoá học chủ yếu của nước biểnChỉ tiêu Đơn vị Vùng biển

Hòn Gai

Vùng biểnHải Phòng

Biển Bắc Mỹ Biển Ban

O2

Hình 7: Sơ đồ ăn mòn cốt thép trong bê tông

Trang 12

6,5 – 18,0-1,4 – 2,50,2 – 1,2

9,0 – 18,0-0,002 – 2,20,002 – 1,1

18,012,02,61,4

19,010,52,61,3Bảng 2 Độ mặn của nước biển ở Việt Nam, g/l

Trạm

bìnhnămMùa đông Mùa hè

30,031,528,118,327,217,633,1

30,431,628,129,529,322,834,7

25,332,217,125,431,8-29,8

23,430,811,920,131,321,229,8

21,329,310,919,031,726,927,6

26,630,921,224,417,4-30,1

Theo bảng 2 trong nước biển có ion clo Cl- Như vậy có thể sinh phản ứng hoáhọc với Ca(OH)2 trong đá xi măng và bê tông để tạo ra CaCl2, gây ra hiện tượng phá vỡcấu trúc xi măng Phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2OTrong nước biển có ion SO42- như vậy nó sẽ phản ứng hoá học với Ca(OH)2

trong bê tông tạo ra CaSO4:

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2OCaCl2 hòa tan mạnh, còn CaSO4 sẽ tác dụng với 3CaO.Al2O3.6H2O (sản phẩmthủy hóa của xi măng) để sinh ettringit (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O ) nở thể tích gấp4,8 lần, nên phá vỡ cấu trúc của đá xi măng

Trang 13

Trong nước biển có Mg2- lại có Cl-, SO42- như vậy có thể chứa muối manhe(manhê clorua, manhê sunphat …) và sẽ tương tác với Ca(OH)2 để tạo ra Mg(OH)2 làmột chất rời rạc không keo kết, làm suy giảm cấu trúc của bê tông.

Trong nước biển có Na+, như vậy có thể xảy ra phản ứng của Na với CO2 vànước để tạo ra Na2CO3, quá trình ăn mòn bê tông trong nước biển do nhiều phản ứngđồng thời và phụ thuộc lẫn nhau với các cơ chế khác nhau: Hoà tan khi ngâm chiết; cácphản ứng trao đổi kiềm; kết tủa các kết chất hoà tan; kết tinh các muối dãn nở

Căn cứ vào các muối hoà tan chủ yếu trongnước biển (MgCl3, MgSO4), cácphản ứng gây ra phá huỷ bê tông được trình bày tóm tắt như sau:

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2

MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4.2H2Ohoặc: MgSO4 + [Ca(OH)2 + 3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O] → Mg(OH)2 +3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringit)

hoặc MgSO4 + [Ca(OH)2 + 3CaO.2SiO2.3H2O] → 4MgO.SiO2.8H2O + CaSO4.2H2OKhi có mặt của muối cacbonat và silic hoà tan thì ettringit lại chuyển thành hợpchất mới (CaCO3, CaSO4.CaO.SiO2.15H2O)

Ngoài ra ion Cl- có mặt trong nước biển có thể xâm nhập vào trong bê tông và phá

vỡ lớp màng oxit ở bề mặt cốt thép tạo ra các muối sắt clorua gây ra hiện tượng rỉ thép.Các muối sắt clorua nở thể tích phá vỡ lớp vỏ bê tông bảo vệ bên ngoài làm cho khảnăng chịu lực của cốt thép bị giảm xuống nhanh chóng

Hình 8: Bề mặt bê tông bị ăn mòn do nước

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,13 MB