ẢNH HƯỞNG CHU KỲ ẨM VÀ ĐỘ pH CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐẾN KHẢ NĂNG ĂN MÒN CỦA THÉP

Các tỉnh phía Nam của Việt Nam có khí hậu và nhiệt độthay đổi liên tục trong năm, gây ảnh hưởng đến độ ẩm và độpH của môi trường đất. Sự thay đổi này làm ảnh hưởng đến độbền của vật liệu thép làm việc đất nền. Thực nghiệm nghiêncứu ảnh hưởng của môi trường đất tại Vũng Tàu, Long An vàCần Thơ đến quá trình ăn mòn của thép bằng cách thay đổi độẩm và độ pH của môi trường. Đánh giá sự ăn mòn của thép bởisự thay đổi chu kỳ khô ẩm và pH của đất. Kết quả thực nghiệmcho thấy tốc độ ăn mòn vật liệu thép trong ba môi trường đấtkhác nhau cũng khác nhau tuy có cùng độ ẩm và độ pH. Tốc độăn mòn thép trong môi trường đất cũng phụ thuộc nhiều vào độẩm và độ pH. Tốc độ ăn mòn cao với đất Vũng Tàu với 40%ẩm, với đất cần Thơ và Long An là 90%. Khi nồng độ pH củacả 3 loại đất ở 6, 8 10 và 12 thì tốc độ ăn mòn đạt 0,1 – 0,2mmnăm. Khi môi trường pH thay đổi theo chu kỳ từ 6 đến 12thì tốc độ ăn mòn trong đất Vũng Tàu đạt 0,56 mmnăm. Vớimôi trường đất Long an và Cần Thơ thì tốc độ ăn mòn là 0,1mmnăm.

ẢNH HƯỞNG CHU KỲ ẨM VÀ ĐỘ pH CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐẾN KHẢ NĂNG ĂN MÒN CỦA THÉP INFLUENCE OF pH AND MOISTURE CONTENT OF SOIL ENVIROMENT ON CORROSION RATE OF STEEL TS Lê Anh Tuấn, TS Phan Đức Hùng TÓM TẮT GIỚI THIỆU Các tỉnh phía Nam Việt Nam có khí hậu nhiệt độ thay đổi liên tục năm, gây ảnh hưởng đến độ ẩm độ pH môi trường đất Sự thay đổi làm ảnh hưởng đến độ bền vật liệu thép làm việc đất Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng môi trường đất Vũng Tàu, Long An Cần Thơ đến trình ăn mòn thép cách thay đổi độ ẩm độ pH môi trường Đánh giá ăn mòn thép thay đổi chu kỳ khô ẩm pH đất Kết thực nghiệm cho thấy tốc độ ăn mòn vật liệu thép ba môi trường đất khác khác có độ ẩm độ pH Tốc độ ăn mòn thép môi trường đất phụ thuộc nhiều vào độ ẩm độ pH Tốc độ ăn mòn cao với đất Vũng Tàu với 40% ẩm, với đất cần Thơ Long An 90% Khi nồng độ pH loại đất 6, 10 12 tốc độ ăn mòn đạt 0,1 – 0,2 mm/năm Khi môi trường pH thay đổi theo chu kỳ từ đến 12 tốc độ ăn mòn đất Vũng Tàu đạt 0,56 mm/năm Với môi trường đất Long an Cần Thơ tốc độ ăn mòn 0,1 mm/năm Ăn mòn kim loại phá hủy vật liệu kim loại có tương tác hóa học vật lý chúng với môi trường ăn mòn Quá trình ăn mòn kim loại diễn nhiều môi trường, có môi trường đất Hiện nay, ngành xây dựng sử dụng nhiều cấu kiện thép đặt đất cọc ống thép, cọc ván thép, hệ thống ống dẫn nước Vì vấn đề ăn mòn thép môi trường đất đáng quan tâm Từ khóa: đất, độ ẩm, độ pH, chu kỳ khô ẩm, tốc độ ăn mòn ABSTRACT The changes of climate and temperature in the southern provinces of Vietnam throughout the year influence the moisture and pH of the soil These changes affect durability of steel materials embeded in soil Experiments are executed to study the affect of soils obtained in Vung Tau, Long An and Can Tho to the corrosion of steel by various humidity and pH of soil The corrosion of steel materials is evaluated by changing the moisture cycle and pH of soils The experimental results showed the corrosion rates of steel materials are different in three soil environments having the same moisture and pH The corrosion rate of steel in soil environment depends on the moisture and pH Hence, the corrosion rates are highest on 40% and 90% for Vung Tau soil and Long An, Can Tho soil, respectively During pH value at 6, 8, 10 and 12, the results shows the values are 0.1-0.2 mm/year in various environment soils Moreover, in pH cycling investigation, the corrosion rates are about 0.56 mm/year and 0.1 mm/year in Vung Tau and Long An, Can Tho soil, respectively Keywords: soil, moisture, pH, wet-dry cycling, corrosion rate TS Lê Anh Tuấn Khoa Kỹ thuật Xây Dựng, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Email: latuan@ hcmut.edu.vn Mobile: 0937464284 TS Phan Đức Hùng Khoa Xây Dựng Cơ học ứng dụng, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam Email: hungpd@hcmute.edu.vn ĐT: 0916548639 Nghiên cứu phòng Bảo vệ Kim loại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tiến hành thử nghiệm đánh giá trình ăn mòn thép môi trường đất Việt Nam từ năm 1997 Nhóm nghiên cứu Nguyễn Văn Chiến, Lê Văn Cường, Lê Đức Bảo [2] thử nghiệm với mẫu thép cacbon thấp môi trường đất vùng ngập mặn đồi núi Hạ Long, Quảng Ninh Nhóm nghiên cứu kết luận rằng, trình ăn mòn thép môi trường đất trình hấp phụ nước đất lên bề mặt kim loại đến giá trị tới hạn Họ kết hợp thông số điện trở suất độ ẩm phương pháp đo phân cực điện hóa để xác định giai đoạn, trình ăn mòn Trong nghiên cứu trên, nhân tố độ ẩm, điện trở suất ảnh hưởng đến trình ăn mòn thép, có nhiều nhân tố khác tác động Mức độ thép bị ăn mòn môi trường đất phụ thuộc vào tính chất đất, nhiệt độ, vi sinh vật, độ thông khí đất Tác giả R Winston Revie Herbert H Uhlig [3] làm thí nghiệm ăn mòn thép với nhiều loại đất đất đầm lầy, đất sét, đất sét lẫn sỏi sạn Kết cho thấy mức độ ăn mòn thép môi trường đất phụ thuộc vào loại đất, thành phần hóa, thành phần khoáng độ dày lớp đất thí nghiệm Hình Hình Quá trình ăn mòn thép đất [3] Một số nghiên cứu khác cho thấy điện trở suất ảnh hưởng nhiều đến trình ăn mòn thép đất, giá trị điện trở suất phụ thuộc vào thành phần loại đất Thành phần đất độ ẩm ảnh hưởng đến độ pH đất ảnh hưởng không nhỏ đến trình ăn mòn Với môi trường đất có độ ẩm lớn, mức độ ăn mòn thép cao, khối lượng thép bị ăn mòn nhiều Khi xét đến khả gây ăn mòn, độ ẩm đất có ảnh hưởng nhiều so với yếu tố khác, tăng độ ẩm đất tăng tính xâm thực Ăn mòn xảy môi trường khô [4-7] Nghiên cứu tác giả Osaki đưa yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn độ pH Với độ pH nhỏ (pH < 4) tốc độ ăn mòn tăng, điều không đối Page với môi trường đất, mà phù hợp với thí nghiệm môi trường [8,9] Nghiên cứu thực nghiệm xác định tốc độ ăn mòn vật liệu thép môi trường đất Vũng Tàu, Long An Cần Thơ Đánh giá tốc độ ăn mòn vật liệu thép điều kiện độ ẩm, độ pH xác định thay đổi theo chu kỳ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu 2.1.1 Thép Vật liệu thép dùng cho nghiên cứu có thành phần hóa chứa 0.08% C, 0.02% Si, 0.32% Mn, 0.03% P, 0.03% S 2.1.2 Vật liệu đất Đất lấy khu vực Vũng Tàu, Long An Cần Thơ có thành phần lý trình bày Bảng Bảng Thành phần lý đất Tính chất Đơn vị Độ ẩm tự nhiên, W % Dung trọng ướt, gw Dung khô, gd 3 g/cm g/cm Hệ số rỗng, eo Long An 36,3 45,1 Vũng Tàu 24,9 1,87 1,74 1,94 1,37 1,20 1,56 1,07 1,29 0,73 Cần Thơ Giới hạn dẻo, LL % 51,7 47,6 38,6 Giới hạn chảy, PL % 28,3 25,2 22,1 Chỉ số dẻo, IL % 13,4 22,4 16,5 Hình Tốc độ ăn mòn môi trường đất khác nhau, độ ẩm 20% Ở độ ẩm 20%, mẫu loại A có tốc độ ăn mòn nhiều so với mẫu loại B loại đất thực nghiệm Điều xảy mẫu loại A tiếp xúc hoàn toàn với môi trường đất, tác nhân gây ăn mòn nhiều so với mẫu loại B có mặt tiếp xúc với môi trường không khí ẩm Kết cho thấy điều kiện độ ẩm đất Vũng Tàu có xu hướng gây ăn mòn nhiều 0.072 mm/năm (loại A) 0.038 mm/năm (loại B), có chứa lượng ion clo làm thúc đẩy trình ăn mòn diễn nhanh 2.2 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm Độ ẩm đất xác định theo ASTM D2216 Độ pH đất xác định theo ASTM 4972-95a Tốc độ ăn mòn thép môi trường thí nghiệm xác định theo tiêu chuẩn ASTM G31 – 72 Thí nghiệm ăn mòn thép thực nhóm Nhóm A mẫu thép đặt tiếp xúc mặt môi trường đất Nhóm B mẫu thép có mặt tiếp xúc với môi trường đất mặt tiếp xúc với môi trường không khí Môi trường đất có độ ẩm thực nghiệm 20, 40 90% Chu kỳ khô ẩm thực cách cho đất đạt độ ẩm bão hòa sấy khô đến khối lượng không đổi để xác định trình ăn mòn chu kỳ Giá trị pH thực nghiệm 6, 8, 10, 12 Hình Tốc độ ăn mòn độ ẩm đất Vũng Tàu KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Ảnh hưởng độ ẩm đến tốc độ ăn mòn Thưc nghiệm mẫu thép đuợc đặt môi trường đất Vũng Tàu, Long An Cần Thơ Các mẫu thí nghiệm đặt môi trường đất có độ ẩm thấp 20%, độ pH điều kiện nhiệt độ phòng 23 - 27oC Kết thưc nghiệm trình bày Hình Hình Tốc độ ăn mòn độ ẩm đất Long An Page Sông Cửu Long Sự thay đổi độ ẩm thực tế xảy nhiều tác nhân mưa, thủy triều, xâm ngập mặn theo mùa Các tác nhân không làm thay đổi độ ẩm, mà thân chứa hợp chất hóa học phức tạp làm thay đổi độ pH Độ pH nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới trình ăn mòn vật liệu thép Vì cần phải xem xét tác động độ pH đến trình ăn mòn môi trường đất 3.3 Ảnh hưởng độ pH đến tốc độ ăn mòn Các mẫu thép tiến hành thí nghiệm điều kiện độ pH khác Độ pH cố định giá trị 6, 8, 10 12 môi trường độ ẩm 40%, nhiệt độ từ 23 – 27oC Bảng Độ pH tốc độ ăn mòn Đất Hình Tốc độ ăn mòn độ ẩm đất Cần Thơ Kết thực nghiệm hình 3, cho thấy độ ẩm thay đổi từ 20, 40 90% cho giá trị ăn mòn khác lọai đất Với môi trường đất Vũng Tàu tình ăn mòn cao với độ ẩm 40% Với môi trường đất Long An Cần Thơ trình ăn mòn mạnh diễn độ ẩm 90% Tuy nhiên môi trường độ ẩm 90% trình ăn mòn loại B diễn mạnh so với loại A 3.2 Ảnh hưởng chu kỳ thay đổi độ ẩm đến tốc độ ăn mòn Quá trình ăn mòn thép đất thực nghiệm thay đổi theo chu kỳ khô ẩm Kết thực nghiệm sau 12 chu kỳ khô ẩm trình bày Bảng Bảng Quá trình ăn mòn theo chu kỳ khô ẩm đất Long An Chu kỳ ẩm Tốc độ ăn mòn (mm/năm) Loại A Loại B 0.092 0.033 0.100 0.024 0.155 0.028 0.184 0.102 0.167 0.105 0.147 0.101 0.137 0.101 0.142 0.112 0.201 0.181 10 0.184 0.167 11 0.200 0.159 12 0.191 0.165 Tốc độ ăn mòn (mm/năm) pH pH pH 10 pH 12 Vũng Tàu 0.190 0.187 0.195 0.194 Long An 0.182 0.152 0.136 0.185 Cần Thơ 0.131 0.078 0.156 0.100 Trong điều kiện pH có giá trị 8, trình ăn mòn diễn giống Môi trường có trình ăn mòn chậm môi trường đất Cần Thơ 0.131 mm/năm 0.078 mm/năm Các mẫu đặt môi trường đất Vũng Tàu có chiều hướng bị ăn mòn mạnh mẽ Tốc độ ăn mòn 0.190 mm/năm 0.187 mm/năm Khi môi trường pH 10, tốc độ ăn mòn ăn mòn môi trường Long An thấp với 0.136 mm/năm Khi môi trường đất điều kiện pH là12 đất Cần Thơ có tốc độ ăn mòn thấp với 0.100 mm/năm Trong tất điều kiện pH từ 6-12 môi trường đất Vũng tàu cho giá trị ăn mòn cao Tuy nhiên giá trị không chênh lệch nhiều pH đất Vũng Tàu thay đổi Đối với môi trường đất Long An Cần Thơ pH thay đổi, trình ăn mòn diễn có thay đổi khác rõ rệt so với đất Vũng Tàu 3.4 Ảnh hưởng chu kỳ thay đổi độ pH đến tốc độ ăn mòn Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ thay đổi độ pH môi trường đất đến trình ăn mòn tiến hành cách thay đổi độ pH từ đến 12, kết thực nghiệm trình bày Hình 6,7 Kết thực nghiệm cho thấy tốc độ ăn mòn thép có khuynh hướng tăng dần thay đổi chu kỳ khô ẩm Trong chu kỳ trình ăn mòn nhóm mẫu A lớn nhiều so với nhóm mẫu B từ 2,5 đến lần Quá trình ăn mòn diễn nhanh đến chu kỳ thứ có xu hướng giảm dần chu kỳ sau, tốc độ ăn mòn nhóm mẫu A nhóm mẫu B có giá trị chênh lệch không nhiều Do đó, trình thực nghiệm ăn mòn nhóm mẫu A B khác biệt nhiều môi trường ẩm thay đổi nhanh Quá trình khô ẩm làm cho thay đổi độ ẩm nhanh, làm thay đổi môi trường đất, làm cho trình ăn mòn diễn nhanh so với môi trường ẩm cố định Đây đặc điểm thường thấy môi trường đất vùng Đồng Bằng Hình Ảnh hưởng pH đất Vũng Tàu Page ẩm thay đổi Đối với đất Vũng tàu trình ăn mòn pH thay đổi nhanh lại cho kết cao, lớn nhiều môi trường âm, đặc biệt nhóm mẫu B KẾT LUẬN Độ ẩm giá trị pH nhân tố quan trọng, gây ảnh hưởng đến trình ăn mòn vật liệu thép môi trường đất Vũng Tàu, Long An Cần Thơ - Độ ẩm môi trường đất thay đổi từ 20 đến 90% cho trình ăn mòn diễn nhanh đất Vũng Tàu với 40% đạt 0,276 mm/năm, đất Cần Thơ, Long An 90% đạt 0,1-0,17 mm/năm - Chu kỳ khô ẩm ảnh hưởng đến trình ăn mòn, sau 12 chu kỳ tốc độ ăn mòn đạt 0,18 – 0,2 mm/ năm cho nhóm mẫu A B Hình Ảnh hưởng pH đất Long An - Môi trường pH ổn định giá trị 6, 8, 10 12 cho thấy có tác động đến trình ăn mòn thép giá trị chênh lệch không nhiều, đạt 0,1 - 0,2 mm/năm môi trường đất khác Quá trình ăn mòn đất Vũng Tàu cho kết cao môi trường Long An Cần Thơ - Môi trường pH thay đổi liên tục theo chu kỳ từ đến 12 ảnh hưởng đến trình ăn mòn Quá trình ăn mòn mạnh mẽ đạt đến 0,56 mm/năm môi trường đất Vũng tàu với nhóm mẫu B Do đó, sử dụng cấu kiện thép vùng đất có chứa nước biển cần có quan tâm đến môi trường pH đất Tại Hình Ảnh hưởng pH đất Cần Thơ Trong điều kiện môi trường đất Vũng Tàu, chu kỳ pH thay đổi nhóm mẫu A có xu hướng bị ăn mòn nhanh nhóm mẫu B Ở thời điểm chu kỳ với pH 6, tốc độ ăn mòn mẫu chênh lệch nhiều Nhưng thời gian thí nghiệm lâu, tốc độ ăn mòn khác biệt nhiều Ở thời điểm cuối đạt pH 12, tốc độ ăn mòn tương ứng hai mẫu nhóm A B 0.053 mm/năm 0.103 mm/năm Nếu thực nghiệm chu kỳ khô ẩm, pH cố định đến trình ăn mòn cho thấy chênh lệch nhiều nhóm mẫu A B chu kỳ thay đổi pH cho thấy chênh lệch môi trường đất Vũng Tàu Quá trình ăn mòn xảy nhanh thời ứng với giá trị pH – 10 Điều tương đồng với kết thí nghiệm tác giả Osaki [8,9], ông kết luận độ pH từ đến 10 mẫu thí nghiệm bị ăn mòn nhanh nhất, đặc biệt đất có chứa nước biển Trong môi trường đất Long An trình ăn mòn có khuynh hướng tăng dần theo chu kỳ pH nhóm mẫu B Nhóm mẫu A cho thấy trình ăn mòn chênh lệch chu kỳ pH thay đổi Đối với môi trường đất Cần Thơ trình ăn mòn có xu hướng tăng dần theo chu kỳ pH đạt giá trị lớn pH 10 Kết cho thấy chênh lệch ăn mòn nhóm A B không nhiều Đối với môi trường đất Cần Thơ Long An, trình thay đổi pH theo chu kỳ làm cho thép bị ăn mòn đất nhiên so sánh giá trị ăn mòn ta nhận thấy ăn mòn pH thay đổi không lớn so với ăn mòn môi trường vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long cần quan tâm đến độ ẩm cao môi trường đất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alain Galerie, Nguyễn Văn Tư (2008) Ăn mòn bảo vệ vật liệu Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Văn Chiến, Lê Văn Cường, Lê Đức Bảo (2008) Các giai đoạn ăn mòn thép cacbon thấp, kẽm nhúng nóng môi trường đất Tạp chí Khoa học Công nghệ, 3, 59 – 64 [3] R Winston Revie and Herbert H Uhlig (2008) Corrosion and corrosion control John Wiley & Sons, Inc., Hoboken New Jersey [4] Pierre - Jean Cunat (2001) Corrosion Resistance of Stainless Steels in Soils and in Concrete Euro Inox 2002 [5] A.B.Chance Company (2003) Step – Corrosion Guide Copyright 2003 Hubbell, Inc [6] Melvin Romanoff (1962) Corrosion of Steeling Pilings in Soils National Bureau of Standards [7] Warren Rogers (2011) Galvanized Steel Performance in Soil American Galvanizers Association, Inc [8] Steel Research Laboratory (2012) Underground Corrosion in Japan JFE Steel Corporation [9] Steel Research Laboratory (2012) High Performance Steel for Construction JFE Steel Corporation Page