Trong bài viết này, hồ xi-măng được sử dụng để tạo một lớp phủ tạm thời trên bề mặt các mẫu cốt thép HRB400. Các mẫu này được ngâm trong nước biển nhân tạo (ASW) trong 28 ngày, khả năng chống ăn mòn của mẫu được nghiên cứu bằng phương pháp phổ tổng trở điện hóa và phương pháp Tafel.
CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 [6] СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооруженя (волновые, ледовые и от судов) ГОССТРОЙ СССР М., 1989 С10-11 [7] Battjes J.A Computation of set-up, longshore currents, runup and overtopping due to wind generated waves Dissertation, presented to the Technische Hogeschool, Delft, Netherlands, in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy 1974, pp.75-82 [8] Hunt J A Design of seawalls and breakwaters Proc, J Wtnwy And Harb Div., ASCE, 85(3), 1959 Sept., pp 123-152 [9] J.W.van der Meer Wave run-up and wave overtopping on dikes Delft Hydraulics,WL, 1977, pp.7-9 [10] TAW Guidelines for Hydraulic Structures (in Dutch; original tiltle: Leidraad Kunstwerken) Technical Advisory Committee for Water Defence, 2001, pp.157-162 Người phản biện: PGS.TS Đào Văn Tuấn NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG NƯỚC BIỂN CỦA LỚP PHỦ TẠM THỜI BẰNG HỒ XI-MĂNG STUDY ON THE ANTI-CORROSION PERFORMANCE OF TEMPORARY CEMENT COATING ON REBAR IN SEAWATER NCS BÙI QUỐC BÌNH Khoa Cơng trình thủy GS TS ZHONG QINGDONG Đại học Thượng Hải, Thượng Hải, Trung Quốc Tóm tắt Trong báo này, hồ xi-măng sử dụng để tạo lớp phủ tạm thời bề mặt mẫu cốt thép HRB400 Các mẫu ngâm nước biển nhân tạo (ASW) 28 ngày, khả chống ăn mòn mẫu nghiên cứu phương pháp phổ tổng trở điện hóa phương pháp Tafel Kết nghiên cứu so sánh với kết thí nghiệm thép HRB400 trần điều kiện nhằm đánh giá hiệu bảo vệ loại lớp phủ Abstract In this paper, HRB400 steel samples were covered by cement which was used as temporary coating All samples were immersed in artificial seawater (ASW) to 672h (28 days), the anticorrosion performance of those samples were investigated by Electrochemical impedance spectroscopy and Tafel plot techniques The results were compared to results of bare HRB400 steel samples in the same immersion condition to assess the protective effect of this kind of coating Keywords: Ăn mòn cốt thép, nước biển, phổ tổng trở điện hóa, phương pháp Tafel, hồ xi-măng Giới thiệu Hình Hiện tượng gỉ cốt thép chờ đổ bê tông a) Dầm cầu cảng [1]; b) Cột nhà nhiều tầng; c) Móng nhà xưởng d) Cận cảnh cốt thép bị gỉ mạch ngừng thi cơng [1] 68 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 Trong q trình thi cơng kết cấu bê tông cốt thép, việc để cốt thép sau lắp dựng xong “phơi” môi trường tự nhiên vài ngày, vài tuần chí vài tháng khơng thể tránh khỏi, đặc biệt mạch ngừng thi công hay mối nối lắp ghép Cốt thép chờ đổ bê tông thường bị bong phần hay toàn lớp màng bảo hộ tạo trình chế tạo phải chịu thêm tác động ẩm khơng khí, nước mưa, tác nhân ăn mòn nước sơng, nước biển (với cơng trình thủy) nhanh chóng bị ăn mòn tạo lớp gỉ màu vàng nhạt đến nâu sẫm Khi lớp gỉ thép hình thành khả hút ẩm, giữ nước bề mặt cốt thép tăng, kích thích q trình ăn mòn Nếu khơng có biện pháp loại trừ thích hợp, lớp gỉ làm giảm liên kết cốt thép bê tông, giảm khả chịu lực kết cấu, lâu dài gây cố cơng trình Hình minh họa tượng gỉ cốt thép chờ đổ bê tông cho số dạng cơng trình Để loại trừ lớp gỉ, có phương pháp phổ biến: Phương pháp học – dùng công cụ thiết bị làm gỉ (bàn chải sắt, máy mài, máy phun cát, bi,…), Phương pháp hóa học – sử dụng hóa chất phản ứng hóa học với gỉ thép để biến đổi gỉ (chất biến đổi gỉ) Cả phương pháp xử lý thụ động, chi phí cao Giải pháp chủ động phòng chống gỉ, thường sử dụng loại sơn polyme hợp nước (như Mapefer 1K), epoxy, vật liệu composite epoxy,… phủ lên cốt thép trước sau gia công lắp dựng Đây giải pháp hiệu chi phí cao, đòi hỏi quy trình thi cơng nghiêm ngặt Trên thực tế, để bảo vệ tạm thời cốt thép chờ, nhiều cơng trình sử dụng lớp phủ hồ xi-măng, lớp phải cạo bỏ trước đổ bê tơng mặt định tính cho thấy phương pháp đơn giản, nguồn vật liệu sẵn có, rẻ tiền Tuy nhiên, đến chưa có nghiên cứu cụ thể vấn đề Với mục tiêu nghiên cứu định lượng khả chống ăn mòn hồ xi-măng, khuôn khổ viết này, tác giả trình bày q trình nghiên cứu thí nghiệm ứng xử điện hóa điện cực mẫu làm cốt thép vằn HRB400 có lớp phủ hồ xi-măng C32.5 môi trường nước biển (được giả lập dung dịch nước biển nhân tạo -Artificial seawater-ASW có độ mặn 3.5% [2]), so sánh với kết thí nghiệm thép trần để từ đánh giả hiệu bảo vệ tạm thời lớp phủ Phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu Thí nghiệm nghiên cứu sử dụng thép vằn cán nóng HRB400 (tiêu chuẩn GB/T1449-1998 - lý tính tương đương với thép cốt bê tơng nhóm CB400-V theo TCVN 1651-2:2008) làm điện cực mẫu Xi-măng (XM) sử dụng loại C32.5 (GB175-2007) Nước biển nhân tạo (ASW) pha từ nước cất lần với hóa chất phân tích (AR) có độ mặn 3.5% điều kiện nhiệt độ 2520C 2.2 Trình tự chế tạo điện cực mẫu Đầu tiên, thép vằn HRB400 gia công nguội thành điện cực 10x10x4(mm), bề mặt làm việc 10x10(mm) Một dây dẫn điện tiết diện 2.5mm2 có lớp vỏ PVC hàn đính với mặt Sau đó, tồn điện cực đúc đoạn ống PVC đường kính 24mm – cao 12mm hỗn hợp Epoxy E51 với chất đóng rắn 5784 để hở bề mặt làm việc, Sau 48h, Epoxy đóng rắn hồn tồn, điện cực mẫu mài phẳng bề mặt làm việc giấy nhám số 180, 240 400 Cuối cùng, rửa điện cực nước máy thổi khơ máy nén khí khử dầu (hình 2a) Việc chuẩn bị bề mặt mẫu đảm bảo điều kiện tương đương với điều kiện chuẩn bị bề mặt cốt thép trường vệ sinh bề mặt cốt thép phun cát (mạt ceramic, bi hợp kim), phun rửa nước máy thổi khơ khí nén Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 69 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 2.3 Chế tạo mẫu phủ hồ xi-măng Hình Nguyên lý cấu tạo mẫu bê tơng thí nghiệm: a) Điện cực mẫu sau xử lý bề mặt b) Điện cực mẫu sau quét nước xi-măng Hồ xi-măng pha theo tỷ lệ 250g XM/1000mL nước máy, trộn máy khuấy với tốc độ khuấy 600rpm phút Điện cực mẫu định vị vào giá treo, bề mặt làm việc chỉnh phẳng thước li-vô Hồ xi-măng quét lên bề mặt điện cực mẫu lượt, cách 30 phút, độ dầy trung bình lớp phủ sau khô 2mm Sau quét lượt thứ hai, tất mẫu bảo quản phòng thí nghiệm với điều kiện nhiệt độ 2520C, độ ẩm tương đối RH=505% thời gian 12h (hình 2.b) Sau mẫu ngâm ngập bình thủy tinh chứa ASW, ngày lắc bình chứa lần 2.4 Phương pháp thí nghiệm điện hóa Để nghiên cứu ứng xử ăn mòn, điện cực mẫu có phủ hồ xi-măng (MXM) mẫu thép trần-HRB400 ngâm dung dịch ASW với tổng thời gian 672h (28 ngày) Tiến hành thí nghiệm phân tích điện mạch hở ~ thời gian (E~t) trạm phân tích điện hóa CHI660C theo phương pháp điện cực Sau 3h ngâm mẫu, chọn mẫu có thơng số tương đương để tiếp tục ngâm thí nghiệm Sau 24, 108, 168, 336, 504 672h, sử dụng phương pháp đo trở kháng xoay chiều (AC impedance) để xác định phổ tổng trở điện hóa Nyquist, giá trị điện mạch hở OCP, đo đường cong phân cực động (phương pháp Tafel) để từ điện trở phân cực Rp, mật độ dòng ăn mòn Icorr, tốc độ ăn mòn CR tính tự động phần mềm CHI ver 8.03 Q trình thí nghiệm phải đảm bảo mẫu phân tích điều kiện Kết thảo luận 3.1 Kết phân tích phổ tổng trở điện hóa Phổ tổng trở điện hóa Nyquist mẫu thí nghiệm đo sau giá trị điện ăn mòn (điện mạch hở - OCP) đạt đến giá trị ổn định với biên độ quét 5mV dải tần từ 105Hz đến 10mHz Kết thí nghiệm biểu diễn hình hình Hình Biểu đồ biểu diễn biến thiên điện mạch hở theo thời gian ngâm mẫu 70 Hình Biểu đồ Nyquist: a) Mẫu HRB400 sau 672h ngâm, b) Mẫu thép phủ hổ xi-măng - MXM Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 Kết cho thấy, mẫu MXM sau để khô 12h ngâm ASW, lớp hồ ximăng ninh kết tạo thành màng phủ tạm thời ngăn không cho chất điện ly tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cốt thép, ăn mòn (điện mạch hở - OCP) tăng nhẹ (hình 3) Sau 168h (7 ngày), chất điện ly bắt đầu ngấm qua màng xi-măng tiếp xúc với bề mặt thép, trình khuếch tán chất điện ly sản phẩm ăn mòn diễn liên tục, tổng trở điện hóa ngày giảm (hình 4), tượng ăn mòn điểm (piiting corrosion) bắt đầu xảy (hình 5) Sau 504h (21 ngày) ngâm, lớp màng thụ động sản phẩm ăn mòn thành phần hồ xi-măng hình thành có tác dụng giảm nhẹ q trình ăn mòn, ăn mòn tăng nhẹ vào cuối q trình thí nghiệm 3.2 Kết phân tích đường cong phân cực động Tafel Để đánh giá tốc độ ăn mòn điện cực mẫu thép HRB400 trần MXM, từ ngày thứ 14 sau ngâm, đợt ngâm mẫu, tiến hành đo đường cong phân cực động Tafel cho lượt mẫu, biểu đồ Tafel thu được, tính giá trị đặc trưng trình bày bảng Hình Ăn mòn điểm điện cực HRB400 có phủ hồ xi-măng sau 14 ngày ngâm Bảng Các kết phân tích đường cong phân cực động Tafel Loại mẫu Thép HRB400 trần Thép HRB400 phủ xi-măng ASW Thời gian ngâm mẫu (ngày) Rp(Ohm.cm2) 336 1763 504 1594 672 1121 336 1945 504 2347 672 2207 Icorr (A/cm2) 1.539E-05 2.525E-05 3.607E-05 2.180E-05 1.772E-05 1.906E-05 CR(g/h) 1.603E-05 2.631E-05 3.758E-05 2.272E-05 1.846E-05 1.986E-05 Tương tự kết phân tích biểu đồ Nyquist biểu đồ OCP, kết phân tích biểu đồ Tafel cho thấy, tượng ăn mòn mẫu điện cực thép HRB400 trần tăng nhẹ sau 336h (14 ngày) ngâm Với mẫu có phủ hồ xi-măng MXM, sau 336h, bắt đầu hình thành lớp màng thụ động, sau 504h ngâm, lớp màng thụ động phát huy hiệu bảo vệ cao - Rp đạt giá trị lớn q trình thí nghiệm, sau lớp màng bị phá hủy dần, Rp giảm dần, mật độ dòng ăn mòn tốc độ ăn mòn tăng dần So sánh tốc độ ăn mòn loại mẫu cho thấy: thời điểm 14 ngày ngâm, tốc độ ăn mòn của mẫu thép trần nhỏ 30% so với mẫu thép có lớp phủ ximăng lớp màng thụ động tạo sản phẩm ăn mòn tích tụ bề mặt thép dày (bởi trước bị ăn mòn mạnh hơn), nhiên, khơng có lớp hồ xi-măng phủ ngồi mẫu MXM, lớp màng nhanh chóng bị phá hủy, đến cuối q trình thí nghiệm tốc độ ăn mòn tăng nhẹ Nhưng xét tổng thể, sử dụng hồ xi-măng có hiệu bảo vệ thấp, tổng trở đạt vài ngàn Ohm, sau 672h ngâm (28 ngày), hiệu bảo vệ chống ăn mòn lớp hồ xi-măng xét theo tốc độ ăn mòn đạt xấp xỉ 1.9 lần Kết luận Nghiên cứu phân tích cách định lượng hiệu bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ hồ xi-măng cho cốt thép HRB400 môi trường nước biển Kết nghiên cứu rằng: sử dụng lớp phủ tạm thời hồ xi-măng có hiệu thấp, có tác dụng làm chậm q trình ăn mòn khoảng thời gian đầu (độ dài khoảng thời gian phụ thuộc vào độ dày lớp phủ, loại xi-măng) Do đó, nhà xây dựng cần cân nhắc sử dụng phương pháp bảo vệ với phương pháp bảo vệ chủ động sơn, epoxy, composite,…[3] nhằm đảm bảo hợp lý tiêu kinh tế, kỹ thuật bảo vệ mơi trường Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 71 ... Kết luận Nghiên cứu phân tích cách định lượng hiệu bảo vệ chống ăn mòn lớp phủ hồ xi- măng cho cốt thép HRB400 môi trường nước biển Kết nghiên cứu rằng: sử dụng lớp phủ tạm thời hồ xi- măng có hiệu... 30% so với mẫu thép có lớp phủ ximăng lớp màng thụ động tạo sản phẩm ăn mòn tích tụ bề mặt thép dày (bởi trước bị ăn mòn mạnh hơn), nhiên, khơng có lớp hồ xi- măng phủ ngồi mẫu MXM, lớp màng nhanh... nghiên cứu định lượng khả chống ăn mòn hồ xi- măng, khn khổ viết này, tác giả trình bày trình nghiên cứu thí nghiệm ứng xử điện hóa điện cực mẫu làm cốt thép vằn HRB400 có lớp phủ hồ xi- măng C32.5