Ăn mòn cốt thép trong bê tông và các giải pháp hạn chế sự ăn mòn

Vấn đề nâng cao chất lượng và tuổi thọ các công trình xây dựng ở khu vực ven biển nói chung, khu vực Nam trung Bộ nói riêng có ý nghĩa quan trọng. Bài viết giới thiệu về ăn mòn cốt thép trong bê tông, giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn.

Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 43 ĂN MỊN CỐT THÉP TRONG BÊ TƠNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SỰ ĂN MÒN ThS Trương Minh Trí Trưởng Phòng KH&HTQT, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Vấn đề nâng cao chất lượng tuổi thọ cơng trình xây dựng khu vực ven biển nói chung, khu vực Nam trung Bộ nói riêng có ý nghĩa quan trọng Việc sử dụng nguyên liệu vật liệu cốt thép tính sử dụng chúng để sản xuất bê tông quan tâm nhằm nâng cao khả chống ăn mòn Vì vậy, việc hiểu biết q trình ăn mòn cách hạn chế ăn mòn vật liệu kim loại sử dụng mơi trường có tác động ăn mòn cần thiết Trong báo này, chúng tơi giới thiệu ăn mòn cốt thép bê tông, giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn Từ khóa: cốt thép, ăn mòn, bê tơng Khái qt chung ăn mòn vật liệu kim loại Ăn mòn phá hủy vật liệu kim loại gây nên chất môi trường xung quanh Nghiên cứu ăn mòn gồm mục tiêu bản: - Mục tiêu kinh tế: nhằm giảm thiểu lượng kim loại bị mát ăn mòn - Nâng cao độ tin cậy thiết bị - Bảo tồn tài nguyên vật liệu Các q trình ăn mòn bản: ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hố, ăn mòn sinh học Ăn mòn hóa học: Do tác dụng trực tiếp chất khí khơ hoạt tính có mơi trường chất oxy hóa O2, Cl2, Đây phản ứng oxi hóa bề mặt kim loại tạo hợp chất hóa học, làm phá hủy bề mặt mà không cần dung dịch điện li Sự ăn mòn xảy nhiệt độ cao mức bình thường Cơ chế ăn mòn hóa học chất oxy hóa tác dụng với bề mặt kim loại theo giai đoạn: hấp thụ chất oxy hóa; tạo mầm oxyt, clorua, ; khuếch tán ion, phát triển màng oxyt, clorua, dày đặc Ăn mòn điện hố: Là ăn mòn mơi trường điện li, oxi hóa nguyên tử kim loại khử chất oxi hóa khơng phải xảy phản ứng trực tiếp Sự ăn mòn điện hố tạo thành sản phẩm khơng tan, gỉ sắt, chuyển kim loại vào dung dịch dạng ion Đây dạng ăn mòn chủ yếu kim loại Nó bao gồm q trình bản: trình anot; trình catot; trình dẫn điện Ngun nhân ăn mòn điện hố kim loại không nguyên chất Những kim loại khơng khí ẩm hay mơi trường nước có hồ tan chất điện li tạo thành pin điện hố Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn điện hóa: + Kim loại tạp chất khác tốc độ ăn mòn lớn + Khơng khí ẩm cường độ ăn mòn tăng + Nhiệt độ tăng tốc độ ăn mòn tăng Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 + Ðộ xốp lớp sản phẩm lớn kim loại bị ăn mòn nhanh Sự ăn mòn sinh học: Xảy nơi vật liệu kim loại tiếp xúc với vật liệu kim loại, môi trường dinh dưỡng cho lồi nấm vi sinh Trong q trình sống, vi sinh tiết axít hữu tạo điều kiện cho ăn mòn phá hủy lớp bảo vệ Ăn mòn cốt thép bê tơng Sự ăn mòn bê tơng cốt thép đa dạng diễn phức tạp với mức đô khác Khi nghiên cứu ăn mòn bê tơng tác nhân vận động môi trường sinh cách đầy đủ cần phải tính đến ăn mòn phụ đồng thời diễn Có nhiều tác nhân gây nên ăn mòn, trình bày số tác nhân gây nên ăn mòn cốt thép bê tơng mơi trường ven biển 2.1 Ăn mòn cốt thép ion ClBê tơng môi trường sử dụng, đặc biệt môi trường nước biển, nước lợ nước ngầm, môi trường thường ngập nước độ ẩm cao xảy tượng ăn mòn cốt thép Cốt thép bê tơng bị ăn mòn chủ yếu ăn mòn điện hóa Trong mơi trường nước mặn xảy ăn mòn cốt thép tác dụng xâm thực ion Cl- ngấm vào bê tông nguyên nhân chủ yếu phá hủy màng “thụ động” cốt thép, đặc biệt khả ăn mòn tăng hàm lượng Cl- vượt q 0,6kg/m bê tơng Khi Cl- làm giảm điện trở dung dịch điện li bê tơng Sơ đồ chế q trình ăn mòn cốt 44 - thép bê tơng có mặt ion Cl trình bày hình Đặt trưng ăn mòn thép có Cl tạo “lỗ” bề mặt kim loại (kích cỡ micro), làm tỉ lệ diện tích catơt /anơt lớn nên mật độ dòng ăn mòn cục cao Chỉ có ion clo dạng tự gây ăn mòn cốt thép khuếch tán chúng cấu trúc xốp bê tông cốt thép mạnh mẽ Hình Sơ đồ chế trình ăn mòn cốt thép bê tơng có mặt ion ClTốc độ thấm ion Cl- bê tông phụ thuộc vào chất xi măng, chất phụ gia khoáng chất lượng bê tông (đặc trưng độ bền chống thấm) Khả thấm ion Cl- tỷ lệ với hàm lượng khống C3A có xi măng Về ngun tắc, phụ gia khoáng tro bay, tro xỉ muội silic đưa vào xi măng Cl- làm giảm tỷ lệ thành phần C3A nên giảm khả cố định ion clo Sự khô ẩm liên tiếp môi trường điều kiện khắc nghiệt kích thích ăn mòn 2.2 Ăn mòn cốt thép CO2 Sự ăn mòn cốt thép chịu tác động tượng cacbonat hóa bê tơng Độ bền lâu cơng trình bê tơng cốt thép bảo đảm nhờ lớp bê tông Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 bảo vệ, nên cốt thép khơng bị ăn mòn, nước chiết bê tơng có mơi trường kiềm cao (pH ≥ 13) điều kiện thuận lợi hình thành bề mặt cốt thép lớp oxýt mỏng “thụ động”, ngăn cản trình gỉ thép (ăn mòn) Hiện tượng ăn mòn xảy lớp màng “thụ động” bị xuyên thủng (lớp bê tơng bảo vệ bị rỗng) có giảm độ kiềm môi trường lớp bê tông bảo vệ đến ngưỡng thụ động sắt Sự giảm pH xảy trình rửa trơi kiềm, q trình hòa tan oxit silicat (thành phần cát) q trình cacbonat hóa bê tơng Nếu nước có hàm lượng CO2 cao CaCO3 (khơng tan) lại biến thành Ca(HCO3)2 (tan), ngồi có khuếch tán nước vơi từ ngồi lớp bê tơng làm cho bê tông phá hoại nhanh Tuy nhiên, cường độ phá hoại bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hàm lượng CO2, lực ion dung dịch, loại xi măng, thời gian bảo dưỡng bê tơng, diện tích bề mặt tiếp xúc đá xi măng với tác nhân gây ăn mòn,…Như vậy, sản phẩm trình cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc xốp bê tông làm giảm độ chống thấm, dẫn đến ăn mòn cốt thép bê tơng 2.3 Ăn mòn cốt thép q trình điện hóa Một hình thức ăn mòn cốt thép bê tơng thường diễn dạng ăn mòn điện hóa Ở dạng ăn mòn nguyên tử sắt cốt thép tách khỏi mạng lưới tinh thể trở thành ion mạnh điện dung dịch tác dụng ion OH- chất oxy hóa 45 mơi trường tạo để hình thành sản phẩm gỉ khác dạng công thức chung: xFeO.yFe2O3.zH2O; Fe3O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3.3H2O Các sản phẩm có tính xốp, tích tụ bề mặt cốt thép với thể tích lớp gấp - lần so với thành phần ban đầu, gây nội ứng suất phá hoại cấu trúc bê tơng dọc theo vị trí đặt thép, làm cho hạt nhân xâm thực dễ dàng xâm nhập vào bên trong, tăng nhanh q trình ăn mòn bê tơng cốt thép Q trình gỉ thép xảy bê tông đủ khả dẫn điện nhờ lượng ngậm nước định lúc có phân cực tách biệt catơt anơt Hình Q trình gỉ thép Như vậy, khả chống thấm lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò quan trọng q trình gỉ cốt thép Bê tông không đủ độ chặt, lớp bảo vệ khơng đủ chiều dày cần thiết tượng gỉ mạnh Ở môi trường khô ráo, bê tông không đủ khả dẫn điện nên cốt thép bị gỉ, mơi trường ngấm nước hồn tồn bê tơng dẫn điện, nước lại ngăn cản thấm nhập oxy qua bê tơng nên cốt thép bị gỉ Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 Các giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn Có nhiều phương pháp đề xuất bảo vệ cốt thép khơng bị ăn mòn cho cốt thép bê tông, số giải pháp thông dụng thường sử dụng như: - Dùng thép không gỉ đắt việc dùng thép làm tăng đáng kế giá thành xây dựng công trình (hợp kim Fe – Cr nâng cao khả chống oxi hóa thép; thêm Cu, Cr Ni nâng cao tính chịu ăn mòn khí quyển) - Mạ cốt thép có tác dụng chống ăn mòn kẽm, kẽm có tác dụng bảo vệ cốt thép Bản chất trình mạ kẽm lúc hình thành pin Zn – Fe, lúc kẽm điện cực âm nên bị ăn mòn điện hóa trước có mặt chất điện li Tuy nhiên, ion Cl- có tác dụng ăn mòn kẽm nhỏ sắt nên chúng bảo vệ bề mặt cốt thép làm tăng tuổi thọ cơng trình - Quét sơn thép biện pháp bảo vệ cốt thép phương pháp thấm kim loại (phủ khuếch tán) Sử dụng loại sơn chống gỉ có nguồn gốc từ epoxy, xi măng xi măng polime Yêu cầu sơn chống gỉ phải có khả liên kết mặt hóa học với thép, dính bám tốt với bê tơng cốt thép Một số ví dụ điển hình: + Tráng men silicat: Men u cầu có hệ số giãn nở với thép Thường sử dụng men thủy tinh, men sứ, lớp phủ thủy tinh, lớp men nung chảy bề mặt kim loại Phủ men chủ yếu dùng cho thép, có sử dụng cho gang, đồng, hợp kim đồng, nhôm, 46 + Phủ xi măng: Lớp phủ xi măng có giá thành thấp hệ số giãn nở nhiệt gần thép Lớp phủ có hiệu với vật liệu gang thép đặt đất, nước + Phủ phản ứng: lớp phủ hình thành nhờ phản ứng hóa học trực tiếp xảy bề mặt kim loại - Ức chế ăn mòn cốt thép Vấn đề ức chế ăn mòn cốt thép chất ức chế ăn mòn sử dụng từ lâu Theo định nghĩa ISO 8044, chất ức chế ăn mòn hợp chất hóa học làm giảm độ ăn mòn cốt thép Việc pha chất ức chế vào bê tông coi biện pháp bảo vệ cốt thép chống ăn mòn Chất ức chế ăn mòn cốt thép DCI hãng Grace Mỹ sản xuất có chứa NaNO2, tương tác với cốt thép bê tơng để bảo vệ chống ăn mòn muối Bằng phản ứng hóa học với sắt tạo rào cản bề mặt cốt thép, ngăn ngừa thấm ion clo, mặt khác cải thiện tính chất bê tơng có tác dụng làm tăng nhanh đông cứng bê tông phụ gia rắn nhanh theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C494 - Phương pháp bảo vệ catôt biện pháp hiệu dùng để chống ăn mòn cho cốt thép bê tông thời gian gần Bảo vệ catơt cho cơng trình bê tơng cốt thép trì màng thụ động thụ động lại cốt thép “thụ động” bị phá vỡ độ pH < 11 hàm lượng ion bề mặt cốt thép khoảng 0,2 – 0,4% tính theo khối lượng xi măng Ngồi dòng điện bảo vệ catơt làm cho ion clo xa khỏi bề mặt cốt thép giảm tác động Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 phá hoại “thụ động” ion clo Phương pháp bảo vệ catơt áp dụng cho cơng trình bê tông cốt thép nước, đất khơng khí Phương pháp bảo vệ catơt dòng ngồi dùng nhiều cơng trình khơng khí, phương pháp bảo vệ catơt anôt hy sinh dùng cho kết cấu nằm nước Trong phương pháp dòng ngồi mật độ dòng dùng để phân cực catơt cốt thép (làm dịch chuyển điện cốt thép phía âm) từ đến 15 mA/m2 Anơt hy sinh hợp kim nhôm hợp kim kẽm Các phương pháp nêu nghiên cứu áp dụng phổ biến Chúng có tác dụng chống ăn mòn hầu hết kim loại, bê tông chống ăn mòn thép kết cấu bê tơng cốt thép mơi trường khí, lỏng rắn điều kiện ẩm ướt mơi trường khơng khí ẩm Tuy nhiên, biện pháp đem lại hiệu cho số loại hình cụ thể 47 Kết luận Ăn mòn bê tơng bê tơng cốt thép đặc biệt khu vực ven biển nhiều tác nhân hữu có mơi trường gây ảnh hưởng đến chất lượng tuổi thọ cơng trình khơng có giải pháp phù hợp Thực tế chưa thể chế tạo loại bê tơng cốt thép có độ bền đặc cách lý tưởng, để hoàn toàn ngăn cản tiếp xúc cốt thép trước môi trường xâm thực Tuy nhiên, với vật liệu cơng nghệ có, tạo loại bê tơng cốt thép có chất lượng cao, với đặc tính kết cấu có độ bền học lớn, vỏ bê tơng có khả bảo vệ cốt thép, độ đặc cao, chống thấm nước tốt, bị thấm khí O2, CO2, ion Cl-, SO42- tác nhân xâm thực khác, bê tơng đủ khả bảo vệ cốt thép, đảm bảo độ bền kết cấu môi trường xâm thực Hoặc ngăn chặn phản ứng ăn mòn xảy tác nhân xâm thực tiếp xúc với bề mặt cốt thép TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Phát 2012 Lý thuyết ăn mòn chống ăn mòn Bê tơng – Bê tơng cốt thép NXB Xây dựng Hà Nội [2] Cao Duy Tiến 1994 Hiện tượng ăn mòn kết cấu bê tơng cốt thép tác động khí hậu ven biển Việt Nam Hội thảo quốc tế bê tông bền biển [3] Lương Đức phẩm (chủ biên) cộng 2009 Cơ sở khoa học công nghệ bảo vệ môi trường, tập 1, 2, NXB Giáo dục Việt Nam [4] Trương Minh Trí 2012 Hóa học đại cương NXB Khoa học Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh  ... xốp bê tông làm giảm độ chống thấm, dẫn đến ăn mòn cốt thép bê tơng 2.3 Ăn mòn cốt thép q trình điện hóa Một hình thức ăn mòn cốt thép bê tơng thường diễn dạng ăn mòn điện hóa Ở dạng ăn mòn nguyên... kim loại - Ức chế ăn mòn cốt thép Vấn đề ức chế ăn mòn cốt thép chất ức chế ăn mòn sử dụng từ lâu Theo định nghĩa ISO 8044, chất ức chế ăn mòn hợp chất hóa học làm giảm độ ăn mòn cốt thép Việc pha... độ ẩm cao xảy tượng ăn mòn cốt thép Cốt thép bê tơng bị ăn mòn chủ yếu ăn mòn điện hóa Trong mơi trường nước mặn xảy ăn mòn cốt thép tác dụng xâm thực ion Cl- ngấm vào bê tông nguyên nhân chủ