Nghiên cứu phương pháp điện hóa dùng tách muối clo nhằm cải thiện độ bền chống xâm thực cho công trình bê tông cốt thép

Bên cạnh đó, quan sát thấy có một lớp bột màu trắng gồm có một số lượng các ion kim loại kiềm như Ca, Li, Si, Al, Na, K bám vào bề mặt cốt thép làm ảnh hưởng đến lớp thụ động của cốt thé

Trang 1

LÊ XUÂN LÂM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA DÙNG TÁCH MUỐI CLO NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ BỀN CHỐNG XÂM THỰC CHO CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành : Vật Liệu và Công Nghệ Vật Liệu Xây Dựng

Mã số : 60 58 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09, năm 2012

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRẦN VĂN MIỀN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS LÊ ANH TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN NINH THỤY

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM Ngày 31 tháng 08 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS NGUYỄN VĂN CHÁNH

2 GS TSKH PHÙNG VĂN LỰ

3 TS TRẦN VĂN MIỀN

4 TS LÊ ANH TUẤN

5 TS NGUYỄN NINH THỤY

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LV BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Trang 3

Tp HCM, Ngày… tháng….năm………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 15/04/1985 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Vật Liệu và Công Nghệ Vật Liệu Xây Dựng Mã số : 60 58 80

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA DÙNG TÁCH MUỐI CLO NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ BỀN CHỐNG XÂM THỰC CHO CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1 Hiện trạng ăn mòn và phá hủy bê tông cốt thép ở vùng ven biển trên thế giới và

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN VĂN MIỀN

Nội dung Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2012

Trang 4

Trong suốt hai năm học tập và nghiên cứu, với sự giảng dạy tận tình và hết lòng truyền đạt kiến thức chuyên môn của các thầy cô Bộ môn Vật liệu Xây dựng đã giúp tôi hoàn thành luận văn này và cho phép tôi gởi lời tri ân đến tất cả các thầy cô ở Bộ môn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Miền đã hướng dẫn và định hướng cho tôi trong việc tìm tòi và nghiên cứu khoa học Với sự giúp đỡ, động viên và thường xuyên nhắc của thầy đã giúp tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Phòng thí nghiệm Công trình Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã cho phép và tạo điều kiện hỗ trợ để tôi được thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu

Tôi chân thành cám ơn Phòng thí nghiệm – Trung tâm xử lý nước thải Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Phòng phân tích kính hiển vi điện tử quét – Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM, Phòng thí nghiệm Xây Dựng – Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 3, Phòng thí nghiệm Vật Liệu Xây Dựng LAS 143 – Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học

Tôi xin chân thành cám ơn anh Mai Đức Lộc – Giám đốc Cty Cổ phần Đầu tư Xây dựng Hạ Tầng Hòa Bình đã tích cực hỗ trợ tôi khi thực hiện đề tài nghiên cứu này

Và cuối cùng là lòng biết ơn sâu sắc đến người vợ thân yêu của tôi, ba má vợ và với tất

cả những người thân trong gia đình đã động viên tinh thần và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn này nhưng do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý Thầy cô và các bạn tận tình đóng góp ý kiến để luận văn này được hoàn chỉnh hơn

Trang 5

Ngày nay, bê tông cốt thép dự ứng lực là loại vật liệu thông dụng của nhiều công trình Nó có nhiều ưu điểm như : có độ bền dài lâu, dễ chế tạo và sử dụng Tuy nhiên, bê tông cốt thép dự ứng lực phải đối mặt với nguy cơ bị ăn mòn trong suốt thời gian sử dụng, đặc biệt là ăn mòn cốt thép do sự xâm thực của clo Tách clo bằng phương pháp điện hóa là phương pháp xử lý kết cấu bê tông cốt bị hư hỏng do clo gây ra bằng cách tách nó ra khỏi cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực mà không làm hư hỏng lớp bê tông ban đầu Trong nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu về hiệu quả tách clo ra khỏi cấu kiện bê tông sử dụng các dung dịch điện phân là

Lithium hydroxit (LiOH) và dung dịch Ca(OH)2 với các nồng độ dung dịch là 0,7M; 1,0M và 1,2M, điện cực sử dụng là lưới đồng, và sử dụng dòng điện một chiều có cường độ không đổi là 1,3A/m2, thời gian thực hiện điện hóa tách clo là 12 tuần Kết quả thí nghiệm cho thấy, dung dịch điện phân Ca(OH)2 có hiệu quả tách clo là từ 45% đến 50% hàm lượng clo được tách ra khỏi bê tông so với hàm lượng clo ban đầu và dung dịch Lithium hydroxite có hiệu quả tách clo là từ 50% đến 70% hàm lượng clo được tách ra khỏi bê tông so với hàm lượng clo ban đầu

Bên cạnh đó, quan sát thấy có một lớp bột màu trắng gồm có một số lượng các ion kim loại kiềm như Ca, Li, Si, Al, Na, K bám vào bề mặt cốt thép làm ảnh hưởng đến lớp thụ động của cốt thép và hiệu điện thế ăn mòn đo được sau khi thực hiện hóa tăng, điều đó cho thấy, Tách clo bằng điện hóa không thể bảo vệ lớp thụ động của cốt thép hay không có khả năng làm tái thụ động cho lớp thụ động của thép ở trong bê tông khi bê tông bị xâm thực clo với nồng độ cao và lớp bột này có khả năng làm giảm cường độ bám dính giữa thép và bê tông

Trang 6

Nowadays, reinforced concrete is a popular materials for constructions It has some advantages such as : durable for along time, easy to manufacture and use However, reinforced concrete has to deal with corrosion during its service life, especially corrosion of steel due to chloride penentration Electrochemical Chloride Extraction (ECE) is a method which treats corrosion damage of reinforced concrete structures without making original concrete damage by chloride removal This study concerns about effect of ECE on chloride removement in reinforced concrete

In this study, Lithium hydroxyte solution (LiOH) of 0.7M, 1.0M and 1.2M conentration and canxi hydroxide of 0.7M, 1.0M and 1.2M conentration are used as electrolyte, copper mesh as a anode, and stable current density of 1.3 A/m2 is applied for concrete within 13 weeks Results showed that with lithium hydroxide electrolyte that has 50% to 70% of the initial chloride is removed after the ECE treatment and canxi hydroxide electrolyte that has 45% to 50% of the initial chloride is removed after the ECE treatment

Moreover, a white thin layer that has significant amounts of alkali ions such

as Ca, Li, Si, Na, Al, K were observed around the steel that effect to the passive layer of steel in concrete and the corrosion potential increase after applying Electrochemical Chloride Extraction, it may imply that the ECE can not help to protect passive film or repassive of steel bar embedded in the concrete containing high chloride content and it may cause reducing bond strength between steel and concrete

Trang 7

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ĂN MÒN VÀ PHÁ HỦY BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG VEN BIỂN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 12

1.1 Khái quát về tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở thế giới 121.2 Khái quát về tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam 141.3 Các phương pháp sửa chữa và chống ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép 161.3.1 Sửa chữa và làm sạch thép bằng mảng vá cục bộ : 161.3.2 Bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn bằng anốt hi sinh : 171.4 Các nghiên cứu trên thế giới về phương pháp điện hóa tách clo 19

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN THÉP TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÁCH CLO ĐIỆN HÓA 43

2.1 Cấu trúc lỗ rỗng bên trong bê tông 432.2 Cơ chế ăn mòn thép trong bê tông cốt thép 43

2.2.1 Kỹ thuật kiểm tra ăn mòn bằng pin bán điện cực theo tiêu chuẩn ASTM C876-09 472.2.2 Phương pháp lấy mẫu xác định hàm lượng clo có trong mẫu: 502.3 Giá trị ăn mòn giới hạn 52

2.4 Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu mô hình áp dụng tách clo bằng phương pháp điện hóa 542.5 Cơ sở chọn lựa kim loại làm anốt 56

CHƯƠNG 3 : CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM 58

3.1 Các tính chất của xi măng: 58

Trang 8

3.2 Cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu 59

3.3 Điện cực và dung dịch điện phân 60

3.4 Thiết kế cấp phối bê tông theo tiêu chuẩn ACI 211.1-91dùng trong nghiên cứu .61

3.5 Lượng muối dùng trong 1 m3 bê tông theo % khối lượng xi măng 61

3.6 Quy trình thực hiện thí nghiệm 65

3.7 Các thiết bị thí nghiệm sử dụng trong luận văn : 70

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 72

4.1 Cường độ nén của bê tông trước khi thực hiện điện hóa 72

4.2 Độ pH của dung dịch được phân trước khi thực hiện điện hóa tách clo .74

4.3 Đo điện thế ăn mòn của tất cả các mẫu trụ bê tông cốt thép trước khi thực hiện tách clo bằng phương pháp điện hóa 74

4.4 Sự thay đổi hàm lượng clo ở bề mặt thép trong mẫu thí nghiệm theo thời gian khi áp dụng phương pháp điện hóa tách clo, với các dung dịch điện phân Ca(OH)2 và LiOH 78

4.5 Nồng độ clo phân bố trong bê tông khi sử dụng dung dịch điện phân khác nhau ở thời điểm 90 ngày 86

4.6 Sự thay đổi độ pH của dung dịch điện phân ở mỗi tuần sau khi thực hiện điện hóa 89

4.7 Đo điện thế ăn mòn của các mẫu thí nghiệm ở thời điểm 90 ngày sau khi thực hiện điện hóa tách clo 93

4.8 Nghiên cứu sự biến đổi cường độ nén của bê tông trước và sau khi thực hiện tách clo bằng phương pháp điện hóa sử dụng dung dịch điện phân là Ca(OH)2 và LiOH, áp dụng dòng điện một chiều có cường độ 1,3A/m2 và hiệu điện thế là 40v/m2 97

4.9 Nghiên cứu cấu trúc của lớp bê tông cận cốt thép sau khi điện hóa tách clo 99

KẾT LUẬN : 104

KIẾN NGHỊ : 105

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 – Các vết gỉ màu vàng ố và các vết nứt xuất hiện do thép bị ăn mòn ở cấu

kiện trụ đỡ của cầu Campus Loop ở Albany, thành phố New York, Mĩ 12

Hình 1.2 - Thiết bị phun muối chống đóng băng vào mùa đông 13

Hình 1.3- Cảng Thương vụ - Vũng Tàu sau 15 năm sử dụng 14

Hình 1.4- Cảng Cửa Cấm - Hải Phòngcách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng 14

Hình 1.5 - Hiện trạng ăn mòn các công trình khảo sát tại vùng biển Đà Nẵng 14

a, b: Cảng Tiên Sa; c: Cảng cá Thuận Phước; d: Cầu Nguyễn Văn Trỗi [2] 14

Hình 1.6- Sự biến thiên hàm lượng Cl- theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ [2] 15

Hình 1.7- Công tác đo đạc điện thế ăn mòn tại các công trình [2] 16

Hình 1.8 - Công tác đo đạc, lấy mẫu bê tông tại các công trình khảo sát [2] 16

Hình 1.9 – Bề mặt bê tông bị bong tróc và bị tổ ong bề mặt 17

Hình 1.10 – Nối thêm anốt hi sinh để bảo vệ cốt thép trước khi đổ bê tông cấu kiện 18

Hình 1.11 – Kích thước mẫu dầm và sàn bê tông cốt thép 20

Hình 1.12 – Hình minh họa các vị trí đo hiệu điện thế ăn mòn 21

Hình 1.13 – Đồ thị giá trị hiệu điện thế ăn mòn của dầm bê tông cốt thép trong

6 tháng 22

Hình 1.14 – Giá trị điện thế đo được của bản sàn có phun dung dịch muối 23

Hình 1.15 – Giá trị hiệu điện thế đo được của bản sàn không phun dung dịch muối 23

Hình 1.16 - Đo điện thế trong thép bằng pin bán điện cực đối chiếu [3] 25

Hình 1.18 – Trải lưới kim loại Titanium lên bản mặt cầu [3] 26

Hình 1.19 – Lưới kim loại Titan trải tiếp xúc sát với bản mặt cầu [3] 26

Hình 1.20 - Lắp các gờ chắn cách ly không cho dung dịch điện 27

Trang 10

phân thoát ra bên ngoài [4] 27

Hình 1.21 - Áp dòng điện 1 chiều [3] 27

Hình 1.22 – Mô hình mặt cắt dọc minh họa sơ đồ lắp thiết bị tách muối [4] 28

Hình 1.23 – Hình mô tả mặt bằng bố trí thiết bị dùng để xử lý tách muối [4] 28

Hình 1.24 – Hình minh họa quy cách mẫu thử 31

Hình 1.25 – Hình minh họa quy cách lắp đặt thiết bị tách clo 32

Hình 1.26 – Đồ thị hàm lượng clo tích lũy trong dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện và làm mới dung dịch điện phân) ở lớp bê tông bảo vệ dày 20mm 33

Hình 1.27 – Đồ thị hàm lượng clo tích lũy trong dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện và làm mới dung dịch điện phân) ở lớp bê tông bảo vệ dày 50mm 33

Hình 1.28 – Nồng độ clo ở lớp bê tông bảo vệ dày 20mm ở chế độ duy trì dòng điện liên tục 33

Hình 1.29 – So sánh giữa 21 ngày và 90 ngày với 2 chế độ xử lí khác nhau : (a) bề dày lớp bê tông bảo vệ 20 mm và (b) bề dày lớp bê tông bảo vệ 50 mm ( INTERR & RENEWAL = ngắt dòng điện và làm mới dung dịch điện phân, NO RENEWAL = không ngắt điện và không làm mới dung dịch điện phân) 34

Hình 1.30 – Nồng độ ion K+ tại các bề dày lớp bê tông : (a) 20 mm và (b) 50 mm 34

Hình 1.31 – Nồng độ ion Ca++ tại các bề dày lớp bê tông : (a) 20 mm và (b) 50 mm 35 Hình 1.32 – Hình minh họa sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm lên mẫu thử 37

Hình 1.33 – Sự phát triển của nồng độ ion clo tự do theo khoảng cách từ bê tông đến bề mặt thép 37

Hình 1.34 –Sự thay đổi nồng độ của kiềm theo khoảng cách từ bề mặt thép đến

bê tông 38

Hình 1.35 - Ảnh chụp hình thái của hồ xi măng ở độ phóng đại 400 lần 39

Hình 1.36 -Ảnh chụp hình dạng tinh thể Ca(OH)2 ở độ phóng đại 400 lần 39

Hình 1.37 - Ảnh chụp chứng tỏ lớp màng bao quanh thép phát triển sau khi xử lý (x400) 39

Hình 1.38 – Phân tích EDS tương ứng với hình 1.37 39

Trang 11

Hình 1.39 - Lớp trên bề mặt thép bị khuyết tật (x400 lần) 39

Hình 1.40 – Màng mỏng bao xung quanh bề mặt thép bị khuyết tật 39

Hình 1.41 – Hình chụp cho thấy có xuất hiện pha kiềm (x2000) 39

Hình 1.43 – Các tinh thể kiềm 40

Hình 1.45 – Ảnh chụp các tinh thể ở vùng chuyển tiếp giữa thép và bê tông có dạng hình lục giác (x3000) 40

Hình 1.46 – Phân tích EDS của tấm lục giác (hình 1.45) 40

Hình 2.1 – Giản đồ Pourbaix của thép thể hiện mối quan hệ giữa điện thế điện hóa tiêu chuẩn với độ pH của thép trong bêtông 44

Hình 2.2 – Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông do ion clo gây ra 44

Hình 2.3 – Mẫu thép dự ứng lực trong cấu kiện bê tông cốt thép trước khi bị ăn mòn (a) và bị ăn mòn sau khi có sự xuất hiện của ion clo(b) 46

Hình 2.4 – Thể tích của thép ở các hóa trị khác nhau - [20] 46

Hình 2.5 – Hình minh họa quá trình ăn mòn thép dẫn đến phá hủy bê tông 47

Hình 2.6 – Cấu tạo của pin bán điện cực 48

Hình 2.7 – Mô hình lắp đặt thiết bị đo hiệu điện thế kiểm tra ăn mòn bằng pin bán điện cực theo tiêu chuẩn ASTM 876-09 49

Hình 2.8 –Phương pháp lấy mẫu xác định hàm lượng clo có trong bê tông 51

Hình 2.9 – Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị giới hạn ăn mòn thép do clo gây ra [4] 54

Hình 2.10 –Qui cách lắp đặt thiết bị và minh hoạ sự dịch chuyển của các ion 55

Hình 3.1 – Biểu đồ thành phần hạt của cát dùng thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 59

Hình 3.2 – Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm (1x2)cm theo TCVN 1771:1987 60

Hình 3.3 – Lưới kim loại đồng dùng làm cực anốt 60

Trang 12

Hình 3.4 – Khuôn đúc mẫu (a) và kích thước chi tiết của mẫu bê tông cốt thép dùng

làm thí nghiệm 62

Hình 3.5 – Đo hiệu điện ăn mòn bằng pin bán điện cực Cu/CuSO4 theo tiêu chuẩn ASTM C876 65

Hình 3.6 – Mẫu trụ bê tông cốt thép sau khi đúc xong và tĩnh định trong 24 giờ 65

Hình 3.7 – Tiến hành bọc lưới đồng và nối dây dẫn điện vào các điện cực tương

ứng 66

Hình 3.8 – Mẫu trụ bê tông cốt thép sau khi dưỡng hộ sẽ được quấn lưới đồng (a) và nối dây dẫn vào các điện cực (b) 66

Hình 3.9 – Hình mô tả cách lắp đặt mẫu thí nghiệm, nối dây vào các điện cực tương ứng với cực âm là cốt thép và cực dương là lưới đồng 66

Hình 3.10 – Mẫu sau khi nối dây điện vào các điện cực tương ứng và đặt vào các thau có chứa dung dịch điện phân 67

Hình 3.11 – Đấu dây dẫn điện vào các nhóm mẫu tương ứng 68

Hình 3.12 - Cạo sạch mẫu để lấy mẫu bột phân tích sự thay đổi của hàm lượng clo và thay mới lưới đồng (kim loại catot) 68

Hình 3.13 - Xử lí mẫu bột để xác định hàm lượng clo tự do có trong mẫu 69

Hình 3.14 - Máy tạo dòng điện 1 chiều từ dòng điện xoay chiều 70

Hình 3.15 - Bút thử độ pH của dung dịch điện phân 71

Hình 3.16 –Đồng vôn kế dùng đo hiệu điện thế ăn mòn 71

Hình 4.1 - Kết quả cường độ nén của mẫu bê tông dùng làm thí nghiệm 73

Hình 4.2 - Kết quả đo hiệu điện thế ăn mòn đo được theo ASTM C876-09 của các mẫu bê tông cốt thép đối chứng không thực hiện điện hóa tách clo theo thời gian 76

Hình 4.3 - Hàm lượng clo thực tế có trong các mẫu bê tông trước khi tách clo 77

Hình 4.4 – Hàm lượng clo tại bề dày lớp bê tông bảo vệ (40 – 50)mm theo thời gian của mẫu M3 với các nồng độ khác nhau của dung dịch Ca(OH)2 79

Trang 13

Hình 4.7 – Sự thay đổi hàm lượng clo ở vùng bê tông cận cốt thép của các mẫu M3, M5, M7 (có hàm lượng clo ban đầu khác nhau) theo thời gian, sử dụng dung dịch Ca(OH)2 có cùng nồng độ là 0,7M 81

Hình 4.10 – Hàm lượng clo tại bề dày lớp bê tông bảo vệ (40 – 50)mm theo thời gian của mẫu M3 với các nồng độ khác nhau của dung dịch LiOH 83

Hình 4.13 – Sự thay đổi hàm lượng clo ở vùng bê tông cận cốt thép theo thời gian của các mẫu M3, M5, M7 (có hàm lượng clo ban đầu khác nhau) sử dụng cùng một dung dịch LiOH có nồng độ là 0,7M 85

Hình 4.14 – Sự thay đổi hàm lượng clo ở vùng bê tông cận cốt thép theo thời gian của các mẫu M3, M5, M7 (có hàm lượng clo ban đầu khác nhau) sử dụng cùng một dung dịch LiOH có nồng độ là 1,0M 85

Hình 4.15 – Sự thay đổi hàm lượng clo ở vùng bê tông cận cốt thép của các mẫu M3, M5, M7 (có hàm lượng clo ban đầu khác nhau) theo thời gian sử dụng cùng một dung dịch là LiOH có nồng độ là 1,2M 86

Hình 4.16 – Sự thay đổi hàm lượng clo theo bề dày lớp bê tông bảo vệ của mẫu M3

và được ngâm trong các dung dịch điện phân có nồng độ khác nhau ở thời gian thực hiện điện hóa 90 ngày 87

Hình 4.17 – Sự thay đổi hàm lượng clo theo bề dày lớp bê tông bảo vệ của M5 và được ngâm trong các dung dịch điện phân có nồng độ khác nhau ở thời gian thực hiện điện hóa 90 ngày 87

Trang 14

Hình 4.18 – Sự thay đổi hàm lượng clo theo bề dày lớp bê tông bảo vệ của mẫu M7

và được ngâm trong các dung dịch điện phân có nồng độ khác nhau ở thời gian thực hiện điện hóa 90 ngày 88

Hình 4.19 – Kết quả phân tích clo tự do có trong mỗi nhóm 12 mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch Ca(OH)2 và LiOH với các nồng độ khác nhau ở thời điểm thực hiện điện hóa 90 ngày 92

Hình 4.20 - So sánh hiệu điện thế ăn mòn khi chưa thực hiện và sau khi thực hiện điện hóa tách clo của mẫu M3 ngâm trong trong dung dịch Ca(OH)2 nồng độ 0,7M 93

Hình 4.23 - So sánh hiệu điện thế ăn mòn khi chưa thực hiện và sau khi thực hiện điện hóa tách clo của mẫu M3 ngâm trong trong dung dịch LiOH nồng độ 0,7M 95

Hình 4.26 – Cường độ nén của mẫu lõi khoan của các mẫu bê tông cốt thép (có hàm lượng muối khác nhau) đươc ngâm trong dung dịch điện phân Ca(OH)2 với các nồng độ khác nhau ở thời điểm 90 ngày sau khi thực hiện điện hóa tách clo 98

Hình 4.27 – Cường độ nén của mẫu lõi khoan của các mẫu bê tông cốt thép (có hàm lượng muối khác nhau) đươc ngâm trong dung dịch điện phân LiOH với các nồng

độ khác nhau ở thời điểm 90 ngày sau khi thực hiện điện hóa tách clo 98

Hình 4.28 – Ảnh chụp lớp bột màu trắng bám trên cốt thép ở vị trí tiếp giáp với bê tông ở mẫu sử dụng dung dịch Ca(OH)2 (a) và mẫu sử dụng dung dịch LiOH (b) 100

Hình 4.29 - Ảnh chụp SEM với độ phóng đại 2000 lần của lớp tiếp giáp giữa bê tông và cốt thép ở mẫu bê tông cốt thép sử dụng dung dịch Ca(OH)2 để tách clo 100Hình 4.30 – Phổ phân tích EDS mẫu bột tại vị trí tiếp giáp giữa thép và bê tông của hình 4.27 101

Trang 15

Hình 4.31 - Ảnh chụp SEM với độ phóng đại 2000 lần của lớp tiếp giáp giữa bê tông và cốt thép ở mẫu bê tông cốt thép sử dụng dung dịch LiOH để tách clo 101

Hình 4.32 – Phổ phân tích EDS mẫu bột tại vị trí tiếp giáp giữa thép và bê tông của hình 4.29 102

Trang 16

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1- Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các

công trình [2] .15

Bảng 1.2 – Bảng thiết kế hỗn hợp bê tông thí nghiệm : 20

Bảng 1.3 – Phân loại mẫu dùng để thí nghiệm ăn mòn 21

Bảng 1.4 – Bảng nồng độ clo, %Cl- (kg /m3 ) 24

Bảng 1.5 – Kết quả cường độ nén của bê tông trong suốt 8 tuần tách clo 29

Bảng 1.6 – Nồng độ của clo theo độ sâu (g/m3) 29

Bảng 1.7 – Bảng thành phần nguyên liệu sử dụng để đúc mẫu 31

Bảng 1.8 – Bảng thành phần của xi măng dùng để đúc mẫu 31

Bảng 1.9 – Bảng thành phần của nước biển 32

Bảng 1.10 – Bảng thành phần nguyên liệu sử dụng để đúc mẫu 37

Bảng 2.1 – Kích thước của các lỗ rỗng trong hồ xi măng thủy hóa: 43

Bảng 2.2 – Giá trị hiệu điện thế ăn mòn 50

Bảng 2.3 – Hàm lượng clo tối đa cho phép trong bê tông theo EN 206-1:2000 53

Bảng 2.11 – Dãy thế điện động tiêu chuẩn – [12] 57

Bảng 3.1 – Các chỉ tiêu cơ lý của xi sử dụng đúc mẫu thí nghiệm 58

Bảng 3.2 – Cấp phối bê tông thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 211.1-91 61

Bảng 3.3 – Tính toán lượng muối cần dùng cho mẫu với các hàm lượng 3%, 5%, 7% clo theo khối lượng xi măng 62

Bảng 3.4 - Bảng phân loại các mẫu theo % clo và bố trí thành từng nhóm với các nồng độ dung dịch điện phân tương ứng .64

Bảng 3.5 – Khối lượng vật liệu dùng để đúc mẫu thí nghiệm 64

Trang 17

Bảng 3.6 – Bảng tóm tắt các bước thực hiện thí nghiệm 69

Bảng 4.1 – Kết quả cường độ nén mẫu bê tông ở các ngày tuổi, N/mm2 73

Bảng 4.2 –Nồng độ pH của dung dịch điện phân trước khi thực hiện điện 74

phân với các nồng độ theo thiết kế 74

Bảng 4.3 – Hiệu điện thế ăn mòn (mV) đo được của các mẫu đối chứng M3, M5, M7 .75

Bảng 4.4 – Hàm lượng clo ban đầu theo thiết kế mẫu thí nghiệm bê tông cốt

thép .76

Bảng 4.5 – Bảng tóm tắt sự thay đổi hàm lượng clo theo bề dày lớp bê tông bảo vệ của các mẫu ngâm trong các dung dịch điện phân khác nhau 88

Bảng 4.6 – Sự thay đổi độ pH của các dung dịch điện phân từ tuần thứ nhất đến tuần thứ 12 trong suốt quá trình thực hiện tách clo 89

Bảng 4.7 – Hàm lượng clo tự có trong các dung dịch điện phân sau 90 ngày thực hiện điện hóa tương ứng với kết quả thể hiện ở hình 4.19 92

Bảng 4.8 – Điện thế ăn mòn của các mẫu thí nghiệm ngâm trong các dung dịch điện phân theo thời gian 90 ngày điện hóa 96

Trang 18

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ĂN MÒN VÀ PHÁ HỦY BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG VEN BIỂN TRÊN THẾ GIỚI

VÀ TRONG NƯỚC

1.1 Khái quát về tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở thế giới

Bê tông cốt thép là vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trên thế giới Việc tiêu thụ bê tông trên toàn thế giới đứng hàng thứ hai chỉ sau việc tiêu thụ nước với hơn 1 tấn/người/năm (theo Sedgwich 1991)

Hình 1.1 – Các vết gỉ màu vàng ố và các vết nứt xuất hiện do thép bị ăn mòn ở cấu

kiện trụ đỡ của cầu Campus Loop ở Albany, thành phố New York, Mĩ

Người ta ước tính rằng chi phí cần để sửa chữa các cây cầu bị xuống cấp do ăn mòn thép trong bê tông ở Mỹ năm 2000 khoảng 5 tỷ đô la Mỹ (theo FHA, 1999) Thêm vào đó, những công trình cầu đường, nhà cửa và các công trình biển cũng chịu tác động Ở Anh, năm 1997 ước tính khoảng 750 triệu bảng Anh để phục hồi tất cả các hư hỏng do ăn mòn ở các công trình (BRE, 2002) Khi quá trình ăn mòn diễn ra, các sản phẩm sẽ thay thế kim loại ban đầu với thể tích

Trang 19

lớn hơn Điều này tạo ra ứng suất kéo trong bê tông, gây nứt và phá vỡ lớp bê tông bảo vệ

Sự ăn mòn thép trong bê tông dẫn đến sự phá hoại kết cấu nghiêm trọng nếu không được sửa chữa Ví dụ điển hình như, tháng 5 năm 2000, sự cố sập cầu đi bộ ở Bắc Carolina làm bị thương hơn 100 người Năm 1967, cây cầu nối Point Pleasant, phía Tây Virginia, với Kanauga, Ohio, bị sập bởi rất nhiều các bộ phận bị xuống cấp do ăn mòn Cây cầu Dickson ở Montreal năm 1990 cũng

bị ngừng hoạt động do sự ăn mòn làm xuống cấp

Ăn mòn thép dự ứng lực là một trong những nguyên nhân gây ra sự xuống cấp của các công trình dân dụng Ở Mĩ tốn khoảng 150 tỷ đô hàng năm để khắc phục tình trạng ăn mòn thép của các cây cầu ở đường liên bang do phải phun muối chống đóng băng để đảm bảo giao thông không bị cản trở vào mùa đông nhằm kéo điểm đóng băng của nước xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đóng băng của nước khi đó cầu sẽ không bị đóng băng

Hình 1.2 - Thiết bị phun muối chống đóng băng vào mùa đông

Báo cáo hàng năm của Ban nghiên cứu giao thông vào năm 1991, thì chi phí hàng năm để duy tu các dầm cầu từ 50 tỉ đến 200 tỉ đô la

Ở Anh, theo báo cáo của khoa Giao Thông thì chi phí hàng năm để duy tu sửa chữa do muối phun chống đóng băng ở các dầm cầu xe ô tô và xe tải là 616.5 tỉ bảng Anh và chi phí này chiếm 10% tổng tài sản quốc gia

Trang 20

1.2 Khái quát về 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 chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống, khí quyển biển và ven biển

Ăn mòn bê tông cốt thép là hiện tượng phổ biến và là nguyên nhân chủ yếu gây phá huỷ kết cấu và làm giảm đáng kể tuổi thọ các công trình xây dựng ở vùng biển Hiện nay, bên cạnh một số công trình có tuổi thọ trên 30 ÷ 40 năm có nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 ÷ 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10 ÷ 15 năm sử dụng

Hình 1.3- Cảng Thương vụ - Vũng Tàu

sau 15 năm sử dụng Hình 1.4- Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng, cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng

Thiệt hại do ăn mòn bê tông cốt thép gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30% ÷ 70% mức đầu

tư xây dựng công trình

Hình 1.5 - Hiện trạng ăn mòn các công trình khảo sát tại vùng biển Đà Nẵng

a, b: Cảng Tiên Sa; c: Cảng cá Thuận Phước; d: Cầu Nguyễn Văn Trỗi [2]

Trang 21

Các kết quả khảo sát các tại bốn công trình tiêu biểu tại Đà Nẵng bao gồm: Cầu Nguyễn Văn Trỗi, Cảng cá Thuận Phước, Cảng Liên Chiểu và Cảng Tiên Sa cho thấy rằng, tất cả 4 công trình đều nằm ở trong tình trạng bị ăn mòn nặng

Hình 1.6- Sự biến thiên hàm lượng Cl - theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ [2]

Kết quả phân tích mẫu cho thấy, hàm lượng Cl- thấm đều theo chiều dày của lớp bê tông bảo vệ và gấp 3-4 lần giới hạn cho phép Hàm lượng SO4-2 Điện thế ăn mòn của cốt thép được đo đạc trực tiếp tại các công trình Phương pháp đo đạc sử dụng trong quá trình nghiên cứu là điện cực so sánh Ag/AgCl Kết quả đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 và giản đồ E-pH của hệ Fe-H2O cũng nằm trong tình trạng trên và nằm ngoài vùng cho phép của ngưỡng ăn mòn pH bê tông dao dộng từ 10-11.7

Bảng 1.1- Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công

trình [2]

Trang 22

Hình 1.7- Công tác đo đạc điện thế ăn mòn tại các công trình [2]

Hình 1.8 - Công tác đo đạc, lấy mẫu bê tông tại các công trình khảo sát [2]

Với những kết quả đo được ở các cảng biển và công trình ven biển ở Đà Nẵng như trên, cho thấy các công trình này chịu ảnh hưởng nặng nề của nước biển, cả cốt thép lẫn bê tông đều bị ăn mòn

Do đó, ở nghiên cứu này, tác giả liệt kê ra một số phương pháp sửa chửa bê tông cốt thép bị xuống cấp hiện đã và đang được thực hiện ở các công trình tùy theo đăc điểm ăn mòn một cách khái quát không đi chuyên sâu vào kỹ thuật mà chỉ nêu

ra cách thức thực hiện và hạn chế của các phương pháp này

1.3 Các phương pháp sửa chữa và chống ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép

1.3.1 Sửa chữa và làm sạch thép bằng mảng vá cục bộ :

Đây là phương pháp thay thế các vùng vật liệu đã xuống cấp, hư hỏng bằng một lớp vật liệu mới có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn Phương pháp này thường áp dụng cho các vùng bê tông bị ăn mòn các bon nát hóa hay thép bị ăn mòn gây nứt bê tông , bề mặt bê tông bị bong tróc từng mảng để lộ thép hay ở những vùng bê tông bị xói mòn cơ học (bề mặt bê tông xuất hiện những lỗ hổng tổ ong nhìn thấy được bằng mắt thường)

Trang 23

Hình 1.9 – Bề mặt bê tông bị bong tróc và bị tổ ong bề mặt

Phương thức tiến hành sửa chữa thay thế bằng mảng vá cục bộ gồm 4 bước

cơ bản như sau:

+ Bước 1 : Cạo bỏ hoàn toàn lớp bê tông bị nứt, bị hư hỏng xuống cấp bằng máy khoan đục bê tông hay phun nước áp lực cao, tiến hành cạo bỏ

bề mặt vật liệu bị hỏng cho tới khi lộ ra bề mặt thép

+ Bước 2 : Nếu bề mặt thép bị gỉ thì tiến hành phun cát rửa sạch bề mặt thép bị gỉ và có thể sơn phủ bề mặt thép vùa mới rửa sạch nếu cần

+ Bước 3 : Thay thế phần vật liệu vừa mới cạo bỏ bằng vữa hay bê tông sửa chữa mới tốt hơn với hai tác dụng là : vật liệu sửa chữa ngăn chặn các tác nhân ăn mòn thấm vào bên trong bê tông gây ăn mòn thép (bảo

vệ vật lý) và vật liệu sửa chữa có tác dụng tái thụ động thép và bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn (bảo vệ hóa học)

+ Bước 4 : có thể tiến hành phương pháp thay thế mảng vá này mở rộng

ra các vùng bê tông xung quanh vẫn chưa bị hư hỏng để tăng khả năng bảo vệ công trình

1.3.2 Bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn bằng anốt hi sinh :

Khi công trình nằm ở vùng ven biển hay ở trên biển thì ngoài các tác nhân gây ăn mòn bê tông thì ion clo là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép làm cho công trình bị hư hỏng thậm chí nhanh hơn các tác nhân ăn mòn khác Đây là phương pháp bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn bởi clo bằng cách cấy một kim loại khác có tính hoạt động mạnh hơn vào cốt thép (hình 1.10) Khi các ion clo xâm

Trang 24

nhập qua bê tông vào thép nhưng không ăn mòn thép mà ăn mòn kim loại này trước

và thép được bảo vệ đảm bảo khả năng chịu lực của công trình

Hình 1.10 – Nối thêm anốt hi sinh để bảo vệ cốt thép trước khi đổ bê tông cấu kiện

Các hướng dẫn trong Tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 :đã đưa ra các yêu

cầu kỹ thuật về: thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống

ăn mòn cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Yêu cầu thiết kế trong tiêu chuẩn chỉ rõ trong tiêu chuẩn, quy định các yêu cầu tối thiểu về thiết kế áp dụng cho các công trình có tuổi thọ tới 50 năm Đối với các công trình yêu cầu có niên hạn sử dụng cao hơn tới 100 năm cần áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ như sau:

o Tăng mác bê tông thêm 10 MPa và độ chống thấm thêm một cấp hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ thêm 20 mm

o Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô

có mác bằng bê tông kết cấu dày tối thiểu 15mm

o Tăng cường thêm lớp sơn chống ăn mòn phủ mặt cốt thép trước khi

đổ bê tông

o Quét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép hoặc bảo vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp bảo vệ catốt

Với các thông số đã nêu ra, ta có thể đưa ra những nhận xét sau :

Tuy biện pháp sửa chữa cục bộ bằng mảng vá cục bộ và phương pháp bảo vệ thép bằng catot hi sinh phần nào có tác dụng hiệu quả Nhưng 2 phương pháp trên đều có khuyết và ưu điểm riêng như sau :

Đối với phương pháp sửa chữa bằng mảng vá cục bộ

Trang 25

+ Đối với những công trình có tính chất lịch sử thì việc thay thế đắp

vá bằng vật liệu mới này làm mất đi giá trị lịch sử, vẻ mỹ quan nghệ thuật của công trình đó

Còn tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 và phương pháp bảo vệ thép bằng anốt

hi sinh có ưu điểm là ngăn ngừa thép bị ăn mòn và lúc đó kim loại cấy vào thép sẽ

bị ăn mòn trước tuy nhiên đối với các công trình bê tông cốt thép từ lâu đời có tính chất lịch sử không thể thay đổi vật liệu đã có từ lâu thì phương pháp này vẫn chưa được áp dụng thì biện pháp nào sẽ ngăn chặn và ăn mòn thép và duy trì thời gian sử dụng của công trình?

Đối với những công trình cổ xưa mang giá trị nghệ thuật và lịch sử đã tồn tại

từ lâu đời, nay bị xuống cấp do thép bị ăn mòn đòi hỏi phải duy tu sửa chữa mà không làm mất đí giá trị lịch sử của nó thì 2 phương pháp trên tỏ ra không phải là giải pháp phù hợp

1.4 Các nghiên cứu trên thế giới về phương pháp điện hóa tách clo

Vào mùa hè năm 2003 Hosin “David” Lee và các giáo sư cộng tác Jungyong

“Joe” Kim, Steve Jacobsen, Rosanne Edwards khoa Xây Dựng và Giao Thông tại đại học Iowa đã thực hiện nghiên cứu tách ion clo gây ăn mòn thép bằng phương pháp điện hóa tại bản cầu bộ hành ở Đường Cao Tốc 6, dọc theo Đại Lộ Avenue, ở thành phố Iowa, Bang Iowa, Mĩ, đồng thời thực hiện thí nghiệm về ăn mòn thép trong phòng thí nghiệm, đúc thử các dầm và sàn bê tông cốt thép với cấp phối bê tông tương tự như cấp phối bê tông đã sử dụng cho dầm cầu ở ngoài hiện trường (bảng 1.2)

Trang 26

Bảng 1.2 – Bảng thiết kế hỗn hợp bê tông thí nghiệm :

Loại vật sử dụng trong thí nghiệm Khối lượng, kg

Mẫu dầm thí nghiệm nứt Mẫu sàn thí nghiệm nứt

Hình 1.11 – Kích thước mẫu dầm và sàn bê tông cốt thép

Thí nghiệm gồm có 12 mẫu dầm và 2 mẫu sàn bê tông cốt thép

Các mẫu dầm bê tông cốt thép được chia làm 4 nhóm thí nghiệm :

o Nhóm 1 : mẫu được tạo sẵn vết nứt, phun dung dịch muối 3%NaCl vào mẫu

và sử dụng dòng điện tách clo điện hóa

o Nhóm 2 : mẫu được tạo sẵn vết nứt, phun dung dịch muối 3%NaCl vào mẫu, không sử dụng dòng điện tách muối điện hóa

Trang 27

o Nhóm 3 : mẫu không tạo sẵn vết nứt, phun dung dịch muối 3%NaCl vào mẫu, không sử dụng dòng điện tách muối điện hóa

o Nhóm 4 : mẫu không tạo sẵn vết nứt, phun nước thường, không tạo sẵn vết nứt

Các mẫu sàn bê tông cốt thép được chia làm 2 nhóm thí nghiệm :

o Nhóm 1 : mẫu đã tạo sẵn vết nứt, phun dung dịch muối 3%NaCl vào mẫu và

sử dụng dòng điện tách muối điện hóa

o Nhóm 2 : đã tạo sẵn vết nứt, không phun dung dịch muối, không sử dụng dòng điện tách muối điện hóa

Bảng 1.3 – Phân loại mẫu dùng để thí nghiệm ăn mòn

Mẫu đối chứng Mẫu có muối Tổng số

Hình 1.12 – Hình minh họa các vị trí đo

hiệu điện thế ăn mòn

a) Kết quả thí nghiệm ăn mòn tại phòng thí nghiệm :

Trang 28

Hiệu điện thế bán điện cực ăn mòn được đo mỗi ngày liên tục trong 6 tháng với nhiệt độ phòng (22.2 ±5.5)oC

Mẫu dầm bê tông cốt thép :

Hình 1.13 – Đồ thị giá trị hiệu điện thế ăn mòn của dầm bê tông cốt thép trong 6

Trang 29

nhảy vọt lên -300mV trong 1 tuần Đúng như mong đợi, mẫu tạo sẵn vết nứt có hiệu điện thế cao hơn các mẫu không tạo sẵn vết nứt

Ghi chú : Set 1 : mẫu 1, Set 2 : mẫu 2, Set 3 : mẫu 3, Set 4 : mẫu 4, Set 5 : mẫu 5, Set

6 : mẫu 6

Hình 1.14 – Giá trị điện thế đo được của bản sàn có phun dung dịch muối

Ghi chú : Set 1 : mẫu 1, Set 2 : mẫu 2, Set 3 : mẫu 3, Set 4 : mẫu 4, Set 5 : mẫu 5, Set 6 : mẫu 6

Hình 1.15 – Giá trị hiệu điện thế đo được của bản sàn không phun dung dịch muối

Hình 1.14 và hình 1.15 thể hiện giá trị điện thế đo được trong ở bản sàn bê tông cốt thép có phun dung dịch muối và bản sàn không phun dung dịch muối riêng biệt theo thứ tự Kết quả được đo từng ngày khác nhau trong 6 tháng Bản sàn có

Trang 30

hiệu điện thế ban đầu nhỏ hơn được chọn để áp dụng trong dung dịch muối Đáng chú ý là giá trị đo được ở vị trí 1, vị trí cắt ngang thép dự ứng lực, đã có hiệu điện thế cao nhất trong 6 nhóm Đúng như mong đợi, sau khi phun dung dịch muối 3%NaCl, giá trị điện thế đã nhảy vọt lên -400 mV, trong khi bản sàn không phun dung dịch muối có điện thế thấp hơn -250mV

Bảng 1.4 – Bảng nồng độ clo, %Cl- (kg /m3 )

Mẫu 2A

có sử dụng muối, tạo sẵn

và thép

dự ứng lực lớn

Mẫu 1D

có sử dụng muối, tạo sẵn vết nứt

và thép

dự ứng lực nhỏ

Mẫu 2D

và thép

dự ứng lực nhỏ

Mẫu 1E

có sử dụng muối, không tạo sẵn vết nứt

và thép

Mẫu 2E không sử dụng muối, không tạo sẵn vết nứt

và thép

Mẫu 3A bản sàn

Mẫu 3A bản sàn không

sử dụng muối, tạo sẵn vết nứt

0,253 (4,88)

0,293 (5,65)

0,220 (4,24)

0,013 (0,26)

0,337 (6,49)

0,007 (0,13)

0,102 (1,96)

0,120 (2,31)

0,023 (0,44)

0,063 (1,22)

0,107 (2,06)

0,028 (0,55)

b) Thực hiện tách clo điện hóa tại hiện trường (bản mặt cầu bộ hành ở Đường Cao Tốc 6, dọc theo Đại Lộ Avenue, ở thành phố Iowa, Bang Iowa, Mĩ)

Kỹ thuật tách clo điện hóa này được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của ăn mòn thép dự ứng lực của bản cầu bộ hành ở Đường Cao Tốc 6, dọc theo Đại Lộ Avenue, ở thành phố Iowa, Bang Iowa, Mĩ vào mùa hè năm 2003 Đầu tiên, xác định mức độ bị ăn mòn tại hiện trường bằng các đo hiệu hiệu thế bán điện cực theo tiêu chuẩn ASTM C876 (hình minh họa ở hình 1.16)

Trang 31

Hình 1.16 - Đo điện thế trong thép bằng pin bán điện cực đối chiếu [3]

Lắp đặt thiết bị tách clo điện hóa học tại hiện trường gồm các bước:

Bước 1 – Cấu kiện bê tông cốt thép sẽ được đo để xác định xác suất ăn mòn cốt

thép do ion clo gây ra bằng thiết bị đo pin bán điện cực Phương pháp đo và thông số dùng để so sánh xác định mức độ bị ăn mòn có trong tiêu chuẩn ASTM C876 (hình 1.16)

Bước 2 – Sau khi xác định được mức độ ăn mòn, cấu kiện bê tông cốt thép trước

thi thực hiện tách muối sẽ được lấy một mẫu bê tông đem nghiền mịn và thí nghiệm xác định nồng độ clo có trong bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1152

Bước 3 – Tiến hành phủ một lớp bạt lên bề mặt cấu kiện bê tông và rải một lớp

lưới kim loại có dãy thế điện hóa lớn hơn thép (kim loại Titanium) được gắn vào bề mặt của cấu kiện bê tông (hình 1.19) Sau đó lại tiếp tục phủ 1 lớp bạt thứ hai lên bề mặt lớp kim loại này để tạo thành 1 cái túi cách ly với bề mặt

bê tông chứa dung dịch điện phân và lưới kim loại Titanium (hình 1.17; 1.18

và 1.19)

Trang 32

Hình 1.17 – Phủ bạt lên mặt cầu [3]

Hình 1.18 – Trải lưới kim loại Titanium lên bản mặt cầu [3]

Hình 1.19 – Lưới kim loại Titan trải tiếp xúc sát với bản mặt cầu [3]

Trang 33

Hình 1.20 - Lắp các gờ chắn cách ly không cho dung dịch điện

phân thoát ra bên ngoài [4]

Bước 4 – Áp dòng điện 1 chiều chạy qua lớp kim loại mới được gắn vào

(Titanium) và vào thép (thép dự ứng lực) bị ăn mòn cần tách muối (hình 1.21)

Hình 1.21 - Áp dòng điện 1 chiều [3]

Trang 34

Hình 1.22 – Mô hình mặt cắt dọc minh họa sơ đồ lắp thiết bị tách muối [4]

Hình 1.23 – Hình mô tả mặt bằng bố trí thiết bị dùng để xử lý tách muối [4]

Bước 5 – Ion Cl- dưới tác động của dòng điện sẽ di chuyển từ trong thép bị ăn mòn ra ngoài bề mặt bê tông

Bước 6 – Tiến hành lấy mẫu bê tông xác định lại hàm lượng clo trong bê tông

theo ASTM C1152

Trong suốt quá trình tách clo điện hóa diễn ra, điều quan trọng là sự tiếp xúc giữa dung dịch điện phân và bề mặt bê tông được duy trì tốt Dòng điện được chia

Trang 35

làm 4 vùng, sử dụng 4 máy nắn dòng, hiệu điện thế tối đa 40V Mỗi máy nắn dòng tạo ra dòng điện đủ dùng cho diện tích từ 274 m2 đến 304 m2

Quá trình tách clo diễn ra trong 8 tuần và chi phí lên đến gần 88000 đô, khoảng 25 USD/0,1 m2

Kết quả thí nghiệm tại hiện trường :

Kết quả đo hiệu điện thế tại 30 điểm của bản mặt cầu như sau : có 2 điểm có xác suất ăn mòn <5%, 5 điểm có xác suất ăn mòn 95%

Sau khi tách clo điện hóa được áp dụng để rút clo ra khỏi bản mặt cầu Hàm lượng clo trong bản mặt cầu được giảm 1 cách đáng kể từ 11,35 kg clo / 200 kg dầm xuống 2,25 kg clo/200kg dầm trong 8 tuần Cường độ của lõi bê tông được khoan lấy từ bản mặt cầu không bị giảm cường độ khi áp dụng kỹ thuật tách muối này

Bảng 1.5 – Kết quả cường độ nén của bê tông trong suốt 8 tuần tách clo

Với các số liệu thử nghiệm đo được ở trên tác giả có một số nhận xét sau :

Để dự đoán hay mô phòng quá trình ăn mòn thép trong bản mặt cầu, 2 mẫu bản sàn dự ứng lực và 12 mẫu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực được đúc tạo mẫu Trước tiên, ngay lập tức tiến hành đo giá trị điện thế bán điện cực của các mẫu này sau khi tháo khuôn và kết quả là nhỏ hơn -200 mV Tuy nhiên, sau khi thêm 3%

Trang 36

muối vào dung dịch và phun lên bề mặt mẫu, thì điện thế ăn mòn đã tăng lên tới 500mV và mức điện thế này đã được duy trì trong 6 tháng khi dung dịch muối được thêm vào và phun vào bề mặt mẫu

-Tiến hành tách clo bằng phương pháp điện hóa cho các mẫu dầm và bản sàn ở trên trong khoảng thời gian 3 tháng trong phòng thí nghiệm, sau đó tiến hành đo lại điện thế ăn mòn, và kết quả là hàm lượng clo gây ăn mòn thép trong các mẫu đã giảm đáng kể (xem bảng 1.6)

Giá trị hiệu điện thế bán điện cực đo được của bản mặt cầu ở Thành phố Iowa

và hầu hết chúng nằm trong khoảng ăn mòn không xác định có ăn mòn (từ -250mV đến -350mV) Tuy nhiên, để giảm thiểu nguy cơ bị ăn mòn trong tương lai, vẫn tiến hành tách clo cho bản mặt cầu này Tiến hành khoan lấy mẫu lõi bê tông tại hiện trường và thử cường độ nén, kết quả cho thấy cường độ nén không bị suy giảm hay cường độ nén không bị ảnh hưởng khi tách muối clo điện hóa (bảng 1.5) Hàm lượng clo cao nhất trong bản mặt cầu giảm đáng kể từ 14802,6 g/m3 xuống 2936 g/m3 trong 8 tuần Tại vùng có thép dự ứng lực, hàm lượng clo đã giảm từ 2782,9 g/m3 xuống còn 917,8 g/m3 khi sử dụng kỹ thuật tách clo bằng phương pháp điện hóa (bảng 1.6)

Nhìn chung, hơn 50% clo đã được tách khỏi các mẫu bê tông tại phòng thí nghiệm và tại cầu bộ hành đường quốc lộ 6 ở thành phố Iowa Hàm lượng clo trong các mẫu bản sàn và dầm bê tông cốt thép dự ứng lực đúc và tiến hành tách clo ở phòng thí nghiệm (có thêm muối) đã giảm 59,96% khi áp dụng phương pháp này Kết quả thử hàm lượng clo trước và sau khi áp dụng phương pháp tách muối điện hóa của mẫu bột khoan ở độ sâu 3,81cm và 6,35cm (lấy trung bình) của cầu bộ hành trên đường quốc lộ 6 đã được giảm khoảng 72,3%

Vào ngày 02/04/2004 J.C Orellan, G Escadeillas* và G Arliguie đã thực hiện nghiên cứu sự di chuyển của các ion K+, Na+, Ca++ trong bê tông dưới sự phân cực âm của thép (cực âm) trong phương pháp tách clo điện hóa đã di chuyển và tích

tụ ở bề mặt thép và trong đó ion K+ là di chuyển nhanh nhất trong thí nghiệm này

Trang 37

Trình tự thí nghiệm và cách lắp đặt thiết bị thí nghiệm được mô tả ở hình 1.24 như sau :

Hình 1.24 – Hình minh họa quy cách mẫu thử

Mẫu trụ bê tông cốt thép đường kính từ 50mm và 110 mm, dài 110mm, thanh thép ∅14 mm đặt vào trọng tâm mẫu Mẫu sau khi đúc được chứa trong phòng có nhiệt độ 20oC và độ ẩm không thay đổi Sau khi tháo khuôn và được chứa trong phòng dưỡng ẩm ở 20oC±1oC ở độ ẩm tương đối 100% trong vòng 28 ngày trước khi được nhúng vào dung dịch muối nhân tạo Ion clo sẽ thấm vào mẫu bê tông cốt thép trong thời gian 300 ngày với chu kỳ 3 ngày ngâm trong dung dịch muối và 4 ngày sấy khô ở nhiệt độ 40oC

Bảng 1.7 – Bảng thành phần nguyên liệu sử dụng để đúc mẫu

Xi măng pooc lăng 310 kg/m3Cát silic 850 kg/m3

Đá silic 1050 kg/m3

Cường độ nén 28 ngày 36 MPa

Bảng 1.8 – Bảng thành phần của xi măng dùng để đúc mẫu

CaO SO 3 SiO 2 Al 2 O 3 MgO Fe 2 O 3 Na 2 O K 2 O

Phần trăm, % 61,8 3,2 18,4 4,9 2,75 2,4 0,13 0,68

Trang 38

Bảng 1.9 – Bảng thành phần của nước biển

-mmol/L 460,0 52,0 14,2 2,0 538,0 27,1 2,0

Quy trình tách clo điện hóa như sau:

Kỹ thuật tách clo điện hóa được áp dụng như sau 16 mẫu được đặt trong thùng đựng bằng PVC sau khi đã ốp cố định lưới thép titanium lên bề mặt bê tông Cường độ dòng điện sử dụng : 1 A/m2 bề mặt thép

Thời gian áp dụng : 90 ngày

Chế độ tách clo : - Duy tri dòng điện tách clo liên tục trong suốt

thời gian 90 ngày

- Tách clo gián đoạn, duy trì dòng điện 5 ngày/tuần, tắt 2 ngày và làm mới dung dịch điện phân ở ngày thứ 2 sau khi tắt dòng điện

Độ pH của dung dịch điện phân: 6,5 ÷ 8

Hình 1.25 – Hình minh họa quy cách lắp đặt thiết bị tách clo

Kết quả tách clo bằng phương pháp điện hóa :

Sự thay đổi hàm lượng có trong dung dịch điện phân theo thời gian ở 2 bề dày lớp bê tông 20 mm và 50 mm ở 21 ngày đầu tiên Sau đó, hàm lượng clo trong dung dịch điện phân giảm và đường cong hàm lượng clo tích lũy có xu hướng tiệm cận trong thời gian 90 ngày phân tích

Trang 39

Hình 1.26 – Đồ thị hàm lượng clo tích lũy trong dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện và làm mới dung dịch điện phân) ở lớp bê tông bảo vệ dày 20mm

Hình 1.27 – Đồ thị hàm lượng clo tích lũy trong dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện và làm mới dung dịch điện phân) ở lớp bê tông bảo vệ dày 50mm

Hình 1.28 – Nồng độ clo ở lớp bê tông bảo vệ dày 20mm ở chế độ duy trì dòng điện

liên tục

Trang 40

Hình 1.29 – So sánh giữa 21 ngày và 90 ngày với 2 chế độ xử lí khác nhau : (a) bề dày lớp bê tông bảo vệ 20 mm và (b) bề dày lớp bê tông bảo vệ 50 mm ( INTERR & RENEWAL = ngắt dòng điện và làm mới dung dịch điện phân, NO RENEWAL =

không ngắt điện và không làm mới dung dịch điện phân)

Hình 1.30 – Nồng độ ion K+ tại các bề dày lớp bê tông : (a) 20 mm và (b) 50 mm

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	15,5 MB