Luận án tiến sĩ nghiên cứu phục hồi kết cấu bê tông cốt thép nhiễm clorua bằng phương pháp ece và eici

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ššš NGUYỄN THẾ HUYÊN NGHI£N CøU PHôC HåI KÕT CÊU B£ TÔNG CốT THéP NHIễM CLORUA BằNG PHƯƠNG PHáP ECE Và EICI Chuyên Ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TUẤN ANH PGS.TS LÊ VĂN KHU HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận án cơng trình tơi tiến hành nghiên cứu hướng dẫn hai thầy hướng dẫn khoa học Các số liệu kết thu luận án trung thực chưa xuất luận án khác Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2017 Tác giả Nguyễn Thế Huyên ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện kỹ thuật nhiệt đới - Viện khoa học công nghệ Việt Nam, thầy cô giáo trường Đại học Sư phạm Hà Nội giảng dạy, cung cấp kiến thức khoa học, tạo điều kiện cho em hồn thành chương trình nghiên cứu sinh Em xin cảm ơn anh, chị bạn thuộc phòng Vi phân tích - Viện Kỹ thuật nhiệt đới tạo điều kiện sở, trang thiết bị phòng thí nghiệm hỗ trợ cơng nghệ, kỹ thuật thực nghiệm cho em suốt trình thực luận án Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Tuấn Anh, phó trưởng phịng vi phân tích, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam; PGS - TS Lê Văn Khu, mơn Hóa lý, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội Các thầy người hướng dẫn khoa học mà cịn tận tình dạy bảo, truyền cho em niềm đam mê, nghiêm túc công việc nghiên cứu khoa học sống Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp giáo viên quan, sở Giáo dục Đào tạo tỉnh Nam Định bạn bè tạo điều kiện vật chất, tinh thần, động viên, khuyến khích tơi thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2017 Nguyễn Thế Huyên iii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu luận án Nội dung nghiên cứu luận án Điểm luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .4 1.1 Giới thiệu bê tông cốt thép 1.2 Tổng quan ăn mịn cốt thép bê tơng 1.2.1 Ảnh hưởng trình cacbonat hóa bê tơng .7 1.2.2 Ảnh hưởng ion clorua .8 1.3 Tổng quan chất ức chế ăn mòn sử dụng bê tông cốt thép 12 1.3.1 Định nghĩa chất ức chế ăn mòn 12 1.3.2 Phân loại chất ức chế ăn mòn 12 1.3.3 Phân loại ức chế ăn mòn theo hoạt động chất ức chế phản ứng ăn mòn 13 1.3.4 Tình hình nghiên cứu nước 14 1.4 Các phương pháp điện hóa để bảo vệ phục hồi cho bê tông cốt thép bị nhiễm clorua 17 1.4.1 Phương pháp ECE .18 1.4.2 Phương pháp EICI .26 1.4.3 Các phát triển gần phương pháp ECE EICI .29 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .32 2.1 Hóa chất 32 2.2 Chế tạo mẫu vữa xi măng cốt thép bê tông cốt thép 32 2.3 Phương pháp xử lý ECE 34 2.4 Phương pháp xử lý EICI 35 2.5 Phương pháp phân tích hàm lượng clorua tự mẫu vữa xi măng cốt thép cảm biến clorua tự chế tạo .36 iv 2.6 Xác định hệ số khuếch tán ion clorua vữa xi măng trước sau xử lý EICI 38 2.7 Phân tích hình thái học hàm lượng nguyên tố vữa xi măng phương pháp SEM/EDX 40 2.8 Phân tích hàm lượng chất ức chế ăn mịn TBAB vữa xi măng phổ hấp thụ UV-vis .41 2.9 Đo đặc trưng điện hóa lõi thép vữa xi măng bê tông .43 2.9.1 Phương pháp đo tổng trở điện hóa .44 2.9.2 Phương pháp đo đường cong phân cực tuyến tính .45 2.10 Xác định cường độ chịu nén mẫu bê tông vữa xi măng 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49 3.1 Nhiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý tới hiệu phương pháp ECE 49 3.1.1 Ảnh hưởng mật độ dòng điện dung dịch xử lý tới tỷ lệ loại bỏ clorua 49 3.1.2 Ảnh hưởng mật độ dòng điện dung dịch xử lý tới độ bền chịu nén vữa xi măng 56 3.1.3 Ảnh hưởng mật độ dòng điện dung dịch xử lý tới điện trở vữa xi măng 57 3.1.4 Ảnh hưởng mật độ dòng điện dung dịch xử lý đến đặc trưng điện hóa cốt thép vữa xi măng 60 3.1.5 Ảnh hưởng dung dịch xử lý tới vi cấu trúc thành phần vữa xi măng 63 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý tới hiệu phương pháp EICI 68 3.2.1 Ảnh hưởng dung dịch xử lý thời gian xử lý tới hàm lượng chất ức chế có mặt vữa xi măng 69 3.2.2 Ảnh hưởng dung dịch xử lý thời gian xử lý đến độ bền chịu nén vữa xi măng 75 3.2.3 Ảnh hưởng dung dịch xử lý thời gian xử lý đến đặc trưng điện hóa cốt thép vữa xi măng 76 v 3.2.4 Ảnh hưởng dung dịch xử lý tới hệ số khuếch tán ion clorua vữa xi măng 80 3.3 Nghiên cứu áp dụng phương pháp ECE EICI để phục hồi cấu trúc bê tông cốt thép nhiễm clorua 84 3.3.1 Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật ECE EICI cho mẫu bê tơng cốt thép phịng thí nghiệm 84 3.3.2 Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật ECE EICI cho mẫu bê tơng cốt thép ngồi thực địa 88 3.3.3 Thử nghiệm cống Lân (Tiền Hải, Thái Bình) .93 KẾT LUẬN 100 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 102 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTCT : Bê tông cốt thép CSH : Calcium Silicate Hydrate (pha/gel canxi silicat hydrat vữa xi măng) C3A : 3CaO.Al2O3 Tricalcium aluminate (hàm lượng khoáng xi măng) ECE : Electrochemical chloride extraction (hút ion clorua kỹ thuật điện hóa) EDX : Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ lượng tia X ) EICI : Electrical injection of corrosion inhibitors (điện di chất ức chế ăn mòn) EIS : Electrochemical Impedance Spectroscopy (tổng trở điện hóa) Eoc : Open Circuit Potential (OCP, điện mạch hở) Ecorr : Điện ăn mòn FE-SEM : Field Emission Scanning Electron Microscope (kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường) GC : Guanidine carbonate icorr : Mật độ dòng điện ăn mòn MSE : Mercury-mercurous sulfate reference electrode (điện cực so sánh thủy ngân-thủy ngân sunphat) Rp : Điện trở phân cực cốt thép SCE : Saturated Calomel Electrode (điện cực calomen bão hòa) TBAB : Tetrabutylammonium bromide TBPB : Tetrabutylphosphonium bromide TEAB : Tetraethylammonium bromide TEAC : Tetraethylammonium chloride TEOA : Triethanolamine TMAB : Tetramethylammonium bromide TMAC : Tetramethylammonium chloride TETA : Triethylenetetramine UV-vis : Phổ tử ngoại khả kiến OD : Optical density (mật độ quang – độ hấp thụ quang) vii DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1: Tóm tắt thơng số phương pháp xử lý ECE tỷ lệ loại bỏ ion clorua theo tài liệu công bố giới 20 Bảng 2.1: Xác định mác vữa xi măng 48 Bảng 3.1: Xác định hàm lượng Clo (% nguyên tử) theo khoảng cách từ lõi thép mẫu trước sau xử lý ECE phương pháp EDX 55 Bảng 3.2: Các giá trị ăn mòn (Ecorr), điện trở phân cực (Rp) mật độ dòng ăn mòn (icorr) mẫu có hay khơng có xử lý ECE dung dịch NaOH 60 Bảng 3.3: Các giá trị ăn mòn (Ecorr), điện trở phân cực (Rp) mật độ dịng ăn mịn (icorr) mẫu có hay khơng có xử lý ECE dung dịch Na3BO3 61 Bảng 3.4: Phân bố tỷ số Ca/Si (% nguyên tử) cho mẫu trước sau xử lý ECE 66 Bảng 3.5: Phân bố tỷ số O/Ca (% nguyên tử) cho mẫu trước sau xử lý ECE 67 Bảng 3.6: Kết tính tốn hàm lượng ức chế [TBA +] mẫu vữa xi măng sau xử lý EICI dung dịch NaOH .72 Bảng 3.7: Kết tính tốn hàm lượng ức chế [TBA +] mẫu vữa xi măng sau xử lý EICI dung dịch Na3BO3 .72 Bảng 3.8: Giá trị điện ăn mòn, điện trở phân cực mật độ dòng ăn mịn cốt thép mẫu xi măng khơng nhiễm clorua, trước sau xử lý EICI dung dịch 0,1 M NaOH .77 Bảng 3.9: Giá trị điện ăn mòn, điện trở phân cực mật độ dòng ăn mòn cốt thép mẫu xi măng nhiễm 0,5 % clorua, trước sau xử lý EICI dung dịch 0,1 M NaOH 78 viii Bảng 3.10: Giá trị điện ăn mòn, điện trở phân cực mật độ dòng ăn mòn cốt thép mẫu xi măng không nhiễm clorua, trước sau xử lý EICI dung dịch 0,1M Na3BO3 79 Bảng 3.11: Giá trị điện ăn mòn, điện trở phân cực mật độ dòng ăn mòn cốt thép mẫu xi măng nhiễm 0,5 % clorua, trước sau xử lý EICI dung dịch 0,1M Na3BO3 79 Bảng 3.12: Kết tính tốn hàm lượng ức chế [TBA+] mẫu vữa xi măng cột thủy trí Cống Lân sau xử lý EICI 96 Bảng 3.13: Tổng hợp thông số đo đạc hàm lượng clorua, hàm lượng TBA+ điện mạch hở cốt thép trước sau giai đoạn tiến hành xử lý ECE EICI Cống Lân 96 98 nhận thấy q trình xử lý điện hóa làm tăng điện hở mạch cốt thép từ -350 mV/SCE lên -70 mV/SCE thời điểm tháng sau kết thúc trình xử lý ECE/EICI Theo tiêu chuẩn ASTM C876-09 [16], Eoc >-135mV khả 90% thép khơng ăn mịn Trong trường hợp -135mV < E oc