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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ XUÂN LÂM NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA DÙNG TÁCH MUỐI CLO NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ BỀN CHỐNG XÂM THỰC CHO CƠNG TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP Chun ngành : Vật Liệu Công Nghệ Vật Liệu Xây Dựng Mã số : 60 58 80 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09, năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI : TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS TRẦN VĂN MIỀN Cán chấm nhận xét : TS LÊ ANH TUẤN Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN NINH THỤY Luận văn thạc sĩ bảo vệ 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 Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS NGUYỄN VĂN CHÁNH GS TSKH PHÙNG VĂN LỰ TS TRẦN VĂN MIỀN TS LÊ ANH TUẤN TS NGUYỄN NINH THỤY Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LV TS NGUYỄN VĂN CHÁNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS NGUYỄN VĂN CHÁNH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -Tự -Hạnh phúc Tp HCM, Ngày… tháng….năm……… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Xuân Lâm MSHV : 10190715 Ngày, tháng, năm sinh: 15/04/1985 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Vật Liệu 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 CƠNG TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương Hiện trạng ăn mòn phá hủy bê tông cốt thép vùng ven biển giới nước Chương Cơ chế ăn mịn thép bê tơng cốt thép phương pháp điện hóa tách clo Chương Các tính chất vật liệu sử dụng thí nghiệm Chương Kết thí nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN VĂN MIỀN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS TRẦN VĂN MIỀN PGS TS NGUYỄN VĂN CHÁNH Nội dung Luận văn Thạc sĩ Hội Đồng Chun Ngành thơng qua Ngày PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC tháng năm 2012 KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trong suốt hai năm học tập nghiên cứu, với giảng dạy tận tình hết lịng truyền đạt kiến thức chun mơn thầy cô Bộ môn Vật liệu Xây dựng giúp hồn thành luận văn cho phép tơi gởi lời tri ân đến tất thầy cô Bộ môn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Miền hướng dẫn định hướng cho việc tìm tịi nghiên cứu khoa học Với giúp đỡ, động viên thường xuyên nhắc thầy giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cám ơn Phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Phịng thí nghiệm Cơng trình Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM cho phép tạo điều kiện hỗ trợ để thực thí nghiệm nghiên cứu Tơi chân thành cám ơn Phịng 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, Phịng thí nghiệm Xây Dựng – Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 3, Phịng thí nghiệm Vật Liệu Xây Dựng LAS 143 – Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt q trình thực 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 Hịa Bình tích cực hỗ trợ tơi thực đề tài nghiên cứu Và cuối lòng biết ơn sâu sắc đến người vợ thân yêu tôi, ba má vợ với tất người thân gia đình động viên tinh thần giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Dù cố gắng để hoàn thành luận văn kiến thức thời gian hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Kính mong q Thầy bạn tận tình đóng góp ý kiến để luận văn hồn chỉnh TĨM TẮT Ngày nay, bê tông cốt thép dự ứng lực loại vật liệu thơng dụng nhiều cơng trình Nó có nhiều ưu điểm : có độ bền dài lâu, dễ chế tạo sử dụng Tuy nhiên, bê tông cốt thép dự ứng lực phải đối mặt với nguy bị ăn mòn suốt thời gian sử dụng, đặc biệt ăn mòn cốt thép xâm thực clo Tách clo phương pháp điện hóa phương pháp xử lý kết cấu bê tông cốt bị hư hỏng clo gây cách tách 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 hiệu tách clo khỏi cấu kiện bê tông sử dụng dung dịch điện phân Lithium hydroxit (LiOH) dung dịch Ca(OH)2 với nồng độ dung dịch 0,7M; 1,0M 1,2M, điện cực sử dụng lưới đồng, sử dụng dịng điện chiều có cường độ không đổi 1,3A/m2, thời gian thực điện hóa tách clo 12 tuần Kết thí nghiệm cho thấy, dung dịch điện phân Ca(OH)2 có hiệu tách clo từ 45% đến 50% hàm lượng clo tách khỏi bê tông so với hàm lượng clo ban đầu dung dịch Lithium hydroxite có hiệu tách clo từ 50% đến 70% hàm lượng clo tách khỏi bê tông so với hàm lượng clo ban đầu Bên cạnh đó, quan sát thấy có lớp bột màu trắng gồm có số lượng ion kim loại kiềm Ca, Li, Si, Al, Na, K bám vào bề mặt cốt thép làm ảnh hưởng đến lớp thụ động cốt thép hiệu điện ăn mòn đo sau thực hóa tăng, điều cho thấy, Tách clo điện hóa khơng thể bảo vệ lớp thụ động cốt thép hay khơng có khả làm tái thụ động cho lớp thụ động thép bê tông bê tông bị xâm thực clo với nồng độ cao lớp bột có khả làm giảm cường độ bám dính thép bê tông ABSTRACT 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 - MỤC LỤC Trang CHƯƠNG : 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 tình trạng ăn mịn bê tơng cốt thép giới .12 1.2 Khái qt tình trạng ăn mịn bê tông cốt thép vùng biển Việt Nam .14 1.3 Các phương pháp sửa chữa chống ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép 16 1.3.1 Sửa chữa làm thép mảng vá cục : 16 1.3.2 Bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn anốt hi sinh : 17 1.4 Các nghiên cứu giới phương pháp điện hóa tách clo .19 CHƯƠNG : 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 bê tông 43 2.2 Cơ chế ăn mòn thép bê tông cốt thép .43 2.2.1 Kỹ thuật kiểm tra ăn mòn pin bán điện cực theo tiêu chuẩn ASTM C876-09 47 2.2.2 2.3 Phương pháp lấy mẫu xác định hàm lượng clo có mẫu: 50 Giá trị ăn mòn giới hạn 52 2.4 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu mơ hình áp dụng tách clo phương pháp điện hóa 54 2.5 Cơ sở chọn lựa kim loại làm anốt 56 CHƯƠNG : CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM 58 3.1 Các tính chất xi măng: .58 - Trang - 3.2 Cốt liệu sử dụng nghiên cứu 59 3.3 Điện cực dung dịch điện phân .60 3.4 Thiết kế cấp phối bê tông theo tiêu chuẩn ACI 211.1-91dùng nghiên cứu 61 3.5 Lượng muối dùng m3 bê tông theo % khối lượng xi măng 61 3.6 Quy trình thực thí nghiệm 65 3.7 Các thiết bị thí nghiệm sử dụng luận văn : .70 CHƯƠNG : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 72 4.1 Cường độ nén bê tông trước thực điện hóa 72 4.2 Độ pH dung dịch phân trước thực điện hóa tách clo 74 4.3 Đo điện ăn mòn tất mẫu trụ bê tông cốt thép trước thực tách clo phương pháp điện hóa 74 4.4 Sự thay đổi hàm lượng clo bề mặt thép mẫu thí nghiệm theo thời gian áp dụng phương pháp điện hóa tách clo, với dung dịch điện phân Ca(OH)2 LiOH .78 4.5 Nồng độ clo phân bố bê tông sử dụng dung dịch điện phân khác thời điểm 90 ngày 86 4.6 Sự thay đổi độ pH dung dịch điện phân tuần sau thực điện hóa 89 4.7 Đo điện ăn mòn mẫu thí nghiệm thời điểm 90 ngày sau thực điện hóa tách clo 93 4.8 Nghiên cứu biến đổi cường độ nén bê tông trước sau thực tách clo phương pháp điện hóa sử dụng dung dịch điện phân Ca(OH)2 LiOH, áp dụng dòng điện chiều có cường độ 1,3A/m2 hiệu điện 40v/m2 97 4.9 Nghiên cứu cấu trúc lớp bê tơng cận cốt thép sau điện hóa tách clo 99 KẾT LUẬN : 104 KIẾN NGHỊ : 105 - Trang - DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 – Các vết gỉ màu vàng ố vết nứt xuất thép bị ăn mòn cấu kiện trụ đỡ cầu Campus Loop Albany, thành phố New York, Mĩ 12 Hình 1.2 - Thiết bị phun muối chống đóng băng vào mùa đơng 13 Hình 1.3- Cảng Thương vụ - Vũng Tàu sau 15 năm sử dụng 14 Hình 1.4- Cảng Cửa Cấm - Hải Phịng cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng 14 Hình 1.5 - Hiện trạng ăn mịn cơng trình khảo sát 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- Cơng tác đo đạc điện ăn mịn cơng trình [2] 16 Hình 1.8 - Cơng tác đo đạc, lấy mẫu bê tơng cơng trình khảo sát [2] 16 Hình 1.9 – Bề mặt bê tơng bị bong tróc bị tổ ong bề mặt 17 Hình 1.10 – Nối thêm anốt hi sinh để bảo vệ cốt thép trước đổ bê tơng cấu kiện 18 Hình 1.11 – Kích thước mẫu dầm sàn bê tông cốt thép 20 Hình 1.12 – Hình minh họa vị trí đo hiệu điện ăn mịn 21 Hình 1.13 – Đồ thị giá trị hiệu điện ăn mòn dầm bê tông cốt thép tháng 22 Hình 1.14 – Giá trị điện đo sàn có phun dung dịch muối 23 Hình 1.15 – Giá trị hiệu điện đo sàn không phun dung dịch muối 23 Hình 1.16 - Đo điện thép pin bán điện cực đối chiếu [3] 25 Hình 1.18 – Trải lưới kim loại Titanium lên mặt cầu [3] 26 Hình 1.19 – Lưới kim loại Titan trải tiếp xúc sát với mặt cầu [3] 26 Hình 1.20 - Lắp gờ chắn cách ly không cho dung dịch điện 27 - Trang - phân thoát bên [4] 27 Hình 1.21 - Áp dịng điện chiều [3] 27 Hình 1.22 – Mơ hình mặt cắt dọc minh họa sơ đồ lắp thiết bị tách muối [4] 28 Hình 1.23 – Hình mơ tả mặt 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 dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện làm dung dịch điện phân) lớp bê tông bảo vệ dày 20mm 33 Hình 1.27 – Đồ thị hàm lượng clo tích lũy dung dịch điện phân (với chế độ ngắt điện làm dung dịch điện phân) lớp bê tông bảo vệ dày 50mm 33 Hình 1.28 – Nồng độ clo lớp bê tông bảo vệ dày 20mm chế độ trì dịng điện liên tục 33 Hình 1.29 – So sánh 21 ngày 90 ngày với chế độ xử lí khác : (a) bề dày lớp bê tông bảo vệ 20 mm (b) bề dày lớp bê tông bảo vệ 50 mm ( INTERR & RENEWAL = ngắt dòng điện làm dung dịch điện phân, NO RENEWAL = không ngắt điện không làm dung dịch điện phân) 34 Hình 1.30 – Nồng độ ion K+ bề dày lớp bê tông : (a) 20 mm (b) 50 mm 34 Hình 1.31 – Nồng độ ion Ca++ bề dày lớp bê tông : (a) 20 mm (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 nồng độ ion clo tự theo khoảng cách từ bê tông đến bề mặt thép 37 Hình 1.34 –Sự thay đổi nồng độ kiềm theo khoảng cách từ bề mặt thép đến bê tông 38 Hình 1.35 - Ảnh chụp hình thái hồ xi măng độ phóng đại 400 lần 39 Hình 1.36 -Ảnh chụp hình dạng tinh thể Ca(OH)2 độ phóng đại 400 lần 39 Hình 1.37 - Ảnh chụp chứng tỏ lớp màng bao quanh thép phát triển sau xử lý (x400) 39 Hình 1.38 – Phân tích EDS tương ứng với hình 1.37 39 - Trang 107 - - Trang 108 - - Trang 109 - - Trang 110 - - Trang 111 - - Trang 112 - STUDY ON ELECTROCHEMICAL CHLORIDE EXTRACTION OF CONCRETE Tran Van Mien1* and Le Xuan Lam2 1,2 Department of Construction Materials, Faculty of Civil Engineering, HoChiMinh City University of Technology, Vietnam tvmien@hcmut.edu.vn Abstract—This paper investigated the effectiveness of electrochemical chloride extraction (ECE) of concrete with chloride added in mixing water After 27 days of curing, the concrete was subjected to ECE for 12 weeks In ECE method, the electrolytes used are lithium hydroxide and canxi hydroxide, and electrode is copper During application of ECE, the electric current was kept constant The results showed the chloride content is reduced by the time of ECE application, especially at 12 weeks Also, the pH value of concrete slightly increases Moreover, half-cell potential is mostly unchanged by the time of ECE treatment This may implies that the ECE can not help to increase the thickness or protect passive film of steel bar embedded in the concrete containing high chloride content Keywords: electrochemical chloride extraction, chloride content, half-cell potential INTRODUCTION Corrosion, such as contaminating concrete structures with chlorides causes severe damages to the reinforcing steel (RC) There are many ways of chloride ingress into RC structures It can be added during mixing process by using inadequately aggregates (sea sands, sea crushed stone), sources of the chloride can be external from the sea-water for marine structures, and it may attack the concrete structures Only the free chlorides in pore solution near steel surface contribute in the initiation of steel corrosion When the chloride content in the pore solution exceeds the threshold chloride level, the passive film around the steel surface will break down The bound chlorides don’t play any role in corrosion initiation in normal conditions There are many ways to protect against chloride attack such as : expoxy coated steel, catode protection, patch repair ect… However, it is impossible for old buildings that have historical property Electrochemical Chloride Extraction (ECE) treatment can solve that problem, by applying a DC current through the reinforcement steel as cathode to the anode mesh which is placed temporary on the concrete surface The anode mesh is surrounded by alkali solution like calcium hydroxide Chlorides, as negatively charged ions, will be pushed toward the positive anode, and thereby large amounts of chlorides can be removed from the concrete in 10 weeks In this paper, the effectiveness of electrochemical chloride extraction (ECE) of concrete with chloride added in mixing water was investigated The concrete was subjected to ECE for 12 weeks In ECE method, the electrolytes used are lithium hydroxide and calcium hydroxide and electrode is copper During application of ECE, the electric current was kept constant MECHANISM OF THE CORROSION OF STEEL IN CONCRETE (AS AN ELECTROCHEMICAL PROCESS) In normal conditions, the reinforcement is highly protected from corrosion by the concrete, because of the high alkalinity (PH > 13.5) of the pore solution and steel will remain in passive state [4] However, when oxygen, moisture and chloride ion present in environment, those will penentrate throught concrete’s pore and accumulate around steel’s surface, When the chloride content in the pore solution exceeds the threshold chloride level, steel corrosion will be occured [4] The anodic reaction is an oxidation process, metal is disolve or loss Iron react with water release electron become ferrous oxide [3] Anodic reaction : Fe Fe++ + 2e- (1) 3Fe + 4H2O Fe3O4 (ferric hydroxide) + 8H+ + 8e- (2) 2Fe + 3H2O Fe2O3 (ferrous hydroxide) + 6H+ + 6e- (3) Fe + 2H2O HFeO2- + 3H+ + 2eFe++ + Cl- FeCl2 â (deposite) (4) (5) Dissolving oxygen area will become catode Catode reaction occurs slowly in alkali environment because of low hydro concentration However, It is accelerated by polarization rate of oxygen dissolution reaction After releasing and moving to catode, electrons reacted with oxygen : O2 + 2H2O + 4e- 4OH(6) or: 2H+ + 2e- H2 (7) - Trang 113 Ferrous oxide, ferric oxide, ferrous hydroxide , ferric hydroxide, products of anode and catode reaction by changing valence of iron can cause damage steel and those can increase times to times of steel’s volume that makes tensile stress inside concrete and cause cracking concrete (figure.1) [4] Figure Schematic illustration of the corrosion of reinforcement steel in concrete (as an electrochemical process) CORROSION MONITORING WITH HALF-CELL POTENTIAL TECHNIQUE (ASTM C876-09) The method measures the electrochemical potential of reinforcement against a reference electrode placed on the concrete surface Potentials are measured with a high impedance voltmeter (>10 Mega ohm) to ensure low current conditions during testing The basic setup of this method is shown in Figure 2, negative pole of volmeter connect to steel and the other connect to saturated copper-copper sulfate reference electrode In order to ensure a good contact with the reference electrode the concrete surface must be moist ASTM C876-87 provides a classification for assessing the results of the half-cell potential mapping as shown in Table 3%, 5% and 7% chlorides by mass of cement as NaCl were added to the mixing water So, we assured that steels were corroded by chloride attack Table Concrete composition for test specimens (kg/m3) Sample S, kg CA, kg W, liter C, kg W/C Ad, liter NaCl , kg S3 631 1106 180 418 0,4 2,5 20,67 S5 418 180 631 1106 0,4 2,5 34,45 S7 418 180 631 1106 0,4 2,5 48,24 S: sand; CA: coarse aggregate; C: cement; Ad:super plasticizer admixture;W:water S3 : specimens have 3% chlorides by mass of cement S5 : specimens have 5% chlorides by mass of cement S7 : specimens have 7% chlorides by mass of cement Totally, 216 cylindrical concrete specimens were casted, each specimen with 114 mm in diameter and 200 mm in length has a centrally embedded steel rod 14 mm in diameter (Figure 3) All specimens were demoulded after 24 hours and cured for 27 days at approximately 28oC and 100% relative humidity Then, copper mesh anodes had been fixed on their surfaces to provide the electrical contacts (figure 3) All specimens were divided in 18 groups, each group has 12 specimens groups of specimens were applied for ECE treatment using Ca(OH)2 electrolyte solution with different concentration (0.7M; 1.0M; 1.2M), the other of groups were applied for ECE treatment using LiOH electrolyte solution with different concentration (0.7M; 1.0M; 1.2M), assortion of specimen’s amounts used for each electrolyte solution was showed in table : Table Assortion of specimen’s numbers used for each electrolyte solution Number of specimens used for ECE treatment Type of with each electrolyte solution, specimens specimens Concentration of electrolyte solutions : S3 S5 S7 0.7M 12 12 12 1.0M 12 12 12 1.2M 12 12 12 12 12 12 0.7M 12 12 12 1.0M 12 12 12 1.2M 12 12 12 Figure Reference Electrode Circuitry Ca(OH)2 with Table Half Cell Assessment Classification per ASTM C-876 Potential Standard , V > - 0,20 V From -0,20 V to –0,35 V < -0,35 V Probability of corrosion, % < 10% Uncertain > 90% MATERIALS USING IN THIS REASEARCH Anode is copper mesh which has mesh grid (0,1x0,1)mm Fine aggregate has fineness modulus of 2.3 and specific gravity is 2.5 g/cm3 Coarse aggregate has specific gravity of 2.7 g/cm3 and Dmax = 19 mm Cement used that meet requirements of ASTM C150 type II and has specific gravity of 3.11 g/cm3, water standard is 28,6% Mix designs for concrete composition specimens obey ACI 211.191 Standard that are shown in Table For the admixed chlorides; LiOH with - Trang 114 After all specimens had been saturated in electrolyte solution, they were applied at the same DC current with density 1.3 A/m2, 30V/m2 There are some abbreviation names of specimens: RESULTS AND DISCUSSION During ECE treatment was applied, samples were taken to analyze the changing of chloride content Results showed in Figure 4, and 6: S3, 5, 7- 0.7M Ca(OH)2: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 0.7M concentration of Ca(OH)2 solution S3, 5, 7- 1.0M Ca(OH)2: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 1.0M concentration of Ca(OH)2 solution S3, 5, 7- 1.2M Ca(OH)2: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 1.2M concentration of Ca(OH)2 solution S3, 5, 7- 0.7M LiOH: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 0.7M concentration of LiOH solution S3, 5, 7- 1.0M LiOH: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 1.0M concentration of LiOH solution Figure Chloride content at (40 – 50)mm depth cover for 90 days of sepcimens S3, S5, S7 with 0.7M Ca(OH)2 and 0.7M LiOH solution S3, 5, 7- 1.2M LiOH: specimens have 3%, 5%, 7% chloride by mass of cement and were saturated with 1.2M concentration of LiOH solution Figure Chloride content at (40 – 50)mm depth cover for 90 days of sepcimens S3, S5, S7 with 1.0M Ca(OH)2 and 1.0 LiOH solution Figure ECE setup ECE treatment was applied for 91 days, current switch off at the beginning of week, pH of electrolyte solution is measured and renewed, copper meshes are replaced every week The changing of chloride content in concrete during ECE treatment is monitored per weeks by collecting the powder samples in different depths with the concrete cover (10mm, 10mm to 20mm, 20mm to 30mm, 30mm to 40mm, 40mm to 50mm – steel surface) These powders were taken to test free chloride according to ASTM C1218 Main factors were used in this study showing in Table 4: Table Main factors of materials and equipment were used during ECE treatment Type of Current Anode Concentrations, Voltage, Electrolyte density, system mol/liter V/m Solutions A/m2 Anode copper Ca(OH)2; 0.7 mesh / H2O 1.0 30.0 1.3 PVC LiOH; 1.2 electrolyte H2O container Figure Chloride content at (40 – 50)mm depth cover for 90 days of sepcimens S3, S5, S7 with 1.2M Ca(OH)2 and 1.2M LiOH solution Table Chloride contents in specimens S3, S5 and S7 in Ca(OH)2 solution and LiOH solution with different concentration Canxi hydroxide solution Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S3 Ca(OH)2 ,M 0.7 M 14 day 28 day 42 day 56 day 70 day 90 day 2.89 2.84 2.71 2.52 2.42 2.34 - Trang 115 1.0 M 2.8 2.72 2.57 2.31 2.17 solution 1.2 M 2.75 2.64 2.47 2.16 1.95 1.87 LiOH, M Lithium hydroxide solution Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S3 LiOH ,M 14 day 28 day 42 day 56 day 70 day 90 day 0.7 M 2.8 2.66 2.4 2.02 1.82 1.74 1.0 M 2.7 2.45 2.2 1.43 1.3 1.15 1.2 M 2.5 1.4 1.2 0.7 Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S5 Canxi hydroxide solution 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 0.7 M 4.82 4.7 4.54 4.2 3.96 3.79 1.0 M 4.75 4.61 4.41 4.03 3.72 3.61 1.2 M 4.6 4.55 4.2 3.65 3.41 3.39 Ca(OH)2, M Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S5 Lithium hydroxide solution 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 0.7 M 4.69 4.33 3.48 3.29 3.16 1.0 M 4.4 4.1 3.6 3.31 3.09 2.88 1.2 M 4.3 3.9 3.3 2.7 2.54 LiOH, M Canxi hydroxide solution Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S7 Ca(OH)2, M 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 0.7 M 6.67 6.34 6.12 5.92 5.68 5.43 1.0 M 6.31 6.1 5.92 5.56 5.23 5.09 1.2 M 6.12 5.61 5.37 5.2 4.9 4.8 Lithium hydroxide Free chloride content at (40 - 50) mm depth of specimens S7 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 14 day 0.7 M 6.29 6.3 5.69 5.37 5.11 4.92 1.0 M 5.93 5.77 5.02 4.44 4.22 4.11 1.2 M 5.67 5.11 4.74 4.24 4.01 3.84 The chlorides at the vicinity of the reinforcement are most necessary to be removed presented in the fig 4, 5, with the same current density was applied (1.3A/m2, voltage 30V/m2) In the same type of electrolyte solution, effective chloride removal increases vs the increase of electrolyte concentration, such as, Ca(OH)2 solution with 1.2M concentration has the most effective of removing chloride, and Ca(OH)2 solution with 0.7M concentration has least effective of removing chloride Typically, chloride content remains vincity of steel is 2.34% of S3-0.7M ; 3.79% of S5-0.7M and 5.43% of S7-0.7M; moreover, chloride content remains vincity of steel is 1.87% of S3-1.2M; 3.39% of S5-1.2M and 4.8% of S7-1.2M With lithium hydroxide (LiOH), effective chloride removal increases vs the increase of electrolyte concentration, LiOH solution with 1.2M concentration has least effective of removing chloride, and Ca(OH)2 solution with 0.7M concentration has least effective of removing chloride, for example, chloride content remains vincity of steel is 1.74% of specimens S3-0.7M ; 3.16% of specimen S5-0.7M and 4.92% of specimens S7-0.7M and LiOH solution with 1.2M concentration has the most effective of chloride removal, specially, chloride content remains vincity of steel is 0.7% of specimens S31.2M; 2.54% of specimen S5-1.2M and 3.84% of specimens S71.2M As the results were analysed above, there are some conclusions, chloride removal ability of ECE is is directly proportional to concentration of the same electrolyte solution As comparing difference between LiOH solution and Ca(OH)2, results in fig 4, fig 5, fig showed that, LiOH are more effective in removing chloride than Ca(OH)2, except the ability of removing chloride of Ca(OH)2 solution with 1.2M concentration is more effective than LiOH with 0.7M concentration With results were analysed above, we can explain the mechanism of ECE treatment as follow: During ECE treatment, under effecting of DC current pass through the cathode and anode, that had created hydroxyl ions (OH-) at cathode (reaction 8) while Oxidation process was being occurred at anode during ECE treatment Cathode reactions: 2H2O + O2 + 4e- 4OH- (8) H2O + 4e- HoADS + 4H- (9) At anode, after water was discomposed and released electrons, Clion had moved out from concrete specimens surface received electrons become chlorine, reactions presented as follow : 2H2O O2 + 4e- + 4H+ (10) 2Cl- + 2e- Cl2- (11) - Trang 116 Moreover, area where contact between copper mesh and concrete surface has the most concentration negative ion chloride that will react with water forming hydro chloride acid (HCl, HClO), at the same time, under effect of DC current, copper mesh react with OHions create cupric hydroxide, reactions occur on concrete surface as follow: H2O + Cl2 HCl + HClO OH- + Cu Cu(OH)2¯ Figure A white thin layer adhere to steel surface after 90 days applying ECE treatmen using Ca(OH)2 solution (12) (13) Besides, potential after applied ECE treatment was measured to compare with initial potential (before and after applying ECE treatment), result shows in Figure 7: Figure Comparison between potential after applying ECE treatment with initial potential Figure SEM of Alkali layer surround steel surface after 90 days applying ECE treatmen using Ca(OH)2 solution Figure 10 EDS analyses Results in Figure showed that after applying ECE treatment, potential increase more rapidly than the initial potential without ECE treatment, it demonstrates that OH- ions move out from concrete specimens and alkali ions moved toward steel, this process happens strongly In addition, formation of a white deposit on the steel surface (both of specimens that using Ca(OH)2 and LiOH as electrolyte) after chloride removal treatment was observed (Figure 8) The white layer near steel’s surface was taken to examine by SEM (Figure and Figure 11), EDS analyses of these fine layer that ahere to steel surface, revealed the presence of ions Ca, K, Na, Al, Si, Fe (Figure 10 and Figure 12) Figure 11 SEM of Alkali layer surround steel surface after 90 days applying ECE treatmen using LiOH solution - Trang 117 - Figure 12 EDS analyses CONCLUSION In this work, experimental tests have been carried out in order to compare effectiveness of Ca(OH)2 electrolyte and LiOH electrolyte on ECE treatment after 90 days, following conclusions are derived: · Chloride removal efficiency increases in proportion to concentration of electrolyte solution · When applying ECE treatment, chloride ion moved out from concrete and alkali ions moved forward surround steel surface After ECE treatment, initial chloride content near steel surface when using Ca(OH)2 as electrolyte decreased upto 45% and LiOH solution as electrolyte solution upto 70% So, LiOH electrolyte solution is more effectiveness in removing chloride than Ca(OH)2 electrolyte EDS analyst shows presence of chloride after applying ECE treatment, it implies that period time of 90 days of ECE treatment is not enough Half-cell potential is mostly unchanged by the time of ECE treatment This implies the ECE can not help to increase the thickness or protect passive film of steel bar embedded in the concrete containing high chloride content · · · REFERENCES [1] Hosin David Lee, “Effectiveness of Electrochemical Chloride Extraction for the Iowa Avenue Pedestrian Bridge”, Final Report, Iowa Department Transportation University Of Iowa, March 2005 [2] Gerardo G Clemeña, Donald R Jackson, “Trial application of electrochemical chloride extraction on concrete bridge components in Virginia”, Final Report, Research Scientist Virginia Transportation Research Council, Applications Federal Highway Administration, April 2000 [3] Arkan Latif Hamaali , ”A study of selecting an efficient procedure for intermittent electrochemical chloride extraction”, Master Thesis, Norwegian University Of Science And Technology, June 2010 [4] John P Broomfield, “Corrosion of steel in concrete: Understanding, Investigation And Repair”, Second Edition, Taylor and Francis Inc, 1974 [5] G Fajardo, G Escadeillas , G Arliguie, “Electrochemical chloride extraction (ECE) from steel-reinforced concrete specimens contaminated by ‘‘artificial sea-water” – Corrosion Science, 48, 2006 [6] Weichung Yeih, Jiang Jhy Chang, Chi Che Hung, “Selecting an adequate procedure for the electrochemical chloride removal” - Cement and Concrete Research, 36, 2006 [7] J.C Orellan, G Escadeillas, G Arliguie, “Electrochemical chloride extraction: efficiency and side effects”, Cement and Concrete Research , 34, 2004 [8] T.D Marcotte, C.M Hansson, B.B Hope, “The effect of the electrochemical chloride extraction treatment on steelreinforced mortar Part I: Electrochemical measurements”, Cement and Concrete Research, 29, 1999 [9] Electrochemical chloride removal from concrete prisms containing chloride penetrated form sea water, Construction and Building Materials, Vol 10, No 1, 1996 - Trang 118 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Chánh, Trần Văn Miền, “Ăn mòn chống ăn mịn bê tơng cốt thép”, NXB ĐHQG TPHCM, 2010 [2] Nguyễn Mạnh Phát, “Lý thuyết ăn mòn chống ăn mịn bê tơng Bê tơng cốt thép xây dựng”, NXB Xây Dựng, 2010 [3] Trương Hoài Chính, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan Phú, Huỳnh Quyền, “Nghiên cứu khảo sát trạng ăn mòn phá hủy cơng trình bê tơng cốt thép khả xâm thực môi trường vùng ven biển thành phố Đà Nẵng”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng – số (29), 2008 [4] Phùng Văn Lự,”Vật liệu xây dựng”, NXB Giáo dục, 2011 [5] Alain Galerie, Nguyễn Văn Tư, “Ăn mòn bảo vệ vật liệu”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2008 [6] Hosin David Lee, “Effectiveness of Electrochemical Chloride Extraction for the Iowa Avenue Pedestrian Bridge”, Final Report, Iowa Department Transportation - University Of Iowa, March 2005 [7] Gerardo G Clemeña, Donald R Jackson, “Trial application of electrochemical chloride extraction on concrete bridge components in Virginia”, Final Report, Research Scientist Virginia Transportation Research Council, Applications Federal Highway Administration, April 2000 [8] Arkan Latif Hamaali , ”A study of selecting an efficient procedure for intermittent electrochemical chloride extraction”, Master Thesis, Norwegian University Of Science And Technology , June 2010 [9] Michael Siegwart, “The Feasibility of Electrochemical Chloride Extraction on Prestressed Concrete Structures”, Doctor Thesis, Faculty of Engineering and the Built Environment of the University of Ulster – September, 2002 [10] Mohamed A El-Reedy, “Steel Reinforced Concrete Structures Assessment And Repair Of Corrosion “, CRC Press, 2008 [11] John P Broomfield, “Corrosion of steel in concrete : Understanding, Investigation And Repair”, Second Edition, Taylor and Francis Inc, 1974 - Trang 119 - [12] William D Callister, Jr., “Materials Science and Engineering, Seventh Edition, Department of Metallurgical Engineering The University of Utah, Wiley & Son Inc, 2007 [13] G Fajardo, G Escadeillas , G Arliguie, “Electrochemical chloride extraction (ECE) from steel-reinforced concrete specimens contaminated by ‘‘artificial’’ sea-water” – Corrosion Science, 48, 2006 [14] Weichung Yeih, Jiang Jhy Chang, Chi Che Hung, “Selecting an adequate procedure for the electrochemical chloride removal” - Cement and Concrete Research, 36, 2006 [15] J.C Orellan, G Escadeillas, G Arliguie, “Electrochemical chloride extraction: efficiency and side effects”, Cement and Concrete Research , 34, 2004 [16] T.D Marcotte, C.M Hansson, B.B Hope, “The effect of the electrochemical chloride extraction treatment on steel-reinforced mortar Part I: Electrochemical measurements”, Cement and Concrete Research, 29, 1999 [17] T.D Marcotte, C.M Hansson, B.B Hope, “The effect of the electrochemical chloride extraction treatment on steel-reinforced mortar, Part II: Microstructural characterization”, Cement and Concrete Research, 29, 1999 [18] Electrochemical chloride removal from concrete prisms containing chloride penetrated form sea water, Construction and Building Materials, Vol 10, No 1, 1996 [19] M Tullmin, Linear Polarization Resistance, 2001, Corrosion-Club, http://www.corrosion-club.com/lpr.htm [20] Nielsen, A., Concrete Durability (in Danish), The Concrete Book (Beton Bogen), A.D Herholdt, et al., Editors, 1985, Aalborg Portland LÝ LỊCH TRÍCH NGANG · Họ tên : LÊ XUÂN LÂM Giới tính : nam · Sinh ngày : 15/04/1985 Nơi sinh : Tp.HCM · Địa liên lạc : 436B/128, Đường Ba Tháng Hai, Phường 12, Quận 10, Tp.HCM · Điện thoại : 0907015562 · Email : bryan19852000@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO · 2004 – 2009 : Sinh viên trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM · 2010 – 2012 : Học viên Cao học khóa 2010, Ngành Vật liệu Công nghệ vật liệu xây, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC · Từ năm 2010 đến 2011 : làm việc Trạm trộn bê tông tươi Sino Pacific Quận · Từ năm 2011 đến : làm việc Phòng Chứng Nhận Sản Phẩm – Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng ... 60oC, độ ẩm 100% Với nghiên cứu giới kỹ thuật tách ion clo bê tông cốt thép phương pháp điện hóa học để cải thiện độ bền chống xâm thực cho cơng trình bê tơng cốt thép trình bày phương pháp chưa... NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA DÙNG TÁCH MUỐI CLO NHẰM CẢI THIỆN ĐỘ BỀN CHỐNG XÂM THỰC CHO CƠNG TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương Hiện trạng ăn mịn phá hủy bê tơng cốt thép. .. Cường độ nén bê tông trước thực điện hóa 72 4.2 Độ pH dung dịch phân trước thực điện hóa tách clo 74 4.3 Đo điện ăn mòn tất mẫu trụ bê tông cốt thép trước thực tách clo phương pháp điện hóa