C 0: nồng độ của ion tại bề mặt mẫu;
3.4. Cỏc dạng tồn tại của ion clo trong bờ tụng
Ion clo thõm nhập vào trong bờ tụng theo hai con đường hoặc là từ những thành phần nguyờn liệu (cỏt, sỏi, nước,...) trong quỏ trỡnh hỡnh thành bờ tụng, hoặc là từ mụi trường nơi đặt cụng trỡnh. Ion clo tồn tại trong bờ tụng dưới hai dạng là ion clo liờn kết và ion clo tự do nằm trong nước lỗ hổng.
Ion clo liờn kết trong bờ tụng tồn tại dưới hai dạng chớnh: được hấp phụ vật lý trờn thành rắn của những lỗ hổng trong bờ tụng hoặc cố định hoỏ học
bởi phản ứng với một vài thành phần của xi măng vớ dụ C3A hoặc C4AF. Cỏc hợp chất được tạo thành thường là monocloroaluminat hydrat hoặc là muối Friedel (C3A.CaCl2.10H2O) và muối tricloroaluminat (C3A.3CaCl2.30H2O). Trong điều kiện thường, với nồng độ ion clo trong bờ tụng, người ta chỉ tỡm thấy muối Friedel.
Ion clo tự do nằm trong nước lỗ hổng cú thể di chuyển trong bờ tụng bởi cỏc mao quản. Chớnh ion clo tự do đúng vai trũ chớnh trong sự ăn mũn cốt thộp gõy sự phỏ huỷ cụng trỡnh BTCT. Ion clo tự do cú thể đạt tới ngưỡng để làm mất tớnh thụ động của thộp [14]. Trong bờ tụng ẩm pH > 13 lớp màng thụ động dạng FeO-OH được tạo trờn bề mặt cốt thộp nờn thộp được bảo vệ [4]. Nguy cơ ăn mũn cốt thộp tăng dần với sự tăng ion Cl tự do trong nước lỗ hổng, ion Cl khụng trực tiếp làm giảm pH quanh cốt thộp nhưng nú là chất xỳc tỏc cho quỏ trỡnh ăn mũn, nú phỏ huỷ lớp màng bảo vệ trờn bề mặt cốt thộp và gõy ăn mũn pitting.
Tuy nhiờn trong cỏc nghiờn cứu để đỏnh giỏ ngưỡng ăn mũn gõy ra bởi ion clo người ta thường biểu diễn dưới dạng clo tổng số [36, 58, 87, 94]. Tiờu chuẩn của Anh qui định giới hạn nồng độ ion Cl đối với xi măng Portland bỡnh thường là 0,4%. Cơ quan nghiờn cứu về nhà ở của Mỹ đó phõn loại ảnh hưởng nồng độ ion Cl đối với sự ăn mũn cốt thộp như sau: ăn mũn thấp: 0 – 0,4% (so với xi măng); trung bỡnh: 0,4 – 1% và cao: trờn 1%. Cơ quan quản lý đường liờn bang Mỹ đó đưa ra giới hạn nồng độ Cl là 1,2kg/m3 bờ tụng hoặc 0,2% trọng lượng đối với xi măng [1].
Nguyờn nhõn chớnh phỏ huỷ cỏc cụng trỡnh BTCT là do sự phỏ hỏng cốt thộp bởi ion Cl tự do nằm trong dung dịch nước lỗ hổng. Trong mụ hỡnh toỏn học do Tang Luping và Olof Nilsson đưa ra bằng cỏch ỏp dụng điện trường cho phộp xỏc định nhanh hệ số khuếch tỏn của ion Cl trong bờ tụng, tuy nhiờn nồng độ của ion clo sử dụng trong mụ hỡnh này là nồng độ tổng (% khối
lượng mẫu), trong cỏc tiờu chuẩn đỏnh giỏ ngưỡng ăn mũn thộp gõy ra bởi ion clo, nồng độ ion clo cũng được biểu diễn dưới dạng nồng độ tổng số (% khối lượng mẫu).
Trong phần này chỳng tụi xem xột việc sử dụng nồng độ ion clo tổng số và nồng độ ion clo tự do cú ảnh hưởng đến việc đỏnh giỏ sự ăn mũn cốt thộp và dự đoỏn tuổi thọ của cụng trỡnh hay khụng.
Hỡnh 3.17. Mối quan hệ giữa nồng độ ion clo tổng và ion clo tự do [64] (OPC: xi măng portland thụng thường)
Trong phương trỡnh (3.17), C(x,t) và C0 là nồng độ ion clo tổng số (% khối lượng mẫu). Tuy nhiờn như trờn ta đó đề cập chỉ cú nồng độ ion clo tự do mới đúng gúp vào sự ăn mũn cốt thộp. Sau đõy ta xem xột mối quan hệ giữa nồng độ ion clo tự do và ion clo tổng số. Nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu đó cho thấy rằng mối quan hệ giữa nồng độ của ion clo tự do và ion clo tổng số cú mối quan hệ tuyến tớnh như trờn hỡnh 3.17 [36, 58, 64, 94].
Như vậy nếu trong phương trỡnh (3.17) ta thay nồng độ ion clo tổng bằng nồng độ ion clo tự do, hệ số D thu được cũng khụng bị ảnh hưởng.
J. Tritthart bằng phương phỏp ộp [87] đối với mẫu tỷ lệ N/X = 0,60 và hàm lượng clo 1% khối lượng mẫu (dưới dạng NaCl) đó thu được cỏc số liệu về hàm lượng ion clo trong nước lỗ trống như ở bảng 3.21.
Qua bảng 3.21, ta thấy ion Cl chủ yếu nằm trong nước lỗ trống và hấp phụ vật lý. Vỡ vậy việc sử dụng nồng độ ion clo tổng số khụng ảnh hưởng đến việc đỏnh giỏ sự ăn mũn cốt thộp.
Bảng 3.25. Hàm lượng Cl trong nước ộp
(tỷ lệ N/X : 0,60; 1%Cl (NaCl); tuổi của mẫu ~ 3 thỏng)
STT Thụng tin về mẫu Hàm lượng Cl
Giỏ trị đo (ppm) Độ lệch chuẩn và hệ số biến thiờn 1 2 3 4 5 Cỏc mẫu 1 – 5 chuẩn bị từ vữa cựng trộn 9850 9400 9000 9600 9100 Độ lệch chuẩn 269ppm Hệ số biến thiờn 2,9% 6 7 8 9 10 11 Cỏc mẫu 6 – 11 trộn riờng 9600 9300 9600 9150 9600 9200
Hơn nữa, để xỏc định mối tương quan trờn chỳng tụi đó tiến hành thớ nghiệm như sau:
Cũng tiến hành cho thấm clo bằng dụng cụ ở hỡnh 3.6 như trờn nhưng thời gian ỏp điện trường 4 giờ. Sau đú chỳng tụi đó tiến hành phõn tớch hàm lượng ion clo tổng số (phương phỏp ASTM C1152-90) và hàm lượng ion
clo của nước chiết (ion clo tự do trong lỗ trống và ion clo hấp phụ vật lý) (phương phỏp ASTM C1218-92). Kết quả trỡnh bày trong bảng 3.26.
Bảng 3.26. Hàm lượng cỏc dạng ion clo (% khối lượng mẫu) (tỷ lệ X:C:N = 1:3:0,5)
Độ sõu (cm)
0,5 1,0 1,5 2,0* 2,5*
Hàm lượng Cl tổng số 0,086 0,076 0,041 0,035 0,033 Hàm lượng Cl nước chiết 0,086 0,074 0,037 0,012 0,012
* Kết quả trờn bảng 3.26 cho thấy rằng hàm lượng ion clo tổng số và
nước chiết tại cỏc độ sõu 0,5, 1,0, và 1,5cm là tương đối giống nhau. Nếu ta chỳ ý đến dạng đồ thị sự khuếch tỏn khi sử dụng điện trường ta thấy rằng khi chuyển qua điểm uốn nồng độ ion clo giảm xuống, nhỏ và hầu như khụng thay đổi. Độ thõm nhập của ion clo được tớnh theo độ sõu này. Tại cỏc độ sõu 2,0 và 2,5cm nồng độ ion clo là giảm xuống, cú giỏ trị nhỏ và hầu như khụng thay đổi (cỡ phần mười ngàn khối lượng mẫu), cú thể xem như sai số của phộp phõn tớch. Từ đõy chỳng tụi cho rằng hàm lượng ion clo tham gia liờn kết hoỏ học trong bờ tụng là khụng đỏng kể, mà chủ yếu tồn tại dưới dạng ion clo tự do trong nước lỗ trống và dạng hấp phụ vật lý.
Phương phỏp xỏc định hàm lượng của riờng ion clo tự do trong nước lỗ hổng là một vấn đề rất khú khăn, hiện nay người ta thường sử dụng phương phỏp ộp [87], bởi vỡ nếu dựng phương phỏp chiết thỡ ion clo hấp phụ vật lý sẽ đi vào dung dịch sẽ gõy nờn sai lệch, và kết quả thu được của việc chiết phụ thuộc vào lượng nước đó dựng và thời gian tiếp xỳc, cũng như việc dựng dung dịch kiềm hay nước để chiết. Qua trỡnh bày ở trờn ta thấy clo tồn tại trong bờ tụng chủ yếu dưới dạng khụng liờn kết hoỏ học,
hàm lượng ion clo liờn kết hoỏ học là khụng đỏng kể so với lượng ion clo cú thể gõy nờn sự ăn mũn thộp, vỡ vậy việc xỏc định hàm lượng clo tổng số hay clo trong nước chiết khụng cho sự sai khỏc mấy.
Khẳng định trờn là quan trọng vỡ nú cho phộp ta thay vỡ xỏc định hàm lượng ion clo trong nước chiết bằng việc xỏc định hàm lượng ion clo tổng, việc này được tiến hành dễ dàng và thuận lợi hơn nhiều. Và từ lượng ion clo tổng số ta cú thể ước lượng thời điểm ăn mũn cốt thộp xảy ra (trờn 0,4% khối lượng xi măng).