CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU
2.1. Giới thiệu Chương
Như đã biết, ngồi những vật liệu khác bê tơng cốt thép cũng là loại vật liệu chịu tác động xâm thực khá mạnh của môi trường xung quanh và phá hoại theo thời gian. Sự xâm thực trên làm suy giảm nhanh chóng chất lượng và tuổi thọ cơng trình.
Vấn đề chịu tác động của mơi trường xung quanh và thời gian là nguyên nhân dẫn đến sự ăn mịn bê tơng cốt thép (Hình 2.1). Trong kết cấu bê tơng cốt thép thì cốt thép đóng vai trị vơ cùng quan trọng cho sự bền vững của cơng trình. Vì vậy ăn mịn cốt thép chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến phá hủy các kết cấu BTCT nói riêng và những cơng trình bê tông cốt thép được xây dựng trong các môi trường xâm thực nói chung.
Hình 2.1 Mối quan hệ ứng xử của kết cấu với thời gian [25]
Đặc biệt, trong nghiên cứu này ứng dụng các mơ hình dự đốn và các thuật tốn trí tuệ nhân tạo trong việc dự báo đánh giá khả năng chịu lực còn lại của kết cấu bê tơng cốt thép bị ăn mịn vẫn đang còn là chủ đề khá mới tại nước ta.
Vì vậy việc hiểu, kiểm tra và đề xuất phương pháp đánh giá mới và thích hợp hơn hạn chế được nhiều sai số cho tình trạng ăn mịn bê tông, cốt thép hiện tại là rất cần thiết và được xem là một trong những nội dung quan trọng của công tác khảo sát, nghiên cứu, kiểm tra và kiểm định chât lượng kết cấu cơng trình. Từ đó đề xuất biện pháp sửa chữa, gia cường cho kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn.
15
2.2. Lý thuyết về ăn mòn bê tông
2.2.1 Khái niệm về ăn mịn bê tơng
Bê tơng là hỗn hợp đóng rắn, của các vật liệu gồm chất kết dính, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và nước. Có thể có hoặc khơng có phụ gia, chất kết dính và cốt liệu này liên kết với nhau tạo thành một khối rắn chắc và có khả năng chịu lực. Bê tơng bị ăn mịn trước hết là pha hồ xi măng tồn tại nhiều lỗ rỗng và nước được hình thành trong quá trình chế tạo bê tông, các yếu tố này là điều kiện thuận lợi cho các hiện tượng ăn mòn xảy hơn so là với pha cốt liệu.
Nếu ta nhìn nhận bê tơng ở cấp độ vĩ mơ, pha hồ xi măng sẽ bị ăn mịn từ đó làm giảm liên kết giữa vữa các pha, dẫn đến bê tông bị phá hoại.
2.2.2 Phân loại ăn mịn bê tơng
Bê tơng có thể bị ăn mịn ở cả ba mơi trường tác động như: Rắn, lỏng và khí.
Ăn mịn bê tơng trong mơi trường lỏng: khi bê tông tiếp xúc trực tiếp hoặc gián
tiếp với nước biển, nước có nồng độ pH thấp, nước phèn chua, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải, vi sinh có trong nước. Các loại nước này có chứa các đặc tính gây ăn mịn, ăn mịn bê tơng trong mơi trường lỏng là loại ăn mòn phổ biến nhất, đặc biệt là trong môi trường nước biển các cơng trình làm việc trong nước, dưới đất có
nước ngầm, hay các nhà máy xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa chất và đồng thời là chủ đề được rất nhiều người quan tâm nghiên cứu [26, 27]
Hình 2.2 Một số hình về kết cấu BTCT bị ăn mịn trong mơi trường nước biển [28]
Ăn mòn bê tơng trong mơi trường khí: bắt đầu hình thành ra khi bê tơng tiếp
xúc với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mịn (khí CO2, Cl, SO2, các Ion S, F,…) các tác nhân này xuất hiện ở những khu vực xung quanh các nhà máy có sử dụng và
16 chế biến hóa chất hoặc cơng trình có tiếp xúc với khơng khí biển và ven biển. Đặc trưng khí hậu Việt Nam là nhiệt đới ẩm ướt, gió mùa, nhiều nắng và mưa. Những tác động trên góp phần gây nên q trình khơ - ẩm và làm khuếch đại tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực từ đó dẫn đến tình trạng ăn mịn bê tơng [20]
Hình 2.3 Các vết nứt tại nhà chỉ huy bay trên đảo Trường Sa Lớn năm 2010 (cơng
trình được xây dựng năm 1995-1996 [26]
Ăn mịn bê tơng trong mơi trường rắn: khi bê tơng tiếp xúc với các loại hóa
chất như phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, ăn mịn chỉ xảy ra khi các hóa chất bị ẩm.
Hình 2.4 Các hình ảnh ăn mịn tại nhà máy sản xuất hóa chất
(www.vntvietnam.com)
Ăn mịn bê tơng sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ bền của kết cấu cơng trình bê tơng và bê tông cốt thép. Sự xuống cấp và hư hỏng cơng trình xây dựng do ăn mịn bê tơng
17 cốt thép gây tổn thất về kinh tế là rất lớn về kinh phí kiểm tra kiểm định, sửa chữa, cải tạo nâng cấp cơng trình .v.v, ngồi ra nó cũng ảnh hưởng đến các hoạt động khác phụ thuộc vào công năng sử dụng của cơng trình xây dựng đó [20].
2.2.3 Mức độ ăn mịn bê tơng
Tùy theo tác động và tác nhân gây ăn mịn nhiều hay ít, người ta phân ra ba mức độ ăn mịn mạnh, ăn mịn trung bình và ăn mịn yếu.
Mức độ ăn mịn bê tơng mạnh: thường xảy ra ở các cơng trình vùng biển,
cơng trình tiếp xúc trực tiếp với nước biển, các cơng trình thường xun tiếp xúc với hóa chất, sự xâm thực mạnh của mơi trường và cịn xảy ra ở những cơng trình nằm trong vùng nước lên xuống có sóng đánh.
Mức độ ăn mịn bê tơng trung bình: xảy ra với các cơng trình ở mơi trường
nước ngọt, nằm trong đất liền, tiếp xúc không thường xuyên với các tác nhân xâm thực ăn mòn.
Mức độ ăn mịn bê tơng yếu: hay gặp phải đối với các cơng trình khơng tiếp
xúc hoặc ít tiếp xúc trực tiếp với nước. Mức độ ăn mòn này diễn ra tương đối chậm và ít ảnh hưởng lớn đến cơng trình so với hai mức độ ăn mịn mạnh và trung bình được nêu ở trên.
2.2.4 Ngun nhân gây ăn mịn bê tơng
Ăn mòn bê tông xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Ăn mịn cơ học: ngun nhân chính là tác động xói mịn của dịng chảy, do
sinh vật bám trên bề mặt bê tông, do thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong khơng khí trong mơi trường.
Ăn mịn hóa học: là do sự thay đổi về mặt hóa học trong các thành phần cấu
tạo nên bê tông như vữa xi măng, đá hoặc sỏi v.v., do sự xâm thực của các chất hóa học trong mơi trường.
2.2.5 Đặc trưng ăn mịn Bê tơng
Q trình ăn mịn bê tơng xảy ra rất đa dạng và phức tạp, tuy nhiên nó thường xảy ra với ba dạng sau [29]
18
Ăn mịn loại 1: hình thành do hịa tan các sản phẩm thủy hóa xi măng, chủ
yếu là các hydroxit canxi và Aluminat canxi bị hòa tan, loại ăn mòn này còn được gọi là quá trình khử kiềm. Cụ thể:
Sau khi gặp nước, xi măng bị thuỷ hóa, thuỷ phân, sản phẩm chủ yếu tạo ra các khống:
Hydro silíccát canxi: 3CaO.2SiO2.3H2O
Hydro aluminat canxi: 3CaO.Al2O3.6H2O
Hydro ferit canxi: 3CaO.Fe2O3.6H2O
Hydroxit canxi: Ca(OH)2
Ngồi ra, sản phẩm thủy hóa của xi măng chỉ bền vững trong điều kiện lượng ngậm chất vôi trong dung dịch vượt quá nồng độ vôi giới hạn nhất định, nếu khơng sẽ bị hịa tan hoặc phân giải. Khi bê tông ngâm trong nước, lúc đầu khống portlandite hịa tan trong nước và bị cuốn ra khỏi bê tông, làm cho nồng độ vôi trong lỗ hổng giảm xuống. Vì vậy, để lấy lại nồng độ vơi đầu tiên, Ca(OH)2 lại tiếp tục bị hịa tan. Vì bị hịa tan liên tục, nên để lại ngày càng nhiều lỗ hổng trong bê tơng, từ đó các tác nhân xâm thực có điều kiện xâm nhập sâu vào bên trong bê tơng và gây ra tình trạng ăn mịn. Khi nồng độ vơi giảm dần, các sản phẩm của q trình xi măng thủy hóa lần lượt bị phân rã dẫn đến hư hại bê tơng.
Ăn mịn loại 2: Ăn mịn loại này khơng chỉ hịa tan các sản phẩm của vữa xi
măng, mà chủ yếu là do tương tác của các axit hoặc muối trong môi trường với các sản phẩm thủy hóa của xi măng từ đó tạo ra các hợp chất tan mạnh hơn các sản phẩm thủy hóa ban đầu.
Ở những mơi trường nước có độ pH thấp do chứa nhiều axít sunphuaric, các sản phẩm thủy hóa của xi măng dễ bị phân hủy theo những phản ứng sau:
Khống portlandite tác dụng với axit trong mơi trường
Ăn mịn do sản phẩm Ca(OH)2 tác dụng với axit có gốc sunphát theo phản dưới đây.
Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4.2H2O (2.1) nCaO.SiO2 + pH2SO4 + nH2O → nCaSO4+ mSi(OH)4 + nH2O (2.2)
19 3CaO.2SiO2.3H2O + 3H2SO4 + 4H2O → 3CaSO4.2H2O+2Si(OH)4 (2.3)
Các sản phẩm sau khi ăn mòn trong dạng ăn mịn loại 2 này có thể là Al(OH)3; Fe(OH)3; Si(OH)4 là các hydroxit kết tủa dạng vơ định hình khơng có cường độ, trong khi đó CaSO4.2H2O là muối khó hịa tan, khi các muối này kết tinh lại liên kết với lượng nước lớn làm tăng thể tích phân tử lên so với thể tích chất ban đầu, từ đó gây ra nội ứng suất bên trong cấu trúc bê tông làm bê tông bị phá hủy.
Ăn mịn loại 3: Là sự tích tụ các muối, được hình thành từ sự tương tác của
các sản phẩm thủy hóa xi măng với các hợp chất của mơi trường làm tăng thể tích gây nội ứng suất dẫn đến phá hoại kết cấu.
Cụ thể trong môi trường tồn tại các muối sun phát sẽ có phản ứng với các sản phẩm xi măng thủy hóa xi măng.
Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O → CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (2.4) Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O → CaSO4.2H2O + NaOH (2.5) 3CaO.Al2O3 .6H2O + CaSO4.2H2O + 19H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (2.6) Các sản phẩm bao gồm muối CaSO4.2H2O, 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O có độ trương nở lớn gây ra nội ứng suất bên tông bê tông nứt dẫn đến phá hoại kết cấu bê tơng. Các sản phẩm hydrat hóa xi măng sẽ tác dụng với muối sunphát tạo thành hợp chất khó hịa tan, lại có tính trương nở thể tích gây phá vỡ cấu trúc bê tơng.
Hình 2.5 Hình ảnh ăn mịn bê tơng ghi nhận tại cống A1 - TP Hồ Chí Minh [20]
2.2.6 Các biện pháp hạn chế ăn mịn bê tơng [20, 26, 27, 29, 30]
20
Đề xuất giảm các thành phần khống gây ăn mịn (CaO tự do, C3A hoặc C3S,
…) bằng cách lựa chọn thành phần nguyên liệu và áp dụng các biện pháp gia cơng nhiệt thích hợp.
Ngồi ra cịn giảm thành phần gây ăn mòn lớn nhất [Ca(OH)2] bằng cách tiến
hành cacbonat hóa trên bề mặt sản phẩm (cho tác dụng với CO2 để tạo thành CaCO3) hay silicat hóa (cho tác dụng với SiO2 vơ định hình).
Sử dụng các biện pháp, giải pháp trong thiết kế và thi công để tăng độ đồng
nhất về cấu trúc của vật liệu nhằm tăng cường độ đặc chắc cho vật liệu.
Sử dụng vật liệu composite hoặc nghiên cứu thêm các loại vật liệu mới có
khả năng chống ăn mịn tốt thay thế cho bê tông thông thường.
Trong khi thi công nên làm cho bề mặt vật liệu được nhẵn phẳng.
Dùng các biện pháp ngăn cách vật liệu với môi trường ăn mòn bằng các cách
sau: Ốp lớp vật liệu chống ăn mịn tốt bên ngồi, sơn phủ mặt ngoài kết cấu bằng cách dùng các loại sơn epoxy, sơn xi măng, sơn ximăng - polyme, sơn hoá chất cao phân tử.
Thốt nước cho cơng trình đối với các cơng trình ngầm hạn chế sự thẩm thấu
mau dẫn của nước vào trong cấu trúc bê tông.
Tùy thuộc vào tính chất của mơi trường ăn mịn trên từng cơng trình mà từ
đó lựa chọn sử dụng loại xi măng có tính chất chống ăn mịn cho phù hợp.
2.3. Lý thuyết ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ngồi hiện tượng ăn mịn bê tơng, cịn xảy ra hiện tượng ăn mịn cốt thép trong bê tông không chỉ đối với các cơng trình tiếp xúc với nước biển hoặc ảnh hường của khí hậu vùng biển mà cịn xảy ra với các cơng trình trong đất liền với các ngun nhân chủ yếu như sau [30]
Q trình carbonat hóa trong bê tơng cốt thép.
Quá trình thấm ion SO4 vào bê tông, tương tác với các sản phẩn thủy hóa của xi măng.
Sự xâm nhập của ion Cl-
21
2.3.1. Ăn mòn cốt thép
Ăn mòn cốt thép là một phản ứng có thể là hóa học hoặc điện hóa xảy ra giữa vật liệu, thơng thường là kim loại và môi trường xung quanh dẫn đến vật liệu bị phá hủy đồng thời làm giảm hoặc mất đi các tính chất vốn có vật liệu cụ thể là cốt thép.
Sự ăn mòn vật liệu thép này dẫn đến sự hình thành của gỉ sắt, nó có thể tích lớn hơn từ bốn đến sáu lần kích thước thép ban đầu, sự ăn mịn cũng tạo ra các lỗ trên bề mặt cốt thép làm giảm tiết diện cốt thép.
Đồng thời, với sự trương nở về thể tích của gỉ thép dẫn đến hình thành nội ứng suất bên trong cấu kiện, từ đó làm phá vỡ các lớp bê tơng bảo vệ của cốt thép, khi cốt thép khơng cịn lớp bê tông bảo vệ (cốt thép bị trơ, lộ thiên) sẽ làm thúc đẩy nhanh q trình ăn mịn cốt thép dẫn đến sự suy giảm về cường độ và phá hủy nhanh của kết cấu.
Hình 2.6 Quá trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng [30]
Hình 2.6 là q trình ăn mịn bắt đầu từ khi gỉ thép dần xuất hiện và phát triển
nhanh trên bề mặt cốt thép từ đó gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tơng bao bọc xung quanh nó. Sự phát triển của vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mịn từ bên ngồi vào cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tơng và cốt thép (spalling).
2.3.2. Các dạng cơ chế ăn mịn cốt thép
Thơng thường cốt thép được bảo vệ bằng một lớp oxít thụ động, lớp oxít sắt này được tạo trên bề mặt cốt thép bền vững trong mơi trường kiềm. Có các q trình phá hủy lớp oxit bảo vệ dẫn đến ăn mòn cốt thép như sau:
22 Nguyên nhân ăn mịn kim loại phần lớn là do điện hóa [31, 32] trong tự nhiên sự có mặt của hơi ẩm trên bề mặt của kim loại là điều cần thiết cho q trình ăn mịn xảy ra. Cực Anot và Catot hình thành trên bề mặt của kim loại bị ăn mịn. Sự ăn mịn kim loại (oxy hóa Anot), là hiện tượng mà các nguyên tử oxi hóa hịa tan vào dung dịch tạo thành Anion hydrat trong vùng Anot. Các electron tự do còn lại bám trên bề mặt, tại đây chúng hấp thụ bởi các nguyên tử O2 hòa tan hay ion OH- (giảm Catot). Dịng điện thì hình thành thơng qua dung dịch có trong ion dịch chuyển OH-.
Sản phẩm ăn mòn là kết quả của sự tương tác giữa ion hydrat và oxy:
Trường hợp 1, nếu chúng hịa tan cao thì chúng dịch chuyển khỏi vị trí mà
chúng hình thành.
Trường hợp 2, nếu chúng khó hịa tan thì sẽ kết tủa ngay trên bề mặt cốt thép
tạo các lớp rỉ gồm có oxy sắt và hydroxyt sắt.
Những nguyên tử sắt có trong cốt thép được tách ra khỏi mạng lưới tinh thể trở thành ion mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OH – trong môi trường tạo thành nhiều sản phẩm gỉ khác nhau có cơng thức chung là xFeO.yFe2O3.zH2O. Các sản phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt cốt thép có thề tích gấp 4 - 6 lần thể tích ban đầu của thép.
Điều kiện cần cho q trình ăn mịn điện hóa xảy ra.
Sự có mặt của các khu vực hoạt động trên bề mặt cốt thép nơi này giúp cho
sự phân hủy anot diễn ra dễ dàng, ví dụ như sự chuyển hóa của các ngun tử thành các ion hịa tan, theo phản ứng sau.
Fe2 2eFe (2.7)
Sự có mặt của các hợp chất cần thiết để xảy ra phản ứng catot (giảm oxy).
O24e 2H O 2 OH (2.8)
Sự có mặt của các điện cực để các ion có thể dịch chuyển giữa các Anot và
Catot.
23
Hình 2.7 Mơ hình biểu diễn sự ăn mịn cốt thép trong bê tơng cốt thép [32]
Cực dương (anode): thường ăn mòn do mất điện tử từ các kim loại trung hòa về