Ăn mòn Ion Clorua Cl

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU

2.3. Lý thuyết ăn mịn cốt thép trong bê tơng

2.3.2.3. Ăn mòn Ion Clorua Cl

Ion Cl- tồn tại dưới dạng các hạt rắn hoặc lỏng nhỏ li ti, lơ lửng trong khơng khí, thường gặp trong khí quyển biển/ven biển hoặc vùng cơng nghiệp xung quanh các nhà máy sản xuất axit clohydric hoặc natri hypoclorua.

Trong khí quyển biển/ven biển, ion Cl- là tác nhân chủ yếu gây ăn mòn. Ion Cl- là một tác nhân nguy hiểm đối với các vật liệu kim loại, nó gia tốc ăn mịn kim loại và là tác nhân gây ăn mòn lỗ. Ion Cl- cũng làm tăng độ dẫn điện của lớp ẩm/dung dịch trên bề mặt kim loại, phá huỷ lớp màng bảo vệ, do đó làm tăng tốc độ ăn mịn. Bên cạnh đó, sự có mặt của ion Cl- sẽ làm tăng nguy cơ và tốc độ ăn mòn ứng lực của các chi tiết, kết cấu kim loại, đặc biệt là các kết cấu làm bằng thép không gỉ [39].

Thông thường môi trường kiềm trong bê tông tạo trên bề mặt của cốt thép một lớp ôxit mỏng (màng thụ động) ngăn cản quá trình han gỉ cốt thép. Sự xâm thực của Ion Cl- khuyếch tán đến bề mặt cốt thép chúng phá thủng lớp màng thụ động và q trình ăn mịn cốt thép xảy ra.

Hình 2.12 Sơ đồ ăn mịn điện hóa cốt thép trong bê tơng có ion Cl- [32]

Khi nồng độ ion Clđạt tới ngưỡng nồng độ ăn mịn nó làm thay đổi mơi trường điện hóa và gây ra phá vỡ màng thụ động. Một khi các lớp thụ động đã bị phá do hậu quả của sự xâm nhập ion Cl, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mịn nếu có sự cung cấp độ ẩm và oxy. Q trình này là một q trình điện hóa với các phản ứng điện hóa diễn ra trong hai vùng cực dương và cực âm như sau.

Phản ứng cực dương (Anốt): FeFe2 (2.15) Phản ứng cực âm (Catốt): 4eO22H O2 4(OH) (2.16) Sản phẩm ăn mịn lần lượt được hình thành dưới các dạng Fe3O4; Fe(OH)2; Fe(OH)3; Fe(OH)3.3H2O; … Kèm theo quá trình này là sự tích tụ sản phẩm ăn mịn trên bề mặt kim loại có thể tích gấp 2 – 6 lần so với thể tích ban đầu. Chính sự trương nở thể tích này đã gây ra nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ là suy giảm tiết diện cốt thép, dẫn tới phá hủy kết cấu.

Hình 2.13 Cơ chế ăn mịn cốt thép khi có mặt ion Cl- [32]

Hàm lượng ion Cl- xâm nhập vào miền bê tông cận cốt thép theo hai con đường:

 Do vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông bị nhiễm mặn ngay từ đầu.  Do khuếch tán từ mơi trường bên ngồi vào.

Hình 2.13 cho thấy nếu thực tế nếu khơng có sự tích tụ thêm ion Cl- từ mơi trường bên ngồi vào và độ pH của bê tơng ln được duy trì ở giá trị khơng thấp hơn 11,5 thì cốt thép trong bê tơng sẽ được bảo vệ ở trạng thái thụ động và chúng khơng bị ăn mịn và phá hủy. Nhưng trên thực tế, bê tông vốn là vật liệu khơng hồn tồn đặc chắc, trong cấu trúc thường tồn tại các lỗ rỗng mao quản có thể cho các chất khí, nước và hơi ẩm thấm vào. Đó chính là thấm ion Cl-, O2, H2O và chất xâm thực khác từ mơi

bị giảm do bị cacbonat hóa. Tổng hợp các yếu tố đó dẫn đến sự ăn mịn cốt thép và phát triển gỉ nhanh chóng, tạo ra nội ứng suất phá hủy lớp bê tông bảo vệ dần kết cấu giảm khả năng chịu lực và cuối cùng là phá hủy.

Mặt khác, điều này được Beeby [40] thể hiện trong Hình 2.14, cốt thép sẽ có một sự khác biệt điện thế giữa các vùng đã bị phá vỡ màng thụ động (cực dương) và vùng màng thụ động chưa bị phá vỡ (cực âm). Kết quả của hiệu điện thế này sẽ làm xuất hiện dòng điện. Các điện tử sẽ dịch chuyển từ cực dương sang cực âm. Đồng thời sẽ có một dòng điện trong chất điện phân (dung dịch lỗ rỗng) từ cực âm để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương. Điều này sẽ cho phép các ion kim loại thoát khỏi từ cực dương nhiều hơn. Kết quả là cực dương hòa tan làm giảm tiết diện của cốt thép.

Hình 2.14 Quá trình phản ứng ở hai đầu cực[40]

Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng thì bê tơng khơng thể nứt và vỡ. Một vài quá trình phải xảy ra để hình thành gỉ. Có nhiều cách biểu diễn một trong số đó là: Từ Fe(OH)2 tác dụng với oxy và nước tạo ra Fe(OH)3, hydroxit sắt ba này chuyển thành hydroxit ngậm nước đây chính là gỉ sắt.

Mark G. Richardson năm 2002 [41] đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực

âm như sau :

 Phản ứng cực dương (anodic) [41] FeFe 2 (2.17) 2 Fe2(OH) Fe(OH) (2.18) 2 2 2 3 4Fe(OH) 2H O O 4Fe(OH) (2.19)  Phản ứng cực âm (cathodic) [40]

2 2 4eO 2H O4(OH) (2.20) 2 2 Fe 2OHFe(OH) (2.21) 2 2 2 3 4Fe(OH) 2H O O 4Fe(OH) (2.22) 3 2 3 2 2 2Fe(OH) Fe O .H O 2H O (2.23)

 Khi có mặt của ion Clo phản ứng xảy ra như sau [41]

2 2Fe2Fe  4e (2.24) 2 2 2Fe 4Cl2FeCl (2.25) 2 2 2 2FeCl 4H O2Fe(OH) 4HCl (2.26) 2 2 2 2FeCl 4H O2Fe(OH) 4H4Cl (2.27) Cần phải cung cấp oxy và nước cho các phản ứng cực âm. Nếu các phản ứng cực âm không thể diễn ra thì các điện tử tạo ra trong các phản ứng cực dương có thể khơng được tiêu thụ bởi các phản ứng cực âm. Chúng phải được tiêu thụ ở những nơi khác trên bề mặt thép để giữ tính trung hịa điện.

Theo nghiên cứu Nielsen A [42] oxit sắt không ngậm nước Fe O2 3 có thể tích gấp 2 lần thép mà nó thay thế. Nhưng khi ngậm nước nó nở thể tích gấp 6.5 lần, (Hình

2.15). Vì vậy nó gây ra nứt và vỡ bê tơng bảo vệ.

Hình 2.15 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt [42]

đi tính tồn khối của nó, bám dính giữa bê tông và cốt thép bị suy giảm. Các mặt cắt ngang của cốt thép giảm dần từ đó theo thời gian kết cấu dần dần sụp đổ.

2.3.2.4. Ăn mịn Ion Sulfate 2

4 SO

Trong mơi trường tự nhiên, Ion Sulfate ( 2 4

SO) là một trong những anion thường

gặp. Đối với nước cấp sinh hoạt, nồng độ giới hạn của Sulfate là 250mg/l. Ngoài ra trong nước cấp cho công nghiệp và sinh hoạt, chỉ tiêu 2

4

SOcũng rất quan trọng do khả năng kết hợp với các ion kim loại trong nước hình thành cặn ở các thiết bị đun nước, lò hơi hay các thiết bị trao đổi nhiệt. Trong xử lý nước thải, chỉ tiêu 2

4

SOcũng được quan tâm do vấn đề mùi và vấn đề ăn mòn đường ống, bể chứa hay hệ thống cống rãnh.

Nguyên nhân của sự ăn mòn này là do H2S và H2SO4 bởi quá trình khử Sulfate thành H2S và từ H2S thành H2SO4. Như đã biết H2S là một acid ít ảnh hưởng đến bê tơng chất lượng cao. Tuy nhiên, H2S lại là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự ăn mòn ở các vật liệu. Axit H2SO4 gây ăn mịn thì ở điều kiện hiếu khí, H2S cũng bị vi khuẩn oxy hóa thành H2SO4 và theo thời gian, nồng độ H2SO4 trở nên đậm đặc, dẫn đến ăn mịn cơng trình [43].

Trong môi trường nước, nguồn cung cấp ion 2 4

SO  thường là các muối hòa tan như: Na2SO4, K2SO4, MgSO4, ... Những dung dịch muối này có thể tồn tại tự nhiên trong nước biển, nước thải và đất ngầm. Khi hàm lượng ion SO24 > 250mg/l sẽ gây

xâm thực rất mạnh đối với bê tông hoặc vữa. Nguyên nhân là ion SO24 tác dụng với

các thành phần khống của xi măng như C3AH6 trong q trình sinh ra sản phẩm thủy hóa của xi măng (Ca(OH)2), tạo ra các chất tích tụ như thạch cao (gypsum: CaSO4.2H2O) làm tăng thể tích gấp 2,34 lần so với thể tích của Ca(OH)2. Ngồi ra CaSO4.2H2O lại có thể tiếp tục tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O để tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringite) gây nở thể tích lên 4,8 lần. Hiện tượng tăng thể tích của các chất tích tụ sinh ra nội lực bên trong, gây nứt mẫu bê tông. Cứ tiếp tục như thế, nước chứa ion SO24 tiếp tục thấm sâu vào trong mẫu thơng qua các vết

nứt làm cho q trình xâm thực diễn ra liên tục và sâu rộng, làm phá vỡ cấu trúc của bê tông hay vữa [44].

2.3.3. Các q trình ăn mịn cốt thép

 Quá trình thấm Ion Cl- vào bê tơng gây phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép.

 Quá trình thấm ion 2 4

SO vào bê tơng tương tác với các sản phẩm thủy hóa của vữa xi măng tạo ra khống ettringit làm trương nở thể tích tạo khơng khí ẩm thâm nhập vào bê tơng gây ăn mịn cốt thép.

 Quá trình khuyết tán oxy, hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện môi trường nhiệt

độ khơng khí cao gây ra phản ứng ăn mịn cốt thép.

 Q trình cacbonat hóa làm giảm độ pH trong bê tông theo thời gian làm phá

hủy lớp màng thu động bảo vệ cốt thép.

 Q trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng diễn ra theo hai giai đoạn chính như

trên Hình 2.16. Giai đoạn t1 là khoảng thời gian các nhân tố ảnh hưởng thâm nhập vào bên trong bê tông cho đến khi mức độ ăn mòn bắt đầu xảy ra. Giai đoạn t2 là khoảng thời gian mà sự ăn mòn xảy ra mạnh mẽ cho đến khi cốt thép bị hư hại đáng kể.

Hình 2.16 Sơ đồ q trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng [15]

2.3.4. Nguyên nhân gây ăn mòn cốt thép

Lớp bê tông bảo vệ cốt thép không đặc chắc, độ rỗng cao nước dể dàng xâm nhập

0

t2 t1

Độ đặc chắc của lớp bê tông bảo vệ ảnh hưởng đáng kế đến q trình ăn mịn cốt thép, thành phần xi măng cũng là yếu tố tác động đến sự ăn mòn cốt thép.

Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ cũng ảnh hưởng đến ăn mịn cốt thép, lớp bê tông bảo vệ càng dày thì thời gian ăn mịn cốt thép càng chậm và ngược lại.

Trong môi trường ẩm ướt, bê tông và cốt thép tiếp xúc trực tiếp với nước nên quá trình ăn mịn cốt thép xảy ra nhanh hơn do q trình rửa trơi kiềm làm giảm độ pH trong bê tông .

2.3.5. Mơ hình ăn mịn cốt thép

Ăn mịn của cốt thép và sự biến dạng của bê tông xung quanh nó có mối quan hệ với nhau. Mơ hình ăn mịn trong trong nghiên cứu này là mơ hình ăn mịn ở mức cục bộ.

2.3.5.1. Giảm đường kính cốt thép

Cốt thép bị ăn mịn chính là sự giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép. Sự giảm lực kéo hoặc nén bởi một thanh thép đơn tỷ lệ thuận với sự giảm diện tích mặt cắt ngang. Ký hiệu 0 là đường kính cốt thép ban đầu, R là đường kính cốt thép cịn lại do bị ăn mịn, ta có quan hệ:

ϕR = ϕ0− αx (2.28)

Trong đó x là chiều sâu ăn mịn và  là hệ số phụ thuộc vào dạng ăn mòn. Giá trị chung của  là 2 như trên hình (Hình 2.17 a).

Trường hợp ăn mịn cục bộ, mặt cắt ngang có dạng bất kỳ và sự suy giảm mặt cắt ngang lớn hơn đáng kể so với ăn mịn đều. Cơng thức (2.28) có thể sử dụng để xác định sự suy giảm mặt cắt ngang của thanh thép do ăn mòn cục bộ bằng mặt cắt trịn tương đương với đường kính R như (Hình 2.17 b).

 R  R  0 x x x a)

Hình 2.17 Mặt cắt ngang cịn lại của thép [15]

Việc đo đạc thực tế đường kính thanh thép bị ăn mòn còn lại R trên kết cấu

thường chỉ có số lượng giới hạn. Các vị trí cốt thép thường được lựa chọn kiểm tra là các khu vực bị hư hỏng nặng nề nhất do ăn mòn hoặc tại các mặt cắt quan trọng của kết cấu.

2.3.5.2. Nứt bê tơng do giãn nở thể tích [15]

Nứt vỡ lớp bê tơng bảo vệ ngun nhân chính là sự giãn nở thể tích của thanh thép bị ăn mòn tạo ra vành đai biến dạng kéo xung quanh thanh thép. Diện tích tiết diện thanh thép giảm từ 2% đến 4% tùy thuộc vào đường kính cốt thép.

Vết nứt của lớp bê tông bảo vệ do ăn mịn cốt thép có ảnh hưởng tới kết cấu theo nhiều cách, đặc biệt là làm suy giảm sự bám dính giữa bê tơng và cốt thép do vết nứt dọc gây ra. Sự suy giảm độ cứng của dầm bị ăn mòn là do sự tương tác của việc giảm mặt cắt thanh thép và giảm lực bám dính, độ cứng bị suy giảm dẫn đến tăng chuyển vị.

Hình 2.18 Hình ảnh ăn mòn cốt thép dàn van cống sau 22 năm - Nam Định [20]

2.4. Các biện pháp chống ăn mịn bê tơng cốt thép

2.4.1. Chống ăn mịn bê tơng

Thay đổi thành phần khoáng của xi măng:

 Giảm các khoáng C3A, C3S trong thành phần xi măng, trong q trình thủy

hóa tạo ra các thành phần Ca(OH)2 và C3AH6 làm giảm quá trình ăn mịn bê tơng.

Nâng cao độ đặc chắc của bê tông:

 Sử dụng các sản phẩm phụ gia, hố chất có sẵn và các biện pháp thi cơng

chất lượng nhằm tăng độ đặc chắc của bê tơng, giảm bớt độ rỗng hạn chế q trình thẩm thấu và xâm nhập của các tác nhân ăn mịn từ bên ngồi vào bê tơng. Từ đó tăng được tuổi thọ và thời gian sử dụng cho cơng trình.

 Nhược điểm: cần phải kết hợp chặt chẽ với thành phần cấp phối bê tông và

phụ thuộc vào cấu kiện cần đổ bê tông, hàm lượng thép trong cấu kiện đó để đảm bảo bê tơng được lấp đầy vào cấu kiện tránh hiện tượng cấu kiện bị rỗng, rỗ mặt.

Biến đổi sản phẩm thủy hóa:

 Sử dụng các phụ gia khống hoạt tính như puzolan, xỉ hạt lò cao nghiền mịn

và các thải phẩm công nghiệp khác làm phụ gia trong bê tơng từ đó làm tăng khả năng chống ăn mịn bê tơng.

 Nhược điểm: làm giảm độ pH trong bê tông phá hoại lớp bảo vệ thụ động

xung quanh cốt thép.

Ngăn cách bê tông với môi trường:

 Sơn mặt ngồi bảo vệ bê tơng, qt sơn chống thấm chống lại mơi trường

ăn mịn là chất lỏng, qt mặt ngồi bê tơng một lớp nhủ tương, hoặc trát một lớp vữa xi măng dày để bảo vệ bê tông.

 Nhược điểm: hiệu quả không cao, khơng phù hợp với một số cơng trình.

2.4.2. Chống ăn mịn cốt thép

Dùng cốt thép khơng gỉ, thép hợp kim thấp. Nhược điểm, làm cho giá thành cơng trình cao, chất lượng kết cấu bê tơng có cốt thép giảm.

Mạ cốt thép có tác dụng chống ăn mịn. Sơn bảo vệ cốt thép. Nhược điểm, sơn phủ bảo vệ cốt thép ảnh hưởng khả năng bám dính của bê tông và cốt thép, thi công tốn nhiều thời gian.

Ức chế ăn mòn cốt thép: sử dụng chất ức chế ăn mòn làm giảm ăn mòn cốt thép, và trộn cùng vào bê tơng để chống ăn mịn cốt thép. Nhược điểm, cần công nghệ chế tạo cao, tiêu chuẩn kỹ thuật phức tạp.

Phương pháp bảo vệ catôt: bảo vệ catôt là phân cực catôt một bề mặt kim loại bi ăn mòn đề làm giảm tốc độ ăn mịn, duy trì màng bảo vệ thụ động, dịng điện bảo vệ catơt cịn làm cho ion Cl- đi ra xa bề mặt cốt thép. Nhược điểm: khó áp dụng ngồi thực tế.

2.5. Lý thuyết về các mơ hình dự đốn dầm BTCT ăn mịn

2.5.1. Khai phá dữ liệu (KPDL - Data Mining)

Khai phá dữ liệu (KPDL) được ra đời vào cuối thập kỷ 80. Nhằm phát hiện ra các thơng tin có giá trị tiềm ẩn trong các tập dữ liệu lớn. Khai phá dữ liệu liên quan đến việc phân tích và sử dụng các kỹ thuật, cơng cụ để tìm ra các đặc điểm mẫu trong tập dữ liệu [45, 46].

Hình 2.19 Quá trình khai phá dữ liệu [45]

Các giải thuật KPDL được mơ tả bằng những chương trình hoạt động trực tiếp trên tệp dữ liệu. Quá trình xử lý KPDL (Hình 2.19) gồm các bước sau.

 Bước 1: Bắt đầu bằng cách xác định vấn đề cần giải quyết.

 Bước 2: Sau đó sẽ xác định các dữ liệu liên quan dùng để xây dựng giải pháp.