Ăn mịn cacbonat hố

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU

2.3. Lý thuyết ăn mịn cốt thép trong bê tơng

2.3.2.2. Ăn mịn cacbonat hố

Q trình các-bon-nát-hóa (Cacbonatation): có thể chia q trình này thành (Hình 2.8) [21]

Hình 2.8 Q trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng do các bon nát hóa

 Giai đoạn 1, là khi bê tông quanh cốt thép chưa bị các-bon-nát-hóa, bê tơng

có tính kiềm, pH từ 12 - 13, chính trong mơi trường có tính kiềm cao nên cốt thép khơng thể bị ăn mịn [33].

 Giai đoạn 2, sự chuyển đổi của các hợp chất bị thuỷ hóa và sự vận động của

pha lỏng trong các kẽ hở của bê tơng. Phản ứng các-bon-nát-hóa của bê tơng do oxit các-bon (CO2) có trong khơng khí thấm sâu vào lớp bê tơng bảo vệ từ đó độ pH của bị giảm (pH < 9), ở từ thời điểm này cốt thép trong bê tơng khơng cịn được bảo vệ để chống lại ăn mòn nữa.

 Giai đoạn 3, sự thẩm thấu của nước làm các tạp chất có tính oxy hóa (đặc

biệt là môi trường chứa ion Cl-) tác động trực tiếp vào cốt thép làm oxy hóa thép. Sản phẩm của q trình oxy hóa cốt thép là rỉ sắt có cơng thức hóa học là Fe2O3.H2O, Fe(OH)2.

 Giai đoạn 4, oxy hóa thép đến một mức độ nào đó sẽ tạo thành một lớp rỉ

sắt, lớp rỉ này xốp có thể tích gấp 2 đến 7 lần thể tích sắt tạo ra nó [34], rỉ sắt này tạo áp lực lên lớp bê tông bảo vệ, khi áp lực này tạo ra ứng suất lớn hơn cường độ chịu kéo của bê tơng thì sẽ gây nứt lớp bê tông bảo vệ.

 Giai đoạn 5, lớp rỉ sắt tiếp tục hình thành với thể tích lớn làm vết nứt ở lớp

bê tơng bảo vệ hình thành to hơn, một thời điểm nào đó lớp bê tơng bảo vệ sẽ bị bong tróc và trơ cốt thép ra ngồi mơi trường.

Bê tơng thường sử dụng xi măng có các khống C S, C S, C AF, C A3 2 4 3 khi nhào trộn với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng nên có độ kiềm cao pH = 12.5 - 13.5. Với điều kiện pH > 12.5 theo biểu đồ Pourbaix thép là trong vùng thụ động hay trên bề mặt cốt thép sẽ có màng thụ động thép khơng bị ăn mịn (Hình 2.9).

Hình 2.9 Biểu đồ Pourbaix quan hệ thế điện cực và độ pH của hệ Fe H O 2 [35] (Chú thích: Potential – Điện thế ; IMMUNITY – khơng ăn mịn ; CORROSION –

ăn mịn; PASSIVATION – thụ động )

Cacbonat hóa là hiện tượng hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng sẽ kết hợp với CO2 từ môi trường tạo ra CaCO3và

H2O. Phản ứng này là giảm lượng ion OHtrong dung dịch lỗ rỗng của bê tơng do đó làm độ pH của dung dịch lỗ rỗng giảm dưới 12.5 và có thể độ pH giảm đến 8 phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép và gây ăn mòn cốt thép.

Các bước của phản ứng như sau: Sục CO2 trong dung dịch sau các phản ứng (2.11), (2.12) và (2.13) dẫn đến giảm của nồng độ ion OH- trong dung dịch có lỗ rỗng, làm giảm độ pH. Thành lập tính bazơ của mơi trường, porlandit tan theo phản ứng:

2 2

Các ion canxi giải phóng kết tủa với các ion cacbonat sau phản ứng để tạo thành canxi cacbonat CaCO3.

2

2 3 2

Ca 2OHCO CaCO H O (2.12) Cơ chế phản ứng của q trình cacbonat hóa Ca(OH)2 được tổng hợp bằng phản ứng hóa học sau.

2 2 3 2

Ca(OH) CO CaCO H O (2.13)

Hình 2.10 minh họa sự can thiệp kết hợp của ba giai đoạn: khí, nước và rắn ở

trong q trình cacbonat hóa porlandit [Thiery, 2005].

Hình 2.10 Cơ chế cacbonat hóa của (CaOH)2 [Thiery, 2005] [36, 37]

Khí CO2 trong khí quyển thấm nhập qua các vết nứt và qua lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH)2có sẵn trong bê tơng, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép. Dần theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép ngày càng phát triển rộng trong bê tông theo chiều sâu. Khi nồng độ pH 8 và vùng này tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và cốt thép bắt đầu bị ăn mịn.

Tốc độ cacbonat hóa được xác định bằng biểu thức sau.

ck t (2.14) Trong đó:

T: Thời gian.

K: hệ số cacbonat hóa, phụ thuộc vào chất lượng bê tơng.

k 3mm / (năm)0,5 - bê tông tốt.

k 6mm / (năm)0,5 - bê tông xấu.

Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến mức độ cacbonat hóa.

 Chất lượng bê tông: xốp hay đặc chắc.

 Độ ẩm của bê tơng: mức độ cabonat hóa mạnh nhất khi độ ẩm trong khoảng

50% - 70%.

Hình 2.11 Sơ đồ q trình hình thành pin ăn mịn trong cốt thép do hiện tượng

cacbonat lớp bê tông bảo vệ [38]

Cacbonat hóa là q trình các phản ứng biến đổi hydrat xảy ra, Ca(OH)2 là nguồn đảm bảo tính bazơ trong dung dịch lỗ rỗng bị hòa tan thành CaCO3. Cùng với những phản ứng này, độ pH trong dung dịch giảm xuống thấp hơn 9, trong môi trường axit các lớp oxit sắt bảo vệ cốt thép khơng cịn bền vững nữa, q trình ăn mịn diễn ra.

Khi cốt thép bắt đầu ăn mịn, bề mặt thép hình thành các dịng ăn mịn. Với cực dương xuất hiện ở những nơi điện thế thấp, tại những khu vực có độ pH của dung dịch giảm, trong phạm vi lớp bê tơng bảo vệ đã bị cacbonat tồn bộ. Cực âm là các khu vực bề mặt thép chưa bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cacbonat [37]. Giữa hai cực này, các electron sẽ di chuyển từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao, hình thành các pin ăn mịn (Hình 2.11)