CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG
1.2. Các tính chất cơ lý của bê tông
1.2.5. Các đặc tính độ bền của bê tông
Hiện tượng ăn mòn kết cấu bê tông là một vấn đề rất nghiêm trọng, nó ảnh hưởng lớn đến độ an toàn của công trình, đến sức khỏe và tính mạng của người thi công xây dựng. Vấn đề này đã và đang được xem là một trong những thách thức lớn với ngành xây dựng dân dụng ngày nay. Môi trường không ngừng tác động đến các kết cấu của bê tông. Làm thế nào để ngăn chặn sự ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép, góp phần vào việc bảo vệ an toàn kết cấu công trình. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự hư hỏng trong kết cấu của bê tông chính là sự ăn mòn cốt thép trong môi trường biển, môi trường trong các nhà máy hoá chất [38].
1.2.5.1. Nguyên nhân ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển.
Hình 1.6: Công trình bị xâm thực bởi nước biển
Có thể nói rằng Bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến và thành công nhất trong lịch sử ngành xây dựng với xấp xỉ 12 tỉ tấn bê tông được sản xuất hằng năm, nhiều hơn bất kỳ vật liệu nhân tạo nào trên thế giới. Thông thường, khi kết cấu bê tông được thiết kế phù hợp và được đúc cẩn thận, kết cấu luôn bền vững trong suốt tuổi thọ làm việc. Bình thường, cốt thép được bảo vệ hoàn toàn trong môi trường kiềm của bê tông nhờ vào hàm lượng lớn của canxi oxit, natri oxit và kali oxit hoà tan. Các hợp chất kiềm trong bê tông giữ độ pH ở mức 12-13 giúp tạo nên một lớp màng bảo vệ mỏng trên bề mặt cốt thép.
Trong điều kiện thông thường, lớp màng mỏng có khả năng bảo vệ cốt thép chống lại
DUT.LRCC
sự tấn công của các tác nhân ăn mòn từ môi trường. Cơ chế này được gọi là “cơ chế bảo vệ thụ động” của cốt thép, có hai cơ chế có thể phá vỡ sự tự bảo vệ của kết cấu bê tông cốt thép và được xem như là tác nhân chính dẫn đến ăn mòn của cốt thép trong bê tông.
Đó là hiện tượng cacbonat hoá và sự xâm nhập của ion clorua (Hình 1.6) [40]. 1.2.5.2. Quá trình Carbonat hoá trong bê tông
Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan (Ca(OH)2) trong các lỗ hổng của kế cấu bê tông là kết quả của quá trình thuỷ hoá xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13. Như đã nói, trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng mỏng trên bề mặt (dày từ 2-20 nanomét).
Tuy nhiên, quá trình carbonat hoá với sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi carbonat và trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng dưới đây [40]:
CO2 + H2O + Ca(OH)2 + CaCO3 (calcium carbonate) + 2H2O
Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế
“tự bảo vệ thụ động” của bê tông không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn.
Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông. Sự phát triển của vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép (spalling) (Hình 1.8).
Tốc độ của quá trình carbonat hoá phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ lý của bê tông như độ kiềm và độ thẩm thấu. Điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hoá hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60-75%. Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hoá tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần. Mặt khác, hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hoá. Ngoài ra, bề dày lớp bê tông bảo vệ cũng đóng vai trò quan trọng giảm quá trình ăn mòn Carbonat hoá là một quá trình chậm, đặc biệt khi nhiệt độ môi trường ở mức bình thường. Tuy nhiên, nó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao (≥ 30 năm) [40].
DUT.LRCC
Hình 1.7: Quá trình Carbonat hoá trong bê tông 1.2.5.3. Sự xâm nhập của ion clorua
Clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách. Clorua có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước, một cách vô tình hay cố ý. Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua trong hầu hết các công trình là do sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như [39]:
- Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối (Hình 1.8);
- Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua.
Hình 1.8: Kết cấu cầu cảng bị xâm thực bởi nước biển
Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển. Nói cách khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hoá ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13). Ăn mòn cục bộ do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong bê tông. Có bốn cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông [39]:
Sức hút mao dẫn;
DUT.LRCC
Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt bê tông;
Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt;
Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế.
Mối quan hệ tương hỗ giữa quá trình cacbonat hoá và sự xâm nhập của ion clorua (Hình 1.9).
Hình 1.9: Quá trình xâm nhập của ion clorua
Trong thực tế, kết cấu BTCT thường xuyên làm việc dưới tác động hỗn hợp của cả hai cơ chế trên. Clorua aluminat (AlCl4-), được tạo ra từ phản ứng giữa ion clorua và xi măng có tác dụng làm giảm lượng clorua, qua đó làm chậm quá trình ăn mòn. Tuy nhiên, khi quá trình carbonat hoá làm giảm độ pH trong bê tông, AlCl4- sẽ bị phá vỡ.
Kết quả là những kết cấu chịu sự tác động của cả hai cơ chế trên đồng thời sẽ nhạy cảm hơn nhiều với ăn mòn và khó để kiểm soát hơn.
1.2.5.4. Nguyên nhân xâm thực hư hại bê tông trong môi trường hoá chất.
Bê tông bị ăn mòn ở cả 3 môi trường rắn, lỏng và khí. Quá trình ăn mòn của bê tông chủ yếu là sự thay đổi thành phần hoá học của xi măng dưới tác dụng của các chất hoá học trong môi trường. Trong thành phần xi măng có các chất như Ca(OH)2 và C3AH6 dễ hoà tan, chúng tan vào nước làm cho cấu trúc bê tông bị rỗng do đó cường độ bê tông giảm và có thể bị phá huỷ. Mặt khác chúng có tính hoạt động hoá học mạnh, dễ tương tác với một số hợp chất hoá học của môi trường như axit, muối tạo thành các sản phẩm mới dễ hoà tan trong nước hơn hoặc nở thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu bê tông. Trong các chất gây ăn mòn bê tông thì các axit và muối axit gây ra ăn mòn bê tông nhiều nhất và mạnh nhất. Bản chất của quá trình là do sự tác dụng của các muối khoáng hoá có tính chất kiềm trong bê tông với các muối axit hoặc axit (HNO3 , H2SO4, HCl..) [39].
Bê tông
Thép Vùng hoạt động pH<5
Bảo vệ bề mặt
DUT.LRCC
- Các phản ứng diễn ra như sau:
Ca(OH)2 + H2SO4 hoặc (HNO3, HCl) CaSO4 hoặc ( CaCl2; Ca(NO3)2 ) + H2O (1) nCaO.SiO2 + pH2SO4 + nH2O nCaSO4 + mSi(OH)4 + nH2O (2)
- Các phản ứng với muối axit như Na2SO4; MgSO4:
MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (3)
- Khi môi trường có chứa muối Na2SO4 thì đầu tiên sunfat natri sẽ phản ứng với hydroxyt canxi theo phương trình:
Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH (4)
- Sản phầm CaSO4.2H2O sau khi được tạo ra tăng thể tích gấp 2,34 lần so với Ca(OH)2. Sau khi được tạo ra, CaSO4.2H2O lại tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O tạo ra 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (muối ettringit) theo phương trình:
3CaO.Al2O3.6H2O + CaSO4.2H2O + 19H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (5) Muối Ettringit kết tinh nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, làm tăng thể tích gấp 4,8 lần so với tổng thể tích của các chất sinh ra nó. Chính vì sự nớ thể tích của các sản phẩm này mà cấu trúc của bê tông có thể bị phá vỡ gây hư hỏng công trình. Khi các muối khoáng hoá mang tính kiềm bị phá huỷ sẽ tạo nên một hệ mao dẫn làm cho môi chất thấm sâu vào bên trong bê tông, khi các chất ăn mòn này tiếp xúc vơi cốt thép chúng sẽ tiếp tục ăn mòn thép theo các nguyên tắc ăn mòn kim loại như trong bài viết "nguyên nhân ăn mòn kim loại". Sau một thời gian bê tông và cốt thép bị ăn rỗng gây phá huỷ công trình, nguy hiểm nhất là các cọc bê tông cắm sâu xuống dưới đất để xây dựng các công trình ở môi trường biển và trong các nhà máy hoá chất, phân bón quá trình ăn mòn không thể nhìn thấy và kiểm tra được làm cho các công trình xây dựng trên nó có nguy cơ sụp lún, nghiêng đổ bất cứ khi nào tiềm tàng những hậu quả khó lường [40].
1.2.5.5. Biện pháp bảo vệ kết cấu bê tông cốt thép khỏi ăn mòn.
- Thay đổi thành phần khoáng hoá của xi măng, thêm bớt các phụ gia vào trong xi măng làm tăng độ chịu ăn mòn môi trường. Tuy nhiên khi thay đổi thành phần xi măng nó sẽ làm thay đổi tính chất kỹ thuật, tính cơ lý chung của xi măng làm giảm cường độ kết cấu công trình. Các nhà khoa học khuyến cáo phương pháp này chỉ dùng đối với các công trình có độ ăn mòn mạnh và kết cấu có yêu cầu độ chịu lực nhỏ [39].
- Nâng cao độ đặc chắc và độ dày của bê tông (lớp bảo vệ cốt thép). Chất lượng bê tông và việc tính toán hợp lý bề dày lớp bảo vệ cốt thép là những nhân tố đầu tiên giúp làm chậm quá trình ăn mòn cốt thép. Bê tông sử dụng phải có tỉ lệ nước/xi măng đủ thấp để làm chậm quá trình xâm nhập của ion clorua và quá trình carbonat hoá qua các lỗ hổng trong kết cấu bê tông. Tỉ lệ nước/xi măng nên ≤ 0.5 để làm chậm quá trình carbonat hoá và ≤ 0.4 để hạn chế quá trình xâm nhập của clorua. Tiêu chuẩn của hiệp hội bê tông Hoa Kỳ ACI 318 khuyến cáo chiều dày lớp bảo vệ cốt thép ≥ 1.5 in (38.1 mm) và lớn
DUT.LRCC
hơn ít nhất ≥ 0.75 in (19.05 mm) so với kích thước cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông.
Bên cạnh đó, ACI 357 khuyến cáo lớp bảo vệ cốt thép tối thiểu 2.5 in (63.5 mm) đối với kết cấu cốt thép xây dựng trong môi trường biển. Hàm lượng cốt thép đủ lớn có tác dụng kiềm chế sự phát triển và mở rộng vết nứt. Tiêu chuẩn ACI 224 kiến nghị bề rộng vết nứt cho phép không được vượt quá 0.006 in. (0.152 mm) cho kết cấu vật liệu trong môi trường biển [39].
Bê tông cần được đúc và dưỡng hộ một cách chính xác để hạn chế ăn mòn. Kết cấu cần được dưỡng hộ tối thiểu 07 ngày sau khi đúc ở nhiệt độ 21oC (đối với bê tông có tỷ lệ nước/xi măng = 0.4) và lên đến 06 tháng đối với bê tông có tỷ lệ nước/xi măng
= 0.6. Nhiều báo cáo khoa học đã chỉ ra rằng độ rỗng của bê tông giảm rõ rệt khi thời gian dưỡng hộ tăng lên, và tất nhiên khả năng chống ăn mòn cũng được cải thiện đáng kể.
Những công nghệ chống ăn mòn khác thường được sử dụng cho kết cấu bê tông cốt thép bao gồm sử dụng các màng ngăn chặn sự xâm thực của nước, của các muối, các axit. Các màng ngăn như sơn polime lên bề măt bê tông, quét epoxy, quét lớp bitum, dán cao su... Khi đổ bê tông, sử dụng cốt thép mạ kẽm, cốt thép phủ epoxy, sử dụng thép không gỉ và đặc biệt là phương pháp “cathodic protection”. Cơ chế hoạt động của phương pháp “cathodic protection” (dùng dương cực tan - vật liệu ăn mòn thay cho cốt thép trong môi trường nước) dựa trên việc sử dụng các điện cực thay thế để ăn mòn và giúp bảo vệ cốt thép trước các tác nhân từ môi trường, đặc biệt là môi trường tiếp xúc nhiều với muối biển.