I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn mòn do ion clo
I.2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ
Nếu kết cấu BTCT đ-ợc thiết kế và thi công tốt đáp ứng đầy đủ biện pháp bảo vệ cơ bản thì nó có thể bền lâu trong môi tr-ờng biển mà không cần bất cứ biện pháp hỗ trợ bổ sung nào khác. Tuy nhiên, trên thực tế không phải lúc nào
điều này cũng thực hiện đ-ợc.
Trong thực tế thi công các công trình BTCT vùng biển ở Việt Nam, không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc các yêu cầu tối thiểu để bảo vệ chống ăn mòn nh- đã quy định. Trong một số tr-ờng hợp phải thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng hơn so với yêu cầu tối thiểu quy định, ví dụ: các vị trí đáy dầm, panel, sàn đổ tại chỗ rất khó để có thể thiết kế thi công đảm bảo chiều dày 50-70mm. Mặt khác bê tông là một loại vật liệu hỗn hợp khó thi công đảm bảo
độ đồng nhất, chính vì vậy mác và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc đúng yêu cầu thiết kế. Theo số liệu khảo sát thu đ-ợc thì những công trình xây dựng từ năm 1990 trở về tr-ớc tại vùng biển Việt Nam hầu nh- không đảm bảo yêu cầu độ đồng đều về mác và chiều dày bảo vệ chống ăn mòn, chiều dày thực tế th-ờng nhỏ hơn thiết kế yêu cầu [1, 2, 11]. Ngay cả ở Mỹ khi kiểm tra các công trình BTCT vùng biển theo thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép là 38 mm nh-ng trong thực tế nhiều cấu
Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng
kiện chỉ đạt 29 mm [25]. Hơn nữa vấn đề sử dụng vật liệu nhiễm mặn hoặc bê tông bị lẫn n-ớc biển trong thi công đã từng xảy ra.
Đối với môi tr-ờng khắc nghiệt nh- môi tr-ờng biển, thậm chí khi bê tông có chất l-ợng tốt cũng khó có thể bảo vệ chống ăn mòn lâu dài, đặc biệt là đối với các công trình đòi hỏi niên hạn sử dụng trên 50 năm. Các số liệu khảo sát thực tế đã chứng minh, kể cả với mác bê tông >30 MPa, sau 30 năm, hàm l-ợng ion Cl- tại chiều sâu 60-70 mm ở giá trị rất cao 2-5 kg/m3 BT đủ để gây gỉ cốt thÐp.
Từ các phân tích trên đây cho thấy rất cần phải áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ. Các biện pháp bảo vệ hỗ trợ bao gồm:
- Bảo vệ mặt ngoài kết cấu;
- Tăng mác và độ chống thấm hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ;
- Bảo vệ bằng chất ức chế ăn mòn;
- Bảo vệ kết cấu BTCT đã bị ăn mòn (ph-ơng pháp tách clo và tái tạo kiÒm);
- Bảo vệ trực tiếp cốt thép trong bê tông;
a. Bảo vệ mặt ngoài kết cấu
Một số biện pháp tăng c-ờng bảo vệ mặt ngoài kết cấu th-ờng đ-ợc áp dụng là sơn phủ hoặc phun khô (trát) lên bề mặt kết cấu. Bản chất là bao bọc xung quanh kết cấu BTCT một lớp áo đặc chắc có khả năng chống thẩm thấu ion Cl- xâm nhập từ môi tr-ờng bên ngoài [7, 9, 10].
Các loại vữa đ-ợc sử dụng có các loại phụ gia pôlime hoặc khoáng hoạt tính siêu mịn, áp dụng ở quy mô nhỏ chủ yếu là cho sửa chữa chống ăn mòn kết cÊu BTCT.
Các biện pháp sơn phủ dễ áp dụng, phù hợp với các kết cấu BTCT ở vùng khí quyển trên biển và ven biển. Có rất nhiều các loại sơn phủ đ-ợc sử dụng trong đó phổ biến hơn cả là sơn gốc epoxy, ximăng-pôlime, polyurethane, silicon... Biện pháp này đ-ợc ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản, theo kết quả nghiên cứu của Yamaji T., áp dụng các loại sơn gốc Silane, Acryl polyme ximăng,
Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng
silicon, epoxy có hiệu quả bảo vệ tốt nếu đ-ợc quét ngay lên bề mặt kết cấu [32, 36]. ở Việt Nam cho tới nay hầu nh- ch-a áp dụng biện pháp sơn phủ, nguyên nhân có thể là do ch-a có các nguồn vật liệu thích hợp.
b. Tăng mác hoặc độ chống thấm và tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ
Tăng mác bê tông hoặc độ chống thấm cũng có nghĩa là tăng độ đặc chắc của bê tông, đây là một trong số những chỉ tiêu quan trọng nhất ảnh h-ởng tới độ bền lâu của kết cấu BTCT vùng biển. Bê tông có khả năng chống thẩm thấu cao sẽ ngăn cản sự dịch chuyển các tác nhân xâm thực nh- Cl-, O2, H2O, CO2...vào trong và làm chậm lại quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông. Đối với kết cấu BTCT vùng biển, chỉ số quan trọng để đánh giá năng lực bảo vệ cốt thép của bê tông là độ thấm ion Cl- trong bê tông.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng biện pháp nâng cao độ
đặc chắc của bê tông để chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép vùng biển bằng cách sử dụng các loại phụ gia: siêu dẻo, phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia pôlime. Theo nghiên cứu của Berke N. S. để bê tông có độ thấm ion Cl- ở mức thấp (1000 - 2000 culông) thì phải giảm tỷ lệ n-ớc/ximăng < 0,4 và trong tr-ờng hợp này phải sử dụng phụ gia dẻo hóa, siêu dẻo và khoáng hoạt tính. Các loại bê tông xi măng pooclăng xỉ loại A, B, C đ-ợc dùng phổ biến ở Nhật Bản đều nâng cao đáng kể (loại C có thể gấp 7 lần) tính năng chống ăn mòn so với bê tông xi m¨ng poocl¨ng th-êng [8].
ở Việt Nam cũng đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu về vấn đề này, và chứng minh các loại bê tông xi măng pooclăng hỗn hợp thay thế 10% XM bằng tro bay hoặc tro trấu nâng cao (gấp 2 lần) tính năng chống ăn mòn so với bê tông xi măng pooclăng hỗn hợp thông th-ờng [31].
Việc sử dụng pôlime để biến tính vữa và bê tông đã đ-ợc nghiên cứu từ những năm 1920 và đến nay đã thu đựơc nhiều kết quả có ý nghĩa về khoa học cũng nh- thực tế. Phụ gia pôlime cho phép tạo ra các tổ hợp vật liệu có những tính năng v-ợt trội nh-: có khả năng chống thấm cao, bền xâm thực hoá học [14].
Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng
c. Bảo vệ bằng chất ức chế ăn mòn [8]
Mục đích dùng chất ức chế là để kìm hãm các phản ứng anốt, hoặc phản ứng catốt, hoặc đồng thời cả 2 loại phản ứng trên xảy ra trên cốt thép. Các chất ức chế đ-ợc dùng phải đảm bảo không ảnh h-ởng đến tính chất cơ lý của bê tông. Tác dụng bảo vệ của các chất ức chế có đ-ợc là do các phân tử hoặc ion của chúng hấp phụ trên bề mặt kim loại, tạo nên các hiệu ứng bảo vệ chống ăn mòn.
Các chất ức chế th-ờng dùng để chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông:
Chất ức chế anốt:
Chất ức chế loại này th-ờng có tác dụng làm giảm quá trình anốt ứng với sự tăng quá thế anốt. Có hai loại chất ức chế ăn mòn dạng này là:
- Anion oxi hóa, nh- là các muối crômát, nitrat và nitrit, chúng có thể thụ
động hóa thép khi không có mặt của oxy.
- Ion không oxy hóa nh- phosphat, tungstat và molybdat, các muối này cần phải có oxy để thụ động hóa bề mặt thép. Các chất ức chế dạng này đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất. Tuy vậy, những chất này có thể gây nên ăn mòn điểm và làm tăng tốc độ ăn mòn khi hàm l-ợng thấp hơn một giá trị giới hạn nào đó.
Trong số các chất ức chế anốt, thì canxi nitrit đ-ợc sử dụng nhiều hơn cả do hiệu quả chống ăn mòn cao và ít có tác dụng phụ đến tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông.
Chất ức chế catốt:
Chất ức chế catốt là những hợp chất nh- Arsen, Antimoan chúng có tác dụng làm giảm quá trình catốt ứng với sự tăng quá thế catốt hoặc kết tủa trên bề mặt catốt làm tăng điện trở bề mặt và hạn chế sự khuếch tán chất khử đến khu vực này. Chất ức chế catốt có khả năng ức chế ăn mòn theo 3 h-ớng sau đây:
- Thụ động hóa catốt.
- Kết tủa trên vùng catốt.
- Tiêu thụ oxy.
d. Ph-ơng pháp tách clo và tái tạo kiềm
Tách ion clo khỏi môi tr-ờng bê tông, tái tạo kiềm cho bê tông là các quá
trình điện hóa đ-ợc thực hiện nhằm loại bỏ ion clo, khôi phục độ kiềm cao của môi tr-ờng bê tông.
Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng
Tái tạo kiềm là ph-ơng pháp làm ngừng sự ăn mòn cốt thép trong bê tông do sự cacbonat hóa. Ph-ơng pháp này đòi hỏi mật độ dòng điện khoảng 0,8 tới 2A/m2 theo diện tích bề mặt bê tông, điện cực anốt nằm ngoài bê tông và điện áp 10 - 40V trong thời gian từ 1 đến 2 tuần. Môi tr-ờng điện ly sử dụng trong ph-ơng pháp tái tạo kiềm là dung dịch Na2CO3 hoặc LiOH. Sau xử lý pH của bê tông quanh cốt thép tăng, sự thụ động cốt thép đ-ợc phục hồi.
Còn ph-ơng pháp tách clo trong bê tông đ-ợc áp dụng cho các công trình bê tông bị nhiễm clo. Mật độ dòng yêu cầu là 1-2 A/m2, điện áp d-ới 30V và thời gian từ 2 đến 10 tuần phụ thuộc và nồng độ clo, sự phân bố clo trong bê tông và sự phân bố dòng điện. Khác với tái tạo kiềm, ph-ơng pháp này anốt phải nhúng trong dung dịch điện ly và tiếp xúc với bề mặt bê tông. Môi tr-ờng điện ly sử dụng trong ph-ơng pháp tách clo là n-ớc, Ca(OH)2, Li3BO3.
Các phản ứng chính xảy ra ở anốt và catốt trong quá trình tách clo và tái tạo kiÒm nh- sau:
- Phản ứng anốt: xảy ra ở vật liệu anốt
2H2O O2 + 4H+ + 4e- (*) 2Cl- Cl2 + 2e-
H2O + Cl2 HCl + HClO (**) - Phản ứng catốt: xảy ra ở bề mặt cốt thép 2H2O + O2 + 4e- 4OH- 2H2O + 2e- 2OH- + H2
D-ới tác dụng của dòng một chiều, kiềm đ-ợc tái tạo lại ở xung quanh cốt thép và làm thụ động hóa lại cốt thép, đồng thời các ion clo dịch chuyển ra xa cốt thép, đến anốt. Tuy nhiên, sự axít hóa xảy ra theo phản ứng (*) và (**) ở xung quanh anốt, vì vậy mật độ dòng anốt không đ-ợc quá lớn để tránh hiện t-ợng anốt hóa gây h- hại vật liệu anốt.
Tuy nhiên, các ph-ơng pháp này có nh-ợc điểm là làm tăng nồng độ ion kim loại kiềm, ion OH- trong dung dịch lỗ ở bề mặt cốt thép - bê tông, làm thay
đổi cấu trúc lỗ và lực liên kết cốt thép và bê tông.
Luận văn thạc sĩ Vũ Thế Ph-ơng
Sau khi đã tách đ-ợc ion clo và tái tạo lại kiềm cho bê tông phải phủ bề mặt bê tông để ngăn chặn sự xâm nhập trở lại của ion clo hoặc CO2 [12, 26].
e. Bảo vệ trực tiếp cốt thép trong bê tông Sơn phủ cốt thép:
Có 3 loại sơn phủ cốt thép chủ yếu sau [9]:
- Sơn hữu cơ gốc epoxy, vinyl chloride và polyetylene ;
- Mạ kim loại hoặc sơn giàu kim loại (kẽm, nhôm, đồng, nikel);
- Sơn pôlime hoặc xi măng pôlime;
Trong số các sản phẩm sơn nêu trên, hiện nay chủ yếu sử dụng sơn gốc epoxy và gốc pôlime. Các kết quả nghiên cứu đều cho rằng sơn gốc epoxy có khả
năng ngăn cản tốt sự xâm nhập của ion Cl- vào cốt thép. Tuy nhiên nh-ợc điểm của loại sơn này là giòn, chịu va đập và uốn góc kém đồng thời làm giảm khả
năng dính kết giữa cốt thép và bê tông. Trái lại với sơn gốc epoxy thì sơn gốc pôlime có khả năng đảm bảo lực dính kết giữa cốt thép và bê tông nh-ng khả
năng chống thẩm thấu ion Cl- ch-a rõ ràng [4, 7].
Sử dụng thép hợp kim, thép không gỉ:
Sử dụng thép không gỉ làm cốt thép trong kết cấu BTCT vùng biển là một biện pháp ít đ-ợc sử dụng. Do chi phí khá tốn kém nên ngay cả ở những n-ớc phát triển nh- Mỹ, Nhật Bản ng-ời ta cũng chỉ sử dụng cho một số kết cấu đặc biệt trong mỗi công trình. Tại Nhật Bản đã có một số nghiên cứu về sử dụng cốt thép không gỉ [37]:
- Tại điều kiện th-ờng (môi tr-ờng phun n-ớc biển) không xảy ra gỉ cốt thép trong bê tông thậm chí khi hàm l-ợng ion Cl- từ 6-8 kg/m3 BT.
- D-ới điều kiện môi tr-ờng gia tốc 600C xảy ra gỉ cốt thép loại SUS 304 tại vị trí nứt bê tông với hàm l-ợng ion Cl- là 6 kg/m3 BT. Tuy nhiên với các mẫu thép không gỉ khác loại: SUS 316, 430 không xảy ra ăn mòn cốt thép khi hàm l-ợng Cl- từ 6-7 kg/m3 BT.
Bảo vệ catốt cho cốt thép:
Ph-ơng pháp này sẽ đ-ợc trình bày chi tiết d-ới đây.