Môi trường nước ăn mòn của các công trình vùng ĐBSCL phần lớn là nước chua và nước mặn:
• Tính chất nước của vùng khảo sát
Sự biến đổi các ion nước vùng ĐBSCL rất linh động. Sự biến đổi các ion trong nước giữa vùng này và vùng kia hết sức khác nhau tùy từng thời gian do tác động của dòng chảy, chế độ thủy triều và đất đai, nên không thể có một công thức chung nhất về chế độ nước cho cả vùng. Kết quả phân tích tính chất của nước đặc trưng cho từng vùng và từng thời điểm lấy mẫu. Đối với công trình nằm trong vùng ảnh hưởng chua lấy nước phân tích vào tháng VI, đối với công trình ảnh hưởng mặn lấy nước phân tích vào tháng III. Kết quả phân tích nước môi trường [17], bảng 2 - 4.
2.4.2 Vật liệu cho bê tông vùng chua mặn ĐBSCL
Như ở phần 1.2.2 Chương 1, ta đã nghiên cứu vật liệu sử dụng cho bê tông vùng chua mặn ĐBSCL: xi măng, cát, dăm, nước; tất cả các loại vật liệu này đều được kiểm tra chất lượng trước khi đi vào sử dụng, qua kết quả kiểm tra đều đạt yêu cầu cho phép sử dụng. Tuy nhiên chưa có công trình nào đưa vào sử dụng loại xi măng bền sulfat hay dùng phụ gia chống ăn mòn nào.
Bảng 2 - 4: Kết quả thí nghiệm phân tích nước môi trường tác dụng lên công trình của các tỉnh vùng ĐBSCL
Địa điểm pH HCO3- CO2 XT SO42- TMT N-NH4 Mg2+
(meq/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Tỉnh Bến Tre 4.4 1.7 2.4 173.4 2686.9 0.7 112.1 Tỉnh Long An 3.2 1.1 7.3 138 884.9 0.3 79.2 Tỉnh Kiên Giang 3.6 1.4 0.0 259.9 4382.3 0.1 188.9 Tỉnh An Giang 5.7 1.3 0.0 65.9 176.6 0.3 47.3 An Hạ - TP HCM 2.4 2.5 3.2 1632 1330 0.1 184.5 Tỉnh Vĩnh Long 6.14 2.68 3.87 23.9 67.9 0.0 21.17
Tiêu chuẩn không ăn mòn > 6.5 >2.0 < 10 < 250 < 5000 < 100 ≤ 1000
2.4.3 Nguyên lý ăn mòn bê tông dước tác dụng của môi trường nước
2.4.3.1 Ăn mòn bê tông
Bê tông dùng chất kết dính là xi măng pooclăng làm việc trong môi trường nước hoặc là ảnh hưởng của môi trường nước, tính bền của nó có thể giảm sút theo thời gian, hiệu quả sử dụng sẽ kém dần và đến một lúc nào đó công trình không làm việc được. Vì vậy cần điều tra khảo sát môi trường nước, tìm nguyên nhân có nguy cơ ăn mòn xi măng trong bê tông để có biện pháp ngăn ngừa thích hớp.
Bê tông xi măng sau khi đã cứng rắn bao gồm hai thành phần: Đá xi măng và bộ khung cốt liệu. Hai thành phần này liên kết với nhau tạo thành một khối vững chắc có khả năng chịu lực. Khi bê tông sử dụng trong môi trường có tác dụng xâm thực, nếu không có biện pháp bảo vệ nó sẽ bị ăn mòn. Trước hết thành phần đá xi măng bị phá hoại vì nó dễ bị ăn mòn hơn cốt liệu. Đá xi măng bị ăn mòn, chủ yếu là do tác động của môi trường nước có chứa các yếu tố ăn mòn lên các bộ phận cấu thành đá xi măng, mà chủ yếu là hydroxit canxi và hydroaluminat tri canxi. Khi đá xi măng bị ăn mòn thì liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu cũng bị phá hoại và cuối cùng bê tông bị phá hủy.
Ăn mòn bê tông sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền của kết cấu công trình bê tông và bê tông cốt thép. Sự phá hoại công trình xây dựng do sự ăn mòn gây lên tổn thất lớn về kinh tế. Chính vì vậy đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, nghiên cứu đề cập đến các vấn đề liên quan tới sự ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trong nhiều tài liệu khoa học. Sự ăn mòn bê tông rất đa dạng và diễn biến phức tạp, các quá trình ăn mòn này xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Tuy nhiên nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn bê tông là do có sự thay đổi về hóa học trong thành phần của đá xi măng dưới tác động của các hợp chất hóa học trong môi trường. Trong thành phần của đá xi măng có các sản phẩm thủy hóa như Ca(OH)2 và C3AH6 dễ hòa tan trong nước, làm cho cấu trúc bê tông bị rỗng, do đó cường độ bê tông giảm và có thể bị phá hủy. Mặt khác chúng có tính hoạt động hóa học mạnh, dễ tương tác với một số hóa chất hóa học của môi trường, tạo thành các sản phẩm mới dễ tan trong nước hơn hoặc nở thể tích, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu bê tông, hoặc tạo thành các chất vô định hình, rời rạc, không có tính dính kết.
Quá trình ăn mòn diễn ra mạnh hay yếu tùy thuộc vào đặc tính của xi măng, các loại vật liệu, độ đặc chắc của bê tông, nồng độ của các tác nhân hóa học môi trường. Các yếu tố như trạng thái, và nhiệt độ môi trường, mức tải trọng làm việc của kết cấu … cũng ảnh hưởng đáng kể đến mức độ ăn mòn. Trong các yếu tố đó thì đặc tính xi măng và độ đặc của bê tông là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đế sự ăn mòn. Khi bê tông bị rỗng, không có tính chống thấm, độ thẩm thấu của nước tăng lên, dẫn đến sự xâm nhập của tác nhân ăn mòn, do đó có điều kiện tiếp xúc và tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng. Các sản phẩm thủy hóa càng dễ bị ăn mòn thì ăn mòn bê tông sẽ càng mạnh hơn.
Trong thực tế môi trường nước vùng ĐBSCL có nhiều chất gây ăn mòn đá xi măng rất phong phú và đa dạng. Nhưng có thể phân ra ba nguyên nhân cơ bản của ăn mòn bê tông, xác định mỗi dạng bằng tổng các dấu hiệu phá hủy phổ biến.
•Dạng ăn mòn loại I
Ăn mòn loại I diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa xi măng bị hòa tan, trong đó chủ yếu là hydroxit can xi và aluminat can xi. Nhưng đặc biệt hydroxit canxi tan mạnh nhất, vậy ăn mòn dạng này còn gọi là quá trình khử kiềm.
Đá xi măng có đặc trưng là kết cấu không đồng nhất về cả cấu trúc và các thuộc tính của chúng, trong đó có thuộc tính bị hòa tan. Khi hydroxit canxi tan vào dung dịch làm dịch chuyển trạng thái cân bằng của các sản phẩm thủy hóa trong hệ xi măng - nước. Độ hòa tan của hydroxit canxi trong nước ở nhiệt độ 20oC là 1,18g/l, tính theo lượng CaO. Sự có mặt của các muối trong dung dịnh có ảnh hưởng đáng kể đến tính hòa tan của hydroxit canxi Khi các muối chứa môộ trong cac ion OH- hoặc H+ thì độ hòa tan giảm đi, còn khi các muối chứa các ion khác loại thì sẽ làm tăng độ hòa tan của hydroxit canxi. Điều này được khẳng định, khi tăng NaCl hoặc KCl, độ tan của hydroxit canxi tăng lên rõ rệt. Sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa vừa làm kết cấu đá xi măng bị rỗng, vừa làm mất ổn định của các sản phẩm thủy hóa khác.
Trong số các aluminat can xi ngậm nước, loại kém bền nhất là 4CaO.Al2O3.19H2O. Ngược lại 2CaO.Al2O3.H2O có độ hòa tan nhỏ nhất. Giới hạn bền của nhóm các kháng này như sau :
Loại khoáng : Nồng độ Ca(OH)2 : 2CaO.Al2O3.H2O 0,170 - 0,315 g/l 3CaO.Al2O3.6H2O 0,315 - 1,150 g/l 4CaO.Al2O3.19H2O > 1,15 g/l
Vậy ta có thể nhận xét rằng các sản phẩm silicat canxi ngậm nước và aluminat canxi ngậm nước có hàm lượng oxyt canxi thấp bền vững hơn. Tuy nhiên các sản phẩm thủy hóa thường tồn tại ở các dạng cơ bản 3CaO.2SiO2.nH2O và 3CaO.Al2O3.6H2O. Đó là nguyên nhân dẫn đến sự mất ổn định của đá xi măng khi nồng độ của hydroxyt canxi giảm đi, hay hiện tượng ăn mòn hòa tan diễn ra.
•Dạng ăn mòn loại II
Ăn mòn loại II được phân biệt khác với ăn mòn loại I, ở đây nó không chỉ là sự hòa tan của các sản phẩm của đá xi măng, mà chủ yếu do tương tác của các axit hoặc muối trong môi trường nước với các sản phẩm thủy hóa của xi măng tạo ra các hợp chất tan mạnh hơn các sản phẩm thủy hóa ban đầu, chúng không có cường độ.
Mức độ phá hoại mạnh của dạng ăn mòn loại II là do sự tác động đồng thời của các quá trình hóa học đến sự phân hủy Ca(OH)2 làm tăng đáng kể mức độ phá hoại kết cấu bê tông.Trong số các tác nhân gây ăn mòn loại này thì axít là tác nhân phá hoại mạnh nhất, tiếp theo là các muối axit và các hợp chất có khả năng tương tác với sản phẩm thủy hóa của xi măng có tính hoạt động hóa học mạnh.
+ Ăn mòn do axit cacbonic :
Khi trong nước có hàm lượng khí CO2 nhỏ nhất định dưới dạng axit cacbonic (H2CO3), chúng sẽ tác dụng với hydroxit canxi để tạo thành cacbonat canxi (CaCO3) kết tinh bền vững trên bề mặt bê tông làm cho sự ăn mòn giảm đi, nó lấp đầy các lỗ rỗng và bao bọc quanh cốt thép của bê tông, đảm bảo ổn định cho kết cấu bê tông và cốt thép, theo phản ứng:
CO2 + Ca(OH)2 + H2O → 2CaCO3 + 2H2O
Khi nồng độ của CO2 tăng lên nhiều, quá 15 – 20% mg/lít, thì bản thân CO2 bị hòa tan CaCO3 theo phản ứng:
CO2 + CaCO3 + H2O → Ca(HCO3)2
CaCO3 lại biến thành Ca(HCO3)2. Sản phẩm mới sinh này có độ tan lớn hơn nhiều so với hydroxit canxi. Hơn thế nữa phản ứng giữa axit cacbonic và cacbonat canxi diễn ra nhanh, trong khi sự khuyếch tán của Ca(OH)2 từ trong ra để bù đắp cho sự mất lớp màng phủ cacbonat canxi lại diễn ra chậm. Trong trường hợp này kết quả bê tông bị phá hoại nhanh hơn. Cường độ phá hoại của axit cacbonic phụ thuộc vào các yếu tố như: Lượng khí CO2, lượng ion trong
dung dịch, loại xi măng, thời gian bảo dưỡng bê tông và diện tích tiếp xúc của bê tông với các tác nhân gây ăn mòn.
+ Ăn mòn của các axit khác: Các axit vô cơ như axit clohydric, axit sunfuaric, axit nitơrit và các axit hữu cơ như axit acetic, axit lactic…khi bị tác dụng bởi các axit này đá xi măng sẽ bị phá hủy.
- Ăn mòn do sản phẩm Ca(OH)2 tác dụng với muối hoặc axit có gốc Clo: Ca(OH)2 + HCl → CaCl2 + H2O
Muối CaCl2 dễ bị hòa tan:
Các khoáng khác tác dụng với axit theo những phản ứng sau : 3CaO.2SiO2.3H2O + 6HCl → 3CaCl2 + 2Si(OH)4 + 2H2O 3CaO.Al2O3.6H2O + 6HCl → 3CaCl2 +2Al(OH)3 + 6H2O 3CaO.Fe2O3.6H2O + 6HCl → 3CaCl2 + 2Fe(OH)3 + 6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O + 3H2SO4 → 3CaCl2 +2Al(OH)3
CaCl2 là muối rất dễ hòa tan trong nước + Ăn mòn của các dung dịch muối ma nhê:
Muối manhê cơ bản là hai loại muối clorua manhê và sunfat manhê. Chúng thường có trong nước ngầm, nước mặn. Sự ăn mòn của các loại muối này chủ yếu do chúng tương tác với hysroxit canxi có trong đá xi măng. Những phản ứng chính diễn ra như sau:
MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2
MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2
Trong hai trường hợp này hydroxit manhê được tạo ra có độ hòa tan rất nhỏ (18,2 mg/l) nên chúng kết tủa lại. Những quan sát về trạng thái của các kết cấu bị phá huỷ do muối manhê cho ta thấy rằng trên bề mặt và trong các lỗ rỗng tích tụ các chất vô định hình màu trắng (hydroxit manhê). Bê tông càng bị thấm nhiều và hàm lượng hydroxit canxi trong đá xi măng càng nhiều thì chất vô định hình màu trắng này được tạo ra càng nhiều, các tính chất cơ học của bê tông càng bị suy giảm.
+ Ăn mòn của dung dịch kiềm :
Bản thân kiềm không có tác dụng ăn mòn bê tông, nhưng khi bê tông ở trong dung dịch kiềm loãng, sau đó tiếp xúc với không khí, trong bê tông sẽ bị cacbonat hóa sinh ra các muối cacbonat (Na2CO3) kết tinh phá vỡ cấu trúc bê tông. Trong dung dịch kiềm đặc, tuy độ hòa tan của Ca(OH)2 có giảm đi rõ rệt, nhưng lượng OH sinh ra lại làm cho các oxit và silicat bị hòa tan, từ đó dẫn đến phá hoại bê tông. Như vậy ăn mòn do kiềm có trong đá xi măng xảy ra trong lòng khối bê tông, giữa các cấu tử với nhau. Bản thân clinke luôn chứa một lượng các chất kiềm (Na2O, K2O). Trong cốt liệu bê tông, đặc biệt là trong cát thường chứa các oxit silic vô định hình (opan, chanxedon, thủy tinh núi lửa), chúng có thể tác dụng với kiềm trong xi măng ở ngay nhiệt độ thường, làm cho bề mặt cốt liệu nở ra, tạo ra một hệ thống các vết nứt. Sự phá hoại này xảy ra sau khi hoàn thành công trình khoảng 10 – 15 năm.
•Dạng ăn mòn loại III
Loại ăn mòn này là sự tích tụ những muối, được hình thành từ sự tương tác của các loại sản phẩm thủy hóa của xi măng với các hợp chất của môi trường hoặc được xâm nhập từ bên ngoài, làm tăng thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu bê tông. Đặc tính của sự ăn mòn loại III là ở thời kỳ đầu sản phẩm xuất hiện do tương tác của các hợp chất trong môi trường và sản phẩm thủy hóa của xi măng còn ít, chúng kết tủa trong các lỗ rỗng và mao quản trong cấu trúc bê tông, nâng cao độ đặc chắc và tăng độ bền của kết cấu. Nếu sản phẩm này không tăng lên thêm thì kết cấu không bị phá hoại. Nhưng về sau sản phẩm sinh ra càng nhiều, chúng gây nội ứng suất, phá hoại kết cấu và mở đường cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên trong bê tông và nhanh chóng phá hoại bê tông. Sự phổ biến của ăn mòn loại này là sự xâm nhập của các hợp chất tự nhiên trong môi trường nước chứa dựng các hợp chất sulfat.
Muối sulfat thường gặp trong đa số các loại nước tự nhiên nhất là đối với môi trường nước chua và mặn vùng ĐBSCL. Sự ăn mòn chỉ xảy ra đáng kể khi nồng độ SO42- lớn hơn 250 mg/l. Quá trình ăn mòn hóa học diễn ra như sau:
Đầu tiên là sự tương tác của sunfat manhê với hydroxit canxi theo phương trình:
MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2
Khi trong môi trường có chứa muối Na2SO4, thì đầu tiên là tương tác của sulfat natri với hydroxyt canxi theo phương trình:
Na2SO4 + Ca(OH)2 +2H2O = CaSO4.2H2O + 2NaOH
Sản phẩm CaSO4.2H2O được hình thành tăng thể tích 2,34 lần so với hydroxyt canxi. 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+3CaSO4.2H2O+19H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O Ettringit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, tăng thể tích gấp 4,8 lần so với tổng thể tích của các hợp chất sinh ra nó. Chính vì sự nở thể tích của các sản phẩm này mà cấu trúc bê tông có thể bị phá vỡ.
Khi xét sự ảnh hưởng của nồng độ và loại muối sulfat đến sự ăn mòn đá xi măng cho thấy: các loại muối có nồng độ > 250 mg/l mới có khả năng ăn mòn rõ rệt, vì khi nồng độ các muối càng cao thì sự tạo thành hydro sulfo aluminat tricanxit càng nhiều. Trong các loại muối sunfat thì sulfat canxi có tốc độ ăn mòn lớn hơn các loại muối sulfat khác. Điều này giải thích bằng sự tạo thành nhiều CaSO42H2O, tạo điều kiện để sinh ra nhiều ettringit. Sự tạo thành hydro sulfo aluminat tricanxit làm cho cấu trúc của đá xi măng trở lên tơi xốp. Nếu xét sự ảnh hưởng của các loại muối gốc sunfat tới sự ăn mòn bê tông, thì sự ăn mòn của muối amoni sulfat là nguy hiểm hơn. Điều này được giải thích khi bị sulfat amon tác dụng thì nồng độ của cation tăng lên vì sự có mặt của NH4+, từ đó thúc đẩy phản ứng giữa sulfat amon với hydroxyt canxi tạo ra CaSO4.2H2O
và 2NH4OH. Hydroxyt amon tan nhanh vào môi trường và một phần tách ra khí amoniac bay hơi.
2.4.3.2 Ăn mòn cốt thép trong bê tông
Trong kết cấu bê tông cốt thép, phần bê tông chủ yếu làm nhiệm vụ chịu lực nén. Lớp bê tông bảo vệ có tác dụng liên kết với cốt thép, để cốt thép tham