Ngày nay, việc nghiên cứu sự ăn mòn và bảo vệ các công trình bêtông cốt thép là một đề tài khá hấp dẫn, được nhiều nhà khoa học nước ngoài và trong nước quan tâm vì số lượng công trình bêtông cốt thép rất nhiều: các công trình dân dụng nhà ở ven biển, cầu cống ven biển, cầu cảng biển, các công trình khai thác dầu khí v.v…
Bêtông cốt thép gồm hai phần: phần vỏ là vật liệu đá nhân tạo gồm các thành phần có tỉ lệ hợp lí: chất kết dính xi măng, nước, cốt liệu thô (sỏi cát) và các phụ gia khác, chúng được trộn vào nhau sau đó đúc thành khuôn và phần thứ hai là cốt lõi bằng thép.
Trong quá trình đóng rắn của bêtông, các thành phần của khoáng xi măng bị thuỷ hoá và tạo môi trường kiềm (pH = 13 ÷ 14). Trong môi trường này cốt thép bị thụ động.
Phản ứng thuỷ hoá (hiđrat hoá) của các khoáng silicat như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2
Đối với khoáng C3A phản ứng xảy ra:
3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O
2(3CaO.Al2O3) + 21H2O → 4CaO.Al2O3.13H2O + 2CaO.Al2O3.8H2O Khi có mặt thạch cao xảy ra phản ứng tạo thành ettringit:
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 6H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.12H2O
Ettringit là các tinh thể hình kim được hình thành nhanh trên khoáng C3A chưa thuỷ hoá tạo lớp vỏ bọc không cho nước thấm qua. Vì vậy thạch cao được dùng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết xi măng.
Quá trình thuỷ hoá diễn ra suốt thời gian sử dụng bêtông.
– Nếu lớp vỏ chặt xít có kết cấu tốt thì cốt thép luôn luôn ở trạng thái thụ động và không bị ăn mòn.
– Nếu lớp vỏ bêtông quá mỏng hoặc có kết cấu xốp thì oxi sẽ xâm nhập vào cốt thép và gây ra ăn mòn. Đương nhiên khi bêtông cốt thép ngâm trong nước, lượng oxi thấp, khó xâm nhập cốt thép và sự phá huỷ cốt thép cũng bị hạn chế.
Trong nước biển chứa nhiều ion Cl–, sự xâm nhập của nó vào cấu trúc bê tông sẽ ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của các công trình.
Ion Cl– xâm nhập vào bê tông theo cơ chế khuếch tán và thường tồn tại ở các dạng: hấp phụ vật lí trên bề mặt rắn của lỗ xốp, tham gia liên kết hoá học tạo C3A.CaCl2.10H2O hoặc C3A.3CaCl2.3H2O
Nếu tồn tại tự do trong các mao quản, lỗ trống ion Cl– sẽ phá huỷ và ăn mòn bêtông cốt thép.
Quá trình ăn mòn cốt thép bêtông là ăn mòn điện hoá. Khi có ion Cl– xâm nhập vào lớp thụ động của bêtông, lớp thụ động bị phá vỡ và thép bị ăn mòn, pH giảm:
Fe – 2e → Fe2+
Ngưỡng tới hạn phá huỷ màng thụ động và gây ăn mòn cốt thép là [Cl–]/[OH–] = 0,6. Khi lớp thụ động bị phá vỡ một phần hoặc hoàn toàn thì thế điện cực của cốt thép dịch chuyển về phía âm hơn, tại đó đóng vai trò là anot và thép bị hoà tan (xem hình 6.13).
Hình 6.12
Sơđồăn mòn cốt thép bêtông
Tại anot: Fe – 2e → Fe2+ Tai catot: 1
2O2 + 2e + H2O → 2OH–
Quá trình ăn mòn chỉ xảy ra khi vùng catot có H2O và O2. Nếu điện trở của bêtông rất lớn thì tốc độ ăn mòn nhỏ (5 ÷ 7.104 Ω/cm).
Oxi là chất đóng vai trò khử catot thúc đẩy sự hoà tan kim loại, song Cl– đóng vai trò rất quan trọng.
Khi có mặt Cl–, điện trở bêtông bị giảm dễ làm cho dòng ăn mòn tăng lên và nó đóng vai trò khơi mào cho phản ứng thông qua phản ứng phá vỡ màng thụ động với sự hình thành hợp chất phức:
Fe + 3Cl–→ FeCl3– + 2e
FeCl3– + 2OH–→ Fe(OH)2 + 3Cl–
Phản ứng catot tạo ra OH–, pH tăng lên cho nên sự ăn mòn sâu trong lỗ bị giảm, để sự ăn mòn tiếp tục thì nồng độ Cl– trong lỗ phải đủ lớn để thay thế OH–, nếu thiếu Cl– sẽ sinh ra tái thụ động. Với nồng độ Cl– = 0,5% so với khối lượng ximăng thì xảy ra sự lan truyền khơi mào ăn mòn. Mặt khác, với sự có mặt Cl–, xảy ra sự ăn mòn lỗ làm cho tỉ lệ điện tích catot/anot lớn, mật độ dòng sẽ tăng cao.
Để nâng cao chất lượng công trình bêtông cốt thép có thể sử dụng các biện pháp sau: + Tạo một lớp vỏ bêtông bám chắc cốt thép, chặt xít, phủ kín hạn chế sự thấm nước và thấm các chất gây ăn mòn của môi trường.
+ Bảo vệ bằng phương pháp điện hóa - bảo vệ catot.
+ Sơn phủ lớp vỏ bêtông bằng các loại sơn vô cơ hoặc hữu cơ.