Nghiên cứu ảnh hưởng của ô xy và độ ẩm đối với ăn mòn cục bộ của cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép môi trường biển

Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đến ăn mòn cục bộ của cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép do ion clorua xâm nhập 2.3.1... Trên thực tế các công trình bê tông cốt thép nằm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS – TRẦN BẢO VIỆT

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS – VŨ VIỆT HƯNG

TP.HCM - 07/ 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của TS Vũ Việt Hưng Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Tp.HCM, ngày …… tháng …… năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Hà

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Vũ Việt Hưng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Giao Thông Vận Tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Trân trọng cảm ơn!

TP.HCM, ngày …… tháng …… năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Hà

1.3.2 Kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu 9

Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA OXY VÀ

ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU

BÊ TÔNG CỐT THÉP MÔI TRƯỜNG BIỂN

2.1 Cơ chế ăn mòn cục bộ của cốt thép do ion clorua xâm nhập trong kết

cấu bê tông cốt thép 11

2.1.1 Định nghĩa 11

2.1.2 Cơ chế ăn mòn do ion clorua xâm nhập 17

2.2 Các đặc điểm & yếu tố chính ảnh hưởng đến ăn mòn cục bộ của cốt

thép 20

2.2.1 Ăn mòn cục bộ 20

2.2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và hàm lượng ion clorua.21

2.2.3 Mật độ dòng điện ăn mòn 21

2.2.4 Đặc tính phụ thuộc thời gian 21

2.2.5 Hàm lượng ion clorua đồng nhất và không đồng nhất 23

2.3 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đến ăn mòn cục bộ

của cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép do ion clorua xâm nhập

2.3.1 Sự hình thành và phá hủy lớp màng thụ động cốt thép 23

2.3.2 Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông 24

2.3.3 Ăn mòn cục bộ do ion clorua xâm nhập 26

vii

2.3.4 Ăn mòn cục bộ trong vật liệu sửa chữa 28

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA OXY VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MÔI TRƯỜNG BIỂN 3.1 Vật liệu và chuẩn bị mẫu 32

3.1.1 Các thí nghiệm 32

3.1.2 Ăn mòn cục bộ trong bê tông sửa chữa 32

3.1.3 Ảnh hưởng của ô xy độ ẩm đến ăn mòn cục bộ 34

3.1.4 Vật liệu 35

3.1.5 Bê tông 36

3.1.6 Nguồn cung cấp clorua 36

3.1.7 Vật liệu sửa chữa 37

3.1.8 Thanh cốt thép 38

3.1.9 Mẫu đúc 39

3.1.10 Dưỡng hộ và phủ bề mặt 40

3.1.11 Điều kiện tiếp xúc 41

3.1.12 Đo cường độ dòng ăn mòn cục bộ 41

3.1.13 Các xâm nhập ion clorua vào mẫu 43

3.1.14 Hàm lượng ion clorua đồng nhất và không đồng nhất 44

3.2 Phương pháp thí nghiệm 45

3.2.1 Phương pháp sử dụng cốt thép chia đoạn 45

3.2.2 Các mục đo 46

3.3 Phân tích kết quả và thảo luận 48

3.3.1 Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông thường 48

3.3.2 Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông sửa chữa 62

3.3.3 Nhận xét ảnh hưởng ô xy độ ẩm đến ăn mòn cục bộ 67

3.3.4 Tính toán tốc độ ăn mòn cục bộ trong các mẫu bê tông thường 72

viii

Chương 4: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ

4.1 Trường hợp khi hàm lượng ion clorua đồng nhất 78

4.1.1 Biện pháp liên quan đến quá trình thiết kế 78

4.1.2 Biện pháp liên quan đến quá trình thi công 81

4.2 Trường hợp khi hàm lượng ion clorua không đồng nhất 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1 Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản 1

2 Hình 1.2 Nứt do ăn mòn cốt thép trong bê tông 7

3 Hình 1.3 Vết nứt dọc theo thanh thép gây bong tróc lớp bê tông 7

4 Hình 1.4 Sơ đồ về các tác động đến độ bền của bê tông 7

5 Hình 2.1 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) 15

6 Hình 2.2 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt 17

7 Hình 2.3 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ 17

8 Hình 2.4 Cơ chế ăn mòn cố thép trong bê tông 18

9 Hình 2.5 Quá trình phá hoại do ăn mòn cốt thép (nguồn internet) 18

10 Hình 2.6 Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông khi 20

11 Hình 2.7 Đặc điểm dòng ăn mòn 22

12 Hình 2.8 Cơ chế chuyển đổi A-nốt và Ca-tốt 23

13 Hình 2.9 Hình ảnh Hiển vi Điện tử (TEM) của màng thụ động 24

14 Hình 2.10 Hình ảnh Quang phổ Tán xạ Năng lượng (EDS) của màng thụ động tại vị trí 16 được xác định trong Hình 2.9 24

15 Hình 2.11 Quá trình ăn mòn thép 25

16 Hình 2.12 Các dạng ăn mòn cốt thép 26

17 Hình 2.13 Quá trình tự xúc tác (G.K GLASS, 2003) 27

18 Hình 2.14 Vị trí có thể của a nốt 29

19 Hình 2.15 Chênh lệch điện thế trong bê tông sửa chữa do oxy,độ ẩm 30

20 Hình 2.16 Ăn mòn cục do ảnh hưởng ô xy độ ẩm ở bê tông sửa chữa 30

21 Hình 2.17 Chênh lệch điện thế trong bê tông sửa chữa do chênh lệch ion clorua 31

22 Hình 2.18 Ăn mòn cục bộ do ảnh hưởng ion clorua 31

23 Hình 3.1 Bố trí cốt thép Loại 1 1 (a) hoặc cốt thép Loại 2 (b) 39

24 Hình 3.2 Bố trí mẫu……… 40

25 Hình 3.3 Mẫu đúc……… …40

x

26 Hình 3.4 Mẫu sơn epoxy ……… ….41

27 Hình 3.5 Đo dòng cục bộ 42

28 Hình 3.6 Mẫu ngâm một phần……… 43

29 Hình 3.7 Bể chứa ion clo rua lắp trên mẫu bê tông thí nghiệm 44

30 Hình 3.8 Mẫu chứa hàm lượng ion clorua 44

31 Hình 3.9 Cốt thép chia đoạn……… 45

32 Hình 3.10 Ký hiệu dòng……… 46

33 Hình 3.11 Trường điện thế (B Elsener, 2001) 47

34 Hình 3.12 Phác thảo phép đo hafl-cell 47

35 Hình 3.13 Mật độ dòng điện ăn mòn cục bộ – ion clorua đồng nhất (1.2 kg/m 3 ) 50

36 Hình 3.14 Mật độ dòng điện ăn mòn - Nồng độ ion clorua đồng nhất (9.6 kg/m 3 )……… 52

37 Hình 3.15 Cơ chế ăn mòn cục bộ trong mẫu N8……… 53

38 Hình 3.16 Thay đổi dòng điện ăn mòn tại một vài đoạn thép mẫu N7 54

39 Hình 3.17 Cơ chế ăn mòn cục bộ trong mẫu N7 54

40 Hình 3.18 Chênh lệch điện thế điệ do nồng độ ion clorua không đồng nhất 55

41 Hình 3.19 Mật độ dòng điện cục bộ - Nhóm mẫu 5 57

42 Hình 3.20 Ăn mòn cục bộ trong mẫu N11 58

43 Hình 3.21 Thay đổi mật độ dòng điện cục bộ - mẫu N9 59

44 Hình 3.22 Quá trình ăn mòn cục bộ -N9 60

45 Hình 3.23 Biến đổi mật độ dòng điện ăn mòn cục 61

46 Hình 3.24 Ăn mòn cục bộ ở mẫu N10 62

47 Hình 3.25 Mật độ dòng điện mẫu N1 & N2- điều kiện ướt 64

48 Hình 3.26 Ăn mòn cục bộ – N2 65

49 Hình 3.27 Mật độ dòng điện mẫu N3 & N4- điều kiện ướt 66

50 Hình 3.29 Thay đổi lượng oxy và độ ẩm– Nhóm mẫu 6 68

51 Hình 3.28 Mật độ dòng điện mẫu N3 & N12 & N13 – điều kiện ướt 69

xi

52 Hình 3.30 Mật độ dòng điện mẫu N4 & N14 & N15 – điều kiện ướt 70

53 Hình 3.31 Thay đổi hàm lượng oxy và độ ẩm – Nhóm mẫu 7 71

54 Hình 3.32 Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép 73

55 Hình 4.1 Cấu trúc của bê tông 78

56 Hình 4.2 Quan hệ giữa cường độ bê tông và tỷ lệ N/X .79

57 Hình 4.3 Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông 80

58 Hình 4.4 Sự biến thiên dòng ăn mòn của các cốt thép theo thời gian 80

59 Hình 4.5 Vận chuyển bê tông bằng xe chuyên dụng (nguồn internet) 81

60 Hình 4.6 Hình ảnh đổ bê tông (nguồn internet) 82

61 Hình 4.7 Hình ảnh đầm cóc 83

62 Hình 4.8 Hình ảnh đầm dùi 83

63 Hình 4.9 Bảo dưỡng bê tông cột 83

64 Hình 4.10 Bảo dưỡng bê tông sàn 83

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1 Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với quá trình ăn mòn

2 Bảng 2.1 So sánh hai dạng ăn mòn cốt thép……… 26

3 Bảng 3.1 Thí nghiệm mẫu để nghiên cứu ăn mòn cục bộ trong bê tông sửa chữa 33

4 Bảng 3.2 Nhóm mẫu bê tông 34

5 Bảng 3.3 Mẫu bê tông sửa chữa 35

6 Bảng 3.4 Các trường hợp nghiệm và loại vật liệu được sử dụng………….35

7 Bảng 3.5 Tính chất hóa lý của xi măng……….36

8 Bảng 3.6 Tỉ lệ trộn bê tông……… 36

9 Bảng 3.7 Cường độ nén của mẫu bê tông (28 ngày)……… 37

10 Bảng 3.8 Chi tiết kỹ thuật tiêu chuẩn (EMACO)……….37

11 Bảng 3.9 Tính chấtcơ lý (EMACO)……… 37

12 Bảng 3.10 Hai loại thanh thép phân đoạn dùng trong thí nghiệm……… 39

13 Bảng 3.11 Điều kiện tiếp xúc……….….41

14 Bảng 3.12 Hướng dẫn ASTM C876 đánh giá ăn mòn bằng phương pháp đo hafl-cell……… 47

15 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của oxy, độ ẩm trong các mẫu của nhóm 5 58

tế, mỹ quan và độ bền Các tài liệu về thiết kế và thi công các công trình bê tông cốt thép hiện hành khá đầy đủ và chi tiết, để đảm bảo mục tiêu thi công được an toàn, có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và độ bền

Vấn đề đảm bảo độ bền của kết cấu bê tông cốt thép cũng đã được đặt ra Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất Xâm nhập của clorua và CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại và làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clorua và CO2 vào trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của công trình bê tông cốt thép

Các nguyên nhân gây hư hại các công trình bê tông cốt thép được GS Mutsuyoshi, (năm 2001) đưa ra thống kê trên các công trình bê tông cốt thép ở Nhật Bản tiếp xúc trục tiếp với môi trường chứa ion clorua (hình 1.1)

Việt nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 Km, có rất nhiều công trình bê bê tông cốt thép nằm gần sát với biển Trên thực tế các công trình bê tông cốt thép nằm ven biển chịu tác động mạnh của xâm nhập ion clorua vào

bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn đến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện thép do đó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng Trình tự chung của hầu hết các nghiên cứu đều đi theo hướng: độ bền của bê tông, xâm nhập ion clorua vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép Các hướng này có liên hệ mật thiết với nhau như bê tông có độ bền cao thường chống xâm nhập ion clorua tốt

Tuổi thọ sử dụng của các công trình bê tông cốt thép theo xâm nhập ion clorua là thời gian từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clorua

Trang 3

đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc đến khi ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực Để dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên cứu: Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn khởi đầu

ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian khởi đầu ăn mòn thường được ký hiệu là t1;

Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường được ký hiệu là t2

Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép hầu hết đều được dự báo dựa trên định luật thứ hai của Fick về khuếch tán Giai đoạn này phụ thuộc vào đặc tính xâm nhập của ion clorua vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các đặc điểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng ion clorua gây ăn mòn cốt thép Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, đường kính cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và các tính chất cơ học của bê tông, cũng như các yếu tố môi trường, khí hậu

Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng đã và đang được các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm

1.1.2 Cơ chế xâm nhập ion clorua vào bê tông

Tốc độ xâm nhập của các chất vào bê tông là yếu tố chính để dự báo độ bền của bê tông, các cơ chế hư hại chẳng hạn như ăn mòn, rửa trôi hoặc cacbonat đều liên quan đến tốc độ xâm nhập của các tác nhân xâm thực vào bê tông Tính xâm nhập được xem như là mức độ mà vật liệu cho phép các khí, chất lỏng, hoặc ion đi vào trong vật liệu Một kết cấu bê tông cốt thép bền vững, hạn chế sự xâm nhập của chất lỏng là một yêu cầu cần phải đáp ứng

Các cơ chế khuếch tán, di trú, đối lưu và thấm là các cơ chế chuyên chở các chất vào bê tông Chúng được đề cập như sau

 Khuếch tán

Trang 4

Khuếch tán là sự chuyển động của chất khí, các ion hoặc các phân

tử khi có chênh lệch nồng độ, từ một khu vực có nồng độ cao đến một khu vực với một nồng độ thấp Khuếch tán khí được biết đến nhiều trong bê tông không bão hòa trong khi khuếch tán ion xảy ra trong điều kiện bão hòa và bão hòa một phần Khuếch tán phân tử xảy ra nếu các lỗ rỗng của bê tông là tương đối lớn (Sharif và cộng sự, 1999) Định luật rất cơ bản về khuếch tán là định luật của Adolf Fick phát minh năm 1855

Định luật Fick thứ nhất

Các mô hình của khuếch tán khí và ion trong chất rắn thường

được thực hiện bằng cách sử dụng định luật thứ nhất của Fick về

khuếch tán, khuếch tán trạng thái ổn định Định luật này có thể được

dùng để mô tả tỷ lệ khuếch tán của một khí hoặc ion thông qua một vật

Định luật Fick thứ hai

Tốc độ biến thiên nồng độ theo thời gian tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ Quá trình khuếch tán được mô tả đầy đủ, nếu nồng độ được cho là một hàm của không gian và thời gian t

T: nhiệt độ tuyệt đối

U: điện thế chênh lệch qua mẫu

X: biến khoảng cách

R: hằng số khí (R=8,314 Jmol-1K-1 )

Trong nhiều thí nghiệm, khuếch tán và di trú có thể xảy ra hầu như

là đồng thời (Stanish et al., 2004) Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, di trú chiếm phần lớn nhất của dòng này

 Sự đối lưu

Đối lưu là sự trao đổi nhiệt bằng các dòng vật chất chuyển động (chất lỏng, chất khí hay plasma), xảy ra khi có chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng của chất lưu Dòng đối lưu có thể chảy nhờ lực đẩy Ácsimét, khi chênh lệch nhiệt độ kéo theo chênh lệch mật độ của chất lưu trong trường lực hấp dẫn

Trang 6

đối lưu là quá trình mô tả sự xâm nhập của một chất tan (ví dụ như ion clo hoặc ion sulfat) do kết quả của nước di chuyển (Boddy và cộng sự - 1999)

Đối lưu (cùng với sự khuếch tán) là cơ chế xâm nhập chính cho xâm nhập clo trong bê tông bị nứt (Paulsson, và Johan, 2002) Nó cũng có một vai trò quan trọng trong sự di chuyển của các ion clo khi bê tông tiếp xúc với ñiều kiện khô-ướt

 Độ thấm

Độ thấm của bê tông được định nghĩa là một thước đo của khả năng

bê tông truyền chất lỏng qua cấu trúc lỗ rỗng của nó dưới một áp lực bên ngoài trong khi các lỗ rỗng được bão hòa với chất lỏng Động lực để các chất lỏng và khí đi qua các khoảng trống lỗ rỗng hoặc hệ thống vết nứt là do một chênh lệch áp suất (Samaha và Hover, 1992)

1.2 Ảnh hưởng của ăn mòn cục bộ đến tuổi thọ của công trình

Có rất nhiều nguyên nhân gây giảm tuổi thọ cho công trình xây dựng, song ăn mòn cốt thép trong bê tông là một trong những nguyên nhân chính gây

ra những hư hại nghiêm trọng, đặc biệt là ở các công trình vùng biển và ven biển Theo báo cáo của Viện Công Nghệ Xây Dựng năm 1999, có hơn 50 % bộ phận kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bị ăn mòn hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-

30 năm sử dụng khi chúng làm việc trong môi trường biển và ven biển Việt Nam có đường bờ biển trải dài trên cả đất nước từ Bắc đến Nam, chính vì vậy

mà số lượng công trình tiếp xúc và làm việc trong môi trường biển và chịu ảnh hưởng từ biển là rất nhiều

Hiện tượng ăn mòn cốt thép hay các kim loại trong bê tông là một trong các nguyên nhân gây nên sự xuống cấp của bê tông các công trình trên biển Khi cốt thép bị ăn mòn, gỉ sắt chiếm một phần thể tích lớn hơn so với thép Sự tăng thể tích này tạo ra ứng suất kéo trong bê tông, cuối cùng có thể gây ra vết nứt hay nứt vỡ bê tông

Trang 7

Hình 1.2 Nứt do ăn mòn cốt thép trong bê tông

Đối với kết cấu bê tông cốt thép thì sau một thời gian cốt thép bị ăn mòn, chúng làm nứt lớp bê tông bảo vệ An mòn cục bộ gây ra những hư hại nghiêm trọng nếu ta không tiến hành những biện pháp gia cố, sửa chữa Thông thường kết cấu bị ăn mòn dễ bị phát hiện vì chúng tạo ra các vết nứt hoặc dễ nhận biết bằng màu đổ của gỉ sắt tạo ra

Hình 1.3 Vết nứt dọc theo thanh thép gây bong tróc lớp bê tông

Sơ đồ tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu bê tông cốt thép được thể hiện như sau:

Hình 1.4 Sơ đồ về các tác động đến độ bền của bê tông

O-xy Oxy phải được cung cấp cho phản ứng cực âm và sau đó hình

thành gỉ ở cực dương Oxy cung cấp không đủ, tỷ lệ ăn mòn sẽ

1.3 Kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu

1.3.1 Các nghiên cứu trước đó về ăn mòn

Các công trình trong nước nghiên cứu về ăn mòn thép trong bê tông vùng ven biển điển hình như:

GS.TS Phạm Duy Hữu và các công sự xuất bản cuốn sách “Bê tông cường ñộ cao và chất lượng cao” năm 2008 Tác giả đã đề cập đến độ bền của bê tông và các nhân tố ảnh hưởng tới độ bền Trong tài liệu này tác giả đưa ra biện pháp nâng cao độ bền là sử dụng bê tông chất lượng cao với hệ

số khuếch tán clo thấp

Đề tài luận án tiến sỹ của Nguyễn Mạnh Phát năm 1997 có tên

“Nghiên cứu nâng cao khả năng chống ăn mòn cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực biển” [13] Trong nghiên cứu này tác giả nghiên cứu đưa ra phụ gia để tăng dẻo làm giảm tỷ lệ nước trên xi măng tăng độ đặc chắc, tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông và bê tông cốt thép

TS Nguyễn Mạnh Phát xuất bản cuốn sách “Lý thuyết ăn mòn và

chống ăn mòn bê tông- bê tông cốt thép trong xây dựng” năm 2007 [14] Tác giả đưa ra lý thuyết chung về ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép, ăn

Trang 9

mòn và chống ăn mòn trong môi trường biển Cuốn sách cung đưa ra các biện pháp bảo vệ kết cấu bê tông và bê tông cốt thép chống ăn mòn

Nghiên cứu của viện khoa học công nghệ xây dựng “Tình trạng ăn mòn

bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam và một số kinh nghiệm sử dụng chất ức chế ăn mòn Canxi nitrit” năm 2010 do các tác giả tiến sỹ Phạm Văn Khoan, tiến sỹ Nguyễn Nam Thắng [9] ðây là hướng ngiên cứu chỉ với mục đích tăng ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép Nghiên cứu này cũng chưa đưa ra ñược

dự báo với giải pháp như vậy sẽ kéo dài tuổi thọ sử dụng của kết cấu bao nhiêu năm

Đại học đà nẵng với nghiên cứu “Nghiên cứu khảo sát hiện trạng ăn mòn phá hủy của các công trình bê tông cốt thép và khả năng xâm thực của môi trường ven biển thành phố Đà Nẵng”, của các tác giả Trương Hoài Chính- Trần Văn Quang (2008) [4] Nghiên cứu này chỉ đi vào khảo sát hiện trạng ăn mòn thép và cảnh báo nguy cơ ăn mòn thép của các công trình ven biển

1.3.2 Kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu

Đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến ăn mòn song chưa có nghiên cứu nào đề cập sâu đến ảnh hưởng của ô xy và độ ẩm đến ăn mòn cục bộ cốt thép

Ăn mòn cốt thép trong bê tông có nhiều dạng, song ăn mòn cục bộ (macro cell- corrosion) là một trong những nguyên nhân chính và đáng lo ngại nhất hiện nay, vì nó gây ra phá hoại đột ngột tại một số vị trí của kết cấu và rất khó dự đoán trước Thực tế, quá trình ăn mòn cục bộ của cốt thép thường xảy

ra đối với các cấu kiện hay các vị trí sửa chữa bê tông làm việc trong môi trường biển Các ion clorua xâm nhập vào bê tông qua các lỗ rỗng, phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép, từ đó gây ra ăn mòn cốt thép cục bộ Mặc dù đã

có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đối với ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuy nhiên có rất ít chú ý đến ảnh hưởng của chúng đến quá trình ăn mòn cốt thép cục bộ mà trong một số trường hợp nó nguy hiểm hơn quá trình ăn mòn cốt thép thông thường Đây là chủ đề nghiên cứu được quan

Trang 10

tâm và trong phạm vị luận văn cao học này, đề tài nhấn mạnh hai điểm chính sau:

- Các cơ chế ăn mòn cốt thép cục bộ trong bê tông do ion clorua xâm nhập

- Nghiên cứu ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đối với ăn mòn cục bộ cốt thép

trong bê tông và từ đó đưa ra biện pháp hạn chế

Trang 11

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA

Ô XY VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT

THÉP MÔI TRƯỜNG BIỂN

2.1 Cơ chế ăn mòn cục bộ của cốt thép do ion clorua xâm nhập trong kết cấu bê tông cốt thép

2.1.1 Định nghĩa

Ăn mòn (theo H H (1971)) định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại

do phản ứng điện hóa của nó với môi trường Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn

Ăn mòn điện hóa

Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và chất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở cực dương (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở cực âm Một loại pin ăn mòn cơ bản có bốn thành phần thiết

yếu bao gồm:

+ Cực dương (anode): Cực dương thường ăn mòn do mất điện tử từ các nguyên tử kim loại trung hòa về điện để hình thành các ion rời rạc Những ion này có thể vẫn còn trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo thành các sản

7 : 2 2

pH H e H ; pH  7 : 2H O O2  2 4e 4OH

+ Chất điện ly: Dung dịch điện ly có thể cho phép các ion dương di chuyển

từ cực dương tới cực âm và các ion âm di chuyển theo hướng ngược lại + Kết nối điện: Cực dương và cực âm phải được nối với nhau ở mạch

ngoài của pin ăn mòn bằng dây dẫn điện

Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra

Tính thụ động

Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn là không hòa tan, bám chặt trên bề mặt và đưa đến hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề mặt của kim loại Màng thụ động dày từ 2-20 nanomét

Việc duy trì thụ động cần điều kiện điện thế phù hợp Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những thay đổi của điện thế

Ăn mòn thép trong bê tông

Nói chung, khi bê tông có chất lượng tốt, như cấp phối trộn thích hợp, đổ, đầm và bảo dưỡng tốt có thể bảo vệ cốt thép ít bị ăn mòn Bảo vệ vật lý được tạo nên bởi lớp bê tông bảo vệ hoạt động như một rào cản vật lý việc tiếp cận của các chất xâm thực từ môi trương bên ngoài Bảo vệ hóa học được cung cấp bởi độ kiềm cao bên trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông do sự hiện diện của hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần

xi măng Bê tông có độ pH từ 12.5-13.5, theo biểu đồ Pourbaix là vùng thụ động, hoạt động ăn mòn thép không xảy ra

Trang 13

Đáng tiếc là các rào cản vật lý của bê tông bảo vệ không phải là hoàn hảo, bởi vì cấu trúc xốp của bê tông và sự tồn tại của các vết nứt rất nhỏ trong bê tông đã cho phép các chất xâm thực xâm nhập vào phá vỡ màng thụ động Hai nguyên nhân chính gây ra phá vỡ màng thụ động là do sự tích tụ các ion clo trên

bề mặt màng thụ động và độ pH dung dịch lỗ rỗng giảm do quá trình cacbonat hóa

Ăn mòn thép do quá trình Các bon nát hóa trong bê tông

Bê tông thường sử dụng xi măng có các khoáng C3S, C2S, C4AF, C3A khi nhào trộn với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng nên nó có độ kiềm cao pH=12.5-13.5 Trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng thụ động

Hiện tượng 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 CaCO3 và nước Phản ứng này là giảm lượng ion OH-

trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông do đó làm độ pH của dung dịch lỗ rỗng giảm dưới 12,5

và có thể độ pH giảm đến 8, làm phá vỡ màng thụ động trên bề mặt cốt thép và gây ăn mòn thép

Ca OH Ca  OH

 Như vậy, quá trình cacbonat hoá làm phá vỡ màng thụ động của cốt thép trong bê tông, làm suy giảm chất lượng bê tông bảo vệ → tạo điều kiện thuận lợi cho việc xâm nhập của chất gây hại và sự ăn mòn cốt thép xảy ra

Ăn mòn thép do quá trình sulphate vào bê tông cốt thép

Muối sulphate thường gặp trong đa số nước tự nhiên Nước sông, hồ hàm lượng sulphate tính theo ion SO42-

thường không vượt quá 100mg/l Trong nước khoáng ngầm, hàm lượng này tăng lên rất lớn Đặc biệt trong nước biển với độ mặn 33-35g/l, lượng SO4

2- thường là 2,5-2,7g/l Một số ngành sản xuất hóa chất

có dùng axit sufnuric như ngành luyện cốc, sản xuất sulphate amon, sản xuất

Trang 14

phân khoáng và nhiều ngành công nghiệp khác cũng gặp dạng ăn mòn này Tuy nhiên, sự ăn mòn đáng kể khi hàm lượng SO42- vượt quá 250mg/l [8]

Quá trình ăn mòn hóa học diễn ra như sau:

Đầu tiên là sự tương tác sulphate magie với hyđoroxit canxi theo phương trình:

Ettringit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, tăng thể tích gấp khoảng 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 của bê tông có thể bị phá vỡ

 Phản ứng sulphate làm suy giảm chất lượng bê tông bảo vệ → mở đường cho các chất gây hại xâm nhập, tiếp xúc cốt thép và gây ăn mòn

Ăn mòn thép do ion clo

Khi nồng độ ion Cl đạt tới ngưỡng nồng độ ăn mòn làm thay đổi môi trường điện hóa và gây ra phá vỡ màng thụ động Một khi các lớp thụ động đã bị phá do hậu quả của sự xâm nhập ion Cl, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mòn nếu

có sự cung cấp độ ẩm và oxy Quá trình này là một quá trình điện hóa với các phản ứng điện hóa diễn ra trong hai vùng cực dương và cực âm Điều này được Beeby thể hiện trong hình 2.1 [16], cốt thép có sự khác biệt về điện thế giữa các vùng đã bị phá vỡ màng thụ động (cực dương) và vùng màng thụ động chưa bị phá vỡ (cực âm) Kết quả của hiệu điện thế này sẽ làm xuất hiện dòng điện

Trang 15

Các điện tử sẽ dịch chuyển từ cực dương sang cực âm Đồng thời sẽ có một dòng điện trong chất điện phân (dung dịch lỗ rỗng) từ cực âm để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương Điều này sẽ cho phép các ion kim loại thoát khỏi từ cực dương nhiều hơn Kết quả là cực dương hòa tan làm giảm tiết diện của cốt thép

Hình 2.1 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby)

Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng thì bê tông không thể nứt và

vỡ Một vài quá trình tiếp theo phải xảy ra để hình thành gỉ Có nhiều cách biểu diễn một trong số đó là: Từ Fe(OH)2 tác dụng với ô xi và nước thành Fe(OH)3, Hydroxit sắt ba này chuyển thành ô xít sắt ngậm nước đây chính là gỉ sắt

Mark G Richardson năm 2004 đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực âm như sau:

“ướt”, oxy sẽ gặp khó khăn trong việc xâm nhập các cấu trúc lỗ rỗng và quá trình ăn mòn cũng sẽ không tiếp tục vì không có đủ oxy cho phản ứng cực âm (ví dụ bê tông ngập nước) Điều này cho thấy rằng có một phạm vi trung gian của độ ẩm tương đối mà tại đó sự ăn mòn có thể xảy ra

Sự hình thành hyđrôxít sắt khi 2 ion Fe2+

ở cực dương kết hợp với 4 ion hydroxit (OH)- từ cực âm Với sự có mặt của oxy và độ ẩm, các (2Fe(OH)2) chuyển đổi thành gỉ oxit sắt từ (Fe2O3H2O)

Khi không thủy hóa, oxit sắt (Fe2O3) có thể tích khoảng gấp đôi so với thể tích của thép tương ứng Khi nó ngậm nước nó trương nở và trở nên xốp Sự trương nở này có thể dẫn đến một sự gia tăng thể tích từ 2-4 lần, tại giao diện thép bê tông Điều này cho phép các gỉ màu đỏ nâu dễ bong trên thanh thép và

có thể gây nứt (và vỡ) của bê tông bảo vệ Ăn mòn là sự mất sắt ở cực dương, đồng thời gỉ là sản phẩm được hình thành ở cực dương

Theo Nielsen A (1985) Ô xít sắt không ngậm nước Fe2O3có thể tích gấp 2 lần thép mà nó thay thế Nhưng khi ngậm nước nó nở thể tích gấp đến 6.5 lần, hình 2.2 Vì vậy nó gây ra nứt và vỡ bê tông bảo vệ

Trang 17

Hình 2.2 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt

Thể tích của gỉ tăng tác động lực đẩy vào lớp bê tông bảo vệ, kết quả là bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt, vỡ hoặc tách lớp bê tông hình 2.3 Với các tình huống trên, bê tông sẽ mất đi tính toàn khối của nó, dính bám giữa bê tông và cốt thép bị suy giảm Các mặt cắt ngang của cốt thép giảm dần và kết cấu chắc chắn dần dần sụp đổ

Hình 2.3 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp

2.1.2 Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông do ion clorua xâm nhập

Phản ứng cacbonat hóa:

Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan (Ca(OH)2) trong các lỗ rỗng của kế cấu bê tông là kết quả của quá trình thuỷ hoá xi măng giúp

Trang 18

giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13 Trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng thụ động Tuy nhiên, quá trình carbonat hoá với sự xuất hiện 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:

Hình 2.4 Cơ chế ăn mòn cố thép trong bê tông

Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9,

cơ chế "tự bảo vệ thụ động" của BTCT không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị

ăn mòn

Hình 2.5 Quá trình phá hoại do ăn mòn cốt thép (nguồn internet)

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) như hình minh hoạ trên

Trang 19

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 Tốc độ của quá trình này có thể đo đạc được và ngăn chặn Tuy nhiên, nó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao(≥30năm)

Độ thấm clo:

Ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách Ion clorua có thể được cho vào trong lúc đúc kết cấu thông qua việc sử dụng phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước 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:

 Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối

 Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua

Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, mà phá vỡ lớp màng thụ động 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)

Trang 20

Mức độ thấm Clo qua vùng bê tông bảo vệ được thể hiện thông qua hệ số khuếch tán Clo ký hiệu là D, với bê tông thường: D = 6,3.10-12

m 2 /s [8]

Hình 2.6 Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông khi

2.2 Các đặc điểm và yếu tố chính ảnh hưởng đến ăn mòn cục bộ cốt thép 2.2.1 Ăn mòn cục bộ

Ăn mòn do ion clorua thông thường do a-nốt và ca-tốt tách biệt nhau trên

bề mặt cốt thép, trong đó diện tích a-nốt (diện tích ăn mòn) rất nhỏ so với diện tích ca-tốt (diện tích không bị ăn mòn) Theo quan sát thực nghiệm thì ăn mòn cục bộ thường xuất hiện ở các vị trí dưới đây:

- Trong khu vực bê tông bị nứt hoặc bị các khuyết tật

Tại các khu vực bê tông bị nứt hoặc khuyết tật, các tác nhân ăn mòn như ion clorua, oxy, độ ẩm dễ dàng xâm nhập đến cốt thép và tập trung với lượng lớn trên bề mặt cốt thép, khi hàm lượng đủ lớn thì tại đây sẽ hình thành một a-nốt, trong khi các khu vực lân cận không bị nứt hoặc khuyết tật sẽ là các ca-tốt, tạo ra một pin ăn mòn ngắn mặt dọc theo thanh cốt thép gây ra ăn mòn cục bộ tại vị trí này Chính sự tập trung lượng ion clorua lớn tại vị trí hư hỏng này trong khi các vị trí còn lại có hàm lượng ion clorua nhỏ sẽ gây ra chênh lệch điện thế thúc đẩy quá trình ăn mòn xảy ra nhanh hơn

- Vị trí đường mặt tiếp giáp của 2 vật liệu

Tính không đồng nhất giữa bê tông hiện hữu và bê tông sửa chữa về cấu trúc lỗ rỗng cũng như độ đặc chắc trong bê tông làm cho ô xy và độ ẩm xâm

Trang 21

nhập vào kết cấu bê tông giữa 2 vùng sửa chữa và không sửa chữa cũng khác nhau, chính sự không đồng đều này gây ra sự chênh lệch điện thế lớn tại khu vực mặt tiếp giáp, đồng thời trong phần bê tông hiện hữu sẽ luôn tồn tại 1 lượng ion clorua nhất định mà không thể loại bỏ hoàn toàn, chính điều này gây ra ăn mòn cục bộ là lớn nhất tại vị trí này

- Mặt tiếp giáp giữa hai khu vực có hàm lượng ion clorua khác nhau

Ăn mòn cục bộ thường xảy ra tại vị trí mặt tiếp giáp giữa 2 khu vực có hàm lượng ion clorua khác nhau bởi vị tại vị trí này thì chênh lệch điện thế là lớn nhất, chênh lệch điện thế này thúc đẩy quá trình ăn mòn xảy ra mạnh mẽ tại

vị trí này

2.2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và hàm lƣợng ion clorua khác nhau

Hàm lượng ion clorua giữa hai khu vực trong mẫu bê tông càng khác nhau thì ăn mòn cục bộ càng tăng lên đáng kể và quan sát thấy nhiều hư hỏng cục bộ xảy ra

Tuy nhiên, tốc độ ăn mòn giảm nếu tổng hàm lượng clorua tăng dù hoạt động cục bộ vẫn tăng lên (Ominda, 2006)

2.2.3 Điện trở suất bê tông

Theo Daksh et al., 1998, điện trở suất của bê tông đóng vai trò quan trọng

tác động đến việc lan tỏa của khu vực a nốt Bê tông càng đặc chắc thì điện trở suất trong bê tông càng lớn, chính điện trở suất này làm cản trở dòng ion di chuyển trong bê tông Vì vậy, tỷ lệ nước trên chất kết dính là yếu tố quan trọng trong chế taọ bê tông để đảm bảo cho bê tông đặc chắc chống lại sự xâm nhập ion clorua cũng như cản trở dòng ion trong phản ứng điện hóa

2.2.4 Đặc tính phụ thuộc vào thời gian

Ăn mòn cục bộ thay đổi theo thời gian là một quá trình chuyển đổi a nốt

và ca tốt trên bề mặt thanh thép theo thời gian Nói cách khác, khi một nguyên

tử thay đổi từ nốt sang ctốt, các nguyên tử khác sẽ thay đổi từ ctốt sang nốt trong một thời gian ngắn

a-Trang 22

Người ta cho rằng tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tác nhân

ăn mòn, oxy, độ ẩm, đặc tính bê tông, môi trường bên ngoài Trong mẫu bê tông, tốc độ ăn mòn được quan sát theo các giá trị khác nhau tại các vị trí khác nhau ở cùng một thời điểm (Hình 2.7a) và dòng ăn mòn của từng địa điểm cũng phụ thuộc vào thời gian (Hình 2.7b)

hiện trong Hình 2.8 (Ominda, 2006)

cục bộ trong môi trường ion clorua đồng nhất (Ominda, 2006) Có thể là dù hàm

lượng ion clorua trong bêtông đồng nhất, nhưng vật liệu chế tạo bê tông có những tính chất không đồng nhất, bản thân bề mặt cốt thép, các thành phần tự

ăn mòn, điều kiện không khí khác nhau cũng dẫn đến điều này Ngoài ra, trong nghiên cứu này cũng sử dụng mẫu bê tông cốt thép có hàm lượng clorua đồng nhất để nghiên cứu ảnh hưởng của lớp sơn với ăn mòn cục bộ

2.3 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đến ăn mòn cục bộ của cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép do ion clorua xâm nhập

2.3.1 Sự hình thành và phá hủy của lớp màng thụ động trên bề mặt cốt

thép

Trong giai đoạn đầu của quá trình sử dụng khi chất lượng của kết cấu bê tông vẫn còn tốt, dưới điều kiện môi trường trong bê tông có tính kiềm cao thì một lớp màng thụ động tự tạo được hình thành trên bề mặt cốt thép có chức năng bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn do các tác nhân gây hại.Lớp màng thụ động này được duy trì khi giá trị PH trong bê tông nằm trong khoảng 12,5 và 13,5 Thành phần chủ yếu của màng thụ động là sắt hydroxit và có độ dày từ 1

đến 10nm (Jieying Zhang, 2007) (Hình 2.9 & 2.10, Nguồn: Pouria Ghods) Nhờ

Ô xy, độ ẩm, clorua xâm nhập đồng đều

-Trang 24

lớp thụ động này, dù có đủ lượng oxy và độ ẩm thì tỷ lệ ăn mòn cũng không

đáng kể, ít hơn 1 µm/năm (Slater, 1983 & Cady, 1977)

Hình 2.9 Hình ảnh Hiển vi Điện tử Truyền qua (TEM) của màng thụ động

Hình 2.10 Hình ảnh Quang phổ Tán xạ Năng lượng (EDS) của màng thụ động

tại vị trí 16 được xác định trong Hình 2.9

Tuy nhiên, ăn mòn thép xảy ra khi lớp màng thụ động bắt đầu bị phá vỡ Khi nồng độ pH trong bê tông thấp hơn 10 sẽ gây ra hiện tượng cacbonat hóa hoặc nếu hàm lượng ion clorua vượt quá hàm lượng ngưỡng là 1.2 kg/m3 ( theo JSCE, 1999), màng oxit bảo vệ sẽ bị phá vỡ, tốc độ ăn mòn sẽ gia tăng (đôi khi lên đến

1mm/năm), và dần dần làm giảm tính an toàn và hiệu quả sử dụng của kết cấu

bê tông cốt thép Do đó, tính ổn định và bền vững của màng thụ động thể hiện khả năng ức chế ăn mòn của cốt thép hay khả năng ức chế điều kiện môi trường xâm nhập

Trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào ăn mòn cục bộ do ion clorua, ion clorua

có thể xâm nhập từ môi trường bên ngoài hoặc muối làm tan băng

2.3.2 Cơ chế ăn mòn thép trong bê tông

16

Trang 25

Thông thường, bê tông đóng vai trò như hàng rào bảo vệ phía ngoài cho cốt thép khỏi bị ăn mòn nhờ lớp bê tông và màng thụ động trên bề mặt thép Như đã nêu trên, lớp oxít bị phá vỡ khi bị các tác nhân ăn mòn xâm nhập, do đó thúc đẩy quá trình ăn mòn

Ăn mòn thép trong bê tông là quá trình điện hóa trong đó sắt bị oxi hóa thành ion sắt tại a-nốt và oxy bị khử thành ion hydroxyl tại ca-tốt Ion sắt phản ứng với ion hydroxyl tạo thành sắt (II) hydroxit Sau đó Sắt (II) hydroxit sẽ phản ứng với oxy và nước tạo thành gỉ sắt

Phản ứng tại a-nốt: Fe → Fe2+ + 2e- Phản ứng tại ca-tốt: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-

Hình 2.11 thể hiện a-nốt và ca-tốt tạo thành pin ăn mòn ngắn mạch trên bề mặt cốt thép với dòng điện tích chạy trong cốt thép và dòng ion dịch chuyển trong

bê tông

Trang 26

Có 2 loại ăn mòn cốt thép trong bê tông đó là ăn mòn toàn bộ và ăn mòn cục bộ, trong đó ăn mòn toàn bộ là ăn mòn với các a-nốt và ca-tốt nằm kế tiếp nhau trên cùng bề mặt và dọc theo thanh cốt thép (trong phạm vi hiển vi,10-6 m, Maekawa

et al., 2003) (Hình 2.12b) Trong ăn mòn cục bộ thì a-nốt và ca-tốt cách nhau từ vài nm đến vài mm (Scheiner, 2004) (Hình 2.12a) Theo Elsener et al., ăn mòn

toàn bộ (ăn mòn đồng nhất) thường xảy ra trong trường hợp bị kết cấu bê tông cốt thép bị các-bô-nat hóa, trong khi ăn mòn cục bộ chủ yếu xảy ra trong môi trường có nhiều ion clorua Bảng 2.1 thể hiện một số đặc điểm điển hình của hai loại ăn mòn này:

(a) (b)

Hình 2.12 Các dạng ăn mòn cốt thép

(a: a-nốt, c: ca-tốt )

Bảng 2.1 So sánh hai dạng ăn mòn cốt thép

Tiêu chí Ăn mòn cục bộ Ăn mòn toàn bộ

Vị trí của a-nốt và ca-tốt Tách biệt Sát nhau

Diện tích của a-nốt (Aa)

Trang 27

Chênh lệch điện thế đóng vai trò như chất xúc tác làm tăng quá trình ăn mòn Theo các nghiên cứu trước đây, điện thế khi ăn mòn cục bộ xảy ra nằm trong khoảng 100mV đến hơn 500mV

b Cơ chế

Ion clorua được coi là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép trong bê tông Ion clorua có thể xâm nhập vào bê tông qua nhiều cách khác nhau Tuy nhiên, có thể phân loại theo hai nhóm, yếu tố bên ngoài và bên trong Ví dụ, từ nguồn bên trong, có thể nói thành phần trộn bê tông (như cốt liệu) có chứa ion clorua hoặc sử dụng phụ gia có chứa iom clorua hoặc nước chứa muối khi trộn

bê tông Do tác động gây nguy hại nên gần đây các quy phạm hoặc tiêu chuẩn trên toàn thế giới đã hạn chế lượng ion clorua ban đầu từ giai đoạn thiết kế hoặc trộn bê tông Vì vậy, ngày nay ion clorua có trong bê tông chủ yếu từ môi trường mà kết cấu bê tông cốt thép tiếp xúc và các yếu tố bên trong

Ion clorua xâm nhập vào bê tông qua các lỗ rỗng trong bê tông theo nhiều

cơ chế khác nhau Theo G.K GLASS, 2003, có ba cơ chế chính: khuếch tán do

gradient nồng độ, di chuyển trong điện trường (di chuyển ion) và di chuyển theo nước trong lỗ rỗng bê tông do chênh lệch ấp suất Khi ion clorua tiếp xúc vào bề kết cấu, do tính không đồng nhất của kết cấu lỗ rỗng trong bê tông, do vết nứt hoặc các khuyết tật trong bê tông mà ion clorua tập trung trên bề mặt cốt thép với hàm lượng khác nhau, gây ra ăn mòn cục bộ khi hàm lượng ion clorua vượt quá ngưỡng cho phép, đồng thời với sự có mặt của oxy và độ ẩm sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn cục bộ diễn ra mạnh mẽ hơn

Khác với quy trình các-bô-nát hóa, trong ăn mòn do ion clorua thì ion clorua không phản ứng với các hydroxyl có chức năng ổn định màng thụ động

mà ăn mòn diễn ra theo một quy trình “tự xúc tác” và có khuynh hướng ăn mòn cục bộ (theo cơ chế ăn mòn điểm) như trong Hình 2.13 Ion clorua có thể xâm nhập qua các lỗ rỗng trong bê tông và khi đủ lượng trên bề mặt thép, nó sẽ tấn công màng thụ động, làm giảm độ pH (sự xuất hiện H+) và đóng vai trò như chất xúc tác quá trình ô xi hóa Ion clorua phản ứng trực tiếp với các nguyên tử ion sắt để tạo ra Fe(OH)2 và giải phóng ion Cl- theo một chuỗi phản ứng phức tạp:

Trang 28

Fe + 2Cl- → FeCl2 + 2eFeCl2 + 2H2O + 2e- → Fe(OH)2 + 2H+ + 2Cl-

-Hình 2.13 Quá trình tự xúc tác (G.K GLASS, 2003)

Trong hình 2.13, có thể quan sát thấy sắt tiếp tục hòa tan ở cực a-nốt, gỉ sắt được tạo thành sau các phản ứng khi có mặt oxy và độ ẩm mà không làm giảm lượng ion Cl- Nếu cả hai yếu tố cùng tác động sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn thép cục bộ

2.3.4 Ăn mòn cục bộ trong vật liệu sửa chữa

Khác với ăn mòn cục bộ trong kết cấu bê tông thông thường, ăn mòn cục

bộ cốt thép trong vật liệu sửa chữa xảy ra khi có một vật liệu mới có cường độ cao hơn vật liệu cũ, thay thế cho phần tông bị hư hỏng do ion clorua xâm nhập

Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng dưới điều kiện các tác nhân gây hại xâm nhập như ion clorua, oxy, độ ẩm,…sau một thời gian sẽ bị ăn mòn cục bộ tại một số vị trí trên kết cấu phương pháp đưa ra để khắc phục hư hỏng này là dùng vật liệu sửa chữa mới có cường độ cao hơn để trám vào vị trí hư hỏng, với mong muốn là khi sử dụng thì kết cấu bê tông không bị ăn mòn thêm, song kết quả đi ngược lại so với mong đợi Kết cấu bê tông sau khi được trám bởi vật liệu sửa chữa thì chỉ sau 1 thời gian kết cấu lại bị tiếp tục ăn mòn và gây ra hư hỏng nghiêm trọng hơn Có thể giải thích nguyên nhân này như sau: Khi sử dụng vật liệu sửa chữa có tính cơ lý cao, lỗ rỗng trong bê tông nhỏ để trám vào vị trí hư hỏng lại vô tình gây ra sự khác nhau về vật liệu, dẫn đến sự cho phép o xy và đổ

ẩm xâm nhập vào là khác nhau ở phân sửa chữa và không sửa chữa Tại phần

Trang 29

sửa chữa do vật liệu sửa chữa đặc chắc nên ô xy và độ ẩm không thể xâm nhập được, trong khi tại vị trí không sửa chữa ô xy độ ẩm dễ dàng xâm nhập Sự xâm nhập không đồng đều này gây ra sự chênh lệch điện thế dọc theo thanh cốt thép, mặt khác trong phần bê tông không sửa chữa vẫn còn hàm lượng ion clorua nhất định, chính điều này đã đẩy nhanh quá trình ăn mòn cục bộ Trong trường hợp này ăn mòn cục bộ sẽ tập trung tại mặt tiếp giáp giữa hai vật liệu, nơi mà có sự chênh lệch điện thế là lớn nhất Đây là cơ sở để xác định vị trí ăn mòn (vị trí a-nốt) trong bê tông sửa chữa

Hình 2.14 Vị trí có thể của a nốt

Theo Ping Gu và cộng sự, 1997, có hai trường hợp ăn mòn cục bộ phổ biến xảy

ra trong bê tông sửa chữa

Trường hợp 1: Dùng vật liệu sửa chữa có cường độ cao hơn bê tông hiện hữu

Trong trường hợp này, oxy và độ ẩm xâm nhập sẽ không đồng đều dọc theo cốt thép, ô xy độ ẩm sẽ tạp trung nhiều ở phần bê tông không sửa chữa Chênh lệch điện thế do nồng độ oxy và nước khác nhau trên bề mặt cốt thép dẫn đến ăn mòn cục bộ (Hình 2.15) Ta nhận thấy cốt thép trong vùng sửa chữa bị phân cực về hướng a-nốt và vùng thép dưới bê tông hiện hữu về hướng ca-tốt Hình 2.16 thể hiện cơ chế ăn mòn trên