Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm clorua của bê tông làm cầu sử dụng phụ gia chống thấm nước luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

Nội dung luận văn Mở đầu Chương 1: Thấm và ăn mòn các công trình bằng bê tông cốt thép, thực tế ở Việt Nam Chương 2: Sử dụng phụ gia chống thấm cho bê tông trong các công trình cầu Chươ

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Trần Thế Truyền 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 trân trọng cảm ơn TS.Thái Khắc Chiến đã có những đóng góp các ý kiến, cung cấp các tài liệu nghiên cứu để giúp tôi thực hiện luận văn này

Qua đây cho Học viên gửi lời cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ quý báu của các Thầy cô Ttrường Đại học Giao thông vận tải và đặc biệt là các Thầy cô thuộc Bộ môn Cầu Hầm – Khoa Công trình và thầy cô thuộc Bộ môn Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ thuật xây dựng – Trường Đại học Giao thông vận tải

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

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn gia đình, người thân và các bạn sinh viên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, làm việc và nghiên cứu

TP Hồ Chí Minh, ngày 30tháng 11 năm 2016

Tác giả

Nguyễn Xuân Tùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: THẤM VÀ ĂN MÒN CÁC CÔNG TRÌNH BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP, THỰC TẾ Ở VIỆT NAM 3

1.1 Thấm của chất lưu qua bê tông 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Cơ chế thấm của chất lưu qua qua môi trường rỗng 4

1.2 Ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép có nguyên nhân từ thấm clorua qua bê tông 7

1.2.1 Ăn mòn bê tông 7

1.2.2 Ăn mòn cốt thép 13

1.3 Đặc điểm về ăn mòn các công trình cầu bê tông cốt thép ở Việt Nam 21

1.3.1 Thực trạng ăn mòn bê tông cốt thép trong các công trình cầu bê tông cốt thép ở Việt Nam 21

1.3.2 Ăn mòn bê tông cốt thép ở các vùng biển 26

Kết luận chương 1 34

CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHỤ GIA CHỐNG THẤM CHO BÊ TÔNG TRONG CÁC CÔNG TRÌNH CẦU 36

2.1 Các giải pháp chống thấm cho bê tông 36

2.1.1 Phủ bề mặt 36

2.1.2 Bịt các đường nứt có sẵn trong bê tông 37

2.1.3 Sử dụng phụ gia chống thấm 38

2.2 Tổng quan về các loại phụ gia bê tông xi măng 38

2.2.1 Phụ gia bê tông 38

2.2.2 Phân loại phụ gia 39

2.2.3 Các loại phụ gia bê tông ở Việt Nam 40

2.3 Một số loại phụ gia chống thấm cho bê tông hiện đang được sử dụng ở Việt Nam 48

2.3.1 Krystol Internal Membrane™ (KIM®) 48

2.3.2 Sika Plastocrete N 49

2.3.3 Mighty 45W 51

2.3.4 Vinkems®Fume D 52

Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN ĐỘ THẤM CLORUA CỦA BÊ TÔNG LÀM CẦU SỬ DỤNG PHỤ GIA CHỐNG THẤM NƯỚC 54

3.1 Vật liệu thí nghiệm 54

3.1.1 Khái quát về bê tông xi măng 54

3.1.2 Vật liệu chế tạo bê tông 55

3.1.3 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông thí nghiệm 60

3.2 Quy trình và thiết bị thí nghiệm 63

3.2.1 Phương pháp xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp đo điện lượng 63

3.2.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 64

3.2.3 Thiết bị thí nghiệm và hóa chất 66

3.2.4 Chuẩn bị mẫu thử 67

3.2.5 Tiến hành thí nghiệm 70

3.3 Kết quả thí nghiệm và dự đoán tuổi thọ của kết cấu bê tông trong công trình cầu do xâm nhập clo 72

3.3.1 Kết quả thí nghiệm 72

3.3.2 Xác định hệ số khuếch tán từ thí nghiệm thấm ion clo (D) 75

3.3.3 Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông do xâm nhập clo 83

Kết luận chương 3 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

1 Kết luận 102

2 Kiến nghị 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu 28

Bảng 3.1.Các tính chất cơ lý của cát vàng Sông Đà 56

Bảng 3.2 Thành phần hạt của cát 56

Bảng 3.3.Các tính chất cơ lý của đá dăm Hòa Bình 58

Bảng 3.4.Thành phần hạt của đá 58

Bảng 3.5 Thành phần cấp phối bê tông chưa xét đến độ ẩm và độ hút nước 62

Bảng 3.6.Thành phần cấp phối bê tông xét đến độ ẩm và độ hút nước 62

Bảng 3.7 Mức độ thấm ion clo 63

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm độ thấm clo của bê tông 30MPa không phụ gia 73 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm độ thấm clo của bê tông 30MPa có phụ gia KIM 73

Bảng 3.10 Các giá trị m cho các loại bê tông 77

Bảng 3.11 Tổng hợp các công thức kinh nghiệm xác định hệ số khuếch tán 80

Bảng 3.12 Giá trị hệ số khuếch tán của hai loại bê tông 82

theo các công thức kinh nghiệm 82

Bảng 3.13 Hàm lượng ion clo trong bê tông (theo ACI 318-11, ACI 222R-01, ACI 201.2R-01) 86

Bảng 3.14 Tốc độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt 87

Bảng 3.15 Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng 90

Bảng 3.16 Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường 90

Bảng 3.17 Giá trị đặc trưng của tham số hồi quy ACs,cl 91

Bảng 3.18 Các giá trị đặc trưng của các hệ số tuổi cho xâm nhập clo 91

Bảng 3.19 Các giá trị đặc trưng của nồng độ clo tới hạn 92

Bảng 3.20.Các hệ số riêng phần của kết cấu trong môi trường biển 93

Bảng 3.21 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông không phụ gia chống thấm với xc=80mm 95

Bảng 3.22 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông không phụ gia chống thấm với xc=90mm 96

Bảng 3.23 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông không phụ gia chống thấm với xc=100mm 96Bảng 3.24 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông có phụ gia KIM với xc=80mm 97Bảng 3.25 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông có phụ gia KIM với xc=90mm 97Bảng 3.26 Kết quả dự đoán tuổi thọ của kết cấu khi dùng bê tông có phụ gia KIM với xc=100mm 98

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trường rỗng 5

Hình 1.2 Ca(OH)2 trong bê tông phản ứng với CO2 ngoài không khí để tạo CaCO3 - Ảnh chụp trong đập tràn Nhà máy thủy điện Hoà Bình 7

Hình 1.3 Vữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở giữa cốt liệu và vữa xi măng làm phá hỏng cấu trúc bê tông 11

Hình 1.4 Mô hình các quá trình xâm thực ion clorua vào kết cấu bê tông cốt thép vùng biển 17

Hình 1.5 Cốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép 17

Hình 1.6 Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông 20

Hình 1.7 Ăn mòn bê tông trụ cầu Lệ Uyên 22

( Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu) 22

Hình 1.8 Ăn mòn bê tông mố cầu Thị Thạc 22

(Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu) 22

Hình 1.9 Ăn mòn bê tông dầm biên và mũ trụ cầu Lệ Uyên ( Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu) 23

Hình 1.10 Bong tróc lan can tay vịn cầu Đề Gi, Bình Định 23

Hình 1.11 Bong tróc dầm cầu Đề Gi 24

Hình 1.12 Xâm thực bê tông do nước mưa tại cầu Lệ Uyên (Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu) 24

Hình 1.13 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ quá mỏng làm cho kết cấu BTCT nhanh bị xâm thực và ăn mòn hơn 25

Hình 1.14 Những điểm neo ván khuôn bằng cốt thép lộ ra ngoài sẽ là nơi bắt đầu cho quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép bên trong kết cấu 25

Hình 1.15 Chất lượng bê tông kém, bê tông sỏi sạn sẽ làm cho quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn và nghiêm trọng hơn 25

Hình 1.16 Một số hình ảnh cốt thép bị ăn mòn trong công trình cầu ở Phú Yên 26

Hình 1.18 Vùng thủy triều lên xuống bê tông bị xâm thực mạnh hơn và sâu hơn

so với vùng bê tông ngập hoàn toàn trong nước và trong không khí 30

Hình 1.19 Động vật thủy sinh sống bám gây xâm thực và phá hoại kết cấu bê tông 31

Hình 1.20 Bê tông bị sóng đánh gây rửa trôi hoàn toàn cốt liệu nhỏ 32

Hình 1 21 Cầu Ông Chừ - Tp Tuy Hòa - Bê tông lan can cầu trực diện với gió biển bị xâm thực mạnh hơn so với bê tông trụ cầu ngập trong nước 33

Hình 1.22 Cầu Vạn Kiếp - Tp Tuy Hòa – Bê tông phần cạnh dầm đón gió bị xâm thực mạnh hơn rất nhiều bê tông phần dầm bên trong 33

Hình 1.23 Hiện tượng thấm tiết vôi tại một số công trình xây dựng ở Phú Yên 34

Hình 2.1 Trám miệng vết nứt bằng vữa ximăng không co ngót, keo epoxy 37

Hình 2.2 Phương pháp bơm keo epoxy vào vết nứt nhỏ, sâu 37

Hình 2.3 Phương pháp xảm keo đàn hồi vào vết nứt 38

Hình 2.4 Phụ gia chống thấm Krytol (KIM®) 48

Hình 2.5 Phụ gia Sika Plastocrete N 50

Hình 2.6 Phụ gia Mighty 45W chứa trong thùng 51

Hình 2.7 Phụ gia Vinkems®Fume D 52

Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát 57

Hình 3.2 Biểu đồ thành phần hạt của đá 59

Hình 3.3 Phụ gia chống thấm Krytol (KIM®) 59

Hình 3.4 Khuôn đúc và máy trộn bê tông 64

Hình 3.5 Thí nghiệm nén xác định cường độ chịu nén 65

Hình 3.6 Khoang chứa mẫu thử 66

Hình 3.7 Cắt mẫu bằng máy cắt bê tông 68

Hình 3.8 Mẫu thử sau khi được cắt ra từ các mẫu đã được nén trước 68

Hình 3.9 Mẫu thử sau khi được phủ keo xung quanh 69

Hình 3.10 Sơ đồ bơm hút chân không mẫu thử 69

Hình 3.11 Thí nghiệm hút chân không mẫu thử 70

Hình 3.12 Sơ đồ đo điện lượng 71

Hình 3.13 Quá trình thí nghiệm 71

Hình 3.14 Theo dõi kết quả thí nghiệm 72

Hình 3.15.Độ thấm clo của bê tông 30MPa không dùng phụ gia 73

Hình 3.16 Độ thấm clo của bê tông 30MPa có phụ gia KIM 74

Hình 3.17 Độ thấm clo của bê tông 30 MPa theo ứng suất nén trước 74

Hình 3.18 Quan hệ giữa tỷ lệ N/X và hệ số khuếch tán clo 76

Hình 3.19 Ảnh hưởng của muội silic đối với hệ số khuếch tán 76

Hình 3.20 Quan hệ giữa mức độ thấm và hệ số khuếch tán clo [10] 78

Hình 3.21 Quan hệ giữa mức độ thấm và hệ số khuếch tán clo [18] 79

Hình 3.22 Quan hệ giữa hệ số khuếch tán và cường độ chịu nén của bê tông 80 Hình 3.23 Giá trị hệ số khuếch tán xác định từ công thức kinh nghiệm 82

Hình 3.24 Mô hình ăn mòn cốt thép trong bê tông (Tuutti 1982) 84

Hình 3.25 Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông 94

Hình 3.26 Dự đoán thời gian khởi đầu ăn mòn do xâm nhập clo 98

Hình 3.27 Dự đoán tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông do xâm nhập clo 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

AASHTO Tiêu chuẩn Hiệp hội quan chức giao thông vận tải Hoa Kỳ ACI Viện bê tông Hoa Kỳ

ASTM Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ

BTCT Bê tông cốt thép

C(x,t) Nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t

C0 Nồng độ clo ban đầu trong bê tông

Cs Nồng độ clo tại bề mặt bê tông

Cs(t) Nồng độ clo tại bề mặt bê tông tại thời điểm t

D Hệ số khuếch tán clo trong bê tông

D(t) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở thời điểm t

D28 Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày

Deff Hệ số khuếch tán có hiệu

DPC Hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường

DSF Hệ số khuếch tán clo trong bê tông có muội silic (silica fume)

Q0 Điện tích chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

x Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc dự báo tuổi thọ một cách đáng tin cậy là cơ sở quan trọng nhất để

duy trì và thiết kế tối ưu các công trình xây dựng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì duy tu sửa chữa trọn đời cho công trình Trong số các hư hỏng cho các công trình giao thông nói chung và công trình cầu bằng bê tông cốt thép nói riêng, sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước v.v gây ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng cho các công trình giao thông nói chung và công trình cầu bằng bê tông cốt thép nói riêng trên toàn thế giới

Hiện nay, kết cấu bê tông cốt thép trong xây dựng cầu có khả năng chống thấm tốt nhờ sử dụng các loại phụ gia chống thấm nước Tuy nhiên, khi kết cấu

bê tông có sử dụng phụ gia chống thấm chịu tải trọng ngoài tác động, đặc biệt là ngoài giới hạn đàn hồi thì khả năng chống thấm của bê tông sẽ giảm đi rất nhiều Việc xác định được ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm clorua của bê tông làm cầu sử dụng phụ gia chống thấm nước sẽ cho phép đánh giá chính xác hơn tuổi thọ của các công trình cầu bằng bê tông cốt thép Và đây cũng là mối quan tâm của chủ đầu tư và các đơn vị trong ngành xây dựng nói chung và xây dựng công trình giao thông nói riêng, khi hiện nay có rất nhiều sản phẩm phụ gia chống thấm cho bê tông

Như vậy đề tài“ Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm clorua của bê tông làm cầu sử dụng phụ gia chống thấm nước”là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm clorua của bê tông làm cầu

sử dựng phụ gia chống thấm nước

3 Phạm vi nghiên cứu

Thực hiện các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm để xác định hệ số khuếch tán clorua biểu kiến trong phòng thí nghiệm của bê tông làm cầu sử dụng phụ gia chống thấm nước

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mô hình lý thuyết dựa trên kết quả thí

nghiệm

5 Kết quả cần đạt được

Từ các số liệu thu thập được từ các thí nghiệm, tiến hành phân tích khoa học để chỉ ra được tốc độ khuếch tán clorua vào bê tông làm cầu có sử dụng phụ gia chống thấm nước dưới tác dụng của tải trọng

Xây dựng được quan hệ giữa tải trọng tác dụng và tốc độ khuếch tán clorua

6 Nội dung luận văn

Mở đầu

Chương 1: Thấm và ăn mòn các công trình bằng bê tông cốt thép, thực tế ở Việt

Nam Chương 2: Sử dụng phụ gia chống thấm cho bê tông trong các công trình cầu Chương 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm clorua của

bê tông làm cầu sử dụng phụ gia chống thấm nước

CHƯƠNG 1: THẤM VÀ ĂN MÒN CÁC CÔNG TRÌNH BẰNG BÊ

TÔNG CỐT THÉP, THỰC TẾ Ở VIỆT NAM 1.1 Thấm của chất lưu qua bê tông [4]

1.1.1 Khái niệm

Độ thấm được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thẩm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng Độ thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng Khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống; và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh Dưới tác động cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông số trên,

độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh

Độ thấm của bê tông phụ thuộc vào các thành phần cấu thành nên bê tông (dạng, tỷ lệ) bao gồm:

- Nước / xi măng: liên quan trực tiếp đến độ rỗng mao dẫn

- Bản chất và tỷ lệ các loại cốt liệu sử dụng: liên quan đến việc hình thành các vùng liên kết giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu cũng như thay đổi tính ngoằn ngoèo của các đường rỗng

- Các chất độn, phụ gia…

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của không gian rỗng đến cường độ và độ thấm của bê tông cho thấy, cường độ bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên, độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông giữa các lỗ rỗng Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ học, nhiệt độ cao, ăn mòn…) trong quá trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh

Sự chênh lệch về độ ẩm, của áp lực thủy tĩnh, của ứng suất, nhiệt độ và của nồng độ các hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của chất lưu trong vật liệu rỗng; vì vậy sự di chuyển của dòng lưu chất xảy ra để thiết lập lại sự

cân bằng mới Quá trình di chuyển của dòng lưu chất này thông thường được

mô tả ở các phương diện như hút bám, khuếch tán, hấp thụ và thấm Trong bê tông, cả cấu trúc vật lý của bê tông và trạng thái của nước trong lỗ rỗng ảnh hưởng đến những quá trình này Thủy động học của các vật liệu rỗng xem xét phần rỗng như là một thể liên tục với mục đích thiết lập các phương trình mô tả các quá trình di chuyển của dòng chất lưu Các mô tả lý thuyết của các quá trình dịch chuyển của chất lưu thường là cơ sở để đo đạc các tính chất của dòng chảy trong bê tông Tuy vậy, các quy luật thực nghiệm về dòng chảy của chất lưu như luật thấm Darcy, phương trình Poiseuille hay các luật thấm liên tục thường được sử dụng rộng rãi để mô tả quá trình thấm của chất lưu qua bê tông

1.1.2 Cơ chế thấm của chất lưu qua qua môi trường rỗng

Lớp hút bám

Giai đoạn (a) – Hút bám Giai đoạn (b) – Khuếch tán hơi nước

Giai đoạn (c) – Di chuyển hơi lẫn nước Giai đoạn (d) – Mặt từ biến có nhiều

di chuyển hơi chứa nước

Giai đoạn (e) – Dòng nước Giai đoạn (f) – Dòng chất bão hòa

không đảm bảo

Giai đoạn (g) –Khuếch tán của Giai đoạn (h) – Các ion khuếch

các ion qua các lỗ rỗng tán qua các lỗ rỗng bão hòa

Chú thích

Dòng hơi Dòng chất lỏng Pha hút bám

Hình 1.1 Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trường rỗng

Có 6 giai đoạn trong quá trình dịch chuyển của dòng chất lỏng qua một môi trường rỗng như trên hình 1.1 từ (a) đến (f) Các giai đoạn khác nhau được giải thích như sau:

Với:

JX : lưu lượng dòng chảy tại vị trí x theo phương x tính từ gốc;

DX : hệ số khuếch tán tại vị trí x;

cC/cX : gradient nồng độ tại vị trí x

(Định luật thứ hai về khuếch tán của Fick liên quan đến tốc độ thay đổi gradient nồng độ bằng cách giả sử rằng hệ số khuếch tán là độc lập với vị trí)

Trong giai đoạn d, điều kiện là sự từ biến bề mặt (nghĩa là dòng chảy bên trong các màng chất lỏng) trong đó có hơi nước được hỗ trợ bởi sự truyền chất lỏng Sự khác nhau quan trọng giữa giai đoạn d và e trong hình 1.2 là việc bỏ qua các mũi tên và xem hình vẽ như là mô tả một sự cân bằng động

Giai đoạn e

Trong giai đoạn e, mặt tiếp xúc giữa chất khí và nước sẽ có cùng độ cong

ở mọi nơi, nhưng ở giai đoạn d, độ cong ở xa các chỗ co hẹp được xác định chủ yếu bởi hình dạng của bề mặt

Do dòng chảy xảy ra trong lỗ rỗng do chênh lệch áp suất ngang qua mặt tiếp xúc ở giai đoạn e, lưu lượng dòng chảy được cho bởi phương trình Washburn:

: góc tiếp xúc

Giai đoạn f

Dòng chảy trong giai đoạn f, nghĩa là trong điều kiện bão hòa, là do một cột áp lực cao tồn tại trong lỗ rỗng, do đó lưu lượng bị khống chế bởi luật thấm Darcy

Thêm vào các giai đoạn từ a đến f, sự khuếch tán ion có thể xảy ra trong các giai đoạn e và f giống như minh họa trong các giai đoạn g và h Sự khuếch tán ion cũng bị khống chế bởi định luật thứ nhất của Fick

1.2 Ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép có nguyên nhân từ thấm clorua qua

bê tông

1.2.1 Ăn mòn bê tông

1.2.1.1 Ăn mòn hóa học của bê tông[4]

* Ăn mòn bê tông do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng

Quá trình này xảy ra do sự hòa tan của các sản phẩm của thủy hóa xi măng, chủ yếu là hydroxyt canxi (Ca(OH)2) và aluminat canxi ngậm nước (CaO.Al2O3.nH2O)

Hình 1.2.Ca(OH)2 trong bê tông phản ứng với CO2 ngoài không khí để tạo CaCO3 - Ảnh chụp trong đập tràn Nhà máy thủy điện Hoà Bình

Trong không khí luôn có khí CO2 và hơi nước, nếu bê tông bị phá hủy hoặc bị nứt thì hydroxyt canxi Ca(OH)2 sẽ bị thấm ra ngoài và phản ứng với

CO2 và nước tạo ra đá xi măng CaCO3 Loại ăn mòn này còn được gọi là quá trình khử kiềm trong bê tông (sự chết trắng của bê tông) làm giảm độ pH trong

bê tông và thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép

Ăn mòn do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng phụ thuộc vào thành phần hóa học của xi măng Khi hàm lượng C3S và C2S trong xi măng cao thì ăn mòn mạnh hơn Các yếu tố như loại và hàm lượng phụ gia, thời gian đông cứng, điều kiện bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đáng kể đến dạng ăn mòn này Dạng ăn mòn này có liên hệ mật thiết với độ thấm nước của bê tông, vì có sự thấm nước mà vôi ở bên trong bê tông mới có thể thấm ra bên ngoài

* Ăn mòn bê tông do các phản ứng của đá xi măng với môi trường

Là do các phản ứng trao đổi giữa nước chứa các chất hóa học xâm thực (axit, muối) và các thành phần của đá ximăng gây ra Những sản phẩm phản ứng tạo thành bị hòa tan và bị nước mang đi, hoặc bị tách ra dạng khối vô định hình dạng xốp Trong số các tác nhân gây ăn mòn loại này thí axit là tác nhân phá hoại mạnh nhất, tiếp theo là muối axit và các hợp chất có khả năng tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng có tính hoạt động hóa học mạnh

Ăn mòn do axit cacbonic được biểu thị bằng tương tác của CO2 trong nước với Ca(OH)2 Ban đầu đá vôi CaCO3 được sinh ra, bám ở mặt ngoài bê tông, tạm thời làm là tăng độ bền của bê tông Tuy nhiên, đá vôi lại tương tác tiếp với khí cácbonic và nước để tạo thành Ca(HCO3)2, là chất có độ hòa tan mạnh Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình ăn mòn bê tông do axit cacbonic như sau:

CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O (1.3) CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (1.4)

Ăn mòn do các axit khác như HCl, H2SO4, HNO3 và các axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic cũng diễn ra tương tự Các phản ứng hóa học hòa tan Ca(OH)2 như sau:

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O (1.5) Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O (1.6) Ca(OH)2 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + 2H2O (1.7) CaCl2, Ca(NO3)2 là các muối có độ hòa tan mạnh Còn CaSO4 sẽ tác dụng với 3CaO.Al2O3.6H2O để sinh Ettringit gây trương nở thể tích đá xi măng và làm phá vỡ cấu trúc của đá ximăng

Ăn mòn do các hợp chất chứa magiê như MgSO4 và MgCl2 phản ứng với Ca(OH)2 như sau:

MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (1.8) MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2 (1.9) Trong đó, muối CaCl2 có độ hòa tan mạnh còn CaSO4 tạo thành Ettringit như đã nêu ở trên Chất kiềm Mg(OH)2 là chất rời rạc, không có tính dính kết, làm suy giảm cấu trúc bêtông

Nhiều quan sát đã chỉ ra rằng: khi ăn mòn magiê trên bề mặt bê tông, lớp phấn trắng bắt đầu được tạo thành, để tích lũy chất vô định hình trong các khoảng trống, trong các lỗ và trong các vết nứt của bêtông Đôi khi nước không chuyển động và nồng độ MgCl2 nhỏ, dẫn đến làm chắc đặc kết cấu lớp bề mặt bêtông Song, với sự chuyển động của nước, đặc biệt với sự có mặt của NaCl trong nước (nước biển) khi độ tan của Ca(OH)2 và Mg(OH)2 tăng lên vài lần, thì lớp như vậy không được tạo thành, sự ăn mòn diễn ra liên tục khi đó xâm chiếm liên tiếp các lớp mới của bê tông Ăn mòn magiê đáng kể khi nồng độ MgCl2lớn hơn 2%

* Ăn mòn bê tông do sự trương nở của đá xi măng

Là sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối ở bên trong kết cấu đá ximăng gây ra, do sự tương tác của các sản thủy hóa ximăng với các hợp chất của môi trường hoặc xâm thực từ bên ngoài, làm tăng thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu đá ximăng và mở đường cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên trong bêtông và nhanh chóng phá hoại bêtông Phổ biến là sự tương tác của nước sunfat (thường có trong nước ngầm, nước thải

công nghiệp (sản suất phân bón, mạ, than cốc …) và có nhiều trong nước biển ở dạng SO4

ra lực căng trong mối liên kết cấu trúc ximăng Vì những liên kết này chính là các ái lực tinh thể, các ái lực này có khả năng biến dạng nhỏ, không phá hủy nhưng đứt đoạn riêng xuất hiện liên hợp tạo thành các vết nứt Những vết nứt xuyên qua các khối bêtông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bêtông

Nước sunfat là nguy hiểm nhất cho sự ăn mòn dạng này Vì thế, người ta thường gọi ăn mòn dạng này là ăn mòn sunfat Muối sunfat thường gặp trong đa

số các loại nước tự nhiên Quá trình ăn mòn diễn ra như sau:

- Đầu tiên là sự tương tác của các muối sunfat MgSO4, Na2SO4 với hydroxyt canxi Ca(OH)2 theo phương trình:

MgSO4 + Ca(OH)2 + H2O = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (1.10)

Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + 2NaOH (1.11)

- Sản phẩm CaSO4.2H2O được hình thành, tăng thể tích gấp 2,34 lần so với thể tích của Ca(OH)2 Tuy nhiên CaSO4.2H2O lại tiếp tục tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O để tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O ettringit nở thể tích lên 4,8 lần theo phản ứng sau:

3CaO.Al2O3.6H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 19H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (1.12)

- Sản phẩm ettringit nở thể tích nhiều lần sẽ phá vỡ cấu trúc đá ximăng và bêtông, làm xuất hiện các vết nứt tạo điều kiện cho nước và không khí đi vào trong bêtông gây ăn mòn cốt thép bên trong

Hình 1.3 Vữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở giữa cốt liệu và vữa xi măng

làm phá hỏng cấu trúc bê tông

Mg(OH)2 là hợp chất rời rạc không keo kết cũng làm suy yếu cấu trúc của đá ximăng và bêtông NaOH là chất hòa tan mạnh trong nước

Ettrigit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá ximăng và bêtông, tăng thể tích gấp 4,8 lần so với thể tích của các hợp chất sinh ra nó Chính vì sự

nở thể tích của các sản phẩm này mà cấy trúc của bêtông có thể bị phá vỡ

Trong môi trường nước có các muối amôn như amoni clorua, amoni nitrat và amoni sunphat thì sẽ sinh ra các phản ứng sau đây:

NH4Cl + Ca(OH)2 + 2H2O = CaCl2.2H2O + 2NH4OH (1.13) 4CaO.Al2O3.xH2O + CaCl2.2H2O + H2O = Ca(OH)2.2H2O +

2NH4NO3 + Ca(OH)2 + 4H2O = Ca(NO3)2.4H2O + 2NH4OH (1.15) 4CaO.Al2O3.xH2O + Ca(NO3)2.4H2O + H2O = Ca(OH)2 +

+ 3CaO.Al2O3.Ca(NO3)2.xH2O (1.16)(NH4)2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + 2NH4OH (1.17) 3(CaSO4.2H2O) + 4CaO.Al2O3.xH2O + H2O = Ca(OH)2.2H2O +

NH4OH dễ bị phân ly, bay hơi NH3 để lại nước Khi trong nước có phèn (nước chua phèn), với công thức KAl(SO4)2 hoặc K2Al2(SO4)4 (đây là sự kết hợp với các muối nhôm sunphat Al2(SO4)3 và kali sunphat K2SO4) Các muối này tương tác với Ca(OH)2 tạo ra CaSO4 và tiếp tục tạo ra ettringit 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O và phát sinh ăn mòn như đã nêu trên

Khi trong nước có kiềm (NaOH), kiềm thấm vào bê tông Sau đó bê tông tiếp xúc với không khí, thì kiềm sẽ tương tác với CO2 trong không khí theo phản ứng:

2NaOH + CO2 + H2O = Na2CO3 + 2H2O (1.19) Natri cacbonat kết tinh nở thể tích, nên phá vỡ cấu trúc của bêtông Vì vậy phản ứng hoá học nêu trên là phản ứng phá hoại bêtông do kiềm

1.2.1.2 Ăn mòn vật lý của bê tông[4]

Độ bền của các kết cấu bêtông và bêtông cốt thép được xác định không chỉ bởi tính chất của tương tác hóa học và môi trường ngoài mà còn bởi trạng thái ứng suất của bêtông, các tác động gây ra của ngoại và nội lực Thể tích của băng, khi đóng băng nước trong lỗ, bị tăng lên là nguồn gốc của nội lực Khi chu kỳ đóng và tan băng của bêtông đã được bão hòa nước, có ảnh hưởng đến

độ bền của bê tông

Ứng suất nhiệt thay đổi dấu, phát sinh khi đóng băng và tan băng của bê tông, làm yếu lực liên kết giũa các hạt cốt liệu lớn và đá xi măng- cát vì sự khác biệt hệ số dãn nở nhiệt độ của các vật liệu này Tương ứng các tương tác nhiệt

độ thay đổi nhiều lần trong đá xi măng của bê tông phụ tải điện lực lặp lại nhiều lần phát sinh trên thành lỗ và mao quản, tai trọng này phát triển nhờ tác động của ứng suất dư dạng khác nhau (như ứng suất hydrat của phần nước không đóng băng…)

Những tải trọng lặp lại này gây mỏi, làm yếu liên kết mạng lưới kết cấu vật liệu và càng có khả năng phát triển các vết nứt nhỏ trong đá xi măng

Tóm lại, ăn mòn hóa học cũng như ăn mòn vật lý phụ thuộc trực tiếp vào

độ xốp và độ thấm của nó Khi bê tông càng đặc chắc độ thẩm thấu của nó càng

nhỏ, thì sự ăn mòn phát triển càng chậm Và quá trình ăn mòn bê tông là một quá trình tổng hợp do tác động của nhiều yếu tố gây nên Song quá trình ăn mòn

bê tông diễn ra chậm trong một thời gian dài (20-30 năm) Trong khi đó các dạng ăn mòn khác, đặc biệt là ăn mòn cốt thép, diễn ra nhanh chóng dẫn đến phá hủy kết cấu trước khi bê tông bị ăn mòn

1.2.2 Ăn mòn cốt thép [4]

Bê tông vốn là môi trường có độ kiềm cao (pH > 12) Chính môi trường kiềm này tồn tại xung quanh các cốt thép đã tạo nên một lớp màng bảo vệ thụ động, cho nên nếu không có các tác động có tính axít mạnh từ môi trường bên ngoài thì về mặt lý thuyết, các cốt thép trong bê tông không dễ bị ăn mòn Tuy nhiên, lớp màng bảo vệ kiềm này không phải luôn bền vững, hiện tượng xâm thực, ăn mòn bê tông như phân tích ở trên đã làm cho độ kiềm trong bê tông bị giảm, gây phá hủy lớp bảo vệ thụ động, cộng với sự thâm nhập của ion clorua xâm nhập vào bên trong bê tông là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn các cốt thép

1.2.2.1 Bản chất của ăn mòn cốt thép

Ăn mòn thép là sự phá hủy sắt hay hợp kim của sắt dưới tác động của các yếu tố môi trường Có hai cơ chế ăn mòn thép: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

- Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó sắt phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường (các electron của các nguyên tử sắt được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường) và không có xuất hiện dòng điện, ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với hơi nước và khí oxi…

- Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn xảy ra phổ biến và nghiêm trọng nhất trong tự nhiên, ở mọi môi trường Nó cũng là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hóa – khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, nó gắn liền với sựu chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện

Trong môi trường kiềm và trung tính, sự ăn mòn kim loại là phản ứng xảy ra giữa kim loại và oxi Trong điều kiện nhiệt độ thường và không khí ẩm xảy ra sự ăn mòn kim loại và được gọi là ăn mòn ẩm Các chất oxi hóa trong môi trường ăn mòn:

- Các cation kim loại: Cu2+, Fe3+, Sn4+;

- Các chất khí hòa tan vào môi trường ăn mòn: O2, SO2, Cl2

Ở nhiệt độ cao, sự ăn mòn kim loại xảy ra là do tác dụng hóa học giữa kim loại và các oxi hóa ở dạng khí và còn gọi là sự ăn mòn khô Các chất khí có tác dụng phá hủy kim loại ở nhiệt độ cao: khí O2, khí CO2, khí SO2…

1.2.2.2 Cơ chế xâm nhập ion clorua vào bê tông

Sự có mặt của ion clorua trong bê tông có thể do nhiều nguyên nhân: dùng phụ gia đông cứng nhanh có chứa ion clorua (CaCl2, khá phổ biến trong thập niên 70); dùng cốt liệu, nước trộn có chứa ion clorua;… Tuy nhiên, đối với các kết cấu bê tông cốt thép vùng biển, nguyên nhân chủ yếu là do sự xâm thực của ion clorua từ môi trường Quá trình xâm thực của ion clorua vào bêtông chủ yếu theo 4 cơ chế sau:

(i) Sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài

Nếu bề mặt kết cấu bê tông không bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clorua, dưới áp lực mao dẫn, nước chứa ion clorua sẽ xâm nhập vào bê tông bề mặt đến độ sâu khoảng 5÷15 mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày Cơ chế này có thể gây nên sự xâm thực đáng kể của clorua vào lớp bê tông bảo vệ [2] Về mặt lý thuyết, độ cao cột nước mao dẫn trong bê tông với kích thước lỗ rỗng mao dẫn khoảng 10-6m có thể đạt đến 15m Nếu bề mặt kết cấu chịu tác động chu kỳ khô ẩm của nước chứa ion clorua, hệ thống lỗ rỗng

sẽ tiếp tục hấp thu và tích trữ ion clorua, dẫn đến lớp bê tông bảo vệ chịu ảnh hưởng của cơ chế này có nồng độ ion clorua khá cao Đây là trường hợp của phần bê tôngở vùng nước lên xuống và sóng táp

(ii) Sự khuếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua

Khi có sự chêch lệch nồng độ ion clorua, ion clorua sẽ dịch chuyển từ nơi

có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clorua sẽ dịch chuyển từ bề mặt bê tông vào sâu trong kết cấu Sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bê tông có thể được mô tả gần đúng bằng các định luật Fick về khuyếch tán

Thông thường, sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bê tông được xem

là bài toán một chiều:

- Hệ số khuyếch tán D thay đổi theo nhiệt độ, thời gian, khoảng cách đến

bề mặt kết cấu và môi trường làm việc

- Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bê tông bề mặt CS thay đổi theo mùa và các tác động của môi trường Vì lý do này, thường nồng độ ion clorua CS được xác định tại độ sâu khoảng 10 mm

Biên độ dao động lớn của các hệ số cùng với sự ảnh hưởng của các cơ chế xâm thực khác, khả năng hấp thụ ion clorua của bê tông, đòi hỏi sự thận trọng trong việc xử lý kết quả từ bài toán trên

(iii) Sự thẩm thấu do chênh lệch áp lực

Gradient áp lực làm tăng tốc độ xâm thực ion clorua vào kết cấu bê tông cốt thép

(iv) Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế

Trong thực tế, quá trình xâm thực của ion clorua vào kết cấu bê tông cốt thép là sự tổng hợp của các cơ chế trình bày ở trên (Hình 1.4) Ví dụ, đối với kết cấu bê tông cốt thép trong vùng nước lên xuống và sóng đánh, sự hút mao dẫn

do sức căng mặt ngoài và sự khuyếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua là các cơ chế chính gây xâm thực clorua

Hình 1.4 Mô hình các quá trình xâm thực ion clorua vào kết cấu bê tông cốt

thép vùng biển

1.2.2.3 Quá trình ăn mòn các cốt thép trong bê tông

Hình 1.5 Cốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép

Bê tông là môi trường kiềm mạnh với độ pH >12, khoảng từ 13 ÷ 13,8 Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông bảo vệ đặc chắc thì môi

trường kiềm này tạo điều kiện hình thành lớp màng oxit thụ động bảo vệ trên bề mặt cốt thép Nếu lớp màng thụ động này bị xuyên thủng (bê tông bị ăn mòn, bị phá hủy hay nứt) thì quá trình ăn mòn cốt thép sẽ diễn ra Quá trình màng thụ động xung quanh các cốt thép bị xuyên thủng khi xuất hiện đồng thời cả hai điều kiện:

- Độ PH của bê tông tại miền tiếp giáp cốt thép bị giảm đi, thấp hơn giá trị cần thiết để đảm bảo an toàn trạng thái thụ động: hiện tượng này do bê tông

bị cacbonat hóa Giới hạn của độ PH đủ để làm mất lớp màng thụ động dao động trong khoảng từ 9 đến 11,5 Quá trình cacbonat hóa diễn ra trong bê tông

từ ngoài vào trong, theo thời gian Tuy nhiên để quá trình cacbonat hoá diễn ra hoàn toàn (khi đó PH của bê tông chỉ còn khoảng 9) ngay cả khi có chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng cũng cần một khoảng thời gian dài (20 † 30 năm trở lên) Mặt khác kết quả khảo sát nhiều công trình thực tế chứng minh thậm chí những kết cấu bê tông có độ pH còn rất cao (>11.5) nhưng hiện tượng ăn mòn vẫn diễn ra Nguyên nhân là do tác động của ion Cl-

; ion Cl- có thể có mặt trong bê tông với các lý do sau:kết cấu bê tông làm việc trong môi trường biển hoặc các môi trường chứa Clo khác, bê tông được chế tạo từ các vật liệu nhiểm mặn, khi xử lý bê tông bằng các chất làm tan băng, khi xử lý các phụ gia rắn nhanh chứa Clo.v.v…

- Sự tăng lên của nồng độ một số ion xâm thực, điển hình là ion Cl-, vượt quá giới hạn gây mất ổn định màn thụ động Giới hạn này thường được quy định : nồng độ ion clorua không quá 0.2% † 0.4% khối lượng ximăng; hay

Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông là quá trình điện hóa Trong môi trường có ion Cl-, OH-, ôxy, các phản ứng catốt va anốt có thể được biểu diễn như sau:

+ Phản ứng ở anốt khi nồng độ ino OH

cao:

Fe + 2OH- → 1/2Fe2O3.3H2O (gỉ) + 2e

-(1.22) Ôxit sắt ngậm nước (gỉ) (Fe2O3.3H2O) không hòa tan trong môi trường kiềm, tạo thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép

+ Phản ứng ở anốt khi nồng độ ion Cl- cao: Khi xuất hiện ion clorua tại

bề mặt cốt thép, một số ion sẽ tìm đến những khu vực có khuyết tật trên lớp màng thụ động, đây là khu vực không được bảo vệ và rất dễ bị phá hoại Do có bán kính ion rất nhỏ (0,181nm), nên ion clorua dễ dàng xâm nhập qua các vị trí khuyết tật của lớp màng thụ động, tham gia phản ứng trực tiếp với sắt tạo thành dạng muối sắt – clorua hoà tan

Fe + 2Cl- → FeCl2 → Fe2+ + 2Cl- + 2e- (1.23)

Và khi một điểm trên cốt thép bị ăn mòn, những nguyên tử sắt mới sẽ bị

lộ ra và lại bị ion clorua tiếp tục tấn công Cứ thế, sắt dần dần bị ăn mòn hết

Rõ ràng, khi so sánh hai phản ứng (1.22) và (1.23), ta thấy nồng độ ion clorua

Cl- cao gây ăn mòn mạnh cốt thép, trong khi nồng độ ion OH- cao làm chậm quá trình ăn mòn Vì vậy, tỷ lệ nồng độ ion Cl-

/ OH- có 1 ngưỡng giới hạn mà khi vượt quá giá trị ngưỡng đó thì xác suất xảy ra phản ứng ăn mòn anôt sẽ lớn hơn xác suất xảy ra phản ứng hình thành màng bảo vệ anôt, và sự ăn mòn cốt thép bắt đầu

Khi lớp màng thụ động bị phá vỡ, trên bề mặt cốt thép xuất hiện vô số các vi pin với 2 cực anốt và catốt Sự ăn mòn cốt thép là quá trình điện hóa xảy

ra theo phản ứng ôxy hóa khử dị thể :

+ Tại anốt là quá trình sắt bị hòa tan, ion Fe2+

sẽ đi vào dung dịch

+ Tại catốt, điện tử được giải phóng ra từ phản ứng ở anốt sẽ kết hợp với O2 và nước để hình thành ion OH-

2e- + 1/2O2 + H2O → 2OH- (1.25)

Hình 1.6 Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông

Các ion Fe2+ khuyếch tán ra bên ngoài và kết hợp với ion OH

-Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 (1.26) 4Fe(OH)2 + O2+2H2O → 4Fe(OH)3 (1.27)

2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O (1.28) Các sản phẩm Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe2O3.H2O chính là rỉ sắt mà chúng ta

quan sát được trên bề mặt các cốt thép bị ăn mòn Sản phẩm này có tính xốp,

tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích lớn gấp 4 đến 6 lần so với các thành

phần ban đầu, chính vì vậy đã gây nội ứng suất làm nứt vỡ bê tông dọc theo vị

trí đặt cốt thép Cũng chính từ các vị trí này, các tác nhân xâm thực dễ dàng

xâm nhập vào bên trong, làm gia tăng quá trình ăn mòn cốt thép

Theo cơ chế trên, ta thấy ion clorua Cl-chỉ là chất xúc tác cho các phản

ứng ăn mòn diễn ra mạnh mẽ hơn, tuy nhiên vì Cl

không bị hấp thụ trong quá trình ăn mòn nên hàm lượng của chúng sẽ càng ngày càng tăng theo mức độ

xâm thực clorua Chỉ có O2 mới tham gia phản ứng hình thành rỉ sắt, O2 có thể

khuyết tán qua lớp bê tông bảo vệ đến bề mặt cốt thép Trong trường hợp bê

tông ngập nước, do lượng O2 hòa tan trong nước ít, nên ít có khả năng xảy ra

phản ứng tạo gỉ thép Điều này lý giải vì sao vùng nước lên xuống, vùng sóng

đánh và vùng khí quyển ven biển được coi là các vùng khí hậu có tính xâm thực

mạnh nhất, gây ra ăn mòn của các cốt thép trong các công trình giao thông, xây dựng Tại các vùng này, bê tông bị làm ẩm và khô liên tục, xen kẽ nhau, là điều kiện cho một lượng khí O2 và nước được tích tụ đủ lớn để gây ra các phản ứng điện hóa gây ăn mòn các cốt thép

1.3 Đặc điểm về ăn mòn các công trình cầu bê tông cốt thép ở Việt Nam 1.3.1 Thực trạng ăn mòn bê tông cốt thép trong các công trình cầu bê tông cốt thép ở Việt Nam

1.3.1.1 Ăn mòn bê tông trong các kết cấu bị ngập nước [4]

Kết cấu móng, mố, trụ cầu là những bộ phận được thiết kế hầu hết bằng

bê tông, bê tông cốt thép Đây là bộ phận thường xuyên ngập trong nước làm cho quá trình xâm thực bê tông xảy ra rất nhanh chóng, thường chỉ sau một thời gian ngắn kể từ khi đưa công trình vào khai thác.Hiện tượng xâm thực bêtông phổ biến ở vùng ngập nước và thuỷ triều lên xuống phổ biến là hiện tượng rửa trôi ximăng và cốt liệu nhỏ tạo nên những lỗ rỗng trên bề mặt bê tông thậm chí

là trên bề mặt bê tông chỉ còn lại cốt liệu lớn

Quá trình xâm thực càng nghiêm trọng ở vùng thuỷ triều lên xuống, vùng nước ngập thay đổi và vùng tiếp giáp giữa nước và không khí Bên cạnh

đó việc thi công bêtông không đảm bảo chất lượng, không đủ độ chặc cũng làm cho tình hình xâm thực càng diễn ra nhanh và nghiêm trọng hơn nhất là ở vùng ngập nước.Ngoài ra, trong vùng ngập nước biển, bê tông còn phải chịu sự xâm thực, phá huỷ do sinh vật biển mà phổ biến nhất là sự xâm thực do hàu bám và các sinh vật thuỷ sinh khác

Hình 1.7 Ăn mòn bê tông trụ cầu Lệ Uyên ( Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu)

Hình 1.8 Ăn mòn bê tông mố cầu Thị Thạc (Km1275+295 QL1A – Tx Sông Cầu)

1.3.1.2 Ăn mòn bê tông trong các kết cấu không bị ngập nước [4]

Mặt dù không bị ngập trong nước như móng, mố, trụ cầu tuy nhiên do nằm trong vùng khí hậu ven biển nên hiện tượng xâm thực bê tông cũng xảy ra khá mạnh và đa dạng hơn so với kết cấu bê tông bị ngập trong nước.Hiện tượng

ăn mòn bê tông xảy ra do 2 nguyên nhân chủ yếu :

- Không khí có độ ẩm cao: Có chứa các thành phần gây xâm thực kết cấu bêtông, xuất hiện nhiều ở kết cấu phần trên đặc biệt là ở các mặt đón gió biển thổi vào

Hình 1.9 Ăn mòn bê tông dầm biên và mũ trụ cầu Lệ Uyên ( Km1275+295

QL1A – Tx Sông Cầu)

Hình 1.10.Bong tróc lan can tay vịn cầu Đề Gi, Bình Định

Hình 1.11 Bong tróc dầm cầu Đề Gi

- Nước mưa: Đa số các cầu cũ có khe co giãn bị hỏng, nước mưa sẽ chảy

từ mặt cầu xuống các kết cấu bên dưới như mố, trụ, kết cấu nhịp gây xâm thực

bê tông, thúc đẩy quá trình xâm thực bê tông, ăn mòn cốt thép diễn ra nhanh, mạnh và nghiêm trọng hơn so với các vị trí không bị ảnh hưởng bởi nước mưa

Hình 1.12 Xâm thực bê tông do nước mưa tại cầu Lệ Uyên(Km1275+295

QL1A – Tx Sông Cầu)

Bên cạnh các tác nhân môi trường như đã trình bày ở trên, một số nguyên nhân xuất phát ngay trong quá trình xây dựng công trình như chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ, bê tông chất lượng kém, biện pháp thi công không phù hợp sẽ làm cho hiện tượng xâm thực, ăn mòn bê tông, cốt thép bắt đầu sớm hơn và diễn ra nhanh và mạnh hơn

Hình 1.13 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ quá mỏng làm cho kết cấu BTCT

nhanh bị xâm thực và ăn mòn hơn

Hình 1.14 Những điểm neo ván khuôn bằng cốt thép lộ ra ngoài sẽ là nơi bắt

đầu cho quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép bên trong kết cấu

Hình 1.15 Chất lượng bê tông kém, bê tông sỏi sạn sẽ làm cho quá trình ăn

mòn diễn ra nhanh hơn và nghiêm trọng hơn

1.3.1.3 Ăn mòn các cốt thép [4]

Các công trình mà bê tông đã bị xâm thực, bong tróc thì cốt thép bị ăn mòn rất nghiêm trọng thậm chí bị ăn mòn đến 100% tiết diện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và khả năng chịu tải của công trình

Hình 1.16 Một số hình ảnh cốt thép bị ăn mòn trong công trình cầu ở Phú Yên

Qua khảo sát cho thấy, với các kết cấu bê tông cốt thép thường, hiện tượng ăn mòn cốt thép diễn ra nghiêm trọng hơn rất nhiều so với các kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.2 Ăn mòn bê tông cốt thép ở các vùng biển [4]

1.3.2.1 Phân vùng tác động xâm thực ở môi trường biển

Vùng biển Việt Nam nằm trải dài trên 3200 km từ 8o

÷ 24o độ vĩ bắc Theo tính chất xâm thực và mức độ tác động lên kết cấu bê tông và kết cấu bê tông cốt thép có thể phân môi trường biển Việt Nam thành 3 vùng có ranh giới khá rõ sau đây (Hình 1.17)

Hình 1.17.Phân vùng môi trường theo điều kiện xâm thực đối với kết cấu

bê tông cốt thép

Các công trình giao thông bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển chịu tác động trực tiếp của các yếu tố xâm thực của môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố: các yếu tố hóa học do nước biển chứa các ion của các loại muối; các yếu tố biến động của nước biển và của thời tiết đặc trưng là thủy triều lên xuống làm khô ẩm liên tiếp các bộ phận công trình; các yếu tố vật lý đặc trưng là nhiệt độ biến đổi; các yếu

tố cơ học đặc trưng là tác động của sóng làm xói mòn bề mặt bê tông Xét về bản chất thì có một số dạng ăn mòn chính sau:

- Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển

- Ăn mòn cốt thép trong vùng không khí biển và vùng thủy triều lên

Trong các dạng ăn mòn này thì ăn mòn hóa học của bê tông và cốt thép trong môi trường thủy triều lên xuống là phổ biến và nghiêm trọng nhất, ảnh hưởng đáng kể tới tuổi thọ của công trình bằng bê tông và bê tông cốt thép

Quá trình ăn mòn kết cấu các công trình vùng biển có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau:

- Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu gây ăn mòn hóa học và ăn mòn vi sinh vật ở mức độ nhỏ đối với bê tông

- Vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh: xảy ra quá trình ăn mòn hóa học và ăn mòn vi sinh đối với bê tông, ăn mòn cốt thép, tác động phá hủy vật liệu và va đập, mài mòn cơ học

- Vùng không khí biển: chủ yếu là ăn mòn cốt thép, dẫn tới nứt nẻ, phá hoại lớp bê tông bảo vệ

Căn cứ vào cách phân loại môi trường xâm thực đã đề cập trong TCVN 3994: 1985 và một số tiêu chuẩn nước ngoài liên quan hiện hành, có thể phân loại mức độ tác động của môi trường biển đến kết cấu bêtông và bê tông cốt thép như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu

bêtông và bêtông cốt thép

STT Môi trường Mức độ tác động của môi trường đối với kết cấu

Bê tông Bê tông cốt thép

1.3.2.2 Vùng ngập nước biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng lượng các muối hòa tan, chủ yếu là NaCl, MgCl2, MgSO4, CaSO4, KHCO3, một hàm lượng nhỏ O2, CO2 hòa tan và một số hợp chất hóa học khác Theo các tài liệu nghiên cứu về ăn mòn bê tông cốt thép, nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm thực tương đương các đại dương khác trên thế giới, riêng vùng gần bờ có suy giảm chút ít do ảnh hưởng của các con sông chảy ra biển

- Trong nước biển có ion Cl-, như vậy có thể phản ứng hóa học với Ca(OH)2 trong đá xi măng và bê tông tạo ra muối CaCl2 theo các phản ứng

(1.5), (1.9)

- Trong nước biển có ion SO42-, như vậy có thể phản ứng hóa học với Ca(OH)2 trong bê tông để tạo ra CáO4, sau đó lại tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O và nước để tạo ra 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O gây trương

nở đá xi măng và phá hủy cấu trúc bê tông (các phản ứng (1.10), (1.11), (1.12))

- Trong nước biển có ion Mg2- lại có ion Cl-, SO42-, như vậy có thể chứa muối magiê và sẽ tương tác với Ca(OH)2 để tạo ra Mg(OH)2 là một chất rời rạc

không keo kết, làm suy giảm cấu trúc của bê tông (các phản ứng (1.8), (1.9))

- Trong nước biển có ion Na+ như vậy có thể xảy ra phản ứng của Na với CO2 để tạo ra NaCO3 (phản ứng (1.19))

Thực tế cho thấy, các kết cấu công trình bê tông cốt thép có sử dụng cát hoặc nước bị nhiễm mặn để chế tạo bê tông thì sau khoảng thời gian từ 5 đến 7 năm đã xuất hiện ăn mòn rõ ràng Trên bề mặt lớp bê tông bảo vệ thường xuất hiện các vết nứt chạy dọc theo cốt thép chịu lực, nhiều chỗ lớp bê tông bảo vệ

bị bong tróc do lớp thép gỉ quá dày, các cốt thép bị gỉ giảm tiết diện nhiều so với ban đầu Còn trên các kết cấu bê tông cốt thép khác thì thời gian xảy ra sự

ăn mòn chậm hơn, thường là sau khoảng 15 đến 20 năm sử dụng

1.3.2.3 Vùng thủy triều lên xuống

Trong vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh tính chất xâm thực của môi trường được tăng cường thêm bởi các yếu tố sau:

- Quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên và liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên bề mặt kết cấu đã làm tăng nhanh mức tích

tụ ion Cl-, H2O và O2 từ nước biển và không khí vào trong bê tông thông qua quá trình khuyếch tán nồng độ và lực hút mao dẫn

- Ngoài các quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa, trên bề mặt các kết cấu còn xảy ra ăn mòn sinh vật gây nên bởi các loại hà và sò biển, bị bào mòn cơ học do sóng biển nhất là vào những ngày dông bão và mùa gió lớn

Do đặc điểm như vậy nên vùng nước lên xuống và sóng đánh được xem là vùng xâm thực rất mạnh đối với bê tông cốt thép, xâm thực mạnh đối với bê tông

Ở vùng thủy triều lên xuống, nơi mà bê tông bị khô, ướt thường xuyên thay đổi thì hiện tượng xâm thực bê tông diễn ra mạnh hơn nhiều so với khu vực ngập hoàn toàn trong nước Chính yếu tố bê tông bị thay đổi trạng thái khô ướt thường xuyên sẽ gia tăng hiện tượng thẩm thấu các tác nhân xâm thực vào sâu hơn trong kết cấu so với phần bê tông bị ngập hoàn toàn trong nước luôn luôn ở trạng thái bão hòa nước

Hình 1.18 Vùng thủy triều lên xuống bê tông bị xâm thực mạnh hơn và sâu hơn

so với vùng bê tông ngập hoàn toàn trong nước và trong không khí

Ngoài các tác nhân trên thì đối với khu vực tiếp giáp với nước biển và thủy triều lên xuống, bê tông còn phải chịu thêm sự xâm thực, phá hoại của các động vật thủy sinh bám trên bề mặt kết Quá trình hô hấp, tiêu hóa của các sinh vật sẽ sản sinh ra CO2 và các chất hữu cơ làm suy giảm nhanh chóng chất lượng

bê tông so với bê tông vùng khô ráo

Hình 1.19 Động vật thủy sinh sống bám gây xâm thực và phá hoại kết cấu

bê tông

1.3.2.4 Vùng bị sóng đánh

Ở vùng bị sóng đánh, bê tông vẫn bị ăn mòn, xâm thực tương tự như ở khu vực bị ngập nước biển cũng như ở khu vực thủy triều lên xuống do bê tông vẫn chịu tác động của hiện tượng khô, ướt thường xuyên nên hiện tượng xâm thực bê tông diễn ra nhanh và mạnh hơn rất nhiều so với các vùng khác

Khi bê tông bị xâm thực bởi các tác nhân có trong nước biển thì sẽ tạo ra các sản phẩm hòa tan, gây phá hủy cấu trúc bê tông, lực liên kết giữa các cốt liệu sẽ không còn và dưới tác dụng của sóng biển thì các cốt liệu nhỏ bên ngoài

sẽ bị cuốn trôi rất nhanh và chỉ còn lại cốt liệu lớn Nếu bê tông không được bảo

vệ một cách triệt để thì sẽ đến lúc cốt liệu lớn cũng sẽ bị sóng đánh phá và tách