0846 nghiên cứu phục hồi kết cấu bê tông cốt thép nhiễm clorua bằng phương pháp ece và eici luận văn tốt nghiệp

Ý nghĩakhoahọcvànhững đónggópmới củaluận án* Ýnghĩa khoa học - Luận án đã chỉ ra được ảnh hưởng của các thông số xử lý nhưdungdịch, mật độ dòng điện, thời gian xử lý tới hiệu quả của phư

ả các công trình ven biển được xây dựng từ những năm 1960 đến nay đềuáp dụng theo quy phạm xâydựng thông thường, ít chú ý đến vấn đề chốngăn mòn nhằm đảm bảo độbền vững cho công trình, dẫn đến kết quả là tuổithọ của nhiều công trìnhtrong môi trường biển còn rất thấp Hiện nay, bêncạch các công trình bềnvững sau 40-50 năm nhiều công trình bê tông cốtthép có niên hạn sử dụng10- 15 năm đã sớm bị ăn mòn và phá hủy trầmtrọng, đòi hỏi phải chi phíkhoảng 40-70% giá thành xây mới cho việc sửachữabảo vệ chúng.

Đề tài“Nghiên cứu phục hồi kết cấu bê tông cốt thép nhiễm cloruabằngphương pháp ECE và EICI” đặt mục tiêu là nghiên cứu áp

dụng cáckỹ thuật điện hoá mới trên thế giới để bảo vệ và phục hồi bê tông cốt théplàm việc trong điềukiện khí hậu Việt Nam Góp phần kiểm soát, phục hồivàhạn chế các hưhỏnggây bởihiệntượngăn mòn cốtthéptrongbê tông

độ ănmòncủa cốtthép và cơ tínhcủa mẫu vữa ximăng

 Nghiên cứu và xác định các thông số phù hợp trong phươngphápEICIđể phun chấtứcchế ăn mòn vàokếtcấubêtôngcốtthép

 Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý EICI tới hiệu quảứcchếcho cốtthép và cơtínhcủa mẫu vữa xi măng

 Trên cơ sở các kết quả thu được trong phòng thí nghiệm, nghiêncứthửnghiệmđể phục hồimộtphần kếtcấuBTCT ởvùngven biển

3 Ý nghĩakhoahọcvànhững đónggópmới củaluận án

* Ýnghĩa khoa học

- Luận án đã chỉ ra được ảnh hưởng của các thông số xử lý (nhưdungdịch, mật độ dòng điện, thời gian xử lý) tới hiệu quả của phương phápECEvà EICI

- Quá trình xử lý ECE đạt hiệu quả trong việc loại bỏ ion clorua Sau4tuần xử lý, tỷ lệ loại bỏ clorua đạt trên 70% so với hàm lượng cloruabanđầu Các kết quả thu được chỉ ra rằng xử lý ECE đã làm ngưng quátrình

ănmònlõithépgâybởiioncloruanhờsựthụđộnghóacốtthép.Sau4tuầnx

ử lý ECE, mật độ dòng ăn mòn đã giảm xuống trên 30%, điện trở suất củavữa xi măng tăng lên và vicấu trúc của vữa xi măng trở nên chặt xít và ít bịthấm nước hơn Quá trình xử lý ECE cảithiện đáng kể cường độ chịu néncủavữa ximăng(tớihơn 70% độtăngvề cườngđộ)

- Đã nghiên cứu phương pháp EICI để phun chất ức chế TBABvàotrong kết cấu bê tông cốt thép Sau 4 tuần xử lý, lượng [TBA+] xungquanhcốt thép (bán kính 1 cm) đạt giá trị 2%-2,5% khối lượng toàn bộvữa Kỹthuật xử lý EICI là có hiệu quả hơn khi áp dụng cho mẫu xi măngcốt thépbịn h i ễ m c l o r u a Q u á t r ì n h x ử l ý E I C I đ ã

l à m t ă n g m ạ n h R p , g i ả m m ạ n h icorrvà tăng cơ tính của vữa

xi măng Sau 2 tuần xử lý, hiệu quả ức chế ănmòn cho cốt thép đều đạt trên50% Sự có mặt của ion [TBA+] không chỉlàm chặt xít thêm vữa xi măng

mà còn làm thay đổi hình thái học của cácsản phẩm thủy hóa xi măng, dẫnđến làm giảm hệ số khuếch tán của ioncloruatrongvữa ximăngxuống38%

- Đã xây dựng được hệ thống vật liệu xốp lưu trữ dung dịch cho việcápdụng xử lý ECE ngoài thực địa Đã áp dụng hai phương pháp ECE vàEICIđể khôi phục một phần công trình BTCT nhiễm clorua tại Cống Lân

1 Saukhi xử lý ECE trong 2 tuần đã loại bỏ 81,2% lượng clorua ra khỏicột

thủytrí.Saukhixửlý4tuần,lượng[TBA+]xungquanhcốtthépđạtgiátrị2,2%sovớikhốilượngtoànbộvữa.KếtquảđánhgiáhiệuquảcủaquátrìnhxửlýECE/

EICIsau1nămkểtừlúckếtthúcxửlýchothấycốtthépvẫnđượcduytrìbảovệtốtchốnglạiquátrìnhănmònmòntrongmôitrườngvenbiển

* Nhữngđónggópmới

 Đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng phương pháp EICI đểphunchất ức chế ăn mòn vào bên trong kết BTCT tại Việt Nam PhươngphápEICI cần được tiến hành ngay sau khi xử lý ECE để tăng hiệu quả bảovệchocốtthéptrongBTCT nhiễmclorua

 Đã áp dụng hai phương pháp ECE và EICI để khôi phục mộtphầncôngtrình bêtôngcốtthépnhiễmcloruatạiCốngLân 1

4 Cấu trúccủaluận án

Luận án bao gồm 112 trang Phần mở đầu: 3 trang; Chương I:Tổngquan tài liệu: 28 trang; Chương II: Thực nghiệm và phương phápnghiêncứu: 18 trang; Chương III: Kết quả và thảo luận: 50 trang; Phần kếtluận: 2trang;Tàiliệu thamkhảo:9 trang

CHƯƠNGII:THỰCNGHIỆMVÀCÁCPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 2.1 Chế tạo cácmẫuvữaximăng cốt thép và bêtông cốtthép

Mẫu xi măng cốt thép và bê tông cốt thép được chế tạo như hình2.1.Đơn chế tạo, mỗi mẫu vữa xi măng nghiên cứu chế tạo có tỷ lệ (theokhốilượng)n h ư s a u : X i m ă n g : c á t : n ư ớ c : c l o r u a = 1 : 1 , 7 5 : 0 , 4 5 :

0 , 0 0 5 X i măng được sử dụng là xi măng Hoàng Thạch PC30, cát vàng (rây < 2m) vàthép HP (đườngkính 6mm) Mỗi mẫu bê tông cốt thép được chế tạo theođơnchế tạocótỷlệ(theokhốilượng)nhưximăng :cát:đá :nước:clorua

= 1 : 1,75 : 2,75: 0,45 : 0,005 Đá (Dmax = 20mm) và thép gai ViệtÚc,đườngkính 10 mm

-Thời gianxửlýtừ1tuầnvà4tuần

- Dung dịch xử lý NaOH 0,1M(hoặc Na3BO3)+25mMTBAB,Catot:cựccốtthép,Anot:Lưới Inox

a) b)

Hình2.2: Sơđồphương pháp xửlý ECE(a)và EICI(b)

2.5 Phương pháp phân tích hàm lượng clorua tự do trong các mẫuvữa bằng cảm biến cloruatựchếtạo

Quy trình chế tạo cảm biến clorua như sau: Đặt 2 dây bạc sạch vàodungdịch KCl 0,1Mvà cho dòng điện 1 chiều không đổi chạy qua với mậtđộdòng 1 A/m2trong thời gian 30 phút [40] Sau khi được chế tạo cáccảmbiến clorua được chuẩn bằng NaCl chứa các dung dịch chuẩn (từ 1mMđến500mM) Để sử dụng các cảm biến này xác định hàm lượng clorua tựdotrong các mẫu vữa xim ă n g c ố t t h é p t h ì q u y t r ì n h t i ế n

h à n h b ằ n g c á c h nghiền mẫu vữa thành bột vàrây trong sàng kíchthước < 0,35 mm, để thuđược bột vữa xi măng mịn Sau đó tiến hành sấy ở

80oC ở lò trong 24 giờ(để loại bỏ nước tự do) Dùng sóng siêu âm để hòa

trongnướcvàxácđịnhhàmlượngcloruanhờphươngtrìnhđườngc h u ẩ n Phươ

ng pháp chuẩn độ điện thế này cũng đã được các tác giả khác áp dụngđểxác định ion clorua tự do trong vữa xi măng trước và sau khi xử lýECE[31, 51,52]

2.6 Xác định hệ số khuếch tán của ion clorua trong vữa xi măngtrướcvàsau khi xử lýEICI

Hình 2.3 mô tả thínghiệm xác định hệs ố k h u ế c h t á n c ủ a i o n

c l o r u a trong vữa xi măngTrong mỗi ngăn có 1 điện cực bằng platin

đặtđiệnthếmộtchiềuđiquađĩavữa,điệnthếápđặtgiữa2điệncựclà20V.Hệsốkhuếch tánDđượctínhtoánchoioncloruatheo công thứcsau, trong

đó: d= chiều dày đĩa vữa; t0= thời gian cần thiết để ion clorua đi quachiềudài d; E= Cường độ điện trường (V/m),R= Hằng số khí lý trưởng, T =Nhiệtđộtuyệtđối, z= Số điệntích và F = Hằngsố Faraday[19,40,73]:

m ă n g củacácmẫuvữaximăngcốt thép trướcvàsau khix ử l ý E C E

đ ư ợ c nghiêncứutrênthiết bị kính hiểnvi điệntửquét (S4800, Hitachi)

2.8 PhântíchhàmlƣợngchấtứcchếănmònTBABtrongvữaximăngbằngph ổhấpthụUV-Vis

Trướckhitiếnhànhphântíchcácmẫuvữaximăngthìcầnthiếtphảixâydựngđườngchuẩnmậtđộquangtheonồngđộứcchếđãbiết.CácmẫuTBABchuẩnvớicácnồngđộlà1,5,10,15và20mM,trongnướccấtởgiátrịpH=7và pH=11 Các bước tiến hành lấy mẫu từ vữa xi

ximăngởkhoảngcách1cmxungquanhcốtthép.Tiếnhànhrâytrongsàng(kíchthước

<0,35mm).Thuđượcbộtvữaximăngmịn,sauđósấyở800Ctrongthời

gian24hđểloạibỏnước.Cuốicùngphântántrongnướcbằngsóngsiêuâmvàđi phân tíchphổ UV- VIS Từ kết quả phân tích, so sánh với đường chuẩnnồng độ, sẽ xác định được hàmlượng TBAB có mặt trong vữa xi măng cốtthép[62].

2.9 Đođặctrưngđiệnhóacủalõithéptrongvữaximăng

PhươngpháptổngtrởđiệnhóađượcsửdụngđểxácđịnhđiệntrởcủavữaximăngtrướcvàsaukhixửlýECEhayEICI.Điệntrởsuấtcủavữaximăngđượcxácđịnhbởiphépchiagiátrịmoduntổngtrở|Z|(tạitầnsố1,7KHz)[56]cho chiều dầy lớp vữa Để tránh hiện tượng lưu tích

ECEhayEICI,cácmẫuvữaximăngcốtthépcầnthờigiankhoảng1thángđểđạtgiátrịcânbằngvàcóthểtiếnhànhđocácđặctrưngđiệnhóacủalõithép.Vớicácmẫuvữaximăngcốtthépchưa(trước)xửlýECEhayEICIthìcóthểtiếnhànhđongaytrongcácdungdịchxửlýtươngứng

2.10 Đo độ bền chịu nén của mẫu vữa xi măng trước và sau khi xửlý ECEhayEICI

Cường độ nén mẫu bê tông được đo với thiết bị WE-1000B(JinhuaJinshi,TrungQuốc),theoTCVN3105:1993 vàTCVN3118:1993

CHƯƠNG3:KẾTQUẢVÀBÀNLUẬN 3.1 Nghiêncứuảnhhưởngcủacácđiềukiệnxửlýtớihiệuquảcủaphươngp háp ECE

3.1.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và dung dịch xử lý tới tỷ lệloạibỏ clorua

Hình 3.2 là đường chuẩn của các cảm biến này trong dung dịchpH=11.Có thể nhận thấy mối quan hệ tuyến tính giữa Ln của hàm lượngclorua vàđiện thế cảm biến Các giá trị lớn của R2và tính lập lại của cáccảm biếnchứng tỏ chất lượng đáng tin cậy của các cảm biến chế tạo được.Với cácmẫu sau xử lý ECE, hình 3.3 biểu diễn % loại bỏ ion clorua theothời gianxử lý, và mật độ dòng điện khác nhau trong dung dịch xử lý làNaOH vàNa3BO3 Xét về tỷ lệ loại bỏ clorua với cả hai loại dung dịch xử lýthì kếtquảthuđượcsau4tuầnxửlýđều>70%,giátrịnàyphùhợpvàcóphần

Sensor 1 Linear (Sensor 1)

-200 -250

-300 y (2) = -27.393x - 385.7 R2 = 0.9825

-350

y (1) = -27.215x - 384.78 R2 = 0.9821

s a u m ộ t khoảng thời gian, các ion âm khác tạo thêm dòng điện từ catot về anot, làmchoion cloruabịgiữlạibên trongma trậnvữa ximăng[25]

3.1.3 Ảnhhưởngc ủa mậtđộdòng điệ nv àdung dị c hxửl ý tớiđộ bền chịunén củavữa ximăng

Các giá trị cường độ chịu nén của vữa xi măng trước và sau khi xửlýECEtrong2dungdịchNaOHvàNa3BO3,đượcmôtả trongcáchình3.5và3.6 tương ứng Kết quả chỉ ra rằng quá trình xử lý ECE làm tăng đángkểcường độ chịu nén của tất cả các mẫuvữa ximăng.S o s á n h g i ữ a 2

l o ạ i dung dịch xử lý, cường độ chịu nén của vữa xi măng xử lý trongdung dịchNa3BO3có giá trị lớn hơn (tới hơn 70% độ tăng về cường độ) Giátrị thấphơn thu được trong dung dịch NaOH có thể gây bởi quá trình axithóa bềmặt lớp vữa, diễn ra tại anot bên ngoài, gần với mẫu, trong quá trìnhxử

lýECE.TínhaxitnàycóthểgâytiếtCa(OH)2rakhỏicấutrúclỗxốpcủahồximăng, tạo nên cấu trúcmởvà xốp hơn

Hình 3.5: Cường độ chịu nén của vữa xi măng sau khi xử lý ECE

trongdungdịch NaOH(trái) vàNa 3 BO 3 (phải)

Ihekwaba và cộng sự [45], chỉ ra rằng cường độ chịu nén của bêtônggiảm nhẹ khi sử dụng mật độ dòng điện lớn hơn.Các tác giả lý giải làkhi sửdụng mật độ dòng điện thấp hơn(1 A/m2) thì nó ít gây ảnh hưởng tới cấutrúcvĩmôcủa hồ ximănghơn

3.1.4 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và dung dịch xử lý tới điệntrở củavữa ximăng

Các hình 3.9 và 3.10 mô tả điện trở suất của các mẫu vữa xi măngcốtthép, có hay không xử lý ECE, với thời gian xử lý và mật độ dòng điệnxửlý khác nhau, trongdung dịch NaOH và Na3BO3, tương ứng Có thểnhậnthấytrongcảhaihình nàylàquátrìnhxử lýECEđềulàmtăngđiệntrởsuất

của vữa xi măng Điện trở suất của vữa xi măng xử lý ECE trong dungdịchNa3BO3là lớn hơn so với điện trở suất của vữa xi măng xử lý trongdungdịchN a O H N h ư v ậ y , x ử l ý E C E c ó t h ể l à m c ho v i c ấ u t r ú c c ủ a v

ữ a x i măngtrởnên chặtxítvàítbịthấmnước hơn

Hình 3.9: Điện trở suất của các mẫu vữa xi măng cốt thép, có hay khôngxửlýECE, trongdungdịch NaOH (trái)vàNa 3 BO 3 (phải) 3.1.5 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và dung dịch xử lý đến đặctrưngđiện hóa củacốt thép trongvữaximăng

Các bảng 3.2 và 3.3m ô t ả c á c g i á t r ị c ủ a t h ế ă n m ò n( Ecorr), điện trởphân cực (Rp) và dòng ăn mòn (icorr) rút ra được từ các sốliệu đo đườngcong phântuyến tínhcủa các mẫu có hay không cóx ử l ý

E C E , t r o n g 2 dung dịch NaOH và Na3BO3,tương ứng Như quan sát

3.11,khisửdụngdungdịchNaOH,giátrịRptănglênchỉkhixửlýởdòngđiện1 A/

m2 Với mật độ dòng điện cao hơn, thì nhận được giá trị thấp hơncủaRp.Mộtnguyênnhâncóthểdoitácđộngmạnhtớicấutrúcvĩmôcủavữaximăng khi áp đặt dòng điện lớn Tại mật độ dòng điện lớn,c ó t h ể g â y r a sự nghèo oxy cục

bộ và sự kết tập cục bộ các ion OH-[46], dẫn tới chúngtấn công bề mặt lõithép Khi xử lý trong Na3BO3, Rp tăng lên sau khi xử lýECE ở mật độ 5 A/m2 Khi

áp dòng thấp hơn ở 1A/m2, giá trị Rp chỉ tăng52% sau 4 tuần xử lý.Andrade và cộng sự [13] cho rằng khi icorr< giá trị0,1–0,2 µA/cm2, thì thépgiống như bị thụ động hóa Trong luận án này, icorrtrước khi xử lý ECE là khá cao, khoảng

độngcloruaởmứcđộ0,5%sovớikhốilượngximăng.Khiápdòngđiện1A/m2

icorr(mA/cm2)

Mẫu (tuần,

mậtđộdòngđiệ

n)

Ecorr(V/SCE)

Rp(Ω.cm2)

icorr(mA/cm2)

3.1.6 Ảnh hưởng của dung dịch xử lý tới hình thái bề mặt và thànhphần của vữa ximăng

Hình 3.13 là các ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại thấpvàcao của các mẫu vữa xi măng trước và sau khi xử lý ECE Có thể thấycácmẫu vữa xi măng trước khi xử lý ECE có hình thái bề mặt xốp, nhiềulỗrỗng với kích thước khác nhau phân bố trên toàn bộ bề mặt mẫu(hình3.13A) Sau khi xử lý ECE, thì tất cả các mẫu vữa đều có hình thái bềmặtchặtxít, tươngđốiđồngđều (các hình 3.13B-E)

Hình 3.13: ẢnhSEM của các trước và sau 4 tuần xử lý

ECE:A:trướcxửlý, B: NaOH ở1 A/m 2 ,C : N a 3 BO 3 ở5 A/m 2

D:NaOHở1A/m 2 ,E : Na 3 BO 3 ở5 A/m 2

Kếtq u ả đ o S E M / E D X đ ã x á c l ậ p p h â n b ố t ỷ s ố C a / S i ( t h e o

% nguyêntử)của cácmẫu trước và sauECE cho thấyxửlýtrongNa3BO3làm

tăng giá trị của tỷ số Ca/Si trong vùng vữa lân cận lõi thép, nhất là khisửdụngmậtđộ dòngđiện 1A/m2(bảng3.4).

icorrđođược sau 4 tuần đã giảm xuống 36% và 34 %, tương ứng Kết quảEDX chỉra rằng Na3BO3làm tăng tỷ lệ Ca/Si trong phần vữa xi măng gầnvới lõithép Kết quả đo EIS chỉ ra rằng quá trình xử lý ECE làm tăng điệntrở suấtcủa vữa xi măng, làm cho vi cấu trúc của vữa xi măng trở nên chặtxít và ítbị thấmnước hơn ECE tăngcườngđộ chịunén của vữa

3.2 Nghiêncứuảnhhưởngcủacácđiềukiệnxửlýtớihiệuquảcủaphươngp háp ECE

3.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch xử lý và thời gian xử lý tới

hàmlượng chấtứcchế cómặttrong vữaximăng

Hình 3.15làcácphổUV-vismẫu

chuẩnởgiátrịpH=7vàpH=11.TừcácgiátrịOD215thuđượcvớicácmẫuchuẩntronghình3.15,cácđườngchuẩnOD215–

ECE trong NaOH(%nguyêntử)

ECE trong

Na3BO3(%nguyê

n tử)1A/m2 5A/m2 1A/m2 5A/m2

hấpthụởbướcsóng~215-Bee.ĐâylàđườngchuẩnsẽdùngđểphântíchhàmlượngchấtứcchếTBABtrongmẫuvữaximăngcốtthépthuđượcsaukhixửlýEICI.

nhiễm clorua, tương ứng Sau 4 tuần, lượng [TBA+] xung quanh cốt thépđãtăng lên, đạt giá trị 2% và 2,5%, tương ứng so với khối lượng toàn bộ vữa.Khi xử lý trong Na3BO3, sau

4 tuần xử lý EICI cho cả hai loai mẫu, lượng[TBA+] xung quanh cốt thépđạt giá trị 2% so với khối lượng toàn bộ vữa.Tuy nhiên khi tăng thời gian

xử lý lên 4 tuần thì hàm lượng [TBA+] khôngtăng lên.Như vậy khisosánh 2loạichấtđ i ệ n l y đ ư ợ c s ử d ụ n g t r o n g phương pháp EICI thìdung dịch NaOH có hiệu quả cao hơn cho tổng hàmlượngchấtức chế đãđượcphunvào trongvữa ximăng

Bảng3.6:Kếtquảtínhtoánhàmlƣợngứcchế[TBA + ]trongcácmẫuvữaximăngs

au khi xửlýEICI trong dungdịch NaOH

Bảng3.7:Kếtquảtínhtoánhàmlƣợngứcchế[TBA + ]trongcácmẫuvữaximăngs

au khi xửlýEICI trong dung dịchNa 3 BO 3

3.2.3 Ảnh hưởng của dung dịch xử lý và thời gian xử lý đến độ bềnchịu néncủa vữaximăng

Hình 3.21 bên phải mô tả cường độ nén hai loại mẫu vữa (khôngnhiễmvà nhiễm 0,5% clorua) trước và sau EICI trong NaOH EICI đều làmtăngđộ bền nén Sau 4 tuần xử lý, cường độ chịu nén tăng 34,6% và19,4%,tương ứng với mẫu không nhiễm và nhiễm ion clorua Kết quảtương tự đềucóđược khixửlýEICItrongNa3BO3(hình 3.22)