Đặt vấn đề Nghiên cứu khảo sát hiện trạ ng ăn mòn phá hủy của các công trình và môi trường xâm thực là vấn đề quan trọng trong việc xây dựng cơ sở để đưa ra định hướng, phương pháp bảo
Trang 1NGHIÊN C ỨU KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG ĂN MÒN
TRƯỜNG VÙNG VEN BIỂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
AN INVESTIGATION ON THE CORROSION DESTRUCTIVE IN
REINFORCED CONCRETE STRUCTURE AND POSSIBILITY OF
ENVIRONMENTAL EROSION OF DANANG’S SEASIDE
TRƯƠNG HOÀI CHÍNH –
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Ăn mòn cốt thép làm hư hỏng kết cấu bê tông cốt thé p là vấn đề phổ biến trong xây dựng các công trình biển Bài báo này trình bày một vài kết quả nghiên cứu và kiểm nghiệm về vấn đề ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của nước biển và môi trường ở vùng biển Đà Nẵng Bài báo này sẽ góp một số ý kiến cho việc xây dựng công trình với mục đích gia tăng độ bền kết cấu bê tông cốt thép trong vùng biển Đà Nẵng
ABSTRACT
Corrosion of reinforced steel damaging reinforced concrete structure is a widespread construction problem for in the coastal areas This article refers to some results of study and inspection in regard of the abrasion of reinforcement in reinforced concrete structure under sea and the environment effect of Danang’s seaside The discussion and conclusion will be a foundation for the basic civil constructions to increase the
durability of reinforced concrete structures on the Danang’s seaside
1 Đặt vấn đề
Nghiên cứu khảo sát hiện trạ ng ăn mòn phá hủy của các công trình và môi trường xâm thực là vấn đề quan trọng trong việc xây dựng cơ sở để đưa ra định hướng, phương pháp bảo vệ phù hợp và hiệu quả kinh tế đối với các công trình xây dựng vùng ven biển
Với vị trí địa lí của mình, Đà Nẵng là một thành phố có rất nhiều công trình xây
dựng dân dụng và công nghiệp (DD & CN ) bằng thép, bê tông cốt thép ( BTCT) chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu vùng biển Kết quả nghiên cứu khảo sát đánh giá hiện
trạng ăn mòn và mức độ xâm thực của môi trường là cơ sở giúp cho các nhà quản lí, thiết kế, thi công… có những định hướng biện pháp sữa chữa, chống ăn mòn cho các công trình BTCT một cách phù hợp để nâng cao tuổi thọ, tăng hiệu quả đầu tư cho các
Trang 2T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
công trình, góp phần vào sự phát triển ổn định cho thành phố Đà Nẵng
2 K ết quả nghiên cứu và khảo sát
Để thực hiện các nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu là
khảo sát thực tế tại hiện trường và đo đạc tại hiện trường hoặc lấy mẫu đo đạc trong phòng thí nghiệm
- Hi ện trạng ăn mòn phá hủy công trình
Các kết quả khảo sát trên hiện trường tại bốn công trình tiêu biểu bao gồm: Cầu Nguyễn Văn Trỗi, Cảng cá Thuận Phước, Cảng Liên Chiểu và Cảng Tiên Sa cho thấy
rằng, tất cả 4 công trình đều nằm ở trong tình trạng ăn mòn và phá hủy từ mức độ trung bình cho đến rất nặng Nhiều vị trí công trình bị hư hỏng nặng, không còn khả năng chịu
lực, lớp bê tông bảo vệ bị bong bục từng mảng do cốt thép bị ăn mòn nặng
Các mẫu bê tông được lấy trực tiếp tại các công trình và được đo đạc, phân tích trong phòng thí nghiệm (tại Trung tâm II) Các chỉ tiêu phân tích bao gồm những chỉ tiêu
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
Giữa Biên ngoài
- (%)
Chiều dày lớp BT bảo vệ
Ngưỡng ăn mòn
C ốt thép
Hình 3 S ự biến thiên hàm lượng Cl- theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ
♦: Cảng Liên Chiểu
∆: Cảng Tiên Sa
●: Cảng cá Thuận Phước
Hình 1 Hiện trạng ăn mòn các công trình khảo sát tại vùng biển Đà Nẵng
a, b: Cảng Tiên Sa; c: Cảng cá Thuận Phước; d: Cầu Nguyễn Văn Trỗi
a
b
c
d
Trang 3đặc trưng cho khả năng bị ăn mòn của kết cấu như hàm lượng Cl
-, SO4-2, pH Kết quả phân tích mẫu cho thấy, hàm lượng Cl-
thấm đều theo chiều dày của lớp bê tông bảo vệ và
gấp 3-4 lần giới hạn cho phép (hình 3) Hàm lượng SO4-2
Điện thế ăn mòn của cốt thép được đo đạc trực tiếp tại các công trình Phương pháp đo đạc sử dụng trong quá trình nghiên cứu là điện cực so sánh Ag/AgCl Kết quả
đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 và giản đồ E-pH của hệ Fe- H
cũng nằm trong tình trạng trên
và nằm ngoài vùng cho phép của ngưỡng ăn mòn pH bê tông dao dộng từ 10-11,7
2
Bảng 1 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công trình
O, xem b ảng 1
Công trình Điện thế so với điện thế
Ag/AgCl (mV)
Kh ả năng ăn mòn c ốt thép Phương pháp đánh giá
C ảng Thuận Phước -4 09 đến -450 ≥90% ASTM C876
C ảng Liên Chiểu - 320 đến -460 ≥90% ASTM C876
C ầu Nguyễn Văn Trỗi - 306 đến -325 ≥90% Gi ản đồ E-pH hệ Fe- H2O
Bảng 2 Kết quả đo đạc phân tích các thông số không khí ven Biển Đà Nẵng
PP Phân tích
C ảng Liên Chiểu
C ầu Nguyễn Văn Trỗi
C ảng Thuận Phước
C ảng Tiên Sa
Mùa khô
Mùa mưa
Mùa khô
Mùa mưa
Mùa khô
Mùa mưa
Mùa khô
Mùa mưa
1 SO2 mg/m3
Tr ắc quang
- UVIS
0,07 0,01 0,19 0,06 0,04 0,06 0,11 0,03
2 Cl- mg/m3 Chu ẩn độ 0,18 0,04 0,19 0,05 0,21 0,05 0,32 0,09
3 Nhi ệt độ 0C 35,57 - 32,13 - 0,53 0,50 36,55 -
4 Độ ẩm % 33,17 - 42,00 - 44,20 - 40,93 -
5 V ận tốc gió m/s 2,95 - 1,69 - 1,54 - 2,49 -
Kết quả phân tích và đo đạc tại các vị trí cho thấy, do Đà Nẵng có nhiều nhánh sông chảy ra, nên độ mặn của tầng nước mặt có thay đổi Nhưng nhìn chung, độ mặn
Hình 4 Công tác đo đạc điện thế ăn mòn tại các công trình
Trang 4T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
của vùng ven biển Đà Nẵng tương đương với các vùng biển khác ở Việt Nam và trên
thế giới, bảng 3
B ảng 3 So sánh một số thông số của vùng biển Đà Nẵng và các khu vực
Ch ỉ tiêu Đơn vị Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Bắc Mỹ Biển Bantic Đà Nẵng
3 Bàn lu ận
Kết quả nghiên cứu khảo sát đã xây dựng hoàn thiện một thực trạng bị ăn mòn phá hủy của các công trình vùng ven biển Đà Nẵng Hầu như các công trình bị ăn mòn đều nằm trong khả năng bị ăn mòn trên 90% Các công trình đều xuống cấp sau 5-10 năm đưa vào sử dụng (cảng cá Thuận Phước, cảng Liên Chiểu), công trình cảng Tiên Sa
nằm trong tình trạng bị ăn mòn phá hủy ở mức báo động, nhiều kết cấu tại công trình này bị phá hủy hoàn toàn không còn khả năng phục hồi được
Theo các kết quả nghiên cứu thì ảnh hưởng của môi trường xâm thực đế n quá trình ăn mòn rất phức tạp Ngoài các tác động của khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, không khí thì các tác nhân hoà tan trong môi trường đặc biệt là môi trường nước biển, gây xâm thực rất mạnh Các yếu tố gây ăn mòn tác động tương hỗ lẫn nhau trong quá trình ăn mòn phá huỷ vật liệu Trong quá trình xâm thực, phá huỷ cốt thép trong BTCT, thì sự thâm nhập của ion SO4-2 và Cl- là quá trình xảy ra thường xuyên và đóng vai trò chủ yếu gây nên sự phá huỷ BTCT Sự xâm thực của SO4-2 gây ra sự thay đổi cấu trúc vi mô và làm giản nở bê tông, sinh ra các vết nứt, chính các vết nứt này tăng cường sự thâm nhập của các tác nhân xâm thực khác và phá hủy cốt thép trong bê tông cốt thép Trong trường hợp ion Cl
-, ngoài sự có mặt của nó trong quá trình sử dụng
vật liệu, thi công, thì quá trình thâm nhập thông qua lớp bê tông bảo vệ từ môi trường
rất mạnh Sự tồn tại của ion Cl
gây nên sự phá hủy màng thụ động của cốt thép, khơi mào cho quá trình ăn mòn và phá hủ y Bên cạnh đó, sự phá huỷ BT và BTCT còn do sự thâm nhập của CO2 qua các khe nứt, hoặc qua các vùng bê tông có độ đặc chắc kém, sự
có mặt của CO2 kết hợp với Ca(OH)2 có trong bê tông tạo ra một vùng có pH thấp và đưa đến sự phá hoại cốt thép trong bê tông Nước biển là một trong những môi trường
Hình 5 Công tác đo đạc, lấy mẫu bê tông tại các công trình khảo sát
Trang 5có độ xâm thực mạnh do chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn và phá hủ y như Cl-, SO42-,
O2
Trên cơ sở các số liệu thu thập và đo đạc, khí hậu Đà Nẵng tương đối giống các vùng khác tại Việt Nam với đặc trưng là nhiệt đới ẩm ướt, gió mùa, nhiều nắng và mưa Tuy nhiên, khí hậu Đà Nẵng còn có những đặt trưng riêng là sự tác động theo chu kỳ khô-
ẩm và nhiều gió, bão Trong mùa đông, thường xen kẽ những đợt gió mùa Đông- Bắc kèm theo thời tiết hanh khô với các đợt mưa phùn độ ẩm cao Về mùa hè, trời nắng nóng làm nước bốc hơi nhanh nhưng lại có những đợt mưa rào làm thấm ướt đột ngột Các tác động trên gây nên quá trình khô ẩm bề mặt kết cấu và khuếch đại tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực trên bề mặt Các đợt gió bão cũng đưa vào vùng ven biển một lượng
muối khá lớn Do có độ ẩm không khí cao đặc biệt mùa mưa, kết hợp với những cơn mưa thường xuyên dẫn đến bề mặt của các công trình luôn luôn bị ẩm [1], đặc biệt vào tháng 2 đến tháng 4 trong năm Sự ẩm ướt bề mặt của công trình làm tăng khả năng khuyếch tán các ion xâm thực qua lớp bê tông bảo vệ Sự chênh lệch lớn của nhiệt độ giữa mùa đông
và mùa hè, kèm theo sự thay đổi mạnh của độ ẩm giữa mùa mưa (~40% ) và mùa khô (~85%) gây nên sự giãn nở của lớp BT bảo vệ, sinh ra các vết nứt trên bề mặt cũng tăng cường quá trình thâm nhập các tác nhân gây ăn mòn phá huỷ Nhìn chung, khả năng bị ăn mòn phá hủy của các công trình BTCT ở Đà Nẵng là rất lớn
hoà tan, ngoài ra còn có các khoáng chất khác
Kết quả phân tích và đo đạc môi trường nước biển được thực hiện chủ yếu ở
tầng nước mặt do sự ăn mòn phá huỷ các công trình xảy ra mạnh nhất tại vùng này Nhìn chung, độ mặn và thành phần nước biển tại các vị trí khảo sát tương đối khác nhau điều này xảy ra là do nguyên nhân các vị trí công trình khảo sát đều nằm ở cửa sông Độ
mặn tính theo nồng độ ion Cl-
tại các vị trí khảo sát tương đối thấp hơn so với những vùng biển khác ở trong nước và trên thế giới Nồng độ Cl-
thấp nhất tại khu vực cầu Nguyễn Văn Trỗi dao động trong khoảng 71-77 mg/l đối với mùa mưa và 198,5 đến 327,6 mg/l mùa khô Vị trí có nồng độ Cl -
cao nhất là cảng Liên Chiểu thay đổi từ 9075,2 đến 14357,3 mg/l đối với mùa khô và 922,9 đến 923,5 mg/l đối với mùa mưa, trong khi đó nồng độ của vùng biển Hòn Gai dao động từ 6000 đến 18000mg/l, biển
Bắc Mỹ 18000mg/l Sự thay đổi lớn về nồng độ Cl- trong nước biển là do hằng năm ở
Đà Nẵng có lượng mưa lớn, giá trị lượng mưa trung bình hằng năm khoảng 2041,5 (mm/năm) Theo kết quả khảo sát thì khu vực Đà Nẵng thì lượng Cl-
sa lắng lớn khoảng 40-80mg/m2/ ngày [2] Hàm lượng SO4-2
Kết quả khảo sát về môi trường không khí của vùng biển Đà Nẵng cho thấy,
mức độ xâm thực của yếu tố này cũng rất lớn Với hàm lượng các ion Cl-, SO
tại các vùng khảo sát thấp hơn so với các vùng
biển trên thế giới (khoảng 2000mg/l), ngược lại pH đo đạc được tại các vị trí khảo sát tương đương với các vùng biển trên thế giới và trong nước, giá trị pH thay đổi từ 7,2 đến 8,0 Nhìn chung, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng của các yếu tố gây
ăn mòn trong môi trường nước biển vùng ven bờ thành phố Đà Nẵng tương đối thấp hơn so với các môi trường vùng biển khác ở Việt Nam và trên thế giới Nhưng do nằm trong điều kiện khí hậu thúc đẩy quá trình ăn mòn, phá hủy nên khả năng gây ăn mòn
của các yếu tố này lớn hơn so với các khu vực khác ở Việt Nam và trên thế giới
-2
Trang 6T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008
trong các nhóm khí B,C,D kết hợp với độ ẩm tương đối lớn hơn 85% trong mùa mưa, môi trường không khí ven biển Đà Nẵng thuộc vào vùng xâm thực trung bình đến nặng (TCVN 3994-1995) Bên cạnh đó, sự kết hợp với kh í hậu nóng nắng về mùa khô làm
bốc hơi một lượng lớn muối vào trong môi trường không khí, tăng khả năng xâm thực
của ion Cl
-, SO-24
Nhìn chung, kết quả nghiên cứu và khảo sát cho thấy rằng với sự kết hợp của môi trường khí hậu, thành phần nước biển và môi trường không khí, vùng ven biển Đà
Nẵng là một môi trường xâm thực và gây ăn mòn phá hủy rất mạnh đối với các công trình BTCT
vào các lớp bê tông bảo vệ đối với các công trình BTCT
4 K ết luận
Mức độ xâm thực của môi trường (không khí, nước biển) là một yếu tố quyết định đến khả năng gây ăn mòn phá huỷ của các công trình Kết quả nghiên cứu và khảo sát cho thấy, đặc điểm thành phần nước biển, môi trường không khí của các vùng ven
biển Đà Nẵng (tại các vị trí khảo sát) có độ xâm thực từ trung bình đến nặng Bên cạnh
đó, kết hợp với điều kiện khí hậu, các công trình luôn chịu ảnh hưởng lớn của các tác động thường xuyên như nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng Cl-
Kết quả nghiên cứu khảo sát là cơ sở dữ liệu để minh chứng cho khả năng xâm
thực mạnh của môi trường ven biển Đà Nẵng, là cơ sở cho việc đánh giá đưa ra những
biện pháp, công nghệ phù hợp nhằm bảo vệ chống ăn mòn xâm thực, nâng cao tuổi thọ cho các công trình vùng ven biển Đà Nẵng, đặc biệt là các c ông trình cầu cảng, góp
phần vào sự phát triển bền vững kinh tế của thành phố
khuếch tán lớn, tác động theo chu kỳ khô - ẩm và nhiều gió bão, mùa đông, thường có những cơn mưa phùn, thời tiết hanh khô, ngược lại mùa hè, trời nóng làm nước bốc hơi nhanh nhưng có những cơn mưa phùn đột ngột Chính những tác nhân này gây nên những quá trình khô ẩm trên bề
mặt kết cấu công trình, tăng cường quá trình xâm thực của các tác nhân gây ăn mòn phá
huỷ đến công trình Hiện nay, hầu hết các công trình vùng ven biển Đà Nẵng đều bị ăn mòn phá hủy ở mức độ trung bình đến nặng, các công trình đều bị xuống cấp do sự ăn mòn phá hủy sau 5-10 năm đưa vào sử dụng
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Tài liệu tập huấn kỹ thuật, ”Chống ăn mòn và bảo vệ các công trình BT và BTCT
[2] ThS Trương Hoài Chính, TS Huỳnh Quyền; TS Trần Văn Quang; KS Nguyễn Phan Phú, “Phân tích kết quả đo đạc các tác nhân gây ăn mòn xâm thực”, Báo cáo chuyên đề, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố, Đà Nẵng 11/2007
[3] ThS Trương Hoài Chính, TS Huỳnh Quyề n; TS Trần Văn Quang; KS Nguyễn Phan Phú, “Tổng hợp, phân tích, đánh giá và dự báo hiện trạng ăn mòn xâm thực các công trình xây dựng DD&CN vùng ven biển Đà Nẵng” Báo cáo chuyên đề, Đề
Trang 7tài nghiên c ứu khoa học cấp thành phố, Đà Nẵng 11/2007
[4] Thuy T.B Hoang, Thuy T.B Nguyen, Corrosion Control of Steel Bridge sumerged
in brackish water- A case study, International Corrosion Engineering Coference,
Seoul, Korea, May 20-24, 2007
[5] Marshall E.Parker and Edward G.Peattie, Pipe line Corrosion and Cathode
Protection, Third Edition, A pratical manual for corrosion engineers technicians, and field personnel, Elsevier Science (USA), 1999
[6] Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học “Ăn mòn và bảo vệ các công trình vùng ven
