Các công trình bêtông cốt thép xây dựng khu vực Đồng bằng sông Cửu Long bị ăn mòn rất mạnh, do tác động của môi trường chua mặn. Tác giả đã nghiên cứu thử nghiệm nhằm tìm giải pháp nâng cao tuổi thọ công trình. Bước đầu cho thấy sự khác biệt về sự phát triển cường độ, tính thấm, mức độ ăn mòn bề mặt và ăn mòn cốt thép giữa các môi trường mặn, ngọt và môi trường chua mặn.
Trang 1MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ĐẦU NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊTÔNG CỐT THÉP VÙNG CHUA PHÈN KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG
CỬU LONG
SOME INITIAL RESULTS RESEARCH COROOSSION OF REIFORCED CONCRETE IN THE MEKONG DELTA
ThS Khương Văn Huân
TÓM TẮT
Các công trình bêtông cốt thép xây dựng khu vực Đồng bằng sông Cửu Long bị ăn mòn rất mạnh, do tác động của môi trường chua mặn Tác giả đã nghiên cứu thử nghiệm nhằm tìm giải pháp nâng cao tuổi thọ công trình Bước đầu cho thấy sự khác biệt về sự phát triển cường độ, tính thấm, mức độ ăn mòn bề mặt và ăn mòn cốt thép giữa các môi trường mặn, ngọt và môi trường chua mặn.
ABSTRACT
Many reiforced conrete structures are corroded strongly in the Mekong delta, because it has some acids and salts Author has some testing for finding ways for increasing life – span of reiforced conrete structure Intial finded some differents between samle keep in sea water and acid water about compressive strength, permeability, lost weight, corrsion current of steel reiforcement in concrete
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Qua kết quả điều tra các công trình thủy lợi ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam nhận thấy hầu hết các công trình đều bị ăn mòn, nhiều vùng công trình bêtông cốt thép (BTCT) bị ăn mòn rất mạnh, làm giảm tuổi thọ và đe dọa sự an toàn của công trình và cả hệ thống nhất
là trong mùa bão lũ
Sau khi khảo sát gần 100 công trình thủy lợi ở khu vực ĐBSCL, nhiều công trình có biểu hiện như lớp bêtông bảo vệ bị bong tróc hoặc trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ sét (Độ suy giảm cường độ 4%/năm) Số công trình bị ăn mòn mạnh chiếm tỷ lệ lớn nằm trong khu vực ảnh hưởng chua mặn Kết quả thống kê biểu thị trên hình 1
Một trong những nguyên nhân cơ bản công trình bị xuống cấp là môi trường khu vực ĐBSCL chứa nhiều tác nhân ảnh hưởng không tốt tới tuổi thọ
Trang 2của bêtơng và cốt thép
Hình 1: Tỷ lệ các cơng trình BT bị ăn mịn rất mạnh trong các mơi trường
khác nhau
+ Trong mơi trường nước biển tồn tại các muối clo, muối sun phát
+ Trong mơi trường nước chua phèn tồn tại các muối sun phát, axít H2SO4 + Trong mơi trường chua mặn do quá trình thủy phân cịn tạo ra HCl, vì vậy BTCT chịu tác nhân gây ăn mịn gồm cả muối và axít gốc clo, sun phát
Hiện nay đối với các cơng trình BTCT vùng biển, chúng ta đã cĩ tiêu chuẩn quy định chất lượng bêtơng rất cụ thể yêu cầu về cường độ, độ chống thấm, tỷ lệ nước /xi măng, cịn mơi trường chua phèn như khu vực ĐBSCL chưa
cĩ quy định cho nên hầu hết các nhà thiết kế chỉ sử dụng bêtơng mác 200 cho mọi vùng cĩ mức độ ăn mịn khác nhau Điều này kết quả khảo sát đã chứng minh là khơng phù hợp việc đảm bảo tuổi thọ cho cơng trình BTCT Vì vậy vấn
đề đặt ra cần nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao độ bền của bêtơng cốt thép ở khu vực ĐBSCL là cần thiết và cấp bách
Tác giả đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm ngâm mẫu trong các mơi trường khác nhau, nhằm định lượng tốc độ ăn mịn và tìm giải pháp nâng cao tuổi thọ cơng trình bêtơng cốt thép xây dựng ở vùng chua mặn khu vực nghiên cứu
II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
II.1 Thành phần cấp phối bêtơng
a Vật liệu
Ximăng: Holcim PCB40
Cát Đồng Nai Mn = 2,54
0 20 40 60 80
Tỷ le
ä %
Chua Mặn Chua mặn Nước ngọt
Trang 3 Đá dăm: Biên Hòa, Dmax20 mm
Phụ gia siêu dẻo: Sikament 2.000AT Liều sử dụng 1 lít cho 100kg xi măng; tác dụng giảm nước trộn (khoảng 10-20%), tăng độ đặc chắc cho bêtông
b Thành phần cấp phối: trên bảng 1
Bảng 1: Thành phần cấp phối nghiên cứu
TT hiệu Ký Mác dự trù (Mpa) X/N Xi măng (kg) Cát Dăm (kg) 2.000 AT (lít) Phụ gia Nước (lít)
Ghi chú: Mẫu có ký hiệu chỉ số 1 là mẫu sử dụng phụ gia hóa dẻo.
II.2 Môi trường ngâm mẫu
Ở ĐBSCL, theo kết quả phân vùng ăn mòn BTCT do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện, có 2 vùng ăn mòn ảnh hưởng lớn là:
- Vùng mặn thuộc dải đất ven biển
- Vùng chua và chua mặn thuộc Tứ Giác Long Xuyên và giáp ranh giữa vùng chua phèn và vùng mặn
Tác giả lựa chọn 2 môi trường ngâm mẫu đối chứng là ngâm trong nước sinh hoạt và nước biển Vị trí cụ thể như sau:
a Môi trường nước chua phèn hiện trường: Ký hiệu: “Cht”
Chọn khu vực cống Rạch Chanh Thị xã Long An tỉnh Long An là cống trên nhánh sông Vàm Cỏ Tây, nơi chịu tác động của nước chua trong quá trình rửa phèn và nước mặn xâm nhập khi triều dâng
b Môi trường nước mặn hiện trường: Ký hiệu: “Mht”
Chọn khu vực cống Rạch Bùn huyện Gò Công Đông tỉnh Tiền Giang, chịu ảnh hưởng của nước biển
c Môi trường nước ngọt trong phòng: Ký hiệu: “N”
Sử dụng nước sinh hoạt
Trang 4II.3 Chỉ tiêu nghiên cứu
Mẫu khi gia công bảo dưỡng trong điều kiện chuẩn, sau 28 ngày sẽ ngâm trong các môi trường nghiên cứu
Để xác định ảnh hưởng của môi trường tới sự phát triển cường độ bêtông cốt thép, tiến thành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu sau:
a Cường độ nén mẫu
Kích thước mẫu: Mẫu lập phương cạnh 10 cm
Tiêu chuẩn thí nghiệm: TCVN 3118-93
b Hệ số thấm của BT
- Kích thước mẫu: Sử dụng mẫu trụ đường kính 150mm, chiều cao 300
mm có lỗ rỗng ở giữa
- Tiêu chuẩn thí nghiệm: Theo 14TCN 65-2002
- Thiết bị của Nhật model: TC-235 hãng TANIFU MACHINE CO.,LTD
c Dòng ăn mòn cốt thép
- Kích thước mẫu: Sử dụng mẫu lăng trụ tiết diện 100cm, chiều dài 300
mm có đặt thép tròn trơn 10mm, chiều dày lớp bêtông bảo vệ 2,5cm
- Tiêu chuẩn thí nghiệm: Theo AASHTO TP11-95
- Thiết bị của Mỹ model: HM -311 F hãng Gilson
d Dung trọng bêtông
- Tiêu chuẩn thí nghiệm: Theo TCVN 3115:93
e Độ hút nước
- Tiêu chuẩn thí nghiệm: Theo TCVN 3113:93
f Giảm khối lượng
- Tiêu chuẩn thí nghiệm: Theo TCVN 3115:93
III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÌNH LUẬN
III.1 Cường độ nén mẫu
III.1.1 Kết quả thí nghiệm
Cường độ nén mẫu tuổi 7; 28; và 90 ngày trong 5 môi trường Kết quả ghi trong bảng 2
Trang 5Bảng 2: Kết quả nén mẫu
TT cấp phối Ký hiệu
Cường độ nén (Mpa) ở tuổi (ngày) Trong môi trường ngâm mẫu
III.1.2 Phân tích
Xác định sự phát triển cường độ bêtông bằng hệ số chênh lệch về cường
độ giữa môi trường có tác nhân ăn mòn với môi trường nước ngọt bằng tỷ số:
(R90 ngọt – R90moitruong NC)*100 / R90 ngọt
Trong đó:
R90 ngọt: Cường độ nén mẫu ngâm trong nước ngọt (ít ăn mòn) ở tuổi 90 ngày R90moitruong NC: Cường độ nén mẫu ngâm trong môi trường nghiên cứu (bị ăn mòn) ở tuổi 90 ngày
giữa mẫu có và không sử dụng phụ gia giảm nước
Kết quả tính toán sắp xếp trong bảng 2a
Bảng 2a: So sánh sự phát triển cường độ giữa mẫu có và không sử dụng
phụ gia
TT Cấp phối Ký hiệu
Sự chênh lệch cường độ (%) ở tuổi 90 ngày trong các môi trường ngâm mẫu khác so với
ngâm trong nước ngọt
Tình trạng sử dụng phụ gia
Trang 6Hình 2: So sánh sự suy giảm cường độ bêtông giữa mẫu có và không sử dụng
phụ gia
Nhận xét:
-Khi có cùng lượng dùng xi măng, mẫu có sử dụng phụ gia giảm nước bêtông
ít bị ăn mòn hơn mẫu không có phụ gia
theo mác bêtông thiết kế ban đầu
Kết quả sắp xếp ghi trong bảng 2b
Bảng 2b: So sánh sự phát triển cường độ theo mác bêtông
TT Ký hiệu cấp phối Mác BT
Mpa
Sự chênh lệch cường độ (%) ở tuổi 90 ngày trong các môi trường ngâm mẫu khác so với ngâm trong nước ngọt
-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5
Sự suy giả
m cườ
ng
độ (%)
Mẫu không phụ gia Mẫu có phụ gia
Trang 7Trung bình 0 -1,64 -0,10
Hình 3: So sánh sự phát triển cường độ theo cường độ 28 ngày ban đầu Nhận xét:
-Khi mác bêtông càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhỏ
-Môi trường chua, cường độ có xu hướng giảm nhiều hơn môi trường mặn
III.2 Hệ số thấm bêtông
III.2.1 Kết quả thí nghiệm
Xác định hệ số thấm bêtông K (cm/s) ở các tuổi 28 và 90 ngày ở các môi trường nghiên cứu Kết quả ghi trong bảng 3
Bảng 3: Kết quả thí nghiệm hệ số thấm của bêtông
TT hiệu Ký Môi trường N Môi trường Cht Hệ số thấm K (cm/s) Môi trường Mht
28 ng 90 ng 28 ng 90 ng 28 ng 90 ng
Tr bình 1,7E-09 7,4E-10 1,6E-09 7,2E-10 8,6E-10 8,7E-10
III.2.2 Phân tích kết quả thí nghiệm
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6
Mác bêtông (Mpa)
Sự phá
t tr iển cườ
ng
Man hien truong
Trang 8Xác định sự phát triển tính thấm của bêtông bằng chênh lệch hệ số thấm của bêtông tuổi 90 và 28 ngày trong cùng 1 môi trường ngâm mẫu bằng tỷ số:
(K90 – K28)*100 / K28
Trong đó: K28 : Hệ số thấm của mẫu ngâm trong môi trường NC ở tuổi 28
ngày
K90 : Hệ số thấm của mẫu ngâm trong môi trường NC ở tuổi 90 ngày
môi trường nghiên cứu giữa mẫu có và không sử dụng phụ gia giảm nước
Kết quả sắp xếp ghi trong bảng 3a
Bảng 3a: So sánh sự phát triển hệ số thấm giữa mẫu có và không sử dụng
phụ gia
TT cấp phối Ký hiệu
Sự chênh lệch hệ số thấm K (%) ở tuổi 90 ngày so với tuổi 28 ngày trong các môi trường ngâm mẫu khác nhau
Tình trạng sử dụng Phụ gia
Trang 9Hình 4: So sánh sự phát triển hệ số thấm giữa mẫu có và không sử dụng phụ gia Nhận xét:
Mẫu có sử dụng phụ gia,tốc độ phát triển hệ số thấm có xu hướng lớn hơn mẫu không sử dụng phụ gia
môi trường nghiên cứu theo cường độ thiết kế 28 ngày ban đầu
Kết quả sắp xếp ghi trong bảng 3b
Bảng 3b: So sánh sự phát triển hệ số thấm theo mác bêtông
TT Ký hiệu cấp
phối
Mác BT Mpa
Sự chênh lệch hệ số thấm K (%) ở tuổi 90 ngày so với tuổi
28 ngày trong các môi trường ngâm mẫu khác nhau
-40 -20 0 20 40 60 80 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Mẫu không phụ gia
Mẫu có phụ gia
Sự phá
t tr iển hệ số th ấm (%)
Trang 10Hình 5: Sự phát triển hệ số thấm theo cường độ 28 ngày ban đầu
Nhận xét:
-Khi mác bêtông cao hơn thì tốc độ phát triển tính thấm có xu hướng tốt hơn
III.3 Tương quan giữa cường độ nén và hệ số thấm của bêtông
Kết quả thống kê trong bảng 4
Bảng 4: Kết quả cường độ nén và hệ số thấm theo tuổi
TT hiệu Ký Cường độ nén (Mpa) ở tuổi Hệ số thấm K (cm/s) ở tuổi So sánh ở tuổi 90 và 28 ngày (%)
7 ng 28 ng 90 ng 28 ng 90 ng Cường độ Hệ số thấm
Môi trường: Nước ngọt (N)
Môi trường: Nước chua hiện trường (Cht)
-100 -50 0 50 100
Mác bêtông ( Mpa)
Sự phát triển h
Chua hien truong Man hien truong
Trang 11Trung bình 27,2 36,5 40,1 1,60E-09 7,23E-10 10,7 68,50
Môi trường: Nước mặn hiện trường (Mht)
Hình 6: Quan hệ cường độ nén và hệ số thấm
Hình 7: Quan hệ cường độ nén và hệ số thấm
Môi trường nước ngọt (N)
0,E+00 1,E-09 2,E-09 3,E-09 4,E-09 5,E-09 6,E-09
20,025,030,035,040,045,050,055,0
Cường độ nén (Mpa)
Hệ
số thấ
m K (c m/s )
Tuổi 28 ng Tuổi 90 ng
Môi trường chua hiện trường (Cht)
0,E+001,E-09 2,E-09 3,E-09 4,E-09 5,E-09 6,E-09 7,E-09
20,025,030,035,040,045,050,055,0
Cường độ nén (Mpa)
Hệ s
oó thấ
m K (cm /s)
Tuổi 28 ng Tuổi 90 ng
Trang 12Hình 8: Quan hệ cường độ nén và hệ số thấm Nhận xét:
- Hệ số thấm biến đổi nhiều trong khoảng cường độ thiết kế từ 20-30Mpa Khi mác bêtông lớn hơn 35Mpa, hê số thấm ít phụ thuộc vào cường độ hơn
- Cường độ và hệ số thấm bêtông ở các môi trường ngâm mẫu vẫn tiếp tục tăng theo tuổi
III.4 Tương quan cường độ dòng ăn mòn cốt thép trong bêtông:
Kết quả thống kê trong bảng 5
Bảng 5: Dòng ăn mòn cốt thép trong bêtông
TT Ký hiệu C.độ R28
(Mpa)
Dòng ăn mòn thanh thép thứ nhất ở tuổi 90 ngày (mA/Sq.Ft)
Dòng ăn mòn thanh thép thứ hai ở tuổi 90 ngày (mA/Sq.Ft)
T.bình (mA/Sq.Ft) 0,264 0,663 0,567 0,275 0,713 0,504
Nhận xét:
Môi trường mặn hiện trường (Mht)?
0,E+005,E-10
1,E-09 2,E-09 2,E-09 3,E-09 3,E-09 4,E-09
20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0
Cường độ nén (Mpa)
Hệ s
ố thấ
m K (cm /s)
Tuổi 28 ng Tuổi 90 ng
Trang 13-Cốt thép trong bêtông ngâm các môi trường chua, mặn có biểu hiện bị ăn mòn hơn môi trường nước ngọt
-Cốt thép trong bêtông ngâm các môi trường mặn có biểu hiện bị ăn mòn hơn môi trường nước nước chua
III.5 Tương quan biến đổi độ hút nước và dung trọng bêtông
Kết quả thống kê trong bảng 6
Bảng 6: Độ hút nước và dung trọng của bêtông
TT Ký hiệu C.độ R28
(kG/cm 2 )
Độ hút nước ở tuổi 90 ngày
(%) Dung trọng bêtông ở tuổi 90 ngày (T/m 3 )
-Nhận xét:
- Độ hút nước của bêtông ngâm trong môi trường chua, mặn ở hiện trường có
xu hướng tăng lên so với mẫu ngâm trong nước ngọt
III.6 Hiện tượng mất khối lượng do ăn mòn bề mặt bêtông
Trong quá trình thí nghiệm tác giả nhận thấy lớp vữa xi măng trên bề mặt mẫu bêtông ngâm trong môi trường nước chua phèn bị mất đi, bề mặt bêtông trở nên nhám, có thể lọai bỏ lớp này bằng lực nhỏ khi đánh bằng bàn chải
Khối lượng mẫu bị mất đi khi dùng bàn chải giặt trà bề mặt được xác định Kết quả thống kê trong bảng 7
Bảng 7: Kết quả mất khối lượng bề mặt
TT Ký hiệu Môi trường N Khối lượng ăn mòn bề mặt (g/dm Môi trường Cht Môi trường Mht 2 )
Trang 145 B1 0 3,90 0,2
Nhận xét:
- Mẫu bêtông ngâm trong môi trường chua phèn có hiện tường ăn mòn bề mặt khá mạnh Mẫu ngâm trong môi trường mặn và nước ngọt không có biểu hiện này
IV KẾT LUẬN
Công tác nghiên cứu ăn mòn bêtông đòi hòi thời gian dài, căn cứ vào kết quả thí nghiệm sau 3 tháng ngâm mẫu, tác giả có 1 số nhận xét bước đầu như sau:
- Cường độ và hệ số thấm của bêtông tiếp tục tăng
- Khi bêtông có sử dụng phụ gia hóa dẻo, cường độ và độ chống thấm có xu hướng phát triển tốt hơn so với mẫu không có phụ gia trong các môi trường
ăn mòn
- Hệ số thấm của loại bêtông trong vùng mác cao hơn 35 Mpa ít thay đổi
- BT ngâm trong môi trường chua có biểu hiện bị ăn mòn bề mặt khá rõ
- Cốt thép trong môi trường mặn bị ăn mòn mạnh hơn vùng chua
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 PGS TS Nguyễn Văn Điềm Khai thác tiềm năng đất phèn bằng biện pháp thủy lợi.
2 GS TSKH Lê Huy Bá Những vấn đề về đất phèn Nam Bộ
3 PGS TS Lê Sâm Nghiên cứu xâm nhập mặn phục phát triển kinh tế xã hội vùng
ven biển ĐBSCL: KC08-18 giai đoạn 1991-2000.
4 PGS TS Lê Sâm Nghiên cứu xâm nhập mặn phục phát triển kinh tế xã hội vùng
ven biển ĐBSCL: KC08-18 giai đoạn 2002-2004.
5 PGS TS Lê Sâm Nghiên cứu khảo sát điều tra chua năm 2000.
6 PGS TS Lê Sâm Nghiên cứu khảo sát điều tra chua năm 1993-1995.
7 ThS Lương Văn Thanh Diễn biến môi trường do tác động của hệ thống thủy lợi
và con người vùng Bán Đảo Cà Mau tỉnh Kiên Giang.
Trang 158 KS Vương Đình Đước Nghiên cứu diễn biến chua trước và sau khi xây dựng công
trình Rạch Chanh – Bắc Đông.
9 KS Huỳnh Đăng Toàn Báo cáo tổng kết điều tra cơ bản sự thoái hóa độ bền
bêtông các công trình thủy lợi vùng chua mặn khu vực ĐBSCL.
10 TS Lê Minh Một số đánh giá chất lượng bêtông công trình thủy lợi thời gian qua
11 PTS Lê Minh Kết quả NC và ứng dụng 1 số phụ gia nâng cao tính bền BTCT
trong môi trường biển
12 GS TS Dương Đức Tín Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nâng cao tuổi thọ
cho kết cấu bêtông công trình thủy lợi vùng chua phèn.
13 GS TS Nguyễn Thúc Tuyên, KS Nguyễn Tiến Trung Dự đoán mác bêtông.
14 TS Cao Duy Tiến; TS Lê Quang Hùng; TS Trần Việt Liễn & nnk Tiêu chuẩn
chống ăn mòn cho kết cấu BTCT trong môi trường biển Việt Nam.
15 Khương Văn Huân Nghiên cứu đề xuất thành phần và công nghệ chế tạo bêtông
xây dựng công trình thủy lợi khu vực ĐBSCL.
16 TS Cao Duy Tiến & nnk Lựa chọn loại xi măng dùng cho BT trong môi trường
biển VN
17 Viện Kỹ thuật quân sự Triển khai chế tạo các tổ hợp bêtông, vữa có 1 số phụ gia
và chất ức chế, bền ăn mòn và bảo vệ cốt thép cao trong môi trường biển VN
(10/1994-12/1995) Mã KC-05/13a
18 Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng NC các biện pháp chống ăn mòn BTCT bảo
vệ công trình vùng ven biển : Đề tài 26B.03.03.
19 GS.TS Võ Đình Lương Cơ chế ăn mòn bêtông cốt thép Đại học Bách khoa thành
phố Hồ Chí Minh.
20 Lê Đỗ Chương ; Bùi Sĩ Thạnh, Phan Xuân Hoàng Giáo trình Vật liệu Xây dựng.
21 Prof.V.Moskvin Concrete and reinforced concrete deterioration and Protection
22 Theo W.-C Jau and D.-S Tsay A study of the basic engieering properties of slag
cement concrete and its resistance to seawater corrosion.
23 TCVN 3994-85 Chống ăn mòn trong XD kết cấu BT và BTCT – Phân loại môi
trường xâm thực.
24 Tiêu chuẩn TCXDVN 327:2004 Kết cấu BT và BTCT Yêu cầu bảo vệ chống ăn
mòn trong môi trường biển.
25 Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn: TCXD 149:1986.
26 TCXDVN 337:2005: Vữa và BT chịu axít
27 TCVN 5404-1991 (ST sev 3283-81) Bảo vệ ăn mòn – PP thử ăn mòn – Yêu cầu
chung.
28 14TCN 65-2001 Xác định hệ số thấm nước của bêtông thủy công.
29 CRD-C 48-92 PP thí nghiệm hệ số thấm nước của bêtông
