Chống ăn mòn bê tông cốt thép công trình biển thông qua điều chỉnh cấu trúc bê tông_2

Cảm ơn các thầy cô giáo khoa công trình trường Đại học Hàng Hải, cảm ơn các tác giả của các đề tài đã nghiên cứu và được công bố về giải pháp khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép

hình thành với hy vọng góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu giải pháp chống

ăn mòn bê tông cốt thép công trình biển Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới

Thầy về sự giúp đỡ to lớn này

Cảm ơn các thầy cô giáo khoa công trình trường Đại học Hàng Hải, cảm ơn các tác giả của các đề tài đã nghiên cứu và được công bố về giải pháp khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép công biển dưới tác động của môi trường

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn bè đồng nghiệp đã cổ vũ, động viên tác giả trong suốt những năm qua

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo đóng góp chân tình của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện hơn trong các công tác nghiên cứu khoa học và làm tốt nhiệm vụ công tác của mình./

Hà Nội, ngày 05 tháng 09 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Văn Ngân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Ngân Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Ngân

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4 Nội dung luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨUĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 4

1.1 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới 4

1.1.1 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới 5

1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam 8

1.2.1 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam 8

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam 9

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN 15

2.1 Hiện tượng ăn mòn các công trình biển 15

2.2 Ăn mòn bê tông 16

2.2.1 Ăn mòn hóa học của bê tông 17

2.2.2 Ăn mòn vật lý của bê tông 22

2.3 Ăn mòn cốt thép 23

2.4 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển 26

2.5 Kết luận chương 2 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỘ THẨM THẤU CỦA NƯỚC, KHÔNG KHÍ VÀ ION CLˉ QUA BÊ TÔNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG 31

3.1 Công tác chuẩn bị thí nghiệm 32

3.1.1 Cơ sở thành lập đề cương thí nghiệm 32

3.1.2 Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm 32

3.1.3 Chuẩn bị các thiết bị, máy móc thí nghiệm 35

3.2 Thí nghiệm đo độ thẩm khí của bê tông 36

3.2.1 Nguyên lý tính độ thẩm khí 36

3.2.2 Quy trình thí nghiệm 36

3.2.3 Kết quả và thảo luận 38

3.2.4 Kết luận về kết quả đo độ thấm khí của bê tông 48

3.3 Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông 49

3.3.1 Nguyên lý tính toán độ thấm nước 49

3.3.2 Quy trình thí nghiệm đo độ thấm nước 49

3.3.3 Kết quả và thảo luận 51

3.3.4 Kết luận về kết quả đo độ thấm nước của bê tông 58

3.4 Tương quan giữa độ khuếch tán Clorua và độ thẩm khí của bê tông khi bê tông bị phá hủy 58

3.5 Đánh giá ảnh hưởng của độ thấm ION CLˉ đến tuổi thọ của các công trình thủy lợi có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông 62

3.5.1 Đánh giá tuổi thọ công trình giao thông thủy lợi theo tiêu chí ăn mòn cốt thép có nguyên nhân t ừ sự khuếch tán clorua vào bê tông 62

3.5.2 Đánh giá tuổi thọ công trình thủy lợi theo tiêu chí ăn mòn cốt thép do khuếch tán clorua vào bê tông có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông 69

3.6 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG 4:GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÔNG TRÌNH BIỂN THÔNG QUA ĐIỀU CHỈNH CẤU TRÚC CỦA BÊ TÔNG 77

4.1 Thay đổi thành phần khoáng của Xi Măng 77

4.2 Nâng cao độ đặc của bê tông 78

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tình trạng ăn mòn bê tông, cốt thép trụ cầu cảng ở Mỹ 6

Hình 1.4 Cảng Thương vụ - Vũng Tầu, sau 15 năm sử dụng 12

Hình 1.5 Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng, cách biển 25 km, sau 30 năm sử

Hình 1.6 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy

Hình 1.7 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại

Hình 1.8

Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn cốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển

13

Hình 1.9 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của

Hình 2.1 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn –

Hình 2.4 Vữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở được tạo ra giữa cốt

liệu và vữa xi măng làm phá hỏng cấu trúc bê tông 21

Hình 3.3 Các mẫu thí nghiệm dùng để đo độ thấm của bê tông 34

Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm đo đạc độ thấm khí của bê tông với mẫu trụ

Hình 3.5 Toàn cảnh bố trí thí nghiệm đo đạc độ thấm khí bê tông 37

Hình 3.6 Biến đổi của độ thấm danh định Ka theo nghịch đảo ứng suất

trung bình 1/Pm ở các cấpứng suất khác nhau (T= 25oC) 41

Hình 3.7 Biến đổi của độ thấm danh định Ka theo nghịch đảo ứng suất

trung bình 1/Pm ở các cấp ứng suất khác nhau (T= 60oC) 41

Hình 3.8 Biến đổi của độ thấm danh định Ka theo nghịch đảo ứng suất

trung bình 1/Pm ở các cấp ứng suất khác nhau (T= 105oC) 42

Hình 3.9 Biến đổi của độ thấm danh định Ka theo nghịch đảo ứng suất

trung bình 1/Pm ở các cấp ứng suất khác nhau (T= 150oC) 42

Hình 3.10 Gia tăng độ thấm của bê tông K theo ứng suất trong bê tông ở

Hình 3.11 Gia tăng độ thấm tương đối K/Ko theo ứng suất trong bê tông 45 Hình 3.12 Gia tăng độ thấm ban đầu của bê tông theo nhiệt độ 46 Hình 3.13 Biến đổi độ bão hòa của bê tông theo nhiệt độ 47

Hình 3.14 Biến đổi độ thấm khí ban đầu Ko theo độ bão hòa nước của bê

Hình 3.15 Sơ đồ bố trí mẫu thử trong lồng đo độ thấm nuớc 50

Hình 3.16 Toàn cảnh bố trí đo đạc độ thấm nước của bê tông trong phòng

Hình 3.17 Đổ parafin lỏng vào lồng đo để chống thấm nước 51

Hình 3.19 Gia tăng độ thấm nước K (phương P1 và P2) theo áp lực nước 54

Hình 3.20 Gia tăng độ thấm nước K (phương P1) theo ứng suất tương đối

Hình 3.28 Gia tăng tuổi thọ công trình bê tông cốt thép theo bề dày lớp bê

Hình 3.29 Gia tăng tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực theo bề dày lớp

Hình 3.30 Ảnh hưởng của trạng thái phá hủy bê tông đến tuổi thọ công

Hình 3.31 Ảnh hưởng của trạng thái phá hủy bê tông đến tuổi thọ công 70

Hình 3.34 Tuổi thọ công trình bê tông cốt thép khi bê tông bị phá hủy sau

Hình 3.35 Tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực khi bê tông bị phá hủy

sau 5 năm khai thác (Vùng thủy triều lên xuống) 73

Hình 3.36 Tuổi thọ công trình bê tông cốt thép khi bê tông bị phá hủy sau

Hình 3.37 Tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực khi bê tông bị phá hủy

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị trung bình của lưu lượng khí vào và biến dạng dọc

Bảng 3.2 Sau đây biễu diễn các giá trị độ thấm danh định Ka 39

Bảng 3.3 Các giá trị độ thấm khí thực K thu được t heo nguyên lý

Bảng 3.5 Các giá trị độ thấm nước của bê tông theo phương nén mẫu

Bảng 3.6 Các giá trị độ thấm nước của bê tông theo phương ngang P2

Bảng 3.7 Tuổi thọ công trình bê tông cốt thép (Ccr = 0.06 % KLBT) 64 Bảng 3.8 Tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực (Ccr = 0.3 % KLBT) 65

BTCT Bê tông cốt thép

BT & BTCT Bê tông và bê tông cốt thép

VKHCNGTVT Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông cốt thép đã được phát minh và ứng dụng từ giữa thế kỷ 19 Cho đến nay bê tông, bê tông cốt thép vẫn là nguồn vật liệu chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi thủy điện Ở Việt Nam, bê tông côt thép đã và đang được sử dụng rất rộng rãi, chất lượng và tuổi thọ của bê tông đã được nghiên cứu

và nâng cao nhiều Qua tổng kết đánh của các quốc gia trên thế giới thì độ bền thực

tế của các công trình bê tông như sau: Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm Trong môi trường có tính xâm thực mạnh như các vùng ven biển, độ ẩm lớn, dưới nước… xẩy ra hiện tượng

ăn mòn bê tông cốt thép dẫn đến làm nứt vỡ và phá hủy kết cấu bê tông và BTCT

có thể xuất phát sau 10 đến 30 năm sử dụng

Qua thực tế các công trình giao thông thủy lợi ở Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới, các công trình bê tông và BTCT sau một thời gian đưa vào sử dụng đã bị xuống cấp, đặc biệt là các công trình giao thông, thủy lợi như: trụ cầu giao thông, dầm cầu giao thông, cống thủy lợi, đê biển…, đã bị môi trường xâm thực rất mạnh, làm ăn mòn bê tông và cốt thép phá hủy kết cấu của công trình gây tổn thất rất lớn

Vì vậy nghiên cứu tìm ra được các cơ chế ăn mòn BT & BTCT dưới tác độngcủa môi trường và đưa ra các giải pháp khắc phục tình hình ăn mòn BT & BTCT công trình biển là hết sức cần thiết Đề tài: “Chống ăn mòn bê tông cốt thép công

trình biển thông qua điều chỉnh cấu trúc bê tông” được đề xuất nhằm đáp ứng

các yêu cầu kỹ thuật và nâng cao chất lượng bê tông và bê tông cốt thép

Sưu tập, nghiên cứu các các tài liệu trong và ngoài nước đang được áp dụng phổ biến trên thế giới và Việt Nam, trong đó có chú ý tới các nội dung có liên quan tới bê tông tự lèn để lựa chọn hướng nghiên cứu, phương pháp hợp lý áp dụng cho điều kiện Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu bao gồm: Phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

* Phương pháp lý thuyết:

+ Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp phân tích tình hình ăn mòn trong

và ngoài nước Lựa chọn một số phương pháp để đánh giá tình hình ăn mòn BT & BTCT công trình thủy lợi và đưa ra giải pháp khắc phục ăn mòn BT & BTCT công trình thủy lợi phù hợp với điều kiện Việt Nam

* Phương pháp thực nghiệm:

+ Xác định các chỉ tiêu ăn mòn BT & BTCT công trình biển như: độ thấm khí, thấm nước của Bê tông (Tiêu chuẩn Việt Nam & Tiêu chuẩn một số nước) + Tương quan giữa độ khuếch tán ion Cl-

và độ thấm khí của bê tông khi bê tông bị phá hủy

Đề tài sử dụng các thiết bị thí nghiệm các chỉ tiêu ăn mòn BT & BTCT theo tiêu chuẩn Việt Nam của phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng LAS-XD630

4 Nội dung nội văn

Luận văn có kết cấu gồm 04 chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ăn mòn BT & BTCT trên thế giới

và ở Việt Nam

Chương 2: Phân tích cơ chế ăn mòn BT & BTCT trong công trình biển

Chương 3: Kết quả thực nghiệm độ thẩm thấu của nước, không khí và ion CL

-qua bê tông dưới tác động của tải trọng & nhiệt độ môi trường

Chương 4: Giải pháp khắc phục ăn mòn bê tông cốt thép công trình biển thông qua điều chỉnh cấu trúc bê tông

1.1.1 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới

Tình hình phát triển sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và sản xuất sản phẩm bê tông xi măng, bê tông cốt thép nói riêng: ở những thế kỉ trước ít phát triển, tốc độ xây dựng chậm Những năm 30 ÷ 40 của thế kỉ XIX công nghiệp sản xuất xi măng poóclăng ra đời đã tạo ra một bước chuyển biến cơ bản trong xây dựng Cho đến những năm 70 ÷ 80 của thế kỷ XX bê tông cốt thép mới được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện Loại vật liệu này có nhiều tính ưu việt đã phát triển nhanh chóng và chiếm vị trí quan trọng trong các loại vật liệu xây dựng

Trong quá trình nghiên cứu và thực tiễn sử dụng người ta ngày càng hoàn thiện các phương pháp tính toán kết cấu, ngày càng phát huy được tính ưu việt và hiệu quả sử dụng chúng Những năm đầu thế kỷ XX cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ra đời Việc sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn bằng thủ công đã dần được thay thế bằng các các phương pháp cơ giới

Việc nghiên cứu thành công dây chuyền công nghệ sản xuất các cấu kiện bê tông cốt thép và được đưa vào sản xuất đã tạo điều kiện ngày càng nhiều các nhà máy cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn

Những thập niên vừa qua, các thành tựu về nghiên cứu, lý luận cũng như về các phương pháp tính toán bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới ngày càng thúc đẩy nghành công nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn phát triển Đặc biệt là thành công của việc nghiên cứu bê tông cốt thép ứng suất trước và ứng dụng

nó vào sản xuất cấu kiện bê tông là một thành tựu hết sức to lớn Nó cho phép tận dụng tốt các ưu điểm của bê tông mác cao với cốt thép cường độ cao tiết kiệm được bê tông, cốt thép Nhờ đó có thể thu nhỏ kích thước cấu kiện, giảm nhẹ được

khối lượng, nâng cao khả năng chịu lực và khả năng chống nứt của cấu kiện bê tông cốt thép

Ngày nay ở những nước phát triển, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì việc công nghiệp hoá nghành xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện, cơ giới hoá thi công, lắp ghép cấu kiện bằng bê tông tông cốt thép và bê tông ứng suất trước cũng được nghiên cứu, phát triển và được sử dụng rộng rãi Đặc biệt là trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, với các cấu kiện đúc sẵn ngày càng phong phú đa dạng như: cột điện, dầm mái, dàn mái, ống nước, panen, cọc móng… đáp ứng đầy đủ và kịp thời các đòi hỏi của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày nay

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới

Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 1920 tại Hội nghị hằng hải Quốc tế [6] cho tới nay đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường Xung quanh cơ chế phá hủy bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường còn nhiều điều bàn luận, đặc biệt là bản chất

sự ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường Lý do là có nhiều yếu tố xâm thực tác động theo các cơ chế khác nhau Quá trình ăn mòn lại diễn ra chậm do vậy các kết quả thí nghiệm nhanh nếu có mô phỏng thường không lột tả đúng bản chất phá hủy trong thực tế Trên con đường xác định bản chất ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường nước ta đã phải khảo sát rất nhiều công trình thực tế bị hư hỏng

Năm 1980, trong báo cáo của mình tại hội nghị khoa học đầu tiên về độ bền lâu của công trình biển ở New Brunswick [8], K.Mehta đã trích dẫn kết quả khảo sát thực tế trên nhiều công trình đã tồn tại từ 60 ÷ 100 năm trong môi trường biển Thực tế chỉ ra rằng chủ yếu hư hỏng do ăn mòn cốt thép, nhất là vùng nước lên xuống Đối với bê tông có phát hiện thấy hiện tượng mềm hóa khi có hàm lượng xi măng thấp Một số trường hợp bê tông nứt bề mặt, nguyên nhân đa phần là do phản ứng kiềm- silic hoặc nứt vì các lý do khác Trong thành phần bê tông lâu năm ở

thép trong môi trường biển Bản chất hiện tượng không có gì khác biệt so với các lần trước

Odd E.Gjorv trong tài liệu [7] đã tổng kết nhiều kết quả khảo sát chất lượng các công trình biển ở Nauy và cũng đưa ra kết luận phần lớn nguyên nhân hư hỏng

là do rỉ cốt thép Có nhiều kết cấu sau 70 ÷ 80 năm sử dụng vẫn còn ở tình trạng tốt nếu được thiết kế hợp lý và thi công chuẩn xác

Tại Nhật Bản, Sh.Toyama và Y.Ishii[10] đã công bố kết quả khảo sát 494 cấu kiện đơn lẻ trên các cảng biển ở Nhật bản Rất nhiều kết cấu bị ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt vỡ bê tông bảo vệ Hàm lượng ion Cl- trong bê tông rất cao

Hình 1.1: Tình trạng ăn mòn bê tông, cốt thép trụ cầu cảng ở Mỹ

Hình 1.2 Hình 1.3

Tình trạng ăn mòn bê tông ở Anh Tình trạng ăn mòn bê tông ở Nam Phi

Tại Nga việc nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Theo V.M Moskvin, công trình của Vica “nghiên cứu nguyên nhân hóa học phá hủy và các biện pháp nâng cao khả năng chống ăn mòn của các chất kết dính rắn trong nước” là công trình nghiên cứu khoa học đầu tiên về ăn mòn Những năm đầu của thế kỷ XX viện nghiên cứu độ bền các công trình thủy lợi biển của Nga do những kỹ sư xây dựng nổi tiếng như A.R Shuliachenko, V.I Charnomski đã khảo sát những công trình bê tông và bê tông cốt thép tại các hải cảng châu Âu và Nga Họ đã đi đến kết luận rằng bằng xi măng poóclăng không thể chế tạo bê tông cốt thép bền vững trong môi trường biển Sự nâng cao độ đặc bê tông chỉ có thể mang lại tuổi thọ cho các công trình từ 20 ÷ 30 năm Những nghiên cứu về sử dụng bê tông và bê tông cốt thép trong các xí nghiệp công nghiệp được thực hiện vào đầu thế kỷ XX như công trình nghiên cứu của E.Rabal’d Đặc biệt là công trình nghiên cứu của A.A Bajkov là công trình nghiên cứu có giá trị lớn trong lĩnh vực này Ông đã phân tích nguyên nhân gây ăn mòn bê tông và những biện pháp áp dụng trong thực tế chống ăn mòn Kavatosi trong công trình nghiên cứu của mình đã đưa ra loại phụ gia tổng hợp siêu dẻo (Furylacol - Ca(NO3)2) để chế tạo vữa bền trong môi trường chịu tác động xâm thực của các muối gây ăn mòn G.Bachacốp trong một công trình khác đã công bố việc sử dụng dầu nhựa thông với hàm lượng 0,15% đề chế tạo vữa và bê tông có khả năng chống

ăn mòn cao

hạn độ bền của kết cấu bê tông và bê tông cốt thép dùng trong các môi trường này vẫn còn nhiều vấn đề phải tranh cãi kéo dài cho đến nay

1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam

Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã phát triển một cách mạnh mẽ

Từ những thành tựu phát triển kinh tế đó và nhu cầu của con người càng được cao như nhu cầu về nhà ở, nhà làm việc, giao thông đi lại, điện nước sinh hoạt, các công trình phúc lợi…Những năm gần đây đi đôi với việc phát triển nhanh chóng bê tông và bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng công nghiệp, giao thông vận tải và đặc biệt là trong thủy lợi, thủy điện bê tông và

bê tông cốt thép khối lớn được dùng rất nhiều Song song với việc trên việc khí hậu toàn cầu thay đổi tác động vào nước ta là rất lớn như thủy triều dâng ở TP HCM, thiên tai bão lũ, sạt lở ở các tỉnh miền Trung … đòi hỏi phải có những công trình bảo vệ tài sản và tính mạng của người dân thì bê tông và bê tông cốt thép được dùng ngày càng nhiều hơn

Việt Nam là một nước đang trong giai đoạn phát triển với dân số trên 90 triệu dân, tiềm năng phát triển rất lớn Vì vậy trước mắt phải xây dựng một cơ sở

hạ tầng hoàn chỉnh hơn để đáp ứng tốc độ phát triển của đất nước để làm được điều này ngành xây dựng công nghiệp dân dụng, ngành giao thông vận tải, ngành thủy lợi, thủy điện và ngành sản xuất vật liệu xây dựng cần thiết phải đi trước một bước trong quá trình phát triển Trong đó nghành sản xuất vật liệu xây dựng phải được

ưu tiên đầu tư phát triển mạnh hơn Vì vậy trong những năm qua Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách đầu tư phát triển hợp lý cho nghành VLXD đã và

đang sản xuất các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng hiện đại công suất lớn ngang tầm với các nước trong khu vực và các nước phát triển trên thế giới Cùng với sự phát triển của nghành xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện… nhu cầu về các loại sản phẩm bê tông và bê tông cốt thép cho các nghành xây dựng cơ bản, giao thông, thủy lợi, thủy điện là rất lớn Nó đóng vai trò quan trọng hàng đầu các vật liệu sử dụng cho xây dựng

Nhằm thoả mãn nhu cầu đó, ngành VLXD cần ưu tiên phát triển theo chiều sâu, đổi mới trang thiết bị, công nghệ sản xuất tiên tiến Theo định hướng này ngành sản xuất bê tông và cấu kiện bê tông đúc sẵn đã và đang được nhà nước đầu

tư thích đáng và đạt được một số kết quả khả quan Các cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng Để đáp ứng được nhu cầu này cần thiết phải xây dựng các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn nhằm đáp ứng được tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng của nước ta nói chung, thủ đô Hà Nội nói riêng và trong tương lai

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam

Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép ở nước ta sau một thời gian khai thác đã bị ăn mòn và phá hoại trong các môi trường có tính chất

ăn mòn Điều đó đòi hỏi phải có các biện pháp phòng ngừa để hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Nhà nước ta đã ban hành các tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 3993:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép - nguyên tắc cơ bản để thiết kế”, TCVN 3994:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng - kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - phân loại ăn mòn”, TCXD 149-86 “ Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn” Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này chưa đề cập đến tất cả các loại ăn mòn, các môi trường ăn mòn, do đó việc áp dụng cũng bị hạn chế và chưa phát huy được tác dụng trong thực tế

Nhận thức được tính cấp bách của việc chống ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép, ở nước ta có nhiều cơ quan khoa học đã nghiên cứu vấn đề này Các đề tài

Trong những năm cuối của thập kỷ 60 có một số nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép ở cảng Hòn Gai, Hải Phòng được xây dựng từ năm 1914 và cũng đã đưa ra nhận xét là cần phải có quy định riêng cho các công tác thiết kế và thi công bê tông, bê tông cốt thép vùng biển, khác với kết cấu nằm sâu trong nội địa những nghiên cứu đầu tiên nhằm tìm ra biện pháp bảo vệ công trình biển cũng đã được tiến hành từ những năm đầu của thập kỷ 80 Đáng tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế Một mặt là do chưa tạo được hành lang pháp lý thông qua hệ thống quy phạm, tiêu chuẩn để áp dụng Mặt khác phần lớn các giải pháp đều chưa đạt được tính toàn diện, chủ yếu mới thiên về một số giải pháp cục bộ như bảo vệ bằng sơn phủ kết cấu, sử dụng chất ức chế ăn mòn, tăng cường độ chống thấm của

bê tông bằng phụ gia… Hậu quả là hàng loạt các công trình ven biển được xây dựng ồ ạt trong những năm 80 và 90 vẫn áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường nên có tuổi thọ rất thấp Trung bình sau 10 ÷ 15 năm sử dụng đã có dấu hiệu hư hỏng nghiêm trọng

Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (VKHCNXD) - Bộ Xây dựng từ những năm đầu của thập kỷ 80 đã triển khai nghiên cứu lĩnh vực chống ăn mòn bê tông bảo vệ cốt thép, đã đạt được một số thành quả nhất định theo hướng sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn và sơn phủ bề mặt kết cấu đối với công trình biển Năm 1994,

Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường đã giao cho VKHCNXD [2] nghiên cứu tổng thể các điều kiện kỹ thuật cần thiết để bảo vệ chống ăn mòn và đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép xây dựng ở vùng biển phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội ở Việt Nam (đề tài mã số ĐTĐL-40/94) Trên

cơ sở các kết quả nghiên cứu này, đã biên soạn những chỉ dẫn kỹ thuật cần thiết cho công tác xây dựng và sửa chữa công trình làm bằng bê tông và bê tông cốt thép vùng biển nước ta VKHCNXD cũng đã xây dựng tiêu chuẩn ngành về vấn đề này Nhưng cho tới nay vẫn chưa được ban hành

Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải trong một số công trình nghiên cứu vấn đề ăn mòn bê tông đã đưa ra nhiều ý kiến phân tích tình hình hư hỏng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép do ăn mòn, chỉ ra các nguyên nhân và đề ra các biện pháp bảo vệ như là: dùng các phụ gia kị nước (dầu thảo mộc), nước thải bã giấy nhằm nâng cao độ chắc cho bê tông Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm như: Sơn bitum- cao su, sơn bitum-epoxy Viện Khoa học Thủy Lợi đã thành công trong đề tài sử dụng phụ gia bentonit tăng chống thấm, giảm ăn mòn cốt thép đối với các công trình thủy lợi

Vào những năm cuối của thập kỷ 90 có một số đề tài về công nghệ vật liệu mang mã số KC-05-13A về triển khai chế tạo các tổ hợp bê tông và vữa có phụ gia

ức chế ăn mòn và bảo vệ cốt thép trong môi trường biển Việt Nam Đề tài này bao gồm các nhánh đề tài: Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn cốt thép, nghiên cứu dùng phụ gia ZKJ, nghiên cứu dùng phụ gia bentônít cải tiến , nghiên cứu dùng phụ gia khoáng SISEX, nghiên cứu dùng phụ gia SP melamin foocmaldehit sunfomat, nghiên cứu dùng phụ gia polymer trong bê tông

Mục đích đưa các loại phụ gia trên vào bê tông là để tăng cường độ đặc chắc,

độ chống thấm cho bê tông, từ đó ngăn ngừa hoặc hạn chế ăn mòn Các phương pháp ức chế ăn mòn, bảo vệ catốt thường phối hợp với các phương pháp chống ăn mòn bê tông, nhằm bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép nói chung Liên tục trong các năm từ 1995 đến năm 2003 đã có nhiều hội nghị khoa học

về chống ăn mòn cho các công trình xây dựng được tổ chức ở các cơ quan như VKHCNXD [5] , VKHCNGTVT, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Tuy nhiên các đề tài đều tập trung vào công tác chống ăn mòn cho các công trình biển, chưa

có một hội nghị chính thức nào nói về ăn mòn của công trình xây dựng dân dụng

trường biển ở nước ta nhưng cho đến nay vẫn chưa triển khai áp dụng được nhiều vào sản xuất Chúng ta đã nghiên cứu sản xuất được một số loại xi măng bền trong môi trường nước biển như: Xi măng chống sunphat, xi măng bari và đã được sử dụng một số công trình bê tông cốt thép trong nước mặn hoặc chịu ảnh hưởng của nước mặn

Năm 2000 nhà nước ta đã cho phép VKHCNXD [3] thực hiện một số dự án

kỹ thuật, kinh tế về chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và bê tông cốt thép vùng biển Đề tài này được triền khai hai năm 2000 ÷ 2001 Hy vọng rằng các

dự án được thực hiện sẽ có nhiều kết quả ứng dụng vào các công trình xây dựng

Hình 1.4 Hình 1.5 Cảng Thương vụ - Vũng Tầu

sau 15 năm sử dụng

Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng

Hình 1.6 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy thủy điện

Hòa Bình

Hình 1.7 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2

– Hải Phòng

Hình 1.8 Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn

cốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển

Hình 1.9 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông

kè biển Cát Hải – Hải Phòng

Hình 2.1 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn – Bến Tre

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN

2.1 Hiện tượng ăn mòn các công trình biển

Độ bền của công trình được quyết định bởi nhiều yếu tố, như thiết kế, thi công, vật liệu sử dụng, khai thác.v.v…Trong đó vật liệu là yếu tố có thể nói là quan trọng nhất Đối với các công trình xây dựng nói chung và các công trình thuỷ lợi, biển nói riêng, thì bê tông và thép là hai loại vật liệu chính được sử dụng thường xuyên, cấu thành nên kết cấu bê tông cốt thép có độ bền cao, giá thành rẻ

và có tính linh hoạt Một vật liệu chịu nén tốt và rẻ là bê tông kết hợp với một vật liệu chịu kéo - nén tốt là cốt thép cho phép các nhà thiết kế có được các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đạt hầu hết các yêu cầu xây dựng hiện đại ngày nay Thực tế cho thấy, nếu sử dụng bê tông cốt thép thì sẽ tiết kiệm được đáng kể chi phí dành cho việc xây dựng, duy tu, bảo dưỡng so với việc sử dụng vật liệu thép đơn thuần Trong lĩnh vực xây dựng công trình biển, vật liệu bê tông cốt thép được

sử dụng rộng rãi để làm các công trình như: kè, đập bê tông trọng lực, cầu tàu, bến cảng Để duy trì các lợi thế của bê tông cốt thép trong các công trình này trong suốt quá trình vận hành khai thác, thì một yếu tố quan trọng là phải đảm bảo độ bền của bê tông và cốt thép trước ảnh hưởng của các yếu tố môi trường gây ra Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân liên quan đến quá trình thiết kế, thi công, bảo dưỡng

mà cả bê tông và cốt thép đều bị suy giảm độ bền theo thời gian, nhất là khi làm việc trong các môi trường có tính xâm thực cao Trong đó, sự suy giảm độ bền của các kết cấu công trình do ăn mòn bê tông và cốt thép là nguyên nhân chủ yếu

Hình 2.2 Hiện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT

công trình Bình Cát – Bến Tre

Các công trình biển, nhất là các công trình cảng, cống, đập, kè bê tông cốt thép luôn có các bộ phận kết cấu tiếp xúc với môi trường ẩm ướt, có độ xâm thực cao, môi truờng khô, ướt liên tục đã là điều kiện thuận lợi cho quá trình ăn mòn xảy ra nhanh, ảnh hưởng để độ bền dài hạn Sự có mặt của các đường nứt không mong muốn vốn được ghi nhận ở hầu hết các công trình cảng, đập, kè ở Việt nam

đã tạo điều kiện cho nước và không khí có hại thấm vào bên trong kết cấu Và điều

có thể chắc chắn rằng các bộ phận kết cấu công trình này sẽ bị ăn mòn theo thời gian Ăn mòn các bộ kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép xảy ra đồng thời ở cả

ăn mòn bê tông và ăn mòn các cốt thép ở bên trong Trong đó, sự ăn mòn bê tông xảy ra là một trong những điều kiện quan trọng làm cho quá trình ăn mòn các cốt thép xảy ra nhanh hơn

2.2 Ăn mòn bê tông

Bê tông là loại vật liệu rỗng được cấu thành bởi đá xi măng và khung cốt liệu Trong môi trường có tác động xâm thực, bê tông dễ dàng bị ăn mòn nếu không có các giải pháp bảo vệ hợp lý Đá xi măng là phần bị ăn mòn đầu tiên, tiếp

đó là phần liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu, còn các cốt liệu khó bị ăn mòn hơn Khi đá xi măng bị ăn mòn thì cấu trúc của bê tông cũng bị phá hủy theo

Bê tông bị ăn mòn khi tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí có chứa các chất ăn mòn Nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước thải công nghiệp là những chất lỏng gây ăn mòn bê tông mạnh nhất Các loại khí thải của nhà máy hóa chất

hoặc khí hậu ven biển là các tác nhân khí gây ăn mòn bê tông Tốc độ của quá trình

ăn mòn bê tông phụ thuộc vào đặc tính của xi măng sử dụng, hàm lượng và loại phụ gia bê tông và đặc biệt là nồng độ của các chất hóa học gây ăn mòn có trong nước hay không khí mà bê tông tiếp xúc trực tiếp Đặc biệt, khi bê tông chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao hoặc có các tác động cơ học gây phá hủy cấu trúc rỗng của

bê tông thì quá trình ăn mòn bê tông xảy ra càng nhanh

Có thể phân ra hai dạng ăn mòn chính của bê tông là ăn mòn hóa học và ăn mòn vật lý Ăn mòn hóa học là kết quả tương tác hóa học của môi trường bên ngoài với các khoáng của đá xi măng và cốt liệu; do các phản ứng hóa học, sự phá hủy của cấu trúc bê tông dần dần xẩy ra, làm giảm độ bền của bê tông, và cuối cùng là phá hủy cả kết cấu công trình Ăn mòn vật lý bê tông diễn ra dưới ảnh hưởng của nội lực và ngoại lực, gây ra do tác dụng của tải trọng sử dụng, do giãn

nở thể tích của nước đóng băng trong các lỗ của bê tông, do thấm ướt và sự khô,

ẩm thay đổi

2.2.1 Ăn mòn hóa học của bê tông

Do tính đa khoáng của xi măng, sự tương tác của nó trước các muối khác nhau trong môi trường là rất khác nhau Có thể chia thành các dạng cơ bản ăn mòn

bê tông sau đây:

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

Quá trình ăn mòn dạng này diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hyđroxyt canxi (Ca(OH)2) và aluminat canxi ngậm nước CaO.Al2O3.nH2O) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi (Ca(OH)2) tan mạnh nhất Dạng ăn mòn này diễn ra khi sự tác động của nước tương đối tinh khiết 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 (Hình 2.3) Loại ăn mòn này còn được gọi là quá trình khử kiềm trong bê tông (sự chết trắng bê tông) làm giảm độ pH trong bê tông và thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép

Hình 2.3 Ca(OH) 2 trong bê tông phản ứng với CO 2 ngoài không khí để tạo CaCO 3

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

2.2.1.2 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 xi măng 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 cácbonic như sau:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (2.1) CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 (2.2)

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 (2.3) Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O (2.4) Ca(OH)2 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + 2H2O (2.5) 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 xi măng

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

MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (2.6) MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2 (2.7) 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 bê tông Nhiều quan sát đã chỉ ra rằng: khi ăn mòn Magie 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 bê tông Đôi khi nước không chuyển động và nồng độ MgCl2 nhỏ, dẫn đến làm chắc đặc kết cấu lớp bề mặt bê tông 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 Magie đáng kể khi nồng độ MgCl2 lớn hơn 2%

2.2.1.3 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 xi măng gây ra, do sự tương tác của các sản thủy hóa xi măng với các hợp chất của môi trường hoặc xâm thực từ bên ngoài, làm tăng thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá

Ăn mòn dạng này là sự ăn mòn nguy hiểm nhất Ở giai đoạn đầu tiên, những tinh thể tạo thành và phát triển, chất đầy các lỗ, các mao quản của đá xi măng, làm chắc đặc bê tông, làm tăng độ bền của nó Nhưng sau đó, các tinh thể phát triển, làm tăng kích thước, bắt đầu đè nén lên thành lỗ mao quản, gây ra lực căng trong mối liên kết cấu trúc xi măng 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 bê tông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bê tông 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 (2.8)

Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + 2NaOH (2.9) + 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) + 19H2 = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (2.10)

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

Hình 2.4 - Vữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở được tạo ra 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

xi măng và bê tông NaOH là chất hòa tan mạnh trong nước

Ettrigit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, 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 bê tông có thể bị phá vỡ

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

NH4Cl + Ca(OH)2 + 2H2O = CaCl2.2H2O + 2NH4OH (2.11) 4CaOAl2O3.xH2O + CaCl2.2H2O + H2O = Ca(OH)2.2H2O +

+ CaO.Al2O3.CaCl2.xH2O (2.12) 2NH4NO3 + Ca(OH)2 + 4H2O = Ca(NO3)2.4H2O + 2NH4OH (2.13) 4CaOAl2O3.xH2O + Ca(NO3)2.4H2O + H2O = Ca(OH)2 +

+3CaO.Al2O3.Ca(NO3)2.xH2O (2.14) (NH4)2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.2H2O + 2NH4OH (2.15)

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 (2.17) Natri cacbonat kết tinh nở thể tích, nên phá vỡ cấu trúc của bê tông Vì vậy phản ứng hoá học nêu trên là phản ứng phá hoại bê tông do kiềm

2.2.2 Ăn mòn vật lý của bê tông

Độ bền của các kết cấu bê tông và bê tông 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 bê tông, 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 bê tông 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 giữa 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, tải 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

2.3 Ăn mòn cốt thép

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 bê 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 cácbonát hóa 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 vào bên trong bê tông là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn các cốt thép

Hình 2.5 - Cốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép

Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông bảo vệ đặc chắc thì môi trường kiềm trong bê tông đủ cao để tạo ra một lớp bảo vệ các cốt thép Nếu màng bảo vệ này bị phá hủy (bê tông bị ăn mòn, bị phá hủy hay nứt), quá trình ăn mòn các cốt thép sẽ xảy ra Dạng ăn mòn điển hình nhất đối với các cốt thép là ăn mòn

+ Nồng độ một số ion xâm thực, điển hình là Clˉ, vượt quá giới hạn, gây mất

ổn định màng thụ động Về mặt hóa học quá trình ăn mòn cốt thép diễn ra theo phản ứng hóa học:

4Fe + 6H2O + 3O2 = 4Fe(OH)2 (2.18)

Về bản chất đây là quá trình điện hóa xảy ra theo phản ứng ôxy hóa khử dị thể Khi lớp màng thụ động bị phá vỡ, trên bề mặt cốt thép xuất hiện vô số các pin

tế vi với 2 cực anốt và catốt Tại các cực này xảy ra các phản ứng (Hình 2.6):

+ Tại anốt là quá trình sắt bị hòa tan, ion Fe2+ sẽ đi vào dung dịch

Fe = Fe2+ + 2e- (2.19) + Tại catốt điện tử dư thừa sẽ kết hợp với O2 và nước để hình thành ion OH−

2e- + 1/2O2 + H2O = 2OHˉ (2.20)

Hình 2.6 - Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông

Các phản ứng (2.19) ở anốt và (2.20) ở catốt chỉ là bước đầu của quá trình tạo

ra rỉ sắt trên các cốt thép Rỉ sắt được tạo ra theo các phản ứng tiếp theo như sau:

Fe2++ 2OHˉ = Fe(OH)2 (2.21) 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 (2.22) 2Fe(OH)3 = Fe2O3.H2O + 2H2O (2.23) Sản phẩm 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 10 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, có thể thấy chỉ có O2 mới tham gia phản ứng hình thành rỉ sắt, nước chỉ tạo điều kiện cho phản ứng thủy phân xảy ra O2 có thể khuếch tán qua lớp bê tông bảo vệ đến bề mặt cốt thép Như vậy trong trường hợp bê tông khô phản ứng thủy phân khó diễn ra Trong trường hợp bê tông ngập nước, do O2 hòa tan trong nước ít, nên cũng ít có khả năng xảy ra phản ứng tạo rỉ 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, thủy lợi 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

Tuy nhiên O2 và H2O chỉ tham gia vào phản ứng gây gỉ, còn điều kiện để phản ứng này xảy ra là màng thụ động trên bề mặt cốt thép phải bị xuyên thủng

Cơ chế xuyên thủng màng thụ động này tuy còn nhiều bàn cãi, song về nguyên tắc hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất là khi độ pH của môi trường bê tông bị giảm đến một giới hạn nào đó thì hiện tượng đó xảy ra

Giới hạn của độ pH đủ để làm mất trạng thái thụ động dao động trong khoảng

từ 9 đến 11.5 Nguyên nhân dẫn đến việc độ pH của bê tông bị giảm có một số lý

do sau:

+ Quá trình cacbonat hóa bê tông dưới tác dụng của CO2 có trong môi trường

nhưng hiện tượng ăn mòn vẫn diễn ra

+ Nguyên nhân do tác động của ion Clˉ; Ion Clˉcó 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 nhiễm mặn

- Khi xử lý bê tông bằng các chất làm tan băng

- Khi xử lý các phụ gia rắn nhanh chứa clo.v.v…

2.4 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển

Trong môi trường biển và các vùng ven biển, bê tông trong các công trình xây dựng, giao thông, nhất là công trình thủy lợi có nguy cơ bị ăn mòn lớn nhất Ở những vùng này hiện tượng ăn mòn và phá hủy bê tông thường xảy ra mạnh đối với kết cấu nằm ở vị trí tiếp xúc với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khô ẩm phía mặt ngoài công trình Với những kết cấu nằm ở vị trí khác, khô ráo và không bị ẩm ướt thường ít bị hư hỏng do ăn mòn hơn

Hình 2.7 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng lượng các muối hoà tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4; 0,02 KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hoà tan Ngoài ra trong nước biển còn

có các hợp chất hoá học như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit, cũng như các loại muối bromua, iodua… Độ pH của nước biển đạt 8,0 Nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn tương tự với nước biển ở các nước khác trên thế giới, riêng ở vùng bờ thì độ mặn có suy giảm ít nhiều do ảnh hưởng của nước ở một số con sông lớn chảy ra biển

Trong nước biển có ion clo Clˉ Như vậy có thể sinh phản ứng hoá học với Ca(OH)2 trong đá xi măng và bê tông để tạo ra CaCl2 như phản ứng hoá học giữa HCl và Ca(OH)2 (Các phản ứng (2.3), (2.7))

Trong nước biển có ion SO4

2 - như vậy nó có thể phản ứng hoá học với Ca(OH)2 trong bê ông để tạo ra CaSO4 sau đó lại tương tác với 3CaOAl2O3.6H2O

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 (2.8), (2.9) và (2.10))

lực; nhiều chỗ lớp bê tông bảo vệ bong tách hẳn do lớp gỉ thép quá dày; tiết diên cốt thép có thể bị giảm tới 20 ÷ 60% so với ban đầu; các cốt đai nằm ở phía ngoài thường bị gỉ nặng hơn và bị đứt nhiều; các cốt thép bị lộ ra ngoài 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 ÷ 20 năm sử dụng

Các công trình thủy lợi 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 sau:

+ Các yếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại

muối

+ Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thủy triều lên xuống

nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

+ Các yếu tố vật lý: Nhiệt độ biến đổi

+ Các yếu tố cơ học: Tác động của sóng xói mòn trên bề mặt bê tông

Tác động phối hợp của các yếu tố này làm cho các công trình thủy lợi bằng bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ven biển bị ăn mòn mạnh Xét

về bản chất có một số dạng ăn mòn chính sau đây:

+ Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển

+ Ăn mòn cốt thép trong vùng không khí biển và vùng thủy triều lên xuống + Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển Các vi sinh vật trong nước biển có khả năng tiết ra một số hợp chất hóa học tác dụng với thành phần đá xi măng gây ăn mòn bê tông theo cơ chế hóa học 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 chất đến tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép

Đối với các công trình vượt biển như cầu hay cảng, kè, cống vùng triều, quá trình ăn mòn kết cấu có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau:

+ Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu xảy ra ăn mòn hóa học và ăn mòn

vi sinh ở mức độ nhỏ đối với bê tông

+ Vùng thủy triều lên xuống: Ở đây 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 lý và va đập, mài mòn cơ học

+ Vùng không khí biển (không khí chứa các muối phân tán): Chủ yếu là ăn

mòn cốt thép, dẫn tới làm nứt nẻ, phá hoại lớp bê tông bảo vệ

Môi trường biển là môi trường hoá học, vì vậy quá trình ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển có thể được mô tả tóm tắt như sau:

+ Trong xi măng có chứa khoáng 3CaO.Al2O3, khi thuỷ hoá tạo ra khoáng hyđro aluminat canxi dạng: 3CaO.Al2O3.6H2O (C3AH6) Khi nước biển thấm vào khối bê tông sẽ xảy ra phản ứng :

C3AH6 + 3Ca2+ + 3SO42- + 26H2O → C3A3CaSO4.32H2O (2.25) Sản phẩm của phản ứng (ettringit) có thể tích tăng gấp 4,76 lần so với các chất tham gia phản ứng tạo ra ứng suất phá vỡ cấu trúc đá xi măng

Khoáng C3S trong xi măng khi thuỷ hoá giải phóng ra Ca(OH)2 và trong khi nước biển thấm vào bê tông sẽ xảy ra các phản ứng :

Ca(OH)2 + Mg+2 + 3SO4-2 + 2H2O → CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (2.26) Các sản phẩm của phản ứng này bị hoà tan và bị rửa trôi trong nước biển + Bản thân các sản phẩm thuỷ hoá chính của xi măng là các hydro silicat canxi cũng bị phản ứng hoá học tạo thành các sản phẩm dễ bị hoà tan, ví dụ:

3CaO.2SiO2.3H2O + 3MgSO4.nH2O → 3(CaSO4.H2O) + 2SiO2.nH2O