NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN, TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

Đê biển và các công trình bê tông trong vùng biển là loại công trình ven bờ biển và trong môi trường biển, bị nước biển theo thời gian ăn mòn, phá hỏng các kết cấu bê tông, bê tông cốt t

TẠ DUY LONG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN, TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2012

TẠ DUY LONG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN, TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

MÃ SỐ : 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN NHƯ OANH

2 TS VŨ QUỐC VƯƠNG

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỂ TÀI 4

CHƯƠNG I 5

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG, 5

BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN 5

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN THẾ GIỚI 5

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VIỆT NAM 8

CHƯƠNG II 13

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM 13

2.1 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM 13

2.1.1 Vùng ngập nước biển 13

2.1.2 Vùng khí quyển trên biển và ven biển 14

2.1.3 Vùng nước lên xuống và sóng đánh 16

2.2 CƠ CHẾ PHÁ HỦY BÊ TÔNG TRONG NƯỚC BIỂN 16

2.2.1 Giới thiệu về xi măng 16

2.2.2 Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng 19

2.2.2.1 Cấu trúc của đá xi măng 19

2.2.2.2 Ăn mòn xi măng 21

2.2.3 Tác động ăn mòn xi măng của nước biển 21

2.2.3.1 Tác động của CO2 22

2.2.3.2 Tác động của MgCl2, MgSO4 22

2.2.4 Hiện tượng mềm hóa bê tông do nước biển gây ra 24

2.2.4.1 Cơ sở đánh giá cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian 24

2.2.4.2 Đánh giá sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông trong môi trường nước biển ở Đồng bằng Sông Cửu Long 26

2.3 CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA NƯỚC BIỂN 28

2.4 TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH VÀ QUÁ TRÌNH SUY GIẢM ĐỘ BỀN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 38

CHƯƠNG III 43

CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN 43

3.1 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG NHẰM ĐẢM BẢO ĐỘ BỀN LÂU CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG,

BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN 44

3.1.1 Yêu cầu về vật liệu đầu vào và lựa chọn thành phần bê tông 44

3.1.1.1 Chủng loại xi măng dùng trong môi trường biển 44

3.1.1.2 Cốt liệu dùng cho bê tông 44

3.1.1.3 Nước cho bê tông 50

3.1.1.4 Phụ gia cho bê tông 51

3.1.1.5 Cốt thép 53

3.1.2 Thiết kế kết cấu và cấu tạo kiến trúc 54

3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật trong thi công 56

3.1.3.1 Thiết kế thành phần bê tông có tính tới sự dao động chất lượng 56

3.1.3.2 Đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ trong lắp dựng cốt thép 59

3.1.3.3 Đổ và đầm bê tông 60

3.1.3.4 Kỹ thuật thi công mạch ngừng và mối nối 62

3.1.3.5 Yêu cầu về bảo dưỡng bê tông 64

3.2 CÁC BIỆN PHÁP HỖ TRỢ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 66

3.3 CÁC BIỆN PHÁP BẢO TRÌ VÀ SỬA CHỮA KẾT CẤU VÙNG BIỂN 74

CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA CHỐNG THẤM, CHỐNG XÂM THỰC BIFI-WP CHO BÊ TÔNG VÙNG BIỂN 82

4.1 GIỚI THIỆU PHỤ GIA BIFI-WP 82

4.2 THÍ NGHIỆM ĐỂ ĐÁNH GIÁ NHỮNG TÁC DỤNG MÀ PHỤ GIA BIFI-WP MANG LẠI 82

4.2.1 Các thí nghiệm 82

4.2.1.1 Thí nghiệm xác định độ lưu động 82

4.2.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ 84

4.2.1.3 Thí nghiệm xác định hệ số thấm 84

4.2.2 Thành phần bê tông và cấp phối thí nghiệm 86

4.2.2.1 Thành phần bê tông 86

4.2.2.2 Cấp phối thí nghiệm 86

4.2.2.3 Lựa chọn tỷ lệ phụ gia 86

4.2.3 Các kết quả thí nghiệm 88

4.2.3.1 Kết quả thí nghiệm cường độ 88

4.2.3.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm 88

4.2.3.3 Thí nghiệm ngâm mẫu vữa xi măng trong nước biển 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỂ TÀI

Nước ta có đường bờ biển dài hơn 3600 km trải dài từ Móng Cái đến

Hà Tiên Bên cạnh việc đem lại cho con người những giá trị tích cực về kinh

tế, tinh thần, biển còn có thể mang đến sự tàn phá, huỷ hoại ghê gớm Từ bao đời nay, những công trình trong môi trường biển, bảo vệ bờ biển đã và đang hình thành ngày càng nhiều với sự đóng góp đáng kể của những tiến bộ khoa học kỹ thuật với mục đích lợi dụng tối đa những lợi ích và giảm tối thiểu những tác động tiêu cực từ nước biển

Đê biển và các công trình bê tông trong vùng biển là loại công trình ven

bờ biển và trong môi trường biển, bị nước biển theo thời gian ăn mòn, phá hỏng các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép không những về mặt cơ học mà còn gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học Nó gây hư hỏng và giảm tuổi thọ công trình Một khi đê biển và các công trình bê tông và bê tông cốt thép bị phá hoại thì hậu quả tác động tới kinh tế và kinh tế xã hội rất lớn Vì vậy việc nghiên cứu cơ chế ăn mòn hóa học của bê tông trong môi trường biển và đưa

ra một số giải pháp giảm thiểu ăn mòn, tăng tuổi thọ công trình trở thành vấn

đề vô cùng cấp thiết với nước ta hiện nay

Những vấn đề cần giải quyết của luận văn

- Nghiên cứu cơ chế ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam

- Các giải pháp khắc phục tình trạng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép vùng biển

- Nghiên cứu sử dụng phụ gia chống thấm, chống xâm thực để khắc phục tình trạng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG,

BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN THẾ GIỚI

Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 1920 tại Hội nghị hằng hải Quốc tế [22] cho tới nay đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề ăn mòn bê tông và

bê tông cốt thép vùng biển Xung quanh cơ chế phá hủy bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển còn nhiều điều bàn luận, đặc biệt là bản chất

sự ăn mòn bê tông trong nước biển 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 ở biển 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[24], 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 biển có xác định một số sản phẩm ăn mòn như aragonite, brucite, ettringite, magnesium silicat hydrate,… Tuy vậy

ở một số công trình, bê tông còn giữ được chất lượng cao sau nhiều năm ở

biển (70 năm), mặc dù được chế tạo từ xi măng pooclang với hàm lượng C3A tới 14,9%

Trong hội nghị khoa học về công trình biển lần thứ 2 vào năm 1988[22] K.Mehta tiếp tục đưa ra những dẫn chứng khác về sự ăn mòn bê tông, bê tông cốt 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 [20] 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[19] 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 Charnomskij 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 pooclang 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

Các nghiên cứu đều có kết luận thống nhất về nguyên nhân ăn mòn là

do các sản phẩm hủy hóa của xi măng bị tan vào môi trường hoặc tác dụng với các muối, axit có trong môi trường tạo ra những hợp chất có tính tan mạnh hoặc nở thể tích gây nên sự phá hủy kết cấu nội bộ các công trình Các công trình nghiên cứu cũng đánh giá được hiệu quả của các biện pháp chống

ăn mòn: Dùng phụ gia vô cơ hoạt tính, dùng xi măng đặc biệt…Các bình luận

về nguyên nhân gây ăn mòn và giới 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, BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VIỆT NAM

Nhiều công trình xây dựng bằng 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 nghiên cứu chưa quan tâm nghiên cứu về lý thuyết, mà chủ yếu đi vào các biện pháp cụ thể chống ăn mòn cho công trình kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Các nghiên cứu tập trung vào việc chống ăn mòn của môi trường lỏng, chủ yếu là môi trường biển, vì nước ta có hơn 2000 km bờ biển

và ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường biển

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 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 2000 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, 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 công nghiệp và công trình trong môi trường nước ngọt

Ngoài những đề tài trên, còn có một số nghiên cứu khác về chống ăn mòn và tăng tuổi thọ cho công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ở vùng ven biển Trước đây nhà nước ta đã cử một số cán bộ khoa học sang học ở các nước bạn (Liên Xô, Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani…) làm nghiên cứu sinh, nghiên cứu các đề tài về ăn mòn bê tông trong nước biển

Tuy đã có một số kết quả nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép trong môi 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 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

Hình 1.4 Cảng Thương vụ - Vũng Tầu sau 15 năm sử dụng[1]

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

dụng[1]

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

2.1 ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với đặc tính cơ bản là nóng ẩm và phân bố theo mùa Vùng biển Việt Nam nằm trải dài trên 3200Km, từ 80

-240 vĩ bắc Dựa theo tính chất xâm thực của môi trường biển,

vị trí làm việc của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới khá rõ

+ Vùng ngập nước: Bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong nước biển

+ Vùng nước lên xuống (bao gồm cả phần sóng táp): bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc ở vị trí giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất

và cao nhất, tính cả phần bị sóng đánh vào

+ Vùng khí quyển trên biển và ven biển: Bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc trong vùng không khí trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền tới 20km Sau đây là đặc điểm từng vùng

2.1.1 Vùng ngập nước biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các lượng muối hòa 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 hòa tan Độ pH của nươc biển đạt 8,0 Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm thực mạnh đối với các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực tương đương với các nơi khác trên thế giới Riêng vùng gần bờ độ mặn có suy

giảm ít nhiều do ảnh hưởng của các con song chảy ra biển Thành phần hóa học và độ mặn của nước biển Việt Nam được thể hiện ở bảng 2.1 và bảng 2.2

Bảng 2.1 Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới[6]

Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển

Hòn Gai

Vùng biển Hải Phòng

Biển Bắc

Mỹ

Biển Ban Tích

Cửa Ông 29.2 30.0 30.4 25.3 23.4 21.3 26.6 Hòn Gai 30.8 31.5 31.6 32.2 30.8 29.3 31.0 Hòn Dấu 26.3 28.1 28.1 17.1 11.9 10.9 20.4 Văn Lý 25.9 18.3 29.5 25.4 20.1 19.0 23.0 Cửa Tùng 22.8 27.2 29.3 31.8 31.3 31.7 29.0

Vũng Tàu 30.4 33.1 34.7 29.8 29.8 27.6 30.9

2.1.2 Vùng khí quyển trên biển và ven biển

Khí quyển trên biển và ven biển Việt Nam có một số đặc trưng sau đây: + Nhiệt độ không khí

Vùng biển Việt Nam có nhiệt độ không khí tương đối cao, trung bình từ 22,5-22,70C, tăng dần từ Bắc vào Nam Miền Bắc có từ 2 đến 3 tháng mùa đông, nhiệt độ dưới 200C Miền Nam cao đều nhiệt độ quanh năm, biên độ dao động từ 3 đến 70

C

+ Bức xạ mặt trời

Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận được trên vùng ven biển khá lớn từ 100-150 kcal/cm2 Lượng nhiệt bức xạ tăng dần từ Bắc vào Nam và đạt cao nhất tại cực Nam Trung Bộ Với lượng bức xạ cao như vậy đã thúc đẩy quá trình bốc hơi nước biển mang theo ion Cl-

vào khí quyển

+ Độ ẩm không khí

Độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế giới, dao động trung bình từ 75-80% Cụ thể là:

- Vùng ven biển Băc Bộ và Bắc Trung Bộ: 83-86%

- Vùng ven biển Trung và Nam Trung Bộ: 75-82%

- Vùng ven biển Nam Bộ: 80-84%

+ Thời gian ẩm ướt bề mặt

Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu trung bình trong năm ở vùng ven biển các tỉnh phía bắc dao động từ 1300-1850 giờ/ năm tập trung chủ yếu vào mùa xuân, còn các tỉnh miền Nam từ 450-950 giờ/năm, tập trung vào các tháng mưa mùa hạ Đây là đặc điểm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam,

có ảnh hưởng đến ăn mòn khí quyển biển

+ Hàm lượng ion Cl-

trong không khí Khí quyển trên biển và ven biển có chứa hàm lượng ion Cl-

phân tán cao, tại trạm đo sát mép nước ở các tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4-1,3 mg Cl-

/m2, ở các tỉnh Miền Nam khoảng từ 1,3-2,0 mg Cl

-/m2 Nồng độ ion Cl- giảm mạnh ở cự ly 200-250m tính từ sát mép nước, sau đó tiếp tục giảm dần khi đi

sâu vào trong đất liền Tuy nhiên do ảnh hưởng của nhiều đợt gió mùa thổi từ biển vào lục địa nồng độ ion Cl- có thể cao hơn

2.1.3 Vùng nước lên xuống và sóng đánh

Đây là vùng giao thoa giữa vùng ngập nước và vùng khí quyển trên biển Do nước biển lên xuống thường xuyên dẫn tới quá trình khô ướt xảy ra liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên trên bề mặt kết cấu cùng với nhiệt độ môi trường cao làm tăng khả năng tích tụ ion Cl-

2.2 CƠ CHẾ PHÁ HỦY BÊ TÔNG TRONG NƯỚC BIỂN

Theo lý thuyết các công trình bê tông có tính chất ngày càng tốt hơn do

sự phát triển cường độ đá xi măng theo thời gian Tuy nhiên, thực tế không phải như vậy mà các công trình bê tông bị hư hỏng theo thời gian mà nguyên nhân chính là đá xi măng bị ăn mòn Ăn mòn đá xi măng có thể là do bản thân

đá xi măng có chứa các chất khoáng gây ăn mòn hoặc các tác nhân của môi trường tác dụng với khoáng của xi măng tạo ra các khoáng mới gây ăn mòn

2.2.1 Giới thiệu về xi măng

Xi măng pooc lăng là chất kết dính rắn trong nước quan trọng nhất trong xây dựng các công trình hiện nay Xi măng pooc lăng được phát minh

và đưa vào sử dụng trong xây dựng từ đầu thế kỷ XIX khoảng năm 1824 Xi măng pooc lăng chứa khoảng 70-80% silicat canxi nên cũng có thể gọi là xi măng silicat

Trong công nghiệp xi măng pooc lăng được sản xuất từ 2 nguyên liệu chính là đá vôi và đất sét sau khi gia công cơ học và nung đến nhiệt độ cần thiết để được clanhke xi măng Từ clanhke xi măng nghiền chung với một lượng thạch cao (điều chỉnh thời gian đông kết) sẽ được xi măng pooc lăng (PC), nếu hỗn hợp này nghiền chung với phụ gia khoáng (hàm lượng không vượt quá 40%) được gọi là xi măng pooc lăng hỗn hợp (PCB)

Thành phần khoáng vật của xi măng pooc lăng quyết định đến mọi tính chất của vật liệu dùng xi măng

Bảng 2.3 Thành phần khoáng vật của xi măng[3]

Tên khoáng vật Công thức Viết tắt Tỷ lệ % trong

clanhke Silicat tricanxit

Silicat đi canxit

Aluminat tri canxit

Fero-aluminat tetra canxit

từ 70-80% Ngoài các thành phần chính trong chúng còn chứa một lượng không lớn các khoáng vật khác như: C8A3F và C2F Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu như sau:

C3S – Thành phần quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất, có cường độ cao, răn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt Trong xi măng tỷ lệ C3S chiếm càng nhiều, chất lượng của xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit Tuy nhiên hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường

C2S – Có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường

độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau Nếu tỷ lệ C2S chiếm nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit Loại xi măng này cho tính bền trong môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng C3S

C3A – thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường

độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ Nếu hàm lượng C3A chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminat Loại xi măng này rất kém bền trong các môi trường đặc biệt là môi trường sun phát

C4AF – rắn tương đôi nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát triển rõ rệt trong thời kỳ sau Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất trong xi măng khoảng 3,77 g/cm3

Quá trình rắn chắc của xi măng là quá trình từ hồ xi măng biến thành đá

xi măng, là quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp Quá trình này được chia làm 2 thời kỳ:

Giai đoạn đông kết là giai đoạn hồ xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ

Giai đoạn rắc chắc là giai đoạn hồ xi măng mất hoàn toàn tính dẻo và cường độ phát triển dần

Khi tác dụng với nước, thành phần khoáng vật chủ yếu của xi măng sẽ thủy hóa và thủy phân Khoáng vật C3S sẽ thủy phân trong quá trình tác dụng với nước theo phản ứng sau:

3CaO.SiO2 + nH2O  3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

ra với lượng nước hạn chế đặc biệt là phản ứng (2.2) Do đó phản ứng (2.2) không có mặt của Ca(OH)2 và sản phẩm chính mới tạo thành của hydrat

silicat canxi có hệ số thay đổi (xu hướng lượng kiềm giảm) Nên được viết dưới dạng tổng quát nCaO.mSiO2.pH2O (viết tắt CSH)

Thành phần C3A kết hợp với nước tạo thành sản phẩm bền cuối cùng

3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O (2.3) Nếu không có thạch cao, do C3A rất hoạt tính nên nó nhanh chóng tác dụng với nước tạo ra hai sản phẩm không bền 4CaO.Al2O3.9H20 và 2CaO.Al2O3.8H2O Nhưng khi có thạch cao sẽ tham gia phản ứng với

C3A và nước tạo nên một sản phẩm mới khó hòa tan và nở thể tích (ettringit), theo phương trình sau:

3CaO.Al2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+26H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (2.4)

Thành phần C4AF phản ứng với nước như sau:

4CaO.Al2O3.Fe2O3+ nH2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.(n-6)H2O (2.5)

Như vậy là sau quá trình thủy hóa, trong đá xi măng bao gồm các hợp chất sau: Ca(OH)2, CHS, 3CaO.Al2O3.6H2O, ettringit, CaO.Fe2O3.nH2O

2.2.2 Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng

2.2.2.1 Cấu trúc của đá xi măng

Hồ xi măng được tạo thành sau khi xi măng phản ứng với nước, là hệ

có cường độ, độ nhớt, độ dẻo cấu trúc và tính xúc biến Sau khi trộn, hồ xi măng có cấu trúc ngưng tụ liên kết với nhau bằng lực hút phân tử và lớp vỏ hydrat Cấu trúc này bị phá hủy dưới tác dụng của lực cơ học (nhào trộn, rung…) Do ứng suất trượt giảm đột ngột, nó trở thành chất lỏng nhớt Ở trạng thái này hồ xi măng mang tính chất xúc biến, có nghĩa khi loại bỏ tác dụng cơ học độ nhớt kết cấu lại được khôi phục lại

Tính chất cơ học cấu trúc tăng theo mức độ thủy hóa của xi măng Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau: Các

phân tố cấu trúc ban đầu hình thành sau khi trộn xi măng với nước là ettringit được hình thành sau vài phút, hydro canxit xuất hiện trong khoảng vài giờ, và CSH đầu tiên là tinh thể dạng sợi, sau đó dạng nhánh, rồi dạng không gian

“bó”

Về mặt cấu trúc, đá xi măng bao gồm các hat clanhke chưa phản ứng, thành phần dạng gel, các tinh thể, lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng lớn Các hạt chưa phản ứng giảm dần theo thời gian phụ thuộc vào loại clanhke xi măng,

độ nghiền mịn và thời gian đông kết Các gel gồm các chất mới tạo thành có kích thước 50-200 A0 và lỗ rỗng gel đường kính từ 10-1000 A0

Ngoài ra trong đá xi măng còn có các chất mới tạo thành có kích thước lớn và không có tính chất keo Hàm lượng các thành phần dạng gel và tinh thể phụ thuộc vào loại clanhke xi măng, điều kiện đóng rắn Lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng

có kích thước từ 0,1-10µm, còn các lỗ rỗng chứa khí có kích thước từ 50µm đến 2mm Lỗ rỗng chứa khí thường chiếm từ 2-5% thể tích đá xi măng

Khi nhào trộn xi măng với nước để chế tạo sản phẩm, lượng nước nhào trộn thường lớn hơn rất nhiều so với lượng nước cần thiết để hydrat hóa hoàn toàn các khoáng xi măng, do đó trong đá xi măng còn có một lượng nước dư được phân bố trong lỗ rỗng gel hay nằm giữa các hạt chưa phản ứng tạo thành

lỗ rỗng mao quản Khi tăng thời gian đóng rắn của sản phẩm thì độ rỗng mao quản giảm đi do chúng được lấp đầy bởi các sản phẩm hydrat Tùy thuộc vào lượng nước nhào trộn mà độ rỗng mao quản có thể thay đổi trong khoảng rộng và có thể đạt tới 40% Khi giảm lượng nước nhào trộn, độ rỗng của sản phẩm giảm, tính chống thấm tăng lên Thực tế cho thấy khi tỷ lệ N/X là 0,4-0,45 thì tính chống thấm của đá xi măng tương đương với đá tự nhiên có độ rỗng 2-3%, nhưng nếu tỷ lệ N/X=0,6 thì tính chống thấm giảm mạnh Khi nhào trộn xi măng với nước còn tạo thành các lỗ rỗng hình cầu hay lỗ rỗng

thông nhau chứa khí, chúng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của đá

xi măng

2.2.2.2 Ăn mòn xi măng

Bê tông và vữa dùng xi măng pooclang trong quá trình sử dụng thường

bị các chất lỏng, chất khí ăn mòn, làm cho cường độ giảm xuống, thậm chí bị

phá hoại Nguyên nhân gây ăn mòn chủ yếu là:

Trong xi măng có một số thành phần, nhất là Ca(OH)2 và C3AH6 dễ bị hòa tan làm cho bê tông và hồ bị rỗng và cường độ giảm xuống

Khi gặp một số loại hóa chất như: a xít, muối… một số thành phần của

đá xi măng sinh ra các phản ứng hóa học, tạo ra những chất mới dễ tan trong nước hoặc nở thể tích hơn trước gây nội ứng suất làm cho bê tông và vữa bị phá hoại Các nguyên nhân trên thường đồng thời tồn tại và ảnh hưởng lẫn nhau

2.2 3 Tác động ăn mòn xi măng của nước biển

Theo tài liệu khảo sát các công trình do Viên Khoa học Công nghệ Xây dựng và các cơ quan khác thực hiện tại hàng trăm công trình bê tông cốt thép

đã xây dựng từ đầu thế kỷ XX đến nay, các vùng biển Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình, Vinh, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu v.v…có thể cho ta thấy hiện tượng ăn mòn và phá hủy các công trình bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam là rất phổ biến và đã ở mức báo động Thiệt hại do ăn mòn gây

ra là nghiêm trọng Tốc độ ăn mòn làm hư hỏng công trình diễn ra khá nhanh, chi phí cho vấn đề sửa chữa ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép có thể chiếm tới 30-70% giá thành xây mới công trình

Các chất có tiềm năng ăn mòn mạnh với bê tông là MgCl2; MgSO4 và

CO2 Cơ chế ăn mòn được mô tả như sau [8]:

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

Kết tinh dạng aragonite hòa tan

CO2 + [Ca(OH)2 + 3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O] →

3CaO.Al2O3.CaCO3.nH2O + CaSO4.2H2Oa

hòa tan 3CO2 + 3CaO.2SiO2.3H2O → 3CaCO3 + 2SiO2.nH2O

Kết tinh dạng aragonite

Mg(OH)2 + 3CaO.Al2O3.3CaCO3.32H2O

Kết tinh dạng Brucite Khoáng gây nở ettringine MgSO4+[Ca(OH)2+3CaO.2SiO2.3H2O]→4MgO.SiO2.8H2O+CaSO4.2H2O

Những biến đổi cơ bản tạo ra sản phẩm bị rửa trôi hoặc làm phá vỡ cấu trúc và độ bền của đá xi măng là : hòa tan CaCl2; Ca(HCO3)2 ; CaSO4.2H2O trong nước, trương nở do tạo khoáng ettringine Ngoài ra nhiều tài liệu[16,22] còn cho rằng sự hình thành sản phẩm Mg(OH)2 và 4MgO.SiO2.8H2O cũng làm suy giảm cường độ của đá xi măng

Theo Moskvin[15] các sản phẩm ăn mòn được phân bố theo nhiều lớp

Ở ngoài cùng là vùng phản ứng của CO2 và Ca(OH)2 và các sản phẩm thủy hóa khác Tiếp theo là lớp Brucite Mg(OH)2 được tạo ra do tác động của ion

Mg++ Các ion SO42- thường thẩm thấu sâu và có thể tạo ettringine từ bên trong bê tông

Ở đây có vấn đề cần phải phân tích rõ là vậy thì với bê tông trong nước biển dạng ăn mòn nào sẽ là chủ đạo và ăn mòn sunphat có phải là nguyên nhân chính dẫn tới phá hủy bê tông hay không? Đây cũng là vấn đề còn nhiều tranh cãi cho tới nay Về lý thuyết, hàm lượng SO4

2- trong nước biển vào khoảng 2600-2700 mg/l là rất cao, đủ khả năng gây ăn mòn sunphat với bê tông trên nền xi măng pooclang thông thường Tuy nhiên, thực tế được ghi nhận qua rất nhiều công trình lâu năm trong nước biển là bê tông được chế tạo

từ xi măng pooclang thông thường có hàm lượng C3A từ 12- 17% sau 40- 100 năm vẫn còn tốt hoặc bị ăn mòn nhưng không phải ở dạng ăn mòn sunphat mà phần lớn bị mềm hóa, rửa trôi[15,16,17,20] Như vậy chứng tỏ quá trình ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển là sự tổng hợp song song của nhiều dạng diễn ra chậm và có nhiều yếu tố tác động cộng tác dụng hoặc kiềm chế lẫn nhau

2.2.4 Hiện tượng mềm hóa bê tông do nước biển gây ra

2.2.4.1 Cơ sở đánh giá cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian

Cơ sở đánh giá cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian như sau: + Khảo sát xác định cường độ chịu nén của bê tông tại công trình ; + Tính toán sự phát triển cường độ bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam theo tài liệu

Sự phát triển cường độ nén bê tông theo thời gian được đánh giá thông qua chỉ số S, nó được tính bằng (%/năm) theo công thức sau :

- Rtt: Cường độ chịu nén tính tóan của bê tông tại tuổi n ( năm),

nếu phát triển trong điều kiện bình thường không bị ăn mòn được tính theo công thức (2.6),

- Rn: Cường độ chịu nén của bê tông của công trình tại thời điểm khảo sát (kG/cm2

),

- n: Tuổi công trình (năm)

Rb=6,4844Ln(n)+309,13

Hình 2.1 Sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam, sự phát triển cường độ của

bê tông theo thời gian như sau:

• Cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày đạt R28= 200 kG/cm2 (bỏ qua những sai sót trong quá trình thi công, cường độ bê tông khởi điểm tuổi 28 ngày coi như đạt thiết kế);

• Cường độ bê tông ở tuổi 1 năm đạt khoảng 1,4-1,6 lần mác thiết

bình thường được biểu diễn trên hình 2.1 và công thức (2.7)

Rtt= 6,4844Ln(n) +309,13 (kG/cm2) (2.7)

Trong đó, n là tuổi của bê tông tính theo năm

2.2.4.2 Đánh giá sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông trong môi trường nước biển ở Đồng bằng Sông Cửu Long

Số công trình khảo sát vùng mặn là 36, các công trình nằm trên giải đất giáp biển thuộc các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến Tre, Tiền Giang Kết quả khảo sát và tính toán trình bày trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Bảng thống kê sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông

các công trình trong môi trường biển [5]

TT Công trình

khảo sát

Tuổi (Năm)

TT Công trình

khảo sát

Tuổi (Năm)

TT Công trình

khảo sát

Tuổi (Năm)

Hình 2.2 Phát triển cường độ trong môi trường mặn

2.3 CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA NƯỚC BIỂN

Xét về mặt hóa học, cốt thép thường bị ăn mòn dưới tác động đồng thời của oxy và nước theo phản ứng sau:

4Fe + 6H2O + 3O2 → 4Fe(OH)3

Khi nằm trong bê tông, nếu bê tông đặc chắc, chưa bị cacbonat hóa, độ

pH của dung dịch nước chiết bê tông có giá trị 12,5-13,0 thì cốt thép được đặt

trong môi trường thuận lợi về mặt điện hóa để tạo ra màng thụ động theo phản ứng:

2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 6e- Lớp oxit sắt tạo thành một lớp màng có độ đặc chắc cao trên bề mặt cốt thép, ngăn cản quá trình tiếp tục phân hủy kim loại Cốt thép được một lớp màng thụ động bảo vệ nên còn được gọi là ở trạng thái thụ động

Hiện tượng ăn mòn cốt thép xảy ra khi lớp màng thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hủy bởi một trong hai điều kiện sau (hoặc là cả hai):

- Độ pH của dung dịch nước chiết đá xi măng ở miền giáp bề mặt cốt thép giảm dưới giá trị cần thiết để có thể bảo toàn cốt thép ở trạng thái thụ động

- Nồng độ một số ion xâm thực mà tiêu biểu là Cl- vượt quá giới hạn nhất định, đủ khả năng phá vỡ màng thụ động

Tóm lại sơ đồ mô tả cơ chế ăn mòn cốt thép được thể hiện trên hình 2.3

Về bản chất đây là một quá trình điện hóa, trên bề mặt cốt thép xuất hiện nhiều cặp pin anốt và catốt Ở đó xảy ra các phản ứng sau:

Anốt: Fe → Fe2+

+ 2e- Catốt: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Sản phẩm ăn mòn lần lượt được hình thành dưới các dạng Fe3O4; Fe(OH)2; Fe(OH)3.3H2O Kèm theo quá trình này là sự tích tụ sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại với việc tăng thể tích gấp 4-6 lần so với ban đầu Chính sự trương nở thể tích này đã gây ra ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ

và song song với nó là tiết diện cốt thép bị giảm thiểu

Trong môi trường ven biển có thể xảy ra cả hai điều kiện để phá vỡ màng thụ động và gây ăn mòn cốt thép như đã kể trên

Quá trình giảm độ pH trong bê tông ở môi trường không khí chủ yếu là

do hiện tượng Cacbonat hóa bằng phản ứng sau:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O Đối với môi trường nước lên xuống thì ngoài tác dụng của khí CO2 các hiện tượng ăn mòn hóa lý khác của bê tông trong nước biển cũng góp phần làm giảm độ pH

Giới hạn dưới của giá trị pH đủ để bảo vệ cốt thép trong bê tông là vấn

đề chưa được thống nhất

A: Vùng ăn mòn; B: Vùng thụ động; C: Vùng không ăn mòn

Hình 2.4.Giản đồ Pourbaix đơn giản

Trên hình 2.4 là giản đồ Pourbaix[26] mô tả trạng thái ăn mòn hoặc thụ động thép trong nước chiết phụ thuộc vào độ pH và thế điện cực Căn cứ vào

sơ đồ lý thuyết này khiessl cho rằng ăn mòn cốt thép xảy ra khi độ pH giảm dưới 9,0

Tuy nhiên cũng trong tài liệu[24], các số liệu thí nghiệm của Babuskin lại xác định giá trị giới hạn 11,5

Theo quy phạm ACI 201 khi pH giảm dưới 10,0 thì khả năng ăn mòn

có thể xuất hiện và nếu bê tông bị cácbonát hoàn toàn (pH=8-9) thì chắc chắn cốt thép sẽ bị ăn mòn Thông thường bê tông bị cácbonát hóa, cốt thép bị ăn mòn đều và toàn diện

Theo nhận định chung sự suy giảm độ pH, đặc biệt là hiện tượng cácbonát hóa, thường diễn ra chậm và không phải là nguyên nhân chính dẫn tới gỉ cốt thép ở các kết cấu vùng biển Với bê tông có chất lượng tốt, chiều dày lớp bảo vệ trên 20mm đủ để bảo vệ cốt thép chống lại quá trình cácbonát hóa trong thời gian dài sử dụng[23,26,27]

Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới ăn mòn cốt thép trong các kết cấu vùng biển là tác dụng xâm thực của ion Cl-, thẩm thấu vào từ môi trường bên ngoài hoặc sử dụng vật liệu nhiễm mặn

Như đã biết , khi ion Cl- tập trung trên bề mặt cốt thép vượt quá một giá trị nhất định sẽ đủ khả năng “xuyên thủng” màng thụ động (Fe2O3) và tạo ra các anốt cục bộ trên bề mặt cốt thép Thông qua một số khuyết tật của màng thụ động, ion Cl- tương tác với sắt tạo nên một số sản phẩm hòa tan như FeCl2, FeCl- và kèm theo đó độ pH trong vi lỗ giảm mạnh, tiếp tục kích thích phản ứng anốt (Hình 2.5)[20,23,28]

ClCl

- pH>12,5

2e-Hình 2.5 Sơ đồ mô tả cốt thép bị ăn mòn

Theo các nguồn tư liệu trích dẫn trong tài liệu[26,27,28,29], nồng độ giới hạn ion Cl- gây rỉ cốt thép dao động từ 0,2-2,02% hàm lượng xi măng trong bê tông Sở dĩ có sự dao động lớn này là vì giá trị giới hạn của ion Cl-

phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố, bao gồm:

- Chủng loại và tỷ diện bề mặt xi măng;

- Hàm lượng sunphat trong bê tông;

- Độ pH của bê tông;

- Nhiệt độ và độ ẩm trong bê tông;

- Chất lượng bề mặt cốt thép (độ phẳng, sạch, độ đồng nhất…)

Màng thụ động

Sắt

Ion Cl- có mặt trong bê tông được phân chia thành 2 dạng: tự do và liên kết Thông thường chỉ có ion Cl- tự do trong dung dịch nước chiết mới gây ăn mòn cốt thép Độ pH của bê tông có mối quan hệ trực tiếp và ảnh hưởng rõ nhất tới nồng độ Cl- gây rỉ trong các phản ứng điện hóa phá vỡ màng thụ động Theo lý thuyết của Hassman[21] tỷ lệ tương quan giữa nồng độ Cl-

Tuy nhiên cũng cần phải quy định một giá trị “tiêu chuẩn” nào đó, chủ yếu có ý nghĩa xác định giới hạn Cl- nguy hiểm khi tính toán độ nhiễm mặn của đầu vào Các nước châu Âu[19] quy định hàm lượng Cl- giới hạn trong

bê tông cốt thép thường là 0,4% lượng xi măng và 0,2% đối với bê tông cốt thép ứng suất trước Ở Mỹ, theo ACI 222, giá trị giới hạn đối với bê tông cốt thép thường là 0,2% và bê tông cốt thép ứng suất trước là 0,085 so với hàm lượng xi măng

Đối với các kết cấu vùng biển trong quá trình sử dụng ion Cl- sẽ thẩm thấu vào bê tông và khi đã tích tụ đủ hàm lượng giới hạn cốt thép sẽ bị rỉ Chính vì vậy mà tốc độ thẩm thấu ion Cl- có ý nghĩa quan trọng đối với độ bền kết cấu và tuổi thọ công trình

Ion Cl- thẩm thấu vào bê tông theo nhiều cơ chế khác nhau tuy thuộc vào bản chất môi trường

Theo lập luận của K.Tuuti[29] trong điều kiện kết cấu ngập nước biển thường xuyên (bão hòa nước) ion Cl- khuếch tán vào bê tông chủ yếu do chênh lệch nồng độ giữa bên ngoài (nước biển) và bên trong bê tông Hình thức thẩm thấu này có tốc độ chậm Đối với các kết cấu ở vùng đất lên xuống hoặc trong khí quyển biển, ngoài hiện tượng khuếch tán nói trên còn có sự

thẩm thấu của ion Cl- do lực hút mao quản trong quá trình hút nước từ ngoài vào trong bê tông

Vấn đề xác định tốc độ thẩm thấu ion Cl- vào bê tông trong môi trường biển đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều tác giả với mục đích cuối cùng là xác định được lớp bê tông bảo vệ đủ khả năng kéo dài quá trình tích tụ ion Cl- tới ngưỡng gỉ cốt thép (Cgh) trong suốt quá trình sử dụng

Về mặt lý thuyết theo K Byfor, hầu hết các tác giả đều dựa vào định luật Fick để mô tả quá trình khuếch tán Cl- trong bê tông Tuy nhiên phương pháp giải các phương trình vi phân và cách đặt điều kiện biên có khác nhau

R.D Brown, P.S Mangat, Sall K Roy và nhiều tác giả khác đặt giả thiết khuếch tán một chiều qua phương trình vi phân sau:

2 ( , ) ( , )

(C(x,t)) tại thời điểm t và vị trí x bất kỳ trong cấu trúc

bê tông như sau:

Co - Nồng độ ion Cl- trên bề mặt bê tông

C(x,t) - Nồng độ ion Cl- trong bê tông tại điểm x và thời gian t;

x - Điểm xác định hàm lượng Cl- cách bề mặt cấu kiện cự ly x;

t - Thời gian khuếch tán

Các điều kiện biên được giả định là:

- Nồng độ ion Cl- hấp phụ trên bề mặt bê tông Co không đổi theo thời gian;

- Hệ số khuếch tán D của ion Cl- là một hằng số;

- Hàm lượng ion Cl- ban đầu Cbđ trong bê tông rất nhỏ, được bỏ qua;

- Trường khuếch tán một chiều từ ngoài vào trong;

Đồ thị miêu tả phương trình (2.9) được biểu diễn trên hình 2.6

ChiÒu dµy líp BT b¶o vÖ

Hình 2.6 Biểu đồ mô tả sự phân bố ion Cl - trong bê tông tại các vị trí và thời

điểm khác nhau

Với giá trị Co và D cố định đã biết, nếu áp thời gian ti cần thiết để cốt thép không bị gỉ và giá trị ion Cl- giới hạn gây gỉ C(x,t) =Cgh sẽ tính được chiều dày lớp bảo vệ xi cần thiết thỏa mãn điều kiện cốt thép không bị gỉ trong thời gian ti

Trong thực tế quá trình khuếch tán ion Cl- ở môi trường ven biển phức tạp hơn nhiều Takewaka, Mastumoto và Schiessl đã thiết lập các mô hình tính phù hợp với thực tế hơn Cụ thể là Takewaka và Mastumoto đã áp dụng quá trình khuếch tán 2 chiều theo phương trình vi phân sau:

Trong đó:

C(x,y,t) - Hàm lượng ion Cl- tự do trong bê tông ở tọa độ x,

y với trường khuếch tán 2 chiều ;

K - Hệ số biểu thị tỷ lệ ion Cl- liên kết với khoáng xi măng trong tổng số ion Cl- khuếch tán vào bê tông Thực chất chỉ có ion Cl- tự do trong bê tông mới có tác động gây gỉ cốt thép

Khi giải phương trình (2.10), các tác giả đã đặt một số điều kiện biên “động” gồm:

o Nồng độ ion Cl- hấp phụ trên bề mặt ngoài của bê tông chỉ cố định khi bê tông ngập trong nước biển Khi đó nghiệm của phương trình sẽ gần như biểu thức (2) Đối với vùng nước lên xuống và không khí biển, lượng ion Cl- trên bề mặt bê tông luôn thay đổi bởi quá trình tích lũy liên tục, biểu thị bằng đại lượng W

và lượng ion Cl- tích lũy trên bề mặt cấu kiện trong thời gian 1 tháng Lúc này nghiệm của phương trình (3) sẽ có dạng khác, đơn cử áp dụng cho trường hợp khuếch tán 1 chiều là:

4

2

x Dt

Trong đó: Dw/c là hệ số khuếch tán phụ thuộc vào tỷ lệ N/X

D1 là hệ số phụ thuộc vào loại xi măng

T là thời gian khuếch tán Schiessl cũng đã đặt các điều kiện biên như Takewaka và Mastumoto, ngoài ra còn đưa ra mô hình tính toán cho cả quá trình thẩm thấu ion Cl- bởi lực hút mao quản

Cũng chính vì cách đặt điều kiện biên khác nhau cho các mô hình tính toán nên kết quả cuối cùng thường không đồng nhất Đơn cử Takewaka và Schiessl cho rằng với bê tông có tỷ lệ N/X=0,45-0,5 trong vùng khí quyển biển, chiều dày lớp bảo vệ 70mm đủ ngăn cản sự tích tụ ion Cl- tới giới hạn gây gỉ (0,4% xi măng) trên bề mặt cốt thép trong vòng 30 năm Trong khi đó, theo tính toán của các tác giả thì cũng với điều kiện biên như trên, chỉ sau 14,2 năm cốt thép sẽ bị gỉ

Song song với những trường phái tính toán lý thuyết, nhiều tác giả khác lại tìm hiểu mức độ thẩm thấu ion Cl-

vào trong bê tông trên các công trình thực tế lâu năm ở vùng biển Một số kết quả khảo sát trên các công trình biển

ở Na uy, Nhật bản, Úc… được trích dẫn trên bảng 2.5

Bảng 2.5 kết quả kiểm tra hàm lượng Cl - và tình trạng gỉ cốt thép trên kết

cấu cảng New South Wales- Sydney

Vị trí kiểm tra

Chiều sâu trong bê tông

Hàm lượng

Cl-, % khối lượng bê tông

pH Chiều dày

bảo vệ (mm)

Tình trạng cốt thép