Chuyên Đề

Quá trình cácbonát hoá làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến phá huỷ kết cấu.. Quá

Chuyên Đề: VẬT LIỆU MỚI

Trình bài bê tông cho công trình biển

Mục lục

1 Thực trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông trong môi trường biển Việt Nam 3

1.1 Có thể khái quát hóa thực trạng ăn mòn BTCT trong vùng biển Việt Nam… 3

1.2 Nguyên nhân ăn mòn BT và BTCT 4

2 Nguyên nhân xâm nhập của ion clorua 4

2.1 Nguồn clorua 4

2.2 Cơ chế ăn mòn clorua 5

3 Biện pháp bảo vệ kết cấu BTCT khỏi ăn mòn clorua cho BTCT trong môi trường biển Việt Nam 7

3.1 Giải pháp nâng cao độ bền 7

3.2 Về yêu cầu thiết kế 9

3.3 yêu cầu thành phần vật liệu 12

3.4 Về yêu cầu thi công 15

3.5 Quy trình sản xuất 15

4 Giải pháp sử dụng canxi nitrit ( CN ) làm phụ gia ức chế ăn mòn BTCT 16

4.1 Cơ chế ngăn ngừa ăn mòn cốt thép của CN 16

4.2 Nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn cốt thép của CN trong phòng thí nghiệm 17

4.3 Ứng dụng canxi nitrít làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong thực tế 18

5 Kết luận 19

6 ứng dụng 20

1 Thực trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông trong môi trường biển Việt Nam [1].

Các số liệu khảo sát cho thấy một đặc điểm chung về ăn mòn clorua kết cấu BTCT

ở vùng biển nước ta thường xảy ra ở vùng nước thủy triều lên xuống và sóng đánh, khí

quyển trên biển và vùng khí quyển ven biển Mức độ ăn mòn nhanh và mạnh nhất là vùng

sóng táp cách mặt nước biển khoảng 0,8  1,5 m

1.1 Có thể khái quát hóa thực trạng ăn mòn BTCT trong vùng biển Việt Nam như

sau:

-Ăn mòn BTCT là hiện tượng phổ biến và là nguyên nhân chủ yếu gây phá hủy kết cấu

BTCT và làm giảm đáng kể tuổi thọ các công trình xây dựng ở vùng biển

Tình trạng ăn mòn và hư hỏng các công trình BTCT là nghiêm trọng và đã tới mức báo

động Tốc độ ăn mòn làm hư hỏng công trình diễn ra khá nhanh

-Hiện nay bên cạnh một số công trình có tuổi thọ trên 30  40 năm, có nhiều công

trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng chỉ sau 20  25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu

bị phá hủy nặng nề chỉ sau 1015 năm sử dụng

Thiệt hại do ăn mòn gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa khắc

phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30  70% mức đầu tư xây dựng công trình

-Dự báo trong giai đoạn tới, nhu cầu đầu tư xây mới và sửa chữa công trình ở vùng

biển sẽ rất lớn Vì vậy, cần kịp thời triển khai công tác phổ biến các giải pháp kỹ thuật

chống ăn mòn nhằm đảm bảo chất lượng và tuổi thọ lâu dài cho công trình

1.2 Nguyên nhân ăn mòn BT và BTCT

Quá trình cácbonát hoá làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ

màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến

phá huỷ kết cấu

Quá trình thấm ion SO4²־ vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thuỷ hoá của xi

măng tạo ra khoáng Ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (Ăn mòn sunfát)

Sự xâm nhập của ion Cl־ và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ không khí

cao

Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ học do sóng, ăn mòn rửa trôi

2 Nguyên nhân xâm nhập của ion clorua

2.1 Nguồn clorua

Clorua cố thể đến từ nhiều nguồn Có thể được đúc sẵn trong bê tông hoặc chúng có

thể khuếch tán vào từ bên ngoài Clorua đúc sẵn trong bê tông có thể là do:

+ Cố ý bổ sung các chất làm tăng clorua ( chẳng hạn canxi clorua, Cacl2, được sữ

dụng nhiều cho đến giữa thập niên 1970;

+ Sữ dụng nước biển để trộn bê tông;

+ Cốt liệu bị ô nhiễm ( thường cốt liệu được lấy từ biển mà chưa rửa hoặc rữa không

đủ sạch );

+ Muối biển và nước biển phun trực tiếp làm ướt;

+ Sự kết tinh muối;

+ Sữ dụng các hóa chất ( công trình sữ dụng để lưu trữ muối, bồn ngâm nước muối,

hồ, vv.) Clorua có sẵn trong bê tông ở mức thấp có thể dẫn đến sự khởi đầu nhanh

chóng của sự ăn mòn nếu bổ sung thêm clorua có sẵn từ môi trường Điều này thường

xảy ra trong điều kiện nước biển gây ô nhiểm biến đổi với hỗn hợp bê tông ban đầu và

sau đó khuếch vào bê tông cứng

2.2) Cơ chế ăn mòn clorua

Ở trên đã thảo luận về sự ăn mòn của thép trong bê tông và hiệu quả của độ kiềm

trong bê tông các lỗ rỗng bị động sản xuất một lớp ôxít bảo vệ trên bề mặt thép ngừng ăn

mòn Chúng ta quan sát thấy rằng độ kiềm trong các lỗ rỗng bê tông bị vô hiệu hóa bởi sự

các-bua hóa Cơ chế ăn mòn clorua phá vỡ sự thụ động là hơi khác nhau Các ion clorua

ăn mòn các lớp thụ động, nhưng, không giống như các-bua hóa,không có giảm tổng thể ở

pH Clorua hoạt động như chất xúc tác cho sự ănmòn khi có đủ nồng độ ở bề mặt thép

cây để phá vỡ các lớp thụ động Họ không phải là tiêu thụ trong quá trình này mà giúp đỡ

để phá vỡ các lớp oxit thụ động của thép và chophép quá trình ăn mòn để tiến hành nhanh

chóng Điều này làm cho sự ănmòn clorua khó khăn để khắc phục như clorua là khó có

thể loại bỏ

Rõ ràng là các ion clorua trong nước lỗ rỗng sẽ không phá vỡ các lớp thụ động,đặc

biệt là nếu nó là hiệu quả tự thiết lập lại chính nó khi bị hư hỏng

Quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ

lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển Nói cách

khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT Tuy nhiên,

cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hoá ở chỗ ion clorua xâm nhập qua

lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao

+Ăn mòn cục bộ do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong BTCT Có bốn cơ

chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông:

• Sức hút mao dẫn;

• Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT;

• Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt;

• Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế

- Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép

và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông Sự phát triển của vết nứt phát triển

dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết

dính giữa bê tông và cốt thép (spalling) như hình minh hoạ trên

3 Biện pháp bảo vệ BT và kết cấu BTCT khỏi ăn mòn clorua cho BTCT

trong môi trường biển Việt Nam

3.1 Giải pháp nâng cao độ bền [9]

 Từ các nguyên nhân phân tích ở trên cho thấy, để nâng cao độ bền và tuổi

thọ cho các kết cấu bảo vệ bờ biển sẽ phải tập trung vào hướng tăng độ bền chống ăn

mòn và độ bền chống mài mòn cho bê tông Để giải quyết vấn đề này các giải pháp đã

được nghiên cứu cụ thể như sau:

- Giải pháp tăng độ bền chống ăn mòn gồm:

+ Thay đổi thành phần khoáng vật xi măng

+ Biến đổi các sản phẩm thủy hóa của xi măng

+ Tăng độ đặc cấu trúc bê tông

+ Ngăn cách bê tông với môi trường gây ăn mòn - Giải pháp tăng độ bền chống

mài mòn:

+ Tăng độ đặc và độ cứng cho kết cấu bê tông

 Phân tích về ưu nhược điểm và tính khả thi của các giải pháp trên cụ thể

như sau:

+ Thay đổi thành phần khoáng vật xi măng: Việc thay đổi thành phần khoáng vật

xi măng để tăng độ bền chống ăn mòn cho bê tông sẽ dẫn đến giảm cường độ của bê

tông Ngoài ra để thay đổi thành phần khoáng vật đòi hỏi một công nghệ sản xuất đặc biệt

từ việc tuyển nguyên liệu, tính toán tỷ lệ phối liệu và kiểm soát quá trình nung Những

hạn chế đó làm cho giải pháp này thực tế ít được khuyến cáo dùng

+ Ngăn cách bê tông với môi trường gây ăn mòn: Đây là giải pháp thực hiện sau

khi đã đổ xong cấu kiện Khi sử dụng vật liệu phủ để ngăn cách bê tông với tác nhân ăn

mòn, vấn đề kỹ thuật nan giải ở đây là khả năng bám dính lâu dài của lớp vật liệu phủ với

bê tông Thực tế cho thấy nhiều vật liệu phủ chỉ tốt được thời gian đầu, nhưng sau đó dễ

dàng bị bong tróc dẫn đến bê tông lại bị phơi lộ trực tiếp với các tác nhân phá hoại của

môi trường biển như ban đầu Chi phí để mua những vật liệu bao phủ này thường đắt, nếu

tuổi thọ sử dụng các lớp vật liệu đó ngắn, kéo theo phải làm đi làm lại nhiều lần rất tốn

kém, không kinh tế Do vậy giải pháp này thực tế không phải là hướng chọn chủ động từ

đầu mà chỉ để xử lý sau khi bê tông thi công xong chất lượng không được tốt

+ Biến đổi sản phẩm thủy hóa của xi măng: Bằng cách dùng những chất pha trộn

sẵn có, tận dụng được từ phế thải công nghiệp để giảm thiểu hàm lượng tác nhân ăn mòn

trong xi măng, giải pháp này vừa mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật, vừa kinh tế nên việc

áp dụng là rất khả thi Hiện có hai loại phụ gia dưới dạng tận dụng phế thải công nghiệp

được tiêu thụ nhiều trên thị trường có thể đưa vào sử dụng đó là tro bay và muội silic

+ Tăng độ đặc chắc của bê tông: Việc tăng độ đặc chắc sẽ hạn chế được khả năng

xâm nhập của nước vào trong bê tông do đó tăng được độ bền chống ăn mòn Ngoài ra

tăng độ đặc chắc cũng sẽ làm tăng cường độ, tăng được độ cứng do đó nâng cao được độ

bền chống mài mòn cho bê tông Để tăng độ đặc chắc cho bê tông phải tìm cách giảm

được tỷ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) ở mức thấp nhất kết hợp dùng thêm các thành

phần bột mịn để chèn lấp vào những lỗ rỗng nhỏ trong bê tông Thường để đạt được mục

tiêu này có thể sử dụng bột khoáng siêu mịn như muội silic kết hợp với dùng phụ gia siêu

dẻo, giảm nước

+ Tăng độ cứng cho bê tông: Hiện tượng mài mòn bề mặt xảy ra khi độ cứng của

bê tông kém Để cải thiện độ cứng cho bê tông phải tăng được cường độ bằng cách tạo

được nhiều những liên kết hóa học bền vững trong kết cấu đá xi măng Muội silic là loại

phụ gia khoáng hoạt tính có thể đáp ứng được yêu cầu này do có hàm lượng hoạt tính

cao, khi thực hiện phản ứng puzơlanic tạo được những liên kết hóa học tốt rất thích hợp

với vai trò làm tăng độ cứng cho đá xi măng

Qua các phân tích trên, giải pháp đề xuất là kết hợp việc biến đổi sản phẩm thủy

hóa với tăng độ đặc chắc và tăng độ cứng cho bê tông thì sẽ hạn chế được cả hiện tượng

ăn mòn và mài mòn cho bê tông các công trình bảo vệ bờ biển

3.2 Về yêu cầu thiết kế

Tiêu chuẩn đã đưa ra bảng 1, quy định các yêu cầu tối thiểu về thiết kế áp dụng cho các

công trình có tuổi thọ tới 50 năm

Đối với công trình quan trọng thì cần nghiên cứu tăng chiều dày hoặc đề ra biện pháp bảo

vệ chống ăn mòn có hiệu quả

Bảng 1 - Các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép công

trình thủy lợi trong vùng mặn [6]

STT Yêu cầu thiết kế

Kết cấu làm việc trong vùng

Ngập nước (4)

Nướclênxuống

Khí quyển

Trên mặt nước

Trên bờ, 01 km cáchmép nước

Gần bờ, 130 kmcách mépnước

1 Mác bê tông , MPa(1) 30 4

0

7

0 6

0

6

0 5

0

6

0 5

0

5

0 4

0

4

0 3

0

5

0 4

0

4

0 3

0

3

0 2

5

4

0 3

0

3

0 2

5

2520

 0,05-

tích tụ ẩm và bụi,

- Hạn chế sử dụng kết cấu BTCT dạng thanh mảnh (chớp, lan can chăn nắng),

- Có khả năng tiếp cận tới mọi vị trí để kiểm tra, sửa chữa

Tiêu chuẩn TCXDVN 327 : 2004 cũng đã khuyến cáo áp dụng các biện pháp bảo

vệ hỗ trợ như sau:[6]

Chú thích:

- Đối với kết cấu bê tông không có cốt thép ở vùng khí quyển biển không bắt buộc

thực hiện yêu cầu về mác bê tông theo bảng 1;

- Đối với kết cấu bê tông không có cốt thép ở vùng khí quyển biển không bắt buộc

thực hiện yêu cầu về độ chống thấm nước theo bảng 1;

- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép được tính bằng khoảng cách gần nhất từ mặt

ngoài kết cấu tới mặt ngoài cốt thép đai;

- Kết cấu trong đất ở vùng ngập nước và vùng nước lên xuống được bảo vệ tương tự

như kết cấu trong vùng ngập nước;

- Bề rộng khe nứt giới hạn cho trong bảng ứng với tác dụng của toàn bộ tải trọng, kể

cả dài hạn và ngắn hạn Đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước không cho phép

xuất hiện vết nứt

- Đối với công trình quan trọng thì cần nghiên cứu tăng chiều dày hoặc đề ra

biện pháp bảo vệ chống ăn mòn có hiệu quả

- Mác bê tông, mác chống thấm của bê tông, chiều dầy lớp bê tông bảo vệ

cốt thép, độ mở rộng của vết nứt và cấu tạo bề mặt kết cấu bê tông và bê tông cốt

thép công trình thủy lợi xây dựng trong vùng chua phèn: tối thiểu phải đảm bảo

quy định tại Bảng 2

Bảng 2 - Các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

công trình thủy lợi trong vùng chua phèn Yêu cầu thiết kế Môi trường làm việc của kết cấu

Ngập nước Mực nước thay đổi Khí quyển

- Tăng mác bê tông thêm 10 MPa và độ chống thấm thêm một cấp hoặc tăng chiều

dày lớp bê tông (BT) bảo vệ thêm 20 mm; (Trát vữa chống thấm: Vữa xi măng có pha

nhũ tương pôlime M250, 300.)

- Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng

bê tông kết cấu dày tối thiểu 15mm;

- Sơn chống ăn mòn cốt thép: Sơn xi măng, sơn ximăng- pôlime, sơn hoá chất cao

phân tử, các loại sơn này phải đảm bảo khả năng dính kết giữa cốt thép được sơn với bê

tông

- Quét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép hoặc bảo

vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp bảo vệ catốt

- Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit

Sơn chống rĩ sắt thép Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bê tông

3.3 yêu cầu thành phần vật liệu

Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy

lợi vùng chua phèn, mặn [7]

a) Xi măng:

a.1 Kết cấu trong vùng khí quyển

- Poóc lăng hỗn hợp theo TCVN 6260:2009;

- Poóc lăng thường theo TCVN 2682:2009;

a.2 Kết cấu trong vùng ngập nước và vùng nước thay đổi

- Poóc lăng hỗn hợp theo TCVN 6260:2009 (C3A clinke ≤ 10 %);

- Poóc lăng bền sun phát theo TCVN 6067:2004;

- Poóc lăng thường theo TCVN 2682:2009 (C3A clinke ≤ 10 %);

Xi măng Poóc lăng hỗn hợp Xi măng Poóc lăng bền sun phát

b) Vật liệu cát

b.1 Kết cấu trong vùng khí quyển

- Mô đun độ lớn, Mn ≥ 2,0;

- Không gây phản ứng kiềm - silic;

- Lượng Cl- hòa tan ≤ 0,005 % khối lượng cát trong bê tông và BTCT

- Các chỉ tiêu khác tuân thủ TCVN 7570:2006;

b.2 Kết cấu trong vùng mực nước thay đổi và vùng ngập nước

- Như các yêu cầu ở b.1 ;

- Lượng SO3 ≤ 0,5 % khối lượng cát

CHÚ THÍCH: Đối với vùng chua phèn không được dùng cát nghiền từ đá

vôi

c) Vật liệu đá:

c.1 Kết cấu trong vùng khí quyển

- Không gây phản ứng kiềm - silic;

- Không gây phản ứng kiềm - các bô nát;

- Lượng Cl- hòa tan ≤ 0,01 % khối lượng cốt liệu lớn;

- Các chỉ tiêu khác tuân theo TCVN 7570:2006

c.2 Kết cấu trong vùng ngập nước và trong vùng mực nước thay đổi

- Yêu cầu như c.1 ;

- Lượng SO3 ≤ 0,5 % khối lượng cốt liệu lớn

d) Nước trộn bê tông:

d.1 Kết cấu nằm trong vùng khí quyển

- Độ pH từ 6,5 đến 12,5;

- Hàm lượng Cl- ≤ 500 mg/l cho bê tông và bê tông cốt thép;

d.2 Kết cấu nằm trong vùng ngập nước và mực nước thay đổi

- Yêu cầu như d.1

- Các phụ gia khoáng hoạt tính (tro bay nhiệt điện, Xỉ lò cao nghiền mịn, silica fume, v.v );

- Phụ gia hóa học không chứa ion Cl - (phụ gia hóa dẻo, siêu dẻo, đông cứng nhanh, chậm đông kết, v.v );

- Phụ gia chống thấm các loại (dạng lỏng, dạng bột, khoáng hoặc gốc polyme, v.v );

- Phụ gia chống sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

3.4 Về yêu cầu thi công

Dựa theo TCVN 9139:2012 Công trình thủy lợi – Kết cấu bê tông, bê tông cốt

thép vùng ven biển – Yêu cầu kỹ thuật.[7]

+Công tác thi công bê tông

+Yêu cầu trong công tác bảo quản, lắp dựng cốt thép và cốp pha

+Công tác thi công bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi vùng ven biển

ngoài việc phải tuân thủ các quy định thi công trong TCVN 4453:1995 :

+ Sửa chữa những hư hỏng của các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép công trình

thủy lợi vùng ven biển, xuất hiện trong quá trình thi công và vận hành công trình:

3.5 Quy trình sản xuất [8]

Bê tông được sản xuất trên cơ sở dây chuyền sản xuất bê tông tại hiện trường, chỉ

khác là đưa thêm phụ gia chống ăn mòn vào bê tông Do vậy việc sản xuất bê tông chống

ăn mòn được các chuyên gia kết hợp với đơn vị thi công thực hiện trên cơ sở tận dụng

thiết bị sản xuất bê tông tại hiện trường kết hợp thao tác bổ sung phụ gia chống ăn mòn

theo liều lượng quy định

Hàm lượng xi măng tối thiểu trong 1 m3 bê tông ở trong vùng khí quyển và vùng

ngập nước là 350 kg/m3, trong vùng nước thay đổi là 400 kg/m3 Hàm lượng xi măng tối

đa không vượt quá 500 kg/m3;

Để đảm bảo cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi có khả

năng bền trong môi trường ven biển, tỷ lệ nước xi măng (N/X) trong các cấp phối bê tông

khi thi công không được lớn hơn:

- 0,50 trong vùng mực nước biển thay đổi;