Nghiên cứu thực hiện dầm bê tông cốt thép với các mức độ ăn mòn khác nhau ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của dầm Nghiên cứu thực hiện dầm bê tông cốt thép với các mức độ ăn mòn khác nhau ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của dầm Nghiên cứu thực hiện dầm bê tông cốt thép với các mức độ ăn mòn khác nhau ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của dầm
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Ở nước ta hiện nay, sau một thời gian đưa vào sử dụng, nhiều công trình xây dựng đã xuống cấp, hư hỏng và ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ an toàn của công trình Vì vậy, cần triển khai các biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng cấp công trình một cách đồng bộ, bao gồm đánh giá hiện trạng, phân tích nguyên nhân và lựa chọn giải pháp thi công phù hợp, lập kế hoạch bảo trì và tối ưu chi phí Mục tiêu của các biện pháp này là nâng cao tuổi thọ công trình, đảm bảo an toàn vận hành, tăng hiệu quả sử dụng và giảm thiểu rủi ro bảo trì trong tương lai.
Trước thực trạng xuống cấp, hư hỏng của các công trình xây dựng hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới, bao gồm công trình dân dụng và công nghiệp, cầu đường, thủy lợi và hệ thống điện lực, có nhiều nguyên nhân được chỉ ra Sự lão hóa tự nhiên của vật liệu theo thời gian, tải trọng ngày càng cao và sự gia tăng nhu cầu sử dụng vượt quá thiết kế, cùng với bảo trì bảo dưỡng không đồng bộ hoặc thiếu hụt đã làm giảm tuổi thọ kết cấu Bên cạnh đó, chất lượng thi công và vật liệu không nhất quán, tác động của thời tiết khắc nghiệt, ăn mòn môi trường và ô nhiễm tiếp tục làm gia tăng rủi ro xuống cấp Yếu tố quản lý dự án yếu, nguồn lực tài chính hạn chế và thiếu hệ thống giám sát hiện đại cũng góp phần khiến các dấu hiệu hư hỏng khó được phát hiện và xử lý kịp thời, ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả vận hành.
Những công trình xây dựng có một tuổi thọ xác định được xem xét ngay trong giai đoạn thiết kế Trong quá trình vận hành, công trình phải chịu các tải trọng và tác động từ môi trường như động đất, mưa, gió và bão Những yếu tố này dần làm giảm chất lượng và khả năng chịu lực của kết cấu, ảnh hưởng tới độ an toàn và hiệu suất của công trình theo thời gian Việc đánh giá tuổi thọ và lên kế hoạch bảo trì định kỳ là cần thiết để duy trì tính bền vững, an toàn và tối ưu chi phí vận hành.
Những hư hỏng và xuống cấp của kết cấu ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến chất lượng, khả năng chịu lực và tuổi thọ của công trình trong quá trình sử dụng Vì vậy, để khắc phục những nhược điểm này, người ta tập trung tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu nhằm bảo đảm sự ổn định và an toàn cho công trình thông qua các biện pháp gia cường Gia cường là quá trình khắc phục các vị trí hư hỏng, suy yếu, khuyết tật và xuống cấp của kết cấu nhằm phục hồi khả năng chịu lực và cho phép công trình chịu được tải trọng lớn hơn tải trọng thiết kế ban đầu.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã trở thành chủ đề then chốt cho thiết kế các công trình mới và công tác bảo trì, sửa chữa các công trình BTCT hiện có Theo thời gian, ứng xử của dầm BTCT thể hiện qua sự tăng độ võng và giảm chất lượng bê tông do tác động phức tạp của môi trường lên cả vật liệu lẫn cấu kiện; nguyên nhân có thể từ thiết kế hoặc tải khai thác tăng lên, trong khi sự xuống cấp do ăn mòn cốt thép là mối quan tâm hàng đầu đối với độ bền kết cấu Sự ăn mòn cốt thép hình thành từ cacbonat hóa bê tông, phản ứng alkali–silica và sự tấn công của clo ở môi trường ven biển, dẫn đến trương nở cốt thép, bong bật lớp bê tông bảo vệ, phá vỡ bê tông, mất cường độ chịu kéo và thu hẹp tiết diện thép, thậm chí gây đứt cốt thép và đe dọa an toàn cho công trình.
Hình 1.1 Mối quan hệ ứng xử của kết cấu với thời gian [1]
Hình 1.2 Hư hỏng của kết cấu BTCT do ăn mòn [1]
Ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép gây hư hỏng nghiêm trọng và làm tăng chi phí bảo trì, sửa chữa các kết cấu BTCT lên mức rất cao Bảng 1.1 cho thấy các ví dụ về chi phí liên quan đến sự xuống cấp của kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép Đây là một hiện tượng phức tạp, bắt nguồn từ quá trình điện hóa của kim loại và gây ra tăng thể tích do hình thành các sản phẩm ăn mòn, từ đó tạo ra các ứng suất tách trong bê tông.
Hình 1.3 Cơ chế điện hóa ăn mòn cốt thép trong bê tông[1]
B ả ng 1.1 Ví dụ chi phí liên quan đến thiệt hại của kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép
(Source: http://www.corrosion-club.com/concretecosts.htm)
United States Reinforced concrete bridges and car parks due to deicing salts
United States The estimated total cost to address bridge deficiencies in the United States depending on time taken to meet the objective
Estimate of annual costs attributable to corrosion of reinforced concrete £550 million
$110 million is to be spent by this city on the repair of roads, sidewalks and bridges in
2005 with a backlog of $235 million deferred due to budget constraints
Nguyên nhân và quá trình hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép được phân thành bốn giai đoạn chính: giai đoạn khởi đầu kéo dài từ khi ăn mòn cốt thép bắt đầu cho tới khi ứng suất do ăn mòn vượt quá cường độ kéo của bê tông và hình thành các vết nứt đầu tiên; giai đoạn lan truyền diễn ra khi các vết nứt lan rộng và bắt đầu liên kết với nhau; giai đoạn tăng tốc xảy ra khi lượng ăn mòn tiếp tục tăng khiến vết nứt mở rộng nhanh và làm suy yếu cấu trúc; giai đoạn hư hỏng kết thúc chu trình khi các vết nứt lớn dần dẫn tới bong tróc hoặc nứt vỡ lớp vỏ bê tông, làm giảm đáng kể khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu bê tông.
Hình 1.4 Các giai đoạn hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép[1]
Ngày nay, khi các cấu kiện và kết cấu xuống cấp do một vài nguyên nhân nào đó ảnh hưởng đến cốt thép chịu lực thì có rất nhiều phương pháp sửa chữa và gia cường Đối với dầm BTCT, khi cốt thép bị rỉ, bê tông bị bong vỡ thì phương pháp đầu tiên là thay thế các cốt thép cũ hoặc gia cường thêm các thanh cốt thép mới Khi đó, lớp bê tông bảo vệ phía ngoài sẽ được đục bỏ Lớp cốt thép bị rỉ sẽ bị đánh sạch, thay thế hoặc gia cường thêm trước khi trám bê tông hoặc vữa để bảo vệ Ưu điểm của phương pháp này là không thay đổi tĩnh tải của kết cấu, do đó không ảnh hưởng đáng kể đến kết cấu phần dưới Việc áp dụng phương pháp này kết hợp với các công nghệ vật liệu tiên tiến như vữa hay bê tông cường độ cao, có độ co ngót nhỏ, sức kháng ăn mòn cao vào để sửa chữa các kết cấu nói chung và kết cấu cầu nói riêng có thể mang lại hiệu quả cho công tác sửa chữa và gia cường Tuy nhiên, công nghệ này chỉ áp dụng khi tỷ lệ cốt thép bị rỉ, hư hỏng nhỏ, biến dạng của kết cấu nhỏ và không ảnh hưởng nhiều đến kết cấu Hơn nữa, phương pháp sửa chữa gia cường này có thể hạn chế trong việc tăng khả năng sức kháng của kết cấu
Khi mức độ hư hỏng của cốt thép lớn và yêu cầu tăng cường thêm khả năng chịu tải của kết cấu, ngoài biện pháp gia cường sửa chữa thanh cốt thép thường còn phải sức kháng của kết cấu bằng các phương pháp như sửa chữa và gia cường bằng bản thép bằng epoxy được thực hiện năm 1975 ; sửa chữa gia cường kết cấu bằng phương pháp căng cáp dự ứng lực ngoài; sửa chữa và gia cường kết cấu tấm sợi carbon (CFRP) và tấm sợi thủy tinh (GFRP) ; sửa chữa và gia cường bằng tấm bê tông cường độ siêu cao (UFC)
Các công trình BTCT tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập, với triết lý thiết kế bảo đảm thỏa mãn mọi trạng thái giới hạn đồng thời cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và độ bền Các tài liệu thiết kế BTCT hiện hành rất đầy đủ và chi tiết để bảo đảm mục tiêu thi công an toàn, sử dụng được và bền vững, đồng thời xem xét các yếu tố dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và độ bền Những tài liệu về thiết kế vật liệu bê tông đã được biên soạn để đáp ứng các mục tiêu thiết kế kết cấu Vấn đề đảm bảo độ bền của bê tông trong BTCT được chú ý đặc biệt, trong đó ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất; xâm nhập của Clo và CO2 là hai nguyên nhân chính gây ăn mòn, làm hư hại và giảm độ bền cũng như tuổi thọ sử dụng Các biện pháp nhằm giảm sự xâm nhập của ion Clo và CO2 vào bê tông được kỳ vọng sẽ nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ của kết cấu BTCT.
Theo GS Musuyoshi (2001) trong bảng thống kê các kết cấu BTCT ở Nhật Bản (Hình 1.5), nguyên nhân hư hại chủ yếu là xâm nhập clo với tỷ lệ lên tới 66%, trong khi cacbonat hóa chỉ chiếm khoảng 5% Kết quả này cho thấy xâm nhập clo là yếu tố gây hư hại bê tông lớn nhất và cần các biện pháp ngăn ngừa, bảo vệ bê tông khỏi môi trường clo, so với thực trạng cacbonat hóa có tỷ lệ thấp hơn nhiều.
Hình 1.5 Số lượng hư hại quan sát được ở Nhật Bản ( nguồn dữ liệu Prof
Việt Nam có đường bờ biển trên 3.000 km và nhiều công trình bê tông cốt thép (BTCT) nằm gần vùng biển Những công trình này chịu tác động mạnh của xâm nhập clo vào bê tông, gây ăn mòn cốt thép và nứt lớp bảo vệ, làm giảm tiết diện chịu lực và khả năng chống tải trọng Trình tự nghiên cứu phổ biến đi theo ba hướng chính: độ bền của bê tông, xâm nhập clo và ăn mòn cốt thép trong bê tông, và tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT Các hướng này có mối quan hệ mật thiết với nhau, vì bê tông có độ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt hơn.
Tuổi thọ của bê tông cốt thép trong điều kiện xâm nhập clo là khoảng thời gian từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo cho đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ hoặc đến khi ăn mòn làm mất một phần tiết diện cốt thép, làm giảm khả năng chịu lực và có nguy cơ mất trạng thái giới hạn chịu lực Quá trình ăn mòn này phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, đường kính cốt thép, độ dày lớp bảo vệ bê tông và các tính chất cơ học của bê tông, cùng với các yếu tố môi trường khí hậu Vì vậy, việc đánh giá tuổi thọ cần xem xét cả điều kiện môi trường và thiết kế cấu kiện để dự báo thời gian bảo vệ và mức độ rủi ro ăn mòn của cốt thép.
Hiện nay nghiên cứu về ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu tải của kết cấu BTCT đang được các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn cầu đặc biệt quan tâm Nghiên cứu cho thấy ăn mòn có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu lực và tuổi thọ của bê tông cốt thép, từ đó tác động trực tiếp đến an toàn của công trình Việc hiểu rõ cơ chế ăn mòn và đánh giá nguy cơ giúp đề xuất các biện pháp bảo vệ, dự báo sự suy giảm tải trọng và cải thiện thiết kế, thi công cũng như bảo trì các kết cấu BTCT Những phát triển trong lĩnh vực này không chỉ nâng cao hiệu suất và bền vững của công trình mà còn định hình các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng và quy trình thiết kế trên toàn thế giới.
Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
M.S Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology : Theory and Practice ” xuất bản năm 2005[3], đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau :
Trong một thời gian dài, bê tông được coi là vật liệu có độ bền cao và ít cần bảo trì, nhưng điều này đúng với hầu hết các điều kiện bình thường và không phải lúc nào cũng đúng khi bê tông ở trong môi trường khắc nghiệt Các khu vực đô thị và khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng, môi trường biển và môi trường có ion clo là những nơi bê tông dễ bị suy thoái do xâm nhập của các hóa chất như axit, sulfat, phản ứng kiềm–cốt liệu, clo và cacbonat hóa Độ bền của bê tông xi măng được Viện Bê tông Mỹ (ACI 201.2R-01) định nghĩa là khả năng chống lại các tác động của thời tiết, xâm nhập hóa chất, mài mòn và các quá trình hư hại khác; bê tông bền sẽ giữ được hình dạng ban đầu và duy trì chất lượng cùng khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực.
Hiện nay bê tông được ứng dụng rộng rãi ở mọi điều kiện thi công và đã mở rộng đến cả những môi trường khắc nghiệt, vì vậy việc xem xét và nâng cao độ bền của công trình xây dựng hiện đại ngày càng được chú trọng để đảm bảo an toàn, tuổi thọ và hiệu suất hoạt động trong thực tế.
Có một lượng lớn các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển, trực tiếp hoặc gián tiếp Kinh nghiệm cho thấy sự xâm nhập gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của nước biển xảy ra ở vùng lên xuống của thủy triều và vùng bắn tóe nước Bê tông không phải là vật liệu 100% không thấm nước; nước ngấm vào bê tông mang theo các tác nhân gây ăn mòn thép Các sản phẩm ăn mòn có thể tích cao hơn vật liệu mà chúng thay thế và có thể gây ứng suất kéo trong bê tông, làm giảm độ bền của BTCT Hiện tượng suy giảm độ bền thường gặp ở BTCT hơn là ở bê tông không cốt thép Thiết kế thành phần trong bê tông để cải thiện độ bền bê tông trong nước biển là nhiệm vụ cần phải được đặt ra.
Ở nước ta, nhiều công trình bằng bê tông cốt thép (BTCT) sau một thời gian khai thác và đưa vào sử dụng đã bị ăn mòn và hư hỏng trong các môi trường có tính ăn mòn, đòi hỏi biện pháp phòng ngừa nhằm hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu bê tông và BTCT Nhà nước đã ban hành các tiêu chuẩn như TCVN 3993:85 về chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu bê tông và BTCT – nguyên tắc thiết kế, TCVN 3994:85 về phân loại ăn mòn và TCXD 194-86 về bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này chưa đề cập tới tất cả các loại ăn mòn, dẫn đến việc áp dụng còn hạn chế và chưa phát huy hiệu quả trong thực tế.
Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải đã tiến hành các nghiên cứu về ăn mòn bê tông và BTCT, phân tích tình hình hư hỏng, xác định các nguyên nhân gây ăn mòn và đề xuất biện pháp bảo vệ như dùng các phụ gia kị nước (dầu thảo mộc) và nước thải bã giấy để nâng cao độ chắc của bê tông Đồng thời, tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm như sơn bitum – cao su và sơn bitum – epoxy.
Viện Khoa Học Thủy lợi Quốc Gia đã thành công trong đề tài nghiên cứu ứng dụng phụ gia bentonite để tăng khả năng chống thấm và giảm ăn mòn cốt thép của các công trình thủy lợi, mở ra giải pháp bền vững nâng cao tuổi thọ và độ an toàn cho hệ thống công trình thủy lợi.
Vào những năm cuối thập kỷ 90, đề tài KC-05-13A về triển khai chế tạo các tổ hợp bê tông và vữa có phụ gia ức chế ăn mòn nhằm bảo vệ cốt thép trong môi trường biển Việt Nam đã hình thành một hệ nhánh nghiên cứu gồm: nghiên cứu chất ức chế ăn mòn cốt thép, nghiên cứu dùng phụ gia ZKJ, nghiên cứu dùng phụ gia bentonite cải tiến, nghiên cứu dùng phụ gia khoáng SISEX và nghiên cứu dùng SP melamin.
Kỹ sư Ngô Thanh Cẩn, thuộc Viện thiết kế nhà ở và công trình công cộng, sau khi quan sát một số công trình ở Quảng Ninh, Hòn Gai và Viện Hải Dương Học Nha Trang, đã nêu biện pháp khắc phục là dùng phụ gia NaNO2 hoặc các phụ gia bảo vệ phù hợp khác nhằm tăng cường độ bền và tuổi thọ của công trình.
NO2 với liều lượng 2% Đồng thời tăng thêm bề dày lớp bảo vệ từ 5-15cm
Nghiên cứu của Phan Thị Anh Đào và Nguyễn Thanh Lộc từ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tiến hành mô phỏng điều kiện thủy triều ven biển để đánh giá khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông và kết luận rằng giải pháp tối ưu cho các cấu kiện bê tông chịu nước lên xuống ở vùng ven biển là kết hợp hai phương pháp bảo vệ Cụ thể, các mẫu bê tông nên được bảo vệ bằng cách kết hợp quét epoxy lên thanh thép và bảo vệ catôt, hoặc dùng bê tông tự lèn kết hợp quét epoxy, hoặc bê tông tự lèn kết hợp bảo vệ catôt.
Nghiên cứu của thạc sĩ Đặng thị Thúy Hằng [6] về khía cạnh “Khả năng liên kết ion clo trong bê tông khi sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính” cho thấy sau một thời gian đưa vào sử dụng, bê tông cốt thép (BTCT) dễ bị hư hại dưới tác động của môi trường, nhất là môi trường biển và ven biển Trong môi trường biển, ăn mòn cốt thép do ion clo tự do là hiện tượng phổ biến và nguy hiểm Hiện nay người ta thường áp dụng các biện pháp bảo vệ cốt thép hoặc thay đổi chất lượng lớp bê tông bảo vệ cốt thép Nghiên cứu này tập trung nâng cao chất lượng lớp bê tông bảo vệ thông qua sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính như xỉ lò cao, tro bay và silica fume Khi thay thế một phần xi măng Portland bằng các phụ gia khoáng hoạt tính, cấu trúc đá xi măng được đặc chắc hơn và các phụ gia này còn liên kết với ion clo tự do thẩm thấu từ môi trường bên ngoài vào bên trong bê tông, từ đó làm giảm lượng ion clo tự do gây ăn mòn cốt thép.
Nghiên cứu của Thạc sĩ Nguyễn Huy Quang về ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT ven biển miền Trung Việt Nam cho thấy các công trình BTCT ven biển chịu tác động xâm thực mạnh của môi trường ven biển, với đặc trưng là vùng có lượng muối sa lắng lớn nhất cả nước Theo kết quả nghiên cứu, tuổi thọ công trình có thể bị suy giảm 30–50% so với niên hạn thiết kế.
TS Vũ Ngọc Anh, Đại học Kiến Trúc Hà Nội, với công trình nghiên cứu Ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó tới ứng xử của kết cấu BTCT đã đưa ra kết luận: ăn mòn cốt thép là hiện tượng phổ biến trong kết cấu BTCT; quá trình thủy hóa bê tông làm tăng cường độ nhưng đồng thời làm giảm độ pH trong bê tông, khiến cốt thép mất tính chống rỉ thụ động Sự xâm nhập của các yếu tố có hại như ion Cl- sẽ tác động trực tiếp vào cốt thép và gây ăn mòn sau một thời gian Muốn tăng tuổi thọ công trình, ngoài việc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, việc tăng độ đặc chắc của bê tông đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ thấm CO2, Cl- vào bê tông.
Các bài báo nghiên cứu khoa học của TS Nguyễn Thanh Hưng và các tác giả [9-12] công bố một số kết quả về hành vi của kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn, cho thấy quá trình ăn mòn ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất làm việc của kết cấu TS Nguyễn Đình Hùng và cộng sự [13] đã nghiên cứu sửa chữa, gia cố dầm bê tông cốt thép thường bằng cốt thép thường và vữa cường độ cao, song chưa có nghiên cứu nào đề cập đến gia cố cho các kết cấu bị ăn mòn.
Theo V.M.Moskvin [4], công trình của Vika mang tựa đề 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 được xem là công trình khoa học đầu tiên nghiên cứu về ăn mòn Những năm đầu thế kỷ XX, Viện nghiên cứu độ bền các công trình thủy lợi biển của Nga do các kỹ sư nổi tiếng như A.R Shuliachenko và V.I Charnomskij dẫn đầu đã khảo sát các công trình bê tông và BTCT tại các hải cảng châu Âu và nước Nga Họ đi đến kết luận rằng xi măng pooclăng không thể chế tạo bê tông cốt thép bền vững trong môi trường biển, và việc nâng cao độ đặc của bê tông chỉ có thể mang lại tuổi thọ cho các công trình đến 20–30 năm.
Nghiên cứu của A.A Bajkov [5] được xem là đóng góp có giá trị lớn trong lĩnh vực ăn mòn bê tông, khi phân tích chi tiết nguyên nhân gây ăn mòn và đề xuất các biện pháp chống ăn mòn áp dụng vào thực tế Tác giả làm rõ cơ chế ăn mòn trong cấu kiện bê tông và chỉ ra các yếu tố môi trường, thành phần bê tông và điều kiện thi công ảnh hưởng đến tiến trình ăn mòn Dựa trên các phân tích ấy, bài viết đề xuất các biện pháp bảo vệ thực tiễn như lựa chọn vật liệu chống ăn mòn, cải tiến thiết kế kết cấu, và chương trình bảo dưỡng định kỳ nhằm nâng cao tuổi thọ công trình.
Mục tiêu nghiên cứu
Các khảo sát với các công trình BTCT tại môi trường biển Việt Nam cho thấy hầu hết các công trình bị hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn sau 10–20 năm sử dụng, thậm chí có trường hợp chỉ sau 3–5 năm so với tuổi thọ thiết kế dự kiến Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của các biện pháp bảo vệ, cải thiện chất lượng vật liệu và thiết kế chống ăn mòn để nâng cao độ bền của công trình BTCT trong môi trường biển.
Để chống ăn mòn cốt thép trong bê tông và kéo dài tuổi thọ lên khoảng 50–60 năm, có thể áp dụng nhiều biện pháp đồng bộ Các biện pháp chủ chốt gồm tăng chiều dày và độ chống thấm của bê tông nhờ các phụ gia phù hợp, bảo vệ bằng phương pháp điện hóa (bảo vệ cathodic), sử dụng các chất ức chế ăn mòn, và tạo lớp phủ trên bề mặt cốt thép hoặc bê tông để ngăn ngừa sự xâm nhập của yếu tố gây ăn mòn Các giải pháp này giúp hạn chế tiếp xúc của cốt thép với môi trường lẫn nước và khoáng chất có hại trong bê tông.
Đề tài nhằm nghiên cứu đặc điểm ăn mòn của cốt thép trong dầm BTCT qua các khoảng thời gian nhất định và ở các mức độ ăn mòn khác nhau, nhằm làm rõ ảnh hưởng của ăn mòn đến cường độ chịu tải và biến dạng của dầm Qua phân tích tiết diện, liên kết bê tông–cốt thép và hiệu ứng ăn mòn theo thời gian, bài viết sẽ rút ra kết luận và đề xuất giải pháp gia cố phù hợp để tăng khả năng chịu tải sau khi dầm bị ăn mòn Các phương án gia cố được đề xuất nhằm nâng cao độ bền và an toàn của dầm BTCT bị ăn mòn gồm gia cố bằng vật liệu chịu ăn mòn, tăng tiết diện hoặc cải thiện liên kết giữa bê tông và cốt thép, phù hợp với điều kiện thi công và kinh phí Các kết quả dự kiến sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và bảo dưỡng dầm BTCT, tăng khả năng chịu tải và tuổi thọ của công trình.
Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Bài viết trình bày tổng quan các vấn đề liên quan đến ăn mòn và ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất làm việc của kết cấu bê tông cốt thép, đồng thời xác định nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Ăn mòn có thể làm giảm cường độ, độ bền và khả năng chịu lực của các thành phần bê tông cốt thép, từ đó làm suy giảm tuổi thọ và an toàn công trình Các yếu tố môi trường, thiết kế, vật liệu và bảo dưỡng đóng vai trò quan trọng trong mức độ phá hủy do ăn mòn và sự cố kết cấu Nhiệm vụ nghiên cứu được đề ra nhằm làm rõ cơ chế ăn mòn, đánh giá tác động của nó lên các tổ hợp cấu kiện và từ đó đề xuất các biện pháp cải thiện độ bền và tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép Kết quả hướng tới là cung cấp các khuyến nghị thiết kế, quản lý bảo dưỡng và chiến lược giảm thiểu ăn mòn nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của kết cấu bê tông cốt thép trong thực tế thi công và vận hành.
Xây dựng mô hình bài toán theo điều kiện trong phòng thí nghiệm đối với dầm bê tông cốt thép
Tạo các mẫu dầm bê tông cốt thép có kích thước đủ lớn với các mức độ ăn mòn khác nhau bằng thiết bị tạo ăn mòn nhanh
Khảo sát từ các kết quả thực nghiệm, tính toán của các tác giả nước ngoài để phục vụ cho việc nghiên cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu về dầm BTCT bị ăn mòn cũng như ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu tải của dầm ở trong và ngoài nước
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, sự thay đổi của cường độ chịu lực của dầm BTCT được phân tích ở hai trạng thái: chưa bị ăn mòn và sau khi bị ăn mòn ở các mức độ khác nhau dưới tác dụng của tải trọng, nhằm làm rõ ảnh hưởng của ăn mòn đến khả năng chịu lực và phân bổ ứng suất Đồng thời, các tham số từ thí nghiệm được đánh giá để rút ra các kết quả tối ưu phục vụ cho các bài toán gia cường cho dầm BTCT bị ăn mòn.
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu và phân tích dữ liệu từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các tiêu chuẩn và lý thuyết tính toán do các tác giả trong nước và nước ngoài trình bày, nhằm tổng hợp và đánh giá mức độ nhất quán giữa các nguồn cũng như sự khác biệt giữa quan điểm lý thuyết và thực nghiệm Qua quá trình này, chúng tôi rút ra các kết luận có giá trị cho việc cập nhật chuẩn mực, xây dựng khung lý thuyết và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, đồng thời tối ưu hóa khả năng áp dụng vào thực tiễn và tăng tính khả thi cho các phân tích sau này.
Để nâng cao độ tin cậy của thí nghiệm dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn, các mẫu dầm được thực hiện với kích thước đủ lớn nhằm hạn chế sai số mẫu trong quá trình thử Việc chọn kích thước mẫu lớn giúp đại diện cho hành vi chịu lực của dầm và đánh giá đúng mức độ ảnh hưởng của quá trình ăn mòn lên kết cấu, từ đó thông tin thu được phục vụ cho phân tích, thiết kế và dự báo tuổi thọ của dầm trong thực tế.
Đề tài tập trung xác định và tìm ra các tham số của bê tông và cốt thép cho dầm bê tông cốt thép ở trạng thái trước và sau khi bị ăn mòn Đồng thời, nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của ăn mòn đến khả năng chịu tải trọng của dầm RC theo điều kiện trong phòng thí nghiệm, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu suất chịu lực của cấu kiện khi bị ăn mòn và đề xuất các biện pháp tăng cường độ bền.
Phân tích các nghiên cứu khoa học liên quan đến ăn mòn trong dầm BTCT như: báo, tạp chí, nghiên cứu khoa học trong nước và nước ngoài.
Kết luận chương 1
Qua nghiên cứu, ta thấy biến đổi khí hậu toàn cầu và sự phức tạp của khí hậu thời tiết trong nước gây bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng Sự xâm thực mạnh của môi trường gây rỉ thép và bong tróc lớp bảo vệ bê tống, làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép Do nhu cầu sử dụng thay đổi, cần sửa chữa, nâng cấp hoặc thậm chí thay mới kết cấu công trình Thay mới toàn bộ kết cấu đòi hỏi nguồn tài chính lớn và thời gian thi công kéo dài, nên giải pháp sửa chữa và nâng cấp là lựa chọn hữu hiệu Việc nghiên cứu giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường nhằm duy trì và phục hồi hoạt động bình thường của kết cấu bê tông cốt thép là yêu cầu cấp thiết Vì vậy, trước tiên phải đánh giá mức độ ăn mòn của cốt thép ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu từ đó mới đưa ra các giải pháp gia cường sửa chữa phù hợp nhất cho kết cấu.
Trên thế giới và Việt Nam đã và đang nghiên cứu về tính hình ăn mòn của cốt thép trong bê tông cốt thép (BTCT) ở môi trường biển Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung đề xuất các biện pháp chống ăn mòn cốt thép nhằm tạo điều kiện cho công trình bền vững trong thời gian dài Tuy nhiên, phần lớn công trình chưa xem xét đầy đủ sự giảm sút cường độ của cốt thép và bê tông do ăn mòn, cũng như khả năng chịu tải của dầm khi bị ăn mòn ở các mức độ khác nhau Đây là khoảng trống kiến thức quan trọng ảnh hưởng đến dự báo hiệu suất kết cấu BTCT ven biển Các hướng nghiên cứu tương lai cần tích hợp đánh giá mức độ ăn mòn, giảm cường độ và ảnh hưởng tới khả năng chịu tải để đưa ra các mô hình dự báo và thiết kế an toàn cho các công trình ven biển.
Để làm rõ tác động của ăn mòn đến khả năng chịu tải của dầm, học viên đã chọn làm đề tài luận văn tốt nghiệp một nghiên cứu thực nghiệm về dầm bê tông cốt thép ở các mức độ ăn mòn khác nhau Nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của quá trình ăn mòn tới khả năng chịu tải, biến dạng và độ bền của kết cấu dầm, từ đó xác định mối quan hệ giữa mức độ ăn mòn và hiệu suất chịu lực trong thực tế Kết quả cho thấy mức độ ăn mòn càng cao sẽ làm giảm đáng kể khả năng chịu tải và tăng nguy cơ hư hỏng, đồng thời đề xuất các biện pháp bảo dưỡng, giám sát và gia cố nhằm đảm bảo an toàn và tuổi thọ của công trình.
CƠ SỞ KHOA HỌC
Giới thiệu chương
Bê tông cốt thép, như các loại vật liệu khác, chịu tác động xâm thực của môi trường xung quanh và bị phá hoại theo thời gian Quá trình này làm suy giảm nhanh tuổi thọ và chất lượng công trình, đặc biệt đối với các công trình ở môi trường biển, nơi muối biển và điều kiện khắc nghiệt thúc đẩy sự ăn mòn và xuống cấp của kết cấu.
Việc chịu tác động của môi trường xung quanh là nguyên nhân dẫn đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông Như ta đã biết thì cốt thép đóng vai trò quan trọng cho sự bền vững của công trình Vì vậy ăn mòn cốt thép chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến phá hủy các công trình bê tông cốt thép được xây dựng trong các môi trường xâm thực Do vậy việc hiểu và kiểm tra tình trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông là rất cần thiết và được xem là một trong những nội dung quan trọng của công tác nghiên cứu, kiểm định chât lượng kết cấu bê tông cốt thép.
Bản chất điện hóa của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ăn mòn kim loại chủ yếu là kết quả của quá trình điện hóa tự nhiên, trong đó sự có mặt của hơi ẩm trên bề mặt kim loại là điều kiện thiết yếu để quá trình ăn mòn diễn ra Cực anot và catot hình thành trên bề mặt kim loại bị ăn mòn; sự oxy hóa tại anot phá hủy kim loại và các nguyên tử oxi hóa hòa tan vào dung dịch, hình thành anion hydrat ở vùng anot Các electron tự do còn lại trên bề mặt được O2 hòa tan hoặc OH− hấp thụ tại vùng catot, tạo nên quá trình giảm tại catot Dòng điện được hình thành do sự di chuyển của các ion OH− trong dung dịch.
Sản phẩm ăn mòn là kết quả của quá trình thứ hai, hình thành từ sự tương tác giữa các ion đã được hydrat và oxy Nếu các ion này có khả năng hòa tan cao, chúng sẽ di chuyển khỏi vị trí mà chúng hình thành Ngược lại, khi chúng khó hòa tan — trường hợp thường gặp ở sản phẩm ăn mòn trên cốt thép — chúng sẽ kết tủa ngay trên bề mặt cốt thép, tạo thành lớp rỉ gồm oxit sắt và hydroxit sắt.
Vì vậy điều kiện cần cho quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra là :
Sự có mặt của các khu vực hoạt động trên bề mặt cốt thép cho phép quá trình phân hủy anot diễn ra nhanh chóng Tại những vùng này, các nguyên tử kim loại chuyển hóa thành các ion hòa tan thông qua các phản ứng hóa học trên bề mặt, tạo nên cơ chế ăn mòn điện hóa và làm suy giảm lớp cốt thép Quá trình phân hủy anot phụ thuộc vào đặc tính bề mặt và điều kiện môi trường, và có thể được thể hiện bằng các phản ứng trên bề mặt minh họa cho sự biến đổi của các nguyên tử thành ion hòa tan.
Sự có mặt của các hợp chất cần thiết để phản ứng catot xảy ra ( giảm oxy)
Sự có mặt của các điện cực để các ion có thể dịch chuyển giữa các onot và catot
Khả năng ăn mòn điện thế đặc trưng bởi sự khác nhau của các điện thế Nếu
P_m và P_s lần lượt biểu thị điện thế tại các điểm tiếp xúc giữa bề mặt kim loại và chất điện phân Trong hệ thống này, các ký hiệu 'a' và 'c' được dùng để tượng trưng cho anot và catot.
Hiệu suất Pm Ps thể hiện sự suy giảm điện thế trong lớp điện cực đôi và được gọi là điện thế (E) Điện thế cục bộ ở anot luôn thấp hơn ở catot, tạo ra sự chênh lệch tiềm năng cần thiết cho quá trình oxi hóa – khử Điện thế thường được biểu thị so với điện cực đối chứng có điện thế hằng số (điện thế chuẩn E°), với các tham chiếu phổ biến như điện cực hydro chuẩn E° = 0,00 V, điện cực CuSO4 E° = +0,32 V và điện cực calomel E° ≈ +0,25 V.
Hình 2.1 Mô hình biểu diễn sự ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép[14]
Nhiệt động của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Phản ứng điện hóa có sự tham gia của hai electron được mô tả qua các hệ số a, b, c, d và số lượng n ở các trạng thái A, B, C, D Khi nhiệt độ và áp suất không đổi, cân bằng điện thế của hệ được xác định bởi các tham số na, nb, nc, nd và phương trình cân bằng điện thế eq.
T ; là nhiệt độ tuyệt đối
Eo; là điện thế chuẩn của phản ứng
A ; hoạt động của ion na; số mol
Quá trình phản ứng tự sinh ra từ trái sang phải, nếu E E eq Do đó nếu biết
Trong khuôn khổ nhiệt động học của phản ứng điện hóa ở một nồng độ chất phản ứng và sản phẩm nhất định, có thể dự đoán được quỹ đạo và kết quả của phản ứng Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng biểu đồ điện thế–pH (Hình 2.2), cho thấy sự phụ thuộc của điện thế oxi hóa-khử vào pH môi trường Trong tính toán có thể đưa vào nồng độ của các ion (bao gồm H+ và OH−) cũng như nồng độ của pha rắn tham gia hệ, từ đó xác định các vùng ổn định và biên giới pha trong đồ thị Việc tích hợp cả nồng độ ion và pha rắn cho phép dự báo trạng thái của hệ điện hóa ở mọi mức pH và nồng độ, phục vụ cho phân tích, thiết kế và tối ưu các quá trình ứng dụng.
Vùng có dung dịch ion ổn định thích hợp cho ăn mòn xảy ra vì phản ứng anot diễn ra và hình thành Fe2+ hoặc FeOOH (FeO·OH) Các phản ứng này có thể được biểu diễn ở mức nhiệt động bằng các phương trình điện hóa điển hình: Fe → Fe2+ + 2e−; Fe2+ + 2OH− → Fe(OH)2(s); khi điều kiện oxi hoá mạnh hơn, Fe(OH)2 có thể oxy hoá thành FeOOH Sự cân bằng giữa nguồn oxi hoá, pH và nồng độ ion quyết định động lực và tốc độ ăn mòn điện hoá, do đó hiểu rõ các phản ứng anot và sản phẩm của chúng là chìa khóa để đánh giá rủi ro ăn mòn và thiết kế biện pháp bảo vệ phù hợp.
Vùng ổn định oxyt Fe O 3 4 và Fe O 2 3 tương ứng với trạng thái thụ động có nhiệt động biểu diễn dưới dạng sau :
Biểu đồ cân bằng cho thấy tính khả thi nhiệt động học của phản ứng ăn mòn, nhưng không đề cập đến động lực học của phản ứng và bỏ qua sự thay đổi thành phần dung dịch điện phân ở gần bề mặt cốt thép bị ăn mòn.
Hình 2.2 Giản đồ Pourbaix trong hệ Fe H O 2 ở 25 C 0 [14]
Sự phân cực của phàn ứng điện hóa
Phản ứng electron đơn cân bằng được coi là có điện thế bằng E_eq Trong trường hợp này, tốc độ của quá trình anôt và catôt ở trạng thái thuận nghịch được thể hiện qua mật độ dòng điện i_a và i_c.
i0 là mật độ dòng điện trao đổi của phản ứng, tức là mật độ dòng điện tại điện thế cân bằng khi chưa nối mạch Mật độ dòng điện trao đổi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu điện cực và dung dịch.
Khi E E quá trình ở anot chiếm ưu thế ( eq i a i c ) và khi E E thì quá eq trình ở catot là quá trình chiếm ưu thế ( i a i c )
Trong mỗi trường hợp ,electron được xem là phân cực Điện thế được thay đổi có giá trị : a E E ;eq c Eeq E
Sự phụ thuộc giữa quá thế và mật độ dòng điện có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách kiểm soát điện thế của kim loại thực nghiệm; đồ thị này được gọi là đường cong phân cực và hình 2.4 mô tả đường cong phân cực của quá trình điện phân có tốc độ bị giới hạn bởi sự dịch chuyển điện tích Khi quá thế ở mức 50 mV, mối quan hệ giữa quá thế và mật độ dòng điện tuân theo phương trình Tafel: η = a + b log(i/i0) (hoặc η = a + b log i tùy trường hợp), trong đó a và b là các hằng số Tafel và i0 là mật độ dòng điện tham chiếu Những đường cong phân cực này cho phép xác định cơ chế và vận tốc của quá trình điện hóa.
Trong đó hệ số Tafel b a và b c là những hằng số phản ứng tại nhiệt độ xác định
(Hình 2.4) cho thấy các đường cong phân cực của những quá trình điện cực như
Trong quá trình điện hóa, tốc độ phản ứng tại catôt bị hạn chế bởi sự dịch chuyển khối chất tới bề mặt điện cực, tức quá trình khuếch tán và nồng độ phân cực Khi nồng độ phân cực tăng lên, mật độ dòng điện catot i_c tăng và dần đạt giá trị giới hạn i_L Ở vùng giới hạn này, i_c xấp xỉ bằng i_L, cho thấy phản ứng catot bị chi phối bởi dòng chất vận chuyển trong dung dịch hơn là bởi phản ứng trên bề mặt điện cực Giá trị i_L phụ thuộc vào nhiệt độ, mức khuấy trộn và các đặc tính của dung dịch như độ hòa tan và tính chất vận chuyển Phương trình mô tả mối quan hệ giữa i_c và i_L có dạng cho thấy sự tiến tới giới hạn, ví dụ log(1 - i_c/i_L) = const, phản ánh sự tăng dần của i_c khi nó tiếp cận i_L.
Hình 2.3 Đường cong phân cực của quá trình điện phân [15]
Hình 2.4 Đường cong phân cực của quá trình điện cực bị giới hạn bởi sự khuếch tán oxy đến catot [15]
Nhìn chung, đường cong phân cực của quá trình điện cực cơ bản phản ánh xu hướng tốc độ phản ứng khi điện thế tăng lên Tuy nhiên, nếu điện cực có khả năng tham gia nhiều phản ứng ở các điện thế khác nhau thì đường cong phân cực có thể không tuân theo một quy tắc cố định Ví dụ, kim loại M có thể bị oxy hóa thành ion M²⁺ bằng hai electron ở một điện thế chuẩn (M → M²⁺ + 2e⁻), nhưng mặt khác nó có thể hình thành một lớp oxit trên bề mặt (MO) tại điện thế ứng với cặp phản ứng M/MO (M + H₂O → MO + 2H⁺ + 2e⁻).
Hình 2.5 Đường cong phân cực anot diễn tả sự dịch chuyển từ hòa tan chủ động sang thụ động [15]
Ở điện thế chuẩn E_eq và tỷ lệ M/M^2, kim loại có thể không hòa tan; khi E_eq tăng, quá trình hòa tan có xu hướng tăng lên Tuy nhiên, ở một số điện thế dương cao hơn E_M/MO, hoạt động hòa tan hầu như ngừng lại do sự hình thành màng oxit trên bề mặt, tạo thành lớp thụ động và chỉ cho phép một dòng điện rất nhỏ còn lại tham gia vào các phân cực tiếp theo Nếu màng oxit cho phép dẫn điện, oxy ở cực âm sẽ giảm khi nước xuất hiện trong điện cực.
Khi điện thế dương vượt quá mức điện thế tới hạn cho phản ứng oxy hóa nước (2H2O → O2 + 4H+ + 4e−), sự tăng lên rõ rệt của cường độ dòng điện âm được quan sát Nhiều kim loại và hợp kim có lớp màng oxit bảo vệ có thể kháng lại hư hại cục bộ của màng oxit (hiện tượng rỗ mặt) khi điện cực chứa các ion xâm thực như Cl− hoặc Br− và điện thế đạt đến giá trị tới hạn Giá trị tới hạn phụ thuộc vào nồng độ muối và pH của dung dịch.
Hình 2.6 Đường cong phân cực anot của thép trong dung dịch Ca(OH) 2 bão hòa có hàm lượng canxi dihydrat thay đổi [15]
Khi điện thế dương vượt quá điện thế gây ăn mòn rỗ mặt (pitting), mật độ dòng điện trung bình tại anot tăng lên do kim loại bị phá hủy cục bộ mạnh tại một số điểm, trong khi bề mặt xung quanh những điểm này vẫn duy trì thụ động Đường cong phân cực của một số kim loại được nghiên cứu trong các dung dịch có thành phần xác định ở nhiệt độ 25 °C có thể thể hiện bằng biểu đồ E-pH, cung cấp cách nhìn trực quan về mối liên hệ giữa điện thế và pH trong quá trình ăn mòn và thụ động hóa.
Khả năng ăn mòn và tốc độ ăn mòn cốt thép
Nghiên cứu đường cong phân cực giúp làm rõ hoạt động của các điện cực anot và catôt trong pin Đây là mô hình phân cực đơn giản cho các quá trình anot và catôt diễn ra đồng thời trên bề mặt kim loại của một điện cực hỗn hợp với cùng một tốc độ ăn mòn Dạng đơn giàn của quá trình ăn mòn cho thấy hai phản ứng phân cực anot và catot kết hợp tạo thành vô số microcell trên bề mặt kim loại của điện cực có độ dẫn điện cao Các đường cong phân cực của hai phản ứng độc lập gặp nhau tại điểm P, nơi mật độ dòng điện ở anot và catot ở mức trung bình; tại đây tốc độ ăn mòn được thể hiện bằng mật độ dòng ăn mòn trung bình i_corr và điện thế tại điểm này được gọi là điện thế ăn mòn.
Hình 2.7 Giản đồ Evans dùng cho ăn mòn dạng cơ bản [15]
Những trạng thái ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ăn mòn cốt thép trong bê tông có thể ở những trạng thái sau [15]
- Trạng thái ăn mòn làm rỗ mặt
- Trạng thái ăn mòn đều
- Trạng thái hoạt động, ăn mòn điện thế thấp
Trạng thái thụ động của thép trong bê tông hình thành khi các lỗ rỗng chứa hơi ẩm do sự hydrat hóa của xi măng và các chất kiềm như NaOH, KOH và Ca(OH)2, tạo điều kiện cho một lớp màng oxit bảo vệ và làm giảm tốc độ ăn mòn ở mức không đáng kể Điện thế ăn mòn của thép làm việc dao động từ +200 đến -200 mV tùy điều kiện, và ở các công trình ngoài trời mức oxy hòa tan đủ để thép thụ động duy trì điện thế trong khoảng +100 đến -200 mV so với điện thế calomel bão hòa Sự ổn định của trạng thái thụ động phụ thuộc vào chất lượng bê tông và chiều dày lớp bảo vệ, yếu tố này quyết định khả năng chống lại các chất xâm thực có thể biến đổi thành phần của lỗ rỗng chứa hơi ẩm và đe dọa tính thụ động của thép.
Hình 2.8 Giản đồ Evans diễn tả ảnh hưởng của nồng độ oxy đối với điện thế ăn mòn của thép thụ động trong bê tông [15]
Trạng thái ăn mòn rỗ mặt của cốt thép trong môi trường kiềm xảy ra khi sự thụ động của thép bị phá hoại bởi ion clo, ion clo có thể xâm nhập bê tông theo nhiều đường khác nhau và khi hàm lượng clo vượt quá ngưỡng tới hạn, quá trình ăn mòn gây rỗ mặt trên thanh thép được kích hoạt Quá trình này được đặc trưng bởi sự hình thành cặp pin với bề mặt thép thụ động rộng (hoạt động như catôt) và các vị trí anot bị rỗ mặt nằm bên trong có nồng độ clo cao và pH thấp; để bề mặt rỗ phát triển, cần có đủ oxy để gây phân cực anot cho đến khi điện thế vượt lên điện thế phá hoại trong một môi trường nhất định Điện thế ăn mòn của cốt thép thay đổi từ trạng thái thụ động sang trạng thái rỗ mặt anot, thường ở khoảng từ -200 đến 500 mV; vùng anot có điện thế âm thường được bao quanh bởi các vùng có gradient điện thế cao.
Trạng thái ăn mòn đều là hình thái bảo vệ tính thụ động của thép trong dung dịch điện phân; để duy trì tính thụ động, pH không được dưới 11,5, và trong một số trường hợp có thể dùng pH thấp hơn (ví dụ pH 9) trong dung dịch đệm do ít ảnh hưởng đến sự thủy phân của sản phẩm phản ứng anot Trong bê tông, sự mất đi của lớp màng thụ động có thể tăng lên khi pH ở lỗ rỗng chứa hơi ẩm trên bề mặt thép giảm từ giá trị ban đầu cao Nguyên nhân có thể là sự trung hòa do tác động của các khí axit trong không khí (như CO2) được hấp thụ vào bê tông và gây ra ăn mòn đều cốt thép Ăn mòn đều dễ nhận biết khi bê tông có hàm lượng clo cao và lớp màng thụ động bị phá hủy hoàn toàn.
Ở mức 600 mV, điện thế này gần bằng điện thế của cốt thép không được bảo vệ khi làm việc trong môi trường nước trung tính Gradient điện thế làm việc trong các kết cấu vận hành ở điều kiện này không cao bằng điện thế diễn ra trong quá trình ăn mòn rỗ mặt.
Ở trạng thái hoạt động với điện thế ăn mòn thấp, ăn mòn có thể diễn ra khi sự xâm nhập của oxy bị hạn chế, như ở các công trình ngập nước hoặc công trình chôn dưới đất Mật độ dòng điện catôt giới hạn trong những môi trường này có thể không đủ để duy trì lớp màng thụ động trên bề mặt thép theo thời gian Trong các điều kiện như vậy, bản chất của kim loại là hoạt động trong môi trường kiềm có nồng độ cao; điều này có thể được nhận biết qua đồ thị Pourbaix, và điện thế ăn mòn có thể giảm xuống đến một giá trị nhất định.
Trong môi trường biển, tốc độ hòa tan của kim loại thường rất thấp do hạn chế thâm nhập của chất khử cực tại catôt, ví dụ oxy Ăn mòn cốt thép trong ximăng biển chủ yếu do xâm thực clo gây ra và đặc biệt là ở trạng thái ăn mòn điểm khi mặt Clo, oxy và ẩm tạo điều kiện cho quá trình này duy trì Khi kết cấu tiếp xúc với môi trường xâm thực và bề mặt không được bảo vệ, có thể xảy ra hiện tượng ăn mòn tốc độ không hoàn toàn phụ thuộc vào sự xâm nhập của oxy tới catôt Tuy nhiên, tỷ lệ giữa hoạt động clo và lớp thụ động hydroxide có thể đạt tới giá trị tới hạn, khiến sự phát triển của ăn mòn bị chi phối bởi vùng bề mặt hoạt động; ưu thế tương đối của ion clo hoặc hydroxit có thể chi phối diễn tiến ăn mòn Do bê tông có khả năng duy trì kiềm nhờ ion hydroxide, sự xâm nhập của clo đến vùng ăn mòn trên bề mặt có thể xem là yếu tố chính dẫn đến tiếp diễn quá trình ăn mòn Điện thế bề mặt rỗ chuyển sang âm nhiều hơn khi nồng độ clo tăng lên, làm cho ăn mòn diễn ra nhanh hơn Quá trình ăn mòn bị chi phối bởi quá trình anot, và bề mặt catôt cũng đóng vai trò đáng kể trong tăng tốc độ ăn mòn khi clo gia tăng.
Hình 2.9 Sơ đồ tuần hoàn của ion clo trong quá trình ăn mòn điểm [15]
Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép
2.7.1 Khái quát Ăn mòn được Fontana, M.G (1971) [17] và Uhlig ,H H (1971) [18] định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn a) Ăn mòn điện hóa :
Trong ăn mòn điện hóa, hai phản ứng xảy ra tại giao diện giữa kim loại và chất điện ly: phản ứng giải phóng electron ở cực dương (oxi hóa) và phản ứng tiêu thụ electron ở cực âm (khử) Quá trình này tạo thành một vòng tuần hoàn điện tử giữa hai cực và môi trường, với electron di chuyển từ cực dương sang cực âm qua mạch ngoài Một loại pin ăn mòn cơ bản có 4 thành phần thiết yếu, bao gồm: một kim loại bị ăn mòn làm cực Anode, một chất điện ly cho phép dòng ion, một mạch ngoài để dẫn điện, và một cực Catode nơi diễn ra phản ứng khử.
Trong ăn mòn điện hóa, cực dương (anode) thường bị ăn mòn do mất electron từ kim loại trung hòa về điện để hình thành các ion rời rạc Những ion này có thể vẫn còn trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo thành các sản phẩm ăn mòn không hòa tan Phản ứng ăn mòn của kim loại Fe tại anode thường được biểu diễn bằng một phương trình đơn giản, mô tả quá trình oxi hóa kim loại thành các ion và sự kết hợp của chúng với các chất oxy hóa khác trong môi trường Việc nắm được cơ chế này giúp đánh giá tốc độ ăn mòn và chọn biện pháp bảo vệ phù hợp, còn các yếu tố như pH, độ dẫn điện và sự có mặt của chất ức chế ăn mòn sẽ ảnh hưởng đến diễn biến và kết quả của phản ứng.
Cực âm (cathode) là nơi diễn ra phản ứng khử, tiêu thụ các electron được sinh ra ở cực dương Có hai phản ứng khử cơ bản tại cathode tùy thuộc vào pH của dung dịch: pH < 7 (dung dịch axit) diễn ra phản ứng: 2H+ + 2e- → H2; pH > 7 (dung dịch kiềm) diễn ra phản ứng: 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH-.
Chất điện ly là dung dịch có khả năng phân ly thành các ion dương (cation) và ion âm (anion) khi hòa tan trong dung môi, từ đó cho phép dung dịch dẫn điện dưới tác dụng của trường điện Các ion dương di chuyển về phía điện cực âm (cathode) và các ion âm di chuyển về phía điện cực dương (anode), tạo thành dòng điện trong dung dịch và làm nền cho nhiều ứng dụng như pin, ắc-quy, xử lý nước và hóa phân tích.
- Kết nối điện : Cực dương và cực âm phải được nối với nhau ở mạch ngoài của pin ăn mòn bằng dây dẫn điện
Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra b) Biểu đồ Pourbaix
Dựa trên dữ liệu phản ứng giữa kim loại và nước và biểu đồ Pourbaix, sự ổn định nhiệt động học của các pha được thể hiện như một hàm của điện thế điện cực và độ pH Biểu đồ Pourbaix cho sắt cho thấy phạm vi các pha ổn định thay đổi theo điện thế và pH, giúp dự đoán điều kiện ăn mòn và hình thành oxit hoặc hydroxit ở các môi trường khác nhau Hình 2.10 trình bày biểu đồ này cho sắt, làm rõ vùng ổn định của kim loại và các sản phẩm oxit, hydroxit ở các mức điện thế và pH khác nhau.
Biểu đồ Pourbaix ở Hình 2.10 mô tả mối quan hệ giữa thế điện cực và độ pH của hệ Fe–H2O–O2, cho thấy các vùng IMMUNITY (không ăn mòn), CORROSION (ăn mòn) và PASSIVATION (thụ động) phụ thuộc vào điều kiện môi trường Chú thích giải thích: Potential là điện thế; IMMUNITY – không ăn mòn; CORROSION – ăn mòn; PASSIVATION – thụ động, từ đó có thể dự báo trạng thái bề mặt sắt và mức độ ăn mòn trong nước có oxy.
Có ba vùng được minh họa trong biểu đồ: Vùng corrosion sắt bị ăn mòn, vùng passivation sắt bị thụ động, vùng immunity sắt không bị ăn mòn Từ giản đồ thế điện cực – pH của hệ Fe H O 2 trình bày trên (Hình 2.10) cho phép rút ra một số nhận xét sau:
- Biểu đồ Pourbaix cho phép dự đoán khả năng bị ăn mòn và không bị ăn mòn của sắt trong môi trường nước
- Rút ra nguyên tắc của phương pháp điện hóa bảo vệ chống ăn mòn sắt trong môi trường nước và cụ thể là:
Dịch chuyển thế điện cực sắt (thép) trong môi trường nước về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn của sắt thì sắt đi vào vùng an toàn không bị ăn mòn
Việc dịch chuyển thế điện cực sắt (thép) trong môi trường nước về phía dương so với thế ăn mòn sẽ làm kim loại bị thụ động, còn được gọi là bảo vệ cực dương Khi tăng pH lên khoảng 12.5–13.5 ở kim loại ăn mòn, thép được đưa vào vùng thụ động, từ đó làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại Đây là khái niệm về tính thụ động của kim loại, cho thấy cách kiểm soát ăn mòn hiệu quả thông qua điều chỉnh điện thế và độ kiềm của môi trường.
Quá trình thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn không hòa tan, bám chặt trên bề mặt kim loại và hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề mặt kim loại Lớp màng này ngăn cản tiếp xúc giữa kim loại và môi trường xung quanh, từ đó làm giảm quá trình ăn mòn và bảo vệ bề mặt kim loại khỏi sự ăn mòn tiếp diễn.
Việc duy trì thụ động cần điều kiện điện thế phù hợp Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những phá vỡ của điện thế
2.7.2 Ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ở bê tông chất lượng tốt với cấp phối trộn hợp lý, đổ, đầm và bảo dưỡng đúng cách, cốt thép được bảo vệ khỏi ăn mòn; bảo vệ vật lý được tạo bởi lớp bê tông như một rào chắn ngăn các chất xâm thực tiếp cận, trong khi bảo vệ hóa học được duy trì bởi độ kiềm cao bên trong cấu trúc lỗ rỗng do hydroxit canxi hình thành trong phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng, giúp bê tông duy trì pH từ 12.5 đến 13.5 – vùng thụ động theo biểu đồ Pourbaix, nơi ăn mòn thép không xảy ra; tuy nhiên, rào chắn vật lý của bê tông không hoàn hảo vì cấu trúc xốp và các vết nứt nhỏ cho phép chất xâm nhập phá vỡ màng thụ động, và hai nguyên nhân chính gây phá vỡ màng thụ động là sự tích tụ ion clo trên bề mặt màng và độ pH dung dịch lỗ rỗng giảm do cacbonat hóa.
Các giai đoạn ăn mòn
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo 2 giai đoạn chính (Hình
Trong nghiên cứu về ăn mòn cốt thép trong bê tông, giai đoạn t1 là khoảng thời gian các yếu tố ảnh hưởng thâm nhập vào bên trong bê tông cho đến khi mức độ ăn mòn bắt đầu xuất hiện Giai đoạn t2 là khoảng thời gian mà sự ăn mòn diễn ra mạnh mẽ cho đến khi cốt thép bị hư hại đáng kể.
Hình 2.11 Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông [14]
Trong bê tông thông thường, cốt thép được bảo vệ bởi một lớp oxit thụ động Lớp oxit sắt này hình thành trên bề mặt cốt thép trong môi trường kiềm, tương đối ổn định và giúp ngăn ngừa ăn mòn Tuy nhiên, có hai cơ chế chủ yếu phá hủy lớp oxit bảo vệ, từ đó dẫn đến ăn mòn cốt thép, như được đề cập trong [16].
- Cacbonat hóa hoặc rửa trôi làm giảm độ pH của bê tông
2.8.1 Ăn mòn thép do cacbonat hóa
Xi măng dùng trong bê tông chứa các khoáng C3S, C2S, C3A và C4AF Khi xi măng được trộn với nước, các phản ứng thủy hóa của các khoáng này xảy ra, sinh ra độ kiềm cao và làm pH của hỗn hợp lên tới khoảng 12.5–13.5 Với pH > 12.5, theo đồ thị Pourbaix, thép trong bê tông ở vùng thụ động và trên bề mặt cốt thép hình thành màng thụ động, giúp thép không bị ăn mòn.
Hiện tượng cacbonat hóa bê tông là quá trình hình thành CaCO3 và nước do Ca(OH)2 được tạo ra trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng khi gặp CO2 từ môi trường Quá trình này làm giảm nồng độ ion OH− trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông, khiến pH của dung dịch lỗ rỗng giảm xuống dưới 12,5 và có thể xuống tới khoảng 8 Lúc pH giảm, lớp thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ, làm tăng khả năng ăn mòn cốt thép và đe dọa độ bền của hệ bê tông cốt thép.
Các bước của phản ứng như sau:
CO2 trong khí quyển thâm nhập qua các vết nứt và lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, phản ứng với Ca(OH)2 trong bê tông để hình thành một khu vực có pH thấp ở vùng lân cận cốt thép Theo thời gian, khu vực này mở rộng sâu vào bên trong bê tông và nồng độ pH tiếp tục giảm Khi mức pH xuống khoảng 8 và khu vực này tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt thép bị phá hủy và thép bắt đầu bị ăn mòn.
Tốc độ cacbonat hóa được xác định bằng biểu thức sau : c k t Trong đó :
K – hệ dố cacbonat hóa , phụ thuộc vào chất lượng bê tông k 3mm / (năm) - bê tông tốt 0,5 k 6mm / (năm) - bê tông xấu 0,5
Các yêu tố cơ bản ảnh hưởng đến mức độ cacbonat hóa :
- Chất lượng bê tông ( xốp , đặc chắc )
- Độ ẩm ướt của bê tông : mức độ cacbonat hóa mạnh nhất ở trong khoảng độ ẩm từ 50 70%
2.8.2 Ăn mòn thép do ion clo
Khi nồng độ ion Cl− đạt ngưỡng ăn mòn, Cl− làm thay đổi môi trường điện hóa và phá vỡ lớp màng thụ động trên cốt thép trong bê tông Sau khi lớp màng thụ động bị phá vỡ do sự xâm nhập của ion Cl−, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mòn nếu có đủ độ ẩm và oxy Quá trình này là một quá trình điện hóa với các phản ứng diễn ra giữa hai vùng cực: cực dương là vùng đã phá vỡ màng thụ động và cực âm là vùng vẫn bảo vệ Kết quả của điện thế giữa hai vùng này sẽ tạo ra dòng điện, electron di chuyển từ cực dương sang cực âm, đồng thời có dòng điện trong dung dịch điện phân để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương Nhờ quá trình này các ion kim loại thoát khỏi cực dương nhiều hơn, làm cho cực dương bị hòa tan và làm giảm tiết diện của cốt thép.
Hình 2.12 Các phản ứng cực dương và cực âm [19]
Trong bê tông cốt thép, thép có thể ăn mòn khi nước lỗ rỗng và oxy có mặt Quá trình hình thành gỉ bắt đầu từ Fe(OH)2 tác dụng với oxy và nước để tạo Fe(OH)3; hydroxit sắt(III) này chuyển thành hydroxit ngậm nước, chính là gỉ sắt Các sản phẩm của quá trình ăn mòn tích tụ làm tăng thể tích và đẩy bê tông nứt vỡ, ảnh hưởng tới sức bền của cấu kiện Để giảm gỉ và kéo dài tuổi thọ, cần kiểm soát độ ẩm, thông gió và áp dụng biện pháp bảo vệ thép như phủ chống ăn mòn hoặc dùng thép không gỉ.
Mark G Richardson năm 2002 [20] đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực âm như sau :
Phản ứng cực dương ( anodic ) [20]
Phản ứng cực âm ( cathodic ) [19]
Khi có mặt của ion Clo phản ứng xảy ra như sau [20]
Trong cơ chế ăn mòn của thép trong bê tông, các phản ứng ở cực âm cần có oxy và nước để diễn ra đúng cách Nếu các phản ứng cực âm không thể diễn ra thì lượng điện tử sinh ra ở các phản ứng cực dương có thể không bị tiêu thụ, dẫn tới tích tụ điện tích tại một điểm trên bề mặt thép Vì vậy, các điện tử này phải được tiêu thụ ở những nơi khác trên bề mặt thép để duy trì cân bằng điện tích và tránh tích tụ quá nhiều tại một vị trí Thực tế cho thấy nếu bê tông ở trạng thái khô, quá trình ăn mòn sẽ ngừng do thiếu nước cho các phản ứng cực âm Ngược lại, khi bê tông ẩm ướt, oxy gặp khó khăn trong việc thâm nhập vào các cấu trúc lỗ rỗng và ăn mòn cũng sẽ không tiếp tục vì không có đủ oxy cho phản ứng cực âm (ví dụ bê tông ngập nước) Điều này cho thấy tồn tại một phạm vi độ ẩm tương đối trung gian mà ở đó ăn mòn có thể xảy ra.
Quá trình hình thành hydroxit sắt diễn ra khi hai ion Fe2+ ở cực dương kết hợp với bốn ion hydroxide (OH−) từ cực âm để tạo Fe(OH)2 Trong điều kiện có oxy và độ ẩm, Fe(OH)2 bị oxy hóa và chuyển thành gỉ sắt, cụ thể là oxit sắt có nước Fe2O3·xH2O Quá trình này là nguyên nhân chính của sự ăn mòn và hình thành lớp gỉ trên bề mặt sắt khi tiếp xúc với môi trường có oxy và nước.
Số lượng sắt phản ứng gỉ là tỳ lệ thuận với dòng điện ăn mòn và thời gian, nó phù hợp với định luật Faraday
Ở trạng thái khô, oxit sắt Fe2O3 có thể tích gấp khoảng hai lần thể tích thép tương ứng Khi oxit sắt ngậm nước, nó trương nở và trở nên xốp Sự trương nở này có thể dẫn đến tăng thể tích từ 2–4 lần tại giao diện thép–bê tông, ảnh hưởng đến khả năng liên kết và ổn định của cấu kiện.
Điều này khiến gỉ màu đỏ nâu dễ bong khỏi thanh thép và có thể gây nứt và vỡ của bê tông bảo vệ Ăn mòn là sự mất kim loại ở cực dương, đồng thời gỉ là sản phẩm oxit hình thành ở cực dương Các tham số ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn được nêu trong bảng 2.1.
Theo Nielsen A (1985), oxit sắt không ngậm nước Fe2O3 có thể tích gấp 2 lần thép mà nó thay thế [21] Tuy nhiên, khi ngậm nước, oxit sắt này nở thể tích gấp 6.5 lần, như thể hiện ở Hình 2.13, và do đó gây ra nứt và vỡ bê tông bảo vệ.
Hình 2.13 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt [21]
Khi thể tích của gỉ tăng lên, lực đẩy do sự mở rộng của quá trình ăn mòn tác động lên lớp bê tông bảo vệ khiến bê tông xuất hiện các vết nứt, vỡ hoặc tách lớp bê tông Vì vậy bê tông mất tính toàn khối và sự dính bám giữa bê tông và cốt thép bị suy giảm Các mặt cắt ngang của cốt thép giảm dần, khiến cấu kiện chắc chắn dần sụp đổ.
Hình 2.14 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gâ ra nứt , vỡ , tách lớp [21]
B ả ng 2.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với quá trình ăn mòn [21]
Độ ẩm là tham số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ăn mòn kim loại Độ ẩm ban đầu cần thiết cho phản ứng cực âm để hình thành gỉ tại cực dương Khi độ ẩm đạt ngưỡng cần thiết, quá trình ăn mòn diễn ra mạnh và gỉ xuất hiện tại vùng cực dương Ngược lại, nếu không có đủ độ ẩm, tốc độ ăn mòn sẽ rất nhỏ hoặc không đáng kể.
Oxy cần được cung cấp cho phản ứng ở cực âm và sau đó gỉ hình thành ở cực dương Khi oxy được cấp không đủ, tỷ lệ ăn mòn sẽ giảm đáng kể Điện trở suất của bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến dòng ăn mòn: điện trở suất càng cao thì dòng ăn mòn càng thấp Đồng thời, điện trở suất tăng theo nhiệt độ và giảm khi hàm lượng ẩm tăng, điều này ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn của kết cấu bê tông.