Tài liệu Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện việt nam

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr-êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi ----------*** ---------- LUËN v¨n th¹c SÜ Khoa häc Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Ngµnh : C«ng nghÖ Ho¸ häc M· sè : Vò thÕ Ph-¬ng Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: TS. HOµNG THÞ BÝCH THUû Hµ Néi - 2009 1 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Lêi c¶m ¬n LuËn v¨n nµy ®-îc thùc hiÖn t¹i Trung t©m Nghiªn cøu ¨n mßn vµ b¶o vÖ kim lo¹i - Tr-êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi vµ t¹i Trung t©m T- vÊn chèng ¨n mßn vµ X©y dùng - ViÖn Khoa häc C«ng nghÖ X©y dùng. T«i xin ®-îc bµy tá lßng biÕt ¬n ch©n thµnh vµ s©u s¾c tíi: TS. Hoµng ThÞ BÝch Thñy ng-êi ®· tËn t×nh h-íng dÉn vµ gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ hoµn thµnh luËn v¨n. C¸c c¸c bé trong Trung t©m n¬i t«i thùc tËp vµ c«ng t¸c ®· gióp ®ì t«i trong suèt qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm vµ gãp ý cho t«i ®Ó luËn v¨n nµy hoµn thiÖn h¬n. T«i còng xin ®-îc bµy tá sù biÕt ¬n ®Õn Ban Gi¸m hiÖu, ViÖn §µo t¹o sau ®¹i häc, Ban Chñ nhiÖm khoa C«ng nghÖ ho¸ häc, Bé m«n C«ng nghÖ ®iÖn ho¸ vµ b¶o vÖ kim lo¹i, Tr-êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi ®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp. Cuèi cïng t«i xin ®-îc göi lêi c¶m ¬n tíi gia ®×nh, b¹n bÌ, nh÷ng ng-êi ®· lu«n bªn t«i, ®éng viªn khuyÕn khÝch t«i trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn luËn v¨n. Hµ Néi, ngµy 10 th¸ng 11 n¨m 2009 Häc viªn Vò ThÕ Ph-¬ng LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 2 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Lêi cam ®oan Tªn t«i lµ: Vò ThÕ Ph-¬ng, häc viªn líp cao häc chuyªn ngµnh C«ng nghÖ §iÖn ho¸ vµ b¶o vÖ kim lo¹i, kho¸ 2007-2009. T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy lµ do t«i tù viÕt, sè liÖu nghiªn cøu thu ®-îc tõ thùc nghiÖm vµ kh«ng sao chÐp. Häc viªn Vò ThÕ Ph-¬ng LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 3 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam môc lôc Môc lôc ………………………………………………………………………... 3 Danh môc h×nh …………………………………………………………...…. 5 Danh môc b¶ng ……………………………………………………………... 6 më ®Çu …………………………………………………………………………. 7 ch-¬ng I. Tæng quan ………………………………………………...... 11 I.1 ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng ……………………………. …… I.1.1 HiÖn t-îng thô ®éng cèt thÐp trong bª t«ng …………………………….... I.1.2 Nguyªn nh©n, c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng ……... I.1.3 ¡n mßn cèt thÐp trong bª t«ng cña c«ng tr×nh biÓn ……………………… 11 I.2 C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ cèt thÐp trong bª t«ng khái ¨n mßn do ion clo …………………………………………………………….. I.2.1 BiÖn ph¸p b¶o vÖ c¬ b¶n …………………………………………………... I.2.2 BiÖn ph¸p b¶o vÖ hç trî …………………………………………………..... 11 13 20 23 I.3 b¶o vÖ catèt trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh ..........…….. 24 24 30 I.3.1 Ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt ………………………………………………..... 30 32 I.3.2 VËt liÖu anèt trong hÖ b¶o vÖ catèt ……………………………………….. I.3.3 T×nh h×nh nghiªn cøu và øng dông anèt kÏm dïng chèng ¨n mßn cho cèt thÐp ……………………………………………………………………………..... 34 37 Ch-¬ng II. Thùc nghiÖm vµ ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu II.1 ChuÈn bÞ thÝ nghiÖm ……………………………………………..….... II.1.1 Cèt thÐp ………………………………………………………………….... II.1.2 Xi m¨ng ………………………………………………………………….... II.1.3 C¸t ………………………………………………………………………..... II.1.4 §¸ ………………………………………………………………………..... II.1.5 Anèt hy sinh ……………………………………………………………..... 37 II.2 Dung dÞch vµ ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm ………………………..…..... II.3 C¸c th«ng sè cÇn ®o vµ ph-¬ng ph¸p ®o ……………….……. II.3.1 Ph-¬ng ph¸p ®o ®iÖn thÕ nöa pin haft-cell ………………………………. II.3.2 Ph-¬ng ph¸p ®o ®iÖn trë ph©n cùc ……………………………………….. II.4 ThÝ nghiÖm nghiªn cøu hiÖu qu¶ b¶o vÖ cèt thÐp cña anèt hy sinh trong m«i tr-êng thö nghiÖm kh¾c nghiÖt ...... II.4.1 Quy tr×nh thÝ nghiÖm …………………………………………………….... LuËn v¨n th¹c sÜ 37 37 37 37 37 38 38 38 40 41 41 Vò ThÕ Ph-¬ng 4 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam II.4.2 TiÕn hµnh ®o ……………………………………………………………..... 43 II.5 ThÝ nghiÖm ®¸nh gi¸ ¶nh h-ëng cña ANHS ®èi víi qu¸ 43 tr×nh ¨n mßn cèt thÐp t¹i vïng l©n cËn sau söa ch÷a ……... 43 II.5.1 Quy tr×nh thÝ nghiÖm …………………………………………………….... 46 II.5.2 TiÕn hµnh ®o ……………………………………………………………..... Ch-¬ng III. Nghiªn cøu t¸c dông b¶o vÖ cña Anèt hy sinh ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª 47 t«ng theo thêi gian …………………………………………………. III.1 §iÖn thÕ cèt thÐp ………………………………………………..….... III.1.1 Tr-êng hîp bª t«ng s¹ch (kh«ng cã ion Cl- trong bª t«ng) …………….. III.1.2 Tr-êng hîp bª t«ng s¹ch (kh«ng cã ion Cl- trong bª t«ng) vµ ®-îc g¾n b»ng anèt hy sinh ………………………….…………………………………...... 47 47 48 - III.1.3 Tr-êng hîp BT cã nhiÔm ion Cl (2% NaCl theo khèi l-îng xi m¨ng cã trong BT) ……………………………………………………………………….... 49 III.1.4 Tr-êng hîp bª t«ng (cã ion Cl trong bª t«ng) vµ ®-îc g¾n anèt hy sinh 50 52 III.2 Tèc ®é ¨n mßn b»ng ph-¬ng ph¸p ®o ®iÖn trë ph©n cùc III.3 NhËn xÐt ……………………………………………………………......... 53 Ch-¬ng iV. nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña anèt hy sinh ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp t¹i vïng l©n cËn 54 khi söa ch÷a bª t«ng ……………………………………………….... IV.1 Kh¶o s¸t ®iÖn thÕ ¨n mßn cña cèt thÐp ……………….……. IV.1.1 Tr-êng hîp thÐp bÞ gØ (kh«ng cã ion Cl- trong bª t«ng) ………………... IV.1.2 Tr-êng hîp thÐp bÞ gØ vµ cã ion Cl- trong bª t«ng …………………….... IV.1.3 Tr-êng hîp ®èi víi mÉu söa ch÷a …………………………………......... IV.1.4 Tr-êng hîp ®èi víi mÉu söa ch÷a vµ ®-îc b¶o vÖ b»ng anèt hy sinh ..... IV.2 Kh¶o s¸t tèc ®é ¨n mßn …………………………………............. IV.2.1 Kh¶o s¸t tèc ®é ¨n mßn cña c¶ thanh thÐp …………………………….... IV.2.2 Kh¶o s¸t tèc ®é ¨n mßn khi c¾t mÉu …………………………………..... 54 54 55 56 58 59 IV.3 NhËn xÐt ……………………………………………………………........ 59 60 66 KÕt luËn …………………………………………………………………...... 67 Tµi liÖu tham kh¶o …………………………………………………..... 68 phô lôc …………………………………...………………………………...... 72 I LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 5 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Danh môc h×nh H×nh I.1 - Líp mµng thô ®éng cña cèt thÐp trong bª t«ng bÞ ph¸ vì …………. 16 H×nh I.2 - C¬ chÕ ¨n mßn ®iÖn ho¸ thÐp trong bª t«ng cã mÆt ion Cl- ……....... 19 H×nh I.3 - Gi¶n ®å E - pH ®èi víi cèt thÐp trong bª t«ng theo Pedeferi ….….... 31 H×nh II.1 - CÊu t¹o anèt hy sinh ®Ó b¶o vÖ cèt thÐp trong bª t«ng …………..... 37 H×nh II.2 - S¬ ®å ®o ®iÖn thÕ cèt thÐp trong bª t«ng ………………………….. 39 H×nh II.3 - M« h×nh thÝ nghiÖm ®¸nh gi¸ hiÖu qu¶ b¶o vÖ cèt thÐp cña anèt hy sinh trong m«i tr-êng thö nghiÖm kh¾c nghiÖt ……………………………….. 42 H×nh II.4 - M« h×nh thÝ nghiÖm ®¸nh gi¸ ¶nh h-ëng cña anèt hy sinh ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp t¹i vïng l©n cËn sau söa ch÷a …………………….. 44 H×nh III.1 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu S1 … 48 H×nh III.2 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu S1-A ……… 49 H×nh III.3 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu S2 … 50 H×nh III.4 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu S2-A ……… 51 H×nh III.5 - Sù thay ®æi tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian ………………. 52 H×nh IV.1 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu L1 ... 55 H×nh IV.2 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu L2 ... 56 H×nh IV.3 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu L3 ... 57 H×nh IV.4 - Sù chªnh lÖch ®iÖn thÕ gi÷a c¸c vÞ trÝ theo thêi gian cña mÉu L3 ... 57 H×nh IV.5 - Sù thay ®æi ®iÖn thÕ cèt thÐp theo thêi gian cña mÉu L3-A ……… 58 H×nh IV.6 - Sù chªnh lÖch ®iÖn thÕ gi÷a c¸c vÞ trÝ theo thêi gian cña mÉu L3-A 58 H×nh IV.7 - Sù thay ®æi tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp theo thêi gian ……………...... 60 H×nh IV.8 - Sù thay ®æi tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp theo tõng ®o¹n ……………… 61 H×nh IV.9 - BÆt cèt thÐp cña mÉu L3 t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau ………………… 63 H×nh IV.10 - BÆt cèt thÐp cña mÉu L3-A t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau …………….. 65 LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 6 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Danh môc b¶ng B¶ng I.1 - Niªn h¹n x¶y ra h- háng kÕt cÊu BTCT th-êng gÆp trong m«i 21 tr-êng biÓn ViÖt Nam ……………………………….....………………………... B¶ng I.2 - T×nh tr¹ng ¨n mßn kÕt cÊu BTCT vïng biÓn mét sè n-íc §«ng Nam 23 ¸ vµ NhËt B¶n ……………………………….....……………………………....... B¶ng II.1 - §¸nh gi¸ kÕt qu¶ kh¶ n¨ng cèt thÐp bÞ ¨n mßn trong bª t«ng …….. 40 B¶ng II.2 - Thµnh phÇn cÊp phèi bª t«ng dïng trong nghiªn cøu hiÖu qu¶ ….... 43 B¶ng II.3 - Thµnh phÇn cÊp phèi bª t«ng dïng trong nghiªn cøu khi söa ch÷a 45 LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 7 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Më ®Çu ¨n mßn kim lo¹i lµ qu¸ tr×nh tù ph¸ huû cña c¸c kim lo¹i d-íi t¸c ®éng cña m«i tr-êng xung quanh dÉn ®Õn sù thay ®æi nh÷ng tÝnh chÊt ho¸ lý cña chóng. Sù ¨n mßn vµ hËu qu¶ do ¨n mßn g©y ra lµ rÊt lín. Toµn thÕ giíi -íc tÝnh cã ®Õn 10% l-îng thÐp bÞ gØ hµng n¨m vµ t¹i c¸c n-íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn, chi phÝ do ¨n mßn kim lo¹i chiÕm kho¶ng 3 - 4% tæng s¶n phÈm quèc gia (GNP) [3]. ë ViÖt Nam, hiÖn ch-a cã sè liÖu thèng kª chÝnh x¸c, nh-ng do ®iÒu kiÖn khÝ hËu ®Æc thï cña n-íc ta lµ nãng Èm, tæn thÊt do ¨n mßn ch¾c ch¾n kh«ng nhá. NÕu t¹m tÝnh lµ 3,5% GDP, th× hµng n¨m thiÖt h¹i do ¨n mßn lµ h¬n 700 triÖu USD. Sù ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng dÉn ®Õn sù ph¸ huû kÕt cÊu rÊt nghiªm träng. VÝ dô ®iÓn h×nh nh-, n¨m 1967, c©y cÇu nèi Point Pleasant, phÝa T©y Virginia víi Kanauga, Ohio bÞ sËp bëi rÊt nhiÒu bé phËn kÕt cÊu xuèng cÊp do ¨n mßn. Th¸ng 5 n¨m 2000, sù cè sËp cÇu ®i bé ë B¾c Carolina lµm th-¬ng h¬n 100 ng-êi. C©y cÇu Dickson ë Montreal n¨m 1990 còng bÞ ngõng ho¹t ®éng do sù ¨n mßn lµm xuèng cÊp. Ngµy 28/8/2003 mét c©y cÇu bª t«ng qua s«ng Daman Ganga, miÒn t©y Ên §é bÞ sËp, lµm 25 ng-êi thiÖt m¹ng, nguyªn nh©n lµ do cÇu qu¸ cò n¸t (trong ®ã cèt thÐp bÞ ¨n mßn) [21]. GÇn ®©y nhÊt lµ vµo ngµy 01/8/2007, mét th¶m ho¹ ®· x¶y ra t¹i bang Minnesota khi mét c©y cÇu träng yÕu b¾c qua s«ng Missisippi cña n-íc Mü bÊt ngê sËp ngay vµo giê cao ®iÓm buæi tèi, nhÊn ch×m nhiÒu xe «t«, lµm 13 ng-êi thiÖt m¹ng vµ nhiÒu ng-êi bÞ th-¬ng mµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra sËp cÇu lµ do bÞ ¨n mßn. ë ViÖt Nam ch-a cã tr-êng hîp nµo x¶y ra nghiªm träng vÒ ng-êi nh-ng ®· g©y thiÖt h¹i lín vÒ kinh tÕ. Tiªu biÓu ph¶i kÓ ®Õn c«ng tr×nh bÖnh viÖn K67 Qu¶ng Ninh ®-îc x©y dùng vµo n¨m 1990 vµ ®-a vµo sö dông n¨m 1993, tæng diÖn tÝch sµn cña toµn bé khu nhµ lµ 5000m2 nh-ng chØ sau 10 n¨m sö dông c«ng tr×nh ®· ph¶i dì bá hoµn toµn do kh«ng an toµn trong qu¸ tr×nh sö dông vµ cã thÓ sËp bÊt cø lóc nµo. Nguyªn nh©n chÝnh lµ do sö dông c¸t nhiÔm mÆn ®Ó ®óc bª t«ng dÉn ®Õn kÕt cÊu bª t«ng cèt thÐp [BTCT] bÞ ¨n mßn rÊt nhanh chãng [2]. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 8 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Bª t«ng cèt thÐp lµ mét trong nh÷ng vËt liÖu x©y dùng ®-îc sö dông rÊt phæ biÕn hiÖn nay. ViÖc tiªu thô bª t«ng trªn toµn thÕ giíi ®øng hµng thø hai chØ sau viÖc tiªu thô n-íc víi h¬n 1tÊn/ng-êi/n¨m [22]. Theo thêi gian th× sù xuèng cÊp cña c¸c c«ng tr×nh BTCT, nhÊt lµ c¸c c«ng tr×nh lµm viÖc trong m«i tr-êng cã hµm l-îng ion Cl- cao (m«i tr-êng biÓn, c«ng nghiÖp ho¸ chÊt cã chøa Cl-…) ®Òu tiÒm Èn kh¶ n¨ng x©m thùc m¹nh ®èi víi kÕt cÊu BTCT dÉn ®Õn h- háng c«ng tr×nh. TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi: Cïng víi sù ph¸t triÓn kinh tÕ - x· héi, sè l-îng c¸c c«ng tr×nh x©y dùng ngoµi kh¬i vµ däc theo bê biÓn n-íc ta ®ang t¨ng nhanh, trong ®ã c¸c c«ng tr×nh cã sö dông kÕt cÊu BTCT ngµy cµng ph¸t triÓn. N-íc ta cã bê biÓn kÐo dµi trªn 3200 km vµ kÕt hîp víi ®iÒu kiÖn ®Æc thï cña ViÖt Nam lµ m«i tr-êng khÝ hËu nãng Èm víi nhiÖt ®é trung b×nh cao, ®é Èm lín, thêi gian Èm -ít kÐo dµi lµ c¸c t¸c nh©n ®Èy nhanh tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng. C¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng bao gåm: n©ng cao chÊt l-îng bª t«ng; t¨ng chiÒu dµy líp bª t«ng b¶o vÖ cèt thÐp; ph-¬ng ph¸p s¬n phñ (phñ bÒ mÆt bª t«ng, s¬n phñ cèt thÐp); sö dông thÐp hîp kim, thÐp kh«ng gØ; sö dông chÊt øc chÕ ¨n mßn; ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt… Mçi ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ chèng ¨n mßn ®Òu cã -u ®iÓm, nh-îc ®iÓm nªn tuú theo ®iÒu kiÖn vµ tÝnh chÊt cña c«ng tr×nh mµ lùa chän ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ thÝch hîp. Ph-¬ng ph¸p sö dông anèt hy sinh trong hÖ b¶o vÖ catèt ®-îc ¸p dông ®Çu tiªn ë Mü vµo nh÷ng n¨m 1970 ®Ó b¶o vÖ mÆt cÇu chèng l¹i ¨n mßn cèt thÐp do ng-êi ta r¶i muèi ®Ó lµm tan b¨ng. B¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 1980, ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ nµy ®-îc ¸p dông cho c¸c c«ng tr×nh x©y dùng nh-: toµ nhµ, c«ng tr×nh biÓn, ®-êng hÇm, mÆt cÇu vµ c¸c c«ng tr×nh ngÇm ë c¸c n-íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn nh- Mü, Ch©u ¢u. Tæng kÕt trªn thÕ giíi cho thÊy ®Õn n¨m 2000, ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt ®· ®-îc ¸p dông ®Ó chèng ¨n mßn cho 2.000.000 m2 diÖn tÝch bÒ mÆt c«ng tr×nh BTCT [27]. Anèt hy sinh trªn c¬ së hîp kim kÏm ®-îc sö dông nhiÒu ®Ó b¶o vÖ cho kÕt cÊu thÐp. §èi víi c«ng tr×nh BTCT th× kÏm cã thÓ ®-îc LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 9 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam dïng lµm anèt trong hÖ b¶o vÖ catèt d-íi d¹ng phun trùc tiÕp lªn bÒ mÆt bª t«ng ®Ó b¶o vÖ cho cèt thÐp, hoÆc dïng ë d¹ng l-íi, d¹ng tÊm hay d¹ng khèi ®Æt trong hoÆc ngoµi bª t«ng ë ViÖt Nam, mét sè ®¬n vÞ ®· b¾t ®Çu ®i s©u nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ chèng ¨n mßn cho cèt thÐp trong bª t«ng b»ng ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt, tiªu biÓu ph¶i kÓ ®Õn Trung t©m nghiªn cøu ¨n mßn vµ b¶o vÖ kim lo¹i - Tr-êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi. MÆc dï ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ catèt lµ ph-¬ng ph¸p rÊt h÷u hiÖu, cã hiÖu qu¶ b¶o vÖ tèt ngay c¶ víi c«ng tr×nh ®· bÞ nhiÔm ion Cl -, song ®Ó triÓn khai vµ ¸p dông ë ViÖt Nam cßn cÇn c¸c nghiªn cøu víi ®iÒu kiÖn m«i tr-êng vµ thi c«ng t¹i ViÖt Nam. XuÊt ph¸t tõ lý do nµy t¸c gi¶ ®· lùa chän chñ ®Ò nghiªn cøu cña ®Ò tµi lµ: ” Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam” . Môc tiªu nghiªn cøu cña ®Ò tµi lµ: Môc tiªu cña ®Ò tµi lµ nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cho cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam, lµm râ t¸c dông b¶o vÖ cèt thÐp trong tr-êng hîp c«ng tr×nh thi c«ng míi vµ thi c«ng söa ch÷a chèng ¨n mßn c¸c c«ng tr×nh cò. §Ó ®¹t ®-îc môc tiªu ®Æt ra, ®Ò tµi cÇn gi¶i quyÕt c¸c nhiÖm vô sau ®©y: - Nghiªn cøu t¸c dông b¶o vÖ cña anèt hy sinh ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng theo thêi gian d-íi t¸c ®éng x©m thùc m¹nh cña m«i tr-êng thö nghiÖm kh¾c nghiÖt; - Nghiªn cøu ¶nh h-ëng cña anèt hy sinh ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp t¹i vïng l©n cËn khi söa ch÷a bª t«ng; ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cña ®Ò tµi: KÕt qu¶ nghiªn cøu cña ®Ò tµi ®¸p øng nhu cÇu cÊp thiÕt vÒ gi¶i ph¸p chèng ¨n mßn hiÖu qu¶ cho c«ng tr×nh BTCT trong m«i tr-êng biÓn ViÖt Nam. Gi¶i ph¸p cã thÓ ®-îc øng dông hiÖu qu¶ trong c¸c tr-êng hîp sau: - §¶m b¶o tuæi thä c«ng tr×nh trong tr-êng hîp kh«ng ®¶m b¶o ®-îc biÖn ph¸p b¶o vÖ c¬ b¶n (m¸c bª t«ng hoÆc chiÒu dµy líp bª t«ng b¶o vÖ cèt thÐp LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 10 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam kh«ng ®¹t yªu cÇu ®Ó b¶o vÖ cèt thÐp chèng ¨n mßn clorua theo tiªu chuÈn TCXDVN 327 : 2004) [16]. - N©ng cao thêi gian sö dông c«ng tr×nh trong tr-êng hîp vËt liÖu ®Çu vµo bÞ nhiÔm mÆn tõ ®Çu hoÆc bª t«ng bÞ nhiÔm mÆn trong qu¸ tr×nh thi c«ng. Tr-êng hîp nµy x¶y ra khi thi c«ng ë vïng ®¶o xa khan hiÕm vËt liÖu s¹ch hoÆc thi c«ng trªn biÓn chÞu t¸c ®éng cña thuû triÒu, sãng biÓn trong qu¸ tr×nh thi c«ng. - N©ng cao h¬n n÷a tuæi thä c«ng tr×nh trong c¸c m«i tr-êng x©m thùc kh¾c nghiÖt. Theo kÕt qu¶ kh¶o s¸t trªn c¸c c«ng tr×nh biÓn ë ViÖt Nam cho thÊy trong vïng n-íc lªn xuèng vµ sãng ®¸nh mÆc dï kÕt cÊu cã m¸c bª t«ng cao (M40) chiÒu dµy b¶o vÖ lín (50mm) nh-ng vÉn kh«ng thÓ ®¶m b¶o ®-îc tuæi thä c«ng tr×nh trªn 50 n¨m, lý do lµ ion Cl- thÈm thÊu vµo qu¸ nhanh d-íi t¸c ®éng x©m thùc m¹nh cña m«i tr-êng [1]. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 11 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam ch-¬ng I. Tæng quan I.1 ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng I.1.1 HiÖn t-îng thô ®éng cèt thÐp trong bª t«ng a. M«i tr-êng bª t«ng Bª t«ng lµ hçn hîp cña xi m¨ng (chñ yÕu lµ xi m¨ng Portland) víi cèt liÖu th« (®¸, sái), cèt liÖu mÞn (c¸t) vµ n-íc. Ngoµi ra ng-êi ta cã thÓ cho thªm c¸c phô gia, tro nhiªn liÖu, xØ lß cao…®Ó n©ng cao tÝnh chÊt cña bª t«ng. M«i tr-êng bª t«ng lµ m«i tr-êng dÉn ®iÖn do bª t«ng cã cÊu tróc lç xèp, c¸c mao qu¶n chøa dung dÞch ®iÖn ly. TÝnh chÊt hãa lý cña bª t«ng phô thuéc vµo thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt cña phèi liÖu bª t«ng, qu¸ tr×nh chÕ t¹o, b¶o d-ìng bª t«ng vµ ®-îc x¸c ®Þnh bëi ph¶n øng cña bª t«ng víi m«i tr-êng xung quanh. Sù kÕt hîp cèt thÐp víi bª t«ng sÏ lµm t¨ng søc bÒn chèng ngo¹i lùc, t¹o ra sù v÷ng ch¾c cho c«ng tr×nh. Líp bª t«ng bao bäc bªn ngoµi b¶o vÖ cho cèt thÐp tr¸nh ®-îc nh÷ng t¸c ®éng c¬ häc vµ hãa häc cña m«i tr-êng. CÊu tróc cña v÷a xi m¨ng ®-îc t¹o ra do ph¶n øng gi÷a bét xi m¨ng vµ n-íc khi trén chóng víi nhau. Khi bª t«ng ®«ng cøng ë mÆt ngoµi th× trong lßng khèi bª t«ng qu¸ tr×nh hy®rat vÉn x¶y ra. S¶n phÈm hy®rat hãa cña xi m¨ng Portland th«ng th-êng gåm cã hai lo¹i: - C¸c tinh thÓ t-¬ng ®èi lín canxihy®roxit [Ca(OH)2] chiÕm kho¶ng 20% trong l-îng vËt chÊt. - C¸c h¹t rÊt nhá ë d¹ng gel C-S-H cã thµnh phÇn trung b×nh 3CaO.2SO4.2H2O. Trong qu¸ tr×nh ®ãng r¾n cña bª t«ng, c¸c thµnh phÇn kho¸ng cña xi m¨ng bÞ thñy hãa t¹o ra m«i tr-êng ban ®Çu cã ®é kiÒm cao (pH13). Khi bª t«ng ®«ng cøng, n-íc cßn l¹i ®-îc gi÷ trong c¸c lç xèp cña khèi bª t«ng vµ mét phÇn n-íc ®-îc sö dông ®Ó t¹o ra s¶n phÈm hy®rat hãa. Qu¸ tr×nh thuû ho¸ vÉn tiÕp tôc x¶y ra ngay c¶ trong thêi gian sö dông cña bª t«ng [12]. Tïy thuéc vµo m«i tr-êng bªn ngoµi vµ kh¶ n¨ng thÊm -ít cña bª t«ng mµ l-îng n-íc trong lç xèp cã thÓ thay ®æi. N-íc trong lç xèp bª t«ng lu«n chøa c¸c ion hßa tan tõ xi m¨ng, do ®ã ®-îc gäi lµ dung dÞch lç. Sau vµi ngµy diÔn ra qu¸ LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 12 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam tr×nh hy®rat hãa, dung dÞch lç cña hÇu hÕt c¸c lo¹i bª t«ng ®Òu chøa ion kiÒm (K+, Na+), hy®roxit (OH-) víi nång ®é t-¬ng ®èi cao vµ ion Ca2+, SO42- víi l-îng nhá h¬n. Nång ®é ion OH- trong dung dÞch lç th-êng kh¸ cao b»ng 0,51 mol/l, thËm chÝ c¶ khi c¸c lç xèp cña bª t«ng ®-îc ®iÒn ®Çy dung dÞch. NÕu bª t«ng bÞ kh« tõng phÇn, nång ®é OH- cã thÓ cao h¬n, gi¸ trÞ pH t-¬ng ®-¬ng víi nång ®é OH- cao lµ kho¶ng 13. C¸c yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn ®é pH cña dung dÞch lç trong bª t«ng gåm: - L-îng kiÒm trong xi m¨ng, l-îng xi m¨ng ®-îc sö dông ®Ó chÕ t¹o bª t«ng. - Tû lÖ n-íc/xi m¨ng, sù tr«i kiÒm ra khi khèi bª t«ng ngËp trong n-íc, sù ph¶n øng cña kiÒm víi c¸c thµnh phÇn cña phèi liÖu ®Ó t¹o ra c¸c s¶n phÈm kh«ng hßa tan. - Sù x©m nhËp cña CO2 kh«ng khÝ g©y nªn hiÖn t-îng cacbonat hãa bª t«ng. §©y lµ yÕu tè lµm gi¶m pH bª t«ng m¹nh nhÊt. TÝnh chÊt hãa häc cña bª t«ng thay ®æi dÇn theo thêi gian do ¶nh h-ëng cña c¸c t¸c nh©n tõ m«i tr-êng bªn ngoµi x©m nhËp vµo trong bª t«ng. §èi víi c«ng tr×nh bª t«ng trong kh«ng khÝ th× hiÖn t-îng cacbonat hãa cã ¶nh h-ëng chÝnh tíi chÝnh chÊt hãa häc cña bª t«ng. Cßn ®èi víi c«ng tr×nh bª t«ng trong m«i tr-êng n-íc th× sù x©m nhËp cña SO42-, Cl- lµ yÕu tè ¶nh h-ëng chÝnh. CÊu tróc lç xèp, kÝch th-íc hÖ thèng lç vµ mao qu¶n cña bª t«ng phô thuéc vµo tû lÖ n-íc/xi m¨ng, thµnh phÇn phèi liÖu, ®Æc tÝnh cña c¸c vËt liÖu nh- xi m¨ng, c¸t, ®¸, sái, chÕ ®é b¶o d-ìng vµ c¸c phô gia (nÕu cã). C¸c tÝnh chÊt nh- ®é thÊm, ®é thÈm thÊu, tÝnh dÉn ®iÖn, kh¶ n¨ng khuÕch t¸n khÝ (CO2, O2) vµo trong bª t«ng lµ nh÷ng tÝnh chÊt vËt lý cña bª t«ng cã ¶nh h-ëng nhiÒu ®Õn qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng. §èi víi c«ng tr×nh bª t«ng trong biÓn, do ¶nh h-ëng cña thñy triÒu lªn xuèng mµ ®é thÈm thÊu lín h¬n rÊt nhiÒu so víi ®é thÈm thÊu cña bª t«ng ë vïng cao v× n-íc biÓn thÊm vµo c«ng tr×nh khi thñy triÒu lªn, khi thñy triÒu xuèng n-íc trong bª t«ng sÏ bay h¬i vµ ®Ó l¹i muèi ë bªn trong. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 13 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam ¤xy cã thÓ cã mÆt trong bª t«ng b»ng nhiÒu c¸ch kh¸c nhau nh-: trong qu¸ tr×nh trén bª t«ng ban ®Çu, do thÈm thÊu hoÆc do khuÕch t¸n. Sù cã mÆt cña «xy lµ nh©n tè quan träng ®èi víi qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp. Hµm l-îng «xy trong bª t«ng phô thuéc vµo diÖn tÝch bÒ mÆt bª t«ng vµ hÖ sè khuÕch t¸n cña «xy. Sù chuyÓn «xy vµo trong bª t«ng ®-îc tÝnh theo ®¬n vÞ bÒ mÆt bª t«ng, vµo kho¶ng 3.10-14  2.10-3 molO2/cm2/s ®èi víi bª t«ng ë m«i tr-êng biÓn [12]. b. HiÖn t-îng thô ®éng cèt thÐp trong bª t«ng Cèt thÐp trong bª t«ng ®-îc ng¨n c¸ch víi m«i tr-êng bªn ngoµi bëi mét líp bª t«ng. Líp bª t«ng nh- mét hµng rµo hãa häc còng nh- vËt lý ®èi víi sù ¨n mßn cèt thÐp. Hµng rµo hãa häc ®-îc hiÓu lµ m«i tr-êng kiÒm cao cña dung dÞch ®iÖn ly trong bª t«ng. Nhê m«i tr-êng nµy, mµng thô ®éng ®-îc h×nh thµnh vµ duy tr× trªn bÒ mÆt cèt thÐp cã t¸c dông b¶o vÖ cèt thÐp. ë ®iÒu kiÖn b×nh th-êng m«i tr-êng trong bª t«ng cã pH  13, mµng thô ®éng ®-îc h×nh thµnh trªn bÒ mÆt cèt thÐp ë d¹ng Fe2O3.Fe3O4 cã chiÒu dµy kho¶ng 10-3 m theo ph¶n øng [12]: Fe + 2OH-  Fe(OH)2 + 2e 3Fe(OH)2 + 2OH-  Fe3O4 + 4H2O + 2e 2Fe3O4 + 2OH-  3Fe2O3 + H2O + 2e Hµng rµo vËt lý lµ ®é dµy vµ kh¶ n¨ng chèng thÊm cña líp bª t«ng. Rµo ch¾n vËt lý quyÕt ®Þnh giíi h¹n ®é khuÕch t¸n cña c¸c t¸c nh©n ¨n mßn ®Õn bÒ mÆt cèt thÐp vµ v× vËy cã thÓ ng¨n c¶n c¸c ph¶n øng ¨n mßn x¶y ra kÓ c¶ trong tr-êng hîp mµng thô ®éng bÞ ph¸ vì. Qu¸ tr×nh ¨n mßn cã x¶y ra ®èi víi cèt thÐp trong bª t«ng hay kh«ng phô thuéc vµo líp vá bª t«ng, cô thÓ lµ phô thuéc vµo cÊu tróc lç xèp vµ m«i tr-êng kiÒm cao cña dung dÞch lç. I.1.2 Nguyªn nh©n, c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng Sù ¨n mßn cèt thÐp b¾t ®Çu khi mµng thô ®éng bÞ ph¸ vì. Sù ph¸ mµng thô ®éng cã thÓ x¶y ra ë mét vïng giíi h¹n trªn bÒ mÆt cèt thÐp nh- ë xung quanh c¸c vÕt nøt g©y ra ¨n mßn côc bé víi vïng ph¸ thô ®éng lµ anèt cña pin ¨n mßn, LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 14 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam hoÆc cã thÓ x¶y ra trªn ph¹m vi lín nh- trong tr-êng hîp bª t«ng xèp, khi ®ã bª t«ng cã thÓ bÞ cacbonat hãa do sù x©m nhËp cña CO2 lµm gi¶m m¹nh pH trong dung dÞch lç xuèng tíi 9 dÉn ®Õn cèt thÐp bÞ ¨n mßn m¹nh víi nhiÒu vÞ trÝ anèt ho¹t ®éng trªn bÒ mÆt cèt thÐp. Ngoµi ra sù ph¸ mµng thô ®éng cßn x¶y ra do sù cã mÆt trong dung dÞch lç mét sè ion cã kh¶ n¨ng ph¸ thô ®éng mµ ®iÓn h×nh lµ ion Cl-. Ion Cl- vµ mét vµi ion kh¸c cã ®Æc tÝnh t-¬ng tù cã t¸c dông lµm mÊt æn ®Þnh mµng thô ®éng, nÕu chóng cã mÆt víi nång ®é ®ñ cao th× t¸c dông cña chóng thùc sö lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n chÝnh g©y ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng. Sù cã mÆt cña ion Cl- trong bª t«ng cã thÓ do kh©u phèi liÖu sö dông chÊt ®ãng r¾n nhanh CaCl 2, hoÆc n-íc chøa ion clo hoÆc do ion Cl- x©m nhËp vµo bª t«ng trong qu¸ tr×nh sö dông nh- tr-êng hîp c«ng tr×nh bª t«ng cèt thÐp lµm viÖc trong m«i tr-êng biÓn hoÆc c¸c c«ng tr×nh ®-êng giao th«ng ph¶i r¶i muèi ®Ó chèng ®ãng b¨ng. Nguyªn nh©n g©y ra ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng lµ do sù ph¸ mµng thô ®éng b¶o vÖ cèt thÐp. Mµng thô ®éng bÒn trong m«i tr-êng kiÒm, tuy nhiªn mµng cã thÓ bÞ ph¸ hñy khi pH gi¶m do qu¸ tr×nh cacbonat hãa hoÆc sù x©m nhËp cña ion Cl-. a. Sù ph¸ mµng thô ®éng do cacbonat hãa bª t«ng Sù ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng mét phÇn phô thuéc vµo ®é pH cña dung dÞch lç trong bª t«ng. Bª t«ng lµ lo¹i vËt liÖu cã cÊu tróc lç xèp, c¸c ph©n tö CO2 tõ m«i tr-êng bªn ngoµi x©m nhËp vµo bª t«ng, cã thÓ ph¶n øng víi gel C-S-H vµ Ca2+ trong dung dÞch lç: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2 KÕt qu¶ cña c¸c ph¶n øng nµo lµ sù gi¶m m¹nh pH cña dung dÞch lç tíi gi¸ trÞ 9 hoÆc nhá h¬n. V× mµng oxýt chØ tån t¹i trong m«i tr-êng pH > 10,5 nªn sù gi¶m pH do qu¸ tr×nh cacbonat hãa sÏ ¶nh h-ëng ®Õn mµng thùc hiÖn ®éng trªn bÒ mÆt cèt thÐp. Khi pH thÊp, mµng oxýt vÉn tån t¹i nh-ng kh«ng b¸m dÝnh lªn bÒ mÆt thÐp, do vËy kh«ng cã kh¶ n¨ng b¶o vÖ ¨n mßn. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 15 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Qu¸ tr×nh cacbonat hãa bª t«ng phô thuéc vµ nhiÒu yÕu tè nh-: tØ lÖ n-íc/xi m¨ng cña bª t«ng, thêi gian b¶o d-ìng, ®é thÈm thÊu vµ hÖ sè khuÕch t¸n cña bª t«ng, hµm l-îng CO2 bao quanh bª t«ng, kh¶ n¨ng hÊp thô CO2 cña bª t«ng, chÊt l-îng bÒ mÆt, thêi gian vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña c«ng tr×nh bª t«ng… Th«ng th-êng qu¸ tr×nh khuÕch t¸n CO2 vµo bª t«ng x¶y ra rÊt chËm, nhÊt lµ víi bª t«ng ngËp n-íc hoÆc bª t«ng Èm, nh-ng qu¸ tr×nh khuÕch t¸n cã thÓ x¶y ra nhanh h¬n t¹i c¸c vÕt nøt cña bª t«ng. Trong bª t«ng b·o hßa, sù x©m nhËp cña CO2 cã thÓ chØ x¶y ra bëi sù khuÕch t¸n cña CO2 ®· bÞ hßa tan trong dung dÞch lç, mµ l-îng CO2 hßa tµn trong dung dÞch lµ rÊt nhá. Sù ph¸ mµng thùc hiÖn ®éng do qu¸ tr×nh cacbonat hãa th-êng x¶y ra ®èi víi bª t«ng trong khÝ quyÓn. Nãi chung, thêi gian ®Ó sù cacbonat hãa x©m nhËp tõ ngoµi vµo ®Õn bÒ mÆt cèt thÐp lµ hµm cña ®é dµy bª t«ng vµ tèc ®é khuÕch t¸n cña CO2 kh«ng khÝ vµo bª t«ng, tøc lµ phô thuéc vµo ¸p suÊt riªng phÇn cña CO2 kh«ng khÝ xung quanh bª t«ng vµ ®é xèp cña bª t«ng. ¸p suÊt riªng phÇn cña CO2 trong m«i tr-êng c«ng nghiÖp cao h¬n b×nh th-êng. b. Sù ph¸ mµng thô ®éng do ion ClTrong m«i tr-êng x©m thùc m¹nh nh- m«i tr-êng biÓn, khi cã mÆt ion clorua, do chªnh lÖch nång ®é nªn ion nµy dÔ dµng khuÕch t¸n qua bÒ mÆt bª t«ng vµ tiÕn dÇn ®Õn cèt thÐp. Tèc ®é khuÕch t¸n phô thuéc nhiÖt ®é, ®é Èm, hµm l-îng clorua trong m«i tr-êng nh-ng chñ yÕu phô thuéc vµo chÊt l-îng bª t«ng. Khi xuÊt hiÖn ion clorua t¹i bÒ mÆt cèt thÐp, mét sè ion sÏ t×m ®Õn nh÷ng khu vùc cã khuyÕt tËt trªn líp mµng thô ®éng, ®©y lµ khu vùc kh«ng ®-îc b¶o vÖ vµ rÊt dÔ bÞ ph¸ hñy. Do ion clorua cã b¸n kÝnh nhá (0,181nm) nªn nã dÔ dµng x©m nhËp qua c¸c vÞ trÝ khuÕch t¸n cña líp mµng thô ®éng, tham gia ph¶n øng trùc tiÕp so víi s¾t t¹o thµnh d¹ng phøc s¾t clorua hßa tan. Tuy nhiªn, ¶nh h-ëng cña ion Cl- trong viÖc ph¸ thô ®éng thÐp, thËm chÝ ë gi¸ trÞ pH cao cã thÓ xem nh- ho¹t ®éng cña sù c©n b»ng gi÷a hai qu¸ tr×nh c¹nh tranh: sù æn ®Þnh cña mµng thô ®éng g©y ra bëi ion OH- vµ sù ph¸ thô ®éng g©y ra bëi ion Cl-. Tån t¹i mét nång ®é ion Cl- tíi h¹n phô thuéc vµo nång ®é OH- LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 16 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam trong dung dÞch lç cña bª t«ng. NÕu tû lÖ [Cl-]/[OH-]  0,6 th× sù ph¸ thô ®éng sÏ x¶y ra [26]. NghÜa lµ nång ®é ion clo g©y ra ¨n mßn cèt thÐp phô thuéc vµo pH cña m«i tr-êng bª t«ng. Khi pH < 11,5 cã thÓ x¶y ra ¨n mßn cèt thÐp ngay c¶ khi kh«ng cã mÆt ion clo. Khi pH > 11,5 th× sù ¨n mßn cèt thÐp chØ x¶y ra khi cã l-îng clo x¸c ®Þnh vµ l-îng ion Cl- t¨ng khi pH t¨ng. Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Bª t«ng Cl- Cl- Cl- ThÐp Líp mµng thô ®éng Líp mµng thô ®éng bÞ ph¸ vì H×nh I.1 - Líp mµng thô ®éng cña cèt thÐp trong bª t«ng bÞ ph¸ vì Trong thùc tÕ s¶n xuÊt, nång ®é Cl- giíi h¹n th-êng ®-îc x¸c ®Þnh th«ng qua tû lÖ phÇn tr¨m vÒ khèi l-îng so víi xi m¨ng. L-îng Cl- cho phÐp nhá h¬n 0,2% khèi l-îng xi m¨ng trong bª t«ng, khi nång ®é Cl- trong kho¶ng 0,2  0,4% th× nguy c¬ ¨n mßn xuÊt hiÖn nh-ng kh«ng th-êng xuyªn, nguy c¬ ¨n mßn cao nÕu l-îng Cl- lín h¬n 1% khèi l-îng xi m¨ng. Khi mµng thô ®éng bÞ ph¸ vì th× nÒn thÐp sÏ tiÕp tôc trùc tiÕp xóc víi c¸c t¸c nh©n g©y ¨n mßn vµ qu¸ tr×nh anèt x¶y ra lµm nÒn thÐp bÞ ¨n mßn, cßn qu¸ tr×nh catèt x¶y ra trªn mµng thô ®éng cña cèt thÐp, do cã sù chªnh lÖch ®iÖn thÕ gi÷a mµng thô ®éng vµ nÒn thÐp. c. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng C¬ chÕ ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng d-íi t¸c ®éng cña ion Cl- ®· ®-îc ®Ò cËp trong nhiÒu tµi liÖu trong vµ ngoµi n-íc [9, 28]. Trong ®iÒu kiÖn b×nh th-êng, nguyªn tö s¾t ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh do tæng sè electr«n b»ng sè pr«t«n. Nh-ng do líp ®iÖn tö ngoµi cïng cßn cã c¸c ®iÖn tö tù do nªn s¾t rÊt dÔ nh-êng 2 hoÆc 3 ®iÖn tö. Trong bª t«ng, s¾t cã thÓ tån t¹i chñ yÕu ë c¶ 3 d¹ng Fe0, Fe2+, Fe3+. Trong mçi tr¹ng th¸i ho¹t ®éng, Fe2+ hay Fe3+ cã LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 17 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam thÓ tham gia ph¶n øng hãa häc, hoÆc t¹o thµnh líp mµng oxit b¶o vÖ hoÆc cã thÓ g©y nªn ¨n mßn cèt thÐp. Khi kh«ng cã mÆt ion Cl-, líp mµng oxit ®-îc t¹o thµnh vµ rÊt æn ®Þnh, h¬n n÷a do cã m«i tr-êng pH cao (kho¶ng 12 ®Õn 13,5 ) nªn hÇu hÕt Fe2+ chuyÓn hãa thµnh d¹ng Fe3+, khi ®ã víi sù cã mÆt cña oxy víi mét nång ®é nhÊt ®Þnh nµo ®ã th× líp mµng oxÝt thô ®éng ®-îc t¹o nªn, b¶o vÖ cho thÐp kh«ng bÞ ph¸ hñy. Qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng x¶y ra khi cã mÆt ®Çy ®ñ ion Cl-, n-íc, oxy theo c¬ chÕ ®iÖn ho¸ víi c¸c ph¶n øng hãa häc cña c¸c qu¸ tr×nh anèt vµ catèt nh- sau: Qu¸ tr×nh anèt: S¾t ph¶n øng anèt víi ion Cl- t¹o thµnh phøc tan s¾t clorua: Fe + 2Cl-  FeCl2 + 2eFeCl2  Fe2+ + 2ClPhøc tan s¾t clorua khuÕch t¸n ra phÝa ngoµi, n¬i cã pH cao h¬n, ë ®ã x¶y ra ph¶n øng t¹o thµnh thµnh s¾t II hy®roxyt: Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2 Khi oxy khuÕch t¸n trong lç rçng bª t«ng ®Õn vïng anèt nã sÏ «xy ho¸ Fe2+ thµnh Fe3+ : Fe(OH)2 + 1/2 H2O + 1/2O2  Fe(OH)3 2Fe(OH)3  Fe2O3.H2O + 2H2O Do ®ã s¶n phÈm ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng cã thÓ ë d¹ng nFeO.mFe2O3.xH2O. Khi ph©n tÝch trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö thÊy trªn bÒ mÆt cèt thÐp tån t¹i líp mµng thô ®éng chñ yÕu lµ s¾t (III) oxit bÒn v÷ng vµ mét sè phÇn s¾t (II) oxit th-êng bÞ khuyÕt tËt. C¸c ion ho¹t ®éng nh- ion Cl- th-êng x©m nhËp vµo nh÷ng vïng s¾t (II) oxit khuyÕt tËt nµy ®Ó kh¬i mµo qu¸ tr×nh ¨n mßn. Trong m«i tr-êng biÓn cã thÓ x¶y ra hai ®iÒu kiÖn ®Ó ph¸ huû mµng thô ®éng g©y ¨n mßn cèt thÐp lµ: - §é pH cña dung dÞch n-íc chiÕt xi m¨ng ë miÒn bª t«ng cËn cèt thÐp gi¶m d-íi gi¸ trÞ cÇn thiÕt ®Ó cã thÓ b¶o toµn mµng thô ®éng cèt thÐp; - Nång ®é ion Cl- v-ît qu¸ giíi h¹n nhÊt ®Þnh ®ñ kh¶ n¨ng ®Ó ph¸ huû mµng thô ®éng. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 18 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam Do chªnh lÖch nång ®é mµ ion Cl- sÏ khuÕch t¸n qua bÒ mÆt bª t«ng vµ tiÕn dÇn ®Õn cèt thÐp. Ion Cl- cã thÓ khuÕch t¸n trong bª t«ng ®Æc ch¾c qua cÊu tróc lç rçng mao dÉn cña ®¸ xim¨ng. Møc ®é khuyÕch t¸n phÇn lín dùa vµo c¸c yÕu tè gåm: tû lÖ n-íc/xim¨ng, lo¹i xi m¨ng, sù liªn kÕt víi ion Cl-, nhiÖt ®é, vµ tuæi cña bª t«ng. Khi xuÊt hiÖn ion Cl- t¹i bÒ mÆt cèt thÐp, nªn ion Cl- dÔ dµng th©m nhËp qua khu vùc khuyÕt tËt chñ yÕu lµ s¾t (II) oxit vµ ph¸ huû líp mµng thô ®éng. Qu¸ tr×nh catèt: Ph¶n øng catèt cña qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng lµ qu¸ tr×nh khö ph©n cùc «xy: O2 + 2H2O + 4e-  4OH- Tèc ®é cña qu¸ tr×nh ¨n mßn phô thuéc vµo nång ®é oxy trªn bÒ mÆt bª t«ng, kh¶ n¨ng khuÕch t¸n oxy vµo bª t«ng mµ kh¶ n¨ng khuÕch t¸n oxy vµo trong bª t«ng phô thuéc chñ yÕu vµo ®é dµy líp bª t«ng, ®é xèp, ®é Èm cña bª t«ng vµ nhiÖt ®é cña m«i tr-êng. Sau khi líp mµng thô ®éng bÞ ph¸ vì th× qu¸ tr×nh ¨n mßn míi x¶y ra. Do ®ã c¬ chÕ ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng gåm hai giai ®o¹n nèi tiÕp nhau: - Giai ®o¹n kh¬i mµo: lµ giai ®o¹n x¶y ra sù x©m nhËp cña ion clo hoÆc CO2 lµm gi¶m pH cña dung dÞch lç do qu¸ tr×nh cacbonat hãa, nh-ng ch-a x¶y ra ¨n mßn cèt thÐp. C¸c yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn giai ®o¹n nµy lµ nång ®é vµ kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña Cl-, CO2 ë quanh bÒ mÆt bª t«ng, ®é thÊm cña bª t«ng, chiÒu dµy líp bª t«ng. ViÖc x¸c ®Þnh gi¸ trÞ giíi h¹n nång ®é ion Cl- g©y ¨n mßn cèt thÐp cña giai ®o¹n nµy trong bª t«ng vÉn cßn nhiÒu ®iÒu ch-a s¸ng tá phô thuéc rÊt nhiÒu vµo c¸c ®iÒu kiÖn biªn kh¸c. Tiªu chuÈn kÕt cÊu bª t«ng cña NhËt B¶n gi¸ trÞ nµy ®-îc x¸c ®Þnh lµ 1,2kg/m3 bª t«ng [30]. Tiªu chuÈn Mü l¹i quy ®Þnh gi¸ trÞ giíi h¹n hµm l-îng ion Cl- ban ®Çu trong bª t«ng kh«ng v-ît qu¸ ng-ìng 0,6-0,9 kg/m3 bª t«ng [8]. Trong khi ion Cl- lµ t¸c nh©n trùc tiÕp kh¬i mµo ¨n mßn th× chóng chØ ®ãng vai trß gi¸n tiÕp quyÕt ®Þnh ®Õn tèc ®é ¨n mßn sau khi kh¬i mµo. Nh÷ng nh©n tè LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng 19 Nghiªn cøu kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng b»ng anèt hy sinh trong ®iÒu kiÖn ViÖt Nam ®Çu tiªn liªn quan ®Õn tèc ®é ¨n mßn lµ hµm l-îng oxy, ®iÖn trë vµ ®é Èm. TÊt c¶ chóng cã quan hÖ mËt thiÕt víi nhau. - Giai ®o¹n ph¸t triÓn: lµ giai ®o¹n ph¸ mµng thô ®éng do sù x©m nhËp cña ion clo hoÆc gi¶m pH do sù cacbonat hãa bª t«ng. ë giai ®o¹n nµy ph¶n øng ¨n mßn cèt thÐp x¶y ra. Tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp bÞ khèng chÕ bëi hµm l-îng Cl-, cã mÆt trong bª t«ng, nhiÖt ®é vµ ®é Èm cña bª t«ng. Cµng nhiÒu ion Cl- trong bª t«ng th× kh¶ n¨ng x©m nhËp vµ ph¸ huû mµng thô ®éng cµng cao. S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh ¨n mßn lÇn l-ît ®-îc h×nh thµnh d-íi c¸c d¹ng FeO, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)3.3H2O… tÝch tô trªn bÒ mÆt kim lo¹i cã thÓ tÝch lín h¬n thÓ tÝch cña thÐp bÞ mÊt ®i trong ph¶n øng ¨n mßn (trung b×nh tõ 4 ®Õn 6 lÇn phô thuéc vµo sù cã mÆt vµ hµm l-îng oxy ë bÒ mÆt cèt thÐp), g©y øng suÊt trong bª t«ng xung quanh cèt thÐp dÉn ®Õn nøt vì. Sù nøt vì t¹o ®iÒu kiÖn cho c¸c t¸c nh©n g©y ¨n mßn dÔ dµng x©m nhËp vµo bª t«ng vµ tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp t¨ng nhanh khi líp bª t«ng b¾t ®Çu nøa. H×nh I.2 lµ s¬ ®å qu¸ tr×nh ¨n mßn cèt thÐp trong bª t«ng. M«i tr-êng x©m thùc ion clorua O2, H2O, Cl- H×nh I.2 - C¬ chÕ ¨n mßn ®iÖn ho¸ thÐp trong bª t«ng cã mÆt ion Cl- Ion Cl- tuy tån t¹i trong bª t«ng ë ba d¹ng kh¸c nhau: d¹ng liªn kÕt hãa häc, hÊp phô vËt lý víi thµnh lç vµ clo ë d¹ng tù do nh-ng nång ®é clo tù do míi ®ãng vai trß lµ t¸c nh©n g©y ¨n mßn cho cèt thÐp trong bª t«ng. Ion Cl- d¹ng liªn kÕt kh«ng g©y ¨n mßn cèt thÐp. Tèc ®é ¨n mßn cèt thÐp sÏ cao trong ®iÒu kiÖn m«i tr-êng bª t«ng kh« - -ít liªn tôc. LuËn v¨n th¹c sÜ Vò ThÕ Ph-¬ng