Báo cáo khoa học ẢNH HƯỞNG của NỒNG độ ION CLO, độ ẩm và CHIỀU dày bê TÔNG đến QUÁ TRÌNH ăn mòn cốt THÉP

7 294 3
Báo cáo khoa học   ẢNH HƯỞNG của NỒNG độ ION CLO, độ ẩm và CHIỀU dày bê TÔNG đến QUÁ TRÌNH ăn mòn cốt THÉP

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ION CLO, ĐỘ ẨM VÀ CHIỀU DÀY BÊ TÔNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ĂN MÒN CỐT THÉP TS.HOÀNG THỊ BÍCH THUỶ, KS PHẠM NGỌC HIỆU Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Giới thiệu Cốt thép “bê tông sạch” có tồn lớp màng thụ động bề mặt có tác dụng lớp bảo vệ cho cốt thép Hiệu bảo vệ lớp bê tông phụ thuộc vào “hàng rào vật lý” “hàng rào hoá học” bê tông Hàng rào vật lý độ dày khả không thấm nước lớp bê tông xung quanh cốt thép, ngăn cản khuếch tán tác nhân ăn mòn phân tử CO , O ion Cl - Hàng rào hoá học môi trường kiềm cao dung dịch lỗ bê tông, thường có gi trị pH = 13, cho phép t ạo thành trì màng thụ động bảo vệ bề mặt thép Cốt thép bê tông bị ăn mòn màng thụ động bị phá vỡ cacbonat hoá bê tông, xâm nhập ion clo qua bê tông đến cốt thép Sự nguy hại ăn mòn cốt thép bê tông không nằm việc gi ảm tiết di ện ngang thép mà tạo thành vết nứt bề mặt bê tông tích tụ gỉ xung quanh cốt thép gây Thể tích gỉ tạo thường lớn - lần thể tích thép bị phản ứng ăn mòn, dẫn đến làm xuất dư ứng suất bê tông xung quanh cốt thép, gây nứt vỡ bong tróc lớp bê tông [1, 2] Khi nứt xảy ra, trình ăn mòn tăng tốc nhảy vọt lúc hi ệu bảo vệ vật lý hoá học lớp bê tông không Khảo sát với công trình bê tông cốt thép môi trường biển Việt Nam cho thấy phần lớn công trình bị hư hỏng cốt thép bị ăn mòn sau 10  20 năm sử dụng, chí có công trình sau  năm so với tuổi thọ thiết kế dự kiến 50  60 năm [3] Để chống ăn mòn cho cốt thép bê tông, người ta sử dụng nhiều biện pháp tăng chiều dày tăng độ chống thấm cho bê tông (bằng cách sử dụng phụ gia), bảo vệ phương pháp điện hoá, sử dụng chất ức chế, tạo lớp phủ bề mặt cốt thép bê tông Một số tác giả qua nghiên cứu khuếch tán ion clo từ môi trường biển vào bê tông đề nghị chiều dày bê tông công trình biển Việt Nam phải đạt tối thiểu 40mm công trình đặt vùng khí ven biển 65mm vùng thuỷ triều vùng nước toé công trình bê tông biển [4] Bài báo góp phần làm sáng tỏ ảnh hưởng yếu tố môi trường bê tông nồng độ ion clo, độ ẩm chiều dày bê tông đến trình ăn mòn thép bê tông Các phương pháp nghiên cứu gồm có phương pháp động, phương pháp phân cực tuyến tính kết hợp với quan sát bề mặt mẫu sau thí nghiệm Phương pháp thực nghiệm 2.1 Chuẩn bị mẫu dung dịch * Điện cực - Điện cực nghiên cứu dùng phép đo điện hoá làm từ thép cacbon thường, có diện tích 0,5 cm Bề mặt điện cực tẩy dầu mỡ, mài bóng làm trước sử dụng - Điện cực so sánh điện cực Ag/AgCl dung dịch KCl bão hoà Điện điện cực so với điện cực hydro tiêu chuẩn 0,199 V 25C - Điện cực đối điện cực platin * Dung dịch Trong nghiên cứu sử dụng dung dịch sau: - Nước chiết xi măng (NCXM) pha từ xi măng hoàng thạch PC30 nước cất với tỷ lệ xi măng/nước = 1:1 Phần nước chiết sau xi măng thuỷ hoá 24 h Dung dịch nước chiết xi măng có pH  12,5 Muối NaCl thêm vào NCXM với nồng độ từ  3% - Nước biển nhân tạo (NBNT) pha từ loại muối tinh khiết nước cất với tổng hàm lượng muối dung dịch nước biển nhân tạo 3,5 % * Mẫu bê tông cốt thép Mẫu bê tông có kích thước 150 x 200 x 300 (mm) với thành phần phối liệu sau [5]: Xi măng PC30 400 kg/m 3 Cát vàng (0  4mm) 700 kg/m Đá, sỏi (4  16mm) 1100 kg/m3 Nước cất / xi măng 0,45 Để hoạt hoá cho cốt thép tạo lượng nhiễm bẩn Cl bê tông, lượng muối NaCl với nồng độ [Cl ] = 0,5% khối lượng xi măng thêm vào mẫu bê tông Hình Mẫu bê tông cốt thép Trong khối mẫu bê tông đặt cốt thép: cốt thép đặt ngang (2 cốt cách mặt 30mm, cốt cách mặt 30mm), cốt thép đặt dọc theo chiều cao mẫu bê tông có chiều dày bê tông 20mm, 40mm 60mm Bốn cốt thép đặt ngang để xem xét tác động vùng bê tông ẩm (cốt thép 1, 2) bê tông ướt (cốt thép 3, 4) tới trình ăn mòn Ba cốt thép đặt dọc theo chiều cao mẫu (cốt thép 5, 6, 7) để xét ảnh hưởng chiều dày bê tông tới trình ăn mòn (xem hình 1) Mẫu bê tông cốt thép sau đúc ngày bảo dưỡng 28 ngày nước bão hoà Hết hạn bảo dưỡng, chúng ngâm vào dung dịch nước biển nhân tạo (ngập 20mm) Để thúc đẩy trình ăn mòn cốt thép, bề mặt mẫu bê tông tưới nước biển nhân tạo ngày lần thời gian thí nghiệm Thông số đo phương pháp đo * Điện ăn mòn tốc độ ăn mòn - Điện ăn mòn cốt thép đo so với điện cực Ag/ AgCl dung dịch KCl bão hoà - Tốc độ ăn mòn cốt thép xác định cách đo điện trở phân cực theo PP phân cực tuyến tính * Đường cong phân cực Đường cong phân cực mẫu thép dung dịch nước chiết xi măng có nồng độ NaCl khác đo để xem xét ảnh hưởng ion Cl- việc phá thụ động thép môi trường kiềm có pH  12,5 Phép đo thực hệ máy đo ăn mòn CMS 100 Mỹ, điều khiển máy tính chương trình đo có bù điện trở rơi * Quan sát bề mặt mẫu Sau thời gian thí nghiệm (khoảng tháng), mẫu bê tông phá để quan sát bề mặt cốt thép, qua xem xét ảnh hưởng yếu tố nghiên cứu đến bề mặt ăn mòn cốt thép Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng nồng độ ion ClĐể nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ ion Cl- đến trình ăn mòn thép môi trường kiềm bê tông, đường cong phân cực thép dung dịch NCXM có nồng độ muối NaCl khác đo phương pháp động Trên hình biểu diễn đường cong phân cực thép dung dịch NCXM với nồng độ muối NaCl từ đến 3% 1.000 NCXM (1) NCXM 0,1NaCl (2) NCXM 0,5NaCl (3) NCXM 1,0NaCl (4) 0.500 E (V vs Ag/AgCl) NCXM 2,0NaCl (5) NCXM 3,0NaCl (6) 0.000 -0.500 -1.000 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 logi (A/cm2) Hình Ảnh hưởng nồng độ muối đến đường cong phân cực thép dung dịch NCXM Qua đồ thị nhận thấy dung dịch NCXM sạch, đường cong phân cực anốt cho thấy thép bị thụ động với khoảng điện thụ động lớn nhất, từ - 0,113V 0,68V (0,793V), dòng thụ động có giá trị 6,3A/cm Việc thêm NaCl vào dung dịch NCXM có ảnh hưởng đến khoảng điện thụ động dòng thụ động thép dung dịch NCXM Khi thêm NaCl với nồng độ 0,1% làm giảm khoảng điện thụ động mức độ giảm không nhiều, thêm NaCl với nồng độ 0,5% làm giảm rõ rệt khoảng điện thụ động, 0,361V Nhìn chung, tăng nồng độ NaCl làm giảm dần khoảng điện thụ động tăng dần dòng thụ động Khi thêm NaCl đến 2% trở lên đường cong phân cực anốt thép cho thấy không khoảng thụ động Như ion Cl có tác dụng làm giảm dần vùng thụ động đường cong phân cực anốt mẫu thép, đồng nghĩa với việc làm phá thụ động bề mặt thép, giảm vùng thụ động bắt đầu rõ rệt nồng độ NaCl 0,5% 3.2 Ảnh hưởng chiều dày bê tông Lớp phủ bê tông xung quanh cốt thép có tác dụng bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn, ngăn cản xâm nhập tác nhân phá thụ động phân tử CO2 ion Cl từ môi trường bên Tốc độ trình ăn mòn cốt thép bê tông bị khống chế tốc độ khuếch tán chất khử phân cực catôt oxy qua lớp bê tông đến bề mặt cốt thép Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn cốt thép độ dày lớp bê tông, độ xốp bê tông, độ ẩm bê tông, độ rộng vùng nứt , Để nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp bê tông đến trình ăn mòn cốt thép ta phải giữ nguyên yếu tố khác lớp bê tông cho chúng không ảnh hưởng đến trình nghiên cứu Thí nghiệm thực ba cốt thép bố trí hình b 40 60 20 a c d Hình Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông Việc bố trí cốt thép (5, 6, 7) hình nhằm đảm bảo độ dày lớp bê tông từ mặt b, c, d đến cốt thép lớn để chúng không ảnh hưởng đến trình nghiên cứu, nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp bê tông từ mặt a đến cốt thép Các yếu tố khác độ xốp, độ ẩm bê tông coi giống cốt thép nghiên cứu Trong nghiên cứu, gia tốc trình ăn mòn cốt thép cách trộn thêm lượng ion clo vào bê tông sau tưới nước biển nhân tạo lên bề mặt mẫu bê tông thời gian thí nghiệm mô tả phần Điện ăn mòn dòng ăn mòn cốt thép đo theo thời gian Trên hình biểu diễn biến thiên điện ăn mòn cốt thép theo thời gian Qua đồ thị ta thấy điện cốt thép 5, 6, có độ ổn định tốt theo thời gian, giá trị nằm khoảng -113  -415mV (so với điện cực Ag/AgCl) Tuy nhiên điện ăn mòn cốt thép có khác rõ rệt giá trị, mức độ chênh lệch điện cốt thép khoảng 100mV Theo chiều dày tăng dần lớp bê tông, điện cốt thép chuyển phía dương Cốt thép số nằm gần bề mặt lớp bê tông có điện ăn mòn âm nhất, từ -320  - 415 mV Điện ăn mòn cốt thép số tương ứng với chiều dày bê tông đến bề mặt cốt thép lớn có giá trị dương nhất, dao động xung quanh giá trị trung bình -140 mV Dòng ăn mòn cốt thép xác định phương pháp đo điện trở phân cực, biểu diễn hình -450 cèt thÐp -350 E(mV vs Ag/AgCl) cèt thÐp cèt thÐp -250 -150 -50 30 40 50 60 70 80 t (ngày) Hình Sự biến thiên điện ăn mòn cốt thép 5, 6, theo thời gian i (mA/cm2) 0.8 0.6 0.4 0.2 cèt thÐp cèt thÐp cèt thÐp 30 40 50 t (ngày) 60 70 Hình Sự biến thiên dòng ăn mòn cốt thép 5, 6, theo thời gian 80 Ta thấy dòng ăn mòn cốt thép ổn định theo thời gian, điều chứng tỏ yếu tố môi trường bê tông ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép thay đổi Tốc độ ăn mòn cốt thép thay đổi theo chiều dày lớp bê tông Cốt thép số sát có dòng ăn mòn trung bình khoảng 0,8A/cm , tương đương tốc độ ăn mòn khoảng 8m/năm Cốt thép số có dòng ăn mòn bé nhất, tương ứng khoảng 3m/năm Như tốc độ ăn mòn cốt thép giảm chiều dày lớp phủ bê tông tăng hay nói cách khác độ dày lớp bê tông có tác dụng ngăn cản trình ăn mòn cốt thép Ảnh hưởng độ dày lớp phủ bê tông đến tốc độ ăn mòn cốt thép giải thích sau: Khi trình ăn mòn xảy tốc độ trình bị khống chế tốc độ khuếch tán chất khử phân cực catốt phân tử oxy đến bề mặt cốt thép Lớp phủ bê tông dày khuếch tán ôxy đến bề mặt cốt thép khó khăn, với cốt thép có chiều dày bê tông nhỏ ôxy khuếch tán đến dễ dàng nhất, nên có tốc độ ăn mòn lớn Mức độ ăn mòn cốt thép quan sát qua ảnh chụp bề mặt cốt thép sau phá mẫu chứng tỏ nhận xét Trên hình ảnh chụp bề mặt cốt thép sau tháng thử nghiệm, cho thấy vùng ăn mòn cốt thép số lớn sâu vùng ăn mòn cốt thép số 5, cốt thép cốt thép cốt thép Hình Bề mặt cốt thép 5, sau phá mẫu bê tông 3.3 Ảnh hưởng độ ẩm bê tông Trên hình hình cho thấy ảnh hưởng độ ẩm bê tông đến biến thiên điện ăn mòn dòng ăn mòn cốt thép theo thời gian -450 E (mV vs Ag/AgCl) -350 -250 -150 cèt thÐp (vïng bª t«ng Èm) cèt thÐp (vïng bª t«ng ­ít) -50 30 40 50 60 70 80 t (ngµy) Hình Ảnh hưởng độ ẩm đến điện cốt thép i (mA/cm2) 0.8 0.6 0.4 0.2 cèt thÐp (vïng bª t«ng ­ít) cèt thÐp (vïng bª t«ng Èm) 30 40 50 t (ngày) 60 70 80 Hình Ảnh hưởng độ ẩm đến dòng ăn mòn cốt thép Ta thấy điện ăn mòn cốt thép ổn định theo thời gian, điện cốt thép vùng bê tông ướt có độ ổn định tốt Giá trị điện ăn mòn -200  -350 mV (so với điện cực Ag/AgCl) cốt thép vùng bê tông ẩm, -350  -450 mV cốt thép vùng bê tông ướt Tốc độ ăn mòn cốt thép vùng bê tông ẩm lớn tốc độ ăn mòn cốt thép vùng bê tông ướt Như vậy, cốt thép vùng bê tông ẩm có điện ăn mòn dương tốc độ ăn mòn lớn cốt thép vùng bê tông ướt Điều vùng bê tông ướt lỗ mao quản bị điền đầy dung dịch ôxy khuếch tán đến bề mặt cốt thép khó khăn so với cốt thép nằm vùng ẩm Quan sát bề mặt cốt thép sau phá mẫu cho thấy: sản phẩm ăn mòn cốt thép có màu nâu đỏ, cốt thép có màu đen (xem hình 9) Nghĩa thành phần sản phẩm ăn mòn cốt thép Fe3 O4 (FeO.Fe2 O3), thành phần sản phẩm ăn mòn cốt thép FeO Sự khác vùng bê tông ẩm oxy khuếch tán đến bề mặt cốt thép dễ dàng nên sản phẩm ăn mòn ban đầu FeO bị oxy hoá thành Fe2O3: 2FeO.H2 O +1/2O + H2 O Fe2 O 3.3H2 O đen nâu đỏ cốt thép (vùng bê tông ẩm) cốt thép (vùng bê tông ướt) Hình Bề mặt cốt thép vùng bê tông ẩm ướt sau phá mẫu Kết luận Kết nghiên cứu giúp đưa số kết luận sau: - Sự có mặt ion Cl- môi trường kiềm cao bê tông gây phá thụ động thép Khi tăng nồng độ ion Cl- dung dịch vùng thụ động đường cong phân cực anốt thép giảm, dòng thụ động tăng, phá thụ động thép bắt đầu rõ rệt nồng độ ion Cl- tương ứng với 0,5% NaCl - Chiều dày lớp bê tông độ ẩm bê tông có ảnh hưởng đến ăn mòn cốt thép Khi tăng chiều dày lớp bê tông điện ăn mòn cốt thép dịch chuyển phía dương dòng ăn mòn cốt thép giảm Lớp bê tông có tác dụng ngăn cản trình ăn mòn cốt thép nhờ ngăn cản khuếch tán oxy đến bề mặt cốt thép - Cốt thép nằm vùng bê tông ẩm bị ăn mòn mạnh cốt thép nằm vùng bê tông ướt Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cảm ơn tài trợ Dự án hợp tác đại học VLIR (VLIR UOS) thông qua đề tài AP06\Prj3\Nr08 TÀI LIỆU THAM KHẢO J P Broomfield Corrosion of steel in concrete - Understanding, investigation and repair E & FN Spon, 1997 L Zimmermann, B Elsener, H Bohni Critical factors for the initiation of rebar corrosion Proc Eurocorr ’99, 1999 CAO DUY TIẾN, LÊ QUANG HÙNG, PHẠM VĂN KHOAN, NGUYỄN THỊ NGHIÊM Ứng dụng hoá học công tác khảo sát sửa chữa hư hỏng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép vùng ven biển Việt nam Hội thảo Hoá học xây dựng, Hà nội 11-1998, p 133 Cao Duy Tien, Le Quang Hung, Nguyen Thi Nghiem, Vu Thi Nhung Determination of thickness of concrete cover for durable reinforced concrete structure in marine environment of Vietnam Proc ICCMC/IBST 2001 International Conference on Advanced Technology in Design, Construction and Maintenance of Concrete Structures, Hanoi, March 2001, p 451 Hoang Thi Bich Thuy, Rob B Polder Cathodic protection of steel in concrete in marine environment - State of the art and proposal for experiments TNO report No 1999-BT-MK-R0263, 1999 ... mV cốt thép vùng bê tông ướt Tốc độ ăn mòn cốt thép vùng bê tông ẩm lớn tốc độ ăn mòn cốt thép vùng bê tông ướt Như vậy, cốt thép vùng bê tông ẩm có điện ăn mòn dương tốc độ ăn mòn lớn cốt thép. .. yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn cốt thép độ dày lớp bê tông, độ xốp bê tông, độ ẩm bê tông, độ rộng vùng nứt , Để nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp bê tông đến trình ăn mòn cốt thép ta phải giữ... bê tông độ ẩm bê tông có ảnh hưởng đến ăn mòn cốt thép Khi tăng chiều dày lớp bê tông điện ăn mòn cốt thép dịch chuyển phía dương dòng ăn mòn cốt thép giảm Lớp bê tông có tác dụng ngăn cản trình

Ngày đăng: 20/12/2015, 07:26

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan