ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tình hình nghiên cứu về chống ăn mòn Bê tông cốt thép trong môi trường nước biểN Phía Đông nước ta được bao bọc bởi 3.260 km bờ biển. Rất nhiều công trình hải cảng, khai thác dầu khí, bảo vệ quốc phòng… được xây dựng bằng bê tông cốt thép trong biển. Những công trình này thường bị nước biển xâm thực và phá hủy mạnh mẽ. Ăn mòn cốt thép trong bê tông là hiện tượng phổ biến và là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến phá hủy các công trình bê tông trong môi trường biển.1: Một số hình ảnh về ăn mòn Bê tông cốt thép trong các công trình biển Bê tông cốt thép ( BTCT) được phát minh và ứng dụng từ giữa thế kỷ 19.
Song phải đến cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó mới được được ứng dụng trong xây dựng các công trình biển. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người Pháp đưa vào sử dụng ngay từ những năm cuối của thế kỷ 19. Tuy nhiên phải sau năm 1960, khối lượng công trình Bê tông cốt thép xây dựng trong môi trường biển mới tăng lên đáng kể. Qua hơn một thế kỷ sử dụng, độ bền thực tế của các công trình bê tông cốt thép được các quốc gia trên thế giới tổng kết như sau: + Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm.
+ Trong môi trường xâm thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và BTCT có thể xuất hiện sau 10 ¸ 30 năm sử dụng. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình.) Ở Việt nam, vấn đề nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ công trình đã được tiến hành từ năm 1970. Các đơn vị có bề dày trong lĩnh vực bảo vệ công trình BTCT gồm: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Thuỷ Lợi, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học vật liệu - TTKHTN&CNQG, Viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. Song rất tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế.
Tất cả các công trình ven biển được xây dựng từ những năm 1960 đến nay 9 đều áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường, ít chú ý đến vấn đề chống ăn mòn nhằm đảm bảo độ bền vững cho công trình, dẫn đến kết quả là tuổi thọ của nhiều công trình trong môi trường biển thấp.2 Cơ Sở Lựa Chọn Đề Tài: Hiện nay hàng loạt các công trình biển làm bằng BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 ¸ 15 năm đã bị ăn mòn và phá huỷ trầm trọng bởi những quá trình sau: + Quá trình thấm ion Cl- vào bê tông gây ra ăn mòn và phá huỷ cốt thép; + Quá trình thấm ion SO42- vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thuỷ hoá của đá xi măng tạo ra khoáng ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (ăn mòn sunfat); + Quá trình cacbonat hoá làm giảm độ pH bê tông theo thời gian làm phá vỡ màng thụ động bảo vệ cốt thép, góp phần đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép làm phá huỷ kết cấu; + Quá trình khuếch tán oxy và hơi ẩm và clo vào trong bê tông trong điều kiện môi trường nhiệt độ không khí cao là các điều kiện làm cho quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra rất mạnh + Các hiện tượng xâm thực khác: ăn mòn rửa trôi, ăn mòn vi sinh do các loại hà, sò biển gây ra, ăn mòn cơ học do sóng biển. Ở Việt Nam, vấn đề chống ăn mòn cốt thép trong bê tông đã được thực hiện bởi một số nhà nghiên cứu. Các hướng nghiên cứu đã được thực hiện như: Chống ăn mòn cho công trình cốt thép và bê tông cốt thép bằng phương pháp bảo vệ catot (Phan Lương Cầm và cộng sự ); Bảo vệ và sửa chữa bê tông cốt thép trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam (Cao Duy Tiến và cộng sự ); Bảo vệ bề mặt bê tông bằng polyme lưới sợi cho công trình bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực mạnh (Nguyễn Văn Chánh và cộng sự ); Nghiên cứu chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng cách sử dụng các chất ức chế: 10 natri nitrit (Nguyễn Viết huệ và cộng sự ), canxi nitrit (Phạm Nam Thắng và cộng sự ), polyuretan (Bùi Trần Lượng và cộng sự). Tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở trong phòng thí nghiệm, chưa được kiểm chứng và áp dựng trong thực tế Mục tiêu đề tài: Khảo sát khả năng ức chế ăn mòn các chất Natri silicat, Urê và Thiourê trong dung dịch chiết "Nước biển- Xi măng”.
Bước đầu khảo sát khả năng ức chế ăn mòn của Natri silicat trong mẫu BTCT trong môi trường phòng thí nghiệm Nghiên cứu cơ chế tác dụng của chất phụ gia mới tìm được và đề xuất giải pháp công nghệ áp dụng chất đó vào trong thực thực tế xây dựng các công trình biển. 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.Các khái niệm cơ bản về ăn mòn kim loại Ăn mòn chính là quá trình phá hủy dần từ ngoài vào trong khi kim loại tiếp xúc với môi trường do tác dụng hóa học hoặc điện hóa. Hay nói một cách khác quá trình ăn mòn là quá trình chuyển biến kim loại từ dạng nguyên tố sang dạng hợp chất. Sự ăn mòn thường bắt đầu xảy ra trên bề mặt kim loại, rồi quá trình phát triển vào sâu kèm theo sự biến đổi tính chất hóa học và hóa lý kim loại và hợp kim.
Kim loại có thể hòa tan một phần hay toàn bộ sản phẩm ăn mòn dưới dạng kết tủa trên bề mặt kim loại (lớp rỉ, oxit, hydrat, …) Người ta ước tính thiệt hại là khoảng 4.2% tổng sản phẩm quốc dân là thiệt hại do ăn mòn gây ra. Ngoài ra nó còn thiệt hại nhiều hơn nếu tính thêm chi phí bảo dưỡng, thay thế vật liệu và hậu quả làm ô nhiễm môi trường, mất cân bằng sinh thái. Đặc biệt ở Việt Nam, do khí hậu nóng ẩm nhiệt đới, thiệt hại do ăn mòn gây ra rất lớn. Do đó, vai trò quan trọng của vật liệu kim loại trong quá trình phát triển kinh tế, vấn đề ăn mòn và bảo vệ luôn được quan tâm ở mức cao.
Phân loại Ngay từ định nghĩa, ta đã có hai loại ăn mòn là ăn mòn hóa học hoặc ăn mòn điện hóa hay chính là cơ cấu của quá trình ăn mòn 2. Dựa trên cơ cấu của quá trình ăn mòn - Ăn mòn hóa học là sự ăn mòn kim loại trong môi trường khí hay tổng quát là môi trường điện ly kém, do đó người ta còn gọi là ăn mòn khô. Xảy ra do phản ứng hóa 12 học trực tiếp giữa kim loại với môi trường khí xung quanh có chứa các chất xâm thực như O2, Cl2,… - Ăn mòn điện hóa là sự ăn mòn kim loại trong môi trường điện ly, trong đó sự oxi hóa kim loại và sự khử các chất oxi hóa không chỉ xảy ra trong phản ứng trực tiếp mà còn gián tiếp thông qua dẫn điện. Do đó xảy ra trên phạm vi rộng hơn, phức tạp hơn.
Điển hình là ăn mòn Galvanic. Ngoài ra còn rất nhiều cách phân loại khác dựa trên nhiều tiêu chí như : 2. Dựa trên điều kiện của quá trình ăn mòn - Ăn mòn khí - Ăn mòn khí quyển - Ăn mòn trong chất điện giải - Ăn mòn trong đất - Ăn mòn do dòng điện ngoài - Ăn mòn do tiếp xúc - Ăn mòn do ứng suất - Ăn mòn do vi sinh vật 2. Dựa trên đặc trưng của dạng ăn mòn - Ăn mòn đều ( thép cacbon trong dung dịch axit sunfuric ) : Khi tốc độ ăn mòn đều như nhau trên toàn bộ bề mặt kim loại.
Loại ăn mòn này ít nguy hiểm vì ta có thể dự đoán trước khi thiết kế các thiết bị. 13 - Ăn mòn không đều ( thép cacbon trong môi trường nước biển ) - Ăn mòn chọn lựa, tức chỉ một pha chỉ bị phá hủy ( gang trong axit ) - Ăn mòn vết, tạo thành những vết dài trên bề mặt ( đồng thau trong nước biển ) - Ăn mòn hố ( ăn mòn trong đất ) - Ăn mòn điểm ( thép không rỉ trong nước biển ) 14 - Ăn mòn dưới bề mặt - Ăn mòn giữa các tinh thể ( thép crom ở 500oC - 800oC) - Ăn mòn nức do tác động đồng thời của ăn mòn và cơ học ( ăn mòn cánh tuốc bin ) Hình 2.1 : Các dạng ăn mòn thường gặp [2] 2. Các quá trình cơ bản [1] Bởi vì bản chất ăn mòn điện hóa đã kèm theo ăn mòn hóa học nên ta chỉ xét kĩ về ăn mòn điện hóa. Dù bản chất phức tạp nhưng nó gồm ba quá trình cơ bản : Quá trình anod, quá trình catod và quá trình dẫn điện.
15 Quá trình anod là quá trình oxi hóa trong đó kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử. Kim loại sẽ bị ăn mòn theo phản ứng : Me Men+ + ne Quá trình catod là quá trình khử , trong đó chất oxi hóa (Ox) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra : Ox + ne Red Trong đó Red là dạng chất khử, Ox là dạng chất oxi hóa, thường là H+ và O2. - Nếu Ox là H+ thì quá trình catod xảy ra như sau : H+ + e → Hhf Hhf + Hhf → H2 Trong đó Hhf là hydro hấp phụ.