chương I Hiện nay bê tông cốt thép là vật liệu chính xây dựng công trình nhà cửa, cầu đường ở Việt Nam và trên thế giới, việc ăn mòn các công trình bê tông và bê tông cốt thép làm giảm tuổi thọ công trình, gây hư hỏng công trình, làm tốn phí nhiều tiền của cho việc duy tu bảo dưỡng hàng năm.HCM cũng không ngoại lệ có nhiều công trình bị ăn mòn bê tông cốt thép gây nguy hiểm cho người sử dụng, cần thiết các cuộc khảo sát đánh giá mức độ ăn mòn và đưa ra dự báo về hiện trạng kết cấu bị ăn mòn nhằm giúp các nghành chuyên môn có dữ liệu để ra biện pháp khắc phục làm giảm tác hại do sự ăn mòn công trình bê tông và bê tông cốt thép trên địa bàn thành phố. 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lý thuyết chung về ăn mòn bê tông cốt thép Khái niệm về ăn mòn bê tông - Bêtông xi măng bao gồm hai thành phần vữa xi măng và cốt liệu (đá hoặc sạn sỏi), hai thành phần này liên kết vơi nhau tạo thành một khối rắn chắc và có khả năng chịu lực. Bê tông bị ăn mòn trước hết là thành phần vữa xi măng bị phá hoại, vì nó dễ bị ăn mòn hơn cốt liệu, Vữa xi măng bị ăn mòn làm giảm liên kết giữa vữa xi măng và cốt liệu, dẫn đến bê tông bị phá hoại.
Phân loại ăn mòn bê tông - Ăn mòn bê tông trong môi trường lỏng: khi bê tông tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nước biển, nước có nồng độ pH thấp, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải,. Các loại nước này có chứa các thành phần gây ăn mòn, ăn mòn bê tông trong môi trường lỏng là loại ăn mòn phổ biến nhất, đặc biệt là trong môi trường nước biển. - Ăn mòn bê tông trong môi trường khí: xảy ra khi bê tông tiếp xúc với các loại khí có tác nhân gây ăn mòn, thường gặp ở các khu vực có các nhà máy sản xuất hóa chất, hoặc các khu vực khí hậu ven biển. - Ăn mòn bê tông trong môi trường rắn: khi bê tông tiếp xúc với các loại hóa chất như phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, ăn mòn chỉ xảy ra khí các hóa chất bị ẩm.
- Ăn mòn bê tông sẽ ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu công trình bê tông và bê tông cốt thép. Sự xuống cấp và hư hỏng công trình xây dựng do ăn mòn bê tông cốt thép gây tổn thất về kinh tế là rất lớn như là kinh phí sửa chữa, cải tạo nâng cấp,.ngoài ra nó cũng ảnh hưởng đến các hoạt động khác phụ thuộc vào công trình xây dựng đó. Mức độ ăn mòn bê tông - Tùy theo tác dụng và tác nhân gây ăn mòn nhiều hay ít, người ta phân ra ba mức độ ăn mòn mạnh, ăn mòn trung bình và ăn mòn yếu. - Mức độ ăn mòn bê tông mạnh thường xảy ra với các công trình ở vùng biển, các công trình tiếp xúc trực tiếp với nước biển, vùng nước lên xuống có sóng đánh.
16 - Mức độ ăn mòn bê tông trung bình xảy ra với các công trình ở môi trường nước ngọt. - Mức độ ăn mòn bê tông yếu xảy ra với các công trình không tiếp xúc trực tiếp với nước. Nguyên nhân gây ăn mòn bê tông - Ăn mòn bê tông xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau - Ăn mòn cơ học : do tác động xói mòn của dòng chảy, do sinh vật bám trên bề mặt bê tông, do thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong không khí. - Ăn mòn hóa học: do sự thay đổi về mặt hóa học trong các thành phần cấu tạo nên bê tông như vữa xi măng, đá hoặc sỏi,.
do sự xâm thực của các chất hóa học trong môi trường. Đặc trưng ăn mòn Bê tông - Quá trình ăn mòn bê tông xảy ra rất đa dạng và phức tạp, tuy nhiên nó thường xảy ra với ba dạng sau: - Ăn mòn loại 1: diễn ra do hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng, chủ yếu là các hydroxit canxi và Aluminat canxi bị hòa tan, loại ăn mòn này còn được gọi là quá trình khử kiềm. - Ăn mòn loại 2: Được phân biệt khác với ăn mòn loại 1 nó không chỉ hòa tan các sản phẩm của vữa xi măng , mà chủ yếu là do tương tác của các axit hoặc muối trong môi trường với các sản phẩm thủy hóa của xi măng tạo ra các hợp chất tan mạnh hơn các sản phẩm thủy hóa ban đầu. - Ăn mòn loại 3: Loại ăn mòn này là sự tích tụ các muối, được hình thành từ sự tương tác của các sản phẩm thủy hóa xi măng với các hợp chất của môi trường làm tăng thể tích gây nội ứng suất gây phá hoại kết cấu vữa xi măng.1: Một vài hình ảnh ăn mòn bê tông (nguồn Internet) 2.
Khái niệm ăn mòn cốt thép trong bê tông - Ngoài hiện tượng ăn mòn bê tông, còn xảy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông đặc biệt đối với các công trình tiếp xúc với nước biển hoặc ảnh hưởng của khi hậu vùng biển. Bên cạnh đó, khi lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, phá hoại để lộ ra lớp thép thì lớp thép cũng sẽ bị ăn mòn do nước mưa, thời tiết, độ ẩm. Ăn mòn cốt thép - Ăn mòn cốt thép là phản ứng hóa học hoặc điện hóa giữa vật liệu thường là kim loại và môi trường xung quanh nó gây ra phá hủy vật liệu và các tính chất của nó. Sự ăn mòn cốt thép dẫn đến sự hình thành của gỉ sắt có thể tích lớn hơn từ bốn đến sáu lần kích thước thép ban đầu, sự ăn mòn cũng tạo ra các lỗ trên bề mặt cốt thép làm giảm tiết diện cốt thép.
Cơ chế ăn mòn cốt thép - Thông thường cốt thép được bảo vệ bằng một lớp oxít thụ động, lớp oxít sắt này được tạo trên bề mặt cốt thép bền vững trong môi trường kiềm. Có hai quá trình chủ yếu phá hủy lớp oxit bảo vệ dẫn đến ăn mòn cốt thép là: 18 2. Ăn mòn điện hóa : - Các nguyên tử sắt trong cốt thép tách khỏi mạng lưới tinh thể và trở thành ion mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OH– trong môi trường tạo thành nhiều sản phẩm gỉ khác nhau dưới dạng công thức chung là xFeO. Các sản phẩm gỉ sét này có thể là Fe3O4.
Các sản phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt cốt thép và có thề tích gấp từ 4-6 lần thể tích ban đầu của cốt thép. - Phản ứng hoá học quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra như sau: Fe -> Fe2+ + 2e- - Cực âm (cathode) : phản ứng cực âm phải tiêu thụ các điện tử được sản sinh ra bởi phản ứng ở cực dương. Có hai phản ứng cơ bản xảy ra ở cực âm tùy thuộc vào pH của dung dịch : pH < 7 : 2H+ + 2e- -> H2 pH > 7 : 2H2O + O2 + 4e- -> 4OH- - Khí CO2 có trong khí quyển thâm nhập qua các vết nứt và qua lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH)2 có trong bê tông tạo ra vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép. Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp ngày càng phát triển rộng trong bê tông theo chiều sâu.
Khi nồng độ pH ≈ 8 và vùng này tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn. Ăn mòn cacbonat hoá - Bê tông thường sử dụng xi măng có các khoáng C3S, C2S, C4AF, C3A khi nhào trộn với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng nên nó có độ kiềm cao pH = 12. Với điều kiện pH > 12.5 theo biểu đồ Pourbaix thép là trong vùng thụ động hay trên bề mặt cốt thép sẽ có màng thụ động thép không bị ăn mòn. - Hiện tượng cacbonat hóa là hiện tượng hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng sẽ kết hợp với CO2 từ môi trường tạo ra CaCO3 và nước.
Phản ứng này là giảm lượng ion OH- trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông do đó làm độ pH của dung dịch lỗ rỗng giảm dưới 12.5 và có thể độ pH giảm đến 8 phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép và gây ăn mòn cốt thép. 19 Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O Các bước của phản ứng như sau: Ca(OH)2 -> Ca2+ + 2OH- Ca2+ + 2OH- + CO2 -> CaCO3 + H2O - Khí CO2 trong khí quyển thấm nhập qua các vết nứt và qua lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH)2 có trong bê tông, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép. Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp trong miền lân cận cốt thép. Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp ngày càng phát triển rộng trong bê tông theo chiều sâu.
Khi nồng độ pH ~ 8 và vùng này tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn. Tốc độ cacbonat hóa được xác định bằng biểu thức sau : ck t Trong đó : C – chiều sâu cacbonat hóa T – Thời gian K – hệ dố cacbonat hóa , phụ thuộc vào chất lượng bê tông k < 3mm/ (năm) 0,5 - bê tông tốt k < 6mm/ (năm)0.5 - bê tông xấu 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% 20 Hình 2.2: Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép trong bê tông 2. Ăn mòn Ion Cl- : - Thông thường môi trường kiềm trong bê tông tạo trên bề mặt của cốt thép một lớp ôxit mỏng ngăn cản quá trình han gỉ cốt thép, lớp màng ôxit này được gọi là màng thụ động. Sự xâm thực của Ion Cl- khuyếch tán đến bề mặt cốt thép chúng phá thủng lớp màng thụ động và quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra.
Đặc trưng của ăn mòn Cl là tạo ra các lỗ trên bề mặt của thép.3: Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép trong bê tông có ion Cl- - Khi nồng độ ion Cl- đạt tới ngưỡng nồng độ ăn mòn nó làm thay đổi môi trường điện hóa và gây ra phá vỡ màng thụ động.