Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng khảo sát thực nghiệm phương pháp kiềm hóa nhằm tái thụ động cốt thép trong bê tông cốt thép đã bị cacbont hóa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng khảo sát thực nghiệm phương pháp kiềm hóa nhằm tái thụ động cốt thép trong bê, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trần Bảo Lâm
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Miền
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Khảo Sát Phương Pháp Kiềm Hóa Tái Thụ Động Cốt Thép Trong Bê Tông Cốt Thép Bị Cacbonat Hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Cacbonat hóa Bê tông Cốt Thép Thực trạng

Các cấu kiện bê tông cốt thép là vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trên thế giới, nhờ giá thành rẻ và dễ thi công. Tuy nhiên, khi kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường nồng độ CO2 cao, quá trình cacbonat hóa bê tông xảy ra. Quá trình này làm giảm độ pH bê tông, phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép, dẫn đến ăn mòn cốt thép, nứt bê tông, và giảm tuổi thọ công trình. Theo thống kê, ở các nước phát triển, hơn một nửa công trình đang bị hư hại nặng do ăn mòn cốt thép. Hơn một tỷ USD đã được phê duyệt để sửa chữa hoặc hạn chế hư hại.

1.1. Ảnh hưởng của môi trường đến cacbonat hóa bê tông

Việt Nam có đặc thù khí hậu nóng ẩm, mưa bão nhiều, tạo môi trường ăn mòn mạnh hơn so với các nước ôn đới. Điều kiện lý tưởng để thúc đẩy cacbonat hóa là độ ẩm 50-65%, nhiệt độ và nồng độ CO2 cao. Đây là những điều kiện phù hợp với khí hậu Việt Nam. Cacbonat hóa là quá trình chậm, nhưng là vấn đề nghiêm trọng cho công trình tuổi thọ cao (trên 30 năm).

1.2. Thiệt hại kinh tế do ăn mòn cốt thép gây ra

Ăn mòn cốt thép gây ra thiệt hại kinh tế lớn. Tại Úc, chi phí sửa chữa cầu thường không thấp hơn giá trị thực của công trình. Tại Anh, chi phí duy tu, sửa chữa do muối phun chống băng ở dầm cầu là 616.5 tỉ bảng Anh, chiếm 10% tổng tài sản quốc gia. Năm 1997, khoảng 750 triệu bảng Anh được chi để phục hồi hư hỏng do ăn mòn.

II. Thách thức từ Ăn mòn Cốt thép Nguy cơ tiềm ẩn

Ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép gây ra những hư hại lâu dài, khó phát hiện. Các hư hại hình thành sau một thời gian dài cùng với các tác nhân bên ngoài (khí hậu, tải trọng, thiên tai...) dẫn đến kết cấu có thể bị phá hủy đột ngột. Điều này gây ra các thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng và vật chất. Cần hiểu rõ quá trình ăn mòn cốt thép, phát hiện sớm, theo dõi và đưa ra giải pháp kịp thời để ngăn chặn và hạn chế các hư hại.

2.1. Các vụ sập cầu do ăn mòn cốt thép gây ra

Một số tai nạn do ăn mòn cốt thép gây ra là sự cố sập cầu Bạc nối Point Pleasant, Tây Virginia và Kanauga, Ohio năm 1967 làm 46 người chết. Nguyên nhân là do cốt thép bị ăn mòn cùng với tải trọng quá lớn làm cầu bị gãy đôi. Một sự cố khác là sập cầu bắt ngang sông Mississippi, Mỹ năm 2007 làm 13 người chết và 100 người bị thương. Nguyên nhân là do chất thải của chim rải rác trên cầu làm các thanh cốt thép bị gỉ nhanh hơn.

2.2. Tầm quan trọng của việc phòng ngừa ăn mòn cốt thép

Việc phòng ngừa ăn mòn cốt thép là vô cùng quan trọng. Nếu hiểu biết được quá trình ăn mòn cốt thép, sớm phát hiện, theo dõi và đưa ra giải pháp kịp thời, có thể ngăn cản và hạn chế các hư hại, nhân lực, tiền của dùng cho việc sửa chữa và khắc phục hư hại do ăn mòn cốt thép gây ra, từ đó tránh được các tai nạn đáng tiếc xảy ra.

III. Phương pháp Kiềm hóa Tái Thụ Động Cơ sở khoa học

Kiềm hóa là một phương pháp kỹ thuật nhằm mục đích ngăn chặn quá trình ăn mòn cốt thép trong cấu kiện có lớp bê tông bảo vệ đã bị cacbonat hóa. Thông qua việc phục hồi lại độ pH bê tông trong bê tông, giúp tạo lại môi trường thuận lợi để tái thụ động cốt thép. Nguyên lý hoạt động của phương pháp là di chuyển các ion kiềm về phía cốt thép, từ đó tăng độ pH bê tông và phục hồi lớp màng bảo vệ.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kiềm hóa

Quá trình kiềm hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như cường độ dòng điện, nồng độ dung dịch điện phân, thời gian kiềm hóa, và cường độ bê tông. Các yếu tố này cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả kiềm hóa tối ưu. Nồng độ dung dịch điện phân cao giúp tăng tốc độ di chuyển của các ion kiềm, trong khi cường độ dòng điện ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng điện hóa.

3.2. Các phương pháp đánh giá hiệu quả của kiềm hóa

Hiệu quả của phương pháp kiềm hóa có thể được đánh giá bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm đo điện trở suất bê tông, hiệu điện thế ăn mòn, và độ pH bê tông. Điện trở suất cao cho thấy bê tông đặc chắc hơn, hiệu điện thế ăn mòn âm hơn cho thấy cốt thép đã được thụ động hóa trở lại, và độ pH cao cho thấy môi trường bê tông đã trở nên kiềm tính hơn.

IV. Thực nghiệm Kiềm hóa Quy trình và Vật liệu sử dụng

Việc thực nghiệm kiềm hóa đòi hỏi quy trình chuẩn bị và thực hiện nghiêm ngặt. Các vật liệu sử dụng bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, xi măng, điện cực, và dung dịch điện phân. Mẫu bê tông cốt thép được chuẩn bị theo cấp phối nhất định và trải qua các giai đoạn dưỡng hộ, cacbonat hóa, và kiềm hóa. Quá trình kiềm hóa được thực hiện bằng cách áp dụng dòng điện một chiều giữa điện cực và cốt thép.

4.1. Lựa chọn vật liệu cho quá trình kiềm hóa

Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng cho quá trình kiềm hóa. Cốt liệu lớn và nhỏ cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ bền và thành phần hóa học. Xi măng sử dụng cần có hàm lượng C3A thấp để giảm nguy cơ trương nở do sunfat hóa. Điện cực thường được làm bằng thép không gỉ hoặc đồng. Dung dịch điện phân thường là dung dịch Natri Cacbonat (Na2CO3).

4.2. Giai đoạn cacbonat hóa và kiềm hóa mẫu bê tông

Mẫu bê tông cốt thép sau khi dưỡng hộ sẽ trải qua giai đoạn cacbonat hóa trong môi trường có nồng độ CO2 cao. Sau khi bê tông bị cacbonat hóa, mẫu sẽ được đưa vào quá trình kiềm hóa bằng cách ngâm trong dung dịch điện phân và áp dụng dòng điện một chiều. Quá trình kiềm hóa cần được kiểm soát chặt chẽ về thời gian và cường độ dòng điện.

V. Kết quả Thí nghiệm Đánh giá Hiệu quả Kiềm hóa ra sao

Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp kiềm hóa có hiệu quả trong việc tái thụ động cốt thép trong bê tông cốt thép bị cacbonat hóa. Điện trở suất bê tông tăng lên sau quá trình kiềm hóa, cho thấy bê tông trở nên đặc chắc hơn. Hiệu điện thế ăn mòn giảm xuống, cho thấy cốt thép đã được thụ động hóa trở lại. Độ pH bê tông tăng lên, cho thấy môi trường bê tông đã trở nên kiềm tính hơn. Tuy nhiên, hiệu quả kiềm hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ dòng điện, nồng độ dung dịch điện phân, và thời gian kiềm hóa.

5.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu quả kiềm hóa

Cường độ dòng điện có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kiềm hóa. Cường độ dòng điện quá thấp có thể không đủ để di chuyển các ion kiềm về phía cốt thép, trong khi cường độ dòng điện quá cao có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn. Cần lựa chọn cường độ dòng điện tối ưu để đảm bảo hiệu quả kiềm hóa tốt nhất.

5.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch điện phân

Nồng độ dung dịch điện phân cũng ảnh hưởng đến hiệu quả kiềm hóa. Nồng độ quá thấp có thể không cung cấp đủ ion kiềm để tái thụ động cốt thép, trong khi nồng độ quá cao có thể gây ra các vấn đề về môi trường. Cần lựa chọn nồng độ dung dịch điện phân phù hợp để đảm bảo hiệu quả kiềm hóa và an toàn môi trường.

VI. Kết luận và Kiến nghị Hướng phát triển Kiềm hóa

Phương pháp kiềm hóa là một giải pháp tiềm năng để phục hồi bê tông cốt thép bị cacbonat hóa. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình kiềm hóa và đánh giá tính khả thi kinh tế của phương pháp. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu điện cực mới, các dung dịch điện phân thân thiện với môi trường, và các phương pháp kiểm soát quá trình kiềm hóa hiệu quả hơn.

6.1. Hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp kiềm hóa

Các hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp kiềm hóa bao gồm: sử dụng vật liệu nano để tăng cường khả năng di chuyển của các ion kiềm, sử dụng các chất ức chế ăn mòn để bảo vệ cốt thép sau khi kiềm hóa, và phát triển các hệ thống giám sát tự động để kiểm soát quá trình kiềm hóa từ xa.

6.2. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp kiềm hóa

Phương pháp kiềm hóa có thể được ứng dụng để sửa chữa và gia cường các công trình bê tông cốt thép bị cacbonat hóa, như cầu, đường, nhà cao tầng, và các công trình biển. Việc áp dụng phương pháp kiềm hóa có thể giúp kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì sửa chữa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1. Tình hình ngoài nước  Các cấu kiện bê tông cốt thép là vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trên thế giới do giá thành rẻ và dễ dàng thi công. Theo thống kê thì việc tiêu thụ bê tông trên toàn thế giới chỉ đứng sau việc tiêu thụ nước với hơn 1 tấn/người/năm.

Nhưng khi kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường nồng độ CO2 cao như thành thị  nơi có mức độ ô nhiễm cao và có điều kiện khí hậu thuận lợi cho quá trình cacbonat hóa trong bê tông xảy ra. Quá trình này làm giảm độ pH trong bê tông theo thời gian, gây phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép, dẫn đến sự ăn mòn cốt thép và hình thành các vết nứt trong bê tông, cuối cùng làm giảm tuổi thọ kết cấu. 1: Lớp bê tông bảo vệ bị cacbonat hóa.  Ngày nay, việc xuất hiện ngày càng nhiều các trung tâm công nghiệp đã vô tình làm cho không khí ngày càng ô nhiễm nặng và hiện tượng cacbonat hóa bê tông không còn là vấn đề được xem nhẹ nữa mà chúng ta cần phải quan tâm chú ý hơn.

Theo thống kê ở các nước phát triển có hơn một nữa các công trình đang bị hư hại nặn do bị ăn mòn cốt thép và hơn 1 tỉ USD được phê duyệt để sửa chữa hoặc làm hạn chế tối đa mức độ hư hại của kết cấu.1 đưa ra một vài trường hợp bị hư hại và phần kinh phí dùng để sửa chữa các hư hại do ăn mòn cốt thép trong bê tông gây ra. 1: Các hư hại và tổn thất về kinh tế do ăn mòn cốt thép trong bê tông Sự kiện Thiệt hại Tổn thất tiền bạc Tham khảo Theo cục thống kê Cầu đường cao tốc Khoảng 90  150 tỉ Federal Highway Mỹ hư hại do ăn mòn USD administration (1991) Chi phí sửa chữa Khoảng 200  450 Transportation bản mặt cầu, cơ sở triệu USD research board hạ tầng và bãi đỗ xe (1991) Theo cục thống kê Đường mô tô và xe Khoảng 16.5 triệu Wallband (1989) Anh tải ở Anh và Wale Bảng Anh hư hại do ăn mòn Chi phí sửa chữa các Khoảng 500 triệu Resenberg (1989) kết cấu bê tông cốt Bảng Anh thép Sập tòa thị chính Sập đổ Isecke (1982) Berlin Sập bãi đỗ xe ở Sập đổ Heidersbach (1986) Minnesota Sập cầu bê tông cốt Sập đổ Woodward (1988) thép ở Wale  Ở Úc, theo thống kê của Cục Đường Bộ (SRAs  State Road Authorities) hệ thống đường giao thông với hơn 8000 cầu bê tông và hơn 16000 đường ống ngầm. Giá trị của mỗi cây cầu hơn 8. Có nhiều kết cấu phải làm việc trong môi trường xâm thực và có nhiều dấu hiệu cho thấy các cây cầu trên biển dễ bị tác động bởi các tác nhân xâm thực của môi trường.

Thông thường kinh phí dùng cho việc sửa chữa không thấp hơn bao nhiêu so với giá trị thực của công trình.  Ở Anh, theo báo cáo của khoa Giao Thông thì chi phí hằng năm để duy tu sửa chữa do muối phun chống băng ở các dầm cầu xe ô tô và xe tải là 616.5 tỉ bảng Anh và chi phí này chiếm 10% tổng tài sản quốc gia. Thêm vào đó, những công trình cầu đường, nhà cửa và các công trình biển cũng chịu tác động. Năm 1997 ước tính khoảng 750 triệu bảng Anh được chi ra để phục hồi tất cả hư hỏng do ăn mòn ở các công trình.

 Người ta ước tính rằng chi phí cần để sửa chữa các cây cầu bị xuống cấp do ăn mòn cốt thép trong bê tông ở Mỹ năm 2000 khoảng 5 tỉ USD. Cũng ở nước này, 8 hằng năm chính phủ phải chi ra hơn 150 tỉ USD để khắc phục tình trạng ăn mòn cốt thép của các cây cầu ở đường liên bang do phải phun muối chống đóng băng để đảm bảo giao thông không bị tắt nghẽn vào mùa đông.  Ăn mòn cốt thép trong bê tông gây ra những hư hại lâu dài trong cấu trúc rất khó phát hiện. Đồng thời, các hư hại hình thành sau một thời gian dài cùng với một số tác nhân bên ngoài (khí hậu, tải trọng, thiên tai…) dẫn đến kết cấu có thể bị phá hủy đột ngột, gây ra các thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng và vật chất.

Một số tại nạn do ăn mòn cốt thép gây ra: o Ngày 15/12/1967: Sự cố sập cầu Bạc nối Point Pleasant, Tây Virginia và Kanauga, Ohio sau 39 năm đưa vào sử dụng, làm 46 người chết. Nguyên nhân là do cốt thép bị ăn mòn cùng với tải trong quá lớn làm cầu bị gãy đôi. o Ngày 1/8/2007: Sự cố sập cầu bắt ngang sông Mississippi, Mỹ làm 13 người chết và 100 người bị thương. Nguyên nhân là do chất thải của chim rải rác trên cầu làm các thanh cốt thép bị gỉ nhanh hơn.

2: Sập cầu Bạc nối 2 vùng Point Pleasant – Tây Virginia và Kanauga – Ohio.  Vì thế, nếu hiểu biết được quá trình ăn mòn cốt thép, sớm phát hiện, theo dõi và đưa ra giải pháp kịp thời thì có thể ngăn cản và hạn chế phần nào các hư hại, nhân lực, tiền của dùng cho việc sửa chữa và khắc phục hư hại do ăn mòn cốt thép gây ra, từ đó tránh được các tai nạn đáng tiếc xảy ra. Tình hình trong nước  So với các nước ở vùng Ôn đới như Anh, Mỹ, Úc.thì Việt Nam có đặc thù khí hậu nóng ẩm, mưa bão nhiều nên tạo ra môi trường ăn mòn mạnh hơn đối với các kết cấu bê tông cốt thép. 9  Điều kiện lí tưởng để thúc đẩy quá trình cacbonat hóa hoạt động mạnh là trong môi trường có độ ẩm không khí ở mức 50  65%, nhiệt độ và nồng độ CO2 trong không khí cao.

Đây là những điều kiện rất phù hợp với khí hậu ở nước ta.  Cacbonat hóa là một quá trình xảy ra chậm, lâu dài, đặc biệt khi nhiệt độ ổn định bình thường, tốc độ của quá trình này có thể đo đạc và ngăn chặn. Tuy nhiên, nó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao (trên 30 năm). CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ VÀ CHỐNG CACBONAT HÓA CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.

Các phương pháp bảo vệ  Chất lượng bê tông và việc tính toán hợp lí bề dày lớp bảo vệ cốt thép là những nhân tố đầu tiên giúp làm chậm quá trình ăn mòn cốt thép. Hỗn hợp bê tông sử dụng cho công trình phải có tỉ lệ nước/xi măng (N/X)  0.5 để làm chậm quá trình cacbonat hóa qua các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông. Tiêu chuẩn của Hiệp hội bê tông Hoa Kì ACI 318 khuyến cáo chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép  1.1 mm) và tối thiểu  0.05 mm) so với kích thước cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông. Bên cạnh đó, ACI 357 khuyến cáo lớp bê tông bảo vệ tối thiểu là 2.5 mm) đối với kết cấu BTCT xây dựng trong môi trường biển.

 Hàm lượng cốt thép đủ lớn có tác dụng kiềm chế sự phát triển và mở rộng vết nứt. Tiêu chuẩn ACI 224 kiến nghị bề rộng vết nứt cho phép không vượt quá 0.152mm) cho kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển  Bê tông cần được đúc và dưỡng hộ một cách chính xác để hạn chế ăn mòn. Kết cấu bê tông cần được dưỡng hộ tối thiểu 7 ngày sau khi đúc ở 21oC đối với bê có tỉ lệ N/X = 0.4 và lên đến 06 tháng đối với hỗn hợp bê tông có tỉ lệ N/X = 0. Nhiều báo cáo khoa học đã chỉ ra rằng độ rỗng của bê tông giảm rõ rệt khi thời gian dưỡng hộ tăng lên và tất nhiên khả năng chống ăn mòn cũng được cải thiện đáng kể.

 Một số công nghệ chống ăn mòn khác thường được sử dụng cho kết cấu BTCT bao gồm sử dụng các màng ngăn nước khi đổ bê tông, sử dụng cốt thép mạ kẽm, cốt thép phủ epoxy, sử dụng thép không gỉ và phương pháp anot hy sinh… 1. Tiêu chuẩn áp dụng trong thiết kế và thi công  Tiêu chuẩn TCXDVN 327 : 2004 đưa ra các yêu cầu kỹ thuật về: thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống ăn mòn cho kết cấu bê tông và BTCT sử dụng cho công trình có tuổi thọ tới 50 năm. Đối với công trình yếu cầu 10 có niên hạn sử dụng cao hơn 100 năm cần áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ như sau: o Tăng mác bê tông thêm 10 Mpa và tăng độ chống thấm thêm một cấp hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ thêm 20mm. o Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng bê tông kết cấu dày tối thiểu 15mm.

o Tăng cường thêm lớp sơn chống ăn mòn phủ mặt cốt thép trước khi đổ bê tông. o Quét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép hoặc bảo vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp anot hy sinh. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP KIỀM HÓA TÁI THỤ ĐỘNG CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP HIỆN NAY 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước  Từ tháng 8/1993 đến tháng 2/1997, Alberto A.

Moreno, Walter Morris, Carmen Andradet [1] dưới sự hổ trợ của Sở giao thông vận tải bang Florida, Mỹ đã nghiên cứu tác nhân ăn mòn kết cấu của các cây cầu biển ở Florida, họ đã phát hiện ra sự xâm nhập của các ion clorua qua lớp bê tông bảo vệ, gây ăn mòn cốt thép và lớp bê tông bảo vệ bị phá hủy do tác dụng với khí CO2 trong không khí, đó là quá trình cacbonat hóa bê tông.  Từ ngày 25-26/2004, tại hội nghị “OUR WORLD IN CONCRETE & STRUCTURES” lần thứ 29 diễn ra tại Singapore, các nhà khoa học đến từ đại học Kuwait và Anh [2] đã nghiên cứu và đưa ra một số kết luận sau: o Tỷ lệ nước/xi măng là thông số chính ảnh hưởng đến tốc độ cacbonat hóa bê tông. o Dưỡng hộ trong nước 6 ngày có thể giảm độ sâu cacbonat hóa với mức độ tương đương với dưỡng hộ trong nước 13 hoặc thậm chí 27 ngày. o Bốn loại phụ gia chính được sử dụng trong hỗn hợp bê tông gồm:phụ giasiêu giảm nước, phụ gia siêu giảm nước và kéo dài thời gian ninh kết, phụ gia giảm nước và kéo dài thời gian ninh kết, và các phụ gia dẻo.6 cho thấy các giá trị khác nhau của độ sâu cacbonat hóa của các mẫu là khác nhau khi sử dụng các phụ gia khác nhau.