CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VÀ ĐẬT VÁN ĐÈ NGHIÊN cút 1.1 An mòn kim loại 1. ĩ Khái niệm vê ăn mòn kìm loại Theo ISO 8044:2015 11], ăn mòn kim loại là: “Tương tác hóa lý giữa kim loại và môi trường gây nên sự biến đổi tính chất kim loại và có thế dẫn đến sự suy giâm đáng kể chức năng kim loại, mói trường hay hệ thong kỳ thuật mà chúng cấu thành”. Theo định nghĩa thông dụng ăn mòn kim loại là “sự phá huy kim loại do tương tác hoá học hoặc điện hoá của kim loại với môi trường xung quanh”. Sự ăn mòn thường bắt đầu xay ra trên bề mặt kim loại, rồi quá trình phát triển vào sâu kèm theo sự biến đồi thành phần và tính chất hóa lý cua kim loại và hợp kim.
Kim loại có thê bị hòa tan một phần hay hoàn toàn tạo ra các sản phấm ãn mòn dưới dạng kết tua trên bề mặt kim loại (lớp gi, oxít.1 Thép bị ăn mòn tạo gỉ do tác động cua môi trường [2].2 Phân loại Người ta có thê phân loại ăn mòn kim loại theo nhiều cách khác nhau.1 Theo cơ chế của quá trình ăn mòn Ăn mòn kim loại phân thành hai loại: • Ăn mòn hóa học là phan ứng hóa học dị the giữa bề mặt kim loại và môi trường xung quanh, nghĩa là phản ứng biến đổi kim loại thành ion. 3 • Ăn mòn điện hoá - dạng ăn mòn phồ biến nhất - là tương tác điện hóa học của * bê mặt kim loại với môi trường xung quanh, tuân theo các quy luật động học điện hóa.2 Theo trạng thái bê mặt kim loại bị phá huỷ • Ăn mòn đồng đều là sự mất đi một lượng ít hoặc nhiều vật liệu kim loại được phân bố một cách đồng đều trên mọi phần cúa bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn. • Ăn mòn Ganvani còn được gọi là ăn mòn lưỡng kim loại là sự hình thành pin điện, từ hai kim loại và không ngừng làm giam độ bền kim loại. • Ăn mòn hang hốc là sự hoạt động cua pin điện gồm hai điện cực được tạo ra tại hai vị trí trên kim loại tiếp nhận oxy với mức độ khác nhau.
Tại các khe kim loại hoặc các chồ kim loại bị che khuất do gấp khúc, tiếp nhận oxy trong khi quyền với lượng thấp hơn thì nó đóng vai trò là anốt, tại đó kim loại bị hòa tan. • Ăn mòn điểm là dạng ăn mòn thường xáy ra trên bề mặt kim loại dược báo vệ bằng một lớp màng mởng (như AI2O3/AI) tiếp xúc với dung dịch chất điện li có mặt một so anion và chú yếu là anion clorua. Anion tác dụng lên màng mỏng tạo ra các lồ nho có kích thước cỡ vài chục micromet và làm mất tính bào vệ của màng dẫn đến sự phá huỷ kim loại. • Ăn mòn giừa các hạt tinh thể là sự phá húy kim loại có tính chọn lọc tại chỗ nối các hạt tinh thể, và là một pha được kết tinh lại do xử lý nhiệt tạo ra.
• Ăn mòn chọn lọc là sự oxy hóa một thành phan cúa hợp kim và thường tạo ra một cấu trúc kim loại xốp. • Ăn mòn mài mòn là sự ăn mòn kim loại gây ra do tác động cơ học vào bề mặt kim loại. • Ăn mòn dưới ứng suất là sự rạn nứt kim loại do tác động đồng thời của sự cưỡng bức cơ học và xáy ra phàn ứng điện hóa khi kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn.3 Theo điều kiện cua quá trình ăn mòn Phụ thuộc vào điều kiện ăn mòn, người ta phân ra các loại ăn mòn sau đây: • Ăn mòn kim loại trong khí khô hoặc trong chất lòng không điện li (ăn mòn hóa học). 4 • Ăn mòn kim loại trong chất lóng điện li (axít, bazơ, các dung dịch muối).
• Ăn mòn kim loại do vi sinh vật. • Ăn mòn kim loại trong môi trường tự nhiên (khí quyến, nước và đất).3 Ăn mòn kim loại gây thiệt hụi rất lớn cho nền kinh tế quốc dân Với sự phát tricn của nền kinh tế, thiệt hại do ăn mòn kim loại gây ra ngày càng lớn. Nó làm biến đối những tính chất kỹ thuật quan trọng của kim loại như: tính ôn định cơ học, độ mềm déo, và một số tính chất hóa lý. Từ đó, ăn mòn kim loại gây nên những tôn that trực tiếp (mất mát kim loại) và tốn thất gián tiếp (dừng sán xuất, mất an toàn lao động, ô nhiễm môi trường.
Thiệt hại do ăn mòn chiếm khoảng 1,0 - 5,0% GNP tùy từng quốc gia 131. Tổn thất trực tiếp do ăn mòn kim loại gây ra tăng dần theo sự phát triển [3]: • Nãm 1949, Mỷ khoảng 2,1 % GNP (5,5 tỷ đô la). • Năm 1971, Anh khoảng 3,5% GNP (3 tý báng Anh). • Năm 1974, Nhật khoảng 1 - 2% GNP (9,2 tỷ đô la).
• Năm 1975, Mỳ khoảng 4,2% GDP (70 tỷ đô la). Tổn thất trực tiếp do ăn mòn: 276 tỷ dô la/năm (3,1% GDP) 1 Nãm 1998, GDP cùa Mỹ: 8,79 nghìn tỷ đô la Hình 1.2 Thiệt hại trực tiêp do ân mòn kim loại gây ra ở Mỹ, năm 1998 [31- 5 Như Hình 1.2 cho thấy, năm 1998, ớ Mỳ chi phí tôn thất được đánh giá khoang 276 tỷ đô la/nám, chiếm 3,1% GDP (552 tỷ đô la/năm, kể cả gián tiếp). Năm 2013, tổn thất đạt mức 1. Toàn cầu chiếm khoáng 5.
Ăn mòn trong một số ngành công nghiệp như công nghiệp hạt nhân, hóa chất, dầu khí. cỏ thê gây những hậu quả nghiêm trọng. Ăn mòn gây lãng phí năng lượng và tài nguyên. Ăn mòn do tác động cua môi trường và ánh hương ngược đen môi trường: gây ô nhiễm, mất an toàn [3J.
Hoar [4] cho rằng, phần quan trọng trong tổn thất này có the tránh được nếu sử dụng tốt hơn nhùng kiến thức của nhân loại hiện có về ăn mòn kim loại. Vì vậy, việc nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại là rất cần thiết và có ỷ nghĩa vô cùng to lớn đến nền kinh tế quốc dân. Tuy chưa cỏ số liệu thống kê, nhưng Việt Nam thuộc vùng khí hậu nông, ầm và tỉ lệ sử dụng kim loại trong công nghiệp đang tăng nhanh, nên thiệt hại do ăn mòn có thể chiếm tỉ lệ cao.4 An mòn điện hóa học Không khí Gỉ sét tích tụ Nước Sắt Hình 1.3 Quá trình ăn mòn điện hóa cúa săt trong dung dịch điện li [5]. Ăn mòn điện hóa xay ra khi kim loại tiếp xúc với dung dịch điện li là sự phá huy kim loại xảy ra trên bề mặt giới hạn hai pha: kim loại và dung dịch điện li.
kim loại bị hòa tan trôn vùng anốt và kèm theo phán ứng giãi phóng hidrô hoặc tiêu thụ ôxy xảy 6 ra trên vùng catốt, đồng thời sinh ra dòng điện (Hình 1. Ọuá trình ăn mòn điện hoá xay ra tương tự sự hoạt động của một pin điện khép kín mạch [4-5]. Trên be mặt kim loại có hai vùng anổt và vùng catốt. Giá trị thế điện cực lại vùng anốt âm hơn so với thể điện cực vùng catốt.
Hệ này được khép kín mạch và xảy ra các phản ứng sau: Vùng anốt xảy ra quá trình oxy hoá tức là kim loại bị hoà tan: Me -+Men++ne (1.1) lon kim loại trên bề mặt điện cực chuyến vào dung dịch đong thời có electron dư trên kim loại. Các electron dư ở vùng anốt được dịch chuyển đến vùng catốt trên bề mặt kim loại và tại đó xay ra các phản ứng: Neu môi trường có ion H+ thì xảy ra phản ứng giải phóng khí hidrô.2) 2 Neu trong môi trường ãn mòn gần trung tính có ion H+ và oxy thì xảy ra phản ứng tiêu thụ oxy.3) Nếu trong môi trường ăn mòn trung tính và có oxy thì xảy ra phản ứng tiêu thụ oxy.2 Ẫn mòn cốt thép bê tông - Những vấn đề chung Ăn mòn cốt thép bê tông dần tới những thiệt hại rất lớn cho toàn bộ công trình xây dựng và cỏ thê gây ra những hậu quả vô cùng to lớn [3]. Bởi lè, quá trình ăn mòn cốt thép bê tông làm giám thiết diện chịu lực cùa cốt thép, san phâm ăn mòn do có thể tích lớn hơn bân thân kim loại (từ 4-12 lần), nên gây ra nội lực làm nứt vỡ bê tông dẫn đến phá hỏng công trình, cũng như tăng khả năng xàm nhập các tác nhân gây ăn mòn và phá huy kim loại từ môi trường bên ngoài, đặc biệt là môi trường nước biên (Hình 1.4 Sự phá huy các công trình bicn bè tông cốt thép [5]. Bảo vệ bê tông cốt thép khôi ăn mòn là một bài toán lớn, phức tạp, có ánh hưởng lớn đến đời sống, san xuất nên nó luôn thu hút sự quan tâm cua nhiều cơ quan chức năng cũng như các nhà nghiên cứu.
Các công trình nghiên cứu trong nước cũng như thế giới về bê tông cốt thép được công bố đã góp phần lớn lao trong sự phát triên của nhản loại. Mỗi công trinh đồ cập anh hường cua những yếu tố đến độ bồn ăn mòn công trình bô tông cốt thép và tìm ra phương pháp chống ăn mòn phù hợp [6-9].1 Tình hình thế giới Hiện nay trên thế giới, các công trình bê tông cốt thép bị hư hong đang diền ra hết sức r phô biên.5 Cày câu Frederick Douglas Memorial (a) và câu vượt Route 483 (b) bị ăn r mòn bê tông côt thép, ở Mỹ [3, 6].000 cây cầu cao tốc, trong đó 200.000 cây cầu làm bàng thép và 235.000 cây cầu làm bằng vật liệu bê tông cốt thép, khoảng 15% số cây cầu này bị hư hại do ăn 8 mòn cốt thép (Hình 1. Ngoài ra, có sự gia tăng đáng kể việc bảo trì các cây cầu cũ trong số 435.000 cây cầu bằng thép và bê tông cốt thép đã có từ nhừng năm 1920 - 1930. Mặc dù, phần lớn khoảng 108.000 cày cầu bê tông dự ứng lực đã được xây từ 1960, nhiều cây cầu này cần được bào trì trong vòng 10-30 năm tới.
Tác động cùa sự ăn mòn đối với các cây cầu đường cao tốc là đáng kể. Chi phi ăn mòn trực tiếp hàng năm cho cây cầu đường cao tốc ước tính là 8,3 tý đô la [3].6 cho thấy chi phí ăn mòn cầu đường cao tốc so với các lĩnh vực công nghiệp khác trong danh mục cơ sờ hạ tầng. Co' sở hạ tầng, 22,6 tỷ' đô la ■ Cây cầu cao tốc ■ Bồn chứa hóa chất nguy hiểm ■ Đường thủy và cảng ■ Đường ống dẫn chất khí và lòng / \ f Hình 1.