Chương 1 tâm và trong phạm vị luận văn cao học này, đề tài nhấn mạnh hai điểm chính sau: - Các cơ chế ăn mòn cốt thép cục bộ trong bê tông do ion clorua xâm nhập - Nghiên cứu ảnh hưởng của oxy và độ ẩm đối với ăn mòn cục bộ cốt thép trong bê tông và từ đó đưa ra biện pháp hạn chế. Trang 10 CHƯƠNG 2 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƢỞNG CỦA Ô XY VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN ĂN MÒN CỤC BỘ CỦA CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MÔI TRƢỜNG BIỂN 2. Cơ chế ăn mòn cục bộ của cốt thép do ion clorua xâm nhập trong kết cấu bê tông cốt thép. Định nghĩa Ăn mòn (theo H.
(1971)) định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường. Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn. Ăn mòn điện hóa Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và chất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở cực dương (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở cực âm.
Một loại pin ăn mòn cơ bản có bốn thành phần thiết yếu bao gồm: + Cực dương (anode): Cực dương thường ăn mòn do mất điện tử từ các nguyên tử kim loại trung hòa về điện để hình thành các ion rời rạc. Những ion này có thể vẫn còn trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo thành các sản Trang 11 CHƯƠNG 2 phẩm ăn mòn không hòa tan. Phản ứng ăn mòn của kim loại Fe thường được biểu diễn bởi phương trình đơn giản: Fe Fe2 2e + Cực âm (cathode): Phản ứng cực âm phải tiêu thụ các điện tử được sản 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 H 2 ; pH 7 : 2H 2O O2 4e 4OH + Chất điện ly: Dung dịch điện ly có thể cho phép các ion dương di chuyển từ cực dương tới cực âm và các ion âm di chuyển theo hướng ngược lại.
+ Kết nối điện: Cực dương và cực âm phải được nối với nhau ở mạch ngoài của pin ăn mòn bằng dây dẫn điện. Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra. Tính thụ động Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn là không hòa tan, bám chặt trên bề mặt và đưa đến hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề mặt của kim loại. Màng thụ động dày từ 2-20 nanomét.
Việc duy trì thụ động cần điều kiện điện thế phù hợp. Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những thay đổi của điện thế. Ăn mòn thép trong bê tông Nói chung, khi bê tông có chất lượng tốt, như cấp phối trộn thích hợp, đổ, đầm và bảo dưỡng tốt có thể bảo vệ cốt thép ít bị ăn mòn. Bảo vệ vật lý được tạo nên bởi lớp bê tông bảo vệ hoạt động như một rào cản vật lý việc tiếp cận của các chất xâm thực từ môi trương bên ngoài.
Bảo vệ hóa học được cung cấp bởi độ kiềm cao bên trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông do sự hiện diện của hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng. Bê tông có độ pH từ 12.5, theo biểu đồ Pourbaix là vùng thụ động, hoạt động ăn mòn thép không xảy ra. Trang 12 CHƯƠNG 2 Đáng tiếc là các rào cản vật lý của bê tông bảo vệ không phải là hoàn hảo, bởi vì cấu trúc xốp của bê tông và sự tồn tại của các vết nứt rất nhỏ trong bê tông đã cho phép các chất xâm thực xâm nhập vào phá vỡ màng thụ động. Hai nguyên nhân chính gây ra phá vỡ màng thụ động là do sự tích tụ các ion clo trên bề mặt màng thụ động và độ pH dung dịch lỗ rỗng giảm do quá trình cacbonat hóa.
Ăn mòn thép do quá trình Các bon nát hóa trong bê tông. 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. Trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng thụ động. 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 CO 2 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, làm phá vỡ màng thụ động trên bề mặt cốt thép và gây ăn mòn thép. Ca(OH )2 CO2 CaCO3 H 2O Các bước của phản ứng như sau: Ca(OH )2 Ca 2 2OH Như vậy, quá trình cacbonat hoá làm phá vỡ màng thụ động của cốt thép trong bê tông, làm suy giảm chất lượng bê tông bảo vệ → tạo điều kiện thuận lợi cho việc xâm nhập của chất gây hại và sự ăn mòn cốt thép xảy ra. Ăn mòn thép do quá trình sulphate vào bê tông cốt thép. Muối sulphate thường gặp trong đa số nước tự nhiên.
Nước sông, hồ hàm lượng sulphate tính theo ion SO42- thường không vượt quá 100mg/l. Trong nước khoáng ngầm, hàm lượng này tăng lên rất lớn. Đặc biệt trong nước biển với độ mặn 33-35g/l, lượng SO42- thường là 2,5-2,7g/l. Một số ngành sản xuất hóa chất có dùng axit sufnuric như ngành luyện cốc, sản xuất sulphate amon, sản xuất Trang 13 CHƯƠNG 2 phân khoáng và nhiều ngành công nghiệp khác cũng gặp dạng ăn mòn này.
Tuy nhiên, sự ăn mòn đáng kể khi hàm lượng SO42- vượt quá 250mg/l [8]. Quá trình ăn mòn hóa học diễn ra như sau: Đầu tiên là sự tương tác sulphate magie với hyđoroxit canxi theo phương trình: MgSO4 Ca(OH )2 2H 2O CaSO4 .2H 2O 2 NaOH Sản phẩm CaSO4.2H2O được hình thành tăng thể tích 2, 3, 4 lần so với hyđoxit canxi. Sau khi được tạo ra CaSO4.2H2O lại tương tác với 3CaO.6H2O tạo ra 3CaO.31H2O (muối ettringit) theo phương trình: 3CaO.31H 2O Ettringit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, tăng thể tích gấp khoảng 4,8 lần so với tổng thể tích của các hợp chất sinh ra nó. Chính vì sự nở thể tích của các sản phẩm này mà cấu trúc của bê tông có thể bị phá vỡ.
Phản ứng sulphate làm suy giảm chất lượng bê tông bảo vệ → mở đường cho các chất gây hại xâm nhập, tiếp xúc cốt thép và gây ăn mòn. Ăn mòn thép do ion clo. Khi nồng độ ion Cl đạt tới ngưỡng nồng độ ăn mòn làm thay đổi môi trường điện hóa và gây ra phá vỡ màng thụ động. Một khi các lớp thụ động đã bị phá do hậu quả của sự xâm nhập ion Cl, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mòn nếu có sự cung cấp độ ẩm và oxy.
Quá trình này là một quá trình điện hóa với các phản ứng điện hóa diễn ra trong hai vùng cực dương và cực âm. Điều này được Beeby thể hiện trong hình 2. Kết quả của hiệu điện thế này sẽ làm xuất hiện dòng điện. Trang 14 CHƯƠNG 2 Các điện tử sẽ dịch chuyển từ cực dương sang cực âm.
Đồng thời sẽ có một dòng điện trong chất điện phân (dung dịch lỗ rỗng) từ cực âm để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương. Điều này sẽ cho phép các ion kim loại thoát khỏi từ cực dương nhiều hơn. Kết quả là cực dương hòa tan làm giảm tiết diện của cốt thép.1 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng thì bê tông không thể nứt và vỡ. Một vài quá trình tiếp theo phải xảy ra để hình thành gỉ.
Có nhiều cách biểu diễn một trong số đó là: Từ Fe(OH)2 tác dụng với ô xi và nước thành Fe(OH)3, Hydroxit sắt ba này chuyển thành ô xít sắt ngậm nước đây chính là gỉ sắt. Richardson năm 2004 đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực âm như sau: Phản ứng cực dương (Anodic) Fe Fe2 2e Fe2 2(OH ) Fe(OH )2 4Fe(OH )2 2H 2O O2 4Fe(OH )3 Phản ứng cực âm (Cathodic) 4e O2 2H 2O 4(OH ) Fe2 2(OH ) Fe(OH )2 4Fe(OH )2 2H 2O O2 4Fe(OH )3 Trang 15 CHƯƠNG 2 2Fe(OH )3 Fe2O3 .H 2O 2H 2O Khi có mặt của ion clo phản ứng xảy ra như sau: 2Fe 2Fe2 4e 2Fe2 4Cl 2FeCl2 2FeCl2 4H 2O 2Fe(OH )2 4HCl 2FeCl2 4H 2O 2Fe(OH )2 4H 4Cl Điều quan trọng cần chú ý rằng, cần phải cung cấp oxy và nước cho các phản ứng cực âm. Nếu các phản ứng cực âm không thể diễn ra thì các điện tử tạo ra trong các phản ứng cực dương có thể không được tiêu thụ bởi các phản ứng cực âm. Chúng phải được tiêu thụ ở những nơi khác trên bề mặt thép để giữ tính trung hòa điện, vì nó không thể cho một lượng lớn điện tích tích tụ ở một địa điểm trên thép.
Các tác động thực tế là nếu bê tông “khô”, ăn mòn sẽ không tiếp tục vì không có đủ độ ẩm cho các phản ứng cực âm. Nếu bê tông “ướt”, oxy sẽ gặp khó khăn trong việc xâm nhập các cấu trúc lỗ rỗng và quá trình ăn mòn cũng sẽ không tiếp tục vì không có đủ oxy cho phản ứng cực âm (ví dụ bê tông ngập nước). Điều này cho thấy rằng có một phạm vi trung gian của độ ẩm tương đối mà tại đó sự ăn mòn có thể xảy ra. Sự hình thành hyđrôxít sắt khi 2 ion Fe2+ ở cực dương kết hợp với 4 ion hydroxit (OH)- từ cực âm.
Với sự có mặt của oxy và độ ẩm, các (2Fe(OH) 2) chuyển đổi thành gỉ oxit sắt từ (Fe2O3H2O). Khi không thủy hóa, oxit sắt (Fe2O3) có thể tích khoảng gấp đôi so với thể tích của thép tương ứng. Khi nó ngậm nước nó trương nở và trở nên xốp. Sự trương nở này có thể dẫn đến một sự gia tăng thể tích từ 2-4 lần, tại giao diện thép bê tông.