Chương I là tập trung tìm hiểu về bản chất, cơ chế ăn mòn bê tông cốt thép trong môi trường nước biển, tình hình nghiên cứu về ăn mòn bê tông cốt thép trên thế giới. Từ đó, đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu mới, kết cấu mới để nâng cao tuổi thọ của các công trình sử dụng bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực mạnh bởi nước biển. Khái quát về ảnh hƣởng của môi trƣờng biển tới độ bền bê tông 1. Khái niệm về môi trƣờng biển Bê tông được xem là vật liệu đá nhân tạo, có tính bền vững cao, không bị phân hủy hay cháy nổ.
Các công trình bê tông, bê tông cốt thép trong những môi trường có tính xâm thực cao, chịu tác động của các yếu tố môi trường (nắng, mưa, gió, bão, nhiệt độ, axit, các chất hòa tan trong nước ngầm…). Theo thời gian xảy ra hiện tượng ăn mòn, phá hủy bê tông, gây suy giảm khả năng làm việc, tuổi thọ của công trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép. Môi trường biển có chứa rất nhiều các yếu tố gây tác động xấu đến chất lượng, độ bền của bê tông, gây suy giảm tuổi thọ của các công trình. Theo kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện KHCN Xây dựng [24] [40], Viện Khoa học Thủy lợi [2][41], Viện KHCN GTVT [43]…tình trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông, bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển là rất đáng lo ngại.
Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông, bê tông cốt thép bị ăn mòn, hư hỏng nặng hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-30 năm sử dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc với môi trường không khí và nước biển [17]. Giữa vật liệu và môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại. Tác động xâm thực của môi trường biển tới độ bền công trình bê tông, bê tông cốt thép chủ yếu như sau: 7 luan an - Quá trình cacbonat hóa làm giảm độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến phá hủy kết cấu.
- Quá trình thấm ion SO42- vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng tạo ra khoáng ettringit trương nở thể tích gây phá hủy kết cấu. - Quá trình khuếch tán oxi, ion clo và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ không khí cao gây ăn mòn cốt thép. - Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ học do sóng, ăn mòn rửa trôi. Phân loại môi trƣờng biển Tùy thuộc vào hướng tiếp cận mà chúng ta có thể phân loại môi trường biển theo nhiều cách khác nhau.
Trong định hướng của luận án này, môi trường biển có thể được phân loại theo sự tương tác của chúng đối với các kết cấu bê tông. Theo đó, môi trường biển có thể được phân loại thành ba loại như sau: khu vực ngập trong nước biển; khu vực chịu sóng, thủy triều; khu vực trên mực nước biển. Khu vực ngập trong nước biển: Đây là khu vực mà kết cấu ngập dưới mực nước thủy triều, luôn chìm trong nước biển, chủ yếu dễ bị xâm hại hóa học bởi các thành phần Mg2+ và SO42- trong nước biển. Ở khu vực này thiếu oxi hòa tan, dẫn đến sự hạn chế của quá trình khuếch tán ion Cl-, vì vậy mức độ ăn mòn của kết cấu tại khu vực này thường ít hơn so với các khu vực khác.
Tuy nhiên, các kết cấu trong khu vực này phải chịu ảnh hưởng bởi áp suất thủy tĩnh của nước, sự phá hoại của vi sinh vật và đặc biệt là sự xâm thực của nước biển. Khu vực chịu sóng, thủy triều: Đây là khu vực giữa mực nước thủy triều thấp và cao. Tại khu vực này, kết cấu bê tông liên tục trải qua các chu kỳ ướt và khô, kết hợp với lực hút mao dẫn làm gia tăng việc khuếch tán ion clo vào kết cấu, từ đó gây ra sự ăn mòn với cốt thép trong kết cấu. Khu vực này cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tác động của băng giá, sự mài mòn cơ học từ môi trường (sóng đánh, tác động của cát, đá, sỏi …) dẫn đến sự nứt vỡ, ăn mòn và giảm khả năng làm việc của kết cấu.
Khu vực trên mực nước biển: Khu vực tiếp xúc với không khí trên mức thủy triều. Ở khu vực này, bê tông cốt thép rất dễ bị ăn mòn cốt thép do ion Cl- gây ra dẫn đến sự xuất hiện của các vết nứt và gây ra sự suy giảm khả năng làm việc của kết cấu. Các công trình, kết cấu bê tông cốt thép trong khu vực này chiếm 70% trong các kết cấu vùng biển đã xây dựng ở nước ta. Các đặc trƣng của môi trƣờng biển trên thế giới và Việt Nam Trên thế giới 8 luan an 71% bề mặt trái đất được bao phủ bởi các vùng nước và trong đó gần 96,5% được bao phủ bởi nước biển.
Vì vậy, số lượng các kết cấu bê tông chịu tác động của bê tông hoặc tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp bởi gió mang theo nước biển là rất lớn. Nói chung, nước biển chứa 3,5% các thành phần hòa tan theo khối lượng. Hàm lượng ion của Na+ và Cl- chiếm nhiều nhất trong nước biển, thông thường lần lượt là 11. Nước biển cũng chứa Mg2+ và SO42- tương ứng 1400 và 2700 mg/lít.
Độ pH của nước biển dao động trong khoảng 7,5 đến 8,4; độ pH trung bình khoảng 8,2. Nước biển cũng chứa một lượng CO2. Nếu nồng độ CO2 hòa tan trong nước biển cao hơn thì độ pH có thể giảm xuống dưới 7,5 [154]. Nồng độ các ion chính ở một số vùng biển nổi tiếng trên thế giới được tổng hợp trong bảng dưới đây: Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số vùng biển trên thế giới [154] \ Nồng độ ion (mg/l) Tên vùng biển/Tên Tổng nồng Tỷ lệ loại ion Na+ Mg2+ Cl- SO42- độ hòa tan hòa tan Biển đen 4900 640 9500 1362 17085 3,90 Biển Marmara 8100 1035 14390 2034 26409 2,52 Biển 12400 1500 21270 2596 38795 1,72 Mediterranean Biển Bắc 12200 1110 16550 2220 33060 2,02 Biển Atlantic 11100 1210 20000 2180 35370 1,88 Biển Baltic 2190 260 3960 580 7110 9,37 Biển Arabian Gulf 20700 2300 36900 5120 66650 1,00 Cơ sở nghiên cứu 9740 1200 18200 2600 32540 2,05 Biển Đỏ 11350 1867 22660 3050 40960 1,63 Ở nƣớc ta Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8o37’ đến 21o32’ Bắc với điều kiện nóng ẩm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam [41]: *Thành phần của nước biển: Nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm thực tương đương các đại dương khác trên thế giới, riêng vùng gần bờ có suy giảm chút ít do ảnh hưởng của các con sông chảy ra biển [27].
Được trình bày ở Bảng 1.2: Thành phần hóa học của nƣớc biển vùng phía Bắc Việt Nam [27] Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển Hòn Gai Vùng biển Hải phòng pH - 7,8 - 8,4 7,5 - 8,3 - Cl mg/l 6500 – 18000 9000 - 18000 + Na mg/l - - 2- SO4 mg/l 1400 – 2500 2 - 2200 2+ Mg mg/l 200 - 1200 2 - 1100 * Bức xạ mặt trời: Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận được trên vùng ven biển khá lớn từ 100¸150 kcal/cm2. Lượng nhiệt bức xạ tăng dần từ Bắc vào 9 luan an Nam và đạt cao nhất ở cực Nam Trung bộ. Với lượng bức xạ cao như vậy đã thúc đẩy quá trình bốc hơi nước biển đem theo ion Cl- vào trong khí quyển [41]. * Nhiệt độ không khí: Vùng biển nước ta có nhiệt độ không khí tương đối cao, trung bình từ 22,5 - o 22,7 C, tăng dần từ Bắc vào Nam.
Miền Bắc có 2, 3 tháng mùa đông, nhiệt độ dưới 20oC. Miền Nam nhiệt độ cao đều quanh năm, biên độ dao động 3-7oC [41]. * Độ ẩm không khí: Độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế giới, dao động trung bình từ 75% - 80%. Cụ thể: Vùng ven biển Bắc bộ và Bắc Trung bộ: 83% - 86%; Vùng ven biển Trung và Nam Trung bộ: 75% - 82%; Vùng ven biển Nam bộ: 80% - 84%.
Theo TCVN 3994:1985, với độ ẩm tương đối cao như vậy, môi trường không khí trên biển và ven biển Việt Nam có ảnh hưởng mạnh tới quá trình ăn mòn thép trong bê tông cốt thép. * Thời gian ẩm ướt bề mặt ở ven biển: Đây là đặc điểm riêng của khí hậu ven biển Việt Nam có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình ăn mòn thép trong bê tông cốt thép. Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu ở một số địa phương vùng ven biển Việt Nam được xác định theo công thức (1.1): Tướt = Tmưa + Tsương mù + Tnồm + Tkéo dài ẩm (1.1) Trong đó: Tướt : Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt, h Tmưa : Thời gian mưa, h Tsương mù : Thời gian sương mù, h Tnồm : Thời gian nồm, h Tkéo dài ẩm : Thời gian kéo dài ẩm tính từ sau khi mưa hoặc sương mù cho đến khi màng nước còn đọng lại bay hơi hoàn toàn, h. Thời gian gây ướt bề mặt kết cấu ở vùng ven biển các tỉnh Miền Bắc tập trung vào mùa xuân, còn các tỉnh Miền Nam tập trung vào các tháng mưa mùa hạ và chỉ bằng khoảng 50% so với Miền Bắc (Hình 1.
* Vận tốc gió: Vận tốc gió trung bình ở vùng biển không lớn nhưng hàng năm thường có các đợt gió lớn như bão, lốc, gió mùa Đông Bắc, gió mùa Tây Nam. Tốc độ cực đại có thể đạt tới 140 km/h. Hướng gió thịnh hành là Đông Bắc, Đông Nam và Tây Nam. Các hướng gió này đều thổi từ biển vào mang theo các chất xâm thực và có thể gây ảnh hưởng sâu vào trong đất liền tới 20-30 km đối với vùng biển miền Bắc; 20-50 km đối với vùng biển miền Nam [27].
10 luan an 300 250 Thời gian (giờ) 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 Tháng 6 7 8 9 10 11 12 Quảng Ninh Đà Nẵng Thanh Hóa Nha Trang Hình 1.2: Tổng thời gian ƣớt bề mặt kết cấu công trình vùng ven biển Việt Nam [27] * Hàm lượng ion Cl- trong không khí: Hàm lượng muối phân tán trong không khí sát mép nước tại các Trạm đo ở các tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4 - 1,3 mg/m3. Ở miền Nam, giá trị này là 1,3 - 2,0 mg/m3.