Luận văn thạc sĩ nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép và thép biến tính trong môi trường kiềm chứa ion clo

Nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép và thép biến tính trong môi trường kiềm chứa ion clo, cung cấp thông tin hữu ích cho ngành công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Chuyền
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Xuân Sén
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép và thép biến tính trong môi trường kiềm chứa ion Clo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự ăn mòn kim loại
• 1.1.1. Định nghĩa về sự ăn mòn kim loại
• 1.1.2. Phân loại sự ăn mòn kim loại
• 1.1.2.1. Phân loại theo cơ chế ăn mòn
• 1.1.2.2. Phân loại theo môi trường ăn mòn
• 1.1.2.3. Phân loại theo đặc trưng của sự ăn mòn
• 1.1.3. Sự ăn mòn trong bê tông

Tóm tắt

I. Tổng quan về độ bền hòa tan anot của thép trong môi trường kiềm

Độ bền hòa tan anot của thép là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng chống ăn mòn của thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền hòa tan anot của thép, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu quả bảo vệ thép trong các công trình xây dựng. Môi trường kiềm có pH cao thường tạo ra lớp oxit bảo vệ cho thép, nhưng sự xâm nhập của ion Clo có thể phá vỡ lớp bảo vệ này, dẫn đến hiện tượng ăn mòn.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của độ bền hòa tan anot

Độ bền hòa tan anot của thép được định nghĩa là khả năng của thép trong việc duy trì trạng thái thụ động khi tiếp xúc với môi trường kiềm. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng xây dựng, nơi mà thép thường tiếp xúc với nước và các ion gây ăn mòn. Nghiên cứu cho thấy rằng độ bền hòa tan anot có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nồng độ ion Clo, pH của môi trường và các chất ức chế ăn mòn.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền hòa tan anot

Nồng độ ion Clo là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền hòa tan anot của thép. Khi nồng độ ion Clo tăng, khả năng phá vỡ lớp oxit bảo vệ của thép cũng tăng theo. Ngoài ra, pH của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng, với pH cao giúp tăng cường khả năng thụ động của thép. Các chất ức chế ăn mòn cũng có thể được sử dụng để cải thiện độ bền hòa tan anot của thép trong môi trường kiềm.

II. Vấn đề ăn mòn thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo

Ăn mòn thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo là một vấn đề nghiêm trọng trong ngành xây dựng. Ion Clo có khả năng xâm nhập vào bê tông và phá vỡ lớp bảo vệ của thép, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cục bộ. Điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của công trình mà còn gây ra những thiệt hại kinh tế lớn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự xâm nhập của ion Clo vào bê tông có thể xảy ra qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm sự khuếch tán và thẩm thấu.

2.1. Cơ chế xâm nhập của ion Clo vào bê tông

Ion Clo có thể xâm nhập vào bê tông thông qua các cơ chế như khuếch tán và thẩm thấu. Khi bê tông tiếp xúc với nước biển hoặc môi trường ẩm ướt, ion Clo sẽ dễ dàng xâm nhập vào bên trong, làm giảm độ pH và phá vỡ lớp bảo vệ của thép. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ ion Clo trong bê tông có thể đạt đến mức nguy hiểm chỉ sau một thời gian ngắn tiếp xúc.

2.2. Hệ quả của ăn mòn thép trong môi trường kiềm

Ăn mòn thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo có thể dẫn đến nhiều hệ quả nghiêm trọng. Đầu tiên, nó làm giảm khả năng chịu lực của thép, gây ra nguy cơ sập đổ cho các công trình. Thứ hai, sự hình thành gỉ sắt trên bề mặt thép có thể làm tăng thể tích, dẫn đến nứt và hư hỏng bê tông. Cuối cùng, chi phí bảo trì và sửa chữa cho các công trình bị ăn mòn có thể rất cao.

III. Phương pháp nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép

Để nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các thí nghiệm điện hóa, phân tích hóa học và mô phỏng máy tính là những công cụ quan trọng trong việc đánh giá khả năng chống ăn mòn của thép. Các phương pháp này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền hòa tan anot và tìm ra các giải pháp cải thiện hiệu quả bảo vệ thép.

3.1. Thí nghiệm điện hóa để đánh giá độ bền hòa tan anot

Thí nghiệm điện hóa là một trong những phương pháp chính để đánh giá độ bền hòa tan anot của thép. Các thí nghiệm này thường sử dụng các điện cực để đo lường thế ăn mòn và dòng điện trong môi trường kiềm chứa ion Clo. Kết quả từ các thí nghiệm này giúp xác định nồng độ ion Clo và pH tối ưu cho sự thụ động của thép.

3.2. Phân tích hóa học và mô phỏng máy tính

Phân tích hóa học giúp xác định thành phần hóa học của các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt thép. Mô phỏng máy tính cũng được sử dụng để dự đoán hành vi của thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo. Các công cụ này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ chế ăn mòn và giúp phát triển các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu về độ bền hòa tan anot của thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo đã chỉ ra rằng việc sử dụng các chất ức chế ăn mòn có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của thép. Các ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các công trình xây dựng, đặc biệt là ở những khu vực có môi trường ăn mòn cao như ven biển. Việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của các công trình và giảm thiểu chi phí bảo trì.

4.1. Các biện pháp bảo vệ thép trong môi trường kiềm

Các biện pháp bảo vệ thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo bao gồm việc sử dụng chất ức chế ăn mòn, lớp phủ bảo vệ và cải thiện thiết kế bê tông. Chất ức chế ăn mòn có thể giúp tăng cường lớp bảo vệ của thép, trong khi lớp phủ bảo vệ giúp ngăn chặn sự xâm nhập của ion Clo. Cải thiện thiết kế bê tông cũng có thể giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn của thép.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả có thể giảm thiểu đáng kể hiện tượng ăn mòn thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn xây dựng, giúp bảo vệ các công trình khỏi sự ăn mòn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu độ bền hòa tan anot

Nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép trong môi trường kiềm chứa ion Clo đã cung cấp nhiều thông tin quý giá về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của thép. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các chất ức chế ăn mòn và cải thiện thiết kế bê tông có thể giúp tăng cường độ bền của thép. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các biện pháp bảo vệ mới và hiệu quả hơn, nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn của thép trong các môi trường khắc nghiệt.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các chất ức chế ăn mòn mới và cải thiện các phương pháp bảo vệ thép. Nghiên cứu cũng sẽ xem xét các yếu tố môi trường khác có thể ảnh hưởng đến độ bền hòa tan anot của thép, nhằm tìm ra các giải pháp toàn diện hơn cho vấn đề ăn mòn.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong ngành xây dựng

Nghiên cứu độ bền hòa tan anot của thép không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có tầm quan trọng lớn trong ngành xây dựng. Việc bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của các công trình, giảm thiểu chi phí bảo trì và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó, nghiên cứu này cần được tiếp tục và mở rộng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng ăn mòn kim loại, đặc biệt là ăn mòn thép trong các công trình xây dựng, là nguyên nhân chính gây giảm tuổi thọ công trình, dẫn đến tổn thất kinh tế lớn cho các quốc gia. Theo ước tính, sự ăn mòn thép trong môi trường kiềm chứa ion clo là một trong những thách thức lớn đối với ngành xây dựng, đặc biệt tại các vùng ven biển có nồng độ muối cao. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá độ bền hòa tan anot của thép CT3 và thép biến tính trong môi trường kiềm chứa ion clo, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các chất ức chế vô cơ và lớp phủ phosphat đến khả năng chống ăn mòn điểm của thép. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các dung dịch NaCl với nồng độ từ 0 đến 1.00M và pH từ 9 đến 14, mô phỏng điều kiện môi trường kiềm trong bê tông cốt thép vùng biển. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn và phát triển các biện pháp chống ăn mòn thép hiệu quả, góp phần nâng cao tuổi thọ công trình và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sử dụng các chất ức chế truyền thống như cromat.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ăn mòn điện hóa và mô hình màng thụ động trên bề mặt kim loại. Ăn mòn điện hóa được mô tả qua các phản ứng anot và catot, trong đó thép bị hòa tan tại anot và phản ứng khử xảy ra tại catot. Khái niệm thế ăn mòn điểm (Epit) được sử dụng làm chỉ số quan trọng đánh giá khả năng chống ăn mòn điểm của thép. Mô hình màng thụ động giải thích sự hình thành lớp oxit bảo vệ trên bề mặt thép, trong khi ion Cl- có khả năng phá vỡ lớp này, gây ra ăn mòn điểm. Các khái niệm chuyên ngành như thế tái thụ động (Er), thế ức chế (Ei), và các loại chất ức chế anot, catot cũng được áp dụng để phân tích cơ chế bảo vệ và phá hủy màng thụ động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm điện hóa sử dụng điện cực thép CT3 trong các dung dịch NaCl có nồng độ từ 0 đến 1.00M, pH từ 9 đến 14, với sự bổ sung các ion vô cơ như CrO42-, PO43-, MoO42-, WO42-, NO2- ở nồng độ 0.02M. Cỡ mẫu gồm các điện cực thép CT3 được chuẩn bị kỹ lưỡng, xử lý bề mặt và phủ phosphat với các phụ gia như axit tannic, polyanilin (PANi) và TiO2. Phương pháp phân tích chính là đo đường cong phân cực (polarization curve) bằng thiết bị Autolab 30 Eco chemie, kết hợp với kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để khảo sát cấu trúc bề mặt và thành phần màng thụ động. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2011 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cl- và pH đến thế ăn mòn điểm (Epit):
   Kết quả đo cho thấy với cùng một pH, khi tăng nồng độ Cl- từ 0 đến 1.00M, giá trị Epit dịch chuyển về phía âm hơn, biểu thị sự ăn mòn điểm xảy ra dễ dàng hơn. Ví dụ, tại pH = 9, Epit giảm rõ rệt khi nồng độ Cl- tăng, phù hợp với phương trình tuyến tính Epit = A – B.log[Cl-]. Ngược lại, khi giữ nồng độ Cl- cố định, tăng pH từ 9 đến 14 làm Epit dịch chuyển về phía dương, thể hiện thép dễ đi vào trạng thái thụ động hơn. Ở pH = 14, ngay cả với nồng độ Cl- 1.00M, không xuất hiện ăn mòn điểm.

2. Hiệu quả ức chế của ion CrO42-:
   Sự có mặt của CrO42- trong dung dịch NaCl 0.50M làm tăng giá trị Epit lên đến gần 0.2V so với trường hợp không có chất ức chế, chứng tỏ khả năng bảo vệ tốt hơn. Khi tăng nồng độ CrO42- từ 0 đến 0.02M, Epit tăng dần, tuy nhiên tốc độ tăng chậm lại ở nồng độ cao. SEM cho thấy bề mặt điện cực được phủ lớp màng bảo vệ bền vững, giảm ăn mòn điểm đáng kể.

3. Ảnh hưởng của ion PO43- đến sự hòa tan anot:
   Ion phosphat cũng làm tăng giá trị Epit, giảm sự ăn mòn điểm rõ rệt. Khi nồng độ PO43- tăng từ 0 đến 0.10M trong dung dịch NaCl 0.50M, Epit tăng dần, tuy nhiên tốc độ tăng giảm khi nồng độ cao. Lớp màng phosphat bảo vệ được xác định là hỗn hợp γ-Fe2O3 và FePO3, ngăn cản tiếp xúc giữa thép và dung dịch ăn mòn.

4. Ảnh hưởng của pH và nồng độ Cl- trong dung dịch có chất ức chế:
   Ở pH cao (≥13), màng bảo vệ phosphat bền vững, điện cực không bị ăn mòn điểm ngay cả khi nồng độ Cl- lên đến 0.5M. Ở pH thấp hơn, màng dễ bị phá hủy, làm giảm hiệu quả bảo vệ. Đồ thị Epit phụ thuộc log[Cl-] vẫn giữ dạng tuyến tính nhưng có độ dốc lớn hơn so với trường hợp không có chất ức chế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự ăn mòn điểm là do ion Cl- phá hủy lớp màng thụ động trên bề mặt thép, làm tăng tốc độ hòa tan anot. Sự phụ thuộc tuyến tính của Epit vào log[Cl-] phản ánh cơ chế hấp phụ cạnh tranh giữa Cl- và các ion gây thụ động như OH-. Khi pH tăng, lớp màng oxit bảo vệ trở nên ổn định hơn, làm giảm khả năng ăn mòn điểm. Các ion vô cơ như CrO42- và PO43- hoạt động như chất ức chế anot, tạo màng bảo vệ hoặc hấp phụ lên bề mặt thép, làm tăng thế ăn mòn điểm và giảm tốc độ hòa tan. Kết quả SEM và XRD xác nhận sự hình thành lớp màng bảo vệ bền vững trên bề mặt điện cực. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của ion cromat và phosphat trong việc ức chế ăn mòn thép trong môi trường chứa ion clo. Việc sử dụng các ion này không chỉ nâng cao độ bền mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với cromat truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng ion phosphat và molypdat làm chất ức chế trong bê tông cốt thép vùng biển:
   Khuyến nghị sử dụng các ion này với nồng độ khoảng 0.02M trong dung dịch bảo vệ để tăng thế ăn mòn điểm, giảm ăn mòn điểm, nâng cao tuổi thọ công trình trong vòng 5-10 năm. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất vật liệu xây dựng và các đơn vị thi công.

2. Phát triển lớp phủ phosphat kết hợp phụ gia hữu cơ như axit tannic, polyanilin và TiO2:
   Đề xuất nghiên cứu và ứng dụng các lớp phủ phosphat biến tính nhằm tăng cường khả năng thụ động và chống ăn mòn điểm cho thép CT3. Thời gian triển khai thử nghiệm và ứng dụng thực tế khoảng 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu.

3. Kiểm soát pH môi trường bê tông trong khoảng 12-14:
   Đề nghị các đơn vị thi công và bảo trì công trình duy trì pH cao trong bê tông để đảm bảo lớp màng thụ động ổn định, hạn chế sự xâm nhập của ion Cl-. Thực hiện kiểm tra định kỳ hàng năm.

4. Giảm sử dụng ion cromat truyền thống do tác động môi trường:
   Khuyến cáo thay thế cromat bằng các ion vô cơ thân thiện môi trường như phosphat, molypdat, tungstat trong các dung dịch bảo vệ thép. Các cơ quan quản lý môi trường và ngành xây dựng cần phối hợp ban hành quy định và hướng dẫn áp dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa lý và Hóa học vật liệu:
   Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về cơ chế ăn mòn điểm và biện pháp ức chế, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về vật liệu chống ăn mòn.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bảo vệ kim loại:
   Thông tin về hiệu quả các ion ức chế và lớp phủ phosphat giúp cải tiến sản phẩm, phát triển vật liệu mới có khả năng chống ăn mòn cao và thân thiện môi trường.

3. Kỹ sư xây dựng và quản lý công trình ven biển:
   Cung cấp kiến thức về ảnh hưởng môi trường đến tuổi thọ bê tông cốt thép, giúp lựa chọn vật liệu và biện pháp bảo vệ phù hợp, giảm thiểu chi phí bảo trì.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách xây dựng:
   Tài liệu tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về sử dụng chất ức chế ăn mòn thân thiện môi trường, góp phần bảo vệ tài nguyên và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Thế ăn mòn điểm (Epit) là gì và tại sao quan trọng?
   Epit là giá trị thế điện cực mà tại đó bắt đầu xuất hiện ăn mòn điểm trên bề mặt kim loại. Nó quan trọng vì giúp đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu; giá trị Epit càng cao thì vật liệu càng bền với ăn mòn điểm.

2. Ion Cl- ảnh hưởng như thế nào đến ăn mòn thép trong bê tông?
   Ion Cl- phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ thép, tạo điều kiện cho ăn mòn điểm phát triển. Nồng độ Cl- càng cao thì khả năng ăn mòn càng lớn, đặc biệt trong môi trường pH thấp hoặc trung tính.

3. Các ion vô cơ như CrO42- và PO43- có tác dụng gì trong chống ăn mòn?
   Các ion này hoạt động như chất ức chế anot, tạo hoặc củng cố lớp màng thụ động trên bề mặt thép, làm tăng thế ăn mòn điểm và giảm tốc độ hòa tan kim loại, từ đó giảm ăn mòn điểm.

4. Tại sao pH cao giúp giảm ăn mòn thép?
   pH cao (12-14) tạo môi trường kiềm mạnh, giúp hình thành và duy trì lớp oxit bảo vệ bền vững trên bề mặt thép, ngăn cản sự xâm nhập của ion Cl- và các tác nhân ăn mòn khác.

5. Lớp phủ phosphat biến tính có ưu điểm gì so với lớp phủ truyền thống?
   Lớp phủ phosphat biến tính kết hợp phụ gia hữu cơ như axit tannic, PANi và TiO2 không chỉ tăng cường khả năng thụ động và chống ăn mòn điểm mà còn thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm so với các lớp phủ chứa cromat.

Kết luận

• Thế ăn mòn điểm (Epit) của thép CT3 giảm khi tăng nồng độ ion Cl- và tăng khi pH môi trường tăng, phản ánh cơ chế ăn mòn điểm trong môi trường kiềm chứa ion clo.
• Ion CrO42- và PO43- có khả năng ức chế ăn mòn điểm hiệu quả, làm tăng giá trị Epit và tạo lớp màng bảo vệ bền vững trên bề mặt thép.
• Lớp phủ phosphat kết hợp phụ gia hữu cơ nâng cao khả năng chống ăn mòn điểm, phù hợp ứng dụng trong bảo vệ bê tông cốt thép vùng biển.
• Kiểm soát pH môi trường bê tông và sử dụng các ion ức chế thân thiện môi trường là giải pháp thiết thực để nâng cao tuổi thọ công trình.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các loại phụ gia và điều kiện môi trường khác nhằm tối ưu hóa biện pháp chống ăn mòn thép trong thực tế.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm ứng dụng các ion ức chế và lớp phủ phosphat biến tính trong công trình thực tế, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Sự ăn mòn kim loại [2,6,7] 1. Định nghĩa về sự ăn mòn kim loại 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ vật liệu kim loại do phản ứng hoá học hay điện hoá giữa chúng với môi trường xung quanh. Phân loại sự ăn mòn kim loại Có nhiều cách để phân loại sự ăn mòn kim loại: theo cơ chế của sự ăn mòn theo môi trường ăn mòn hoặc theo đặc trưng của sự ăn mòn.

Phân loại theo cơ chế ăn mòn Theo cơ chế của sự ăn mòn thì ăn mòn kim loại gồm 2 loại:  Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ kim loại bởi phản ứng hoá học do kim loại tiếp xúc với môi trường gây ăn mòn, khi đó kim loại bị chuyển thành ion và đi vào môi trường trong cùng giai đoạn. 2Fe + 3Cl2 t0 2FeCl3 Ví dụ: t0 3Fe + 2O2 Fe3O4 3Fe + 4H2O(h) t0 Fe3O4 + 4H2  Bản chất của ăn mòn hoá học là quá trình oxi hoá khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường. Đặc điểm của ăn mòn hoá học là không phát sinh dòng điện (không có các điện cực) và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mòn càng nhanh. Ăn mòn hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao, phổ biến trong các khu công nghiệp hóa chất hoặc tại môi trường không có nước.

 Ăn mòn điện hóa: Ăn mòn điện hoá là sự phá huỷ kim loại do quá trình tương tác của môi trường ăn mòn với kim loại theo cơ chế điện hóa. Bản chất của ăn mòn điện hoá là một quá trình oxi hoá khử xảy ra trên bề mặt giới hạn hai pha: kim loại/dung dịch điện li. Hiện tượng ăn mòn kim loại theo cơ chế điện hoá bao giờ cũng có hai loại phản ứng luôn luôn gắn liền với nhau đó là: Phản ứng anot: Ứng với sự phá huỷ kim loại M chuyển thành ion kim loại MZ+: M → MZ+ + Ze Phản ứng catot: Xảy ra một trong hai phản ứng catot sau đây: Nếu môi trường ăn mòn là môi trường axit, trên catốt xảy ra phản ứng: Z ZH+ + Ze → H2 2 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nếu môi trường ăn mòn là môi trường trung tính có dư oxi, trên catôt xảy ra phản ứng: Z Z O2 + H2O + Ze → ZOH- 4 2 Trong quá trình xảy ra sự ăn mòn điện hóa thì trên anôt, kim loại bị hòa tan để lại electron và qua dây dẫn loại 1 (nền kim loại hoặc dây dẫn kim loại) electron được di chuyển đến catôt và phản ứng tại catôt xảy ra. Ăn mòn điện hóa xảy ra rất phổ biến.

Ví dụ: ăn mòn do nước biển gây ra sự phá hủy tàu thuyền và các công trình xây dựng, ăn mòn các thiết bị, đồ dùng … 1. Phân loại theo môi trường ăn mòn Theo môi trường ăn mòn thì ăn mòn gồm các loại chính sau: - Ăn mòn trong môi trường khí quyển. - Ăn mòn khí quyển vùng thành phố và khu công nghiệp. - Ăn mòn trong khí quyển biển.

- Ăn mòn trong bê tông, cốt thép … 1. Phân loại theo đặc trưng của sự ăn mòn Theo đặc trưng thì ăn mòn được chia thành:  Ăn mòn đều. Sự ăn mòn thép trong bê tông [11] Ăn mòn thép trong bê tông là hiện tượng phá huỷ vật liệu thép do tác dụng hoá học hay tác dụng điện hoá giữa sắt và môi trường bên ngoài. Các vật liệu kim loại và hợp kim trên nền sắt khi tiếp xúc với môi trường xung quanh chúng (khí, 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] lỏng, rắn) đều bị phá huỷ với một tốc độ nào đó.

Sự ăn mòn trong bê tông và cốt thép là nguyên nhân chính phá hủy các công trình xây dựng (Hình 1. Dòng ion Catot Anot Dòng điện tử Hình 1.1: Sơ đồ ăn mòn cốt thép trong bê tông Việc tạo ra các loại bê tông vừa có tính cơ lý tốt vừa có khả năng chống và bảo vệ ăn mòn cốt thép, làm tăng tuổi thọ của công trình là điều rất cần thiết trong xây dựng, các công trình giao thông vận tải nhất là các công trình vùng ven biển ở Việt Nam. Muốn vậy cần phải xác định được các yếu tố gây ra sự suy giảm chất lượng của bê tông. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính cơ lí của bê tông như: tỉ lệ và chất lượng của cát, đá, xi măng, nước, phụ gia.

Sự hư hỏng bê tông chủ yếu là do tác động của các chất xâm thực từ môi trường bên ngoài vào bê tông, hoặc bởi chính các chất có sẵn trong bê tông. Các phản ứng hoá học xảy ra khi có hơi ẩm hoặc là nước. Bản thân nước không làm hư hại bê tông nhưng tạo ra môi trường điện li để cho các phản ứng điện hoá xảy ra. Suy giảm bê tông phổ biến nhất là việc xuất hiện các vết nứt do các phản ứng hoá học, gây ra sự trương nở bê tông, dẫn đến gỉ cốt thép.

Các phản ứng hoá học ở đây thường là phản ứng của khí cacbonic với ximăng Portland, tạo ra cacbonat canxi và cacbonat natri. Nước tồ n ta ̣i trong mao dẫn của bê tông có đô ̣ pH cao (từ 12 ÷ 14) dẫn đế n viê ̣c ta ̣o thành mô ̣t lớp oxit́ hoặc 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] hiđroxit bảo vê ̣ và làm cho thép bị thụ động. Tuy nhiên, do sự xâm thực của các ion và phân tử trong môi trường như ion Ca2+, Mg2+, Cl-, CO2 … làm phá vỡ trạng thái thụ động của thép và phá hủy bê tông. Từ các cơ sở đó chúng ta có thể tổng kết các nguyên nhân chủ yếu của sự ăn mòn thép trong bê tông như sau: Do nước mưa và hơi nước ngưng tụ: Nước có trong mao quản của bê tông hòa tan một lượng nhỏ oxi trong không khí khuếch tán vào bên trong và tiếp xúc với cốt thép gây ra phản ứng catot (phản ứng tiêu thụ oxi).

Do khí CO2, H2S …: Trong khí quyển CO2 chiếm khoảng 0. Khi hòa tan trong nước CO2 tạo thành môi trường axit yếu: CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3 → H+ + HCO3- HCO3- → H+ + CO32- Chính môi trường axit này góp phần làm giảm pH của bê tông và do đó gây sự ăn mòn bê tông. Ngoài ra khí CO2 cũng có thể tác dụng trực tiếp với Ca(OH)2 và các hợp chất tạo ra muối cacbonat: CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O CO2 + KOH → K2CO3 + H2O Các quá trình trên cũng làm giảm giá trị pH của bê tông dẫn đến sự phá hủy lớp thụ động và thép bị ăn mòn. Tương tự như khí CO2, khí H2S khi hòa tan trong nước cũng tạo ra môi trường axit yếu, gây khá hủy bê tông.

Sự phá hủy bê tông do khí H2S chủ yếu xảy ra với các công trình trong lòng đất. Sở dĩ như vậy bởi vì H2S được sinh ra nhiều từ sự phân hủy xác động thực vật trong lòng đất. Phản ứng làm giảm pH của bê tông do H2S như sau: H2S + H2O → H+ + HS- HS- → H+ + S2- 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Do ion Cl-: Trong môi trường nước biển ion Cl- có hàm lượng tương đối lớn. Do đó nó tạo môi trường điện li mạnh, dẫn điện tốt thuận lợi cho quá trình ăn mòn.

Nhưng nguy hiểm hơn đó là ion Cl- có khả năng phá hủy màng thụ động của sắt trong môi trường kiềm, làm cho thép trong bê tông có thể tiếp xúc với các tác nhân gây ăn mòn khác, đồng thời gây hiện tượng ăn mòn điểm phá hủy mạnh mẽ bê tông. Quá trình ăn mòn thép do ion Cl- có thể trải qua những giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Sự xâm thực của ion Cl- từ môi trường vào bê tông (Hình 1.2) Trong môi trường khí hậu biển bê tông có độ ẩm cao, tác nhân gây ra ăn mòn nguy hiểm nhất là ion Cl-. Ion clorua nằm trong các tinh thể muối phân bố trên bề mặt bêtông và theo thời gian chúng sẽ xâm nhập vào bên trong lớp bê tông bảo vệ dẫn đến sự phá hủy cốt thép; đồng thời lớp bê tông bảo vệ cũng bị mất đi những đặc tính cơ lí ban đầu. Quá trình xâm thực của ion clorua vào bê tông chủ yếu theo 4 cơ chế sau: Sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài: Nếu bề mặt kết cấu bê tông không bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clorua, dưới áp lực mao dẫn, nước chứa ion clorua sẽ xâm nhập vào bề mặt bê tông đến độ sâu khoảng 5÷15mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày.

Về mặt lí thuyết, độ cao cột nước mao dẫn trong bê tông với kích thước lỗ rỗng mao dẫn khoảng 10÷6m có thể đạt đến 15m. Nếu bề mặt kết cấu chịu tác động chu kì khô ẩm của nước chứa ion clorua, hệ thống lỗ rỗng sẽ tiếp tục hấp thu và tích trữ ion clorua, dẫn đến lớp bê tông bảo vệ chịu ảnh hưởng của cơ chế này có nồng độ ion clorua khá cao. Đây là trường hợp của phần bê tông ở vùng mớm nước [11]. Sự khuếch tán do chêch lệch nồng độ ion clorua: Khi có sự chêch lệch nồng độ ion clorua, ion clorua sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn.

Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clorua sẽ dịch chuyển từ bề mặt bê tông vào sâu trong kết cấu. Sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bê tông có thể được mô tả gần đúng bằng các định luật Fick về khuếch tán: ∂C/∂t = D ∂2C/∂x2 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trong đó: C: Nồng độ ion clorua trong bê tông (kg/m3). D: Hệ số khuyếch tán (m2/s). Nồng độ ion Cl- khuếch tán trong bê tông không chỉ phụ thuộc vào tọa độ x mà còn phụ thuộc vào thời gian t.

Giải phương trình Fick thu được biểu thức liên hệ giữa nồng độ ion clorua C(x,t) tại độ sâu x và thời điểm t như sau: Cx,t = Cs – (Cs - C∞) erf[x/(4Dt)1/2] Trong đó: Cs: Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bê tông bề mặt (kg/m3). C∞: Nồng độ ion clorua ban đầu trong kết cấu bê tông (kg/m3). x là một hàm sai số. Dựa trên công thức này, ta có thể tính được thời gian để nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt đến trị số giới hạn gây nên rỉ cốt thép.

Đối với bê tông, hệ số khuyếch tán D thường khoảng 2.