Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Sự ăn mòn kim loại [2,6,7] 1. Định nghĩa về sự ăn mòn kim loại 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.