CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ĂN MÒN VÀ PHÁ HỦY BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG VEN BIỂN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1 Khái quát về tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở thế giới Bê tông cốt thép là vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trên thế giới. Việc tiêu thụ bê tông trên toàn thế giới đứng hàng thứ hai chỉ sau việc tiêu thụ nước với hơn 1 tấn/người/năm (theo Sedgwich 1991).1 – Các vết gỉ màu vàng ố và các vết nứt xuất hiện do thép bị ăn mòn ở cấu kiện trụ đỡ của cầu Campus Loop ở Albany, thành phố New York, Mĩ Người ta ước tính rằng chi phí cần để sửa chữa các cây cầu bị xuống cấp do ăn mòn thép trong bê tông ở Mỹ năm 2000 khoảng 5 tỷ đô la Mỹ (theo FHA, 1999). Thêm vào đó, những công trình cầu đường, nhà cửa và các công trình biển cũng chịu tác động. Ở Anh, năm 1997 ước tính khoảng 750 triệu bảng Anh để phục hồi tất cả các hư hỏng do ăn mòn ở các công trình (BRE, 2002).
Khi quá trình ăn mòn diễn ra, các sản phẩm sẽ thay thế kim loại ban đầu với thể tích - Trang 13 - lớn hơn. Điều này tạo ra ứng suất kéo trong bê tông, gây nứt và phá vỡ lớp bê tông bảo vệ. Sự ăn mòn thép trong bê tông dẫn đến sự phá hoại kết cấu nghiêm trọng nếu không được sửa chữa. Ví dụ điển hình như, tháng 5 năm 2000, sự cố sập cầu đi bộ ở Bắc Carolina làm bị thương hơn 100 người.
Năm 1967, cây cầu nối Point Pleasant, phía Tây Virginia, với Kanauga, Ohio, bị sập bởi rất nhiều các bộ phận bị xuống cấp do ăn mòn. Cây cầu Dickson ở Montreal năm 1990 cũng bị ngừng hoạt động do sự ăn mòn làm xuống cấp. Ăn mòn thép dự ứng lực là một trong những nguyên nhân gây ra sự xuống cấp của các công trình dân dụng. Ở Mĩ tốn khoảng 150 tỷ đô hàng năm để khắc phục tình trạng ăn mòn thép của các cây cầu ở đường liên bang do phải phun muối chống đóng băng để đảm bảo giao thông không bị cản trở vào mùa đông nhằm kéo điểm đóng băng của nước xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đóng băng của nước khi đó cầu sẽ không bị đóng băng.2 - Thiết bị phun muối chống đóng băng vào mùa đông Báo cáo hàng năm của Ban nghiên cứu giao thông vào năm 1991, thì chi phí hàng năm để duy tu các dầm cầu từ 50 tỉ đến 200 tỉ đô la.
Ở Anh, theo báo cáo của khoa Giao Thông thì chi phí hàng năm để duy tu sửa chữa do muối phun chống đóng băng ở các dầm cầu xe ô tô và xe tải là 616.5 tỉ bảng Anh và chi phí này chiếm 10% tổng tài sản quốc gia.2 Khái quát về tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam Trong môi trường biển Việt Nam do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống, khí quyển biển và ven biển. Ăn mòn bê tông cốt thép là hiện tượng phổ biến và là nguyên nhân chủ yếu gây phá huỷ kết cấu và làm giảm đáng kể tuổi thọ các công trình xây dựng ở vùng biển. Hiện nay, bên cạnh một số công trình có tuổi thọ trên 30 ÷ 40 năm có nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 ÷ 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10 ÷ 15 năm sử dụng.3- Cảng Thương vụ - Vũng Tàu Hình 1.4- Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng, sau 15 năm sử dụng cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng Thiệt hại do ăn mòn bê tông cốt thép gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30% ÷ 70% mức đầu tư xây dựng công trình.5 - Hiện trạng ăn mòn các công trình khảo sát tại vùng biển Đà Nẵng a, b: Cảng Tiên Sa; c: Cảng cá Thuận Phước; d: Cầu Nguyễn Văn Trỗi [2] - Trang 15 - Các kết quả khảo sát các tại bốn công trình tiêu biểu tại Đà Nẵng bao gồm: Cầu Nguyễn Văn Trỗi, Cảng cá Thuận Phước, Cảng Liên Chiểu và Cảng Tiên Sa cho thấy rằng, tất cả 4 công trình đều nằm ở trong tình trạng bị ăn mòn nặng.6- Sự biến thiên hàm lượng Cl- theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ [2] Kết quả phân tích mẫu cho thấy, hàm lượng Cl- thấm đều theo chiều dày của lớp bê tông bảo vệ và gấp 3-4 lần giới hạn cho phép. Hàm lượng SO4-2.
Điện thế ăn mòn của cốt thép được đo đạc trực tiếp tại các công trình. Phương pháp đo đạc sử dụng trong quá trình nghiên cứu là điện cực so sánh Ag/AgCl. Kết quả đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 và giản đồ E-pH của hệ Fe-H2O cũng nằm trong tình trạng trên và nằm ngoài vùng cho phép của ngưỡng ăn mòn pH bê tông dao dộng từ 10-11.1- Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công trình [2].7- Công tác đo đạc điện thế ăn mòn tại các công trình [2] Hình 1.8 - Công tác đo đạc, lấy mẫu bê tông tại các công trình khảo sát [2] Với những kết quả đo được ở các cảng biển và công trình ven biển ở Đà Nẵng như trên, cho thấy các công trình này chịu ảnh hưởng nặng nề của nước biển, cả cốt thép lẫn bê tông đều bị ăn mòn. Do đó, ở nghiên cứu này, tác giả liệt kê ra một số phương pháp sửa chửa bê tông cốt thép bị xuống cấp hiện đã và đang được thực hiện ở các công trình tùy theo đăc điểm ăn mòn một cách khái quát không đi chuyên sâu vào kỹ thuật mà chỉ nêu ra cách thức thực hiện và hạn chế của các phương pháp này.3 Các phương pháp sửa chữa và chống ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép 1.1 Sửa chữa và làm sạch thép bằng mảng vá cục bộ : Đây là phương pháp thay thế các vùng vật liệu đã xuống cấp, hư hỏng bằng một lớp vật liệu mới có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn.
Phương pháp này thường áp dụng cho các vùng bê tông bị ăn mòn các bon nát hóa hay thép bị ăn mòn gây nứt bê tông , bề mặt bê tông bị bong tróc từng mảng để lộ thép hay ở những vùng bê tông bị xói mòn cơ học (bề mặt bê tông xuất hiện những lỗ hổng tổ ong nhìn thấy được bằng mắt thường) - Trang 17 - Hình 1.9 – Bề mặt bê tông bị bong tróc và bị tổ ong bề mặt Phương thức tiến hành sửa chữa thay thế bằng mảng vá cục bộ gồm 4 bước cơ bản như sau: + Bước 1 : Cạo bỏ hoàn toàn lớp bê tông bị nứt, bị hư hỏng xuống cấp bằng máy khoan đục bê tông hay phun nước áp lực cao, tiến hành cạo bỏ bề mặt vật liệu bị hỏng cho tới khi lộ ra bề mặt thép. + Bước 2 : Nếu bề mặt thép bị gỉ thì tiến hành phun cát rửa sạch bề mặt thép bị gỉ và có thể sơn phủ bề mặt thép vùa mới rửa sạch nếu cần. + Bước 3 : Thay thế phần vật liệu vừa mới cạo bỏ bằng vữa hay bê tông sửa chữa mới tốt hơn với hai tác dụng là : vật liệu sửa chữa ngăn chặn các tác nhân ăn mòn thấm vào bên trong bê tông gây ăn mòn thép (bảo vệ vật lý) và vật liệu sửa chữa có tác dụng tái thụ động thép và bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn (bảo vệ hóa học). + Bước 4 : có thể tiến hành phương pháp thay thế mảng vá này mở rộng ra các vùng bê tông xung quanh vẫn chưa bị hư hỏng để tăng khả năng bảo vệ công trình.2 Bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn bằng anốt hi sinh : Khi công trình nằm ở vùng ven biển hay ở trên biển thì ngoài các tác nhân gây ăn mòn bê tông thì ion clo là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép làm cho công trình bị hư hỏng thậm chí nhanh hơn các tác nhân ăn mòn khác.
Đây là phương pháp bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn bởi clo bằng cách cấy một kim loại khác có tính hoạt động mạnh hơn vào cốt thép (hình 1. Khi các ion clo xâm - Trang 18 - nhập qua bê tông vào thép nhưng không ăn mòn thép mà ăn mòn kim loại này trước và thép được bảo vệ đảm bảo khả năng chịu lực của công trình.10 – Nối thêm anốt hi sinh để bảo vệ cốt thép trước khi đổ bê tông cấu kiện Các hướng dẫn trong Tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 :đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật về: thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống ăn mòn cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Yêu cầu thiết kế trong tiêu chuẩn chỉ rõ trong tiêu chuẩn, quy định các yêu cầu tối thiểu về thiết kế áp dụng cho các công trình có tuổi thọ tới 50 năm. Đối với các công trình yêu cầu có niên hạn sử dụng cao hơn tới 100 năm cần áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ như sau: o Tăng mác bê tông thêm 10 MPa và độ chống thấm thêm một cấp hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ thêm 20 mm. o Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng bê tông kết cấu dày tối thiểu 15mm.
o Tăng cường thêm lớp sơn chống ăn mòn phủ mặt cốt thép trước khi đổ bê tông. o Quét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép hoặc bảo vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp bảo vệ catốt. Với các thông số đã nêu ra, ta có thể đưa ra những nhận xét sau : Tuy biện pháp sửa chữa cục bộ bằng mảng vá cục bộ và phương pháp bảo vệ thép bằng catot hi sinh phần nào có tác dụng hiệu quả. Nhưng 2 phương pháp trên đều có khuyết và ưu điểm riêng như sau : Đối với phương pháp sửa chữa bằng mảng vá cục bộ - Trang 19 - * Ưu điểm : + Đơn giản dễ thực hiện không đòi hỏi phương tiện máy móc hiện đại.
* Khuyết điểm : + Không khắc phục loại bỏ được hoàn toàn triệt để nguyên nhân gây hư hỏng công trình mà chỉ mang tính khắc phục tạm thời.
