Chương 1 đã trình bày những nét đặc trưng cơ bản những yếu tố khí hậu, thời tiết và môi trường vùng ven biển tỉnh Phú Yên. Với các đặc điểm đã phân tích như trên thì môi trường khí hậu ven biển tỉnh Phú Yên có tính xâm thực rất mạnh đối với kết cấu bêtông cốt thép nói chung và kết cấu bêtông cốt thép trong công trình cầu nói riêng. Qua điều tra số liệu quản lý công trình cầu trên địa bàn tỉnh Phú Yên cho thấy đa số các kết cấu cầu được xây dựng bằng bêtông cốt thép thường vì vậy rõ ràng sẽ chịu ảnh hưởng rất mạnh từ hiện tượng xâm thực, ăn mòn bêtông cốt thép do các yếu tố môi trường khí hậu ven biển gây ra. Khảo sát hiện trạng các công trình cầu ở tỉnh Phú Yên cho thấy hiện trạng ăn mòn kết cấu bêtông cốt thép diễn ra rất mạnh đặc biệt là các công trình cầu được xây dựng gần biển, vùng thủy triều lên xuống và kết cấu có hướng chắn gió từ biển thổi vào.
Hiện tượng xâm thực bêtông và ăn mòn cốt thép xảy diễn ra do nhiều tác nhân khác nhau và kết quả tất yếu sẽ gây suy giảm đáng kể đến chất lượng công trình cũng như khả năng chịu tải của công trình cầu. Có thể nói, hiện tượng ăn mòn kết cấu cầu bêtông cốt thép ở Phú Yên là một kết quả tất yếu vì nó được xây dựng trong môi trường khí hậu ven biển mà không có bất kỳ một giải pháp đáng kể nào để hạn chế, giảm thiểu tác hại của hiện tượng xâm thực bêtông, ăn mòn cốt thép. Điều này đặt ra yêu cầu cần phải có những nghiên cứu thấu đáo và tìm ra những giải pháp hữu hiệu giúp hạn chế, giảm thiểu xâm thực và ăn mòn kết cấu bêtông, cốt thép trong môi trường khí hậu ven biển. Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 23 -- CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂN MÒN BÊTÔNG CỐT THÉP - PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ĂN MÒN CÔNG TRÌNH CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP VÙNG VEN BIỂN PHÚ YÊN 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂN MÒN BÊTÔNG CỐT THÉP 2. Ăn mòn hóa học của bêtông 2. Ăn mòn bêtông đã cứng rắn trong môi trường tiếp xúc là nước. Ăn mòn bêtông do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của ximăng Xảy ra do sự hòa tan của sản phẩm thủy hóa ximăng trước hết và nhanh nhất là Ca(OH)2.
Đó là phần vôi tự do trong ximăng, nhưng chủ yếu là Ca(OH)2 sinh ra khi C3S và C2S thủy hóa. Vôi hòa tan vào nước và theo nước thấm qua bêtông ra ngoài làm cho nồng độ của vôi trong môi trường bị giảm đi. Khi nồng độ vôi giảm thấp hơn các giới hạn ổn định của các sản phẩm thủy hóa của ximăng (hydro canxi silicat, hydro canxi aliminat…), thì thành phần CaO trong các sản phẩm đó cũng tách ra hòa tan trong nước, làm cho đá ximăng bị phân rã và bị phá hoại. Các giới hạn ổn định của các sản phẩm thủy hóa ximăng cụ thể như sau: + 1,18 g/l đối với 2CaO.aq; + 1,1 g/l đối với 3CaO.aq; + 0,05 g/l đối với CaO.aq; + 0,17 g/l đối với 2CaO.H2O; + 0,15 g/l đối với 3CaO.
Căn cứ vào bản chất của nó khi bêtông tiếp xúc với nước mềm có hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ ít, độ hòa tan vôi sẽ tăng lên và ăn mòn càng mạnh Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 24 -- hơn. Sự có mặt của các loại muối trong môi trường nước, tuy không phát sinh phản ứng hóa học với ximăng, nhưng tăng độ hòa tan vôi, nên sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn mạnh hơn.1: Ca(OH)2 trong bêtông (hiện tượng thấm tiết vôi) phản ứng với CO2 ngoài không khí để tạo CaCO3 - Ảnh chụp tại hành lang công tác trong đập tràn Nhà máy thủy điện Hoà Bình Trong không khí luôn có khí CO2 và hơi nước, nếu bêtông bị phá hủy hoặc bị nứt thì hydroxyt canxi Ca(OH)2 sẽ bị thấm ra ngoài và phản ứng với CO 2 và nước tạo ra đá ximăng CaCO3. Loại ăn mòn này còn được gọi là qua trình khử kiềm trong bêtông (Cái chết trắng của bêtông) làm giảm độ pH trong bêtông và thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép. Ăn mòn do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của ximăng phụ thuộc vào thành phần hóa học của ximăng.
Khi hàm lượng C3S và C2S trong ximăng cao thì ăn mòn mạnh hơn. Ximăng puzơlan bền ăn mòn hòa tan hơn ximăng poóclăng. Các yếu tố như loại và hàm lượng phụ gia, thời gian đông cứng, điều kiện bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đáng kể đến dạng ăn mòn này. Dạng ăn mòn này có liên hệ mật thiết với độ thấm nước của bêtông, vì có sự thấm nước mà vôi ở bên trong bêtông mới có thể thấm ra bên ngoài.
Ăn mòn bêtông do các phản ứng của đá ximăng với môi trường Là do các phản ứng trao đổi giữa nước chứa các chất hóa học xâm thực (axit, muối) và các thành phần của đá ximăng gây ra. Những sản phẩm phản Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 25 -- ứng tạo thành bị hòa tan và bị nước mang đi, hoặc bị tách ra dạng khối vô định hình dạng xốp. Trong số các tác nhân gây ăn mòn loại này thí axit là tác nhân phá hoại mạnh nhất, tiếp theo là muối axit và các hợp chất có khả năng tương tác với các sản phẩm thủy hóa của ximăng có tính hoạt động hóa hoc mạnh. Ăn mòn do axit cacbonic được biểu thị bằng tương tác của CO 2 trong nước với Ca(OH)2.
Ban đầu đá vôi CaCO3 được sinh ra, bám ở mặt ngoài bêtông, tạm thời làm là tăng độ bền của bêtông. Tuy nhiên, đá vôi lại tương tác tiếp với khí cácbonic và nước để tạo thành Ca(HCO3)2, là chất có độ hòa tan mạnh. Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình ăn mòn bêtông do axit cácbonic như sau: CO2 + Ca(OH)2 CaCO 3 + H 2O (2.1) CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO 3)2 (2.2) Ăn mòn do các axit khác như HCl, H2SO 4, HNO3 và các axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic cũng diễn ra tương tự. Các phản ứng hóa học hòa tan Ca(OH)2 như sau: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O (2.3) Ca(OH)2 + H2SO 4 = CaSO 4 + 2H2O (2.5) CaCl2, Ca(NO3)2 là các muối có độ hòa tan mạnh.
Còn CaSO4 sẽ tác dụng với 3CaO.6H2O để sinh ettringit gây trương nở thể tích đá ximăng và làm phá vỡ cấu trúc của đá ximăng. Ăn mòn do các hợp chất chứa magiê như MgSO4 và MgCl2 phản ứng với Ca(OH)2 như sau: MgSO 4 + Ca(OH)2 + 2H 2O = CaSO 4.7) Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 26 -- Trong đó, muối CaCl2 có độ hòa tan mạnh còn CaSO 4 tạo thành Ettringit như đã nêu ở trên. Chất kiềm Mg(OH)2 là chất rời rạc, không có tính dính kết, làm suy giảm cấu trúc bêtông. Nhiều quan sát đã chỉ ra rằng: khi ăn mòn magiê trên bề mặt bêtông, lớp phấn trắng bắt đầu được tạo thành, để tích lũy chất vô định hình trong các khoảng trống, trong các lỗ và trong các vết nứt của bêtông.
Đôi khi nước không chuyển động và nồng độ MgCl2 nhỏ, dẫn đến làm chắc đặc kết cấu lớp bề mặt bêtông. Song, với sự chuyển động của nước, đặc biệt với sự có mặt của NaCl trong nước (nước biển) khi độ tan của Ca(OH)2 và Mg(OH)2 tăng lên vài lần, thì lớp như vậy không được tạo thành, sự ăn mòn diễn ra liên tục khi đó xâm chiếm liên tiếp các lớp mới của bêtông. Ăn mòn magiê đáng kể khi nồng độ MgCl2 lớn hơn 2%. Ăn mòn bêtông do sự trương nở của đá ximăng Là sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối ở bên trong kết cấu đá ximăng gây ra, do sự tương tác của các sản thủy hóa ximăng với các hợp chất của môi trường hoặc xâm thực từ bên ngoài, làm tăng thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu đá ximăng và mở đường cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên trong bêtông và nhanh chóng phá hoại bêtông.
Phổ biến là sự tương tác của nước Sunfat (thường có trong nước ngầm, nước thải công nghiệp (sản suất phân bón, mạ, than cốc …) và có nhiều trong nước biển ở dạng SO42- gây phá hủy kết cấu do tạo thành các tinh thể thạch cao và đăc biệt là Canxi hydrosunfoaluminat. Ăn mòn dạng này là sự ăn mòn nguy hiểm nhất. Ở giai đoạn đầu tiên, những tinh thể tạo thành và phát triển, chất đầy các lỗ, các mao quản của đá ximăng, làm chắc đặc bêtông, làm tăng độ bền của nó. Nhưng sau đó, các tinh thể phát triển, làm tăng kích thước, bắt đầu đè nén lên thành lỗ mao quản, gây ra lực căng trong mối liên kết cấu trúc ximăng.
Vì những liên kết Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 27 -- này chính là các ái lực tinh thể, các ái lực này có khả năng biến dạng nhỏ, không phá hủy nhưng đứt đoạn riêng xuất hiện liên hợp tạo thành các vết nứt. Những vết nứt xuyên qua các khối bêtông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bêtông. Nước Sunfat là nguy hiểm nhất cho sự ăn mòn dạng này. Vì thế, người ta thường gọi ăn mòn dạng này là ăn mòn sunfat.
Muối sunfat thường gặp trong đa số các loại nước tự nhiên. Quá trình ăn mòn diễn ra như sau: Đầu tiên là sự tương tác của các muối sunfat MgSO4, Na2SO4 với hydroxyt canxi Ca(OH)2 theo phương trình: MgSO 4 + Ca(OH)2 + H2O = CaSO4.8) Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O = CaSO4.9) Sản phẩm CaSO4.2H2O được hình thành, tăng thể tích gấp 2,34 lần so với thể tích của Ca(OH)2. Tuy nhiên CaSO4.2H2O lại tiếp tục tương tác với 3CaO.6H2O để tạo thành 3CaO.31H2O ettringit nở thể tích lên 4,8 lần theo phản ứng sau: 3CaO.10) Sản phẩm ettringit nở thể tích nhiều lần sẽ phá vỡ cấu trúc đá ximăng và bêtông, làm xuất hiện các vết nứt tạo điều kiện cho nước và không khí đi vào trong bêtông gây ăn mòn cốt thép bên trong.2 - Vữa ximăng bị dãn nở tạo ra một khe hở được tạo ra giữa cốt liệu và vữa ximăng làm phá hỏng cấu trúc bêtông Học viên: Phạm Trung Nguyên – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 LUAÄN VAÊN THAÏC SYÕ KYÕ THUAÄT -- Trang 28 -- Mg(OH)2 là hợp chất rời rạc không keo kết cũng làm suy yếu cấu trúc của đá ximăng và bêtông. NaOH là chất hòa tan mạnh trong nước.