Ăn mòn cốt thép trong bê tông và các giải pháp hạn chế sự ăn mòn

ả năng chống ăn mòn. Vì vậy, việc hiểu biết về các quá trình ăn mòn và cách hạn chế sự ăn mòn vật liệu kim loại khi sử dụng trong môi trường có tác động ăn mòn là hết sức cần thiết. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu về ăn mòn cốt thép trong bê tông, giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn. Từ khóa: cốt thép, ăn mòn, bê tông. 1. Khái quát chung sự ăn mòn vật liệu kim loại Ăn mòn là sự phá hủy vật liệu kim loại gây nên bởi các chất ở môi trường xung quanh. Nghiên cứu về sự ăn mòn gồm 3 mục tiêu cơ bản: - Mục tiêu kinh tế: nhằm giảm thiểu lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn. - Nâng cao độ tin cậy của các thiết bị. - Bảo tồn tài nguyên vật liệu. Các quá trình ăn mòn cơ bản: ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hoá, ăn mòn sinh học. Ăn mòn hóa học: Do tác dụng trực tiếp của các chất khí khô hoạt tính có ở môi trường là những chất oxy hóa như O2, Cl2,... Đây là phản ứng oxi hóa trên bề mặt kim loại và tạo ra các hợp chất hóa học, làm phá hủy bề mặt mà không cần dung dịch điện li. Sự ăn mòn này xảy ra ở nhiệt độ cao hơn mức bình thường. Cơ chế sự ăn mòn hóa học là chất oxy hóa tác dụng với bề mặt sạch kim loại theo 3 giai đoạn: hấp thụ chất oxy hóa; tạo mầm oxyt, clorua,...; khuếch tán ion, phát triển màng oxyt, clorua,...dày đặc. Ăn mòn điện hoá: Là sự ăn mòn trong môi trường điện li, trong đó sự oxi hóa của nguyên tử kim loại và sự khử của chất oxi hóa không phải xảy ra chỉ trong một phản ứng trực tiếp. Sự ăn mòn điện hoá có thể tạo thành các sản phẩm không tan, như gỉ sắt, hoặc chuyển kim loại vào dung dịch dưới dạng ion. Đây là dạng ăn mòn chủ yếu của kim loại. Nó bao gồm 3 quá trình cơ bản: quá trình anot; quá trình catot; quá trình dẫn điện. Nguyên nhân của sự ăn mòn điện hoá là do kim loại không nguyên chất. Những kim loại này ở trong không khí ẩm hay trong môi trường nước có hoà tan chất điện li sẽ tạo thành những pin điện hoá. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn điện hóa: + Kim loại tạp chất càng khác thì tốc độ ăn mòn càng lớn. + Không khí càng ẩm cường độ ăn mòn càng tăng. + Nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn cũng tăng. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 44 + Ðộ xốp của lớp sản phẩm càng lớn thì kim loại càng bị ăn mòn nhanh. Sự ăn mòn sinh học: Xảy ra ở những nơi vật liệu kim loại tiếp xúc với vật liệu không phải là kim loại, nhưng là môi trường dinh dưỡng cho các loài nấm và vi sinh. Trong quá trình sống, các vi sinh bài tiết ra những axít hữu cơ tạo điều kiện cho sự ăn mòn hoặc phá hủy lớp bảo vệ. 2. Ăn mòn cốt thép trong bê tông Sự ăn mòn bê tông cốt thép rất đa dạng và diễn ra phức tạp với mức đô khác nhau. Khi nghiên cứu sự ăn mòn bê tông bởi các tác nhân do sự vận động của môi trường sinh ra một cách đầy đủ cần phải tính đến ăn mòn chính và phụ đồng thời diễn ra. Có nhiều tác nhân gây nên sự ăn mòn, dưới đây trình bày một số tác nhân chính gây nên sự ăn mòn cốt thép trong bê tông ở môi trường ven biển. 2.1. Ăn mòn cốt thép do ion Cl- Bê tông trong các môi trường sử dụng, đặc biệt là môi trường nước biển, nước lợ và nước ngầm, môi trường thường ngập nước hoặc độ ẩm cao sẽ xảy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép. Cốt thép trong bê tông bị ăn mòn chủ yếu là ăn mòn điện hóa. Trong môi trường nước mặn xảy ra sự ăn mòn cốt thép còn do tác dụng xâm thực của các ion Cl- ngấm vào bê tông là nguyên nhân chủ yếu phá hủy màng “thụ động” cốt thép, và đặc biệt khả năng ăn mòn càng tăng khi hàm lượng Cl- vượt quá 0,6kg/m3 bê tông. Khi đó Cl- làm giảm điện trở của dung dịch điện li trong bê tông. Sơ đồ cơ chế quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông có mặt ion Cl- được trình bày ở hình 1. Đặt trưng ăn mòn của thép khi có Cl- là tạo ra các “lỗ” trên bề mặt kim loại (kích cỡ micro), làm tỉ lệ diện tích catôt /anôt lớn nên mật độ dòng ăn mòn cục bộ rất cao. Chỉ có ion clo ở dạng tự do mới gây ra ăn mòn cốt thép và sự khuếch tán của chúng trong cấu trúc xốp của bê tông cốt thép mạnh mẽ hơn. Hình 1. Sơ đồ cơ chế quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông có mặt ion Cl- Tốc độ thấm ion Cl- trong bê tông phụ thuộc vào bản chất xi măng, các chất phụ gia khoáng và chất lượng bê tông (đặc trưng bởi độ bền chống thấm). Khả năng thấm của ion Cl- tỷ lệ với hàm lượng khoáng C3A có trong xi măng. Về nguyên tắc, các phụ gia khoáng tro bay, tro xỉ hoặc muội silic đưa vào xi măng Cl- sẽ làm giảm tỷ lệ thành phần C3A nên giảm khả năng cố định ion clo. Sự khô và ẩm liên tiếp của môi trường là một trong những điều kiện khắc nghiệt nhất kích thích sự ăn mòn. 2.2. Ăn mòn cốt thép do CO2 Sự ăn mòn cốt thép cũng chịu tác động của hiện tượng cacbonat hóa bê tông. Độ bền lâu của công trình bê tông cốt thép được bảo đảm nhờ lớp bê tông Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 45 bảo vệ, nên cốt thép không bị ăn mòn, khi đó nước chiết bê tông có môi trường kiềm cao (pH ≥ 13) là điều kiện thuận lợi hình thành trên bề mặt cốt thép một lớp oxýt mỏng “thụ động”, ngăn cản quá trình gỉ thép (ăn mòn). Hiện tượng ăn mòn chỉ xảy ra khi lớp màng “thụ động” bị xuyên thủng (lớp bê tông bảo vệ bị rỗng) là khi có sự giảm độ kiềm của môi trường trong lớp bê tông bảo vệ đến ngưỡng thụ động của sắt. Sự giảm pH được xảy ra là do quá trình rửa trôi kiềm, quá trình hòa tan các oxit và silicat (thành phần trong cát) hoặc quá trình cacbonat hóa bê tông. Nếu trong nước có hàm lượng CO2 cao thì CaCO3 (không tan) lại biến thành Ca(HCO3)2 (tan), ngoài ra do có sự khuếch tán của nước vôi trong từ trong ra ngoài của lớp bê tông sẽ làm cho bê tông phá hoại nhanh hơn. Tuy nhiên, cường độ phá hoại của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hàm lượng CO2, lực ion dung dịch, loại xi măng, thời gian bảo dưỡng bê tông, diện tích bề mặt tiếp xúc của đá xi măng với tác nhân gây ăn mòn,Như vậy, các sản phẩm của quá trình cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc xốp của bê tông và làm giảm độ chống thấm, dẫn đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông. 2.3. Ăn mòn cốt thép do quá trình điện hóa Một hình thức ăn mòn cốt thép trong bê tông thường diễn ra ở các dạng ăn mòn điện hóa. Ở dạng ăn mòn này các nguyên tử sắt trong cốt thép tách khỏi mạng lưới tinh thể và trở thành ion mạnh điện trong dung dịch dưới tác dụng của ion OH- do các chất oxy hóa trong môi trường tạo ra để hình thành các sản phẩm gỉ khác nhau dưới dạng công thức chung: xFeO.yFe2O3.zH2O; Fe3O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3.3H2O. Các sản phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích lớp gấp 4 - 6 lần so với các thành phần ban đầu, chính vì vậy đã gây nội ứng suất phá hoại cấu trúc bê tông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho các hạt nhân xâm thực dễ dàng xâm nhập vào bên trong, tăng nhanh quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép. Quá trình gỉ thép chỉ có thể xảy ra nếu như bê tông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất định vì lúc này đã có sự phân cực tách biệt giữa catôt và anôt. Hình 2. Quá trình gỉ thép Như vậy, khả năng chống thấm của lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò rất quan trọng đối với quá trình gỉ của cốt thép. Bê tông không đủ độ chặt, lớp bảo vệ không đủ chiều dày cần thiết thì hiện tượng gỉ càng mạnh. Ở môi trường khô ráo, do bê tông không đủ khả năng dẫn điện nên cốt thép ít bị gỉ, còn trong môi trường ngấm nước hoàn toàn thì bê tông có thể dẫn điện, nhưng nước lại ngăn cản sự thấm nhập của oxy qua bê tông nên cốt thép cũng ít bị gỉ. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 46 3. Các giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn Có nhiều phương pháp được đề xuất bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn cho cốt thép trong bê tông, dưới đây là một số giải pháp thông dụng thường được sử dụng như: - Dùng thép không gỉ đắt và hiếm do đó việc dùng thép này sẽ làm tăng đáng kế giá thành xây dựng công trình (hợp kim Fe – Cr nâng cao khả năng chống oxi hóa của thép; nếu thêm Cu, Cr hoặc Ni thì nâng cao tính chịu ăn mòn trong khí quyển). - Mạ cốt thép có tác dụng chống ăn mòn bằng kẽm, vì kẽm có tác dụng bảo vệ cốt thép. Bản chất của quá trình mạ kẽm là lúc này hình thành pin Zn – Fe, lúc này kẽm là điện cực âm nên bị ăn mòn điện hóa trước khi có mặt chất điện li. Tuy nhiên, ion Cl- có tác dụng ăn mòn kẽm nhỏ hơn đối với sắt nên chúng bảo vệ được bề mặt cốt thép và làm tăng tuổi thọ công trình. - Quét sơn trên thép là một biện pháp bảo vệ cốt thép bằng phương pháp thấm kim loại (phủ khuếch tán). Sử dụng các loại sơn chống gỉ có nguồn gốc từ epoxy, xi măng và xi măng polime. Yêu cầu sơn chống gỉ phải có khả năng liên kết về mặt hóa học với thép, dính bám tốt với bê tông và cốt thép. Một số ví dụ điển hình: + Tráng men silicat: Men yêu cầu có hệ số giãn nở bằng với thép. Thường sử dụng men thủy tinh, men sứ, lớp phủ thủy tinh,... lớp men này được nung chảy trên bề mặt kim loại. Phủ men chủ yếu dùng cho thép, nhưng cũng có khi sử dụng cho gang, đồng, hợp kim đồng, nhôm,... + Phủ xi măng: Lớp phủ xi măng có giá thành thấp và hệ số giãn nở nhiệt gần bằng thép. Lớp phủ rất có hiệu quả với các vật liệu bằng gang hoặc thép đặt trong đất, nước. + Phủ phản ứng: lớp phủ được hình thành nhờ các phản ứng hóa học trực tiếp xảy ra trên bề mặt kim loại. - Ức chế ăn mòn cốt thép. Vấn đề ức chế ăn mòn cốt thép bằng các chất ức chế ăn mòn đã được sử dụng từ lâu. Theo định nghĩa ISO 8044, chất ức chế ăn mòn là hợp chất hóa học làm giảm độ ăn mòn của cốt thép. Việc pha chất ức chế vào bê tông được coi là một biện pháp bảo vệ cốt thép chống ăn mòn. Chất ức chế ăn mòn cốt thép DCI do hãng Grace của Mỹ sản xuất có chứa NaNO2, nó tương tác với cốt thép trong bê tông để bảo vệ chống ăn mòn của muối. Bằng phản ứng hóa học với sắt nó tạo ra rào cản trên bề mặt cốt thép, ngăn ngừa sự thấm của ion clo, mặt khác nó cải thiện được các tính chất của bê tông và có tác dụng làm tăng nhanh sự đông cứng bê tông như một phụ gia rắn nhanh theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C494. - Phương pháp bảo vệ catôt là một biện pháp hiệu quả được dùng để chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông trong thời gian gần đây. Bảo vệ catôt cho công trình bê tông cốt thép là duy trì màng thụ động hoặc thụ động lại cốt thép khi màn “thụ động” đã bị phá vỡ khi độ pH < 11 hoặc hàm lượng ion trên bề mặt cốt thép khoảng 0,2 – 0,4% tính theo khối lượng xi măng. Ngoài ra dòng điện bảo vệ catôt còn làm cho ion clo đi ra xa khỏi bề mặt cốt thép và vì vậy giảm tác động Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 47 phá hoại màn “thụ động” của ion clo. Phương pháp bảo vệ catôt được áp dụng cho công trình bê tông cốt thép ở trong nước, trong đất và cả trong không khí. Phương pháp bảo vệ catôt bằng dòng ngoài được dùng nhiều hơn đối với các công trình trong không khí, còn phương pháp bảo vệ catôt bằng anôt hy sinh được dùng cho các kết cấu nằm trong nước. Trong phương pháp dòng ngoài mật độ dòng được dùng để phân cực catôt cốt thép (làm dịch chuyển điện thế của cốt thép về phía âm) từ 3 đến 15 mA/m2. Anôt hy sinh có thể là hợp kim nhôm hoặc hợp kim kẽm. Các phương pháp nêu trên được nghiên cứu và áp dụng phổ biến. Chúng có tác dụng chống ăn mòn ở hầu hết các kim loại, đối với bê tông và chống ăn mòn thép trong kết cấu bê tông cốt thép ở các môi trường khí, lỏng và rắn ở điều kiện ẩm ướt hoặc môi trường không khí ẩm. Tuy nhiên, mỗi biện pháp chỉ đem lại hiệu quả cho một số loại hình cụ thể. 4. Kết luận Ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép đặc biệt đối với khu vực ven biển bằng nhiều tác nhân hiện hữu có trong môi trường đã gây ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ công trình nếu như chúng ta không có giải pháp phù hợp. Thực tế hiện nay chưa thể chế tạo được loại bê tông cốt thép có độ bền và đặc chắc một cách lý tưởng, để hoàn toàn ngăn cản sự tiếp xúc của cốt thép trước môi trường xâm thực. Tuy nhiên, với vật liệu và công nghệ hiện có, chúng ta có thể tạo được loại bê tông cốt thép có chất lượng cao, với đặc tính là kết cấu có độ bền cơ học lớn, vỏ bê tông có khả năng bảo vệ cốt thép, độ đặc chắc cao, chống thấm nước tốt, ít bị thấm khí O2, CO2, ion Cl-, SO42- và các tác nhân xâm thực khác, khi đó bê tông sẽ đủ khả năng bảo vệ cốt thép, đảm bảo độ bền kết cấu trong môi trường xâm thực. Hoặc ngăn chặn các phản ứng ăn mòn xảy ra khi các tác nhân xâm thực tiếp xúc với bề mặt cốt thép. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Phát. 2012. Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn Bê tông – Bê tông cốt thép. NXB Xây dựng Hà Nội. [2] Cao Duy Tiến. 1994. Hiện tượng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động khí hậu ven biển Việt Nam. Hội thảo quốc tế bê tông bền biển. [3] Lương Đức phẩm (chủ biên) và cộng sự. 2009. Cơ sở khoa học trong công nghệ bảo vệ môi trường, tập 1, 2, 3. NXB Giáo dục Việt Nam. [4] Trương Minh Trí. 2012. Hóa học đại cương. NXB Khoa học và Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.