Báo cáo nghiên cứu khoa học: "GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN CLORUA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG Ở MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM BẰNG CHẤT ỨC CHẾ CANXINITRIT"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Halinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đặt vấn đề Trong môi trường biển Việt Nam, do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm chứa hàm lượng ion Clcao nên kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống, vùng khí quyển biển và ven biển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN CLORUA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG Ở MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM BẰNG CHẤT ỨC CHẾ CANXINITRIT"

GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN CLORUA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG Ở MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM BẰNG CHẤT ỨC CHẾ CANXINITRIT TS. PHẠM VĂN KHOAN TS. NGUYỄN NAM THẮNG Viện KHCN Xây dựng 1. Đặt vấn đề Trong môi trư ờng biển Việt Nam, do đặc thù đi ều ki ện khí hậu nóng ẩm chứa hàm lư ợng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông c ốt thép (BTCT) thư ờng bị ăn m òn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm tr ọng là vùng nư ớc lên xu ống, v ùng khí quyển biển và ven bi ển. Kết quả khảo sát thực tế cho thấy các công trình BTCT sau m ột thời gian sử dụng đều có dấu hiệu gỉ cốt thép ở mức độ khác nhau không đảm bảo tuổi thọ công tr ình [1, 2]. Vì vậy cần thiết phải làm rõ thực trạng và tìm các giải pháp bảo vệ ch ống ăn m òn clorua cho kết cấu BTCT ph ù h ợp điều kiện đặc th ù Vi ệt Nam. 2. Thực trạng ăn mòn clorua cốt thép trong bê tông trong môi trường biển Việt Nam Các s ố liệu khảo sát cho thấy một đặc điểm chung về ăn m òn clorua kết cấu BTCT ở v ùng biển nư ớc ta thư ờng chỉ xảy ra ở v ùng nư ớc thuỷ triều lên xuống và sóng đánh, khí quyển trên biển và vùng khí quy ển ven biển. Mức độ ăn m òn nhanh và mạnh nhất là vùng sóng táp cách m ặt n ư ớc biển khoảng 0,8  1,5 m. C ó thể khái quát hoá t hực trạng ăn m òn B TCT trong vùng biển Việt Nam như sau: Ăn m òn BTCT là hi ện tư ợng phổ biến và là nguyên nh ân ch ủ yếu gây phá huỷ kết cấu BTCT và làm gi ảm đáng kể tuổi thọ các công tr ình xây dựng ở v ùng biển. Tình trạng ăn m òn và hư hỏng các công tr ình BTCT là nghiêm tr ọng và đ ã t ới mức báo động. Tốc độ ăn m òn làm hư h ỏng công trình diễn ra khá nhanh. Hiện nay bên c ạnh một số công tr ình có tu ổi thọ trên 30  40 năm, có nhi ều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng chỉ sau 20  25 năm s ử dụng, th ậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10  15 năm sử dụng. T hiệt hại do ăn mòn gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa khắc phục hậu quả ăn m òn có thể chiếm tới 30  7 0% m ức đầu tư xây d ựng công tr ình. Dự báo trong giai đoạn tới, nhu cầu đầu tư xây m ới và sửa chữa công tr ình ở vùng bi ển sẽ rất lớn. Vì vậy, cần kịp thời triển khai công tác phổ biến các giải pháp kỹ thuật chống ăn m òn nhằm đảm bảo chất lư ợng và tuổi thọ lâu dài cho công trình. 3. Các giải pháp chống ăn mòn clorua cho BTCT trong môi trường biển Việt Nam Trong tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 “Kết cấu bê tông và bê tông c ốt thép - Yêu c ầu bảo vệ ch ống ăn mòn trong môi tr ư ờng biển” đ ã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật về: thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống ăn m òn cho kết cấu bê tông và bê tông c ốt thép [6]. 3.1. Về yêu c ầu thiết kế Tiêu chu ẩn đ ã đưa ra bảng 1, q uy định các yêu cầu tối thiểu về thiết kế áp dụng cho các công tr ình có tu ổi thọ tới 50 năm. Bảng 1. Các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển [6] Kết cấu làm việc trong vùng Khí quyển Yêu cầu Nước STT Ngập Trên bờ, Gần bờ, thiết kế lên (4) nước Trên mặt nước 01 km cách 130 km cách xuống mép nước mép nư ớc (1) 1 Mác bê tông , MPa 30 40 40 50 30 40 50 25 30 40 25 30 40 Độ chống thấm nước, 2 8 10 10 12 8 10 12 6 8 10 6 8 10 at (2)
Chi ều dày l ớp bê tông bảo vệ cốt thép, mm (3) - Kết cấu ngoài trời 50 40 30 40 30 25 3 - Kết cấu trong nhà 40 30 25 30 25 20 - Nước biển 50 40 70 60 60 50 40 - Nước lợ cửa sông 40 30 60 50 50 40 30 Bề rộng khe nứt giới (5) hạn, mm 4 - Kết cấu ngoài trời  0,1  0,05  0,1   0,1 0,1 - Kết cấu trong nhà  0,1  0,15  0,15 - - - Bề mặt kết cấu phẳng, không gây đọng nước, không gây tích tụ ẩm và bụi, Cấu tạo kiến trúc - Hạn chế sử dụng kết cấu BTCT dạng thanh mảnh (chớp, lan can chăn 5 nắng), - Có khả năng tiếp cận tới mọi vị trí để kiểm tra, sửa chữa. C hú thích: - Đ ối với kết cấu bê tông không có c ốt thép ở v ùng khí quyển biển không bắt buộc thực hiện y êu cầu về mác bê tông theo bảng 1; - Đ ối với kết cấu bê tông không có c ốt thép ở v ùng khí quyển biển không bắt buộc thực hiện y êu cầu về độ chống thấm nư ớc theo bảng 1; - C hiều dày l ớp bê tông bảo vệ cốt thép đư ợc tính bằng khoảng cách gần nhất từ mặt ngo ài kết cấu t ới mặt ngoài c ốt thép đai; - Kết cấu tr ong đất ở v ùng ngập n ư ớc và vùng nư ớc lên xuống đư ợc bảo vệ tương tự như kết cấu trong vùng ng ập nư ớc; - B ề rộng khe nứt giới hạn cho trong bảng ứng với tác dụng của to àn b ộ tải trọng, kể cả d ài hạn và ng ắn hạn. Đối với kết cấu bê tông c ốt thép ứng suất trư ớc không cho phép xuất hiện vết nứt. Tiêu chu ẩn TCXDVN 327 : 2004 cũng đ ã khuyến cáo áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ nh ư sau: - Tăng mác bê tông thêm 10 MPa và đ ộ chống thấm thêm m ột cấp hoặc tăng chiều dày l ớp bê tông (BT) bảo vệ thêm 20 mm; - Tăng cư ờng bảo vệ mặt ngo ài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng bê tông kết cấu dày t ối thiểu 15mm; - T ăng cư ờng thêm l ớp s ơn chống ăn m òn phủ mặt cốt thép tr ư ớc khi đổ bê tông; - Q uét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn m òn c ốt thép hoặc bảo vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp bảo vệ catốt. 3.2. Về yêu c ầu vật liệu - Xi măng: có th ể sử dụng các loại với yêu c ầu l à C 3A trong clinke ≤ 10%. - Cát: c ần khống chế lư ợng Cl - hoà tan ≤ 0,05% khối lư ợng cát cho b ê tông thư ờng, thử theo TCXDVN 262 : 2001. - Đá: cần khống chế lư ợng Cl- hoà tan ≤ 0,01% khối l ư ợng cốt liệu lớn, thử theo TCXDVN 262:2001. - Nư ớc trộn bê tông: c ần khống chế hàm lư ợng Cl- ≤ 5 00mg/l cho bê tông c ốt thép thư ờng. - P h ụ gia: tuỳ từng tr ư ờng hợp cụ thể m à c hỉ định sử dụng loại phụ gia ph ù h ợp. 3.3. Về yêu c ầu thi công C ông tác thi công các kết cấu BTCT trong môi tr ư ờng biển đ ư ợc thực hiện theo TCVN 4453 : 1995 và các quy phạm chuyên ngành khác. Trong quá trình thi công ngoài các yêu c ầu trên cần phải tuân t h ủ một số yêu cầu kỹ thuật bổ sung đư ợc quy định r õ trong TCXDVN 327 : 2004 [6] g ồm: - Bảo quản và lắp dựng cốt thép, lắp dựng ván khuôn; - T hi công bê tông; - Khắc phục các khiếm khuyết trong quá trình thi công. 4. Giải pháp sử dụng canxi nitrít (CN) làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong bê tông
Trong s ố các biện pháp bảo vệ hỗ trợ, việc sử dụng chất ức chế đư ợc xem l à một biện pháp hiệu qu ả, dễ áp dụng và phù hợp với điều kiện kỹ thuật và kinh tế của Việt Nam. Canxinitrít (CN) đ ã đư ợc ứ ng dụng làm p hụ gia ức chế ăn m òn c ốt thép phổ biến tr ên thế giới khoảng 30 năm trở lại đây, nh ưng ở Việt Nam gần như CN chưa đư ợc ứng dụng cho tới năm 2002, nguy ên nhân do chưa nghiên c ứu ứ ng dụng CN một cách đầy đủ trong điều kiện Việt Nam để có c ơ s ở vững chắc cho vi ệc ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Trong những năm gần đây Viện KHCN Xây dựng tiếp tục đi sâu nghi ên cứu vấn đề n ày và bư ớc đầu cho thấy việc ứng dụng CN l àm ph ụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong bê tông là m ột giải pháp đem lại hiệu quả cao, d ư ới đây tổng hợp một số kết quả nghiên cứu và ứ ng dụng CN trong thực tiễn. 4.1. Xem xét cơ chế ức chế ăn mòn cốt thép của CN C ơ chế ngăn ngừa ăn m òn c ốt thép của CN đã đư ợc lý giải khá r õ ràng, theo đ ó CN bảo vệ ăn m òn theo 4 phương pháp sau [3, 4, 5]: a. CN oxi hoá s ắt (II) oxít kém bền thành sắt (III) oxít theo phản ứng sau: 2Fe2+ + 2NO2- + 2 OH- F e2O3 + H2 O + 2NO - b. Ion nitrite sẽ củng cố lớp m àng thụ động sắt (III) oxit bằng cách hấp phụ l ên bề mặt thép và làm vững chắc thêm l ớp m àng thụ động n ày; c. Ion nitrite còn phủ to àn bộ xung quanh các vị trí bị khuyết tật sắt (II) oxit, l àm gi ảm tối đa khả năng thâm nhập của ion clorua qua lớp m àng bảo vệ; d. Nếu ion Cl- tìm đư ợc một vị trí khuyết tật tr ên b ề mặt cốt thép, ăn m òn bắt đầu xảy ra. Khi đó hợp chất clorua sắt (gỉ) sẽ tách khỏi bề mặt thép, các ion sắt (II) mới sẽ tiếp tục bị lộ ra trong mô i trư ờng bê tông. Ion NO2- có thể nhanh chóng bao bọc quanh các ion sắt (II) mới bảo vệ chúng khỏi bị sự xâm nhập của ion Cl- . 4.2. Kết quả nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn cốt thép của CN trong phòng thí nghiệm Bên c ạnh những vấn đề đã đư ợc nghiên cứu khá rõ ràng trư ớc đây như: cơ ch ế ức chế, ảnh hư ởng của CN đến cấu trúc hồ xi măng [3, 4, 5] các kết quả nghi ên cứu đã làm rõ nh ững vấn đề sử dụng CN tro ng đi ều kiện thực tế của Việt nam đó là: - C N về c ơ bản không có ảnh h ư ởng xấu tới tính chất c ơ l ý của hỗn hợp BT v à BT. - Xác định đư ợc CN có tác dụng ức chế hoàn toàn quá trình bị gỉ cốt thép hoặc l ùi th ời điểm gỉ so với trư ờng hợp không có nó và hàm lư ợng hiệu quả của CN áp dụng trong bê tông đáp ứ ng tỷ lệ [Cl-] /[NO2-] ≤ 2,0. Kết quả này cho phép tính toán đư ợc hàm lư ợng CN cần thiết phải đưa vào từ đầu để phù h ợp với tính chất xâm thực của ion Cl-, tuổi thọ thiết kế và lư ợng NO2- dự kiến bị suy giả m trong quá trình sử dụng. - Hàm lư ợng NO2- trong bê tông bị suy giảm theo thời gian. Mức suy giảm này t ỷ lệ nghịch với m ác bê tông và chi ều dày lớp bảo vệ. Lư ợng NO2- tối thiểu để ức chế ăn m òn, cần tính tăng thêm một lư ợng để b ù vào lư ợng NO2- sẽ bị rửa trôi theo th ời gian. - X ác định CN có thể ức chế ăn m òn c ốt thép ngay tại khe nứt bê tông và với các chiều rộng khe nứt cụ thể, xác định đư ợc tỷ số chiều rộng khe nứt/ chiều dày l ớp bảo vệ có CN để cốt thép không bị gỉ lớn gấp 1,6 lần tỷ số này trong bê tông không có CN. - Xác định CN hạn chế khả năng ăn m òn cốt thép ở vị trí tiếp giáp giữa bê tông mới v à cũ khi sửa chữa bê tông c ốt thép bị ăn m òn. 4.3. Ứng dụng canxi nitrít làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong thực tế Từ những kết quả nghiên cứu thu đư ợc, Viện KHCN Xây dựng đã tri ển khai ứng dụng tại công trình xây mới cầu tầu 20.000T cảng Nha Trang – K hánh Hoà đư ợc 800,8m3 bê tông ch ống ăn m òn M 40 cho kết cấu dầm, bản sàn cầu tầu v ùng khí quyển trên mặt nư ớc biển và công trình nâng c ấp cảng Cửa Cấ m - Hải Ph òng 845m3 b ê tông chống ăn m òn M30 cho toàn bộ phần dầm dọc, dầm ngang và b ản s àn cầu t àu nằm trong vùng khí quy ển trên m ặt nư ớc. Quy trình thi công ứ ng dụng b ê tông ch ống ăn mòn nh ư sau: - Kiểm tra v ật liệu, chỉ tiêu k ỹ thuật về tính công tác v à cư ờng độ b ê tông chống ăn m òn t ối thiểu ph ải đạt yêu c ầu kỹ thuật của bê tông thư ờng theo chỉ định của thiết kế. - Chế tạo bê tông ch ống ăn m òn trên dây truyền sản xuất bê tông thư ờng tại hiện tr ư ờng có sử dụng CN. - T hi công bê tông chống ăn m òn: tươ ng tự như k ỹ thuật thi công bê tông thư ờng, trong đó chú trọng việc đảm bảo chiều dày và đ ộ đặc chắc của lớp bê tông bảo vệ và xử lý khuyết tật rỗng, rỗ ngay sau thi công xong. - Lắp đặt đầu đo ăn m òn trong phần b ê tông ứng dụng để theo dõi dài ngày hiệu q uả chống ăn m òn và bảo vệ công tr ình: M ỗi cấu kiện lắp 2 đầu đo gắn chặt vào c ốt thép chịu lực, tiến h ành kiểm tra
cư ờng độ bê tông và đo điện thế ăn m òn c ốt thép tại thời điểm đầu khi b ê tông đư ợc 28 ngày tu ổi và theo định kỳ 1 - 2năm /l ần, tới 40 - 50 năm. Kết quả kiểm tra 2 công tr ình sau 2 n ăm ứ ng dụng cho thấy: cư ờng độ bê tông theo TCXDVN 239:2006 phù h ợp mác thiết kế. Điện thế ăn m òn c ốt thép dao động từ - 50mV đến - 150mV, theo tiêu chuẩn TCXDVN 294: 2003, trong phạm vi điện thế tr ên cốt thép chưa bị ăn m òn. Nh ư vậy bư ớc đầu cho thấy việc ứng dụng CN làm phụ gia ức chế ăn m òn cho bê tông đạt kết quả tốt. 5. Kết luận - Ă n m òn clorua c ốt thép trong kết cấu BTCT là d ạng ăn m òn nguy hi ểm v à phổ biến đối với công trình BTCT vùng biển nư ớc ta; - Các giải pháp chống ăn m òn cho kết cấu BTCT trong môi tr ư ờng biển đã bư ớc đầu đư ợc cụ thể hoá trong TCXDVN 327:2004; - Trên cơ sở tổng kết ứng dụng thực tiễn cho thấy sử dụng CN l àm ph ụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong bê tông là m ột trong số những giải pháp đơn giản, hiệu quả và có tính thực tiễn cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. CAO DUY TIẾN, PHẠM VĂN KHOAN, LÊ QUANG HÙNG và CTV. Báo cáo t ổng kết dự án KT- KT Chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và bê tông cốt thép vùng biển. Vi ện KHCN Xây dựng, 11/2003. 2. NGUYỄN NAM THẮNG. Nghiên c ứu ứng dụng canxi nitrít làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép cho bê tông c ốt thép trong điều kiện Việt Nam. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Viện KHCN Xây dựng, Hà Nội, 2007. 3. BERKE N. S., PFEIFER D., DONAL W. and THOMAS G. W. Protection Against Chloride – Induced Corrosion. C oncrete International, December, pp 45 - 55, 1998. 4. ROBERGE P. R., Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill, pp 1129, 2000. 5. LIN LUO. Influence of Corrosion Inhibitors on Concrete Properties: Microstructure, Transport Properties and Rebar Corrosion. Ghent University, Belgium, pp 234, 2006. 6. TCXDVN 327: 2004 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển.