Tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép và giải pháp chống ăn mòn cho công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam - Đồng Kim Hạnh

Nội dung text: Tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép và giải pháp chống ăn mòn cho công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam - Đồng Kim Hạnh

1. TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN CHO CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM TS. Đồng Kim Hạnh ThS. Dương Thị Thanh Hiền Bộ môn Công nghệ & QLXD, ĐHTL Tóm tắt: Ăn mòn cốt thép là nguyên nhân phổ biến làm hư hỏng kết cấu BTCT trong môi trường biển. Bài viết tóm tắt những nghiên cứu về nguyên nhân, thực trạng ăn mòn và phá huỷ BTCT dưới tác động của nước biển. Trên cơ sở những kết quả đó bài viết đề xuất một số biện pháp sửa chữa nhằm nâng cao độ bền cho công trình BTCT trong vùng biển Việt Nam. I. ĐẶT VẤN ĐỀ BTCT làm việc trong môi trường biển đáng để Trong môi trường xâm thực vùng biển, quan tâm. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn cấu bê tông và BTCT bị ăn mòn, hư hỏng đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và nặng hoặc bị phá huỷ chỉ sau từ 10-30 năm sử BTCT, làm bê tông bị hư hỏng sớm, không dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình đảm bảo tuổi thọ công trình. Độ bền thực tế làm việc đều tiếp xúc với môi trường không của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm khí và nước biển. Giữa vật liệu và môi trường thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả bê tông luôn thay đổi trạng thái cấu trúc. năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ Tác động xâm thực của môi trường biển tới gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công độ bền công trình bê tông và BTCT chủ yếu và biện pháp quản lý, sử dụng công trình ). do các quá trình sau: Quan điểm chung về chống ăn mòn cho kết - Quá trình cácbonát hoá làm giảm nồng độ cấu bê tông & BTCT là: bảo vệ bê tông, lấy pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng bê tông bảo vệ cốt thép. Vì vậy cần thiết phải thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy làm rõ thực trạng và tìm các giải pháp bảo vệ nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến phá chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép huỷ kết cấu. 2- phù hợp với điều kiện đặc thù Việt Nam. - Quá trình thấm ion SO4 vào bê tông, II. TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT tương tác với các sản phẩm thuỷ hoá của xi THÉP Ở VÙNG BIỂN VIỆT NAM măng tạo ra khoáng Ettringit trương nở thể Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 tích gây phá huỷ kết cấu (Ăn mòn sunfát) km từ 8037’ đến 21032’ Bắc. Sau năm 1960 số - Quá trình khuếch tán ôxy, ion Cl- và hơi ẩm vào lượng các công trình làm việc trong môi bê tông trong điều kiện nhiệt độ không khí cao trường biển tăng đáng kể. Theo kết quả khảo - Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước học do sóng, ăn mòn rửa trôi. như Viện KHCN xây dựng, viện KH vật liệu, Căn cứ theo tính chất xâm thực và mức độ tác viện KH thuỷ lợi, viện KHCN giao thông vận động của môi trường biển lên kết cấu bê tông và tải, trường ĐH bách khoa Đà Nẵng, thì tình BTCT có thể phân làm ba vùng như sau: trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông và - Vùng hoàn toàn ngập nước 44
2. - Vùng nước lên xuống và sóng đánh . Ven bờ: 0,25 - 1km - Vùng khí quyển trên biển và ven biển, . Gần bờ: 1- 20km gồm các tiểu vùng : Có thể phân loại mức độ xâm thực tại các . Sát mép nước: 0- 0,25km vùng như bảng 2.1 Bảng 2.1 Mức độ xâm thực tại các vùng Mức độ xâm thực của môi trường đối với kết cấu TT Môi trường Bê tông Bê tông cốt thép 1 Vùng khí quyển gần bờ - trung bình 2 Vùng ven bờ nhẹ mạnh 3 Vùng sát mép nước trung bình mạnh 4 Vùng nước lên xuống và sóng đánh mạnh rất mạnh 5 Vùng ngập nước biển mạnh mạnh 2.1 Vùng hoàn toàn ngập nước thực tương đương với các vùng biển khác Theo tài liệu “Ăn mòn khí quyển đối với trên thế giới. Riêng vùng gần bờ, do ảnh bê tông và BTCT vùng ven biển Việt Nam” hưởng của các sông chảy ra biển nên khác của Viện khí tượng thì nước biển Việt Nam chút ít. Kết quả phân tích như trong bảng 2.2 có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm [1,2] Bảng 2.2 Thành phần nước biển Việt Nam và thế giới Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển Vùng biển Biển Bắc Mỹ Biển Bantíc Hòn Gai Hải Phòng pH - 7,8 - 8,4 7,5 - 8,3 7,5 8,0 Cl- g/l 6,5 - 18,0 9,0 - 18,0 18,0 19,0 Na+ g/l - - 12,0 10,5 SO42- g/l 1,4 - 2,5 0,002 - 2,2 2,6 2,6 Mg2+ g/l 0,2 - 1,2 0,002 - 1,1 1,4 1,3 Các công trình bê tông và BTCT trong các các sản phẩm hydrát hóa bê tông tạo ra hợp 2- vùng biển này chịu tác động của nước biển chất khó hoà tan. Khi nồng độ SO4 lớn sẽ tạo với lượng muối hoà tan khá lớn, hàm lượng ra muối CaSO4.2H2O. Sản phẩm tạo ra có thể 2- SO4 vượt quá tiêu chuẩn. Hiện tượng ăn mòn tích gấp 2,86 lần gây ứng suất phá vỡ bê tông 2- hoá lý sẽ xảy ra, các ion SO4 sẽ phản ứng với [1]. Bảng 2.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam, % Tháng Trung bình Trạm Mùa đông Mùa hè năm XII I II VI VII VIII Cửa Ông 29,2 30,0 30,4 25,3 23,4 21,3 26,6 Hòn gai 30,8 31,5 31,6 31,2 30,8 29,3 30,9 Hòn Dấu 26,3 28,1 28,1 17,1 11,9 10,9 21,2 Văn Lý 25,9 18,3 29,5 25,4 20,1 19,0 24,4 Cửa Tùng 22,8 27,2 29,3 31,8 31,3 31,7 17,4 Sơn Trà 8,7 17,6 22,8 - 21,2 26,9 - Vũng tàu 30,4 33,1 34,7 29,8 29,8 27,6 30,1 Bạch long vĩ 32,7 33,3 33,6 33,5 32,6 32,0 33,0 Trường sa 32,9 33,1 33,0 33,4 33,0 32,8 33,1 45
3. H×nh 2.1 ¡n mßn bª t«ng cèng Vµm §ån - BÕn Tre H×nh 2.2 ¡n mßn bª t«ng cèng A1 - TP Hå ChÝ Minh 2.2 Vùng nước lên xuống và sóng đánh đục kiểm tra tại các vết nứt thấy cốt thép bị Cùng với quá trình ăn mòn hoá học, điện gỉ rất nặng, mặt cắt ngang cốt thép có thể hoá thì trên bề mặt các kết cấu bê tông và giảm từ 40% đến 60%, cốt thép đai nằm bên BTCT còn bị bào mòn cơ học do áp lực ngoài thường bị gỉ nặng hơn và đứt nhiều. sóng, đặc biệt là sóng có cường độ mạnh do Kiểm tra điện thế ăn mòn bằng máy đo điện gió bão gây ra. Trên bề mặt kết cấu, quá thế CANIN thì thấy: điện thế đạt -900 mV, trình khô ướt xảy ra thường xuyên làm tăng chứng tỏ cốt thép bị ăn mòn rất mạnh. Khi nhanh quá trình tích tụ ion Cl-, O2-. Nước sử dụng phương pháp điện cực so sánh biển cũng thâm nhập vào bê tông thông qua Ag/AgCl. Kết quả đo dạc được đánh giá dựa quá trình khuyếch tán và lực hút mao quản. vào tiêu chuẩn ÁTM C 876 và giản đồ E-pH Khảo sát kết cấu bên trong công trình khi của hệ Fe-H2O như bảng 2.4 [2]: Bảng 2.4 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công trình Công trình Điện thế so với điện Khả năng ăn Phương phá đánh giá thế Ag/AgCl mòn cốt thép Cảng Tiên Sa -436 đến -516 95% ASTM C876 Cảng Thuận Phước -409 đến -450 90% ASTM C876 Cảng Liên Chiểu -320 đến -460 90% ASTM C876 Cảng Nguyễn Văn Trỗi -306 đến -325 90% Giản đồ E-pH hệ Fe-H2O 46
4. Khi kiểm tra thành phần hoá học của bê bảo vệ xuất hiện các vết nứt có bề rộng trung tông theo chiều từ ngoài vào trong thì thấy: tại bình từ (525) mm chạy dọc theo các thanh vị trí xuất hiện vết nứt, cách mép vết nứt từ thép chịu lực. Với kết cấu dạng bản, sàn 15-20 cm, miền bê tông cận cốt thép độ pH thường bị bong tách thành từng mảng lớn lớp thường có giá trị nhỏ hơn 11,6; hàm lượng ion bê tông bảo vệ, cốt thép lộ ra ngoài và bị gỉ rất Cl- rất cao, thường nằm trong khoảng nặng. 3 2- (1,513,5) kg/m bê tông, hàm lượng SO4 Phía bên trong kết cấu, khi đục mở rộng nhỏ hơn 4% khối lượng xi măng. các vết nứt thì thấy cốt thép bị gỉ nặng, thiết 2.3 Vùng khí quyển trên biển và ven biển diện giảm từ (2060)%, nhiều thanh bị đứt rời Tại mặt ngoài, hiện tượng ăn mòn và phá hẳn, nhất là thép đai. Khi kiểm tra khả năng huỷ kết cấu thường xảy ra mạnh với những vị chịu tải theo tiêu chuẩn Việt Nam có tính đến trí trực diện với gió biển hoặc thường xuyên độ suy giảm thiết diện bê tông cốt thép do ăn hứng chịu mưa gió và khí hậu khô ẩm. Dạng mòn thì thấy nhiều kết cấu không còn đủ khả ăn mòn thường gặp là trên bề mặt lớp bê tông năng chịu lực. H×nh 2.3 ¡n mßn cèt thÐp dµn van cèng sau 22 n¨m - Nam §Þnh III. GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN, NÂNG 1. Trát vữa chống thấm: Vữa xi măng có CAO ĐỘ BỀN CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ pha nhũ tương pôlime M250 ¸ 300. TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG 2. Sơn chống ăn mòn cốt thép: Sơn xi măng, BIỂN VIỆT NAM sơn ximăng- pôlime, sơn hoá chất cao phân tử, 3.1. Đề xuất giải pháp các loại sơn này phải đảm bảo khả năng dính Tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 đã đưa ra kết giữa cốt thép được sơn với bê tông. các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, lựa chọn vật 3. Sơn phủ mặt ngoài kết cấu: Dùng các liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống loại sơn epoxy và các hợp chất cao phân tử có ăn mòn cho kết cấu bê tông và BTCT. Tiêu độ dính kết cao với bê tông và đàn hồi tốt. chuẩn TCVN 4453-1995 được áp dụng cho 4. Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit các công trình bê tông và BTCT xây dựng 5. Sử dụng vật liệu composit thay thế cho trong môi trường biển. Trong quá trình sửa bê tông thông thường. chữa không làm được kết cấu BTCT hoặc Các biện pháp sửa chữa thông thường (từ 1 chiều dày lớp bảo vệ tương đương như yêu đến 4) đã và đang được áp dụng tại các vùng cầu, có thể áp dụng các biện pháp chống thấm biển Việt Nam. Tuy nhiên, sử dụng vật liệu bổ sung như sau: mới composit là một hướng mới trong quy 47
5. trình sửa chữa. Bê tông cốt sợi phân tán đã 3.2 Nội dung đã nghiên cứu được ứng dụng rộng rãi để sửa chữa, gia cố bề Dựa vào đặc tính kỹ thuật và khả năng mặt cho các công trình BTCT trên thế giới dùng bê tông có cốt để sửa chữa công trình, khoảng 40 năm nay nhưng ở Việt Nam gần tác giả đề xuất nghiên cứu việc sử dụng bê như chưa được ứng dụng trong thực tế, chủ tông cốt sợi phân tán (sợi thép và sợi yếu là do chưa nghiên cứu ứng dụng vật liệu polypropylen) trong quá trình sửa chữa thông composit một cách đầy đủ trong điều kiện khí qua một số đặc tính kỹ thuật đã được nghiên hậu Việt Nam. cứu [3,4]: Bảng 3.1 Tương quan giữa lỗ rỗng và tính thấm nước của bê tông cốt sợi Đường kính % sợi trong Chiều dày thấm Tính chất lỗ Loại bê tông sợi d, мм cácbon của mẫu rỗng hỗn hợp о ,% thử sau 28 ngày  Bê tông hạt mịn không sợi - - 6,48 0,42 0,6 Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi cắt đoạn 0,5 1,1 3,91 0,28 0,7 Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi cắt đoạn 1,6 3 4 2,21 0,21 0,7 Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi sản xuất 0,6 2,92 2,05 0,15 0,8 tại nhà máy Bê tông cốt sợi thép hạt mịn kết hợp giữa sợi thép và sợi polypropylene với μ0 / n = 0,6 1,62 1,90 0,12 0,8 1,62/0,6 Bê tông với cốt liệu lớn - - 7,11 0,36 0,6 Bê tông cót sợi cốt liệu lớn và sợi thép sản 0,6 2,5 3,30 0,25 0,7 xuất từ nhà máy Rk, MPa Bảng 3.2 Đặc trưng liên kết của sợi với đá xi măng 10,0 9,0 Loại sợi Diễn giải 8,0  , Rнг, Rкз, Rфц, , min 7,0 % МPа МPа МPа МPа 6,0 Sợi thép được cắt 5,0 bằng máy 0,5 3,0 4,2 4,25 1,7 4,6 Sợi thép cắt bằng 4,0 máy và sơi 0,4 3,0 4,2 4,60 2,1 3,0 4,25 polypropylen 2,0 - Sợi thép 1,0  - Hỗn hợp sợi thép và sợi polypropylen Hình 3.1 Sự phụ thuộc cường độ chịu kéo vào tỷ 0,0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 lệ của sợi trong hỗn hợp đá xi măng Tỷ lệ sợi theo thể tích , % Bảng 3.3 Tính chất của bê tông cốt sợi trong điều kiện nóng ẩm Cường độ, МPа Chiều sâu thấm Mác Loại bê tông Rk Rn cácbon, мм chống thấm Bê tông hạt mịn không sợi 6,3 35,2 4,3 W8 Bê tông cốt sợi thép ( = 1,6 % thể tích.) 12,2 43,2 2,3 W16 Bê tông cốt sợi, Sợi thép (μ=1,6 % thể tích) và sợi polypropylen (μ=0,4 % thể tích) 14,6 47,1 1,9 W18 48
6. 3.3. Nhận xét: IV. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính ưu Có thể thấy tại vùng biển VIệt Nam, tác việt của loại vật liệu có cốt (sợi thép và sợi động xâm thực do môi trường là rất mạnh dẫn polypropylen). Khi sử dụng loại vật liệu đến ăn mòn và phá huỷ công trình. Mức độ ăn này thì độ chống thấm của bê tông tăng lên, mòn phụ thuộc vào vị trí và điều kiện làm việc khẳ năng chịu kéo, uốn, nén và va đập cũng của công trình. Với đặc thù khí hậu nóng, ẩm, tăng, quá trình thấm cácbon giảm đi đáng mưa bão nhiều thì tốc độ và mức độ bị ăn mòn kể, sẽ ức chế quá trình ăn mòn trong bê của công trình bê tông và BTCT sẽ nhanh tông. hơn, tuổi thọ công trình sẽ giảm đi đáng kể. Vì Đây là giải pháp đề xuất, đã được nghiên vật việc tìm ra các biện pháp phòng ngừa cứu trong môi trường nước ngọt và điều kiện chống ăn mòn và các giải pháp kỹ thuật nâng khí hậu Việt Nam. Nên để có kết quả chính cao khả năng làm việc, bảo đảm chất lượng và xác và cụ thể thì cần thêm các nghiên cứu ứng tuổi thọ lâu dài cho công trình là một vấn đề dụng và thực nghiệm mẫu tại các vùng biển để hết sức quan trọng, có ý nghĩa to lớn với nền có sự so sánh. kinh tế Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng và ctv, “Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển”, Viện KHCN Xây dựng, 11/2003. [2]. Trương Hoài Chính, Huỳnh Quyền, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan; “Tổng hợp, phân tích, đánh giá và dự báo hiện trạng ăn mòn xâm thực các công trình xây dựng DD & CN vùng ven biển Đà Nẵng”- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố Đà Nẵng, 11/2007. [3]. ДОНГ КИМ ХАНЬ, “Использование фибробетона при восстановлении гидротехнических сооружений Вьетнама”; Вестник гражданских инженеров. – 2008. – №4 (17).– С. 67 – 68. [4]. ДОНГ КИМ ХАНЬ, “Фибробетон для ремонтных работ на поверхности гидротехнических сооружений во Вьетнаме”, Автореф дис канд. техн. Наук, СПбГАСУ, СПб, 2009 – 20 с. Abstract CORROSION OF REINFORCED CONCRETE AND THE METHOD TO AVOID CORROSION FOR REINFORCED CONCRETE STRUCTURES IN VIETNAM’S SEA Corrosion of reinforced steel is a widespread construction problem in the coastal areas. This article summarizes the causes and status of the abrasion of reinforcement in reinforced concrete structure under sea. Base on the results, this article propose some maintain methods to increase the durability of reinforced concrete structures in Vietnam’s sea. 49