TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Hiện nay, nhiều công trình xây dựng tại Việt Nam sau một thời gian sử dụng đã bị xuống cấp và hư hỏng, ảnh hưởng đến chất lượng Do đó, cần thiết phải áp dụng các biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng cấp để đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng của các công trình này.
Trước tình trạng xuống cấp nghiêm trọng của các công trình xây dựng như công trình dân dụng, công nghiệp, cầu đường, thủy lợi và điện lực ở Việt Nam và trên toàn thế giới, có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự hư hỏng này.
Các công trình xây dựng có tuổi thọ nhất định, và trong quá trình sử dụng, chúng chịu tác động từ nhiều yếu tố như tải trọng, động đất, mưa, gió và bão Những yếu tố này ảnh hưởng đến độ bền và an toàn của công trình theo thời gian.
Việc ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến công trình có thể làm giảm chất lượng, khả năng chịu lực và tuổi thọ trong quá trình sử dụng Để khắc phục những nhược điểm này, cần tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn cho công trình Gia cường là biện pháp khắc phục các vị trí hư hỏng, suy yếu và khuyết tật trong kết cấu, giúp phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực, cho phép công trình chịu thêm tải lớn hơn so với tải trọng thiết kế ban đầu.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, độ bền của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) lão hóa đã trở thành chủ đề quan trọng trong thiết kế và bảo trì các công trình xây dựng Theo thời gian, ứng xử của kết cấu BTCT, như độ võng và chất lượng bê tông, có xu hướng giảm sút do tác động của môi trường và tải trọng khai thác Sự gia tăng độ võng có thể xuất phát từ thiết kế kém hoặc tải trọng lớn, trong khi chất lượng bê tông suy giảm do nhiều nguyên nhân như cơ học, vật lý, hóa học, sinh học, và đặc biệt là do ăn mòn cốt thép Ăn mòn cốt thép, do cacbonat hóa, tấn công của clo trong môi trường nước ven biển và phản ứng alkali-silica, dẫn đến trương nở cốt thép, bong bật lớp bảo vệ bê tông, và giảm cường độ chịu kéo Tình trạng này có thể nghiêm trọng đến mức gây đứt cốt thép, ảnh hưởng đến an toàn của công trình.
Hình 1.1 Mối quan hệ ứng xử của kết cấu với thời gian [1]
Hình 1.2 Hư hỏng của kết cấu BTCT do ăn mòn [1]
Ăn mòn cốt thép trong bê tông không chỉ gây hư hỏng mà còn làm gia tăng chi phí bảo trì và sửa chữa các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Theo Bảng 1.1, có nhiều ví dụ về chi phí liên quan đến sự xuống cấp của kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép Hiện tượng này rất phức tạp, xảy ra qua quá trình điện hóa, dẫn đến sự tăng thể tích do hình thành các sản phẩm ăn mòn, từ đó gây ra ứng suất tách trong bê tông.
Hình 1.3 Cơ chế điện hóa ăn mòn cốt thép trong bê tông[1]
B ả ng 1.1 Ví dụ chi phí liên quan đến thiệt hại của kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép
(Source: http://www.corrosion-club.com/concretecosts.htm)
United States Reinforced concrete bridges and car parks due to deicing salts
United States The estimated total cost to address bridge deficiencies in the United States depending on time taken to meet the objective
Estimate of annual costs attributable to corrosion of reinforced concrete £550 million
$110 million is to be spent by this city on the repair of roads, sidewalks and bridges in
2005 with a backlog of $235 million deferred due to budget constraints
Sự hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép được chia thành bốn giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên là thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn cho đến khi ứng suất trong bê tông vượt quá cường độ kéo, dẫn đến việc hình thành các vết nứt ban đầu Tiếp theo là giai đoạn lan truyền và tăng tốc, trong đó các vết nứt mở rộng và liên kết khi mức độ ăn mòn gia tăng Cuối cùng, giai đoạn hư hỏng xảy ra khi các vết nứt lớn lên, gây ra bong tróc hoặc nứt vỡ lớp bê tông, làm giảm đáng kể khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu.
Hình 1.4 Các giai đoạn hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép[1]
Ngày nay, khi các cấu kiện và kết cấu bị xuống cấp do cốt thép chịu lực bị ảnh hưởng, có nhiều phương pháp sửa chữa và gia cường Đối với dầm BTCT, phương pháp đầu tiên là thay thế hoặc gia cường cốt thép bị rỉ, trong đó lớp bê tông bảo vệ sẽ được đục bỏ và cốt thép sẽ được làm sạch hoặc thay thế trước khi trám bê tông hoặc vữa Ưu điểm của phương pháp này là không làm thay đổi tĩnh tải của kết cấu, giúp bảo vệ phần dưới Việc kết hợp với công nghệ vật liệu tiên tiến như vữa và bê tông cường độ cao có thể nâng cao hiệu quả sửa chữa Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả khi tỷ lệ cốt thép bị rỉ nhỏ và không ảnh hưởng lớn đến kết cấu, đồng thời có thể hạn chế khả năng tăng sức kháng của kết cấu.
Khi cốt thép bị hư hỏng nặng và cần tăng cường khả năng chịu tải của kết cấu, ngoài việc sửa chữa thanh cốt thép, có thể áp dụng nhiều biện pháp gia cường khác Các phương pháp này bao gồm sửa chữa và gia cường bằng bản thép epoxy từ năm 1975, căng cáp dự ứng lực ngoài, sử dụng tấm sợi carbon (CFRP) và tấm sợi thủy tinh (GFRP), cũng như sửa chữa bằng tấm bê tông cường độ siêu cao (UFC).
Các công trình bê tông cốt thép (BTCT) tại Việt Nam hiện nay được thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến, đảm bảo thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với sự cân nhắc về kinh tế, mỹ quan và độ bền Tài liệu thiết kế BTCT hiện có đầy đủ và chi tiết, chú trọng đến an toàn, khả năng kiểm tra, và tính bền vững Đặc biệt, vấn đề đảm bảo độ bền của bê tông và hiện tượng ăn mòn cốt thép, do xâm nhập của ion Clo và CO, đang là mối quan tâm lớn Các biện pháp giảm thiểu sự xâm nhập của các ion này được kỳ vọng sẽ nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT.
Theo thống kê của GS Musuyoshi (2001) về các kết cấu bê tông cốt thép tại Nhật Bản, nguyên nhân chính gây hư hại cho bê tông là do xâm nhập Clo, chiếm tới 66% tổng số hư hại, trong khi cacbonat hóa chỉ chiếm 5%.
Hình 1.5 Số lượng hư hại quan sát được ở Nhật Bản ( nguồn dữ liệu Prof
Việt Nam có bờ biển dài hơn 3000km, nơi nhiều công trình bê tông cốt thép (BTCT) chịu ảnh hưởng của xâm thực clo, dẫn đến ăn mòn thép và nứt bê tông bảo vệ Điều này làm giảm diện tích tiết diện và khả năng chịu tải của công trình Các nghiên cứu thường tập trung vào độ bền của bê tông, mức độ xâm nhập clo và sự ăn mòn cốt thép, cũng như tuổi thọ của kết cấu BTCT Những yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ, vì bê tông có độ bền cao thường có khả năng chống xâm nhập clo tốt hơn.
Tuổi thọ của bê tông cốt thép bị ảnh hưởng bởi xâm nhập clo, bắt đầu từ khi kết cấu tiếp xúc với môi trường có ion clo cho đến khi cốt thép bị ăn mòn, gây nứt bê tông hoặc làm giảm diện tích tiết diện cốt thép đến mức nguy hiểm cho khả năng chịu lực Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, đường kính cốt thép, độ dày lớp bê tông bảo vệ, các tính chất cơ học của bê tông, cùng với các yếu tố môi trường và khí hậu.
Hiện nay, nghiên cứu về ăn mòn cốt thép và tác động của nó đến khả năng chịu tải trọng trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đang thu hút sự chú ý lớn từ các hiệp hội khoa học và vật liệu trên toàn cầu.
Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
M.S Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology : Theory and Practice ” xuất bản năm 2005[3], đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau :
Bê tông đã lâu được xem là vật liệu bền bỉ với yêu cầu bảo trì thấp, nhưng giả thiết này không hoàn toàn đúng khi bê tông tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt như khu đô thị ô nhiễm hoặc khu vực biển có ion clo Trong những điều kiện này, bê tông dễ bị suy thoái do sự xâm nhập của các hóa chất như axit, sun phát và clo, dẫn đến hiện tượng cacbonat hóa Theo Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01, độ bền của bê tông xi măng được định nghĩa là khả năng chống lại thời tiết, hóa chất và mài mòn Bê tông bền không chỉ giữ được hình thức ban đầu mà còn duy trì chất lượng và khả năng phục vụ trong môi trường xâm thực.
Hiện nay, bê tông được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và môi trường khắc nghiệt, do đó, việc đánh giá độ bền của công trình xây dựng hiện đại trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Nhiều kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển, ảnh hưởng nghiêm trọng nhất xảy ra ở vùng thủy triều và vùng bắn tóe Bê tông không hoàn toàn không thấm nước, do đó nước có thể xâm nhập và mang theo các tác nhân gây ăn mòn thép Sản phẩm ăn mòn có thể tạo ra áp lực kéo trong bê tông, làm giảm độ bền của nó Hiện tượng suy giảm độ bền thường xảy ra nhiều hơn ở bê tông cốt thép Vì vậy, việc thiết kế thành phần bê tông để cải thiện độ bền trong môi trường nước biển là rất cần thiết.
Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép (BTCT) tại Việt Nam đã gặp phải tình trạng ăn mòn và hư hại do môi trường ăn mòn sau một thời gian sử dụng Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về các biện pháp phòng ngừa nhằm hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu bê tông Nhà nước đã ban hành các tiêu chuẩn như TCVN 3993:85 và TCVN 3994:85 để hướng dẫn thiết kế và phân loại ăn mòn trong xây dựng Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này vẫn chưa bao quát hết các loại ăn mòn, dẫn đến việc áp dụng còn hạn chế và chưa phát huy hiệu quả trong thực tiễn.
Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải đã thực hiện nhiều nghiên cứu về ăn mòn bê tông, phân tích tình trạng hư hỏng của kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Các nguyên nhân gây ra hư hỏng được chỉ ra cùng với các biện pháp bảo vệ hiệu quả, bao gồm việc sử dụng phụ gia kị nước như dầu thảo mộc và nước thải bã giấy để nâng cao độ chắc cho bê tông Ngoài ra, việc tăng cường bảo vệ bề mặt kết cấu bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm như sơn bitum – cao su và sơn bitum – epoxy cũng được khuyến nghị.
Viện Khoa Học Thủy lợi Quốc Gia đã đạt được thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng phụ gia bentonite, giúp tăng cường khả năng chống thấm và giảm thiểu ăn mòn cốt thép trong các công trình thủy lợi.
Vào cuối thập kỷ 90, đề tài KC-05-13A được triển khai nhằm phát triển các tổ hợp bê tông và vữa có phụ gia ức chế ăn mòn, bảo vệ cốt thép trong môi trường biển Việt Nam Đề tài này bao gồm nhiều nhánh nghiên cứu, như chất ức chế ăn mòn cốt thép, phụ gia ZKJ, phụ gia bentonite cải tiến, phụ gia khoáng SISEX, và SP melamin.
Kỹ sư Ngô Thanh Cẩn từ Viện thiết kế nhà ở và công trình công cộng đã đưa ra biện pháp khắc phục cho một số công trình tại Quảng Ninh, Hòn Gai và Viện Hải Dương Học Nha Trang Ông đề xuất sử dụng phụ gia NaNO hoặc Na2 để cải thiện chất lượng công trình.
NO với liều lượng 2% Đồng thời tăng thêm bề dày lớp bảo vệ từ 5-15cm 2
Phan Thị Anh Đào và Nguyễn Thanh Lộc từ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu về chống ăn mòn cốt thép trong bê tông dưới điều kiện thủy triều ven biển Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, để bảo vệ các cấu kiện bê tông trong vùng nước lên xuống, cần áp dụng giải pháp kết hợp hai phương pháp: quét epoxy lên thanh thép và bảo vệ catot, hoặc sử dụng bê tông tự lèn kết hợp với quét epoxy hoặc bảo vệ catot.
Nghiên cứu của thạc sỹ Đặng Thị Thúy Hằng về khả năng liên kết ion clo trong bê tông khi sử dụng các loại phụ gia khoáng khác nhau cho thấy rằng bê tông cốt thép (BTCT) thường bị hư hại do tác động của môi trường, đặc biệt là trong môi trường biển Ion clo tự do trong môi trường biển gây ăn mòn cốt thép, tạo ra mối nguy hiểm lớn Để bảo vệ cốt thép, các biện pháp bảo vệ và cải thiện chất lượng lớp bê tông bảo vệ đã được áp dụng Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao chất lượng lớp bê tông bảo vệ bằng cách sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính như xỉ lò cao, tro bay và silacafume Việc thay thế một phần xi măng PC bằng các phụ gia này không chỉ làm tăng độ đặc chắc của cấu trúc bê tông mà còn giúp liên kết với ion clo tự do, từ đó giảm thiểu sự thẩm thấu ion clo vào bê tông và hạn chế sự ăn mòn cốt thép.
Nghiên cứu của Thạc Sỹ Nguyễn Huy Quang cho thấy rằng các công trình bê tông cốt thép (BTCT) ven biển miền Trung Việt Nam chịu tác động mạnh mẽ từ môi trường ven biển, đặc biệt là do lượng muối sa lắng cao Kết quả cho thấy tuổi thọ của các công trình này có thể bị suy giảm từ 30-50% so với niên hạn thiết kế.
TS Vũ Ngọc Anh từ Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã nghiên cứu về ăn mòn cốt thép và tác động của nó đến kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Nghiên cứu chỉ ra rằng ăn mòn cốt thép là hiện tượng phổ biến trong BTCT, do quá trình thủy hóa bê tông làm tăng cường độ nhưng giảm độ pH, dẫn đến mất tính chống rỉ thụ động của cốt thép Sự xâm nhập của các ion Cl và các yếu tố có hại khác sẽ gây ăn mòn cốt thép theo thời gian Để kéo dài tuổi thọ công trình, cần tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ và cải thiện độ đặc chắc của bê tông, giúp giảm tốc độ thấm CO2 và Cl vào trong bê tông.
Các nghiên cứu của TS Nguyễn Thanh Hưng và các tác giả [9-12] đã chỉ ra rằng sự ăn mòn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của kết cấu bê tông cốt thép Đồng thời, TS Nguyễn Đình Hùng và cộng sự [13] đã tiến hành nghiên cứu về việc sửa chữa và gia cường dầm bê tông cốt thép bằng cốt thép thường và vữa cường độ cao, tuy nhiên chưa đề cập đến việc gia cường cho các kết cấu bị ăn mòn.
Theo V.M.Moskvin, công trình nghiên cứu của Vika về "nguyên nhân hóa học phá hủy và các biện pháp nâng cao khả năng chống ăn mòn của các chất kết dính rắn trong nước" là nghiên cứu đầu tiên về ăn mòn Vào đầu thế kỷ XX, Viện nghiên cứu độ bền các công trình thủy lợi biển của Nga, dưới sự dẫn dắt của các kỹ sư nổi tiếng như A.R.Shuliachenko và V.I.Charnomskij, đã khảo sát các công trình bê tông tại các hải cảng châu Âu và Nga Họ kết luận rằng xi măng pooclăng không đủ khả năng chế tạo bê tông cốt thép bền vững trong môi trường biển, và việc nâng cao độ đặc của bê tông chỉ có thể kéo dài tuổi thọ công trình từ 20 đến 30 năm.
Công trình nghiên cứu của A.A Bajkov là một tài liệu quan trọng trong lĩnh vực chống ăn mòn, trong đó ông đã phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn bê tông và đề xuất các biện pháp thực tiễn để khắc phục vấn đề này.
Mục tiêu nghiên cứu
Khảo sát các công trình bê tông cốt thép (BTCT) tại môi trường biển Việt Nam cho thấy phần lớn bị hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn chỉ sau 10 đến 20 năm sử dụng Đáng chú ý, có những công trình bị hư hại chỉ sau 3 đến 5 năm, thấp hơn nhiều so với tuổi thọ thiết kế dự kiến.
Để bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn mòn trong vòng 50 đến 60 năm, có thể áp dụng nhiều biện pháp như tăng chiều dày và độ chống thấm của bê tông thông qua việc sử dụng phụ gia, bảo vệ bằng phương pháp điện hóa, sử dụng chất ức chế, hoặc tạo lớp phủ trên bề mặt cốt thép và bê tông.
Mục tiêu của nghiên cứu là phân tích đặc điểm ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông cốt thép (BTCT) qua các khoảng thời gian và mức độ ăn mòn khác nhau Nghiên cứu sẽ đưa ra kết luận và kiến nghị giải pháp gia cường phù hợp nhằm tăng khả năng chịu tải cho dầm BTCT sau khi bị ăn mòn.
Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Ăn mòn có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của kết cấu bê tông cốt thép, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong việc duy trì độ bền và an toàn Do đó, nghiên cứu về sự tác động của ăn mòn đối với kết cấu này là cần thiết để phát triển các giải pháp bảo vệ và cải thiện tuổi thọ của công trình.
Xây dựng mô hình bài toán theo điều kiện trong phòng thí nghiệm đối với dầm bê tông cốt thép
Tạo các mẫu dầm bê tông cốt thép có kích thước đủ lớn với các mức độ ăn mòn khác nhau bằng thiết bị tạo ăn mòn nhanh
Khảo sát từ các kết quả thực nghiệm, tính toán của các tác giả nước ngoài để phục vụ cho việc nghiên cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu về dầm BTCT bị ăn mòn cũng như ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu tải của dầm ở trong và ngoài nước
Nghiên cứu sự thay đổi cường độ chịu lực của dầm bê tông cốt thép (BTCT) khi chưa bị ăn mòn và sau khi bị ăn mòn ở các mức độ khác nhau dưới tác động của tải trọng Mục tiêu là phân tích các tham số từ thí nghiệm để tìm ra kết quả tối ưu nhằm hỗ trợ cho các giải pháp gia cường dầm BTCT bị ăn mòn.
Nghiên cứu và phân tích số liệu từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, tiêu chuẩn và lý thuyết tính toán của các tác giả trong và ngoài nước là rất quan trọng để nâng cao hiểu biết và ứng dụng trong lĩnh vực này.
Thực nghiệm các mẫu dầm bê tông cốt thép với kích thước lớn nhằm giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm, đặc biệt là đối với các dầm bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ăn mòn.
Nghiên cứu các tham số của bê tông và cốt thép ở dầm bê tông cốt thép trước và sau khi bị ăn mòn Đánh giá tác động của ăn mòn đến khả năng chịu tải trọng của dầm bê tông cốt thép trong điều kiện thí nghiệm.
Phân tích các nghiên cứu khoa học liên quan đến ăn mòn trong dầm BTCT như: báo, tạp chí, nghiên cứu khoa học trong nước và nước ngoài.
Kết luận chương 1
Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự phức tạp của khí hậu trong nước đang ảnh hưởng tiêu cực đến công trình xây dựng, đặc biệt là kết cấu bê tông cốt thép Môi trường xâm thực mạnh gây ra hiện tượng rỉ thép và bong tróc lớp bảo vệ bê tông, làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu Với nhu cầu sử dụng thay đổi, việc cải tạo, sửa chữa, nâng cấp hoặc thay mới kết cấu công trình trở nên cần thiết Tuy nhiên, việc thay mới toàn bộ kết cấu đòi hỏi nguồn tài chính lớn và thời gian thi công lâu dài, do đó, giải pháp sửa chữa và nâng cấp là lựa chọn hiệu quả hơn Nghiên cứu công nghệ sửa chữa và gia cường nhằm duy trì và phục hồi hoạt động bình thường của kết cấu bê tông cốt thép là yêu cầu cấp thiết Đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực là bước đầu tiên để đưa ra các giải pháp gia cường và sửa chữa phù hợp.
Nghiên cứu về tính hình ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép (BTCT) ở môi trường biển đã được thực hiện tại nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc đề xuất biện pháp chống ăn mòn để bảo đảm sự bền vững của công trình trong thời gian dài Chưa có nhiều nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của ăn mòn đến cường độ của cốt thép và bê tông, cũng như khả năng chịu tải của dầm ở các mức độ ăn mòn khác nhau.
Học viên đã quyết định nghiên cứu "Thực nghiệm dầm bê tông cốt thép với các mức độ ăn mòn khác nhau" nhằm đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn đến khả năng chịu tải của dầm, phục vụ cho đề tài luận văn tốt nghiệp.
CƠ SỞ KHOA HỌC
Giới thiệu chương
Bê tông cốt thép, giống như nhiều loại vật liệu khác, chịu ảnh hưởng của sự xâm thực từ môi trường xung quanh, dẫn đến sự suy giảm chất lượng và tuổi thọ công trình theo thời gian Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với các công trình xây dựng ở khu vực ven biển.
Sự tác động của môi trường xung quanh là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép trong bê tông, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền vững của công trình Ăn mòn cốt thép là yếu tố chủ yếu dẫn đến sự hư hỏng của các công trình bê tông cốt thép, đặc biệt trong các môi trường xâm thực Do đó, việc hiểu và kiểm tra tình trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông là rất cần thiết, được coi là một trong những nội dung quan trọng trong nghiên cứu và kiểm định chất lượng kết cấu bê tông cốt thép.
Bản chất điện hóa của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Quá trình ăn mòn kim loại chủ yếu diễn ra thông qua cơ chế điện hóa, trong đó sự hiện diện của hơi ẩm trên bề mặt kim loại là yếu tố cần thiết Trên bề mặt kim loại bị ăn mòn, các cực anot và catot hình thành, dẫn đến sự phá hủy kim loại do hiện tượng oxy hóa tại cực anot Các nguyên tử oxi hòa tan vào dung dịch, tạo thành anion hydrat trong vùng anot Đồng thời, các electron tự do bám trên bề mặt sẽ được hấp thụ bởi các nguyên tử O2 hòa tan hoặc ion OH-, từ đó tạo ra dòng điện trong dung dịch khi ion OH- di chuyển.
Sản phẩm ăn mòn hình thành từ sự tương tác giữa ion hydrat và oxy Khi các ion này có khả năng hòa tan cao, chúng sẽ di chuyển khỏi vị trí ban đầu Ngược lại, nếu chúng khó hòa tan, như trong trường hợp sản phẩm ăn mòn cốt thép, chúng sẽ kết tủa trên bề mặt cốt thép, tạo ra lớp rỉ bao gồm oxy sắt và hydroxyt sắt.
Vì vậy điều kiện cần cho quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra là :
Sự hiện diện của các khu vực hoạt động trên bề mặt cốt thép tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy anot, trong đó các nguyên tử chuyển hóa thành các ion hòa tan thông qua phản ứng hóa học.
Sự có mặt của các hợp chất cần thiết để phản ứng catot xảy ra ( giảm oxy)
Sự có mặt của các điện cực để các ion có thể dịch chuyển giữa các onot và catot
Khả năng ăn mòn điện thế đặc trưng bởi sự khác nhau của các điện thế Nếu
Điện thế tại các điểm tiếp giáp giữa bề mặt kim loại và chất điện phân được ký hiệu là P và m P s Trong đó, 'a' và 'c' đại diện cho anot và catot.
Hiệu suất P m P phản ánh sự suy giảm điện thế trong lớp điện cực đôi s, được gọi là điện thuế (E) Điện thế tại anot luôn thấp hơn so với catot, và thường được biểu thị so với điện cực đối chứng có điện cực là hằng số, với các giá trị điện thế tiêu chuẩn như E=0.00 V cho hydro, E=+0.32 V cho CuSO4 và E=+0.25 V cho caloment.
Hình 2.1 Mô hình biểu diễn sự ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép[14]
Nhiệt động của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Phản ứng điện hóa liên quan đến sự tham gia của 2 electron được mô tả qua các ký hiệu a, b, c, d, n A, n B, n C, n D Khi nhiệt độ và áp suất giữ nguyên, cân bằng điện thế được thể hiện qua công thức na, nb, nc, nd, eq, o.
T ; là nhiệt độ tuyệt đối
Eo; là điện thế chuẩn của phản ứng
A ; hoạt động của ion n ; số mol a
Quá trình phản ứng tự sinh ra từ trái sang phải, nếu E E eq Do đó nếu biết
Nhiệt động học của phản ứng điện hóa cho phép dự đoán các sản phẩm phản ứng ở nồng độ chất phản ứng nhất định Kết quả tính toán được thể hiện qua biểu đồ điện thế pH, trong đó nồng độ của các ion như H và OH cùng với pha rắn cũng được tính toán.
Vùng có dung dịch ion ổn định là điều kiện lý tưởng cho quá trình ăn mòn, khi phản ứng anot dẫn đến sự hình thành Fe hoặc FeO.OH Các phản ứng này có thể được biểu diễn qua các nguyên tắc nhiệt động học.
Vùng ổn định oxyt Fe O và 3 4 Fe O 2 3 tương ứng với trạng thái thụ động có nhiệt động biểu diễn dưới dạng sau :
Biểu đồ cân bằng chỉ phản ánh khả năng nhiệt động học của phản ứng mà không xem xét động lực học và sự thay đổi thành phần dung dịch chất điện phân gần bề mặt cốt thép bị ăn mòn.
Hình 2.2 Giản đồ Pourbaix trong hệ Fe H O 2 ở 25 C [14] 0
Sự phân cực của phàn ứng điện hóa
Phản ứng electron đơn cân bằng xảy ra khi điện thế E được xem là E eq Trong tình huống này, tốc độ quá trình anod và catod là thuận nghịch, được thể hiện qua mật độ dòng điện i và a i.
Mật độ dòng điện trao đổi (i) trong phản ứng là mật độ dòng điện tại điện thế cân bằng, trước khi nối mạch Nó phụ thuộc vào bản chất của vật liệu điện cực và dung dịch.
Khi E E quá trình ở anot chiếm ưu thế ( eq i a i ) và khi c E E thì quá eq trình ở catot là quá trình chiếm ưu thế ( i a i ) c
Trong mỗi trường hợp ,electron được xem là phân cực Điện thế được thay đổi có giá trị : a E E ;eq c Eeq E
Sự phụ thuộc giữa quá thế và mật độ dòng điện có thể được xác định thông qua thí nghiệm kiểm soát điện thế của kim loại Đồ thị phân cực, như trong Hình 2.4, thể hiện quá trình điện phân với tốc độ bị giới hạn do sự dịch chuyển điện tích Khi áp dụng điện thế 50mV, mối quan hệ giữa quá thế và mật độ dòng điện được mô tả bởi phương trình Tafel: a b log(i / i ); a a 0 c b log(i / i ) c c 0.
Trong đó hệ số Tafel b và a b là những hằng số phản ứng tại nhiệt độ xác c định
(Hình 2.4) cho thấy các đường cong phân cực của những quá trình điện cực như
Khi tốc độ phản ứng catot bị hạn chế do sự dịch chuyển khối trong quá trình khuếch tán đến bề mặt điện cực, hiện tượng này được gọi là nồng độ phân cực Trong trường hợp quá thế c có giá trị cao, mật độ dòng điện catot i gần bằng giá trị giới hạn ci, mà giá trị này phụ thuộc vào nhiệt độ và mức độ khuấy trộn dung dịch Phương trình mô tả mối quan hệ này có dạng: c = const * log(1 - i / i_c).
Hình 2.3 Đường cong phân cực của quá trình điện phân [15]
Hình 2.4 Đường cong phân cực của quá trình điện cực bị giới hạn bởi sự khuếch tán oxy đến catot [15]
Đường cong phân cực của quá trình điện cực cơ bản thể hiện xu hướng tốc độ phản ứng i khi quá thế tăng Tuy nhiên, nếu điện cực có khả năng nhận biết các phản ứng khác nhau ở các điện thế khác nhau, dạng đường cong phân cực có thể không tuân theo nguyên tắc nhất định Chẳng hạn, kim loại M có thể phân hủy thành ion M với 2 electron (eq M M 2 2e) nhưng cũng có khả năng hình thành màn oxy trên bề mặt (MO) tại điện thế E E M/MO eq (M H O MO 2H 2 2e).
Hình 2.5 Đường cong phân cực anot diễn tả sự dịch chuyển từ hòa tan chủ động sang thụ động [15]
Khi E E eq, M/M2, quá trình hòa tan anot không xảy ra và kim loại không bị hòa tan Ngược lại, khi E E eq, M/M dẫn đến kim loại hoạt động bị hòa tan với tốc độ ban đầu tăng khi quá trình quá thế tăng Tuy nhiên, tại những điện thế dương cao hơn E, M/MO, hoạt động hòa tan gần như ngưng lại do sự hình thành màng oxyt eq trên bề mặt, khiến kim loại trở nên thụ động và chỉ cho phép dòng điện nhỏ còn lại tham gia vào sự phân cực tiếp theo Nếu màng oxy cho phép dẫn điện, oxy tại cực âm sẽ bị giảm khi nước xuất hiện trong điện cực.
Khi điện thế dương vượt quá giá trị E, sự gia tăng rõ rệt của cường độ dòng điện âm xảy ra ở phản ứng H2O/O2 Nhiều kim loại và hợp kim có khả năng kháng lại hư hại cục bộ của màng oxy bảo vệ, nhưng hiện tượng rỗ mặt có thể xảy ra khi điện cực tiếp xúc với các ion xâm thực như Cl hoặc Br, đặc biệt khi điện thế đạt đến giá trị tới hạn Giá trị này phụ thuộc vào nồng độ muối và pH của dung dịch.
Hình 2.6 Đường cong phân cực anot của thép trong dung dịch Ca(OH) 2 bão hòa có hàm lượng canxi dihydrat thay đổi [15]
Khi điện thế dương vượt quá điện thế gây ăn mòn rỗ mặt, mật độ dòng điện trung bình tại anot gia tăng, dẫn đến sự phá hủy cục bộ mạnh mẽ của kim loại tại một số điểm, trong khi bề mặt xung quanh vẫn duy trì trạng thái thụ động Đường cong phân cực của một số kim loại được nghiên cứu trong các dung dịch có thành phần xác định ở nhiệt độ 25°C có thể được biểu diễn qua biểu đồ E-pH.
Khả năng ăn mòn và tốc độ ăn mòn cốt thép
Nghiên cứu đường cong phân cực hỗ trợ việc tìm hiểu hoạt động của hàm điện cực tại catot và anot của pin Mô hình này đơn giản hóa các quá trình anod và catod diễn ra trên bề mặt kim loại bị ăn mòn, cho phép chúng xảy ra đồng thời với tốc độ nhất định trên điện cực hỗn hợp Quá trình ăn mòn được mô tả như một phản ứng phân cực anod (M ze M) và catod (Z X ze X) tạo thành nhiều microcell trên bề mặt kim loại với độ dẫn điện cao Các đường cong phân cực của phản ứng anod và catod độc lập giao nhau tại điểm P, nơi mà mật độ dòng điện ở anod và catod là trung bình, từ đó xác định tốc độ ăn mòn qua mật độ dòng điện ăn mòn (i corr) và điện thế tại điểm này được gọi là điện thế ăn mòn.
Hình 2.7 Giản đồ Evans dùng cho ăn mòn dạng cơ bản [15]
Những trạng thái ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ăn mòn cốt thép trong bê tông có thể ở những trạng thái sau [15]
- Trạng thái ăn mòn làm rỗ mặt
- Trạng thái ăn mòn đều
- Trạng thái hoạt động, ăn mòn điện thế thấp
Trong bê tông, lỗ rỗng thường chứa hơi ẩm và các thành phần như NaOH, KOH và Ca(OH) do quá trình hydrat hóa của hạt xi măng Những lỗ rỗng này có thể chứa lượng lớn oxy hòa tan, tạo điều kiện cho cốt thép ở trạng thái thụ động, giúp giảm tốc độ ăn mòn nhờ lớp màng oxy bảo vệ Điện thế ăn mòn của thép trong môi trường này dao động từ +200 đến -200 mV Đối với các công trình ngoài không khí, mức độ hòa tan oxy thường duy trì điện thế ăn mòn của thép thụ động trong khoảng +100 đến -200 mV so với điện thế calomel bão hòa Sự ổn định của trạng thái thụ động của cốt thép phụ thuộc vào chất lượng và độ dày của lớp bê tông bảo vệ, quyết định khả năng chống lại các tác nhân xâm thực có thể làm biến đổi thành phần lỗ rỗng và đe dọa tính thụ động của thép.
Hình 2.8 Giản đồ Evans diễn tả ảnh hưởng của nồng độ oxy đối với điện thế ăn mòn của thép thụ động trong bê tông [15]
Trạng thái ăn mòn làm rỗ mặt của cốt thép xảy ra khi ion Clo xâm nhập vào bê tông, làm phá hoại sự thụ động của cốt thép trong môi trường kiềm Khi hàm lượng ion Clo vượt quá ngưỡng cho phép, ăn mòn sẽ hình thành, đặc trưng bởi cặp pin giữa bề mặt thụ động rộng của thép (catot) và các vị trí nhỏ của anot bị rỗ mặt với nồng độ Clo cao và pH thấp Để rỗ mặt phát triển, nồng độ oxy cần đủ để phân cực anot cho đến khi điện thế dương lớn hơn điện thế phá hoại trong một môi trường nhất định Điện thế ăn mòn của cốt thép dao động từ trạng thái thụ động đến giá trị gây rỗ mặt anot, thường từ -200 đến 500mV, với vùng anot có điện thế âm được bao quanh bởi các bề mặt có gradient điện thế cao.
Để bảo vệ tính thụ động của thép trong dung dịch điện phân, pH cần duy trì không dưới 11,5, mặc dù pH = 9 có thể chấp nhận trong dung dịch đệm Trong bê tông, sự mất đi tính thụ động có thể xảy ra nếu pH trong lỗ rỗng chứa hơi ẩm giảm đáng kể do tác động của các khí axit như CO, dẫn đến nguy cơ ăn mòn đều cốt thép Hiện tượng ăn mòn đều dễ nhận biết khi bê tông chứa nhiều Clo và lớp màng thụ động bị phá hủy hoàn toàn Điện thế của cốt thép bị ăn mòn đều thường dao động từ -450 mV.
Điện thế 600 mV gần tương đương với điện thế của cốt thép không được bảo vệ trong môi trường nước trung tính Gradient điện thế trong các kết cấu hoạt động trong điều kiện này không cao bằng điện thế trong suốt quá trình ăn mòn rỗ mặt.
Trong môi trường có sự thâm nhập của oxy khó khăn, như công trình ngập nước hoặc chôn dưới đất, mật độ dòng điện catot giới hạn có thể không đủ để duy trì lớp màng thụ động trên bề mặt thép theo thời gian Dưới những điều kiện này, kim loại hoạt động trong môi trường kiềm với nồng độ cao, dẫn đến việc ăn mòn điện thế giảm xuống giá trị thấp, điều này có thể được thể hiện qua giản đồ Pourbaix.
Tốc độ hòa tan kim loại trong khoảng 850 đến 1000 mV rất thấp do sự hạn chế của chất khử cực cathod, như oxy Ăn mòn cốt thép trong môi trường biển chủ yếu do xâm thực Clo gây ra, thường ở trạng thái ăn mòn điểm Khi mặt Clo, oxy và độ ẩm kết hợp, quá trình ăn mòn điểm được duy trì Trong trường hợp cấu trúc không được bảo vệ tiếp xúc với môi trường xâm thực, tốc độ ăn mòn có thể không phụ thuộc vào sự xâm nhập của oxy Tuy nhiên, tỷ lệ giữa hoạt động (clorua) và thụ động (hydroxit) có thể đạt giá trị tới hạn, ảnh hưởng đến sự phát triển ăn mòn Bê tông không bị cacbonat hóa khi có nhiều ion hydroxyl, do đó sự xâm nhập của clo vào vùng ăn mòn là yếu tố chính dẫn đến quá trình ăn mòn tiếp diễn Khi nồng độ clo tăng, điện thế bề mặt rỗ chuyển thành cực âm nhiều hơn, làm tăng tốc độ ăn mòn Quá trình anod chi phối ăn mòn, và bề mặt cathod cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đẩy nhanh ăn mòn khi nồng độ clo gia tăng.
Hình 2.9 Sơ đồ tuần hoàn của ion clo trong quá trình ăn mòn điểm [15]
Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép
2.7.1 Khái quát Ăn mòn được Fontana, M.G (1971) [17] và Uhlig ,H H (1971) [18] định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn a) Ăn mòn điện hóa :
Trong quá trình ăn mòn điện hóa, hai phản ứng chính diễn ra tại giao diện giữa kim loại và chất điện ly: phản ứng giải phóng điện tử xảy ra ở cực dương (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử diễn ra ở cực âm Một pin ăn mòn cơ bản bao gồm bốn thành phần thiết yếu.
Cực dương (anode) thường bị ăn mòn do mất điện tử từ các kim loại trung hòa điện, dẫn đến sự hình thành các ion rời rạc Những ion này có thể tồn tại trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo ra các sản phẩm ăn mòn không hòa tan Phản ứng ăn mòn của kim loại sắt (Fe) thường được thể hiện qua một phương trình đơn giản.
Cực âm (cathode) là nơi diễn ra phản ứng tiêu thụ điện tử được sinh ra từ phản ứng ở cực dương Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch, có hai phản ứng chính xảy ra tại cực âm: khi pH < 7, phản ứng là 2H + 2e → H2; còn khi pH > 7, phản ứng là 2H2O + O2 + 4e → 4OH.
Chất điện ly là dung dịch có khả năng cho phép các ion dương di chuyển từ cực dương đến cực âm, trong khi các ion âm di chuyển theo hướng ngược lại.
- Kết nối điện : Cực dương và cực âm phải được nối với nhau ở mạch ngoài của pin ăn mòn bằng dây dẫn điện
Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra b) Biểu đồ Pourbaix
Dựa trên dữ liệu phản ứng giữa kim loại và nước, Pourbaix đã phát triển biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện thế và độ pH, cho thấy các pha ổn định nhiệt động học phụ thuộc vào điện thế điện cực và độ pH Biểu đồ này đối với sắt được minh họa trong Hình 2.10.
Biểu đồ Pourbaix thể hiện mối quan hệ giữa điện thế và độ pH trong hệ thống Fe-H2O2, cho thấy các vùng không ăn mòn, ăn mòn và thụ động Điều này giúp hiểu rõ hơn về tính ổn định và khả năng chống ăn mòn của sắt trong môi trường khác nhau.
Biểu đồ thể hiện ba vùng chính: vùng ăn mòn (corrosion) của sắt, vùng thụ động (passivation) của sắt và vùng miễn dịch (immunity) của sắt Dựa trên giản đồ thế điện cực – pH của hệ Fe-H2O, có thể rút ra một số nhận xét quan trọng về tính chất và hành vi của sắt trong các điều kiện khác nhau.
- Biểu đồ Pourbaix cho phép dự đoán khả năng bị ăn mòn và không bị ăn mòn của sắt trong môi trường nước
- Rút ra nguyên tắc của phương pháp điện hóa bảo vệ chống ăn mòn sắt trong môi trường nước và cụ thể là:
Khi dịch chuyển thế điện cực của sắt (thép) trong môi trường nước về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn của sắt, sắt sẽ rơi vào vùng an toàn và không bị ăn mòn.
Dịch chuyển thế điện cực của sắt (thép) trong môi trường nước về phía dương so với điện thế ăn mòn giúp kim loại trở nên thụ động, được gọi là bảo vệ cực dương Việc điều chỉnh pH lên 12.5 – 13.5 sẽ đưa kim loại thép vào vùng thụ động, từ đó giảm tốc độ ăn mòn của kim loại Tính thụ động này là yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn.
Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn không hòa tan và bám chặt trên bề mặt kim loại, tạo thành một màng bảo vệ siêu mỏng giúp ngăn chặn quá trình ăn mòn.
Việc duy trì thụ động cần điều kiện điện thế phù hợp Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những phá vỡ của điện thế
2.7.2 Ăn mòn cốt thép trong bê tông
Bê tông chất lượng tốt với cấp phối trộn thích hợp, quy trình đổ, đầm và bảo dưỡng hiệu quả có khả năng bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn Lớp bê tông hoạt động như một rào cản vật lý, ngăn chặn sự xâm nhập của các chất gây hại Ngoài ra, độ kiềm cao trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông, nhờ vào hydroxit canxi từ phản ứng thủy hóa xi măng, cung cấp bảo vệ hóa học Với độ pH từ 12.5-13.5, bê tông nằm trong vùng thụ động theo biểu đồ Pourbaix, nơi ăn mòn thép không xảy ra Tuy nhiên, rào cản vật lý của bê tông không hoàn hảo do cấu trúc xốp và các vết nứt nhỏ, cho phép chất xâm thực xâm nhập và phá vỡ màng thụ động Hai nguyên nhân chính gây ra sự phá vỡ này là sự tích tụ ion clo trên bề mặt màng thụ động và sự giảm độ pH trong dung dịch lỗ rỗng do quá trình cacbonat hóa.
Các giai đoạn ăn mòn
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo 2 giai đoạn chính (Hình
Giai đoạn t là khoảng thời gian mà các yếu tố ảnh hưởng thâm nhập vào bê tông cho đến khi bắt đầu xảy ra ăn mòn Trong khi đó, giai đoạn t là khoảng thời gian diễn ra quá trình ăn mòn mạnh mẽ, dẫn đến hư hại đáng kể cho cốt thép.
Hình 2.11 Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông [14]
Trong bê tông thông thường, cốt thép được bảo vệ bởi một lớp oxit thụ động, được hình thành trên bề mặt cốt thép trong môi trường kiềm Tuy nhiên, có hai cơ chế chính có thể phá hủy lớp oxit bảo vệ này, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cốt thép.
- Cacbonat hóa hoặc rửa trôi làm giảm độ pH của bê tông
2.8.1 Ăn mòn thép do cacbonat hóa
Bê tông thường sử dụng xi măng có các khoáng C S, C S, C AF, C A, khi trộn với nước sẽ xảy ra các phản ứng thủy hóa, tạo ra độ kiềm cao với pH từ 12.5 đến 13.5 Theo biểu đồ Pourbaix, khi pH > 12.5, thép sẽ ở trong vùng thụ động, giúp hình thành màng thụ động trên bề mặt cốt thép, ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn.
Hiện tượng cacbonat hóa xảy ra khi hydroxit canxi được tạo ra từ các phản ứng thủy hóa của xi măng kết hợp với CO2 trong môi trường, dẫn đến sự hình thành CaCO3 và nước Quá trình này làm giảm lượng ion OH trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông, khiến độ pH giảm xuống dưới 12.5, thậm chí có thể xuống đến 8 Sự giảm pH này phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép, gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép.
Các bước của phản ứng như sau:
Khí CO trong khí quyển xâm nhập qua các vết nứt và lớp bê tông có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH) trong bê tông, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp xung quanh cốt thép Theo thời gian, vùng pH thấp này ngày càng lan rộng trong bê tông Khi nồng độ pH giảm xuống dưới 8 và tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hủy, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cốt thép.
Tốc độ cacbonat hóa được xác định bằng biểu thức sau : c k t Trong đó :
K – hệ dố cacbonat hóa , phụ thuộc vào chất lượng bê tông k 3mm / (năm) - bê tông tốt 0,5 k 6mm / (năm) - bê tông xấu 0,5
Các yêu tố cơ bản ảnh hưởng đến mức độ cacbonat hóa :
- Chất lượng bê tông ( xốp , đặc chắc )
- Độ ẩm ướt của bê tông : mức độ cacbonat hóa mạnh nhất ở trong khoảng độ ẩm từ 50 70%
2.8.2 Ăn mòn thép do ion clo
Khi nồng độ ion Cl vượt quá ngưỡng ăn mòn, môi trường điện hóa sẽ bị thay đổi, dẫn đến việc phá vỡ màng thụ động Sự xâm nhập của ion Cl làm cho cốt thép có nguy cơ bị ăn mòn nếu có độ ẩm và oxy Quá trình này diễn ra qua các phản ứng điện hóa tại hai cực: cực dương (vùng bị phá vỡ màng thụ động) và cực âm (vùng màng thụ động còn nguyên vẹn) Sự khác biệt điện thế giữa hai vùng này tạo ra dòng điện, khiến các điện tử di chuyển từ cực dương sang cực âm, đồng thời tạo ra dòng điện trong chất điện phân để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương Kết quả là cực dương sẽ hòa tan, làm giảm tiết diện của cốt thép.
Hình 2.12 Các phản ứng cực dương và cực âm [19]
Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng, bê tông sẽ không nứt và vỡ Để hình thành gỉ, cần xảy ra một số quá trình, trong đó có phản ứng giữa Fe(OH) với oxy và nước, tạo ra 2 Fe(OH) Hydroxit sắt 3 sau đó chuyển thành hydroxit ngậm nước, chính là gỉ sắt.
Mark G Richardson năm 2002 [20] đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực âm như sau :
Phản ứng cực dương ( anodic ) [20]
Phản ứng cực âm ( cathodic ) [19]
Khi có mặt của ion Clo phản ứng xảy ra như sau [20]
Cần cung cấp oxy và nước cho các phản ứng cực âm trong quá trình ăn mòn, nếu không, điện tử từ phản ứng cực dương sẽ không được tiêu thụ, dẫn đến tích tụ điện tích trên bề mặt thép Nếu bê tông khô, quá trình ăn mòn sẽ ngừng lại do thiếu độ ẩm; ngược lại, nếu bê tông quá ướt, oxy sẽ khó xâm nhập vào cấu trúc, cũng ngăn cản phản ứng cực âm Điều này cho thấy rằng có một mức độ ẩm tối ưu mà tại đó ăn mòn có thể xảy ra.
Sự hình thành hydroxit sắt xảy ra khi hai ion Fe²⁺ tại cực dương kết hợp với bốn ion hydroxit (OH⁻) từ cực âm Dưới tác động của oxy và độ ẩm, hydroxit sắt (Fe(OH)₂) sẽ chuyển đổi thành gỉ oxit sắt (Fe₂O₃·nH₂O).
Số lượng sắt phản ứng gỉ là tỳ lệ thuận với dòng điện ăn mòn và thời gian, nó phù hợp với định luật Faraday
Khi không thủy hóa, oxit sắt (FeO) có thể có thể tích gấp đôi so với thép Khi ngậm nước, oxit sắt sẽ trương nở và trở nên xốp, dẫn đến sự gia tăng thể tích từ 2-4 lần tại giao diện giữa thép và bê tông.
Ăn mòn là quá trình mất sắt xảy ra ở cực dương, dẫn đến sự hình thành gỉ màu đỏ nâu trên thanh thép Hiện tượng này có thể gây nứt và vỡ bê tông bảo vệ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn được trình bày trong bảng 2.1.
Theo nghiên cứu của Nielsen A (1985), oxit sắt không ngậm nước FeO có thể có thể tích gấp 2,23 lần so với thép mà nó thay thế Tuy nhiên, khi oxit sắt này ngậm nước, thể tích của nó có thể nở gấp 6,5 lần, dẫn đến tình trạng nứt và vỡ bê tông bảo vệ.
Hình 2.13 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt [21]
Thể tích gỉ tăng sẽ tạo ra lực đẩy lên lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến việc bê tông xuất hiện các vết nứt, vỡ hoặc tách lớp Khi xảy ra tình trạng này, tính toàn khối của bê tông bị suy giảm, làm giảm độ bám dính giữa bê tông và cốt thép Kết quả là mặt cắt ngang của cốt thép giảm dần, gây ra sự sụp đổ của kết cấu.
Hình 2.14 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gâ ra nứt , vỡ , tách lớp [21]
B ả ng 2.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với quá trình ăn mòn [21]
Độ ẩm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng cực âm và sự hình thành gỉ ở cực dương Nếu không có đủ độ ẩm cần thiết, tốc độ ăn mòn sẽ trở nên không đáng kể.
Oxy cần được cung cấp cho phản ứng ở cực âm, dẫn đến sự hình thành gỉ ở cực dương Nếu oxy cung cấp không đủ, tỷ lệ ăn mòn sẽ rất thấp Điện trở suất của bê tông ảnh hưởng đến dòng điện ăn mòn; điện trở suất càng cao thì dòng điện ăn mòn càng thấp Ngoài ra, điện trở suất tăng theo nhiệt độ và giảm khi hàm lượng ẩm tăng.