Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SƠN BẢO VỆ BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở KHU VỰC BIỂN" potx

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SƠN BẢO VỆ BÊ TÔNG
CỐT THÉP Ở KHU VỰC BIỂN

TS. NGUYỄN THỊ BÍCH THUỶ
Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải

Tóm tắt:

Hàm lượng tối ưu của các chất như CaCO
3
và SiO
2
đã được xác định thông qua
phương pháp cơ lý, hoá và điện hoá nhằm mục đích thu được tỷ lệ thành phần thích hợp để
chế tạo sơn bảo vệ bê tông cốt thép ở khu vực biển. Các loại sơn được chế tạo trên cơ sở
nhựa epoxy, polyuretan và acrylic với thành phần đã xác định có tính chất vật lý, cơ lý, hoá
và bảo vệ ăn mòn tốt, đáp ứng chỉ tiêu chất lượng của sơn được chỉ định trong ngành Giao
thông Vận tải.
1. Mở đầu
Nước ta có rất nhiều công trình bê tông cốt thép quan trọng nằm trải dài theo bờ biển từ
Bắc vào Nam. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, lắm mưa, nhiều nắng, nhiệt độ và độ
ẩm thay đổi liên tục trong ngày, độ muối trong khí quyển lớn, các kết cấu có thể bị phá huỷ
nhanh chóng. Bảo vệ và sửa chữa nhằm nâng cao tuổi thọ công trình là nhiệm vụ quan trọng
hàng đầu trong nền kinh tế quốc dân. Một trong những biện pháp bảo vệ hữu hiệu và tiết
kiệm nhất cho các kết cấu là sử dụng lớp phủ. Lớp phủ có tác dụng che chắn và bảo vệ bê
tông cốt thép, giúp vật liệu cách ly với môi trường xâm thực, do đó tránh được các tác động
xấu của môi trường đến độ bền và tuổi thọ của công trình. Yêu cầu quan trọng đối với các lớp
phủ bảo vệ kết cấu bê tông cốt thép ở vùng biển là phải có khả năng bám dính tốt với bề mặt
vật liệu nền, chịu tác động của thời tiết, bền tia tử ngoại, chống sự xâm thực của các ion clo
và có tuổi thọ cao.
2. Thực nghiệm

a. Nguyên liệu và hoá chất
Các nguyên liệu và hoá chất sử dụng để nghiên cứu và chế tạo sơn gồm: Nhựa epoxy,
polyol, nhựa acrylic, chất đóng rắn cho nhựa epoxy, polyizoxyanat, bột màu và chất độn
(TiO
2
, BaSO
4
, CaCO
3
, Cr
2
O
3
và thạch anh), phụ gia (hoá dẻo, chống lắng), dung môi…
b. Phương pháp nghiên cứu
- Các phương pháp xác định tính chất của sơn và màng sơn theo TCVN, 22TCN, 64 TCN,
TCVN 6934:2001, ISO, BS;
- Phương pháp tổng trở điện hóa (EIS);
- Phương pháp gia tốc ăn mòn bằng thử nghiệm phun mù muối ASTM B-117;
- Phương pháp thử nghiệm bức xạ tử ngoại theo ISO 11507.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CaCO
3
tới tính chất của màng sơn
a. Tính chất cơ lý của màng sơn
Kết quả xác định tính chất cơ lý (bảng 1) cho thấy, đối với sơn epoxy và sơn polyuretan,
khi hàm lượng CaCO
3
tăng từ 0 đến 20% thì độ cứng tương đối của màng sơn giảm xuống
một ít; các tính chất khác vẫn không thay đổi và đạt giá trị tốt. Từ hàm lượng 30% trở lên, tất

cả các tính chất đều giảm. Nhưng đối với sơn acrylic, khi hàm lượng CaCO
3
trong khoảng 0
đến 10%, màng sơn có tính chất cơ lý tốt và trong khoảng 20 đến 30%, độ bền va đập và độ
bền uốn bắt đầu giảm.
Bảng 1.
Tính chất cơ lý của màng sơn
Tính chất cơ lý
Loại sơn
CaCO
3

(%)
Độ bền va đập
(daN.cm)
Độ bền uốn

(mm)
Độ bám dính
(điểm)
Độ cứng
tương đối
0 50 1 1 0,32
10 50 1 1 0,30
Epoxy
20 50 1 1 0,28
30 48 2 1 0,23
0 50 1 1 0,31
10 50 1 1 0,29
20 50 1 1 0,29

Polyuretan
30 48 2 1 0,25
0 50 1 1 0,28
10 50 1 1 0,27
20 48 1 1 0,25
Acrylic
30 48 2 1 0,20
b. Tính chất điện hoá của màng sơn
Việc đo tính chất điện hoá cũng được tiến hành trên các mẫu có hàm lượng CaCO
3
khác
nhau. Sau 3 tuần ngâm mẫu và đo điện thế màng sơn, ta thu được đường cong biểu diễn mối
quan hệ giữa thế điện cực và thời gian.
Đối với sơn epoxy, thế điện cực của mẫu không chứa CaCO
3
bắt đầu giảm nhanh
sau 13 ngày, của mẫu chứa 10 và 20% CaCO
3
bắt đầu giảm sau 12 ngày; trong khi của
mẫu chứa 30% CaCO
3
thì từ ngày thứ 8 đã bắt đầu giảm mạnh (hình 1).

-1000
-900
-800
-700
-600
-500

-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% canxi cacbonat
10% canxi cacbonat
20% canxi cacbonat
30% canxi cacbonat

Hình 1.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn epoxy
với hàm lượng CaCO
3
khác nhau vào thời gian
Đối với sơn polyuretan, thế điện cực của mẫu không chứa CaCO
3
bắt đầu giảm mạnh từ
ngày thứ 12, của mẫu chứa 10 và 20% CaCO
3
bắt đầu giảm tương ứng sau 11 và 10 ngày;
trong khi của mẫu chứa 30% CaCO
3
thì từ ngày thứ 7 đã bắt đầu giảm mạnh (hình 2).
-1000
-900
-800

-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% canxi cacbonat
10% canxi cacbonat
20% canxi cacbonat
30% canxi cacbonat

Hình 2.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn polyuretan
với hàm lượng CaCO
3
khác nhau vào thời gian
Đối với sơn acrylic, thế điện cực của mẫu không chứa CaCO
3
bắt đầu giảm mạnh sau 11
ngày và của mẫu chứa 10, 20 và 30% CaCO
3
bắt đầu giảm tương ứng sau 10, 9 và 8 ngày
(hình 3).
-1000
-900

-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% canxi cacbonat
10% canxi cacbonat
20% canxi cacbonat
30% canxi cacbonat

Hình 3.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn acrylic
với hàm lượng CaCO
3
khác nhau vào thời gian
Các kết quả nghiên cứu về tính chất cơ lý và điện hoá chứng tỏ hàm lượng CaCO
3

thích hợp cho sơn epoxy là 20%, cho sơn polyuretan là 20% và cho sơn acrylic là 10%.
Với những hàm lượng này, tính chất cơ lý của các màng sơn đạt giá trị tốt và khả năng
bảo vệ chống ăn mòn của chúng vẫn đảm bảo.
3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng thạch anh tới tính chất của màng sơn
a. Tính chất cơ lý của màng sơn

Bảng 2.
Tính chất cơ lý của màng sơn
Tính chất cơ lý
Loại sơn
Thạch anh
(%)
Độ bền va đập
(daN.cm )
Độ bền uốn
(mm )
Độ bám dính
(điểm )
Độ cứng
tương đối
0 50 1 1 0,28
1 50 1 1 0,35
2 50 1 1 0,40
3 48 1 1 0,43
Epoxy
4 48 2 1 0,44
0 50 1 1 0,29
1 50 1 1 0,35
2 50 1 1 0,41
3 50 1 1 0,46
Polyuretan
4 48 2 1 0,48
0 50 1 1 0,27
1 50 1 1 0,32
2 48 1 1 0,36
3 48 1 1 0,40

Acrylic
4 45 2 1 0,45
Kết quả xác định tính chất cơ lý (bảng 2) cho thấy, đối với sơn epoxy, khi hàm lượng
thạch anh tăng từ 0 đến 2%, độ cứng tăng lên khá nhiều, trong khi các tính chất cơ lý khác
vẫn rất tốt. Nhưng khi lượng thạch anh từ 3 đến 4% thì độ cứng màng sơn tăng rất ít, còn các
tính chất cơ lý khác (độ bền va đập và độ bền uốn) bắt đầu giảm. Đối với sơn polyuretan, khi
hàm lượng thạch anh cao hơn 4% thì tính chất của màng sơn bắt đầu giảm; trong khi với các
hàm lượng từ 0 đến 3%, màng sơn có các tính chất cơ lý tốt. Đối với sơn acrylic, khi hàm
lượng thạch anh tăng tới 2% thì độ bền va đập của màng sơn đã giảm; với những hàm lượng
thạch anh cao hơn thì cả độ bền va đập và độ bền uốn đều giảm.
b. Tính chất điện hoá của màng sơn
Việc đo tính chất điện hoá cũng được tiến hành trên các mẫu có hàm lượng thạch anh khác
nhau. Sau 3 tuần ngâm mẫu và đo điện thế, ta thu được đường cong biểu diễn mối quan hệ
giữa thế điện cực và thời gian. Kết quả cho thấy, trong khoảng hàm lượng nghiên cứu, mẫu
sơn epoxy (hình 4) với hàm lượng thạch anh là 2%, mẫu sơn polyuretan (hình 5) với hàm
lượng thạch anh là 3% và mẫu sơn acrylic (hình 6) với hàm lượng thạch anh là 1% có thời
gian mà kể từ đó thế điện cực bắt đầu giảm mạnh là lớn nhất và tương ứng là 11, 13 và 12
ngày. Điều đó chứng tỏ, các màng sơn với những hàm lượng thạch anh đã chọn vẫn giữ được
khả năng bảo vệ chống lại các tác nhân ăn mòn của môi trường.
Các kết quả nghiên cứu tính chất cơ lý và điện hoá chứng tỏ hàm lượng thạch anh thích
hợp cho sơn epoxy là 2%, cho sơn polyuretan là 3% và cho sơn acrylic là 1%. Với những
hàm lượng này, độ cứng của các màng sơn tăng đáng kể, do đó tăng được độ bền mài mòn
của màng sơn, trong khi các tính chất cơ lý và điện hoá vẫn đảm bảo.
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400

-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% th¹ch anh
1% th¹ch anh
2% th¹ch anh
3% th¹ch anh

Hình 4.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn epoxy
với hàm lượnvangg thạch anh khác nhau vào thời gian
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% th¹ch anh

1% th¹ch anh
2% th¹ch anh
3% th¹ch anh

Hình 5.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn polyuretan
với hàm lượng thạch anh khác nhau vào thời gian
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Thêi gian (ngµy)
§iÖn thÕ (mV)
0% th¹ch anh
1% th¹ch anh
2% th¹ch anh
3% th¹ch anh

Hình 6.
Phụ thuộc của thế điện cực của thép được phủ sơn acrylic
với hàm lượng thạch anh khác nhau vào thời gian
3.3. Đánh giá chất lượng của sơn

Với các hàm lượng CaCO
3
và thạch anh thích hợp được xác định, chúng tôi đã chế tạo 3
loại sơn trên cơ sở các chất tạo màng epoxy, polyuretan, acrylic và tiến hành đánh giá các chỉ
tiêu kỹ thuật của chúng. Kết quả (bảng 3) chứng tỏ cả ba loại sơn nghiên cứu đều có các chỉ
tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn ngành 64 TCN 92-95.
Bảng 3.
Các chỉ tiêu kỹ thuật của sơn

Kết quả
TT

Tên chỉ tiêu Đơn vị

EP PU AC
Yêu cầu ngành
1 Màu sắc mẫu Ghi Ghi

Ghi

-
2 Độ nhớt (VZ – 4)

giây 37 32 37 30 – 40
3 Thời gian khô
+ Khô không bắt bụi
+ Khô hoàn toàn

giờ

4,0
17,5

4,0
16,0


1,5
3,0


6

24
4 Độ mịn

m
20 15 20

35
5 Độ bám dính điểm 1 1 1 1
6 Độ bền uốn mm 1 1 1 1
7 Độ bền va đập daN.c
m
50 50 50 -
8 Độ cứng màng sơn 0,40 0,46

0,32



0,30
9 Độ bền xăng dầu 72 giờ màng sơn không
bong rộp
72 giờ màng sơn không
bong rộp
10 Độ bền nước 72 giờ màng sơn không
bong rộp
72 giờ màng sơn không
bong rộp
11 Độ bền axit 48 giờ màng sơn không
bong rộp
48 giờ màng sơn không
bong rộp
12 Độ bền kiềm 48 giờ màng sơn không
bong rộp
48 giờ màng sơn không
bong rộp
3.4. Đánh giá tuổi thọ các hệ sơn bằng phương pháp gia tốc
Trên cơ sở 3 loại sơn đã chế tạo được, chúng tôi tiến hành thiết kế và thử nghiệm gia tốc
trong tủ mù muối hai hệ sơn: hệ 1 (1 lớp sơn lót epoxy và 1 lớp sơn phủ acrylic, chiều dày
mỗi lớp 20 đến 25

m) và hệ 2 (1 lớp sơn lót epoxy và 1 lớp sơn phủ polyuretan, chiều dày
mỗi lớp 20 dến 25

m) cùng với hệ 3 (2 lớp sơn acrylic S.AP-P1 chiều dày mỗi lớp 20 đến
25

m) có tuổi thọ 5 năm là mẫu so sánh.
Dựa trên việc quan sát các mẫu có thể thấy, sau 20 chu kỳ thử nghiệm mù muối, hệ 3 xuất

hiện các điểm rỉ và có hiện tượng phồng rộp cỡ số 8 (mức độ trung bình). Ở các hệ 1 và 2
không thấy có hiện tượng rỉ hay phồng rộp. Như vậy, qua thử nghiệm gia tốc có thể kết luận
rằng, hai hệ sơn chế tạo được có khả năng chịu mù muối tốt và có tuổi thọ lớn hơn hoặc bằng
5 năm.
4. Kết luận

Đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng các chất độn CaCO
3
và thạch anh đến tính chất
cơ lý và thế điện cực theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch NaCl của màng sơn.
- Hàm lượng CaCO
3
thích hợp cho sơn epoxy là 20%, cho sơn polyuretan là 20% và cho
sơn acrylic là 10%. Với những hàm lượng này, màng sơn có tính chất cơ lý tốt và khả năng
bảo vệ ăn mòn cao;
- Hàm lượng thạch anh thích hợp cho sơn epoxy là 2%, cho sơn polyuretan là 3% và cho
sơn acrylic là 1%. Với những hàm lượng này, độ cứng của các màng sơn tăng đáng kể, trong
khi các tính chất cơ lý và khả năng bảo vệ ăn mòn vẫn đảm bảo;
- Ba loại sơn nghiên cứu trên cơ sở các nhựa epoxy, polyuretan và acrylic đáp ứng được
các yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn 64 TCN 92-95, sử dụng thích hợp để chế tạo các hệ sơn
bảo vệ bê tông cốt thép ở vùng biển;
- Hai hệ sơn thiết kế: hệ 1 (lớp sơn lót epoxy và lớp sơn phủ acrylic) và hệ 2 (lớp sơn lót
epoxy và lớp sơn phủ polyuretan) có khả năng bảo vệ bê tông cốt thép ở vùng biển với tuổi
thọ lớn hơn hoặc bằng 5 năm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

PHẠM VĂN KHOAN, TRẦN NAM
.
Giải pháp chống ăn mòn và bảo vệ cốt thép chịu tác

động xâm thực clo trong môi trường biển.
Tạp chí KHCN Xây dựng, số 1/2004.
2. NGUYỄN THỊ BÍCH THUỶ

và ctv. Báo cáo khoa học “Nghiên cứu lựa chọn phụ gia
polyme dùng để chế tạo vữa, bê tông ximăng định hướng sử dụng trong sửa chữa công
trình giao thông trong môi trường biển”.
Trung tâm KHCN bảo vệ công trình và phương
tiện GTVT, Viện KH&CN GTVT, Hà Nội, 2006.
3. NGÔ QUỐC QUYỀN
.
Vấn đề ăn mòn của kết cấu công trình ven biển và công nghệ
chống ăn mòn.
Tổng luận phân tích -TTKHTN và CNQG, 1994.
4. ZENO W, WICKS J.R, S.PETER PAPPAS, FRANK N, JONES
.
Organic Coatings:
Science and Technology.
Wiley-Interscience, NY, 1999.
5. MAY C.A
.
Epoxy Resins, Chemistry and Technology.

2
nd
Edition, Decker, NY, 1998
.

6. CHARRIER J.M
.

Polymeric Materials and Processing.
Hanser Pushlishers, NY, 1991.
7. KEITH JOHNSON
.
Polyurethane Coatings.
Noyes Data Corp., 1972.
8. DOYLE E.N
.
The Development and Use of Polyurethane Products,
NY, 1971.