ăn mòn thép trong kết cấu bê tông

Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ hai về
Sự cố và h hỏng công trình Xây dựng
ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt
thép vùng biển miền trung việt nam
ABRASION OF REINFORCEMENT IN THE REINFORCED
CONCRETE IN THE MIDDLE SEA OF VIETNAM
KS. Lê Ngọc Quang
ThS. Nguyễn Huy Quang
Công ty t vấn công nghệ thiết bị và kiểm định xây dựng
ABSTRACT: This presentation refers to some problems in regards of the abrasion of
reinforcement in reinforced concrete structure under sea environmental effects of
middle sea in Vietnam basing on the survey and inspection results of several actual
projects. The conclusions and solutions are taken here from to propose reasonable
technical prevention solutions for the basic civil construction and also economical
activities with purpose of exploitation in the coastal areas of middle sea in Vietnam.
1. Đặt vấn đề
Với nhiều lợi thế về địa lý, tự nhiên và xã hội phù hợp cho sự hoạch định phát triển
kinh tế các vùng lãnh thổ ven biển của cả nớc nói chung và miền trung nói riêng đang
đợc u tiên tập trung đầu t xây dựng các khu kinh tế nh công nghiệp, du lịch, đô thị
Tuy nhiên, vấn đề giảm tuổi thọ công trình xây dựng ở những vùng này do ảnh hởng
của các yếu tố môi trờng tự nhiên đang đặt ra cho các nhà thiết kế và thi công xây dựng
một bài toán khá hóc búa. Vì hiện nay cha có đợc tiêu chuẩn hay qui phạm thiết kế và
thi công thích hợp và dành riêng đối với điều kiện môi trờng. Chính vì vậy, việc nghiên
cứu thực trạng các công trình đã có, đánh giá nguyên nhân, phân tích thực tiễn rút ra
những kinh nghiệm và đề xuất các giải pháp nhằm khắc phục và giảm thiểu các thiệt
hại là hết sức cần thiết.
2. Tính chất xâm thực của môi trờng
Đặc điểm chung của khí hậu nớc ta là nhiệt đới ẩm, gió mùa, nhiều nắng và ma. Riêng
vùng ven biển trong khí quyển thờng còn lẫn các tạp chất mang tính xâm thực tới kết
cấu bê tông cốt thép nh Cl, SO
3

, CO
2
trong đó đặc biệt là Clo [3,4]. Một số đặc tr ng
của môi trờng vùng biển miền trung nớc ta nh sau:
Nớc biển: có chứa các muối mang tính xâm thực bê tông và bê tông cốt thép: NaCl
2,7%, MgCl
2
0,32%, MgSO
4
0,22%, CaSO
4
- 0,13%, KHCO
3
0,02%.
Khí quyển biển:
+ Lợng muối clorua phan tán cao, giảm dần theo chiều cao và theo chiều sâu vào
đất liền, giảm mạnh ở cự ly 100 mét cách bờ biển.
+ ảnh hởng của khí quyển biển lan rộng trên 10 km.
+ Đặc trng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm (bảng 1).
+ Khí quyển biển gây ẩm ớt bề mặt.
Bảng 1. Tính chất môi trờng khí quyển ven biển miền trung Việt Nam
Địa
điểm
Dao động
nhiệt độ,
o
C
Độ ẩm
trung
bình, %

Lợng ma
trung
bình, mm
Số ngày
sơng mù,
ngày
Tốc độ ăn
mòn thép
CT3,g/m
2
.năm
Lợng muối
(Cl
-
) sa lắng
mg/m
2
.ngày
Vinh 17,6-29,6 85 1994,3 26,8 309,6 0,6-1,0
Đà
Nẵng
21,3-29,1 85 2041,5 3,3 382,1 8-40
Nha
trang
23,8-28,4 82 1358,9 0,3 409,4 10-50
Ngoài các tác động thờng xuyên nh nhiệt độ, độ ẩm cao, lợng Clo lớn thì một trong
những nét đặc trng của khí hậu miền trung Việt Nam là tác động theo chu kỳ khô - ẩm
và nhiều gió, bão. Trong mùa Đông, thờng xen kẽ các đợt gió mùa Đông Bắc, kéo
theo thời tiết hanh khô với các đợt ma phùn độ ẩm cao. Về mùa hè, trời nắng nóng làm
nớc bốc hơi nhanh nhng lại có các đợt ma rào thấm ớt đột ngột. Các tác động trên gây

nên quá trình khô ẩm bề mặt kết cấu và khuếch đại tốc độ thẩm thấu của các chất xâm
thực. Ngoài ra các đợt gió, bão cũng đa lợng muối lớn vào đất liền.
Nh vậy, khí quyển ven biển miền trung Việt Nam với độ ẩm và nhiệt độ cao, lợng muối
lớn kèm theo các thay đổi chu kỳ khô ẩm và gió bão mạnh tiềm ẩn khả năng xâm thực
mạnh tới kết cấu bê tông cốt thép [4].
3. cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo hai giai đoạn chính (xem hình 1)
[5]. Giai đoạn t
1
là khoảng thời gian các nhân tố ảnh hởng thâm nhập vào bên trong bê
tông cho đến khi mức độ ăn mòn bắt đầu xảy ra và giai đoạn t
2
là khoảng thời gian mà
sự ăn mòn xảy ra mạnh mẽ cho đến khi cốt thép bị h hại đáng kể.
Hình 1. Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Trong bê tông, thông thờng cốt thép đợc bảo vệ bằng một lớp ô xít thụ động. Lớp ô xít
sắt này đợc tạo trên bề mặt cốt thép bền vững trong môi trờng kiềm. Có hai cơ chế chủ
yếu phá huỷ lớp ô xít bảo vệ dẫn đến ăn mòn cốt thép [2].
Độ rỉ
Tốc độ rỉ
Thời gian
Ngưỡng hư hại cốt thép
t
1
t
2
- Các bonat hoá hoặc rửa trôi làm giảm độ pH của bê tông.
- Xâm nhập Clo.
3.1. Quá trình Cácbonat hoá
Khí CO

2
trong khí quyển thấm nhập qua các vết nứt và qua lớp bê tông bảo vệ có độ
đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH)
2
có trong bê tông, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp
trong miền lân cận cốt thép. Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp ngày càng phát
triển rộng trong bê tông theo chiều sâu. Khi nồng độ pH 8 và vùng này tiếp xúc với
cốt thép, lớp ô xít bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và cốt thép bắt đầu
bị ăn mòn.
Tốc độ cácbonat hoá đợc xác định bằng biểu thức sau:
tkc .
=
(1)
Trong đó:
c chiều sâu cácbonat hoá
t thời gian
k hệ số cácbonat hoá, phụ thuộc vào chất lợng bê tông
k < 3mm/(năm)
0,5
bê tông tốt
k > 6mm/(năm)
0,5
bê tông xấu
Các yếu tố cơ bản ảnh hởng đến mức độ các bonat hoá:
- Chất lợng bê tông ( xốp, đặc chắc)
- Độ ẩm ớt của bê tông: mức độ các bonat hoá mạnh nhất ở trong khoảng độ
ẩm từ 50ữ70%
3.2. Quá trình xâm nhập clo
Trong môi trờng kiềm, màng ô xít bảo vệ xung quanh cốt thép có thể bị phá huỷ do tác
động của clo. Trong bê tông clo có thể đến theo hai giai đoạn:

3.2.1. Trong giai đoạn thi công:
- Clo có trong nớc sử dụng trộn bê tông.
- Clo có trong cốt liệu.
3.2.2. Trong giai đoạn sau thi công:
Clo xâm nhập từ môi trờng bên ngoài vào
- Clo có trong nớc biển, vùng lân cận thuỷ triều.
- Clo có trong khí quyển.
- Clo có trong các mạch nớc ngầm hoặc trong nớc sông nhận chất thải từ các
khu công nghiệp.
Sự ăn mòn bắt đầu khi có một lợng clo nhỏ nhất xâm nhập vào vùng có cốt thép. ở đây
gọi là ngỡng ăn mòn và đợc coi nh vào khoảng 0,06% trọng lợng mẫu bê tông. Mức độ
có thể lớn 10-15 lần hàm lợng ban đầu, tốc độ thẩm thấu của clo có khác nhau giữa các
vùng.
4. phơng pháp đánh giá ăn mòn cốt thép trong bê tông
4.1. Xác định khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông
Có nhiều phơng pháp để xác định khả năng xảy ra ăn mòn cốt thép trong bê tông, nh:
xác định chiều sâu nhiễm các bon, xác định sự xâm nhập của clo, đo điện trở của bê
tông và đo điện thế của bê tông.
ở đây sử dụng phơng pháp đo điện thế của bê tông.
4.1.1.Cơ sở:
Phơng pháp này dựa trên bản chất ăn mòn điện hoá của cốt thép. Ban đầu độ kiềm pH
trong bê tông có trị số 12,5ữ13,0. Môi trờng này tạo nên 1 lớp ô xít sắt trên bề mặt cốt
thép. Lớp ô xít ban đầu này có độ đặc chắc cao, ngăn cản không cho quá trình ăn mòn
phát triển, đợc gọi là màng bảo vệ thụ động của cốt thép.
Nhng trong quá trình khai thác, cùng với thời gian độ pH trong bê tông giảm xuống dới
11, đồng thời các ion xâm thực, đặc biệt là Cl
-
tấn công vào cốt thép. Khi 1 điểm của
màng bảo vệ thụ động bị phá vỡ nó tạo thành 1 anod và đồng thời tạo ra dòng điện ion
giữa anod và katod. Từ việc đo điện thế bề mặt bê tông xây dựng đợc bản đồ điện thế

cho phép đánh giá khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông [2].
4.1.2. Trình tự:
- Xác định vị trí cốt thép, nối cốt thép với von kế, vôn kế nối với điện cực Cu-CuSO
4
.
- Di chuyển điện cực trên bề mặt bê tông dọc theo vị trí cốt thép và ghi số hiện trên
màn hình vôn kế.
4.1.3. Xử lý số liệu:
So sánh giá trị điện thế đo đợc với bảng tiêu chuẩn để đánh giá ( bảng 2)

Bảng 2. Bảng tiêu chuẩn đánh giá khả năng ăn mòn cốt thép
Điện thế Khả năng ăn mòn
+ Lớn hơn 200mV 5%
+ Từ -200mV đến -350mV 50%
+ Nhỏ hơn -350 mV 95%
4.2. Đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép trong bê tông
Để đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép, sử dụng thiết bị nội soi quang học. Sau khi xác
định vị trí cốt thép và chiều dày lớp bảo vệ bằng thiết bị Proformetter, ngời ta khoan
một lỗ đờng kính 10 mm đến cốt thép và luồn dây quang học để xem và chụp ảnh (với
độ phóng đại gấp 10 lần). Căn cứ vào ảnh thu đợc sẽ tiến hành phân loại.
5. thực trạng ăn mòn cốt thép trong bê tông ở một số công
trình ven biển miền trung
5.1. Nhà điều hành ga Vinh Nghệ An
Xây dựng và hoàn thành năm 1982, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm.
Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 7.000 mét. Khảo sát tháng
8 năm 1999.
Bảng 3. Kết quả khảo sát
TT Tên cấu kiện Chiều dày,
lớp bảo vệ,
mm

Điện thế,
mV
Cờng độ
bê tông,
kG/cm
2
Tình trạng ăn mòn
cốt thép
Tầng 1
1 Cột A1-9 20 - 242 255 Thép cha gỉ
2 Cột A1-13 10 - 368 210 Thép gỉ nặng
3 Cột B-5 10 - 315 215 Thép gỉ nặng
4 Cột B-10 15 - 300 205 Thép gỉ nặng
5 Cột B-16 20 - 216 260 Thép gỉ nhẹ
6 Cột B-22 15 - 320 215 Thép gỉ nặng
7 Cột D-14 20 - 278 245 Thép gỉ nhẹ
8 Dầm CB-13 10 - 359 200 Thép gỉ nặng
9 Dầm 22-C2B 10 - 346 205 Thép gỉ nặng
10 Dầm 10-BC 15 - 338 200 Thép gỉ nặng
11 Dầm 6-AB 15 - 331 210 Thép gỉ nặng
12 Dầm 3-AB 15 - 329 205 Thép gỉ nặng
Tầng 2
13 Cột A1-13 15 - 332 210 Thép gỉ nặng
14 Cột A2-12 20 - 262 260 Thép cha gỉ
15 Cột A1-9 10 - 385 210 Thép gỉ nặng
16 Cột A2-9 15 - 347 205 Thép gỉ nặng
17 Cột B-11 15 - 339 210 Thép gỉ nặng
18 Cột D-12 10 - 354 205 Thép gỉ nặng
19 Cột D-10 20 - 276 250 Thép gỉ nhẹ
20 Dầm 4-AB 20 - 229 255 Thép gỉ nhẹ

21 Dầm 8-AB 10 - 353 200 Thép gỉ nặng
22 Dầm 11-DC 10 - 366 210 Thép gỉ nặng
23 Dầm 13-DC 10 - 371 215 Thép gỉ nặng
24 Dầm 6-DE 10 - 350 205 Thép gỉ nặng
5.2. Nhà lu mẫu Viện hải d ơng học Nha Trang tỉnh Khánh Hoà
Xây dựng và hoàn thành năm 1985, công trình cấp II, niên hạn sử dụng trên 50 năm.
Kết cấu khung bê tông cốt thép. Nằm cách bờ biển khoảng 500 mét. Khảo sát tháng 4
năm 2000.
Bảng 4. Kết quả khảo sát
TT Tên cấu kiện
Chiều dày,
lớp bảo vệ,
mm
Điện
thế, mV
Cờng độ
bê tông,
kG/cm
2
Tình trạng ăn mòn cốt
thép
1 Cột 1-A 15 -346 195 Thép gỉ nặng
2 Cột 2-A 15 -382 190 Thép gỉ nặng
3 Cột 3-A 10 -376 210 Thép gỉ nặng
4 Cột 4-A 10 -362 200 Thép gỉ nặng
5 Cột 5-A 20 -249 240 Thép gỉ nhẹ
6 Cột 1-B 15 -356 220 Thép gỉ nặng
7 Cột 2-B 20 -233 215 Thép gỉ nhẹ
8 Cột 3-B 15 -361 205 Thép gỉ nặng