NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN, TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TẠ DUY LONG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG
MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN,
TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TẠ DUY LONG
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN HÓA HỌC CỦA BÊ TÔNG TRONG
MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ĂN MÒN,
TĂNG TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH

: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

MÃ SỐ

: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

TS. NGUYỄN NHƯ OANH

2.

TS. VŨ QUỐC VƯƠNG

Hà Nội – 2012


TẠ DUY LONG

+

LUẬN VĂN THẠC SĨ

+

HÀ NỘI – 2012

1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỂ TÀI ................................................................ 4
CHƯƠNG I ....................................................................................................... 5
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG,............................................... 5
BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN............................................................... 5
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT
THÉP TRÊN THẾ GIỚI ............................................................................... 5
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT
THÉP Ở VIỆT NAM .................................................................................... 8
CHƯƠNG II .................................................................................................... 13
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM ................................................. 13
2.1. ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM ................................ 13
2.1.1. Vùng ngập nước biển .................................................................... 13
2.1.2. Vùng khí quyển trên biển và ven biển .......................................... 14
2.1.3. Vùng nước lên xuống và sóng đánh.............................................. 16
2.2. CƠ CHẾ PHÁ HỦY BÊ TÔNG TRONG NƯỚC BIỂN .................... 16
2.2.1. Giới thiệu về xi măng .................................................................... 16
2.2.2. Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng .......... 19
2.2.2.1. Cấu trúc của đá xi măng ......................................................... 19
2.2.2.2. Ăn mòn xi măng ..................................................................... 21
2.2.3. Tác động ăn mòn xi măng của nước biển ..................................... 21
2.2.3.1. Tác động của CO 2 .................................................................. 22
2.2.3.2. Tác động của MgCl 2 , MgSO 4 ............................................... 22
2.2.4. Hiện tượng mềm hóa bê tông do nước biển gây ra ....................... 24
2.2.4.1. Cơ sở đánh giá cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian
............................................................................................................. 24

2.2.4.2. Đánh giá sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông trong
môi trường nước biển ở Đồng bằng Sông Cửu Long ......................... 26
2.3. CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA NƯỚC BIỂN ......................... 28
2.4. TUỔI THỌ CÔNG TRÌNH VÀ QUÁ TRÌNH SUY GIẢM ĐỘ BỀN
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN ..................................................... 38
CHƯƠNG III................................................................................................... 43
CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ
TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN ................................................................... 43


2

3.1. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ, THI
CÔNG NHẰM ĐẢM BẢO ĐỘ BỀN LÂU CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG,
BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN......................................................... 44
3.1.1. Yêu cầu về vật liệu đầu vào và lựa chọn thành phần bê tông ....... 44
3.1.1.1. Chủng loại xi măng dùng trong môi trường biển .................. 44
3.1.1.2. Cốt liệu dùng cho bê tông ...................................................... 44
3.1.1.3. Nước cho bê tông ................................................................... 50
3.1.1.4. Phụ gia cho bê tông ................................................................ 51
3.1.1.5. Cốt thép .................................................................................. 53
3.1.2. Thiết kế kết cấu và cấu tạo kiến trúc............................................. 54
3.1.3. Yêu cầu kỹ thuật trong thi công .................................................... 56
3.1.3.1. Thiết kế thành phần bê tông có tính tới sự dao động chất
lượng ................................................................................................... 56
3.1.3.2. Đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ trong lắp dựng cốt thép
............................................................................................................. 59
3.1.3.3. Đổ và đầm bê tông ................................................................. 60
3.1.3.4. Kỹ thuật thi công mạch ngừng và mối nối............................. 62
3.1.3.5. Yêu cầu về bảo dưỡng bê tông ............................................... 64

3.2. CÁC BIỆN PHÁP HỖ TRỢ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN
MÒN CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG
MÔI TRƯỜNG BIỂN ................................................................................. 66
3.3. CÁC BIỆN PHÁP BẢO TRÌ VÀ SỬA CHỮA KẾT CẤU VÙNG
BIỂN............................................................................................................ 74
CHƯƠNG IV. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA CHỐNG THẤM,
CHỐNG XÂM THỰC BIFI-WP CHO BÊ TÔNG VÙNG BIỂN ................. 82
4.1. GIỚI THIỆU PHỤ GIA BIFI-WP ...................................................... 82
4.2. THÍ NGHIỆM ĐỂ ĐÁNH GIÁ NHỮNG TÁC DỤNG MÀ PHỤ GIA
BIFI-WP MANG LẠI ................................................................................. 82
4.2.1. Các thí nghiệm .............................................................................. 82
4.2.1.1. Thí nghiệm xác định độ lưu động .......................................... 82
4.2.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ ............................................... 84
4.2.1.3. Thí nghiệm xác định hệ số thấm ............................................ 84
4.2.2. Thành phần bê tông và cấp phối thí nghiệm ................................. 86
4.2.2.1. Thành phần bê tông ................................................................ 86
4.2.2.2. Cấp phối thí nghiệm ............................................................... 86
4.2.2.3. Lựa chọn tỷ lệ phụ gia............................................................ 86
4.2.3. Các kết quả thí nghiệm.................................................................. 88
4.2.3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ ................................................. 88
4.2.3.2. Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm ................................ 88
4.2.3.3. Thí nghiệm ngâm mẫu vữa xi măng trong nước biển ............ 91


3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 94

4

MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỂ TÀI
Nước ta có đường bờ biển dài hơn 3600 km trải dài từ Móng Cái đến
Hà Tiên. Bên cạnh việc đem lại cho con người những giá trị tích cực về kinh
tế, tinh thần, biển còn có thể mang đến sự tàn phá, huỷ hoại ghê gớm. Từ bao
đời nay, những công trình trong môi trường biển, bảo vệ bờ biển đã và đang
hình thành ngày càng nhiều với sự đóng góp đáng kể của những tiến bộ khoa
học kỹ thuật với mục đích lợi dụng tối đa những lợi ích và giảm tối thiểu
những tác động tiêu cực từ nước biển.
Đê biển và các công trình bê tông trong vùng biển là loại công trình ven
bờ biển và trong môi trường biển, bị nước biển theo thời gian ăn mòn, phá
hỏng các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép không những về mặt cơ học mà
còn gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học. Nó gây hư hỏng và giảm tuổi thọ công
trình. Một khi đê biển và các công trình bê tông và bê tông cốt thép bị phá
hoại thì hậu quả tác động tới kinh tế và kinh tế xã hội rất lớn. Vì vậy việc
nghiên cứu cơ chế ăn mòn hóa học của bê tông trong môi trường biển và đưa
ra một số giải pháp giảm thiểu ăn mòn, tăng tuổi thọ công trình trở thành vấn
đề vô cùng cấp thiết với nước ta hiện nay.
Những vấn đề cần giải quyết của luận văn.
- Nghiên cứu cơ chế ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép trong môi trường
biển Việt Nam.
- Các giải pháp khắc phục tình trạng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép
vùng biển.
- Nghiên cứu sử dụng phụ gia chống thấm, chống xâm thực để khắc phục
tình trạng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép.


5

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG,
BÊ TÔNG CỐT THÉP VÙNG BIỂN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT
THÉP TRÊN THẾ GIỚI
Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 1920 tại Hội nghị hằng hải Quốc tế
[22] cho tới nay đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề ăn mòn bê tông và
bê tông cốt thép vùng biển. Xung quanh cơ chế phá hủy bê tông và bê tông
cốt thép trong môi trường biển còn nhiều điều bàn luận, đặc biệt là bản chất
sự ăn mòn bê tông trong nước biển. Lý do là có nhiều yếu tố xâm thực tác
động theo các cơ chế khác nhau. Quá trình ăn mòn lại diễn ra chậm do vậy
các kết quả thí nghiệm nhanh nếu có mô phỏng thường không lột tả đúng bản
chất phá hủy trong thực tế. Trên con đường xác định bản chất ăn mòn bê tông
và bê tông cốt thép ở biển ta đã phải khảo sát rất nhiều công trình thực tế bị
hư hỏng.
Năm 1980, trong báo cáo của mình tại hội nghị khoa học đầu tiên về độ
bền lâu của công trình biển ở New Brunswick[24], K.Mehta đã trích dẫn kết
quả khảo sát thực tế trên nhiều công trình đã tồn tại từ 60-100 năm trong môi
trường biển. Thực tế chỉ ra rằng chủ yếu hư hỏng do ăn mòn cốt thép, nhất là
vùng nước lên xuống. Đối với bê tông có phát hiện thấy hiện tượng mềm hóa
khi có hàm lượng xi măng thấp. Một số trường hợp bê tông nứt bề mặt,
nguyên nhân đa phần là do phản ứng kiềm- silic hoặc nứt vì các lý do khác.
Trong thành phần bê tông lâu năm ở biển có xác định một số sản phẩm ăn
mòn như aragonite, brucite, ettringite, magnesium silicat hydrate,… Tuy vậy
ở một số công trình, bê tông còn giữ được chất lượng cao sau nhiều năm ở


6

biển (70 năm), mặc dù được chế tạo từ xi măng pooclang với hàm lượng C 3 A
tới 14,9%.
Trong hội nghị khoa học về công trình biển lần thứ 2 vào năm 1988[22]
K.Mehta tiếp tục đưa ra những dẫn chứng khác về sự ăn mòn bê tông, bê tông
cốt thép trong môi trường biển. Bản chất hiện tượng không có gì khác biệt so
với các lần trước.
Odd E.Gjorv trong tài liệu [20] đã tổng kết nhiều kết quả khảo sát chất
lượng các công trình biển ở Nauy và cũng đưa ra kết luận phần lớn nguyên
nhân hư hỏng là do rỉ cốt thép. Có nhiều kết cấu sau 70-80 năm sử dụng vẫn
còn ở tình trạng tốt nếu được thiết kế hợp lý và thi công chuẩn xác.
Tại Nhật Bản, Sh.Toyama và Y.Ishii[19] đã công bố kết quả khảo sát
494 cấu kiện đơn lẻ trên các cảng biển ở Nhật bản. Rất nhiều kết cấu bị ăn
mòn cốt thép dẫn tới nứt vỡ bê tông bảo vệ. Hàm lượng ion Cl- trong bê tông
rất cao.

Hình 1.1. Tình trạng ăn mòn bê tông, cốt thép trụ cầu cảng ở Mỹ


7

Hình 1.2
Tình trạng ăn mòn bê tông ở Anh

Hình 1.3
Tình trạng ăn mòn bê tông ở Nam Phi

Tại Nga việc nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép đã
được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Theo V.M. Moskvin, công trình của
vica “nghiên cứu 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 công trình

nghiên cứu khoa học đầu tiên về ăn mòn. Những năm đầu của thế kỷ XX viện
nghiên cứu độ bền các công trình thủy lợi biển của Nga do những kỹ sư xây
dựng nổi tiếng như A.R. Shuliachenko, V.I. Charnomskij đã khảo sát những
công trình bê tông và bê tông cốt thép tại các hải cảng châu Âu và Nga. Họ đã
đi đến kết luận rằng bằng xi măng pooclang không thể chế tạo bê tông cốt
thép bền vững trong môi trường biển. Sự nâng cao độ đặc bê tông chỉ có thể
mang lại tuổi thọ cho các công trình từ 20-30 năm. Những nghiên cứu về sử
dụng bê tông và bê tông cốt thép trong các xí nghiệp công nghiệp được thực
hiện vào đầu thế kỷ XX như công trình nghiên cứu của E.Rabal’d. Đặc biệt là
công trình nghiên cứu của A.A Bajkov là công trình nghiên cứu có giá trị lớn
trong lĩnh vực này. Ông đã phân tích nguyên nhân gây ăn mòn bê tông và
những biện pháp áp dụng trong thực tế chống ăn mòn. Kavatosi trong công
trình nghiên cứu của mình đã đưa ra loại phụ gia tổng hợp siêu dẻo


8

(Furylacol-Ca(NO 3 ) 2 ) để chế tạo vữa bền trong môi trường chịu tác động xâm
thực của các muối gây ăn mòn. G.Bachacốp trong một công trình khác đã
công bố việc sử dụng dầu nhựa thông với hàm lượng 0,15% đề chế tạo vữa và
bê tông có khả năng chống ăn mòn cao.
Các nghiên cứu đều có kết luận thống nhất về nguyên nhân ăn mòn là
do các sản phẩm hủy hóa của xi măng bị tan vào môi trường hoặc tác dụng
với các muối, axit có trong môi trường tạo ra những hợp chất có tính tan
mạnh hoặc nở thể tích gây nên sự phá hủy kết cấu nội bộ các công trình. Các
công trình nghiên cứu cũng đánh giá được hiệu quả của các biện pháp chống
ăn mòn: Dùng phụ gia vô cơ hoạt tính, dùng xi măng đặc biệt…Các bình luận
về nguyên nhân gây ăn mòn và giới hạn độ bền của kết cấu bê tông và bê tông
cốt thép dùng trong các môi trường này vẫn còn nhiều vấn đề phải tranh cãi
kéo dài cho đến nay.

1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT
THÉP Ở VIỆT NAM
Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép ở nước ta sau một
thời gian khai thác đã bị ăn mòn và phá hoại trong các môi trường có tính chất
ăn mòn. Điều đó đòi hỏi phải có các biện pháp phòng ngừa để hạn chế sự ăn
mòn của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Nhà nước ta đã ban hành các
tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 3993:85 “chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu
bê tông và bê tông cốt thép- nguyên tắc cơ bản để thiết kế”, TCVN 3994:85 “
chống ăn mòn trong xây dựng- kết cấu bê tông và bê tông cốt thép- phân loại
ăn mòn”, TCXD 149-86 “ bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn” . Tuy
nhiên, các tiêu chuẩn này chưa đề cập đến tất cả các loại ăn mòn, các môi
trường ăn mòn, do đó việc áp dụng cũng bị hạn chế và chưa phát huy được tác
dụng trong thực tế.


9

Nhận thức được tính cấp bách của việc chống ăn mòn bê tông và bê
tông cốt thép, ở nước ta có nhiều cơ quan khoa học đã nghiên cứu vấn đề này.
Các đề tài nghiên cứu chưa quan tâm nghiên cứu về lý thuyết, mà chủ yếu đi
vào các biện pháp cụ thể chống ăn mòn cho công trình kết cấu bê tông và bê
tông cốt thép. Các nghiên cứu tập trung vào việc chống ăn mòn của môi
trường lỏng, chủ yếu là môi trường biển, vì nước ta có hơn 2000 km bờ biển
và ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường
biển.
Trong những năm cuối của thập kỷ 60 có một số nhà nghiên cứu đã tiến
hành khảo sát hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép ở cảng Hòn Gai, Hải
Phòng được xây dựng từ năm 1914 và cũng đã đưa ra nhận xét là cần phải có
quy định riêng cho các công tác thiết kế và thi công bê tông, bê tông cốt thép
vùng biển, khác với kết cấu nằm sâu trong nội địa. những nghiên cứu đầu tiên

nhằm tìm ra biện pháp bảo vệ công trình biển cũng đã được tiến hành từ
những năm đầu của thập kỷ 80. Đáng tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên
cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế. Một mặt là do chưa tạo
được hành lang pháp lý thông qua hệ thống quy phạm, tiêu chuẩn để áp dụng.
Mặt khác phần lớn các giải pháp đều chưa đạt được tính toàn diện, chủ yếu
mới thiên về một số giải pháp cục bộ như bảo vệ bằng sơn phủ kết cấu, sử
dụng chất ức chế ăn mòn, tăng cường độ chống thấm của bê tông bằng phụ
gia… Hậu quả là hàng loạt các công trình ven biển được xây dựng ồ ạt trong
những năm 80 và 90 vẫn áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường nên
có tuổi thọ rất thấp. Trung bình sau 10-15 năm sử dụng đã có dấu hiệu hư
hỏng nghiêm trọng.
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (VKHCNXD)- Bộ Xây dựng từ
những năm đầu của thập kỷ 80 đã triển khai nghiên cứu lĩnh vực chống ăn
mòn bê tông bảo vệ cốt thép, đã đạt được một số thành quả nhất định theo


10

hướng sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn và sơn phủ bề mặt kết cấu đối với công
trình biển. Năm 1994, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường đã giao cho
VKHCNXD nghiên cứu tổng thể các điều kiện kỹ thuật cần thiết để bảo vệ
chống ăn mòn và đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép
xây dựng ở vùng biển phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội ở Việt
Nam (đề tài mã số ĐTĐL-40/94). Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu này, đã
biên soạn những chỉ dẫn kỹ thuật cần thiết cho công tác xây dựng và sửa chữa
công trình làm bằng bê tông và bê tông cốt thép vùng biển nước ta.
VKHCNXD cũng đã xây dựng tiêu chuẩn ngành về vấn đề này. Nhưng cho
tới nay vẫn chưa được ban hành.
Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải trong một số công trình
nghiên cứu vấn đề ăn mòn bê tông đã đưa ra nhiều ý kiến phân tích tình hình

hư hỏng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép do ăn mòn, chỉ ra các nguyên
nhân và đề ra các biện pháp bảo vệ như là: dùng các phụ gia kị nước (dầu thảo
mộc), nước thải bã giấy nhằm nâng cao độ chắc cho bê tông. Tăng cường bảo
vệ mặt ngoài kết cấu bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm như: Sơn
bitum- cao su, sơn bitum-epoxy.
Viện Khoa học Thủy Lợi đã thành công trong đề tài sử dụng phụ gia
bentonit tăng chống thấm, giảm ăn mòn cốt thép đối với các công trình thủy
lợi.
Vào những năm cuối của thập kỷ 90 có một số đề tài về công nghệ vật
liệu mang mã số KC-05-13A về triển khai chế tạo các tổ hợp bê tông và vữa
có phụ gia ức chế ăn mòn và bảo vệ cốt thép trong môi trường biển Việt Nam.
Đề tài này bao gồm các nhánh đề tài: Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn cốt
thép, nghiên cứu dùng phụ gia ZKJ, nghiên cứu dùng phụ gia bentônít cải
tiến, nghiên cứu dùng phụ gia khoáng SISEX, nghiên cứu dùng phụ gia SP


11

melamin foocmaldehit sunfomat, nghiên cứu dùng phụ gia polymer trong bê
tông.
Mục đích đưa các loại phụ gia trên vào bê tông là để tăng cường độ đặc
chắc, độ chống thấm cho bê tông, từ đó ngăn ngừa hoặc hạn chế ăn mòn. Các
phương pháp ức chế ăn mòn, bảo vệ catốt thường phối hợp với các phương
pháp chống ăn mòn bê tông, nhằm bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông
cốt thép nói chung.
Liên tục trong các năm từ 1995 đến năm 2000 đã có nhiều hội nghị
khoa học về chống ăn mòn cho các công trình xây dựng được tổ chức ở các
cơ quan như VKHCNXD, VKHCNGTVT, Trường Đại học Xây dựng Hà
Nội. Tuy nhiên các đề tài đều tập trung vào công tác chống ăn mòn cho các
công trình biển, chưa có một hội nghị chính thức nào nói về ăn mòn của công

trình xây dựng dân dụng công nghiệp và công trình trong môi trường nước
ngọt.
Ngoài những đề tài trên, còn có một số nghiên cứu khác về chống ăn
mòn và tăng tuổi thọ cho công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi
trường biển và ở vùng ven biển. Trước đây nhà nước ta đã cử một số cán bộ
khoa học sang học ở các nước bạn (Liên Xô, Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani…)
làm nghiên cứu sinh, nghiên cứu các đề tài về ăn mòn bê tông trong nước
biển.
Tuy đã có một số kết quả nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép
trong môi trường biển ở nước ta nhưng cho đến nay vẫn chưa triển khai áp
dụng được nhiều vào sản xuất. Chúng ta đã nghiên cứu sản xuất được một số
loại xi măng bền trong môi trường nước biển như: Xi măng chống sunphat, xi
măng bari và đã được sử dụng một số công trình bê tông cốt thép trong nước
mặn hoặc chịu ảnh hưởng của nước mặn.


12

Năm 2000 nhà nước ta đã cho phép VKHCNXD thực hiện một số dự
án kỹ thuật, kinh tế về chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và bê
tông cốt thép vùng biển. Đề tài này được triền khai hai năm 2000-2001. Hy
vọng rằng các dự án được thực hiện sẽ có nhiều kết quả ứng dụng vào các
công trình xây dựng.

Hình 1.4

Hình 1.5

Hình 1.4. Cảng Thương vụ - Vũng Tầu sau 15 năm sử dụng[1].
Hình 1.5. Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng,cách biển 25 km, sau 30 năm sử

dụng[1].


13

CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM
2.1. ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với đặc tính cơ
bản là nóng ẩm và phân bố theo mùa. Vùng biển Việt Nam nằm trải dài trên
3200Km, từ 80-240 vĩ bắc. Dựa theo tính chất xâm thực của môi trường biển,
vị trí làm việc của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), có thể phân chia ảnh
hưởng của môi trường biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới khá rõ
+ Vùng ngập nước: Bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong
nước biển.
+ Vùng nước lên xuống (bao gồm cả phần sóng táp): bao gồm các bộ
phận kết cấu làm việc ở vị trí giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất
và cao nhất, tính cả phần bị sóng đánh vào.
+ Vùng khí quyển trên biển và ven biển: Bao gồm các bộ phận kết cấu
làm việc trong vùng không khí trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền tới
20km. Sau đây là đặc điểm từng vùng
2.1.1. Vùng ngập nước biển
Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các
lượng muối hòa tan: cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl 2 ; 0,22% MgSO 4 ;
0,13% CaSO 4 , 0,02%KHCO 3 và một lượng nhỏ CO 2 và O 2 hòa tan. Độ pH
của nươc biển đạt 8,0. Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm
thực mạnh đối với các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực
tương đương với các nơi khác trên thế giới. Riêng vùng gần bờ độ mặn có suy

14

giảm ít nhiều do ảnh hưởng của các con song chảy ra biển. Thành phần hóa
học và độ mặn của nước biển Việt Nam được thể hiện ở bảng 2.1 và bảng 2.2
Bảng 2.1. Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới[6]
Chỉ tiêu

Đơn vị

Vùng biển

Vùng biển

Biển Bắc

Biển Ban

Hòn Gai

Hải Phòng

Mỹ

Tích

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

SO 4 2-

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

Bảng 2.2. Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam[6]
Tháng
Trạm

Trung

Mùa đông

Mùa hè

bình

12

1

2

6

7

8

năm

Cửa Ông

29.2

30.0

30.4

25.3

23.4

21.3

26.6

Hòn Gai

30.8

31.5

31.6

32.2

30.8

29.3

31.0

Hòn Dấu

26.3

28.1

28.1

17.1

11.9

10.9

20.4

Văn Lý

25.9

18.3

29.5

25.4

20.1

19.0

23.0

Cửa Tùng

22.8

27.2

29.3

31.8

31.3

31.7

29.0

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

30.9

2.1.2. Vùng khí quyển trên biển và ven biển
Khí quyển trên biển và ven biển Việt Nam có một số đặc trưng sau đây:
+ Nhiệt độ không khí


15

Vùng biển Việt Nam có nhiệt độ không khí tương đối cao, trung bình từ
22,5-22,70C, tăng dần từ Bắc vào Nam. Miền Bắc có từ 2 đến 3 tháng mùa
đông, nhiệt độ dưới 200C. Miền Nam cao đều nhiệt độ quanh năm, biên độ
dao động từ 3 đến 70C.
+ Bức xạ mặt trời
Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận
được trên vùng ven biển khá lớn từ 100-150 kcal/cm2. Lượng nhiệt bức xạ
tăng dần từ Bắc vào Nam và đạt cao nhất tại cực Nam Trung Bộ. Với lượng

bức xạ cao như vậy đã thúc đẩy quá trình bốc hơi nước biển mang theo ion Clvào khí quyển.
+ Độ ẩm không khí
Độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao so với các vùng biển khác
trên thế giới, dao động trung bình từ 75-80%. Cụ thể là:
- Vùng ven biển Băc Bộ và Bắc Trung Bộ: 83-86%.
- Vùng ven biển Trung và Nam Trung Bộ: 75-82%.
- Vùng ven biển Nam Bộ: 80-84%.
+ Thời gian ẩm ướt bề mặt
Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu trung bình trong năm ở vùng ven
biển các tỉnh phía bắc dao động từ 1300-1850 giờ/ năm tập trung chủ yếu vào
mùa xuân, còn các tỉnh miền Nam từ 450-950 giờ/năm, tập trung vào các
tháng mưa mùa hạ. Đây là đặc điểm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam,
có ảnh hưởng đến ăn mòn khí quyển biển.
+ Hàm lượng ion Cl- trong không khí
Khí quyển trên biển và ven biển có chứa hàm lượng ion Cl- phân tán
cao, tại trạm đo sát mép nước ở các tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4-1,3 mg Cl/m2, ở các tỉnh Miền Nam khoảng từ 1,3-2,0 mg Cl-/m2. Nồng độ ion Cl- giảm
mạnh ở cự ly 200-250m tính từ sát mép nước, sau đó tiếp tục giảm dần khi đi


16

sâu vào trong đất liền. Tuy nhiên do ảnh hưởng của nhiều đợt gió mùa thổi từ
biển vào lục địa nồng độ ion Cl- có thể cao hơn.
2.1.3. Vùng nước lên xuống và sóng đánh
Đây là vùng giao thoa giữa vùng ngập nước và vùng khí quyển trên
biển. Do nước biển lên xuống thường xuyên dẫn tới quá trình khô ướt xảy ra
liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên trên bề mặt kết
cấu cùng với nhiệt độ môi trường cao làm tăng khả năng tích tụ ion Cl- , H 2 O
và O 2 từ nước biển và không khí vào trong bê tông thông qua quá trình
khuếch tán nồng độ và lực hút mao dẫn.

Ngoài ra vùng này còn chịu ảnh hưởng xâm thực của hà, sò biển, tác
động cơ học của sóng biển. Vì vậy vùng này được xem là có tính chất và mức
độ xâm thực mạnh nhất.
2.2. CƠ CHẾ PHÁ HỦY BÊ TÔNG TRONG NƯỚC BIỂN
Theo lý thuyết các công trình bê tông có tính chất ngày càng tốt hơn do
sự phát triển cường độ đá xi măng theo thời gian. Tuy nhiên, thực tế không
phải như vậy mà các công trình bê tông bị hư hỏng theo thời gian mà nguyên
nhân chính là đá xi măng bị ăn mòn. Ăn mòn đá xi măng có thể là do bản thân
đá xi măng có chứa các chất khoáng gây ăn mòn hoặc các tác nhân của môi
trường tác dụng với khoáng của xi măng tạo ra các khoáng mới gây ăn mòn
2.2.1. Giới thiệu về xi măng
Xi măng pooc lăng là chất kết dính rắn trong nước quan trọng nhất
trong xây dựng các công trình hiện nay. Xi măng pooc lăng được phát minh
và đưa vào sử dụng trong xây dựng từ đầu thế kỷ XIX khoảng năm 1824. Xi
măng pooc lăng chứa khoảng 70-80% silicat canxi nên cũng có thể gọi là xi
măng silicat.


17

Trong công nghiệp xi măng pooc lăng được sản xuất từ 2 nguyên liệu
chính là đá vôi và đất sét sau khi gia công cơ học và nung đến nhiệt độ cần
thiết để được clanhke xi măng. Từ clanhke xi măng nghiền chung với một
lượng thạch cao (điều chỉnh thời gian đông kết) sẽ được xi măng pooc lăng
(PC), nếu hỗn hợp này nghiền chung với phụ gia khoáng (hàm lượng không
vượt quá 40%) được gọi là xi măng pooc lăng hỗn hợp (PCB).
Thành phần khoáng vật của xi măng pooc lăng quyết định đến mọi tính
chất của vật liệu dùng xi măng.
Bảng 2.3. Thành phần khoáng vật của xi măng[3]
Tỷ lệ % trong

Tên khoáng vật

Công thức

Viết tắt

Silicat tricanxit

3CaO.SiO 2

C3S

37-60%

Silicat đi canxit

2CaO.SiO 2

C2S

15-37%

Aluminat tri canxit

3CaO.Al 2 O 3

C3A

7-15%

C 4 AF

10-18%

Fero-aluminat tetra canxit 4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3

clanhke

Hàm luợng C 3 S và C 2 S trong clanhke xi măng pooc lăng thường chiếm
từ 70-80%. Ngoài các thành phần chính trong chúng còn chứa một lượng
không lớn các khoáng vật khác như: C 8 A 3 F và C 2 F. Tính chất và tác dụng
của từng thành phần khoáng vật chủ yếu như sau:
C 3 S – Thành phần quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất, có cường độ
cao, răn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt. Trong xi măng tỷ lệ C 3 S chiếm càng
nhiều, chất lượng của xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit. Tuy
nhiên hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường.
C 2 S – Có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường
độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau. Nếu tỷ lệ C 2 S chiếm
nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit. Loại xi măng này cho tính bền trong
môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng C 3 S.


18

C 3 A – thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường
độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ. Nếu hàm lượng C 3 A
chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminat. Loại xi măng này rất kém bền
trong các môi trường đặc biệt là môi trường sun phát.
C 4 AF – rắn tương đôi nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát

triển rõ rệt trong thời kỳ sau. Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất
trong xi măng khoảng 3,77 g/cm3.
Quá trình rắn chắc của xi măng là quá trình từ hồ xi măng biến thành đá
xi măng, là quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp. Quá trình này được chia
làm 2 thời kỳ:
Giai đoạn đông kết là giai đoạn hồ xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần
lại nhưng chưa có cường độ.
Giai đoạn rắc chắc là giai đoạn hồ xi măng mất hoàn toàn tính dẻo và
cường độ phát triển dần.
Khi tác dụng với nước, thành phần khoáng vật chủ yếu của xi măng sẽ
thủy hóa và thủy phân. Khoáng vật C 3 S sẽ thủy phân trong quá trình tác dụng
với nước theo phản ứng sau:
3CaO.SiO 2 + nH 2 O  3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + Ca(OH) 2
(2.1)
Khi tác dụng với một lượng nước C2S được thủy hóa theo phương trình sau:
3CaO.SiO 2 + nH 2 O  3CaO.2SiO 2 .3H 2 O + Ca(OH) 2
(2.2)
Các phản ứng trên là đơn khoáng và với lượng nước thích hợp, tuy
nhiên trong thực tế C 3 S hoạt tính hơn C 2 S rất nhiều, nên nó nhanh chóng tác
dụng với nước và ngăn cản C 2 S phản ứng với nước. Mặt khác phản ứng xảy
ra với lượng nước hạn chế đặc biệt là phản ứng (2.2). Do đó phản ứng (2.2)
không có mặt của Ca(OH) 2 và sản phẩm chính mới tạo thành của hydrat


19

silicat canxi có hệ số thay đổi (xu hướng lượng kiềm giảm). Nên được viết
dưới dạng tổng quát nCaO.mSiO 2 .pH 2 O (viết tắt CSH)
Thành phần C 3 A kết hợp với nước tạo thành sản phẩm bền cuối cùng
3CaO.Al 2 O 3 + 6H 2 O  3CaO.Al 2 O 3 .6H 2 O

(2.3)

Nếu không có thạch cao, do C 3 A rất hoạt tính nên nó nhanh chóng tác
dụng với nước tạo ra hai sản phẩm không bền 4CaO.Al 2 O 3 .9H 2 0 và
2CaO.Al 2 O 3 .8H 2 O

. Nhưng khi có thạch cao sẽ tham gia phản ứng với

C 3 A và nước tạo nên một sản phẩm mới khó hòa tan và nở thể tích (ettringit),
theo phương trình sau:
3CaO.Al 2 O 3 .6H 2 O+3(CaSO 4 .2H 2 O)+26H 2 O3CaO.Al 2 O 3 .3CaSO 4 .32H 2 O
(2.4)

Thành phần C4AF phản ứng với nước như sau:
4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 + nH 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 .6H 2 O + CaO.Fe 2 O 3 .(n-6)H 2 O
(2.5)
Như vậy là sau quá trình thủy hóa, trong đá xi măng bao gồm các hợp
chất sau: Ca(OH) 2 , CHS, 3CaO.Al 2 O 3 .6H 2 O, ettringit, CaO.Fe 2 O 3 .nH 2 O
2.2.2. Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng
2.2.2.1. Cấu trúc của đá xi măng
Hồ xi măng được tạo thành sau khi xi măng phản ứng với nước, là hệ
có cường độ, độ nhớt, độ dẻo cấu trúc và tính xúc biến. Sau khi trộn, hồ xi
măng có cấu trúc ngưng tụ liên kết với nhau bằng lực hút phân tử và lớp vỏ
hydrat. Cấu trúc này bị phá hủy dưới tác dụng của lực cơ học (nhào trộn,
rung…). Do ứng suất trượt giảm đột ngột, nó trở thành chất lỏng nhớt. Ở
trạng thái này hồ xi măng mang tính chất xúc biến, có nghĩa khi loại bỏ tác
dụng cơ học độ nhớt kết cấu lại được khôi phục lại.
Tính chất cơ học cấu trúc tăng theo mức độ thủy hóa của xi măng. Sự
hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau: Các

20

phân tố cấu trúc ban đầu hình thành sau khi trộn xi măng với nước là ettringit
được hình thành sau vài phút, hydro canxit xuất hiện trong khoảng vài giờ, và
CSH đầu tiên là tinh thể dạng sợi, sau đó dạng nhánh, rồi dạng không gian
“bó”.
Về mặt cấu trúc, đá xi măng bao gồm các hat clanhke chưa phản ứng,
thành phần dạng gel, các tinh thể, lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng lớn. Các hạt
chưa phản ứng giảm dần theo thời gian phụ thuộc vào loại clanhke xi măng,
độ nghiền mịn và thời gian đông kết. Các gel gồm các chất mới tạo thành có
kích thước 50-200 A0 và lỗ rỗng gel đường kính từ 10-1000 A0. Ngoài ra
trong đá xi măng còn có các chất mới tạo thành có kích thước lớn và không có
tính chất keo. Hàm lượng các thành phần dạng gel và tinh thể phụ thuộc vào
loại clanhke xi măng, điều kiện đóng rắn. Lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng
có kích thước từ 0,1-10µm, còn các lỗ rỗng chứa khí có kích thước từ 50µm
đến 2mm. Lỗ rỗng chứa khí thường chiếm từ 2-5% thể tích đá xi măng.
Khi nhào trộn xi măng với nước để chế tạo sản phẩm, lượng nước nhào
trộn thường lớn hơn rất nhiều so với lượng nước cần thiết để hydrat hóa hoàn
toàn các khoáng xi măng, do đó trong đá xi măng còn có một lượng nước dư
được phân bố trong lỗ rỗng gel hay nằm giữa các hạt chưa phản ứng tạo thành
lỗ rỗng mao quản. Khi tăng thời gian đóng rắn của sản phẩm thì độ rỗng mao
quản giảm đi do chúng được lấp đầy bởi các sản phẩm hydrat. Tùy thuộc vào
lượng nước nhào trộn mà độ rỗng mao quản có thể thay đổi trong khoảng
rộng và có thể đạt tới 40%. Khi giảm lượng nước nhào trộn, độ rỗng của sản
phẩm giảm, tính chống thấm tăng lên. Thực tế cho thấy khi tỷ lệ N/X là 0,40,45 thì tính chống thấm của đá xi măng tương đương với đá tự nhiên có độ
rỗng 2-3%, nhưng nếu tỷ lệ N/X=0,6 thì tính chống thấm giảm mạnh. Khi
nhào trộn xi măng với nước còn tạo thành các lỗ rỗng hình cầu hay lỗ rỗng

21

thông nhau chứa khí, chúng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của đá
xi măng.

2.2.2.2. Ăn mòn xi măng
Bê tông và vữa dùng xi măng pooclang trong quá trình sử dụng thường
bị các chất lỏng, chất khí ăn mòn, làm cho cường độ giảm xuống, thậm chí bị
phá hoại. Nguyên nhân gây ăn mòn chủ yếu là:
Trong xi măng có một số thành phần, nhất là Ca(OH) 2 và C 3 AH 6 dễ bị
hòa tan làm cho bê tông và hồ bị rỗng và cường độ giảm xuống.
Khi gặp một số loại hóa chất như: a xít, muối… một số thành phần của
đá xi măng sinh ra các phản ứng hóa học, tạo ra những chất mới dễ tan trong
nước hoặc nở thể tích hơn trước gây nội ứng suất làm cho bê tông và vữa bị
phá hoại. Các nguyên nhân trên thường đồng thời tồn tại và ảnh hưởng lẫn
nhau
2.2.3. Tác động ăn mòn xi măng của nước biển
Theo tài liệu khảo sát các công trình do Viên Khoa học Công nghệ Xây
dựng và các cơ quan khác thực hiện tại hàng trăm công trình bê tông cốt thép
đã xây dựng từ đầu thế kỷ XX đến nay, các vùng biển Quảng Ninh, Hải
Phòng, Thái Bình, Vinh, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu v.v…có thể cho ta
thấy hiện tượng ăn mòn và phá hủy các công trình bê tông cốt thép ở vùng
biển Việt Nam là rất phổ biến và đã ở mức báo động. Thiệt hại do ăn mòn gây
ra là nghiêm trọng. Tốc độ ăn mòn làm hư hỏng công trình diễn ra khá nhanh,
chi phí cho vấn đề sửa chữa ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép có thể chiếm tới
30-70% giá thành xây mới công trình.


22

Các chất có tiềm năng ăn mòn mạnh với bê tông là MgCl 2 ; MgSO 4 và
CO 2 . Cơ chế ăn mòn được mô tả như sau [8]:
2.2.3.1. Tác động của CO 2
CO 2 + Ca(OH) 2

→

CO 2
CaCO 3 + H 2 O

→

Ca(HCO 3 ) 2

Kết tinh dạng aragonite

hòa tan

CO 2 + [Ca(OH) 2 + 3CaO.Al 2 O 3 .CaSO 4 .18H 2 O] →
3CaO.Al 2 O 3 .CaCO 3 .nH 2 O + CaSO 4 .2H 2 Oa
hòa tan
3CO 2 + 3CaO.2SiO 2 .3H 2 O → 3CaCO 3 + 2SiO 2 .nH 2 O
Kết tinh dạng aragonite
2.2.3.2. Tác động của MgCl 2 , MgSO4
MgCl 2 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 + CaCl 2 (hòa tan)
Kết tinh dạng Brucite
H2 O
MgSO 4 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 + CaSO 4 .2H 2 O (hòa tan)
Kết tinh dạng Brucite

H2O
MgSO 4 + [Ca(OH) 2 + 3CaO.Al 2 O 3 .CaSO 4 .18H 2 O] →
Mg(OH) 2 + 3CaO.Al 2 O 3 .3CaCO 3 .32H 2 O