Ăn mòn cốt thép trong bê tông và các giải pháp hạn chế sự ăn mòn

Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

43

ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
HẠN CHẾ SỰ ĂN MÒN
ThS. Trương Minh Trí
Trưởng Phòng KH&HTQT, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt: Vấn đề nâng cao chất lượng và tuổi thọ các công trình xây dựng ở
khu vực ven biển nói chung, khu vực Nam trung Bộ nói riêng có ý nghĩa quan
trọng. Việc sử dụng nguyên liệu và vật liệu cốt thép cũng như tính năng sử
dụng của chúng để sản xuất bê tông luôn được quan tâm nhằm nâng cao khả
năng chống ăn mòn. Vì vậy, việc hiểu biết về các quá trình ăn mòn và cách hạn
chế sự ăn mòn vật liệu kim loại khi sử dụng trong môi trường có tác động ăn
mòn là hết sức cần thiết. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu về ăn mòn cốt
thép trong bê tông, giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn.
Từ khóa: cốt thép, ăn mòn, bê tông.

1. Khái quát chung sự ăn mòn vật liệu
kim loại
Ăn mòn là sự phá hủy vật liệu kim
loại gây nên bởi các chất ở môi trường
xung quanh. Nghiên cứu về sự ăn mòn
gồm 3 mục tiêu cơ bản:
- Mục tiêu kinh tế: nhằm giảm thiểu
lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn.
- Nâng cao độ tin cậy của các
thiết bị.
- Bảo tồn tài nguyên vật liệu.
Các quá trình ăn mòn cơ bản: ăn
mòn hóa học, ăn mòn điện hoá, ăn mòn

sinh học.
Ăn mòn hóa học: Do tác dụng trực
tiếp của các chất khí khô hoạt tính có ở
môi trường là những chất oxy hóa như
O2, Cl2,... Đây là phản ứng oxi hóa trên
bề mặt kim loại và tạo ra các hợp chất
hóa học, làm phá hủy bề mặt mà không
cần dung dịch điện li. Sự ăn mòn này
xảy ra ở nhiệt độ cao hơn mức bình
thường. Cơ chế sự ăn mòn hóa học là
chất oxy hóa tác dụng với bề mặt sạch
kim loại theo 3 giai đoạn: hấp thụ chất
oxy hóa; tạo mầm oxyt, clorua,...;

khuếch tán ion, phát triển màng oxyt,
clorua,...dày đặc.
Ăn mòn điện hoá: Là sự ăn mòn
trong môi trường điện li, trong đó sự oxi
hóa của nguyên tử kim loại và sự khử
của chất oxi hóa không phải xảy ra chỉ
trong một phản ứng trực tiếp. Sự ăn mòn
điện hoá có thể tạo thành các sản phẩm
không tan, như gỉ sắt, hoặc chuyển kim
loại vào dung dịch dưới dạng ion. Đây là
dạng ăn mòn chủ yếu của kim loại. Nó
bao gồm 3 quá trình cơ bản: quá trình
anot; quá trình catot; quá trình dẫn điện.
Nguyên nhân của sự ăn mòn điện hoá là
do kim loại không nguyên chất. Những
kim loại này ở trong không khí ẩm hay

trong môi trường nước có hoà tan chất
điện li sẽ tạo thành những pin điện hoá.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn
mòn điện hóa:
+ Kim loại tạp chất càng khác thì
tốc độ ăn mòn càng lớn.
+ Không khí càng ẩm cường độ
ăn mòn càng tăng.
+ Nhiệt độ tăng thì tốc độ ăn mòn
cũng tăng.


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

+ Ðộ xốp của lớp sản phẩm càng
lớn thì kim loại càng bị ăn mòn nhanh.
Sự ăn mòn sinh học: Xảy ra ở
những nơi vật liệu kim loại tiếp xúc với
vật liệu không phải là kim loại, nhưng là
môi trường dinh dưỡng cho các loài nấm
và vi sinh. Trong quá trình sống, các vi
sinh bài tiết ra những axít hữu cơ tạo
điều kiện cho sự ăn mòn hoặc phá hủy
lớp bảo vệ.
2. Ăn mòn cốt thép trong bê tông
Sự ăn mòn bê tông cốt thép rất đa
dạng và diễn ra phức tạp với mức đô
khác nhau. Khi nghiên cứu sự ăn mòn
bê tông bởi các tác nhân do sự vận động
của môi trường sinh ra một cách đầy đủ

cần phải tính đến ăn mòn chính và phụ
đồng thời diễn ra. Có nhiều tác nhân
gây nên sự ăn mòn, dưới đây trình bày
một số tác nhân chính gây nên sự ăn
mòn cốt thép trong bê tông ở môi
trường ven biển.
2.1. Ăn mòn cốt thép do ion ClBê tông trong các môi trường sử
dụng, đặc biệt là môi trường nước biển,
nước lợ và nước ngầm, môi trường
thường ngập nước hoặc độ ẩm cao sẽ
xảy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép. Cốt
thép trong bê tông bị ăn mòn chủ yếu là
ăn mòn điện hóa. Trong môi trường
nước mặn xảy ra sự ăn mòn cốt thép
còn do tác dụng xâm thực của các ion
Cl- ngấm vào bê tông là nguyên nhân
chủ yếu phá hủy màng “thụ động” cốt
thép, và đặc biệt khả năng ăn mòn càng
tăng khi hàm lượng Cl- vượt quá
0,6kg/m 3 bê tông. Khi đó Cl- làm giảm
điện trở của dung dịch điện li trong bê
tông. Sơ đồ cơ chế quá trình ăn mòn cốt

44
-

thép trong bê tông có mặt ion Cl được
trình bày ở hình 1.
Đặt trưng ăn mòn của thép khi có
Cl là tạo ra các “lỗ” trên bề mặt kim loại

(kích cỡ micro), làm tỉ lệ diện tích catôt
/anôt lớn nên mật độ dòng ăn mòn cục
bộ rất cao. Chỉ có ion clo ở dạng tự do
mới gây ra ăn mòn cốt thép và sự
khuếch tán của chúng trong cấu trúc xốp
của bê tông cốt thép mạnh mẽ hơn.

Hình 1. Sơ đồ cơ chế quá trình ăn mòn
cốt thép trong bê tông có mặt ion ClTốc độ thấm ion Cl- trong bê tông
phụ thuộc vào bản chất xi măng, các
chất phụ gia khoáng và chất lượng bê
tông (đặc trưng bởi độ bền chống thấm).
Khả năng thấm của ion Cl- tỷ lệ với hàm
lượng khoáng C3A có trong xi măng. Về
nguyên tắc, các phụ gia khoáng tro bay,
tro xỉ hoặc muội silic đưa vào xi măng
Cl- sẽ làm giảm tỷ lệ thành phần C3A
nên giảm khả năng cố định ion clo. Sự
khô và ẩm liên tiếp của môi trường là
một trong những điều kiện khắc nghiệt
nhất kích thích sự ăn mòn.
2.2. Ăn mòn cốt thép do CO2
Sự ăn mòn cốt thép cũng chịu tác
động của hiện tượng cacbonat hóa bê
tông. Độ bền lâu của công trình bê tông
cốt thép được bảo đảm nhờ lớp bê tông


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

bảo vệ, nên cốt thép không bị ăn mòn,
khi đó nước chiết bê tông có môi trường
kiềm cao (pH ≥ 13) là điều kiện thuận
lợi hình thành trên bề mặt cốt thép một
lớp oxýt mỏng “thụ động”, ngăn cản quá
trình gỉ thép (ăn mòn). Hiện tượng ăn
mòn chỉ xảy ra khi lớp màng “thụ động”
bị xuyên thủng (lớp bê tông bảo vệ bị
rỗng) là khi có sự giảm độ kiềm của môi
trường trong lớp bê tông bảo vệ đến
ngưỡng thụ động của sắt. Sự giảm pH
được xảy ra là do quá trình rửa trôi
kiềm, quá trình hòa tan các oxit và
silicat (thành phần trong cát) hoặc quá
trình cacbonat hóa bê tông. Nếu trong
nước có hàm lượng CO2 cao thì CaCO3
(không tan) lại biến thành Ca(HCO3)2
(tan), ngoài ra do có sự khuếch tán của
nước vôi trong từ trong ra ngoài của lớp
bê tông sẽ làm cho bê tông phá hoại
nhanh hơn. Tuy nhiên, cường độ phá
hoại của bê tông phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như: hàm lượng CO2, lực ion
dung dịch, loại xi măng, thời gian bảo
dưỡng bê tông, diện tích bề mặt tiếp xúc
của đá xi măng với tác nhân gây ăn
mòn,…Như vậy, các sản phẩm của quá
trình cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc
xốp của bê tông và làm giảm độ chống
thấm, dẫn đến sự ăn mòn cốt thép trong

bê tông.
2.3. Ăn mòn cốt thép do quá trình
điện hóa
Một hình thức ăn mòn cốt thép
trong bê tông thường diễn ra ở các dạng
ăn mòn điện hóa. Ở dạng ăn mòn này
các nguyên tử sắt trong cốt thép tách
khỏi mạng lưới tinh thể và trở thành ion
mạnh điện trong dung dịch dưới tác
dụng của ion OH- do các chất oxy hóa

45

trong môi trường tạo ra để hình thành
các sản phẩm gỉ khác nhau dưới dạng
công thức chung: xFeO.yFe2O3.zH2O;
Fe3O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3.3H2O. Các sản
phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt
cốt thép với thể tích lớp gấp 4 - 6 lần so
với các thành phần ban đầu, chính vì vậy
đã gây nội ứng suất phá hoại cấu trúc bê
tông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho các
hạt nhân xâm thực dễ dàng xâm nhập
vào bên trong, tăng nhanh quá trình ăn
mòn bê tông và cốt thép. Quá trình gỉ
thép chỉ có thể xảy ra nếu như bê tông
đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng
ngậm nước nhất định vì lúc này đã có sự
phân cực tách biệt giữa catôt và anôt.

Hình 2. Quá trình gỉ thép
Như vậy, khả năng chống thấm của
lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò rất quan
trọng đối với quá trình gỉ của cốt thép.
Bê tông không đủ độ chặt, lớp bảo vệ
không đủ chiều dày cần thiết thì hiện
tượng gỉ càng mạnh. Ở môi trường khô
ráo, do bê tông không đủ khả năng dẫn
điện nên cốt thép ít bị gỉ, còn trong môi
trường ngấm nước hoàn toàn thì bê tông
có thể dẫn điện, nhưng nước lại ngăn
cản sự thấm nhập của oxy qua bê tông
nên cốt thép cũng ít bị gỉ.


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

3. Các giải pháp bảo vệ cốt thép khỏi
ăn mòn
Có nhiều phương pháp được đề
xuất bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn
cho cốt thép trong bê tông, dưới đây là
một số giải pháp thông dụng thường
được sử dụng như:
- Dùng thép không gỉ đắt và hiếm
do đó việc dùng thép này sẽ làm tăng
đáng kế giá thành xây dựng công trình
(hợp kim Fe – Cr nâng cao khả năng
chống oxi hóa của thép; nếu thêm Cu, Cr
hoặc Ni thì nâng cao tính chịu ăn mòn

trong khí quyển).
- Mạ cốt thép có tác dụng chống ăn
mòn bằng kẽm, vì kẽm có tác dụng bảo
vệ cốt thép. Bản chất của quá trình mạ
kẽm là lúc này hình thành pin Zn – Fe,
lúc này kẽm là điện cực âm nên bị ăn
mòn điện hóa trước khi có mặt chất điện
li. Tuy nhiên, ion Cl- có tác dụng ăn mòn
kẽm nhỏ hơn đối với sắt nên chúng bảo
vệ được bề mặt cốt thép và làm tăng tuổi
thọ công trình.
- Quét sơn trên thép là một biện
pháp bảo vệ cốt thép bằng phương pháp
thấm kim loại (phủ khuếch tán). Sử dụng
các loại sơn chống gỉ có nguồn gốc từ
epoxy, xi măng và xi măng polime. Yêu
cầu sơn chống gỉ phải có khả năng liên
kết về mặt hóa học với thép, dính bám
tốt với bê tông và cốt thép. Một số ví dụ
điển hình:
+ Tráng men silicat: Men yêu cầu
có hệ số giãn nở bằng với thép. Thường
sử dụng men thủy tinh, men sứ, lớp phủ
thủy tinh,... lớp men này được nung chảy
trên bề mặt kim loại. Phủ men chủ yếu
dùng cho thép, nhưng cũng có khi sử dụng
cho gang, đồng, hợp kim đồng, nhôm,...

46

+ Phủ xi măng: Lớp phủ xi măng
có giá thành thấp và hệ số giãn nở nhiệt
gần bằng thép. Lớp phủ rất có hiệu quả
với các vật liệu bằng gang hoặc thép đặt
trong đất, nước.
+ Phủ phản ứng: lớp phủ được
hình thành nhờ các phản ứng hóa học
trực tiếp xảy ra trên bề mặt kim loại.
- Ức chế ăn mòn cốt thép. Vấn đề
ức chế ăn mòn cốt thép bằng các chất ức
chế ăn mòn đã được sử dụng từ lâu.
Theo định nghĩa ISO 8044, chất ức chế
ăn mòn là hợp chất hóa học làm giảm độ
ăn mòn của cốt thép. Việc pha chất ức
chế vào bê tông được coi là một biện
pháp bảo vệ cốt thép chống ăn mòn.
Chất ức chế ăn mòn cốt thép DCI do
hãng Grace của Mỹ sản xuất có chứa
NaNO2, nó tương tác với cốt thép trong
bê tông để bảo vệ chống ăn mòn của
muối. Bằng phản ứng hóa học với sắt nó
tạo ra rào cản trên bề mặt cốt thép, ngăn
ngừa sự thấm của ion clo, mặt khác nó
cải thiện được các tính chất của bê tông
và có tác dụng làm tăng nhanh sự đông
cứng bê tông như một phụ gia rắn nhanh
theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C494.
- Phương pháp bảo vệ catôt là một
biện pháp hiệu quả được dùng để chống
ăn mòn cho cốt thép trong bê tông trong

thời gian gần đây. Bảo vệ catôt cho công
trình bê tông cốt thép là duy trì màng thụ
động hoặc thụ động lại cốt thép khi màn
“thụ động” đã bị phá vỡ khi độ pH < 11
hoặc hàm lượng ion trên bề mặt cốt thép
khoảng 0,2 – 0,4% tính theo khối lượng
xi măng. Ngoài ra dòng điện bảo vệ
catôt còn làm cho ion clo đi ra xa khỏi
bề mặt cốt thép và vì vậy giảm tác động


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

phá hoại màn “thụ động” của ion clo.
Phương pháp bảo vệ catôt được áp dụng
cho công trình bê tông cốt thép ở trong
nước, trong đất và cả trong không khí.
Phương pháp bảo vệ catôt bằng dòng
ngoài được dùng nhiều hơn đối với các
công trình trong không khí, còn phương
pháp bảo vệ catôt bằng anôt hy sinh
được dùng cho các kết cấu nằm trong
nước. Trong phương pháp dòng ngoài
mật độ dòng được dùng để phân cực
catôt cốt thép (làm dịch chuyển điện thế
của cốt thép về phía âm) từ 3 đến 15
mA/m2. Anôt hy sinh có thể là hợp kim
nhôm hoặc hợp kim kẽm.
Các phương pháp nêu trên được
nghiên cứu và áp dụng phổ biến.

Chúng có tác dụng chống ăn mòn ở
hầu hết các kim loại, đối với bê tông và
chống ăn mòn thép trong kết cấu bê
tông cốt thép ở các môi trường khí,
lỏng và rắn ở điều kiện ẩm ướt hoặc
môi trường không khí ẩm. Tuy nhiên,
mỗi biện pháp chỉ đem lại hiệu quả cho
một số loại hình cụ thể.

47

4. Kết luận
Ăn mòn bê tông và bê tông cốt
thép đặc biệt đối với khu vực ven biển
bằng nhiều tác nhân hiện hữu có trong
môi trường đã gây ảnh hưởng đến chất
lượng và tuổi thọ công trình nếu như
chúng ta không có giải pháp phù hợp.
Thực tế hiện nay chưa thể chế tạo được
loại bê tông cốt thép có độ bền và đặc
chắc một cách lý tưởng, để hoàn toàn
ngăn cản sự tiếp xúc của cốt thép trước
môi trường xâm thực. Tuy nhiên, với vật
liệu và công nghệ hiện có, chúng ta có
thể tạo được loại bê tông cốt thép có
chất lượng cao, với đặc tính là kết cấu có
độ bền cơ học lớn, vỏ bê tông có khả
năng bảo vệ cốt thép, độ đặc chắc cao,
chống thấm nước tốt, ít bị thấm khí O2,
CO2, ion Cl-, SO42- và các tác nhân xâm

thực khác, khi đó bê tông sẽ đủ khả năng
bảo vệ cốt thép, đảm bảo độ bền kết cấu
trong môi trường xâm thực. Hoặc ngăn
chặn các phản ứng ăn mòn xảy ra khi
các tác nhân xâm thực tiếp xúc với bề
mặt cốt thép.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mạnh Phát. 2012. Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn Bê tông – Bê tông cốt
thép. NXB Xây dựng Hà Nội.
[2] Cao Duy Tiến. 1994. Hiện tượng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động
khí hậu ven biển Việt Nam. Hội thảo quốc tế bê tông bền biển.
[3] Lương Đức phẩm (chủ biên) và cộng sự. 2009. Cơ sở khoa học trong công nghệ
bảo vệ môi trường, tập 1, 2, 3. NXB Giáo dục Việt Nam.
[4] Trương Minh Trí. 2012. Hóa học đại cương. NXB Khoa học và Kỹ thuật TP. Hồ
Chí Minh.