Nghiên cứu chế tạo và sử dụng hợp kim sắt silíc crôm làm vật liệu anode bán trở của hệ thống bảo vệ dòng điện ngoài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------------

ĐINH THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG HP KIM
Fe– Si – Cr LÀM VẬT LIỆU ANODE BÁN TRƠ CỦA
HỆ THỐNG BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN NGOÀI
Chuyên ngành: Vật liệu cơ khí
Mã số ngành: 2. 01. 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

-------------------------------

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

GS. TSKH. Phạm Phố

TS. Nguyễn Hồng Dư

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………………………………………………..

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………………………………………………..

Luận văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…….tháng…….năm…….


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên
: ĐINH THỊ VÂN
Ngày, tháng, năm sinh : 02- 01 - 1977
Chuyên ngành
: VLCK

Phái
Nơi sinh
MSHV

: Nữ
: Nam Định
: VLCK 008

TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG HP KIM Fe – Si – Cr
LÀM VẬT LIỆU ANODE BÁN TRƠ CỦAHỆ THỐNG BẢO VỆ
DÒNG ĐIỆN NGOÀI”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm các giải pháp công nghệ phù hợp chế tạo anod bán trơ bằng
hợp kim Fe – Si – Cr dùng trong hệ thống bảo vệ cathod, chống ăn mòn
các kết cấu thép trong môi trường xâm thực.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 04/02/2004
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
: 20/08/2004
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

GS. TSKH. Phạm Phố

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn

TS. Nguyễn Hồng Dư

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.

Ngày….. tháng……. năm 2004

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH.


LỜI CẢM ƠN!
Đây là một đề tài nghiên cứu ứng dụng, tìm các giải pháp công
nghệ phù hợp chế tạo anode bán trơ bằng hợp kim Fe – Si – Cr dùng
trong hệ thống bảo vệ cathode chống ăn mòn các kết cấu thép trong
môi trường xâm thực.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện. Với lòng biết ơn sâu
sắc, tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Phố, TS. Nguyễn Hồng Dư
đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các đồng
nghiệp Phòng Độ bền – Chi nhánh phía Nam – Trung tâm Nhiệt đới
Việt Nga cùng với sự động viên của những người thân trong suốt qúa
trình thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2004
Đinh Thị Vân


TÓM TẮT
Bảo vệ cathode là phương pháp chống ăn mòn có hiệu qủa cho các
công trình thép và bêtông cốt thép trong môi trường vùng biển. Công nghệ
bảo vệ cathode được nghiên cứu và triển khai nhiều ở các nước phát triển
như Mỹ, Châu Âu, LB Nga … Tuy nhiên, vấn đề bảo vệ cathode ở Việt
Nam còn hạn chế do chưa được triển khai đồng bộ về mặt phương pháp và
công nghệ.
Để hoàn thiện công nghệ bảo vệ cathode thì vấn đề làm chủ thiết bị
và vật tư có ý nghóa quan trọng cần thực hiện từng bước, vì vậy trong đề

tài này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu và chế thử hợp kim Fe – Si – Cr
như là vật liệu anode bán trơ dùng cho hệ thống bảo vệ cathode, khẳng
định khả năng chế tạo tại chỗ các anode loại này. Đó chính là lý do đề
xuất và là nội dung chủ yếu của đề tài này.
Đặc điểm của hợp kim Fe – Si – Cr:
-

Tính chất cơ học của hợp kim Fe – Si – Cr gần giống hợp kim Silíc (cùng
hàm lượng Si), độ bền uốn đạt 17 – 25 kg/mm2, độ cứng HB đạt tới tên
900, giới hạn bền kéo 6 – 7,5 kg/mm2, độ dai đạt 0,5 kgm/cm2.

-

Nhiệt độ nóng chảy hợp kim khoảng 11700c, độ chảy loãng rất tốt, độ co
ngót cao 2,2 – 2,6%.
Đã lựa chọn và thử nghiệm quy trình công nghệ phù hợp trong nấu luyện

và đúc anode bằng hợp kim Fe – Si – Cr, hoàn toàn từ nguyên liệu sẵn có trong
nước, vật liệu anode đã được kiểm tra, các đặc tính cơ - lý – hoá, kết qủa cho


thấy các chỉ tiêu đều đạt mức yêu cầu đặt ra và tương đương sản phẩm nước
ngoài.
Sản phẩm anode bán trơ, hợp kim Fe – Si – Cr đem ứng dụng thực tế đáp
ứng yêu cầu của hệ thống bảo vệ cathode và hoàn toàn có thể thay thế sản
phẩm cùng loại của nước ngoài với giá khoảng 50% giá nhập.
Luận án gồm 79 trang với các phần tổng quan, nội dung và phương pháp
nghiên cứu, kết qủa và bàn luận, với 61 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước.
Trong luận án có 9 bảng và 15 hình vẽ.

РЕФЕРАТ
Катодная защита – это эффективный противокоррозионный
метод,

применяемый

в

железных

сооружениях

и

железобетонных конструкциях при морских условиях.
Система катодной защиты была разработана и применена
во многих развитых странах Америки, Европы и в России.
Однако, во Вьетнаме эта система оставалась малоизвестна и
ограничена в применении на практике. В усовершенствовании
системы

катодной

оборудования

и

защиты

лежит

использования

проблема

материала,

что

освоения
играет

значительную роль, которая требует осуществления не сразу, а
постепенно. Выполняя эту тему, мы проводили исследование и
пробное изготовление полуинертных анодов из сплава Fe – Si –
Cr, которые потом используются в системе катодной защиты.
Результатами нашего исследования подтверждена возможность
изготовления этих анодов на основе имеющегося в стране сырья
– и это является целью нашей темы.

Характеристика сплава Fe – Si – Cr.
Механическая характеристика сплава Fe – Si – Cr близка
сплаву Si (с одним содержанием Si). Прочность на изгиб этого
сплава достигает 17-25 кг/мм2; твердость на HB выше 900;
прочность на растяжение 6-7,5 кг/мм2; прочность на удар 0,5
кгм/см2; температура плавления ~ 1170оС; жидкостная плавкость
большая.

В процессе исследования мы выбрали и проводили
испытания,

соответствующие

техническим

процессам

в

плавлении и изготовлении анодов из сплава Fe – Si – Cr на
основе имеющегося в стране сырья. Эти аноды были проверены
по механическим характеристикам и другим физико-химическим
показателям.

Все

эти

показатели

отвечали

поставленным

требованиям, и их качество аналогично с продукцией этого типа
зарубежного производства.
Полуинертные аноды, изготовленные из сплава Fe – Si –
Cr, были применены на практике с хорошими результатами, и

они могут заменить продукцию зарубежного производства, но с
ценой, ниже на 50%.
79-страничная диссертация состоит из трех глав: введение;
содержание и методы исследования; результаты и обсуждение,
и списка литературы (61 стр.), 9 таблиц и 15 рисунков.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1 -2

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1.

n mòn kim loại

3

1.1.1

Cơ chế của sự ăn mòn kim loại

3-4

1.1.2

Phương trình động học của ăn mòn điện hóa

4-6

1.2.

Vấn đề ăn mòn và bảo vệ công trình biển

6 - 15

1.3.

BẢO vệ các công trình ngầm vùng biển bằng phân cực

15 - 22

cathode.
1.4.

Vật liệu anode bán trơ cho bảo vệ cathode dòng điện

22- 27

ngoài
1.5.

Hợp kim sắt – silic – crôm

27- 35

Phần II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Nội dung nghiên cứu

2.1.1.

Mục tiêu của đề tài

35

2.1.2.

Nghiên cứu tài liệu

35

2.1.3.

Nghiên cứu thực nghiệm

35

2.2.

Phương pháp nghiên cứu

2.2.1.

Phương pháp nghiên cứu điện hóa

2.2.1.1.

Phương pháp phân cực để đo tốc độ ăn mòn

35- 38

a. Giới thiệu

38

b. Các nguyên lý điện hóa và đo phân cực thế động

38-40

c. Phương pháp đo điện trở phân cực

40-45


d. Đường Tafel

45-50

2.2.1.2.

Xác định dòng ăn mòn

50-51

2.2.1.3.

Xác định tổn hao

51

2.2.1.4.

Tiêu chuẩn bảo vệ cathode

52

2.2.2.

Công nghệ và thiết bị nấu hợp kim

52-58

PHẦN 3: KẾT QỦA VÀ BÀN LUẬN
3.1.

Công nghệ nấu luyện hợp kim fe-si-cr

58-60

3.2.

Công nghệ đúc anode

60-62

3.3.

Phân tích mẫu, xác định cơ tính trên mẫu

62

3.4.

62-66

3.5.

Một số đặc tính điện hóa của hợp kim fe – si – cr như là
vật liệu của anode trong bảo vệ cathode dòng ngoài.
Chế tạo và sử dụng anod trong thực tế.

3.5.1.

Chế tạo anod.

66-67

3.5.2.

Lắp đặt Anodes Fe-Si-Cr.

67

3.5.3.

Kiểm tra hoạt động của hệ thống bảo vệ cathode.

67-69

3.5.4.

Nhận xét

70
KẾT LUẬN

71-72

TÀI LIỆU THAM KHẢO

73-79


PH LỤC
Phụ lục 1:

Sơ đồ nguyên lý hệ thống bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài

Phụ lục 2:

Giản đồ trạng thái Fe – Si

Phụ lục 3:

Giản đồ trạng thái Fe – Cr.

Phụ lục 4.1:

Kết qủa phân tích mẫu hợp kim Fe – Si – Cr theo phương
pháp phân tích hóa học (mẻ 1)

Phụ lục 4.2:

Kết qủa phân tích mẫu hợp kim Fe – Si – Cr theo phương
pháp phân tích quang phổ (mẻ 2)

Phụ lục 4.2:

Kết qủa phân tích mẫu hợp kim Fe – Si – Cr theo phương
pháp phân tích quang phổ (mẻ 3)

Phụ lục 5:

nh chụp kim tương

Phụ lục 6:

Anode thành phẩm

Phụ lục 7:

Sơ đồ lắp đặt anode Fe – Si – Cr.

Phụ lục 8:

Sơ đồ bố trí anode Fe – Si – Cr.

Phụ lục 9:

Chuẩn bị anopde Fe – Si – Cr tại CNPN – TTNĐ Việt-Nga

Phụ lục 10:

Bản vẽ vật đúc

Phụ lục 11:

Bản vẽ chi tiết điện cực.

Phụ lục 12:

Bản vẽ công nghệ đúc.


1

MỞ ĐẦU
Công nghệ bảo vệ Cathode được nghiên cứu và triển khai nhiều ở các nước
phát triển như Mỹ, Châu Âu, LB Nga . . . và hiện có một số công ty chuyên hoạt
động trong lónh vực này như WWI, Impalloy, Jotun CP v.v… Tuy nhiên các công
nghệ và sản phẩm của nước ngoài thường mang tính thương mại, tài liệu nghiên cứu
khó tiếp cận, các số liệu kỹ thuật cần được khảo nghiệm trong điều kiện Việt Nam.
Trong nước các vấn đề liên quan đã được sự quan tâm của một số cơ sở khoa học và
công nghệ, nhưng các nghiên cứu chưa được triển khai đồng bộ về mặt phương pháp
và công nghệ: Hiện nay chưa có quy trình hoàn chỉnh cho công tác chống ăn mòn
bằng phân cực Cathode cho các kết cấu thép trong môi trường nhiễm mặn và trong
đất. Với việc xây dựng ngày càng nhiều các công trình quân sự, công nghiệp và giao

thông ở vùng biển và hải đảo, việc nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ
bảo vệ Cathode, như là một giải pháp kinh tế – kỹ thuật hợp lý để kéo dài tuổi thọ
của các kết cấu thép và bê tông cốt thép trong điều kiện nhiệt đới biển Việt Nam có
một ý nghóa quan trọng cả về khoa học lẫn thực tiễn.Công nghệ bảo vệ Cathode
bằng dòng điện ngoài từ LB Nga đã áp dụng triển khai ở một số công trình cầu cảng
ở nước ta. Hiện nay chúng tôi đã làm chủ phương pháp tính toán, thiết kế, quy trình
lắp đặt, vận hành hệ thống bảo vệ Cathode bằng dòng ngoài, tuy nhiên thiết bị, vật
tư chủ yếu của hệ thống (thiết bị nguồn và điều khiển, anodes, điện cực so sánh) còn
phải mua của nước ngoài, phần nào làm hạn chế việc triển khai rộng rãi công nghệ
này cho các công trình quân sự và dân dụng.
Để hoàn thiện công nghệ bảo vệ Cathode thì vấn đề làm chủ thiết bị và vật tư
có ý nghóa quan trọng cần thực hiện từng bước, vì vậy trong đề tài này chúng tôi tiến
hành nghiên cứu và chế thử hợp kim Fe-Si-Cr như là vật liệu anode bán trơ dùng cho


2

Hệ thống bảo vệ Cathode, khẳng định khả năng chế tạo tại chỗ các Anode loại này.
Đó chính là lý do đề xuất và là nội dung chủ yếu của đề tài này.


3

Phần 1: TỔNG QUAN
1.1. ĂN MÒN KIM LỌAI
1.1.1. Cơ chế của sự ăn mòn kim loại
n mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại bởi các tác nhân lí hoá của môi
trường. Sự phá huỷ này có thể xảy ra đồng thời với tác động cơ học: ăn mòn mỏi, ăn
mòn mài mòn…, do các phản ứng hoá học với môi trường: ăn mòn trong các lò cao,
ăn mòn do hơi axít.

n mòn điện hoá là dạng ăn mòn phổ biến và nguy hiểm nhất. Nó xảy ra
trong môi trường điện ly và là nguyên nhân chủ yếu của các sự cố do ăn mòn gây ra.
Khi nhúng thanh kim loại (ký hiệu Me) vào môi trường ăn mòn, do sự không đồng
nhất của các kim loại mà trên đó sẽ có những vùng với thế cao thấp khác nhau.
Vùng có thế thấp hơn gọi là vùng anod. Tại vùng anod các phân tử nhường điện tử
và bị solvát hoá để trở thành ion đi vào môi trường. Điện tử sẽ chuyển về vùng catod
là vùng có thế cao hơn. Vùng catod có dư một lượng điện tử và các tác nhân mang
tính oxy hoá cao của môi trường (ký hiệu là D) sẽ đến catod để nhận điện tử. Những
chất này gọi là chất khử cực.
Quá trình ăn mòn có thể biểu diễn theo sơ đồø sau:
Tại anod: M – ne+

M n+

Tại catod: D + ne-

xH2O

M(H2O)xn+

[D.ne-]

Phản ứng khử cực phụ thuộc vào môi trường xâm thực:
Môi trường acid: 2H+ + 2e

H2

Môi trường trung tính: 2H2O + 4e

4 OH-

Môi trường bazơ: H2O + O2 + 2e

2OH-


4

Do quá trình trao đổi điện tích mà trên bề mặt kim loại sẽ xuất hiện dòng
điện tử, còn trong dung dịch có dòng ion, tức là tồn tại một dòng điện.Trong môi
trường tự nhiên (đất, nước, không khí) các qúa trình ăn mòn xảy ra chủ yếu theo cơ
chế điện hóa.
n mòn điện hoá xảy ra với vận tốc lớn hơn nhiều so với tốc độ ăn mòn hoá
học nên trong đề tài này chỉ quan tâm tới ăn mòn điện hoá.
Chất điện li

Kim loại
ne-

ne-

xH2O

Me

D

Men+.xH2O

D.ne-

Bề mặt kim loại

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa qúa trình ăn mòn.
1.1.2. Phương trình động học của ăn mòn điện hóa
n mòn điện hóa là dạng của phản ứng điện cực nên nó tuân theo qui luật của
phản ứng điện cực.
Sự phụ thuộc giữa dòng và thế của phản ứng điện cực được biểu diễn bằng
phương trình Tafel:
η = a + b* lgi


5

Buttler và Volmer đã đưa ra phương trình động học của phản ứng điện cực
đơn.
i = i 0 [exp(

α .Z .F
RT

η ) − exp(

− β .Z .F
η)
R.T

Với i: mật độ dòng trao đổi
i0: mật độ dòng trao đổi tại thời điểm cân bằng.
Z: Số điện tử trao đổi

η: qúa thế, độ lệch khỏi thế cân bằng η = E - Ecorr
β: hệ số chuyển điện tích của phản ứng catod
α : hệ số chuyển điện tích của phản ứng anod
Năm 1938 C. Wargner và W. Traud đã đưa lý thuyết về điện thế hỗn hợp và
được chấp thuận rộng rãi. Theo lý thuyết này ta có lí luận sau:
Mật độ dòng điện tổng cộng giữa bề mặt kim loại và môi trường sẽ bằng tổng
đại số của tất cả các qúa trình anod và catod:
i= ia + ic
Trong môi trường ăn mòn ở trạng thái ổn định giữa bề mặt kim loại và môi
trường luôn tồn tại một thế không đổi gọi là thế ăn mòn Ecorr và tại thế đó giá trị
dòng catod và anod bằng nhau và bằng dòng ăn mòn:
ia = -ic = icorr
Do đó tại thế ăn mòn Ecorr

i=0

Người ta tính được dòng anod và catod:
i a = i corr exp(

α Me .Z .F
RT

η)

− β .Z.F
η)
ic = −icorr exp( D
RT

6

Phương trình động học của hệ ăn mòn:
i = i corr [exp(

α Me Z .F
RT

η ) − exp(

− β D .Z .F
η )]
RT

Phương trình này có dạng giống với phương trình Buttler – Volmer cho phản
ứng điện cực đơn với :
i: dòng tại qúa thế η
icorr: dòng ăn mòn
α, β: hệ số chuyển điện tích của anod và catod
η: qúa thế (độ dịch chuyển so với Ecorr), η = E - Ecorr
1.2. VẤN ĐỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ CÔNG TRÌNH BIỂN.
n mòn thép trong môi trường biển đã được thế giới nghiên cứu tương đối
nhiều cả về cơ chế, động học của quá trình cũng như biện pháp phòng chống. Trong
điều kiện Cầu Cảng Vũng Tàu, theo số liệu của Liên doanh Vietsovpetro, tốc độ ăn
mòn trung bình của thép cacbon ở vùng khí quyển là 0.21 mm/năm, ở vùng thuỷ
triều là 0.48mm/năm và vùng chôn trong đất là 0.17 mm/năm. Với tốc độ phá huỷ
như vậy, việc bảo vệ chống ăn mòn công trình có ý nghóa rất quan trọng.
n mòn cốt thép dẫn đến phá huỷ công trình bê tông cốt thép là một dạng phá
huỷ phổ biến nhất đối với các công trình xây dựng vùng biển, trong môi trường xâm
thực vùng biển, sự phá huỷ bê tông cốt thép do ăn mòn có thể xuất hiện sau 10-15

năm sử dụng, tức là chỉ đạt khoảng 20-30% tuổi thọ thiết kế. Độ bền của kết cấu bê
tông cốt thép phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường, chất lượng của vật
liệu và công nghệ sử dụng ( chủng loại xi măng, mác chống thấm, phụ gia, chủng
loại cốt thép, điều kiện thi công và khai thác công trình,…)


7

Theo kết quả nghiên cứu của Viện khoa học và công nghệ xây dựng, mức độ
xâm thực của môi trường biển và ven biển đối với bê tông cốt thép như sau:
- Vùng ngập nước

Ăn mòn mạnh

- Vùng nước lên xuống và sóng

Ăn mòn rất mạnh

- Vùng khí quyển trên biển

Ăn mòn mạnh

- Vùng khí quyển ven bờ (0.25- 1km)

Ăn mòn mạnh

- Vùng khí quyển gần bờ (1- 20 km)

Ăn mòn trung bình

Cũng theo Viện khoa học và công nghệ xây dựng thì độ bền thực tế của các
công trình bê tông cốt thép của vùng biển Việt Nam chỉ đạt 10-50% tuổi thọ thiết
kế.
Bảng 1.1: Độ bền công trình bê tông cốt thép vùng biển Việt Nam
( Theo số liệu của Viện KH- CN Xây dựng)
STT

Điều kiện môi trường

Tuổi thọ
Thiết kế

Thực tế

(năm)

(năm)

% so với
thiết kế

1

Kết cấu nhiễm mặn khi thi công

50

5-10

10-20

2

Vùng thuỷ triên lên xuống và

50

10-15

20-30

sóng
3

Vùng ngập nước biển

50

20-25

40-50

4

Vùng trên biển và mép nước

50

15-20

30-40

50

15-25

40-50

(<0,25 km)
5

Vùng ven biển (0,25- 20 km)


8

Một số kết quả khảo sát, kiểm định chất lượng các công trình giao thông vận
tải vùng ven biển Việt Nam do Viện khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải
thực hiện cho những nhận xét sau:
- Các loại cầu, cầu cảng bằng bê tông cốt thép hoặc thép bê tông liên hợp tỷ
lệ hư hỏng chiếm 70-80%. Hiện tượng chung là bê tông bảo vệ hoặc bê tông bản bị
nứt vỡ, bong tróc, cột thép bị ăn mòn ở mức độ khác nhau.
- Toàn bộ các trụ, mố bằng bê tông cốt thép hoặc thép ở vùng mớm nước bị
phá huỷ rất mạnh.
Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như khảo sát thực tế cho thấy ăn
mòn thép trong bê tông mang bản chất điện hóa [ 25, 35, 54,…]. Sự khác nhau về thế
điện cực của bề mặt thép giữa các vùng có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân: sự
không đồng nhất tính chất của bề mặt cốt thép trước khi đổ bê tông (vảy cán, rỉ,..),
sự chênh lệch về độ ẩm, nồng độ ô xy và nồng độ muối, khác nhau về độ kín, độ đặc
chắc của bê tông giữa các vùng, sự biến đổi về pH do sự xâm nhập của CO2 khí

quyển (qúa trình các bon nát hóa), môi trường bao quanh bê tông không giống nhau:
ngập nước, vùng nước lên xuống, vùng không khí, ….
Một trong những nguyên nhân ăn mòn thép trong bê tông khí quyển là do sự
xâm nhập của không khí chứa CO2, cacbondioxyt (CO2) chứa trong không khí có
hàm lượng trung bình 0,03 % thể tích. Cacbondioxyt phản ứng với các sản phẩm xi
măng thủy hóa để tạo canxi cacbonat CaCO3 theo các phản ứng:
Ca(OH)2 + CO2
n(C-S-H) + C

ẩm

CaCO3 + H2O

(1.2.1)

nCaCO3 + nSiO2 + nH2O

(1.2.2)

Phản ứng cacbonat hóa xảy ra dễ dàng khi các bazơ mạnh tiếp xúc với CO2.
CO2 + 2KOH (NaOH)

ẩm

K2CO3 (Na2CO3) + H2O

(1.2.3)


9

Các muối cacbonat của bazơ mạnh làm tăng độ tan của vôi nên có thể xảy ra
các phản ứng trao đổi:
K2CO3 (Na2CO3) + Ca(OH)2

ẩm CaCO3 + 2KOH (NaOH) (1.2.4)

Và lượng kiềm sinh ra tại phản ứng (1.2.4) lại bị cacbonat hóa tiếp. Các phản
ứng (1.2.2) đến (1.2.4) dẫn đến pH cục bộ bị giảm đáng kể, từ 12-13 ban đầu xuống
còn ∼ 8.
Tốc độ cacbonat hóa bê tông được biểu diễn bằng phương trình:
x = Kt1/2
Trong đó: x – độ sâu lớp bê tông bị cacbonat hóa (mm)
t – thời gian (năm)
K – hằng số
Ở những vùng bị các bon nát hóa màng thụ động trên thép bị phá vỡ, thép
chuyển sang trạng thái hoạt động và như vậy trong bê tông xuất hiện các pin ăn mòn
giữa vùng thụ động và vùng bị động [35].
Động học qúa trình cacbonat hóa bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Độ ẩm
của bê tông có ảnh hưởng quyết định đến tốc độ qúa trình cacbonat hóa. Qúa trình
cacbonat hóa xảy ra nhanh nhất ở độ ẩm tương đối 40 – 80 %. Trong môi trường
khô, lượng nước không đủ cho CO2 hòa tan. Ngược lại, hệ số khuyếch tán của CO2
lại rất nhỏ trong môi trường bê tông bão hòa nước [1].
Độ sâu cacbonat hóa bê tông phụ thuộc chất lượng bê tông mà trực tiếp là độ
thấm. Bê tông có tỷ lệ N/X (nước/ xi) thấp hoặc tăng lượng xi măng thì bị cacbonat
hóa chậm lại. Vì vậy bê tông có độ bền cao dường như không bị cacbonat hóa. Độ
sâu cacbonat hóa bê tông còn phụ thuộc vào nồng độ CO2 của môi trường. Các
nghiên cứu khẳng định tốc độ cacbonat hóa tăng theo hàm lượng CO2.

10

Nguyên nhân khác làm phá hủy cốt thép trong bê tông là qúa trình thấm SO42từ trong nước biển vào bê tông và sự tương tác của chúng với các sản phẩm thuỷ hoá
xi măng, tạo ra khoáng ettringit. Kết qủa của những tương tác này làm cho thể tích
pha rắn tăng lên đột ngột, gây nên sự trương nở và phá vỡ cấu trúc của đá xi măng.
Phản ứng của Na2SO4 với porlandit tạo ra thạch cao thứ cấp:
Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O

CaSO4. 2H2O + NaOH

Phản ứng giữa thạch cao mới hình thành với C3A của xi măng tạo thành
ettringite ít tan, làm tăng thể tích gấp 2,5 lần, làm xuất hiện thế nội và gây ra nứt,
phá hủy xi măng. Qúa trình này chỉ xảy ra khi nồng độ Ca(OH)2 lớn hơn 0,46 g/l tính
theo CaO, còn nếu nồng độ Ca(OH)2 nhỏ thì phản ứng không xảy ra
C3A + 3CaSO4. 2H2O + 26H2O

C3A.3CaSO4.32H2O

Hoặc với C4AH13 và C3.CaSO4.12H2O cũng tạo ra ettrengite.
Manhê sulfat có hai tác dụng thay thế ion Ca2+ trong C - S – H và phản ứng
với Ca(OH)2 tạo ra thạch cao mới cũng góp phần taïo ettringite:
Ca(OH)2 + MgSO4

CaSO4 + Mg(OH)2

C3A +3 CaSO4. 2H2O

C3A.3CaSO4. 32H2O

C-S-H + MSO4

CaSO4.2H2O + (C-M) –S - H

Đối với các công trình bê tông vùng biển thì yếu tố quan trọng nhất
gây ăn mòn cốt thép bê tông ở tốc độ cao chính là sự có mặt của các ion Cl- . các ion
Cl- thấm vào bê tông theo hai đường chính là từ môi trường có hàm lượng Cl- cao và
từ vật liệu dùng để chế tạo bê tông như cát, nước nhiễm mặn hay một số phụ gia
công nghệ chứa Cl- (chẳng hạn như chất đóng rắn CaCl2 thể hiện tác động bất lợi tới
sự bảo vệ cốt thép {54]). Các tác giả Backstrom và Potter [30] chỉ ra rằng một hàm
lượng nhỏ NaCl đã có thể làm giảm tác động ức chế ăn mòn của Ca(OH)2 đối với


11

thép. Sự ảnh hưởng ấy càng tăng khi hàm lượng muối tăng, cho đến khi đạt giá trị
nồng độ 0.7N. Ở nồng độ cao hơn tốc độ ăn mòn bắt đầu giảm nhẹ do độ hoà tan
oxy giảm đi. Sự có mặt của muối trong khí quyển vùng biển và ven biển cũng như
tác động trực tiếp của nước mặn đến bê tông ở các công trình biển và các công trình
thuỷ vùng cửa sông là một trong các nguyên nhân quan trọng nhất gây ăn mòn cốt
thép bê tông. Nguyên nhân đầu tiên làm tăng tốc độ ăn mòn của ion Cl- là giảm điện
trở của dung dịch điện ly trong bê tông [1]. Mặt khác, khi các ion Clo đến bề mặt
kim lọai, chúng có thể khơi mào qúa trình ăn mòn bằng cách hòa tan lớp thụ động
hoặc khuyếch tán qua lớp oxyt này. Ngay ở nồng độ thấp cỡ 0,01 %, ion Cl- đã làm
biến đổi hình thể của màng thụ động thành hợp chất FeOOH [1], sau đó tạo phức
không ổn định FeCl3- có khả năng phản ứng với OH- theo phản ứng:
Fe + 3ClFeCl3- + OH-

FeCl3- + 2e
Fe(OH)2 + 3Cl-

(1.2.5)
(1.2.6)

Điện tử tự do từ phản ứng (1.2.5) sẽ chuyển đến phía cathode. Tiếp theo phản
ứng (1.2.6) làm giảm pH của môi trường và lại giải phóng ra ion Cl-.
Đặc trưng ăn mòn thép khi có ion Cl- tạo ra các lỗ trên bề mặt kim loại dẫn
đến tỷ lệ cathod/anod lớn nên mật độ dòng ăn mòn cục bộ rất cao. Qúa trình ăn mòn
sẽ phát triển nhanh khi nồng độ ion Cl- tiếp tục khuyếch tán đến bề mặt cốt thép.
Ion Clo tồn tại trong bê tông dưới 3 dạng [1]: bị hấp phụ vật lý trên bề mặt
rắn của lỗ xốp, tham gia phản ứng với thành phần khóang C3A của xi măng tạo
thành các hợp chất monochloro aluminat hrat hóa C3A. CaCl2. 10H2O (muối
Friedel), trichloro aluminat C3A.3CaCl2.10H2O và tồn tại ở dạng tự do. Trong điều
kiện tự nhiên, ion Cl- liên kết hóa học trong bê tông chỉ gặp dạng muối Friedel.


12

Động học sự khuyếch tán của ion clo tự do trong cấu trúc xốp của bê tông
tuân theo định luật Fick 2 [1] và chỉ có nồng độ ion clo này mới gây ra qúa trình phá
hủy màng thụ động và ăn mòn thép.
Cũng như qúa trình cacbonat hóa, tốc độ thấm của ion clo phụ thuộc vào bản
chất xi măng, các phụ khóang và chất lượng bê tông.
Khả năng cố định Cl- phụ thuộc vào hàm lượng khoáng (C3A + C4AF) của xi
măng. Về mặt nguyên tắc làm giảm hàm lượng (C3A + C4AF) thì làm tăng nồng độ
Cl- tự do. Bê tông có các đặc trưng bền cao thì khả năng thẩm thấu của ion clo chậm.
Nồng độ thấm của ion clo từ môi trường ngoài vào lớp bê tông cốt thép còn
phụ thuộc vào vị trí của công trình (vùng thủy triều, vùng trên mức thủy triều và
vùng ngâm sâu trong nước biển) cũng như hướng tác động của thủy triều, sóng biển
[1]. Theo [1] khẳng định rằng nồng độ Cl- ở vùng ngập sâu > nồng độ Cl- ở vùng
thủy triều > nồng độ Cl- ở vùng khí quyển.

Khi muối ngấm vào bê tông qua các mao mạch, lỗ rỗng và vết nứt chúng
phân bố không đều giữa các điểm tạo nên chênh lệch về thế điện cực là điều kiện
gây nên dòng ăn mòn, tuy nhiên tác động nguy hiểm nhất của muối là ở chỗ làm
tăng đáng kể độ dẫn điện của bê tông, giảm thiểu độ pH và phá huỷ lớp màng thụ
động hình thành trên bề mặt thép do tác động của dung dịch bê tông trước đó. Các
đo đạc [54] cho thấy đối với dung dịch Ca(OH)2 bão hòa thì hàm lượng 3,5% NaCl
làm tăng độ dẫn điện của dung dịch lên gần 7 lần.
SựÏ khác biệt về độ thông khí cũng là nguyên nhân quan trọng gây nên ăn
mòn thép trong bê tông. Điều này xảy ra khi một vùng bề mặt thép tiếp xúc với
không khí nhiều hơn trong khi vùng bề mặt thép lân cận không tiếp xúc hoặc tiếp
xúc ít hơn đáng kể. Ở khu vực thiếu khí cốt thép sẽ đóng vai trò anode và bị aên moøn.


13

Trong thực tế những phá hủy ở vùng ngấn nước ( ∼ 1m trên mực nước) của các công
trình biển, bao gồm công trình bê tông cốt thép bao giờ cũng xảy ra mạnh hơn các
khu vực khác [14].
Ngoài ra, ở điều kiện khắc nghiệt của vùng biển, bê tông và bê tông cốt thép
chịu các dạng xâm thực khác như phá huỷ sinh học (hà bám, sò, vi sinh …), các tác
động cơ học của hoạt động công nghệ, sóng, gió, dòng chảy,… gây nên ăn mòn sinh
học, ăn mòn ứng suất, mỏi ăn mòn, v.v…, là những dạng ăn mòn công trình khó kiểm
soát và rất nguy hiểm.
Bên cạnh những tác động của môi trường đã trình bày trên đây, độ bền và
tuổi thọ của công trình biển còn là kết quả tổng hợp của thiết kế, thi công, giám sát
và quản lý sử dụng công trình. Vấn đề này trực tiếp quyết định bởi phương thức,
hiệu quả của công tác quản lý và trình độ khoa học công nghệ trong nước.
Lựa chọn vật liệu và công nghệ thích hợp để xây dựng các công trình biển và
ven biển có tính đến nguy cơ phá huỷ công trình là nhiệm vụ của các nhà thiết kế.
đây chỉ trình bày một số ý kiến xung quanh việc cọc bê tông cốt thép hay cọc thép

cho cảng biển từ góc độ bảo vệ chống ăn mòn công trình.
- Trước hết cần khẳng định cả kết cấu thép và bê tông cốt thép đều bị ăn mòn
trong môi trường biển và vì thế đều cần bảo vệ để chống ăn mòn. Đối với kết cấu
thép phương pháp được kiểm nghiệm có hiệu quả nhất là sử dụng sơn phủ kết hợp
với bảo vệ Cathode. Đối với bê tông cốt thép việc chống ăn mòn thực hiện chủ yếu
qua thiết kế và lựa chọn mác bê tông thích hợp cũng như công nghệ chế tạo cọc.
- Trong quá trình thi công (đóng cọc) nguy cơ phá huỷ kết cấu đối với cọc
thép là không đáng kể, bởi vì thép có tính dẻo, chịu biến dạng và va đập. Đối với
các cọc bê tông cốt thép, nguy cơ phá huỷ kết cấu cao hơn nhiều do đặc tính dòn của


14

bê tông, khả năng chịu biến dạng và va đập rất kém. Các vết nứt trong bê tông cọc
có thể tạo thành ngay từ đầu, những vết nứt như thế rất khó nhận biết sẽ là mầm
mống phá huỷ kết cấu với tốc độ ngày càng cao hơn.
- Hậu quả trực tiếp của ăn mòn thép là giảm chiều dày chịu lực của kết cấu
một cách từ từ và có thể dự báo, còn ăn mòn cốt thép bê tông lại có thể gây ra sự
phá vỡ tính liên tục của kết cấu rất nhanh, làm giảm đáng kể độ bền của công trình,
rất dễ dẫn đến những phá huỷ có tính chất sự cố. Đối với bê tông dự ứng lực hậu quả
của ăn mòn cốt thép còn nguy hiểm hơn ( ví dụ sự cố cầu Rào Hải Phòng, hay sự cố
cầu Bình Điền- Tp.HCM).
- Sửa chữa, khắc phục, kéo dài tuổi thọ của các công trình bê tông cốt thép
trong điều kiện biển là rất tốn kém (theo tiêu chuẩn của thế giới, chi phí cho sửa
chữa gấp 5 lần chi phí cho công trình xây mới).
- Ở Việt Nam vấn đề xây dựng, sử dụng, sửa chữa kết cấu thép biển tương đối
quen và bắt đầu tích luỹ kinh nghiệm qua hoạt động của Liên doanh Vietsovpetro,
tuy nhiên các công trình bê tông cốt thép biển thì còn ít vì thế chống ăn mòn bê tông
cốt thép biển là tương đối mới.
- Trong mấy năm gần đây các công trình cầu cảng biển và ven biển mới xây

dựng ở Việt Nam (một số do nước ngoài thiết kế) như cảng Hòn Chông, cảng Cát
Lái (Liên doanh xi măng Sao Mai), cảng Nhà máy Liên doanh Xi măng Nghi Sơn ,
cảng Bến Nghé,… đều đã được sử dụng cọc thép.
Thực tế, lựa chọn phương án có nghóa là giải bài toán kinh tế – kỹ thuật phức
tạp, vì vậy để có được một giải pháp đúng và hiệu quả, nhà Đầu tư cần phải xem xét
cụ thể và toàn diện những yếu tố tác động cũng như triển vọng về hiệu quả của việc
khai thác công trình.