Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện việt nam

Bộ giáo dục và đào tạo

Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
----------*** ----------

LUậN văn thạc Sĩ Khoa học

Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn
cốt thép trong bê tông bằng anốt
hy sinh trong điều kiện Việt Nam
Ngành : Công nghệ Hoá học
MÃ số :

Vũ thế Ph-ơng

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

TS. HOàNG THị BíCH THUỷ

Hà Nội - 2009


1
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Lời cảm ơn
Luận văn này đ-ợc thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ
kim loại - Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội và tại Trung tâm T- vấn chống ăn
mòn và Xây dựng - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng. Tôi xin đ-ợc bày tỏ
lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới:
TS. Hoàng Thị Bích Thủy ng-ời đà tận tình h-ớng dẫn và giúp đỡ tôi trong

quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Các các bộ trong Trung tâm nơi tôi thực tập và công tác đà giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình thí nghiệm và góp ý cho tôi để luận văn này hoàn thiện hơn.
Tôi cũng xin đ-ợc bày tỏ sự biết ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau
đại học, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ hoá học, Bộ môn Công nghệ điện hoá
và bảo vệ kim loại, Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội đà tạo điều kiện cho tôi
trong quá trình học tập.
Cuối cùng tôi xin đ-ợc gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những ng-ời đÃ
luôn bên tôi, động viên khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009
Học viên

Vũ Thế Ph-ơng

Luận văn thạc sĩ

Vũ ThÕ Ph-¬ng


2
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Lời cam đoan
Tên tôi là: Vũ Thế Ph-ơng, học viên lớp cao học chuyên ngành Công nghệ
Điện hoá và bảo vệ kim loại, khoá 2007-2009. Tôi xin cam đoan bản luận văn
này là do tôi tự viết, số liệu nghiên cứu thu đ-ợc từ thực nghiệm và không sao
chép.
Học viên

Vũ Thế Ph-ơng

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


3
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

mục lục
Mục lục ...

3

Danh mục hình ....

5

Danh mục bảng ...

6

mở đầu .

7

ch-ơng I. Tổng quan ......

11

I.1 ăn mòn cốt thép trong bê tông .
I.1.1 Hiện t-ợng thụ động cốt thép trong bê tông ....
I.1.2 Nguyên nhân, cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông ...
I.1.3 Ăn mòn cốt thép trong bê tông của công trình biển

11

I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn
mòn do ion clo ..
I.2.1 Biện pháp bảo vệ cơ bản ...
I.2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ .....

11
13
20
23

I.3 bảo vệ catốt trong bê tông bằng anốt hy sinh ............

24
24
30

I.3.1 Ph-ơng pháp bảo vệ catốt .....

30

32
I.3.2 Vật liệu anốt trong hệ bảo vệ catốt ..
I.3.3 Tình hình nghiên cứu v ứng dụng anốt kẽm dùng chống ăn mòn cho

cốt thép .....
34
37
Ch-ơng II. Thực nghiệm và ph-ơng pháp nghiên cứu
II.1 Chuẩn bị thí nghiệm ......
II.1.1 Cốt thép ....
II.1.2 Xi măng ....
II.1.3 Cát .....
II.1.4 Đá .....
II.1.5 Anốt hy sinh .....

37

II.2 Dung dịch và điều kiện thí nghiệm .......
II.3 Các thông số cần đo và ph-ơng pháp đo ..
II.3.1 Ph-ơng pháp đo điện thế nửa pin haft-cell .
II.3.2 Ph-ơng pháp đo điện trở phân cực ..
II.4 Thí nghiệm nghiên cứu hiƯu qu¶ b¶o vƯ cèt thÐp cđa
anèt hy sinh trong môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt ......
II.4.1 Quy trình thí nghiệm ....
Luận văn thạc sĩ

37
37
37
37
37
38
38
38

40
41
41

Vũ Thế Ph-ơng


4
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

II.4.2 Tiến hành đo .....

43

II.5 Thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng của ANHS đối với quá
43
trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận sau sửa chữa ...
43
II.5.1 Quy trình thí nghiệm ....
46
II.5.2 Tiến hành đo .....

Ch-ơng III. Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của Anốt hy
sinh đối với quá trình ăn mòn cốt thép trong bê
47
tông theo thời gian .
III.1 Điện thế cốt thép ......
III.1.1 Tr-ờng hợp bê tông sạch (không có ion Cl- trong bê tông) ..
III.1.2 Tr-ờng hợp bê tông sạch (không có ion Cl- trong bê tông) và đ-ợc gắn
bằng anốt hy sinh .......

47
47
48

-

III.1.3 Tr-ờng hợp BT cã nhiƠm ion Cl (2% NaCl theo khèi l-ỵng xi măng có
trong BT) ....
49
III.1.4 Tr-ờng hợp bê tông (có ion Cl trong bê tông) và đ-ợc gắn anốt hy sinh 50
52
III.2 Tốc độ ăn mòn bằng ph-ơng pháp đo điện trở phân cực
III.3 Nhận xét .........

53

Ch-ơng iV. nghiên cứu ảnh h-ởng của anốt hy sinh
đối với quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận
54
khi sửa chữa bê tông ....
IV.1 Khảo sát điện thế ăn mòn của cốt thép ..
IV.1.1 Tr-ờng hợp thép bị gỉ (không có ion Cl- trong bê tông) ...
IV.1.2 Tr-ờng hợp thép bị gỉ và có ion Cl- trong bê tông ....
IV.1.3 Tr-ờng hợp đối với mẫu sửa chữa .........
IV.1.4 Tr-ờng hợp đối với mẫu sửa chữa và đ-ợc bảo vệ bằng anốt hy sinh .....

IV.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn .............
IV.2.1 Khảo sát tốc độ ăn mòn của cả thanh thép ....
IV.2.2 Khảo sát tốc độ ăn mòn khi cắt mẫu .....

54
54
55
56
58
59

IV.3 Nhận xét ........

59
60
66

Kết luận ......

67

Tài liệu tham khảo .....

68

phụ lục .........

72

I

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


5
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Danh mục hình
Hình I.1 - Lớp màng thụ động của cốt thép trong bê tông bị phá vỡ .

16

Hình I.2 - Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông có mặt ion Cl- .......

19

Hình I.3 - Giản đồ E - pH đối với cốt thép trong bê tông theo Pedeferi .....

31

Hình II.1 - Cấu tạo anốt hy sinh để bảo vệ cốt thép trong bê tông .....

37

Hình II.2 - Sơ đồ đo điện thế cốt thép trong bê tông ..

39

Hình II.3 - Mô hình thí nghiệm đánh giá hiƯu qu¶ b¶o vƯ cèt thÐp cđa anèt hy
sinh trong môi tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt ..
42

Hình II.4 - Mô hình thí nghiệm đánh giá ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với
quá trình ăn mòn cốt thép tại vùng lân cận sau sửa chữa ..

44

Hình III.1 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu S1

48

Hình III.2 - Sự thay đổi điện thÕ cèt thÐp theo thêi gian cđa mÉu S1-A ………

49

H×nh III.3 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thÐp theo thêi gian cđa mÉu S2 …

50

H×nh III.4 - Sù thay ®ỉi ®iƯn thÕ cèt thÐp theo thêi gian của mẫu S2-A

51

Hình III.5 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian .

52

Hình IV.1 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thêi gian cđa mÉu L1 ...

55

H×nh IV.2 - Sù thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu L2 ...

56

Hình IV.3 - Sự thay đổi điện thế ăn mòn cốt thép theo thời gian của mẫu L3 ...

57

Hình IV.4 - Sự chênh lệch điện thế giữa các vị trí theo thời gian của mẫu L3 ...

57

Hình IV.5 - Sự thay đổi điện thế cốt thép theo thêi gian cđa mÉu L3-A ………

58

H×nh IV.6 - Sù chênh lệch điện thế giữa các vị trí theo thời gian của mẫu L3-A 58
Hình IV.7 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo thời gian ......

60

Hình IV.8 - Sự thay đổi tốc độ ăn mòn cốt thép theo từng đoạn

61

Hình IV.9 - Bặt cốt thép của mẫu L3 tại các vị trí khác nhau

63

Hình IV.10 - Bặt cốt thép của mẫu L3-A tại các vị trí khác nhau ..

65

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


6
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Danh mục bảng
Bảng I.1 - Niên hạn xảy ra h- hỏng kết cấu BTCT th-ờng gặp trong môi 21
tr-ờng biển Việt Nam ........
Bảng I.2 - Tình trạng ăn mòn kết cấu BTCT vùng biển một số n-ớc Đông Nam 23
á và Nhật Bản ............
Bảng II.1 - Đánh giá kết quả khả năng cốt thép bị ăn mòn trong bê tông ..

40

Bảng II.2 - Thành phần cấp phối bê tông dùng trong nghiên cứu hiệu quả ....

43

Bảng II.3 - Thành phần cấp phối bê tông dùng trong nghiên cứu khi sửa chữa

45

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng

7
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Mở đầu
ăn mòn kim loại là quá trình tự phá huỷ của các kim loại d-ới tác động của
môi tr-ờng xung quanh dẫn đến sự thay đổi những tính chất hoá lý của chúng. Sự
ăn mòn và hậu quả do ăn mòn gây ra là rất lớn. Toàn thế giới -ớc tính có đến
10% l-ợng thép bị gỉ hàng năm và tại các n-ớc công nghiệp phát triển, chi phí do
ăn mòn kim loại chiếm khoảng 3 - 4% tổng s¶n phÈm qc gia (GNP) [3]. ë ViƯt
Nam, hiƯn ch-a có số liệu thống kê chính xác, nh-ng do điều kiện khí hậu đặc
thù của n-ớc ta là nóng ẩm, tổn thất do ăn mòn chắc chắn không nhỏ. Nếu tạm
tính là 3,5% GDP, thì hàng năm thiệt hại do ăn mòn là hơn 700 triệu USD. Sự ăn
mòn cốt thép trong bê tông dẫn đến sự phá huỷ kết cấu rất nghiêm trọng. Ví dụ
điển hình nh-, năm 1967, cây cầu nối Point Pleasant, phía Tây Virginia với
Kanauga, Ohio bÞ sËp bëi rÊt nhiỊu bé phËn kÕt cÊu xng cấp do ăn mòn. Tháng
5 năm 2000, sự cố sập cầu đi bộ ở Bắc Carolina làm th-ơng hơn 100 ng-ời. Cây
cầu Dickson ở Montreal năm 1990 cũng bị ngừng hoạt động do sự ăn mòn làm
xuống cấp. Ngày 28/8/2003 một cây cầu bê tông qua sông Daman Ganga, miền
tây ấn Độ bị sập, làm 25 ng-ời thiệt mạng, nguyên nhân là do cầu quá cũ nát
(trong đó cốt thép bị ăn mòn) [21]. Gần đây nhất là vào ngày 01/8/2007, một
thảm hoạ đà xảy ra tại bang Minnesota khi một cây cầu trọng yếu bắc qua sông
Missisippi của n-ớc Mỹ bất ngờ sập ngay vào giờ cao điểm buổi tối, nhấn chìm
nhiều xe ôtô, làm 13 ng-ời thiệt mạng và nhiều ng-ời bị th-ơng mà một trong
những nguyên nhân gây ra sập cầu là do bị ăn mòn.
ở Việt Nam ch-a có tr-ờng hợp nào xảy ra nghiêm trọng về ng-ời nh-ng
đà gây thiệt hại lớn về kinh tế. Tiêu biểu phải kể đến công trình bệnh viện K67
Quảng Ninh đ-ợc xây dựng vào năm 1990 và đ-a vào sử dụng năm 1993, tổng
diện tích sàn của toàn bộ khu nhà là 5000m2 nh-ng chỉ sau 10 năm sử dụng công

trình đà phải dỡ bỏ hoàn toàn do không an toàn trong quá trình sử dụng và có thể
sập bất cứ lúc nào. Nguyên nhân chính là do sử dụng cát nhiễm mặn để đúc bê
tông dẫn đến kết cấu bê tông cốt thép [BTCT] bị ăn mòn rất nhanh chóng [2].

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


8
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Bê tông cốt thép là một trong những vật liệu xây dựng đ-ợc sử dụng rất phổ
biến hiện nay. Việc tiêu thụ bê tông trên toàn thế giới đứng hàng thứ hai chỉ sau
việc tiêu thụ n-ớc với hơn 1tấn/ng-ời/năm [22]. Theo thời gian thì sự xuống cấp
của các công trình BTCT, nhất là các công trình làm việc trong môi tr-ờng có
hàm l-ợng ion Cl- cao (môi tr-ờng biển, công nghiệp hoá chất có chứa Cl-) đều
tiềm ẩn khả năng xâm thực mạnh đối với kết cấu BTCT dẫn đến h- hỏng công
trình.
Tính cấp thiết của đề tài:
Cùng với sự phát triển kinh tế - xà hội, số l-ợng các công trình xây dựng
ngoài khơi và dọc theo bờ biển n-ớc ta đang tăng nhanh, trong đó các công trình
có sử dụng kết cấu BTCT ngày càng phát triển. N-ớc ta có bờ biển kéo dài trên
3200 km và kết hợp với điều kiện đặc thù của Việt Nam là môi tr-ờng khí hậu
nóng ẩm với nhiệt độ trung bình cao, độ ẩm lớn, thời gian ẩm -ớt kéo dài là các tác
nhân đẩy nhanh tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông. Các biện pháp bảo vệ chống
ăn mòn cốt thép trong bê tông bao gồm: nâng cao chất l-ợng bê tông; tăng chiều
dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép; ph-ơng pháp sơn phủ (phủ bề mặt bê tông, sơn
phủ cốt thép); sử dụng thép hợp kim, thép không gỉ; sử dụng chất ức chế ăn mòn;
ph-ơng pháp bảo vệ catốt Mỗi ph-ơng pháp bảo vệ chống ăn mòn đều có -u

điểm, nh-ợc điểm nên tuỳ theo điều kiện và tính chất của công trình mà lựa chọn
ph-ơng pháp bảo vệ thích hợp.
Ph-ơng pháp sử dụng anốt hy sinh trong hệ bảo vệ catốt đ-ợc áp dụng đầu
tiên ở Mỹ vào những năm 1970 để bảo vệ mặt cầu chống lại ăn mòn cốt thép do
ng-ời ta rải muối để làm tan băng. Bắt đầu từ những năm 1980, ph-ơng pháp bảo
vệ này đ-ợc áp dụng cho các công trình xây dựng nh-: toà nhà, công trình biển,
đ-ờng hầm, mặt cầu và các công trình ngầm ở các n-ớc công nghiệp phát triển
nh- Mỹ, Châu Âu. Tổng kết trên thế giới cho thấy đến năm 2000, ph-ơng pháp
bảo vệ catốt đà đ-ợc áp dụng để chống ăn mòn cho 2.000.000 m2 diện tích bề
mặt công trình BTCT [27]. Anốt hy sinh trên cơ sở hợp kim kẽm đ-ợc sử dụng
nhiều để bảo vệ cho kết cấu thép. Đối với công trình BTCT thì kẽm có thể đ-ợc

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


9
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

dùng làm anốt trong hệ bảo vệ catốt d-ới dạng phun trực tiếp lên bề mặt bê tông
để bảo vệ cho cốt thép, hoặc dùng ở dạng l-ới, dạng tấm hay dạng khối đặt trong
hoặc ngoài bê tông
ở Việt Nam, một số đơn vị đà bắt đầu đi sâu nghiên cứu về công nghệ
chống ăn mòn cho cốt thép trong bê tông bằng ph-ơng pháp bảo vệ catốt, tiêu
biểu phải kể đến Trung tâm nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại - Tr-ờng Đại
học Bách khoa Hà Nội. Mặc dù ph-ơng pháp bảo vệ catốt là ph-ơng pháp rất hữu
hiệu, có hiệu quả bảo vệ tốt ngay cả với công trình đà bị nhiễm ion Cl -, song để
triển khai và áp dụng ở Việt Nam còn cần các nghiên cứu với điều kiện môi
tr-ờng và thi công tại Việt Nam. Xuất phát từ lý do này tác giả đà lựa chọn chủ

đề nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép
trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam .
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cho cốt thép trong
bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam, làm rõ tác dụng bảo vệ cốt
thép trong tr-ờng hợp công trình thi công mới và thi công sửa chữa chống ăn mòn
các công trình cũ.
Để đạt đ-ợc mục tiêu đặt ra, đề tài cần giải quyết các nhiệm vụ sau đây:
- Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn
cốt thép trong bê tông theo thời gian d-ới tác động xâm thực mạnh của môi
tr-ờng thử nghiệm khắc nghiệt;
- Nghiên cứu ảnh h-ởng của anốt hy sinh đối với quá trình ăn mòn cốt
thép tại vùng lân cận khi sửa chữa bê tông;
ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Kết quả nghiên cứu của đề tài đáp ứng nhu cầu cấp thiết về giải pháp
chống ăn mòn hiệu quả cho công trình BTCT trong môi tr-ờng biển Việt Nam.
Giải pháp có thể đ-ợc ứng dụng hiệu quả trong các tr-ờng hợp sau:
- Đảm bảo tuổi thọ công trình trong tr-ờng hợp không đảm bảo đ-ợc biện
pháp bảo vệ cơ bản (mác bê tông hoặc chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép
Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


10
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

không đạt yêu cầu để bảo vệ cốt thép chống ăn mòn clorua theo tiêu chuẩn
TCXDVN 327 : 2004) [16].
- Nâng cao thời gian sử dụng công trình trong tr-ờng hợp vật liệu đầu vào

bị nhiễm mặn từ đầu hoặc bê tông bị nhiễm mặn trong quá trình thi công. Tr-ờng
hợp này xảy ra khi thi công ở vùng đảo xa khan hiếm vật liệu sạch hoặc thi công
trên biển chịu tác động của thuỷ triều, sóng biển trong quá trình thi công.
- Nâng cao hơn nữa tuổi thọ công trình trong các môi tr-ờng xâm thực
khắc nghiệt. Theo kết quả khảo sát trên các công trình biển ở Việt Nam cho thấy
trong vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh mặc dù kết cấu có mác bê tông cao
(M40) chiều dày bảo vệ lớn (50mm) nh-ng vẫn không thể đảm bảo đ-ợc tuổi thọ
công trình trên 50 năm, lý do là ion Cl- thẩm thấu vào quá nhanh d-ới tác động
xâm thực mạnh của môi tr-ờng [1].

Luận văn thạc sĩ

Vũ ThÕ Ph-¬ng


11
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

ch-ơng I. Tổng quan
I.1 ăn mòn cốt thép trong bê tông

I.1.1 Hiện t-ợng thụ động cốt thép trong bê tông
a. Môi tr-ờng bê tông
Bê tông là hỗn hợp của xi măng (chủ yếu là xi măng Portland) với cốt liệu
thô (đá, sỏi), cốt liệu mịn (cát) và n-ớc. Ngoài ra ng-ời ta có thể cho thêm các
phụ gia, tro nhiên liệu, xỉ lò caođể nâng cao tính chất của bê tông.
Môi tr-ờng bê tông là môi tr-ờng dẫn điện do bê tông có cấu trúc lỗ xốp,
các mao quản chứa dung dịch điện ly. Tính chất hóa lý của bê tông phụ thuộc
vào thành phần và tính chất của phối liệu bê tông, quá trình chế tạo, bảo d-ỡng
bê tông và đ-ợc xác định bởi phản ứng của bê tông với môi tr-ờng xung quanh.

Sự kết hợp cốt thép với bê tông sẽ làm tăng sức bền chống ngoại lực, tạo ra
sự vững chắc cho công trình. Lớp bê tông bao bọc bên ngoài bảo vệ cho cốt thép
tránh đ-ợc những tác động cơ học và hóa học của môi tr-ờng.
Cấu trúc của vữa xi măng đ-ợc tạo ra do phản ứng giữa bột xi măng và
n-ớc khi trộn chúng với nhau. Khi bê tông đông cứng ở mặt ngoài thì trong lòng
khối bê tông quá trình hyđrat vẫn xảy ra. Sản phẩm hyđrat hóa của xi măng
Portland thông th-ờng gồm có hai loại:
- Các tinh thể t-ơng đối lớn canxihyđroxit [Ca(OH)2] chiếm khoảng 20%
trong l-ợng vật chất.
- Các hạt rất nhỏ ở dạng gel C-S-H có thành phần trung bình
3CaO.2SO4.2H2O. Trong quá trình đóng rắn của bê tông, các thành phần khoáng
của xi măng bị thủy hóa tạo ra môi tr-ờng ban đầu có độ kiềm cao (pH13). Khi
bê tông đông cứng, n-ớc còn lại đ-ợc giữ trong các lỗ xốp của khối bê tông và
một phần n-ớc đ-ợc sử dụng để tạo ra sản phẩm hyđrat hóa. Quá trình thuỷ hoá
vẫn tiếp tục xảy ra ngay cả trong thời gian sử dụng của bê tông [12].
Tùy thuộc vào môi tr-ờng bên ngoài và khả năng thấm -ớt của bê tông mà
l-ợng n-ớc trong lỗ xốp có thể thay đổi. N-ớc trong lỗ xốp bê tông luôn chứa các
ion hòa tan từ xi măng, do đó đ-ợc gọi là dung dịch lỗ. Sau vài ngày diễn ra quá
Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


12
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

trình hyđrat hóa, dung dịch lỗ của hầu hết các loại bê tông đều chứa ion kiềm
(K+, Na+), hyđroxit (OH-) với nồng độ t-ơng đối cao và ion Ca2+, SO42- với l-ợng
nhỏ hơn. Nồng độ ion OH- trong dung dịch lỗ th-ờng khá cao bằng 0,51 mol/l,
thậm chí cả khi các lỗ xốp của bê tông đ-ợc điền đầy dung dịch. Nếu bê tông bị

khô từng phần, nồng độ OH- có thể cao hơn, giá trị pH t-ơng đ-ơng với nồng độ
OH- cao là khoảng 13. Các yếu tố ảnh h-ởng đến độ pH của dung dịch lỗ trong
bê tông gồm:
- L-ợng kiềm trong xi măng, l-ợng xi măng đ-ợc sử dụng để chế tạo bê
tông.
- Tỷ lệ n-ớc/xi măng, sự trôi kiềm ra khi khối bê tông ngập trong n-ớc, sự
phản ứng của kiềm với các thành phần của phối liệu để tạo ra các sản phẩm
không hòa tan.
- Sự xâm nhập của CO2 không khí gây nên hiện t-ợng cacbonat hóa bê
tông. Đây là yếu tố làm giảm pH bê tông mạnh nhất.
Tính chất hóa học của bê tông thay đổi dần theo thời gian do ảnh h-ởng của
các tác nhân từ môi tr-ờng bên ngoài xâm nhập vào trong bê tông. Đối với công
trình bê tông trong không khí thì hiện t-ợng cacbonat hóa có ảnh h-ởng chính tới
chính chất hóa học của bê tông. Còn đối với công trình bê tông trong môi tr-ờng
n-ớc thì sự xâm nhập của SO42-, Cl- là yếu tố ảnh h-ởng chính.
Cấu trúc lỗ xốp, kích th-ớc hệ thống lỗ và mao quản của bê tông phụ thuộc
vào tỷ lệ n-ớc/xi măng, thành phần phối liệu, đặc tính của các vật liệu nh- xi
măng, cát, đá, sỏi, chế độ bảo d-ỡng và các phụ gia (nếu có).
Các tính chất nh- độ thấm, độ thẩm thấu, tính dẫn điện, khả năng khuếch
tán khí (CO2, O2) vào trong bê tông là những tính chất vật lý của bê tông có ảnh
h-ởng nhiều đến quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông.
Đối với công trình bê tông trong biển, do ảnh h-ởng của thủy triều lên
xuống mà độ thẩm thấu lớn hơn rất nhiều so với độ thẩm thấu của bê tông ở vùng
cao vì n-ớc biển thấm vào công trình khi thủy triều lên, khi thủy triều xuống
n-ớc trong bê tông sẽ bay hơi và để lại muối ở bên trong.

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng

13
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Ôxy có thể có mặt trong bê tông bằng nhiều cách khác nhau nh-: trong
quá trình trộn bê tông ban đầu, do thẩm thấu hoặc do khuếch tán. Sự có mặt của
ôxy là nhân tố quan trọng đối với quá trình ăn mòn cốt thép. Hàm l-ợng ôxy
trong bê tông phụ thuộc vào diện tích bề mặt bê tông và hệ số khuếch tán của
ôxy. Sự chuyển ôxy vào trong bê tông đ-ợc tính theo đơn vị bề mặt bê tông, vào
khoảng 3.10-14 2.10-3 molO2/cm2/s đối với bê tông ở môi tr-ờng biển [12].
b. Hiện t-ợng thụ động cốt thép trong bê tông
Cốt thép trong bê tông đ-ợc ngăn cách với môi tr-ờng bên ngoài bởi một
lớp bê tông. Lớp bê tông nh- một hàng rào hóa học cũng nh- vật lý đối với sự ăn
mòn cốt thép.
Hàng rào hóa học đ-ợc hiểu là môi tr-ờng kiềm cao của dung dịch điện ly
trong bê tông. Nhờ môi tr-ờng này, màng thụ động đ-ợc hình thành và duy trì
trên bề mặt cốt thép có tác dụng bảo vệ cốt thép. ở điều kiện bình th-ờng môi
tr-ờng trong bê tông có pH 13, màng thụ động đ-ợc hình thành trên bề mặt cốt
thép ở dạng Fe2O3.Fe3O4 có chiều dày khoảng 10-3 m theo ph¶n øng [12]:
Fe + 2OH-  Fe(OH)2 + 2e
3Fe(OH)2 + 2OH-  Fe3O4 + 4H2O + 2e
2Fe3O4 + 2OH-  3Fe2O3 + H2O + 2e
Hµng rµo vËt lý là độ dày và khả năng chống thấm của lớp bê tông. Rào
chắn vật lý quyết định giới hạn độ khuếch tán của các tác nhân ăn mòn đến bề
mặt cốt thép và vì vậy có thể ngăn cản các phản ứng ăn mòn xảy ra kể cả trong
tr-ờng hợp màng thụ động bị phá vỡ.
Quá trình ăn mòn có xảy ra đối với cốt thép trong bê tông hay không phụ
thuộc vào lớp vỏ bê tông, cụ thể là phụ thuộc vào cấu trúc lỗ xốp và môi tr-ờng
kiềm cao của dung dịch lỗ.
I.1.2 Nguyên nhân, cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Sự ăn mòn cốt thép bắt đầu khi màng thụ động bị phá vỡ. Sự phá màng thụ
động có thể xảy ra ở một vùng giới hạn trên bề mặt cốt thép nh- ở xung quanh
các vết nứt gây ra ăn mòn cục bộ với vùng phá thụ động là anốt của pin ăn mòn,
Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


14
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

hoặc có thể xảy ra trên phạm vi lớn nh- trong tr-ờng hợp bê tông xốp, khi đó bê
tông có thể bị cacbonat hóa do sự xâm nhập của CO2 làm giảm mạnh pH trong
dung dịch lỗ xuống tới 9 dẫn đến cốt thép bị ăn mòn mạnh với nhiều vị trí anốt
hoạt động trên bề mặt cốt thép.
Ngoài ra sự phá màng thụ động còn xảy ra do sự có mặt trong dung dịch lỗ
một số ion có khả năng phá thụ động mà điển hình là ion Cl-. Ion Cl- và một vài
ion khác có đặc tính t-ơng tự có tác dụng làm mất ổn định màng thụ động, nếu
chúng có mặt với nồng độ đủ cao thì tác dụng của chúng thực sử là một trong
những nguyên nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong bê tông. Sự có mặt của ion
Cl- trong bê tông có thể do khâu phối liệu sử dụng chất đóng rắn nhanh CaCl 2,
hc n-íc chøa ion clo hc do ion Cl- xâm nhập vào bê tông trong quá trình sử
dụng nh- tr-ờng hợp công trình bê tông cốt thép làm việc trong môi tr-ờng biển
hoặc các công trình đ-ờng giao thông phải rải muối để chống đóng băng.
Nguyên nhân gây ra ăn mòn cốt thép trong bê tông là do sự phá màng thụ
động bảo vệ cốt thép. Màng thụ động bền trong môi tr-ờng kiềm, tuy nhiên
màng có thể bị phá hủy khi pH giảm do quá trình cacbonat hóa hoặc sự xâm
nhập của ion Cl-.
a. Sự phá màng thụ động do cacbonat hóa bê tông
Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông một phần phụ thuộc vào độ pH của dung

dịch lỗ trong bê tông.
Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc lỗ xốp, các phân tử CO2 từ môi tr-ờng
bên ngoài xâm nhập vào bê tông, có thể phản ứng với gel C-S-H và Ca2+ trong
dung dịch lỗ:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2
Kết quả của các phản ứng nào là sự giảm mạnh pH của dung dịch lỗ tới giá
trị 9 hoặc nhỏ hơn. Vì màng oxýt chỉ tồn tại trong môi tr-ờng pH > 10,5 nên sự
giảm pH do quá trình cacbonat hóa sẽ ảnh h-ởng đến màng thực hiện động trên
bề mặt cốt thép. Khi pH thấp, màng oxýt vẫn tồn tại nh-ng không bám dính lên
bề mặt thép, do vậy không có khả năng bảo vệ ăn mòn.
Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


15
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Quá trình cacbonat hóa bê tông phụ thuộc và nhiều yếu tố nh-: tỉ lệ n-ớc/xi
măng của bê tông, thời gian bảo d-ỡng, độ thẩm thấu và hệ số khuếch tán của bê
tông, hàm l-ợng CO2 bao quanh bê tông, khả năng hấp thụ CO2 của bê tông, chất
l-ợng bề mặt, thời gian và điều kiện làm việc của công trình bê tông
Thông th-ờng quá trình khuếch tán CO2 vào bê tông xảy ra rất chậm, nhất
là với bê tông ngập n-ớc hoặc bê tông ẩm, nh-ng quá trình khuếch tán có thể xảy
ra nhanh hơn tại các vết nứt của bê tông. Trong bê tông bÃo hòa, sự xâm nhËp
cđa CO2 cã thĨ chØ x¶y ra bëi sù khch tán của CO2 đà bị hòa tan trong dung
dịch lỗ, mà l-ợng CO2 hòa tàn trong dung dịch là rất nhỏ. Sự phá màng thực hiện
động do quá trình cacbonat hóa th-ờng xảy ra đối với bê tông trong khí quyển.
Nói chung, thời gian để sự cacbonat hóa xâm nhập từ ngoài vào đến bề mặt cốt

thép là hàm của độ dày bê tông và tốc độ khuếch tán của CO2 không khí vào bê
tông, tức là phụ thuộc vào áp suất riêng phần của CO2 không khí xung quanh bê
tông và độ xốp của bê tông. áp suất riêng phần của CO2 trong môi tr-ờng công
nghiệp cao hơn bình th-ờng.
b. Sự phá màng thụ động do ion ClTrong môi tr-ờng xâm thực mạnh nh- môi tr-ờng biển, khi có mặt ion
clorua, do chênh lệch nồng độ nên ion này dễ dàng khuếch tán qua bề mặt bê
tông và tiến dần đến cốt thép. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ, độ ẩm, hàm
l-ợng clorua trong môi tr-ờng nh-ng chủ yếu phụ thuộc vào chất l-ợng bê tông.
Khi xuất hiện ion clorua tại bề mặt cốt thép, một số ion sẽ tìm đến những khu
vực có khuyết tật trên lớp màng thụ động, đây là khu vực không đ-ợc bảo vệ và
rất dễ bị phá hủy. Do ion clorua có bán kính nhỏ (0,181nm) nên nó dễ dàng xâm
nhập qua các vị trí khuếch tán của lớp màng thụ động, tham gia phản ứng trực
tiếp so với sắt tạo thành dạng phức sắt clorua hòa tan.
Tuy nhiên, ảnh h-ởng của ion Cl- trong việc phá thụ động thép, thậm chí ở
giá trị pH cao có thể xem nh- hoạt động của sự cân bằng giữa hai quá trình cạnh
tranh: sự ổn định của màng thụ động gây ra bởi ion OH- và sự phá thụ động gây
ra bởi ion Cl-. Tồn tại một nồng độ ion Cl- tới hạn phụ thuộc vào nồng độ OH-

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-¬ng


16
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

trong dung dịch lỗ của bê tông. Nếu tỷ lệ [Cl-]/[OH-] 0,6 thì sự phá thụ động sẽ
xảy ra [26]. Nghĩa là nồng độ ion clo gây ra ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào pH
của môi tr-ờng bê tông. Khi pH < 11,5 có thể xảy ra ăn mòn cốt thép ngay cả khi
không có mặt ion clo. Khi pH > 11,5 thì sự ăn mòn cốt thép chỉ xảy ra khi có

l-ợng clo xác định và l-ợng ion Cl- tăng khi pH tăng.
Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Bê tông
Cl-

Cl-

Cl-

Thép

Lớp màng thụ động

Lớp màng thụ động bị
phá vỡ

Hình I.1 - Lớp màng thụ động của cốt thép trong bê tông bị phá vỡ

Trong thực tế sản xuất, nồng độ Cl- giới hạn th-ờng đ-ợc xác định thông
qua tỷ lệ phần trăm về khối l-ợng so với xi măng. L-ợng Cl- cho phép nhỏ hơn
0,2% khối l-ợng xi măng trong bê tông, khi nồng độ Cl- trong khoảng 0,2 0,4%
thì nguy cơ ăn mòn xuất hiện nh-ng không th-ờng xuyên, nguy cơ ăn mòn cao
nếu l-ợng Cl- lớn hơn 1% khối l-ợng xi măng.
Khi màng thụ động bị phá vỡ thì nền thép sẽ tiếp tục trực tiếp xúc với các
tác nhân gây ăn mòn và quá trình anốt xảy ra làm nền thép bị ăn mòn, còn quá
trình catốt xảy ra trên màng thụ động của cốt thép, do có sự chênh lệch điện thế
giữa màng thụ động và nền thép.
c. Cơ chế của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông d-ới tác động của ion Cl- đà đ-ợc đề
cập trong nhiều tài liệu trong và ngoài n-ớc [9, 28].
Trong điều kiện bình th-ờng, nguyên tử sắt ở trạng thái ổn định do tổng số
electrôn bằng số prôtôn. Nh-ng do lớp điện tử ngoài cùng còn có các điện tử tự
do nên sắt rất dễ nh-ờng 2 hoặc 3 điện tử. Trong bê tông, sắt có thể tồn tại chủ
yếu ở cả 3 dạng Fe0, Fe2+, Fe3+. Trong mỗi trạng thái hoạt động, Fe2+ hay Fe3+ có
Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


17
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

thể tham gia phản ứng hóa học, hoặc tạo thành lớp màng oxit bảo vệ hoặc có thể
gây nên ăn mòn cốt thép. Khi không có mặt ion Cl-, lớp màng oxit đ-ợc tạo thành
và rất ổn định, hơn nữa do có môi tr-ờng pH cao (khoảng 12 đến 13,5 ) nên hầu
hết Fe2+ chuyển hóa thành dạng Fe3+, khi ®ã víi sù cã mỈt cđa oxy víi mét nång
®é nhất định nào đó thì lớp màng oxít thụ động đ-ợc tạo nên, bảo vệ cho thép

không bị phá hủy. Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông xảy ra khi có mặt đầy
đủ ion Cl-, n-ớc, oxy theo cơ chế điện hoá với các phản ứng hóa học của các quá
trình anốt và catốt nh- sau:
Quá trình anốt:
Sắt phản ứng anốt với ion Cl- tạo thành phức tan s¾t clorua:
Fe + 2Cl-  FeCl2 + 2eFeCl2  Fe2+ + 2ClPhức tan sắt clorua khuếch tán ra phía ngoài, nơi có pH cao hơn, ở đó xảy
ra phản ứng tạo thành thành sắt II hyđroxyt:

Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2

Khi oxy khuếch tán trong lỗ rỗng bê tông đến vùng anốt nó sẽ ôxy hoá
Fe2+ thành Fe3+ :

Fe(OH)2 + 1/2 H2O + 1/2O2  Fe(OH)3
2Fe(OH)3  Fe2O3.H2O + 2H2O

Do ®ã sản phẩm ăn mòn cốt thép trong bê tông có thể ở dạng
nFeO.mFe2O3.xH2O.
Khi phân tích trên kính hiển vi điện tử thấy trên bề mặt cốt thép tồn tại lớp
màng thụ động chủ yếu là sắt (III) oxit bền vững và một số phần sắt (II) oxit
th-ờng bị khuyết tật. Các ion hoạt động nh- ion Cl- th-ờng xâm nhập vào những
vùng sắt (II) oxit khuyết tật này để khơi mào quá trình ăn mòn.
Trong môi tr-ờng biển có thể xảy ra hai điều kiện để phá huỷ màng thụ
động gây ăn mòn cốt thép là:
- Độ pH của dung dịch n-ớc chiết xi măng ở miền bê tông cận cốt thép
giảm d-ới giá trị cần thiết để có thể bảo toàn màng thụ động cốt thép;
- Nồng độ ion Cl- v-ợt quá giới hạn nhất định đủ khả năng để phá huỷ
màng thụ động.

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


18
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Do chênh lệch nồng độ mà ion Cl- sẽ khuếch tán qua bề mặt bê tông và tiến
dần đến cốt thép. Ion Cl- có thể khuếch tán trong bê tông đặc chắc qua cấu trúc lỗ
rỗng mao dẫn của đá ximăng. Mức độ khuyếch tán phần lớn dựa vào các yếu tố
gồm: tỷ lệ n-ớc/ximăng, loại xi măng, sự liên kết với ion Cl-, nhiệt độ, và tuổi
của bê tông. Khi xuất hiện ion Cl- tại bề mặt cốt thép, nên ion Cl- dễ dàng thâm
nhập qua khu vực khuyết tật chủ yếu là sắt (II) oxit và phá huỷ lớp màng thụ
động.
Quá trình catốt:
Phản ứng catốt của quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông là quá trình khử
phân cực ôxy:

O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

Tốc độ của quá trình ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ oxy trên bề mặt bê
tông, khả năng khuếch tán oxy vào bê tông mà khả năng khuếch tán oxy vào
trong bê tông phụ thuộc chủ yếu vào độ dày lớp bê tông, độ xốp, độ ẩm của bê
tông và nhiệt độ của môi tr-ờng.
Sau khi lớp màng thụ động bị phá vỡ thì quá trình ăn mòn mới xảy ra. Do
đó cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông gồm hai giai đoạn nối tiếp nhau:
- Giai đoạn khơi mào: là giai đoạn xảy ra sự xâm nhập của ion clo hoặc
CO2 làm giảm pH của dung dịch lỗ do quá trình cacbonat hóa, nh-ng ch-a xảy ra
ăn mòn cốt thép. Các yếu tố ảnh h-ởng đến giai đoạn này là nồng độ và khả năng
khuếch tán của Cl-, CO2 ở quanh bề mặt bê tông, độ thấm của bê tông, chiều dày

lớp bê tông.
Việc xác định giá trị giới hạn nồng độ ion Cl- gây ăn mòn cốt thép của giai
đoạn này trong bê tông vẫn còn nhiều điều ch-a sáng tỏ phụ thuộc rất nhiều vào
các điều kiện biên khác. Tiêu chuẩn kết cấu bê tông của Nhật Bản giá trị này
đ-ợc xác định là 1,2kg/m3 bê tông [30]. Tiêu chuẩn Mỹ lại quy định giá trị giới
hạn hàm l-ợng ion Cl- ban đầu trong bê tông không v-ợt quá ng-ỡng 0,6-0,9
kg/m3 bê tông [8].
Trong khi ion Cl- là tác nhân trực tiếp khơi mào ăn mòn thì chúng chỉ đóng
vai trò gián tiếp quyết định đến tốc độ ăn mòn sau khi khơi mào. Những nhân tố

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


19
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

đầu tiên liên quan đến tốc độ ăn mòn là hàm l-ợng oxy, điện trở và độ ẩm. Tất cả
chúng có quan hệ mật thiết với nhau.
- Giai đoạn phát triển: là giai đoạn phá màng thụ động do sự xâm nhập của
ion clo hoặc giảm pH do sự cacbonat hóa bê tông. ở giai đoạn này phản ứng ăn
mòn cốt thép xảy ra. Tốc độ ăn mòn cốt thép bị khống chế bởi hàm l-ợng Cl-, có
mặt trong bê tông, nhiệt độ và độ ẩm của bê tông.
Càng nhiều ion Cl- trong bê tông thì khả năng xâm nhập và phá huỷ màng
thụ động càng cao. Sản phẩm của quá trình ăn mòn lần l-ợt đ-ợc hình thành d-ới
các dạng FeO, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)3.3H2O tích tụ trên bề mặt
kim loại có thể tích lớn hơn thể tích của thép bị mất đi trong phản ứng ăn mòn
(trung bình từ 4 đến 6 lần phụ thuộc vào sự có mặt và hàm l-ợng oxy ở bề mặt
cốt thép), gây ứng suất trong bê tông xung quanh cốt thép dẫn đến nứt vỡ. Sự nứt

vỡ tạo điều kiện cho các tác nhân gây ăn mòn dễ dàng xâm nhập vào bê tông và
tốc độ ăn mòn cốt thép tăng nhanh khi lớp bê tông bắt đầu nứa. Hình I.2 là sơ đồ
quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông.
Môi tr-ờng xâm thực ion clorua
O2, H2O, Cl-

Hình I.2 - Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông có mặt ion Cl-

Ion Cl- tuy tồn tại trong bê tông ở ba dạng khác nhau: dạng liên kết hóa
học, hấp phụ vật lý với thành lỗ và clo ở dạng tù do nh-ng nång ®é clo tù do míi
®ãng vai trò là tác nhân gây ăn mòn cho cốt thép trong bê tông. Ion Cl- dạng liên
kết không gây ăn mòn cốt thép. Tốc độ ăn mòn cốt thép sẽ cao trong điều kiện
môi tr-ờng bê tông khô - -ớt liên tục.

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


20
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

I.1.3 Ăn mòn cốt thép trong bê tông của công trình biển
Môi tr-ờng biển Việt Nam có tính xâm thực mạnh đối với kết cấu BTCT,
đ-ợc phân vùng nh- sau [1, 11]:
- Vïng ngËp n-íc biĨn: TÝnh chÊt x©m thùc của vùng này không có sự
khác biệt so với các khu vực khác trên Thế giới;
- Vùng khí quyển biển: Tính chất xâm thực mạnh nếu so với khí quyển
biển ở một số các khu vực khác trên thế giới, nguyên nhân là:
+ Nồng độ ion Cl- trong khí quyển cao, tăng dần từ Bắc vào Nam;

+ Thời gian ẩm -ớt kéo dài ở miền Bắc, Trung và Nam;
+ Nhiệt độ, độ ẩm không khí cao, độ ẩm giảm dần từ Bắc vào Nam;
Phạm vi ảnh h-ởng của khí quyển biển có thể vào sâu trong đất liền tới 30
km.
- Vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh: Đây là vùng có tính chất xâm thực
mạnh nhất đối với kết cấu BTCT.
Theo các tài liệu [1, 2, 6] thì vấn đề ăn mòn clorua đối với kết cấu BTCT ở
vùng biển Việt Nam là rất nghiêm trọng. Có thể xem xét theo từng vùng nh- sau:
- Tại vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh thì ion Cl- xâm nhập vào trong bê
tông rất mạnh. Hàm l-ợng ion Cl- trong bê tông tại tất cả các công trình khảo sát
đều lớn hơn thậm chí gấp nhiều lần giới hạn hàm l-ợng Cl- ban đầu 0,6 kg/m3 bê
tông (xem phụ lục số I.1 và I.2), hiện t-ợng ăn mòn clorua rất nhanh và mạnh.
Các công trình hầu hết bị ăn mòn sau 10-15 năm sử dụng. Các hiện t-ợng hhỏng nh-: các vết nứt xuất hiện trên mặt kết cấu dọc theo các thanh cốt thép hoặc
bong vỡ lớp bê tông bảo vệ làm cốt thép bị ăn mòn mạnh, giảm tiết diện.
- Tại vùng khí quyển biển: ion Cl- xâm nhập vào trong bê tông chậm hơn so
với kết cấu vùng n-ớc lên xuống và sóng đánh, tuy nhiên vẫn khá mạnh. Mức độ
xâm nhập ion Cl- vào kết cấu BTCT có xu h-ớng giảm dần khi càng xa biển.

Luận văn thạc sÜ

Vị ThÕ Ph-¬ng


21
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

+ Với tiểu vùng khí quyển trên mặt n-ớc biển: sau khoảng 15 20 năm có
thể xuất hiện ăn mòn cốt thép, xuất hiện các vết nứt mặt bê tông chạy dọc theo
các thanh cốt thép bị ăn mòn, nhiều tr-ờng hợp lớp bê tông bảo vệ bị vỡ hẳn ra
do lớp gỉ thép quá dày, làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu (xem

phụ lục số I.3 và I.4).
+ Với tiểu vùng khí quyển trên bờ: sau 20-25 năm có thể quan sát thấy các
dấu hiệu ăn mòn và phá huỷ cốt thép trên diện rộng, chủ yếu xảy ra đối với kết
cấu lộ thiên trực tiÕp tiÕp xóc víi m«i tr-êng (xem phơ lơc sè I.5 và I.6).
- Tại vùng ngập n-ớc th-ờng xuyên ít thấy hiện t-ợng ăn mòn cốt thép, có
thể là do thiếu oxy hoà tan để phát triển gỉ.
Từ các kết quả khảo sát ăn mòn các công trình BTCT vùng biển có thể đ-a
ra tổng kết về thời điểm mà kết cấu BTCT bắt đầu h- hỏng trong môi tr-ờng biển
Việt Nam (bảng I.1) [11]. Một số hình ảnh về tình trạng ăn mòn và h- hỏng kết cấu
BTCT ở vùng biển Việt Nam đ-ợc trình bày trong phụ lục số I.7.
Bảng I.1 - Niên hạn xảy ra h- hỏng kết cấu BTCT th-ờng gặp trong môi
tr-ờng biển Việt Nam [11]
Niên hạn xảy ra h- hỏng kết
cấu BTCT th-ờng gặp
TT
Điều kiện môi tr-ờng
% (so với thiết
Thực tế
kế trung hạn 50
(năm)
năm)
1

Kết cấu bị nhiễm mặn từ đầu do sử dụng
cát biển hoặc n-ớc biển để trộn bê tông

5-10

10-20

2

Kết cấu ở vùng thuỷ triều lên xuống và
sóng đánh

10-15

20-30

3

Kết cấu ở vùng trên biển và sát mép
n-ớc (< 0,25 km)

15-20

30-40

4

Kết cấu ở vùng ven biÓn (0,25 - 30 km)

15 -25

40-50

5

KÕt cÊu ë vïng ngập trong n-ớc biển

> 50 - 60

> 100

Luận văn thạc sÜ

Vị ThÕ Ph-¬ng


22
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Các số liệu tổng hợp trong bảng I.1 cho thấy một đặc điểm chung về ăn
mòn kết cấu BTCT vùng biển n-ớc ta từ khoảng năm 1990 trở về tr-ớc là chỉ có
phần kết cấu BTCT nằm ở vùng ngập n-ớc biển có tuổi thọ lâu dài. Các kết cấu
BTCT nằm trong những vùng khác nh- n-ớc thuỷ triều lên xuống và sóng đánh,
khí quyển trên biển và vùng khí quyển ven biển đều chỉ đạt 20-50% tuổi thọ thiết
kế [1, 5, 11]. Cá biệt nh- công trình bệnh viện K67 - Quảng Ninh, cốt thép bị gỉ
chỉ sau thời gian sử dụng khoảng 2 năm, công trình chỉ đạt 10-20% ti thä thiÕt
kÕ lý do lµ ng-êi ta sư dụng vật liệu đầu vào là cát đà bị nhiễm mặn, hàm l-ợng
muối rất lớn v-ợt quá giới hạn cho phép [2].
Thực trạng ăn mòn BTCT trong vùng biển Việt Nam có thể khái quát hoá ở
một số đặc điểm sau:
- Tính chất xâm thực của môi tr-ờng là rất mạnh, thực trạng ăn mòn là
đáng lo ngại. Hầu hết kết cấu bị ăn mòn rất sớm, tuổi thọ không đạt yêu cầu.
- Các nguyên nhân chủ yếu là bê tông ch-a đủ năng lực để bảo vệ cốt thép
t-ơng ứng với mức độ xâm thực của môi tr-ờng thể hiện qua độ đặc chắc và
chiều dày lớp bảo vệ. Cá biệt có tình trạng sử dụng vật liệu đầu vào bị nhiễm
mặn. Hiện trạng bê tông bị nhiễm mặn trong quá trình thi công là khó tránh khỏi
nếu thi công trên biển hoặc giữa hai đợt thuỷ triều lên xuống. Chất l-ợng thi công

kết cấu BTCT ở vùng biển cần phải đ-ợc kiểm soát nghiêm ngặt hơn rất nhiều so
với thi công trên đất liền.
- Cần phải nghiên cứu các giải pháp để cải thiện tình trạng này nhằm nâng
cao hiệu quả đầu t-.
Thời điểm và mức độ ăn mòn kết cấu BTCT ở các vùng biển của Nhật Bản
và của một số n-ớc Đông Nam á đ-ợc trình bày thông qua các ví dụ trong bảng
I.2 (xem kết hợp với phụ lục số I.8). Từ các ví dụ này cho thấy tình trạng ăn mòn
BTCT d-ới tác động của ion Cl- trong vùng biển không chỉ xảy ra ở Việt Nam mà
còn ở nhiều n-ớc khác trong khu vực.

Luận văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng


23
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

Bảng I.2 - Tình trạng ăn mòn kết cấu BTCT vùng biển
một số n-ớc Đông Nam á và Nhật Bản [1, 6, 32]
Cấu kiện
Tên công trình
khảo sát
Cảng Tiên Sa
Đà Nẵng
(Việt Nam)
Niên hạn: 33
năm

Dầm

BTCT
(vùng khí
quyển trên
mặt n-ớc
biển)

Chiều
sâu
(cm)
0-2
2-4
4-6
6-8

ClRb
kg/m3
MPa
BT
7,194
4,279
4,279
2,805

20

Cảng SakaiMinato
(Nhật Bản)
Niên hạn: 39
năm

Dầm
BTCT
(vùng khí
quyển trên
mặt n-ớc
biển)

0-2
2-4
4-6
6-8

6-9
6-8
5-7
4-6

2035

Cảng HakataCầu tàu Suzaki
(Nhật Bản)
Niên hạn: 38
năm

Dầm
BTCT
(vùng khí
quyển trên
mặt n-ớc
biển)

0,5-1,5
2,5-3,5
4,5-5,5
6,5-7,5
8,5-9,5

10,42
8,04
5,71
5,96
4,13

-

Cảng Belawan
(Indonesia)
Niên hạn: 28
năm

Dầm
BTCT
(vùng khí
quyển trên
mặt n-ớc
biển)

0-2
2-4
4-6

6-8

3,0-6,0
0,5-2,0
0,5-1,0
0,2-0,5

30

Tình trạng ăn
BV
mòn bê tông, cốt
mm
thép

64

- Bê tông bị nứt
cục bộ
- Cốt thép bị ăn
mòn cục bộ và gỉ
trung bình

Măt A: phía biển
- Nứt lớn do ăn
mòn thép, bong
bục lớp bê tông
35- nặng
50 Mặt B: phía đất
liền

- Có một vài vết
nứt nhỏ, bê tông
không bị bong bục
- Nứt do ăn mòn
thép, bong bục lớp
bê tông bảo vệ.
Chiều rộng vết nứt
51 lớn nhất khoảng 35mm
- Tiết diện cốt thép
giảm từ 2,58% đến
51,77%
50- ăn mòn nặng chủ
60 yếu ở đáy dầm

Ghi chú: Rb : c-ờng độ nén của bê tông ; BV : chiều dày bảo vệ

I.2 Các biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi ăn
mòn do ion clo

Về nguyên tắc, bảo vệ chống ăn mòn cốt thép d-ới tác động của ion Clđ-ợc phân thành 2 cấp là: bảo vệ cơ bản và bảo vệ hỗ trợ
Luận văn thạc sÜ

Vị ThÕ Ph-¬ng


24
Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng anốt hy sinh trong điều kiện Việt Nam

I.2.1 Biện pháp bảo vệ cơ bản
Chất l-ợng bê tông phải tốt là yêu cầu đầu tiên để bảo vệ cốt thép trong môi

tr-ờng xâm thực. Chính vì vậy trong tiêu chuẩn TCXDVN 327 : 2004 đà quy
định chi tiết những yêú tố cần quan tâm khi thiết kế, thi công nhằm đảm bảo tuổi
thọ của kết cấu trong môi tr-ờng biển [16]. Đó là các yêu cầu về: vật liệu đầu vào
không bị nhiễm mặn, mác hoặc độ chống thấm bê tông tối thiểu, chiều dày tối
thiểu đủ để bảo vệ cốt thép phù hợp cho từng vùng cụ thể mà kết cấu làm việc,
giới hạn bề rộng khe nứt, cấu tạo kiến trúc, yêu cầu về thi công, công tác bảo
d-ỡng Tuỳ theo từng vùng xâm thực sẽ có các yêu cầu cụ thể nhằm đáp ứng
tuổi thọ thiết kế.
I.2.2 Biện pháp bảo vệ hỗ trợ
Nếu kết cấu BTCT đ-ợc thiết kế và thi công tốt đáp ứng đầy đủ biện pháp
bảo vệ cơ bản thì nó có thể bền lâu trong môi tr-ờng biển mà không cần bất cứ
biện pháp hỗ trợ bổ sung nào khác. Tuy nhiên, trên thực tế không phải lúc nào
điều này cũng thực hiện đ-ợc.
Trong thực tế thi công các công trình BTCT vùng biển ở Việt Nam, không
phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc các yêu cầu tối thiểu để bảo vệ chống ăn
mòn nh- đà quy định. Trong một số tr-ờng hợp phải thiết kế chiều dày lớp bê
tông bảo vệ mỏng hơn so với yêu cầu tối thiểu quy định, ví dụ: các vị trí đáy
dầm, panel, sàn đổ tại chỗ rất khó để có thể thiết kế thi công đảm bảo chiều dày
50-70mm. Mặt khác bê tông là một loại vật liệu hỗn hợp khó thi công đảm bảo
độ đồng nhất, chính vì vậy mác và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép không
phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đ-ợc đúng yêu cầu thiết kế. Theo số liệu khảo
sát thu đ-ợc thì những công trình xây dựng từ năm 1990 trở về tr-ớc tại vùng
biển Việt Nam hầu nh- không đảm bảo yêu cầu độ đồng đều về mác và chiều
dày bảo vệ chống ăn mòn, chiều dày thực tế th-ờng nhỏ hơn thiết kế yêu cầu [1,
2, 11]. Ngay cả ở Mỹ khi kiểm tra các công trình BTCT vùng biển theo thiết kế
chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thÐp lµ 38 mm nh-ng trong thùc tÕ nhiỊu cÊu

Ln văn thạc sĩ

Vũ Thế Ph-ơng