Bài giảng Sửa chữa, gia cố kết cấu công trình - Chương 5: Chống ăn mòn cho kết cấu BTCT - Vũ Hoàng Hiệp

Chương 5:
CHỐNG ĂN MÒN 
CHO KẾT CẤU BTCT
1. Phân loại ăn mòn
a) Theo môi trường ăn mòn
- Môi trường khí: khí quyển, khí quyển khu công nghiệp,
khí quyển biển
- Môi trường lỏng: nước, nước biển
b) Theo cơ chế ăn mòn
- Ăn mòn hóa học
- Ăn mòn điện hóa
c) Theo đặc trưng ăn mòn
- Ăn mòn đều
- Ăn mòn cục bộ (điểm)
2. Cơ chế ăn mòn
- Phản ứng thủy hóa khi trộn xi măng với nước tạo ra các
hyđroxit hòa tan, ví dụ khoáng alit tác dụng với nước tạo ra
hyđroxit canxi:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2.
- Bê tông có tính kiềm (pH= 12-13) tạo nên lớp màng mỏng
bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn bởi các tác nhân môi trường.
- Hai quá trình phá vỡ sự tự bảo vệ của bê tông cốt thép,
được xem là tác nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép
trong bê tông là: hiện tượng carbonat hóa và sự xâm nhập
của ion clorua
a) Quá trình Carbonat hoá trong BTCT (carbonation)
Quá trình carbonat hoá với sự hiện diện của CO2, nước và
Ca(OH)2 tạo nên canxi carbonat và trung hoà môi trường
kiềm trong bê tông theo phản ứng dưới đây:
CO2 + H2O + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2H2O
Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm
xuống dưới mức 9, cơ chế “tự bảo vệ thụ động” của BTCT
không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn.
b) Ăn mòn bởi ion clorua xâm nhập
- ion Cl- hàm lượng tương đối lớn tạo môi trường điện li
mạnh, dẫn điện tốt thuận lợi cho quá trình ăn mòn. Nguy
hiểm hơn đó là ion Cl- có khả năng phá hủy màng thụ động
của sắt trong môi trường kiềm, làm cho thép trong bê tông
có thể tiếp xúc với các tác nhân gây ăn mòn khác, đồng
thời gây hiện tượng ăn mòn điểm phá hủy thép.
- Khi xuất hiện ion Cl- trên bề mặt cốt thép cùng với nước,
oxi sẽ xảy ra các phản ứng anot và catot như sau:
Phản ứng ở anot: Sắt bị hoà tan Fe → Fe2+ + 2e
Phản ứng ở catot: O2 + 2H2O + 4e
- → 4OH-
- Sản phẩm của quá trình ăn mòn thép tạo gỉ sắt gồm FeO,
Fe3O4, Fe(OH)2,Fe(OH)3,Fe(OH)3.3H2O.
Sơ đồ ăn mòn cốt thép trong bê tông
3. Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn
- Trộn chất ức chế ăn mòn (canxi nitơrit) vào hỗn hợp BT,
hạn chế tỉ lệ N:XM (nên <0,4) sẽ làm chậm quá trình
carbonat hóa và sự xâm nhập ion clorua qua các lỗ hổng
trong cấu trúc bê tông.
- Lớp bê tông bảo vệ (TCVN 9346:2012 Kết cấu BT&BTCT
- Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển) của
kết cấu trên mặt nước tăng thêm chiều dày 20mm so với
thông thường.
- Tăng thời gian dưỡng hộ bê tông: tối thiểu 7 ngày sau khi
đúc ở nhiệt độ 210C.
- Sử dụng lớp bê tông phun khô dày tối thiểu 30mm bảo vệ
bề mặt kết cấu.
- Dùng cốt thép mạ kẽm, phủ epoxy, dùng pp bảo vệ catốt.
Phương pháp bảo vệ catốt (chống ăn mòn catốt)
Chống ăn mòn catốt là sử dụng bản chất của quá trình ăn
mòn điện hóa để xây dựng thành một hệ gồm catốt (kim
loại cần bảo vệ) và anốt. Anốt được chọn như Mg, Al, Zn
làm vật liệu hy sinh thay thế cho sắt thép cần bảo vệ vì các
kim loại này đều đứng trước Fe trong bảng tuần hoàn hóa
học, có khả năng điện hóa cao hơn thép.
Do sự chênh lệch về điện thế
bên trong tế bào, các hạt
electron mang điện tích âm (-) sẽ
dịch chuyển từ kẽm (Anode)
sang thép (Cathode), và nguyên
tử kẽm ở Anode sẽ chuyển thành
các ion kẽm mang điện tích
dương (Zn++)
Phương pháp bảo vệ catốt (chống ăn mòn catốt)
Tại bề mặt Cathode (-), các
electron mang điện tích âm sẽ thu
hút và tác dụng với các ion H+ của
môi trường điện phân, giải phóng
khí H2. Không có phản ứng hóa
học giữa thép (Cathode) và chất
điện phân. Hiện tượng này ngăn
cản sự ăn mòn ở Cathode, do đó
sẽ được gọi là bảo vệ Cathode.
Những ion kẽm Z++ tại Anode sẽ
tác dụng với các ion OH- của chất
điện phân và kẽm sẽ từ từ bị tiêu
thụ, tạo thành 1 lớp bảo vệ hy sinh
cho thép.
Ôn tập Chương 5
1. Nêu các tác nhân chính gây ăn mòn cốt thép
trong kết cấu BTCT ?
2. Các giải pháp chung bảo vệ chống ăn mòn?