Thực trạng ăn mòn bê tông trong môi trường biển và các giải pháp

Nguyên gây nên sự ăn mòn bê tông trong môi trường

Bê tông cốt thép được xem là vật liệu phổ biến và có ứng dụng thành công nhất trong ngành xây dựng với xấp xỉ 12 tỷ tấn được sản xuất hằng năm. Số lượng này nhiều hơn so với những vật liệu nhân tạo khác.

Thông thường, khi kết cấu của bê tông được thiết kế phù hợp và được đúc cẩn thận, chuẩn chỉnh thì kết cấu luôn bền vững trong suốt tuổi thọ làm việc.

Bên cạnh đó, cốt thép được bảo vệ hoàn toàn trong môi trường kiềm của bê tông nhờ hàm lượng lớn canxi oxit, natri oxit và kali oxit hoà tan. Các hợp chất kiềm này trong bê tông giữ cho độ pH ở mức 12-13 giúp tạo nên lớp màng bảo vệ mỏng trên bề mặt của cốt thép lại sự tấn công của các tác nhân ăn mòn từ môi trường trong điều kiện thông thường. Cơ chế này được gọi là "cơ chế bảo vệ thụ động" của bê tông cốt thép.

Tuy nhiên, có hai cơ chế có thể phá vỡ được sự tự bảo vệ này là hiện tượng cacbonat hóa và sự xâm nhập của ion clorua. Đây được xem là tác nhân chính dẫn đến sự ăn mòn bê tông trong môi trường biển.

Quá trình Carbonat hóa (carbonation)

Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan (Ca(OH)2) trong các lỗ hổng của kết cấu bê tông là kết quả của sự thuỷ hoá xi măng giúp giữ độ pH tại ngưỡng an toàn là 12-13.

Trong môi trường kiềm, cốt thép được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ lớp màng mỏng trên bề mặt (dày từ 2-20 nanomet). Tuy nhiên, do sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 đã tạo nên canxi cacbonat và trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng:

CO2 + H2O + Ca(OH)2 -> CaCO3 (calcium carbonate) + 2H2O

Sau quá trình trung hoà này, độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế "tự bảo vệ thụ động" của bê tông không còn và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn.

Trong quá trình ăn mòn, gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép, sau đó gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông. Dưới sự tấn công của các tác nhân, vết nứt phát triển dần cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép.

Tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào tác động từ môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và độ kiềm, độ thẩm thấu. Điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hóa hoạt động mạnh là độ ẩm không khí đạt mức 60-75%

Khi ở nhiệt độ môi trường bình thường, tốc độ của quá trình này có thể được đo đạc và ngăn chặn kịp thời. Tuy nhiên, đó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao từ 30 năm trở lên.

Sự xâm nhập của ion clorua

Clorua tồn tại trong hỗn hợp bê tông qua nhiều cách khác nhau, có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (hiện đã ngừng sử dụng), hoặc tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước một cách vô tình hay cố ý. Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua tại hầu hết các công trình là do sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như:

•  Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối;

•  Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua. 

Tương tự như quá trình carbonat hóa, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, ngoại trừ việc phá vỡ lớp màng mỏng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển.

Nói cách khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc tác giúp cho quá trình ăn mòn bê tông trong môi trường biển. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn này khác carbonat hóa ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp ở mức cao.

Sự ăn mòn cục bộ được gây ra do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong bê tông cốt thép. Có bốn cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ:

•  Sức hút mao dẫn

•  Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion Cl-  cao trên bề mặt bê tông cốt thép;

•  Thẩm thấu dưới áp căng của bề mặt;

•  Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế.

Mối liên hệ tương hỗ giữa quá trình cacbonat hoá và sự xâm nhập của ion clorua

Trong thực tế, kết cấu bê tông cốt thép thường xuyên làm việc dưới tác động hỗn hợp của cả hai cơ chế nêu trên. Clorua aluminat (AlCl4-) được tạo ra từ phản ứng giữa ion clorua và xi măng có khả năng làm giảm lượng clorua, qua đó giúp làm chậm quá trình ăn mòn. Tuy nhiên, khi quá trình carbonat hóa làm giảm độ pH trong bê tông, AlCl4- lại bị phá vỡ. Kết quả là những kết cấu chịu sự tác động đồng thời của cả hai cơ chế này sẽ nhạy cảm hơn nhiều với sự  ăn mòn và khó để kiểm soát hơn.

Các giải pháp chống ăn mòn bê tông trong môi trường biển Việt Nam

Theo tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 về “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển” đã đưa ra những yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, lựa chọn vật liệu và thi công nhằm đảm bảo khả năng chống sự ăn mòn cho kết cấu bê tông.

Về yêu cầu thiết kế

Tiêu chuẩn đã đưa ra bảng 1 quy định về các yêu cầu tối thiểu về thiết kế áp dụng cho các công trình có tuổi thọ lên tới 50 năm.

Tiêu chuẩn TCXDVN 327 : 2004 cũng đưa ra những khuyến cáo áp dụng các biện pháp bảo vệ hỗ trợ sau:

• Tăng mác bê tông thêm 10 MPa và độ chống thấm lên một cấp hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ thêm 20mm nữa;

• Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng bê tông kết cấu với độ dày tối thiểu 15mm

• Tăng cường lớp sơn chống ăn mòn phủ mặt cốt thép trước khi đổ bê tông;

• Quét sơn chống thấm lên bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép hoặc bảo vệ trực tiếp bằng phương pháp bảo vệ catốt.

Về vật liệu

Đối với các vật liệu trong hỗn hợp bê tông sẽ có giải pháp như:

• Xi măng có thể sử dụng những loại với yêu cầu là C3A trong clinke ≤ 10%.

• Cát cần khống chế lượng ion Clorua hòa tan ≤ 0,05% khối lượng cát có trong bê tông thường, thử theo TCXDVN 262:2001.

• Đá khống chế lượng ion Clorua hòa tan ≤ 0,01% khối lượng cốt liệu lớn, thử theo TCXDVN 262:2001.

• Nước trộn bê tông cần khống chế hàm lượng Cl- ≤ 500mg/l cho bê tông cốt thép thường

• Phụ gia tùy theo từng trường hợp cụ thể mà chỉ định sử dụng loại phù hợp nhất.

Về yêu cầu công tác thi công

Công tác thi công các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển được thực hiện theo TCVN 4453 : 1995 và các quy phạm chuyên ngành khác. Trong quá trình thi công, ngoài các yêu cầu trên, người thực hiện cần phải tuân thủ một số yêu cầu và quản lý chặt chẽ các khâu:

• Bảo quản các vật liệu như xi măng, phụ gia, cốt thép.

• Công tác cốp pha cần phải đảm bảo kín khít, chống, neo chắc chắn để bê tông tạo ra được đầm chặt, không bị mất nước xi măng, rỗng rỗ, giảm cường độ, chống thấm và đồng thời nâng cao thẩm mỹ công trình.

• Công tác cốt thép phải đảm bảo được làm sạch, không gỉ và dầu mỡ bám dính vào cốt thép, chiều dày lớp bảo vệ đúng quy định.

• Công tác trộn, đổ, đầm bê tông, bảo dưỡng bê tông được đảm bảo theo đúng quy trình trong các tiêu chuẩn thi công bê tông hiện hành.

• Khắc phục các khiếm khuyết trong quá trình thi công.

Ngoài ra, công ty cần tạo lớp màng bảo vệ bê tông phía mặt ngoài kết cấu bằng các vật liệu kỵ nước, chống thấm và chịu va đập, mài mòn như Epoxy, Urethane, Neoprene, sơn thẩm thấu, sơn tạo màng chống thấm bitum, vữa trộn sẵn chịu mài mòn va đập v.v…

Giải pháp sử dụng canxi nitrit làm phụ gia ức chế ăn mòn 

Trong số các biện pháp bảo vệ hỗ trợ thì việc sử dụng chất ức chế được xem là một biện pháp hữu hiệu, dễ áp dụng và phù hợp với điều kiện kỹ thuật và kinh tế của Việt Nam.

Canxi nitrit (CN) đã được ứng dụng làm chất phụ gia ức chế ăn mòn bê tông phổ biến trên thế giới vào khoảng 30 năm trở lại đây, nhưng tại Việt Nam gần như chất này chưa được ứng dụng cho tới năm 2002. Nguyên nhân là do chưa nghiên cứu ứng dụng CN một cách đầy đủ trong điều kiện của Việt Nam để có cơ sở vững chắc cho việc ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Lời kết

Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây, các bạn đã có thêm những kiến thức bổ ích về quá trình ăn mòn bê tông trong môi trường biển. Từ đó đưa ra các giải pháp thích hợp nhất cho công trình của mình.