Đánh giá bước đầu của thí nghiệm phơi bày thép chịu thời tiết ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh

TS. Đặng Đăng Tùng Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Nguyễn Cảnh Tuấn PGS. TS. Lê Thị Bích Thủy

TÓM TẮT: Ở TP.  Hồ Chí Minh (TP. HCM) - một thành phố năng động đang đẩy nhanh tốc độ phát triển hạ tầng giao thông, việc ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng công trình giao thông là rất quan trọng. Trong điều kiện môi trường không khí thích hợp, thép chịu thời tiết có thể được sử dụng cho các kết cấu thép mà không cần phải sơn phủ và giảm được chi phí vòng đời của kết cấu. Để làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm tương đối và lượng muối trong không khí đến đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết trong môi trường không khí ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh, việc đo đạc môi trường và thí nghiệm phơi bày đã được thực hiện. Theo kết quả từ việc đo đạc môi trường, thời gian ẩm ướt có mối liên hệ chặt chẽ với độ ẩm tương đối. Lượng muối trong không khí thay đổi phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí thí nghiệm đến bờ biển ở mỗi vùng. Mất mát ăn mòn của thép chịu thời tiết trong một năm thí nghiệm phơi bày cho thấy mối tương quan thuận giữa lượng muối trong không khí và thời gian ẩm ướt.

TỪ KHÓA:  Khu vực ven biển, thép chịu thời tiết, ăn mòn, muối trong không khí, khoảng cách bờ biển.

ABSTRACT: In Ho Chi Minh City (HCMC), where the development of infrastructure is proceeding, it is important to clarify the applicability of weathering steel in order to reduce the Life Cycle Cost of structures. To clarify the influence of environmental factors such as temperature, relative humidity and the amount of airborne salt on the corrosion behavior of weathering steel under atmospheric environments in marine area of HCMC, environmental measurements and exposure tests were conducted. As a result of the environmental measurements, the time of wetness showed a good correlation with relative humidity. The amount of airborne salt varied depending on the distance from the coastline in each region. The corrosion loss of weathering steel in a one-year exposure test showed a positive correlation with the amount of airborne salt and the time of wetness.

Keywords: Marine area, weathering steel, corrosion, airborne salt, time of wetness, distance from coastline.

1. Đặt vấn đề

Các kết cấu thép thường được yêu cầu phải sơn phủ để ngăn chặn sự ăn mòn trong môi trường không khí. Việc sơn phủ này làm tăng chi phí duy tu bảo dưỡng do phải sơn theo chu kỳ trong suốt vòng đời của kết cấu. Trong điều kiện môi trường không khí thích hợp, thép chịu thời tiết có thể được sử dụng mà không cần phải sơn phủ do một lớp gỉ bảo vệ hình thành trên bề mặt thép. Việc không sơn phủ này làm giảm chi phí ban đầu và chi phí duy tu bảo dưỡng. Gần đây, ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và nhiều nước khác, thép chịu thời tiết được sử dụng cho cầu đã làm giảm chi phí vòng đời của công trình. Ở các nước Đông Nam Á, nơi cơ sở hạ tầng đang phát triển, chứng minh việc sử dụng thép chịu thời tiết làm giảm chi phí vòng đời của kết cấu là rất quan trọng. Đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết là bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lượng muối trong không khí… Nhiều nghiên cứu về mối liên hệ giữa đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết và các yếu tố môi trường đã được báo cáo tại Nhật Bản [1]. Gần đây, một số kết quả nghiên cứu của thí nghiệm phơi bày của thép chịu thời tiết đã được báo cáo ở Việt Nam [2], [3]. Trong bài báo này, chúng tôi điều tra ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết ở khu vực ven biển TP. HCM.

2. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm phơi bày được thực hiện bằng cách gắn mẫu thép và thiết bị đo các yếu tố môi trường lên dầm cầu. Sau khi khảo sát, các cầu được chọn để thực hiện thí nghiệm phơi bày gồm: Cầu An Nghĩa, cầu Dần Xây và cầu Hà Thanh. Cả 3 cầu đều nằm trên tuyến đường Rừng Sát, dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, hướng ra biển Cần Giờ và có khoảng cách khác nhau so với bờ biển như Hình 2.1. Bảng 2.1 chỉ ra các thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm - thép chịu thời tiết thông thường JIS G3114. Nhóm tác giả thực hiện thí nghiệm phơi bày Wappen (được đề xuất tại Nhật Bản bởi Hiệp hội Kết cấu thép Nhật Bản năm 2007) [4] và đưa ra kết quả phản ánh môi trường ăn mòn của cầu thực tế bằng cách thực hiện thí nghiệm phơi bày tại vị trí đó [2]. Các mẫu thí nghiệm được gắn ở mặt trên và dưới của bản cánh dưới, nơi mà sự ăn mòn xảy ra nhiều hơn các bộ phận khác của cầu được thể hiện trên Hình 2.2. Các yếu tố môi trường được đo trong vòng một năm bằng thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm tương đối do T&D sản xuất. Lượng muối trong không khí được xác định bằng phương pháp gạc mùng khô (JIS Z 2382). Các mẫu thép thí nghiệm sẽ được gỡ sau một năm thí nghiệm và giá trị trung bình của độ dày mất mát do ăn mòn ở mặt trên và dưới của mẫu được xem là mất mát ăn mòn trung bình.

Hình 2.1: Vị trí thực hiện thí nghiệm phơi bày

Bảng 2.1. Thành phần hóa học của các mẫu thép (theo % khối lượng)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr
0,08	0,19	0,69	0,015	0,003	0,32	0,19	0,53

(Đối với thép chịu thời tiết thông thường theo JIS G3114)

Hình 2.2: Vị trí gắn mẫu thép trên dầm cầu bê tông

3. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

3.1. Các yếu tố môi trường

Bảng 4.1 cho thấy, các kết quả đo của những yếu tố môi trường ở các vị trí thí nghiệm phơi bày. Ở khu vực Cần Giờ, nhiệt độ trung bình tương đối cao và độ ẩm trung bình tương đối thấp. Hình 3.1 chỉ ra mối liên hệ giữa nhiệt độ trung bình và độ ẩm tương đối trung bình. Độ ẩm tương đối trung bình ở khu vực này là 70 - 80% ứng với nhiệt độ trung bình là 28 - 29^oC. Hình 4.1 thể hiện nhiệt độ trung bình và độ ẩm tương đối trung bình trong một năm của 3 vị trí được chọn để thực hiện thí nghiệm phơi bày là cầu Dần Xây, cầu An Nghĩa, cầu Hà Thanh.

Hình 3.1: Mối liên hệ giữa nhiệt độ trung bình và độ ẩm tương đối trung bình trong một năm của 3 cầu

Thời gian ẩm ướt được tính từ các số liệu đo được như tổng số giờ có nhiệt độ lớn hơn 0^oC trong vòng một năm và độ ẩm tương đối lớn hơn 80%. Thời gian ẩm ướt ở khu vực này nhìn chung là phù hợp với độ ẩm tương đối trung bình.

Hình 4.2 thể hiện lượng muối đo được từng tháng, lượng muối đo được tại thời điểm tháng 5/2015 tăng đột ngột do đây là thời gian đỉnh điểm của mùa khô. Hình 4.3 chỉ ra mối quan hệ giữa khoảng cách đến bờ biển và lượng muối trong không khí. Nói chung, nồng độ muối trong không khí tăng khi khoảng cách từ bờ biển đến vị trí cầu giảm. Xu hướng này giống với kết quả nghiên cứu ở Nhật Bản [5]. Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và nồng độ muối trong không khí tuân theo phương trình khi chọn vị trí để thực hiện thí nghiệm. Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và nồng độ muối tương tự như vùng biển phía Bắc biển Nhật Bản (môi trường khắc nghiệt) và vùng biển nội địa Sentonaikai ở Nhật Bản (môi trường ẩm). Ở Nhật Bản, thép chịu thời tiết có thể được sử dụng mà không cần phải sơn khi nồng độ muối trong không khí nhỏ hơn 0,05mdd (mg^.NaCl/dm2/day) [6].

3.2. Thí nghiệm phơi bày

Hình 4.4 thể hiện tương quan giữa thời gian ẩm ướt và mất mát ăn mòn. Ở khu vực Cần Giờ, thời gian ẩm ướt và mất mát ăn mòn có mối tương quan thuận với nhau. Xu hướng này giống với kết quả thí nghiệm trên thép carbon [7].

Hình 4.5 cho thấy ảnh hưởng của lượng muối trong không khí đến mất mát ăn mòn. Ở tất cả các vùng, mất mất ăn mòn tăng khi lượng muối trong không khí tăng. Theo kết quả thí nghiệm phơi bày ở Nhật Bản [4], mất mát ăn mòn hàng năm thấp hơn 30mm dưới điều kiện 0,05mdd. Mất mát ăn mòn hàng năm ở Việt Nam cũng xấp xỉ với kết quả ở Nhật Bản. Tuy nhiên, lượng muối và mất mát ăn mòn ở cầu Hà Thanh vượt ngưỡng phạm vi sử dụng theo tiêu chuẩn Nhật Bản do cầu này quá gần biển (cách biển 2km).

Có thể nói rằng, mất mát ăn mòn hàng năm phụ thuộc vào lượng muối trong không khí và thời gian ẩm ướt. Mất mát ăn mòn ở khu vực Cần Giờ có xu hướng thấp hơn so với Nhật Bản. Trong Hình 4.6, nếu căn cứ vào phạm vi áp dụng thép chịu thời tiết ở Nhật Bản là mất mát ăn mòn 0,03mm/năm thì tại Cần Giờ, khoảng cách tính từ bờ biển tương ứng là khoảng 5km.

4. KẾT LUẬN

Nhóm nghiên cứu thực hiện các đo đạc yếu tố môi trường và thí nghiệm phơi bày để làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết trong điều kiện khí hậu ở khu vực ven biển TP. HCM. Kết quả sau 01 năm được tổng hợp như sau:

- Trong nghiên cứu về môi trường không khí cho thép chịu thời tiết ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh, lượng muối trong không khí khác nhau phụ thuộc vào khoảng cách từ địa điểm thí nghiệm tới bờ biển. Kết quả này giống với kết quả của Nhật Bản.

- Thời gian ẩm ướt có mối tương quan thuận với độ ẩm tương đối. Thời gian ẩm ướt ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh có xu hướng dài hơn so với thời gian ẩm ướt ở Nhật Bản.

- Kết quả đã cho thấy một mối tương quan chặt chẽ giữa lượng muối trong không khí và mất mát ăn mòn hàng năm ở mỗi vùng. Ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh, mất mát ăn mòn ít hơn 0,03mm khi lượng muối trong không khí là 0,05mdd. Tuy nhiên, theo như các thí nghiệm ở Nhật Bản thì cần thêm nhiều thí nghiệm phơi bày hơn nữa để đánh giá mất mát ăn mòn hàng năm dưới 0,03mm.

- Mất mát ăn mòn hàng năm cũng có mối tương quan thuận với thời gian ẩm ướt trong điều kiện môi trường ở khu vực ven biển TP. Hồ Chí Minh.

Bảng 4.1. Kết quả đo đạc các yếu tố môi trường

Tên cầu	Lượng muối trong không khí (mdd)	Khoảng cách đến bờ biển (km)	Nhiệt độ trung bình (oC)	Độ ẩm tương đối trung bình (%)	Thời gian ẩm ướt (giờ)
An Nghĩa	0,027	18	29,6	69,2	1.336
Dần Xây	0,013	8	28,6	73,2	2.096
Hà Thanh	0,033	2	29,2	75,8	3.116

Hình 4.1: Nhiệt độ trung bình và độ ẩm tương đối trung bình trong một năm của 3 cầu

Hình 4.2: Diễn biến lượng muối biển thổi đến qua các lần đo

Hình 4.3: Biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển và lượng muối trong không khí

Hình 4.4: Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian ẩm ướt đến mất mát ăn mòn

Hình 4.5: Biểu đồ mối quan hệ giữa lượng muối trong không khí đến mất mát ăn mòn

Hình 4.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển đến mất mát ăn mòn

Tài liệu tham khảo

[1]. Kage I, Shiotani K, Takemura M, Komori T, Furuta A, Kyono K (2006), Estimation of Corrosion Loss for Ni-added High Corrosion Resistant Weathering Steel based on Field Exposure Test, Zairyo-to-Kankyo. 55, pp. 152-158 (in Japanese).

[2]. Đ. Đ. Tùng, T. D. Khanh, S. Miura, I. Kage, T. Okamoto, E. Iwasaki (2013), Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, số 12, trang 14-17.

[3]. N. T. T. Trinh (2013), Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết qua kết quả thử nghiệm ban đầu ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, số 12, trang 30-31.

[4]. Japan Society of Steel Construction (2007), Taikouseikoukyouryou no kanousei to atarashiigijutu, Technical Report 73, Gihodo-shuppan (in Japanese).

[5].  Public Works Research Institute (1993), Nationwide Investigation on Air-borne Chloride (4) Relationship between Geographical Distribution of Air-borne Chloride and Wind. Technical Note of PWRI (in Japanese).

[6].  Public Works Research Institute, Kozai Club, Japan Bridge Association (1993), Report on Application of Weathering Steel to Highway Bridges (XX) (in Japanese).

[7]. Lien LTH, San PT, Hong HL (2007), Results of studying atmospheric corrosion in Vietnam 1995 - 2005, Science and Technology of Advanced Materials, 8, pp. 552-558.