Nghiên cứu đánh giá và các giải pháp chống ăn mòn tiên tiến cho gối thép của công trình cầu ở Việt Nam

ª KS. Kiều Tuấn Anh Công ty Kawakin Core-Tech Việt Nam ª TS. Đào Duy Lâm ª PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Viết Trung PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy

Tóm tắt: Gối cầu là bộ phận giữ vai trò quan trọng trong công trình cầu. Tại Việt Nam, trừ cầu đường sắt, hầu hết các gối cầu thép ở cầu đường bộ đều không được bảo trì thường xuyên với hư hỏng phổ biến là gỉ dẫn đến thực tế nhiều gối cầu thép không đảm bảo hoạt động bình thường do bị ăn mòn. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu, đánh giá các giải pháp chống ăn mòn tiên tiến có khả năng áp dụng cho gối thép của công trình cầu tại Việt Nam.

Từ khóa: Gối thép, công trình cầu, chống ăn mòn, bôi mỡ, sơn phủ, mạ kẽm nhúng nóng, phun nhiệt hợp kim Al-Mg.

Abstract: Support bearings play an integral role in bridge construction. In Vietnam, apart from railway bridge, almost all of steel bearings in highway bridges are not maintained regularly. Therefore the common failure is rust, which leads the fact that many steel bearings do not guarantee the normal operation due to corrosion. The article contributes to study of advanced anti-corrosion solutions applicable for steel bearings of bridge in Vietnam.

Keywords: Bearing, bridge, anti corrosion, lubricant, paint, galvanizing, Al-Mg thermal spraying.

1. Đặt vấn đề

Trong công trình cầu, kết cấu gối cầu với chức năng đỡ và truyền tải trọng của kết cấu phần trên cần thiết được bảo vệ, đảm bảo khả năng làm việc ổn định và an toàn trong một thời gian dài, trong đó việc nâng cao khả năng chống ăn mòn của các bộ phận bằng thép sử dụng trong gối cầu là rất cần thiết.

Về gối thép, từ hơn 100 năm trước, các kỹ sư người Pháp đã lắp đặt gối thép di động phía dưới kết cấu của cầu Tràng Tiền (Huế), gối thép của cầu Long Biên (Hà Nội). Sau năm 1975, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghiệp chế tạo, nhiều loại gối cầu đã được đưa vào sử dụng phù hợp với ứng xử của kết cấu cầu. Tuy nhiên, sau thời gian dài được đưa vào sử dụng, hầu hết các gối thép không được bảo dưỡng định kỳ nên kết cấu gối cầu bị han gỉ, hư hỏng, giảm tuổi thọ của kết cấu công trình.

Hình 1.1: Gối thép cầu Linh Cảm (Hà Tĩnh)

Hình 1.2: Gối thép cầu Đò Quan (Nam Định)

 

Tại Việt Nam hiện đang sử dụng các biện pháp chống ăn mòn cho gối thép công trình cầu như bôi mỡ, sơn phủ, mạ kẽm nhúng nóng và mới đây nhất là công nghệ mới phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg. Tuy nhiên, do các bộ phận của gối cầu có hình dạng phức tạp nên việc thi công đảm bảo độ đồng đều của lớp màng sơn là khó khăn. Hơn nữa, trong quá trình vận chuyển và thi công dễ xảy ra các vết xước tại bề mặt, từ đó trở thành những điểm yếu và phát sinh gỉ giảm tuổi thọ công trình cầu.

Do vậy, việc nghiên cứu đánh giá một số giải pháp chống ăn mòn gối thép và các bộ phận bằng thép của gối cầu tại Việt Nam là cần thiết.

2. Đánh giá các giải pháp chống ăn mòn

2.1. Giải pháp bôi mỡ

2.1.1. Giới thiệu

Giải pháp bôi mỡ là giải pháp chống ăn mòn đơn giản bằng cách tạo nên lớp màng bảo vệ phi kim loại, ngăn cách sự tiếp xúc trực tiếp của vật liệu thép với môi trường và các tác nhân gây ăn mòn. Dầu mỡ sau khi bôi có thể thâm nhập mạnh mẽ và nhanh chóng vào các lỗ nhỏ trên bề mặt kim loại, tạo lớp màng bảo vệ, chống ăn mòn kim loại. Hiện nay trên thị trường có bán rất nhiều loại dầu chống gỉ sét và bôi trơn cho gối thép công trình cầu như: Dầu chống gỉ RP7, WD40, 3M 5WAY…

Hình 2.1: Gối cầu áp dụng giải pháp bôi mỡ

 

2.1.2. Đánh giá giải pháp bôi mỡ

* Ưu điểm

- Đây là giải pháp truyền thống, đơn giản, thực hiện nhanh chóng.

- Chi phí đầu tư ban đầu thấp.

- Dầu mỡ sau khi bôi có thể thâm nhập mạnh mẽ và nhanh chóng vào các lỗ nhỏ trên bề mặt kim loại, thiết lập lớp màng bảo vệ, chống ăn mòn kim loại.

* Nhược điểm

- Khi bôi dầu mỡ để chống gỉ sét rất khó để xác định độ dày của lớp dầu mỡ này trên bề mặt gối thép, nhất là những bề mặt thép có nhiều lồi lõm.

- Lớp dầu mỡ dễ bám bụi bẩn, nếu không vệ sinh sạch sẽ thường xuyên, lâu ngày lớp mỡ khô lại gây cản trở chức năng quay và chuyển vị của gối cầu.

- Tốn nhân công và chi phí trong quá trình duy tu bảo dưỡng.

- Khi thải các chất dầu mỡ ra ngoài môi trường nó sẽ làm ô nhiễm sông ngòi, nguồn nước.

2.2. Giải pháp sơn phủ

2.2.1. Giới thiệu

Chống ăn mòn bằng sơn phủ là tạo nên lớp phủ bảo vệ trên bề mặt vật liệu thép, ngăn cách với môi trường bên ngoài và chống lại các tác nhân gây ăn mòn (hóa học, điện hóa) từ môi trường bên ngoài. Hơn nữa, lớp sơn có chứa chất ức chế không trơ, chất ức chế này sẽ phản ứng với hơi nước và bề mặt thép hình thành một lớp trơ làm giảm sự ăn mòn của vật liệu thép. Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại sơn phủ chống gỉ cho kim loại nói riêng và gối cầu thép nói chung như: Alkyd Benzo, PYLOX, SP.Primer, KG-01, KL-6...

Nhiều loại sản phẩm khác đã được nghiên cứu và áp dụng [1, 2, 7].

Hình 2.2: Gối cầu áp dụng giải pháp sơn phủ

 

2.2.2. Đánh giá giải pháp sơn phủ

* Ưu điểm

- Lớp sơn phủ có khả năng dính bám tốt, có thể chống ăn mòn thép trong thời gian từ 10 - 15 năm.

- Thời gian thi công nhanh.

- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối thấp nên có thể áp dụng rộng rãi.

- Sơn màu làm tăng tính thẩm mỹ, phối màu hài hòa với kết cấu cũng như cảnh quan môi trường xung quanh.

* Nhược điểm

- Quy trình sơn yêu cầu thực hiện đúng các kỹ thuật nghiêm ngặt.

- Phải sơn lại nhiều lần gây tốn kém chi phí trong quá trình duy tu bảo dưỡng.

- Mùi sơn độc hại, gây ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường.

- Đối với kết cấu thép đặt trong môi trường có tính ăn mòn cao như môi trường gần biển thì lớp sơn chỉ có tác dụng chống ăn mòn trong một thời gian ngắn.

2.3. Giải pháp mạ kẽm nhúng nóng

2.3.1. Giới thiệu

Mạ kẽm nhúng nóng là một giải pháp tiên tiến sử dụng công nghệ bảo vệ bề mặt bằng giải pháp phủ một lớp kẽm mỏng lên bề mặt kim loại. Lớp kẽm này được tạo thành qua quá trình nhúng kim loại vào bể chứa kẽm nóng chảy. Lớp phủ kẽm có hai chức năng bảo vệ: Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) với lớp màng chắn bảo vệ trên bề mặt kim loại giống như giải pháp sơn phủ truyền thống, thứ hai là chức năng bảo vệ chủ động (active protection) hay còn gọi là chức năng chống ăn mòn Catốt. Tức là kim loại kẽm (Zn) sẽ đóng vai trò Anốt bị ăn mòn với tốc độ nhanh, hy sinh để bảo vệ thép đóng vai trò Catốt.

Hình 2.3: Gối cầu mạ kẽm nhúng nóng

 

2.3.2. Đánh giá giải pháp mạ kẽm nhúng nóng

* Ưu điểm

- Lớp kẽm có tính dính bám và sức kháng cao nên có thể bảo vệ vật liệu thép khỏi sự ăn mòn trong một thời gian dài. (khoảng 25 năm).

- Có thể áp dụng cho nhiều cấu kiện thép có kích thước và hình dạng khác nhau.

- Có thể áp dụng thi công sửa chữa cấu kiện thép trong quá trình duy tu bảo dưỡng công trình cầu.

- Lớp kẽm có khả năng tự sửa chữa các vết xước nhỏ trên bề mặt bởi cơ chế ăn mòn hy sinh.

* Nhược điểm

- Giải pháp mạ kẽm nhúng nóng yêu cầu công nghệ và kỹ thuật thi công cao.

- Do kẽm có nhiệt độ nóng chảy ở 420^oC nên chỉ áp dụng cho vật liệu có cường độ cao.

- Lớp kẽm không ổn định trong điều kiện môi trường có tính ăn mòn cao như môi trường gần biển.

- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao.

2.4. Giải pháp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg

2.4.1. Giới thiệu

Phun nhiệt kim loại là một giải pháp tiên tiến chống ăn mòn bằng cách tạo nên lớp màng mỏng phun nhiệt ở bề mặt ngoài vật liệu thép, kim loại có hiệu quả chống ăn mòn, kiềm chế sự phát sinh gỉ gây ăn mòn. Từ đầu những năm 1900, ở châu Âu đã bắt đầu nghiên cứu phát triển phương pháp này, tại Nhật Bản áp dụng từ những năm 60, năm 1971 đã hoàn thành cầu Quan Môn là cầu lớn nhất đầu tiên sử dụng phương pháp phun phủ kim loại. Đến nay đã hơn 55 năm đưa vào sử dụng nhưng lớp phủ vẫn bảo vệ gối cầu và không bị gỉ.

Phun nhiệt kim loại là việc thiết kế chống ăn mòn với sức kháng và đặc tính chống ăn mòn khác nhau do môi trường lắp đặt với các loại kim loại phun nhiệt kim loại như hợp kim của Mg, Al, Zn…, cần thiết phải thiết kế khắc khe hơn dựa trên những hiều biết đầy đủ về cơ chế chống ăn mòn của phun nhiệt. Hơn nữa, phun nhiệt kim loại có sức kháng cao hơn phương pháp sơn. Nhưng để không ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc thực tế của cầu đường thì việc quản lý thi công tốt là cần thiết.

Hình 2.4: Gối cầu phun phủ nhiệt kim loại

 

Do vậy, phương pháp phun nhiệt hợp kim Al - Mg là biện pháp hiệu quả đảm bảo cho kết cấu đủ sức kháng, hài hòa với môi trường. Đó là biện pháp chống ăn mòn cho cầu đường xây dựng mới.

2.4.2. Đánh giá giải pháp phun phủ nhiệt kim loại

* Ưu điểm

- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg có sức kháng và tính dính bám tốt, không bị bong tróc ngay cả khi va đập hay bị cong vênh.

- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg chịu được ăn mòn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (môi trường gần biển có hàm lượng muối cao) trong thời gian hơn 100 năm.

- Có thể áp dụng phun nhiệt hợp kim Al-Mg cho nhiều cấu kiện thép có hình dạng và kích thước khác nhau. Có thể áp dụng được cho nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp (khe hở 8cm trở lên có thể phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg).

- Thiết bị thi công nhỏ gọn nên có thể áp dụng thi công sửa chữa ngay tại hiện trường.

- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg an toàn, thân thiện với môi trường.

- Chi phí rất thấp trong quá trình duy tu bảo dưỡng.

- Có thể sơn phối màu tạo cảnh quan cho môi trường xung quanh.

* Nhược điểm

- Giải pháp yêu cầu kỹ thuật cao, tuân thủ nghiêm ngặt các bước tiến hành thi công phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.

- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao.

2.4.3. Đánh giá thông qua thí nghiệm kiểm tra

Giải pháp phun phủ nhiệt kim loại là giải pháp tiên tiến mới áp dụng tại Việt Nam trong các dự án như Bến Lức - Long Thành, cầu Cao Lãnh. Trong phần này đánh giá, so sánh hiệu quả chống gỉ của giải pháp mới này so với các giải pháp khác, bằng thiết bị 6000 giờ gia tốc trong thiết bị mù muối. Thực tế, hệ thống gối cầu rất đa dạng và có cấu tạo phức tạp nên việc ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg vào gối cầu cũng cần có sự tính toán một cách cẩn thận có xét đến sự phức tạp của kết cấu gối cầu [4, 5, 6].

2.4.3.1. Thí nghiệm    

Kết cấu gối cầu sau khi được chế tạo, tiến hành thí nghiệm gia tốc, thời tiết và thiết bị mù muối các vòng lặp phức hợp để tái hiện lại môi trường ăn mòn khắc nghiệt. Thí nghiệm với 3 mô hình gối cầu: Cấu kiện gối mạ kim loại kẽm (Zn), kết cấu gối mạ kim loại nhôm (Al), kết cấu gối phun phủ nhiệt kim loại Al-Mg.

Nhúng các kết cấu gối thí nghiệm vào bể dung dịch (dung môi) trong một thời gian nhất định sau đó đưa vào phòng sấy; tiến hành lặp lại các bước trên liên tục sau mỗi khoảng thời gian nhất định; tiến hành quan sát quá trình phát triển gỉ thép trên các gối thí nghiệm và ghi lại kết quả ở từng mẫu gối thí nghiệm.

- Kết quả thí nghiệm thu được như sau:

Hình 2.5: Mẫu gối thí nghiệm mạ kim loại kẽm

 

Hình 2.6: Mẫu gối thí nghiệm mạ kim loại nhôm

 

Hình 2.7: Mẫu gối thí nghiệm phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg

2.4.3.2. Đánh giá kết quả thí nghiệm

- Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy được phát sinh gỉ sét ở mẫu gối thí nghiệm được mạ Zn và tình trạng gỉ phát triển một cách rõ rệt. Với mẫu gối thí nghiệm mạ Al là loại có khuynh hướng bị ion hóa cao, thì mức độ gỉ thấp hơn so với loại mạ Zn, nhưng vẫn phát sinh gỉ ở vật liệu cơ bản và có thể thấy được sự phát triển gỉ.

- Trong khi đó, với mẫu gối thí nghiệm phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg, chúng ta có thể thấy những chỗ biến màu nâu do “nhận gỉ” ở quanh mẫu thí nghiệm khi nhúng trong bể hóa chất. Nhưng đây không phải là gỉ sét ở trên mẫu thí nghiệm, từ đó có thể xác nhận lớp bảo vệ này có thể phát huy tác dụng tốt nhờ có tính năng chống gỉ cao. Đảm bảo sức kháng cho kết cấu công trình. Từ kết quả thí nghiệm trên cho thấy, lớp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg chịu được ăn mòn kim loại với điều kiện ăn mòn khắc nghiệt trong thời gian hơn 100 năm [3], phù hợp với tuổi thọ của công trình cầu vĩnh cửu.

Nhiệt độ tại bề mặt phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg là dưới 100^oC nên có thể áp dụng cho nhiều kết cấu; không làm thay đổi tính chất vật liệu thép, không ảnh hưởng đến sức kháng cũng như khả năng làm việc của cấu kiện thép.

3. Kết luận

Việc nghiên cứu tổng quan và nghiên cứu giải pháp bảo vệ chống ăn mòn gối thép và các cấu kiện bằng thép của gối cầu nhằm nâng cao tuổi thọ cho các công trình cầu nói chung và công trình cầu đô thị nói riêng là một vấn đề hết sức quan trọng.

Bài báo về cơ bản đã nghiên cứu, đánh giá các giải pháp chống ăn mòn cho gối thép công trình cầu đang áp dụng tại Việt Nam như bôi mỡ, sơn phủ, mạ kẽm nhúng nóng và mới đây nhất là công nghệ mới phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.

Kết quả đánh giá đặc biệt thông qua thí nghiệm gia tốc cho thấy, hiện nay giải pháp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg là giải pháp chống ăn mòn có hiệu quả nhất cho gối cầu kể cả điều kiện ăn mòn khắc nghiệt (cho tuổi thọ100 năm) với chi phí vòng đời thấp.

Tài liệu tham khảo

[1]. TCVN 8792: 2011, Sơn và lớp phủ bảo vệ kim loại - phương pháp thử mù muối, TCVN 8785: 2011 - Sơn và lớp phủ bảo vệ kim loại - Phương pháp thử trong điều kiện tự nhiên.

[2]. Nguyễn Xuân Vũ, Nguyễn Thị Bích Thủy và cộng sự (2012), Đề tài nghiên cứu xây dựng yêu cầu kỹ thuật và phạm vi ứng dụng thích hợp của các loại sơn sử dụng trong GTVT.

[3]. Takehiko Himeno (8/2013), Nghiên cứu giải pháp phun phủ kim loại kết hợp Al-Mg nhằm nâng cao độ bền lâu dài cho gối cầu, Tạp chí Cầu đường Việt Nam.

[4]. Hồ sơ các dự án Bến Lức - Long Thành, Cao Lãnh, Nhật Tân, Bính…

[5]. Công ty Cổ phần Cầu đường Cao tốc phía tây Nhật Bản, NEXCO (2012), Hướng dẫn thiết kế - thi công phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.

[6]. Phương pháp thí nghiệm mạ kẽm nhúng nóng (JIS H 0401 : 2007).

[7]. Tổng công ty Đường cao tốc Hiroshima (2008), Tiêu chuẩn thiết kế - thi công sơn phủ Nhật Bản.