Thực nghiệm phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt các công trình bê tông cốt thép theo thời gian ở môi trường biển

ª ThS. Ncs. Hồ Văn Quân ª ThS. Nguyễn Văn Tươı Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II ª ThS. Phạm Thái Uyết Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3  ª PGS. TS. Trần Thế Truyền Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Hồ Xuân Nam  TS. Đặng Việt Hải

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xác định sự thay đổi nồng độ clo bề mặt theo thời gian. Bê tông bề mặt của một số công trình bê tông cốt thép ven biển ở khu vực Đà Nẵng với các độ tuổi khác nhau ở vùng thủy triều và vùng khí quyển biển (cách mặt nước biển trong phạm vi 100m) được khoan lấy các mẫu dưới dạng bột bê tông ở các chiều sâu khác nhau nhằm thí nghiệm xác định hàm lượng clo bằng phương pháp hòa tan trong nước. Kết quả cho thấy rằng, nồng độ clo bề mặt của các kết cấu bê tông tăng lên khi thời gian tiếp xúc tăng lên và nó bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện tiếp xúc, ở vùng thủy triều nồng độ clo bề mặt cao hơn nhiều so với vùng khí quyển biển.

Từ khóa: Nồng độ clo, môi trường biển.

Abstract:This paper presents the experimental results on the variation of surface chloride concentration with time. Surface concrete of the reinforced concrete structures in Da Nang coastal area at different ages in the tidal zone and atmospheric sea zone (far from seawater level in the range 100m) are drilled for powder concrete samples in different depths and experiment to determine the amount of chloride by the water-soluble method. The results showed that surface chloride concentration of concrete structures increases as the exposure time increases and it is considerably affected by the exposure conditions. In tidal zone, surface chloride concentration is much higher than in the atmospheric zone.

Keywords: The concentration of chlorine, the marine environment.

1. Giới thiệu

Rất nhiều kết cấu bê tông cốt thép được xây dựng dưới các môi trường clorua như: Môi trường biển, ven biển, môi trường nước thải công nghiệp... Dưới các môi trường như vậy, các ion clorua có thể dễ dàng xâm nhập vào bê tông, vì bê tông là vật liệu rỗng do pha kết dính rỗng của nó và vùng chuyển tiếp không hoàn hảo [1,2]. Các ion clorua tích bám trong lớp bê tông bề mặt đầu tiên và sau đó khuyếch tán vào sâu bên trong bê tông. Khi nồng độ clo ở độ sâu của cốt thép đạt đến giá trị ngưỡng nồng độ ăn mòn, cốt thép bắt đầu ăn mòn, dẫn đến hư hỏng và làm giảm tuổi thọ của công trình. Clo gây ăn mòn cốt thép được xem là một trong những lý do quan trọng nhất cho sự hư hỏng kết cấu bê tông trên toàn thế giới [3]. Trong kết cấu bê tông cốt thép, lớp vỏ bê tông được thiết kế để bảo vệ các thanh thép khỏi bị ăn mòn, do đó ảnh hưởng của các môi trường clo vào kết cấu bê tông cốt thép phải bắt đầu từ lớp bê tông bề mặt, nồng độ clo bề mặt càng cao thì clo khuyếch tán vào sâu bên trong bê tông càng mạnh và thời gian ăn mòn cốt thép càng nhanh.

Các nghiên cứu trước đây về xâm nhập clo vào bê tông đã cho thấy rằng, nồng độ clo bề mặt vẫn không thay đổi theo thời gian [4-6]. Gần đây, một số tác giả đã nghiên cứu sự phụ thuộc nồng độ clo bề mặt (C_s) theo thời gian, điển hình là Uji [7], Stewart và nnk [8] và họ đã kết luận rằng, nồng độ clo bề mặt tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian, thể hiện sự gia tăng của C_s có xu hướng yếu đi theo thời gian.

Nghiên cứu này tiến hành các thí nghiệm nhằm xác định nồng độ clo bề mặt trên một số công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép ven biển Đà Nẵng, từ đó xây dựng quy luật thay đổi theo thời gian của nồng độ clo bề mặt bê tông.

2. Phương pháp xác định nồng độ clo bề mặt trong các công trình xây dựng

Đối với các công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, nồng độ clo bề mặt của các mẫu bê tông sau khi được tiếp xúc với môi trường clo (thường được ngâm liên tục hoặc theo chu kỳ trong dung dịch NaCl) thường được xác định trực tiếp bằng cách cắt một lớp bề mặt mẫu bê tông mỏng khoảng 3-5mm nghiền thành bột và chiết bằng phương pháp hòa tan trong nước [9]. Hàm lượng clo trong dung dịch lọc sau đó được xác định bằng phương pháp chuẩn độ dung dịch Bạc Nitrat (AgNO₃). Hàm lượng clo sau đó chuyển sang nồng độ clo bề mặt theo phần trăm theo khối lượng bê tông. Một số tác giả khác như Amey và nnk [10] và Liu và nnk [11] cho rằng, nồng độ clo bề mặt được xác định trung bình trên một lớp bề mặt bê tông dày 1 inch bên dưới bề mặt bê tông, coi nồng độ clo ở độ sâu trung bình 13mm và sử dụng như nồng độ clo bề mặt.

Đối với các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép có một phần kết cấu chìm hoàn toàn trong nước biển, nồng độ clo bề mặt cũng được xác định tương tự như trên. Tuy nhiên, đối với các bộ phận của công trình nằm ở vùng thủy triều hay vùng khí quyển biển thì không xác định theo phương pháp trực tiếp như trên vì kết quả sẽ không chính xác và thường cho giá trị nhỏ hơn. Lí do là các công trình xây dựng thường xuyên tiếp xúc với gió, mưa... nên một phần clo bề mặt bị rửa trôi và điều quan trọng là lớp vỏ bê tông ngoài cùng bị cacbonat hóa nên clo bề mặt ở trạng thái “tự do” có thể di chuyển vào sâu bên trong bê tông. Do đó, để xác định hàm lượng clo bề mặt trong trường hợp này, người ta thường xác định hàm lượng clo ở các độ sâu khác nhau tính từ mặt ngoài của bê tông và tìm một đường cong phù hợp nhất với qui luật đó bằng phân tích hồi qui, từ đó sẽ xác định được nồng độ clo bề mặt C_S [12, 13].

3. Lấy mẫu bê tông và thí nghiệm xác định nồng độ clo theo chiều sâu

Trong nghiên cứu này, các kết cấu bê tông được nhóm theo hai điều kiện tiếp xúc: Vùng thủy triều gồm tất cả các công trình bằng bê tông cốt thép (các mố, trụ cầu và kè) ở vùng giáp ranh giữa cửa sông và biển chịu ảnh hưởng của thủy triều; vùng khí quyển biển không bị ảnh hưởng của thủy triều (cách mặt nước biển trong phạm vi 100m) gồm các công trình bằng bê tông cốt thép (các mố, trụ cầu và kè) và bằng bê tông không có cốt thép (mặt đường). Tất cả các công trình này đều sử dụng loại bê tông thường có cường độ nén 25 - 30 MPa; kết cấu thiết kế chịu lực để chịu tải trọng xe chạy (mố trụ cầu, mặt đường) và gió, bão, sóng đánh (kè).

Để thuận tiện cho việc lấy được các mẫu bột bê tông theo chiều sâu bê tông, thời gian lấy mẫu được thực hiện vào các ngày mùa hè thời tiết thuận lợi (tháng 7/2015), đặc biệt là với các công trình ở vùng thủy triều. Các vị trí cần lấy mẫu của kết cấu bê tông phải thông thoáng và có mặt hướng về phía biển. Đối với các bộ phận công trình ở vùng thủy triều, các vị trí lấy mẫu phải đảm bảo nằm trong biên độ dao động của thủy triều (lấy mẫu khi triều xuống).

Hàm lượng clo theo chiều sâu trong các công trình bê tông cốt thép ven biển khu vực Đà Nẵng được xác định bằng phương pháp hòa tan trong nước theo TCVN 7572-06 [14]. Quy trình thực hiện bao gồm: Vệ sinh sạch bề mặt bê tông ở vị trí cần lấy mẫu; dùng mũi khoan đường kính 16mm khoan 6 mũi trong một vùng diện tích khoảng 0,15mm² ở các chiều sâu 0 - 1,5cm; 1,5 - 3,0cm; 3,0 - 5,0cm và 5,0 - 7,0cm; trong quá trình khoan dùng giấy bóng kính để hứng bột và dùng que gạt thép để lấy mẫu còn sót trong lỗ khoan ở mỗi chiều sâu khoan.

Các mẫu bê tông bột thu được tiếp tục được nghiền mịn trong phòng thí nghiệm, đảm bảo lọt hết qua sàng 140μm, sau đó đưa mẫu vào các khay, sấy đến khối lượng không đổi, rồi để nguội trong bình hút ẩm, nhận được mẫu thử; cân khoảng 5g [m] (chính xác đến 0,0001g) từ mẫu thử đã chuẩn bị cho vào cốc 250ml. Thêm 50ml nước cất, đậy kín bằng mặt kính đồng hồ, đun sôi trên bếp điện trong 2 phút. Giữ yên trong 24 giờ. Lọc không tro loại chảy chậm và rửa bằng nước cất nóng, chuyển toàn bộ nước lọc sang cốc 250ml, thêm vào 3ml HNO₃ (1+4) và 3ml H₂O₂ (30%). Đậy kín cốc bằng mặt kính đồng hồ, giữ yên trong 1 đến 2 phút. Đun cốc sôi thật nhanh trên bếp điện rồi chuyển cốc ra khỏi bếp, để nguội; thêm một giọt chỉ thị phenolphtalein vào dung dịch đã chuẩn bị, nếu xuất hiện màu hồng cho thêm vài giọt axit nitric 5% đến khi dung dịch mất màu hồng; cho một lượng dư dung dịch bạc nitrat có nồng độ 0,1N [N₁] và có thể xác định [V₁] vào dung dịch trên, đun nóng nhẹ để đảm bảo kết tủa hoàn toàn bạc clorua; để nguội đến nhiệt độ phòng; thêm 1 ml chỉ thị sắt (III) amoni sunfat và nhận biết lượng bạc nitrat không phản ứng bằng dung dịch amoni sunfoxyanua 0,1N [N₂] đã tiêu tốn [V₂].

Hàm lượng clo [Cl^-] trong mẫu thử được tính bằng phần trăm (%) của khối lượng bê tông, theo công thức:                                  

 

(1)

 

Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm và kiểm định - Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3 - Cục Quản lý Đường bộ 3.

Hình 3.1: Công tác khoan lấy mẫu bê tông

 

4. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm hàm lượng clo trong các công trình kết cấu bê tông ở vùng khí quyển biển và vùng thủy triều được tổng hợp như Bảng 4.1 và 4.2.

Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng khí quyển biển

 

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng thủy triều

 

Từ kết quả các Bảng 4.1, 4.2 cho thấy rằng, hàm lượng clo xâm nhập vào bê tông theo chiều sâu phụ thuộc mạnh mẽ vào các điều kiện tiếp xúc và thời gian tiếp xúc, ở vùng thủy triều nồng độ clo theo chiều sâu cao hơn so với vùng khí quyển biển, kết quả này phù hợp với các nghiên cứu của Jun Liu và nnk [9], Costa và nnk [12]. Điều này có thể giải thích như sau: Đối với vùng khí quyển biển, clo tích bám xảy ra liên tục theo thời gian. Đối với vùng thủy triều, lớp da bê tông chịu các chu kỳ khô và ướt với nước biển, cơ chế này dẫn đến tích lũy clo ở vùng bề mặt và có thể làm gia tăng nồng độ clo bề mặt cao nhất, từ đó đẩy nhanh quá trình khuyếch tán clo vào sâu bên trong bê tông theo thời gian.

5. Phân tích sự thay đổi của nồng độ clo bề mặt theo thời gian

Để xác định nồng độ clo bề mặt của các kết cấu bê tông, giả định thâm nhập clo vào bê tông theo chiều sâu tuân theo qui luật hàm logarit tự nhiên, khi đó, nồng độ clo giảm dần theo chiều sâu. Tức là, quan hệ giữa nồng độ clo C (% khối lượng bê tông) và chiều sâu trung bình (chiều sâu tính từ mặt ngoài bê tông đến điểm giữa của mỗi chiều sâu khoan) x (cm) được thể hiện theo phương trình:

C(x) = C₀.e^-mx                       (2)

Dùng phương pháp phân tích hồi quy, ta vẽ được đồ thị và xác định được các tham số C₀ và m như Hình 5.1 và Hình 5.2.

Hình 5.1: Đường cong hồi qui của công trình mặt đường 4 tuổi ven biển

 

Hình 5.2: Đường cong hồi qui của công trình trụ cầu 19 tuổi ở vùng thủy triều

 

Bằng cách phân tích hồi qui tương tự, ta được kết quả các giá trị nồng độ clo bề mặt C₀ (khi x = 0) và tham số m tương ứng với các công trình kết cấu bê tông như Bảng 5.1.

Bảng 5.1. Giá trị C₀ và m của các kết cấu bê tông với các điều kiện tiếp xúc khác nhau

Hình 5.2: Đường cong hồi qui của công trình trụ cầu 19 tuổi ở vùng thủy triều

 

Như trên đã trình bày, nồng độ clo bề mặt tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian, thể hiện sự gia tăng của C_s có xu hướng yếu đi theo thời gian [7, 8]. Các kết quả nghiên cứu của Swamy và nnk [15], Costa và nnk [13] cũng kết luận rằng, sự gia tăng của C_S có xu hướng giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên, họ thấy rằng C_S không phải luôn luôn tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian t và họ đề nghị mối quan hệ giữa C_S và t thể hiện theo phương trình:

C_S(t) = C₁.tⁿ                              (3)

Từ kết quả các giá trị nồng độ clo bề mặt C₀ (% theo khối lượng bê tông) và tuổi của các kết cấu bê tông t (năm) ở Bảng 5.1, bằng cách phân tích hồi qui theo phương trình (3) ta vẽ được đồ thị và xác định được các tham số C₁ và n như Hình 5.3 và Hình 5.4.

Hình 5.3: Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt theo thời gian của các kết cấu bê tông ở  vùng khí quyển biển

 

Hình 5.4: Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt theo thời gian của các kết cấu bê tông ở  vùng thủy triều

 

Từ kết quả trên, nồng độ clo bề mặt C_S (% khối lượng bê tông) theo thời gian t (năm) được thiết lập theo các phương trình sau:

- Đối với vùng khí quyển biển:

C_S(t) = 0,128.t^0,476                                    (4)

- Đối với vùng thủy triều:

C_S(t) = 0,291.t^0,426                     (5)

Từ kết quả Bảng 5.1, các Hình 5.3, 5.4 và các công thức (4) và (5) cho thấy rằng, nồng độ clo bề mặt C_S bị ảnh hưởng đặc biệt bởi các điều kiện tiếp xúc và thời gian tiếp xúc, vùng thủy triều có nồng độ clo bề mặt cao hơn vùng khí quyển biển, kết quả này cũng hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu của Swamy và nnk [15], Costa và nnk [12, 13]. Điều này cũng cho thấy rằng, môi trường biển xâm thực khác nhau đáng kể với các điều kiện tiếp xúc khác nhau và do đó yêu cầu độ bền của bê tông cũng nên khác nhau.

6. Kết luận

Qua nghiên cứu này, một số kết luận có thể rút ra như sau:

- Các kết quả thực nghiệm ở Bảng 4.1, Bảng 4.2 và các phương trình hồi qui (4) và (5) cho thấy rằng, ở các độ tuổi sớm tốc độ xâm nhập clo xảy ra nhanh chóng, sau đó tốc độ xâm nhập clo giảm đáng kể và vì thế, bê tông bề mặt nhanh chóng bị nhiễm clo.

- Tốc độ xâm nhập clo vào bê tông theo chiều sâu phụ thuộc mạnh mẽ vào các điều kiện tiếp xúc và thời gian tiếp xúc, ở vùng thủy triều tốc độ xâm nhập clo vào bê tông cao hơn nhiều so với vùng khí quyển biển.

- Nồng độ clo bề mặt C_S bị ảnh hưởng đặc biệt bởi các điều kiện tiếp xúc, giảm dần từ vùng thủy đến vùng khí quyển biển.

- Nồng độ clo bề mặt phụ thuộc mạnh mẽ vào thời gian tiếp xúc, thời gian tiếp xúc càng dài thì nồng độ clo bề mặt càng cao.

- Môi trường biển xâm thực khác nhau đáng kể với các điều kiện tiếp xúc khác nhau và do đó, các yêu cầu về độ bền của bê tông ở các điều kiện tiếp xúc khác nhau cũng nên khác nhau.

- Các công thức (4) và (5) có thể sử dụng trong các nghiên cứu về dự đoán tuổi thọ lâu dài (thời gian ăn mòn cốt thép) của các công trình bê tông cốt thép ở môi trường biển phù hợp với thực tế hơn khi sử dụng nồng độ clo bề mặt là hằng số (không thay đổi theo thời gian).

Tài liệu tham khảo

[1]. Ma, H., Hou, D., Lu, Y., Li, Z (2014), Two-scale modeling of the capillary network in hydrated cement paste, Constr. Build. Mater., 64, 11-21.

[2]. Ma, H., Li, Z (J. 2014), Multi-aggregate approach for modeling interfacial transition zone in concrete, ACI Mater, 111, 189-200.

[3]. Vaysburd, A.M., Emmons, P.H (2000), How to make today’s repairs durable for tomorrow-Corrosion protection in concrete repair, Constr. Build. Mater, 14, 189-197.

[4]. Buenfeld, N. R and Newman, J. B (1987), Examination of three methods for studying ion diffusion in cement pastes, mortars and concrete, Constr, Build, Mater, 20, 3-10.

[5]. Mangat, P. S, Molloy, B. T (1992), Factors influencing chloride-induced corrosion of reinforcement in concrete, Constr. Build. Mater, 25, 401-411.

[6]. Mustafa M. A, Yusof K. M (1994), Atmospheric chloride penetration into concrete in semitropical marine environment, Cem, Concr, Res, 24, 661-670.

[7]. Uji, K.; Matsuoka, Y.; and Maruya, T. (1990), Formulation of an Equation for Surface Chloride Content of Concrete due to Permeation of Chloride, Corrosion of Reinforcement in Concrete, Society of Chemical Industry, London, UK, pp. 258-267.

[8]. Stewart, M. G. and Rosowsky, D. V. (1998), Structural safety and serviceability of concrete bridges subject to corrosion, J. Infrastruct. Syst, 4(4), 146-155.

[9]. Jun Liu, Kaifeng Tang, Dong Pan, Zongru Lei, Weilun Wang and Feng Xing (2014), Surface Chloride Concentration of Concrete under Shallow Immersion Conditions, Materials, 7, 6620-6631.

[10]. Amey, S.L., Johnson, D.A., Miltenberger, M.A., Farzam, H. (1998), Predicting the service life of concrete marine structure: An environmental methodology, ACI Struct. J., 95, 27-36.

[11]. Liu, J., Xing, F., Dong, B., Ma, H., Pan, D. (2013), Study on water sorptivity of the surface  layer of concrete, Mater, Struct, doi:10.1617/s11527-013-0162-x.

[12]. Costa A., Appleton J. (1999), Chloride penetration into concrete in marine environment-Part (1): Main parameters affecting chloride penetration, Materials & Structures, V.32, pp. 252-259.

[13]. Costa A., Appleton J (1999), Chloride penetration into concrete in marine environment-Part (2): Prediction of long term chloride penetration, Materials & Structures, V.32, pp. 354-359.

[14]. TCVN 7572-15: 2006, Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử, Xác định hàm lượng clo.

[15]. Swamy, R. N, Hamada, H. and Laiw, J. C (Jul 1994), A critical evaluation of chloride penetration into concrete in marine environment in Corrosion and Corrosion Protection of Steel in Concrete, Proceedings of an International Conference, University of Sheffield, England, 404-419.