Bê tông cốt thép là vật liệu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng hiện nay. Tuy nhiên, có nhiều công trình sau khi đưa vào sử dụng một thời gian thì có dấu hiệu xuống cấp nghiêm trọng. Một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến hiện tượng trên là do lớp cốt thép trong bê tông bị ăn mòn. Vậy đâu là nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép và cách khắc phục như thế nào? Cùng MinHome tìm hiểu qua bài viết sau.
Hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ăn mòn cốt thép là một quá trình tự nhiên xảy ra khi cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép bị rỉ sét. Theo thuật ngữ khoa học, ăn mòn bê tông là “sự phá hủy kim loại bằng các phản ứng hóa học, điện hóa và điện phân trong môi trường tự nhiên”. Ăn mòn thường hình thành theo thời gian.
Nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép
Quá trình điện hóa học
Khi gặp điều kiện không khí ẩm, nước đã hòa tan O2 và CO2 trong khí quyển, tạo thành một dung dịch chất điện li và xâm nhập vào trong lớp bê tông. Thép có thành phần chính là sắt (Fe) và Carbon (C) cùng tiếp xúc với dung dịch đó tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là anot và cacbon là catot.
Tại anot, sắt bị oxi hóa thành ion Fe2+: Fe → Fe2+ + 2e
Các electron được giải phóng chuyển dịch đến catot.
Tại catot, O2 hòa tan trong nước bị khử thành ion hidroxit: O2+2H2O+4e → 4OH−
Ion Fe2+ tan vào dung dịch chất điện li có hòa tan khí O2. Tại đây, ion Fe2+ tiếp tục bị oxi hóa, dưới tác dụng của ion OH– tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe2O3.nH2O.
Điều này đồng nghĩa với việc giảm diện tích thiết diện của thép trong hỗn hợp bê tông cốt thép, tạo ra các vết nứt, tách lớp và bong tróc. Các vết nứt này lan rộng trên bề mặt bê tông khiến cho càng nhiều dung dịch chất điện li xâm nhập vào trong bê tông. Điều này làm tăng tốc quá trình ăn mòn.
Ăn mòn là nguyên nhân gây ra tới 90% thiệt hại cho kết cấu bê tông cốt thép
Quá trình cacbonat hóa trong bê tông cốt thép
Độ bền của công trình được đảm bảo nhờ lớp bê tông bảo vệ nên cốt thép không bị ăn mòn. Khi đó, nước triết bê tông có môi trường kiềm cao với độ ph lớn hơn hoặc bằng 13 sẽ là điều kiện tốt giúp tạo một lớp oxit mỏng “thụ động” trên bề mặt thép ngăn cản quá trình gỉ thép. Hiện tượng ăn mòn cốt thép chỉ xảy ra khi lớp mạng “thụ động” bị xuyên thủng, độ kiềm giảm.
Sự giảm độ ph được xảy ra là do quá trình rửa trôi kiềm, quá trình hòa tan các oxit hoặc quá trình cacbonat hóa bê tông. Chẳng hạn như canxi hydroxit để tạo thành cacbonat sẽ được thực hiện theo phản ứng:
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O
Nếu hàm lượng CO2 cao hơn sẽ tiếp tục phản ứng với CaCO3 (không tan) tạo thành Ca(HCO3)2 (tan) dễ dàng khuếch tán từ trong ra ngoài. Sau khi phản ứng này xảy ra sẽ làm độ ph giảm từ 13 xuống còn 8.5. Ở mức độ này màng thụ động trên thép không ổn định hay còn được hiểu là bị thủng khiến cốt thép bắt đầu bị ăn mòn.
Cacbonat hóa trong bê tông là quá trình chắc chắn xảy ra nhưng diễn ra chậm. Tuy nhiên, tốc độ cacbonat hóa còn phụ thuộc vào tỷ lệ nước và xi măng được sử dụng để trộn thành hỗn hợp bê tông. Nếu tỷ lệ nước trên xi măng cao, hàm lượng xi măng thấp, thời gian đóng rắn ngắn, cường độ thấp và có tính thẩm thấu cao thì quá trình cacbonat hóa sẽ diễn ra nhanh hơn bình thường. Đối với bê tông chất lượng cao, quá trình cacbonat hóa sẽ xảy ra với tốc độ 0.04 inch mỗi năm.
Ngoài ra, quá trình cacbonat hóa còn phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của bê tông như:
- Với độ ẩm không khí duy trì ở mức 50% đến 75% thì quá trình cacbonat hóa diễn ra nhanh.
- Với độ ẩm không khí dưới 25% thì mức độ cacbonat hóa diễn ra không đáng kể.
- Với độ ẩm không khí trên 75% thì độ ẩm trong lỗ chân lông hạn chế sự xâm nhập của CO2.
Do đó, quá trình cacbonat hóa trong bê tông cốt thép diễn ra nhanh hay chậm còn phụ thuộc vào các yếu tố như hàm lượng CO2, lực ion dung dịch, loại xi măng, thời gian bảo dưỡng, diện tích bề mặt tiếp xúc của đá xi măng với các tác nhân ăn mòn,…
Sự xâm nhập của ion clorua
Ở các môi trường đặc biệt như nước biển, nước lợ, nước ngầm hay môi trường ngập nước hoặc có độ ẩm cao thì quá trình ăn mòn cốt thép sẽ diễn ra nhanh hơn so với môi trường lý tưởng. Các ion clorua có trong môi trường nước biển hay nước mặn khi tiếp xúc với bê tông cốt thép sẽ xảy ra phản ứng nếu oxy và độ ẩm có sẵn để duy trì phản ứng.
Theo các nghiên cứu của FHWA (Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang), giới hạn ngưỡng 0.2% tổng lượng clorua hòa tan trong axit tính theo trọng lượng của xi măng có thể gây ra sự ăn mòn cốt thép. Tuy nhiên, chỉ những clorua hòa tan trong nước mới thúc đẩy sự ăn mòn còn hòa tan trong axit không có sẵn để thúc đẩy sự ăn mòn do chúng có liên kết khó tách hơn trong nước.
Mặc dù clorua chịu trách nhiệm trực tiếp cho sự bắt đầu ăn mòn nhưng chúng chỉ thúc đẩy tốc độ ăn mòn khi lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ. Tình trạng ăn mòn cục bộ là do sự hội tụ các ion clorua trên bề mặt cốt thép trong bê trong. Để xâm nhập qua lớp bảo vệ bê tông, ion clorua xâm nhập theo 4 cơ chế sau:
- Sự thẩm thấu do hàm lượng ion clorua trên bề mặt bê tông cốt thép cao.
- Sức hút mao dẫn.
- Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt
- Sự chuyển dịch do chênh lệch điện thế
=> Mối quan hệ tương hỗ giữa quá trình cacbonat hóa và quá trình xâm nhập của ion clorua: cả hai quá trình này đều xảy ra ở bê tông cốt thép. Clorua aluminat được tạo ra từ phản ứng giữa ion clorua với xi măng có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn do giảm lượng clorua. Tuy nhiên, quá trình cacbonat hóa khiến độ ph có trong bê tông giảm khiến liên kết clorua aluminat bị phá vỡ. Khi đó, kết cấu chịu sự tác động của cả 2 cơ chế sẽ nhạy cảm hơn với ăn mòn và khó kiểm soát hơn.
Giải pháp giúp phòng tránh hiện tượng ăn mòn cốt thép ở bê tông
Nếu như hiện tượng ăn mòn cốt thép này cứ xảy ra với tốc độ nhanh chóng thì công trình sẽ bị phá hủy sau một thời gian sử dụng. Điều này không chỉ gây nguy hiểm cho mọi người mà còn khiến gia chủ tốn thêm khoản chi phí bảo dưỡng hay thậm chí xây mới. Do đó, cần có giải pháp để phòng tránh hiện tượng này xảy ra.
- Cung cấp đầy đủ lớp phủ bê tông tốt trên các thanh cốt thép để duy trì tính chất kiềm trong bê tông và tính thụ động của thanh thép.
- Sử dụng bê tông chất lượng tốt để duy trình tính chất kiềm.
- Cần trộn bê tông theo tỷ lệ nước/xi măng là 0.4 để hạn chế quá trình xâm nhập của ion clorua.
- Dùng thép không gỉ hoặc dùng hợp kim của Fe với Cr sẽ nâng cao khả năng chống oxy hóa của thép. Nếu thêm Cu, Cr hoặc Ni sẽ nâng cao tính ăn mòn trong khí quyển.
- Có thể phủ lớp sơn Epoxy lên thanh thép là phương pháp thấm kim loại nhằm bảo vệ cốt thép để ngăn chặn sự ăn mòn. Lớp sơn này phải có khả năng liên kết về mặt hóa học với thép, bám dính tốt với bê tông và cốt thép.
- Tráng men silicat với yêu cầu có hệ số giãn nở bằng với thép. Thường sẽ dùng men thủy tinh, men sứ,…được nung chảy trên bề mặt kim loại.
- Sử dụng lớp phủ phản ứng tức là lớp phủ này sẽ hình thành dựa trên phản ứng hóa học xảy ra trực tiếp trên bề mặt kim loại.
- Pha chất ức chế vào bê tông cũng là một trong những giải pháp giúp hạn chế sự ăn mòn cốt thép. Chất này do hãng Grace của Mỹ sản xuất có chứa NaNO2, khi nó tương tác với sắt bằng phản ứng hóa học sẽ tạo ra rào cản trên bề mặt cốt thép giúp ngăn ngừa sự thấm của ion clorua và cải thiện các tính chất của bê tông.
Những phương pháp này đều được nghiên cứu và áp dụng phổ biến. Chúng có tác dụng chống ăn mòn cốt thép ở mọi môi trường khí, rắn và lỏng ở điều kiện ẩm ướt hoặc môi trường không khí ẩm.
