Phân loại các môi trường xâm thực

Những môi trường xâm thực tác động tới kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được phân loại theo một số tiêu chí như sau:

- Mức độ tác động xâm thực tới bê tông và bê tông cốt thép: không ăn mòn, ăn mòn yếu, ăn mòn vừa và ăn mòn mạnh;

- Trạng thái vật lý: khí, lỏng, rắn;

- Thành phần hóa học: hữu cơ và vô cơ, sulfat, clo, các muối magie, kiềm, muối tinh thể…

- Hoạt tính sinh học, sản phẩm từ quá trình trao đổi chất của các vi khuẩn, nấm, rễ các loài thực vật.

Ngoài ra, trong một số điều kiện hoạt động nhất định, các quá trình vật lý cũng có thể tác động xấu tới bê tông, chẳng hạn nhiệt độ (nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao trong ngưỡng từ -70oC tới +50oC), đóng - tan bang, ẩm, khô... Bê tông cũng có thể bị hư hại mà không có tác động của môi trường xâm thực bên ngoài – do tương tác giữa kiềm trong xi măng và các phụ gia với dioxide silic dễ phản ứng có trong các cốt liệu và dolomit; do sự hình thành muộn của ettringite và thaumasite.

Bê tông bị ăn mòn khiến các kết cấu công trình dần hư hỏng

Các nguyên tắc thu nhận bê tông độ bền ăn mòn cao

Độ bền ăn mòn của bê tông được xác định bởi hai chỉ số cơ bản – tính thấm trong môi trường xâm thực và khả năng tham gia (của đá bê tông và cốt liệu) tương tác hóa học với các thành phần của môi trường xâm thực. Độ thấm thấp của bê tông được đảm bảo nhờ bộ giải pháp - ứng dụng phụ gia giảm nước và phụ gia chống thấm, sử dụng cốt liệu và phụ giạ khoáng… qua đó bảo đảm thu nhận cấu trúc bê tông với các lỗ rỗng có thể tích, kích thước tối thiểu; đầm nén vữa bê tông hiệu quả; các chế độ kết cứng tối ưu.

Việc truyền môi trường xâm thực vào bê tông rỗng xốp được thực hiện theo cơ chế chảy do lực gradien áp suất và lực của các mao dẫn, theo cơ chế truyền khuếch tán và có gradien nồng độ của chất xâm thực. Bên cạnh đó, cùng với giảm độ rỗng xốp của bê tông, tỷ lệ tương ứng của chất được truyền theo cơ chế chảy nhớt cũng giảm, bắt đầu việc truyền khuếch tán. Tổng khối lượng chất được truyền sẽ giảm.

Trong bê tông với những lỗ rỗng siêu nhỏ, khối lượng cơ bản của chất được truyền theo cơ chế khuếch tán, trong khi đó việc truyền khuếch tán chịu ảnh hưởng của điện tích bề mặt các lỗ rỗng (điện tích này phụ thuộc vào thành phần đá xi măng). Việc tích điện âm của bề mặt đá xi măng khiến việc truyền các anion xâm thực (sunfat và clorua) trở nên khó khăn. 

Đặc điểm của các quá trình ăn mòn trong các môi trường khác nhau. Biện pháp bảo vệ bê tông và bê tông cốt thép chống ăn mòn

Môi trường nước ngọt

Nước ngọt có tác động xâm thực đối với bê tông xi măng vì có thể hòa tan canxi hydroxit trong đá xi măng, dẫn đến phá vỡ silicat và alumin, làm tăng tính thấm và giảm cường độ của bê tông. Khi đánh giá độ bền ăn mòn của bê tông trong môi trường nước ngọt, cần quan tâm tới tốc độ hư hại của bê tông. Ngay từ những năm 1950 – 1970, tại Viện nghiên cứu bê tông & bê tông cốt thép dưới sự dẫn dắt của GS. V.Moskvin, nhiều nghiên cứu cơ chế ăn mòn bê tông đã được thực hiện. Quá trình rửa trôi bê tông được phân loại là quá trình ăn mòn loại I. Các nghiên cứu trong thời gian này cho thấy: tốc độ của quá trình giảm khi đưa vào thành phần xi măng các phụ gia khoáng, liên kết một phần canxi hydroxit thành các silicat canxi ít hòa tan. Ngoài ra, tốc độ ăn mòn giảm khi độ thấm của bê tông giảm. Các nghiên cứu sau đó đối với các kết cấu bê tông đang được khai thác sử dụng đã cho phép đánh giá tốc độ ăn mòn loại I trên thực tế. Các kết quả khảo sát cũng cho thấy: bê tông được sản xuất 50 – 70 năm về trước, đang được sử dụng trong môi trường nước ngọt có những hư hỏng không đáng kể tại phần ngầm dưới nước. Trong một đập thủy điện trên sông Angara, độ sâu hư hỏng bê tông do rửa trôi (không đóng băng và tan băng) trong 50 năm được hạn chế bằng một lớp vữa mỏng bên ngoài của phần bê tông, chỉ lộ ra bề mặt ngoài của các hạt cốt liệu lớn. Mức độ hư hại tương tự được phát hiện ở phần dưới nước của các trụ cầu bằng bê tông cốt thép ở phía bắc.

Bảo vệ chống ăn mòn cho các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Sau 50-70 năm hoạt động, độ sâu hư hại bê tông của các cột bê tông cốt thép tại bể tích nước sạch của các trạm xử lý nước chỉ khoảng 10 mm. Độ sâu hư hại bê tông do rửa trôi không quá 10 mm cũng được khảo sát thấy ở phần dưới nước của cống trên sông Volga. Kết quả khảo sát các hồ chứa nước ở Ufa cho thấy: trong điều kiện tích đầy nước định kỳ trong suốt quá trình 40-70 năm vận hành, bê tông có mác thấm nước W2-W4, do rửa trôi vôi một lớp dày 10 - 20 mm nên mất tác dụng bảo vệ; cốt thép bị ăn mòn. Để ngăn chặn quá trình ăn mòn, GS. Viện sĩ B.R. Anvarov đã đề xuất dùng bê tông có độ thấm nước mác W8-W12 tùy theo thời hạn sử dụng công trình.

Trong tiêu chuẩn SP 28.13330 “Bảo vệ chống ăn mòn cho các kết cấu xây dựng”, đối với kết cấu bê tông thường xuyên chịu tác động của nước với độ cứng tạm thời thấp, khuyến nghị sử dụng bê tông có tính thấm nước không thấp hơn W6. Hiện nay, do các phụ gia giảm nước hiệu quả được tích cực ứng dụng nên sản xuất bê tông đạt mác này không phải là việc khó.

Nguy cơ ăn mòn sẽ xuất hiện, nếu nước rỉ qua các vết nứt trên bê tông trong thời gian dài. Việc loại bỏ canxi hydroxit  dẫn đến giảm độ pH trong vết nứt; tích cực cung cấp oxy cho bề mặt cốt thép bằng nước chảy qua sẽ thúc đẩy ăn mòn điện hóa. Trong trường hợp này, sự ăn mòn các thanh thép chỉ được phát hiện khi gãy.

Môi trường sulfat

Bản chất của các quá trình ăn mòn bê tông trong môi trường sunfat nằm ở việc tạo thạch cao và hydrosulfoaluminat trong cấu trúc bê tông, với sự gia tăng thể tích của các pha rắn làm xuất hiện các ứng suất bên trong vượt quá cường độ của bê tông và phá vỡ bê tông. Ăn mòn sunfat xảy ra khi có tác động của các dung dịch sunfat hoặc khi sử dụng cốt liệu có chứa tạp chất thạch cao. Tại Liên bang Nga, các trường hợp hư hỏng bê tông khi sử dụng cốt liệu có chứa thạch cao đã có ở các vùng phía nam. Canada cũng ghi nhận hư hỏng khi sử dụng cốt liệu có chứa sulfua.

Theo GOST 8267 “Dăm và sỏi từ đá quặng lớn dùng trong xây dựng. Các điều kiện kỹ thuật”, các sunfat và sunfua thuộc loại tạp chất độc hại trong cốt liệu cho bê tông. Việc làm chậm quá trình ăn mòn sunfat, thậm chí làm ngưng lại, xảy ra khi thiếu thạch cao, canxi hydroxit, canxi aluminat, sunfat kim loại kiềm. Các biện pháp truyền thống nhằm ngăn ngừa ăn mòn sunfat là sử dụng xi măng bền sunfat có hàm lượng nhôm và tricalcium silicat thấp, sử dụng các phụ gia khoáng nhằm liên kết canxi hydroxit trong đá xi măng thành các silicat canxi ít hòa tan.

Xi măng bền sunfat, đặc biệt xi măng bền sunfat không có phụ gia khoáng đang trở nên khan hiếm. Ứng dụng các phụ gia khoáng cũng có những hậu quả tiêu cực - làm giảm tính kháng băng giá và khả năng chống chịu của bê tông trong các điều kiện độ ẩm và khô thay đổi. Nhóm tác giả đã quan sát được nhiều trường hợp bê tông tại các cầu tàu biển (bê tông xi măng pozzolan) bị bong tróc khá sâu.

Một biện pháp hiệu quả để bảo vệ chống ăn mòn sunfat là giảm tính thấm của bê tông đối với các ion SO 4- có trong môi trường xâm thực. Điều này đạt được bằng cách đưa tổ hợp phụ gia (gồm các phụ gia khoáng và giảm nước hiệu quả) vào cấp phối bê tông. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy sử dụng tổ hợp như vậy có thể thu được bê tông có tính bền sunfat cao từ xi măng portland có hàm lượng nhôm trung bình, điều này giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng xi măng portland bền sunfat vốn khan hiếm, và bảo đảm tính bền ăn mòn cao cho bê tông.

Trong vài thập kỷ gần đây, các nhà nghiên cứu đặc biệt chú ý hai quá trình phân hủy – sự hình thành muộn ettringite 3CaO∙Al2 O3∙3CaSO 4∙32H2O, và thaumasite Сa6 [Si (OH)6]2(SO4)2(CO2)2∙24H2O. Đã có nhiều nghiên cứu của Nga và quốc tế về sự hình thành các chất này.

Sự hình thành muộn của ettringite (trong bê tông đã kết cứng) khi không có tác động của môi trường sunfat xâm thực xuất hiện trong bê tông (từ xi măng có hàm lượng không cân bằng giữa alumin và sunfat, dư sunfat). Trong trường hợp bê tông kết cứng ở nhiệt độ gia tăng, chủ yếu sẽ hình thành dạng monosulfat của hydrosulfoaluminate. Sau đó, dạng monosulfat có thể được chuyển thành dạng trisulfat khi kết hợp một lượng nước bổ sung và tăng thể tích. Hư hại bê tông do ettringite hình thành muộn đã được quan sát thấy trong các kết cấu khối lớn, trong đó, ở giai đoạn đầu kết cứng, do các quá trình tỏa nhiệt, nhiệt độ tăng lên 80–90°C, đồng thời hàm lượng kiềm trong xi măng tăng lên đã có tác động tiêu cực.

So với ettringite, thaumasite được hình thành muộn hơn, cả ở nhiệt độ bình thường và thấp. Trong quá trình hình thành thaumasit, ngoài sunfat, các ion cacbonat xâm nhập vào bê tông từ nước ngầm, khí carbon từ không khí, cacbonat từ thành phần cốt liệu và phụ gia khoáng. Ettringite và thaumasite trong cấu trúc đá xi măng rất khó phân biệt, thậm chí cả khi dùng tia X. Khi có mặt các ion cacbonat, ettringite có thể được thay thế bằng thaumasite. Tuy nhiên cho tới nay, quá trình hình thành thaumasit trong đá xi măng vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Những ý kiến cho rằng sự hình thành các vết nứt trên bê tông do tác động từ hình thành thaumasite chưa có đủ cơ sở. Tác giả nghiên cứu này tin rằng thaumasite được hình thành trong các vết nứt đã có sẵn trong bê tông.

Để ngăn ngừa sự ăn mòn sunfat bê tông, Viện Nghiên cứu bê tông và bê tông cốt thép đã nghiên cứu và đưa vào SP 28.13330 tiêu chuẩn phân loại xi măng và tính thấm của bê tông ( xem bảng 1).

Bảng 1: Mức độ tác động xâm thực của môi trường sulfat lỏng tới bê tông thông thường (W4) và bê tông có độ thấm đặc biệt thấp (W16 – W20)

Môi trường clorua

Các muối clorua rất nguy hại do tác động xâm thực đối với cốt thép. Khi xâm nhập vào bê tông cùng với các nguyên liệu đầu vào và từ môi trường bên ngoài, các clorua gây ra hiện tượng thoái hóa và ăn mòn cốt thép. Với sự gia tăng độ ẩm và nhiệt độ môi trường xung quanh, tốc độ khuếch tán của clorua trong bê tông cũng tăng lên - điều này đặc trưng cho các vùng khí hậu nóng ẩm. Các báo cáo khoa học đã chỉ ra một vấn đề: với những thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm trong vòng 100 năm qua, thời hạn sử dụng các kết cấu bê tông cốt thép đã rút ngắn từ 7,9 - 10,2 năm.

Một lượng clorua có thể xâm nhập vào bê tông cùng với các nguyên liệu đầu vào (xi măng, cốt liệu, nước trộn, phụ gia). Lượng clorua thực tế có thể ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu vào thành phần xi măng. Hiện tượng ăn mòn bắt đầu, nếu lượng clorua trong mỗi vật liệu đầu vào đạt ngưỡng tối đa cho phép và vượt quá 0,4% khối lượng của xi măng, tức là khối lượng cho phép theo tiêu chuẩn SP 28.13330 “Bảo vệ chống ăn mòn cho các kết cấu xây dựng”. Trong bê tông từ xi măng portland có hàm lượng nhôm trung bình và cao, ăn mòn cốt thép bắt đầu khi hàm lượng clorua cao hơn so với mức quy định trong SP 28.13330. Trong quá trình carbon hóa bê tông, lượng clorua liên kết sẽ giảm, đồng thời, độ pH của bê tông giảm sẽ khiến tác động xâm thực của clorua tăng lên. Do đó, trong môi trường clorua, cần phải loại trừ quá trình cacbon hóa lớp bảo vệ bê tông.

Cách thức cơ bản để bảo vệ cốt thép trong bê tông tránh ăn mòn clorua là đưa ra được những giá trị tiêu chuẩn về mức độ thấm và độ dày của lớp bảo vệ. Biện pháp bảo vệ được biết đến nhiều nhất là ứng dụng phụ gia ức chế ăn mòn thép trong bê tông, có thời hạn hiệu lực bị hạn chế do khả năng hòa tan và loại bỏ chất ức chế khỏi bê tông, do thay đổi thành phần hóa học, chẳng hạn  nitrit chuyển đổi thành nitrat) và hiệu quả bảo vệ thấp. Khi sử dụng chất ức chế, việc tăng lượng clorua có thể đạt gấp đôi trong khu vực cốt thép, tùy theo loại chất ức chế.

Trong trường hợp cần thiết, có thể thực hiện biện pháp bảo vệ bổ sung, bao gồm cách ly bề mặt bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm và các biện pháp tương tự khác. Tuy đạt hiệu quả cao trong giai đoạn đầu khai thác, các biện pháp bảo vệ trên trong hầu hết các trường hợp theo thời gian đều gặp sự cố và bê tông cần được phục hồi – công việc này không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được, nhất là đối với các kết cấu của các công trình biển. Có một phương pháp bảo vệ cốt thép chống ăn mòn bằng các lớp phủ bảo vệ ít thẩm thấu (ví dụ epoxy) tới nay chưa được ứng dụng nhiều ở Nga. Trong khi đó, Nga đang tích cực phát triển việc sử dụng cốt composite phi kim để loại bỏ hoàn toàn ăn mòn clorua đối với cốt thép. 

Môi trường axit

Trong môi trường axit, bê tông xi măng portland  theo nguyên tắc sẽ không bền vững. Các khoáng chất (kiềm) cơ bản trong đá xi măng phản ứng với axit và phân hủy tạo thành các muối tương ứng. Bảng 2 cho thấy giá trị pH của các dung dịch mà nếu thấp hơn, các liên kết cơ bản của đá xi măng sẽ bị phá vỡ.

Bảng 2. Giá trị pH của các dung dịch axit, dưới ngưỡng này quá trình hòa tan các thành phần đá xi măng sẽ xảy ra

Tốc độ ăn mòn bê tông phụ thuộc vào nồng độ axit và độ hòa tan của các muối canxi được tạo thành. Bê tông bị ăn mòn nhanh chóng được quan sát thấy trong các dung dịch axit clohydric, sulfuric, axetic, formic, lactic, các muối canxi có tính hòa tan cao.

Trong dung dịch axit clohydric có pH = 1, tốc độ ăn mòn bê tông thông thường có mức độ không thấm nước W4 có thể đạt 6 cm mỗi năm.

Bảng 3 cho thấy tốc độ ăn mòn bê tông có độ thấm đặc biệt thấp được chế tạo với phụ gia biến tính MB-01; mức độ không thấm nước của bê tông W20.

Bảng 3: Tốc độ ăn mòn bê tông trong dung dịch axit sulfuric