ỨNG DỤNG CHẤT ỨC CHẾ THẨM THẤU CHỐNG ĂN MÒN CHO CỐT THÉP BÊ TÔNG
Tác giả : Trần Bình Ân
Email: tb.an@metatech.vn
Hiệu chỉnh: trân trọng cám ơn Đại tá, GS TSKH Nguyễn Đức Hùng, chủ tịch Hội ăn mòn và bảo vệ kim loại Việt Nam - đã hiệu chỉnh bài viết.
Tóm tắt
Cốt thép trong bê tông bị ăn mòn điện hóa do khoảng trống trên bề mặt có hơi ẩm và không khí cũng như tác nhân ăn mòn tích tụ. Chất ức chế thẩm thấu MCI có thể thẩm thấu qua lớp bê tông hoặc trộn vào vữa có tác dụng bảo vệ cốt thép làm giảm tốc độ ăn mòn thép đến 30 lần. Nhờ đó độ bền, tuổi thọ của các công trình bê tông cốt thép tăng. Các nước phát triển cũng như các quốc gia đang phát triển, đặc biệt vùng nhiệt đới ẩm và công trình biển đảo đều chú ý sử dụng phụ gia MCI chống ăn mòn cốt thép bê tông để đảm bảo chất lượng, tăng tuổi thọ, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế của các công trình bê tông cốt thép.
Từ khóa: Bê tông cốt thép, ức chế thẩm thấu MCI, chống ăn mòn cốt thép, giảm tốc độ ăn mòn.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Cortec Corporation có trụ sở tại bang Minesota, Hoa kỳ (Hình 1) là công ty công nghệ hàng đầu cung cấp giải pháp đồng bộ chống ăn mòn bảo vệ kim loại. Công ty sở hữu các patent công nghê về ức chế ăn mòn với nhãn hiệu thương mại (trademark) là VpCI và MCI. Trong lĩnh vực chống ăn mòn và bảo vệ cốt thép cho bê tông, Cortec đang là nhà cung cấp số 1 về sản lượng, chất lượng và tính đa dạng về chủng loại.
Hình 1. Trụ sở tập đoàn Cortec, Hoa kỳ
Như chúng ta đều biết, ăn mòn kim loại là một quá trình tự diễn biến tự nhiên do không bền vững nhiệt động học nên kim loại có xu hướng quay trở về dạng nguyên thể ban đầu là quặng của kim loại khi có tác động của môi trường như độ ẩm, không khí và các chất gây ăn mòn. Vì thế việc chống ăn mòn kim loại thực chất là tìm các giải pháp giảm tốc độ ăn mòn kim loại đến mức độ thiết kế có thể chấp nhận được. Cốt thép bê tông bị ăn mòn do có nhiều nguyên nhân như: thép đã bị rỉ trước khi đổ bê tông, hoặc bê tông chịu các xung lực trong quá trình sử dụng dẫn tới liên kết bám dính giữa bê tông và thép giảm, hình thành các khoảng trống tạo điều kiện cho không khí, độ ẩm và tác nhân ăn mòn gây tác dụng. Ăn mòn cốt thép bê tông cũng có thể do chất lượng bê tông kém nên theo thời gian nước thấm vào bề mặt và gây ẩm cốt thép tạo điều kiện cho các quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra. Hậu quả của quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra trên bề mặt cốt thép trong bê tông sẽ tạo thành lớp rỉ: FeO và Fe2O3 làm tăng thể tích cốt thép từ 7 đến 10 lần đạt tới ứng suất làm nứt bê tông và phá hủy công trình. Các tác nhân khác gây ăn mòn cho cốt thép còn là quá trình cacbonat hóa từ khí CO2 tạo thành calcium carbonate cũng như sự xâm thực clo là chất gây ăn mòn rất mạnh.
CO2 + H2O + Ca(OH)2 ® CaCO3 + 2H2O
Hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình ăn mòn điện hóa của cốt thép trong bê tông. Hơi ẩm trong môi trường xi măng sẽ tạo thành màng dung dịch điện ly tạo thuận lợi cho quá trình ăn mòn điện hóa. Tại anot Fe bị ăn mòn tạo thành Fe(OH)2 còn tại catot oxy bị khử tạo thành OH-. Sự hình thành các hợp chất FeO và Fe2O3 từ Fe(OH)2 có thể tích lớn sẽ tạo ứng lực làm nứt vỡ bê tông (Hình 3)
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Hình 3. Sơ đồ mô tả các bước phá hủy bê tông do cốt thép bị rỉ
Do công trình bê tông thường được xây dựng trong các môi trường ngầm dưới đất và nước, thậm chí nước mặn hoặc không khí có độ ẩm cao nên rủi ro xảy ra ăn mòn cốt thép theo cơ chế điện hóa là rất cao. Các cấu trúc bê tông chịu xung lực tác động thường xuyên khi sử dụng như chân đế máy phát điện gió, chân đế các tháp cao, móng nhà cao tầng, mặt đường băng máy bay, chân móng các cầu vượt sông, biển, bê tông hầm ngầm hoăc metro, đập thủy điện…có nguy cơ ăn mòn cốt thép do liên kết bám dính giữa cốt thép và bê tông bị giảm dần do xung lực, tạo khoảng không gian cho các tác nhân ăn mòn gây ra rỉ cốt thép dẫn đến nứt, vỡ bê tông. Hậu quả của quá trình ăn mòn cốt thép bê tông không chỉ làm giảm tuổi thọ công trình mà nguy hiểm hơn là làm giảm độ bền và đôi khi còn gây mất an toàn làm thiệt hại rất lớn về kinh tế. Vì vậy hiện nay với các công trình cần tuổi thọ lớn hoặc vĩnh cửu thì chất ức chế ăn mòn cho cốt thép trong bê tông luôn phải được dùng dưới dạng phụ gia bê tông.
2. CHẤT ỨC CHẾ CHỐNG ĂN MÒN THẨM THẤU (MCI)
Chất ức chế ăn mòn thẩm thấu được gọi chung là MCI (viết tắt của Migrating Corrosion Inhibitor) [1] đã được Cortec Corporation phát minh ra và mang thương hiệu Cortec từ năm 1986 đến nay với nhiều chủng loại đa dạng cho nhiều mục đích sử dụng. MCI có bản chất giống như các chất ức chế ăn mòn pha hơi. Thế hệ đầu của MCI được chế từ amino-alcohol.
Tiếp theo thế hệ thứ hai là sự kết hợp của amine carboxylate + amino-alcohol và ngày nay thế hệ MCI thứ ba được đa dạng hóa với thêm các công dụng như diệt khuẩn, chống thấm, hóa dẻo...
MDI được dùng trong 2 trường hợp là thi công công trình mới và sửa chữa các công trình bị rỉ cốt thép bê tông [2]. Với công trình bê tông mới, MCI được sử dụng như phụ gia bê tông (Hình 4) hoặc phun quét lên cốt thép trước khi đổ bê tông.
Hình 4. Bê tông trộn phụ gia MCI
Việc sửa chữa công trình, nhất là móng, mà cốt thép đã bị rỉ thì MCI được dùng dưới dạng vữa trát lên bê tông và sau thời gian MCI sẽ thẩm thấu qua bê tông tới thép để ức chế ăn mòn là giảm tốc độ rỉ của thép (Hình 5). Trát lớp vữa MCI (màu xanh) lên bề mặt bê tông bị hỏng (Hình 5a) và MCI sẽ thẩm thấu qua bê tông theo nguyên lý mao dẫn. Nhờ tính năng phân tán và bay hơi nên MCI sẽ nhanh chóng tiếp cận đến bề mặt thép (Hình 5b). Do MCI có ái lực rất lớn với kim loại nên các phân tử MCI hấp phụ thành lớp màng ức chế bao bọc quanh cốt thép, ngăn cách thép tiếp xúc với các tác nhân ăn mòn. Màng ức chế có chứa nitơ và có điện trở cao, nên cũng có tác dụng làm giảm dòng điện ăn mòn. Ngoài ra Cortec MCI có thêm tính năng đặc biệt mà các MCI thông thường khác không có là khả năng phân cực thành các ion âm và dương, tiếp cận các khu vực điện tích trái dấu, làm cân bằng điện tích bề mặt do đó giảm tốc độ ăn mòn điện hóa (Hình 5d).
Hình 5. Sơ đồ sau mô tả khái quát cơ chế hoạt động của MCI trong sủa chữa cốt thép bi rỉ.
3. ĐO TỐC ĐỘ ĂN MÒN THÉP TRONG BÊ TÔNG
Hình 6. Nguyên lý thiết bị đo GalvaPulse (a) và thực hiện quá trình xác định tốc độ ăn mòn cốt thép bê tông (b)
Năm 2002 nhà nghiên cứu Thomas Frolund dùng thiết bị GalvaPulse với nguyên lý điện hóa (Hình 6a) để tiến hành các thí nghiệm đo (Hình 6b) và lập dựng bảng dữ liệu mô tả sự liên quan dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn với thời gian có thể nhìn thấy bê tông bị hư hỏng (Bảng 1).
Bảng 1. Đánh giá thời gian xuất hiện hư hỏng công trình bê tông theo tốc độ ăn mòn
Từ kết quả Bảng 1 cũng cho thấy dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn xác định bằng thiết bị Galva Pulse đo được càng nhỏ thì thời gian xuất hiện hư hỏng sẽ càng dài.
4. ỨNG DỤNG MCI
Một phần tòa nhà Lầu Năm góc sau sự kiện 11 tháng 9 bị hư hỏng và khi tiến hành sửa chữa người ta phát hiện các cốt thép bị đã ăn mòn rất nhiều. Cortec Corporation được Lầu Năm góc mời đến xử lý với dự án bắt đầu 2003 và kết thúc 2012 (Hình 7). Cortec Corporation dùng vữa MCI trát lên các khu vực hư hỏng và cứ 3 đến 6 tháng 1 lần tiến hành đo tốc độ ăn mòn cốt thép bằng thiết bị GalvaPulse. Bảng 2 trình bày kết quả đo 2 thời điển năm 2005 cho thấy chỉ sau 3 tháng tốc độ ăn mòn cốt thép giảm từ 32,44 μm/năm xuống còn 1,11 μm/năm.
Hình 8 giới thiệu một số ứng dụng tiêu biểu của Cortec MCI cho các công trình tiêu biểu của thế giới như: a) phun lên cốt thép của móng tháp không lưu sân bay Barcelona, 2009, b) Tháp Buri Khalifa Dubai cao gần 800m với thể tích móng bê tông là 45.000m3 sử dụng Cortec MCI, 2005, c) Bê tông của tàu điện ngầm Singapore sử dụng Cortec MCI và d) Bến cảng Bilbao Tây Ban Nha sử dụng Cortec MCI, 2020
Còn rất nhiều công trình khác trong đó gồm cả xây mới hoặc sửa chữa sử dụng MCI của Cortec, mang lại ưu việt về kinh tế kỹ thuật hơn nhiều so với phương pháp dùng ức chế dạng calcium nitrite [3]. Tại các nước ở Caribbean và Trung đông vùng Vịnh nhu cầu dùng MCI cũng rất lớn cho các công trình vĩnh cửu. Ví dụ Ecuador với 6 triệu dân, là nước tại vùng có khí hậu Xích đạo ẩm ướt khu vực Nam Mỹ, tiêu thụ MCI của Cortec trung bình 6 triệu USD/năm. Nếu ngoại suy từ Ecuador thì ước tính Việt Nam có khí hậu nhiệt đới ẩm và bờ biển dài hơn 3000 km cũng cần tiêu thụ MCI ở mức ước tính 100 triệu USD (quy đổi 23.500 tỷ Viêt Nam đồng ). Vì vậy việc nghiên cứu áp dụng MCI Cortec vào Việt Nam để chống ăn mòn cốt thép bê tông làm tăng tuổi thọ công trình và tăng hiệu quả kinh tế cũng cần được quan tâm phù hợp từ các cơ quan nhà nước như thiết kế, đo lường, xây dựng, giao thông, hoặc các công trình quân sự nhất là Hải quân và Công binh.
5. KẾT LUẬN
Cốt thép trong bê tông do không bám dính, dễ tạo khoảng trống với bê tông nên hơi ẩm, không khí và các tác nhân ăn mòn dễ tích tụ. Các phản ứng điện hóa trên bề mặt cốt thép làm thép bị ăn mòn tạo nên FeO và Fe2O3 có thể tích lớn gây nứt, vỡ bê tông và hư hỏng công trình. Ứng dụng chất ức chế thẩm thấu Cortec MCI tạo với cốt thép màng bảo vệ chống ăn mòn cho các công trình xây dựng mới hoặc sửa chữa công trình có cốt thép đã bị ăn mòn đều mang lại hiệu quả làm giảm tốc độ ăn mòn cốt thép đến 30 lần. Các nước phát triển cũng như các quốc gia đang phát triển đều chú trọng ứng dụng phụ gia chống ăn mòn cốt thép MCI trong xây dựng các công trình quan trọng để tăng tuổi thọ, giảm nguy cơ mất an toàn cũng như tăng hiệu quả kinh tế. Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng, ẩm và bờ biển dài đang phát triển với việc xậy dựng nhiều công trình bê tông cốt thép quan trọng, đặc biệt vùng biển đảo nên cần sớm chú ý đến chất lượng, tuổi thọ và độ bền vững của các công trình bê tông cốt thép nên việc ứng dụng các chất chống ăn mòn cốt thép như MCI là cần thiết.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. D. Bjegovic and B. Miksic, Migrating Corrosion Inhibitor Protection of Concrete, MP, NACE International, Nov. 1999.
2. Han-Seung Lee, Velu Saraswathy, Seung-Jun Kwon, Subbiah Karthick, Corrosion Inhibitors for Reinforced Concrete: A Review, Corrosion Inhibitors, Principles and Recent Applications, In Tech (2018), http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.72572
3. Nguyễn Nam Thắng, Nghiên cứu ứng dụng canxi nitrít làm phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép cho bê tông cốt thép trong điều kiện Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Viện KHCN Xây dựng, Hà Nội, 2007.
