Sự ăn mòn Kết cấu Bê tông cốt thép, nguyên nhân và cách phòng tránh

1. Nguyên nhân ăn mòn BTCT

Có thể nói rằng Bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến và thành công nhất trong lịch sử ngành xây dựng với xấp xỉ 12 tỉ tấn BTCT được sản xuất hằng năm, nhiều hơn bất kỳ vật liệu nhân tạo nào trên thế giới. Thông thường, khi kết cấu BTCT được thiết kế phù hợp và được đúc cẩn thận, kết cấu luôn bền vững trong suốt tuổi thọ làm việc.
 
Bình thường, cốt thép được bảo vệ hoàn toàn trong môi trường kiềm của bê tông nhờ vào hàm lượng lớn của canxi oxit, natri oxit và kali oxit hoà tan. Các hợp chất kiềm trong bê tông giữ độ pH ở mức 12-13 giúp tạo nên một lớp màng bảo vệ mỏng trên bề mặt cốt thép. Trong điều kiện thông thường, lớp màng mỏng có khả năng bảo vệ cốt thép chống lại sự tấn công của các tác nhân ăn mòn từ môi trường. Cơ chế này được gọi là "cơ chế bảo vệ thụ động" của BTCT.

Có hai cơ chế có thể phá vỡ sự tự bảo vệ của kết cấu BTCT và được xem như là tác nhân chính dẫn đến ăn mòn của cốt thép trong bê tông. Đó là hiện tượng cacbonat hoá và sự xâm nhập của ion clorua.
 
* Quá trình Carbonat hoá trong BTCT (carbonation)

Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan (Ca(OH)2) trong các lỗ hổng của kế cấu bê tông là kết quả của quá trình thuỷ hoá xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13. Như đã nói, trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng mỏng trên bề mặt (dày từ 2-20 nanomét). Tuy nhiên, quá trình carbonat hoá với sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi carbonat và trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng dưới đây:


 
Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế "tự bảo vệ thụ động" của BTCT không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn.
 

Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông. Sự phát triển của vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép (spalling) như hình minh hoạ trên.
 
Tốc độ của quá trình carbonat hoá phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ lý của bê tông như độ kiềm và độ thẩm thấu. Điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hoá hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60-75%. Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hoá tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần. Mặt khác, hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hoá.
 
Ngoài ra, bề dày lớp bê tông bảo vệ cũng đóng vai trò quan trọng giảm quá trình ăn mòn.

Carbonat hoá là một quá trình chậm, đặc biệt khi nhiệt độ môi trường ở mức bình thường. Tốc độ của quá trình này có thể đo đạc được và ngăn chặn. Tuy nhiên, nó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao (≥ 30 năm).
 
* Sự xâm nhập của ion clorua

Clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách. Clorua có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước, một cách vô tình hay cố ý. Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua trong hầu hết các công trình là do sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như:
 
    • Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối;
    • Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua.
 
Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển. Nói cách khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hoá ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13).
 

Ăn mòn cục bộ do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong BTCT.  Có bốn cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông:
 
    • Sức hút mao dẫn;
    • Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT;
    • Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt;
    • Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế.
 
* Mối quan hệ tương hỗ giữa quá trình cacbonat hoá và sự xâm nhập của ion clorua

Trong thực tế, kết cấu BTCT thường xuyên làm việc dưới tác động hỗn hợp của cả hai cơ chế trên. Clorua aluminat (AlCl4-), được tạo ra từ phản ứng giữa ion clorua và xi măng có tác dụng làm giảm lượng clorua, qua đó làm chậm quá trình ăn mòn. Tuy nhiên, khi quá trình carbonat hoá làm giảm độ pH trong bê tông, AlCl4- sẽ bị phá vỡ. Kết quả là những kết cấu chịu sự tác động của cả hai cơ chế trên đồng thời sẽ nhạy cảm hơn nhiều với ăn mòn và khó để kiểm soát hơn.
 
2. Biện pháp bảo vệ kết cấu BTCT khỏi ăn mòn

Chất lượng bê tông và việc tính toán hợp lý bề dày lớp bảo vệ cốt thép là những nhân tố đầu tiên giúp làm chậm quá trình ăn mòn cốt thép. Bê tông sử dụng phải có tỉ lệ nước/xi măng (w/c) đủ thấp để làm chậm quá trình xâm nhập của ion clorua và quá trình carbonat hoá qua các lỗ hổng trong kết cấu bê tông. Tỉ lệ nước/xi măng nên ≤ 0.5 để làm chậm quá trình carbonat hoá và ≤ 0.4 để hạn chế quá trình xâm nhập của clorua. Tiêu chuẩn của hiệp hội bê tông Hoa Kỳ ACI 318 khuyến cáo chiều dày lớp bảo vệ cốt thép ≥ 1.5 in. (38.1 mm) và lớn hơn ít nhất ≥ 0.75 in. (19.05 mm) so với kích thước cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông. Bên cạnh đó, ACI 357 khuyến cáo lớp bảo vệ cốt thép tối thiểu 2.5 in. (63.5 mm) đối với kết cấu BTCT xây dựng trong môi trường biển.
 
Hàm lượng cốt thép đủ lớn có tác dụng kiềm chế sự phát triển và mở rộng vết nứt. Tiêu chuẩn ACI 224 kiến nghị bề rộng vết nứt cho phép không được vượt quá 0.006 in. (0.152 mm) cho kết cấu BTCT trong môi trường biển.
 
Bê tông cần được đúc và dưỡng hộ một cách chính xác để hạn chế ăn mòn. Kết cấu cần được dưỡng hộ tối thiểu 07 ngày sau khi đúc ở nhiệt độ 21oC (đối với bê tông có tỷ lệ nước/xi măng = 0.4) và lên đến 06 tháng đối với bê tông có tỷ lệ nước/xi măng = 0.6. Nhiều báo cáo khoa học đã chỉ ra rằng độ rỗng của bê tông giảm rõ rệt khi thời gian dưỡng hộ tăng lên, và tất nhiên khả năng chống ăn mòn cũng được cải thiện đáng kể.

Những công nghệ chống ăn mòn khác thường được sử dụng cho kết cấu BTCT bao gồm sử dụng các màng ngăn nước khi đổ bê tông, sử dụng cốt thép mạ kẽm, cốt thép phủ epoxy, sử dụng thép không gỉ và đặc biệt là phương pháp "cathodic protection". Cơ chế hoạt động của phương pháp "cathodic protection" dựa trên việc sử dụng các điện cực thay thế để ăn mòn và giúp bảo vệ cốt thép trước các tác nhân từ môi trường, đặc biệt là môi trường tiếp xúc nhiều với  muối biển. Sự hoạt động cũng như tác dụng của phương pháp trên sẽ được trình bày cụ thể trong bài viết tiếp theo.