Nguyên nhân và giải pháp khắc phục hiện tượng ăn mòn cốt thép ở bê tông

Với những ưu điểm vượt trội như chắc chắn, độ bền cao, khả năng chống cháy tốt, chi phí thấp và chịu được tải trọng lớn, bê tông cốt thép là nguyên vật liệu được sử dụng trong phần lớn các công trình hiện nay. Tuy nhiên, có rất nhiều công trình sau khi đưa vào sử dụng một thời gian thì có dấu hiệu xuống cấp trầm trọng. Nguyên nhân hàng đầu gây ra tình trạng này chính là sự ăn mòn cốt thép và các kim loại. Vậy đâu là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn và làm thế nào để tránh được hiện tượng này? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé!

Ăn mòn cốt thép là gì?

Ăn mòn cốt thép là hiện tượng cốt thép, các kim loại bên trong bị ăn mòn tạo thành rỉ sét trên bề mặt và dần dần bong tróc. Điều này không chỉ làm ảnh hưởng đến kết cấu mà còn khiến công trình xuống cấp nhanh chóng.

Ăn mòn cốt thép là gì?

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng ăn mòn cốt thép

Bê tông cốt thép là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng từ nhỏ tới lớn bởi độ bền đáng kinh ngạc của nó. Mỗi năm, khoảng 12 tỷ tấn bê tông cốt thép được sản xuất và được xem là vật liệu xây dựng nhân tạo có số lượng sản xuất nhiều nhất hiện nay. 

Sau một thời gian dài sử dụng, công trình có dấu hiệu xuống cấp là do cốt thép bị ăn mòn tạo thành rỉ sét chiếm thể tích lớn hơn thép. 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 trong. Dưới đây là một số nguyên nhân dẫn đến tình trạng ăn mòn cốt thép mà bạn đọc có thể tham khảo:

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,…

Nguyên nhân xảy ra tình trạng ăn mòn cốt thép

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.

Ăn mòn cốt thép do quá trình điện hóa

Bên cạnh việc ăn mòn cốt thép do quá trình cacbonat hóa hay sự xâm nhập của ion clorua thì cốt thép trong bê tông bị ăn mòn do quá trình điện hóa. Ở dạng ăn mòn này, các nguyên tử sắt sẽ tách khỏi lưới tinh thể và trở thành ion điện mạnh trong dung dịch dưới tác động của OH- tạo ra các sản phẩm khác nhau với công thức chung xFeO.yFe2O3.zH2O.

Các sản phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt với thể tích gấp khoảng 5 lần so với thành phần ban đầu. Chính vì vậy đã gây nội ứng suất phá cấu trúc bê tông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho các hạt xâm nhập dễ dàng đi vào. Tuy nhiên, quá trình điện hóa chỉ có thể xảy ra khi bê tông có đủ khả năng dẫn điện tức bê tông có độ ẩm nhất định.

Do đó, để hạn chế quá trình này xảy ra thì bê tông phải chặt, lớp bảo vệ đủ dày, khả năng chống thấm tốt.

Giải pháp giúp phòng tránh hiện tượng ăn mòn cốt thép ở bê tông

Giải pháp chống ăn mòn cốt thép

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 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.

Sự ăn mòn cốt thép ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu và tính thẩm mỹ của công trình nên không thể xem nhẹ. Hy vọng, những chia sẻ của chúng tôi sẽ giúp bạn đọc biết được những nguyên nhân xảy ra tình trạng ăn mòn và có giải pháp phù hợp để đảm bảo chất lượng, thẩm mỹ công trình cũng như ngân sách của bạn.