Giới thiệu

Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế tạo từ các loài vật liệu rời như cát, sỏi, đá và chất kết dính (thường là xi măng), nước và các chất phụ gia. Ở giữa các trụ, dầm bê tông là các cốt thép để bê tông bám vào, tăng độ vững chắc cho công trình. Ăn mòn cốt thép trong bê tông là hiện tượng phá hủy vật liệu thép do tác dụng hóa học hay tác dụng điện hóa giữa sắt và môi trường bên ngoài. Các vật liệu kim loại và hợp kim trên cơ sở sắt, thép khi tiếp xúc với môi trường xung quanh đều bị phá hủy ở mức độ nào đó [1-2]. 

Đối với bê tông thông thường pH có giá trị khoảng 12,5 [3]. Ở ngưỡng pH này bê tông sẽ tạo ra màng thụ động (dày 2-20 nm) bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn. Tuy nhiên, một số quá trình hóa học làm thay đổi trạng thái màng thụ động bằng cách giảm độ pH dẫn tới tăng tốc độ ăn mòn cốt thép [4-5]. Trong đó, tác động của ion clorua khi chạm đến bề mặt thép làm cho Fe2+ được giải phóng do quá trình oxy hóa, điều này dẫn tới giảm pH bê tông, phá vỡ màng thụ động và dưới tác động của oxy, nước sẽ làm cho thép bị ăn mòn cục bộ [6].

Hiện nay, theo dữ liệu quan trắc môi trường cho thấy, một số vùng gần biển ở nước ta có xuất hiện mưa axit (pH<5,6). Qua thời gian, dưới sự ảnh hưởng của nước mưa có giá trị pH thấp và sự khuếch tán clorua vào bê tông sẽ phá vỡ màng thụ động, gây ra ăn mòn cốt thép cho các công trình xây dựng ở các địa phương đó. Trong bài báo này, chúng tôi dựa trên thực nghiệm để xác định mối tương quan của chỉ số chính mưa axit là giá trị pH tới ăn mòn thép.

Một số nghiên cứu trước đây dựa vào các số liệu thực nghiệm đã xây dựng các mô hình tính toán mối quan hệ giữa các tác nhân gây ăn mòn cốt thép trong bê tông như hàm lượng clorua trong môi trường, nhiệt độ bề mặt cốt thép, điện trở bê tông, độ dày bê tông. Điển hình như mô hình Yalcyn và cộng sự [7] dựa trên ảnh hưởng của ion clorua và axetat lên Icorr đã dự đoán tốc độ ăn mòn theo phương trình:

Icorr = I0*e-Ct (1)

Trong đó, Icorr là mật độ dòng ăn mòn tại thời điểm t , Io là mật độ dòng ăn mòn ban đầu và C là hằng số ăn mòn phụ thuộc vào mức độ bão hòa lỗ rỗng của bê tông, pH, độ dày bê tông, độ thấm.

Liu và Wayner [8] đã phát triển một mô hình thực nghiệm dựa trên phân tích thống kê về kết quả từ chương trình thử nghiệm ăn mòn gia tốc trong 5 năm. Liu và Wayner cho rằng quá trình ăn mòn của thép trong bê tông làm hàm số của các biến số như hàm lượng clorua, nhiệt độ, điện trở suất bê tông được trình bày trong biểu thức:

Icorr = 102,47 + 10.09ln(1,69Cl) – 39038,96T-1 – 0,0015Rc + 290,91t-0,215 (2)

Trong đó, Icorr là mật độ dòng ăn mòn (µA/cm2), Cl là tổng hàm lượng clo trong thép (kg/m3), T là nhiệt độ bề mặt thép (K), Rc là điện trở suất bê tông và t là thời gian ăn mòn (t).

Các mô hình của phương pháp thực nghiệm đã xây dựng được mối tương quan đến một số tham số ảnh hưởng ăn mòn. Tuy nhiên, ảnh hưởng của giá trị pH đến ăn mòn vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xác định mối tương quan giữa giá trị pH và ăn mòn thông qua thực nghiệm nhằm mục đích xây dựng một mô hình đơn giản, dễ ứng dụng, ít tốn kém về ảnh hưởng của giá trị pH đến ăn mòn cốt thép.

Thực nghiệm

Nguyên liệu thử nghiệm 

Các thanh thép dùng để thực nghiệm là thép CT3. Trước thí nghiệm các điện cực thép được làm sạch bằng giấy nhám và tẩy dầu mỡ bằng axeton. Hệ điện cực ăn mòn như Hình 1 bao gồm điện cực làm việc (thanh thép), điện cực tham khảo (Bạc clorua), điện cực đối. Tiến hành quan sát trong 60 ngày.

Hình 1. Hệ điện cực ăn mòn

Cho dung dịch FeCl2 0.2M ở các thể tích khác nhau vào dung dịch canxi hydroxit bão hòa đến khi đạt pH lần lượt là 12, 11, 10, 9, 8, 7. Điều này sẽ mô phỏng quá trình giảm pH diễn ra trong giai đoạn đầu tiên của quá trình ăn mòn do giải phóng Fe2+ theo phương trình: Fe2+ + 2H2O ? Fe(OH)2 + 2H+    (3)

Cho dung dịch HCl với các nồng độ khác nhau để dung dịch đạt giá trị pH từ 2-6.

Phương pháp phân tích

Các phép đo điện hóa được thực hiện trên thiết bị Autolab. Hệ đo 3 điện cực: Điện cực đối - tấm platin, điện cực so sánh - Ag/AgCl trong KCl bão hòa và điện cực làm việc - mẫu cốt thép. Các thông số điện hóa được xác định bằng phần mềm Nova đồng bộ với thiết bị. Đường cong phân cực nhánh anot được quét theo chế độ thế động (potentiodynamic) với bước quét 1 mV từ OCP về phía điện thế dương đến thời điểm mật độ dòng tăng đột ngột. Trong nghiên cứu này, tốc độ ăn mòn cốt thép được đánh giá theo phương pháp điện trở phân cực tuyến tính. Để xác định dòng ăn mòn bằng phương pháp điện trở phân cực tiến hành quét đường cong phân cực theo chế độ thế động xung quanh OCP±30 mV với bước quét nhỏ 0,1 mV.

Sử dụng Hàm Person phần mềm Excel xác định tương quan giữa tệp số liệu giá trị pH và mật độ dòng ăn mòn.

Sử dụng phần mềm Origin xây dựng phương trình tương quan giữa pH và mật độ dòng ăn mòn.

Kết quả và thảo luận
Ảnh hưởng pH đến mật độ dòng ăn mòn

Đối với môi trường có giá trị pH từ 7-12 ảnh hưởng đến mật độ dòng ăn mòn thể hiện qua Hình 2. Kết quả cho thấy, mật độ dòng ăn mòn khá ổn định trong các ngày thử nghiệm, ở giá trị pH = 9 và pH =10 có sự tăng nhẹ so với 15 ngày ban đầu, mật độ dòng ăn mòn sau 40 ngày chia ra 2 khu vực rõ rệt, giá trị pH cao là pH = 12 và pH = 11 có mật độ dòng ăn mòn chỉ khoảng 5µA/cm2 thấp hơn nhiều so với khu vực có giá trị pH thấp hơn (pH từ 7-10) với Icorr khoảng 13-23µA/cm2, điều này cho thấy, môi trường có giá trị pH cao sẽ cản trở quá trình ăn mòn thép. 

Hình 2. Mật độ dòng ăn mòn ở môi trường giá trị pH 7-12

Tiến hành thử nghiệm với môi trường có giá trị pH thấp (pH từ 2-6). Hình 2 cho thấy, mật độ dòng ăn mòn Icorr pH 4-6 khoảng 20-25 µA/cm2 tương đối gần với giá trị pH có tính bazo thấp (pH 7-10), tuy nhiên ở giá trị pH nhỏ hơn 3 thì mật độ dòng ăn mòn tăng lên rất nhanh đạt trên 40 µA/cm2 ở giá trị pH=3 và trên 90 ở giá trị pH=2. Điều này có thể là quá trình ăn mòn diễn ra cùng với sự hình thành khí H2, đồng thời quá trình thoát khí tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt đang cản trở quá trình ăn mòn. Phân tích mối tương quan Pearson giữa giá trị pH và mật độ dòng ăn mòn là tương quan nghịch, có hệ số tương quan là -0,8. Điều này cho thấy, khi giá trị pH tăng lên thì mật độ dòng ăn mòn sẽ giảm xuống, đồng thời hệ số tương quan cũng khá gần với 1 cho thấy sự ảnh hưởng của giá trị pH lên mật độ dòng ăn mòn tương đối rõ rệt.

Mô hình ảnh hưởng giá trị pH đến mật độ dòng ăn mòn

Dựa theo kết quả mật độ dòng ăn mòn trong môi trường giá trị pH khác nhau cho thấy, mật độ dòng ăn mòn biến đổi theo 3 vùng khác nhau như Hình 4:

Vùng giá trị pH thấp (pH=4): Đây là vùng có mức mật độ ăn mòn cao, có sự chênh lệch lớn mật độ dòng ăn mòn khi thay đổi giá trị pH trong vùng này. Ở giá trị pH=4 mật độ dòng ăn mòn dao động trong khoảng 26-31 µA/cm2, trong khi pH =2 mật độ dòng ăn mòn nằm trong khoảng 88-97 µA/cm2. 

Hình 3. Mật độ dòng ăn mòn ở môi trường giá trị pH từ 2-6

Hình 4. Mô hình ảnh hưởng pH đến mật độ dòng ăn mòn

Vùng trung tính (5=pH=10): Ở vùng này mật độ dòng ăn mòn không thay đổi nhiều khi tăng giá trị pH. Điều này có thể được giải thích là kết quả của hai quá trình: Quá trình ăn mòn tạo ra ion sắt có khả năng thủy phân các phân tử nước giải phóng proton và sự kết tủa của Fe(OH)2 tạo thành màng cản trở quá trình ăn mòn. Kết quả là một hiệu ứng đệm nhất định làm cho tốc độ ăn mòn khá ổn định ở vùng giá trị pH này và giá trị Icorr khu vực này nằm khoảng 7-25 µA/cm2.

Vùng pH cao (pH>10): Ở vùng này mật độ dòng ăn mòn thấp, đồng thời tính kiềm tăng làm cho màng Fe(OH)2 có tính bảo vệ cao hơn, tính thụ động thanh thép giảm mạnh khi giá trị pH tăng. Mật độ dòng ăn mòn ở khoảng 1-8 µA/cm2.

Sử dụng phần mềm Origin, chúng ta có thể mô hình hóa ảnh hưởng của giá trị pH đến mật độ dòng ăn mòn thành biểu thức phương trình bậc ba (Hình 4) như sau:

Icorr = 190,713 -69,617*[pH] + 9,050* [pH]2 – 0,382* [pH]3 R=0,93

Kết luận

Kết quả từ thực nghiệm ăn mòn cốt thép trong 60 ngày cho thấy, mật độ dòng ăn mòn ít biến động giữa các khoảng thời gian. Mật độ dòng ăn mòn có mối tương quan nghịch với giá trị pH, có hệ số tương quan Pearson là -0,8, mật độ dòng ăn mòn giảm dần theo giá trị pH tăng dần. Ảnh hưởng giá trị pH tới mật độ dòng ăn mòn cũng chia thành 3 khu vực: Khu vực giá trị pH thấp (pH=4) với mật độ dòng ăn mòn cao, độ chênh lệch giữa các giá trị pH lớn, vùng trung tính (5=pH=10) có mật độ dòng ăn mòn khá tương đồng, độ chênh lệch ít và dao động ở mức 7-25 µA/cm2 và vùng giá trị pH cao (pH>10) có mật độ dòng ăn mòn thấp ở khoảng 1-8 µA/cm2. Bằng phần mềm Origin đã mô hình hóa ảnh hưởng của pH đến mật độ dòng ăn mòn là một biểu thức phương trình bậc ba.

Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ kinh phí từ Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 216/2023/HĐKHCN của Viện Nhiệt đới môi trường. 

Tài liệu tham khảo
1.    Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng và ctv, Báo cáo tổng kết dự án KT-KT Chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và bê tông cốt thép vùng biển, Viện KHCN Xây dựng, 11/2003; 

2.    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;

3.    Page, C. L., & Treadaway, K. W. J. (1982). Aspects of the electrochemistry of steel in concrete. Nature, 297(5862), 109-115;

4.    Kaesche, Mechanism of pitting corrosion, Corros. Trait. 17 (1969) 389-396.

5.    O.E. Gjorv, O. Vennesland, Diffusion of chloride-ions from seawater into concrete, Cem. Concr. Res. 9 (1979) 229-238;

6.    M.G. Alvarez, J.R. Galvele, The mechanism of pitting of high-purity iron in NaCl solutions, Corros. Sci. 24 (1984) 27-48;

7.    Yalcyn, H., and M. Ergun. "The prediction of corrosion rates of reinforcing steels in concrete." Cement and concrete research 26.10 (1996): 1593-1599;

8.    Liu, T., and R. W. Weyers. "Modeling the dynamic corrosion process in chloride contaminated concrete structures." Cement and Concrete research 28.3 (1998): 365-379.

NGUYỄN TRỌNG CƯỜNG, LÂM NGỌC NAM, PHẠM HỒNG THẠCH, PHẠM THANH HẢI

Viện Nhiệt đới môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 22 (Kỳ 2 tháng 10) năm 2023