TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 1 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG ĂN MÒN PHÁ HỦY CỦA CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ KHẢ NĂNG XÂM THỰC CỦA MÔI TRƯỜNG VÙNG VEN BIỂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG AN INVESTIGATION ON THE CORROSION DESTRUCTIVE IN REINFORCED CONCRETE STRUCTURE AND POSSIBILITY OF ENVIRONMENTAL EROSION OF DANANG’S SEASIDE TRƯƠNG HOÀI CHÍNH – TRẦN VĂN QUANG – NGUYỄN PHAN PHÚ Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng HUỲNH QUYỀN Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh TM TT Ăn mn ct thp lm hư hng kt cu bê tông ct th p l vn đ ph bin trong xây dng cc công trnh bin . Bi bo ny trnh by mt vi kt qu nghiên cu v kim nghim v vn đ ăn mn ct thp trong kt cu bê tông ct thp dưi tc đng ca nưc bin v môi trưng ở vng bin Đ Nng . Bài báo ny s góp mt s ý kin cho vic xây dng công trnh vi mc đch gia tăng đ bn kt cu bê tông ct thp trong vng bin Đ Nng. ABSTRACT Corrosion of reinforced steel damaging reinforced concrete structure is a widespread construction problem for in the coastal areas. This article refers to some results of study and inspection in regard of the abrasion of reinforcement in reinforced concrete structure under sea and the environment effect of Danang’s seaside. The discussion and conclusion will be a foundation for the basic civil constructions to increase the durability of reinforced concrete structures on the Danang’s seaside. 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu khảo sát hiện tr ng ăn mòn phá hủy của các công trình và môi trường xâm thực là vấn đề quan trọng trong việc xây dựng cơ sở để đưa ra định hướng, phương pháp bảo vệ phù hợp và hiệu quả kinh tế đối với các công trình xây dựng vùng ven biển. Với vị trí địa lí của mình, Đà Nẵng là một thành phố có rất nhiều công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp (DD & CN ) bằng thép, bê tông cốt thép ( BTCT) chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu vùng biển. Kết quả nghiên cứu khảo sát đánh giá hiện trng ăn mòn và mức độ xâm thực của môi trường là cơ sở giúp cho các nhà quản lí, thiết kế, thi công… có những định hướng biện pháp sữa chữa, chống ăn mòn cho các công trình BTCT một cách phù hợp để nâng cao tuổi thọ, tăng hiệu quả đầu tư cho các TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 2 công trình, góp phần vào sự phát triển ổn định cho thành phố Đà Nẵng. 2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát Để thực hiện các nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu là khảo sát thực tế ti hiện trường và đo đc ti hiện trường hoặc lấy mẫu đo đc trong phòng thí nghiệm. - Hiện trạng ăn mòn phá hủy công trình Các kết quả khảo sát trên hiện trường ti bốn công trình tiêu biểu bao gồm: Cầu Nguyễn Văn Trỗi, Cảng cá Thuận Phước, Cảng Liên Chiểu và Cảng Tiên Sa cho thấy rằng, tất cả 4 công trình đều nằm ở trong tình trng ăn mòn và phá hủy từ mức độ trung bình cho đến rất nặng. Nhiều vị trí công trình bị hư hỏng nặng, không còn khả năng chịu lực, lớp bê tông bảo vệ bị bong bục từng mảng do cốt thép bị ăn mòn nặng. Các mẫu bê tông được lấy trực tiếp ti các công trình và được đo đc, phân tích trong phòng thí nghiệm (ti Trung tâm II). Các chỉ tiêu phân tích bao gồm những chỉ tiêu 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Giữa Biên ngoài Cl - (%) Chiều dày lớp BT bảo vệ Ngưỡng ăn mòn Cốt thép Hình 3. Sự biến thiên hàm lượng Cl- theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ ♦: Cảng Liên Chiểu ∆: Cảng Tiên Sa ●: Cảng cá Thuận Phước Hình 1. Hiện trạng ăn mn các công trnh khảo sát tại vng bin Đà Nẵng a, b: Cảng Tiên Sa; c: Cảng cá Thun Phước; d: Cu Nguyn Văn Tri a. b. c. d. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 3 đặc trưng cho khả năng bị ăn mòn của kết cấu như hàm lượng Cl - , SO 4 -2 , pH Kết quả phân tích mẫu cho thấy, hàm lượng Cl - thấm đều theo chiều dày của lớp bê tông bảo vệ và gấp 3-4 lần giới hn cho phép (hình 3). Hàm lượng SO 4 -2 Điện thế ăn mòn của cốt thép được đo đc trực tiếp ti các công trình. Phương pháp đo đc sử dụng trong quá trình nghiên cứu là điện cực so sánh Ag/AgCl. Kết quả đo đc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 và giản đồ E-pH của hệ Fe- H cũng nằm trong tình trng trên và nằm ngoài vùng cho phép của ngưỡng ăn mòn. pH bê tông dao dộng từ 10-11,7. 2 Bảng 1. Kết quả đo đạc điện thế ăn mn cốt thép và khả năng ăn mn tại các công trnh. O, xem bảng 1. Công trình Điện thế so với điện thế Ag/AgCl (mV) Khả năng ăn mòn cốt thép Phương pháp đánh giá Cảng Tiên Sa -436 đến -516 ≥95% ASTM C876 Cảng Thuận Phước -409 đến -450 ≥90% ASTM C876 Cảng Liên Chiểu -320 đến -460 ≥90% ASTM C876 Cầu Nguyễn Văn Trỗi -306 đến -325 ≥90% Giản đồ E-pH hệ Fe- H2O Bảng 2. Kết quả đo đạc phân tích các thông số không khí ven Bin Đà Nẵng TT Thông số ĐVT PP Phân tích Cảng Liên Chiểu Cầu Nguyễn Văn Trỗi Cảng Thuận Phước Cảng Tiên Sa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa 1 SO2 mg/m3 Trắc quang - UVIS 0,07 0,01 0,19 0,06 0,04 0,06 0,11 0,03 2 Cl- mg/m3 Chuẩn độ 0,18 0,04 0,19 0,05 0,21 0,05 0,32 0,09 3 Nhiệt độ 0C 35,57 - 32,13 - 0,53 0,50 36,55 - 4 Độ ẩm % 33,17 - 42,00 - 44,20 - 40,93 - 5 Vận tốc gió m/s 2,95 - 1,69 - 1,54 - 2,49 - Kết quả phân tích và đo đc ti các vị trí cho thấy, do Đà Nẵng có nhiều nhánh sông chảy ra, nên độ mặn của tầng nước mặt có thay đổi. Nhưng nhìn chung, độ mặn Hình 4. Công tác đo đạc điện thế ăn mn tại các công trnh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 4 của vùng ven biển Đà Nẵng tương đương với các vùng biển khác ở Việt Nam và trên thế giới, bảng 3. Bảng 3. So sánh một số thông số của vng bin Đà Nẵng và các khu vực. Chỉ tiêu Đơn vị Biển Hòn Gai Biển Hải Phòng Biển Bắc Mỹ Biển Bantic Đà Nẵng pH - 7,8-8,4 7,5-8,3 7,5 8,0 7,7 Cl- g/l 6,5-18,0 9,0-18,0 18,0 19,0 0,4-12 SO 4 g/l -2 0,2-1,2 0,002-1,1 1,4 1,3 0,2-0,9 3. Bàn luận Kết quả nghiên cứu khảo sát đã xây dựng hoàn thiện một thực trng bị ăn mòn phá hủy của các công trình vùng ven biển Đà Nẵng. Hầu như các công trình bị ăn mòn đều nằm trong khả năng bị ăn mòn trên 90%. Các công trình đều xuống cấp sau 5-10 năm đưa vào sử dụng (cảng cá Thuận Phước, cảng Liên Chiểu), công trình cảng Tiên Sa nằm trong tình trng bị ăn mòn phá hủy ở mức báo động, nhiều kết cấu ti công trình này bị phá hủy hoàn toàn không còn khả năng phục hồi được. Theo các kết quả nghiên cứu thì ảnh hưởng của môi trường xâm thực đế n quá trình ăn mòn rất phức tp. Ngoài các tác động của khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, không khí thì các tác nhân hoà tan trong môi trường đặc biệt là môi trường nước biển, gây xâm thực rất mnh. Các yếu tố gây ăn mòn tác động tương hỗ lẫn nhau trong quá trình ăn mòn phá huỷ vật liệu. Trong quá trình xâm thực, phá huỷ cốt thép trong BTCT, thì sự thâm nhập của ion SO 4 -2 và Cl - là quá trình xảy ra thường xuyên và đóng vai trò chủ yếu gây nên sự phá huỷ BTCT. Sự xâm thực của SO 4 -2 gây ra sự thay đổi cấu trúc vi mô và làm giản nở bê tông, sinh ra các vết nứt, chính các vết nứt này tăng cường sự thâm nhập của các tác nhân xâm thực khác và phá hủy cốt thép trong bê tông cốt thép. Trong trường hợp ion Cl - , ngoài sự có mặt của nó trong quá trình sử dụng vật liệu, thi công, thì quá trình thâm nhập thông qua lớp bê tông bảo vệ từ môi trường rất mnh. Sự tồn ti của ion Cl - gây nên sự phá hủy màng thụ động của cốt thép, khơi mào cho quá trình ăn mòn và phá hủy. Bên cnh đó, sự phá huỷ BT và BTCT còn do sự thâm nhập của CO 2 qua các khe nứt, hoặc qua các vùng bê tông có độ đặc chắc kém, sự có mặt của CO 2 kết hợp với Ca(OH) 2 có trong bê tông to ra một vùng có pH thấp và đưa đến sự phá hoi cốt thép trong bê tông. Nước biển là một trong những môi trường Hình 5. Công tác đo đạc, lấy mẫu bê tông tại các công trnh khảo sát TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 5 có độ xâm thực mnh do chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn và phá hủy như Cl-, SO 4 2- , O 2 Trên cơ sở các số liệu thu thập và đo đc, khí hậu Đà Nẵng tương đối giống các vùng khác ti Việt Nam với đặc trưng là nhiệt đới ẩm ướt, gió mùa, nhiều nắng và mưa. Tuy nhiên, khí hậu Đà Nẵng còn có những đặt trưng riêng là sự tác động theo chu kỳ khô- ẩm và nhiều gió, bão. Trong mùa đông, thường xen kẽ những đợt gió mùa Đông- Bắc kèm theo thời tiết hanh khô với các đợt mưa phùn độ ẩm cao. Về mùa hè, trời nắng nóng làm nước bốc hơi nhanh nhưng li có những đợt mưa rào làm thấm ướt đột ngột. Các tác động trên gây nên quá trình khô ẩm bề mặt kết cấu và khuếch đi tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực trên bề mặt. Các đợt gió bão cũng đưa vào vùng ven biển một lượng muối khá lớn. Do có độ ẩm không khí cao đặc biệt mùa mưa, kết hợp với những cơn mưa thường xuyên dẫn đến bề mặt của các công trình luôn luôn bị ẩm [1], đặc biệt vào tháng 2 đến tháng 4 trong năm. Sự ẩm ướt bề mặt của công trình làm tăng khả năng khuyếch tán các ion xâm thực qua lớp bê tông bảo vệ. Sự chênh lệch lớn của nhiệt độ giữa mùa đông và mùa hè, kèm theo sự thay đổi mnh của độ ẩm giữa mùa mưa (~40% ) và mùa khô (~85%) gây nên sự giãn nở của lớp BT bảo vệ, sinh ra các vết nứt trên bề mặt cũng tăng cường quá trình thâm nhập các tác nhân gây ăn mòn phá huỷ. Nhìn chung, khả năng bị ăn mòn phá hủy của các công trình BTCT ở Đà Nẵng là rất lớn. hoà tan, ngoài ra còn có các khoáng chất khác Kết quả phân tích và đo đc môi trường nước biển được thực hiện chủ yếu ở tầng nước mặt do sự ăn mòn phá huỷ các công trình xảy ra mnh nhất ti vùng này. Nhìn chung, độ mặn và thành phần nước biển ti các vị trí khảo sát tương đối khác nhau điều này xảy ra là do nguyên nhân các vị trí công trình khảo sát đều nằm ở cửa sông. Độ mặn tính theo nồng độ ion Cl - ti các vị trí khảo sát tương đối thấp hơn so với những vùng biển khác ở trong nước và trên thế giới. Nồng độ Cl - thấp nhất ti khu vực cầu Nguyễn Văn Trỗi dao động trong khoảng 71-77 mg/l đối với mùa mưa và 198,5 đến 327,6 mg/l mùa khô. Vị trí có nồng độ Cl - cao nhất là cảng Liên Chiểu thay đổi từ 9075,2 đến 14357,3 mg/l đối với mùa khô và 922,9 đến 923,5 mg/l đối với mùa mưa, trong khi đó nồng độ của vùng biển Hòn Gai dao động từ 6000 đến 18000mg/l, biển Bắc Mỹ 18000mg/l. Sự thay đổi lớn về nồng độ Cl- trong nước biển là do hằng năm ở Đà Nẵng có lượng mưa lớn, giá trị lượng mưa trung bình hằng năm khoảng 2041,5 (mm/năm). Theo kết quả khảo sát thì khu vực Đà Nẵng thì lượng Cl - sa lắng lớn khoảng 40-80mg/m 2 / ngày [2]. Hàm lượng SO 4 -2 Kết quả khảo sát về môi trường không khí của vùng biển Đà Nẵng cho thấy, mức độ xâm thực của yếu tố này cũng rất lớn. Với hàm lượng các ion Cl-, SO ti các vùng khảo sát thấp hơn so với các vùng biển trên thế giới (khoảng 2000mg/l), ngược li pH đo đc được ti các vị trí khảo sát tương đương với các vùng biển trên thế giới và trong nước, giá trị pH thay đổi từ 7,2 đến 8,0. Nhìn chung, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng của các yếu tố gây ăn mòn trong môi trường nước biển vùng ven bờ thành phố Đà Nẵng tương đối thấp hơn so với các môi trường vùng biển khác ở Việt Nam và trên thế giới. Nhưng do nằm trong điều kiện khí hậu thúc đẩy quá trình ăn mòn, phá hủy nên khả năng gây ăn mòn của các yếu tố này lớn hơn so với các khu vực khác ở Việt Nam và trên thế giới. -2 4 nằm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 6 trong các nhóm khí B,C,D kết hợp với độ ẩm tương đối lớn hơn 85% trong mùa mưa, môi trường không khí ven biển Đà Nẵng thuộc vào vùng xâm thực trung bình đến nặng (TCVN 3994-1995). Bên cnh đó, sự kết hợp với kh í hậu nóng nắng về mùa khô làm bốc hơi một lượng lớn muối vào trong môi trường không khí, tăng khả năng xâm thực của ion Cl - , SO -2 4 Nhìn chung, kết quả nghiên cứu và khảo sát cho thấy rằng với sự kết hợp của môi trường khí hậu, thành phần nước biển và môi trường không khí, vùng ven biển Đà Nẵng là một môi trường xâm thực và gây ăn mòn phá hủy rất mnh đối với các công trình BTCT. vào các lớp bê tông bảo vệ đối với các công trình BTCT. 4. Kết luận Mức độ xâm thực của môi trường (không khí, nước biển) là một yếu tố quyết định đến khả năng gây ăn mòn phá huỷ của các công trình. Kết quả nghiên cứu và khảo sát cho thấy, đặc điểm thành phần nước biển, môi trường không khí của các vùng ven biển Đà Nẵng (ti các vị trí khảo sát) có độ xâm thực từ trung bình đến nặng. Bên cnh đó, kết hợp với điều kiện khí hậu, các công trình luôn chịu ảnh hưởng lớn của các tác động thường xuyên như nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng Cl - Kết quả nghiên cứu khảo sát là cơ sở dữ liệu để minh chứng cho khả năng xâm thực mnh của môi trường ven biển Đà Nẵng, là cơ sở cho việc đánh giá đưa ra những biện pháp, công nghệ phù hợp nhằm bảo vệ chống ăn mòn xâm thực, nâng cao tuổi thọ cho các công trình vùng ven biển Đà Nẵng, đặc biệt là các c ông trình cầu cảng, góp phần vào sự phát triển bền vững kinh tế của thành phố. khuếch tán lớn, tác động theo chu kỳ khô - ẩm và nhiều gió bão, mùa đông, thường có những cơn mưa phùn, thời tiết hanh khô, ngược li mùa hè, trời nóng làm nước bốc hơi nhanh nhưng có những cơn mưa phùn đột ngột. Chính những tác nhân này gây nên những quá trình khô ẩm trên bề mặt kết cấu công trình, tăng cường quá trình xâm thực của các tác nhân gây ăn mòn phá huỷ đến công trình. Hiện nay, hầu hết các công trình vùng ven biển Đà Nẵng đều bị ăn mòn phá hủy ở mức độ trung bình đến nặng, các công trình đều bị xuống cấp do sự ăn mòn phá hủy sau 5-10 năm đưa vào sử dụng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu tập huấn kỹ thuật, ”Chống ăn mn và bảo vệ các công trnh BT và BTCT vùng bin”, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Bộ Xây dựng, Hà Nội 2002. [2] ThS. Trương Hoài Chính, TS. Huỳnh Quyền; TS. Trần Văn Quang; KS. Nguyễn Phan Phú, “Phân tích kết quả đo đc các tác nhân gây ăn mòn xâm thực”, Báo cáo chuyên đề, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố, Đà Nẵng 11/2007. [3] ThS. Trương Hoài Chính, TS. Huỳnh Quyề n; TS. Trần Văn Quang; KS. Nguyễn Phan Phú, “Tổng hợp, phân tích, đánh giá và dự báo hiện trng ăn mòn xâm thực các công trình xây dựng DD&CN vùng ven biển Đà Nẵng”. Báo cáo chuyên đề, Đề TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 7 tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố, Đà Nẵng 11/2007. [4] Thuy T.B. Hoang, Thuy T.B. Nguyen, Corrosion Control of Steel Bridge sumerged in brackish water- A case study, International Corrosion Engineering Coference, Seoul, Korea, May 20-24, 2007. [5] Marshall E.Parker and Edward G.Peattie, Pipe line Corrosion and Cathode Protection, Third Edition, A pratical manual for corrosion engineers technicians, and field personnel, Elsevier Science (USA), 1999 [6] Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học “Ăn mòn và bảo vệ các công trnh vùng ven bin”, Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng, Hà Nội 8-1999. . CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008 1 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG ĂN MÒN PHÁ HỦY CỦA CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ KHẢ NĂNG XÂM THỰC CỦA MÔI TRƯỜNG VÙNG VEN BIỂN. quả nghiên cứu khảo sát đã xây dựng hoàn thiện một thực trng bị ăn mòn phá hủy của các công trình vùng ven biển Đà Nẵng. Hầu như các công trình bị ăn mòn đều nằm trong khả năng bị ăn mòn trên. nước biển và môi trường không khí, vùng ven biển Đà Nẵng là một môi trường xâm thực và gây ăn mòn phá hủy rất mnh đối với các công trình BTCT. vào các lớp bê tông bảo vệ đối với các công trình