Hệ số khuếch tán Cl- và các dạng nồng độ của CL- trong bên tông - Phan Văn Tường

105 T¹p chÝ Hãa häc, T. 42 (1), Tr. 105 - 109, 2004 hÖ sè khuÕch t¸n Cl
vµ c¸c d¹ng nång ®é cña Cl
trong bª t«ng §Õn Tßa so¹n 9-6-2003 Phan V¨n T êng, TrÇn D ¬ng Khoa Hãa häc, Tr!êng §¹i häc Khoa häc tù nhiªn - §¹i häc Quèc gia H+ Néi AbstracT Chloride diffusivity is an important factor affecting the durability of a reinforced concrete structure in the marine environment. Chloride ions in beton exist mainly in the physically absorbed form in pore water. Using the mathematical model suggested by Tang Luping and Lars Olof Nilsson, we can rapidly determine chloride diffusivity of concrete specimen. From chloride diffusivity D obtained, we can predict the service life of concrete structures in the marine environment. I - §Æt vÊn ®Ò C¸c c«ng tr×nh bª t«ng cèt thÐp ë vïng biÓn thêng nhanh chãng bÞ h háng, cã tuæi thä thÊp. Nguyªn nh©n chÝnh l* do sù ph¸ háng cèt thÐp bëi ion Cl
tù do n»m trong dung dÞch níc lç hæng. M« h×nh to¸n häc do Tang Luping v* Olof Nilsson ®a ra b»ng c¸ch ¸p dông ®iÖn trêng cho phÐp x¸c ®Þnh nhanh hÖ sè khuÕch t¸n cña ion Cl
trong bª t«ng, tuy nhiªn nång ®é cña ion clo sö dông trong m« h×nh n*y l* nång ®é tæng (% khèi lîng trªn mÉu), h¬n n÷a trong c¸c tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ ngìng ¨n mßn thÐp g©y ra bëi ion clo còng biÓu diÔn díi d¹ng tæng sè (% khèi lîng mÉu). Trong b*i b¸o n*y chóng t«i xem xÐt viÖc sö dông hÖ sè khuÕch t¸n ion clo v* vÊn ®Ò sö dông nång ®é ion clo tæng sè cã ¶nh hëng ®Õn viÖc ®¸nh gi¸ sù ¨n mßn cèt thÐp v* dù ®o¸n tuæi thä cña c«ng tr×nh hay kh«ng. II - T ¬ng t¸c cña ion Cl
trong bª t«ng Clo th©m nhËp v*o trong bª t«ng theo hai con ®êng hoÆc l* tõ nh÷ng th*nh phÇn c¬ së trong qu¸ tr×nh h×nh th*nh bª t«ng, hoÆc l* tõ m«i trêng n¬i ®Æt c«ng tr×nh ë ®ã cã bôi níc biÓn hoÆc cã muèi tan. Clo tån t¹i trong bª t«ng díi hai d¹ng l* clo liªn kÕt v* clo tù do n»m trong níc lç trèng. Clo liªn kÕt trong bª t«ng tån t¹i díi hai d¹ng chÝnh: ®îc hÊp phô vËt lý trªn th*nh r¾n cña nh÷ng lç trèng trong bª t«ng hoÆc cè ®Þnh hãa häc bëi ph¶n øng víi mét v*i th*nh phÇn cña xi m¨ng. C¸c hîp chÊt ®îc t¹o th*nh thêng l* monocloroaluminat hydrat hoÆc l* muèi Friedel (C3A.CaCl2.10H2O) v* muèi tricloroaluminat (C3A.3CaCl2.30H2O). Trong ®iÒu kiÖn thêng, víi nång ®é ion clo trong bª t«ng, ngêi ta chØ t×m thÊy muèi Friedel. Ion clo tù do n»m trong níc lç trèng hoÆc hÊp phô vËt lý trªn bÒ mÆt cã thÓ di chuyÓn trong bª t«ng bëi c¸c mao qu¶n. Ion clo tù do còng cã thÓ ®¹t tíi ngìng ®Ó l*m mÊt tÝnh thô ®éng cña thÐp [1]. Trong bª t«ng Èm pH > 13 líp m*ng thô ®éng d¹ng FeO-OH ®îc t¹o trªn bÒ mÆt cèt thÐp nªn thÐp ®îc b¶o vÖ [4]. Nguy c¬ ¨n mßn cèt thÐp t¨ng dÇn víi sù t¨ng Cl
tù do trong níc lç trèng, Cl
kh«ng trùc tiÕp l*m gi¶m pH quanh cèt thÐp nhng nã l* chÊt xóc t¸c cho qu¸ 106 tr×nh ¨n mßn, nã ph¸ hñy líp m*ng b¶o vÖ trªn bÒ mÆt cèt thÐp v* g©y ¨n mßn cèt thÐp tiÕp. Tuy nhiªn trong c¸c nghiªn cøu ®Ó ®¸nh gi¸ ngìng ¨n mßn g©y ra bëi ion clo ngêi ta thêng biÓu diÔn díi d¹ng clo tæng sè [2, 8, 9, 10]. Tiªu chuÈn Anh qui ®Þnh giíi h¹n nång ®é Cl
®èi víi xi m¨ng xi m¨ng Portland b×nh thêng l* 0,4%. C¬ quan nghiªn cøu vÒ nh* ë cña Mü ®n ph©n lo¹i ¶nh hëng nång ®é Cl
®èi víi sù ¨n mßn cèt thÐp nh sau: ¨n mßn thÊp: 0 - 0,4% (so víi xi m¨ng); trung b×nh: 0,4 - 1% v* cao: trªn 1%. C¬ quan qu¶n lý ®êng Liªn bang Mü ®n ®a ra giíi h¹n nång ®é Cl
l* 1,2 kg/m3 bª t«ng hoÆc 0,2% khèi lîng ®èi víi xi m¨ng [5]. III - Thùc nghiÖm v( th¶o luËn Tang Luping v* Olof Nilsson ®a ra m« h×nh to¸n häc cho sù khuÕch t¸n Cl
trong bª t«ng cã ¸p dông ®iÖn trêng nh sau [3]:        
= dx dC RT zFE dx CdDdt dC 2 2 (1) (0 0) víi ®iÒu kiÖn: C(0,t) = C0 v* C(x,0) = 0. ë ®©y, E: cêng ®é ®iÖn trêng, R: h»ng sè khÝ, T: nhiÖt ®é Kelvin, C0: nång ®é ion t¹i bÒ mÆt, C = C(x,t): nång ®é cña ion t¹i vÞ trÝ x, z: hãa trÞ cña ion, F: h»ng sè Faraday. Tõ viÖc gi¶i b*i to¸n trªn chóng t«i thu ®îc nghiÖm [6]: 0 1( , ) 1 1+ 2 2 2 axx aDt x aDtC x t C erf e erfc Dt Dt 
+    =

             (2) erf: h*m sai sè; erfc: h*m bï sai sè. Sö dông bé thÝ nghiÖm v* chuÈn bÞ mÉu nh ë h×nh 1. MÉu ®îc chuÈn bÞ nh sau: Sö dông xi m¨ng PC40 cña nh* m¸y xi m¨ng Luksvaxi ë tØnh Thõa Thiªn - HuÕ, c¸t ®n röa s¹ch b»ng níc cÊt nh»m lo¹i hÕt ion clo. C¸c mÉu ®îc ®óc trong khu«n h×nh trô cã ®êng kÝnh 70 mm, cao 50 mm v* ®Æt trªn b*n rung trong kho¶ng 10 phót, g¹t b»ng. Sau 24 giê, mÉu ®îc b¶o dìng trong níc v«i bno hßa trong vßng 3 th¸ng. §Ó tiÕn h*nh thùc nghiÖm ®o sù khuÕch t¸n ion Cl
chóng t«i bäc mÉu thö trong c¸c khu«n nhùa cao kho¶ng 150 mm cã tr¸t keo ®Ó cã thÓ chøa ®îc 100 ml dung dÞch NaCl 3% trong Ca(OH)2 bno hßa ë phÝa trªn. Dông cô ®îc l¾p ®Æt nh h×nh 1. §iÖn ¸p ®îc thiÕt lËp l* 30 V (DC) [3], tiÕn h*nh ¸p ®iÖn trêng trong thêi gian 8 giê. Sö dông phÇn mÒm tÝnh to¸n dùa trªn ph¬ng tr×nh (2), chóng t«i thu ®îc kÕt qu¶ tr×nh b*y díi ®©y. a. Gi¶i ng¨n c¸ch b. Níc v«i trong bno hßa c. An«t b»ng thÐp kh«ng rØ d. MÉu e. Líp nhùa f. Cat«t b»ng thÐp kh«ng rØ g. Níc muèi 3% trong níc v«i trong bno hßa h. ChËu thñy tinh H×nh 1: ThiÕt bÞ x¸c ®Þnh nhanh Cl
b»ng ph¬ng ph¸p sö dông ®iÖn trêng 107 B¶ng 1: HÖ sè khuÕch t¸n cña mÉu theo thêi gian ¸p ®iÖn trêng C0 (% khèi lîng mÉu) ChiÒu s©u x©m nhËp (m) D (m2/s) MÉu A: xi m¨ng : c¸t : níc = 1 : 2 : 0,5 0,318 0,01 13,4×10
12 MÉu B: xi m¨ng : c¸t : níc = 1 : 3 : 0,5 0,378 0,01 13,6×10
12 H×nh 2: §å thÞ sù khuÕch t¸n Cl
®èi víi mÉu A H×nh 3: §å thÞ sù khuÕch t¸n Cl
®èi víi mÉu B Trong ph¬ng tr×nh (2) C(x,t) v* C0 l* nång ®é ion clo tæng sè (% khèi lîng mÉu). Tuy nhiªn nh trªn ta ®n ®Ò cËp chØ cã nång ®é ion clo tù do míi ®ãng gãp v*o sù ¨n mßn cèt thÐp. Sau ®©y ta xem xÐt mèi quan hÖ gi÷a nång ®é ion clo tù do v* ion clo tæng sè. NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu ®n cho thÊy r»ng mèi quan hÖ gi÷a nång ®é cña ion clo tù do v* ion clo tæng sè cã mèi quan hÖ tuyÕn tÝnh [8, 9, 10]. Nh vËy nÕu trong ph¬ng tr×nh (2) ta thay nång ®é ion clo tæng b»ng nång ®é ion clo tù do, hÖ sè D thu ®îc còng kh«ng bÞ ¶nh hëng. H¬n n÷a, ®Ó x¸c ®Þnh mèi t¬ng quan trªn chóng t«i ®n tiÕn h*nh thÝ nghiÖm nh sau: Còng tiÕn h*nh cho thÊm clo b»ng dông cô ë h×nh 1 nh trªn nhng thêi gian ¸p ®iÖn trêng 4 giê. Sau ®ã chóng t«i ®n tiÕn h*nh ph©n tÝch h*m lîng ion clo tæng sè (ph¬ng ph¸p ASTM C1152-90) v* h*m lîng ion clo cña níc chiÕt (ion clo tù do trong lç trèng v* ion clo hÊp thô vËt lý) (ph¬ng ph¸p ASTM C1218-92). KÕt qu¶ tr×nh b*y trong b¶ng 2. H *m l în g C l- (% kh .l î ng ) H *m l în g C l- (% kh .l î ng ) 108 H×nh 4: Mèi quan hÖ gi÷a nång ®é ion clo tæng v* ion clo tù do [9]. B¶ng 2: H*m lîng clo (% khèi lîng mÉu) (tû lÖ níc : xi m¨ng : c¸t = 1 : 2,8 : 0,5) §é s©u (cm) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 H*m lîng Cl
tæng sè 0,086 0,076 0,041 0,035 0,033 H*m lîng Cl
níc chiÕt 0,086 0,074 0,037 0,012 0,012 B¶ng 3: H*m lîng Cl
trong níc Ðp (tû lÖ níc : xi m¨ng = 0,60; 1% Cl
(NaCl); tuæi cña mÉu ~ 3 th¸ng) H*m lîng Cl
STT Th«ng tin vÒ mÉu Gi¸ trÞ ®o (ppm) §é lÖch chuÈn v* hÖ sè biÕn thiªn 1 2 3 4 5 C¸c mÉu 1 – 5 chuÈn bÞ tõ v÷a cïng trén 9850 9400 9000 9600 9100 6 7 8 9 10 11 C¸c mÉu 6 – 11 trén riªng 9600 9300 9600 9150 9600 9200 §é lÖch chuÈn 269 ppm HÖ sè biÕn thiªn 2,9% 109 KÕt qu¶ cho thÊy r»ng lîng ion clo tham gia liªn kÕt hãa häc trong bª t«ng l* kh«ng ®¸ng kÓ, m* chñ yÕu tån t¹i díi d¹ng ion clo tù do trong níc lç trèng v* d¹ng hÊp phô vËt lý. Nã còng phï hîp víi c¸c sè liÖu vÒ h*m lîng ion clo trong níc lç trèng thu ®îc bëi J. Tritthart b»ng ph¬ng ph¸p Ðp [2] ®èi víi mÉu tû lÖ níc : xi m¨ng = 0,60 v* h*m lîng clo 1% khèi lîng mÉu (díi d¹ng NaCl) nh ë b¶ng 3. Qua trªn ta thÊy chñ yÕu Cl
n»m trong níc lç trèng v* hÊp phô vËt lý. V× vËy viÖc sö dông nång ®é ion clo tæng sè kh«ng ¶nh hëng ®Õn viÖc ®¸nh gi¸ sù ¨n mßn cèt thÐp. Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh h*m lîng cña riªng ion clo tù do trong níc lç trèng l* mét vÊn ®Ò rÊt khã kh¨n, hiÖn nay ngêi ta thêng sö dông ph¬ng ph¸p Ðp [2], bëi v× nÕu dïng ph¬ng ph¸p chiÕt th× ion clo hÊp phô vËt lý sÏ ®i v*o dung dÞch sÏ g©y nªn sai lÖch, tõ ®ã cha cã ý kiÕn n*o vÒ h*m lîng ion clo liªn kÕt hãa häc l* kh«ng ®¸ng kÓ so víi lîng ion clo cã thÓ g©y nªn sù ¨n mßn thÐp. Qua tr×nh b*y ë trªn ta thÊy clo tån t¹i trong bª t«ng chñ yÕu díi d¹ng kh«ng liªn kÕt hãa häc, v× vËy viÖc x¸c ®Þnh h*m lîng clo tæng sè hay clo trong níc chiÕt kh«ng cho sù sai kh¸c mÊy. IV - KÕt luËn ViÖc sö dông m« h×nh to¸n häc cã sö dông ®iÖn trêng ®Ó x¸c ®Þnh nhanh hÖ sè khuÕch t¸n ion clo trong bª t«ng l* mét vÊn ®Ò ho*n to*n míi mÎ, tõ m« h×nh to¸n häc ®îc ®a ra bëi Tang Luping v* Olof Nilsson chóng t«i x¸c ®Þnh ®îc hÖ sè khuÕch t¸n cña ion clo trong bª t«ng [6]. Chóng t«i thÊy r»ng ®Ó ®¸nh gi¸ ion clo ph¸ hñy cèt thÐp chØ cÇn x¸c ®Þnh tæng sè ion clo, viÖc n*y thùc hiÖn dÔ h¬n nhiÒu so víi ph¬ng ph¸p dïng níc chiÕt. ViÖc ¸p dông ®iÖn trêng cho phÐp x¸c ®Þnh nhanh hÖ sè khuÕch t¸n cña clo trong bª t«ng, v* tõ hÖ sè khuÕch t¸n ta cã thÓ tiªn ®o¸n thêi gian nång ®é ion clo ®¹t tíi ngìng ¨n mßn ë t¹i mét kho¶ng c¸ch x (kho¶ng c¸ch tõ bÒ mÆt bª t«ng ®Õn cèt thÐp) ®n biÕt. T(i liÖu tham kh¶o 1. P. Baron, J. P. Oliver. La durabilitÐ des bÐtons. Press de l’Ecole Nationale des Ponts et ChassÐes, Paris (1992). 2. J. Tritthart. Cement and Concrete Research, Vol. 19, P. 586 - 594 (1989). 3. Tang Luping and Lars Olof Nilsson. ACI Materials Journal, January–February, (1992). 4. P. Kumar Mehta. Concrete in the marine environment. Elsevier Applied Science, London and New York (1991). 5. Phan L¬ng CÇm, NguyÔn Ngäc Phong. ¡n mßn v* b¶o vÖ cèt thÐp trong bª t«ng. Héi th¶o vÒ C«ng nghÖ xi m¨ng v* bª t«ng, H* Néi (1996). 6. P. V. Tuong, T. Duong, and D. U. Van. Comments on the mathematical model of Tang Luping and Lars Olof Nilsson for rapid determination of the chloride diffusivity in concrete by applying an electrical field. International Conference On Concrete In Marine Environments, Hanoi (2002). 7. TrÇn D¬ng, Phan V¨n Têng, TrÇn Thóy Nga. T¹p chÝ Hãa häc, TËp 41, sè 3 (2003). 8. B. Martin-PÐrez, H. Zibara, R. D. Hooton, M. D. A. Thomas. Cement and Concrete Research, Vol. 30, P. 1215 - 1223 (2000). 9. Xinying Lu, Cuiling Li, Haixia Zhang. Cement and Concrete Research, Vol. 32, P. 323 - 326 (2002). 10. David Trejo. Evaluation of the critical chloride threshold and corrosion rate for different steel reinforcement types. Downloa- ded from “ val%20of%20the%20Critical%20Chloride% 20 Threshold%2007-24-02.pdf”.