Do sự ăn mòn cốt thép có thể dẫn đến nứt bê tông, làm gỉ cốt thép, phá hoại, khiến cho công tác sửa chữa rất tốn kém, nên công tác chống ăn mòn cốt thép luôn được các kỹ sư ưu tiên lựa chọn khi xây dựng các công trình kết cấu bê tông cốt thép tiếp xúc với nồng độ Clorua cao. Không có một loại cốt thép nào là tốt nhất và được áp dụng cho tất cả mọi loại công trình.
Sơn phủ epoxy, mạ kẽm, sợi thủy tinh gia cường, cốt thép không gỉ, và mạ thép không gỉ là các giải pháp được thiết kế để chống ăn mòn, đặc biệt là chống ăn mòn ion clorua. Bài viết sẽ xem xét một cách tổng thể các tiêu chí như: chi phí ban đầu, ưu nhược điểm, mức độ chống ăn mòn, và khả năng làm việc dài hạn của từng loại cốt thép này. Qua đó lập bảng so sánh để làm căn cứ lựa chọn loại cốt thép phù hợp với công trình.
1. Cốt thép sơn phủ Epoxy:
Epoxy phủ cốt thép (hay còn gọi tắt là ECR) được thiết kế để hoạt động như một rào cản vật lý, cô lập cốt thép khỏi ba yếu tố cơ bản nhất gây ra sự ăn mòn đó là: oxy, độ ẩm, và các ion clorua. Lớp sơn phủ đồng thời cũng làm việc như là một chất cách điện cho thép và giảm thiểu dòng ăn mòn. Mặc dù theo nguyên lý thì thanh hoàn toàn phủ epoxy sẽ không gỉ, tuy nhiên hiệu quả của nó phụ thuộc vào chất lượng và tính toàn vẹn của lớp phủ. Khi lớp phủ có lỗi (được gọi là lỗ khuyết), sự phá hoại sẽ xuất hiện, và khả năng chống ăn mòn sẽ bị giảm đi. Hầu hết các hư hỏng chẳng hạn như: sứt, chỗ bị bong, chóc thường xảy ra trong quá trình vận chuyển cốt thép, gia công, lắp đặt và khi bơm bê tông tươi vào cốt thép. Đối với cốt thép đen (cốt thép thông thường) chưa sơn phủ, hiệu quả hoạt động của lớp phủ epoxy cũng phụ thuộc vào độ mở rộng vết nứt của bê tông, chiều dày của lớp bảo vệ bê tông và nồng độ clorua. Những khuyết tật khi sơn phủ tại những chỗ nối cốt thép và những phá hoại xảy ra khi phơi cốt thép trong điều kiện khắc nghiệt có thể dẫn đến ăn mòn cốt thép sớm hơn dự kiến và làm giảm hiệu quả của giải pháp sơn phủ cốt thép bằng Epoxy.
Kể từ giữa những năm 1970 , ECR đã được sử dụng rộng rãi bởi vì người ta cho rằng giải pháp sơn phủ epoxy sẽ ngăn chặn sự ăn mòn. Tuy nhiên , một số báo cáo bắt đầu nổi lên trong đầu thập niên 90 nói về thất bại của ECR, đáng chú ý nhất là công trình cầu bê tông ở Florida Keys . Để xác minh những thông tin từ các báo cáo này, Cục Quản lý đường cao tốc liên bang của Mỹ đã đưa ra đề nghị rằng bang sẽ đánh giá hiệu quả ECR trên các mặt cầu hiện có.
Sau đây là một số kết quả chính của các đánh giá [1]:
– Nhìn chung điều kiện của các lớp ECR khá tốt, chỉ bị hỏng tại các vị trí khe nhiệt. Các vết nứt và tách lớp trên mặt cầu không phải do sự ăn mòn của ECR.
– Trong số 202 mẫu ECR lấy từ mặt cầu, 81% không có bất kỳ sự ăn mòn nào . Khu vực bị ăn mòn là thường tại các vị trí với các lỗ khuyết và thép trần có thể nhìn thấy. Mẫu ECR bị ăn mòn nhiều là ở những khu vực có bề dày lớp bảo vệ bê tông thấp và nồng độ clorua cao.
– Nồng độ clorua trung bình gần cốt thép là bằng hoặc cao hơn mức ngưỡng cần thiết để bắt đầu ăn mòn cốt thép . Trong khu vực có bề dày lớp bê tông bảo vệ không phù hợp, nồng độ clorua thường cao hơn và bê tông thường bị nứt. Báo cáo đánh giá này cũng khẳng định lớp phủ epoxy không bị hư hỏng cung cấp một lớp bảo vệ chống ăn mòn hiệu quả đến 20 năm nếu việc sử dụng ECR một cách cẩn thận và đúng cách [2].
Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm
Ngoài các lĩnh vực đánh giá, nghiên cứu quá trình ăn mòn trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng cốt thép được sơn phủ hoàn toàn bằng Epoxy đặc biệt hiệu quả tại những vị trí nứt bê tông và những vị trí Epoxy được sơn tĩnh điện lên thép đen. Trong các thử nghiệm của mẫu bê tông đã bị nứt sử dụng cực âm đen (với ECR sơn tĩnh điện lên thép đen), tỷ lệ ăn mòn đối với cốt thép 0,5% lỗi sơn phủ thấp hơn so với thép đen là 2,1-36 lần. Còn với ECR 0,004% lỗi sơn phủ, giá trị này là thấp hơn 6,7-289 lần. Trong bê tông chưa bị nứt với cực âm epoxy, tỷ lệ ăn mòn của ECR 0.5% lỗi sơn phủ thấp hơn so với ăn mòn trong thép đen thông thường từ 150 đến 1.175 lần. Còn với ECR 0,004% lỗi sơn phủ, tỷ lệ này là 69 thấp hơn 1.762 lần (Bảng 1). Nghiên cứu cho khoảng kết quả rất lớn phụ thuộc vào chủng loại thép, chủng loại sơn epoxy được sử dụng. Điều quan trọng cần lưu ý là ngưỡng clorua để bắt đầu ăn mòn trong ECR 0.5% lỗi sơn phủ cũng giống như mức ngưỡng khởi sự ăn mòn thép đen [3]. Còn đối với ECR 0,004% lỗi sơn phủ hoặc ít hơn, ngưỡng ăn mòn này là cao hơn vì các lớp phủ epoxy ngăn chặn ion clorua tiếp xúc với cốt thép. Điều này có nghĩa rằng những hư hỏng lớp Epoxy bảo vệ trong xây dựng có thể giảm ngưỡng clorua ăn mòn cốt thép. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thanh cốt thép bị uốn cong dễ bị ăn mòn hơn thanh cốt thép thẳng vì công tác uốn cốt thép gây phá hoại lớp phủ epoxy tại những vị trí uốn.
2. Cốt thép mạ kẽm
Cốt thép tráng kẽm, hay mạ kẽm được sử dụng từ những năm 1930, nhưng các báo cáo về khả năng làm việc của nó rất mâu thuẫn, đặc biệt trong trường hợp cốt thép này sử dụng trong môi trường có nồng độ clorua cao. Một nghiên cứu cho biết mức ngưỡng ăn mòn của thép mạ kẽm cao hơn ngưỡng ăn mòn cốt thép thông thường là 4-10 lần. Một nghiên cứu khác cho rằng cốt thép mạ kẽm chỉ giúp tăng nhẹ tuổi thọ của công trình trong môi trường clorua cao [4].
Lớp mạ kẽm bảo vệ cốt thép bằng cách tạo ra một rào cản. Nếu lớp phủ bị hư hỏng, nó sẽ tự phục hồi một số vị trí bằng cách tạo ra một lớp thay thế ăn mòn không co giãn bảo vệ cốt thép bên dưới. Thí nhiệm tăng gia tốc ăn mòn cho thấy cốt thép mạ kẽm chống ăn mòn tốt hơn 38 lần so với cốt thép đen thông thường trong bê tông chưa bị nứt sử dụng cực âm mạ kẽm. Với bê tông đã nứt và một cực âm màu đen, tốc độ ăn mòn tăng 41% [3]. Điều này cho thấy rõ chất lượng của bê tông rất quan trọng trong việc phòng chống ăn mòn cốt thép. Khi sử dụng cốt thép mạ kẽm, phải đảm bảo toàn bộ cốt thép và phần cứng được tráng kẽm. Những đầu cắt nối và mối hàn phải được phủ một lớp sơn lót giàu kẽm.
3. Cốt thép gia cường bằng sợi thủy tinh tổng hợp (GFRP):
Được bọc bởi sợi thủy tinh tổng hợp, cốt thép GFRP không bị ảnh hưởng bởi clorua và ăn mòn hóa học. Ngoài ra, cốt thép không dẫn điện và có tỷ số sức bền trên trọng lượng cao. Nó có độ bền kéo nhiều gấp đôi so với cốt thép thông thường nhưng chỉ có một phần tư trọng lượng. Vì cốt thép GFRP không dẫn điện, nó không ảnh hưởng đến từ trường và sóng vô tuyến, vậy nên cốt thép này là sự lựa chọn lý tưởng cho bê tông trong vùng lân cận các thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI), đài phát thanh và thiết bị hiệu chỉnh la bàn, hoặc máy biến áp, dây cáp, và trạm biến áp.
GFRP có những đặc điểm rất khác so với cốt thép thông thường, ảnh hưởng tới thiết kế và thi công. Ví dụ, mô đun đàn hồi của cốt thép GFRP chỉ bằng 1/5 so với cốt thép thường, điều này có thể làm giảm khả năng vượt nhịp lớn của các cấu kiện. Tất cả các công tác gia công uốn cốt thép GFRP phải được thực hiện tại nhà máy, không cho phép gia công cốt thép này tại công trường.
Cho phép thực hiện công tác cắt cốt thép, tuy nhiên với những vật liệu có độ pH cao, như bê tông, sẽ làm giảm chất lượng của các sợi thủy tinh lộ ra tại những vị trí này, do đó các nhà sản xuất khuyến cáo nên bịt kín các đầu cắt. Một số nhà sản xuất cho rằng, việc bịt kín các đầu cắt này là không cần thiết vì sự giảm chất lượng tại những vị trí này là nhỏ. Cốt thép GFRP không thể hàn nối ghép bằng máy.
4. Cốt thép làm hoàn toàn bằng thép không gỉ:
Làm bằng hợp kim thép bằng cách bổ sung crôm, niken, và molypden, thép không gỉ không chịu tác động hóa học và có khả năng chống ăn mòn rất cao vì lớp oxit giàu crôm mỏng hình thành trên bề mặt thép . Tỷ lệ thành phần crôm, niken, và molypden khác nhau tạo ra thép không gỉ với các cấp độ khác nhau. Cấp 304 và 316 là rất phổ biến, trong đó cấp 316 là loại cố thép không gỉ phổ biến nhất. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã chỉ ra trong các báo cáo của mình rằng cốt thép cấp 316 chỉ có khả năng chống ăn mòn clorua cao hơn không nhiều so với cấp 304, họ vẫn đề nghị lựa chọn cấp 316 dựa trên cơ sở tính chất vật lý và đặc tính thiết kế bởi khả năng chống ăn mòn của các cấp thép không gỉ là tương đối giống nhau [5]. Thí nghiệm tăng tốc độ ăn mòn chỉ ra rằng cốt thép không gỉ chống ăn mòn cao gấp 800 đến 1.500 lần so với cốt thép thông thường và ngưỡng ăn mòn clorua cao hơn 15 đến 24 lần [3]. Ngay cả trong môi trường có nồng độ clorua cao, cốt thép bằng thép không gỉ có tuổi thọ kéo dài đến 100 năm [3]. Cốt thép làm từ thép không gỉ có thể uốn, cắt, hàn tại hiện trường và có khả năng chống trầy xước, bong tróc rất tốt. Những vị trí nối, đầu cắt, mối hàn không cần phải sơn phủ hay mạ.
5. Cốt thép mạ bằng thép không gỉ:
Cốt thép mạ bằng thép không gỉ đã được giới thiệu gần đây tại Hoa Kỳ. Theo giới thiệu của nhà sản xuất, một lớp vỏ ngoài mỏng bằng thép không gỉ được phủ lên lõi cốt thép thông thường, tạo ra một loại cốt có khả năng chống ăn mòn tương tự như cốt thép hoàn toàn làm bằng thép không gỉ. Lớp mạ này rất cứng và gần như không thể xảy ra trầy xước, bong tróc. Cốt thép mạ có thể uốn cong, cắt, và hàn, tuy nhiên một số chỉ dẫn kỹ thuật vẫn yêu mạ kín tại vị trí các đầu cắt.
6. So sánh chi phí
Chi phí sản xuất của Cốt thép phủ epoxy, mạ kẽm , GFRP , cốt thép bằng thép không gỉ và cốt thép mạ thép không gỉ khác nhau không nhiều cũng giống như tính chất vật lý và khả năng chống ăn mòn của chúng. Bảng 1 cho thấy tỷ lệ chi phí của cốt thép đen thông thường với bốn loại thép chống ăn mòn khác. (Bởi vì GFRP nhẹ hơn thép, nên chi phí của nó cho mỗi cân thép không thể trực tiếp so sánh với các loại cốt thép khác). Những con số này chỉ so sánh chi phí nguyên vật liệu, vì vậy để xác định chi phí tại chỗ, chúng ta cũng phải xem xét đến chi phí chế tạo. Khi so sánh các loại cốt thép với nhau để lựa chọn cho công trình, ta nên nhìn xa hơn chi phí ban đầu và xem xét những lợi ích lâu dài tiềm năng và vòng đời của sản phẩm. Các cuộc điều tra đã chỉ ra rằng việc sử dụng cốt thép chống ăn mòn có thể làm tăng chi phí ban đầu của một dự án chỉ một vài phần trăm, nhưng lại rất kinh tế nếu xét đến hiệu quả sử dụng trong thời gian dài của nó.
KS. Ngô Trọng Đức.
Bảng 1: So sánh các loại cốt thép chống ăn mòn
| Loại thép | Số lần chống ăn mòn tốt hơn thép thường | Khả năng chống bị sứt, lỗi | Uốn | Cắt | Hàn | Ngưỡng ăn mòn | Chi phí $/lkg (1) |
| Phủ Epoxy
– Mức lỗi sơn phủ 0,5% – Mức lỗi sơn phủ 0,004% |
150 tới 1.175
69 tới 1.762 |
Dễ bị sứt, lỗi, cần xử lý tại hiện trường | Có thể, nhưng không tốt cho vỏ Epoxy | Có thể, nhưng yêu cầu sơn phủ tại đầu cắt | Có thể, nhưng yêu cầu sơn phủ tại mối hàn | – Như thép đen
– Rất cao |
0,32 |
| Mạ kẽm | 38 | Rất bền, khó bị sứt hay lỗi | Có thể, nhưng làm yếu lớp vỏ mạ | Có thể, yêu cầu mạ phủ tại đầu cắt | Có thể, yêu cầu sơn phủ tại mối hàn | Cao hơn 4-10 lần so với thép thường | 0,5 |
| GFRP | Không bị ăn mòn | Khá bền, khó bị phá hủy | Không cho phép uốn tại hiện trường | Có thể, yêu cầu phải bịt kín tại đầu cắt | Không hàn được | Không bị Clorid tấn công | 3 đến 4
(2) |
| Thép đặc không gỉ | 800 đến 1.500 | Không bị ảnh hưởng | Có thể | Có thể | Có thể, áp dụng phương thức hàn đặc biệt | Cao hơn 15-24 lần so với thép thường | 1,6 |
| Thép mạ thép không gỉ | Như thép đặc không gỉ | Rất bền, gần như không thể bị ăn mòn | Có thể | Có thể, chú ý mạ phủ tại đầu cắt | Có thể, áp dụng phương thức hàn đặc biệt | Như thép đặc không gỉ (3) | 0,6 |
Chú thích:
- Chi phí nêu trên được lấy trong tài liệu tham khảo 5 và thông tin từ các chuyên gia ngành công nghiệp. Đó chỉ là chi phí nguyên liệu và có thể thay đổi tại mỗi quốc gia khác nhau.
- Tỷ trọng GFRP ít hơn đáng kể và giá trị không thể trực tiếp so sánh với các loại cốt thép khác
- Giá trị giả định giống như với thép đặc không gỉ.