TÓM TẮT: Thép chịu thời tiết là loại thép chống ăn mòn đã được áp dụng cho nhiều công trình cầu trên thế giới. Tuy nhiên, điều kiện áp dụng của thép chịu thời tiết giới hạn trong khu vực đất liền, với hàm lượng muối sinh ra trong không khi ít hơn 0.05mg/100cm /ngày. Để cải thiện sự hạn chế áp dụng của thép chịu thời tiết, gần đây một số loại thép có đặc tính chống ăn mòn cao đã được nghiên cứu và ứng dụng cho kết cấu công trình ngay cả trong điều kiện khí quyển mặn. Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm kiểm tra tính năng chống ăn mòn của hai loại thép mới là thép chịu thời tiết cao NAW-TEN TM và thép chống ăn mòn cao CORSPACETM. Việc áp dụng vật liệu thép chịu thời tiết cao hay thép chống ăn mòn cao cho công trình giao thông là một giải pháp hiệu quả giảm thiểu chi phí vòng đời của công trình.
TỪ KHÓA: Thép chịu thời tiết, thép chống ăn mòn, thực nghiệm, chi phí vòng đời công trình.
ABSTRACT: Weathering steel is a corrosion resistant steel that has been applied to many bridges in the world. However, conditions apply of weathering steel is in the inland area, with airborne salts less than 0.05mg/100cm2/day. In order to improve the application of weathering steel, some types of steel with high corrosion resistance have recently been investigated and applied to structural works even in salty atmospheres. This article presents experimental results to check corrosion resistance performance of two types of steel, which are high weathering steel NAW-TENTM and high corrosion resistant steel CORSPACETM. The application of high weathering steel or high corrosion resistant steel for transportation is an effective solution to reduce the life cycle cost of the works.
KEYWORDS: Weathering steel, corrosion resistant steel, exposure test, life cycle cost.
- ĐẶT VẤN ĐỀ
Kết cấu thép sử dụng trong công trình giao thông thường bị hư hỏng do bị ăn mòn (gỉ). Chi phí duy tu bảo dưỡng kết cấu thép để duy trì tuổi thọ của kết cấu thép sẽ tăng từ năm này qua năm khác, làm gánh nặng cho ngân sách quốc gia và địa phương. Để giảm thiểu chi phí duy tu bảo dưỡng, việc áp dụng vật liệu thép chống ăn mòn cao hay thép chịu thời tiết cao cho công trình giao thông là một giải pháp hiệu quả, giảm thiểu chi phí vòng đời của công trình.
Thép chịu thời tiết được biết đến là một trong những loại thép chống ăn mòn không cần sơn phủ, gồm một lượng rất nhỏ các nguyên tố hợp kim như Cu, Ni, Cr, P… Đặc điểm của thép chịu thời tiết là trong quá trình sử dụng, trên bề mặt thép hình thành một lớp gỉ dày có khả năng bảo vệ bản thân nó và có khả năng chống ăn mòn ưu việt [1]. Thép chịu thời tiết COR-TENTM do Công ty Thép U.S Steel nghiên cứu ra từ hơn 50 trước đây, đây là một trong những loại thép chịu thời tiết tiêu biểu. Ở Việt Nam, cây cầu đầu tiên được xây dựng bằng thép chịu thời tiết vào năm 1999 là cầu đường sắt Chợ Thượng ở tỉnh Hà Tĩnh, đến nay đã được gần 20 năm (Hình 1.1). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đặt mẫu lộ thiên của nhóm nghiên cứu Trường Đại học GTVT về mẫu lộ thiên thép chịu thời tiết COR-TENTM tại Việt Nam trong 6 năm và nghiên cứu trên cầu Chợ Thượng đã được khai thác gần 20 năm cho thấy, mất mát do ăn mòn của thép COR-TENTM ở Việt Nam tương tự như mất mát do ăn mòn của nó tại khu vực đất liền của Nhật Bản [2].
Hình 1.1: Cầu Chợ Thượng (Hà Tĩnh) xây dựng bằng thép chịu thời tiết vào năm 1999
Tuy nhiên, thép chịu thời tiết không thể hiện được đặc tính chống ăn mòn trong khu vực ven biển, nơi chứa hàm lượng muối lớn trong không khí, do lớp gỉ bảo vệ không hình thành được trên bề mặt [3]. Nghiên cứu cho thấy, điều kiện áp dụng của thép chịu thời tiết giới hạn trong khu vực đất liền, với hàm lượng muối sinh ra trong không khí ít hơn 0.05mg/100cm3/ngày (NaCl:0.05 mdd).
Để cải thiện sự hạn chế áp dụng của thép chịu thời tiết, gần đây một số loại thép có đặc tính chống ăn mòn cao mới đã được nghiên cứu và áp dụng cho kết cấu công trình, thậm chí ngay cả trong điều kiện khí quyển mặn (4,5), nó được kỳ vọng sẽ giảm thiểu chi phí duy tu, bảo dưỡng.
Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm của hai loại thép chống ăn mòn cao bằng cách thay đổi thành phần hóa học trong thép, đó là thép chịu thời tiết cao NAW-TENTM và thép chống ăn mòn cao CORSPACETM.Thép NAW-TENTM là một loại thép chịu thời tiết được cải tiến chứa 3% Niken (Ni), không cần sơn phủ, có khả năng chống ăn mòn ngay cả trong điều kiện khí hậu ở khu vực ven biển, nơi mà các loại thép chịu thời tiết trước đây không thể sử dụng được [4].Thép CORSPACETM là một loại có tính năng chống ăn mòn cao chứa rất ít lượng Thiếc (Sn), có sơn phủ nhưng có khả năng kéo dài chu trình sơn lại, được phát triển dựa trên nghiên cứu về cơ chế ăn mòn khí quyển ảnh hưởng bởi sắt clorua từ muối biển hoặc khử muối (5,6), có khả năng giảm thiểu sự ăn mòn và sự phân lớp sơn tại nơi lớp sơn bị hỏng [5,6].
- THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT CAO NAW-TENTM (CHỨA THÊM 3% NIKEN)
Đối với thép carbon thông thường, trong quá trình sử dụng, trên bề mặt thép hình thành một lớp gỉ kép do bị ăn mòn dưới điều kiện khí quyển mặn. Do lớp gỉ của thép carbon thông thường có tính chọn lọc lon âm nên Ion Clo (CH-) tập trung tại giao diện giữa lớp gỉ và bề mặt thép, trong khi đó lon Natri (Na+) phóng ra từ giao diện và di chuyển đến bề mặt của lớp gỉ. Kết quả là môi trường giao diện chuyển sang môi trường axit (Hình 2.1).
Thí nghiệm với thép chứa thêm 3% Niken trong điều kiện tương tự cho thấy, trên bề mặt của nó cũng hình thành lớp gỉ kép, nhưng điều kiện phân bố Ion trong mỗi lớp gỉ thép hoàn toàn khác so với thép carbon, lớp gỉ của thép Niken thay đổi tính chọn lọc lon âm sang Ion dương. Do đó, Ion Na+ tập trung vào trong giao diện giữa lớp gỉ và bề mặt thép, trong khi đó lan Cl- dịch chuyển đến bề mặt của lớp gỉ. Kết quả là môi trường giao diện chuyển sang môi trường kiểm (Hình 2.1). Thép chịu thời tiết NAW-TENTM được nghiên cứu phát triển dựa trên kết quả thực nghiệm và cơ chế lý thuyết này.
Hình 2.1: Nguyên lý thiết kế lớp gì bảo vệ có khả năng chống ăn mòn cao
Tiến hành thực nghiệm phơi mẫu thép chịu thời tiết NAW-TENTM có thêm 3% Niken và thép chịu thời tiết thông thường COR-TENTM tại khu vực ven biển TP. Joetsu ở bờ biển phía Tây của Nhật Bản (Hình 2.2). Khoảng cách từ vị trí thực nghiệm phơi mẫu đến bờ biển là 0.6km, hàm lượng muối trong không khí là 0.24 mdd [7]. Các mẫu thử được phơi trên mặt bằng không có mái che, xét cho trường hợp bản cánh của dầm cầu chịu nước mưa.
Hình 2.2: Mẫu phơi nhiễm thép NAW-TENTM và COR-TENTM
Dựa trên kết quả thực nghiệm phơi mẫu, xây dựng biểu đồ mất mát ăn mòn theo thời gian của thép chịu thời tiết NAW-TENTM có thêm 3% Niken và thép chịu thời tiết thông thường COR-TENTM (Hình 2.3) [4]. Biểu đồ trên Hình 2.3 cho thấy, mất mát do ăn mòn của thép chịu thời tiết COR-TENTM tăng dần theo vào thời gian phơi nhiễm. Trong khi đó, mất mất do ăn mòn của thép NAW-TENTM bằng 2/3 so với thép COR-TENTM ngay cả trường hợp thời gian thực nghiệm phơi mẫu lên đến 15 năm. Thép NAW- TENTM được xử lý bề mặt bằng cách kiểm soát gì bổ sung, thể hiện khả năng chống ăn mòn ưu việt và không bị ăn mòn trong vòng 15 năm. Kết quả thực nghiệm phơi mẫu trên 15 năm cho kết luận rằng, so với thép chịu thời tiết COR-TENTM, thép NAW-TENTM giảm thiểu mất mát do ăn mòn trong thời gian dài ngay cả trong điều kiện ăn mòn mạnh như khu vực ven biển. Ngoài ra, thép NAW-TENTM được xử lý bề mặt có khả năng chống ăn mòn cao trong thời gian dài.
Hình 2.3: Biểu đồ mất mát ăn mòn theo thời gian của COR-TENTM và NAW-TENTM
Thép NAW-TENTM đã được áp dụng trong rất nhiều cầu tại Nhật Bản, ví dụ như cầu đường sắt cao tốc Hokuriku Shinkansen chạy qua Joetsu là thành phố nằm sát bờ biển (Hình 2.4). Thép NAW-TENTM vẫn giữ được bề mặt tuyệt vời trong 15 năm kể từ khi xây dựng ngay cả trong điều kiện không khí mặn. Do đó có thể kết luận rằng, thép NAW-TENTM có thêm 3% Niken có thể giảm thiểu mất mát do ăn mòn và giúp kéo dài hơn thời gian sử dụng của cầu so với thép chịu thời tiết COR-TENTM.
Hình 2.4: Cầu đường sắt cao tốc Hokuriku Shinkansen sử dụng thép NAW-TENTM
<<Còn tiếp>>
Xin cảm ơn!
PGS.TS. NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH – Trường Đại học Giao thông vận tải
TS. KIYONOBU SUGAE – Tập đoàn Nippon Steel & Sumitomo Metal
Người phản biện:
PGS.TS. Đào Duy Lâm
TS. Thái Minh Quân
Đã gửi đến chúng tôi bài viết này!