Nghiên cứu đánh giá và các giải pháp chống ăn mòn tiên tiến cho gối thép của công trình cầu ở Việt Nam (Phần 2)

Hôm nay, HPEC xin tiếp tục gửi tới độc giả bài viết “Nghiên cứu đánh giá và các giải pháp chống ăn mòn tiên tiến cho gối thép của công trình cầu ở Việt Nam - Phần 2”. Bài viết được trích từ Bài báo đã được đăng trên tạp chí giao thông vận tải ngày 08/04/2016.
2.3. Giải pháp mạ kẽm nhúng nóng
a. Giới thiệu
Mạ kẽm nhúng nóng là một giải pháp tiên tiến sử dụng công nghệ bảo vệ bề mặt bằng giải pháp phủ một lớp kẽm mỏng lên bề mặt kim loại. Lớp kẽm này được tạo thành qua quá trình nhúng kim loại vào bể chứa kẽm nóng chảy. Lớp phủ kẽm có hai chức năng bảo vệ: Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) với lớp màng chắn bảo vệ trên bề mặt kim loại giống như giải pháp sơn phủ truyền thống, thứ hai là chức năng bảo vệ chủ động (active protection) hay còn gọi là chức năng chống ăn mòn Catốt. Tức là kim loại kẽm (Zn) sẽ đóng vai trò Anốt bị ăn mòn với tốc độ nhanh, hy sinh để bảo vệ thép đóng vai trò Catốt.

Hình 2.3. Gối cầu mạ kẽm nhúng nóng

b. Đánh giá giải pháp mạ kẽm nhúng nóng
* Ưu điểm:
- Lớp kẽm có tính dính bám và sức kháng cao nên có thể bảo vệ vật liệu thép khỏi sự ăn mòn trong một thời gian dài. (khoảng 25 năm).
- Có thể áp dụng cho nhiều cấu kiện thép có kích thước và hình dạng khác nhau.
- Có thể áp dụng thi công sửa chữa cấu kiện thép trong quá trình duy tu bảo dưỡng công trình cầu.
- Lớp kẽm có khả năng tự sửa chữa các vết xước nhỏ trên bề mặt bởi cơ chế ăn mòn hy sinh.
* Nhược điểm:
- Giải pháp mạ kẽm nhúng nóng yêu cầu công nghệ và kỹ thuật thi công cao.
- Do kẽm có nhiệt độ nóng chảy ở 420oC nên chỉ áp dụng cho vật liệu có cường độ cao.
- Lớp kẽm không ổn định trong điều kiện môi trường có tính ăn mòn cao như môi trường gần biển.
- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao.
2.4. Giải pháp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg
a. Giới thiệu
Phun nhiệt kim loại là một giải pháp tiên tiến chống ăn mòn bằng cách tạo nên lớp màng mỏng phun nhiệt ở bề mặt ngoài vật liệu thép, kim loại có hiệu quả chống ăn mòn, kiềm chế sự phát sinh gỉ gây ăn mòn. Từ đầu những năm 1900, ở châu Âu đã bắt đầu nghiên cứu phát triển phương pháp này, tại Nhật Bản áp dụng từ những năm 60, năm 1971 đã hoàn thành cầu Quan Môn là cầu lớn nhất đầu tiên sử dụng phương pháp phun phủ kim loại. Đến nay đã hơn 55 năm đưa vào sử dụng nhưng lớp phủ vẫn bảo vệ gối cầu và không bị gỉ.
Phun nhiệt kim loại là việc thiết kế chống ăn mòn với sức kháng và đặc tính chống ăn mòn khác nhau do môi trường lắp đặt với các loại kim loại phun nhiệt kim loại như hợp kim của Mg, Al, Zn…, cần thiết phải thiết kế khắc khe hơn dựa trên những hiều biết đầy đủ về cơ chế chống ăn mòn của phun nhiệt. Hơn nữa, phun nhiệt kim loại có sức kháng cao hơn phương pháp sơn. Nhưng để không ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc thực tế của cầu đường thì việc quản lý thi công tốt là cần thiết.

Hình 2.4. Gối cầu phun phủ nhiệt kim loại

Do vậy, phương pháp phun nhiệt hợp kim Al - Mg là biện pháp hiệu quả đảm bảo cho kết cấu đủ sức kháng, hài hòa với môi trường. Đó là biện pháp chống ăn mòn cho cầu đường xây dựng mới.
b. Đánh giá giải pháp phun phủ nhiệt kim loại
* Ưu điểm:
- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg có sức kháng và tính dính bám tốt, không bị bong tróc ngay cả khi va đập hay bị cong vênh.
- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg chịu được ăn mòn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (môi trường gần biển có hàm lượng muối cao) trong thời gian hơn 100 năm.
- Có thể áp dụng phun nhiệt hợp kim Al-Mg cho nhiều cấu kiện thép có hình dạng và kích thước khác nhau. Có thể áp dụng được cho nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp (khe hở 8cm trở lên có thể phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg).
- Thiết bị thi công nhỏ gọn nên có thể áp dụng thi công sửa chữa ngay tại hiện trường.
- Lớp phun nhiệt hợp kim Al-Mg an toàn, thân thiện với môi trường.
- Chi phí rất thấp trong quá trình duy tu bảo dưỡng.
- Có thể sơn phối màu tạo cảnh quan cho môi trường xung quanh.
* Nhược điểm:
- Giải pháp yêu cầu kỹ thuật cao, tuân thủ nghiêm ngặt các bước tiến hành thi công phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.
- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao.
c. Đánh giá thông qua thí nghiệm kiểm tra
Giải pháp phun phủ nhiệt kim loại là giải pháp tiên tiến mới áp dụng tại Việt Nam trong các dự án như Bến Lức - Long Thành, cầu Cao Lãnh. Trong phần này đánh giá, so sánh hiệu quả chống gỉ của giải pháp mới này so với các giải pháp khác, bằng thiết bị 6000 giờ gia tốc trong thiết bị mù muối. Thực tế, hệ thống gối cầu rất đa dạng và có cấu tạo phức tạp nên việc ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg vào gối cầu cũng cần có sự tính toán một cách cẩn thận có xét đến sự phức tạp của kết cấu gối cầu.
* Thí nghiệm
Kết cấu gối cầu sau khi được chế tạo, tiến hành thí nghiệm gia tốc, thời tiết và thiết bị mù muối các vòng lặp phức hợp để tái hiện lại môi trường ăn mòn khắc nghiệt. Thí nghiệm với 3 mô hình gối cầu: Cấu kiện gối mạ kim loại kẽm (Zn), kết cấu gối mạ kim loại nhôm (Al), kết cấu gối phun phủ nhiệt kim loại Al-Mg.
Nhúng các kết cấu gối thí nghiệm vào bể dung dịch (dung môi) trong một thời gian nhất định sau đó đưa vào phòng sấy; tiến hành lặp lại các bước trên liên tục sau mỗi khoảng thời gian nhất định; tiến hành quan sát quá trình phát triển gỉ thép trên các gối thí nghiệm và ghi lại kết quả ở từng mẫu gối thí nghiệm.
- Kết quả thí nghiệm thu được như sau:

Hình 2.5. Mẫu gối thí nghiệm mạ kim loại kẽm

Hình 2.6. Mẫu gối thí nghiệm mạ kim loại nhôm

Hình 2.7. Mẫu gối thí nghiệm phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg

* Đánh giá kết quả thí nghiệm
- Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy được phát sinh gỉ sét ở mẫu gối thí nghiệm được mạ Zn và tình trạng gỉ phát triển một cách rõ rệt. Với mẫu gối thí nghiệm mạ Al là loại có khuynh hướng bị ion hóa cao, thì mức độ gỉ thấp hơn so với loại mạ Zn, nhưng vẫn phát sinh gỉ ở vật liệu cơ bản và có thể thấy được sự phát triển gỉ.
- Trong khi đó, với mẫu gối thí nghiệm phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg, chúng ta có thể thấy những chỗ biến màu nâu do “nhận gỉ” ở quanh mẫu thí nghiệm khi nhúng trong bể hóa chất. Nhưng đây không phải là gỉ sét ở trên mẫu thí nghiệm, từ đó có thể xác nhận lớp bảo vệ này có thể phát huy tác dụng tốt nhờ có tính năng chống gỉ cao. Đảm bảo sức kháng cho kết cấu công trình. Từ kết quả thí nghiệm trên cho thấy, lớp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg chịu được ăn mòn kim loại với điều kiện ăn mòn khắc nghiệt trong thời gian hơn 100 năm, phù hợp với tuổi thọ của công trình cầu vĩnh cửu.
Nhiệt độ tại bề mặt phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg là dưới 100oC nên có thể áp dụng cho nhiều kết cấu; không làm thay đổi tính chất vật liệu thép, không ảnh hưởng đến sức kháng cũng như khả năng làm việc của cấu kiện thép.
3. Kết luận
Việc nghiên cứu tổng quan và nghiên cứu giải pháp bảo vệ chống ăn mòn gối thép và các cấu kiện bằng thép của gối cầu nhằm nâng cao tuổi thọ cho các công trình cầu nói chung và công trình cầu đô thị nói riêng là một vấn đề hết sức quan trọng.
Bài báo về cơ bản đã nghiên cứu, đánh giá các giải pháp chống ăn mòn cho gối thép công trình cầu đang áp dụng tại Việt Nam như bôi mỡ, sơn phủ, mạ kẽm nhúng nóng và mới đây nhất là công nghệ mới phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.
Kết quả đánh giá đặc biệt thông qua thí nghiệm gia tốc cho thấy, hiện nay giải pháp phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg là giải pháp chống ăn mòn có hiệu quả nhất cho gối cầu kể cả điều kiện ăn mòn khắc nghiệt (cho tuổi thọ 100 năm) với chi phí vòng đời thấp.
Bài viết được trích từ Bài báo đã được đăng trên tạp chí giao thông vận tải ngày 08/04/2016.
KS. Kiều Tuấn Anh, Công ty Kawakin Core-Tech Việt Nam
PGS. TS. Đào Duy Lâm, PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh (Trường Đại học Giao thông vận tải)
Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Viết Trung, PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy
Tài liệu tham khảo
[1]. TCVN 8792: 2011, Sơn và lớp phủ bảo vệ kim loại - phương pháp thử mù muối, TCVN 8785: 2011 - Sơn và lớp phủ bảo vệ kim loại - Phương pháp thử trong điều kiện tự nhiên.
[2]. Nguyễn Xuân Vũ, Nguyễn Thị Bích Thủy và cộng sự (2012), Đề tài nghiên cứu xây dựng yêu cầu kỹ thuật và phạm vi ứng dụng thích hợp của các loại sơn sử dụng trong GTVT.
[3]. Takehiko Himeno (8/2013), Nghiên cứu giải pháp phun phủ kim loại kết hợp Al-Mg nhằm nâng cao độ bền lâu dài cho gối cầu, Tạp chí Cầu đường Việt Nam.
[4]. Hồ sơ các dự án Bến Lức - Long Thành, Cao Lãnh, Nhật Tân, Bính…
[5]. Công ty Cổ phần Cầu đường Cao tốc phía tây Nhật Bản, NEXCO (2012), Hướng dẫn thiết kế - thi công phun phủ nhiệt hợp kim Al-Mg.
[6]. Phương pháp thí nghiệm mạ kẽm nhúng nóng (JIS H 0401 : 2007). [7]. Tổng công ty Đường cao tốc Hiroshima (2008), Tiêu chuẩn thiết kế - thi công sơn phủ Nhật Bản.