Hệ số khuếch tán Cl và các dạng nồng độ của Cl trong bê tông

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”.