Những tiến bộ trong nghiên cứu sử dụng cảm biến để giám sát trạng thái ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông

08/02/2023

1. Giới thiệu

Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đóng vai trò là vật liệu cơ bản trong nền văn minh hiện đại. Từ vật liệu này xây dựng nên các tòa nhà công nghiệp, cơ sở hạ tầng năng lượng, giao thông vận tải, và các công trình xã hội. Các thuộc tính độc đáo của BTCT giúp nó có thể đáp ứng nhiều giải pháp kỹ thuật và kiến trúc cho các công trình với kích thước, hình dạng và chức năng khác nhau.

BTCT là vật liệu bền vững với tuổi thọ sử dụng mà không cần sửa chữa có thể lên đến 100 năm (theo EN 1991: 2002-2006 Eurocode 1: Actions on results). Tuy nhiên, trong thực tế đã xuất hiện nhiều trường hợp đòi hỏi phải bảo trì từ rất sớm trước khi hết tuổi thọ thiết kế. Nếu không sửa chữa kịp thời và thích hợp, công trình BTCT có thể bị hư hỏng hoàn toàn. Nguyên nhân phổ biến của sự phá hủy sớm các cấu trúc BTCT là hiện tượng ăn mòn cốt thép. Ăn mòn thường gây ra bởi ion clorua, là thành phần của nước biển và các hỗn hợp chống đóng băng trên các cầu đường vào mùa đông, cũng như các sản phẩm của ngành công nghiệp hóa chất. Sự phá hủy kết cấu BTCT diễn ra qua nhiều giai đoạn, điển hình nhất là các bước: cốt thép mất tính thụ động, nứt và bong tróc lớp bảo vệ kèm theo sự suy giảm độ bám dính giữa cốt thép và bê tông, và cuối cùng là sự sụp đổ của công trình. Hiện nay, các nước có nền kinh tế thị trường phát triển phải chi tới 3-5% GDP để khắc phục các hậu quả của hiện tượng này. Một trong những nhiệm vụ chính mà các nghiên cứu về ăn mòn kim loại trong thế kỷ XXI phải đối mặt là giảm thiểu các khoản chi phí này.

Có thể ngăn ngừa ăn mòn cốt thép bằng cách điều chỉnh thành phần bê tông (chọn lựa thành phần xi măng, phụ gia, chất ức chế ăn mòn) và thi công công trình một cách phù hợp. Bằng cách này, đã áp dụng các biện pháp bảo vệ nguyên cấp cho BTCT trong giai đoạn xây dựng. Bảo vệ thứ cấp (sử dụng lớp phủ polyme và xi măng, chất kỵ nước, chất ức chế ăn mòn di trú,...) được áp dụng sau khi xây dựng và trong quá trình vận hành cấu trúc trong môi trường ăn mòn.

Chi phí cho cả vòng đời của công trình bao gồm các chi phí cần thiết trong tất cả các giai đoạn, từ xây dựng đến thải bỏ. Nó có thể được giảm bớt bằng cách lựa chọn các giải pháp công nghệ đảm bảo chi phí xây dựng và vận hành tối ưu. Để làm được điều này, cần thiết phải áp dụng các phương pháp đánh giá hiệu quả của quá trình bảo vệ sơ cấp và thứ cấp, đồng thời dự báo tuổi thọ không cần sửa chữa của công trình trong mối tương quan với mức độ xâm thực của môi trường và hiện trạng của BTCT. Các phương pháp giám sát không phá hủy (và các hệ thống giám sát liên tục dựa trên chúng) là một phần quan trọng của hệ thống quản lý và bảo trì các công trình BTCT hiện đại.

Ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo cơ chế điện hóa. Do đó, các phương pháp phổ biến được sử dụng để xác định trạng thái (thụ động hay ăn mòn) hoặc tốc độ ăn mòn cốt thép chính là các phương pháp điện hóa. Các phương pháp vật lý cũng ngày càng được sử dụng phổ biến, vì chúng có thể đánh giá sự phát triển của quá trình ăn mòn dựa trên các thông số gián tiếp như sự thay đổi độ thấm, sự suy giảm độ bám dính tại ranh giới cốt thép/bê tông và sự hình thành vết nứt do tích tụ sản phẩm ăn mòn.

Mục đích của nghiên cứu tổng quan này nhằm đem lại cái nhìn toàn cảnh về các cảm biến được sử dụng phổ biến và các hệ thống giám sát không phá hủy cho cấu trúc BTCT dựa trên các cảm biến này trong khoảng 20 năm qua, từ các sensor tương đối mới đang trong các giai đoạn thử nghiệm đến các sản phẩm thương mại hiện có trên thị trường.

2. Các phương pháp điện hóa

Các phương pháp đánh giá điện hóa cho phép xác định trạng thái ăn mòn cốt thép trong bê tông một cách trực tiếp hoặc gián tiếp dựa trên sự thay đổi tính chất của lớp bê tông bảo vệ. Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp này dựa trên mối quan hệ định lượng giữa các thông số đánh giá, chẳng hạn như mối quan hệ giữa điện thế và nồng độ của các nguyên tố hóa học hoặc các ion trong môi trường ăn mòn,... Dưới đây là các phương pháp điện hóa giám sát trạng thái của cốt thép và các hệ thống cảm biến dựa trên chúng, bao gồm cả những phương pháp đang có trên thị trường. Các phương pháp được liệt kê theo mức độ phổ biến giảm dần.

2.1. Cảm biến điện thế half-cell (HCP)

Phương pháp đo điện thế ăn mòn half-cell của cốt thép trên bề mặt bê tông là một trong những phương pháp đầu tiên được sử dụng để đánh giá trạng thái ăn mòn của cốt thép trong bê tông. Các công bố đầu tiên đặt nền móng cho phương pháp này xuất hiện vào những năm 1970.

Nhìn chung, phép đo điện thế half-cell là phương pháp định tính đáng tin cậy, đã được chứng minh bằng một loạt các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và hiện trường. Phương pháp này đã được tiêu chuẩn hóa ở nhiều quốc gia và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Các khoảng giá trị điện thế tham chiếu được chấp nhận rộng rãi và các điều kiện ăn mòn tương ứng của cốt thép được trình bày trong Bảng 1. Các nhược điểm của phương pháp HCP có thể kể ra như xuất hiện vùng bất định của điện thế, sự phụ thuộc của kết quả đo vào nhiệt độ và độ ẩm trong bê tông, và ảnh hưởng của màng sơn phủ và chất kỵ nước trên bề mặt bê tông.

Bảng 1. Các vùng điện thế half-cell của cốt thép trong bê tông được sử dụng để đánh giá trạng thái ăn mòn (đối với điện cực so sánh Cu/CuSO₄ ở 20°C).

Vùng điện thế half-cell, mV	Trạng thái ăn mòn cốt thép
> -200	Thụ động với xác suất 90%
-200…-350	Trạng thái không xác định
< -350	Ăn mòn với xác suất 90%

Ngày nay, các thiết bị di động phổ biến gồm một vôn kế có trở kháng đầu vào cao và một điện cực so sánh có thể đảm bảo các phép đo tin cậy ngoài hiện trường. Các điện cực so sánh phổ biến là điện cực đồng/đồng sunfat và calomel. Các thiết bị có tên thương mại khác nhau ở nhiều quốc gia như: Canin+ hoặc Profometer Corrosion do Proseq (Thụy Sĩ) sản xuất; Elcometer 331T của Elcometer (Anh); Giatech iCOR của Giatec Science Inc (Canada); Armkor-1 của InterPribor (Nga),... Các thiết bị này có nhiều chức năng khác nhau, từ việc đo và hiển thị điện thế đơn giản đến lập bản đồ điện thế và xác định các khu vực dễ bị ăn mòn ngoài hiện trường (dữ liệu không cần qua máy tính xử lý). Việc áp dụng các thiết bị như vậy đòi hỏi người đo phải tiếp cận được các cấu trúc cần kiểm tra.

Trong một số nghiên cứu, các cảm biến dựa trên các điện cực đồng/đồng sunfat và bạc/bạc clorua được lắp vào các vị trí dễ bị ăn mòn trong bê tông để xây dựng các hệ thống giám sát liên tục từ xa. Các cảm biến loại này đối mặt vấn đề liên quan đến tuổi thọ của các điện cực so sánh khi phải làm việc trong môi trường kiềm có độ pH cao của bê tông. Jin M. và cộng sự đã đề xuất sử dụng điện cực so sánh MnO₂ để tiến hành các phép đo điện thế half-cell, điện trở phân cực tuyến tính và tổng trở điện hóa. Muralidharan S. và cộng sự trong một nghiên cứu khác đã khẳng định tính hiệu quả của các điện cực MnO₂ trong môi trường bê tông. Sau đó, nhóm nghiên cứu của Karthick S. đã đề xuất một điện cực tham chiếu biến tính dựa trên oxit graphene-mangan (GO-MnO₂) có khả năng hoạt động ổn định không dưới hai năm trong bê tông. Chand A.A. và cộng sự đã đề xuất một phương pháp đo điện thế half-cell mới bằng hai cuộn dây hoạt động theo định luật cảm ứng điện từ Faraday. Mặc dù cách tiếp cận này khó phổ biến, nhưng nó chứng tỏ rằng các nhà nghiên cứu ngày nay có nhiều công cụ trong tay để lựa chọn giải quyết vấn đề.

Cũng lưu ý rằng, hiện nay hầu như không có cảm biến nào chỉ theo dõi riêng lẻ điện thế half-cell. Thông thường, các hệ thống tích hợp được sử dụng để theo dõi đồng thời nhiều thông số khác nhau (pH, nồng độ ion clorua, dòng galvanic macro,...) hoặc sử dụng điện cực so sánh cho các phương pháp phân cực. Trong trường hợp này, điện thế half-cell là một tham số bổ sung. Khi xem xét đến bản chất định tính của phương pháp và sự hiện diện của vùng giá trị bất định, cách tiếp cận này hợp lý hơn. Các hệ thống tích hợp được thảo luận ở cuối nghiên cứu này.

2.2. Cảm biến đo điện trở suất bê tông (CR)

Phương pháp đo điện trở suất của bê tông là một phương pháp phổ biến khác để theo dõi trạng thái ăn mòn cốt thép. Tồn tại sự phụ thuộc tuyến tính giữa điện trở suất bê tông, độ ẩm và nồng độ muối hòa tan (bao gồm cả ion clorua) trong bê tông. Được biết, trong cùng điều kiện, môi trường có điện trở thấp giúp các quá trình điện hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Tuy nhiên, việc giám sát thông số điện trở suất gặp khó khăn do giá trị này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lượng mưa trong khí quyển,... Do đó, chỉ có thể đánh giá xác suất phát triển ăn mòn cốt thép theo các khoảng giá trị CR, như được trình bày trong Bảng 2.

Dù vậy, phương pháp đo điện trở suất bê tông vẫn được áp dụng rộng rãi và thường được sử dụng bổ sung cho phương pháp đo điện thế half-cell. Trong một nghiên cứu dài hạn (>5 năm) trên mẫu bê tông bị nứt ở Rødbyhavn (Đan Mạch) khi chịu tác động của môi trường té sóng và ngập trong nước biển các tác giả đã kiểm soát các thông số điện thế, điện trở suất và nhiệt độ dựa trên các điện cực đa vòng.

Bảng 2. Các vùng điện trở suất bê tông được sử dụng để đánh giá nguy cơ ăn mòn cốt thép trong bê tông.

Vùng điện trở suất bê tông, Ω.m	Nguy cơ ăn mòn cốt thép (ở 20 °C)
<100	Cao
100…500	Trung bình
500…1000	Thấp
>1000	Không đáng kể

Điện trở suất bê tông ngoài hiện trường thường được xác định bằng cách sử dụng cảm biến Wenner. Thiết bị gồm bốn điện cực kim loại được sắp xếp trên một đường thẳng ở các khoảng cách cố định. Một dòng điện (xoay chiều hoặc một chiều) được áp vào hai điện cực ngoài cùng, và ghi nhận giá trị hiệu điện thế giữa các điện cực bên trong. Giá trị điện trở bê tông được tính dựa trên mối tương quan giữa các cặp giá trị dòng và hiệu điện thế thu được.

Ngoài ra, cũng xuất hiện một số mẫu cảm biến đo điện trở suất in-situ (tại chỗ) được lắp trực tiếp vào mẫu bê tông. Priou J. và cộng sự trong nghiên cứu của mình đã sử dụng cảm biến đa cực kết hợp với cảm biến đo độ ẩm ROTRONIC và cảm biến nhiệt độ Pt100 để giám sát quá trình ăn mòn trong cấu trúc BTCT cầu cảng (Hình 1). Các tác giả thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng dòng điện một chiều trên thiết bị ABEM terrameter LS, được thiết kế cho các nghiên cứu địa vật lý, trong 18 tháng. Nghiên cứu đã cung cấp thông tin chi tiết về tốc độ thẩm thấu ion clorua vào bê tông ở các khu vực khác nhau của cầu cảng mà không cần lấy mẫu làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của kết cấu. Nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách giữa các thanh cốt thép đến kết quả đo điện trở suất của bê tông. Corva D.M. và cộng sự trong một nghiên cứu khác trình bày chi tiết hoạt động của cảm biến bốn điện cực sử dụng dòng điện xoay chiều thông qua cổng kết nối USB, cho phép truyền dữ liệu đến máy tính mà không cần thêm các phương tiện truyền dữ liệu khác.

Nhóm nghiên cứu của Halabe U.B. đã sử dụng các cảm biến từ hai tấm thép carbon thấp đặt trong bê tông. Các mẫu bê tông được thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm và hiện trường tại các trụ cầu. Nghiên cứu đề xuất sử dụng cảm biến điện trở suất kết hợp với cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có bán trên thị trường để đánh giá chính xác hơn xác suất phát triển ăn mòn. Một thiết bị tương tự như vậy sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lin C. và các cộng sự. Trong một nghiên cứu khác, nhóm của Kamat A. đã sử dụng các cảm biến đa vòng với các điện cực bằng thép không gỉ. Cấu trúc của chúng cho phép đo điện trở bê tông ở các độ sâu khác nhau cùng lúc, cả trong điều kiện phòng thí nghiệm và hiện trường. Theo kết quả thu được, các tác giả đã chính xác hóa các mối tương quan của tốc độ xâm thực của ion clorua theo thời gian.

Hình 1. Ví dụ về cảm biến bốn điện cực có cổng kết nối USB để xác định điện trở suất bê tông.

Các phương pháp giám sát được mô tả ở trên dựa vào các phép đo điện thế cốt thép và điện trở bê tông có tính chất định tính và không thể áp dụng để đánh giá tốc độ phá hủy cốt thép trong bê tông. Vì vậy, mà các cảm biến dựa trên các kỹ thuật này thường không được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống giám sát liên tục trạng thái ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông. Tuy nhiên, do các ưu điểm như tính đơn giản của thiết bị và khả năng kiểm tra các khu vực rộng lớn trong khoảng thời gian ngắn giúp cho các kỹ thuật này trở thành một công cụ quan trọng để xác định không phá hủy các vị trí có xác suất ăn mòn cốt thép cao trong bê tông.

2.3. Cảm biến galvanic micro và macro

Thiết bị dựa trên các hệ pin galvanic macro và micro được ứng dụng rộng rãi trong thực tế để đánh giá cường độ ăn mòn cốt thép và độ sâu xâm thực của ion clorua tính từ bề mặt lớp bê tông bảo vệ. Giá trị “cường độ ăn mòn” tuy không cho phép đánh giá trực tiếp tốc độ phá hủy cốt thép khi so sánh với phương pháp đo độ hụt khối, nhưng có thể giúp xác định xem quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn bao nhiêu lần. Sau khi hiệu chuẩn đối với các mẫu đối chứng, có thể tính tốc độ ăn mòn cốt thép thông qua các hệ số tương quan.

Các cảm biến dựa trên hệ pin macro bao gồm các thanh kim loại có chiều dài khoảng vài cm. Anot được làm bằng thép carbon thấp với thành phần tương tự như thành phần cốt thép. Catot có thể được làm bằng thép không gỉ, titan, đồng,... Catot được đặt ngay gần các anot. Ngoài ra, cũng có thể bổ sung các điện cực tham chiếu để theo dõi điện thế half-cell.

Một trong những cảm biến galvanic xuất hiện sớm nhất và hiện tại còn được sử dụng rộng rãi là các cảm biến dạng hình thang. Các thanh cốt thép được sắp xếp theo bậc thang ngay gần catot cho phép đánh giá mức độ xâm thực của môi trường (Hình 2). Trong các thiết bị dạng này ranh giới xâm thực được theo dõi thông qua việc so sánh điện thế half-cell của các thanh cốt thép với nhau. Một biến thể khác của cảm biến dựa trên hệ pin macro là các thiết bị đa vòng. Cảm biến bao gồm các điện cực dạng vòng nhỏ được cách điện với nhau. Các điện cực vòng được làm bằng thép carbon thấp. Khi các anot vòng được đặt gần catot làm bằng kim loại trơ hơn cho phép đo dòng galvanic và ước tính sự lan rộng của các điểm ăn mòn theo độ sâu từ bề mặt bê tông.

Valdes A.C. và cộng sự đã nghiên cứu các hệ pin macro dựa trên cốt thép và đồng với tỷ lệ diện tích là 1:1 với khả năng đánh giá độ sâu thâm nhập của quá trình ăn mòn. Cảm biến bao gồm một tấm đồng (nền) và một số thanh thép được đặt ở những khoảng cách khác nhau so với kim loại nền. Các tác giả đã hiệu chỉnh và đề xuất các khoảng giá trị dòng galvanic tương ứng với trạng thái thụ động và hoạt hóa ăn mòn cốt thép phù hợp với các phép đo điện thế ăn mòn half-cell.

Trong một nghiên cứu của mình Pereira E.V. và cộng sự đã đề xuất cảm biến đo dòng galvanic dựa trên cặp cốt thép/thép không gỉ. Cảm biến chỉ bao gồm một cặp pin galvanic và không cho phép đánh giá sự lan rộng của quá trình ăn mòn từ bên ngoài. Tuy nhiên, kết quả của các thí nghiệm với điện cực thép không gỉ đã chứng minh rằng kim loại này có thể được sử dụng làm catot. Việc thay thế đồng bằng thép không gỉ có thể là một giải pháp hứa hẹn, vì trong trường hợp này, bê tông sẽ không bị nhiễm ion đồng do đồng có khả năng bị ăn mòn trong môi trường chứa ion clorua. Tuy nhiên, ở khía cạnh khác giá trị của dòng galvanic đối với cặp điện cực đồng/thép cao hơn, giúp cho cảm biến chế tạo có độ nhạy lớn hơn. Như vậy, đến hiện tại vẫn chưa có các giải pháp thống nhất cho việc xây dựng các cảm biến dựa trên hệ pin macro với các cặp kim loại cho hiệu quả cao nhất. Mặc dù, các tác giả đồng ý với nhau rằng, các cảm biến loại này có thể được sử dụng để ước tính xác suất ăn mòn ở các độ sâu khác nhau trong lớp phủ bê tông.

Hình 2. Ví dụ về cảm biến dựa trên hệ pin macro dạng “bậc thang”.

Cảm biến dựa trên các hệ pin galvanic micro với các tấm kim loại khác nhau có độ dày khoảng vài mm. Các điện cực anot và catot được đặt xen kẽ nhau. Các cảm biến loại này cũng có thể được làm bằng các tấm kim loại cùng thành phần, giữa các anot và catot được duy trì một hiệu điện thế không đổi ở mức 20-100 mV. Qiao G. và cộng sự đã sử dụng các dung dịch kiềm để kiểm tra các cảm biến micro dựa trên Mg/than chì và Zn/than chì. Ưu điểm của các cảm biến này là chúng có thể tạo ra dòng điện vừa đóng vai trò là tín hiệu đo, vừa là nguồn năng lượng cần thiết để truyền tín hiệu qua mạng không dây. Một hệ thống như vậy có thể giúp cho quá trình giám sát dễ dàng hơn, vì nó không yêu cầu nhiều mét dây kết nối đặt trong các cấu trúc bê tông để truyền tín hiều từ các cảm biến.

Hình 3. Ví dụ về các cảm biến dựa trên hệ pin micro dạng lưỡng kim.

 Các cảm biến dựa trên hệ pin macro và micro được mô tả ở trên đã được lắp vào các bộ phận khác nhau của các công trình như: cầu, đường hầm, và các công trình hạ tầng khác trong môi trường xâm thực. Thông thường các cảm biến được sử dụng để giám sát các hoạt động sửa chữa, cũng như kiểm soát việc sử dụng các chất ức chế ăn mòn, trong đó có chất ức chế ăn mòn di trú. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp các cảm biến được lắp vào các công trình xây mới. Trong trường hợp xây mới công trình, các cảm biến được cố định vào khung cốt thép và sau đó công trình được xây dựng như bình thường. Trong trường hợp công trình đang vận hành sẵn, từ kết cấu khoan một mẫu bê tông, thiết lập cảm biến, và sau đó vá vị trí khoan bằng lớp bê tông có thành phần tương tự thành phần bê tông của kết cấu. Việc lắp đặt cảm biến vào công trình xây mới được ưu tiên hơn do đảm bảo tính đồng nhất của lớp bê tông bảo vệ.

Các cảm biến loại này thường được sử dụng cho các hệ giám sát từ xa do các ưu điểm: thiết bị có cấu trúc đơn giản (sử dụng vật tư rẻ tiền), thường tạo ra tín hiệu mà không cần áp đặt thêm dòng điện, và có kích thước nhỏ gọn. Như vậy, việc lắp đặt các cảm biến này ở những khu vực dễ bị ăn mòn và nối chúng vào một mạng hợp nhất sẽ cho phép các tổ chức quản lý công trình phân tích trạng thái của các cấu trúc và lập kế hoạch bảo trì và sửa chữa thích hợp.

2.4. Cảm biến điện trở phân cực tuyến tính (LPR)

Phương pháp điện trở phân cực dựa trên mối quan hệ nghịch đảo giữa mật độ dòng ăn mòn và điện trở phân cực của phản ứng điện hóa. Phương pháp này đã được sử dụng để đánh giá tốc độ ăn mòn kim loại từ giữa thế kỷ XX. Thông tin về sự thay đổi theo thời gian của mật độ dòng ăn mòn giúp ước tính mức độ hao hụt khối lượng hoặc mức độ suy giảm tiết diện ngang của kim loại theo định luật Faraday. Phiên bản phổ biến của phương pháp này được sử dụng cho hệ cốt thép/bê tông là phương pháp điện trở phân cực tuyến tính và đã được sử dụng rộng rãi cả trong phòng thí nghiệm và hiện trường từ những năm 1970.

Các phép đo được thực hiện trong hệ ba điện cực (điện cực làm việc - cốt thép, điện cực đối thường là thép không gỉ và điện cực tham chiếu giống như điện cực được sử dụng trong phương pháp đo điện thế half-cell). Cơ sở lý thuyết của phương pháp có thể được tìm thấy trong một số lượng lớn các nghiên cứu. Các khoảng giá trị mật độ dòng ăn mòn phản ánh mức độ nguy hại cho công trình được trình bày ở Bảng 3.

Bảng 3. Các khoảng giá trị mật độ dòng ăn mòn (i_cor) và sự suy giảm tiết diện ngang (Δl) để đánh giá trạng thái ăn mòn cốt thép

Khoảng giá trị		Nguy cơ ăn mòn cốt thép
icor, μA·cm-2	Δl, μm·năm-1
≤0,1	≤1,16	Trạng thái thụ động
0,1…0,5	1,16…5,80	Thấp
0,5…1,0	5,8…11,6	Trung bình
>1,0	>11,6	Cao

Tốc độ thu nhận dữ liệu theo phương pháp LPR thấp hơn đáng kể so với các phương pháp HCP và CR. Vì vậy, trong thực tế để tối ưu hóa thời gian đo có thể sử dụng kết hợp cả ba phương pháp. Các phép đo HCP và CR định tính giúp xác định các khu vực có xác suất ăn mòn cao. Sau đó, phương pháp LPR được sử dụng để xác định tốc độ hư hỏng của cốt thép. Một số thiết bị thương mại có thể đo tại chỗ tốc độ ăn mòn theo phương pháp LPR, như Gecor 8 của James Instruments, Giatec iCOR của GIATEC SCIENTIFIC,... Các thiết bị này cần có sự hiện diện của chuyên gia về ăn mòn trong quá trình đo.

Pereira E.V. và cộng sự đã đề xuất sử dụng cảm biến dựa trên điện cực có thể nhúng vào trong bê tông để đánh giá tốc tộ ăn mòn bằng thiết bị thương mại GEOCOR 06. Một titan hoạt hóa được sử dụng làm điện cực tham chiếu. Tốc độ ăn mòn được ước tính dựa trên các mẫu đối chứng thay vì dựa trên cốt thép trong cấu trúc. Điều này có nghĩa là thành phần kim loại được sử dụng trong cảm biến tương tự với thành phần cốt thép trong cấu trúc được kiểm tra.

Nhóm của Jin M. và Karthick S. trong các nghiên cứu của mình đã đề xuất sử dụng các cảm biến LPR đặt trong bê tông kết hợp cùng với các phép đo HCP để dánh giá tốc độ ăn mòn. Brown D.W. và cộng sự trong một nghiên cứu khác đề xuất một cảm biến dựa trên tấm mạch dẻo với cấu trúc ba điện cực tiêu chuẩn. Các điện cực được làm bằng vật liệu chống ăn mòn, như đồng mạ vàng.

Cần lưu ý rằng, trong một số trường hợp phương pháp LPR có thể dẫn đến sai số (tốc độ ăn mòn ước tính khác với tốc độ ăn mòn thực tế 2-4 lần) do việc tối giản hóa các tham số trong phương trình tính toán. Ngoài ra, sự khác biệt về tốc độ ăn mòn đều và cục bộ (có thể lên đến 10 lần), ảnh hưởng của điện trở suất bê tông và một loạt các yếu tố khác làm phức tạp hóa việc phân tích kết quả thu được. Tuy nhiên, tính thuận tiện và tốc độ đo đường cong phân cực tương đối nhanh giúp cho phương pháp LRP trở thành một công cụ mạnh mẽ để đánh giá tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông.

2.5. Cảm biến dựa trên kỹ thuật đo dòng xung (GPT)

Phương pháp GPT dựa trên việc ghi nhận những thay đổi về điện thế điện cực theo thời gian, khi áp vào hệ một dòng xung thấp (không lớn hơn 50 µА) hoặc sau khi tắt xung điện. Việc phân tích giản đồ điện thế theo thời gian dựa trên giả định rằng cơ chế của phản ứng điện hóa trên các thanh cốt thép được mô tả bằng một mạch tương đương Randles đơn giản. Sự thay đổi của điện thế có thể được mô tả bằng phương trình sau:

 

Trong đó E(t) là điện thế đo được, I_imp là cường độ dòng xung, t_½ là thời gian chuyển trạng thái, R_p là điện trở phân cực của phản ứng điện hóa, C_dl là điện dung lớp điện tích kép và R_Ω là điện trở Ohm của môi trường. Xác định được thời gian chuyển tiếp giúp đánh giá tình trạng ăn mòn của cốt thép trong bê tông (trạng thái thụ động hay hoạt hóa). Trong một số công trình đề xuất ngưỡng đánh giá: t_½ > 40 giây - trạng thái thụ động, t_½ < 25 giây - trạng thái ăn mòn.

Phương pháp GPT được sử dụng để đánh giá hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông từ cuối những năm 1980. Hiện tại, trên thị trường có một số thiết bị thương mại dựa trên phương pháp này như Gecor 8 và cảm biến GalvaPulse với vòng bảo vệ. Các thiết bị này được sử dụng để xác định các thông số ăn mòn trong phương trình (1) trực tiếp ngoài hiện trường với sự tham gia của các chuyên gia về ăn mòn. Hiện nay, chưa xuất hiện các hệ thống giám sát từ xa dựa trên các cảm biến này. Tuy nhiên, từ các dữ liệu thu được cho thấy phương pháp GPT có tính ổn định và chính xác hơn phép đo LPR trong các điều kiện bất lợi, khi không có thông tin về khu vực kiểm tra. Nó cũng ổn định và chính xác hơn HCP, LPR và EIS khi không có điện cực tham chiếu ổn định.

2.6. Cảm biến tổng trở điện hóa (EIS)

Tương tự như GTP, phương pháp EIS được sử dụng để giám sát không phá hủy trạng thái cốt thép trong bê tông từ những năm 1980. Phổ các thông số có thể xác định bằng phương pháp này khá rộng (điện trở suất của bê tông, cơ chế phản ứng, điện trở phân cực của phản ứng chuyển điện tích, điện dung của lớp điện tích kép,...). Gần đây, xuất hiện các hệ thống cảm biến có thể đo phổ EIS mà không cần tiếp xúc trực tiếp với cốt thép. Tuy nhiên, tính không đồng nhất của bê tông có thể gây ra độ nhiễu và cản trở việc phân tích kết quả EIS.

Như đã đề cập, nhóm của Jin M. đã đề xuất một cảm biến ba điện cực để đo phổ tổng trở điện hóa trong bê tông. Ahmadi J. và cộng sự cũng đã thu được phổ trở kháng bằng cách sử dụng cảm biến áp điện mà không cần phân cực các thanh cốt thép. Các tấm cảm biến được lắp đặt trên các thanh cốt thép nhúng trong bê tông. Các tác giả chứng minh rằng, các thiết bị đề xuất có thể xác định thời điểm bắt đầu ăn mòn và hướng lan rộng của quá trình ăn mòn, cũng như việc tính toán mức độ hao hụt khối lượng do ăn mòn gây ra từ cảm biến chính xác hơn so với phương pháp điện tích trong phương trình Faraday. Tuy nhiên, phương pháp EIS yêu cầu thiết bị phức tạp hơn so với phương pháp LPR, khiến cho tính ứng ngoài thực địa của phương pháp này bị hạn chế.

2.7. Cảm biến giám sát ion clorua

Các cảm biến đo nồng độ ion clorua hoặc độ pH có thể giúp đánh giá trạng thái ăn mòn BTCT trước khi quá trình phá hủy xảy ra. Mặc dù có những quan điểm khác nhau về nồng độ tới hạn của ion clorua gây ra ăn mòn cốt thép, nhưng các nhà nghiên cứu đồng ý với nhau rằng, tồn tại một nồng độ tới hạn như vậy. Do đó, việc giám sát tốc độ thẩm thấu của ion clorua qua lớp phủ bê tông và xác định nồng độ của chúng trên bề mặt cốt thép có thể là một phần quan trọng trong hệ thống giám sát tích hợp.

Hiện tại có nhiều phương pháp phá hủy tiêu chuẩn được sử dụng để đánh giá nồng độ ion clorua trong bê tông. Các phương pháp này liên quan đến việc lấy mẫu bê tông, sau đó phân tích các dung dịch nước chiết thu được từ bê tông nghiền nhỏ bằng các phương pháp chuẩn độ hoặc đo điện thế. Các phương pháp như vậy không thể áp dụng để theo dõi liên tục vì chúng phá hủy lớp vỏ bê tông. Cảm biến ion clorua không phá hủy có thể được chia thành ba nhóm chính theo nguyên tắc hoạt động của chúng: đo điện trở suất của bê tông, điện cực chọn lọc ion clorua và cảm biến sợi quang. Loại đầu tiên là phần mở rộng của phương pháp đo điện trở suất. Dưới đây trình bày chi tiết về hai loại còn lại.

Các cảm biến ion Cl^- có thể nhúng vào bê tông là các điện cực chọn lọc ion clorua, ví dụ như điện cực Ag/AgCl. Các điện cực chọn lọc ion ổn định về mặt hóa học trong môi trường xâm thực và dễ sản xuất. Tuy nhiên, một số yếu tố có thể làm nhiễu phép đo, gây ra sai số, như sự thay đổi nhiệt độ và độ pH, ảnh hưởng của điện trường. Ngoài ra, một số cảm biến xuống cấp rất nhanh do suy giảm dung dịch điện phân.

Im H. và cộng sự đề xuất một cảm biến dựa trên các tấm sắt mỏng (1,5 mm) được cố định song song với nhau ở khoảng cách 1 mm trên đế polyetylen terephthalate. Kim loại được phủ một màng trao đổi anion nhạy với ion clorua. Nghiên cứu đã chứng minh rằng nồng độ ion clorua có thể xác định lên tới ≈1,2 M. Mặc dù cảm biến có độ nhạy và khả năng hiệu chuẩn tốt, nhưng nó có độ bền cơ học thấp và xuống cấp nhanh khi nồng độ ion clorua cao vượt ngưỡng. Do đó, các cảm biến như vậy gặp khó khăn khi làm việc trong môi trường bê tông hoặc vữa. Mục đích của các nghiên cứu sâu hơn sẽ giúp tăng cường độ bền của cảm biến.

Leung C. và cộng sự đã phát triển cảm biến sợi quang dựa trên sợi Nufern 780-HP được phủ một màng sắt có độ dày từ 25 đến 350 nm để đo nồng độ ion clorua và xác định giá trị ngưỡng tới hạn. Các chỉ số đo được của cảm biến phù hợp với kết quả thu được bằng phương pháp đo dòng galvanic macro. Tuy nhiên, các tác giả không cung cấp bất kỳ thông tin nào về việc hiệu chuẩn cảm biến liên quan đến nồng độ thực tế của ion clorua tự do được xác định bằng các phương pháp truyền thống (chuẩn độ hoặc đo điện thế). Do đó, nghiên cứu không cung cấp thông tin về ngưỡng độ nhạy của cảm biến. Nhóm của Laferriere F. đã nghiên cứu cảm biến dựa trên hiện tượng huỳnh quang của chất chỉ thị lucigenin, nhạy cảm với ion clorua ở vùng ánh sáng xanh. Nghiên cứu đã chứng minh khả năng phát hiện chính xác ion clorua trong khoảng nồng độ từ 0,03 đến 0,35 M.

2.8. Cảm biến đo pH

Sự suy giảm độ pH trong bê tông có thể do quá trình cacbonat hóa (một phản ứng giữa carbon dioxit và canxi hydroxit, một thành phần của đá xi măng), dẫn đến sự phát triển của hiện tượng ăn mòn đều cốt thép. Khi xảy ra ăn mòn cục bộ do ion clorua, tồn tại một tỷ lệ tới hạn giữa nồng độ của các ion clorua và hydroxit. Do đó, việc kiểm soát độ pH của bê tông đóng vai trò quan trọng để theo dõi toàn diện trạng thái của cốt thép.

Trong công trình của mình, Behnood A. và cộng sự nêu chi tiết nhiều cách khác nhau để đánh giá độ pH của bê tông, phân loại chúng và xem xét ưu nhược điểm của từng phương pháp. Một số cấu trúc cảm biến nổi tiếng đo pH: ionsensitive-field-effect transistor, sợi quang, màng hydrogel và cảm biến pH thể rắn.

Các cảm biến dựa trên điện cực chọn lọc ion có khả năng làm việc bền vững trong bê tông thường sử dụng các oxit kim loại của iridi, bạch kim, palladi, rhodi, titan, thiếc, nhôm và rheni. Huang và cộng sự W.D. đã đề xuất một cảm biến pH linh hoạt dựa trên oxit iridi. Các điện cực thường được phủ theo phương pháp phun, mạ điện hay oxy hóa. Mặc dù có độ bền cơ học cao, nhưng ảnh hưởng của lực ion tổng thể đối với chỉ số của các điện cực như vậy cần được nghiên cứu và thảo luận thêm.

Korostynska O. và cộng sự đề xuất sử dụng cảm biến sợi quang để đo độ sâu của quá trình cacbonat hóa trong bê tông. Nhóm của Khalil G.E. đã nghiên cứu sử dụng mesotetraarylporpholactone làm chất chỉ thị màu và chứng minh rằng nó có thể được sử dụng trong phạm vi рН 11,5-13,2. McPolin D.O. và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng sol-gel dựa trên cresol đỏ với dải рН 8-13. Hạn chế chính đối với việc sử dụng cảm biến sợi quang trong bê tông là phạm vi hẹp của giá trị pH xác định, thường dưới 12. Đối với một số điện cực, vượt ngưỡng pH làm phá hủy các nhóm mang màu.

Cho đến gần đây, chỉ có các phương pháp điện hóa mô tả ở trên được sử dụng để theo dõi trạng thái ăn mòn cốt thép trong bê tông, đặc biệt là các phương pháp HCP, CR và LPR. Do đó, chúng được tiêu chuẩn hóa và đưa vào các quy định khác nhau. Trên thị trường có nhiều thiết bị thương mại dựa trên các phương pháp này. Hiện tại, chưa có các tài liệu quy định mô tả các tiêu chí thiết kế và tiêu chuẩn đánh giá cụ thể đối với các phương pháp điện hóa khác và các cảm biến dựa trên chúng để giám sát liên tục không phá hủy trạng thái ăn mòn cốt thép. Một mặt, điều này tạo cơ hội cho các phát kiến mới. Mặt khác, nó làm chậm sự phát triển của các thiết bị thương mại dựa trên các phương pháp này. Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu trong lĩnh vực này là thống nhất và tiêu chuẩn hóa các phương pháp hiện có.

3. Các phương pháp vật lý

Ứng dụng các phương pháp vật lý để theo dõi trạng thái ăn mòn cốt thép chỉ mới trở thành tâm điểm nghiên cứu trong thời gian gần đây (khoảng 10-15 năm) và nhiều thiết bị chỉ mới xuất hiện ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc ở dạng nguyên mẫu. Dưới đây trình bày các phương pháp vật lý và các cảm biến phổ biến dựa trên chúng.

3.1. Cảm biến sợi quang (FOS)

Nguyên lý làm việc của cảm biến FOS dựa trên sự thay đổi các tính chất quang học của ánh sáng khi truyền qua môi trường thủy tinh hoặc sợi hữu cơ. Tùy thuộc vào nhiệt độ hoặc sự biến dạng của sợi, có thể xảy ra những thay đổi về bước sóng, mật độ dòng năng lượng, tần số, phân cực hoặc pha. Do đó, có thể đánh giá các biến dạng xảy ra trong bê tông do tích tụ các sản phẩm ăn mòn ở ranh giới pha cốt thép/bê tông. FOS rất có triển vọng trong việc theo dõi hiện tượng ăn mòn các thanh cốt thép trong bê tông dựa trên độ bền ăn mòn và độ bền hóa học, cũng như khả năng chống nhiễu từ các nguồn bức xạ từ bên ngoài, độ chính xác và tính đơn giản của chúng. Hiện tại, các cảm biến FOS phổ biến như cảm biến cách tử sợi quang biến dạng (FBG), cảm biến cách tử sợi quang phản xạ (LPFG) và cảm biến đo phản xạ miền thời gian quang học Brillouin.

Cảm biến cách tử sợi quang biến dạng (FBG)

Cảm biến FBG nhạy cảm với những thay đổi về hệ số phản xạ và cách tử dọc theo trục sợi quang. Theo dõi những thay đổi trong tín hiệu phản xạ đến từ cách tử giúp ước tính độ tăng khối lượng sản phẩm ăn mòn. Việc áp dụng các cảm biến FBG để theo dõi hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông được thảo luận tích cực từ những năm 2010. Kỹ thuật này có nhiều triển vọng. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào vật liệu sợi quang và cách triển khai các cảm biến trong mẫu bê tông. Mao J. và cộng sự đã đề xuất sử dụng sợi cách tử Bragg phủ nhựa epoxy để bảo vệ. Cảm biến có khả năng chịu tác động cơ học và có khả năng xác định các vết nứt. Tuy nhiên, các tác giả không cung cấp dữ liệu hiệu chuẩn về mối quan hệ giữa độ biến dạng trong bê tông và bước sóng. Nhóm của Hu W. đã sử dụng các cảm biến có hai lớp phủ (lớp bên trong dựa trên kim loại Ag và lớp ngoài từ Fe-C). Nghiên cứu đã chứng minh tốc độ ăn mòn thay đổi tùy thuộc vào nguồn ion clorua (ngâm hoàn toàn hay thẩm thấu qua hiện tượng mao dẫn). Tuy nhiên, các tác giả không đưa ra kết quả hiệu chuẩn. Ngoài ra, lớp màng trên bề mặt cảm biến bị hư hỏng một phần do ăn mòn. Trong các nghiên cứu trên, các cảm biến được cố định xung quanh các thanh cốt thép. Trong nghiên cứu của Chen W. và Dong X. mặc dù không chỉ rõ loại cảm biến sử dụng, nhưng đã mô tả các chức năng của phần mềm ANSYS và đề xuất hệ số chuyển đổi giữa bước sóng và độ biến dạng. Họ chỉ ra rằng, hệ số này phụ thuộc vào độ dày của lớp phủ bê tông và gần bằng 0,829 khi độ dày lớp phủ gấp 5 lần đường kính cốt thép. Gao J. và cộng sự đã cố định các cảm biến vuông góc với trục của các thanh cốt thép. Nhóm nghiên cứu đã thu được mối quan hệ giữa sự thay đổi bước sóng phản xạ từ cách tử và bậc biến dạng do hình thành các sản phẩm ăn mòn dựa trên dữ liệu đo độ hao hụt khối lượng. Các tác giả cũng xác định giai đoạn hoạt hóa ăn mòn (khi chỉ số của cảm biến không thay đổi) và thời điểm phát triển ăn mòn (tín hiệu thay đổi tuyến tính theo thời gian).

Một vấn đề không kém phần quan trọng là bảo vệ các cảm biến loại này khỏi tác động cơ học xảy ra trong quá trình xây dựng và tác động trọng lực của bê tông. Almubaied O. và cộng sự đề xuất đặt một lớp lót polystyrene mở rộng giữa các thanh cốt thép và bê tông. Mặc dù, giải pháp này giúp bảo vệ khả năng làm việc của sensor nhưng nhóm tác giả chưa xét đến sự suy giảm độ bám dính giữa bê tông và cốt thép, cũng như ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của toàn bộ kết cấu. Jaafar M.M. và cộng sự đã sử dụng cảm biến Photronix Technologies (M) Sdn. Bhd. với các loại bê tông khác nhau với lớp phủ bảo vệ từ gel silicone. Các tác giả đã xác định mối tương quan giữa sự dịch chuyển bước sóng Bragg và độ thay đổi HCP, được sử dụng như một phương pháp tham chiếu. Phương pháp này cho thấy các cảm biến hoạt động không dưới một năm trong điều kiện xảy ra ăn mòn nhanh. Li W. và cộng sự đã thử nghiệm cảm biến FBG với lớp bảo vệ epoxy và cảm biến nhiệt độ cùng với cảm biến sóng âm (AE, Micro-II Digital AE System, Physical Acoustic Corp, West Windsor Township, NJ, USA). Sự hình thành các vết nứt trong bê tông được ghi nhận thông qua hiện tượng phát xạ sóng âm và độ tăng dự ứng lực do tích tụ sản phẩm ăn mòn được giám sát bằng phương pháp FBG. Nghiên cứu cho thấy sự thống nhất giữa các kết quả đo, chứng tỏ phương pháp này có triển vọng cho việc giám sát ăn mòn BTCT. Đến cuối thử nghiệm, các cảm biến vẫn còn nguyên vẹn. Như vậy, có thể kết luận rằng các lớp phủ bảo vệ bền với môi trường kiềm của bê tông và có thể bảo vệ cảm biến FBG khỏi ăn mòn và phá hủy.

Trong công trình của mình Luo D. và cộng sự đã chứng minh rằng các cảm biến FBG có thể cung cấp thông tin về quá trình ăn mòn khi lượng sản phẩm ăn mòn tăng 3-4 lần so với trạng thái ban đầu. Nói cách khác, tồn tại khả năng đánh giá mức độ ăn mòn ở giai đoạn phát triển. Phương pháp không ghi nhận được thời điểm chuyển đổi giữa trạng thái thụ động và bắt đầu ăn mòn, và do đó, không thể áp dụng các biện pháp phòng ngừa để khôi phục lại trạng thái thụ động. Cũng nên lưu ý rằng các cảm biến FBG có phạm vi hoạt động khá giới hạn trong các cấu trúc. Một số lượng lớn các cảm biến được yêu cầu để giám sát các cấu trúc lớn. Hơn nữa, ở thời điểm hiện tại, các cảm biến như vậy khá đắt tiền và để sử dụng rộng rãi trong việc giám sát cấu trúc BTCT cần phải tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu cảm biến để giảm giá thành sản xuất.

3.2. Cảm biến sóng đàn hồi

Độ thấm từ tương đối giữa thép và các thành phần khác của BTCT, bao gồm cả sản phẩm ăn mòn cốt thép, khác nhau đáng kể (hơn 100 lần). Bằng cách theo dõi sự khác biệt này, có thể xác định giai đoạn bắt đầu và phát triển của quá trình ăn mòn. Các cảm biến sóng đàn hồi hoạt động dựa trên hiệu ứng này.

Xie L. và cộng sự đã thử nghiệm cảm biến sóng âm bề mặt (SAW). Cảm biến bao gồm hai bảng mạch in có lưới phản xạ và bộ chuyển đổi xen kẽ (cả hai đều được làm bằng vàng) được phủ một lớp bảo vệ để ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch (trong trường hợp lớp sản phẩm ăn mòn phát triển). Cảm biến được nhúng trong bê tông gần với các thanh cốt thép. Nhóm tác giả đã trình bày kết quả đánh giá định lượng tốc độ ăn mòn. Tuy nhiên, tác giả đã không thực hiện hiệu chỉnh liên quan đến sự suy giảm khối lượng hoặc tiết diện thực tế của cốt thép. Cấu trúc của cảm biến cho phép nó hoạt động mà không cần nguồn điện bổ sung và truyền dữ liệu qua kênh không dây. Để sử dụng các cảm biến như vậy tại chỗ, cần phải tối ưu hóa cấu trúc để giúp triển khai chúng trên các thanh cốt thép dễ dàng hơn. Và cũng cần nghiên cứu các vật liệu thay thế khác để làm lưới phản xạ (rẻ hơn vàng).

Sharma A. và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng kết hợp cảm biến sóng âm thanh (AE) và kỹ thuật sóng dẫn hướng siêu âm (UGW). Các cảm biến UGW được triển khai trên các thanh cốt thép trong quá trình sản xuất BTCT. Những cảm biến này tỏ ra hiệu quả trong việc phát hiện giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn, khi bê tông chưa có vết nứt và phương pháp AE không hoạt động. Khi hình thành và phát triển các vết nứt nhỏ, phương pháp AE có độ chính xác cao khi xác định các vùng khuyết tật bên trong trước khi chúng xuất hiện trên bề mặt bê tông. Các tác giả triển khai các cảm biến AE trong suốt thời gian nghiên cứu. Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy triển vọng xa hơn của phương pháp này. Các nghiên cứu được lặp lại bởi nhóm Amiri A.S. cho thấy sự thống nhất tốt giữa các phương pháp UGW và HCP.

Các cảm biến loại này rất nhạy cảm với các nguồn nhiễu từ bên ngoài. Ngoài ra, trong một số trường hợp gặp khó khăn trong việc xác định mối quan hệ giữa mức độ ăn mòn và cường độ tín hiệu, đặc biệt là trong giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn, khi các khuyết tật trong bê tông chưa xuất hiện. Một số nghiên cứu tiếp theo được thực hiện để giải quyết vấn đề này, nhưng vẫn chưa có giải pháp cuối cùng để đưa các cảm biến này vào ứng dụng trong thực tế. Ngoài ra, cũng cần xác định phương pháp tối ưu để triển khai các cảm biến, cũng như diễn giải dữ liệu từ các công trình lớn,...

Du C. và cộng sự đã phân tích các cảm biến quang âm toàn quang với sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành sóng siêu âm. Các cảm biến dựa trên vật liệu tổng hợp nano vàng và sợi quang đa nhiệm. Các cảm biến được gắn trên bề mặt các thanh cốt thép. Độ nhạy của hệ thống cho phép các tác giả xác định độ hụt khối do ăn mòn từ 0,02 g.

Cảm biến áp điện

Phương pháp siêu âm với việc sử dụng các cảm biến áp điện nhúng trong bê tông đang dần trở thành một giải pháp phổ biến để theo dõi hiện tượng ăn mòn của thép trong kết cấu BTCT. Cảm biến áp điện tạo ra các sóng âm bề mặt dưới tác động của điện thế. Peng J. và cộng sự đã đề xuất một cảm biến áp điện dựa trên vật liệu gốm (chì zirconate titanate) và các vật liệu composite để bảo vệ cảm biến, chắn các tín hiệu nhiễu và tăng cường tín hiệu của cảm biến. Các tác giả đã đánh giá trạng thái ăn mòn và mức độ hư hỏng cốt thép dựa trên biên độ của tín hiệu. Tác giả cho rằng nhược điểm chính của phương pháp này là tính đơn hướng của việc truyền và nhận tín hiệu, điều này gây khó khăn cho việc diễn giải dữ liệu trong môi trường ăn mòn thực tế với các thanh cốt thép được bố trí theo nhiều hướng khác nhau. Trong các công trình tiếp theo, nhóm nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề này.

Peng J. và cộng sự trong một nghiên cứu khác đã phân tích các cảm biến dựa trên chì titanate zirconate và Fe, Mn, Ca (loại PZT-4) và La, Nb (loại PZT-5) biến tính. Su D. và cộng sự đã đề xuất một mạng cảm biến không dây tự cấp năng lượng để giám sát tự động quá trình ăn mòn cốt thép. Các tác giả đã sử dụng cảm biến áp điện không dây tự cấp nguồn. Các tác giả dự đoán tốc độ ăn mòn dựa trên mô hình hóa và theo dõi dữ liệu ăn mòn trong 5 năm.

Nhóm nghiên cứu của Sriramadasu R.C. đã sử dụng cảm biến áp điện phiến mỏng dựa trên gốm sứ PI Ceramic (PIC 151) với sóng siêu âm dẫn hướng. Nghiên cứu đã đánh giá các đặc trưng tín hiệu của chế độ sóng dẫn hướng dọc và uốn từ các cảm biến gắn trên bề mặt thanh cốt thép. Các tác giả đã xác định được giai đoạn bắt đầu và phát triển ăn mòn. Các đặc trưng định lượng của quá trình phá hủy kim loại sẽ là trọng tâm của các nghiên cứu tiếp theo.

Kaur N. và Bhalla S. đã nghiên cứu các cảm biến áp điện dựa trên chip AD5933 được nhúng trong bê tông. Thiết bị cung cấp thông tin về những biến dạng bên trong bê tông và thu thập đủ năng lượng để hỗ trợ chip làm việc và truyền dữ liệu mà không cần sử dụng nguồn điện bên ngoài. Kocherla A. và cộng sự đã chứng minh rằng có thể sử dụng phương pháp này để xác định các vết nứt nhỏ hơn 10 μm. Chen J. và cộng sự đã nghiên cứu các cảm biến thương mại có sẵn Model No. GU14095A0-25TR-L42 (Shenzhen Yinghai, Ltd., Shenzhen, China). Các tác giả tin rằng cảm biến áp điện có triển vọng hơn cảm biến siêu âm do giá thành thấp hơn.

Xu Y. và Tang T. đã nghiên cứu cảm biến dựa trên gốm PZT 5. Các tác giả thu được độ chụm tốt trong kết quả về biên độ tương đối của tín hiệu đo được và tốc độ ăn mòn, khi tổn thất tiết diện cốt thép trong khoảng từ 0 đến 7%. Với mức độ phá hủy nghiêm trọng hơn, kết quả thu được có sự khác biệt do độ bám dính giữa các thanh cốt thép và bê tông giảm do tích tụ các sản phẩm ăn mòn. Cảm biến sóng âm thường nhạy hơn FOS trong giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn, khi lượng sản phẩm ăn mòn còn chưa lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng các cảm biến như vậy trong các cấu trúc ngoài thực tế vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết do độ nhạy cao của chúng với tiếng ồn. Các nghiên cứu sâu hơn có thể phát triển các phương pháp hiệu quả để loại bỏ tiếng ồn và đưa ra các giải pháp thương mại hóa.

3.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall trong trường điện từ

Tính thấm từ của thép carbon cao hơn 100 lần so với các thành phần khác, như bê tông, nước, không khí và oxit sắt. Có thể ước tính sự hình thành các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt các thanh cốt thép bằng cách đo các tính chất từ của hệ thống. Các cảm biến phổ biến được sử dụng cho các phép đo như vậy là cảm biến hiệu ứng Hall.

Zhang J. và cộng sự đã sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall (SS495A) trong trường điện từ (EMMA). Các tác giả đã cố định lần lượt ba cảm biến hiệu ứng Hall ở một khoảng cách gần với thanh cốt thép và nhúng cấu trúc vào bê tông. Cảm biến đầu tiên được cố định gần thanh cốt thép hơn với các cực của nam châm điện nằm ở các đầu thanh. Các phương pháp HCP và AE được sử dụng để tham chiếu. Các tác giả đã thu được mối quan hệ tuyến tính giữa độ sụt giảm khối lượng của kim loại và sự gia tăng điện áp được phát hiện bởi cảm biến hiệu ứng Hall do cảm ứng từ thay đổi.

Li Z. và cộng sự đã phát triển một hệ thống EMMA với 24 cảm biến hiệu ứng Hall và nam châm điện hình chữ U xung quanh cấu trúc được kiểm tra. Hệ thống được sử dụng để phát hiện sự hình thành các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt cốt thép. Kết quả đồng nhất với kết quả phép đo EIS. Tuy nhiên, độ chính xác khi phát hiện hiện tượng ăn mòn đều cao hơn so với ăn mòn cục bộ. Nam châm điện hình chữ U được đề xuất chỉ có thể áp dụng tại các vị trí của các cột và thanh cho phép bố trí ba nguồn điện từ trường xung quanh. Nếu không, sẽ cần phải sửa đổi hệ thống hoặc áp dụng các kỹ thuật giám sát khác.

Các tác giả cũng phân tích việc sử dụng kết hợp cảm biến điện từ và cảm biến sóng âm bề mặt. Các cảm biến AE được sử dụng để phát hiện các vết nứt trong bê tông do các sản phẩm ăn mòn gây ra. Nghiên cứu đã chứng minh rằng có sự phù hợp tốt giữa kết quả đo và tình trạng thực tế của cấu trúc được kiểm tra. Trong các nghiên cứu mới nhất, các tác giả tập trung vào ứng dụng kết hợp cảm biến điện từ và kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số. Sự kết hợp giữa các phương pháp vật lý và hình ảnh được xử lý bằng máy tính về tình trạng bề mặt giúp nâng cao khả năng chẩn đoán của hệ thống. Các cảm biến được tối ưu hóa dưới dạng bảng mạch nhỏ gọn và có tiềm năng thương mại hóa. Kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số có thể được sử dụng để kiểm tra một khu vực tùy ý do người vận hành lựa chọn, trong khi hệ thống EMMA chỉ giám sát các vùng có đặt cảm biến.

Kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số là một phương pháp giám sát có công nghệ tiên tiến. Khi các camera ghi lại hình ảnh và video được triển khai chính xác, việc giám sát có thể được thực hiện từ xa. Kết quả tương tự thu được khi sử dụng kỹ thuật phân tích ảnh nhiệt được mô tả bởi các nhóm nghiên cứu của Na S., Kobayashi K., Kato Y. Trong nghiên cứu của mình, Omar T. và Nehdi M.L. đã phân tích hệ thống ảnh nhiệt do một phương tiện bay không người lái mang theo để giám sát trạng thái của các cây cầu.

Các phương pháp vật lý được phân tích ở trên và các cảm biến dựa trên chúng cho phép đánh giá chính xác sự tích tụ của các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt của các thanh cốt thép trong bê tông ở giai đoạn phát triển ăn mòn. Tuy nhiên, chúng ít nhạy cảm hơn trong giai đoạn hoạt hóa ăn mòn khi lớp sản phẩm ăn mòn còn chưa lớn. Dựa trên điều này, các giải pháp hứa hẹn nhất dường như là các hệ thống giám sát tích hợp với sự kết hợp các cảm biến điện hóa (được sử dụng để phát hiện thời điểm bắt đầu ăn mòn) và các phương pháp vật lý (được sử dụng để phân tích và dự đoán quá trình phát triển ăn mòn, giai đoạn nứt, bong tróc bê tông).

4. Hệ thống cảm biến tích hợp

Độ bền của BTCT phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do đó, các hệ thống giám sát lý tưởng là các hệ kết hợp nhiều cảm biến đo các thông số hóa lý khác nhau theo thời gian thực. Các hệ thống phù hợp nhất để giám sát các cấu trúc BTCT là các hệ thống mô-đun tích hợp. Cơ sở lý thuyết cho các hệ thống như vậy là một mô hình ăn mòn tổng quát cho thép trong bê tông bao gồm tất cả các giai đoạn của quá trình này.

Duffó G.S. và Farina S.B. đã đề xuất các cảm biến đa chức năng, có thể sử dụng để theo dõi HCP, tốc độ ăn mòn (sử dụng phương pháp LPR), điện trở suất bê tông, nồng độ ion clorua và nhiệt độ (Hình 4a). Các tác giả đã thiết kế phần mềm chuyên dụng để phát hiện thời điểm chuyển tiếp từ trạng thái thụ động sang ăn mòn cốt thép. Các tác giả nhấn mạnh rằng hệ thống này có chi phí thấp và có thể được áp dụng cho cả cấu trúc mới và đang cải tạo. Hệ thống đã được thử nghiệm tại chỗ trên một cấu trúc mô hình lớn. Các thanh titan từ hệ thống bảo vệ catot tiêu chuẩn được sử dụng làm điện cực tham chiếu. Bề mặt của các thanh đã được biến tính bằng iridi và tantali.

Martínez I. và Andrade C. đã thử nghiệm với các cảm biến có chức năng tương tự. Các cảm biến được nhúng trong các khối bê tông và trong một cây cầu thực. Các điện cực tham chiếu là các hệ thống dựa trên Ti, MnO₂, Ag và Pb. Lu S. và Ba H.J. đã thử nghiệm trong phòng thí nghiệm một hệ thống đa cảm biến, có thể theo dõi HCP, dòng macro, nồng độ ion clorua, điện trở suất bê tông và tốc độ ăn mòn (phương pháp LPR) cùng lúc.

Yu H. và Caseres L. đã phát triển một hệ thống nhiều điện cực có thể sử dụng để theo dõi nồng độ ion clorua, HCP, рН, điện trở suất bê tông (với đầu dò Wenner) và tốc độ ăn mòn (phương pháp LPR). Các mẫu đối chứng được sử dụng để theo dõi độ hụt khối. Hệ thống được thử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm trên các mẫu bê tông. Qiao G. và cộng sự đã sử dụng cảm biến năm điện cực với hai điện cực than chì (điện cực tham chiếu và điện cực đối) và ba điện cực làm việc làm bằng thép carbon thấp. Chúng được sử dụng để ước tính HCP, GPT và độ ồn điện hóa (Hình 4b). Các tác giả cũng đã thiết kế phần mềm để xử lý tín hiệu nhiễu. Kết quả thu được có độ chính xác cao.

Ngoài ra, còn có các nghiên cứu kết hợp hiệu quả các phương pháp điện hóa và vật lý. Arndt R.W. và cộng sự đã sử dụng cảm biến galvanic macro bậc thang, radar xuyên đất và đo ảnh nhiệt cảm ứng chủ động để phát hiện ăn mòn các thanh cốt thép trong mẫu bê tông. Phương pháp HCP được sử dụng để so sánh. Các kết quả thu được cho phép đánh giá chính xác hơn trạng thái BTCT.

Jeong J.A. và Kim M. đã thử nghiệm cảm biến bốn điện cực để theo dõi đồng thời HCP, CR và mật độ dòng ăn mòn bằng phương pháp LPR (Hình 4c). Điện cực titan được platin hóa được sử dụng làm điện cực tham chiếu. Ramón J.E. và cộng sự đã đề xuất mạng cảm biến tích hợp để theo dõi ăn mòn thông minh (INESSCOM) và thử nghiệm trên một mô hình. Hệ thống có cấu trúc dạng hệ pin ba điện cực tiêu chuẩn (với một số điện cực làm việc) và phương thức truyền tín hiệu mới cho phép đo đồng thời điện trở suất của bê tông và mật độ dòng ăn mòn.

Trong nghiên cứu này chưa xem xét đến một số phương pháp như phương pháp phân tích sóng Harmonic và độ ồn điện hóa, vì chưa xuất hiện các cảm biến giám sát dựa trên chúng.

Hình 4. Ví dụ về cảm biến tích hợp: (a) Duffó G.S. và Farina S.B., (b) Qiao G. và cộng sự, (c) Jeong J.A. và Kim M.

5. Kết Luận

Các phương pháp điện hóa không phá hủy để đánh giá trạng thái của cốt thép trong bê tông đã được nghiên cứu trong khoảng 50 năm qua. Nhiều tiêu chuẩn và quy định đã xuất hiện, cũng như một loạt các hệ thống sensor thương mại ra đời giúp thực hiện việc giám sát tại chỗ. Đây là lý do tại sao các cảm biến dựa trên phương pháp điện hóa thường được sử dụng hơn để giám sát các cấu trúc ngoài thực tế.

Các phương pháp giám sát vật lý không phá hủy để phát hiện ăn mòn các thanh cốt thép đã được nghiên cứu chi tiết trong khoảng 10-15 năm qua. Kết quả đã chứng minh rằng các phương pháp này có nhiều triển vọng và có thể được sử dụng trong các hệ thống giám sát. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trước khi có thể đưa các phương pháp này vào các sản phẩm thương mại. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ giúp tiêu chuẩn hóa các quy trình ứng dụng nhằm nâng cao hiệu quả giám sát.

Các hệ thống giám sát đa năng dựa trên các cảm biến kết hợp các phương pháp điện hóa và vật lý đã cho thấy tính hiệu quả trong nhiều nghiên cứu. Việc lựa chọn phương án tích hợp cụ thể dựa trên mức độ phức tạp và tầm quan trọng của cấu trúc, điều kiện xâm thực và tính khả thi về mặt kinh tế của các phương pháp.

Nguồn: https://www.mdpi.com/1424-8220/22/9/3421

Người dịch: Cao Nhật Linh (Chi nhánh Ven biển)