Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 385 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔ[.]
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Đào Văn Dinh Trường Đại học Giao thơng vận tải Tóm tắt Kết cấu bê tông cốt thép tác động mơi trường theo thời gian bị suy thối dần xâm nhập ion Clo CO2 vào bê tơng gây ăn mịn thép Hiện biến đổi khí hậu diễn mạnh mẽ kết nước biển dâng cao nồng độ CO2 khơng khí tăng nhanh Đây yếu tố làm thúc đẩy nhanh tốc độ suy thoái kết cấu BTCT giảm độ bền chúng Bài báo giới thiệu ảnh hưởng biến đổi khí hậu mà cụ thể việc tăng nồng độ khơng khí đến độ bền kết cấu bê tơng cốt thép Từ khóa: Bê tơng cốt thép; Thời gian khởi đầu ăn mịn; Cacbonat hóa; Biến đổi khí hậu Abstract Research of climate change impacts on the durability of reinforced concrete structures Reinforced concrete structures under the influence of the environment over time will gradually degrade due to the penetration of Chloride and CO2 into the concrete and cause steel corrosion At present, climate change is taking place strongly, resulting in sea level rise and the concentration of CO2 in the air increasing very rapidly These are factors that accelerate the degradation rate of reinforced concrete structures and reduce their durability This paper introduces the influence of climate change, namely the increase of concentration CO2 in the air on the durability of reinforced concrete structures Keywords: Reinforced concrete; Initiation of corrosion; Carbonated induced steel corroson; Climate change Đặt vấn đề Các kết cấu bê tông cốt thép tác động mơi trường bị suy thối dần. Cơ chế hư hỏng thường gặp bao gồm sự ăn mịn cốt thép, tấn cơng sulfate, phản ứng kiềm cốt liệu, từ biến co ngót và các hiệu ứng nhiệt độ Trong yếu tố trên, cacbonat hóa gây ra ăn mòn cốt thép là một nguyên nhân gây suy giảm của các kết cấu bê tơng. Ăn mịn cốt thép dẫn đến nứt, vỡ tách lớp bê tơng bảo vệ Ăn mịn cốt thép làm giảm diện tích tiết diện cốt thép, mất dính bám giữa các cốt thép và bê tơng và sau đó giảm sức kháng kết cấu Kết quả là giảm sự an toàn và khả phục vụ của kết cấu bê tông và rút ngắn tuổi thọ sử dụng chúng Cacbonat hóa đề cập đến loạt q trình liên quan đến khuếch tán khí cacbon dioxide khí vào bê tơng, sau phản ứng với sản phẩm có tính kiềm xi măng thuỷ hoá dẫn đến việc giảm độ pH nước lỗ rỗng từ giá trị lớn 12,6 (13,5 trường hợp OPC) đến mức độ 9.0 dẫn đến phá vỡ màng thụ động cốt thép gây ăn mòn cốt thép [2] Q trình cacbonat hóa khơng phụ thuộc vào thành phần bê tông, nhiệt độ độ ẩm mà cịn phụ thuộc vào nồng độ CO2 khơng khí Các kịch biến đổi khí hậu dự báo nồng độ CO2 khơng khí tăng theo năm Bài báo giới thiệu ảnh hưởng biến đổi khí hậu mà cụ thể việc tăng nồng độ khơng khí đến độ bền kết cấu bê tông cốt thép Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 385 Dự báo thời gian khởi đầu ăn mịn thép cacbonat hóa gây Mơ hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép cacbonnat hóa gây dựa định luật thứ Fick khuếch tán Khối lượng CO2 xâm nhập vào bê tông chênh lệch nồng độ CO2 khơng khí bên ngồi bê tơng thể sau: ∆CCO2 (1) dt x Trong đó: dQ khối lượng khuếch tán cacbon dioxide (kg); A - diện tích xâm nhập (m2); ∆CCO chênh lệch nồng độ cacbon dioxide (kg/m3); x khoảng cách (m); dt bước thời gian (x); DCO2 hệ số khuếch tán cacbon dioxide (m2/s) dQ = DCO2 A Carbon dioxide khuếch tán vào phản ứng với hydroxit canxi, hydroxit kali hydroxit natri bê tông Theo hình thức đơn giản, q trình mơ phương trình (2) dQ=a.A.dx Trong đó: a khả liên kết CO2 bê tông (kg/m3); Từ phương trình phương trình ta được: x= dx DCO2 a ∆CCO2 dt (3) Trường hợp DCO2 ; ∆CCO2 số t, lấy tích phân hai vế phương trình ta được: DCO2 = Xc a ∆CCO2 t (4) Xc chiều sâu cacbonnat hóa; a khả liên kết CO2 bê tông; 2.1 Các tham số để xác định thời gian khởi đầu ăn mòn cacbonat 2.1.1 Hệ số khuếch tán CO2 bê tông Hệ số khuếch tán CO2 bê tơng xác định thí nghiệm chuẩn thí nghiệm tăng tốc cacbonat Hệ số khuếch tán dự báo theo thành phần bê tông đề xuất Papadakis sau [4] De,CO2 ec 6.1×10−6 = wc w p w w + + rc r p r w H 1 − 100 2.2 (5) Trong đó: ec độ xốp bê tơng ,wc, wp, ww hàm lượng xi măng, vật liệu phụ gia nước; rc, rp, rw tỷ trọng xi măng, phụ gia nước tương ứng; H = 65 độ ẩm môi trường thí nghiệm chuẩn, tính % a Ảnh hưởng bảo dưỡng Thời gian bảo dưỡng ảnh hưởng tới khuếch tán CO2 vào bê tông Hệ số ảnh hưởng bảo dưỡng kí hiệu kc lấy theo FiB 2006 [1] sau: t kc = c 7 386 bc (6) Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững tc số ngày bảo dưỡng bê tông (ngày); bc số mũ hồi quy, bc=-0,567; b Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán, nhiệt độ cao khuếch tán nhanh Phương trình Arrhenius cơng thức đơn giản, xác, cho phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng Phương trình đề xuất Svante Arrhenius vào năm 1889 Dựa phương trình Arrhenius quan hệ hệ số khuyếch tán clo với nhiệt độ mô tả phương trình sau: U 1 = D(T ) Dt0 exp = − Dt0 f (T ) R Tref Ttd U 1 = f (T ) exp − R Tref Ttd (7) (8) Trong đó: D(T) hệ số khuyếch tán thời điểm t nhiệt độ T Dt0 hệ số khuyếch tán thời điểm t0 nhiệt độ Ti = 293.15K (20 0C) U lượng kích hoạt q trình khuyếch tán (= 35.000 J/mol) R số khí (= 8,314 JK−1mol−1) Ttd nhiệt độ tuyệt đối (K) c Ảnh hưởng độ ẩm Định lượng hệ số độ ẩm tương đối thực cách so sánh liệu thu điều kiện khí hậu thực H với khí hậu thí nghiệm (thường T = 20 0C độ ẩm tương đối tham khảo Href = 65 %) Hệ số độ ẩm lấy theo sau [1]: 1− H f (H ) = − H ref 2.5 (9) Trong H độ ẩm tương đối lớp cacbonat hóa (%) Href độ ẩm tham khảo Href = 65 % Như hệ số khuếch tán nhiệt độ T độ ẩm H môi trường là: De,CO2 (T , H = ) De,CO2 × kc × f (T ) × f ( H ) (10) 2.1.2 Khả liên kết CO2 bê tông Khả liên kết CO2 bê tơng, tham số phương trình 8, theo Yoon cộng [5] xác định phương trình 11 sau: a = 0.75.CCaO Cc α h mCO2 mCaO (11) CCaO hàm lượng oxit canxi xi măng; Cc khối lượng xi măng bê tông; ah mức độ thủy hóa; mCO khối lượng phân tử carbon dioxide; mCaO khối lượng phân tử oxit canxi Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 387 2.1.3 Nồng độ CO2 môi trường Nghiên cứu lịch sử nồng độ khí CO2 IPCC (Ủy ban Liên Chính phủ biến đổi khí hậu) suốt thời gian trước năm 1750, nồng độ khí CO2 tương đối ổn định từ 260 đến 280 ppm, từ năm 1750 đến năm 2005, nồng độ khí CO2 tăng từ 280 ppm lên 380 ppm [3] Theo kịch phát thải trung bình A1B lượng CO2 Hình Hình 1: Nồng độ CO2 tăng theo thời gian (IPCC, 2007)[3] Giả định nồng độ CO2 năm 2021 400 ppm tăng tuyến tính theo thời gian ta có: CO2 (t ) = (400 + p.t ) × 0.0019 ×10−3 (kg / m3 ) (12) ρ tốc độ tăng CO2 trung bình năm (ppm/năm) (0.0019x103) đổi từ ppm sang kg/m3 2.2 Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép Thay phương trình 10 12 vào phương trình lấy tích phân biến đổi ta được: x De ,CO2 kc f (T ) f ( H ) = × 0.0019 ×10−3 a p 2 400t + t (13) Giải phương trình 23 với x=Lc, ta có t tính năm sau: t= − B1 + B12 − A1C1 (14) A1 Trong đó: A1 1.9 = p De ,CO2 kc f (T ) f ( H ) −6 ×10 × 365 × 24 × 3600 a = B1 0.76 De ,CO2 kc f (T ) f ( H ) a −3 ×10 × 365 × 24 × 3600 C1 = − L2c (m2/năm) (15) (m2/năm) (16) (m2) (17) Lc chiều dày lớp bê tông bảo vệ (m) Với kết cấu nằm trời chịu ảnh hưởng chu kỳ khô ướt thời gian khởi đầu ăn mòn kéo dài thêm hệ số ảnh hưởng chu kỳ khô ướt Hệ số lấy theo FIB [1] sau: 388 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững k= w (t ) t W (t ) = t (18) ( psRToW ) bw t0 là thời gian tham chiếu ( t0= 28 ngày = 0.0767 năm); t tuổi thọ sử dụng (năm); w số mũ thời tiết; psR xác suất mưa bw giá trị thiết kế số mũ hồi quy (bw -0,446) ToW thời gian ướt tính theo phương trình sau: ToW= Sè ngµy ma h Nd ≥ 2.5mm năm 365 * Vớ d tớnh toỏn S dng cụng thức 14,15,16,17 tính tốn cho ví dụ sau: Thành phần bê tông: Lượng xi măng 380 kg/m3; lượng nước: 100 lít/m3; Tỷ trọng xi măng: 3100 kg/m3; thời gian bảo dưỡng: ngày; D= 1, 059 ×10−8 m / s e ,CO2 Điều liện môi trường: Nhiệt độ trung bình năm: 26 0C; độ ẩm mơi trường: 75 %; Loại kết cấu: Được che chắn; Thời gian khởi đầu ăn mịn tính theo p=2;3;4 ppm/năm chiều dày lớp bê tông bảo vệ Lc=25,30,35,40,45mm Kết thể Hình 2: p = ppm/năm p = ppm/năm p = ppm/năm Hình 2: Ảnh hưởng kịnh tăng CO2 chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 389 Kết luận Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép kết cấu bê tông cốt thép cacbonat hóa gây phụ thuộc vào ba yếu tố bản: Tính chất bê tơng đặc trưng hai tham số hệ số khuếch tán CO2 ( DCO2 ) khả liên kết CO2 bê tông (a); chiều dày lớp bê tông bảo vệ (Lc); Nồng độ CO2 khơng khí - Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ, ảnh hưởng tăng nồng độ CO2 khơng khí khơng nhiều (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn T = 32, 14; 31,1; 30,17 năm) - Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ dày, ảnh hưởng tăng nồng độ CO2 không khí đáng kể (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn T = 109,12; 100,8; 94,37 năm) - Thời gian khởi đầu ăn mòn tăng mạnh tỷ lệ nược xi măng giảm (ví dụ Lc = 30 mm: p = ppm/năm, w/c = 0,35; 0,45; 0,50; 0,55, thời gian khởi đầu ăn mòn T = 257,07; 108,23; 58,54; 36,70; 25,4 năm) - Khuyến nghị thiết kế kết cấu nên có chiều dày lớp bê tơng bảo lớn 30 mm, sử dụng tỷ lệ nước xi măng từ 0,30 - 0,40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] FIP (2006) Model code for service life design The International Federation for Structural Concrete (fib) [2] Mark G Richardson (2004) Fundamentals of durable reinforced concrete Published in the Taylor & Francis e-Library, simultaneously published in the USA and Canada [3] IPCC (2007) Fourth Assessment Report of the Intergovernmental panel in climate change Cambridge University Press, UK [4] V.G Papadakis (2000) Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress Cement and Concrete Research 30, tr 291 - 299 [5] I.S Yoon, Copuroglu, O., and Park, K.B (2007) Effect of global climatic change on carbonation progress of concrete Atmospheric Environment 41, tr 7274 - 7285 Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 Phản biện: TS Thái Thị Thanh Minh 390 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững ... CO2 ( DCO2 ) khả liên kết CO2 bê tông (a); chiều dày lớp bê tông bảo vệ (Lc); Nồng độ CO2 khơng khí - Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ, ảnh hưởng tăng nồng độ CO2 khơng khí khơng nhiều (ví... trường phát triển bền vững 387 2.1.3 Nồng độ CO2 môi trường Nghiên cứu lịch sử nồng độ khí CO2 IPCC (Ủy ban Liên Chính phủ biến đổi khí hậu) suốt thời gian trước năm 1750, nồng độ khí CO2 tương đối... vệ môi trường phát triển bền vững 389 Kết luận Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép cacbonat hóa gây phụ thuộc vào ba yếu tố bản: Tính chất bê tông đặc trưng hai tham số