Xây dựng phương trình dự đoán tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông có sử dụng tro bay

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Xây dựng phương trình dự đốn tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng có sử dụng tro bay Mã số đề tài: 21.2XD03 Chủ nhiệm đề tài: Trần Việt Phương Đông Đơn vị thực hiện: Khoa Kỹ thuật Xây Dựng Tp Hồ Chí Minh, … LỜI CÁM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, phòng Quản lý Khoa học Hợp tác Quốc tế, khoa Kỹ thuật Xây Dựng Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tác giả trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Tác giả xin cảm ơn quý Thầy Cô thành viên Hội đồng nghiệm thu giành thời gian quý báu để đọc góp ý để tác giả hoàn thành nội dung báo cáo đạt chất lượng tốt Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln khích lệ, động viên giúp đỡ tác giả trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Trân trọng! Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2022 Tác giả PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt 1.1 Tên đề tài: Xây dựng phương trình dự đốn tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng có sử dụng tro bay 1.2 Mã số: 21.2XD03 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực đề tài TS Trần Việt Phương Đông Khoa Kỹ thuật Xây dựng Chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Thị Hải Yến Khoa Kỹ thuật Xây dựng Thành viên TS Nguyễn Bá Phú Khoa Kỹ thuật Xây dựng Thành viên TT 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Kỹ thuật Xây dựng 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2022 đến tháng 03 năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): Khơng 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 03 năm 2022 đến tháng 01 năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 60 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Q trình ăn mịn cốt thép làm suy giảm tuổi thọ cơng trình Cần thiết phải đánh giá mức độ hư hại công trình ăn mịn cốt thép tác động nhiều yếu tố Từ kết đánh giá đó, biện pháp xử lý để phục hồi khả phục vụ cơng trình thực Nghiên cứu thực để đánh giá mức độ ăn mịn cốt thép bê tơng tác động yếu tố, gồm: cấp phối bê tông; nồng độ chloride; độ dày lớp bê tông; thời gian tiếp xúc Cấp phối bê tông bao gồm yếu tố tỉ lệ nước xi măng (N/X); loại chất kết dính Dựa kết thực nghiệm, mơ hình tình tốn tốc độ ăn mịn cốt thép xây dựng Phương trình tính tốn áp dụng để đánh giá mức độ hư hại cơng trình, từ giúp cho việc đưa định sửa chửa/bảo dưỡng để phục hồi khả làm việc kết cấu Phương trình tính xác nhận thông qua kết thực nghiệm nghiên cứu nghiên cứu tác giả khác Mục tiêu Dựa tồn nghiên cứu trước, nghiên cứu thực để đánh giá mức độ hư hại ăn mịn cơng trình bê tơng cốt thép Nhằm đạt mục tiêu chính, mục tiêu cụ thể cần đạt là: i Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tốc độ ăn mòn cốt thép ảnh hưởng yếu tố, gồm: cấp phối bê tông; nồng độ chloride; độ dày bê tông; thời gian tiếp xúc ii Xây dựng phương trình tính tốn tốc độ ăn mịn cốt thép cho cơng trình bê tông cốt thép Phương pháp nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết với nội dung sau: - Nội dung 1: Xây dựng thuyết minh chi tiết đề tài - Nội dung 2: Thiết kế mơ hình thực nghiệm - Nội dung 3: Khảo sát thu thập số liệu - Nội dung 4: Đánh giá tác động yếu tố kỹ thuật lên q trình ăn mịn cốt thép - Nội dung 5: Xây dựng mơ hình tính tốn tốc độ ăn mịn - Nội dung 6: Cơng bố nghiệm thu Tổng kết kết nghiên cứu Kết đề tài tóm tắt sau: - Kết 1: Đánh giá thay đổi tốc độ ăn mòn ảnh hưởng thông số bề tông, nồng độ chloride, độ dày lớp bê tông bảo vệ, thời gian tiếp xúc môi trường xâm thực Các thông số kỹ thuật bê tông quan tâm nghiên cứu gồm tỷ số nước chất kết dính (w/b), hàm lượng phụ gia (tro bay) thay sử dụng Kết nghiên cứu thể kết đo đạc tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng thay đổi tỷ số w/b Cụ thể, tốc độ ăn mòn cốt thép bê tông OPC tăng từ 0.26 đến 0.5 lần tỷ số w/b tăng từ 0.4 lên 0.6 Bên cạnh đó, tốc độ ăn mịn cốt thép tỷ lệ nghịch với hàm lượng tro bay bê tông Với việc tăng hàm lượng chloride bê tông từ lên kg/m3 , tốc độ ăn mòn cốt thép bê tông sử dụng xi măng Portland tro bay giảm từ 46 đến 92 % so với giá trị đo sử dụng xi măng Portland Kết nghiên cứu tốc độ ăn mòn cốt thép nhanh tăng hàm lượng chloride bê tơng Cụ thể, nhóm mẫu bê tông xi măng Portland (OPC) với tỷ lệ nước chất kết dính (w/b) 0.4 cho tốc độ ăn mòn cốt thép tăng từ 1.5 đến 1.9 lần tăng hàm lượng chloride bê tông lên kg/m kg/m3 Trong trường hợp nhóm mẫu với tỷ lệ w/b, giá trị tốc độ ăn mòn tăng từ 1.75 đến 1.94 lần tăng hàm lượng chloride Nghiên cứu khảo sát tương quan tốc độ ăn mòn chiều dày lớp bê tông với hai giá trị chiều dày cm cm Kết nghiên cứu thể kết đo đạc tốc độ ăn mòn cốt thép thay đổi chiều dày lớp bê tông bảo vệ Tổng qt, nhận thấy tốc độ ăn mịn giảm tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ Tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng OPC 0.47, 1.86, 10.40 mg/cm2.yr thay đổi hàm lượng chloride bê tông với chiều dày lớp bê tông bảo vệ cm Các giá trị nhóm mẫu với chiều dày lớp bê tơng bảo vệ cm 0.50, 1.22, 7.12 mg/cm2.yr Tốc độ ăn mòn xác định sau 58 ngày 88 ngày kể từ mẫu tạo hình Có thể nhận thấy tốc độ ăn mịn cốt thép tăng theo thời gian đa số nhóm mẫu dùng nghiên cứu Hơn nữa, tốc độ tăng tốc độ ăn mịn khác bê tơng OPC bê tông tro bay yếu tốc khác giữ không đổi Tốc độ tăng ăn mịn bê tơng tro bay thấp đáng kể so với kết đo bê tông OPC - Kết 2: Xây dựng phương trình tính tốn tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng có sử dụng tro bay Với trường hợp bê tông OPC tro bay không nhiễm chloride: % FA 0.5445 + 0.043 100 D +0.063   Hyd ( t ) + 0.008   Poz ( t ) + 10297.15  exp  PCap ( t )  10−5  CR = −10299.69 − 10.33W B − 0.91  (1) Với trường hợp bê tông OPC nhiễm chloride: CR = −5.7149 − 41.14  (W B ) + 1.2 +0.45  PCap ( t ) + 4.1726   CL 2.92 6.4834 +2  10-5   Hyd ( t )  D (2) Với trường hợp bê tông tro bay nhiễm chloride: CR = −0.4727 + −0.2536  e 0.896 0.5 5.394 − 0.0467   Hyd ( t )  + 0.1346   Poz ( t ) D 0.02 PCap ( t ) + 1.9975  ( CL ) (3) 0.8366 đó:  Hyd ( t ) =  m  (t ) i i =1 i m i i =1  Poz ( t ) = kPoz   Poz ( 365) PCap ( t ) = CL = ( (4) W / B − 0.36   Hyd ( t ) W / B + 0.32 − CL  + 0.1  W / B ) % FA +1 100 (5) (6) (7) Trong đó: CR tốc độ ăn mòn cốt thép (mg/cm2·yr), 𝛼𝐻𝑦𝑑 (𝑡 ) mức độ hydration xi măng (%), 𝛼𝑃𝑜𝑧 (𝑡 ) mức độ phản ứng pozzolanic tro bay (%), 𝑃𝐶𝑎𝑝 (𝑡 ) độ rỗng mao dẫn (%), D chiều dày lớp bê tông bê tông bảo vệ (cm), 𝛽𝐶𝐿 hệ số tính đến ảnh hưởng chloride bê tơng (kg/m3), i thành phần khống xi măng, mi khối lượng thành phần khoáng (kg/m3), 𝛼𝑖 (𝑡 ) mức độ hydration thành phần xi măng mốc thời gian định, t tuổi bê tông (ngày), kPoz tỷ số phản ứng tro bay mốc thời gian nhất, 𝛼𝑃𝑜𝑧 (365) mức độ phản ứng pozzolanic sau năm, W/B tỷ số nước chất kết dinh bê tông - Kết 3: Đề xuất liên hệ tương quan tốc độ ăn mịn thơng số khác, nhằm đánh giá độ bền ăn mịn cho kết cấu bê tơng cốt thép có (existing reinforced concrete structures) Mối liên hệ tốc độ ăn mòn điện ăn mịn thể Hình Hình Tương quan điện ăn mòn tốc độ ăn mòn cốt thép Mối liên hệ tốc độ ăn mòn với điện ăn mòn điện trở suất thể Hình Hình Tương quan tốc độ ăn mòn với hiệu điện điện trở suất Mối liên hệ tốc độ ăn mòn với điện trở suất nồng độ chloride thể Hình Hình Tương quan tốc độ ăn mòn với điện trở suất nồng độ chloride Đánh giá kết đạt kết luận Đề tài thực với mục tiêu đánh giá thay đổi tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng có sử dụng tro bay Từ kết nghiên cứu trình bày trên, rút số kết luận sau: - Tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng nhiễm chloride cao rõ rệt so với bê tông không nhiễm chloride Tuy nhiên, thay đổi thông số bê tông cho thấy ảnh hưởng rõ rệt đến phát triển trình ăn mịn cốt thép Kết nghiên cứu việc sử dụng tro bay giảm tỷ lệ nước chất kết dính làm giảm tốc độ ăn mòn cốt thép - Phương trình tính tốn tốc độ ăn mịn cốt thép xây dựng dựa việc xem xét yếu tố gồm mức độ hydration xi măng, mức độ phản ứng pozzolanic bê tông tro bay, độ rỗng mao dẫn Kết tính tốn cho thấy đồng với kết đo đạc thực nghiệm Cụ thể, bê tông trở nên đặc sau thời gian dài thể thông qua giá trị mức độ hydration cao độ rỗng mao dẫn thấp Kết dịch chuyển ion mang điện lớp bê tông bị giảm, tốc độ ăn mòn cốt thép thấp Trong trường hợp, tro bay sử dụng, phát triển cấu trúc vi mô bê tông tro bay lại khác so với bê tông xi măng OPC, dược thể thông qua thông số mức độ phản ứng pozzolanic Kết tính tốn cho thấy kết tương tự so với thực nghiệm với xuất tro bay làm giảm tốc độ ăn mòn đáng kể - Sự phát triển phương trình tính tốn tốc độ ăn mịn nghiên dự kiến áp dụng trình thiết kế độ bền cho cơng trình làm việc mơi trường xâm thực - Bên cạnh đó, cơng trình bê tơng tồn tại, độ bền ăn mịn kết cấu cần xem xét dựa liên hệ gián tiếp Cụ thể, nghiên cứu đề xuất ba quan hệ tốc độ ăn mòn yếu tố gián tiếp dễ đo đạc là, điện ăn mòn, điện trở suất, nồng độ chloride bê tông Các quan hệ đề xuất nghiên cứu xem xét ảnh hưởng việc sử dụng tro bay kết cấu, nhờ q trình đánh giá mức độ ăn mịn cốt thép xác so với quan hệ có Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Tóm tắt kết tiếng Việt: Kết thực nghiệm tốc độ ăn mòn giảm tăng độ đặc lớp bê tông bảo vệ Độ đặc lớp bê tông tăng giảm tỷ lệ nước chất kết dính sử dụng tro bay thành phần bê tông Bên cạnh đó, kết tốc độ ăn mịn đo đạc cao mẫu với chiều dày lớp bảo vệ thấp tiếp xúc với môi trường xâm thực lâu dài Nghiên cứu kết hợp phát triển cấu trúc vi mô theo thời gian bê tông có sử dụng tro bay để đánh giá nguy hại ăn mịn cho kết cấu bê tơng cốt thép kết cấu tồn Sự phát triển cấu trúc vi mô theo thời gian bê tơng có sử dụng tro bay thể qua thông số mức độ hydration, mức độ phản ứng pozzolanic, độ rỗng mao dẫn thu nhập từ mơ hình có trước Các liên hệ tốc độ ăn mòn phát triển cấu trúc vi mô bê tông xem xét mơ hình đề xuất nghiên cứu Kết thực nghiệm bê tơng có tỷ lệ nước chất kết dính thấp bê tơng tro bay có tốc độ ăn mịn cốt thép thấp Bởi cấu trúc bê tơng đặc hơn, thể qua mức độ hydration cao độ rỗng thấp Các mối liên hệ đề xuất nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia khoáng, cụ thể tro bay, nên xem xét nhằm đạt đánh giá xác mức độ ăn mịn cho kết cấu Tóm tắt kết tiếng Anh: The experimental results reveal that the corrosion rate of steel decreases with the increase in the density of the concrete cover The concrete density increases when using a low water-to-binder ratio and the introduction of fly ash in the concrete mix proportion Besides, the measured results of corrosion rate also increase in reinforced concrete specimens with low cover thickness and exposure to aggressive conditions for a long period This study is to incorporate the time-dependent development of microstructures of cement-fly ash concrete into the evaluation of corrosion severity for newly constructed structures and existing structures The time-dependent developments of cement-fly ash paste, including hydration degree, pozzolanic reaction degree, and capillary porosity, are adopted based on previous models The correlation between the corrosion rate and the time-dependent developments was considered for the proposed equations The experimental results indicate that low water-tobinder ratio concrete and fly ash concrete show a low corrosion rate of reinforcement Because the microstructure of concrete became denser, represented by a high degree of hydration and low porosity The proposed relationships also indicated that the effects of conditions of mineral admixtures, such as fly ash type and fly ash content, should be considered to achieve better evaluations of the corrosion severity for the structures III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo Kết nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3) Sản phẩm đề tài thuộc dạng (bài báo/báo cáo khoa học) TT Yêu cầu khoa học hoặc/và tiêu kinh tế - kỹ thuật Tên sản phẩm Đăng ký Prediction Equations for Corrosion Rate of Reinforcing Steel in Cement-Fly Ash Concrete Ảnh hưởng thông số kỹ thuật bê tơng đến q trình ăn mịn cốt thép Ghi chú: Đạt SCOPUS (từ Q3 trở lên) SCOPUS (Q2) IUH IUH - Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chấp nhận có ghi nhận địa cảm ơn trường ĐH Cơng Nghiệp Tp HCM cấp kính phí thực nghiên cứu theo quy định - Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm phần phụ lục minh chứng cuối báo cáo (đối với ấn phẩm sách, giáo trình cần có photo trang bìa, trang trang cuối kèm thơng tin định số hiệu xuất bản) IV Tình hình sử dụng kinh phí T T A Nội dung chi Chi phí trực tiếp Thuê khốn chun mơn Ngun, nhiên vật liệu, Thiết bị, dụng cụ Cơng tác phí Dịch vụ th ngồi Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu kỳ Kinh phí duyệt (triệu đồng) Kinh phí thực (triệu đồng) 59.8086 59.8086 Ghi 7 B In ấn, Văn phịng phẩm Chi phí khác Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện, nước Tổng số 0.1914 0.1914 60 60 V Kiến nghị ( phát triển kết nghiên cứu đề tài) Kết nghiên cứu phương trình mối liên hệ nhằm đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép bê tông kết cấu bê tông cốt thép Đối với kết cấu trình thiết kế, phương trình đề xuất nghiên cứu ứng dụng để đánh giá việc lựa chọn vật liệu thông số bê tông nhằm đạt độ bền thiết kế kết cấu làm việc mơi trường xâm thực Bên cạnh đó, mối liên hệ tốc độ ăn mòn đề xuất nghiên cứu ứng dụng vào việc đánh giá bảo dưỡng kết cấu có VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) Sản phẩm đề tài nghiên cứu thuộc dạng báo liệt kê mục III, cụ thể là: [1] D V P Tran, P Sancharoen, P Klomjit, S Tangtermsirikul, and T H Y Nguyen, "Prediction Equations for Corrosion Rate of Reinforcing Steel in Cement-Fly Ash Concrete," Journal of Structural Integrity and Maintenance, 2022 [2] Trần Việt Phương Đông Nguyễn Bá Phú, "Ảnh hưởng thông số kỹ thuật bê gơng đến q trình ăn mịn cốt thép," Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2022 Chủ nhiệm đề tài Tp HCM, ngày tháng 02 năm 2023 Phòng QLKH&HTQT Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trưởng khoa (Họ tên, chữ ký) PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (báo cáo tổng kết sau nghiệm thu, bao gồm nội dung góp ý hội đồng nghiệm thu) a For OPC concrete 322 323 324 Fig 10 Correlation between electrical resistivity of concrete with corrosion rate of reinforcing steel For OPC concrete: CR  325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 b For fly ash concrete 18.4   31.9    1.33  CL   0.1  1.15  1.15 (11) For fly ash concrete: 0.78 (12)  0.79  CL   0.1  0.6  where CR is the corrosion rate of reinforcing steel (mg/cm2·yr),  is the electrical resistivity of concrete (k.cm), [CL-] is the content of chloride in concrete (kg/m3) CR  Based on the proposed correlation (Eq (11) and Eq (12)), Table shows the range of electrical resistivity of both OPC and fly ash concrete The corrosion severity level and the electrical resistivity range of OPC concrete obtained by using Eq (11) of this correlation were found to synchronize with the previous recommendation [8] The relationship between the corrosion severity and range of electrical resistivity of fly ash concrete was proposed here based on Eq (12), as shown in Table Table Proposed relationship between corrosion severity level and electrical resistivity of concrete Electrical resistivity of Corrosion rate OPC concrete of steel (mg/cm2·yr) (k.cm)[8] Low > 20 Low to moderate 10 – 20 High – 10 - 22 Very high 22 Remark: “-“ indicates corrosion rate cannot be detected Corrosion severity level Proposed electrical resistivity of FA concrete (k.cm) > 50 20 – 50 – 20