Nghiên cứu một số tính năng của thép chịu thời tiết và ứng dụng cho các công trình xây dựng ở khu vực phía nam luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi đƣợc hƣớng dẫn TS Nguyễn Tiến Dũng Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chƣa cơng bố dƣới hình thức trƣớc Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh giá nhƣ số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn TP.Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017 Tác giả luận văn PHẠM VŨ ANH ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp TS Nguyễn Tiến Dũng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hƣớng dẫn dẫn tận tình đóng góp ý kiến q báu để giúp thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng giúp đỡ nhiều q trình học tập nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trƣờng Đại học Giao Thông Vận Tải tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng tạo điều kiện để đƣợc học tập nghiên cứu Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình ngƣời thân giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Trân trọng cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017 Tác giả luận văn PHẠM VŨ ANH iii MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT 1.1.1 Khái niệm WTS .3 1.1.2 Tóm tắt lịch sử phát triển thép chịu thời tiết .4 1.2 KHÁI QUÁT VỀ CƠ CHẾ CHỐNG ĂN MÒN CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT 14 1.2.1 Cơ chế ăn mịn thép thơng thƣờng 14 1.2.2 Cơ chế chống ăn mòn thép chịu thời tiết 15 1.2.3 Một số đặc điểm thép chịu thời tiết 17 1.3 CÁC LOẠI THÉP CHỊU THỜI TIẾT 21 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 28 CHƢƠNG : Đ NH GI KHẢ N NG CH NG N M N CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG ĐIỀU KI N KH H U MIỀN NAM 30 2.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT Ở KHU VỰC PHÍA NAM30 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT 31 2.2.1 Đánh giá trực quan trạng công trình .31 2.2.2 Đánh giá trực quan trạng lớp gỉ 31 2.2.3 Đo độ dày lớp phủ 37 2.2.4 Đánh giá trạng lớp gỉ 39 2.2.5 Đo lƣợng muối bám bề mặt thép 41 2.2.6 Đo điện ăn mòn 43 2.2.7 Dự báo tốc độ ăn mòn 43 2.3 TÌNH HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT Ở KHU VỰC PHÍA NAM 45 2.4 ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MƠI TRƢỜNG ĐẾN ĐẶC TÍNH ĂN MỊN THÉP CHỊU THỜI TIẾT TẠI KHU VỰC PHÍA NAM 47 iv 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 54 CHƢƠNG 3: KHẢO S T VÀ Đ NH GI TRẠNG TH I N M N CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT TẠI CƠNG TRÌNH CẦU KÊNH TỨ (ĐỒNG THÁP) VÀ CẦU C I NAI (AN GIANG) 55 3.1 GİỚİ THİỆU CHUNG VỀ CƠNG TRÌNH 55 3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 57 3.2.1 Đánh giá trực quan trạng cơng trình cầu 57 3.2.2 Đánh giá trực quan trạng lớp gỉ 64 3.2.3 Kết đo bề dày lớp phủ .86 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 96 CHƢƠNG 4: MỘT S VẤN ĐỀ CẦN LƢU Ý KHI SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 97 4.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG 97 4.2 CÁC ĐIỀU LƢU Ý KHI SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT 102 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 105 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 106 TÀI LI U THAM KHẢO 107 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Lịch sử phát trỉên ứng dụng câu thép chịu thời tiêt' 13 Bảng 1.2 : Thành phần hóa học tính theo % khối lƣợng thép chiu thời tiết 22 Bảng 1.3 : Thành phần hoá học thép COR-TEN 23 Bảng 1.4 : Thành phần hoá học thép NAW-TEN 24 Bảng 1.5 : Các đặc trƣng học thép COR-TEN thép NAW-TEN 24 Bảng 1.6 : Thành phần hóa học thép làm Bulông cƣờng độ cao chịu thời tiết 25 Bảng 1.7 : Đặc trƣng lý thép làm Bu long cƣờng độ cao chịu thời tiết 25 Bảng 1.8 : Đặc trƣng lý thép Ecrou Bu long cƣờng độ cao chịu thời tiêt26 Bảng 1.9 : Đặc trƣng lý thép vòng đệm bu long cƣờng độ cao chịu thời tiết 26 Bảng 1.10 : Vật liệu hàn dùng cho thép chịu thời tiết 26 Bảng 1.11 : Bảng thành phần hóa học thép chịu thời tiết thêm Ni 27 Bảng 2.1 : Vị trí đo dầm 32 Bảng 2.2 : Tiêu chí mức độ gỉ (Liên đồn thép Nhật Bản, Hiệp hội cầu Nhật Bản 2003) 34 Bảng 2.3 : Chuẩn đánh giá theo trạng bề mặt 35 Bảng 2.4 : Tiêu chuẩn đánh giá độ ăn mòn thép dựa theo điện tự nhiên Mỹ Nhật 43 Bảng 2.5 : Phân loại môi trƣờng 50 Bảng 3.1 : Bảng thông tin cầu Kênh Tứ Cái Nai 55 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các thành phần thép chịu thời tiết .3 Hình 1.2: Trụ sở hãng John Deere Moline, Illinois, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết Hình 1.3: Tịa nhà USX 64 tầng Pittsburgh, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết .6 Hình 1.4: Trung tâm Hành Chicago sử dụng thép chịu thời tiết .6 Hình 1.5: Cầu thép chịu thời tiết (ở Morristown, New Jersey Turnpike).7 Hình 1.6: Cầu New River Gorge phía Mỹ Tây Virginia, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết .7 Hình 1.7: Một số cầu thép chịu thời tiết Mỹ Hình 1.8: Một cầu đƣờng sắt Hokurỉku 10 Hình 1.9: cầu đƣờng sắt Naharì, Kochi 10 Hình 1.10: Một số cơng trình sử dụng thép chịu thời tiết Nhật Bản 10 Hình 1.11: Tháp tƣởng niệm Hokkaido Centennial (Hokkaido) khánh thành năm 1969 sau năm, năm, 22 năm 41 năm khai thác 11 Hình 1.12: Tồ nhà N Corporation (Tokyo) (trái) trụ sở văn phòng Nippon Steel sau 40 năm khai thác 11 Hình 1.13: Một số sản phẩm thƣơng mại dùng làm vật liệu lát sàn COR-TEN 11 Hình 1.14: Sơ đồ biểu diễn chế ăn mòn thép 15 Hình 1.15: Quá trình ăn mòn bề mặt thép 15 Hình 1.16: Hình ảnh lớp gỉ ăn mòn thép chịu thời tiết thép thƣờng 17 Hình 1.17: so sánh mát gỉ thép chịu thòi tiết thép Carbon1301 .21 Hình 1.18: So sánh khả chống ăn mịn wts hệ wts phổ thông .28 Hình 2.1: Sơ đồ cầu sử dụng dầm thép chịu thời tiết khu vực Đồng Sông Cửu Long .30 Hình 2.2: Vị trí điểm đo dầm 32 Hình 2.3: Ảnh cận cảnh vết gỉ với thƣớc mẫu màu (JSSC 2006) .33 vii Hình 2.4: Ảnh cận cảnh vết gỉ với thƣớc mẫu có màu tỷ lệ (JSSC 2006) .36 Hình 2.5: Máy đo bề dày lớp phủ .37 Hình 2.6: Đánh dấu khu vực đo bề dày gỉ vị trí số dầm G3 mố B cầu Cái Nai 38 Hình 2.7: Thao tác đo bề dày lớp phủ trƣờng .38 Hình 2.8: Máy đo điện trở RST .39 Hình 2.9: đánh giá trạng lớp gỉ cho thép chịu thời tiết khơng sơn .40 Hình 2.10: Biểu đồ đánh giá trạng lớp gỉ cho thép chịu thời tiết có sơn 40 Hình 2.11: Vận hành máy đo 41 Hình 2.12: Dự báo tốc độ ăn mịn theo phần mềm YOSOKU Nippon Steel 45 Hình 2.13: Biểu đồ nguyên nhân ảnh hƣởng hình thành lớp gỉ bảo vệ [Yasuhiko MATSUZAKI, Makoto OHYA, Shota AJIKI, Masamichi TAKEBE, Toshihiko ASO, A study on corrosion rating process for the weathering steel bridges with supplemental rust controlling surface treatment, Tạp chí JSCE 2006.10] 48 Hình 2.14: Quy định sử dụng thép chịu thời tiết theo khoảng cách bờ biển Nhật Bản .51 Hình 2.15: Các khu vực thử nghiệm ăn mịn khí thép chịu thời tiết [14]52 Hình 2.16: Mối quan hệ thời gian ẩm ƣớt ăn mịn 53 Hình 3.1: Sơ đồ cầu: Kênh Tứ (Đồng Tháp), Cái Nai (An Giang) 57 Hình 3.2: Hình ảnh cầu Kênh Tứ .57 Hình 3.3: Hình ảnh cầu Cái Nai .57 Hình 3.4: Hiện trạng xung quanh cầu Kênh Tứ .58 Hình 3.5: Hiện trạng xung quanh cầu Cái Nai .58 Hình 3.6: So sánh bề mặt dầm thép chịu thời tiết .59 Hình 3.7: Vữa bê tơng dính mặt cánh dƣới dầm G3 trụ A cầu Kênh Tứ 60 Hình 3.8: Bụi bám mặt cánh dƣới cầu Cái Nai 60 viii Hình 3.9: Gỉ nơi tiếp giáp cánh với bê tông mặt cầu trụ A cầu Kênh Tứ 61 Hình 3.10: Rị rỉ nƣớc vị trí đầu dầm cầu Kênh Tứ 61 Hình 3.11: Bùn đất, bụi bẩn vị trí đầu dầm cầu Kênh Tứ Cái Nai 62 Hình 3.12: Nƣớc rò rỉ từ mặt cầu xuống dầm biên cầu Kênh Tứ .62 Hình 3.13: Gỉ liên kết bu lông đầu dầm cầu Kênh Tứ 62 Hình 3.14: Bùn đất bám nhiều liên kết bu lông gối cầu Cái Nai 63 Hình 3.15: Gỉ cục đáy dầm gần gối cầu Cái Nai .63 Hình 3.16: Khe hở vị trí khe co giãn cầu Kênh Tứ 63 Hình 3.17: Mặt cánh dƣới .64 Hình 3.18: Vị trí bụng cách cánh dƣới 10cm 64 Hình 3.19: Vị trí bụng 64 Hình 3.20: Biểu đồ đánh giá trạng bề mặt theo thang điểm trung bình Trụ A cầu Kênh Tứ 65 Hình 3.21: Biểu đồ đánh giá trạng bề mặt theo thang điểm trung bình Trụ B cầu Kênh Tứ 66 Hình 3.22: Mặt dƣới cánh dƣới 67 Hình 3.23: Mặt cánh dƣới 67 Hình 3.24: Vị trí bụng cách cánh dƣới 10cm 67 Hình 3.25: Vị trí bụng 67 Hình 3.26: Biểu đồ đánh giá trạng bề mặt theo thang điểm trung bình Trụ A cầu Cái Nai 68 Hình 3.27: Biểu đồ đánh giá trạng bề mặt theo thang điểm trung bình Trụ B cầu Cái Nai 69 Hình 3.28: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 8/2015) 70 Hình 3.29: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 12/2015) 71 ix Hình 3.30: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 72 Hình 3.31: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G1 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 73 Hình 3.32: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G2 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 74 Hình 3.33: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G3 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 75 Hình 3.34: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 8/2015) 76 Hình 3.35: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 12/2015) 77 Hình 3.36: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 78 Hình 3.37: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G1 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 79 Hình 3.38: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G2 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 80 Hình 3.39: Biểu đồ kết đo lƣợng muối bám dầm G3 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 81 Hình 3.40: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ A (cầu Cái Nai)(Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) .83 Hình 3.41: Biểu đồ kết lƣợng muối bám dầm - Trụ B (cầu Cái Nai)(Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) .84 Hình 3.42: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 8/2015) 86 Hình 3.43: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 12/2015) 86 x Hình 3.44: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ A (cầu Kênh Tứ) (Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 87 Hình 3.45: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G1 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 88 Hình 3.46: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G2 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 88 Hình 3.47: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G3 - Trụ A (cầu Kênh Tứ) 89 Hình 3.48: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 90 Hình 3.49: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ)(Tại thời điểm đo Tháng 12/2015) 90 Hình 3.50: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ B (cầu Kênh Tứ)(Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 91 Hình 3.51: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G1 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 91 Hình 3.52: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G2 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 92 Hình 3.53: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm G3 - Trụ B (cầu Kênh Tứ) 92 Hình 3.54: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ A (cầu Cái Nai) (Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 94 Hình 3.55: Biểu đồ kết đo chiều dày lớp phủ dầm - Trụ B (cầu Cái Nai) (Tại thời điểm đo Tháng 3/2016) 95 Hình 4.1: Cầu thép bị ăn mịn theo thời gian 97 Hình 4.2: Cầu Elder Creek sử dụng thép chịu thời tiết miền đông Colorado năm 2007 .98 Hình 4.3: Trung tâm Richard J Daley Chicago (1965) v tác phẩm điêu khắc Pablo Picasso 98 96 3.3 KẾT LU N CHƢƠNG Để kiểm tra đánh giá đƣợc khả chống ăn mòn thép chịu thời tiết, ngƣời ta tiến hành quan sát đánh giá trực quan trạng chung cơng trình, trạng lớp gỉ, đo bề dày lớp gỉ bề mặt kết cấu thép, kiểm tra lƣợng muối bám bề mặt kết cấu thép Tốc độ ăn mòn loại thép chịu thời tiết khoảng sáu tháng sau lắp đặt diễn nhanh khơng có chênh lệch rõ rệt, sau khoảng thời gian lớp gỉ bảo vệ hình thành tốc độ gỉ mẫu thép bắt đầu giảm dần vào ổn định gỉ, tốc độ gỉ cầu bắt đầu khác vị trí 97 CHƢƠNG 4: MỘT S VẤN ĐỀ CẦN LƢU Ý KHİ SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 4.1 Đ NH GI CHUNG Thép thời tiết hợp kim thép kết hợp đồng, crom, niken hợp chất hợp kim khác làm tăng khả chống ăn mòn Khi đƣa vào sử dụng, thép bị gỉ điều kiện bình thƣờng khí quyển, tạo thành lớp gỉ bảo vệ bám bề mặt thép Trong khoảng thời gian tƣơng đối ngắn, lớp gỉ tạo thành lớp chống thấm nƣớc để ngăn ngừa ăn mịn Hình 4.1: Cầu thép bị ăn mịn theo thời gian Đặc tính ƣu việt lớp phủ cịn có khả ―tự làm lành‖ bị hƣ hỏng hay bong tróc nhỏ Trong giai đoạn đầu, lớp phủ có màu nâu đỏ nhạt, theo thời gian dày lên, bề mặt kết cấu trở nên trở nên thô ráp chuyển dần sang màu nâu đỏ đậm Nhƣ vậy, nhờ có lớp phủ bảo vệ thép khỏi bị rỉ nên không cần phải sơn bảo vệ thép, làm giảm chi phí tu bảo dƣỡng thép Đây ƣu điểm làm cho thép chịu thời tiết lựa chọn phổ biến xây dựng cơng trình 98 Hình 4.2: Cầu Elder Creek sử dụng thép chịu thời tiết miền đông Colorado năm 2007 Vào năm 1960, nhờ đặc tính ƣu việt mà thép chịu thời tiết đƣợc sử dụng xây dựng tòa nhà Và trung tâm Richard J Daley Chicago (1965)- tịa nhà đƣợc xây dựng hồn tồn thép chịu thời tiết Có điều thú vị quảng trƣờng bên ngồi Trung tâm Daley, nơi có tác phẩm điêu khắc Pablo Picasso đƣợc chế tạo hồn tồn thép chịu thời tiết Hình 4.3: Trung tâm Richard Daley Chicago 1965) v tác ph m u khắc Pablo Picasso Thép chịu thời tiết hẳn thép thƣờng chỗ có lớp gỉ bảo vệ mà khơng cần phải làm Vì vậy, sử dụng thép chịu thời tiết cần xem xét đến yếu tố 99 ảnh hƣởng tác động đến việc hình thành lớp gỉ nhƣ: vị trí, địa điểm xây dựng cơng trình, nhiệt độ, độ ẩm, thời gian ẩm ƣớt, chu trình ƣớt- khơ, nồng độ clrua khí quyển, mức độ nhiểm khơng khí (CO2, H2S …)… yếu tố khác liên quan đến kết cấu nhƣ chiều cao dầm, độ thơng thống gió, mức độ hứng nắng gi ó, chất dính bám bề mặt thép (m àng nh ện, vữa xi măng, bụi bẩn…), thành phần thép chịu thời tiết… Trong yếu tố chu trình ƣớt-khơ, nồng độ clrua khí hai yếu tố then chốt để hình thành lớp gỉ bảo vệ ổn định, kín kít, mịn, dính bám chặt bề mặt thép Hình 4.4: Biểu đồ so sánh lượng ăn mịn thép chịu thời tiết thép thường môi trường ăn mịn Chu trình ƣớt - khơ bề mặt thép đƣợc làm ƣớt sƣơng hay nƣớc mƣa sau đƣợc làm khơ nắng gió Do đó, thép chịu thời tiết lựa chọn tốt môi trƣờng liên tục ƣớt ẩm - nơi mà bề m ặt thép khô Muối có tính hút ẩm cao nên phận hay vị trí mà muối bám vào dễ bị tình trạng ẩm ƣớt (muối hút ẩm khơng khí)- ảnh hƣởng đến chu trình ƣớtkhơ Ngồi ra, muối có tính chất điện phân mạnh nên đƣợc hòa tan với nƣớc độ dẫn điện dung dịch muối tăng lên làm thúc đẩy nhanh q trình ăn mịn điện hóa làm ảnh hƣởng lớn đến q trình hình thành ổn định lớp gỉ bảo vệ : đẩy nhanh tốc độ ăn mòn thép, hai thúc đẩy phồng rộp, làm giảm độ bám dính với bề mặt thép lớp gỉ Vì vậy, nơi có nồng độ clorua cao lớp gỉ bảo vệ khó hình thành đƣợc 100 Ngồi ra, thời tiết thép khơng đƣợc khuyến khích sử dụng dƣới đất đất có chứa số thành phần hóa học ăn mịn lớp gỉ bảo vệ nhƣ thép Hình 4.5: Thí nghiệm độ ăn mịn thép sau năm Có vấn đề sử dụng thép chịu thời tiết cho xây dựng dân dụng, giai đoạn đầu hình thành lớp gỉ bảo vệ nhìn tồn kết cấu khơng đƣợc đẹp, thẩm mỹ (do màu sắc bề mặt thép chuyển sang màu nâu đỏ), với có mƣa tạo thành dịng chảy bề mặt thép mang theo gỉ sắt làm cho kết cấu bị loang lỗ, thẩm mỹ Khu vực mà nƣớc mƣa tích đọng lại có tỷ lệ ăn mịn cao hơn, cần phải nƣớc Thép thời tiết nhạy cảm với khí hậu ẩm Trong mơi trƣờng nhƣ vậy, lớp gỉ bảo vệ khơng ổn định mà thay vào tiếp tục bị ăn mòn Việc tạo thành lớp gỉ nhƣ mong muốn thay đổi mạnh mẽ có xuất chất ô nhiễm gây xúc tác ăn mịn mơi trƣờng khơng khí Thƣờng khu vực trung tâm thành phố tỷ lệ ô nhiễm khơng khí cao khu vực nơng thơn Bên cạnh mối hàn thép chịu thời tiết phải đảm bảo cho việc lớp gỉ bảo vệ hình thành tốt, đều, mịn so với vị trí khác Để làm đƣợc điều địi hỏi phải có kỹ thuật hàn vật liệu hàn đặc biệt Đứng từ góc độ thẩm mỹ, cơng trình Trung tâm Richard J Daley Chicago đạt đƣợc thành cơng, chủ yếu nhờ vào kiểm sốt dịng nƣớc mƣa 101 đƣợc bảo trì tốt Ví dụ, cột bên ngồi đƣợc bao quanh ống dẫn nƣớc Trong giai đoạn đầu xây dựng tòa nhà, dòng nƣớc mƣa chảy tràn theo phần gỉ sắt lớp gỉ bảo vệ, làm dịng nƣớc chảy có màu đỏ nâu, ống dẫn nƣớc ngăn không cho mặt đá granit trung tâm bị nhuộm màu loang lỗ Các vết bẩn mặt đá mặt tiền tòa nhà đƣợc hạn chế mức tối thiểu nhờ vào việc bảo dƣỡng đá định kỳ Đánh giá cơng nghệ chống ăn mịn thép chịu thời tiết tập đoàn Nippon Steel cho thấy thép chịu thời tiết thép chịu thời tiết có nhiều ƣu so với thép thƣờng mặt kỹ thuật kinh tế (hình 4.6) Ƣu giá thành thép chịu thời tiết mang lại từ việc không tốn chi phí sơn ban đầu chi phí sơn bảo dƣỡng nhƣ thép thơng thƣờng Thời gian bảo trì thép chịu thời tiết định kỳ 10 năm/ lần Các cơng trình thép chịu thời tiết nƣớc ta đƣa vào sử dụng 10 năm Thực tế khảo sát cơng trình cầu Kênh Tứ cầu Cái Nai (chƣơng 3) cho thấy khả chịu thời tiết thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu miền nam tốt Sau 10 năm sử dụng, mức độ ăn mòn cầu thép nằm mức độ cho phép Hình 4.6: Đánh giá cơng nghệ chống ăn mịn cầu thép 102 4.2 C C ĐIỀU LƢU Ý KHI SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT Thép chịu thời tiết ngày đƣợc sử dụng rộng rãi giới, khơng xây dựng cầu đƣờng mà cịn xây dựng dân dựng, kết cấu kiến trúc, điêu khắc… Tuy nhiên, sử dụng thép chịu thời tiết có số vấn đề cần lƣu ý khác với thép thƣờng trình sản xuất lắp dựng Lựa chọn thép chịu thời tiết: Nhìn chung, thép chịu thời tiết đƣợc sử dụng mà khơng cần sơn lƣợng muối khơng khí 0.05mdd thời gian ẩm ƣớt dƣới 6400 (độ ẩm tƣơng đối dƣới 85%) Việc lựa chọn thép chịu thời tiết thƣờng, thép chịu thời tiết có Ni đƣợc tiến hành theo sơ đồ sau: Hình 4.7: Sơ đồ lựa chọn thép chịu thời tiết Thiết kế kiểm sốt dịng nƣớc mƣa: Các ống nhỏ nhô giúp bề mặt đá khơng bị nhuộm bẩn dịng nƣớc mƣa rị rỉ Đối với khu vực bề mặt bê tông dễ bị bẩn đƣợc đánh dấu lƣu lại để ý theo dõi trình tu bảo dƣỡng định kì; đƣợc sơn phủ để giảm thiểu xâm nhập vào bên vết bẩn Nhƣ cách tốt để đảm bảo tính thẩm mỹ cho tồn kết cấu phải kiểm sốt thật tốt dịng chảy rị rỉ Bên cạnh cần xem xét đến việc bị ƣớt làm khô đồng toàn kết cấu để tạo lớp gỉ bảo vệ đồng hơn, giảm thiểu vệt 103 Mối hàn: Có quy định riêng dành cho mối hàn thép chịu thời tiết Mỗi loại mối hàn có độ bền tùy thuộc điện cực hàn nó; điện cực hàn đặc biệt đƣợc phát triển để tạo mối hàn có đặc tính giống nhƣ thép chịu thời tiết Các mối hàn hồ quang đơn mối hàn điện cực tiêu chuẩn chỗ thƣờng bao gồm đủ kim loại chống ăn mịn nhƣng lại khơng có tính chất nhƣ thép chịu thời tiết Vì tốt nên sử dụng điện cực đặc biệt cho tất đƣờng hàn thép chịu thời tiết Mối nối hàn kết cấu thép chịu thời tiết tƣơng tự nhƣ kết cấu thép thông thƣờng, nhƣng thép thƣờng có mức độ CEV cao hơn, mà cần phải đƣợc xem xét xác định mức độ nóng sẵn Đối với thép chịu thời tiết, điện cực thành phần hóa học kết hợp với kim loại gốc nên đƣợc sử dụng cho mối nối hàn góc mối nối hàn đối đầu Tuy nhiên, điện cực C-Mn truyền thống đƣợc sử dụng cho phận hàn nhƣ Điện cực C-Mn truyền thống sử dụng cho mối hàn đối đầu với mối hàn đơn bên, mối hàn góc có đƣờng hàn lên đến 8mm, đủ hịa tan nguyên tố tạo hợp kim từ kim loại gốc vùng hàn để chống ăn mòn Tất mối nối, bao gồm mối hàn góc nên đƣợc hàn liên tục để tránh xâm nhập ẩm ăn mòn khe nứt Bề mặt thép: Điều kiện bề mặt thép chịu thời tiết có tác động ảnh hƣởng trực tiếp đến độ bền tồn kết cấu Đối với khu vực bị nhiễm, nên lau chùi làm bề mặt thép nhằm loại bỏ chất bụi bẩn, dầu mỡ bám vào, để tạo bề mặt thép tƣơng đối đồng Nếu không, dƣới tác động thời tiết ảnh hƣởng tới khả làm việc phận kết cấu Vị trí tiếp giáp: Trong suốt q trình thi cơng đƣa vào sử dụng cần tránh gây vết xƣớc hay hƣ hỏng bề mặt thép chịu thời tiết Giữ thép chịu thời tiết tránh xa bụi bẩn mảnh vụn; trình xây dựng bảo vệ bề mặt khỏi đổ tràn bê tông, phun vữa chất lạ khác Bút chì màu sơn sáp nên sử dụng n đƣợc làm dung mơi thích hợp 104 Mối nối bu lông: Các bu lông thép chịu thời tiết loại HSFG, loại đai ốc gioăng với thành phần hóa học theo ASTM A325, loại 3, hạng A, tƣơng đƣơng nên đƣợc sử dụng cho tất mối nối bu lông Lƣu ý, việc thiết kế mối nối bu lông, yếu tố trƣợt đƣợc lấy nhƣ kết cấu thép thông thƣờng Chuẩn bị bề mặt: Phun cát để làm theo tiêu chuẩn SA2 nên đƣợc thực sau chế tạo trƣớc đƣa vật liệu cơng trình tránh việc sử dụng sơn, sáp, bút chì… để đánh dấu kết cấu thép chế tạo lắp dựng nhằm giúp hình thành lớp gỉ bảo vệ đồng đều, ổn định, bám dính tốt với bề mặt thép Lắp dựng bảo dƣỡng: Việc bảo quản cần đƣợc lƣu ý suốt trình vận chuyển lƣu trữ công trƣờng để đảm bảo không làm hƣ hỏng bề mặt thép chịu thời tiết ảnh hƣởng tới việc hình thành lớp gỉ Ngồi ra, nƣớc, vữa xi măng từ phận bê tơng xi măng cần phải tránh tiếp xúc tác động xấu đến bề mặt thép, phun cát để làm sau hoàn thành lắp dựng cơng trình Quy trình bảo dƣỡng thép chịu thời tiết: Có thể tham khảo quy trình bảo dƣỡng thép chịu thời tiết tập đoàn Nippon Steel theo sơ đồ sau: Hình 4.8: Quy trình bảo dưỡng thép chịu thời tiết 105 4.3 KẾT LU N CHƢƠNG Thép chịu thời tiết đƣợc sử dụng xây dựng cầu miền Nam Việt Nam Từ năm 2001 đến năm 2003 dự án ―Hỗ trợ nâng cấp cầu đƣờng khu vực Đồng sông Cửu Long‖ Chính phủ Nhật Bản tài trợ, có 06 cầu dầm thép quy mô lớn (tải trọng 25~30 tấn) sử dụng thép chịu thời tiết nằm tỉnh Bình Dƣơng, Bình Phƣớc, Tây Ninh, Đồng Tháp, An Giang: Theo nghiên cứu khảo sát sau 10 năm đƣa vào khai thác sử dụng, dầm cầu thép chịu thời tiết cầu tốt, bề mặt thép nhìn chung cịn Điều chứng tỏ, thép chịu thời tiết hồn tồn đƣợc sử dụng có hiệu ngành xây dựng cầu đƣờng nhƣ xây dựng dân dụng miền Nam Việt Nam Khí hậu khu vƣc phía Nam nƣớc ta có hai mùa: mùa mƣa mùa khơ rõ rệt nên đảm bảo đƣợc chu trình ƣớt- khơ, tạo điều kiện tốt để thành tạo lớp gỉ bảo vệ bề mặt thép chịu thời tiết Tuy nhiên, có vấn đề nhỏ vị trí cầu nằm cách xa bờ biển, điều có nghĩa nồng độ muối mơi trƣờng nhỏ nên không ảnh hƣởng tác động cản trở nhiều đến việc hình thành tạo lớp gỉ bảo vệ Vì thế, để củng cố cần có thêm thí nghiệm nghiên cứu cho khu vực gần bờ biển để từ đƣa phạm vi sử dụng vật liệu thép chịu thời tiết miền Nam Việt Nam có hiệu cao Trong q trình thiết kế thi cơng thép chịu thời tiết bên cạnh tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế hành, việc thiết kế thi công chi tiết nhƣ mối nối hàn, mối nối bu lông, hệ thống thoát nƣớc nội dung quan trọng cần xem xét kỹ lƣỡng để hạn chế tác động ăn mòn 106 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ Dựa kết nghiên cứu, đánh giá bƣớc đầu khả chống ăn mòn thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu miền nam nhƣ sau:  Việc định hƣớng ứng dụng vật liệu thép tính cao nói chung thép chịu thời tiết nói riêng khả thi điều kiện khí hậu miền nam  Hàm lƣợng muối khơng khí khơng phải q lớn (hầu hết dƣới 4mmd ven biển nội địa Việt Nam) cho phép ứng dụng rộng rãi kết cấu cầu thép thép chịu thời tiết Việt Nam  Với đặc điểm thép chịu thời tiết, số liệu điều tra gỉ kết cấu thép chịu thời tiết cầu Cái Nai cầu Kênh Tứ thấy rằng: khả áp dụng thép chịu thời tiết phù hợp với điều kiện khó bảo dƣỡng thƣờng xuyên tiết kiệm chi phí để sơn chống gỉ cho kết cấu thép, đặc biệt cầu thép đƣờng sắt Loại thép nên đƣợc nghiên cứu áp dụng rộng điều kiện khí hậu nƣớc ta, nơi khó có điều kiện bảo dƣỡng thƣờng xuyên nhƣ tuyến đƣờng sắt, cầu đƣờng qua nơi xa, hẻo lánh  Bên cạnh đó, ứng dụng có kết tốt nhƣng tƣơng lai cần nghiên cứu thêm công nghệ, chi phí xây dựng đặc biệt cần biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với vật liệu thép chịu thời tiết  Trong trình thiết kế thi công cầu thép chịu thời tiết bên cạnh tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế hành việc thiết kế , thi cơng chi tiết nhƣ khe co giãn, mố nối hàn, mối nối bu long, hệ thống thoát nƣớc phần công việc quan trọng cần đƣợc xem xét cách nghiêm túc để hạn chế tác nhân gây ăn mịn tác động lên tuổi thọ cơng trình  Đối với cơng trình thép chịu thời tiết nói riêng cần xây dựng sổ tay cơng tác khai thác vận hành kế hoạch tu bảo dững cụ thể để góp phần khắc phục rủi ro xảy q trình khai thác 107 TÀI LI U THAM KHẢO Tiếng Việt GS.TS Nguyễn Viết Trung (2006), Một số vấn đề cần lưu ý thiết kế, thi công tu bảo dưỡng cầu thép chịu thời tiết, Tạp chí cầu đƣờng Việt Nam, 2006 Phạm Duy Hữu (2012), Vạ t li u xây dựng mới, NXB GTVT PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2014), Kết điều tra tình trạng thép chịu thời tiết áp dụng cầu Chợ Thượng, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh, GS.TS Nguyễn Viết Trung (2013), Cầu thép, Nhà xuất xây dựng Hà Nội Đặng Đăng Tùng, Trần Duy Khanh, Hồ Trung Thông (2012), Khả ứng dụng thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu Việt Nam, Tạp chí cầu đƣờng PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh, TS Masahide Takagi (2013), Đánh giá khả ứng dụng thép chịu thời tiết qua kết thử nghiệm ban đầu Việt Nam, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 12 Trần Huy Hoàng (2015), Nghiên cứu đánh giá khả ứng dụng thép chịu thời tiết xây dựng cơng trình cầu Việt Nam, Luận văn thạc sĩ, Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội Mạc Văn Hà (2015), Phân tích trạng thái ăn mịn thép chịu thời tiết vị trí liên kết cầu Chợ Thượng, Luận văn thạc sĩ, Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội Trịnh Xuân Én (2006), Chương Các phương pháp xác định tốc độ ăn mịn kim loại, Giáo trình Ăn mòn bảo vệ kim loại, NXB Đại học quốc gia Hà Nội 10 TS Đặng Đăng Tùng, Trần Duy Khanh, Hồ Trung Thông (2013), Khả ứng dụng thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu khu vực TPHCM, Tạp chí KH&CN tr 52-58 108 11 TS Đặng Đăng Tùng công (2013), Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu Việt Nam, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 12 12 Sổ tay thiết kế đƣờng cầu, Tập Cầu đƣờng ô tô Phần BD01/07 Thép chịu thời tiết sử dụng cho cầu tr n đường ô tô 13 GS.TS Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Viết Thanh (2006), Một số vấn đề cần lưu ý thiết kế, thi công tu bảo dưởng cầu thép chịu thời tiết, Tạp chí cầu đƣờng Việt Nam 14 Lâm Anh (2012), Thép chịu thời tiết công nghệ làm cầu Việt Nam, Chuyên mục Công nghệ Tạp chí Giao thơng vận tải Tiếng Anh 15 Lwin, M M, High Performance Steel Designers' Guide 2edition (April, 2002), U.S Department of Transportation, Federal Highway Administration, Western Resource Center, San Francisco, CA 16 Miki, C., Homma, K., Tominaga, T (2002), High strength and high performance steels and their use in bridge structures, Journal of Constructional Steel Research, 58, pp – 20 17 Nippon steel Corporation annual report (March 2011), Thép chịu thời tiết ứng dụng 18 KAGE Isamu, MATSUI Kazuyuki, KAWABATA Fumimaru (08/2004), Minimum Maintenance Steel Plates and Their Application Technologies for Bridge-Life Cycle Cost Reduction Technologies with Environmental Safeguards for Preserving Social Infrastructure Assets, P.31-37 19 E Iwasaki, M Nagai (2012), State-of-art of the application of weathering steel to bridge: A prediction method for corrosion of unpainted weathering steel 20 Misawa T, Asami K, Hashimoto K, Shimodaira S (1974) The mechanism of atmospheric rusting and the protective amorphous rust on low alloy steel Corrosion Science, 14:279-89 21 Isamu Kage, Akihiko Furuta, Kazuaki Kyono (2004), Corrosivity for Ni-added High Corrosion Resistant Weathering Steel based on Field Exposure Test in various coastal areas in Japan 109 22 Yasuhiko MATSUZAKI, Makoto OHYA, Shota AJIKI, Masamichi TAKEBE, Toshihiko ASO (2006), A study on corrosion rating process for the weathering steel bridges with supplemental rust controlling surface treatment, Tạp chí JSCE 23 Masao KIMURA, Hiroshi KIHIRA (January 2005), Nanoscopic Mechanism of Protective Rust Formation on weathering steel surfaces, Nippon steel technical report no.9 24 Corus Construction & Industrial (2005), Weathering Steel Bridges, Corus Construction & Industrial Technical Sales & Marketing, PO Box 1, Brigg Road, Scunthorpe, North Lincolnshirem, DN161BP 25 N Damgaard, S Walbridge, C Hansson, J Yeung (2010), Đánh giá bảo vệ ăn mòn cơng trình đường sử dụng thép chịu thời tiết 26 ISO 9223 (1992), Corrosion of Metals and Alloys Corrosivity of Atmospheres Classification, Geneve, Switzerland 27 Le Thi Hong Lien, Pham Thy San, Hoang Lam Hong (August 2007), Results of studying atmospheric corrosion in Vietnam 1995–2005, Scien and Technology of Advanced Materials, P.552-558 28 Shinichi Miura, Dang Dang Tung, Eiji Iwasaki, Isamu Kage and Takashi Okamoto (2003), Evaluation of applicability of weathering steel in Viet Nam, Steel Research Laboratory, JFE Steel Corporation, Japan 29 Kenji Ikeda, Takashi Sato, Kazunori Watanabe, Shizuo Kato, Toshiya Sugawara (2006), Sự ăn mòn cầu thép chịu thời tiết sau 30 năm tuổi 30 Atsumi IMAI, Makoto OHYA, Masamichi TAKEBE, Toshihiko ASO (2013), Evaluation for the surface state of weathering steel bridges with supplemental rust controlling surface treatment, Tạp chí JSCE 31 KAWABATA Fumimaru, MATSUI Kazuyuki, OBINATA Tadashi, KOMORI Tsutomu, TAKEMURA Masahiro, KUBO Takahiro (Mar.2004), Steel Plates for Bridge Use and Their Application Technologies, JEF technical report No.2 110 32 GS Eiki Yamaguchi (2007), Đề xuất hướng dẫn tu bảo dưỡng cầu thép chịu thời tiết 33 Minoru ITOU, Kouji TANABE, Satoshi ITO, Takashi KUSUNOKI, Akira USAMI, Hiroshi KIHIRA, Takeshi TSUZUKI, Yukio TOMITA (January 2000), Performances of coastal weathering steel, Nippon steel technical report No.81 34 James F.Dante (2012), Implication of Atmospheric wetness level on corrosion at a coating defect during accelerated testing, Southwest research Institute 35 Yasumori FUJII, Matsuto TANAKA, Hiroshi KIHIRA, Kazumi MATSUOKA (2007), Corrosion rick management method to realize long-term durability of weathering steel bridges