Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép

Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-o0o -

VÕ VĂN NAM

ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN

SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU CẦU DẦM

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Võ Văn Nam

LỜI CẢM ƠN

Tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Thế Truyền, TS Hoàng Việt Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu, học tập tại Trường

Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Trường Đại học Giao thông vận tải Tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Trần Đức Nhiệm, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, PGS.TS Bùi Tiến Thành, TS Phạm Đức Thọ đã góp ý, động viên và hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập

Tôi cũng không quên gửi lời cám ơn đến các Thầy, Cô, đồng nghiệp công tác tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh – nơi tôi công tác, đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Cuối cùng tôi bày tỏ lời cảm ơn đến các bạn bè đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ, đồng hành cùng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng 01 năm 2024

Nghiên cứu sinh

Võ Văn Nam

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU XII PHỤ LỤC XIV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XV

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5

3 MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU 5

4 PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU 5

5 PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU 6

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VİỆT NAM 7

1.1 TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP 7

1.1.1 Khái niệm ăn mòn kim loại………… 7

1.1.2 Phân loại ăn mòn cốt thép trong cấu kiện BTCT 7

1.2 THỰC TRẠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU TẠI VIỆT NAM 13

1.2.1 Cầu Kênh K13 - tỉnh Tây Ninh 14

1.2.2 Cầu Cảng Bến Đầm - tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu 14

1.2.3 Cầu Diễn Kim – Tỉnh Nghệ An 14

1.2.4 Cầu Bình Long – tỉnh Bình Định 15

1.2.5 Cầu Phước Lộc - thành phố Hồ Chí Minh 16

1.2.6 Cầu Thạnh Đức – tỉnh Quảng Ngãi 16

1.2.7 Đánh giá, nhận xét……… 16

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 17

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 17

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 21

1.4 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẤU KİỆN DẦM BTCT 27

2.1 ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP 27

2.1.1 Ăn mòn thép do quá trình các bo nát hóa 27

2.1.2 Ăn mòn do ion Clo (ăn mòn điện hóa) 28

2.1.3 Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông 30

2.1.4 Một số mô hình về lan truyền ăn mòn trong kết cấu BTCT 38

2.1.5 Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép trong bê tông 42

2.1.6 Cơ sở xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn 48

2.2 MỘT SỐ MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP 59

2.2.1 Các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông 59

2.2.2 Các mô hình ứng xử của cốt thép 63

2.2.3 Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép 64

2.3 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 67

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT CÓ XÉT ĐẾN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG 69

THÍ NGHİỆM ĐÁNH GİÁ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO MẪU 69

3.1.1 Thành phần vật liệu……… 69

3.1.2 Yêu cầu, tính toán các chỉ tiêu vật liệu 69

3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HỔN HỢP BÊ TÔNG THÍ NGHIỆM 79

3.2.1 Các bước thiết kế cấp phối bê tông 79

3.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG 81

3.3.1 Thiết bị thí nghiệm……… 81

3.3.2 Mẫu thử……… 81

3.3.3 Quy trình thử nghiệm……… 81

3.3.4 Tính toán mô đun đàn hồi………… 82

3.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG (F’C) 82

3.4.1 Thiết bị thí nghiệm……… 82

3.4.2 Chuẩn bị thí nghiệm:……… 83

3.4.3 Tiến hành thử:……… 83

3.4.4 Kết quả:……… 83

3.5 CHẾ TẠO MẪU DẦM THÍ NGHIỆM 84

3.5.1 Thiết bị dùng trong quá trình chế tạo dầm thí nghiệm 84

3.5.2 Chế tạo dầm thí nghiệm……… 85

3.6 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LỰC PHÁ HOẠI PMAX 85

3.6.1 Chuẩn bị mẫu……… 85

3.6.2 Thực hiện uốn mẫu………… 86

3.7 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA ỨNG SUẤT DO TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP 87

3.7.1 Qui trình thực hiện thí nghiệm 88

3.7.2 Thiết bị và công tác chuẩn bị thí nghiệm 88

3.7.3 Kết quả thí nghiệm:………… 93

3.7.4 Quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn cốt thép 94

3.8 THÍ NGHİỆM ĐÁNH GİÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẤU KİỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 96

3.8.1 Chế tạo dầm và thí nghiệm xác định Pmax 97

3.8.2 Thí nghiệm ăn mòn diễn tiến nhanh các nhóm mẫu dầm 98

3.8.3 Thí nghiệm xác định lực kháng uốn các nhóm mẫu dầm 100

3.8.4 Xác định mức độ ăn mòn cốt thép 102

3.8.5 Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm BTCT có xét đến ảnh hưởng của tải trọng……… 105

3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 106

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN GIẢI TÍCH VÀ MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN SỨC KHÁNG CỦA DẦM CẦU BTCT CÓ XÉT ĐẾN SỰ ĂN MÒN CỦA CỐT THÉP 108

4.1 MÔ HÌNH HÓA DẦM THỰC NGHIỆM 108

4.1.1 Mô hình vật liệu bê tông………… 108

4.1.2 Mô hình vật liệu cốt thép……… 111

4.1.3 Mô hình dính bám giữa bê tông và cốt thép 111

4.1.4 Mô hình phần tử bê tông và cốt thép 111

4.1.5 Mô hình hóa kết cấu……… 113

4.1.6 Thıết lập các bước tính toán 114

4.1.7 Kết quả mô phỏng số………… 114

4.1.8 So sánh đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng……… 115

4.2 VÍ DỤ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM CẦU CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG 116

4.2.1 Tính toán sức kháng uốn dầm bị ăn mòn cốt thép 116

4.2.2 Tính toán sức kháng còn lại sau ăn mòn 119

4.3 MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ GIẢI TÍCH DẦM CẦU T - BTCT 124

4.3.1 Mô hình hóa vật liệu bê tông và cốt thép 125

4.3.2 Mô hình hóa hình học………… 125

4.3.3 Các bước thiết lập tính toán……… 126

4.3.4 Kết quả phân tích bằng phần mềm số 127

4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến ứng xử của dầm cầu bị ăn mòn 128

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 130

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132

1 KẾT LUẬN 132

Khối lượng thực hiện được của luận án 132

Đóng góp mới của luận án………… 132

2 KIẾN NGHỊ 133

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

TIẾNG VIỆT 136

TIẾNG ANH 138

PHỤ LỤC 144

PHỤ LỤC 01 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĂN MÒN GIA TỐC 144 PHỤ LỤC 02 - MÔ PHỎNG SỐ CHƯƠNG TRÌNH ATENA 145 PHỤ LỤC 03 - TÍNH TOÁN CHI TIẾT DẦM T - BTCT………147

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ phát triển ăn mòn cốt thép theo thời gian 8

Hình 1.2 Hình ảnh mô tả các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT 9

Hình 1.3 Quá trình phát triển của vết nứt do ăn mòn cốt thép theo Tuutti 10

Hình 1.4 Gỉ trương nở đều Hình 1.5 Gỉ trương nở không đều 11

Hình 1.6 Hiện trạng bản bị bong vỡ bê tông lộ cốt thép ở cầu Kênh K13 (thời điểm khảo sát năm 2018) 14

Hình 1.7 Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại cầu cảng Bến Đầm - Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (Tình trạng tại thời điểm khảo sát năm 2017) 14

Hình 1.8 Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại các bộ phận cầu BTCT (thời điểm khảo sát năm 2016) 15

Hình 1.9 Ăn mòn cốt thép gây hư hỏng kết cấu dầm BTCT tại cầu Bình Long (thời điểm khảo sát năm 2020) 15

Hình 1.10 Ăn mòn bê tông gây nứt phá hoại trên thân dầm Cầu Phước Lộc 16

Hình 1.11 Hình ảnh ăn mòn bê tông cốt thép trên kết cấu dầm cầu Thạnh Đức (thời điểm khảo sát năm 2021) 16

Hình 2.1 Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông do cacbonat hóa 28

Hình 2.2 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) 28

Hình 2.3 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt 30

Hình 2.4 Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn 39

Hình 2.5 Thiết bị sử dụng cho phương pháp điện thế nửa pin được mô tả trong ASTM C876 để đo điện thế bề mặt liên quan đến dòng điện ăn mòn 42

Hình 2.6 Sơ đồ minh họa đường cong phân cực tuyến tính 43

Hình 2.7 Sơ đồ minh họa kết quả đo xung tĩnh điện 45

Hình 2.8 Biểu diễn giản đồ của phép đo điện trở suất (a) Điện trở suất lớn, 48

Hình 2.9 Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: (a) mẫu bê tông ban đầu; (b) sự biến dạng của bê tông, (c) sự biến dạng của các sản phẩm ăn mòn (d) gỉ chèn vào trong các vết nứt mở 49

Hình 2.10 Khoảng thời gian từ khởi đầu ăn mòn thép đến nứt hoàn toàn bê tông bảo

vệ và tới nguy hiểm chịu lực 50

Hình 2.11 Sơ đồ ước lượng cho mất mát bán kính thép rs2 56

Hình 2.12 Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và độ ẩm tương đối với bê tông tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt độ 23oC 57

Hình 2.13 Mật độ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=75% theo Liu và Weyers 59

Hình 2.14 Luật ứng xử đàn hồi của bê tông 59

Hình 2.15.Trường ứng suất đầu vết nứt theo LEFM 60

Hình 2.16 Tiêu chuẩn phá huỷ được biểu diễn trong các mặt phẳng khác nhau 61

Hình 2.17 Luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - giòn - dẻo 63

Hình 2.18 Quan hệ ứng suất biến dạng khái quát hóa của thép 64

Hình 2.19 Mô hình đàn hồi – dẻo có củng cố 64

Hình 2.20 Biểu diễn sự có mặt của cốt thép trong bê tông 65

Hình 2.21 Dạng tương tác giữa cốt thép với bê tông 67

Hình 3.1 Biểu đồ bao cấp phối hạt vật liệu cát 72

Hình 3.2 Biểu đồ bao cốt liệu – đá dăm 73

Hình 3.3 Thí nghiệm kiểm tra chỉ tiêu cơ lý của xi măng 77

Hình 3.4 Thí nghiệm xác định giới hạn kháng uốn của thép 79

Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông 82

Hình 3.6 Công tác chuẩn bị đúc mẫu trụ 83

Hình 3.7 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 84

Hình 3.8 Kích thước và cấu tạo dầm thực nghiệm 85

Hình 3.9 Mẫu dầm sau quá trình trình chế tạo 85

Hình 3.10 Sơ đồ uốn 4 điểm trong thí nghiệm phá hoại mẫu 86

Hình 3.11 Thí nghiệm phá hoại trên 02 mẫu xác định PMax 86

Hình 3.12 Sơ đồ các bước thực hiện thí nghiệm 88

Hình 3.13 Mô tả thiết bị gông dầm tạo ứng suất trước 88

Hình 3.14 Hình ảnh mẫu dầm gông thực tế 89

Hình 3.15 Mô hình diễn tiến nhanh ăn mòn điện cực 89

Hình 3.16 Hình ảnh ngâm dầm không gia tải 91

Hình 3.17 Hình ảnh ngâm dầm có gia tải 91

Hình 3.18 Hình ảnh bể ngâm mẫu được ghi chú cụ thể 92

Hình 3.19 Hình ảnh mẫu sau khi ngâm 30 ngày 92

Hình 3.20 Hình ảnh cốt thép bị ăn mòn sau khi ngâm 93

Hình 3.21 Biểu đồ quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn 95

Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn 95

Hình 3.23 Hình ảnh dầm thực nghiệm sau chế tạo 97

Hình 3.24.Thiết bị mô tả gông dầm 98

Hình 3.25 Các mẫu dầm được gông tạo ứng suất 99

Hình 3.26 Mô tả môi trường thí nghiệm ăn mòn điện cực 99

Hình 3.27 Hình ảnh nhóm dầm 02 ngâm ăn mòn có gia tải 100

Hình 3.28 Nhóm mẫu dầm 01 - không gia tải và ngâm ăn mòn 100

Hình 3.29 Dầm nhóm 01 sau khi được dỡ tải 101

Hình 3.30 Dầm nhóm 02 sau thí nghiệm ăn mòn diễn tiến nhanh được dỡ tải 101

Hình 3.31 Uốn 4 điểm đến phá hoại đối với mẫu dầm - nhóm 01 102

Hình 3.32 Uốn 4 điểm đến phá hoại đối với mẫu dầm - nhóm 02 102

Hình 3.33 Hình ảnh bê tông cốt thép bị ăn mòn sau thí nghiệm 103

Hình 3.34 Cân xác định khối lượng cốt thép bị ăn mòn sau thí nghiệm 104

Hình 3.35 Quan hệ mức độ ăn mòn và sức kháng uốn 105

Hình 3.36 Biểu đồ thực nghiệm mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị 105

Hình 4.1 Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị tương ứng với các mức ăn mòn 115

Hình 4.2 Biểu đồ thực nghiệm mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị 115

Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị của mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% tại cấp tại trọng 0  Pmax với thí nghiệm thực tế 116

Hình 4.4 Mặt cắt ngang dầm 118

Hình 4.5 Mặt cắt tính toán 118

Hình 4.6 Bố trí cốt thép 119

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ diện tích cốt thép theo thời gian ăn mòn 123

Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ mô men uốn theo thời gian ăn mòn 123

Hình 4.9 Mặt cắt ngang dầm cầu BTCT - mặt cắt T 124

Hình 4.10 Khai báo đặc trưng cơ học của thép 125

Hình 4.11 Khai báo đặc trưng cơ học của bê tông 125

Hình 4.12.Chia phần tử lưới của dầm chữ T 126

Hình 4.13.Mô hình hóa cốt thép của dầm chữ T 126

Hình 4.14.Các bước thiết lập tính toán trên phần mềm 126

Hình 4.15 Biểu đồ quan hệ sức kháng uốn và chuyển vị theo mô phỏng số 127

Hình 4.16.Biểu đồ quan hệ sức kháng uốn và chuyển vị theo mô phỏng số và thực nghiệm tại mức ăn mòn 25% 127

Hình 4.17 Ảnh hưởng của tiết diện thép ăn mòn đến sức kháng uốn (%) 127

Hình 4.18 Ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến sức kháng uốn của dầm 127

Hình 4.19 Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến mức độ ăn mòn (%) 128

Hình 4.20 Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến mức độ ăn mòn 128

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Mức độ xâm thực tại các vùng 3

Bảng 2 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công trình cảng biển tại Đà Nẵng 4

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với quá trình ăn mòn 30

Bảng 2.2 Hướng dẫn việc giải thích kết quả từ khảo sát nửa-pin 42

Bảng 2.3 Hướng dẫn việc giải thích kết quả của 3LP và Gecor 44

Bảng 2.4 Nguy cơ ăn mòn cốt thép liên quan đến điện trở suất của bê tông đối với bê tông OPC ở 200 C 46

Bảng 3.1 Hàm lượng tối đa các muối, ion trong nước trộn bê tông và vữa 70

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của cát 71

Bảng 3.3 Bảng thành phần hạt của cát 71

Bảng 3.4 Thành phần hạt của đá dăm 72

Bảng 3.5 Các chi tiêu cơ lý của đá dăm 73

Bảng 3.6 Khối lượng mẫu 74

Bảng 3.7 Kết quả tính khối lượng riêng 74

Bảng 3.8 Kết quả tính độ hút nước 75

Bảng 3.9 Khối lượng mẫu 75

Bảng 3.10 Khối lượng riêng của cát 75

Bảng 3.11 Độ hút nước của cát 76

Bảng 3.12 Khối lượng thể tích lèn chặt của cốt liệu 76

Bảng 3.13 Các chỉ tiêu thí nghiệm cốt liệu 77

Bảng 3.14 Các chỉ tiêu của cát 77

Bảng 3.15 Các chỉ tiêu của đá dăm 77

Bảng 3.16 Các tính chất cơ lý của xi măng Bỉm Sơn PC40 78

Bảng 3.17 Thành phần khoáng vật trong Xi măng 78

Bảng 3.18 Thành phần hóa học của xi măng Bỉm Sơn PC40 78

Bảng 3.19 Qui định kéo vật liệu thép 79

Bảng 3.20 Thông số vật liệu thép 79

Bảng 3.21 Thể tích các loại vật liệu (trừ cát) trong 1 m3 hỗn hợp bê tông 80

Bảng 3.22 Khối lượng thành phần vật liệu cơ sở cho 1m3 bê tông cấp 30MPa 81

Bảng 3.23 Kết quả đo mô đun đàn hồi của bê tông 82

Bảng 3.24 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của của bê tông 84

Bảng 3.25 Số lượng mẫu dầm xác định Pmax 86

Bảng 3.26 Bảng thống kê giá trị Pmax 87

Bảng 3.27 Các mẫu dầm thí nghiệm 90

Bảng 3.28 Số lượng mẫu dầm theo các cấp gia tải 90

Bảng 3.29 Bảng giá trị ứng suất trung bình tương ứng 91

Bảng 3.30 Tổng hợp độ hao mòn cốt thép các mẫu dầm thực nghiệm (%) 94

Bảng 3.31 Số lượng mẫu dầm tương ứng các nhóm dầm 99

Bảng 3.32 Thống kê kết quả lực uốn phá hoại các nhóm mẫu dầm (KN) 102

Bảng 3.33 Độ hao mòn cốt thép các nhóm mẫu dầm(%) 104

Bảng 4.1.Tham số vật liệu bê tông theo ATENA 110

Bảng 4.2 Sự biến thiên ngẫu nhiên của các tham số vật liệu 110

Bảng 4.3 Bảng thống kê kích thước dầm 117

Bảng 4.4 Phương án bố trí cốt thép dầm cầu 119

Bảng 4.5 Kết quả tính toán sức kháng uốn còn lại 121

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 01 – KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĂN MÒN GIA TỐC……… 144 PHỤ LỤC 02 – CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ ATENA……….145 PHỤ LỤC 03 – TÍNH TOÁN CHI TIẾT DẦM T……….147

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

Chữ cái viết tắt, kí hiệu Ý nghĩa

AASHTO American Association of State Highway and

Transportation Officials (Hiệp hội các Viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ)

ACI American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ) ASTM American Society for Testing and Materials

(Hiệp hội Vật liệu và Thí nghiệm Mỹ)

IC Ion clo (Ion Chloride (E), Ion Chlorure (F)) Cl

-EN EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

RCPT Thí nghiệm thấm nhanh ion clo

KLTT Khối lượng thể tích

C Nồng độ clorua

C0 Nồng độ clorua ban đầu trong bê tông

c Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

D Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông

D28 Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông ở tuổi 28

ngày D(T) Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông ở nhiệt

độ T D(t) Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông ở thời

điểm t DPC

Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông thường DSF Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông có muội

silic (silica fume)

L Chiều dài mẫu thử

M Khối lượng nguyên tử của sắt

Mloss Khối lượng thép mất mát do ăn mòn

Ms Khối lượng thép ban đầu (trên một đơn vị chiều

dài thanh thép)

n Hệ số nở thể tích của gỉ (tỷ số thể tích gỉ thép

và thép bị gỉ)

p Áp lực tại giao diện bê tông và gỉ

qr áp lực tới xuyên tâm

qr,c áp lực tới hạn gây nứt bê tông bảo vệ

R Hằng số khí

Rc Điện trở của bê tông

rn Bán kính của thép chưa bị ăn mòn

r0=0,50d+0 ; Mất mát bán kính của cốt thép gây ra bắt đầu nứt

Mất mát bán kính của cốt thép do gỉ chèn vào

vết nứt

S Khoảng cách giữa các cốt thép

T Nhiệt độ tuyệt đối

t1 Thời gian khởi đầu ăn mòn

t2 Thời gian lan truyền ăn mòn

z Hóa trị của clorua

V Thế tích của dung dịch NaCl sử dụng trong thí

nghiệm C1202



chuyển vị xuyên tâm của bê tông;

 chuyển vị nén xuyên tâm của gỉ (các sản phẩm ăn mòn)

 chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép;

ρ

tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát

Mloss với khối lượng thép ban đầu Ms trên một đơn vị chiều dài

k là hệ số biểu thị mức độ lấp đầy các vết nứt

bằng các sản phẩm ăn mòn;

fr là cường độ chịu kéo của bê tông ;

 là hệ số poisson của bê tông c=0,18-0,20;

là mô đun đàn hồi có hiệu (xét đến từ biến);

Ec là mô đun đàn hồi của bê tông;

 là hệ số từ biến của bê tông;

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Địa hình đất nước ta dài và hẹp, trải dài từ Bắc xuống Nam, với hơn 3000 kilomet tiếp giáp biển, bị ảnh hưởng bởi khí hậu nhiệt đới gió mùa, mang theo gió biển chứa hàm lượng muối natriclorua đậm đặc Trục kinh tế Bắc – Nam với 2 trung tâm kinh tế lớn ở hai đầu đất nước, việc kết nối giữa các trung tâm kinh tế của khu vực và vùng miền là rất quan trọng Nhận thức được vấn đề đó thời gian qua và sắp tới có rất nhiều công trình cầu bê tông cốt thép (BTCT) được xây dựng là giải pháp

để vượt chướng ngại vật, đảm bảo thông suốt các tuyến đường kết nối giữa các vùng kinh tế trọng điểm Các công trình cầu phải làm việc trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt đó là môi trường xâm thực mạnh bởi môi trường biển chứa nhiều tác nhân gây

ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép, phải kể đến như: CO2-, Cl-, O2- theo tác giả Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17], trong “Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống

ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển”

Cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn điện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ động trên

bề mặt cốt thép và hiện tượng ăn mòn sẽ xảy ra Khi ăn mòn cốt thép xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt Gỉ sắt hấp thụ nước sẽ trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ Ăn mòn cốt thép còn làm giảm dính bám giữa bê tông và cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén và sức kháng cắt theo tác giả Vũ Ngọc Anh (2009), [1]

Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng đến khi ăn mòn (do clorua) gây ra các hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn nữa Thời gian này gồm hai giai đoạn kê tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên

bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn” Giai đoạn lan truyền ăn mòn

là thời gian từ khi khởi đầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực

Thiệt hại do ăn mòn cốt thép gây ra đã được thừa nhận là một trong những nguyên nhân chính của sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép trên toàn thế giới Thông thường, bê tông cung cấp một mức độ bảo vệ cho cốt thép không bị ăn mòn,

được gọi là thụ động của thép, nhờ độ kiềm cao trong các dung dịch lỗ rỗng Trong môi trường xâm thực, tính năng độ bền mong muốn cao này trong bê tông thường bị phá hủy và ăn mòn cốt thép trở thành một vấn đề thường gặp Hai nguyên nhân chính thường gặp gây ăn mòn thép trong bê tông cốt thép là: cacbonat gây ra sự ăn mòn và clorua gây ra sự ăn mòn Với sự phát triển của sự ăn mòn, thể tích các sản phẩm gỉ tăng khoảng 2-6 lần thể tích của thép bị rỉ, tạo áp lực lên bê tông xung quanh và cuối cùng dẫn đến sự hư hỏng các kết cấu theo hình thức nứt, vỡ và tách lớp của bê tông bảo vệ Đồng thời với việc gây ra nứt vỡ bê tông bảo vệ, ăn mòn cốt thép còn làm giảm dính bám giữa cốt thép với bê tông và gây ra mất mát diện tích mặt cắt ngang của cốt thép làm giảm sức kháng của cấu kiện bê tông cốt thép

Theo các tài liệu khảo sát, sau 10 đến 30 năm sử dụng, các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép trong môi trường biển bị ăn mòn và phá hủy trầm trọng, đòi hỏi chi phí lớn cho việc sửa chữa và bảo vệ, chiếm khoảng 40 - 70% giá thành xây dựng Đồng thời, công tác đánh giá, dự báo độ bền và tuổi thọ của công trình gặp rất nhiều khó khăn do tính chất không đồng nhất của bê tông, chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng phức tạp và có mặt của nhiều yếu tố xâm thực trong môi trường biển, theo tổng hợp của tác giả Phạm Văn Khoan và cộng sự (2010) [8] và tác giả Đồng Kim Hạnh cùng cộng sự (2014) [11]

Căn cứ theo tính chất xâm thực và mức độ tác động của môi trường biển lên kết cấu bê tông và bê tông cốt thép có thể phân làm ba vùng như sau:

 Vùng hoàn toàn ngập nước

 Vùng nước lên xuống và sóng đánh

 Vùng khí quyển trên biển và ven biển, gồm các tiểu vùng:

Trong môi trường biển khí hậu các vùng ven Việt Nam do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm, trong không khí chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống do chế độ thủy triều, khí quyển biển và ven biển theo Trương Hoài Chính cùng cộng sự (2007) [3], và Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17]

Cùng với quá trình ăn mòn hoá học, điện hoá thì trên bề mặt các kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép còn bị bào mòn cơ học do áp lực sóng, đặc biệt là sóng có cường

độ mạnh do gió bão gây ra Trên bề mặt kết cấu, quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên làm tăng nhanh quá trình tích tụ ion Cl-, O2- Nước biển cũng thâm nhập vào

bê tông thông qua quá trình khuyếch tán và lực hút mao quản Khảo sát kết cấu bên trong công trình khi đục kiểm tra tại các vết nứt thấy cốt thép bị gỉ rất nặng, mặt cắt ngang cốt thép có thể giảm từ 40% đến 60%, cốt thép đai nằm bên ngoài thường bị

gỉ nặng hơn và đứt nhiều Kiểm tra điện thế ăn mòn bằng máy đo điện thế CANIN thì thấy: điện thế đạt -900 mV, chứng tỏ cốt thép bị ăn mòn rất mạnh Khi sử dụng phương pháp điện cực so sánh Ag/AgCl Kết quả đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 (2015) [43], và giản đồ E-pH của hệ Fe-H2O như Bảng 2, theo Trương Hoài Chính và cộng sự (2008) [4]

Bảng 2 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các

công trình cảng biển tại Đà Nẵng [4]

Công trình Điện thế so với

điện thế Ag/AgCl

Khả năng ăn mòn cốt thép

Phương phá đánh

giá

Cảng Thuận Phước -409 đến -450  90% ASTM C876

Cảng Liên Chiểu -320 đến -460  90% ASTM C876

Cảng Nguyễn Văn Trỗi -306 đến -325  90% Giản đồ E-pH hệ

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu dầm vẫn là vấn đề rất mới, chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến Hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu trên khảo sát hiện trạng công trình, thu thập số liệu phục vụ công tác đánh giá phân tích, và phần lớn chưa xét đến ảnh hưởng của ứng suất gây ra do tải trọng tác dụng trực tiếp Một phần do các thí nghiệm, đánh giá ăn mòn còn phức tạp, đặc biệt là các thí nghiệm có xét đến ảnh hưởng của tải trọng kéo, uốn trực tiếp

Việc nghiên cứu đánh giá được mối quan hệ giữa ăn mòn cốt thép và sức kháng uốn của dầm BTCT có xét đến yếu tố ứng suất do tải trọng tác dụng là cần thiết, mang nhiều ý nghĩa cho công tác đánh giá, dự báo tuổi thọ của công trình; phù hợp với đặc điểm khai thác của các công trình nói chung và các công trình cầu nói riêng, đặc biệt

là các công trình cầu ở Việt Nam

Qua một số tiếp cận và tìm hiểu tình hình thực tế nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam cho thấy tình hình ăn mòn thép là một hiện tượng phổ biến đối với công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Cần thiết phải khảo sát rõ thực trạng và nghiên cứu ăn mòn thép và các ảnh hưởng của ăn mòn thép đến sức kháng của công trình hạ tầng giao thông bằng bê tông cốt thép, trong đó có các công trình cầu bê tông cốt thép

ở các vùng biển và ven biển Đây là lý do đề tài “Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn

cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép” được chọn làm

luận án nghiên cứu sinh

Nội dung luận án ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, Phụ lục, Tài liệu tham khảo; gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép; thực trạng, tình hình nghiên cứu trên Thế gıớı và tạı Việt Nam

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm BTCT

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép có xét đến tải trọng tác dụng Chương 4: Tính toán giải tích và mô phỏng số đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm cầu bê tông cốt thép có xét đến tải trọng tác dụng

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Các kết cấu dầm bê tông cốt thép thường chịu đồng thời tác động của tải trọng

và ăn mòn cốt thép từ môi trường chứa ion Cl-

Một số kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến trạng thái ăn mòn cốt thép do ion Cl-

3 MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU

Đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép trong các kết cấu dầm bê tông cốt thép ở môi trường ăn mòn chứa tác nhân Ion Cl-

Đánh giá ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến mức độ ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm bê tông cốt thép thường

Đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép trong các kết cấu dầm bê tông cốt thép đến sức kháng uốn của dầm

Đánh giá sự suy giảm sức kháng uốn của một số kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép thường, nhịp giản đơn trong thực tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong kết cấu

4 PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU

Sức kháng uốn và mức độ ăn mòn của của các kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép thường trong môi trường ăn mòn chứa Ion CL-

Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ thực hiện với mẫu dầm BTCT thường, nhịp đơn giản trong phòng thí nghiệm

Các nghiên cứu mô phỏng ngoài áp dụng cho các kết cấu BTCT quy mô phòng thí nghiệm thì còn áp dụng cho các kết cấu dầm cầu BTCT nhịp giản đơn thực tế trong môi trường ăn mòn do ion Cl-

5 PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu dựa vào phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương pháp điều tra, khảo sát để đánh giá vấn đề nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng số để dự báo sức kháng của các kết cấu bê tông cốt thép có xét đến mức độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TİỄN CỦA LUẬN ÁN

Luận án đã có những tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến cơ chế ăn mòn cốt thép; ảnh hưởng của mức

độ ăn mòn cốt thép tới trạng thái chất lượng và sự làm việc chịu tải của kết cấu…, để

từ đó xác lập được phương pháp luận nghiên cứu phù hợp để đạt được các mục tiêu nghiêm cứu của luận án

Các kết quả nghiên cứu mới của luận án là những đóng góp có ý nghĩa về mặt khoa học và có giá trị thực tiễn Nội dung và kết quả của luận án có thể được coi là một tài liệu tham khảo hữu ích cho những người quan tâm đến công tác thiết kế và đánh giá kết cấu cầu BTCT

Giá trị khoa học: Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến mức độ ăn mòn của các cốt thép Từ đó đánh giá được ảnh hưởng của mức độ ăn mòn đến sức kháng của các dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn

Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng cho các tính toán

dự báo tuổi thọ và sức kháng của các kết cấu bê tông cốt thép trong thực tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong bê tông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VİỆT NAM

1.1 TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN

BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1.1 Khái niệm ăn mòn kim loại

Ăn mòn được Fontana, M G (1971) [59] và Uhlig, H H (1971) [100] định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn

a Ăn mòn điện hóa

Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và chất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở anốt (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở catốt (cực âm)

b Tính thụ động

Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn là không hòa tan, bám chặt trên bề mặt

và đưa đến hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề mặt của kim loại

Việc duy trì thụ động cần điều kiện môi trường điện nhất định Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những thay đổi của điều kiện môi trường điện hóa

1.1.2 Phân loại ăn mòn cốt thép trong cấu kiện BTCT

Ăn mòn cốt thép là một quá trình lâu dài, chủ yếu do môi trường xâm thực chứa tác nhân gây ăn mòn Phổ biến có 02 quá trình:

1.1.2.1 Quá trình cacbonat hóa

Quá trình này được chia thành 5 giai đoạn như sau:

+ Giai đoạn 1: Theo Pourbaix H (1966) [79], khi bê tông xung quanh cốt thép còn chưa bị cacbonat hóa, bê tông có tính chất kiềm, nồng độ pH luôn giữ từ 12 đến

13, trong môi trường có tính kiềm cao như vậy cốt thép không thể bị ăn mòn

+ Giai đoạn 2: sự vận động của pha lỏng trong các kẽ hở của bê tông do sự chuyển đổi của các hợp chất bị thủy hóa Phản ứng cacbonat hóa của bê tông do oxit cacbon (CO2) có trong không khí thấm sâu vào lớp bê tông bảo vệ dẫn đến độ pH bị giảm đi (pH)

+ Giai đoạn 3: do sự thẩm thấu của nước, các tạp chất có tính oxy hóa cao (đặc biệt là môi trường chứa ion Cl-) tác động trực tiếp vào cốt thép làm oxy hóa thép Sản phẩm của quá trình oxy hóa cốt thép là hỗn hợp Fe2O3.H2O, Fe(OH)2 – gọi là rỉ sắt + Giai đoạn 4: oxy hóa thép đến một mức độ nào đó sẽ tạo thành một lớp rỉ sắt, lớp rỉ sắt này xốp có thể tích lớn gấp 2 đến 7 lần thể tích sắt bị ăn mòn, do vậy, lớp rỉ sắt này tạo áp lực lên lớp bê tông bảo vệ, khi áp lực này tạo ra ứng suất lớn hơn cường

độ chịu kéo của bê tông thì sẽ gây nứt lớp bê tông bảo vệ, theo tác giả Vidal T (2003) [101]

+ Giai đoạn 5: lớp rỉ sắt tiếp tục hình thành với thể tích lớn làm vết nứt ở lớp bê tông bảo vệ hình thành to hơn, đến một thời điểm nào đó lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc

1.1.2.2 Quá trình xâm thực của các nhân tố có hại vào đến cốt thép, đặc biệt là ion Cl -

Những công trình cầu BTCT làm việc trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với nước biển, môi trường công nghiệp, đô thị ô nhiễm, những công trình ở vùng khí hậu ôn đới thường xuyên phải rải muối để làm tan băng tuyết thì đặc biệt liên quan đến sự xâm thực này

Trong hai quá trình trên, thì quá trình các bon nat hóa là quá trình chung, nó diễn ra trên mọi công trình bê tông cốt thép Trong khi đó quá trình thấm của Ion Cl- chỉ diễn ra trong công trình mà môi trường ở đó có Ion Cl- tồn tại

Xét về mặt động, người ta có thể sơ đồ hóa sự phát triển của ăn mòn cốt thép

ở lớp bê tông bảo vệ theo hai giai đoạn như mô hình đã được phát triển vào năm 1982 bởi Tuutti (1982) [99], (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Biểu đồ phát triển ăn mòn cốt thép theo thời gian [99]

Ăn mòn cốt thép trải qua theo hai giai đoạn riêng biệt, giai đoạn mồi (I) và giai đoạn phát tán (II) Điểm A tương ứng với thời điểm cốt thép bị mất tính thụ động hoá

chống rỉ, sau đó là sự lan truyền của ăn mòn, sản phẩm ăn mòn sinh ra, khi tỷ lệ ăn mòn đạt ngưỡng dẫn đến sự hình thành các vết nứt, sau đó bắt đầu phá huỷ lớp bê tông bảo vệ - thời điểm này tương ứng với điểm B Ở cuối giai đoạn B, nếu ăn mòn không bị phát hiện và kết cấu không được tiến hành sửa chữa gia cố thì nó sẽ có thể

hư hỏng dẫn đến sụp đổ do giảm khả năng chịu tải (xem hình 1.1)

Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông được GS Mutsuyoshi, (2001) [76] đưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản Qua số liệu thống kê chúng

ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn đến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập Clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5% (xem hình 1.2)

Hình 1.2 Hình ảnh mô tả các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT [76]

- Hai cơ chế phá hoại kết cấu bê tông cốt thép do ăn mòn thép:

+ Thứ nhất là sự suy giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dẫn tới giảm sức kháng lại các tải trọng

+ Thứ hai, cốt thép bị ăn mòn sẽ sinh ra các sản phẩm ăn mòn, các sản phẩm

ăn mòn làm giảm tính dính bám giữa bê tông và cốt thép, hơn nữa, sản phẩm gỉ có tính nở thể tích gây ra ứng suất kéo trong bê tông bảo vệ và gây nứt, tách, vỡ bê tông bảo vệ

Hình 1.3 Quá trình phát triển của vết nứt do ăn mòn cốt thép theo Tuutti [99] Cũng theo Tuutti (1982) [99], với các loại cốt thép xác định được sử dụng trong các công trình bằng bê tông cốt thép; mức độ ăn mòn các cốt thép chịu ảnh hưởng lớn bởi trạng thái ứng xử và cấu trúc vật liệu của lớp bê tông bảo vệ Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông bảo vệ đặc chắc, thì môi trường kiềm trong

bê tông đủ cao để tạo ra một lớp màng bảo vệ các cốt thép Nếu màng bảo vệ này bị phá hủy, các cốt thép sẽ bị ăn mòn Một trong những nguyên nhân quan trọng khiến cho lớp màng thụ động bị phá hủy là sự xâm nhập của các ion clorua từ môi trường bên ngoài vào tận vị trí các cốt thép Các vết nứt vi mô xuất hiện trong lớp bê tông bảo vệ sẽ tạo điều kiện cho ion clorua xâm nhập nhanh hơn, khiến cho công trình nguy cơ bị ăn mòn sớm hơn dự kiến (xem hình 1.3)

Theo Nguyễn Mạnh Phát (2007) [14], các vết nứt vi mô trong lớp bê tông bảo

vệ có thể xuất hiện trong quá trình thủy hóa, đông cứng của bê tông hoặc xuất hiện

do ảnh hưởng của ứng suất gây ra bởi tải trọng khai thác Nguyên nhân thứ ba được kiểm soát bởi mức ứng suất trong bê tông; khi ứng suất đạt đến một ngưỡng nhất định, có thể gọi là giới hạn đàn hồi của bê tông; các vết nứt vi mô sẽ xuất hiện, tạo điều kiện cho ion clorua xâm nhập dễ dàng qua lớp bê tông bảo vệ, gây phá hủy màng thụ động và là nguyên nhân chính khiến các cốt thép bị ăn mòn Theo lập luận của Magdalena German and Jerzy Pamin (2018) [74], và Wei-liang, Jin & Yu-xi, Zhao (2001) [103], thì trong giai đoạn ban đầu, ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo

vệ và tích tụ xung quanh các thanh cốt thép Nồng độ clorua trong bê tông tăng lên cho đến khi nó đạt đến một giá trị ngưỡng clorua, gây ra sự hư hỏng của lớp thụ động của cốt thép Ngay lập tức, cốt thép bắt đầu bị ăn mòn Trong giai đoạn sau đó, ăn mòn sẽ lan truyền trên các cốt thép, gây han gỉ, mất mát đường kính cốt thép, nứt vỡ

bê tông; sức kháng của kết cấu vì thế bị ảnh hưởng

Mô hình cơ học môi trường liên tục: Theo mô hình này, bê tông được xem là

đồng nhất, độ bền và thời hạn sử dụng của kết cấu bê tông được đánh giá thông qua

sự suy giảm tính dính bám giữa cốt thép và bê tông, giảm kích thước mặt cắt ngang của cốt thép và hình thành nứt do hình thành các sản phẩm gỉ có tính trương nở, theo Peter Grassl, TrevorDavies, (2011) [67], Anna Emilie cùng cộng sự, (2006) [34], và Zhen Cui, Alice Alipour (2018) [106] Sản phẩm và tốc độ gỉ gây trương nở được mô phỏng bởi chuyển vị hướng tâm gây ra tại mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông, phụ thuộc vào sự phát triển gỉ, chuyển vị hướng tâm là đều (xem Hình 1.4) và không đều (xem Hình 1.5), sản phẩm trương nở gây ứng suất kéo trong bê tông và gây phá hoại khi vượt qua cường độ chịu kéo của bê tông

Hình 1.4 Gỉ trương nở đều [67] Hình 1.5 Gỉ trương nở không đều [67] Cách tiếp cận này cho phép mô phỏng ứng xử của bê tông từ khi bắt đầu gỉ đến phá hoại, tuy nhiên có nhược điểm là chưa phản ánh đầy đủ các hiện tượng vật

lý, hóa học xảy ra trong bê tông cốt thép công trình biển Sản phẩm gỉ thép được hình thành do sự vận chuyển ion Cl- từ ngoài bê tông vào trong và tích tụ trên bề mặt cốt thép, gây ăn mòn điện hóa Mặt khác, tốc độ ăn mòn chưa xét đến ảnh hưởng của yếu

tố môi trường, thực tế cho thấy kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của thủy triều

sẽ gây ăn mòn nhanh hơn so với môi trường khô hay môi trường ngập nước

a Mô hình cơ học môi trường rỗng: Trên cơ sở xem xét bê tông là vật liệu

rỗng (bao gồm các hệ thống lỗ rỗng và phần rắn), trong đó hệ thống lỗ rỗng tham gia quá trình vận chuyển vật chất (nước và các ion), E Samson và cộng sự (2005) [56], Baroghel-Bouny và cộng sự (2011) [51], H Friedmann và cộng sự (2008) [63] đã sử dụng mô hình tương tác Tuutti (1982) [99], Life 365 [68], sử dụng định luật hai của Fick để mô phỏng quá trình vận chuyển ion Cl- trong bê tông Duracrete (2000) [53],

đã đưa ra phương pháp thiết kế tuổi thọ của các kết cấu bê tông Mô hình được dựa trên một khung thiết kế, mô hình hóa các cơ chế suy giảm độ bền có sử dụng xác suất thống kê và các trạng thái giới hạn Các mô hình cho phép mô phỏng quá trình suy

giảm độ bền dựa trên các kết quả thí nghiệm Hai nguyên nhân chính dẫn tới suy giảm

độ bền của kết cấu BTCT là xâm nhập ion Cl- và cacbonat hóa Trong các mô hình này, thời gian bắt đầu ăn mòn khi nồng độ ion Cl- xung quanh cốt thép vượt quá nồng

độ ion Cl- giới hạn (Ccr) và Ccr thường được biểu thị theo tỷ lệ phần trăm của trọng lượng bê tông hoặc trọng lượng chất kết dính Theo các công bố gần đây trên thế giới, Saria A và E Vesikari (1996) [88], A Costa & J.Appeleton (1999) [47], thì giá trị nồng độ ion Cl- ở bề mặt kết cấu bê tông cốt thép có thể thay đổi từ 0,3 đến 0,4% theo khối lượng bê tông Tiêu chuẩn Anh giới hạn nồng độ ion Cl- dưới mức 0,4% trọng lượng xi măng cho các kết cấu bê tông cốt thép và mức 0,1% cho các kết cấu

bê tông cốt thép dự ứng lực, Emerson M and Bulter A.M, (1997 [54] Một số lượng lớn các nghiên cứu đã tập trung vào việc định lượng Ccr, nhưng các giá trị đo thường phân tán Lý do cho sự phân tán của Ccr bao gồm các phương pháp đo lường, phương pháp biểu diễn Ccr, điều kiện tiếp xúc bê tông cốt thép và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường Điều kiện môi trường tiếp xúc được thể hiện thông qua nồng độ ion Cl- trên bề mặt bê tông tiếp xúc với một môi trường biển Theo ACI 365 (2000) [37], chia vị trí của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển được chia thành 4 vùng: vùng thủy triều (Marine splash zone- là vùng nằm trong biên độ thủy triều hoặc là ở trong phạm vi 1m so với mực nước cao nhất của thủy triều); vùng sóng đánh (Marine spray zone là vùng nằm cao hơn mực nước cao nhất của thủy triều 1m, nhưng đôi khi tiếp xúc với bụi nước biển); vùng khí quyển biển cách biển ≤ 800m và vùng không khí biển cách biển từ 800 m đến 1500 m

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ ion Cl- trên bề mặt bê tông (Cs(t)) tiếp xúc với môi trường biển được tích tụ sau đó tăng lên cùng với thời gian Với các vùng bê tông luôn tiếp xúc với nước biển nồng độ ion Cl- bề mặt có thể không thay đổi với thời gian ví dụ như vùng thủy triều, vùng ảnh hưởng của nước biển do sóng biển Nồng độ ion Cl- tích tụ trên bề mặt bê tông là một hàm của thời gian và là hàm

có giới hạn theo thời gian Quy luật tích tụ nồng độ ion Cl- bề mặt có nhiều quan điểm: không đổi, hàm bậc nhất và hàm mũ Theo A Costa & J Appeleton (1999) [47], trong tất cả các điều kiện tiếp xúc, ngoại trừ các khu vực ngập nước, hàm lượng Cs(t) bề mặt thay đổi có thể được xác định theo hàm mũ thời gian, sự gia tăng của Cs(t) có xu hướng suy giảm theo thời gian và được xác định như sau: Cs(t) = C1.tn, trong đó Cs(t) là hàm lượng clo bề mặt tại thời điểm t (% khối lượng bê tông); C1 - hàm lượng clo bề mặt sau một năm (% khối lượng bê tông); n là các hằng số thực nghiệm phụ thuộc loại bê tông và vùng môi trường Các yếu tố ảnh hưởng đến Cs(t) bao gồm: thành phần của xi măng dùng trong bê tông, đặc điểm bề mặt của bê tông, chu kỳ khô ẩm của môi trường

Điểm quan trọng trong các mô hình cơ học môi trường rỗng là đặc trưng cho tính chất của môi trường được đánh giá thông qua hệ số khuếch tán ion Cl- hay độ bền kháng khuếch tán ion Cl- Độ bền kháng khuếch tán ion Cl- của bê tông phụ thuộc rất lớn vào độ rỗng xốp của bê tông về kích cỡ lỗ rỗng, sự phân bố các lỗ rỗng

và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng Độ rỗng xốp của bê tông phụ thuộc vào các yếu

tố như: loại xi măng và các thành phần hỗn hợp khác, thành phần cấp phối bê tông

và quá trình đầm chặt và bảo dưỡng bê tông Theo E.P Kearsley và cộng sự (2001) [55], khi độ rỗng và tính thông nhau của độ rỗng tăng thì độ bền chống thấm cũng như khuếch tán bị giảm xuống và các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm và khuếch tán có tốc độ càng nhanh Viện khoa học CCAA (Cement Concrete & Aggregates Australia) của Úc (2009) [50], cho rằng độ bền kháng khuếch tán ion Cl- phụ thuộc vào độ thấm của bê tông và chiều dày lớp bê tông bảo vệ, trạng thái nguyên vẹn của lớp bê tông bảo vệ dưới tải trọng khai thác và điều kiện của sự rạn nứt và bề rộng vết nứt

1.2 THỰC TRẠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU TẠI VIỆT NAM

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng nhân tạo được sử dụng rộng rãi nhất và được sử dụng cho các dự án có qui mô khác nhau, từ dầm bê tông nhỏ đến lớn, từ các công trình cầu bê tông giao thông nông thôn đến các công trình cầu dây vượt biển Cốt thép được đưa vào để bù cho khả năng chịu kéo thấp của bê tông trong quá trình làm việc Trong những thập kỷ qua, nhiều loại kết cấu bê tông cốt thép khác đã đạt được chỗ đứng và đóng góp rất lớn trong ngành xây dựng

Ăn mòn cốt thép trong các cấu kiện bê tông cốt thép từ rất sớm đã được giới chuyên môn tại Việt Nam đánh giá là một trong các vấn đề cần quan tâm khi thực hiện công tác quản lý khai thác vận hành các công trình hạ tầng có sử dụng kết cấu

bê tông cốt thép Đặc điểm khá chung của các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam là làm việc dưới tác động của khí hậu nhiệt đới gió mùa, điều kiện môi trường nóng ẩm, cộng với đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép Hằng năm, bằng ngân sách nhà nước các hoạt động kiểm định, đánh giá và duy tu bảo dưỡng vẫn được thực hiện bởi các khu quản lý công trình giao thông; sở giao thông vận tải các địa phương; tuy vậy, với sự khắc nghiệt của tác động môi trường các công trình hạ tầng giao thông sử dụng kết cấu bê tông cốt thép vẫn

âm thầm bị phá hoại bởi các tác nhân xâm thực gây ăn mòn Sau đây là thông tin được thu thập từ các công trình thực tế ở một số địa phương tại Việt Nam

1.2.1 Cầu Kênh K13 - tỉnh Tây Ninh

Thuộc địa bàn xã Bàu Năng, huyện Dương Minh Châu, tỉnh Tây Ninh Cầu có chiều dài 12m Kết cấu nhịp dạng bản đặc đổ tại chỗ cũng đồng thời là bản mặt cầu

Hiện trạng công trình cầu Kênh K13 tại thời điểm khảo sát:

Dầm bản bị hư hỏng nặng, bong tróc, vỡ bê tông lộ cốt thép, cốt thép bị gỉ sét tại rất nhiều vị trí (xem Hình 1.6)

Hình 1.6 Hiện trạng bản bị bong vỡ bê tông lộ cốt thép ở cầu Kênh K13 (thời điểm

khảo sát năm 2018)

1.2.2 Cầu Cảng Bến Đầm - tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu

Hình 1.7 Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại cầu cảng Bến Đầm - Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (Tình trạng tại thời điểm khảo sát

năm 2017) Cầu Cảng Bến Đầm được xây dựng năm 1997 với qui mô dài 180m, rộng 14m bằng bê tông cốt thép Hiện trạng tại thời điểm đánh giá các hạng mục tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển cho thấy: bê tông bị ăn mòn nghiêm trọng, gây bong tróc lớp bê tông bảo vệ, cốt thép bị hoen gỉ nghiêm trọng (xem Hình 1.7)

1.2.3 Cầu Diễn Kim – Tỉnh Nghệ An

Cầu Diễn Kim nằm trên địa bàn huyện Diễn Châu, tỉnh Nghệ An Được xây dựng vào năm 1994; cầu có chiều dài 100m, rộng 3m; đảm bảo giao thông huyết mạch nối liền các xã vùng bãi ngang ven biển của huyện Diễn Châu Sau hơn 20 năm khai thác, cây cầu bị hư hỏng xuống cấp trầm trọng và được chính quyền thực hiện sửa chữa lớn năm 2016 Các bộ phận của cầu bằng bê tông cốt thép bị ăn mòn, bong tróc lớp bê tông bảo vệ, cốt thép bị ăn mòn gây bị gỉ sét nghiêm trọng (xem Hình 1.8)

Hình 1.8 Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại

các bộ phận cầu BTCT (thời điểm khảo sát năm 2016)

1.2.4 Cầu Bình Long – tỉnh Bình Định

Cầu Bình Long bắc qua sông Hà Thanh được xây dựng vào năm 2002, nối 2 thôn Bình Long và Tăng Hòa, xã Canh Vinh, huyện Vân Canh, tỉnh Bình Định Cầu

có 20 nhịp, chiều dài 180 m Tình trạng xuống cấp xảy ra từ đợt mưa, lũ năm 2016

và mức độ ngày càng gia tăng; Các bộ phận cầu bị ăn mòn, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, cốt thép ben tỏng kết cấu bị hoen gỉ, đứt gãy; gây mất an toàn khai thác công trình cầu (xem Hình 1.9)

Hình 1.9 Ăn mòn cốt thép gây hư hỏng kết cấu dầm BTCT tại cầu Bình Long (thời

điểm khảo sát năm 2020)

1.2.5 Cầu Phước Lộc - thành phố Hồ Chí Minh

Thuộc địa bàn huyện Nhà Bè, thành phố Hồ Chí Minh; Các bộ phận cầu bằng

bê tông cốt thép bị ăn mòn, bê tông bị bong tróc, vỡ vụn, các vết nứt phá hoại xuất hiện trên thân dầm bê tông cốt thép, suy giảm khả năng chịu tải của kết cấu, gây nguy hiểm cho quá trình vận hành khai thác công trình (xem Hình 1.10)

Hình 1.10 Ăn mòn bê tông gây nứt phá hoại trên thân dầm Cầu Phước Lộc

1.2.6 Cầu Thạnh Đức – tỉnh Quảng Ngãi

Cầu Thạnh Đức (cũ) nằm trên địa bàn phường Phổ Thạnh, thị xã Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi được hoàn thành năm 1997, sau gần 26 năm sử dụng, nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng mặn, xâm thực mạnh nên bị ăn mòn bê tông, cốt thép, dầm cầu

bị rạn nứt, đã xuống cấp, có nguy cơ gãy đổ (xem Hình 1.11)

Hình 1.11 Hình ảnh ăn mòn bê tông cốt thép trên kết cấu dầm cầu Thạnh Đức (thời

điểm khảo sát năm 2021)

1.2.7 Đánh giá, nhận xét

Qua một số tìm hiểu và dữ liệu thu thập được trên các công trình hạ tầng thuộc các địa phương tại Việt Nam có thể đưa ra một số đánh giá, nhận xét như sau:

- Tình trạng ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó đối với các công trình hạ tầng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép là đáng báo động Vấn đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng hơn đối với các địa phương ven biển, là nơi có môi trường xâm thực, chứa các tác nhân ăn mòn mạnh

- Kết cấu dầm, bản, tấm bê tông cốt thép có xu hướng bị ăn mòn do môi trường xâm thực, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc mất khả năng bảo vệ cốt thép bên trong; khi cốt thép bị phơi trần hoặc tăng khả năng tiếp xúc với tác nhân gây ăn mòn,

nó nhanh chóng bị ăn mòn, dẫn đến mất tiết diện chịu lực, trương nở thể tích, gây phát triển vết nứt thêm nghiêm trọng

- Tình trạng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép diễn biến phức tạp gây ảnh hưởng đến công tác duy tu bảo dưỡng hạ tầng có sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Độ bền

và tuổi thọ công trình qua đó bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến quá trình khai thác vận hành công trình Cần thiết có thêm nhiều nghiên cứu nhằm đánh giá các ảnh hưởng của quá trình ăn mòn cốt thép đến khả năng làm việc của kết cấu bê tông cốt thép

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, các vấn đề liên quan đến ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép được rất nhiều nhà khoa học quan tâm; nhiều đề tài nghiên cứu khoa học chung quanh vấn đề này đã được triển khai từ khá sớm càng khẳng định thêm mức

độ quan trọng và chứng tỏ mối quan tâm đặc biệt của giới khoa học đến vấn đề ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép

Người ta đã đánh giá và xác định ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến quá trình làm việc của kết cấu bê tông cốt thép Cùng với nhiều nguyên nhân khác, ăn mòn cốt thép đang là một rủi ro trong khai thác quản lý vận hành các công trình có sự hiện diện của kết cấu bê tông cốt thép

Ở Mỹ và Canada theo thống kê với hệ thống cầu cũ lên đến hơn 40% cộng với điều kiện khí hậu cực kỳ khắc nghiệt nên giới chức quản lý và các nhà khoa học hoạt động trong lĩnh vực cầu đặc biệt quan tâm đến hiện tượng ăn mòn bê tông cốt thép cùng với những ảnh hưởng tiêu cực từ quá trình ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép của các công trình cầu Ngày 15 tháng 12 năm 1965 cây cầu Silver trên quốc lộ 35 kết nối Point Pleasant, Tây Virginia và Kanauga, bang Ohio – Mỹ đột nhiên đổ sụp xuống sông Ohio làm 37 xe ô rơi xuống sông và 47 người chết Giới chức địa phương đã chỉ ra một trong các nguyên nhân gây sập cầu là do ăn mòn cốt

thép, ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất và mỏi đã phá hủy công trình theo báo cáo của Chris LeRose (2001) [46]

Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép đến việc phát triển vết nứt và ngược lại luôn là vấn đề cần được xem xét cẩn trọng trong quá trình khai thác vận hành các công trình hạ tầng giao thông Các công trình ven biển

sử dụng kết cấu bê tông cốt thép, dưới tác dụng của tải trọng các vết nứt xuất hiện và phát triển trong các cấu kiện dầm; cùng với môi trường xâm thực mạnh các tác nhân gây ăn mòn thẩm thấu và len lõi qua các vết nứt gây ăn mòn cốt thép trong cấu kiện

bê tông cốt thép Ngày 28 tháng 6 năm 1983 cầu Mianus River Bridge tại Greenwich bang Connecticut (Hoa kỳ) bị sập do ăm mòn cốt thép và do mỏi làm 3 người chết và

7 người bị thương Ngày 01 tháng 8 năm 2007 cầu thép bắc qua sông Mississippi bị sập làm chết 13 người và 147 người bị thương, theo các nhà điều tra thì một trong các nguyên nhân gây sập cầu cũng là do nguyên nhân cốt thép bị ăn mòn theo Stachura S., (2008) [85]

Tác giả Stanish, K (2000) [86], đã công bố kết quả về việc Dự báo hệ số khuếch tán của bê tông từ các thông số thành phần hỗn hợp bê tông – thuộc Đại học Toronto Canada Tại Mỹ, Thomas, M.D.A and Bamforth, P.B (1999) [95]

“Modelling chloride diffusion in concrete; effect of fly ash and slag” đã thiết lập Mô hình hóa khuếch tán clorua trong bê tông; đánh giá ảnh hưởng của tro bay và xỉ nội dung nghiên cứu đề cập đến khả năng chống khuếch tán clorua của bê tông là một trong những yếu tố chính chi phối tuổi thọ và chi phí vòng đời của kết cấu bê tông Bài báo này trình bày một mô hình mới được phát triển để ước tính hệ số khuếch tán biểu kiến của bê tông dựa trên tỷ lệ hỗn hợp, vật liệu xi măng được sử dụng và tuổi bê tông Mô hình bao gồm các tác động của các loại vật liệu xi măng bổ sung thường thấy trong các mô hình tuổi thọ sử dụng khác như tro bay, xỉ lò cao dạng hạt và khói silic

Quá trình ăn mòn cốt thép làm trương nở thể tích cốt thép đồng thời làm giảm tiết diện chịu lực của cốt thép qua đó giảm khả năng kháng uốn của cấu kiện BTCT, dưới tác dụng của tải trọng kết cấu bê tông vùng chịu kéo sẽ xuất hiện nhiều vết nứt

do cốt thép vùng này bị ăn mòn và giảm khả năng kháng uốn Để bảo vệ cốt thép hạn chế bị ăn mòn trong quá trình chế tạo cấu kiện bê tông, người ta thường bố trí lớp bê tông bảo vệ dày từ 2cm đến 4 cm; tuy nhiên bê tông không phải là vật liệu chống thấm tốt nên quá trình xâm nhập của các tác nhân ăn mòn vẫn âm thầm diễn ra và khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ càng lớn thì quá trình phát triển vết nứt càng rõ rệt theo Tuutti (1982) [99]

Ở Pháp tại phòng thí nghiệm LMDC – thuộc viện khoa học ứng dụng quốc gia Toulouse CH Pháp, Castel A và cộng sự, (2000) [48] «Couplage mécanique et corrosion dans les éléments de béton armé », Thèse de Doctorat de l’Université Paul Sabatier de Toulouse, nhóm nghiên cứu đã chế tạo những dầm bê tông cốt thép từ năm 1984, kích thước mặt cắt dầm bxh=150mmx280mm, mỗi dầm dài 3000mm Những dầm này được thiết kế theo tiêu chuẩn BAEL của Pháp và được tiến hành thí nghiệm ăn mòn cốt thép trong suốt gần 20 năm để đưa ra được những kết luận về quá trình ăn mòn BTCT và những ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực Cụ thể khi cốt thép bị ăn mòn, nó có ảnh hưởng kép đến ứng xử cơ học của kết cấu: làm giảm khả năng chịu lực do diện tích cốt thép bị giảm so với bố trí ban đầu; làm giảm độ cứng của cấu kiện do giảm diện tích cốt thép và giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép; làm giảm độ võng khi kết cấu dầm bị phá hoại

Một nghiên cứu của nhóm nhà khoa học đến từ trường Đại học Cairo, Ai Cập Mohamed Moawad và nkk (2015) [73], về việc so sánh sự ăn mòn cốt thép trên dầm BTCT dự ứng lực và dầm BTCT thường, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của ăn mòn do môi trường xâm thực có tác dụng mạnh mẽ và làm giảm nhanh khả năng kháng uốn đối với kết cấu dầm BTCT thường Điều này tác động ít hơn đối với kết cấu dầm BTCT dự ứng lực (DƯL) cùng điều kiện môi trường thí nghiệm, nhóm cũng chỉ ra nguyên nhân BTCT DƯL ít bị ảnh hưởng là do vết nứt trên bê tông phát triển ít hơn, thêm vào đó thép cường độ cao được bao bọc và bảo vệ bởi vữa bê tông

và ống gen nên các tác nhân ăn mòn khó tiếp xúc để thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép

Năm 2018, nhóm học viên cao học Hussain, H., & Miteva, D (2018) [64], thuộc trường Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã hoàn thiện luận văn nghiên cứu về ứng xử của cấu trúc BTCT bị ăn mòn bằng mô hình 3D FE, nhóm tác giả đã tiến hành đánh giá tính năng của dầm BTCT bị ăn mòn bằng các thí nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn (FE), kết quả nghiên cứu đã kết luận quá trình ăn mòn làm giảm đường kính cốt thép chịu lực, giảm lực bám dính giữa bê tông và cốt thép qua đó làm giảm khả năng chịu tải của dầm BTCT

Ở Nga theo số liệu thống kê của tác giả V F Stepanova (2013) [92], trên Tạp chí Xây dựng Công nghiệp và dân dụng Nga - có từ 15% - 75% số kết cấu của nhà

và công trình với các công năng khác nhau chịu sự tác động của môi trường ăn mòn

và hàng năm có từ 5% - 10% số kết cấu bị hỏng không sử dụng được nữa Nếu tính đến tình trạng già hóa của quỹ công trình xây dựng cơ bản (XDCB) của LB Nga thì quá trình nêu trên sẽ chỉ có chiều hướng ngày càng trầm trọng hơn Theo đặt hàng

của chính quyền thành phố Moskva, Phòng thí nghiệm ăn mòn và sự bền vững của kết cấu BT và BTCT trực thuộc Viện Nghiên cứu BTCT mang tên A.A Gvozdiev đã nghiên cứu về quá trình ăn mòn BT và BTCT để từ đó đưa ra các nhóm giải pháp nhằm bảo vệ, nâng cấp và sửa chữa các công trình BTCT bị ăn mòn

Tại Thụy Điển tác giả Tuutti, K (1980) [98] “Service life of structures with regard to corrosion of embedded steel” “Tuổi thọ sử dụng của các kết cấu liên quan đến ăn mòn cốt thép” Ông đưa ra mô hình hai giai đoạn của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép Trong mô hình đã xem như D là không thay đổi theo thời gian Trong giai đoạn lan truyền chưa xét đến sản phẩm ăn mòn thâm nhập vào vết nứt

Tại Nauy, nhóm tác giả Tang, L and Nilsson, L-O., (1992) [94], “Chloride diffusivity in high strength concrete at different ages.” Nordic Concrete Research, đã trình bày kết quả về sự khuếch tán clorua trong bê tông cường độ cao ở các tuổi khác nhau

Nghiên cứu thực nghiệm dự báo độ khuếch tán clorua qua bê tông khi chịu ứng suất đã được đề cập trong một số nghiên cứu của Al-Kutti, Walid., (2014) [40]; Mohammad, Tahershami (2016) [72]; Sarja A and E Vesikari (1996) [88] Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi ứng suất vượt qua ngưỡng đàn hồi, với sự xuất hiện các vết nứt vi mô trong bê tông, hệ số khuếch tán clorua tăng nhanh so với trường hợp bê tông còn nguyên vẹn

Cùng với sự phổ biến của công nghệ hiện đại; việc sử dụng các phần mềm số

để mô phỏng và phân tích, so sánh nhằm đưa ra những đánh giá mang tính cụ thể hơn

về sự suy giảm khả năng kháng uốn của dầm BTCT khi cốt thép bị ăn mòn đã được nhiều nhà khoa học ứng dụng triển khai và có những kết quả công bố rộng rải

Năm 1998, tác giả Weyers, R.E., [102] “Service life model for concrete structures in chloride laden environments.” ACI Materials Journal, Mô hình tuổi thọ

sử dụng đối với các kết cấu bê tông trong môi trường clorua Weyers đưa ra mô hình tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường clorua gồm các giai đoạn nối tiếp nhau: Giai đoạn khuếch tán clorua vào cốt thép và giai đoạn ăn mòn gây nứt vỡ, giai đoạn ăn mòn đến nguy hiểm cho kết cấu Tuy nhiên trong mô hình chưa xét đến ảnh hưởng của độ ẩm và hiện tượng gỉ chèn vào vết nứt gây phát triển vết nứt

Một nghiên cứu khác, theo K Lundgren (2007) [70],khi cốt thép bắt đầu bị

ăn mòn, đặc biệt là khi ăn mòn lan truyền, đường kính cốt thép bắt đầu suy giảm, ứng

xử của kết cấu bê tông cốt thép sẽ khác so với trường hợp cốt thép còn nguyên vẹn Tùy theo mức độ ăn mòn cốt thép, sức kháng của kết cấu sẽ bị suy giảm khác nhau