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.
1 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề nghiên cứu Các cơng trình cầu phải làm việc điều kiện khắc nghiệt mơi trường xâm thực mạnh môi trường biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn kết cấu bê tơng cốt thép, phải kể đến như: CO2-, Cl, O2- theo tác giả Cao Duy Tiến cộng (2003), [17], “Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống ăn mòn bảo vệ cơng trình bê tơng BTCT vùng biển” Khi ăn mòn cốt thép xảy ra, sản phẩm ăn mòn gỉ sắt Gỉ sắt hấp thụ nước trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tơng bảo vệ Trong mơi trường biển khí hậu vùng ven Việt Nam đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm, khơng khí chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng vùng nước lên xuống chế độ thủy triều, khí biển ven biển theo Trương Hồi Chính cộng (2007) [3], Cao Duy Tiến cộng (2003), [17] Cần thiết phải khảo sát rõ thực trạng nghiên cứu ăn mòn thép ảnh hưởng ăn mòn thép đến sức kháng cơng trình hạ tầng giao thơng bê tơng cốt thép, có cơng trình cầu bê tông cốt thép vùng biển ven biển Đây lý đề tài “ Ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép” đề xuất lựa chọn làm nội dung luận án nghiên cứu Đốı tượng nghıên cứu Các kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu đồng thời tác động tải trọng ăn mịn cốt thép từ mơi trường chứa ion Clorua Một số kết cấu cầu dầm bê tơng cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến trạng thái ăn mòn cốt thép ion Clorua Phạm vi nghiên cứu Sức kháng uốn mức độ ăn mòn của kết cấu dầm cầu bê tơng cốt thép thường mơi trường ăn mịn Ion Clorua xâm nhập Các nghiên cứu thực nghiệm thực với mẫu dầm BTCT thường, nhịp đơn giản phịng thí nghiệm Các nghiên cứu mơ ngồi áp dụng cho kết cấu BTCT quy mơ phịng thí nghiệm cịn áp dụng cho kết cấu dầm cầu BTCT thực tế mơi trường ăn mịn ion Clorua Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa vào phân tích tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương pháp điều tra, khảo sát để đánh giá vấn đề nghiên cứu 2 Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm kết hợp phương pháp tính tốn mơ số để dự báo sức kháng kết cấu bê tông cốt thép có xét đến mức độ ăn mịn cốt thép bê tông Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án có tổng hợp phân tích kết nghiên cứu nước vấn đề liên quan đến chế ăn mòn cốt thép; ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép tới trạng thái chất lượng làm việc chịu tải kết cấu…, để từ xác lập phương pháp luận nghiên cứu phù hợp để đạt mục tiêu nghiêm cứu luận án Các kết nghiên cứu luận án đóng góp có ý nghĩa mặt khoa học có giá trị thực tiễn Nội dung kết luận án coi tài liệu tham khảo hữu ích cho người quan tâm đến công tác thiết kế đánh giá kết cấu cầu BTCT Giá trị khoa học: Luận án làm rõ ảnh hưởng ứng suất bê tơng đến mức độ ăn mịn cốt thép Từ đánh giá ảnh hưởng mức độ ăn mòn đến sức kháng dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn Giá trị thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án dùng cho tính tốn dự báo tuổi thọ sức kháng kết cấu bê tông cốt thép thực tế có xét đến mức độ ăn mịn cốt thép bê tơng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VİỆT NAM 1.1.Tổng quan mức độ ăn mòn cốt thép cấu kiện bê tơng cốt thép 1.1.1 Khái niệm ăn mịn kim loại Ăn mòn Fontana, M G (1971) [59] Uhlig, H H (1971) [100] định nghĩa xuống cấp kim loại phản ứng điện hóa với mơi trường Đó xu hướng kim loại tái kết hợp với nguyên tố diện môi trường dẫn đến tượng gọi ăn mịn a Q trình cacbonat hóa b Quá trình xâm thực ion ClCác hư hại kết cấu bê tông cốt thép xâm nhập Clo chiếm tới 66% hư hại, bon nát hóa chiếm 5% [76] 3 Hình 1.1.Các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT [76] Hình 1.2.Vết nứt phát triển ăn mịn cốt thép[99] Với loại cốt thép xác định sử dụng cơng trình bê tơng cốt thép; mức độ ăn mòn cốt thép chịu ảnh hưởng lớn trạng thái ứng xử cấu trúc vật liệu lớp bê tông bảo vệ [99] 1.2 Thực trạng ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép đến kết cấu dầm bê tông cốt thép số cơng trình cầu Việt Nam Đặc điểm chung cơng trình cầu bê tơng cốt thép Việt Nam làm việc tác động khí hậu nhiệt đới gió mùa, điều kiện mơi trường nóng ẩm, cộng với đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn kết cấu bê tơng cốt thép Đánh giá 11 cầu bê tông cốt thép tuyến giao thông địa phương Việt Nam Đánh giá, nhận xét - Tình trạng ăn mịn cốt thép cơng trình hạ tầng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép đáng báo động; Vấn đề trở nên đặc biệt nghiêm trọng địa phương ven biển, nơi có mơi trường xâm thực, chứa tác nhân ăn mịn mạnh - Kết cấu dầm, bản, bê tơng cốt thép có xu hướng bị ăn mịn mơi trường xâm thực, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc khả bảo vệ cốt thép bên trong; cốt thép bị phơi trần tăng khả tiếp xúc với tác nhân gây ăn mịn, nhanh chóng bị ăn mịn, dẫn đến tiết diện chịu lực, trương nở thể tích, gây phát triển vết nứt thêm nghiêm trọng - Tình trạng ăn mịn kết cấu bê tông cốt thép diễn biến phức tạp gây ảnh hưởng đến công tác tu bảo dưỡng hạ tầng có sữ dụng kết cấu bê tơng cốt thép Độ bền tuổi thọ cơng trình qua bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến trình khai thác vận hành cơng trình Cần thiết có thêm nhiều nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng trình ăn mịn cốt thép đến khả làm việc kết cấu bê tơng cốt thép 1.3.Tình hình nghiên cứu giới nước Khi cốt thép bị ăn mịn sản phẩm ăn mịn rỉ sét rỉ sét hút nước nở thể tích, dẫn đến nứt, vỡ bê tơng bảo vệ ăn mòn cốt thép làm giảm độ bám dính bê tơng cốt thép, làm giảm diện tích mặt cắt ngang cốt thép dẫn đến giảm khả chịu lực kết cấu Nhiều nghiên cứu gần ngồi nước có liên quan đến ăn mịn cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép ảnh hưởng nó; kể đến: V F Stepanova (2013) [92], Vũ Ngọc Anh (2014) [1], Trần Thế Truyền (2010) [28], (2018) [30]; Đồng Kim Hạnh cộng (2014) [11], Mohamed Moawad & nkk (2015) [73], A Shetty, K Venkataramana, K.s.b Narayan (2015) [87], Xuân Tùng cộng (2017) [31], Nguyễn Công Luyến (2018) [9], Hussain, H., & Miteva, D (2018) [64], Phạm Đức Thọ al (2019) [26], (2020) [27], Thanh Hung Nguyen cộng (2020) [13] Nghiên cứu tác giả ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến khả chống chịu tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép thông qua khảo sát trạng xây dựng mơ hình lý thuyết Hầu hết nghiên cứu đề cập chưa xét đến tác dụng đồng thời ảnh hưởng của tải trọng trình đánh giá ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến kết cấu bê tơng cốt thép Nhận thấy, nghiên cứu vấn đề cần phải giải sau: - Hầu hết nghiên cứu chưa nghiên cứu đến vấn đề ăn mịn cốt thép dầm BTCT có xét đến ứng suất bê tơng, từ đánh giá sức kháng uốn kết cấu dầm có xét đến mức độ ăn mịn cốt thép bê tơng Luận án giải nội dung sở xây dựng mơ hình thực nghiệm ăn mịn gia tốc mẫu dầm thực tế với điều kiện ăn mịn xác lập phịng thí nghiệm, có xét đến ảnh hưởng tải trọng tác dụng lên kết cấu dầm CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA AN MON CỐT THEP DẾN SỨC KHANG UỐN CỦA DẦM BTCT 2.1 Ăn mòn cốt thép cấu kiện bê tơng cốt thép 2.1.1 Ăn mịn thép q trình bo nát hóa 2.1.2 Ăn mịn ion Clo (ăn mịn điện hóa) 2.1.3 Cơ chế ăn mịn cốt thép bê tơng 2.1.3.1 Ăn mòn cốt thép Clorua gây 2.1.3.2 Hệ số khuếch tán clorua bê tông 2.1.3.3 Dự báo hệ số khuếch tán 2.1.3.4 Ngưỡng nồng độ clorua gây ăn mịn thép bê tơng 2.1.4 Một số mơ hình lan truyền ăn mòn kết cấu BTCT 2.1.4.1 Mơ hình tốn Bazant 2.1.4.2 Mơ hình tốn Youping Liu 2.1.4.3 Mơ hình thực nghiệm Morinaga 2.1.4.4 Thời gian lan truyền ăn mòn theo Life 365 2.1.5 Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép bê tông 2.1.5.1 Kỹ thuật điện nửa pin 2.1.5.2 Điện trở phân cực tuyến tính (LPR) 2.1.5.3 Kỹ thuật xung tĩnh điện 2.1.5.4 Kỹ thuật đo điện trở suất bê tông 2.1.6 Cơ sở xác định mát diện tích tiết diện cốt thép ăn mịn 2.1.6.1 Một số giả thiết: 1) Các ứng suất biến dạng bê tông gây nở thể tích sản phẩm ăn mịn Bê tơng bảo vệ vật liệu đàn hồi tuyến tính 2) Có vùng xốp xung quanh giao diện thép - bê tông gây chuyển tiếp từ vữa xi măng với thép có khoảng trống khơng khí bị vào kẹt đây, sản phẩm ăn mòn khuếch tán vào khoảng trống Trong phát triển vết nứt, phần sản phẩm ăn mòn chèn vào bên vết nứt 2.1.6.2 Mơ hình xác định mát diện tích tiết diện cốt thép ăn mịn a) Mối quan hệ mát trọng lượng thép áp lực xuyên tâm b) Số lượng sản phẩm ăn mòn xâm nhập vào vết nứt 2.1.6.3 Các thơng số phương trình mát diện tích tiết diện cốt Hình 2.1 Sơ đồ ước lượng cho mát bán kính thép rs2 thép ăn mịn a) Diện tích cốt thép Sử dụng định luật Faraday mô tả mát khối lượng thép ăn mòn 6 b) Dự báo mật độ dòng điện i Mật độ dòng điện ăn mòn i biểu thị tốc độ ăn mòn Các kết nghiên cứu thực nghiệm tốc độ ăn mòn thấp mức độ ẩm tương đối H nhỏ 50% ăn mòn dừng lại độ ẩm tương đối 35% Tốc độ ăn mòn tăng theo cấp số nhân H= 50% đến 70%, gần không đổi từ H=70% đến 90% giảm từ 90% đến bão hịa hồn tồn hạn chế ơxy cực âm 2.2 Một số mơ hính ứng xử bê tơng Hình 2.2 Mối quan hệ tốc độ ăn mòn độ ẩm tương đối cốt thép 2.2.1 Các mơ hình ứng xử vật liệu bê tông 2.2.1.1 Ứng xử bê tông tuân theo luật đàn hồi 2.2.1.2 Ứng xử bê tông tuân theo lí thuyết học rạn nứt bê tơng 2.2.1.3 Ứng xử bê tông tuân theo luật đàn hồi - dẻo 2.2.1.4 Ứng xử bê tông tuân theo luật đàn hồi - giòn 2.2.1.5 Ứng xử bê tơng tn theo luật kết hợpCác mơ hình ứng xử cốt thép 2.2.2 Mô tương tác bê tơng cốt thép 2.2.2.1 Biểu diễn hình học có mặt cốt thép 2.2.2.2 Biểu diễn liên kết bê tông – cốt thép 2.3 Nhận xét, kết luận chương - Cơ sở lý thuyết tính tốn đánh giá ăn mịn thép cấu kiện bê tơng cốt thép hồn chỉnh phổ biến; điều phù hợp cho tính khả thi việc tiến hành thực nghiệm với điều kiện phịng thí nghiệm - nội dung chương 3, nhằm đánh giá cụ thể q trình ăn mịn cốt thép ảnh hưởng đến sức kháng uốn cấu kiện dầm - Mơ hình tương tác vật liệu thép bê tông cấu kiện bê tông cốt thép phức tạp Sự tương tác thành phần thép bê tông ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử thực mẫu ứng xử mô mẫu Việc mô lại tương tác giống với thực tế khó có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ thành phần Thực tế, bê tơng cốt thép ln có trượt tương đối song phạm vi luận án này, để đơn giản hố tính tốn, tác giả sử dụng giả thiết liên kết tuyệt đối bê tông cốt thép, bỏ qua hiệu ứng tách rời hai vật liệu q trình tính tốn Mơ hình tương tác bê tơng cốt thép sử dụng mơ hình mơ hình rời rạc mơ hình phân tán phần mềm chun dụng ATENA nội dung Chương CHƯƠNG CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT CĨ XÉT ĐẾN TẢİ TRỌNG TÁC DỤNG Thí nghiệm đánh giá tıêu lý vật lıệu chế tạo mẫu 3.1.1 Thành phần vật liệu 3.2 Tính tốn thiết kế thành phần cấp phối hổn hợp bê tơng thí nghiệm 3.2.1 Thiết kế cấp phối bê tông Bê tông C30 có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày dự kiến fc’ = 30 MPa Thành phần cấp phối hổn hợp bê tông thiết kế theo tiêu chuẩn ACI211.1-91 Bảng 3.1 Khối lượng thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông C30 Loại vật liệu Đá Cát Xi măng Nước Khối 1060 848 395 170 lượng (Kg) xác định mô đun đàn hồi bê tông 3.3 Thí nghiệm 3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 3.3.2 Mẫu thử 3.3.3 Quy trình thử nghiệm Bảng 3.2 Kết đo mô đun đàn hồi bê tông STT mẫu Ứng suất Ứng suất Mô đun đàn hồi σ2 (MPa) 17,6 E (MPa) 0,00046 σ1 (MPa) 2,4 0,00005 0,00051 1,7 18,4 36304 0,00005 0,00049 2,1 19,4 39318 Biến dạng Biến dạng ε1 ε2 0,00005 3.4 Thí nghiệm xác định cường độ bê tơng (f’c) 3.4.1 Thiết bị thí nghiệm Mơ đun đàn hồi trung bình Etb (MPa) 37073 37565 3.4.2 Chuẩn bị thí nghiệm: 3.4.3 Tiến hành thử: Bảng 3.3 Kết thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tơng Lực nén Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén trung (kN) (MPa) bình (MPa) 302,1 38,5 38.6 308,3 39,3 297,3 37,9 3.5 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm 3.5.1 Thiết bị dùng q trình chế tạo dầm thí nghiệm Bê tơng C30 có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày dự kiến fc’ = 30 MPa Thành phần cấp phối bê tông (mẻ trộn 500l) thiết kế theo tiêu chuẩn ACI211.1-91 Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông theo Bảng 3.1 Thép sử dụng chế tạo dầm: D10, tròn trơn, fy = 240 Mpa 3.5.2 Chế tạo dầm thí nghiệm Dầm thực nghiệm có kích thước 500x100x100mm, với cốt thép, đường kính D10; khơng bố trí cốt thép cấu tạo chống cắt Hình 3.1 Kích thước cấu tạo dầm thực nghiệm 3.6 Thí nghiệm xác định lực phá hoại Pmax 3.6.1 Chuẩn bị mẫu Thí nghiệm tiến hành 02 mẫu dầm ứng với thí nghiệm uốn điểm nhằm xác định lực Pmax (Đảm bảo kết cấu chịu uốn túy) Hình 3.2 Sơ đồ uốn điểm thí nghiệm phá hoại mẫu Bảng 3.4 Số lượng mẫu dầm xác định Pmax Thí nghiệm SL dầm Uốn xác định Pmax 02 Ký hiệu Lực tác dụng M01 M02 Pmax 3.6.2 Thực uốn mẫu Bảng 3.5 Bảng thống kê giá trị Pmax Mẫu Pmax (KN) σ (Mpa) M01 Pmax1 = 28 σ1 = 150 M02 Pmax2 = 27,66 σ2 = 148,2 TB Pmaxtb = 27,83 σtb = 149,09 3.7 Thí nghiệm xác định ảnh hưởng ứng suất tải trọng tác dụng đến mức độ ăn mịn cốt thép 3.7.1 Qui trình thực thí nghiệm Hình 3.3 Sơ đồ bước thực thí nghiệm 3.7.2 Thiết bị cơng tác chuẩn bị thí nghiệm Thiết lập mơi trường, điều kiện diễn tiến nhanh q trình ăn mịn cốt thép cách ngâm mẫu dầm môi trường dung dịch NaCl (3% - 5%); kết hợp tạo điện cực kích hoạt mơi trường ăn mòn điện ly Thời gian ngâm mẫu 30 ngày kể từ ngày bắt đầu ngâm Trường hợp đặt dầm làm việc điều kiện thí nghiệm diễn tiến nhanh q trình ăn mịn cốt thép, chịu cấp tải trọng khác lần lượt: 0.2 Pmax; 0,4 Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax Cấp tải trọng 0% Bảng 3.6 Các mẫu dầm thí nghiệm Tên Ghi mẫu Mẫu Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 không đặt giá gia tải Mẫu 10 20% 40% 60% 80% Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 10 Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 đặt theo cặp giá gia tải Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp giá gia tải Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp giá gia tải Dầm chế tạo ngày 03/12/2019 đặt theo cặp giá gia tải Các cặp mẫu dầm sau gông gia tải theo cấp tải trọng đề xuất, ngâm môi trường diễn tiến ăn mịn nhanh Hình 3.4 Hình ảnh thí nghiệm dầm ăn mòn gia tốc Các mẫu dầm sau ngâm đủ 30 ngày trục vớt, uốn điểm đến phá hoại nhằm xác định lực kháng uốn cực đại (số liệu lực kháng uốn lưu trữ nhằm phục vụ cho việc xác định quan hệ ăn mịn sức kháng), sau tiến hành đập bỏ lớp bê tông bảo vệ, thép lấy làm phần gỉ thép bao quanh, bê tông bám vào tiến hành cân xác định khối lượng Khối lượng thép hao mòn tính chênh lệch khối lượng thép trước sau ngâm 11 Hình 3.5 Hình ảnh bề mặt dầm cốt thép bị ăn mòn 3.7.3 Kết thí nghiệm: Bảng 3.7 Tổng hợp độ hao mòn cốt thép mẫu dầm (%) Ứng suất Giá trị KL thép KL thép KL thép Thép Ký hiệu trì hao mịn ban đầu sau ngâm hao mịn hao mòn mẫu TB TB (g) (g) (g) (%) (Mpa) (%) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 35,8 58,63 90,85 122,8 560 417 143 25.5 555 413 142 25.6 562 420 142 25.3 560 418.5 141.5 25.2 551.0 407.5 143.5 26.1 553.5 406.5 147.0 26,6 556.5 402 154.5 27.8 550.5 395.5 155 28.2 554.5 386.5 168 30.2 552.5 385 167.5 30.3 25,55 25,25 26,35 28 30,25 Qua kết thí nghiệm ngâm mẫu dầm 30 ngày với cấp ứng suất khác nhau: không gia tải; 0.2 Pmax; 0,4 Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax, tác dụng mơi trường ăn mịn diễn tiến nhanh NaCl (3-5%) kích hoạt mơi trường ăn mịn điện ly, thấy tốc độ ăn mịn cốt thép gia tăng ứng suất trì dầm tăng 3.7.4 Quan hệ ứng suất trì mức độ ăn mòn cốt thép 12 Dựa kết thống kê Bảng 3.7 tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ ứng suất trì dầm mức độ ăn mòn cốt thép Trên sở liệu thu thập từ kết thực nghiệm, tác giả chọn biểu đồ cột nhằm thể từ tổng quát đến chi tiết mối quan hệ ứng suất mức độ ăn mòn cốt thép, đồng thời so sánh mức độ gia tăng tốc độ ăn mòn cốt thép cấp ứng suất dầm Hình 3.6 Quan hệ ứng suất - mức độ ăn mòn – sức kháng uốn Qua phân tích đánh giá kết quả, nghiên cứu sinh có số kết luận sau: - Cốt thép mẫu dầm có ứng suất uốn trì ăn mịn nhanh so với mẫu dầm khơng có ứng suất (đặc biệt rỗ rệt mức 0.8Pmax) - Khi tạo ứng suất trì dầm cách gơng cặp dầm; ta thấy từ mức lên mức tương ứng 0.2Pmax, có tượng khối lượng ăn mịn giảm xuống, nhiên khơng đáng kể (chênh lệch 0.3%) Điều dầm trạng thái ứng suất thấp 0.2Pmax chưa đủ để vết nứt xuất qua thúc đẩy trình xâm nhập tác nhân gây ăn mòn; ngược lại ứng suất giúp lớp bê tông bảo vệ trở nên đặc hơn, gia cường khả bảo vệ cốt thép ngăn cản tác nhân gây ăn mịn tiếp cận cốt thép Nhưng ứng suất tiếp tục tăng, ta thấy mức độ ăn mòn bắt đầu tăng, chênh lệch tăng nhanh thể rõ nét mức 0.4Pmax (1,1%), 0.6Pmax (2,75%), mức 0.8Pmax (5%); - Qua thấy mức độ ăn mịn cốt thép tỉ lệ thuận với ứng suất uốn trì dầm Như vậy, tác dụng tải trọng thường xuyên cộng với điều kiện môi trường chứa tác nhân xâm thực, kết cấu BTCT dễ bị tổn thương qua q trình ăn mịn 3.8 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn cấu kiện dầm bê tông cốt thép Nghiên cứu tiến hành 02 nhóm dầm; - Nhóm 01 – với số lượng 04 mẫu dầm khơng gơng gia tải ngâm ăn mịn diễn tiến nhanh; 13 - Nhóm 02 - với số lượng 04 mẫu dầm gông gia tải mức 0,8.Pmax ngâm ăn mịn diễn tiến nhanh 3.8.1 Thí nghiệm xác định lực kháng uốn nhóm mẫu dầm Sau ngâm đủ 30 ngày mẫu dầm thuộc nhóm 01 02 trục vớt; tiến hành đánh giá bề mặt dầm sau ngâm sau dỡ tải cách tháo dỡ gá gông gia tải; Đánh giá bề mặt trạng nhóm dầm sau thí nghiệm Đối với nhóm dầm 01: - Bề mặt dầm xuất vết nứt dọc theo vị trí bố trí cốt thép, nhiên vết nứt nhỏ số lượng vết nứt Đối với nhóm dầm 02: - Bề mặt dầm xù xì bê tơng bị ăn mịn, xuất nhiều mảng màu xẩm đỏ gỉ thép loang ra; - Các vết nứt dọc theo thân dầm xuất với mật độ dày so với nhóm dầm 01, đặc biệt vị trí nhịp dầm xuất vết nứt theo phương vng góc với chiều dài bố trí cốt thép Các mẫu dầm sau đánh giá bề mặt tiến hành, xác định lực kháng uốn lớn với nhóm mẫu dầm thí nghiệm Bảng 3.8 Thống kê kết lực uốn phá hoại nhóm mẫu dầm (KN) Mơi trường Giá trị lực Lực gia Lực uốn ăn mòn diễn kháng uốn Tên tải ban phá hoại STT tiến nhanh trung bình mẫu đầu sau ngâm (dd NaCl 3Max (KN) (KN) 5%) (KN) M1.1 Ngâm 30 22.10 ngày M1.2 19.96 môi trường ăn 21.17 M1.3 20.68 mòn điện li M1.4 21.95 M2.1 Ngâm 30 14.40 ngày M2.2 12.20 0,8.Pmax môi trường ăn 12.41 M2.3 10.10 mòn điện li M2.4 12.95 3.8.2 Xác định mức độ ăn mòn cốt thép Khối lượng thép hao mịn sau q trình ăn mịn xác định Bảng 3.9 Độ hao mòn cốt thép nhóm mẫu dầm(%) 14 STT Tên mẫu Lực gia tải ban đầu (KN) Nhóm mẫu 01 Mơi trường KL ăn mịn thép diễn tiến ban nhanh đầu (dd NaCl 3- m1 (g) 5%) 562.0 Ngâm mẫu đủ 30 ngày 10 Nhóm 0,8.Pmax mẫu 02 Ngâm mẫu đủ 30 ngày KL thép sau ngâm m2 ( g) KL Hao thép mòn hao Ctt mòn (%) Δm (g) 412.2 149.8 26.7 560.0 418.5 141.5 25.2 551.0 407.5 143.5 26.1 553.5 406.5 147.0 26,6 556.5 390.7 165.8 29.8 550.5 395.5 155.0 28.2 554.5 386.5 168 30.2 552.5 389,8 162.7 29.5 Hao mòn TB Ctb (%) 26.15 29.41 3.8.3 Ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn dầm BTCT có xét đến ảnh hưởng tải trọng Trên sở kết thống kê biểu đồ thể quan hệ mức độ ăn mòn khả kháng uốn dầm Dữ liệu độ võng nhóm dầm chịu mức ứng suất: 0.2Pmax, 0.4Pmax, 0.6Pmax , 0.8Pmax thí nghiệm mục 3.6, mục 3.7 sử dụng để thiết lập quan hệ tải trọng chuyển vị có xét đến mức độ ăn mịn 25% để thiết lập biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị dầm bị ăn mòn mức 25% Nhận xét kết thí nghiệm: - Khối lượng cốt thép hao mịn Nhóm mẫu dầm 02 lớn nhóm mẫu dầm 01 Như lần thấy tải trọng tác dụng kết hợp môi trường xâm thực chứa tác nhân gây ăn mịn tác động mạnh mẽ đến q trình gây ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm BTCT - Tại thí nghiệm lần cho thấy tượng nhóm dầm khơng chịu tải có tốc độ ăn mịn nhanh nhóm dầm chịu tải thấp - mức 0,2.Pmax Cụ thể: Nhóm dầm 01 khơng gia tải xong mức độ ăn mòn cho thấy nhanh mức gia tải 0,2.Pmax (so sánh với kết Bảng 3.35 mục 3.7), điều thấy việc dầm chịu mức ứng suất uốn thấp góp phần làm cho lớp bê tơng bảo vệ bị nén trở nên đặc chặt hơn, qua nâng cao khả bảo vệ cốt thép bên trong; 15 - Giá trị lực kháng uốn thực tế mẫu dầm thực nghiệm thời điểm phá hoại nhóm mẫu dầm 02 (có gia tải mức cao - 0,8.Pmax ngâm mơi trường ăn mịn điện li) nhỏ so với mẫu dầm 01 (ngâm mơi trường ăn mịn điện li khơng gia tải), 12,41Mpa so với 21,17Mpa; thấy cốt thép dầm BTCT bị ăn mòn làm giảm sức kháng uốn dầm BTCT, mức độ ăn mịn lớn sức kháng uốn giảm; ngun nhân nêu tiết diện làm việc cốt thép bị suy giảm, khả dính bám cốt thép bê tơng giảm dẫn đến khả làm việc chung suy giảm CHƯƠNG TÍNH TỐN GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN SỨC KHÁNG CỦA DẦM CẦU BTCT CĨ XÉT ĐẾN SỰ ĂN MỊN CỦA CỐT THÉP Dựa kết thí nghiệm thực Chương - thuộc nội dung luận án, mơ hình phần tử hữu hạn tảng phần mềm ATENA đề xuất để mô hình hóa dầm BTCT giản đơn xét đến ăn mòn cốt thép bên mối quan hệ chúng khả chịu tải dầm BTCT chịu ứng suất Kết đồng thời so sánh với thực nghiệm nhằm đánh giá phân tích ảnh hưởng ăn mòn cốt thép kết cấu dầm bê tơng cốt thép có xét đến yếu tố tải trọng tác dụng 4.1 Kết mơ hình hóa dầm thực nghiệm Sau thực mô tính tốn tất mẫu có kích thước theo mức độ ăn mòn cốt thép: 0%, 5%, 10%, 20%, 25%, quan hệ tải trọng chuyển vị tương ứng với trường hợp ăn mịn thể Hình 4.1 So sánh trường hợp ăn mòn 25% cấp tải trọng 0% Pmax mô số với thực nghiệm thực Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% cấp trọng 0% Pmax với thí nghiệm thực tế thể nhằm giúp nghiên cứu sinh phân tích đánh giá kết nghiên cứu Hình 4.2 16 Hình 4.1.Quan hệ tải trọng chuyển vị tương ứng với mức ăn mịn Hình 4.2.Quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% cấp trọng Pmax với thí nghiệm thực tế Kết mơ cho thấy mức độ ăn mòn tăng lên cấp tải trọng tác dụng độ võng tương ứng tăng lên Đồng thời, cốt thép bị ăn mịn dẫn tới diện tích cốt thép tăng lên q trình trương nở thể tích gỉ cốt thép, gây nứt bê tông xung quanh cốt thép làm cho cường độ chịu kéo, mô đun (module) đàn hồi bê tông giảm xuống Qua biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu dầm BTCT ăn mòn mức 25% cấp trọng Pmax với thí nghiệm thực tế hình 4.13 cho thấy tương đối đồng đường biểu diễn xu hướng với độ võng tải trọng xấp xỉ 13 KN 2.5 mm Tại thời điểm này, dầm bắt đầu bị phá hoại tiếp tục làm việc bình thường Ta thấy mơ hình phù hợp cho việc áp dụng để xét đến ứng xử cấu kiện BTCT có cốt thép chịu lực bị gỉ Đường cong quan hệ thực tế thực nghiệm mơ số có sai khác định, thực tế bê tơng khơng hồn tồn đồng (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngồi bê tơng thí nghiệm có đặc trưng học khơng hồn tồn giống với mơ hình 4.2 Ví dụ tính tốn ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn dầm cầu chịu tác dụng tảı trọng Thiết kế dầm cầu bê tông cốt thép chữ T cho cầu đường ơtơ nhịp giản đơn Theo quy trình thiết kế cầu TCVN 11823 – 2017 Kết tính tốn dầm điển hình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu hành Việt Nam -TCVN11823-2017 thống kê thành bảng, phục vụ cho việc đánh giá, phân tích nhận xét tham số ảnh hưởng đến toán ăn mịn cốt thép kết cấu dầm cầu 17 Hình 4.3.Quan hệ mơ men uốn theo thời gian ăn mịn Hình 4.4.Quan hệ diện tích cốt thép thời gian ăn mòn Nhận xét, đánh giá: - Qua kết tốn tính tốn dầm bị ăn mịn 25 năm, thấy kết cấu dầm cầu bê tơng cốt thép q trình vận hành điều kiện mơi trường chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn, với tác dụng loại tải trọng khai thác theo thời gian bị ăn mòn cốt thép, điều thể qua diện tích cốt thép bị ăn mòn gia tăng theo thời gian: sau 05 năm đầu tiết diện cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế 1%, nhiên, điều kiện môi trường khai thác năm thứ 10 mức độ ăn mòn cốt thép 2,5% sau nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% năm thứ 20 11,8% năm thứ 25; - Dưới tác dụng tải trọng thân tổ hợp tải trọng trình vận hành khai thác, vết nứt mồi sớm xuất hiện, tác nhân gây ăn mòn qua mà xâm nhập, tiếp xúc cốt thép gây ăn mòn cốt thép làm giảm tiết diện cốt thép chịu lực, theo kết tính tốn khoảng 8mm2 thép bị hao mòn năm đầu, năm lượng thép bị hao mịn khoảng 12mm2, sau lượng cốt thép hao mòn tăng nhanh chạm mức 25mm2 năm thứ 20 35mm2 năm thứ 25 - Thép cấu kiện dầm cầu bê tông cốt thép bị ăn mòn làm mát tiết diện thép tham gia chịu lực dẫn đến việc suy giảm sức kháng uốn dầm, sức kháng uốn suy giảm tỉ lệ thuận với q trình dầm bị ăn mịn cụ thể: giai đoạn năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1% so với sức kháng tính tốn thiết kế, suy giảm mức 2,5% năm thứ 10, 8% năm thứ 20 12% năm thứ 25 4.3 Mô số đánh giá so sánh kết giải tích dầm cầu t - btct Dầm chữ T có thơng số, kết ăn mịn cốt thép phần tính tốn giải tích mục 4.2 mô số nhằm đánh giá so sánh 18 Hình 4.5.Quan hệ sức kháng uốn Hình 4.6.Quan hệ sức kháng uốn chuyển vị theo mô số chuyển vị theo mô số thực nghiệm mức ăn mòn 25% So sánh sức kháng uốn mơ số với kết tính tốn theo phương pháp giải tích (741,81 KN.m), ta thấy lực kháng uốn theo mô (755,7 KN.m) chênh lệch 13,89 KN.m tương đương 1,87%; lượng sai khác chấp nhận được; nguyên nhân có sai khác định thực tế bê tơng khơng hồn tồn đồng (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngồi bê tơng thí nghiệm có đặc trưng học khơng hồn tồn giống với mơ hình Hình 4.7.Ảnh hưởng tiết diện thép ăn mòn đến sức kháng uốn Hình 4.8.Ảnh hưởng thời gian ăn mịn đến mức độ ăn mịn (%) 19 Hình 4.9.Ảnh hưởng ứng suất bê tơng đến sức kháng uốn dầm Hình 4.10 Ảnh hưởng cường độ bê tông đến mức độ ăn mòn 4.4 Kết luận Chương Phần mềm ATENA mơ hình hóa xác trạng thái làm việc dầm giản đơn, bao gồm dầm thí nghiệm ăn mịn gia tốc dầm T mục giải tích đối sánh; Thơng qua mơ số kết luận rằng: - Sức kháng uốn dầm BTCT giảm cốt thép dầm bị ăn mòn Nguyên nhân tiết diện chịu lực thép bị ăn mòn suy giảm so với tiết diện thiết kế yêu cầu ban đầu, gây ảnh hưởng đến khả kháng uốn dầm; - Mức độ ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm gia tăng ứng suất bê tông gia tăng; tác dụng tải trọng, vùng chịu kéo dầm xuất nhiều vết nứt, tác nhân gây ăn mịn xâm nhập qua tiếp xúc cốt thép gây ăn mịn Tải trọng tăng độ mở rộng vết nứt tăng lên, điều xúc tiến q trình xâm nhập tác nhân gây ăn mịn cốt thép, dẫn đến q trình ăn mịn diễn nhanh - Kết mô phần mềm phản ánh tương tự kết thực nghiệm điều kiện phịng thí nghiệm; cho thấy việc ứng dụng mơ hình số phù hợp việc đánh giá ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến ứng xử dầm bị ăn mòn Qua việc thực giải tốn ăn mịn cốt thép theo phương pháp giải tích trường hợp dầm cầu bê tơng cốt thép – chữ T chịu tải trọng thấy kết tính tốn phù hợp với kết ghi nhận từ mô số - Dưới tác dụng tải trọng khai thác, với tác động mơi trường gây ăn mịn, cốt thép dầm cầu bị ăn mịn; q trình ăn mịn diễn tiến 20 phức tạp làm giảm tiết diện chịu lực cốt thép dầm cầu: sau 05 năm đầu tiết diện cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế 1%, nhiên, điều kiện môi trường khai thác năm thứ 10 mức độ ăn mịn cốt thép 2,5% sau nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% năm thứ 20, 11,8% năm thứ 25 25% năm thứ 35; - Mức độ suy giảm tiết diện cốt thép sức kháng uốn dầm cầu tỉ lệ thuận với mức độ cốt thép dầm bị ăn mòn tác nhân gây ăn mòn từ môi trường xâm thực: giai đoạn năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1% so với sức kháng tính toán thiết kế, suy giảm mức 2,5% năm thứ 10, 7,8% năm thứ 20, 12% năm thứ 25 23,5% năm thứ 35 Điều phù hợp với đánh giá nghiên cứu thực nghiệm chương 3, phần mô phần mềm ATENA - Sức kháng uốn mô số (755,7 KN.m) với kết tính tốn theo phương pháp giải tích (741,81 KN.m), chênh lệch 1,87% dầm T – BTCT ăn mòn 25%, cho thấy tương đồng việc suy giảm sức kháng uốn dầm ăn mòn cốt thép Điều cho thấy phần mềm ATENA phù hợp việc mô đánh giá ứng xử dầm bị ăn mịn có xét đến tải trọng tác dụng Qua việc khảo sát đánh giá ảnh hưởng tham số đến mức độ ăn mòn cốt thép kết cấu dầm cầu BTCT - Lực kháng uốn dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với tiết diện thép bị ăn mòn, điều giải thích: mức độ ăn mịn cốt thép (vùng chịu kéo – theo thí nghiệm) tăng lên, tiết diện thép chịu lực bị giảm, với khả làm việc chung bê tông cốt thép suy giảm tính dính bám giảm, dẫn đến sức kháng uốn dầm suy giảm; - Thời gian cấu kiện dầm cầu BTCT làm việc môi trường ăn mịn lâu mức độ ăn mịn cốt thép cấu kiện nghiêm trọng; nội dung luận án nghiên cứu sinh dừng lại thời gian 35 năm sau khởi đầu ăn mịn mức độ ăn mòn dầm BTCT – M30 tăng dần theo thời gian khảo sát, năm thứ 35 mức độ ăn mòn đặt 25%; - Ứng suất bê tông tăng lên làm cho khả kháng uốn dầm cầu BTCT giảm theo thời gian làm việc cấu kiến dầm điều kiện mơi trường có nhiều tác nhân gây ăn mòn thép; - Mức độ ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với cường độ bê tông chế tạo dầm, cường độ bê tơng tăng lên mức độ ăn