Tóm tắt: Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Đặng Thị Thu Hiền

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO

TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc Gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Giao thông vận tải

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, khá nhiều công trình bê tông cốt thép (BTCT) được xây dựng trong vùng biển Việt Nam đã bị hư hỏng sau một thời gian ngắn được đưa vào sử dụng (dưới 20 năm) Trong khi đó, các nghiên cứu về lĩnh vực thiết kế kế công trình BTCT mới đang tập trung chủ yếu theo hướng thiết kế vật liệu với hàm mục tiêu

là cường độ Việc chưa quan tâm đến thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo độ bền đã dẫn đến thực trạng các công trình bị xâm nhập ion clo nghiêm trọng, làm giảm tuổi thọ sử dụng công trình Nắm bắt được thực trạng đó tại Việt Nan nên

đề tài nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và ý

nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu độ bền của kết cấu bê tông cốt thép trong vùng biển xa bờ của tỉnh Khánh Hòa Để đạt được mục tiêu trên, luận án đã thiết

kế thành công thành phần bê tông HPC sử dụng muội silic đảm bảo độ bền chống xâm nhập ion clo phù hợp với đặc thù khu vực và ứng dụng loại bê tông HPC đã thiết kế trong xây dựng các công trình phục vụ kinh tế - quốc phòng với tuổi thọ

sử dụng đạt tối thiểu 100 năm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu: kết cấu bê tông cốt thép với hai vật liệu chính là bê tông và cốt thép thường không bao gồm cốt thép dự ứng lực Như vậy kết cấu BTCT là bê tông cốt thép thường

Phạm vi nghiên cứu: bê tông chất lượng cao có thành phần là chất kết dính xi măng poóc lăng nhóm 1, không sử dụng hỗn hợp xi măng hỗn hợp khác Chất kết dính phụ: chỉ sử dụng muội silic, không sử dụng tro bay hoặc xỉ lò cao Các loại cốt liệu phù hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu trong luận án

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết, mô hình toán, kết hợp với thực nghiệm

5 Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của luận án

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết và bố cục của luận án;

Chương 1 Tổng quan độ bền và các ứng dụng của bê tông chất lượng cao trong môi trường biển

Chương 2 Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông, hệ số khuếch tán clo một số công trình BTCT đã xây dựng ở vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Chương 3 Thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền cho các công trình BTCT trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Chương 4 Thiết kế bền vững công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa sử dụng bê tông HPC

Kết luận và kiến nghị: tổng hợp các kết quả nghiên cứu, những đóng góp mới

của luận án và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

Danh mục công trình của tác giả

Tài liệu tham khảo

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Ý nghĩa khoa học của luận án: luận án đã đề xuất công thức dự đoán nồng độ

clo bề mặt bê tông theo thời gian Đồng thời xây dựng được mô hình FEM xác định nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu và thời gian Từ đó đề xuất quy trình

và phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC theo hàm mục tiêu độ bền và các thành phần bê tông HPC cụ thể áp dụng cho công trình xây dựng trong vùng biển

xa bờ tỉnh Khánh Hòa đảm bảo tuổi thọ sử dụng tối thiểu là 100 năm

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: phương pháp thiết kế thành phần bê tông với

mục tiêu đảm bảo độ bền cho các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển đã được đề xuất; đã ứng dụng thành công bê tông muội silic, một loại bê tông đảm bảo độ bền của kết cấu BTCT khi làm việc trong môi trường biển, giúp giảm chi phí duy tu bảo dưỡng, đáp ứng hiệu quả kinh tế dài hạn, giảm

ô nhiễm môi trường, góp phần bảo tồn các công trình lịch sử trong khu vực

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT

LƯỢNG CAO TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN

1.1 Tổng quát về công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển

Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và môi trường không khí biển Dựa theo tính chất xâm thực của môi trường biển, vị trí làm việc của kết cấu BTCT chia làm 3 vùng ranh giới sau: vùng ngập nước, vùng nước biển lên xuống và sóng đánh và vùng khí quyển biển Trong đó vùng nước biển lên xuống và sóng đánh là vùng có mức độ ẩm đối với kết cấu là mạnh nhất Kết quả phân tích đặc điểm môi trường vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa: khí hậu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới với hai mùa; mùa khô kéo dài từ tháng 2 đến tháng 4, còn mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 1 năm sau; nhiệt độ dao động không quá 4oC, nhiệt độ trung bình là 28oC; lượng mưa dao động từ 1.800mm đến 2.200mm; biên độ sóng dao động khá lớn từ 0,8-1,8m, lớn nhất có thể tới hơn 2m Kết quả phân tích thành phần nước biển cho thấy hàm lượng ion clo vào mùa khô tương đương với vùng biển Arabian Gulf và có hàm lượng cao gấp 2 lần so với khu vực biển Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Nha Trang, Hải Phòng, Hòn Gai, v.v Vào mùa mưa hàm lượng ion clo giảm nhiều so với mùa khô

Kết quả khảo sát hiện trạng các công trình đã xây dựng tại khu vực nghiên cứu cho thấy hầu hết các công trình BTCT xây dựng tại các đảo của vùng biển

xa bờ tỉnh Khánh Hòa sau 10-20 năm sử dụng đã xuất hiện những hư hỏng điển hình như bê tông bị nứt hoặc vỡ, vết nứt từ nhỏ đến lớn thậm chí còn bị vỡ từng mảng để lộ cốt thép đã bị han gỉ

1.2 Tổng quan về độ bền công trình BTCT trong môi trường biển

Quá trình xuống cấp của công trình do các nguyên nhân được thể hiện trên Hình 1.6

Hình 1.6 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT

Theo nghiên cứu của Giáo sư Mutsuyoshi [24], nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các hư hại của các kết cấu BTCT là do xâm nhập ion clo, chiếm tới 66% Trong khi

đó, cacbonat hóa chỉ chiếm 5% Vì vậy, trong luận án, tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự xâm nhập ion clo đến sự suy giảm độ bền của kết cấu BTCT Theo phương pháp thiết kế đảm bảo độ bền, độ bền được xác định là tuổi thọ sử dụng yêu cầu Theo phương pháp này, quan niệm định tính về độ bền được chuyển thành những yêu cầu có căn cứ là số năm sử dụng của công trình mà kết cấu của nó phải đảm bảo yêu cầu (tuổi thọ sử dụng) (Fagerlund [107])

Tuổi thọ sử dụng của một kết cấu có thể được mô tả như là sự kết hợp tuổi thọ

sử dụng đối với các bộ phận khác nhau của kết cấu Bộ phận có tuổi thọ sử dụng ngắn nhất sẽ quyết định đến tuổi thọ sử dụng của kết cấu đó Với phương pháp này,

có thể xác định được bộ phận kết cấu được sử dụng để xác định tuổi thọ sử dụng Những kết cấu BTCT quan trọng thì yêu cầu tuổi thọ sử dụng là 50, 80, 100 năm hoặc nhiều hơn với độ tin cậy được thể hiện bởi các nhà thiết kế và chủ đầu tư Trong suốt 150 năm qua, các chuyên gia, các Ủy ban và chính quyền Quốc gia

đã tham gia vào vấn đề đảm bảo độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển Trong

đó các nghiên cứu điển hình bao gồm: cuối thế kỉ XX, các nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xâm nhập ion clo trong bê tông như nồng độ clo

bề mặt bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép; đến đầu thế kỉ XXI, các nghiên cứu tập trung vào sự ảnh hưởng của phụ gia khoáng như muội silic, tro bay, xỉ lò cao

và sự kết hợp giữa chúng; sau đó, các công trình tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic đến cường độ và mức độ chống xâm nhập ion clo của bê tông Các nghiên cứu về độ bền bê tông chỉ ra rằng, bê tông sử dụng muội silic đảm bảo độ bền, cường độ và tính công tác của kết cấu BTCT trong môi biển

Các nghiên cứu trong nước cũng đi theo hướng nghiên cứu của thế giới, đó là cải thiện chất lượng bê tông trong môi trường biển bằng cách sử dụng các vật liệu khoáng và phụ gia khoáng để tăng cường sức kháng xâm nhập ion clo và đảm bảo tính công tác và cường độ chịu nén Các phụ gia khoáng được sử dụng phổ biến là muội silic, tro bay, xỉ lò cao, v.v hoặc kết hợp các loại trên Các nghiên cứu mới chỉ tập trung xác định cường độ chịu nén của kết cấu, từ đó tìm ra các biện pháp

nâng cao tuổi thọ sử dụng mà chưa ưu tiên tiêu chí đảm bảo độ bền của kết cấu khi

thiết kế thành phần bê tông

Các tiêu chuẩn độ bền của bê tông trong môi trường biển hiện đang được ứng dụng tại Việt nam bao gồm: EN 206-1, TCVN 9346:2012 và TCVN 12-41-2017 Những quy định trong các tiêu chuẩn của thế giới và Việt nam về độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển đều quy định về phân loại vị trí tiếp xúc, tỉ lệ N/CKD lớn nhất, cấp bê tông, hàm lượng xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Đây là những giới hạn yêu cầu khi thiết kế kết cấu BTCT đảm bảo độ bền trong môi trường biển

1.3 Tổng quan về bê tông HPC

Bê tông HPC là một thế hệ bê tông mới có thêm một số tính năng được cải thiện Xét về cường độ chịu nén, đây là bê tông cường độ cao; xét tổng thể các tính năng thì gọi là bê tông chất lượng cao Tính năng của bê tông chất lượng cao thể hiện ở

tính công tác, cường độ chịu nén (f c ’≥ 55 , ACI PRC-363-10) và độ bền thể hiện qua sức kháng xâm nhập ion clo cao, khả năng chống lại sự tấn công của các yếu tố như yếu tố hóa học, vật lý, sinh học và ăn mòn Do đó, bê tông HPC có độ bền cao và đảm bảo tuổi thọ sử dụng lâu dài trong môi trường khắc nghiệt

Hiện nay, bê tông HPC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có một số lĩnh vực quan trọng như kết cấu nhà cao tầng, cầu, công trình ngoài khơi v.v

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án

1) Thực nghiệm xác định nồng độ clo trên bề mặt bê tông khu vực thủy triều tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa;

2) Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền xâm nhập ion clo trong môi trường biển;

3) Sử dụng mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT chịu ảnh hưởng của sự xâm nhập ion clo khi nồng độ clo bề mặt và hệ số khuếch tán clo thay đổi theo thời gian trên cơ sở kết quả thực nghiệm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa;

4) Từ nghiên cứu bê tông HPC đảm bảo độ bền tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa, đề xuất thành phần bê tông HPC và chiều dày lớp kết cấu bê tông bảo vệ cốt thép đảm bảo độ bền kết cấu kè bảo vệ âu tàu ở khu vực này

Chương 2 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT, HỆ

SỐ KHUẾCH TÁN CLO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH BTCT ĐÃ XÂY

DỰNG Ở VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA

2.1 Sự ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo

2.1.1 Cơ chế vận chuyển trong bê tông

Khuếch tán, điện di, đối lưu là các cơ chế chuyên chở các chất trong bê tông

Trong luận án, cơ chế khuếch tán được sử dụng để xác định sự xâm nhập của ion clo vào trong bê tông Đây là cơ chế đang được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam Định luật cơ bản của khuếch tán là định luật thứ

hai của Adolf Fick [73]

Định luật Fick thứ hai: Tốc độ biến thiên nồng độ theo thời gian tỉ lệ thuận

với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ

hệ thống lỗ rỗng đó khi có chênh lệch nồng độ Trong trường hợp hệ số khuếch tán clo và nồng độ clo bề mặt là hằng số, trong khi nồng độ ion clo ban đầu trong bê tông bằng 0, nghiệm của phương trình (2.2) được viết theo phương trình (2.3)

2.1.2 Cơ chế hóa học ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo

Khi ion clo xâm nhập vào bê tông và nồng độ ion clo trên bề mặt cốt thép đạt tới ngưỡng nồng độ clo giới hạn thì màng thụ động sẽ bị phá vỡ Điều này sẽ dẫn đến việc cốt thép có thể bị ăn mòn nếu có sự cung cấp độ ẩm và oxy Đây là một quá trình điện hóa với các phản ứng hóa học diễn ra trong hai vùng cực dương

và cực âm, Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo

Theo Nielsen [100], oxit sắt Fe2O3 chưa ngậm nước có thể tích bằng với thể tích của thép mà nó thay thế Khi Fe2O3 ngậm nước, nó nở nhiều hơn, trở lên xốp Do đó thể tích tại giao diện bê tông - thép tăng lên đến 6 lần dẫn đến nứt và tách tấm bê tông

2.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cơ chế khuếch tán

- Hệ số khuếch tán clo của bê tông thường có giá trị thay đổi từ 10-13 m2/s đến 10-11 m2/s Hệ số đó có giá trị từ 10-12 m2/s đến 10-11 m2/s đối với bê tông thường và từ 10-13 m2/s đến 10-12 m2/s đối với bê tông HPC [68] Nó phụ thuộc vào tỉ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic, thời gian kết cấu tiếp xúc với môi trường và nhiệt độ môi trường

- Nồng độ clo bề mặt càng cao thì ion clo khuếch tán vào sâu bên trong bê

tông càng mạnh và tốc độ ăn mòn cốt thép càng tăng (Fick 2) Nó phụ thuộc vào

vị trí địa lý của vùng biển và vị trí tiếp xúc của kết cấu Theo các nghiên cứu hiện nay, nồng độ clo trên bề mặt bê tông tiếp xúc với môi trường biển được tích

tụ, sau đó tăng lên theo thời gian Đến một thời điểm nhất định, nó đạt giá trị lớn nhất (Cs,max) và không tăng nữa Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt được tổng hợp trong Bảng 2.3

Bảng 2.3 Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt trong môi trường biển [98]

TT Nguồn dữ liệu Thời gian

tiếp xúc (năm) Phương trình Các tác giả Năm

3 United States of America 2-16 C s =a(1-e -b.t ) Kasir et al [87] 2002

4 South Korea 0,7-48,7 C s =a.Ln(b.t+1)+c Pack et al [106] 2010

Theo số liệu từ các cuộc điều tra hiện trường rộng lớn của kết cấu BTCT dọc theo bờ biển Na Uy được tổng hợp trong Bảng 2.4 [74], nồng độ clo bề mặt có thể được mô tả “cao” với giá trị trung bình là 5,5% và độ lệch chuẩn là 1,3% tính theo khối lượng xi măng tương ứng

Bảng 2.4 Nồng độ clo bề mặt kết cấu bê tông trong môi trường khắc nghiệt [74]

Mức nồng độ clo bề mặt C s (% trọng lượng xi măng)

Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn

2.2 Thực nghiệm xác định nồng độ ion clo theo chiều sâu và hệ số khuếch tán clo kết cấu BTCT đã xây dựng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

2.2.1 Kế hoạch lấy mẫu tại hiện trường

Các mẫu thí nghiệm được lấy trên hệ thống công trình cầu cảng, kè biển và

âu tàu được xây dựng trong các năm 2000, 2004, 2010 và 2015 Có 02 loại mẫu cần lấy làm thí nghiệm gồm: (1) mẫu bột xác định nồng ion clo theo chiều sâu của kết cấu BTCT; (2) mẫu trụ xác định hệ số khuếch tán clo

2.2.2 Trình tự lấy mẫu

Thông tin chi tiết của các mẫu bột và mẫu trụ được lấy ở khu vực thủy triều được thể hiện trong bảng 2.7 và 2.8 Các bước lấy mẫu được thực hiện theo TCVN 7572-15:2006 [10]

Bảng 2.7 Chi tiết các mẫu bột tại công trình

TT Ký hiệu mẫu Tuổi mẫu (năm) Vị trí mặt cắt Độ sâu lấy mẫu tại các mặt cắt (cm) Số lượng (mẫu)

1 B11-7nam 07 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

2 B12-7nam 07 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm, 06

3 B21-12nam 12 Âu tàu 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

4 B22-12nam 12 Âu tàu 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

Bảng 2.8 Chi tiết các mẫu trụ tại công trình

STT Ký hiệu mẫu Tuổi mẫu (năm) Vị trí mặt cắt Số lượng mẫu (mẫu)

2.2.3 Tiến hành thử tại phòng thí nghiệm

Nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu được xác định theo TCVN 7572-15:2006 [10] tại Phòng Hóa môi trường, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Bảng 2.9

Bảng 2.9 Kết quả thí nghiệm nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu

TT Ký hiệu mẫu

Tuổi mẫu (năm)

Nồng độ ion clo ứng với chiều sâu mũi khoan (%)

(% khối lượng bê tông)

Hệ số khuếch tán clo được xác định trên mẫu thử hình trụ có kích thước 50x100

mm (theo tiêu chuẩn ASTM C1202 [46]) Trong thí nghiệm này, điện lượng Q chuyển qua mẫu đã được xác định Kết quả được thể hiện trong Bảng 2.11

Bảng 2.11 Điện lượng Q chuyển qua mẫu thí nghiệm

STT Ký hiệu mẫu Tuổi mẫu

(năm)

Q t

(Cu lông) ASTM C1202

D t

(m 2 /s) (PT 2.21)

D 28

(m 2 /s) (PT.2.22)

Mức độ xâm nhập Clo

Hệ số khuếch tán trung bình D 28 12,0109E-12

(k c,cl và k e,cl là hệ số bảo dưỡng và hệ số môi trường, k c,cl =0,79; k e,cl =0,92)

2.3 Phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian

Giả sử quá trình khuếch tán ion clo vào bê tông theo chiều sâu tuân theo quy luật hàm logarit tự nhiên Khi đó, nồng độ ion clo giảm dần theo chiều sâu kết

cấu Tức là quan hệ giữa nồng độ ion clo(% khối lượng bê tông) theo chiều sâu

x được thể hiện theo phương trình (2.23)

a - Công trình B11-7nam b - Công trình B12-7nam

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa nồng độ clo và độ sâu của kết cấu

Từ đồ thị Hình 2.5, các tham số Cs và  của các kết cấu BTCT tại các thời gian tiếp xúc khác nhau (7, 12, 18 và 22 năm) được xác định (Bảng 2.14)

Hình 2.6 Đồ thị của các phương trình đường cong C s

Các phương trình nồng độ clo bề mặt vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa như sau:

bị chặn trên khi thời gian tiến tới vô cùng Vì vậy, trong luận án này, phương trình (2.24) đã được lựa chọn Khi đó, nồng độ clo bề mặt lớn nhất bằng 1,164 % nếu tính theo khối lượng bê tông và bằng 5,5 % nếu tính theo khối lượng CKD (bằng

xi măng với khối lượng là 450kg/m3) Giá trị này tương ứng với mức nồng độ clo “cao” theo nghiên cứu của Odd E.Gjorv, Bảng 2.4 [74]

2.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT công trình đã xây dựng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

2.4.1 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo

Tuổi thọ sử dụng (tsd) do sự xâm nhập ion clo được tính theo công thức:

tsd = t1 + t2 (2.27) trong đó: t1 là thời gian khởi đầu ăn mòn; t2 là thời gian lan truyền ăn mòn Trong môi trường biển, tốc độ ăn mòn do sự xâm nhập của ion clo thường rất cao và giai đoạn lan truyền ăn mòn thường rất ngắn so với giai đoạn khởi đầu ăn mòn Do đó, trong luận án, khi cốt thép không được sơn phủ Epoxy, tuổi thọ sử dụng có thể được coi như bằng thời gian khởi đầu ăn mòn, có nghĩa là:

tsd = t1 (2.28) Theo yêu cầu của các tiêu chuẩn về tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT (mục 1.2.2), đối với công trình cầu cảng, công trình dân dụng, công trình quân sự, v.v…, tuổi thọ sử dụng tối thiểu của công trình là 100 năm; tsd ≥ 100 năm

2.4.2 Các mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

Hiện nay, có 04 mô hình phổ biển để dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT là: Life-365TM [89], CHLODIF [120], ClinConc [122] và DuraCrete [68] Để dự đoán tốc độ xâm nhập ion clo vào trong bê tông, Carslaw và Jaegebr [64] đưa ra lời giải giải tích với các giả thiết sau:

- Bê tông là vật liệu bán vô hạn, xốp, đồng nhất và đẳng hướng;

- Không có phản ứng xảy ra giữa bê tông và loại chất khuếch tán

- Nồng độ clo bề mặt là một hàm căn bậc hai của thời gian,

Trong luận án, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được sử dụng để dự báo mức độ xâm nhập ion clo trong bê tông khi hệ số khuếch tán clo và nồng độ clo bề mặt thay đổi theo thời gian theo kết quả thực nghiệm tại hiện trường

2.4.3 Mô hình hóa xác định sự xâm nhập ion clo trong bê tông bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương

pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô

tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm

riêng trên miền xác định có hình dạng và điều

kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không

thể tìm được bằng phương pháp giải tích

- Điều kiện biên: Tại biên x* = 0, biên

Dirichlet được thiết đặt như sau:

- Hệ số khuếch tán của ion clo D(t) của bê

tông theo thời gian:

Trên cơ sở phương pháp FEM, một chương

trình tên là Program Solve_eqs_FEM đã được

viết, sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran

Chương trình này cho phép xác định nồng độ

ion clo theo chiều sâu kết cấu bê tông và theo

thời gian t, từ đó dự báo tuổi thọ sử dụng kết

cấu BTCT Chương trình này cho kết quả

tương đồng với kết quả tính bằng phương pháp

giải tích

2.4.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

đã xây dựng theo phương pháp FEM

Sử dụng chương trình Program Solve_eqs_FEMxác định nồng độ ion clo tại các

độ sâu khác nhau của kết cấu BTCT theo thời gian với điều kiện biên như sau:

+ Nồng độ clo bề mặt bê tông:  0,134.

1,175 1 t s

+ Hệ số khuếch tán clo tại thời điểm 28 ngày: D28=12,01.10-12 (m2/s) + Hệ số phụ thuộc vào thời gian của hệ số khuếch tán clo m=0,2 Hình 2.11 thể hiện việc so sánh kết quả thu được bằng chương trình và kết quả thu được bằng thực nghiệm

(c) B12-12 năm (d) B22-12 năm

Hình 2.11 So sánh kết quả thu được bằng chương trình và bằng thực nghiệm

Sự sai khác giữa C(x,t) được xác định bằng thực nghiệm và C(x,t) được xác định bằng phương pháp FEM dao động từ (0,41-16,7)% Giá trị lớn nhất đạt được khi kết cấu tiếp xúc với môi trường 12 năm Sai số có thể chấp nhận được Do

đó, mô hình FEM cho phép dự đoán sự xâm nhập của ion clo và hỗ trợ một phần thí nghiệm tại hiện trường, nơi thí nghiệm gặp nhiều khó khăn và có chi phí lớn Các thông số đầu vào để dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã được xây dựng được thể hiện trong Bảng 2.17

Bảng 2.17 Các thông số đầu vào để xác định C(x, t)

a (mm) C cr (% khối lượng bê tông) D 28 (m 2 /s)

Kết quả của chương trình Program Solve_eqs_FEM được thể hiện trên Hình 2.13

Hình 2.13 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng ở tỉnh Khánh Hòa Hình 2.13 cho thấy, tuổi thọ sử dụng dự báo của kết cấu BTCT là 12 năm,

nhỏ hơn so với tuổi thọ thiết kế (50 năm) Do đó, để nâng cao tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT, cần có giải pháp về vật liệu bê tông làm tăng khả năng chống xâm nhập ion clo trong môi trường biển

2.5 Kết luận chương 2

- Xây dựng thành công phương trình nồng độ clo bề mặt bê tông của kết cấu công trình BTCT trong khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

- Sử dụng mô phỏng số trên cơ sở FEM, có thể xác định được nồng độ ion clo ở các

vị trí khác nhau của kết cấu bê tông theo thời gian kết cấu BTCT tiếp xúc với môi trường