Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử của cầu giàn thép

NGUYỄN VIẾT QUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN DẦM THÉP ĐẾN ỨNG XỬ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60 58 02 05

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN VIẾT QUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN DẦM THÉP ĐẾN ỨNG XỬ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60 58 02 05

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ THU HIỀN

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TS Đặng Đăng Tùng PGS.TS Lê Anh Tuấn

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Viết Quân MSHV: 1570669 Ngày, tháng, năm sinh: 05/10/1985 Nơi sinh: Thanh Hóa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN DẦM THÉP ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CẦU GIÀN THÉP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan về hư hỏng cầu thép do ăn mòn

2 Ảnh hưởng của ăn mòn do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu lực của cầu giàn thép

3 Phân tích khả năng chịu lực của giàn thép theo sự giảm yếu dần tiết diện thép theo thời gian

4 Ứng dụng dự đoán tuổi thọ công trình thép và đánh giá kết cấu trong công tác duy tu sửa chữa bảo trì từng giai đoạn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồ Thu Hiền

Tp HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên em xin gửi đến Cô TS Hồ Thu Hiền Trường Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Cô là người đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này Trong thời gian làm đề tài, Em đã nhận được hướng dẫn chỉ bảo, truyền niềm đam mê nghiên cứu tìm tòi từ Cô để nâng cao kiến thức và chuyên môn Với sự hướng dẫn tận tâm và nhiệt tình của Cô đã giúp em hoàn thành luận văn đạt yêu cầu

Em xin cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn cầu đường nói riêng và các thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nói chung đã nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức giúp em rất nhiều trong học tập cũng như công tác khác

Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, động viên, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tp.HCM, Tháng 12 năm 2019

Học viên Nguyễn Viết Quân

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử của cầu giàn thép

Trên thế giới các kết cấu thép đặc biệt là cầu thép ngày càng phát triển mạnh bởi những ưu điểm vượt trội của nó mang lại Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay số lượng các cầu thép ngày càng giảm thay vào đó là các cầu BTCT bởi vì chi phí xây dựng và chi phí bảo trì thấp hơn cầu thép Nhược điểm lớn nhất của cầu thép đó là độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường Khi kết cấu thép bị tác động điều kiện môi trường dẫn đến bị gỉ sét và tiết diện chịu lực giảm so với ban đầu Nên khả năng chịu lực cầu giảm

Vì vậy, Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài này là xây dựng được mối quan hệ giữa thời gian và khả năng chịu lực cực hạn của kết cấu thép khi kết cấu thép bị giảm dần tiết diện sau thời gian khai thác Từ mối quan hệ trên ta sẽ xác định được tuổi thọ cũng như thời gian để sửa chữa Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho cơ quan quản lý cầu sau này

SUMMARY OF THESIS

Topic

Study on the behavior of truss bridge from steel corrosion

In the world, steel structures, especially steel bridges, are increasingly developed because of its outstanding advantages However, in Vietnam today the number of steel bridges is decreasing, instead of reinforced concrete bridges because construction and maintenance costs are lower than steel bridges The biggest disadvantage of the steel bridge is its durability over time, although there are now many studies on paint production protecting steel structures against environmental impacts When the steel structure is affected by environmental conditions, it will rust and the bearing area will be reduced compared to the original So the ability to bear the demand decreases

Therefore, the research goal in this topic is to build the relationship between time and the maximum bearing capacity of steel structure when the steel structure is gradually reduced cross-section after the time of exploitation From the above relationship, we will determine the lifespan as well as the time to repair The results of this study will serve as a reference for future bridge management

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử của cầu giàn thép” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi

Các số liệu trong luận văn là số liệu trung thực

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Tp.HCM, Tháng 12 năm 2019

Học viên cao học

Học viên cao học khóa 2015 Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

2.1 Đặc điểm chung của cầu giàn thép 5

2.2 Hƣ hỏng do ăn mòn kết cấu thép: Phân loại và nguyên nhân 5

2.2.8 Ăn mòn do xói mòn 11

2.2.9 Ăn mòn do ma sát 11

2.2.10 Rạn nứt do ứng suất và ăn mòn 12

2.2.11 Rạn nứt do ăn mòn do mỏi 13

2.3 Phương pháp kiểm tra và đánh giá nguyên nhân hư hỏng 13

2.3.1 Phương pháp kiểm tra đánh giá tổng quan 13

2.3.2 Phương pháp kiểm tra đánh giá chi tiết 14

2.3.2.2 Kiến thức áp dụng 15

2.3.2.3 Đầu dò siêu âm 17

2.3.2.4 Thiết bị 20

2.3.2.5 Quy trình kiểm tra siêu âm 21

2.4 Các biện pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn 21

2.4.1 Chọn vật liệu kim loại thích hợp 21

2.4.2 Xử lý môi trường để bảo vệ kim loại 22

2.4.3 Nâng cao độ bền chống ăn mòn bằng các lớp sơn phủ 22

2.4.4 Bảo vệ kim loại bằng phương pháp điện hóa 23

2.5 Các giải pháp thường sử dụng để sửa chữa và khắc phục hư hỏng 25

2.5.1 Tăng cường giàn chủ 25

2.5.2 Tăng cường khả năng chịu lực bằng táp bản thép 25

2.5.3 Tăng cường khả năng chịu lực bằng dự ứng lực ngoài 26

2.5.4 Tăng cường khả năng chịu lực bằng dán tấm sợi tổng hợp cường độ cao 27 CHƯƠNG III 28

ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG KẾT CẤU THÉP DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẦU GIÀN THÉP 28

3.1 Giới thiệu chung 28

3.2 Ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu lực của cầu giàn thép trong quá trình khai thác 28

3.2.1 Một số ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến công trình 29

3.2.2 Mối quan hệ giữa giảm yếu tiết diện kết cấu thép với khả năng chịu

lực của kết cấu 30

3.3 Xây dựng mô hình cầu giàn thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn31 3.3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn 31

3.3.2 Mô hình hình học cầu bằng phần mềm Sap2000 V14 33

3.3.2.1 Giới thiệu chung 33

3.3.2.2 Các thông số ban đầu của mô hình 34

3.3.2.3 Vật liệu 34

3.3.2.4 Mặt cắt kết cấu 36

3.3.2.5 Mô hình cầu giàn thép 36

3.3.2.6 Tải trọng 37

3.3.2.7 Điều kiện biên 39

3.3.2.8 Nội lực và kiểm toán kết cấu giàn ban đầu 39

3.4 Phân tích ảnh hưởng của sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu lực của cầu giàn thép 47

3.4.1 Phân tích chi tiết từng giai đoạn 10 năm 47

3.4.2.1 Phân tích tiết diện và cường độ chịu lực thanh 53

3.4.2.2 Phân tích về độ võng 55

3.4.2.3 Phân tích về dao động cầu giàn thép sau thời gian sử dụng 56

3.4.2.4 Phân tích về mỏi cầu giàn thép sau thời gian sử dụng 57

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

c f 

RE

E K

D R Trục X Trục Y Trục Z LL IM DC DW

η= ηD.ηR.ηI

- Là vận tốc (m/s)

- Tần số đơn vị Hertz (Hz) - Bước sóng (m)

- Âm trở của vật liệu thứ nhất - Âm trở của vật liệu thứ hai

- Tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ lại giữa hai môi trường

- Góc tới cho vật liệu thứ nhất - Góc khúc xạ cho vật liệu thứ 2 - Vận tốc âm trong vật liệu thứ nhất - Vận tốc âm trong vật liệu thứ hai - Mô đun đàn hồi của thép

- Là ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận độ cứng của các phần tử

- Là ma trận chuyển vị nút cần tìm - Là ma trận ngoại lực nút

- Theo phương dọc cầu - Theo phương ngang cầu - Theo phương đứng - Hoạt tải xe

MH MT TĐ TC MH1 f L σ [σ] f T F σmax α ff nQ

γf

fu γM

fy  A f'c

- Ký hiệu thanh mạ hạ (Thanh biên dưới) - Ký hiệu thanh mạ thượng (Thanh biên trên) - Thanh đứng

- Thanh chéo (Thanh xiên) - Ký hiệu thanh-Tên thanh

- Độ võng của cầu tại vị trí giữa nhịp - Chiều dài nhịp

- Ứng suất tính toán - Ứng suất cho phép - Độ võng kết cấu nhịp - Chu kỳ dao động - Tần số dao động

- Giá trị tuyệt đối ứng suất lớn nhất trong thanh giàn thép - Hệ số kể đến số lượng và chu kỳ tải trọng

- Cường độ tính toán về mỏi - Chu kỳ tải trọng

- Hệ số tra bảng

- Giới hạn kéo đứt thép - Hệ số bằng 1,3

- Giới hạn chảy của thép - Hệ số poison

- Hệ số giãn nở nhiệt - Cường độ chịu nén

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hình ảnh kết cấu thép bị ăn mòn đều trên bề mặt [3] 6

Hình 2.2 Hình ảnh ăn mòn điện hóa giữa tấm nhôm và bu lông thép [3] 6

Hình 2.3 Hình ảnh ăn mòn khe hở giữa bản táp liên kết và thép góc [3] 7

Hình 2.4 Hình ảnh ăn mòn rỗ bề mặt [3] 9

Hình 2.5 Hình ảnh ăn mòn do mặt tiếp xúc thép và màng sơn bị phá hoại [3] 9

Hình 2.6 Hình ảnh Đường hàn bị hỏng [3] 11

Hình 2.7 Hình ảnh rạn nứt do ăn mòn ứng suất [3] 12

Hình 2.8 Hình ảnh Ăn mòn do đứt gãy bu lông [3] 12

Hình 2.9 Dùng máy siêu âm khuyết tật [13] 15

Hình 2.10 Mặt cắt của đầu dò tiếp xúc điển hình [13] 18

Hình 2.11 Một đầu dò dạng tiếp xúc điển hình [13] 18

Hình 2.12 Một đầu dò góc với nêm điển hình [13] 18

Hình 2.13 Đầu dò thẳng với nêm trễ [13] 19

Hình 2.14 Đầu dò nhúng dạng cầm tay với bong bóng nước [13] 19

Hình 2.15 Ví dụ về đầu dò kép sử dụng khi kiểm tra nhiệt độ cao [13] 20

Hình 2.16 Thiết bị siêu âm khuyết tật đường hàn EPOCH 650 [13] 20

Hình 2.17 Thiết bị siêu âm khuyết tật nhỏ gọn EPOCH 6LT [13] 21

Hình 2.18 Sơ đồ bảo vệ catot bằng dòng ngoài [10] 24

Hình 2.19 Sơ đồ bảo vệ chống ăn mòn kim loại bằng anot hy sinh [10] 24

Hình 2.20 Phương pháp tăng tiết diện mặt cắt bằng bản táp (Internet) 26

Hình 2.21 Dự ứng lực ngoài cho cầu thép (Internet) 26

Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của phần mềm Sap 2000 32

Hình 3.2 Bố trí chung giàn thép 34

Hình 3.3 Mặt cắt ngang giàn Pony 34

Hình 3.4 Mô hình dàn Pony 37

Hình 3.5 Mặt phẳng giàn bên phải hướng đi từ bờ xuống bến phà 39

Hình 3.6 Mặt phẳng giàn bên trái hướng đi từ bờ xuống bến phà 39

Hình 3.7 Một nửa mặt phẳng giàn bên phải cầu 40

Hình 3.8 Biểu đồ nội lực thanh giàn 41

Hình 3.9 Biểu đồ % ứng suất ban đầu các thanh giàn so với 42

Hình 3.10 Độ võng tại vị trí giữa nhịp ở TTgh sử dụng U3=18.3mm 43

Hình 3.11 Mô hình cầu giàn thép khi chịu tải 43

Hình 3.12 Biểu đồ chu kỳ giao động theo các kiểu giao động 44

Hình 3.13 Hình ảnh giàn 3D - giao động phương đứng 45

Hình 3.14 Hình ảnh mặt bằng giàn – giao động theo phương đứng 45

Hình 3.15 Hình ảnh mặt phẳng giàn – giao động theo phương đứng 46

Hình 3.16 Biểu đồ cường độ tính mỏi và ứng suất max thanh giàn 47

Hình 3.17 Biểu đồ % mất mát tiết diện của thanh giàn chu kỳ 10 năm 53

Hình 3.18 Biểu đồ % ứng suất của thanh giàn chu kỳ 10 năm 54

Hình 3.19 Biểu đồ % độ võng cầu giàn thép so với độ võng cho phép 55

Hình 3.20 Hình ảnh biểu đồ chu kỳ dao động sau 50 năm 57

Hình 3.21 Biểu đồ % ứng suất max sau 50 năm so với cường độ chịu mỏi 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ gỉ sắt bằng mắt thường [12] 13

Bảng 2.2 Hệ số năng lượng phản xạ sóng âm của một vài môi trường [13] 17

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của thép kết cấu cacbon thông dụng [15] 35

Bảng 3.2 Cơ tính thép kết cấu cacbon thông thường 35

Bảng 3.3 Bảng đặc tính cơ lý bê tông bản mặt cầu C30 35

Bảng 3.9 Bảng ứng suất max và cường độ tính mỏi 46

Bảng 3.10 Quy cách thanh giàn thép có tiết diện giảm yếu sau 10 năm 48

Bảng 3.11 Ứng suất thanh giàn thép so với ứng suất cho phép sau 10 năm 48

Bảng 3.12 Quy cách thanh giàn thép có tiết diện giảm yếu sau 20 năm 49

Bảng 3.13 Ứng suất thanh giàn thép so với ứng suất cho phép sau 20 năm 49

Bảng 3.14 Quy cách thanh giàn thép có tiết diện giảm yếu sau 30 năm 50

Bảng 3.15 Ứng suất thanh giàn thép so với ứng suất cho phép sau 30 năm 50

Bảng 3.16 Quy cách thanh giàn thép có tiết diện giảm yếu sau 40 năm 51

Bảng 3.17 Ứng suất thanh giàn thép so với ứng suất cho phép sau 40 năm 51

Bảng 3.18 Quy cách thanh giàn thép có tiết diện giảm yếu sau 50 năm 52

Bảng 3.19 Ứng suất thanh giàn thép so với ứng suất cho phép sau 50 năm 52

Bảng 3.20 Bảng thống kê các thanh giàn và % mất tiết diện chu kỳ 10 năm 53

Bảng 3.21 Bảng thống kê các thanh giàn và % ứng suất thanh giàn 53

Bảng 3.22 Bảng độ võng cầu giàn thép 55

Bảng 3.23 Bảng tổng hợp chu kỳ giao động T suốt 50 năm 56

Bảng 3.24 Bảng tổng hợp % Cường độ chịu mỏi so với ứng suất max thanh giàn 57

Hình 1.1 Cầu Long Biên – Hà Nội [17]

Hình 1.2 Cầu Tràng Tiền – Huế [18]

Hình 1.3 Cầu cảng Sydney – Australia [19]

Đa phần các cầu vượt đường sắt thường làm bằng cầu kết cấu thép Tuy nhiên do chi phí bao gồm chi phí xây dựng và chi phí bảo trì cao hơn rất nhiều so với cầu BTCT nên ở Việt Nam hiện nay phần lớn là xây dựng cầu BTCT Đối với cầu kết cấu thép có lẽ nhược điểm lớn nhất đó là vấn đề độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường

Độ bền kết cấu cầu thép phụ thuộc nhiều vào tác động môi trường nhưng để đánh giá độ bền của nó qua thời gian sử dụng thì rất khó khăn bởi vì khí hậu ở Việt Nam phân hóa đa dạng và biến động mạnh theo từng năm Trên cả nước hình thành các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt Miền khí hậu Phía Bắc có mùa đông lạnh, tương đối ít mưa và nửa cuối mùa đông rất ẩm ướt, mùa hạ

nóng và mưa nhiều Miền khí hậu phía Nam có khí hậu cận xích đạo, nhiệt độ cao quanh năm, có 1 mùa mưa và 1 mùa khô Khu vực Đông Trường Sơn bao gồm phần lãnh thổ Trung Bộ phía đông dãy Trường Sơn, từ Hoành Sơn tới Mũi Dinh có mùa mưa lệch hẳn về thu đông Khí hậu biển Đông Việt Nam mang tính chất gió mùa nhiệt đới hải dương Ngoài đặc trưng vùng thì khí hậu nước ta rất thất thường biến động mạnh qua các năm Năm rét sớm, năm rét muộn, năm mưa lớn, năm khô hạn, năm ít bão, năm nhiều bão

Do vậy cần rất nhiều nghiên cứu đủ sâu và rộng trên khắp vùng miền đất nước về tác động của môi trường đến kết cấu thép Cụ thể hơn là vấn đề ăn mòn kết cấu thép do tác động môi trường Các nghiên cứu này sẽ xây dựng được nguồn dữ liệu đủ lớn giúp cho các đơn vị quản lý cầu đưa ra các giải pháp bảo trì sửa chữa phù hợp

Việc chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử

của cầu giàn thép” là nghiên cứu về giàn thép Pony của Phà Cát Lái ở khu vực

Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh cũng là một trong những nghiên cứu nhằm bổ sung thêm các dữ liệu quan trọng vào thư viện dữ liệu lớn của cả nước

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đối với cầu kết cấu thép có lẽ nhược điểm lớn nhất đó là vấn đề độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường Khi kết cấu bị tác động điều kiện môi trường dẫn đến kết cấu bị gỉ sét và tiết diện chịu lực không còn được như ban đầu Nên khả năng chịu lực cầu sẽ bị giảm Lâu dần nếu không thay thế hoặc khắc phục dễ dẫn tới công trình cầu bị hư hỏng nặng và bị gãy đổ Vậy thì việc đánh giá mức độ hư hỏng hàng năm cụ thể đây là mức độ mất dần tiết diện thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực và thời gian là việc làm vô cùng quan trọng cho công tác đánh giá tổng quan ban đầu nếu muốn làm cầu kết cấu thép Đặc biệt hơn là giúp ích rất nhiều cho công tác quản lý, đánh giá, bảo trì cầu thép Khi xây dựng được mối quan hệ giữa thời gian và khả năng chịu lực cực

hạn của tiết diện thép khi bị giảm dần tiết diện thì ta sẽ xác định được tuổi thọ cũng như thời gian để sửa chữa lớn công trình cầu thép

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cầu giàn thép thông qua ứng suất, chuyển vị và chu kỳ dao động của cầu khi kết cấu thanh giàn và dầm bị giảm tiết diện do ăn mòn trong quá trình sử dụng Trong nghiên cứu này lấy ví dụ điển hình là cầu giàn thép Pony được dùng cho bến phà Cát Lái Chiều dài giàn thép 30m

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện mục tiêu trên, nghiên cứu sẽ tiến hành thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu để xác định ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu giàn thép Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap2000 V14 để mô hình tính toán kết cấu cầu giàn thép Từ đó rút ra một số kết luận liên quan

CHƯƠNG II

HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP CỦA KẾT CẤU GIÀN THÉP DO SỰ ĂN MÒN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC

2.1 Đặc điểm chung của cầu giàn thép

2.2 Hư hỏng do ăn mòn kết cấu thép: Phân loại và nguyên nhân

2.2.1 Ăn mòn đồng đều

Ăn mòn hoặc rỉ đều trên khắp bề mặt kết cấu thép được hình thành do sắt kết hợp với oxy khi có mặt nước hoặc không khí ẩm Trên bề mặt sắt thép bị rỉ hình thành những lớp vảy rất dễ vỡ, thường có màu nâu, nâu đỏ hoặc đỏ Lớp rỉ này không có tác dụng bảo vệ sắt ở phía trong Chất xúc tác chính cho quá trình rỉ là nước Cấu trúc thép có vẻ chắc chắn nhưng các phần tử nước có thể xâm nhập vào các kẽ nhỏ của vết nứt, sự kết hợp của nguyên tử hidro có trong nước với các nguyên tố khác để hình thành axít ăn mòn thép làm cho thép ngày càng giảm tiết diện Nếu trong môi trường nước biển, sự ăn mòn có thể xảy ra nhanh hơn Trong khi đó các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử sắt để hình thành oxít sắt hay rỉ sắt, chúng làm cho cấu trúc của sắt trở nên giòn và xốp Các thành phần này bao gồm các mạng dầm, các tấm ốp dọc, và các đường thẳng và đường chéo của giàn

Hình 2.1 Hình ảnh kết cấu thép bị ăn mòn đều trên bề mặt [3]

2.2.2 Ăn mòn điện hóa

Hình 2.2 Hình ảnh ăn mòn điện hóa giữa tấm nhôm và bu lông thép [3]

Ăn mòn điện hóa là ăn mòn kim loại không giống nhau được gây ra khi các kim loại có thành phần khác nhau được đặt cùng với sự có mặt của chất điện phân tạo ra dòng điện từ, với một trong những kim loại là cực dương và một là

cực âm Ăn mòn điện hóa thường xảy ra trên cầu thép nơi cột đèn, tay vịn hoặc ống dẫn điện tiếp xúc với thép hoặc nơi thép mạ kẽm tiếp xúc với thép trần (như thép bị oxi hóa) Vật liệu cách điện là thường được đặt giữa các kim loại để ngăn chặn sự hình thành sự ăn mòn điện Ăn mòn điện hóa cũng có thể xảy ra trên thép nơi tiếp xúc lớp phủ của thép Ăn mòn điện hóa có lợi trong việc ứng dụng mạ kẽm lên thép Mục đích là kim loại kém bền hơn sẽ bị ăn mòn trong quá trình ăn mòn và phủ lên bề mặt thép để chống ăn mòn bề mặt thép

2.2.3 Ăn mòn khe hở

Hình 2.3 Hình ảnh ăn mòn khe hở giữa bản táp liên kết và thép góc [3]

Ăn mòn khe hở là một hình thức ăn mòn cục bộ Nó được gây ra bởi sự khác biệt trong môi trường bên trong và bên ngoài khe hở, chẳng hạn như nồng độ của phần tử oxy hoặc phần tử ion kim loại Sự hiện diện của các ion clorua cũng thúc đẩy sự ăn mòn khe hở Ăn mòn khe hở thường có thể được quan sát trực quan Ăn mòn khe hở là một trong những hình thức ăn mòn phổ biến nhất được tìm thấy trên cầu thép Nó xảy ra trong khoảng cách giữa kẻ hở bề mặt

nhỏ tới vài phần nghìn cm Ăn mòn kẽ hở cũng có thể xảy ra giữa thép và các vật liệu khác, chẳng hạn như sàn gỗ hoặc tấm bê tông Những khoảng trống này thường được hình thành bởi sự liên kết ép mặt của bu lông không kín, hoặc đường hàn giữa 2 tấm thép bị hở Thép dựa vào màng oxit để bảo vệ, chẳng hạn như thép oxi hóa, đặc biệt dễ bị ăn mòn kẽ hở Những màng này bị phá hủy bởi nơi có nồng độ cao của các ion clorua hoặc hydro có thể xảy ra ở các kẽ hở

2.2.4 Rỗ mặt thép

Rỗ mặt thép là sự ăn mòn tập trung của hình thức ăn mòn kẽ hở gây ra bởi sự lắng cặn của chất lạ đóng vai trò là lá chắn để tạo ra một không gian hạn chế hoạt động giống như một kẽ hở Những vị trí rỗ mặt cũng có thể giữ độ ẩm, cung cấp chất điện phân Rỗ mặt thép có thể được quan sát trực quan Rỗ mặt thường xuyên xảy ra trên các cây cầu tại các vị trí của các mảng có độ ẩm Các mảng thường bao gồm bụi bẩn trên đường hoặc rác thải đọng lại trên bề mặt nằm ngang do gió hoặc do nước thoát ra khỏi lòng đường Các mảng có thể có nguyên nhân từ vị trí vùng hay khu vực đặc trưng, chẳng hạn như bụi than trong khu vực khai thác, ngũ cốc hoặc các sản phẩm phụ khác trong khu vực trang trại, hoặc muối từ nước biển Gỉ tự nó hoạt động như một lắng cặn và thúc đẩy ăn mòn hơn nữa Một trong những loại lặng cặn khó chịu nhất đến từ yến sào và phân chim Nhiều vật liệu lắng đọng chứa các chất làm tăng tốc độ ăn mòn Ví dụ, các mỏ bụi than có chứa carbon, có thể gây ra sự ăn mòn điện hóa và các hợp chất lưu huỳnh, tấn công thép Phân chim có chứa axit làm hỏng các thành phần thép và lớp phủ bảo vệ

Hình 2.4 Hình ảnh ăn mòn rỗ bề mặt [3]

2.2.5 Ăn mòn dưới lớp màng

Hình 2.5 Hình ảnh ăn mòn do mặt tiếp xúc thép và màng sơn bị phá hoại [3]

Nó thường bắt đầu khi sơn bị hư hại về vật lý hoặc có khuyết tật trong lớp màng sơn Hình thức này của ăn mòn tấn công bề mặt giữa lớp phủ và kim loại Ăn mòn dưới lớp màng có thể được phân loại trực quan Ăn mòn dưới lớp sơn bắt đầu tại các vị trí có vết vỡ trong sơn Nó có thể xảy ra bất cứ nơi nào trên một cấu trúc và được coi là nứt, phồng rộp, hoặc bong tróc của sơn Kiểm tra lớp phủ tại các khu vực bị hư hỏng để xác định xem sơn phủ thường sẽ tiết lộ rằng một diện tích kim loại lớn hơn nhiều đã bị ăn mòn

2.2.6 Khuyết tật bề mặt

Khuyết tật bề mặt là gây nên ăn mòn cục bộ, gây ra sự xâm nhập sâu, đôi khi hẹp vào bề mặt thép Sự hình thành của nó xảy ra khi có những thay đổi hóa học hoặc vật lý trong kim loại, chẳng hạn như sự không hoàn hảo trong luyện kim thép, tại các lỗ hổng bảo vệ sơn, hoặc, phổ biến nhất, dưới các vật liệu lắng đọng Khuyết tật có thể được xác định bằng mắt thường

2.2.7 Ăn mòn tại đường hàn

Thường xảy ra ở các vị trí đường hàn không đạt tiêu chuẩn về việc kiểm soát nhiệt độ thích hợp Nguyên nhân xảy ra là do khi hàn thép đã giảm khả năng chống ăn mòn do nhiệt khi hàn làm thay đổi cấu trúc hạt của thép Sự thay đổi cấu trúc hạt này thường xuất hiện như một dải song song với các đường hàn, Các dải này rất dễ bị ăn mòn do cấu trúc hạt đã thay đổi Khi sử dụng lớp sơn phủ không đạt yêu cầu về chất lượng sẽ góp phần làm mối hàn bị ảnh hưởng Vấn đề này xảy ra thường xuyên hơn khi liên kết với thép mỏng, thép không gỉ và thép hợp kim nhưng đôi khi vẫn tìm thấy trong cấu trúc của thép Cacbon

Hình 2.6 Hình ảnh Đường hàn bị hỏng [3]

2.2.8 Ăn mòn do xói mòn

Ăn mòn xói mòn sự ăn mòn bởi dòng chảy của chất lỏng trên bề mặt của thép với vận tốc rất lớn để loại bỏ các lớp phủ bảo vệ bề mặt thép hoặc loại bỏ các lớp oxit trên bề mặt kim loại Các hạt trong chất lỏng mài mòn bề mặt kim loại, làm mòn lớp phủ bề mặt trên các sản phẩm bảo vệ ăn mòn Điều này làm cho ăn mòn liên tục vào kim loại Việc xác định ăn mòn xói mòn có thể yêu cầu kiểm tra bằng kính hiển vi Thường xảy ra khi các kết cấu thép nằm ở dưới nước chịu dòng chảy thường xuyên

2.2.9 Ăn mòn do ma sát

Nguyên nhân ăn mòn do ma sát là sự chuyển động tương đối của các bề mặt tiếp xúc gần dưới tác dụng của tải trọng Ăn mòn không thể được xác định rõ ràng bằng mắt thường Trên các cầu thép có thể được quan sát tại các khớp nối của thanh đỡ và ở các đầu thanh có các bề mặt tiếp xúc trượt khi có chuyển động của thanh kéo nhẹ Nó cũng có thể được tìm thấy tại các vị trí mà các bộ phận của cầu rung khi tải chạy qua như các vị trí gối thép của cầu thép

2.2.10 Rạn nứt do ứng suất và ăn mòn

Hình 2.7 Hình ảnh rạn nứt do ăn mòn ứng suất [3]

Hình 2.8 Hình ảnh Ăn mòn do đứt gãy bu lông [3]

Rạn nứt do ứng suất và ăn mòn là nứt do sự xuất hiện đồng thời của ứng suất kéo (có thể là dư hoặc sử dụng) và một môi trường ăn mòn Ăn mòn là nguyên nhân đầu tiên gây ra sự không liên tục trong kim loại đóng vai trò gây ra ứng suất kéo dẫn đến vết nứt Các vết nứt có thể là giữa các hạt (xung quanh hạt) hoặc xuyên tâm (qua các hạt), nhưng thường xảy ra vuông góc với hướng

ứng suất kéo Tùy thuộc vào loại thép và môi trường ăn mòn, vết nứt có thể đơn giản như một đường thẳng, nhưng có thể có nhiều nhánh Nứt do ăn mòn và ứng suất xuất hiện như một vết nứt giòn trong một kim loại dễ uốn khác Khi kiểm tra bằng kính hiển vi, sản phẩm ăn mòn có thể là tìm thấy trong các vết nứt Bề mặt kim loại liền kề thường làm không cho thấy bằng chứng về bất kỳ thiệt hại Nứt do ăn mòn ứng suất yêu cầu kiểm tra bằng kính hiển vi để nhận dạng

Ăn mòn do ứng suất có thể xảy ra trong các cây cầu dưới tác dụng phụ điều kiện môi trường, như được tìm thấy trong các khu vực công nghiệp hoặc trong môi trường biển Một ví dụ về nứt ăn mòn ứng suất đã được quan sát trong một cấu trúc trong môi trường ăn mòn nơi các bu lông cường độ cao bị hỏng trong khi các thành phần được kết nối không cho thấy dấu hiệu ăn mòn Các bu lông, chịu kéo đến tải cực hạn (gần điểm giới hạn chảy của thép), các vết nứt vuông góc với tải trọng tác dụng làm giảm diện tích mặt cắt của bu lông cho đến khi bu lông bị kéo đứt Rạn nứt do ăn mòn và ứng suất cũng đã được quan sát trên dây và sợi trong cáp chính của cầu treo

2.2.11 Rạn nứt do ăn mòn do mỏi

Ăn mòn do mỏi là một loại nứt kim loại mỏi do ứng suất lặp lại hoặc dao động trong môi trường ăn mòn Cơ chế của sự ăn mòn mỏi tương tự như nứt ăn mòn ứng suất

2.3 Phương pháp kiểm tra và đánh giá nguyên nhân hư hỏng

2.3.1 Phương pháp kiểm tra đánh giá tổng quan

Sử dụng mắt thường quan sát và các thiết bị đơn giản đo đạc Đánh giá các mức độ gỉ theo bảng phân loại lập từ trước

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ gỉ sắt bằng mắt thường [12]

2.3.2 Phương pháp kiểm tra đánh giá chi tiết

Dùng phương pháp kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm [13]

2.3.2.1 Tổng quan phương pháp kiểm tra bằng siêu âm

Đây là phương pháp nghiên cứu về sự truyền sóng âm thanh trong các vật chất rắn nhằm phát hiện các hư hỏng khuyết tật như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí, các kết cấu không liên tục nằm bên trong vật liệu

Sóng âm gặp các hư hỏng khuyết tật sẽ phản xạ lại máy siêu âm bằng biểu đồ Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo an toàn và không ảnh hưởng đến cấu tạo của kết cấu

Hình 2.9 Dùng máy siêu âm khuyết tật [13]

2.3.2.2 Kiến thức áp dụng

Sóng âm: là sóng cơ truyền trong môi trường thể rắn, lỏng hoặc khí, nó

không truyền được trong môi trường chân không Mỗi môi trường sóng âm truyền với vận tốc khác nhau Khi đến mặt phân cách giữa các môi trường chúng sẽ phản xạ lại hoặc truyền qua một phần

Tần số: là số lần lặp lại của một hiện tượng trên một đơn vị thời gian Để

tính tần số rất đơn giản chỉ cần chọn một khoảng thời gian, đếm số lần xuất hiện của hiện tượng trong khoảng thời gian ấy, Lấy số lần xuất hiện chia cho khoảng thời gian đã chọn Chu kỳ là thời gian giữa hai lần xuất hiện liên tiếp của đỉnh sóng tại một điểm Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số trong khoảng 20Hz đến 20.000Hz, trong khi các âm thanh ứng dụng để kiểm tra hư hỏng và khuyết tật nằm trong khoảng 500 KHz to 10 MHz gọi là siêu âm con người không thể nghe thấy

Vận tốc: Là tốc độ lan truyền âm thanh trong môi trường truyền âm

Bước sóng: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha hay

khoảng cách giữa hai đỉnh sóng, nơi sóng đạt biên độ lớn nhất Công thức liên quan giữa bước sóng, tần số và vận tốc:

c = f ×  (2.1)

Trong đó c là vận tốc (m/s), f là Tần số đơn vị Hertz (Hz),  là Bước sóng (m)

Bước sóng giúp chúng ta kiểm tra được thông tin thu nhận từ sóng

Các dạng truyền sóng

Sóng dọc là sóng trong đó sự dịch chuyển của môi trường truyền sóng cùng hướng hoặc ngược hướng với hướng truyền của sóng Cũng có thể gọi là sóng nén bởi vì chúng nén và độ chân không trong khi di chuyển thông qua một phương tiện, ngoài ra còn gọi là sóng áp lực, bởi vì chúng làm tăng và giảm áp suất

Sóng ngang có hướng vuông góc với phương truyền sóng, nó một phương tiện để truyền qua

Các giới hạn truyền của sóng âm

Vật liệu cứng và đồng nhất khả năng truyền âm sẽ tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trường xác định trước: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán xạ âm

Phản xạ ở mặt phân cách: một phần sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua Phần phản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quan đến âm trở tương đối của hai môi trường Hệ số phản xạ được biểu diễn bằng phần trăm của năng lượng áp suất truyền tới có thể tính bằng công thức:

(2.2)

Trong đó Z1Âm trở của vật liệu thứ nhất, Z2Âm trở của vật liệu thứ hai, RE

Tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ lại giữa hai môi trường

Tất cả năng lượng âm phản xạ từ hư hỏng khuyết tật khác được thể hiện rất rõ trên trên đường truyền sóng âm

Bảng 2.2 Hệ số năng lượng phản xạ sóng âm của một vài môi trường [13]

Bề mặt Năng lượng phản xạ lại môi trường

Năng lượng truyền qua môi trường

Thép carbon – Thép không gỉ

Công thức liên quan giữa góc tới và góc khúc xạ:

Là thiết bị chuyển đổi qua lại giữa các dạng năng lượng nó được chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác

Hình 2.10 Mặt cắt của đầu dò tiếp xúc điển hình [13]

Đầu dò siêu âm thường được chia làm 5 loại như sau:

Đầu dò tiếp xúc trực tiếp: Năng lượng sóng âm truyền vuông góc với bề

mặt, được sử dụng để phát hiện các khuyết tật và đo chiều dày

Hình 2.11 Một đầu dò dạng tiếp xúc điển hình [13]

Hình 2.12 Một đầu dò góc với nêm điển hình [13]

Đầu dò góc bao gồm các miếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy Được dùng để

kiểm tra các mối hàn

Đầu dò trễ là đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa

biến tử và bề mặt kiểm tra để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ở nhiệt độ cao

Hình 2.13 Đầu dò thẳng với nêm trễ [13]

Hình 2.14 Đầu dò nhúng dạng cầm tay với bong bóng nước [13]

Đầu dò nhúng được sử dụng quét tự động và trong các trường hợp chùm tia

cần được hội tụ sắc nét để cải thiện độ phân giải

Hình 2.15 Ví dụ về đầu dò kép sử dụng khi kiểm tra nhiệt độ cao [13]

Đầu dò kép sử dụng biến tử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung, chúng

được sử dụng trong các trường hợp chịu nhiệt độ cao và kiểm tra các bề mặt thô nhám

2.3.2.4 Thiết bị

Dòng EPOCH của hãng Panametrics-NDT có kích thước nhỏ gọn, thích hợp cho ngoài công trình cũng như trong phòng thí nghiệm Chúng tạo ra và hiển thị biểu đồ sóng siêu âm, kết hợp với các phần mềm phân tích để xác định vị trí và phân loại khuyết tật được phát hiện trong chi tiết kiểm tra

Hình 2.16 Thiết bị siêu âm khuyết tật đường hàn EPOCH 650 [13]

Hình 2.17 Thiết bị siêu âm khuyết tật nhỏ gọn EPOCH 6LT [13]

2.3.2.5 Quy trình kiểm tra siêu âm

Phát hiện hư hỏng khuyết tật bằng siêu âm bản chất là việc so sánh Sử dụng các mẫu đối chứng thích hợp cùng với kiến thức về sự truyền sóng âm và các qui trình kiểm tra chặt chẽ đã được phê duyệt, người kiểm tra được huấn luyện nhận dạng hình dạng xung tương ứng từ chi tiết tốt và từ các khuyết tật điển hình Hình dạng xung từ chi tiết kiểm tra sau đó có thể so sánh với dạng xung từ mẫu chuẩn để xác định trạng thái của nó

Kiểm tra bằng chùm tia thẳng góc bằng cách đặt đầu dò tiếp xúc, trễ, hai

biến tử hoặc nhúng để phát hiện các vết nứt hoặc tách lớp song song Nguyên lý cơ bản là năng lượng âm truyền qua một môi trường kim loại sẽ tiếp tục truyền cho đến khi gặp mặt phân cách với vật liệu kim loại khác nó sẽ tán xạ hoặc phản xạ

Kiểm tra bằng đầu dò góc bằng cách đặt đầu dò vuông góc với bề mặt của

chi tiết, hoặc nghiêng so với bề mặt chi tiết thì thường không phát hiện được bằng kỹ thuật dùng chùm tia thẳng góc do hướng của chúng đối với chùm tia

2.4 Các biện pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn

2.4.1 Chọn vật liệu kim loại thích hợp

Mỗi kim loại có tính chất ăn mòn riêng nên cần chọn các loại vật liệu phù hợp với từng môi trường

Thép cacbon thấp

Thép cacbon thấp là hợp kim của sắt chứa một lượng cacbon từ 0,05 ÷ 1% Thép cacbon thấp có giá thành thấp dễ chế tạo Tuy nhiên khuyết điểm chính là không bền nên cần có các giải pháp bảo vệ

Thép này bền trong điều kiện không khí khô ráo, tuy nhiên ở nhiệt độ cao nó sẽ bị ăn mòn Trong điều kiện không khí ẩm thép này dễ bị ăn mòn điện hóa

Thép hợp kim thấp

Thép hợp kim thấp là hợp kim của sắt chứa một lượng nhỏ dưới 2% các nguyên tố Cu, Ni, Cr, P Chúng tạo ra vật liệu có khả năng chống ăn mòn cao

Thép này gọi là thép thời tiết và được dùng rất phổ biến trong xây dựng

2.4.2 Xử lý môi trường để bảo vệ kim loại

Loại trừ các cấu tử ăn mòn

Có nhiều biện pháp tác động vào môi trường để loại trừ các cấu tử ăn mòn thép

Như làm khô không khí bằng các chất hút ẩm để làm giảm độ ẩm, Dùng các chất ức chế bay hơi nhằm loại bỏ các tạp chất gây nên hiện tượng ăn mòn để hạn chế tốc độ ăn mòn trong bề mặt kim loại

Bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn bằng cách sử dụng chất ức chế

Chất ức chế là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn, tuy nhiên cần sử dụng liều lượng đúng tiêu chuẩn cho phép, không gây độc hại cho môi trường

2.4.3 Nâng cao độ bền chống ăn mòn bằng các lớp sơn phủ

Lớp phủ tạo lớp màng ngăn kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn nên bảo vệ được kim loại, có nhiều loại lớp phủ