Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng cầu dầm thép chịu thời tiết ở khu vực phía nam

Mặt khác, việc ứng dụng hiệu quả thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm khí hậu, khoảng cách bờ biển, lượng muối có trong môi trường nơi cầu được sử dụng….từ

Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, thép chịu thời tiết với những ưu điểm vượt bậc so với thép thông thường đã được ứng dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng ở nhiều nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, Anh ….Tuy nhiên ở Việt Nam, thép chịu thời tiết là vật liệu vẫn còn khá mới mẻ và cũng chỉ được áp dụng trong dự án viện trợ không hoàn lại của chính phủ Nhật Bản đối với một số cầu ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ và đồng bằng Sông Cửu Long năm 2001, các tỉnh khu vực miền Trung và Tây Nguyên năm 2002, các tỉnh miền núi phía Bắc năm 2007

Mặt khác, việc ứng dụng hiệu quả thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm khí hậu, khoảng cách bờ biển, lượng muối có trong môi trường nơi cầu được sử dụng….từ đó đưa ra các phương pháp duy tu bảo dưỡng thích hợp sẽ góp phần vào xây dựng các công trình cầu với chi phí bảo dưỡng thấp nhất Do đó, việc nghiên cứu đánh giá hiện trạng cầu thép chịu thời tiết là hết sức cần thiết, mang đến cái nhìn tổng quan hơn về loại vật liệu này cũng như cách ứng xử và phạm vi ứng dụng ở miền Nam nước ta.Đây cũng chính là động lực thôi thúc tác giả tiến hành đề tài này.

Mục đích nghiên cứu

Đánh giá hiện trạng của công trình cầu thép chịu thời tiết dưới tác động của điều kiện môi trường ở miền nam Việt Nam để đưa loại vật liệu này ứng dụng rộng rãi ở nước ta một cách có hiệu quả nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm, chụp ảnh để đánh giá sơ bộ bên ngoài, sử dụng máyđo bề dày lớp gỉ (SANKO SDM-3000),sử dụng máy đo muối (Surface Salinity Meter) để đo lượng muối bám ở các vị trí trên dầm cầu thép chịu thời tiết, các địa điểm được chọn đặc trưng cho vùng khí hậu ở miền Nam đó là Đồng Tháp ở khu vực miền Tây Nam Bộ và Bình Dương ở khu vực miền Đông Nam Bộ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cho đến nay, sau hơn 10 năm khai thác việc đánh giá hiện trạng ứng xử vật liệu của các cầu thép chịu thời tiết trong điều kiện ở miền Nam chưa được thực hiện có hệ thống Do đó, cùng với đề tài thí nghiệm phơi bày, việc nghiên cứu phân tích đánh giá hiện trạng các cầu thép chịu thời tiếtthực tế là hết sức cần thiết, rất có ý nghĩa thực tiễn góp phần làm cơ sở đề xuất hướng sử dụng rộng rãi thép chịu thời tiết ở miền Nam và hơn hết góp phần vào việc xây dựng tiêu chuẩn sử dụng thép chịu thời tiết ở Việt Nam, từ đó mở ra hướng phát triển mới trong chuyên ngành cầu ở nước ta.

TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

Giới thiệu chung

Sắt, thép là kim loại rất dễ bị gỉ Từ các đồ vật bằng sắt, thép bày trong viện bảo tàng đến các vật dụng như dao thái rau…đều bị gỉ theo thời gian Hàng năm, trên toàn thế giới có đến hàng triệu tấn thép biến thành sắt gỉ do quá trình ăn mòn [1] Cũng như vậy trong các nguyên nhân chính gây hư hỏng,làm giảm tuổi thọ cầu có một nguyên nhân liên quan tới các điều kiện môi trường hay nói cách khác đó là gỉ sắt

Gỉ là các sản phẩm của quá trình ăn mòn hình thành do nhiều nhân tố: như các muối hòa tan trong nước, bề mặt trên các sản phẩm bằng sắt không sạch, độ thô ráp, thành phần cacbon trong thép v.v…có cơ chế chung là phản ứng của thép với hơi nước, oxy và tạp chất khác trong không khí Các hình thái ăn mòn của thép [1] [2]

Biểu đồ 1.1: Sơ đồ các hình thái ăn mòn

- Ăn mòn khô: hình thành do phản ứng của sắt với các chất khác trong môi trường ở điều kiện nhiệt độ cao

- Ăn mòn ướt: là quá trình được hình thành do phản ứng điện hóa của sắt với nước và oxy có trong môi trường ở nhiệt độ bình thường Đây là quá trình ăn mòn chủ yếu

 Ăn mòn tổng thể (ăn mòn đều): Dạng ăn mòn này rất phổ biến với những đặc điểm sau: tốc độ ăn mòn mọi chỗ trên bề mặt gần như đều nhau Tốc độ ăn mòn dạng này thường chậm nên ở giai đoạn đầu ít gây tổn hại đến kết cấu

 Ăn mòn cục bộ: Dạng ăn mòn này xảy ra tại một số phần diện tích bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn Hiện tượng này rất phổ biến và rất đa dạng, có thể chia thành các loại sau:

 Ăn mòn do tiếp xúc: Khi có 2 kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau hoặc hợp kim có thành phần khác khác nhau tiếp xúc với môi trường chất điện li sinh ra hiện tượng ăn mòn tiếp xúc Quá trình ăn mòn diễn ra như là sự hoạt động của một pin điện khép kín mạch Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào hiệu số điện thế ăn mòn của 2 kim loại trong dung dịch chất điện li, điện trở của dung dịch điện li, pH, nhiệt độ môi trường

 Ăn mòn khe: Tại những khe giữa các mặt bích có lớp đệm của các chỗ nối 2 tấm kim loại, hoặc các vị trí đinh tán, bu lông có thể sinh ra ăn mòn cục bộ

 Ăn mòn lỗ (ăn mòn điểm): là một dạng ăn mòn tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ, độ sâu lỗ có thể lớn hơn đường kính của nó Dạng ăn mòn này xảy ra trên các kim loại, hợp kim có màng thụ động hoặc có lớp phủ bảo vệ bị xuyên thủng

Phản ứng ăn mòn sinh ra từ môi trường có nước và oxi hiện diện Trong bầu khí quyển thì oxi được cung cấp, nước có được do mưa hoặc do quá trình ngưng tụ ẩm

Tiếp xúc trực tiếp với sắt thép sẽ dẫn đến quá trình ăn mòn Tốc độ, mức độ và phạm vi ăn mòn phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, muối trong không khí (từ biển), khí thải phương tiện giao thông và nhà máy công nghiệp Khu vực ven biển là nơi có mức độ ăn mòn nghiêm trọng nhất do lượng muối từ biển bám trên bề mặt kim loại, thúc đẩy phản ứng ăn mòn.

Hình 1.1: Quá trình ăn mòn bề mặt thép

Gỉ sắt vừa xốp, vừa mềm giống như bọt biển nên sẽ dễ dàng hấp thụ nước và nhanh chóng bị rã nát Gỉ thép trong quá trình bảo quản, gia công lắp dựng trước khi sử dụng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng công trình xây dựng Vì gỉ thép không những làm suy giảm lực liên kết giữa thép với lớp bảo vệ bên ngoài làmmất khả năng bảo vệ của các lớp phủ mà hơn nữa nó còn là nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn, sớm phá hủy kết cấu đặc biệt là đối với công trình xây dựng vùng biển

Người ta đã nghĩ ra nhiều biện pháp để chống sắt thép bị gỉ như phương pháp cơ học, điện hóa, hóa học, thay đổi môi trường Phương pháp thông dụng nhất là khoác cho các đồ vật bằng sắt thép một bộ “áo khoác” Và sơn và mạ là các biện pháp đơn giản để chống gỉ sắt Bên cạnh đó có một biện pháp triệt để nhất để chống sắt gỉ là sử dụng chất biến đổi gỉ là giải pháp có nhiều ưu điểm hơn cả Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam bước đầu cho thấy sử dụng chất biến đổi gỉ xử lý gỉ thép an toàn, đảm bảo khả năng chống ăn mòn, không độc hại, dễ sử dụng và chi phí thấp Ở các nước công nghiệp, nhiều cầu thép đã được xây dựng bằng những công nghệ cao liên quan đến các phương pháp xây dựng mới, vật liệu thép mới và phương pháp quản lý mới Và thép chịu thời tiết được biết đến là vật liệu chịu được ăn mòn trong một số điều kiện môi trường nhất định mà không cần sơn bảo vệ trong thời gian khai thác

Biểu đồ 1.2: Các phương pháp bảo vệ ăn mòn cầu thép

Như vậy có thể thấy việc sử dụng vật liệu thép chịu thời tiết trong ngành xây dựng là một trong các biện pháp bảo vệ ăn mòn

Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa hàm lượng cacbon dưới 0,2% vàmột hàm lượng nhỏ khoảng2%các nguyên tố chống ăn mòn như đồng (Cu), niken (Ni), crom (Cr), Mangan (Mn), Silic (Si) và Photpho (P) [3]

Biểu đồ 1.3: Các thành phần thép chịu thời tiết [3]

Trong thời gian khai thác cấu kiện thép sẽ có một lớp gỉ mỏng bám dính tốt trên bề mặt thép xuất hiện dần dần, lớp gỉ này sẽ có tác dụng kháng ăn mòn, ngăn chặn sự tiến triển tiếp theo vào sâu hơn của quá trình gỉ và được gọi là lớp gỉ bảo vệ Vì vậy, các cầu thép làm bằng loại thép chịu thời tiết có ưu điểm vượt trội là hạn chế ăn mòn

Biểu đồ 1.4: So sánh lượng ăn mòn của thép thường với thép chịu thời tiết [4]

Do vậy, tỷ lệ sử dụng thép thời tiết trong cầu thép ở Nhật Bản đã tăng lên nhanh chóng, khoảng gấp ba lần trong 10 năm qua, và bây giờ vượt quá 15% Các nền tảng để gia tăng đáng kể này bao gồm [5]:

Nghiên cứu trên thế giới về cầu thép chịu thời tiết

Sự ra đời của thép chịu thời tiết xuất phát từ sự phát triển của thép có chứa đồng gọi là thép đồng [3] Năm 1910, Buck nhận thấy rằng khi cho thép tấm với 0,07% Cu do US Steel sản xuất tiếp xúc với môi trường ăn mòn khí quyển thì có khả năng kháng ăn mòn cao hơn 1,5-2% so với thép cacbon thông thường Năm 1911, US Steel bắt đầu sản xuất thép tấm có chứa một lượng đồng nhất định Vào những năm 1920, US Steel nghiên cứu phát triển một loại thép có khả năng kháng ăn mòn thời tiết mới là thép hợp kim thấp cường độ cao HSLA, loại thép này chủ yếu dành cho ngành công nghiệp đường sắt Năm 1933, US Steel ra mắt sản phẩm thép chịu thời tiết đầu tiên có tên gọi USS Cor-ten có 2 loại:

 Thép USS Cor-ten A: chứa hàm lượng photpho 0,07-0,15%

 Thép USS Cor-ten B: chứa hàm lượng photpho ≤ 0,04%

Thép chịu thời tiết ban đầu được chuẩn hóa vào năm 1941 với tiêu chuẩn ASTM A-242, tương ứng với thép USS Cor-Ten A Thép này có khả năng chống ăn mòn cao trong khí quyển nhờ thành phần chứa đồng và lượng photpho cao (0,50-0,65% niken) Tuy nhiên, hàm lượng photpho cao có thể dẫn đến sự hình thành photpho sắt (FeP3) trong quá trình hàn, làm giảm khả năng hàn và gây giòn cho thép.

Năm 1968, tiêu chuẩn ASTM A-242 đã đưa ra hai thông số kỹ thuật, một là hàm lượng phốt pho