NgLuận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng

Kết quả nghiên cứu bước đầu trong một năm tại các khu vực ven biển thuộc 3 vùng khí hậu đặc trưng trên cả nước đã thu được kết quả tích cực,thép chịu thời tiết thông thường được xem là c

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHI MINHTRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN HOANG HUY

NGHIEN CUU KHA NANG UNG DUNG THEP CHIU

THOI TIET TRONG XAY DUNG CAU O KHU VUC

DA NANG VA HAI PHONG

Chuyén nganh: XAY DUNG CAU HAM

Ma nganh: 60 58 25

LUAN VAN THAC SI

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2013

Công trình được hoàn thành tai: Trường Dai học Bách Khoa - DHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

5 TS Tran Văn Miễn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ và tên học viên: NGUYEN HOANG HUY MSHV: 11380342

Ngày, tháng, năm sinh: 30-07-1987 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm Mã số: 60 58 25I TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU THỜITIẾT TRONG XÂY DỰNG CÂU Ở KHU VUC ĐÀ NẴNG VA HAI PHÒNG

Il NHIỆM VỤ VA NỘI DUNG: Luận văn gồm các nội dung sau:Phần mở đâu

Chương 1: Tổng quan về thép chịu thời tiết.Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết cầu thép chịu thời tiết.Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm câu thép chịu thời tiết.Chương 4: Kết quả thí nghiệm, đánh giá

Chương 5: Kết luận, kiến nghị.II NGÀY GIAO NHIEM VU: 21-01-2013IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 21-06-2013Vv CÁN BO HƯỚNG DAN: TS DANG DANG TUNG

Tp HCM, ngay thang nam 2013

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

TS BANG DANG TUNG TS LE BA KHANH

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

LOI CAM ON

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm on chân thành nhất đến Tiến sĩ Đặng Dang Tung,

người đã tận tình chỉ dẫn và có những góp ý vô cùng quý báo giúp tôi hoàn thànhnghiên cứu này.

Xin chân thành cam ơn anh Huynh Quang Chỉnh và các thành viên cùng tôi

tham gia trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thờitiết trong điều kiện Việt Nam do Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng chủ trì, đã nhiệt tình giúpđỡ, đóng góp ý kiến và cung cấp các thông tin bố sung, các số liệu hữu ích giúp tôihoàn thành luận văn một cách day đủ nhất

Xin gửi lời cảm ơn đến cô Lê Thị Bích Thủy, thay Trần Văn Miễn đã có

những đóng gop tích cực khi phản biện luận văn của t61.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu săc đến gia đình tôi, cha mẹ và vợ tôi,những người ở phía sau luôn giúp đỡ tôi về mọi mặt, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn

thành luận văn này.

-ii-ABSTRACTWeathering steels with the outstanding advantages which have been studied,applied in developing countries However, the study and application of weatheringsteels in the construction of bridges in Vietnam is still limited The researchpresented in this thesis 1s experimental research, it is based on data measured andcollected by exposure tests Then the data will be analyzed and calculated based onthe appropriate model for evaluation and prediction of corrosion loss Initial resultsof a year in the coastal regions of 3 climate zones in Vietnam have obtainedsatisfactory results, conventional weathering steels are generally considered to beapplied in all test sites with the available for limited airbone salinity However,additional research results of the next stage are needed to be able to accuratelyevaluate the application of weathering steels, which proposed scope of applicationof this steel in bridge construction in Vietnam.

ili

-TOM TAT

Thép chịu thời tiết với những ưu điểm vượt trội đã và dang được nghiên cứu,ứng dụng ở các nước phát triển Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng loại thépchịu thời tiết trong xây dựng cầu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế Nghiên cứu đượctrình bảy trong nội dung luận văn này là nghiên cứu thực nghiệm dựa trên các số

liệu hiện trường đo đạc và thu thập thông qua các thí nghiệm phơi bày Sau đó các

số liệu sẽ được phân tích và tính toán dựa trên mô hình đánh giá và dự đoán mat

mát ăn mòn thích hop Kết quả nghiên cứu bước đầu trong một năm tại các khu vực

ven biển thuộc 3 vùng khí hậu đặc trưng trên cả nước đã thu được kết quả tích cực,thép chịu thời tiết thông thường được xem là có thé ứng dụng trong tat cả các nơiđược thử nghiệm với nồng độ muối không khí trong giới hạn cho phép Tuy vậy,cần có thêm những kết quả nghiên cứu của các giai đoạn kế tiếp để có thể đánh giáchính xác khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết, từ đó dé xuất phạm vi ứngdụng của loại thép nay trong xây dựng cau ở nước ta

-ÏV-MỤC LỤC

LOT CẢM ƠN TH H111 11111 011 12 Hn HH tt ng iTOM TẮTT (1c 1 11 TỰ 21110111 11111121 E1 nh 11 tri ii

ABSTRACT - c1 E1 11111 HH HH HH HH1 n1 11tr iiiMUC LUC 2 iv

DANH MỤC CAC BANG BIEBU 0 ccccccccccccescseseseeceecsesescesececvevevecevsvstesesneveneeen viiDANH MỤC CÁC BIEU ĐÒ 1 S122 211111525112 1x ty HH re viiiDANH MỤC CAC HÌNH ẢNH - - ST T111 11 1111551555111 0155k Hs HH Hiên xCHUONG MO DAU TINH CAP THIET VA MUC TIEU NGHIEN CUUCUA DE TAL . S1 1 1 11111 1 1112111112111 1811 t1 111111 1H HH sa |1 Tính cấp thiết của dé tài - - - c1 1112111 E15E11811111111 11111111118 1E rra |

2 Mục đích nghiÊn CỨU - c7 2200222102 222211 2111 1211111111151 1111111 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên CỨU - + k2 k x SE SE EEEE E111 E1 ke preh 2

A Phương pháp nghiÊn CỨU . c5 2-2 2 2 2222221231221 312581515111111111 11111111 Ek 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tải - 5 sTnn SE SE ng gen 3CHUONG 1 TONG QUAN VE THÉP CHIU THỜI TIẾT - 25: sssz s52 41.1 VAT LIEU THÉP CHIU THOT TIẾT 2 22s E3 383 EEEEEESESEEEEEErxrrrrrssed 41.1.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiẾt 25c Sc St sxczrssret 41.1.2 Pham vi ứng dụng của thép chịu thời tiẾt eee c2 EEEEEErrxzkerree 81.1.3 Lich sử phat triển của thép chịu thời tiẾt - ¿c2 S3 xSESEEEcEEEErxzkerree, 81.1.4 Lợi ích của thép chịu thời tiẾt - cceccceecscseeceseseseseeseseseseveeeenseeseeen 10

1.2 MỘT SO NGHIÊN CUU ĐÁNH GIÁ AN MON CUA CÂU THÉP CHIU

THỜI TIẾT TRONG CAC DIEU KIỆN MOI TRƯỜNG KHÁC NHAU1.2.1 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết 121.2.2 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình sử dụng thép chịu thời tiết gần khu công

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LY THUYET CÂU THÉP CHIU THỜI TIẾT 25

2.1 BAN CHAT THÉP CHIU THOT TIẾT 22 St S23 SE EvEEESEESEEEEESErErersrsree 252.1.1 Vật liệu thép chịu thời tiẾt 2-11 3E SE 11111111 1 1E 181111 Hưn 252.1.2 Thời gian ổn định lớp gỉ - ¿1t 1S EEE 11215111111 1E1E1E1111111 1111111 te 26

2.1.3 Hình thái của lớp gỉ bảo VỆ c2 C22 S2 nn SH n HH H TH HH nh nghe 27

2.2 CÁC CHÚ Y DOI VỚI CÂU THÉP CHIU THỜI TIẾT eee 292.3 PHƯƠNG TRINH DU BAO AN MÒN - Q0 ng ren 30

2.3.1 Phương trình cơ bản - c ccc c2 222221222 22121 5 111218111111 11111111 ky 30

2.3.2 Hệ số A và số mũ B - 2S 1151215 11211211210 E118 1E g1 t tr 312.4 MỨC DO ANH HUONG CÁC THAM SO MOI TRƯỜNG CHO VIỆCSỬ DỤNG THÉP CHIU THỜI TIẾT TRUYEN THÓNG Sc c2 322.4.1 Nông độ muối trong không khí S2 SE Sv SE E151 1EE112111 11111 Er th 322.4.2 Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển 342.4.3.Thời gian ngưng tụ âm và nhiệt độ - - 1 tt Sv SE SE 211 E1 1E ket 352.4.4 Nông độ SO, trong không khí :- St S31 SE EE3EEEEEEE S211 kEE tre 362.5 ĐẶC DIEM KHÍ HẬU VIỆT NAM 1 n2 22 21 Hư 382.6 NHAN XET 1 ằ ằằ ‹‹: 41

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÂU THÉP CHỊU THỜI

TUE ooo cecccccccccccecceeceececsecevecscsvevsssecscevevevsveevsvsssseusessvevevevevsvevsasevssesevevevevevsneeees 423.1 NGUYEN TAC CHON CAU DE TIEN HANH KHẢO SÁT 423.2 PHƯƠNG PHAP LAP ĐẶT THÍ NGHIEM | ccc 5c 453.3 THU THẬP VA XỬ LY SO LIEU THÍ NGHIEM | ccccceceeeeeeeee 493.3.1 Các số liệu nhiệt độ, độ âm L1 S11 TS E111 1E 21 tre ng 493.3.2 Tạp chat trong không khí St S E3 E3 SE 111111111111 1151111111151 teĐ 493.3.3 Nông độ muối trong không khí ¿+ SE SE SE1151521EE512151 1111 Er re 523.3.4 Các số liệu bé dày lớp gi mẫu thép - ¿2 1x31 E1 EEEEE SE ket 543.4 NHAN XET 0 ăằ l3 54CHUONG 4 KET QUA THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIA cScc sex: 554.1 KET QUA THÍ NGHIEM VE MOI TRƯỜNG, ĐÁNH GIÁ 55

-vi-4.1.1 Nhiệt độ và độ âm L2 TS 1 111 1211112181 1kg ng ng 554.1.2 Kết quả phân tích mật độ mudi va SO, trong không khí 5: 674.2 KET QUA ĐO DAC VÀ ĐÁNH GIÁ MAT MAT AN MÒN 724.3 DỰ BAO AN MÒN TT nh HH HH HH HH HH HH tr rye 784.4 MỘT SO KET QUA TONG HỢP BUOC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠI 3VUNG DOI VỚI MAU THÉP CHIU THỜI TIẾT TRUYEN THONG JIS

SMA400 (SAMPLE 3) ccccececcecceccsccscsscesessesesevssvsesssetsevsnsssentesstsssvsesseteesesess 85

CHUONG 5 KET LUẬN, KIÊN NGHUIL oo ccccccccccccccccceceeccescseseeeseesesnsvseevsees 905.1 KET LUAN 2ooocccccccccccccccscscsescececcscscscececucvavevsvecececsevsscaseceavsvsvevevavetisesnevevsven 905.2 KIÊN NGHỊ, - n1 11111 151511155112111 1151 11x15 E 1E HH ưu 9]

5.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI - 55: SE EEEEEEEEEEckerrrke 91

TÀI LIEU THAM KHẢO - c2 2S SE E5E515355 1115155515 E5 TT EE treo 92

PHU LỤC 55 2S 221 22211211211221211 1122 11222 n1 HH 2n gen 96

Vil

-DANH MUC CAC BANG BIEU

Bang 1.1 Ma trận thử nghiệm ăn mòn theo chu ky

Bảng 1.2 Các thành phần hóa chất của thépBảng 1.3 Các điều kiện của môi trường xung quanh thí nghiệmBảng 2.1 Thành phân hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết

Bảng 2.2 Phân loại môi trường ăn mònBảng 2.3 Ăn mòn cho phép

Bảng 2.4 Phân nhóm thời gian ngưng tụ âmBảng 3.1: Danh sách các cầu được chọn lắp đặt mẫu thép và thiết bị đo môi trường

Bảng 4.4 Kết quả phân tích mật độ muối và SO,Bảng 4.5 Tổng hợp các kết quả phân tích muối và SO,

trên hệ toa độ logarit.

Biéu đồ 1.4 Biéu đô thé hiện sự khác biệt trọng lượng của thép chịu thời tiết trong

môi trường công nghiệp, với hệ trục logarit

Biểu đồ 1.5 Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon ứng với sựgia tăng chu kỳ âm ướt/khô của nồng độ SO,

Biểu đồ 2.1 Tính chat kép của lớp giBiểu đồ 2.2 Mối quan hệ giữa hệ số A và số mũ B ở phương trình 2.1 của thép JIS-

Biểu đồ 2.5.Kết quả mat mát ăn mòn ước lượng của thép chịu thời tiết kháng ăn

mon cao thêm Niken sau 100 năm

Biểu đồ 2.6 Sự biển đối của tốc độ ăn mòn khí quyền đối với thép chịu thời tiếttruyền thống với hàm lượng SO, trong khí quyển

Biểu đồ 3.1 Mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển với lượng muối thối đếnBiểu đồ 4.1 Nhiệt độ và độ am tại cau F

Biểu đồ 4.2 Nhiệt độ và độ am tại cau GBiểu đồ 4.3 Nhiệt độ và độ âm tại cầu HBiểu đồ 4.4 Nhiệt độ và độ am tại cau |Biểu đồ 4.5 Nhiệt độ va độ am tại cầu JBiéu đồ 4.6 Nhiệt độ và độ âm tại cầu K

-ÏX-Biểu đồ 4.7 Biến đổi nhiệt độ trong một ngày tiêu biểu

Biểu đô 4.8 Diễn biên lượng mudi biến thối đến qua các lân đo

Biêu đồ 4.9 Quan hệ giữa lượng muôi thôi đên và khoảng cách bờ biên

Biểu đồ 4.10.Biểu đồ 4.11.Biểu đồ 4.12.Biểu đồ 4.13.Biểu đồ 4.14.Biểu đồ 4.15.Biểu đồ 4.16.Biểu đồ 4.17.Biểu đồ 4.18.Biểu đồ 4.19.Biểu đồ 4.20.Biểu đồ 4.21.Biểu đồ 4.22.Biểu đồ 4.23.Biểu đồ 4.24.Biểu đồ 4.25.Biểu đồ 4.26.Biểu đồ 4.27.Biểu đồ 4.28.Biểu đồ 4.29.Biểu đồ 4.30.Biểu đồ 4.31.Biểu đồ 4.32.Biểu đồ 4.33

Mắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu GMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu GMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu FMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu FMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu HMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu HMat mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cau IMat mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu IMat mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cau JMat mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cau JMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu KMắt mát ăn mòn các mẫu thép mặt đưới ở cầu KMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 1 các vị trí cầu ở Đà NẵngMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 2 các vị trí cầu ở Đà NẵngMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 3 các vị trí cầu ở Đà NẵngMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vị trí cầu ở Đà NẵngMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vị trí cầu ở Đà NẵngMắt mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 6 các vị trí cầu ở Đà NẵngMat mát ăn mòn dự báo tinh cho mẫu thép 1 các vị trí cầu Hải PhòngMat mát ăn mòn dự báo tinh cho mẫu thép 2 các vị trí cầu Hải PhòngMat mát ăn mòn dự báo tinh cho mẫu thép 3 các vị trí cầu Hải PhòngMất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vi tri cầu Hải PhòngMất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vi tri cau Hai PhongMat mat ăn mon dự báo tính cho mau thép 6 các vi tri cầu Hải PhòngBiểu đồ 4.34 Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và nồng độ muối trong

không khí

Biểu đồ 4.35 Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển va mat mát ăn mònBiểu đồ 4.36 Mối tương quan giữa thời gian âm ướt và mat mát ăn mònBiểu đồ 4.37 Mối tương quan giữa lượng muối trong không khí và mat mát ăn mònBiểu đồ 4.38 Môi tương quan giữa mat mát ăn mòn và khoảng cách bờ biển

(Bottom)

Biểu đồ 4.39 Mối tương quan giữa mat mát ăn mòn và hàm lượng muối không khí

(Bottom)

Hình 1.6 Cau cạn Piave, Italy được giảm nhẹ sau khi xây dựngHình 1.7 Cau New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.8 Câu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ

Hình 1.9 Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) —Pont Lenine in Ales (1979) — Pháp

Hình 1.10 Cau Rạch Rớ - tinh Bình DươngHình 1.11 Kiểm tra đánh giá UTG (trái) và phép đo UTG với mẫu (phải)Hình 1.12 Bé mặt mẫu thép "cũ" và "mới" trước khi tây

Hình 2.1 Bản đồ các vùng khí hậu Việt Nam.Hình 3.1 Vị trí các cầu lắp đặt thí nghiệmHình 3.2 Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở Đà Nẵng.Hình 3.3 Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hải PhòngHình 3.4 Bản đô vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hồ Chí Minh

Hình 3.5 Mẫu thép kích thước 50x50x2 mm dùng trong thí nghiệm

Hình 3.6 Giá đỡ mẫu thép thí nghiệm và thiết bị đo đạc thông số môi trườngHình 3.7 Thiết bị đo đạc nhiệt độ và độ âm

Hình 3.8 Công tác làm sạch bề mặt dầm cầuHình 3.9 Các mẫu thép và thiết bị thí nghiệm sau khi được lắp đặtHình 3.10 Lap nhiệt kế và độ âm kế

Hình 3.11 Thiết bị đo mật độ muối và tạp chất trong không khíHình 3.12 Dụng cụ hình chong dùng dé ngăn chim đậu trên mẫu thépHình 3.13 Lap đặt thí nghiệm theo sơ đồ 1

Hình 3.14 Lap đặt thí nghiệm theo sơ đồ 2

XI

-Hình 3.15 Số liệu nhiệt độ và độ âm hiển thị ở chương trình đọc dữ liệu đoHình 3.16 Ông hình trụ dán màng chứa chất thử PbO;

Hình 3.17 Kích thước mẫu khung vải mỏng thu thập mật độ muối

Hình 3.18 Máy đo độ dày lớp gỉ hiện trường

Hình 4.1 Các mẫu thép được đo mat mát ăn mònHình 4.2 Đánh số các mẫu thép được đo mat mát ăn mònHình 4.3 Hình ảnh mẫu thép phía trên bầu dầm Câu IHình 4.4 Hình ảnh mẫu thép bên dưới bau dam Cầu IHình 4.5 Hình ảnh mẫu thép bên dưới bau dam Cau I bị nước đọng bên dưới

-]-CHƯƠNG MỞ ĐẦUTÍNH CAP THIET VÀ MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU

CUA DE TÀI

m

1 TÍNH CAP THIET CUA DE TÀITrong những năm gan đây, hang loạt các dự án lớn như đường cao tốc,đường vành đai, đường tránh được triển khai xây dựng trên khắp cả nước Vì thếnhu câu về giao thông khác mức, cụ thé là cầu vượt đang được áp dụng ở nhiêu tinhthành Cụ thé là ở hai đô thị lớn nhất nước là thủ đô Hà Nội va Thanh phố Hồ ChíMinh, để giải quyết van dé ket xe, ùn tac giao thông ở hai đô thị lớn này, hàng loạtcầu vượt băng thép với nhiều ưu điểm vượt trội đã và đang được xây dựng, bướcđầu mang lại kết quả khả quan Từ đó nhu cau sử dụng cau thép trong nước tăng lênđáng kể

Tuy nhiên việc tỉ trọng sử dụng câu thép ở nước ta hiện nay so với cầu bêtông van còn rất khiêm tốn, do giá thành xây dựng và chi phí bảo dưỡng cau thépcòn cao hơn nhiều so với cầu bê tông cốt thép

Vì vậy những nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng câu thép áp dụng vào cácvùng miền có điều kiện khí hậu — địa lý — môi trường đặc biệt như các tỉnh duyênhải, những nơi có lượng mưa nhiều, những miền có độ âm cao, những vùng ngậpmặn, các khu công nghiệp còn rất ít và hạn chế

Trong tương lai theo xu thé chung, việc xây dựng cau không chỉ đáp ứng vềyếu tỐ giao thông mà yếu tố thân thiện với môi trường và mỹ quan cũng là van dékhông kém phan quan trọng Bên cạnh đó yêu cầu chọn phương án cau với chi phíbao dưỡng thấp nhất, bảo dưỡng ít nhất, đảm bảo tuổi thọ cao được quan tâm hangdau

Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, dé đáp ứng được các yếu tô kểtrên cầu thép làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết luôn là một sự lựa chọn trongnhững ưu tiên hàng đầu Những ưu điểm vượt trội của cau thép chịu thời tiết là làmgiá thành chi phí vòng đời cho câu thấp, góp phan tối thiểu công bao trì va bảo vệ

môi trường.

_2-Việc nghiên cứu và ứng dụng loại thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cauở nước ta hiện nay còn hạn chế, do đó một nghiên cứu dé đánh giá khả năng ứngdụng của thép nay trong xây dựng câu ở các vùng miễn đặc trưng nói riêng ở nướcta là thực sự cần thiết va cấp bách

2 MỤC DICH NGHIÊN CỨU

Đề tài năm trong chương trình nghiên cứu 5 năm vé khả năng sử dụng thépchịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam do TS Đặng Đăng Tùng chủ trì Kế thừa từnhững kết quả trong các luận văn thạc sĩ : “Phân tích khả năng ứng dụng của thépchịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực Thanh phố H6 Chí Minh — Phan Thiết”của tác giả Hồ Trung Thông [1] và “Phân tích ảnh hưởng tương quan của các yếu tổmôi trường đến khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết khu vực Thành phố HỗChi Minh — Phan Thiết” của tác giả Huỳnh Quang Chỉnh [2] kết hợp với kết quả thí

nghiệm hiện trường thu thập được sau một năm ở khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng,

dé tai sẽ trình bày mối tương quan của các yếu t6 môi trường (nông độ muối trongkhông khí, nông độ SOx, nhiệt độ, độ âm, cự li khoảng cách bờ biến ) đến tínhkháng gi của thép chịu thời tiết từ đó đưa ra khả năng ứng dung của thép chịu thờitiết, từ đó đề xuất phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng câu

3 ĐÓI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của dé tài là các loại thép chịu thời tiết dùng cho kếtcau thượng tang (dầm, giàn) của cầu bắc qua sông, suối Các mẫu thép được sửdụng bao gồm thép thường, thép chịu thời tiết truyền thống, thép chịu thời tiết mớivới hàm lượng Niken cao, thích hợp cho môi trường ven biển với nồng độ muốitrong không khí lớn Các loại thép này đã được sử dụng rất rộng rãi ở các nước pháttriển như Mỹ, Nhật

Trong phạm vi một dé tài luận văn Thạc sĩ, dé tài nham mục đích xây dựngtong quan nên tang và đánh giá hiện tượng, khuynh hướng ứng xử đối với thép chịuthời tiết làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn Phạm vi nghiên cứu của đề tài là

thí nghiệm phơi bày tại khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng

4, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUNội dung nghiên cứu của dé tai được giải quyết thông qua một số phương

pháp chính sau:

Nẵng và Hải Phòng.

5 _ Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THUC TIEN CUA DE TÀIThép chịu thời tiết với đặc tính là tự tạo nên lớp gỉ bảo vệ để bảo vệ lớp gỉbên trong, quá trình này sẽ diễn ra khác nhau tùy thuộc vào điều kiện khí hậu vàmôi trường Đặc biệt trong xây dựng công trình giao thông, ở các nước phát triểnđã thành công trong việc ứng dụng thép chịu thời tiết, giảm chỉ phí duy tu bảodưỡng Tuy nhiên Việt Nam là một nước nhiệt đới, với 3 vùng miễn khí hậu khácnhau [3], có trục đường giao thông quan trọng dọc bờ biển dài, vùng có nồng độmuối nhiều, độ âm cao thì có thể sử dụng thép chịu thời tiết được hay không Do đóviệc hiểu về đặc tính của thép chịu thời tiết, sử dụng thép chịu thời tiết trong môitrường thích hợp sẽ góp phan vào xây dựng các công trình cau với chi phí bảodưỡng thấp nhát

Việc ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rat lớn vào đặcđiểm môi trường, khí hậu , do đó một nghiên cứu, đánh giá mang tính tổng quanvề khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu ở Việt Nam là rất cầnthiết

-4-CHƯƠNG 1

TONG QUAN VE THÉP CHIU THỜI TIẾT

mm 1.1 VAT LIEU THÉP CHIU THỜI TIẾT

1.1.1 Dinh nghĩa va đặc điểm của thép chịu thời tiếtThép chịu thời tiết (tiếng anh: weathering steels / weather resistant steels),hay để đưa tên kỹ thuật của nó là " thép dùng trong kết câu với khả năng chống ăn

An

mòn trong không khí được cải thiện", là cái tên để đưa ra một phạm vi về thép hợpkim thấp cường độ cao, khi dùng chúng trong điều kiện phù hợp, có thé được phơibày ngoài hiện trường mà không can phải sơn Khi được sử dụng hop lý, thép chịuthời tiết không có sơn có thể tăng cường tính chống gỉ so với thép cacbon hoặccacbon/mangan thường trong kết câu mà không có sơn

Tất cả thép trong kết cấu bị ei ở một tốc độ nào đó phụ thuộc vào sự xâmnhập của hơi âm và oxy vào trong kim loại sat Khi quá trình xâm nhập nay cứ tiếptục diễn ra, một lớp oxit gi sẽ trở thành một rao can hạn chế sự xâm nhập khác củahơi âm và oxy tới kim loại, và tốc độ ăn mòn này sẽ giảm xuống Nếu như lớp ginày ngăn không cho thắm nước một cách thích đáng và dính bám một cách chặt chẽthi tốc độ xâm nhập có thé giảm bớt xuống gan như tới zero

Trong trường hợp dùng thép chịu thời tiết, điều kiện ổn định nay có thé datđược tới một vài năm tùy thuộc vào điều kiện môi trường, và kim loại sau đó đượcbảo vệ từ sự ăn mòn trong tương lai bằng các rào cản là lớp gỉ Giả định răng khôngcó sự thay đối đáng kể nao trong môi trường va với sự kiểm tra thường xuyên tuổithọ một cây cầu dùng thép chịu thời tiết, thì điều kiện 6n định có thé xác định được

Sat và thép cả hai đều gỉ khi có sự có mặt của không khí và nước, kết quả làsản phẩm của sự ăn mòn, gi và sat oxi Thép không chịu thời tiết (Non-weather-resisting steel) có một lớp oxit tương đối xốp mà có thể giữ âm và thúc day sự ănmon hơn nữa Sau một thời gian nhất định (phụ thuộc vao điều kiện), lớp gỉ này sẽtách khỏi bề mặt kim loại, làm bề mặt kim loại bị phơi bay ra va gây hư hại nhiềuhơn nữa Do đó, tốc độ gỉ phát triển như một loạt các đường cong và được xấp xỉ

Biểu đồ mat mat Thép Các bon / Các bon- Mangan

do gí theo chu kỳ 7 không được bảo vệ chống gỉ

=) ⁄S

Thời gian

Biểu đồ 1.1 So sánh giữa mat mát ăn mòn thép chịu thời tiết và thép carbon thông

thường

Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ được bắt đầu theo cùng một khuynh

hướng như các loại thép cacbon thông thường Khi phơi bày ngoài môi trường, gỉ sẽ

hình thành trong giai đoạn đầu với các đặc điểm và tốc độ tương tự như thép cacbonthông thường, nhưng các thành phan hợp kim đặc biệt trong thép tạo nên một lớp giồn định, bám chặt vào kim loại cơ bản và ít xốp Lớp gỉ “đồng” này phát triển dudiđiều kiện âm và khô xen kẻ nhau và tạo nên một lớp oxit chống gỉ, ngăn chặn sựthâm nhập của oxy va hơi âm

Giới hạn chảy cao của thép chịu thời tiết cho phép giảm giá thành nhờ khảnăng có thé thiết kế mặt cat kết cấu mảnh hơn Những loại thép nay được thiết kế,chủ yếu cho những ứng dụng không sơn, giảm chi phí bảo dưỡng

Hình 1.1: Cau thép chịu thời tiết Serninggerbaach Valley ở LuxebourgThép chịu thời tiết ban đầu có màu nâu cam sáng, khi bé mặt kim loại bị thôithì thép bắt đầu bị ôxy hóa Trong suốt quá trình thi công thì màu thép dân dânchuyên sang đen, mặc dù màu sắc có thé không hoan toàn đều trong giai đoạn này.Trong một hoặc hai năm sau khi hoan thành, bề mặt trở thành màu nâu sam, thỉnhthoảng màu tím nhẹ mà thường phân bố déu Màu sắc đúng của thép chịu thời tiếttùy thuộc tới mức độ tác động nào đó của môi trường Hình 1.2 Thể hiện sự thay

đôi màu săc của một câu cụ thê trong suôt quá trình xây dựng.

Hình 1.2: Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland

(1) Và (2) Trong quá trình xây dựng (3) Bề mặt sau 1 năm xây dựng

Hình 1.3: Cầu thép chiu thời tiết trên đường xe lửa, Đan Mạch

_

Hình 1.6: Cầu cạn Piave, Italy được giảm nhẹ sau khi xây dựng

_8-1.12 Pham vi ứng dụng của thép chịu thời tiết

Môi trường phi hợp

Hau như những địa điểm có xây dựng cầu đều phù hợp cho việc dùng thépchịu thời tiết Chỉ những môi trường không thích hợp, là những nơi như có sự tậptrung cao về chất hóa học mạnh hay là những chất gây ô nhiễm công nghiệp có mặt,ở đó thép sẽ bị lộ ra để cho muối bám vào (ở những môi trường đặc biệt gan biển),hoặc là ở những nơi ma các thành phan của thép chịu thời tiết liên tục bị ướt và am

Dùng trong những điều kiện sử dụng khó khănThép chịu thời tiết được xem xét ở lợi ích tốt nhất của nó khi mà việc bảo trìduy tu theo cách thông thưởng hoặc là rất khó khăn hoặc là nguy hiểm, và theo đógiá thành của việc sơn lại đối với những câu kiện bằng thép thông thường sẽ cao.Như vậy, những điều có thể xảy ra, ví dụ như ở những vùng núi xa xôi, những consông, hay trên những đường ray tàu điện Ở những nơi có môi trường như vậy thìthép chịu thời tiết sẽ hoạt động tot

1.1.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiếtNăm 1916, Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ đã bắt đầu một nghiên cứuvề sự ăn mòn khí quyền của vật liệu

Trong những năm 1930, tập đoàn thép Hoa Ky đã khám phá ra thép chịu thời

tiết với sức kháng ăn mòn khí quyền lớn trong môi trường công nghiệp và nôngthôn bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phânhợp kim khác Thép chịu thời tiết được phát triển dưới tên gọi thương mại là cor-ten, chủ yếu được sử dụng cho các toa xe than đường sắt Kiểm soát ăn mòn là tínhnăng của vật liệu mà được chào đón như là một sản phẩm cho nhu cầu về một loại

thép chắc chăn có khả năng chịu đựng được sự khắc nghiệt của các chuyến tàu và ở

các mỏ than ở Mỹ Bởi vì độ bền vốn có của nó, thép chịu thời tiết cũng được sửdụng rộng rãi cho các container Nhưng thép chịu thời tiết không thể hình thành lớpgi bảo vệ và có tốc độ ăn mòn cao hơn trong môi trường với sự có mặt của ion CI

Nhiều năm sau, Yamashita khảo sát sự ăn mòn khí quyên của thép chịu thờitiết có chứa một lượng nhất định Crôm được phơi bày trong khí quyền gan biểntrong hơn 20 năm và đã nhận thấy rằng lớp gi tự nhiên bao gồm hai lớp, lớp bêntrong được kết chặt và làm giàu với Crôm[5] Tài liệu báo cáo rằng lớp gỉ bảo vệ

này có phan tử (œ-(Fe¡.y, Cry) OOH) Thí nghiệm đo lường Ion đã chỉ ra rằng lớp gichứa phân tử (ơœ-(Fe;.x, Cry) OOH) có thể ngăn chặn sự xâm hai của Cl’; điều nàygiúp đây nhanh sự hình thành của lớp gỉ chắc chắn

Những ứng dụng kỹ thuật dân sự mà đã xuất hiện vào đầu những năm 1960đã trực tiếp sử dụng sức kháng ăn mòn được cải thiện dé chống ăn mòn Cau dau

tiên sử dụng vật liệu này được xây dựng ở New Jersey Turnpike vào năm 1964.

Thép chịu thời tiết ngày nay đang được sử dụng trong rất nhiều những ứngdụng bao g6m cho cau, đường sat, tháp truyền dẫn, ống khói và đóng tàu Một số vidụ việc ứng dụng của nó cho các kết cau lớn như như câu New River Gorge, West

Virginia, Mỹ với vòm dai 518m được xây dung năm 1974 và hoàn thành năm 1977;

nhánh mới của cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ, nhánh này được xây dựng

vào năm 1972 nhăm giảm tải cho câu cũ chỉ có hai làn xe.

Hinh 1.8 Cau Newburgh-Beacon, New York, MY

Hình L9, Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) —Pont Lenine in Ales (197 9) ~ Pháp

Cầu thép liên hợp bê tông, 2 dầm I-nhịp 152m và Câu thép liên 4 dam—nhip 93m

Ở Việt Nam, một số lượng it cầu thép chịu được làm bằng vật liệu thép chịu

thời tiết đã được xây dựng bang nguôn tài trợ không hoàn lại của chính phủ Nhật từnăm 2001 Đến nay đã được 12 năm, tình trạng của các câu này hiện nay rất tốt, tuy

nhiên vân chưa có điêu tra chi tiệt về tinh ưu việt của các cau thép nay ở Việt Nam.

Hình 1.10 Cau Rạch Rớ - tinh Bình Dương1.1.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết

Cầu thép thông thường tận dụng những tiến bộ mới nhất trong tự động hóachế tạo và kỹ thuật xây dựng có thể cung cấp các giải pháp kinh tế đối với các yêu

câu vé an toàn, xây dựng nhanh, diện mạo hap dân, chiêu cao kêt câu thâp, bảo tri

Chỉ khi môi trường đủ ôn hòa dé có thé sử dụng hệ thống bảo vệ với đặc tinhkỹ thuật thấp, đơn giản thì sẽ nhận thấy răng chi phí cho việc sơn ít hơn so với chiphí cộng thêm trong việc dùng thép chịu thời tiết; trong trường hop nay thi chi phíban đầu của việc dùng thép chiu thời tiết có thể sẽ cao hơn một chút.

Thời gian xây dựng được giảm xuốngViệc bỏ qua công tác sơn sẽ đưa đến kết quả là giảm thời gian xây dựng côngtrình, tạo ra thuận lợi cho chủ đầu tư và đơn vị thi công

Giảm chi phi bao trì

Lợi ích chính của việc dùng thép chịu thời tiết trong những cây cau sé đến

một cách thông thường từ sự giảm chi phí bảo trì Một cach lý tưởng là chi phí bảo

trì của thép chịu thời tiết là zero, từ sự không can thiết phải sơn Trong thực tế,những việc kiểm tra và làm sạch được yêu cầu dé đảm bảo rang những cây cầu vantiếp tục hoạt động bình thường

Tuy nhiên, chi phí kiểm tra, dọn dep làm sạch, và sửa chữa những hư hỏngkhông thường xuyên đối với những chỗ bị giới hạn thì thường không đáng ké so vớinhững chỉ phí phải sơn lại thường xuyên cả kết câu

Giảm thoi gian duy tu, bảo dưỡng

Trong tình trạng xâu nhất, việc kiểm tra, dọn đẹp việc sơn ở những vùng bịgiới hạn trong việc sử dụng thép chịu thời tiết sẽ tốn ít thời gian hơn so với việc sơnlại một cây câu dùng kết cấu thép bình thường Điều này thực sự làm giảm chi phígián tiếp như (hạn chế giao thông trong quá trình duy tu, bảo dưỡng)

-12-Những lợi ích vê môi trườngViệc quét son có thé làm hại đến sức khỏe của những công nhân và gây haiđến môi trường

Kiểu dang, vé bê ngoài hấp dẫnKỹ thuật bảo vệ thép chịu thời tiết trong những cây câu là một nét đặc trưngvề một lớp gỉ ôn định Chúng hoan toàn được tạo thành và biến đối một lần, vẻ bềngoài của lớp màng nay là không thay đổi, thường là mau nâu đậm hoặc là màu đỏtía Màu này có thể trộn lẫn một cách thú vị trong môi trường nào đó

1.2 MOT SO NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIA AN MON CUA CAU THÉP

CHIU THOI TIET TRONG CAC DIEU KIEN MOI TRUONG KHAC

NHAU

Thép chịu thời tiết đã và đang được ứng dụng rộng rãi khắp nơi trên thé giới,vật liệu thép chịu thời tiết đã trải qua hơn 80 năm phát triển và hơn 40 năm loại thépnay ứng dụng vao xây dựng cau, cho đến ngày nay hau hết các quốc gia trên thếgiới đều nhận thay được những lợi ích kinh té và môi trường từ việc sử dụng thépchịu thời tiết Tỷ lệ sử dụng câu thép chịu thời tiết trong xây dựng câu, đặc biệt ởcác nước phát triển đã tăng lên đáng kẻ

Tuy nhiên để đánh giá khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết một cách chínhxác hơn, rộng rãi hơn và thúc day việc sử dung cau thép chịu thời tiết ở những nướcdang phát triển hay những nơi có điều kiện tự nhiên — môi trường đặc biệt (nhữngnơi trước đây việc ứng dụng cau thép được xem là không hiệu qua) thi cần phải cóthêm nhiều thời gian, nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa để đánh giá đúng đắn

ứng xử, khả năng bảo vệ gi cũng như sự ăn mon trong giới hạn cho phép của thép

chịu thời tiết trong các điều kiện tự nhiên - môi trường khác nhau.1.2.1 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết

Cơ sở lý thuyết sự ăn mòn của thép chịu thời tiết:Sự ăn mòn của thép kết câu, bao gồm cả thép chịu thời tiết đã được kiểm tra[7-16] nó chỉ ra rang các sản phẩm chính của sự ăn mòn khí quyền của thép thườnghoặc hợp kim thấp là gi tinh thé và vô định hình (FeOOH), và khoáng magnetiteFe3O4 Gi thường là ở dạng tinh thé ơ-FeOOH hoặc y-FeOOH và oxyhydroxide satvô định hình (FeOx(OH)3-2x) Trong môi trường biển, B-FeOOH có khả năng có

-13-mặt Theo [7], các lớp ăn mòn của thép thường và thép chịu thời tiết thay đối đángkế Lớp ở trên thép thường thì không đồng đều, với các vết nứt, điều này cho phépsự xâm nhập oxy, độ âm, và các chất gây ô nhiễm Tuy nhiên, lớp trên thép chịuthời tiết là nhiều đồng déu hơn, nó cũng được tim thay có chứa một lượng các yếutố hợp kim tương đối cao đặc biệt đối với loại thép này, chăng hạn như đồng, crôm,và phốt pho

Người ta ghi nhận răng thép chịu thời tiết không có vẻ tạo thành một lớp bảovệ (như lớp gỉ đồng) trong sự hiện diện của clorua, đặc biệt là muối khử băng, [9-11] Điều này một phân là do những chat hút âm của muối Các yêu tô khác là cácion clorua tích điện âm (CL) làm giảm điện trở suất của các lớp bảo vệ Ngoài ra,với sự hiện diện của CL, kết quả phản ứng ăn mòn là số lượng B-FeOOH tương đốilớn Oxit này không biến đổi dé tạo thành FeOx(OH)3-2x, thành phan chính của lớp

bảo vệ [7,9,11].

Thép chịu thời tiết và thép đồng đã được thử nghiệm qua [12] trong bốn môitrường khác nhau Trên cơ sở này, một mô hình năng lượng dang logarit đã được déxuất cho sự mất mát tiết điện do ăn mòn của thép chịu thời tiết [9,12,13], tức là:

C=4y”— (11)

Trong đó A và B là hệ số hồi quy Có hiệu quả, A có liên quan đến phản ứngban dau của thép, trong khi B giải thích cho sự thay đổi tính ăn mòn của thép theothời gian Các phương trình xâm nhập ăn mòn khác cho thép chịu thời tiết được đềxuất và đánh ø1á trong một số tài liệu tham khảo, ví dụ: [15,16] Mặc dù các gia trịcủa mỗi mô hình có thé được tranh luận, Phương trình (1.1), mô hình năng lượngdạng lôgarít, là một trong những dạng đơn giản nhất và thường được áp dụng trongđánh giá các kết cau bị ăn mòn

Phương pháp mạ kim

Mạ kim là một phương pháp áp một lớp kim loại lên bề mặt, thường là do

phun lửa hoặc phun plasma [12] Trong [13], thử nghiệm ăn mòn cua ba loại hợp

kim được mạ kim (phun lửa lên các tắm lexan - nhựa polycarbonate) được mô tả

Trong [14], thử nghiệm kéo dai 18 năm của các mẫu kim loại được đặt trong nước

biển được mô tả Trong thời gian của các thử nghiệm này, hau hết các mẫu vật mạkim thể hiện rất tốt

- 14

-Dai mạ điện (kẽm) có chức năng theo cơ chế cơ bản giống như mạ kim, đếnmức độ ma nó cung cấp một cực dương tan dé bảo vệ bé mặt thép Tuy nhiên dảikẽm là một vật liệu tương đối mới cho ứng dụng này, và không có nghiên cứu đượccông bồ hiện có sẵn định lượng hiệu quả của nó

Phương pháp do độ dày tam bằng siêu âm:Do độ dày băng siêu âm là phương pháp phổ biến nhất của dé do độ day củatam thép trên các công trình [21] Tài liệu được công bố ít có sẵn, tuy nhiên, tínhchính xác của máy đo độ dày siêu âm (UTGs) đã được sử dụng để đo độ dày củatâm thép chịu thời tiết bị ăn mòn [22] lưu ý rằng đo chiều dày ăn mòn là khôngchính xác va do đó đòi hỏi thời gian dai thu thập dit liệu để xác định tốc độ ăn mòn.Các nguôn dữ liệu không chính xác bao gồm chính các dụng cụ, cũng như bề mặtcủa tam được đo, thường hơi nhám bởi quá trình ăn mòn Tuy nhiên, đo độ dàybằng siêu âm được khuyến nghị cho kiểm tra và đánh giá sự suy thoái do ăn mòntrong các cây cầu thép [23]

Thử nghiệm bằng phương pháp siêu âm:Mục tiêu của nghiên cứu UTG là để đánh giá hiệu quả và tính chính xác của

UTGs khi được sử dụng trên tam thép chịu thời tiết bị ăn mòn nặng Ảnh hưởng của

các sản phẩm ăn mòn, ở mỗi bên của tắm, trên độ dày đo được điều tra - để xácđịnh một cách rõ ràng có hoặc không có độ dày của các sản phẩm này được kể đếntrong phép đo Ngoài ra, ảnh hưởng của ăn mòn rõ trên các phép đo đã được kiểm

tra.

Các tắm mẫu bị ăn mòn rất nhiều (90mm x 45mm) lây từ một thiết bị thêmvào công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết trên 30 năm tuổi được làmphang bang máy ở một bên Sau đó đo chiều dày được thực hiện từ mặt phăng đếnmặt thô của mỗi mẫu, trên một khoảng lưới đều đặn bằng cách sử dụng một UTGđiển hình Những phép đo này sau đó được so sánh với các phép đo tương tự thu

được bang cách sử dụng một may do tọa độ (CMM) Nhu Hình 1.11 (bên trai), toànbộ quá trình được thực hiện với các sản phẩm ăn mòn ở tại chỗ và một lần nữa sau

khi sản phẩm ăn mòn đã được gỡ bỏ CMM sử dụng một que thăm dò giống như cáikim để xác định các toa độ x, y và z của một điểm hoặc một loạt các điểm trên bềmặt của bat kỳ đối trong 3D được đặt dưới nó

-l5-Sau khi bắt đâu đo chiều dày, người ta nhận thây răng bên bị ăn mòn của cácmẫu quá thô để thu được kết quả đọc UTG có ý nghĩa Vì vậy, để hoàn tất việcnghiên cứu, một tập hợp các mẫu thép chịu thời tiết mới, để bên ngoài cho ăn mònnhẹ cho một khoảng thời gian 3 tháng, được chế tạo Cuối cùng kết quả là phép đochiều dày UTG và CMM thu được cho ba mẫu thép "cũ" (đo từ phía bên phang) và

ba mẫu thép "mới" (đo từ phía bên bị ăn mòn - Xem Hình 1.12)

Sau khi các phép đo được thực hiện, các sản phẩm ăn mòn đã được gỡ bỏbang cách “tây gỉ” theo [20] Các mẫu vật đã được kiểm tra dưới kính hiển vi déđảm bảo rằng các sản phẩm ăn mòn đã được hoàn toan loại bỏ Các phép đo UTG

và CMM sau đó được lặp lại.

Hình 1.12 Bề mặt mẫu thép "cũ" và "mới" trước khi tây

- lồ

-Thử nghiệm bằng phương pháp mạ kẽm:Nghiên cứu thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ đã được thực hiện dé đánh giá

tiềm năng của một số cái mới, các sản phẩm có lớp mạ kẽm dé cải thiện đặc tính ăn

mòn các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết Ma trận kiểm tra cho việcthử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ được thể hiện trong Bảng 1.1 Năm mẫu được chếtạo ứng với mỗi loại Các mẫu vật bao gồm các mẫu thép vuông 50 mm x 50 mmcho vao trong epoxy dé chỉ có một bên được tiếp xúc với môi trường trong phòng.Mau thép chịu thời tiết “cũ” và “mới” được chế tạo Các mẫu thép CSA 50A [25] bịăn mòn nang, được lay từ cùng công trình giống như các mẫu thép cũ được sử dụngtrong nghiên cứu UTG Sau này, bao gồm thép CSA 350 AT mới, lây từ mẫu thép

mới bị ăn mòn nhẹ đã được sử dụng trong nghiên cứu UTG Các mẫu thép cũ và

mới đã được xử lý trước băng phun cát mỗi cấp với SSPC-SP 5/NACE No 1 [26]

hoặc xâp xỉ nửa mức này, đê nghiên cứu tác động của tham sô này lên đặc tính lớpphủ.

Bảng 1.1 Ma trận thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ

STT Thép Phun cát Lớp phủ| Cũ Hoàn toàn Không

2 Mới Hoàn toàn Không3 Mới Hoàn toàn Ma Al-Zn-In

4 Cũ Hoàn toàn Mạ kẽm

5 Moi Hoan toan Ma kém

6 Cũ Một nửa Mạ kẽm

7 Mới Một nửa Mạ kẽm

8 Cũ Hoàn toàn Dai kẽm

9 Mới Hoàn toàn Dai kẽm

10 Cũ Một nửa Dải kẽm

11 Mới Một nửa Dai kẽm

Hai sản phẩm mạ kim đã được kiểm tra trong nghiên cứu này Các sản phẩmkẽm bao gồm kẽm có độ tinh khiết cao (tối thiểu 99.99%) Sản phẩm hợp kim nhômcó nhôm, 5.0 % kẽm, 0.05 % indium, với lượng bd sung nho cua sat, silic, đồng và

-]17-mangan Chúng được đưa vào các mẫu thí nghiệm thép bằng cách phun lửa Ngoài

ra, một sản phẩm dai đã được thử nghiệm: dải kém Galvanode® ZincTape, bao gôm

ba lớp: các lớp dau tiên (bên ngoài) là một lớp phủ PVC, theo sau bởi một lớp kẽmcó độ tinh khiết cao (tối thiểu 99,99%) Lớp thứ ba là một chất kết dính nhạy cảmáp lực và dẫn điện Trong các ứng dụng kích thước thực, dải băng mỏng có thểđược áp vào các cạnh đầu tiên, trước khi các dải rộng hơn có thể được sử dụng dé

che phủ lên các không gian lớn ở giira.

Phương thức được lựa chọn cho các kiểm tra ăn mòn là phương thức SAEJ2334 [27] Theo phương thức này, thử nghiệm sau một chu kỳ 24 giờ, bao gồmmột giai đoạn 6 giờ ở giai đoạn âm (50°C, 100% RH), một giai đoạn ngâm nước 15phút, và 17 giờ 45 phút ở giai đoạn say khô (60°C, 50% RH) Các thành phan của

dung dịch ngâm SAE J2334 là: 0.5 % NaCl, 0.1 % CaCl2, và 0,075 % NaHCO3.

Từng thành phan thu ở dạng bột va hòa tan trong nước cất, bao gồm phan còn lạicủa dung dịch Các phương thức thử nghiệm đã được áp đặt băng cách đặt các mẫuvật trong một phòng kiểm tra sự ăn mòn theo chu kỳ, trong đó có hai khu vực chính:một phòng ăn mòn và một hồ chứa dung dịch Khoảng chừng hàng tuần, trong thờigian thử nghiệm, các mẫu vật đã được lấy ra, cân nặng, và đặt trở lại trong phòng

thử nghiệm.

Kết luận:- _ Khi đo độ dày của các tâm thép chịu thời tiết sử dụng một máy đo độ day

siêu âm tiêu chuẩn, các sản phâm ăn mòn trên mặt sau của tam không cóảnh hưởng đến việc phép đo độ dày Ngược lại, sản phẩm ăn mòn ở bênđo lường được thực hiện có xu hướng dé làm tăng một cách giả tạo độdày đo được bởi một lượng lớn hơn độ dày của sản phẩm ăn mòn

- _ Việc mạ kém va hợp kim nhôm — kẽm — indium va băng kẽm cung cấpmột cách có hiệu qua dé cải thiện đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết.Trong quá trình thử nghiệm, tất cả các lớp phủ có hiệu quả trong việc bảovệ bề mặt thép, bất kể loại thép, mức độ bé mặt rd, và mức độ phun cát.- _ Phép đo chiều dày tam được xem là rất quan trong cho việc đánh giá cau

trúc của các công trình, do tính bất định cao có liên quan với tốc độ ăn

mòn.

khác nhau của môi trường đã được nghiên cứu và so sánh sau khi được thử nghiệm

ngoài không khí, với các khoảng thời gian khác nhau (lên đến 6 năm) tại Dai Loan

Trong điêu kiện môi trường tự nhiên của nên công nghiệp, sự ăn mon của thép chịu

thời tiết được cho là sai lệch với giả thuyết nổi tiếng logarit sau 3 năm phơi bayngoài trời Những kết quả phơi bày ngoài trời, phân tích câu trúc lớp gỉ, điện trởkháng, phân tích quang phô đã giúp lý giải các hiện tượng bất thường của thép chịuthời tiết khác với lý thuyết thông thường Hơn nữa, các hiện tượng này cũng được

mô phỏng lại trên máy gia tôc trên cả điêu kiện ướt và khô với lượng chat bô sunglà khí SO2.

Bảng 1.2 Các thành phần hóa chất của thép

Thép C Si Mn P 5 Cu Cr Ni AI

Thép Cacbon SS400 [013 41019 41081 10015 | 0.008 | 0.063 | 0.021 | 0.049 | 0.024Thép chiu thoi tiét

Bảng 1.3 Các điều kiện của môi trường xung quanh thí nghiệm

" | Lượng mưa |Độ âm| Tốc độ gió | Cl-

SO42-hiên thí Điều kiện xe trung bình | tương đôi | trung bình | (mg/m2_ | (mg/m2

ens ° (mm/nam) | (%) (m/s) ngay) ngay)

Những mau thử gia tốc được cho vào buông kin thi nghiệm với các điều kiện

về nhiệt độ, khí thải, độ âm tương đối được gây nên một cách đều đặn Chúng tatăng tần suất thí nghiệm cho cho phương án khô — ướt dưới một hằng số khí SO2trong môi trường khí ga Mỗi vòng ướt/khô bao gồm có một khoảng thời gian ướt (

+ Môi trường công * SS400

Độ day ¡ nghiệp > Acr-Ten A

trường công nghiệp (nhà máy) tương tự với môi trường trung tâm Tuy nhiên, với

thép chịu thời tiết, trong môi trường không khí công nghiệp, sự ứng xử của thépchịu thời tiết khá đặc biệt Như thé hiện trong Biểu đồ 1.3 , sự khác biệt độ dày của

- 20

-thép chịu thời tiết với thời gian phơi bay được quan sát 3 năm trong diéu kiện tựnhiên Biểu đồ 1.3 tái hiện lại kết quả trong Biểu đồ 1.2 băng biểu dé thé hiện sựgiảm chiêu dày tỷ lệ nghịch với thời gian phơi bảy trên hệ tọa độ logarithm

Log (N}

Biểu đồ 1.3 Biéu đồ thé hiện sự giảm chiều dày tỷ lệ nghịch với thời gian

phơi bày trên hệ toa độ logarit.

Sự ăn mòn trong không khí của thép cacbon cũng tương đối như thép chịu

thời tiết tại môi trường trung tâm theo hàm: C=At? (12)

Với C là trọng lượng mat đi trong dạng biểu diễn của chiều dày (“ m), t làthời gian phơi bày (tháng); và A, B là hằng số Khi đó, A tương đương với khốilượng mat đi khi thời gian là đơn nhất và A được xem là thông số đo đạc ban đầucủa sự ăn mòn với thời gian phơi bày ngoài không khí Tuy nhiên, sự ứng xử về ănmòn của thép chịu thời tiết tại môi trường công nghiệp lại sai khác với biểu thức(1.2), trong suốt giai đoạn cuối cùng của quá trình phơi bày Biểu đồ log — log vớithời gian là một hàm không liên tục bao gồm 2 phân đoạn Độ dốc của phân đoạn 2rõ ràng nhỏ hơn phân đoạn ban đầu

fay(3 O

log A

log (exposure time)

-21-Biéu đồ 1.4 -21-Biéu đô thé hiện sự khác biệt trọng lượng của thép chịu thời tiết trong

môi trường công nghiệp, với hệ trục logarit

Biểu đồ 1.4 cho thấy sơ đồ sự giảm khối lượng với thời gian của thép chịuthời tiết tai môi trường không khí công nghiệp va trong độ logarit Hàm đại diệnmối quan hệ cũng như ứng xử có thé được dién tả bởi công thức sau:

Bl-B2 „B2

C=Arn"?222(>r) (13)Trong đó C là chiều day mat mát, A là mat mát ăn mòn tại tháng đầu tiên, t,là chiều dài của những tháng trong thời kì dau của độ dốc B, và B; là độ dốc củaphân đoạn 2 Bảng 1.3 cung cấp cho ta các hệ số giảm và các hệ số tương quan củacác dữ liệu theo biểu thức (1.1) và (1.2) Đối với thép chịu thời tiết tại môi trườngkhông khí công nghiệp, giá trị của hăng số B; là 0.241, nhỏ hơn nhiều đối với hệ sốB, là 0.651 Thật đơn giản khi hiểu rang sự ứng xử của quá trình ăn mòn của théptrong môi trường không khí có thể được ước tính và xác định khối lượng thông quacác hăng số A, B trong biểu thức (1.1) Hệ số B gần như bằng 0.5 nếu như sự ănmòn được kiểm soát băng ý tưởng khuếch tán ánh sáng Mặt khác nó sẽ lớn hơn 0.5nếu như sự ăn mòn nhanh hon sự tiến trình khuếch tán ánh sáng khi mà các lớp gibám đã được gỡ bỏ băng các hình thức làm tan chảy, ăn mòn Ngược lại sự hệ sốB nhỏ hơn 0.5 nếu như giảm giá trị hệ số khếch tán bởi vi lớp gi bám trở nên chặthơn với thời gian Theo đó, sự xảy ra việc phân đoạn 2 có độ dốc nhỏ B¿, dùng déxác định lại tốc độ ăn mòn của thép chịu thời tiết đưới nền không khí công nghiệp.Ví dụ, Townsend và Zoccola [28] được bắt nguồn từ nguồn thực nghiệm (1.1) dé sosánh sự kháng ăn mòn trong không khí của thép tỷ lệ thời gian Một lượng mat mát250 “ m được chọn lựa dé tính toán thời gian:

=(C J4)” — (13)

Trong đó, t là nhân tô thời gian (thang) dé đạt được sự mat mát 250m, C*là chiều day mat mát (250m) A, B là hăng số được dé cập trong biểu thức (1.1).Thời gian để thép cacbon và thép chịu thời tiết dé mat mát được 250 m trong khíquyền công nghiệp, trong hàm đơn giản (1.1) và (1.3) là 125 tháng và 460 tháng.Theo kết quả nghiên cứu, khả năng chống ăn mòn của thép chịu thời tiết lớn hơn

thép Cacbon 3.7 lần Ngược lại, thời gian để đo đạc được 250m trọng lượng mat

Tiến hành làm giảm độ pH của chất điện phân va làm tăng tốc độ ăn mòn của

thép được minh họa qua các phương trình phản ứng hóa học sau:

Fe = Fe** +2e"SO,+0O,+2e =SO,~Fe? + SO,” = FeSO,

4 FeSO, +6H,O +O, =4FeOOH +4H,SO_

= | Fad

2 |$ | 4 =x —%"——-—>— ` |

Z a eee

F ¿

s 10 16 20 25 36 35 40 45 50 %S 60

Test perlod (cycle)

Biểu đồ 1.5 Sự giảm chiều day của thép chịu thời tiết và thép cacbon ứngvới sự gia tăng chu kỳ âm ướt/khô của nồng độ SO;

Kết luận- Su ung xử không bình thường của hiện tượng ăn mòn sai lệch với ham

logarit thì được quan sát ở thép chịu thời tiết với hàm lượng phosphor cao sau 3

năm phơi tự nhiên tại môi trường không khí công nghiệp.Các hiện tượng sai lệchgây ra do giai đoạn chuyển hóa từ y-FeOOH các vết mit tự do và bảo vệ

œ—FeOOH là một nhân tố đặc biệt quan trọng trong tiến trình ăn mòn của thépchịu thời tiết Ngược lại, hiệu ứng ăn mòn của các loại thép khác trong khí quyền thìthể hiện tương đối phù hợp theo quy luật hàm logarit

- Không chi các phan tử hợp kim mà còn có khí SO2 đóng vai trò khá quantrọng trong việc định dạng các vết nứt tự do và bảo vệ lớp gi sét Với môi trường khí

-23-quyền thông thường, thì thép chịu thời tiết phải tốn ít nhất 3 năm mới xảy ra hiệntượng ăn mòn tại môi trường khí quyền công nghiệm, có thé mô phỏng khá nhanh (chỉ trong vòng 50 vòng test), bang thí nghiệm gia tốc trong cả điều kiện ướt và khô

VỚI Sự gia tang lppm khí SO2.

Nhận xét:

Qua các nghiên cứu trên cho ta thây việc nghiên cứu đánh giá ăn mòn củathép chịu thời tiết bao gồm những đặc điểm như sau:

- M6 hình tính toán, đánh giá ăn mon được sử dụng là mô hình quan hệ

theo hàm logarit (hay hàm lũy thừa) : Y=AXỔ, trong đó Y là lượng ănmòn tích lũy, X là thời gian phơi bay, A là hệ số liên quan đến mat mátăn mòn ban dau, B là hệ số thể hiện sự thay đổi ăn mòn trong những nămtiếp theo, phụ thuộc vào môi trường và phụ thuộc vào hệ số A, giữa A vàB có mối tương quan với nhau tùy từng điều kiện môi trường mà mốitương quan đó được biểu hiện khác nhau

- Phuong pháp thử nghiệm chủ yếu được sử dụng ở đây là phương phápphơi bày trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện giả định (phòng thínghiệm), các mẫu thép chịu thời tiết thử nghiệm được tạo ra thông quacác thành phan hợp kim được thêm vào hay thay đổi dé có được nhữngđặc tính thích hợp với nhiều loại môi trường khác nhau

- Phương pháp đo đạc, tính toán mat mát ăn mòn thực nghiệm được ápdụng là dùng các dụng cụ siêu âm, điện từ hay bằng các phân tích điệnhóa và một số phương pháp kỹ thuật khác (tia X )

Tuy nhiên tùy từng điều kiện môi trường khác nhau, mô hình tính toán ănmòn cũng như các phương pháp đo đạc, thí nghiệm sẽ có những thay đổi, nhữngđặc điểm riêng để phù hợp cho từng điều kiện khác nhau Trong phạm vi luận vănnày, sẽ tập trung nghiên cứu, đánh giá ăn mòn của thép chịu thời tiết chủ yếu tạinhững khu vực có khoảng cách gần bờ biển, nơi có nồng độ muối cao hơn bình

thường.

1.3 NHẬN XÉT VÀ CAC VAN DE CAN NGHIÊN CỨUDựa trên những van dé đã trình bày ở phan trên, việc nghiên cứu khả năngứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu phụ thuộc vào các điều kiện môi

- 24

-trường Việt nam với những đặc điểm tự nhiên — môi trường riêng biệt nên cần phảicó các nghiên cứu phơi bay ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong những đặc điểm

tự nhiên môi trường đó.

Với từng điều kiện tự nhiên — môi trường khác nhau từ những nơi khí hậu ôn

hòa như khu vực nông thôn, đô thị đến những nơi khí hậu khắc nghiệt như khu vực

công nghiệp, ven biến thi cầu thép chịu thời tiết sẽ có ứng xử : tự tạo lớp gỉ bảo vệdé bảo vệ lớp gỉ bên trong, tốc độ ăn mòn, sự hình thành mau sac cũng khácnhau Nước ta là một nước có bờ biển dài hơn 3000km, ảnh hưởng của hàm lượngmuối từ bờ biển thôi vao là rat lớn Ở Việt Nam việc ứng dụng thép chịu thời tiếtvẫn còn khá mới mẻ, do đó một nghiên cứu, đánh giá mang tinh tổng quan về khanăng ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng câu ở Việt Nam là rat cần thiết.Chương sau sẽ trình bày chỉ tiết hơn về cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứuthực nghiệm đánh giá khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào các vùng, khu vực

có vi trí địa lý gân biên.

-25-CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU LÝ THUYET

CÂU THÉP CHIU THỜI TIẾT

Điểm khác để thép chịu thời tiết có được những thuộc tính đặc biệt của nó làviệc pha trộn can thận của các thành phan hợp kim được thêm vào thép trong suốtquá trình sản suất Các thành phần hợp kim được thêm vảo thay đổi để có đượcnhững đặc tính thích hợp với nhiều loại môi trường khác nhau, từ những nơi khí hậu

ôn hòa như khu vực nông thôn, đô thị đến những nơi khí hậu khắc nghiệt như khu

vực công nghiệp, ven biển

Nhật Bản cũng là quốc gia có những nghiên cứu và ứng dụng thép chịu thờitiết từ rất sớm Các sản phẩm thép chịu thời tiết ở Nhật Bản rất đa dạng để phù hợpvới đặc điểm khí hậu rất khắc nghiệt Thành phần hóa học của một số thương phẩmthép chịu thời tiết như trình bày ở bảng 2.1 Các sản phẩm mới được phát triểntrong những năm gan đây bởi những tập đoàn thép lớn như Nippon Steel, JFE Steelvới hàm lượng Niken cao, những sản phẩm này cho thấy hiệu quả hoạt động rấtthỏa dang ở môi trường ven biển có hàm lượng muối trong không khí cao

Bảng 2.1 Thành phân hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết

Cấp thép C Sĩ Mn P S Cu Cr Ni Mo

0.10— | 0.004— 0.002— 0.21— | 0.014— | 0.014—

Cu-bearing — — —

0.13 0.01 0.005 0.26 0.02 0.02A242/HS- |0.1I0-| 0.27— | 0.48— | 0.006— | 0.015— | 0.24— | 052- | 003- —