MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU NCS. ĐỖ MINH HIẾU Trường MADI - Moscow - Liên Bang Nga Tóm tắt: Bài báo mô tả 3 giai đoạn phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông dưới tác nhân Clo và mô hình hoá sự phá huỷ bêtông bằng các công thức toán học, đồng thời cũng đưa ra các số liệu thực nghiệm để so sánh với các số liệu tính toán. Qua đó có sự tiếp cận sâu hơn về vấn đề tính toán năng lực chịu tải còn lại của kết cấu cầu cũng như có thể đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế lớp bêtông bảo vệ cốt thép cho điều kiện ăn mòn của Việt nam. Summary: Vietnam is a humid tropical country with a long coastline, which favours corosion of metal. So, reinforced concrete structures gradually degrade due to corosion of steel reinforcement induced by ingress of aggressive agents. Ingress of chloride from marine enviroment is the main cause of corosion of steel in concrete which results in damages occurred to the structures afters a short time of operation. This paper presents a study on the influence of chloride concentation, humidtity and thickness of concrete cover on the corosion of steel in concrete. The corosion is reproduced by mathematical formulas and censored by experimental results, which is advisable for climatic conditions of Vietnam. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngoài các tác nhân do tải trọng gây ra, làm suy giảm khả năng chịu tải của kết cấu công trình chúng ta còn cần phải xét đến các tác nhân từ môi trường xung quanh. Trong đó tác động của các hợp chất hóa học đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ăn mòn bê tông cốt thép gây nên sự suy giảm năng lực chịu tải của kết cấu công trình nói chung và công trình cầu nói riêng. Việt nam là một nước ven biển, nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới, độ ẩm và hàm lượng muối trong không khí rất cao. Đồng thời, nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa, khí thải công nghiệp cũng là một yếu tố tác động không nhỏ đến quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại cho kết cấu cầu. Do đó, việc nghiên cứu vấn đề ăn mòn cốt thép, kết hợp với tác động của tải trọng để đưa ra các đánh giá và chẩn đoán trạng thái làm việc của công trình cầu đang được đặt ra cấp thiết, phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng và khai thác cầu. CT 2 II. NỘI DUNG Quá trình ăn mòn cốt thép theo thời gian bên trong lớp bêtông bảo vệ của kết cấu có thể chia làm 3 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Các tác nhân xâm thực, nhất là khí CO 2 trong không khí gây ra quá trình cacbonat hóa bêtông và hợp chất chứa ion Cl - nằm trong các tinh thể muối có trong không khí, phân bố trên bề mặt bêtông theo thời gian sẽ xâm nhập vào bên trong lớp bêtông bảo vệ dẫn đến sự phá hủy cốt thép; đồng thời lớp bêtông bảo vệ cũng bị mất đi những đặc tính cơ lý ban đầu. Quá trình xâm thực được thể hiện qua phương trình tính hàm lượng Clo theo thời gian: ) Dt2 y erf1(CC 0t,y −= (1) Trong đó: t - khoảng thời gian bắt đầu quá trình xâm thực; C 0 - nồng độ ion Cl trên bề mặt kết cấu, tinh theo % khối lượng ximăng; C y,t - nồng độ ion Cl tại chiều sâu y (%); D - hệ số khếch tán Cl trong bêtông (cm 2 /năm). Theo [1], giá trị giới hạn của nồng độ ion Cl - tại lớp bêtông sát với cốt thép C h,th (nghĩa là bắt đầu quá trình ăn mòn) đạt tới 0,4% khối lượng ximăng đối với cốt thép thường và bằng 0,2% đối với cốt thép dự ứng lực trong điều kiện bêtông chưa bị cacbonát hóa. Nếu như bêtông đã bị cacbonnat hóa thì các giá trị đó tương ứng là 0,1% và 0,2. Yếu tố quan trọng để dự đoán tuổi thọ của kết cấu trong điều kiện ăn mòn clo đó là xác định được thời điểm t h , với h là chiều dày lớp bêtông bảo vệ tương ứng với thời điểm bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép. CT 2 Như vậy ta có : o th,h h C C 1 Dt2 h erf −= (2) Đặt: h Dt2 h =β (3). β được xác định theo bảng của hàm tích phân xác xuất Gauss [2], từ đó ta tính được giá trị C h,th : Đặt: D=α từ (2) ta có: h t2h αβ= (4) ⇒ 2 2 2 h h D4 1 D4 h t ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ β = β = (5) Theo kết quả nghiên cứu của viện RILEM thì t h được xác định như sau: 2 2 1 0th h )CC(1 h D12 1 t ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = (6) (5) và (6) có sự tương ứng khi ta đặt ])C/C(1[3 2 1 oth * −=β (7) Bảng 1 giới thiệu kết quả tính toán giá trị t h theo công thức (5) với các giá trị và khi D = 0,5 cm β * β 2 /năm). Từ công thức (5) và các số liệu tính toán người ta có thể đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế cho lớp bêtông bảo vệ tùy thuộc vào mỗi một điều kiện khí hậu khác nhau. Bảng 1. Thời gian bắt đầu ăn mòn clo trong kết cấu bêtông với cốt thép thường C h.th = 0,4% C h.th = 0,2% C 0 (%) h, cm β β* t β (năm) t β' (năm) β β* t β (năm) t β' (năm) 2 5 5 3 2 3 12 11 6 5 4 21 20 11 9 1,0 5 0,62 0,64 33 31 0,85 0,95 17 14 2 9 8 3 3 3 20 17 7 6 4 35 31 12 11 0,8 5 0,48 0,51 54 48 0,81 0,86 19 17 2 21 18 4 4 3 47 41 9 8 4 83 73 17 15 0,6 5 0,31 0,33 129 122 0,69 0,74 26 23 Đồng thời với quá trình xâm thực Clo ta cũng phải xét đến quá trình cacbonnat hóa bêtông với công thức sau: hc tAh = (8) ⇒ 2 2 hc A h t = (9) Trong đó: h - chiều sâu cacbonnat bêtông; t hc - thời gian khuếch tán CO 2 trong bêtông; A, cm/năm - hệ số thực nghiệm. CT 2 Theo kết quả nghiên cứu cacbonnat hóa bêtông người ta đã đưa ra phương trình phụ thuộc giữa h và t hc như sau: 2 hc h 76,1X/N6.4 2,7 t − = (10) Với t hc - thời gian cacbonat hóa lớp bêtông bảo vệ; N/X - tỉ lệ nước/ximăng trong bêtông. Từ (9) và (10) ta có: )76,1X/N6,473,0A −= (11) Đối với bêtông kết cấu cầu: Với cầu cũ: Tỷ lệ N/X thường từ 0,4-0,55 thì giá trị của hệ số A bằng 0,2 đến 0,35. Xét một trường hợp phổ biến với Co = 0,8%; C y,t = 0,4%; D = 0,5 cm 2 /năm. Ta có 707,0D ==α và 5,0 C C 1 Dt2 y erf 0 th =−= và 48,0 = β . Với tỉ lệ N/X = 0,5 ta có A = 0,27, từ (5) 2 2 2 h h17,2 48,02 h t = × =⇒ . Từ (10) ⇒ t hc = 13,72 h 2 . Khi so sánh 2 giá trị t h và t hc ta dễ dàng nhận thấy quá trình xâm thực Clo dẫn đến ăn mòn cốt thép nhanh hơn rất nhiều so với quá trình cacbonat hóa bêtông. Điều này cũng đã được khẳng định qua nhiều các nghiên cứu khác về kết cấu BTCT cầu. Giai đoạn 2: Bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép Giai đoạn 2 của quá trình ăn mòn được bắt đầu bằng sự ăn mòn cốt thép, tiếp theo đó là sự hình thành và phát triển vết nứt tại lớp bêtông bảo vệ. Vết nứt hình thành dọc theo chiều của cốt thép chủ. Có thể coi như giai đoạn 2 kết thúc khi vết nứt mở rộng với bề rộng đạt tới 0,3mm. r H = r 0 + Δ (12) Với r H và r O - bán kính cốt thép ban đầu và sau khi ăn mòn; Δ - chiều sâu ăn mòn. Ta coi như toàn bộ phần cốt thép bị ăn mòn (gỉ) sẽ chuyển dịch xuống dưới, cho nên chuyển vị của bêtông sẽ bằng 2 lần chiều sâu ăn mòn: f = 2Δ (13) Khi đó sự chuyển vị của gỉ sẽ tạo nên một áp lực P xuống bêtông ở phía dưới nó sẽ gây phá hủy bêtông sinh ra vết nứt. CT 2 Xét một phần của kết cấu có chứa thanh cốt thép bị ăn mòn, coi đó như một dầm giản đơn với 2 đầu ngàm và chịu lực P, như vậy ta có : 2 M3,5Pl W 8h σ= = (14) với Pl M 8 = - mômen uốn tại ngàm; 2 h W 3,5 = - mômen quán tính của mặt cắt có xét đến tính chất đàn hồi dẻo của bêtông. Chuyển vị lớn nhất của mặt cắt dầm: 33 l 3 2 Pl 12Pl Pl f 192EJ 192Eh 16Eh == = 3 3 (15) với J = h 3 /12 - momen quán tính của mặt cắt; E – mô đun đàn hồi của bêtông. Từ (13) suy ra: 3 3 32Eh P l Δ = (16) Từ (14) suy ra: 3 3 2 32Eh 3,5l 14 Eh l 8h l Δ Δ σ= = 2 (17) Giá trị trung bình cường độ của bêtông khi chịu kéo thường bằng R tb = 2R bt với R bt - ứng suất kéo tính toán của bêtông. Khi giá trị ứng suất trong bêtông bt R2 = σ với xác suất 0,5 sẽ hình thành vết nứt tại lớp bêtông bảo vệ. Như vậy giá trị của tổn thất do ăn mòn Δ khi hình thành vết nứt trong bêtông sẽ là: 2 b t 2R l 14Eh Δ= (18) Khi vết nứt tại lớp vỏ bêtông đạt tới bề rộng 0,3 mm thì tốc độ ăn mòn cốt thép sẽ diễn ra nhanh hơn rất nhiều lần, ta coi lúc đó quá trình ăn mòn đã chuyển sang giai đoạn phát triển tiếp theo. Để đánh giá mối liên hệ giữa 2 đại lượng độ mở rộng vết nứt (δ)và đại lượng tổn thất do ăn mòn (Δ) ta coi rằng lớp bêtông sẽ chuyển vị xoay quanh 2 điểm cố đinh thớ bên trên 2 đầu dầm và chuyển vị là rất nhỏ so với bề rộng l đang xét. Từ hình 2 mô tả sự hình thành vết nứt của bêtông ta có: h4 l f δ = (19) CT 2 Bên cạnh đó f = 2 , suy ra: Δ f 28h l δ Δ= = (20) Như vậy mối liên hề giữa 2 đại lượng (δ) và (Δ) được thiết lập thông qua công thức (20). Theo tính toán với điều kiện tốc độ ăn mòn khoảng 0,02 mm/năm thì giai đoạn 2 của mẫu dầm bêtông như trên sẽ kéo dài khoảng 5 năm (δ = 0,3 mm). So sánh mô hình tính như trên với các thí nghiệm của Viện nghiên cứu xây dựng Madrid [3] ta thấy có sự phù hợp tương đối. Độ mở rộng vết nứt (δ) mm Chiều sâu ăn mòn (Δ), μm theo công thức (20) Chiều sâu ăn mòn (Δ), μm theo tính toán của [3] 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,5 1,0 17 33 67 100 130 150 300 15-50 15-50 100-300 100-300 100-300 100-300 300 Giai đoạn 3: Sự phát triển nhanh chóng của ăn mòn Tốc độ ăn mòn cốt thép trong giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu và điều kiện khai thác công trình. Để đánh giá ta có thể xem xét vấn đề dựa trên 2 quan điểm sau: 1. Sử dụng các số liệu sẵn có để đưa vào nghiên cứu và đánh giá chất lượng công trình. Tất cả các số liệu này đều có một khoảng tin cậy nhất định. Người ta đã đưa ra 3 dạng dự đoán theo hướng: tích cực, trung bình và tiêu cực. Tương ứng theo đó là các gía trị biên trên, biên dưới và giá trị trung bình của khoảng tin cậy. Tuy nhiên việc các thông số trên thường có một khoảng dao động khá lớn, ví dụ như độ ẩm tương đối từ 50 đến 95% thì tốc độ ăn mòn của thép trong vùng bê tông đã bị cacbonat hóa thay đổi từ 0 đến 50 μm/năm v.v [4]. Vì vậy vấn đề của chúng ta là phải tổ chức thu thập và hệ thống hóa các số liệu ăn mòn thép của kết cấu xây dựng, bao gồm trong đó có ăn mòn cốt thép của kết cấu bêtông, trong sự phụ thuộc liên quan đến rất nhiều các yếu tố khác. Khi đó công tác chuẩn đoán sẽ trở nên đáng tin cậy hơn. 2. Xem xét cụ thể sự liên quan giữa mất mát ăn mòn và bề rộng vết nứt do ăn mòn. Có rất nhiều các hướng ăn mòn cốt thép trong vùng phân bố vết nứt của mỗi một vết nứt khác nhau. Từ đó ta mới có thể đánh giá môt cách chính xác cho mỗi một công trình cụ thể. Trong giai đoạn này, phương trình ăn mòn cốt thép có dạng đường cong bậc 2 theo thời gian: () ( ) 2 21 )tt(uttVth −+−= (21) CT 2 u - hệ số góc của đường cong. Từ các số liệu thực nghiệm ta xây dựng đường cong ăn mòn, cũng có nghĩa là xác định hệ số góc u của phương trình từ đó có thể đưa ra các dự đoán về sự phát triển sau này của quá trình. III. KẾT LUẬN Việc mô hình hóa quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông thông qua các phương trình và các đường cong tính toán giúp chúng ta có thể tiếp cận sâu hơn trong vấn đề chuẩn đoán trạng thái làm việc cũng như sức chịu tải còn lại của kết cấu. Tất cả các tính toán và dự đoán đều phải dựa trên cơ sở các số liệu thu thập được từ các thử nghiệm trên thực tế công trình. Từ đó ta có thể đưa ra được những khuyến cáo và các biện pháp duy tu bảo dưỡng kết cấu một cách hợp lí. Tài liệu tham khảo [1]. EN206 Concrete - Performance, production ad Conformity. [2]. Brontein A.U, Semendiev K.A. Tuyển tập toán học. [3]. A. Sarja and E.Vesikari.Espo. Duability Design of Concrete Structures. RILEM. Report of TC 130 - CSL. Finland, 1994. [4]. Vasiliev A.U. Đánh giá xác suất thời hạn làm việc của kết cấu BTCT♦ . MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU NCS. ĐỖ MINH HIẾU Trường MADI - Moscow - Liên Bang Nga Tóm tắt: Bài báo mô tả 3 giai đoạn phát triển của quá trình. đầu quá trình ăn mòn cốt thép Giai đoạn 2 của quá trình ăn mòn được bắt đầu bằng sự ăn mòn cốt thép, tiếp theo đó là sự hình thành và phát triển vết nứt tại lớp b tông bảo vệ. Vết nứt hình. [4]. Vì vậy vấn đề của chúng ta là phải tổ chức thu thập và hệ thống hóa các số liệu ăn mòn thép của kết cấu xây dựng, bao gồm trong đó có ăn mòn cốt thép của kết cấu b tông, trong sự phụ thuộc