Một vài nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép trong quá trình khai thác biện pháp khắc phục

Tổng hợp tất cả các yếu tố khí hậu nói trên kết hợp với nồng độ muối cao trong không khí cho thấy khí quyển ven biển Việt Nam là môi trường xâm thực mạnh đối với kết cấu bê tông cốt thép

Mục lục

Chương mở đầu: Giới thiệu tổng quan 3

Chương 1: Một số nguyên nhân gây hư hỏng và phương pháp thu thập thông tin đối với cầu bê tông cốt thép đang khai thác 1.1 Một số nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép đang khai thác 6

1.1.1 Các hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu 6

1.1.1.1 Sự phá hủy lý hóa của bê tông 6

1.1.1.2 Sự hư hỏng do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông 11

1.1.1.3 Sự hư hỏng về nứt do co ngót bê tông 15

1.1.2 Những hư hỏng do khảo sát, thiết kế có sai sót 15

1.1.2.1 Những hư hỏng do tính toán kết cấu 16

1.1.2.2 Những hư hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt 18

1.1.3 Những hư hỏng liên quan đến thi công chế tạo 19

1.1.3.1 Bê tông 19

1.1.3.2 Cốt thép trong bê tông 19

1.1.3.3 Bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo 20

1.1.3.4 Những sai sót trong quá trình thi công 20

1.1.4 Những hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng 21

1.1.4.1 Nứt do cấu kiện chịu nhiệt quá tải 21

1.1.4.2 Trạng thái nứt do lún không đều của công trình 22

1.1.4.3 Trạng thái nứt do mỏi 22

1.2 Các phương pháp thu thập thông tin về cầu bê tông cốt thép đang khai thác 23

1.2.1 Mục tiêu của thu thập thông tin 23

1.2.2 Nguyên tắc trong thu thập thông tin 23

1.2.3 Các hình thức và mức độ kiểm tra thu thập thông tin 23

1.2.3.1 Kiểm tra thường xuyên 23

1.2.3.2 Kiểm tra định kỳ 24

1.2.3.3 Kiểm tra đặc biệt 24

1.2.4 Các phương pháp kiểm tra vật liệu 24

1.2.4.1 Phương pháp phá hoại mẫu 24

1.2.4.2 Phương pháp không phá hoại mẫu NDT 25

1.2.4.3 Sử dụng kết hợp các phương pháp 28

1.2.5 Các phương pháp đo đạc hiệu ứng kết cấu 30

1.2.5.1 Thử tải tĩnh 30

1.2.5.2 Thử tải động 31

1.2.5.3 Đo đạc trong thời gian dài 31

1.2.6 Trang thiết bị được sử dụng 31

Chương 2: Phương pháp xác định sự suy giảm chất lượng cầu BTCT đang khai thác

2.1 Giới thiệu chung 33

2.1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với công trình xây dựng 34

2.1.2 Quy trình chẩn đoán kỹ thuật 34

2.1.3 Phương pháp đánh giá sự suy giảm chất lượng công trình cầu 35

2.1.3.1 Phương pháp thống kê 35

2.1.3.2 Phương pháp cơ học 36

2.1.4 Các mức độ của việc chẩn đoán đánh giá cầu 38

2.1.5 Ưu nhược điểm của hai phương pháp chẩn đoán cầu 39

2.2 Xây dựng bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với cầu BTCT 40

2.2.1 Mục tiêu của bài toán 40

2.2.2 Sơ đồ giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu BTCT 40

2.2.2.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống 40

2.2.2.2 Theo quan điểm thống kê 41

2.2.3 Giải bài toán chẩn đoán, đánh giá cầu BTCT 42

2.2.3.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống 42

2.2.3.2 Theo quan điểm thống kê 50

Chương 3: Các biện pháp sửa chữa khắc phục hư hỏng cầu BTCT 3.1 Nguyên tắc xử lý các hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép 58

3.1.1 Đối với các vết nứt bê tông 58

3.1.2 Xử lý các vết nứt 59

3.1.3 Đối với những hư hỏng bong vỡ bê tông 60

3.1.4 Đối với cốt thép và khu vực quanh cốt thép 61

3.2 Các loại vật liệu chuyên dùng cho công tác sửa chữa cầu BTCT 61

3.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu chuyên dùng cho công tác sửa chữa cầu BTCT 62

3.2.2 Chuẩn bị bề mặt liên kết và làm sạch khu vực sửa chữa 63

3.3 Giới thiệu một vài biện pháp sửa chữa điển hình đã áp dụng tại Việt nam 64

3.3.1 Biện pháp sửa chữa bằng vật liệu truyền thống 64

3.3.2 Biện pháp phun bê tông 64

3.3.3 Phun keo êpôxy 66

3.3.4 Thêm cốt thép 67

3.3.5 Sử dụng vật liệu bê tông polyme cốt sợi 68

3.4 Các biện pháp sửa chữa dầm cầu do Viện KHCN GTVT nghiên cứu áp dụng 69

3.4.1 Vật liệu bê tông polyme PEX do Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo 69

3.4.2 Sửa chữa phục hồi dầm bằng tăng cường thêm dự ứng lực ngoài 74

3.4.3 Sửa chữa tăng cường dầm bằng phương pháp dán bản thép 76

3.4.4 Áp dụng thực tế sửa chữa phục hồi cầu Muối 79

3.4.5 Áp dụng thực tế sửa chữa phục hồi cầu Đa Phúc 84

Kết luận 88

Tài liệu tham khảo 90

Chương mở đầu

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Trong hệ thống đường bộ Việt nam có một khối lượng cầu bê tông cốt thép khá lớn với nhiều chủng loại khác nhau Khi những công trình cầu bê tông cốt thép đầu tiên được xây dựng, chưa qua thử thách với môi trường và thời gian, không ít người nghĩ rằng bê tông cốt thép là một loại vật liệu vĩnh cửu Song về sau qua một thời gian sử dụng thực tế, người ta đã nhận ra rằng vật liệu này có những nhược điểm cơ bản như:

- Khối lượng nặng nề thông qua tỷ số giữa trọng lượng thể tích với cường độ vật liệu, gây tốn kém cho nền móng

- Bê tông dù với độ đặc theo công nghệ thi công hiện hành cũng mang tính rỗng, đễ

bị thấm nước hoặc bị mao dẫn

- Trong quá trình rắn kết bê tông bị co ngót, tạo ra trạng thái nứt, làm mất tính toàn khối và khả năng chống thấm của kết cấu

- Bê tông dễ bị nứt nhỏ vì cường độ chịu kéo quá thấp Đây chính là nguyên nhân chung của mọi trạng thái nứt khác nhau

- Bê tông là loại vật liệu bị biến đổi bởi quá trình lão hoá Quá trình suy thoái này xảy

ra trên cả ba phương diện cơ học, hoá học và vật lý

- Khả năng dính bám giữa bê tông mới với bê tông cũ thi công ở các thời điểm khác nhau là rất kém, nhất là khi chịu tải trọng động

- Nhược điểm chính của dầm cầu bê tông cốt thép là khi chịu tải trọng, khi ứng suất

tông khi chịu kéo không thể vượt quá 0,15-0,20%

Chính những nhược điểm trên là một trong những nguyên nhân gây hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt thép nói riêng, làm giảm độ tin cậy

và tuổi thọ công trình

Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay đa phần các cầu trên phải gánh một lượng vận tải lớn, nhiều khi vượt quá tải trọng cho phép Mặt khác, những công trình cầu cũ ở nước ta còn chịu ảnh hưởng của môi trường, chiến tranh và công tác duy tu

bảo dưỡng không được thường xuyên Chính vì vậy nên có rất nhiều cầu cũ đang trong tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng Việc xây dựng các cầu mới để thay thế các cầu cũ là rất khó thực hiện do thiếu vốn, do đó việc gia cố, sửa chữa, tăng cường các cầu này là giải pháp cơ bản nhất, hiện thực và cấp bách nhất Để tiếp tục tận dụng, khai thác và phát huy khả năng làm việc của công trình cần phải đánh giá, phân loại hiện trạng và nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó nghiên cứu các giải pháp

xử lý

Hiện nay ở trên thế giới, đối với những cầu BTCT đã thực hiện những loại sửa chữa như : Công nghệ phun sơn êpôxy trên bề mặt bê tông nhằm hạn chế thâm nhập môi trường vào bê tông làm gỉ cốt thép Công nghệ phun vữa-keo để xử lý vết nứt của kết cấu BTCT, trám vá các mảng vỡ Công nghệ sửa chữa gỉ cốt thép trong kết cấu BTCT Công nghệ sửa chữa cầu BTCT bằng dự ứng lực ngoài Công nghệ dán bản thép, vải sợi các bon

Ở Việt Nam việc sửa chữa các cầu BTCT cũng theo những phương hướng đã được thực hiện trên thế giới Chúng ta đã nghiên cứu các loại vật liệu để trám vá vỡ bê tông, phun vào các vết nứt Viện KHCN GTVT đã nghiên cứu chế tạo thiết bị để phun keo vào sâu trong vết nứt; áp dụng công nghệ sửa chữa cầu BTCT bằng dự ứng lực ngoài do hãng Fressinet (Pháp) chuyển giao trong sửa chữa cầu Niệm; cầu chữ Y: sửa chữa đứt cáp ngang bằng dự ứng lực ngoài; sửa chữa tăng cường nhiều cầu bằng DƯL ngoài (cầu Đa Phúc, Châu ổ, Tân Thuận, Chữ Y, An Dương, Sài Gòn ); ngoài ra còn nghiên cứu sửa chữa và tăng cường cầu bằng công nghệ dán bản thép Với mục đích nâng cao hiệu quả của quá trình khai thác, phát huy khả năng làm việc cũng như nâng cao độ tin cậy của các công trình cầu bê tông cốt thép trong điều kiện Việt nam Trong luận án này tác giả sẽ giải quyết việc tìm hiểu các nguyên nhân gây nên sự hư hỏng trong các kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép; Xác định phương pháp thu thập thông tin từ đó chọn phương pháp tính toán đánh giá sự suy giảm chất lượng

để đề xuất biện pháp khắc phục có hiệu quả các hư hỏng Trên cơ sở đó áp dụng kết quả nghiên cứu trong sửa chữa các cầu bê tông cốt thép cũ đang khai thác trên hệ thống mạng giao thông đường bộ ở nước ta

Tên của luận án là: Một vài nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép đang khai thác, biện pháp khắc phục

Nội dung của luận án gồm 3 chương:

Chương 1: Tìm hiểu một số nguyên nhân gây hư hỏng và phương pháp thu thập thông tin đối với dầm cầu BTCT đang khai thác

Chương 2: Phương pháp xác định sự suy giảm chất lượng dầm cầu BTCT đang khai thác

Chương 3: Các biện pháp sửa chữa khắc phục hư hỏng dầm cầu BTCT

Qua thực tế các công trình cầu BTCT cũ đã được tham gia sửa chữa và tham khảo kết quả của các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước cùng một số công trình cầu đã và đang sửa chữa khác, mục tiêu mà luận văn muốn đạt được là nghiên cứu đề xuất biện pháp sửa chữa cầu BTCT một cách có hiệu quả xuất phát từ việc xác định rõ nguyên nhân gây hư hỏng và chữa đúng bệnh Luận văn giới thiệu một loại vật liệu sửa chữa cầu BTCT cũ có nhiều ưu điểm do Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo và đã được dùng cho một số công trình là vật liệu bê tông polyme PEX Đồng thời giới thiệu hai biện pháp sửa chữa tăng cường cầu BTCT cũ là : Tăng cường thêm dự ứng lực ngoài và dán bản thép tăng cường cho dầm BTCT Các kết quả nghiên cứu này được thí nghiệm tại phòng Công nghệ Vật liệu – Viện KHCN GTVT và đã được áp dụng vào sửa chữa các công trình cầu BTCT đang khai thác do Viện KHCN GTVT triển khai

Chương 1

MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN ĐỐI VỚI DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC

1.1 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC

Sự hư hỏng của cầu bê tông cốt thép có thể do những nguyên nhân chính sau:

- Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường, bão, lũ lụt

- Khảo sát và thiết kế có sai sót

- Sai sót trong quá trình thi công

- Trong quá trình sử dụng, thiếu duy tu sửa chữa, khai thác quá tải

1.1.1 Các hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường 1.1.1.1 Sự phá hủy lý hóa của bê tông

Dạng hư hỏng này có thể xảy ra do các tác động bên ngoài hoặc do thành phần của bản thân bê tông Phản ứng hóa học phổ biến nhất xảy ra dưới tác dụng của sự ngậm nước và thẩm thấu của nước Khi kết cấu thay đổi liên tục giữa ẩm và khô, nước thấm qua bê tông sẽ hòa tan một vài thành phần, khi đó làm tăng độ rỗng Hiện tượng này sẽ kéo theo sự xuất hiện của sùi mặt thành mụn và vỡ mủn Các phá hủy này thường do một số các tác động sau:

a Sự hư hỏng do tác dụng cacbonat hóa bê tông

độ Tỉ lệ đó thay đổi theo điều kiện địa lý Ở khu vực đô thị hay trung tâm dân cư,

quyển tác động trở lại trên các vùng chứa vôi ở vữa xi măng để tạo ra cacbonat canxi

khoảng 9, thường là không đủ để bảo vệ cốt thép chống lại sự ăn mòn Phản ứng được viết như sau:

nước + gốc alcali

Cơ chế phản ứng phụ thuộc vào mối quan hệ phức tạp Sự cacbonat hóa thực hiện bắt đầu từ điôxít cacbon tan trong nước phản ứng với vôi thông qua sự hòa tan Trong

và nó giảm khi nằm ở khu vực giàu tính kiềm Phản ứng này tăng trưởng dần từ ngoài vào trong theo tốc độ thay đổi rất lớn và xảy ra theo nhiều giai đoạn:

-Nhiều thành phần của vữa ximăng pooclăng có thể phản ứng (C – S – H, C – A – H)

và có thể hình thành CaCO3

Cuối cùng trong bê tông đã cacbonat hóa, người ta có thể phân biệt 3 vùng:

- Bê tông hoàn toàn bị cacbonat hóa (pH gần 8,3)

- Bê tông bị cacbonat hóa từng phần (pH gần 10)

- Bê tông nguyên, pH gần 13,5 –12,5 (kiềm bị khuyếch tán)

Để theo dõi sự tiến triển của hiện tượng cacbonat hóa, cần phải xác định chiều sâu cacbonat hóa theo một trong hai phương pháp sau:

- Phương pháp xác định sự mất trọng lượng của các thành phần trong vữa

- Phương pháp kiểm tra bằng phenonlphtalin (tương đương với pH = 9,1)

Về mặt tính thụ động của cốt thép, có thể định nghĩa vùng giới hạn cacbonat hóa bắt đầu từ pH = 11

Những kết quả thí nghiệm đã khẳng định có sự quan hệ giữa độ sâu cacbonat hóa tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian:

x = D t

trong đó:

Phương trình trên cho thấy cơ chế của việc khuyếch tán CO2 điều khiển sự tác động của cacbonat hóa Các sản phẩm của sự cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc xốp của

bê tông bằng cách làm giảm độ chống thấm của nó Người ta cũng xác định có giá trị

Với một công trình đang sử dụng, xác định D không dễ dàng Nó đụng chạm đến tất

cả các khả năng không chắc chắn của mô hình và lịch sử công trình

Có hai phương pháp xác định hệ số khuyếch tán D, đó là:

- Phương pháp thực nghiệm bằng cách đo độ sâu của sự cacbonat hóa ở từng thời

thuộc của D với sự thẩm thấu của không khí trên bề mặt của bê tông đo bằng máy bơm chân không

- Phương pháp bán thực nghiệm bằng cách xác định các thông số chính ảnh hưởng đến D và tổ hợp các kết quả thí nghiệm Các thông số đó là độ ẩm và thành phần bê tông Với thông số độ ẩm, ngườig ta rút ra nhận xét rằng các bê tông bão hòa không

ứng hóa học khi không có nước) Với thành phần bê tông nào đó có rất nhiều các thông số: nước/xi măng (N/X), loại và lượng xi măng, loại và lượng phụ gia, lượng nước, sự có mặt của chất làm lỏng, làm dẻo, sự có mặt của các chất tạo khí, độ bền cơ học, chất lượng trộn trong đó có 2 thông số chính là lượng vôi có thể phản ứng và

sự thẩm thấu của nguyên liệu

b Sự hƣ hỏng nguyên nhân do kiềm hóa

Hiện tượng ăn mòn có trong đá xi măng xảy ra ngay trong lòng khối bê tông giữa các phần tử với nhau Bản thân clinke luôn chứa một lượng các chất kiềm Trong khi đó trong cốt liệu bê tông, đặc biệt là trong cát, lại hay gặp hợp chất silic vô định hình (opan, chanxeđôn, thủy tinh núi lửa) Chúng có thể tác dụng với kiềm của xi măng ở ngay nhiệt độ thường làm cho bề mặt của hạt cốt liệu nở ra, bê tông sẽ phồng lên theo mọi hướng, sau đó tạo thành một hệ thống vết nứt theo ô lưới khoảng 30 cm mỗi chiều cho đến khi kết cấu bị phá hủy hoàn toàn Do sự phồng rộp của bê tông, mà khí

dung dịch nội bao, đây chính là khởi điểm của hiện tượng cacbonat hóa mà chúng ta

đã biết ở trên Hiện tượng hư hỏng do ăn mòn kiềm hóa diễn ra chậm và kéo dài hàng năm, có thể hạn chế chúng bằng cách lựa chọn thành phần bê tông thích hợp

c Sự hƣ hỏng nguyên nhân do tác dụng của clorua và sunfat

Nguyên nhân này chính là do tính chất xâm thực của môi trường ven biển có chứa các muối là sản phẩm của phản ứng giữa axit và bazơ Các dung dịch của các muối axit mạnh và bazơ mạnh có pH trung tính (pH = 7) Ngược lại sự thủy phân các muối của bazơ mạnh với axit yếu và của axit mạnh với bazơ yếu dẫn đến các dung dịch có thể có tính kiềm hoặc axit Quá trình tấn công của các dung dịch muối rất phức tạp,

nó không phụ thuộc vào tính chất các axit gốc của muối mà còn vào áp lực của chúng với các ioncanxi và các ion OH -

thủy phân của chất dính kết và vào tính chất giãn nở tức thời

Các clorua, ngoài tác dụng xấu lên cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép, còn có thể

là nguyên nhân gây nên sự hư hỏng của chất dính kết nếu chúng có nồng độ cao (như môi trường kiềm nhiễm mặn), hoặc ngay cả nồng độ thấp (< 1000mg/l)

theo sự mất dần canxi, nó được gắn liền vào hệ số tốc độ khuyếch tán trong bê tông của các ion Cl – với các cation kết hợp Các ion Cl – xâm nhập rất nhanh vào sâu trong vữa xi măng, tác dụng như một màng bám thấm Chúng trao đổi với các ion OH–

tan và thấm ngược Các cation kiềm thổ ít di động hơn sẽ kết tủa trên bề mặt của bê

Hơn nữa một phần các clorua được gắn bởi silicat canxi ngậm nước và dưới dạng mono cloro aluminat canxi 3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O; chất sau này phản ứng với aluminat canxi và tạo ra ximăng

Các ảnh hưởng của sunfat cũng là một trong những nguồn quan trọng của sự xuống cấp của bê tông, nó có thể được thể hiện dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí Nhưng do nguyên nhân gì đi nữa, tác dụng của nó ở trạng thái rắn và khí đều cần tới sự có mặt của nước dưới dạng chất lỏng hoặc hơi

Các sunfat có thể có nguồn gốc tự nhiên, sinh học hoặc từ các chất bẩn sinh hoạt hoặc công nghiệp Nước mưa, đặc biệt mưa axit có thể có chứa sufat dưới dạng axit sunfuric, rất đáng sợ cho bê tông mới cứng rắn

Nước biển Việt Nam có chứa một số muối mang tính xâm thực bê tông và cốt thép

Không khí vùng biển khác so với không khí trong nội địa, có chứa hàm lượng ion clorua cao Kết quả điều tra sơ bộ về nồng độ ion clorua trong khí quyển ở một số địa phương ven biển Việt Nam cho thấy hàm lượng muối dần theo chiều sâu vào đất liền

và theo chiều cao cách mặt biển Ảnh hưởng của khí hậu biển có thể vào sâu trong đất liền tới trên 5 km

Nét đặc trưng cơ bản của khí hậu Việt nam là độ ẩm rất cao (>80%) Nhiệt độ trung bình tương đối lớn Miền Nam có nhiệt độ cao hơn miền Bắc Tuy nhiên miền bắc lại

có biên độ dao động lớn hơn miền Nam và kèm theo nhiều ngày sương mù gây ẩm ướt trực tiếp lên bề mặt kết cấu Một yếu tố cần phải kể tới nữa là hiện tượng mưa rào đột ngột ở Việt Nam tạo nên các chu kỳ khô - ẩm và làm tăng quá trình thẩm thấu chất xâm thực vào bê tông Các đợt gió mùa cũng như giông bão góp phần đưa lượng muối lớn vào đất liền

Tổng hợp tất cả các yếu tố khí hậu nói trên kết hợp với nồng độ muối cao trong không khí cho thấy khí quyển ven biển Việt Nam là môi trường xâm thực mạnh đối với kết cấu bê tông cốt thép và có những đặc thù riêng so với vùng biển khác trên thế giới: Tùy theo tính chất xâm thực của từng vùng (vùng ngập nước, vùng nước lên xuống, vùng khí hậu ven biển) mà quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép có khác nhau

d Sự xuống cấp của bê tông có nguồn gốc sinh học

Các loại nước bẩn nhỏ xuống ở trong đó xảy ra các phản ứng vi sinh vật hiếm khí và yếm khí, có khả năng làm hư hỏng bê tông Các vùng dễ bị hư hỏng là các vùng ở nơi

đó có các nồng độ của các chất thải lớn, tốc độ chảy thấp và nhiệt độ cao

vi sinh vật sunfo kỵ khí lên các lớp chất hữu cơ hay vô cơ của lưu huỳnh có chứa

sunfuric H2SO4 bằng cách tự đóng lại trên các thành ẩm ướt ở trên mực nước và bị oxy hóa bằng các vi sinh vật hiếm khí và nó có thể gây ra sự xuống cấp quan trọng của bê tông bởi sự tác động của axit một phần và phần khác bởi sự phồng lên do có mặt của SO2

khu vực đông dân cư như thành phố, thị trấn, những nơi vệ sinh môi trường kém, nước bẩn tù đọng

1.1.1.2 Sự hƣ hỏng do hiện tƣợng ăn mòn cốt thép trong bê tông

Kết cấu bê tông cốt thép bị phá hủy chủ yếu bởi ăn mòn cốt thép Việc ăn mòn cốt thép sẽ dẫn đến nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ phá hủy kết cấu Thực trạng này thường gặp ở các công trình hay bộ phận công trình nằm trong vùng nước thủy triều lên xuống hoặc khu vực gần bờ biển Điều kiện cần để cốt thép bắt đầu gỉ là độ pH trong

0,4 % xi măng Để quá trình ăn mòn cốt thép phát triển mạnh còn phải cần tới oxy và hơi nước thẩm thấu vào bê tông Sự suy giảm pH của bê tông trong vùng biển được gây nên do rửa trôi hoặc quá trình cacbonat hóa trong khí quyển Trong thực tế các quá trình trên diễn ra tương đối chậm và thường không phải là nguyên nhân chính gây ra gỉ cốt thép Ở đây sự tích tụ ion Cl- trong bê tông qua quá trình sử dụng mới là

thân lớp bê tông bảo vệ (chiều dày, khả năng chống thẩm thấu) và phụ thuộc vào điều kiện môi trường Qua quá trình nghiên cứu cho thấy các nguyên nhân chính gây ăn mòn thép trong bê tông như sau:

a Ăn mòn điện hóa

Quá trình đó gồm hai phần: Hòa tan anốt kim loại và phản ứng catôt

+ Quá trình xảy ra tại anôt cục bộ diễn ra như sau: Nguyên tử kim loại có xu hướng trở về trạng thái nghèo năng lượng nên khi có chất điện li (nước, cation axit, muối ),

nó sẽ rời khỏi mạng lưới tinh thể và trở thành ion mạch điện trong dung dich Một số lượng các điện tử tự do tương ứng sẽ trở lại trên bề mặt của thép

màng nước trên bề mặt cốt thép thu nhận Các oxy này hấp thụ nước và biến thành

-4e- + O2 + 2H2O 4(OH)

-Sự cân bằng tích điện trong chất điện ly đạt được qua sự kết hợp các ion Hyđrô với các ion sắt Tùy thuộc độ ẩm và sự có mặt của oxy mà phản ứng xảy ra qua nhiều bước trung gian để tạo ra các sản phẩm gỉ khác nhau dưới dạng công thức chung sau:

Sơ đồ quá trình gỉ cốt thép do ăn mòn điện hóa

b Gỉ cốt thép trong bê tông vùng bị nứt

Tại vùng có xuất hiện vết nứt với bề rộng nhất định, cũng trong điều kiện môi trường bình thường không chứa các tác nhân gây ăn mòn, cơ chế gỉ cốt thép có thể có hai dạng khác nhau tùy thuộc vào khả năng thâm nhập của oxy qua lớp bê tông bảo vệ đến bề mặt của cốt thép, hai cơ chế đó có thể tóm tắt như sau:

- Cơ chế 1: bê tông có đủ độ chặt và chiều dày lớp bê tông bảo vệ đủ để cho ôxy không thâm nhập được lên bề mặt cốt thép mà chỉ có thể có mặt tại chỗ có vết nứt xuất hiện mà thôi Do vậy vùng tác dụng của catốt và anốt sát nhau ngay trong phạm

vi của vết nứt Sản phẩm gỉ tạo thành sẽ lấp đầy vết nứt ngăn sự thâm nhập của oxy,

- Cơ chế 2: loại này được nghiên cứu thực nghiệm chứng minh là thường xảy ra hơn

Cơ chế này xảy ra khi mà bê tông có độ rỗng, không đủ chặt, bề dày lớp bảo vệ không đủ ngăn cản sự thấm nhập của ôxy lên bề mặt cốt thép và cả những vùng không có vết nứt Lúc đó, anốt sẽ là bề mặt thép có lớp thụ động đã bị gỉ ngay tại vết nứt và catốt là bề mặt thép nằm trong bê tông chưa nứt ngay bên cạnh Quá trình gỉ chỉ có thể xảy ra nếu như bê tông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất định và lúc này đã có sự phân cực cách biệt giữa catôt và anôt

Qua đây chúng ta thấy rõ khả năng chống thấm của lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò quan trọng đến mức nào đối với quá trình gỉ của cốt thép Bê tông không đủ độ chặt, lớp bảo vệ không đủ chiều dày không những tạo điều kiện để oxy thâm nhập mà còn

đủ hút ẩm để dẫn điện tạo nên dòng điện ly

Sự có mặt của oxy và dòng điện ly là hai điều kiện cần và đủ để gây gỉ; cũng vì thế ở môi trường khô ráo do bê tông không đủ dẫn điện, nên cốt thép ít bị gỉ còn trong môi trường ngấm nước hoàn toàn thì có dòng điện ly, nhưng nước lại ngăn cản sự thấm nhập của oxy qua bê tông nên cốt thép cũng ít bị gỉ Gỉ sẽ xảy ra mạnh nhất, khi môi trường có độ ẩm không khí 85% - 95% (là độ ẩm trung bình hàng năm của nước) và nhất là khi độ ẩm thay đổi thường xuyên để tạo chu trình khô cho oxy thấm nhập, sau

đó độ ẩm tạo dòng điện ly dẫn đến gây gỉ Cũng vì vậy, các vùng tiếp giáp giữa nước

và không khí, các vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp của ẩm với khô, của mưa rồi nắng là những vùng mà cốt thép trong bê tông dễ bị gỉ nhất

Nhiều kết quả thí nghiệm chúng minh rằng bề rộng vết nứt đến 0,4mm chỉ đóng vai trò thứ yếu đến sự phát triển của gỉ trong bê tông so với trường hợp bê tông bị xốp, chiều dày lớp bảo vệ không đủ Tóm lại, trong môi trường bình thường quá trình gỉ của cốt thép trong bê tông, kể cả vùng không nứt cũng như vùng có vết nứt chỉ xảy ra khi tồn tại đồng thời các điều kiện sau:

- Bê tông bị cacbonat hóa đến tận chỗ đặt cốt thép, như vậy độ pH giảm xuống tạo điều kiện cho lớp bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ để tạo sự hòa tan kim loại anốt

- Bê tông phải đủ chứa được ẩm tạo dòng điện ly để các ion hydro xuất hiện trong phản ứng catốt chuyển sang anốt và kết hợp với ion sắt

Bê tông bị cacbonat hoá Bê tông bị cacbonat hoá

O2 O2 O2 O2

(OH) Fe (OH)

Cơ chế gỉ của cốt thép trong vùng bê tông có vết nứt

c Gỉ của cốt thép trong bê tông khi có mặt của các ion Cl –

nhân tố ảnh hưởng đến quá trình gỉ nhiều nhất Khi nồng độ clo thâm nhập đến cốt thép vượt quá chỉ số giới hạn, thì ngay cả đối với trường hợp bê tông không bị cacbonat hóa, quá trình gỉ cũng sẽ xuất hiện; còn nếu bê tông bị cacbonat hóa thì quá

thì nay lại dễ hòa tan hơn và dễ gây gỉ Sự có mặt của Cl– sẽ làm cho bê tông dẫn điện tốt hơn, tăng tốc độ gỉ của cốt thép nằm trong vùng bê tông bị cacbonat hóa

sau đây:

tạo nên quá trình anôt

- Phải có đủ lượng oxy thâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ lên bề mặt cốt thép để tạo nên quá trình catôt

- Để tạo dòng ion giữa catôt và anôt phải có đủ độ ẩm để dẫn điện trong bê tông Cũng tương tự như quá trình gỉ của cốt thép trong bê tông ở môi trường bình thường

thay đổi trong bê tông Tuy nhiên, khi hàm lượng Cl – vượt quá giới hạn, lớp thụ động bảo vệ cốt thép sẽ bị phá vỡ cục bộ, lúc này, trên bề mặt cốt thép sẽ xuất hiện những anốt nhỏ trong khi catốt lại lớn, kết quả là sẽ xuất hiện những vết gỉ sâu

Đối với điều kiện địa lý, khí hậu và thời tiết ở nước ta, các công trình cầu bê tông cốt thép thường được bố trí nằm tại các khu vực ven biển nên các hư hỏng về gỉ cốt thép

có đặc thù riêng Xét về bản chất vật liệu, bê tông và cốt thép được hình thành từ các vật liệu thông thường như hiện nay, không phải là không sử dụng được trong môi trường biển Vấn đề cần phải xét là nguyên nhân gì đã dẫn tới sự suy giảm độ bền nhanh chóng của các công trình bê tông cốt thép ven biển Việt nam Qua quá trình điều tra khảo sát ta có thể nhận thấy các nguyên nhân chính sau:

+ Mác bê tông và chiều dày lớp bảo vệ không phù hợp với môi trường biển

+ Sử dụng các vật liệu có độ nhiễm mặn cao

+ Giải pháp hoặc chi tiết thiết kế không phù hợp với môi trường nước mặn

+ Thiếu biện pháp bảo vệ bổ sung cho công trình nằm ở khu vực biển và giáp biển

1.1.1.3 Sự hƣ hỏng về nứt do co ngót bê tông

Nứt là hiện tượng hư hỏng do nhiều nguyên nhân gây ra Mọi nguyên nhân đều do nhược điểm chính của bê tông tạo thành Cường độ chịu kéo quá thấp, khoảng 5% của cường độ chịu nén Một đặc điểm đáng lưu ý ở bê tông xi măng có tỷ lệ N/X cao hơn so với bê tông có chất dính kết hữu cơ (bê tông polime)

Co ngót là hiện tượng thể tích thay đổi do mất độ ẩm (mất nước), nó là một đặc tính của bê tông Tỷ lệ N/X càng cao, sự chênh lệch giữa mức co ngót ở mặt ngoài và bên trong tiết diện càng nhiều, co ngót tạo ra biến dạng khối Tính chất của sơ đồ rất dễ nhận dạng vì quy luật của nó khá ổn định Cốt thép và cốt liệu cản trở sự biến dạng

co ngót Do đó hàm lượng cốt thép trong tiết diện bê tông càng cao, mức độ cản trở

co ngót càng lớn, càng dễ gây nứt

Bằng biện pháp cấu tạo và giảm tỷ lệ N/X đến mức thích hợp sẽ làm hạn chế đến mức tối đa hiện tượng nứt do co ngót bê tông

1.1.2 Những hƣ hỏng do quá trình khảo sát, thiết kế có sai sót

Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu hiện theo các dạng:

- Tính toán sai hoặc tính chưa đủ

- Chọn giải pháp kết cấu không tốt, không tôn trọng những nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình

a Tính toán bản mặt cầu không đạt

Trong các cầu BTCT do Pháp xây dựng đầu thế kỷ, bản mặt cầu kê trên dầm dọc và dầm ngang (kiểu kê trên 4 cạnh) được đổ tại chỗ, có chiều dày nhỏ (10-12cm), và chỉ

bố trí một lưới cốt thép 10mm Rõ ràng, do chỉ bố trí một lưới cốt thép chịu mô men âm tại nơi tiếp giáp với dầm dọc và ngang mà không xét đến mô men dương tại giữa bản nên bản hay bị nứt theo ô lưới tại giữa bản và dễ có khả năng bị chọc thủng

do tác dụng của những lực đặt tập trung

- Tính toán độ cứng theo phương dọc không đạt: Theo quy trình của Liên xô (cũ) và quy định của Pháp cũng như của một số nước châu Âu về bê tông dự ứng lực có hiệu lực đến năm 1983, cấm xuất hiện các ứng suất kéo theo phương dọc cũng như các vết nứt trong kết cấu bê tông dự ứng lực

Các vết nứt do độ cứng dọc

Từ năm 1983, trong một vài điều kiện ở một vài vùng người ta cho phép có thể có ứng suất kéo nhỏ nhưng với điều kiện các vùng đó có khả năng chịu kéo sao cho phù hợp với cốt thép đã được bố trí và vết nứt không phát triển Tuy nhiên những sai sót

trong tính toán làm xuất hiện ứng xuất kéo theo phương dọc sẽ gây ra vết nứt thẳng đứng nằm ở các thớ dưới khoảng giữa nhịp nơi có mô men dương đạt giá trị lớn nhất

- Tính toán khả năng chịu cắt không đạt: Việc tính toán khả năng chịu cắt không đạt

sẽ gây ra sự xuất hiện vết nứt do cắt Các vết nứt loại này thường xuất hiện ở lõi kết

Các vết nứt do thiếu cốt thép chịu cắt

b Tính toán về lực căng cáp dự ứng lực không chính xác

Do giả thiết không chuẩn lực căng trước trong dây cáp phụ thuộc vào nhiều thông số như hệ số ma sát (mất mát ứng suất) theo lý thuyết và thực tế là khác nhau, sự tự trùng của cốt thép cũng là một đại lượng giả thuyết đối với các công trình cũ (theo quy định giá trị này lớn gấp đôi) Mặt khác các sợi cáp hoặc các bó cáp có thể bị ăn mòn và gẫy do quá trình bơm phụt vữa hoặc do quá trình thi công không tốt Việc tính toán không chính xác các yếu tố trên dẫn đến tạo nên các lực căng cốt thép quá lớn làm xuất hiện những vết nứt dọc theo cáp căng, những vết nứt này xuất hiện trong quá trình xây dựng và theo thời gian sẽ được ổn định

c Tính toán sai sót khi sự phân phối lại nội lực dưới tác dụng của các biến dạng khác nhau

Đối với một công trình xây dựng cầu dầm liên tục cần phải nắm được quá trình thi công nó Trạng thái ứng lực của kết cấu trong giai đoạn thi công cuối phụ thuộc vào trình tự, biện pháp thi công Nếu sơ đồ tĩnh học trong quá trình thi công không khác

sơ đồ tĩnh học cuối cùng (cầu dầm liên tục thi công theo công nghệ đúc hẫng), thì những biến dạng khác nhau của bê tông (biến dạng từ biến) chịu sự phân phối lại nội lực cho tới khi trạng thái của công trình có xu thế tiến đến trạng thái thực của công

trình Sự phân phối lại nhìn chung được biểu hiện bởi sự xuất hiện mômen dương làm căng thớ dưới Mô men dương sinh ra do ảnh hưởng của từ biến có thể tính chính xác hoặc cũng có thể tính một cách quy ước theo công thức:

M = 1/2 ( S1 + S2) trong đó S1 và S2 là mômen uốn trước và sau khi có sự phân phối lực Nếu không lưu ý tới hiện tượng này thì kích thước của kết cấu sẽ không sẽ không

đủ đảm bảo yêu cầu về độ võng dọc

Ngoài ra những biến dạng bị do nhiệt (Gradien nhiệt) cũng gây nên sự phân bố lại nội lực Sự chênh lệch nhiệt độ giữa thớ trên và thớ dưới của đáy bản do tác dụng của ánh nắng mặt trời gây nên biến dạng cho kết cấu, theo quy trình người ta xem như sự thay đổi nhiệt độ là tuyến tính trên chiều dày của bề mặt kết cấu Trong kết cấu siêu tĩnh, sự biến dạng bị cản trở Do vậy nó xuất hiện một mômen phụ Mômen do gradien nhiệt này nhìn chung là dương và gây ra sự giảm ứng lực ở thớ dưới vào

1.1.2.2 Những hƣ hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt

Khi thiết kế một công trình, ngoài vấn đề phải tính toán đủ khả năng chịu lực theo yêu cầu thiết kế, cần thiết phải có sự lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý, nếu không sẽ dẫn đến những hư hỏng mà nguyên nhân chính hoàn toàn do vấn đề lựa chọn về cấu tạo của kết cấu không hợp lý Một vài hư hỏng xuất phát từ nguyên nhân này là:

a Đối với bản mặt cầu

Trong các bản mặt cầu cầu thép bản bê tông cốt thép liên hợp, nhiều trường hợp các cốt thép chịu lực sử dụng loại có đường kính quá lớn so với chiều dày và khẩu độ làm việc của bản nên mặc dù về diện tích cốt thép chịu lực thì đủ nhưng do số lượng trên một mét chiều rộng bản nhỏ dẫn đến không đảm bảo khả năng chịu lực cục bộ và thường bị nứt dọc theo cốt thép kiểu ô lưới và phá hoại kết cấu bản rất nhanh

Trong các bản mặt cầu của cầu dầm hộp, thường khẩu độ làm việc của bản lớn nên nếu sử dụng cốt thép thường sẽ dễ bị phát sinh vết nứt dọc bản Các vết nứt này không vượt quá độ mở rộng vết nứt cho phép thì không gây nguy hiểm cho kết cấu nhưng về lâu dài thì có thể là nguyên nhân gây hư hỏng về mặt vật liệu đối với kết cấu

b Đối với kết cấu dự ứng lực

Trong một vài công trình dạng khung T dầm đeo, cốt thép dự ứng lực thường được

bố trí ở nắp hộp phía trên và được bảo vệ bằng bê tông thường, được thi công sau khi đúc xong toàn bộ cánh T, do lớp bê tông này không được dự ứng lực nên khi chịu lực kéo do tĩnh tải phần 2 và hoạt tải, lớp bê tông bị nứt và gây gỉ cốt thép dự ứng lực dẫn đến kết cấu bị phá hoại

Sự liên kết giữa đáy bản mặt cầu và sườn dầm không tốt, trong những trường hợp này thường xuyên xuất hiện những vết nứt rất rộng ở chỗ liên kết giữa đáy bản và sườn dầm suốt dọc các vết nứt có kèm theo những phần rộp bê tông, điều đó chứng tỏ vết nứt là chủ động dưới tác dụng tải trọng thay đổi

1.1.3 Những hƣ hỏng liên quan đến thi công

- Khi sản xuất bê tông: do không tôn trọng công thức qui định, cho nước không đúng,

sử dụng không đúng chất phụ gia, pha trộn không đúng nhiệt độ quy định

- Khi chế tạo kết cấu: do ván khuôn không được rửa sạch, dùng lại những công cụ đổ

bê tông không tốt, đầm dung bê tông không tốt, lắp thiếu đầm dung hoặc khi đầm dung hỏng, không thay thế kịp thời, chiều cao đổ bê tông lớn không sử dụng thiết bị

đổ như vòi voi, làm bê tông bị phân tầng

Những sai sót trong chế tạo bê tông sẽ làm ảnh hưởng tới cường độ chịu lực của vật liệu và gây rỗ bề mặt kết cấu tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ cacbônat hóa trong bê tông

1.1.3.2 Cốt thép trong bê tông

Việc chế tạo gia công các cốt thép trong bê tông dự ứng lực, việc chế tạo các khung cốt thép cũng có thể dẫn tới một số sai sót với thiết kế Không tuân thủ chiều dày lớp bảo vệ, thép đặt không đảm bảo nên khi đổ bê tông bị di chuyển, hàn những thép không được phép hàn hoặc không tôn trọng những bán kính cong, để lẫn lộn thép này

với thép khác Ngoài ra khi giao nhận các chi tiết đi kèm theo các bó cốt thép dự ứng lực cũng như các chi tiết kèm theo bị xây xước, bẩn, gỉ, các ống dẫn bị cong, thủng Các sai sót này ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của kết cấu và là nguyên nhân gây

gỉ cốt thép

1.1.3.3 Bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo

Trong quá trình thi công có xảy ra các sai lệch về mặt hình học, có thể kể đến sự lún cục bộ của ván khuôn, độ vồng ngược của dầm không thích hợp, các mối nối không đảm bảo, các sai lệch có liên quan đến chất lượng không đồng đều của bê tông, sự chất tải hoặc kéo căng cốt thép không đối xứng, sự tạo dự ứng lực quá thô bạo, hoặc bơm vữa phụ không đúng quy cách Các thiếu sót này làm biến dạng thực tế của kết cấu khác xa so với tính toán

1.1.3.4 Những sai sót trong quá trình thi công

- Việc lắp đặt các ống dẫn, các bó thép dự ứng lực, các thiết bị neo, chuyển hướng không chính xác, các thiết bị giữ cố định vị trí của các bó thép dự ứng lực không đủ cứng, bị xê dịch, biến dạng trong quá trình đổ bê tông

- Đặt cốt thép không đúng quy cách, sai số về vị trí lớn, kê chèn không đủ cho chiều dày lớp bảo vệ theo dự định, không hàn các mối nối cốt thép, thiếu cốt thép chờ giữa các mối nối bê tông

- Việc lau rửa bôi dầu mỡ ván khuôn làm không tốt

- Chặt sắt hoặc uốn móc gây khó khăn khi đổ bê tông

- Không tôn trọng các giai đoạn đổ bê tông đã được quy định trong khi thiết kế

- Xử lý nhiệt không tốt dẫn tới nứt, không dưỡng hộ hoặc dưỡng hộ không đủ tạo nên

sự nứt bề mặt và tăng mức độ thấm của bê tông

- Tháo ván khuôn sớm dẫn đến biến dạng quá lớn, thậm chí gây nứt

- Thiếu cẩn thận khi vận chuyển các kết cấu đúc sẵn

- Sai sót khi bơm vữa vào ống dẫn các cốt thép dự ứng lực Nguy cơ đứt các sợi cáp

dự ứng lực do gỉ luôn luôn tồn tại nếu công trình có sai sót trong bơm vữa Sai sót có thể xảy ra do chất lượng vữa không đảm bảo (độ lưu động, độ phân tầng, thời gian có thể bơm sai khác giữa thiết kế và thực tế), việc bố trí lỗ kiểm tra không đủ, còn đọng nước trong ống, tắc ống không kiểm tra được

- Sai sót do căng kéo các bó cốt thép dự ứng lực như trượt chốt neo, lún côn neo, căng kéo không đủ lực, đứt cục bộ các sợi cáp

Những sai sót trên ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu, gây nứt bê tông và gỉ cốt thép

- Quá tải do các đoàn xe đặc biệt không dự tính trước

- Tăng chiều dày mặt đường trên cầu một cách lạm dụng

- Sự ô nhiễm của môi trường (khí thải công nghiệp), sự thay đổi chế độ nước

- Việc làm của một số đơn vị, cá nhân gây tác hại đến công trình như sử dụng hệ mặt cầu làm chỗ treo móc cẩu, dùng trụ, mố làm hố thế

- Thiếu sót do bảo dưỡng hệ thống thoát nước, bảo dưỡng mối nối đường

- Sai sót do việc điều chỉnh sự làm việc của các gối tựa bị hỏng

Những hư hỏng trong quá trình sử dụng phổ biến nhất là các hư hỏng về nứt Các vết nứt này là do:

1.1.4.1 Nứt do cấu kiện chịu nhiệt quá tải

Ở đây tải trọng có thể gây mômen M hoặc lực cắt Q Song dù ở trạng thái nội lực nào thì vết nứt cũng đã xảy ra khi k  Rk (ứng suất và cường độ chịu kéo của bê tông)

Do cấu tạo, các loại đường nứt này có thể theo phương song song với trục cấu kiện hoặc nghiêng một góc nào đó

Chiều rộng vết nứt trong trường hợp này theo quy trình Việt nam cũng như một số nước được giới hạn rất nghiêm ngặt, không được quá 0,2mm Đồng thời ứng với mỗi mức độ chiều rộng vết nứt có những giai đoạn tính toán khác nhau

chịu kéo không còn làm việc nữa, toàn bộ nội lực ở đó do cốt thép chịu

Riêng đối với kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực, nhờ có lực nén trước Nd đã làm chậm thời điểm xuất hiện giai đoạn I-a Song về phương diện lý thuyết tính toán thì đây là thời điểm kết thúc hiệu lực của ứng lực trước đối với bê tông Khi bề rộng vết nứt do quá tải đã đạt xấp xỉ tối đa cho phép thì kết cấu đã ở vào trạng thái làm việc nguy hiểm và cần phải có biện pháp gia cố

Tuy nhiên, hiện tượng nứt do quá tải sẽ còn nguy hiểm hơn nữa nếu đường nứt xảy ra

ở miền chịu nén do không đủ tiết diện bê tông

1.1.4.2 Trạng thái nứt do lún không đều của công trình

Tính đồng nhất về cường độ và khả năng chống biến dạng của nền đóng vai trò rất quan trọng Nếu trong khảo sát, thiết kế và thi công không đảm bảo chất lượng này thì trong công trình sẽ xảy ra hiện tượng lún không đều Từ biến dạng không đều của nền, dẫn đến sự biến dạng không đều của các bộ phận công trình Độ chênh lệch đáng

kể về các giá trị biến dạng đó tạo ra ứng suất kéo xấp xỉ với cường độ kéo của vật liệu nên gây nứt Quy luật của trạng thái nứt trong trường hợp này rất dễ nhận dạng,

vì từ sơ đồ chịu lực tổng thể do lún không đều làm hình thành các đường nứt nghiêng

đa

1.1.4.3 Trạng thái nứt do mỏi

Mỏi là hiện tượng xảy ra khá phổ biến trong công trình và được quan tâm nhiều ở các nước hiện nay Ta biết rằng mỏi là hiện tượng suy thoái tính năng của vật liệu do tác động lặp của các loại tải trọng khác nhau

Thường vật liệu khi xét tới mỏi trong kết cấu bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực chỉ xét với tải trọng xe lửa vì đây là tải trọng lặp Ngoài ra, ở khí hậu lục địa, có độ chênh lệch đáng kể của nhiệt độ ngày và đêm, thường xảy ra hiện tượng mỏi nhiệt hoặc mỏi nhiệt ẩm Hiện tượng như vậy cũng rất dễ gặp ở các công trình bê tông cốt thép nằm trong nước có chế độ thủy triều lên xuống thường xuyên hoặc mực nước ngầm thay đổi do những tác động cơ học không tự nhiên

Tuy nhiên, để đánh giá mức độ gây hư hại do mỏi của hai nguyên nhân trên, hiện tượng suy thoái lớp kết dính ở cả ba tổ hợp của bê tông cốt thép Ở trạng thái lão hóa tột cùng, vật liệu biến thành những hạt rời rạc, dẫn đến kết cấu bị phá hủy hoàn toàn

THÉP ĐANG KHAI THÁC

1.2.1 Mục tiêu của thu thập thông tin

Mục tiêu của thu thập thông tin về cầu BTCT đang khai thác để đánh giá chất lượng vật liệu và đánh giá khả năng làm việc của kết cấu Thu thập thông tin đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán đánh giá cầu

Hai loại thông tin cần thu thập là:

- Về vật liệu: Thu thập các đặc trưng vật liệu; thu thập các hư hỏng của vật liệu; các tác động của môi trường đến vật liệu

- Về kết cấu: Đo đạc các trạng thái biến dạng của kết cấu; thu thập các hư hỏng của kết cấu

1.2.2 Nguyên tắc trong thu thập thông tin

- Thu thập được càng nhiều thông tin liên quan đến công trình càng tốt

- Cố gắng tiếp cận công trình càng gần càng tốt

- Ghi chép, phác hoạ hiện trạng công trình tỷ mỉ, kỹ lưỡng và chính xác

- Các trang thiết bị kiểm định phải có độ chính xác theo yêu cầu và được so chuẩn theo quy định

- Sử dụng các trang thiết bị kiểm định đúng mục đích

- Chỉ những người được đào tạo mới dược sử dụng thiết bị

- Sử dụng các trang thiết bị theo đúng các quy định kèm theo

1.2.3 Các hình thức và mức độ kiểm tra thu thập thông tin

Để thu thập thông tin cần sử dụng những phương tiện và trang thiết bị kiểm tra Tuỳ theo loại hình kiểm tra mà mức độ sử dụng phương tiện và trang thiết bị kiểm tra khác nhau

1.2.3.1 Kiểm tra thường xuyên

Thường được tiến hành hàng năm, trước khi duy tu, nhằm phát hiện các dấu hiệu bất thường trên cầu Kiểm tra thường xuyên cần các trang thiết bị: Thiết bị bảo hộ và an toàn lao động; các phương tiện tiếp cận công trình; các thiết bị đo đạc thông thường như thước, phấn đánh dấu, sổ ghi chép

1.2.3.3 Kiểm tra đặc biệt

Thường được tiến hành sau một sự cố bất thường như lũ bão, động đất, hỏa hoạn, va chạm lớn, sau khi sửa chữa nâng cấp hoặc cần khai thác với tải trọng lớn hơn

Kiểm tra đặc biệt cần các trang thiết bị: Thiết bị bảo hộ và an toàn lao động; các phương tiện tiếp cận công trình; các thiết bị đo đạc thông thường như thước, phấn đánh dấu, sổ ghi chép; các thiết bị đo đạc kiểm tra không phá huỷ như siêu âm, bắn súng; các thiết bị khoan lấy mẫu; các thiết bị đánh giá mức độ gỉ của cốt thép; các trang thiết bị đo biến dạng; thiết bị đo dao động

1.2.4 Các phương pháp kiểm tra vật liệu

Khi nghiên cứu trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của các công trình BTCT người ta thấy yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đầu tiên đến khả năng làm việc và tuổi thọ của các kết cấu BTCT là chất lượng vật liệu hiện tại của chúng Chất lượng đó thể hiện qua giá trị của các loại cường độ giới hạn, số lượng và tính chất của các khuyết tật do các trạng thái bệnh lý đã tồn tại hoặc mới xuất hiện trong quá trình khai thác Nhiệm vụ đầu tiên của đánh giá công trình là phải xác định và đánh giá chất lượng vật liệu Hiện nay việc khảo sát và xác định các đặc trưng cơ bản của vật liệu thường được thực hiện theo hai phương pháp cơ bản là phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu và phương pháp thí nghiệm không phá hủy NDT

1.2.4.1 Phương pháp phá hoại mẫu

a Nguyên tắc và đặc điểm:

Vật liệu cần nghiên cứu được lấy từ công trình ra được chế tạo thành các mẫu thử Hình dạng và kích thước của các mẫu thử được xác định tuỳ theo: loại vật liệu; mục đích nghiên cứu; các quy định trong các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm Các mẫu vật liệu được được đưa vào các máy thí nghiệm tương ứng với trạng thái làm việc của vật liệu (kéo, nén, uốn, xoắn ) và cho chịu tác dụng của lực ngoài có giá trị tăng dần theo từng cấp cho đến lúc mẫu bị phá hoại hoàn toàn Dưới tác dụng của lực ngoài vật liệu sẽ bị biến dạng Đo các giá trị biến dạng tương ứng với mỗi cấp ứng suất Giá trị của các cặp ứng suất biến dạng nhận được cho phép dựng được một đường cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng; được gọi là biểu đồ đặc trưng vật liệu

vì qua đồ thị này có thể xác định được các đặc trưng cơ lý của vật liệu Quá trình nghiên cứu các vật liệu xây dựng cho thấy, biểu đồ đặc trưng vật liệu nhận được bằng phương pháp thí nghiệm mẫu sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố sau: Tốc độ gia tải; nhiệt độ môi trường; trạng thái ứng suất tác dụng

Khi tiến hành các thí nghiệm theo phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu thử thường tiến hành trong các phòng thí nghiệm, ở đây các điều kiện thí nghiệm đều được khống chế chuẩn Các số liệu nhận được theo phương pháp này thường ít chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác, vì vậy kết quả nhận được phản ánh tương đối chính xác khả năng chịu lực vốn có của vật liệu

Khi vật liệu làm việc trên công trình thực tế sẽ chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau làm thay đổi khả năng chịu lực so với các điều kiện chuẩn Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu thử vật liệu thường ít có khả năng xét đến sự thay đổi đó

Việc lấy mẫu thử trên kết cấu thực tế không phải lúc nào cũng thuận lợi do tính chất,

vị trí và phương pháp tiếp cận của công trình, và phải lấy ở vị trí không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu

b Xác định một số đặc trưng của vật liệu BTCT

cấu Kích cỡ phụ thuộc vào mũi khoan, thường phải đảm bảo chiều cao gấp đôi đường kính Gia công mẫu theo quy định Lắp đặt và ép mẫu theo quy định, xác định

được lực nén phá hoại mẫu và tính được cường độ giới hạn khi nén của mẫu Chuyển đổi cường độ nhận được về cường độ mẫu chuẩn

thử lấy từ công trình được gia công thành mẫu hình lăng trụ theo quy định Lắp đặt

và ép đặt mẫu theo quy định Chia giá trị lực thí nghiệm thành n cấp Tiến hành từng cấp cho đến khi phá hoại Với mỗi cấp tải trọng xác định được các biến dạng theo các phương tương ứng và xác định được Rlt, Eo, Eb, và 

- Xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt thép: Mẫu thử được lấy từ kết cấu BTCT bằng cách đập vỡ bê tông, cắt cốt thép và gia công mẫu Tùy theo yêu cầu thí nghiệm Lắp

bền b, ứng suất kéo đứt đ, độ dãn dài tương đối  và độ thắt tương đối  hoặc xây dựng đường cong mỏi của thép

- Nhiệm vụ thứ hai và cũng là nhiệm vụ chủ chốt của phương pháp NDT là phát hiện các khuyết tật tồn tại bên trong môi trường vật liệu do quá trình chế tạo, do các trạng thái bệnh lý của vật liệu gây ra Các khuyết tật này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của công trình vì vậy việc xác định được vị trí, kích thước của các khuyết tật là rất quan trọng

Phương pháp phương pháp NDT là một hệ gồm nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy khác nhau như:

- Đo cường độ bê tông bằng phương pháp đo độ cứng bề mặt (súng bắn bê tông schmidt ): Cho kết quả cường độ bê tông trên bề mặt tại các điểm thí nghiệm Có thể dùng để so sánh chất lượng bê tông trong các bộ phận khác nhau của cầu hoặc

giữa các cầu có cùng mác bê tông Dùng kết hợp với các phương pháp khác để khẳng định kết quả

- Đo chiều dày lớp bê tông bảo vệ (d < 120mm), vị trí cốt thép, đường kính cốt thép

- Phương pháp siêu âm đo vận tốc của xung siêu âm truyền qua bê tông Vận tốc xung siêu âm phụ thuộc thành phần hỗn hợp bê tông, mác bê tông, độ chặt, bề mặt và các đặc trưng đàn hồi khác của bê tông Phương pháp siêu âm được sử dụng để xác định cường độ bê tông, xác định độ chặt, độ đồng nhất, các đặc tính đàn hồi của bê tông, xác định vị trí, độ lớn của khuyết tật ẩn dấu bên trong bê tông (vật lạ, lỗ rỗng ), xác định chiều sâu vết nứt trong bê tông Phương pháp này bị ảnh hưởng bởi cốt thép trong bê tông, kết quả sẽ bị sai lệch so với bê tông không cốt thép và cần phải được hiệu chỉnh Phải có số lượng thí nghiệm đủ lớn để xây dựng quan hệ giữa các thông số của bê tông và vận tốc sóng siêu âm

- Phương pháp lan truyền âm thanh dùng để phát hiện những khuyết tật ẩn dấu, thu lượm thông tin về các quá trình diễn ra bên trong vật liệu như sự phát triển của các vết nứt, các hư hỏng cục bộ, sự dịch chuyển và bị gỉ của cốt thép

- Phương pháp chụp ảnh nội soi (Endoscopes) dùng để kiểm tra, xem xét và chụp ảnh hiện trạng bên trong bê tông hoặc của cốt thép tại các vị trí không kiểm tra bằng các thiết bị kiểm tra thông thường được Quan sát bằng cách đưa đầu dò vào các lỗ rỗng hoặc các lỗ khoan trong bê tông Nhược điểm của phương pháp này không sử dụng được trong môi trường nước, ẩm

- Đo mức độ thấm nhập của khí hoặc nước qua bê tông bắng cách khoan các lỗ khoan trong bê tông, gắn các ống dẫn và nén nước hoặc khí Phương pháp này dùng

để đánh giá độ chặt của bê tông qua độ thấm nhập khí hoặc nước vào bên trong bê tông Có thể dùng phương pháp này để xác dịnh các vết nứt hoặc các lỗ rỗng thông nhau

- Đo dộ xâm nhập của khí cácbon (mức độ carbonate hóa) trong bê tông bằng chất chỉ thị màu Đo chiều sâu thâm nhập khí cácbon trong bê tông tại các bộ phận của cầu bằng cách phun chất chỉ thị màu vào các lỗ khoan ở các độ sâu khác nhau của lớp

bê tông bảo vệ Căn cứ vào quan hệ giữa độ thấm nhập khí cácbon và sự suy giảm cường độ bê tông để đánh giá sự suy giảm cường độ bê tông và mức độ gỉ của cốt thép

- Xác định độ thấm nhập clo theo thời gian, xác định hàm lượng sulphate, xác định hàm lượng xi măng trong bê tông Khoan lấy mẫu bột bê tông, đưa về phòng thí

nghiệm để phân tích đo hàm lượng clo (tính theo % trọng lượng bê tông hoặc xi măng) tại các độ sâu khác nhau của chiều dày lớp bê tông bảo vệ Dựa trên luật thấm nhập clo, xây dựng quan hệ giữa độ thấm nhập clo và sự suy giảm cường độ bê tông, ngưỡng gây gỉ, có thể dự báo thời gian cốt thép có thể bị gỉ

- Đo điện thế trong cốt thép, điện trở của bê tông để dự báo khả năng bị gỉ của cốt thép trong bê tông dựa trên các giá trị điện thế trong cốt thép hoặc điện trở của bê tông

- Đo đạc, chụp ảnh bằng tia phóng xạ (tia X, gamma ) nhờ máy đo, chụp phóng xạ

để xác định mật độ bê tông, phát hiện các khuyết tật bên trong bê tông, các lỗ rỗng, vết nứt cũng như vị trí, đường kính và tình trạng của cốt thép

- Thử tải tĩnh để đo độ võng tại các mặt cắt của các dầm và của bản mặt cầu Đo biến dạng trong bê tông vùng nén và biến dạng trong cốt thép chịu kéo tại các mặt cắt của các dầm và của bản mặt cầu Kiểm tra độ mở rộng vết nứt dưới tác dụng của tải trọng thử Kiểm tra sự làm việc của các gối cầu Phương pháp này cần phải có các trang thiết bị chuyên dùng (như máy đo biến dạng, đo độ võng, chuyển vị )

- Thử tải động để đo các tần số dao động riêng của cầu Đo các thông số dao động qua đó xác định được các đặc trưng động học của cầu do tác động của hoạt tải.Phương pháp này cần phải có các trang thiết bị chuyên dùng (như máy đo dao động, thiết bị gây chấn dộng )

bản Nhiệm vụ của các chuyên gia kết cấu công trình là nghiên cứu sử dụng thành thạo các thiết bị đo đó và dùng phương pháp NDT như phương tiện có ý nghĩa lớn lao để làm rõ mối quan hệ phức tạp giữa các đặc trưng cơ học và vật lý để làm rõ hơn bản chất vật liệu của bê tông

Vấn đề lập chuẩn trong phương pháp NDT: Như đã trình bày, phương pháp NDT dựa trên nguyên tắc so sánh với chuẩn Chuẩn ở đây là mối quan hệ giữa các thông số đo trên các dụng cụ và thiết bị đo với các đặc trưng vật liệu được lập ra khi tiến hành thử trực tiếp trên các mẫu thử trong các trong điều kiện tiêu chuẩn Vì thế độ chính xác của các biểu đồ chuyển đổi chuẩn đúng thì mức độ sai lệch của thiết bị đo sẽ giảm và

độ chính xác của kết quả đo sẽ tăng Việc xây dựng biểu đồ chuyển đổi chuẩn cho mỗi thiết bị đo là không thể thiếu và thường mất rất nhiều thời gian và công sức đối với các công trình xây dựng mới

Riêng đối với bê tông là vật liệu có tính đồng nhất kém và tính biến động lớn nên tại mỗi công trình xây dựng mới sẽ gặp các ảnh hưởng đáng kể nếu sử dụng các chuẩn

cũ đã thiết lập Với bê tông trên công trình cũ, việc đánh giá chất lượng bê tông sẽ chính xác hơn nếu xem phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu là điều kiện đủ còn kết quả khảo sát phương pháp NDT là điều kiện cần Trước khi thí nghiệm phá hủy mẫu nhỏ để lấy các đặc trưng vật liệu thì tiến hành các phép đo theo các phương pháp NDT Kết quả của 2 phương pháp cho phép thiết lập chuẩn chuyển đổi giữa các thông số để dùng cho đánh giá công trình đó Với nhiều công trình có tính tương tự

có thể có chuẩn tương đối chính xác

Qua những công trình nghiên cứu về việc lập chuẩn chuyển đổi đã công bố, nhận thấy các chuẩn đều có dạng tổng quát: R = f(Px)

Trong đó : R là cường độ của bê tông

Px là một thông số đo được nào đó bằng các phương pháp NDT

Chuẩn cường độ vận tốc siêu âm (chuẩn này có các dạng sau):

R = f()

R = A + B"

R = A + B

R = AeB Chuẩn cường độ mật độ:

R = f()

R = A + B"

Chuẩn cường độ - modun đàn hồi trượt :

1.2.5 Các phương pháp đo đạc hiệu ứng kết cấu

Trong kiểm định công trình, việc xác định các hiệu ứng trong kết cấu (còn được gọi

là các trạng thái cơ học) dưới tác động của các tải trọng ngoài là rất cần thiết Các hiệu ứng trong kết cấu bao gồm biến dạng và dịch chuyển của các bộ phận kết cấu khi có tải trọng tĩnh tác động trên kết cấu hoặc biến dạng động cũng như các đặc trưng dao động của kết cấu khi có tải trọng động của công trình Các hiệu ứng kết cấu cho những số liệu cần thiết để chẩn đoán xác định mô hình thực trạng của công trình

và là cơ sở quan trọng khi đánh giá công trình

Một đặc điểm quan trọng của việc xác định đo đạc các hiệu ứng kết cấu là chỉ có thể tiến hành khi tải trọng tác động trên công trình Do đó cần có kế hoạch chi tiết và các phương pháp, thiết bị đo phù hợp với mỗi loại hiệu ứng kết cấu Thông thường để xác định các hiệu ứng kết cấu, thường tiến hành thử tải tĩnh và thử tải động công trình hoặc đo đạc trong thời gian dài

1.2.5.1 Thử tải tĩnh

Đối với công trình cầu BTCT thường thử tải tĩnh bằng các xe ô tô có chất tải theo tính toán Các xe được xếp tải và cân xe để có số liệu chính xác cho từng trục xe và được xếp trên cầu theo các sơ đồ chất tải đã chuẩn bị trước Đối với chất tải tĩnh thông thường xác định được các hiệu ứng kết cấu sau:

- Đo độ võng tĩnh do hoạt tải: Xác định bằng các tenxơmet đòn hoặc các thiết bị đo võng, maximop có độ dịch chuyển lớn Với mỗi sơ đồ chất tải thường ra vào tải nhiều lần để đọc thiết bị và lấy giá trị trung bình của các lần đọc khi không tải và có tải

- Đo biến dạng của bê tông vùng nén: Với các mặt cắt dầm chữ T, I có thể đo được biến dạng của bê tông vùng nén ở nách dầm bằng các thiết bị đo biến dạng cơ học hoặc điện tử Với mỗi sơ đồ chất tải thường ra vào tải nhiều lần để đọc thiết bị và lấy giá trị trung bình của các lần đọc khi không tải và có tải

- Đo biến dạng kéo trong cốt thép: Cũng có thể cắt bê tông tại vị trí cốt thép chủ chịu kéo để đo biến dạng trong cốt thép bằng các thiết bị đo biến dạng điện tử Với mỗi sơ

đồ chất tải thường ra vào tải nhiều lần để đọc thiết bị và lấy giá trị trung bình của các lần đọc khi không tải và có tải

- Đo biến dạng của bê tông vùng kéo khi bê tông chưa bị nứt hoặc đo độ mở rộng vết nứt khi có tải bằng các thiết bị đo biến dạng cơ học hoặc bằng các thiết bị theo dõi vết nứt

1.2.5.2 Thử tải động

Đối với công trình cầu BTCT người ta cũng thường dùng thử tải động để xác định các hiệu ứng kết cấu Thông thường bố trí các đầu đo dao động tại các ví trí cần đo đạc và cho các xe thử tải được chất tải theo tính toán chạy qua cầu với các tốc độ khác nhau và ghi lại các phổ dao động Dựa vào các chương trình phân tích chuyên dụng sẽ tìm được các phổ gia tốc, vận tốc và chuyển vị động Từ đó tìm được các đặc trưng động học của công trình:

- Tìm được chuyển vị động theo phương thẳng đứng và qua đó đánh giá được hệ số xung kích của cầu

- Tìm được các trị riêng, các tần số dao động riêng và các chu kỳ dao động riêng

1.2.5.3 Đo đạc trong thời gian dài

Tại các nước phát triển, đôi khi người ta cũng sử dụng phương pháp đo đạc trong thời gian dài Các trang thiết bị đo đạc được sắp đặt và bảo quản tại công trình, các số liệu được ghi vào một thiết bị lưu trữ Thiết bị sử dụng thường gồm các thiết bị đo đếm hoạt tải xe qua cầu và các thiết bị đo hiệu ứng của kết cấu như biến dạng, chuyển vị

và các đặc trưng dao động Xử lý các số liệu trên sẽ có được phổ tải trọng, và các phổ

về các hiệu ứng tải Đây là phương pháp cho bức tranh khá đầy đủ về tác động và hiệu ứng kết cấu nhưng chi phí lớn và thường chỉ áp dụng cho những mục đích nghiên cứu

1.2.6 Trang thiết bị đƣợc sử dụng

Mỗi một phương pháp kiểm tra đòi hỏi có các trang thiết bị riêng Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, hiện nay các trang thiết bị kiểm tra có tính năng

và độ chính xác rất cao:

- Các thiết bị đo độ cứng bề mặt của hãng Schmidt (Digi - Schmidt 2)

- Các thiết bị chuyên dùng siêu âm bê tông (Pundit, BT-12, Tico )

- Các thiết bị phân tích ăn mòn, rỉ (Canin, Resistivity Meter Resi )

- Các thiết bị xác định vị trí cốt thép (Micro Covermeter 700-MC-87, Micro Covermeter 700-MC-94-5, Profometter 4 )

- Các thiết bị đo biến dạng kéo bê tông bề mặt hoặc của lớp phủ (Dyna Z, Dyna Ze )

- Các thiết bị kiểm tra và theo dõi vết nứt (Demec Gauge, Demec Studc )

- Các trang thiết bị đo đạc thử tải: (Máy đo biến dạng Digital Strainmeter DMD 20A)

- Các thiết bị đo biến dạng cơ học (MK3, KK100 )

- Các thiết bị đo võng, maximop có độ dịch chuyển lớn

- Thủy bình đo phối hợp Ni-003

- Kính lúp có độ phóng đại từ 20 lần trở lên

- Máy đo dao động

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ SUY GIẢM CHẤT LƯỢNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Để đánh giá tình trạng kỹ thuật của dầm cầu BTCT đang khai thác, ta phải xây dựng bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với dầm cầu dựa trên cơ sở các số liệu thông tin thu được

Khái niệm chẩn đoán công trình (Diagnosic) là nhận biết, xác định tình trạng của công trình dựa trên cơ sở xem xét các triệu chứng Quá trình chẩn đoán công trình là quá trình xác định trạng thái của hệ thống kỹ thuật Chẩn đoán kỹ thuật là khoa học

về sự nhận thức dự báo trạng thái của hệ kỹ thuật Dựa trên các kết quả khảo sát, đo đạc và xử lý số liệu để đưa ra các dự đoán về nguyên nhân, mức độ hư hỏng của công trình, để đảm bảo an toàn cho công trình trong quá trình khai thác, tránh hậu quả nguy hiểm

Mục tiêu của chẩn đoán kỹ thuật là nghiên cứu các phương pháp nhận và đánh giá thông tin chẩn đoán, mô hình chẩn đoán và thuật toán giải Nâng cao độ tin cậy và độ

dự trữ của hệ kỹ thuật là mục tiêu của chẩn đoán kỹ thuật

Cuộc đời của công trình xây dựng trải qua các giai đoạn sau:

+ Lập dự án khả thi (Lập luận chứng kinh tế, kỹ thuật): đây là giai đoạn lập hồ sơ để xem xét tính cần thiết, quy mô của công trình, các điều kiện về tự nhiên, xã hội, đề xuất các giải pháp kết cấu, công nghệ và dự trù kinh phí xây dựng

Lập dự

án khả

thi

Thiết kế công trình

Xây dựng công trình

Khai thác

sử dụng

Thẩm định thiết kế

Giám sát chất lượng thi công

Kiểm tra, đánh giá trạng thái ban đầu

Kiểm định và đánh giá

+ Thiết kế: là giai đoạn chuẩn bị xây dựng, lập hồ sơ dự toán, thiết kế chi tiết trên cơ

sở các số liệu khảo sát địa chất, địa hình…

+ Thẩm định: kiểm tra xem thiết kế có đáp ứng được yêu cầu đặt ra không, có phù hợp với các điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh tế hay không

+ Xây dựng công trình: là giai đoạn thực hiện xây dựng, thi công theo hồ sơ thiết kế

+ Kiểm định và đánh giá: Phát hiện các thay đổi của công trình xây dựng Trong quá trình khai thác có thể có các thay đổi về vật liệu, kết cấu, về cả tải trọng và tác động làm công trình bị giảm hiệu quả sử dụng hoặc xảy ra sự cố, giảm tuổi thọ, do đó phải

có công việc kiểm tra, đánh giá

2.1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với công trình xây dựng

Bài toán cơ bản của chẩn đoán công trình là sự nhận biết về trạng thái kỹ thuật của hệ trong điều kiện thông tin hạn chế Nhận biết trạng thái của hệ là mang trạng thái của

hệ tới một trong các lớp khả năng

Nội dung cơ bản của bài toán chẩn đoán kỹ thuật gồm những bước sau:

* Xây dựng không gian trạng thái của đối tượng kỹ thuật {D}

* Xác định dấu hiệu chẩn đoán

kỹ thuật

Xây dựng mô hình cơ học hệ thống (Nhận dạng hệ cơ học)

Nhận thức trạng thái của hệ trên cơ sở

Mô hình tĩnh

Nhận biết trạng thái kỹ thuật

Mô hình động

Mô hình tĩnh: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của công trình trước tác động của tải trọng cố định không thay đổi theo thời gian

Mô hình động: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của công trình trước tác động của tải trọng biến đổi theo thời gian

2.1.3 Phương pháp đánh giá sự suy giảm chất lượng công trình cầu

Để nhận biết, đánh giá được trạng thái kỹ thuật của cầu người ta đưa ra 2 phương pháp đánh giá sau:

a) Phương pháp thống kê: xử lý dấu hiệu chẩn đoán trên cơ sở thống kê dữ liệu về hư hỏng và khuyết tật, từ đó xác định được trạng thái khuyết tật của cầu

b) Phương pháp cơ học: xác định mô hình cơ học hệ thống trên cơ sở xây dựng không gian trạng thái của đối tượng và xác định dấu hiệu chẩn đoán

2.1.3.1 Phương pháp thống kê:

a) Xây dựng không gian trạng thái của đối tượng:

Xác định các trạng thái có thể của đối tượng (tập hợp các trạng thái) gọi là D

D = {D1, D2, , Dn} (1) Một công trình xây dựng có nhiều trạng thái kỹ thuật (tốt, khá, trung bình, kém ), gọi các trạng thái này là D1, D2, , Dn

b) Xác định dấu hiệu chẩn đoán:

Tập hợp các dấu hiệu:

Z = {Z1, Z2, , Zm} (2) Các trạng thái này được biểu hiện qua các dấu hiệu như cường độ vật liệu, độ đồng nhất của bê tông, biến dạng của mặt cắt được ký hiệu {Z1, Z2, , Zm}

Một thể hiện của dấu hiệu thu thập được:

Z* = {Z*1, Z*2, , Z*m} (3) Mỗi dấu hiệu có thể có các cấp độ khác nhau, ví dụ như cường độ của vật liệu có các cấp độ kém, trung bình, đạt, cao

c) Tiêu chuẩn nhận dạng

Xác định đối tượng đang ở trạng thái nào:

Dj = {Zj1, Zj2, , Zjm} = Zj với j = 1,2, , n (4) Một trạng thái của công trình gắn với một tập hợp các dấu hiệu biểu hiện

1

2

*

) (  min =  (5) Thì D là trạng thái của đối tượng

Xây dựng mô hình trong

không gian trạng thái

Các hồ sơ được sử dụng để thu thập thông tin: hồ sơ khảo sát, hồ sơ thiết kế, hồ sơ kiểm định trong giai đoạn thi công hoặc chế tạo lắp đặt, hồ sơ trong giai đoạn khai thác sử dụng như: hồ sơ các lần kiểm tra định kỳ, các lần sửa chữa, các sự cố Từ đó xác định các khả năng hư hỏng, các sự cố có thể xảy ra để phục vụ cho việc xây dựng

mô hình trạng thái của đối tượng kỹ thuật

(2a) Xây dựng mô hình trong không gian trạng thái

Tập tham số trạng thái

d = {d1, d2, , dn} (6) Mỗi giá trị cụ thể d* ứng với trạng thái nào đó của d, ví dụ d0 (trạng thái gốc)

Xây dựng các mô hình tham số của kết cấu:

{M(d), C(d), K(d)} (7) Với d là tham số chẩn đoán Các tham số này được chọn tuỳ ý phụ thuộc vào việc mô hình hoá Chúng có thể là các tham số mô hình như kích thước hình học, tính chất vật liệu, các đặc trưng số của các hư hỏng như vết nút (số lượng, vị trí, độ sâu, ),độ cứng của phần tử, Thông thường chọn d sao cho khi d = 0 ứng với trạng thái gốc của kết cấu (trạng thái nguyên vẹn)

(3a) Phân tích tính toán

Tính toán, phân tích để xây dựng mối liên hệ giữa các trạng thái có thể với véc tơ dấu hiệu:

z(d) = {zl(d), z2(d), , zm(d) } (8)

(4a) Cơ sở dữ liệu của chẩn đoán

Kết quả của việc phân tích tính toán cho ta những biểu hiện của các trạng thái có thể

ở véc tơ dấu hiệu đã chọn Tổ hợp những biểu hiện đó là cơ sở dữ liệu của chẩn đoán

kỹ thuật

b) Xác định dấu hiệu chẩn đoán

(1b) Khảo sát đo đạc tại hiện trường

Thu thập các thông tin trên đối tượng kỹ thuật đang tồn tại Công việc này đòi hỏi phải có các máy móc thiết bị

(2b) Thu thập thông tin chẩn đoán

Là các thông tin về đối tượng kỹ thuật thu nhận được bằng việc khảo sát đo đạc hiện trường Thông tin chẩn đoán được chọn phải thoả mãn các yêu cầu: Có thể đo đạc được bằng thiết bị Phải là những thông tin về các dấu hiệu chẩn đoán có liên hệ với trạng thái của đối tượng Cho phép ta xác định được dấu hiệu chẩn đoán

(3b) Xử lý thông tin chẩn đoán:

Xác định dấu hiệu chẩn đoán:

z* = {zl*,z2*, , zm*} (9)

c) Mô hình thực trạng kết cấu và lý thuyết nhận dạng

Để có thể phân tích, đánh giá và đưa ra những kết luận về trạng thái kỹ thuật của đối tượng thì phải có một mô hình thực trạng kết cấu, nó phản ánh sự làm việc thực tế, sự thay đổi của kết cấu một cách đầy đủ hơn cùng với sự xuất hiện của các hư hỏng Việc thiết lập mô hình thực trạng của kết cấu từ các số liệu khảo sát, đo đạc, hồ sơ thiết kế, hoàn công chính là vấn đề nhận dạng hệ thống (system identification) Lý thuyết nhận dạng hệ thống đã được phát triển từ lâu, xuất phát từ các bài toán điều khiển và mô phỏng, nhưng trong cơ học thì nó mới chỉ được quan tâm gần đây Đối với kết cấu công trình, hiện nay vẫn là những bước đầu tiên và tập trung vào hướng nghiên cứu gọi là nhận dạng kết cấu

2.1.4 Các mức độ của việc chẩn đoán đánh giá cầu

Có nhiều phương pháp chẩn đoán đánh giá cầu tùy thuộc vào dạng thử nghiệm và dạng dữ liệu thu được Việc chẩn đoán cũng tuỳ theo yêu cầu của công tác quản lý cầu mà có những mức độ khác nhau Nói chung có thể chia thành các mức độ khác nhau như sau:

Xác nhận kết cấu đã bị hư hỏng hay chưa

- Nếu kết cấu đã bị hư hỏng thì tìm các vị trí hư hỏng

- Biết vị trí hư hỏng, tiến hành đánh giá mức độ hư hỏng

- Biết mức độ hư hỏng, đánh giá khả năng chịu tải của cầu

Dù bài toán chẩn đoán được giải quyết đến mức độ nào thì cũng đều có ý nghĩa thiết thực và phục vụ cho công tác quản lý cầu Để giải trọn vẹn bài toán đánh giá cầu,

trước hết kết cấu phải được mô hình hoá và tính toán các phản ứng lý thuyết của nó dưới tác động của bên ngoài Trong khảo sát đo đạc ở hiện trường các số liệu thực tế

sẽ được đo và so sánh với số liệu lý thuyết theo quan điểm số liệu đo đạc là chân lý Như vậy mô hình tính toán lý thuyết sẽ được điều chỉnh theo các số liệu đo đạc khảo sát để phản ánh thực trạng về cầu Sau đó việc tính toán khả năng chịu lực của cầu được tiến hành trên mô hình đã hoàn thiện này, trên cơ sở đó đưa ra các khuyến nghị khai thác cầu

2.1.5 Ưu nhược điểm của hai phương pháp chẩn đoán cầu

Việc chẩn đoán kỹ thuật cầu theo phương pháp nhận dạng cơ học hệ thống có ưu điểm là có thể đánh giá tình trạng kỹ thuật của cầu một cách tương đối về mặt định tính và định lượng Tuy vậy phương pháp này có một số tồn tại:

- Việc thu thập thông tin qua thử tải trọng tại hiện trường rất tốn kém và nhiều khi không chính xác do nhiều nguyên nhân như số lượng, vị trí điểm đo, sai số đo đạc

- Chưa xác định được sự diễn biến của các nguyên nhân, dự báo sự phát triển trong tương lai

- Không tận dụng được các kết quả chẩn đoán kỹ thuật của các cầu cùng hệ thống Hiện nay việc áp dụng các phương pháp thử tải trọng ở nhiều nước phát triển đã không sử dụng tại hiện trường, nó thường chỉ được áp dụng trong các phòng thí nghiệm hoặc có tính chất nghiên cứu bổ sung cho lý thuyết

Chẩn đoán cầu theo phương pháp thống kê khắc phục được những nhược điểm nói trên của phương pháp nhận dạng cơ học, rất thích hợp đối với các đơn vị có chức năng kiểm tra, quản lý cầu, nó có thể cho kết quả chẩn đoán sau mỗi lần kiểm tra tổng quát hoặc kiểm tra chi tiết Hơn nữa, với những công trình đặc biệt cần thử tải trọng, thì những thông tin thu thập được trong các lần thử tải cũng có thể sử dụng được khi đưa vào ma trận chẩn đoán và dùng cho các lần chẩn đoán sau này

Với kết cấu cầu BTCT, để chẩn đoán theo phương pháp này cần xây dựng tập hợp các dấu hiệu nhận biết trạng thái của kết cấu Thống kê các dấu hiệu trên một loạt cầu thực tế Để chẩn đoán kỹ thuật của một cầu nào đó ta phải thu thập các dấu hiệu biểu hiện của kết cấu đó trong thực tế Sau đó bằng các phương pháp giải thống kê đưa trạng thái của cầu cần chẩn đoán đến với một trong các lớp khả năng đã được xây dựng

2.2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CẦU BTCT 2.2.1 Mục tiêu của bài toán

Bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với kết cấu cầu là bài toán đánh giá tình trạng kỹ thuật của cầu đang khai thác dựa trên cơ sở số liệu, thông tin thu được thông qua hồ

sơ và kết quả khảo sát đo đạc trên cầu Mục đích chính là phát hiện các hư hỏng trên kết cấu càng sớm càng tốt và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến năng lực khai thác của công trình, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp sửa chữa, khôi phục hay đưa ra chế

độ khai thác phù hợp

Để giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình cầu cần có những yếu tố như sau:

* Số liệu khảo sát, đo đạc các đặc trưng hình học, đặc trưng vật liệu của kết cấu và các đáp ứng của nó dưới tác động của môi trường bên ngoài

* Mô hình toán học của công trình

* Phương pháp tìm kiếm, chẩn đoán, đánh giá hư hỏng của cầu và xây dựng mô hình thực trạng của nó

2.2.2 Sơ đồ giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu BTCT

2.2.2.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống

Ta có thể biểu diễn sơ đồ giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu như ở sơ đồ dưới đây:

Các đặc trưng của kết cấu thực

So sánh số liệu đo và tính toán

lý thuyết để chẩn đoán hư hỏng, mức độ, vị trí hư hỏng

Xây dựng mô hình hiện trạng của công trình

Đánh giá chất lượng công trình