Mô hình dự toán sự khuếch tán ion clorua vào vết nứt bê tông cốt thép trong môi trường biển

94 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN SỰ KHUẾCH TÁN ION CLORUA VÀO VẾT NỨT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN Ngày nhận bài: 14/07/2014 Nguyễn Thị Hồng Nhung 1 Ngày nhận lại: 14/08/2014 Vũ Quốc Hoàng 2 Ngày duyệt đăng: 09/09/2014 Nguyễn Ninh Thụy 3 TÓM TẮT Đến nay, bê tông cốt thép đã trở thành một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng trên thế giới. Ngày nay, việc đánh giá sự suy giảm và dự đoán tuổi thọ công trình bê tông cốt thép là rất quan trọng và cần thiết. Trong môi trường biển, ion clorua là nguyên nhân nguy hiểm nhất gây ra sự ăn mòn bê tông cốt thép. Dưới tác dụng của tải trọng, các vết nứt sẽ xuất hiện trên bề mặt bê tông cốt thép. Chúng làm giảm hiệu suất hoạt động của bê tông cốt thép và từ đó độ bền của bê tông cốt thép cũng giảm xuống đáng kể. Do đó, các nhà khoa học đã đề xuất một số mô hình dự đoán sự xâm nhập clorua vào trong bê tông để đánh giá độ bền của công trình. Trong nghiên cứu của Hoàng (Hoàng 2012), tác giả đã đưa ra mô hình dự đoán sự xâm nhập clorua vào bê tông cốt thép trong môi trường biển. Sự xâm nhập clorua này chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của vết nứt bê tông cốt thép. Nghiên cứu sau đây đưa ra các kết quả thực nghiệm nghiên cứu nhằm đánh giá, phát triển và tăng độ chính xác cho mô hình đã đề xuất của Hoàng với các loại bê tông cốt thép khác nhau (bê tông cốt thép sử dụng tro bay và bê tông cốt thép sử dụng silicafume). Từ khóa: ion clorua, vết nứt, dự đoán, mô hình, bê tông cốt thép. ABSTRACT Up to now, reinforced concrete has become one of the most materials used widely in construction building in the world. Nowadays, evaluating deterioration and predicting the service life of reinforced concrete are very important and neccesary. In marine enviroment, chloride ions is the most dangerous agent causes diffusion of reinforced concrete. Under action of load capacity, cracks will appear on surface reinforece concrete. They make performance of the reinforced concrete structure decrease even in the early stage of its service life. So, the scientists suggested some models for predicting the chloride diffusion of concrete to evaluate service life of construction. In 2012, Hoàng proposed model for predicting the chloride diffusion of concrete in marine environment. This chloride diffusion is effected by the characteristics of crack reinforced concrete. This paper reports the results of experimental investigation to evaluate, develop and confirm the Hoàng’s model with two types concrete reinforced (fly ash concrete reinforced and silicafume concrete reinforced). Keywords: Chloride ion, crack, prediction, model, reinforced concrete. 1 Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM. Email:hongnhung0117@yahoo.com 2 ,3 TS, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM. CÔNG NGHỆ 95 1. Đặt vấn đề   ng bin, ion clorua là nguyên nhân chính gây ra s xung cp trong cu trúc bê tông ct thép. Ion clorua xâm nhp xuyên qua lp bê tông bo v, tích t trên b mt cn mt giá tr ti hn s phá hy lp oxit bo v và gây ra hi ct thép trong bê tông ct thép. Hin  mòn ct thép làm gim tit din và làm xu  mi liên kt gia c dn s suy gim hiu sut ca các kt cu bê tông ct thép (Djerbi, Bonnet và cng s 2008). Trong sut quá trình tui th công trình, vt nt có th xy ra vào bt c lúc nào bi nhii tác dng ca ti trng, vt nt ngày càng phát trin và lan rng mt cách nhanh chóng. Ngoài vic làm suy gim kt cu công trình, các vt nt này còn là mt ng dng cho các ion clorua xâm nhp vào bên trong kt cu bê tông ct t nt ca bê tông có ng n  bn cu trúc bê tông ct thép. Bi vai ng ca v này, mt s nghiên c xâm nhp clorua vào bê tông ti v trí nt và không nt. Tuy nhiên, các nghiên cn nghiên cu d   ng nt song song hoc các vt nt nhân tt liu các nghiên c thc nghim ch yu là bê tông không ct thép. Trong mô hình ca Hoàng (Hoàng 2012), các vt n c kho sát là vt nt thc t và vt liu nghiên cu là bê tông c     OPC. Trong ng bin, vic nghiên cu s dng ph gia khoáng ho nâng cao tính bn ca c quan tâm t lâu trên th gii. u này nhm phát trin và làm   chính xác cho mô hình ca Hoàng (Hoàng 2012) trên nn vt liu bê tông ct thép có s dng ph gia khoáng hot tính thay th mt ph 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Cơ sở khoa học 2.1.1. Sự ăn mòn cốt thép trong vết nứt bê tông cốt thép i vi công trình bê tông ct thép, s t thép do clorua gây ra là m nguy him nh t thép trong bê tông ct thép là s  cu cn thit   y ra (Chánh và Min 2010). Tuy nhiên, ct thép trong bê tông có th c bo v khi s xâm thc bi lp màng th ng hình thành trên b mt thép (Bayliss và Deacon 2004). Lp màng th ng này không th duy trì mãi mà s b phá hy khi     n mt gii hn hàm ng nh nh. Gii hn hàm ng clorua này gng clorua ti hn. S xâm nhp ca clorua có th phá hu lp th ng trên b mt c     ng clorua ti hn thay i khác nhau tùy theo tiêu chun. Bảng 1. Hàm lượng clorua tới hạn theo một số tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Hàm lượng clorua tới hạn (% khối lượng xi măng) BS 8110 (1985) 0.4 ACI 222 (1994) 0.2 AS 3600 (1994) 0.8 (kg/m3) CEB-FIP 0.4 ACI 318 0.2 NS 3420  Na Uy 0.4 RILEM 0.4 96 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 Khi lp màng th ng b phá hy, s i electron  n cc kt hp vi s cung c   u ki  ng, các phn ng hóa hc x to thành r st. R st này làm gim th tích ct thép nhanh chóng và làm gi kh u lc ca kt cu bê tông ct thép. Vi   tích bên c xem là nguyên nhân chính dn n s m rng ca vt nt lp bê tông bo v (El-Reedy 2008). 2.1.2. Mô hình dự đoán sự xâm nhập clorua vào vết nứt bê tông cốt thép Quá trình khuch tán clorua vào trong vt nt bê tông cc mô t là mt quá    n, gm: n xâm thc     n phát trin xâm thc (Tuutti 1982)  n xâm thc  u ng thi gian k t khi clorua b u xâm nhp t  ng bên ngoài, xuyên qua lp bê tông bo v, và tích t ti b mt c   n n n giá tr ti h  phá v lp màng bo v cu vào tr mòn, phát trin xâm thc. Gi nh s khuch      duy nht ca s xâm nhp nh lut th c áp dng cho mô hình d   u xâm th             ng clorua D a : h s khuch tán clorua x: chiu sâu (t b mt tip xúc) t: thi gian. n phát trin xâm thnh i gian cn thit cho s y  gây ra  phá hy ti ha cu trúc hoc kt cu công trình. Trong sut quá trình làm vic, cu kin s xut hin các vt vi nt (không th c bng mng) và các vt nt (có th c bng mng). Ti khu vc xut hin vt nt, h s khup ngàn ln so vi v trí vt vi nt (Takewaka, Yamaguchi và Maeda 2003) (Hoàng, Stitmannaithum và Takafumi 2011)ng v trí nt này là khu vc rt nguy him, có ng ln thi gian xâm th  u và làm gim tui th công trình mt cách nhanh chóng. Trong bài nghiên cu này, chiu sâu vt nng tính t ming vt nt nt có b rng là 30 µm. Bi vì khi b rng vt nt nh  µm thì      n h s khuch tán clorua (Djerbi, Bonnet, Khelidj và Baroghel-bouny 2008) (Ismail, Toumi và cng s 2008). Theo gi nh trên, h s khu sau: (Hoàng, Stitmannaithum và Takafumi 2012)             D cr c tính da trên b rng vt nt (Djerbi, Bonnet, Khelidj và Baroghel-bouny 2008) (Hoàng 2012)          - - -          -  (3)         L: chiu sâu vt nt; D uncr : h s khuch tán ti v trí không nt. 2.1.3. Kiểm tra độ tương thích của mô hình dự đoán và giá trị thực nghiệm (Anderson, Bai và cộng sự 1999), (Heath 2002) Ti mi giá tr chiu sâu ca vt nt, xác c 1 giá tr ng clorua theo thc nghim    và 1 giá tr ng clorua theo d      a giá tr thc nghim và mô hình d  c kim tra thông qua giá tr R 2 . Giá tr R 2 nm trong kho    2     2 = 0, giá tr thc nghim không có mi liên h v d   2 = 1 chng t các giá tr thc CÔNG NGHỆ 97 nghim chính xác hoàn toàn so v  xu 2 càng gn 1 thì giá tr thc nghim càng g g vi giá tr d  thc nghii mô hình d  2  R 2 c tính toán theo mô hình hi quy:                -        -           -      Vi :   : giá tr thc nghim  : giá tr thc nghim trung bình    : giá tr d  2.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Nghiên cu này thc nghim trên hai loi bê tông ct thép: bê tông ct thép s dng 20% tro bay (FA) và bê tông ct thép s dng 10% silicafume (SF) (Xem Bng 2). Vt liu s dng trong nghiên ct liu ln, ct liu nh, ph gia khoáng hot tính là tro bay và silicafume, thép     dt liu ln có Dmax = 20 mm. Ct liu nh là cát sông có modul là 2.3. Hai loi ct li  c ra sch, s loi b các ht bi, bùn, sét   ng clorua bên trong ct liu. Các m        chu nén ca mu. Bảng 2. Cấp phối bê tông Đơn vị 1 m 3 FA c kg kg 210  kg 1050  kg 280 Cát kg 686.5 Tro bay kg 70 SF c kg kg 210  kg 1050  kg 315 Cát kg 694.9 Silicafume kg 35 2.3. Tạo vết nứt cho mẫu bằng thí nghiệm tải uốn 3 điểm Mu nghiên cu là mu dc u ng h trong khuôn trong mt ngày. Sau ng h c 27 ngày tip theo. Sau 27 ngày, mc vt ra và  khô  nhi phòng. Tip theo, mc thc hin thí nghim u to vt nt (Gowripalan, Sirivivatnanon và Lim 2000). ng nc to xut hin ti m gia ca dm. Hai dt t và vt n c m rng t   n 0.2 mm (Xem Hình 1). Vt nt có hình dng gn ging vi vt nt tht xut hin trên b mt bê tông (Xem Hình 2 lp epoxy lên các b mt ca dm ch tr mt chu un. Chiu sâu vt n i theo s i ti trc khi thc hin quá trình xâm nhp clorua, b rng và chiu sâu vt n c  bng thit b kính hin t. Vinh nh ca vt nt bng mng r do vt nt có hình dng khúc khuu và rt phc tp. Vì vy trong bài vit này, chiu sâu vt nt  cn là chiu sâu tính t b mt mt phng nt nt có b rng 30m. B rng và chiu sâu vt n   ng kính 98 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 hi  n t   nh mi liên h gia chúng. B rng vt nt trên b mt u tm vi khong cách 1 cm (Xem Hình 2). Mi cp dc ngâm trong dung dch NaCl 10% trong các khong thi gian khác nhau 4 tun, 8 tun, 16 tun  nhi phòng. Hình 1. Vết nứt được tạo bởi thí nghiệm uốn 3 điểm (Gowripalan và cộng sự,. 2000) (a) (b) Hình 2. Vết nứt trên bề mặt dầm Hình 3. Mẫu ngâm trong thùng dung dịch NaCl 2.4. Xác định hàm lượng clorua bằng phương pháp phân tích hóa học Ti th   nh, mi cp dm c v    khô t nhiên  nhi  c khoan và thu thp ti v trí nt và không nt ca dm (Xem Hình 4)  ng clorua trong mu b     nh bi c, da trên tiêu chun Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete (ASTM- C1152, 1997). Thí nghim này cho kt qu ng clorua tng trong mu bê tông. Thí nghi  thp vào cc thc ct và 25ml dung dch axit HNO 3 (1:1) vào cc th CÔNG NGHỆ 99 cho tip vào cc 3ml dung dch H 2 O 2 và khuy  nh hn hp trong 2 phút ri cho tip vào 10 git dung dch HNO 3 (1:1). Sau   c thy tinh lên bp và nung. Khi dung dch sôi, cc mang xu dung dch ngui. Ti    t dung dch n khi dung d pH nm trong khong 6-7 (th bng giy qu). Dung d      c lc qua giy lc và cha trong bình tam giác và      pháp chu  c thc hin theo tiêu chun ASTM-C114, 2000.      nh theo công thc sau:        ng clorua trong hn hp bt bê tông (%) V: Th tích dd AgNO 3 0.1M (ml) N: N mol dd AgNO 3 s dng (0.1M) W: Khng bt bê tông cn xét nghim (g) Hình 4. Lỗ khoan bê tông tại vị trí nứt và vị trí không nứt 3. Các kết quả thí nghiệm 3.1. Mối liên hệ giữa bề rộng và chiều sâu vết nứt Hình 5. Mối liên hệ giữa bề rộng và chiều sâu vết nứt 100 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 Hình 5 th hin mi liên h gia b rng và chiu sâu vt nt trong quá trình chu ti. Kt qu cho thy b rng vt nt ln nht là  ti v trí b mt mu dng ngày càng gim d  ng n  nh vt nt. Trong nghiên cu này, thí nghim un 3 m làm vt nt có hình dng khúc khuu, có dng ch   c vt nt khá ging vi vt nt thc t  xâm nhp ca clorua vào trong vt nt bê tông ct thép có th t cách chính xác do h s khuch tán clorua tip tng vi b rng vt nt dng nt. 3.2. Sự xâm nhập ion clorua tại vị trí bê tông nứt và bê tông không nứt Hình 6. Hàm lượng clorua của mẫu FA ngâm 16 tuần tại vị trí nứt và không nứt Hình 7. Hàm lượng clorua của mẫu SF ngâm 16 tuần tại vị trí nứt và không nứt CÔNG NGHỆ 101 Kt qu n clorua xâm nhp vào bê tông ct thép ti v trí nt và không nc th hin  Hình 6 và Hình 7. T sâu ca d ng clorua ti v trí nt cao i v trí không nt. Nguyên nhân là do tc  xâm nhp ca dòng ion clorua không ch ph thuc vào s hp th, s thm qua, s khuch tán,    dch chuyn vi ng vô cùng ln và ph thuc ch yu vào b rng vt nt t Hình 8. So sánh hàm lượng clorua của mẫu FA và SF ngâm 4 tuần tại vị trí không nứt Hình 9. So sánh hàm lượng clorua của mẫu FA và SF ngâm 16 tuần tại vị trí không nứt Ti v trí không n  ng clorua ca mu FA la mu SF. Silicafume là ph gia khoáng ho m     u trúc ca bê tông dùng c ch Vì vy, ti v trí không nt, s xâm nhp ca clorua ph thuc vào vt liu ch to bê tông.    c chc, s xâm nhp clorua vào trong bê tông càng kém. 102 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 Hình 10. So sánh hàm lượng clorua của mẫu FA và SF ngâm 4 tuần tại vị trí nứt Hình 11. So sánh hàm lượng clorua của mẫu FA và SF ngâm 16 tuần tại vị trí nứt Ti v trí n  ng clorua không ph thuc vào vt liu ch to bê tông. Vi mu ngâm 4 tun, b rng và chiu sâu vt nt mu FA là 0.072 mm và 60 mm; b rng và chiu sâu vt nt mu SF là 0.092 mm và 60 mm. Vi mu ngâm 16 tun, b rng và chiu sâu vt nt mu FA là 0.179 mm và 70 mm; b rng vt nt mu SF là 0.106 mm và 70 mm. Hình 10 và Hình 11 cho thy vt nt càng lng clorua xâm nhp vào càng nhiu kin bê tông xut hin vt nt, s khuch tán ca clorua ph thum vt nt (c th là b rng và chiu sâu vt nt). CÔNG NGHỆ 103 3.3. Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán: Hình 12. Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu FA ngâm 4 tuần) Hình 13. Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu SF ngâm 4 tuần) [...]... phần cấu tạo khác nhau, OPC, SF và FA Các kết quả của mô hình dự đoán tương thích tốt với kết quả thực nghiệm Mô hình này có thể được áp dụng để dự đoán sự khuếch tán ion clorua vào vết nứt bê tông cốt thép trong môi trường có chứa clorua và có thể áp dụng để đánh giá độ bền cũng như tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực biển TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Anderson, E., Bai, Z., Bischof,... hưởng đến độ bền của bê tông cốt thép trong điều kiện môi trường xâm thực clorua 4 Kết luận Vết nứt thực tế có thể được tạo bằng cách dùng phương pháp tải uốn 3 điểm Tương tự với các nghiên cứu trước, sự xâm nhập clorua vào vết nứt bê tông cốt thép không phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo bê tông (các loại phụ gia khoáng khác nhau) Quá trình xâm nhập clorua vào vết nứt bê tông cốt thép chịu ảnh hưởng... TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 Hình 14 Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu FA ngâm 8 tuần) Hình 15 Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu SF ngâm 8 tuần) CÔNG NGHỆ 105 Hình 16 Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu FA... đặc tính vết nứt (bề rộng và chiều sâu vết nứt Đồng thời, quá trình xâm nhập của clorua cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số của vết nứt, như hình dạng khúc khuỷu của vết nứt Mô hình dự đoán sự xâm nhập clorua vào vết nứt bê tông cốt thép đã được đề xuất bởi Hoàng (2012) cho kết quả khá tốt khi độ chính xác được đánh giá thông qua việc so sánh với các giá trị thực nghiệm sử dụng các loại bê tông với... 0.8 Quá trình khuếch tán ion clorua vào bê tông cốt thép bên cạnh việc chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các đặc điểm của vết nứt còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tự nhiên khác Do đó, độ chính xác của các mô hình khi dự đoán các hiện tượng liên quan tới các điều kiện tự nhiên thì với hệ số tương thích R2 đạt được như trên là một kết quả rất tốt, nó đánh giá độ chính xác của mô hình trong việc dự đoán các... clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu FA ngâm 16 tuần) Hình 17 Hàm lượng clorua theo thực nghiệm và hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán (Mẫu SF ngâm 16 tuần) 106 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 Các hình từ 11-16 thể hiện hàm lượng clorua tại vết nứt theo thực nghiệm và thể hiện hệ số khuếch tán clorua tại vết nứt theo dự đoán của một số mẫu được ngâm tại các thời điểm... lượng clorua được xác định từ thực nghiệm (ASTM C1152-1997 Đường màu xanh là đường thể hiện hàm lượng tổng nồng độ clorua tại các vị trí chiều sâu khác nhau trong bê tông theo mô hình đã được trình bày ở mục 2.1.2 Để đánh giá sự tương thích và độ chính xác của mô hình và giá trị thực nghiệm, hệ số (R2 được tính toán theo mục 2.1.3 Từ các hình 11 – 16 ta nhận thấy cho kết quả khá tốt giữa các kết quả dự. .. Mathematics Philadenphia 2 Bayliss, D và Deacon, D (2004) Steelwork Corrosion Control Taylor & Francis 3 Nguyễn ăn Chánh và Trần ăn Miền (2010) Ăn mòn và chống ăn mòn bê tông cốt thép Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 4 Djerbi, A., Bonnet, S., Khelidj, A và Baroghel-bouny, V (2008) "Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete" Cement and Concrete Research, số 38, tr 877 883 5 El-Reedy,... (2008) "Effect of crack opening on the local diffusion of chloride in cracked mortar samples" Cement and Concrete Research, số 38, tr 1106 - 1111 12 Takewaka, K., Yamaguchi, T và Maeda, S (2003) "Simulation Model for Deterioration of Concrete Structures due to Chloride Attack" Journal of Advanced Concrete Technology, số 1, tr 139 - 146 13 Tuutti (1982) Corrosion of steel in concrete Stockholm, Sweden ... Philosophy 9 ũ Quốc Hoàng, Stitmannaithum, B và Takafumi, S (2011) Experimental Study on Chloride Penetration Depth of Cracked Concrete in The Twenty-Fourth KKCNN Symposium on Civil Engineering Hyogo, Japan 10 ũ Quốc Hoàng, Stitmannaithum, B và Takafumi, S (2012) "Prediction of Chloride Profile at Crack Location in Reinforced Concrete under Flexural Loading" ASEAN Engineering Journal 2012, số 2, tr 50-64 11 . 94 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 6 (39) 2014 MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN SỰ KHUẾCH TÁN ION CLORUA VÀO VẾT NỨT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN Ngày nhận bài: 14/07/2014. cho mô hình đã đề xuất của Hoàng với các loại bê tông cốt thép khác nhau (bê tông cốt thép sử dụng tro bay và bê tông cốt thép sử dụng silicafume). Từ khóa: ion clorua, vết nứt, dự đoán, mô hình, . nt lp bê tông bo v (El-Reedy 2008). 2.1.2. Mô hình dự đoán sự xâm nhập clorua vào vết nứt bê tông cốt thép Quá trình khuch tán clorua vào trong vt nt bê tông cc mô t là