Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo. MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hệ thống mạng lưới đường giao thông của Việt Nam trong những thập kỷ qua đã được nhà nước đầu tư rất lớn. Việc đảm bảo an toàn và độ bền cho các cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải được đặt ra. Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều cầu đi ven biển. Các kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt thép nói riêng trong môi trường biển theo thời gian sẽ bị clo xâm nhập gây ra ăn mòn cốt thép làm giảm độ bền và giảm tuổi thọ sử dụng. Việt Nam là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ khá cao, độ ẩm lớn. Đây chính là yếu tố thúc đẩy nhanh ăn mòn cốt thép trong các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch bản biến đổi khí hậu thì nhiệt độ sẽ tăng, nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông do đó nhiều kết cấu sẽ bị ảnh hưởng của nước biển và xâm nhập mặn. Các vùng kết cấu bê tông ít bị ảnh hưởng do ăn mòn cốt thép là các vùng thường xuyên nằm dưới mực nước thấp nhất của thủy triều, do thiếu oxy cung cấp cho phản ứng ăn mòn điện hóa. Các kết cấu nằm trên mực nước thấp nhất của thủy triều và các kết cấu ven bờ biển sẽ bị ảnh hưởng mạnh do ăn mòn cốt thép. Dạng hư hại của các kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn mòn điện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông. Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép và ăn mòn sẽ xảy ra. Khi ăn mòn xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước sẽ trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép còn làm giảm dính bám giữa bê tông và cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén và sức kháng cắt. Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng đến khi ăn mòn gây ra các hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn nữa. Thời gian này gồm hai giai đoạn kê tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn”. Giai đoạn lan truyền ăn mòn là thời gian từ khi khởi đầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI ĐÀO VĂN DINH TĨM TẮT LUẬN VĂN TIẾN SĨ KỸ THUẬT DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 62.58.02.06 HỒ CHÍ MINH - 2014 Cơng trình hồn thành Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Người hướng dẫn khoa học : GS.TS PHẠM DUY HỮU PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Vào hồi , ngày tháng năm 2014 34 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Hệ thống mạng lưới đường giao thông Việt Nam thập kỷ qua nhà nước đầu tư lớn Việc đảm bảo an toàn độ bền cho cầu cũ cầu nhiệm vụ phải đặt Trong số cầu mạng lưới giao thông Việt Nam có nhiều cầu ven biển Các kết cấu bê tơng cốt thép nói chung cầu bê tơng cốt thép nói riêng mơi trường biển theo thời gian bị clo xâm nhập gây ăn mòn cốt thép làm giảm độ bền giảm tuổi thọ sử dụng Việt Nam quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ cao, độ ẩm lớn Đây yếu tố thúc đẩy nhanh ăn mòn cốt thép cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Hơn theo kịch biến đổi khí hậu nhiệt độ tăng, nước biển dâng cao Nước mặn xâm nhập sâu vào sơng nhiều kết cấu bị ảnh hưởng nước biển xâm nhập mặn Các vùng kết cấu bê tông bị ảnh hưởng ăn mòn cốt thép vùng thường xuyên nằm mực nước thấp thủy triều, thiếu oxy cung cấp cho phản ứng ăn mịn điện hóa Các kết cấu nằm mực nước thấp thủy triều kết cấu ven bờ biển bị ảnh hưởng mạnh ăn mòn cốt thép Dạng hư hại kết cấu cốt thép bê tông bị ăn mịn điện hóa ion clo mơi trường khuếch tán vào bê tông Khi hàm lượng ion clo bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion clo gây phá vỡ lớp thụ động bề mặt cốt thép ăn mòn xảy Khi ăn mòn xảy ra, sản phẩm ăn mòn gỉ sắt Gỉ sắt hấp thụ nước trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tơng bảo vệ Ăn mịn cốt thép cịn làm giảm dính bám bê tơng cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén sức kháng cắt Tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép xâm nhập clo thời gian từ xây dựng đến ăn mòn gây hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu khơng cịn an tồn Thời gian gồm hai giai đoạn kê tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn giai đoạn lan truyền ăn mòn Giai đoạn khởi đầu ăn mòn thời gian cần thiết để ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn” Giai đoạn lan truyền ăn mòn thời gian từ khởi đầu ăn mòn ăn mòn gây nứt hồn tồn bê tơng bảo vệ 35 tới diện tích tiết diện cốt thép bị giảm ăn mịn dẫn đến kết cấu khơng cịn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép xâm nhập clo cách đáng tin cậy sở để đưa phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi thọ sử dụng giảm chi phí vịng đời dự án cầu bê tông Hiện giới có nghiên cứu tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo Tuy nhiên, với Việt Nam có đặc thù riêng cần thiết có mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo Đây lý để đề tài nghiên cứu xâm nhập clo gây ăn mòn cốt thép để dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Mơ hình dự báo trợ giúp kỹ sư xây dựng phương án thiết kế, bảo trì hợp lý cơng trình cầu bê tông cốt thép ven biển Với mục đích dự báo tuổi thọ cầu bê tơng cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon đề tài: “Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo” Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu luận án 2.1 Mục đích luận án Mục đích luận án nghiên cứu xâm nhập clo gây ăn mòn cốt thép cầu bê tông cốt thép ven biển 2.2 Nhiệm vụ Để thực mục đích nêu trên, luận án giải nhiệm vụ chủ yếu sau đây: - Xác định tham số trình xâm nhập clo vào bê tông như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng độ clo bề mặt bê tông Cs; Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép Cth - Xây dựng phương pháp mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho cơng trình cầu bê tơng cốt thép ven biển Việt Nam theo xâm nhập clo - Đề biện pháp tăng cường kéo dài tuổi thọ sử dụng Áp dụng mơ hình “dự báo tuổi thọ sử dụng cho cơng trình cầu bê tơng cốt thép ven biển Việt Nam theo xâm nhập clo” tính cho thí dụ nghiên cứu 36 Phạm vi đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu cơng trình cầu bê tông cốt thép đựơc xây dựng ven biển Việt Nam Hư hại Cầu BTCT nói riêng kết cấu BTCT nói chung chịu ảnh hưởng yếu tố môi trường điều kiện khai thác tải trọng Trong yếu tố mơi trường, bên cạnh ngun nhân ăn mịn cốt thép gây hư hại cịn có ngun nhân suy giảm bê tông tác động trực tiếp môi trường gây tượng phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập Sun phát, a xít… Các tải trọng thời gian sử dụng gây tích lũy hư hại kết cấu BTCT dẫn đến phá hủy Một nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT cố bất thường ngồi dự tính thiết kế động đất cấp lớn cấp thiết kế, va xơ nghiêm trọng dự tính thiết kế cháy nổ Các kết cấu cầu BTCT tùy theo điều kiện tác động bị phá hoại tổng hợp nhóm nguyên nhân Luận án tiến hành phạm vi giới hạn sau: Nghiên cứu thâm nhập các ion clo gây ăn mòn cốt thép kết cấu cầu bê tông cốt thép để xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo xâm nhập ion clo Chỉ giới hạn cơng trình cầu bê tơng cốt thép ven biển Việt Nam Tuy nhiên áp dụng cho kết cấu khác cơng trình cầu cảng, cơng trình gần sơng có xâm nhập mặn Nội dung phương pháp nghiên cứu luận án 4.1 Nội dung nghiên cứu + Thí nghiệm thấm nhanh clo số mẫu bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1202 + Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo bê tơng, áp dụng tính cho kết mẫu thí nghiệm So sánh kết tính với nghiên cứu khác giới Nhận xét kết luận + Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo dựa định luật Fick định luật Faraday + Sử dụng mơ hình thiết lập khảo sát biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng xâm nhập clo 37 4.2 Phương pháp nghiên cứu + Lý thuyết kết hợp với thí nghiệm Mơ hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo tác động xâm nhập clo Lập trình dự báo tuổi thọ sử dụng phần mềm MATLAB, kỹ thuật sử dụng bán thực nghiệm Đóng góp khoa học luận án - Nghiên cứu sinh nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu chuẩn ASTM C1202 cho mẫu bê tông phổ biến xây dựng cầu Việt Nam Kết thí nghiệm cho thấy bê tơng cấp C30-C40-C50 có điện lượng truyền qua từ 2577 cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình thấp - Nghiên cứu sinh xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết thí nghiệm nhanh ASTM C1202 Đã sử dụng cơng thức tính hệ số khuếch tán clo cho 18 mẫu thử, sau so sánh với kết cơng thức dự báo Stanish, Berke cho kết tương đối phù hợp - Nghiên cứu sinh xây dựng thành cơng mơ hình “LifeConBridge” dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo lập trình phần mềm Mathlab Ý nghĩa lý luận thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học luận án: Xây dựng mơ hình tính tốn dự báo tuổi thọ theo xâm nhập clo, từ làm sáng tỏ tác động lý hóa đến q trình suy giảm chất lượng dẫn tới hư hại phá hủy kết cấu bê tơng cốt thép, góp phần xây dựng phương pháp nghiên cứu dự báo tuổi thọ kết cấu,cơng trình Ý nghĩa thực tiễn luận án: Luận án cung cấp tổng quan tốt, mơ hình phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo tài liệu tham khảo tốt cho kỹ sư, nhà nghiên cứu thiết kế sử dụng trình phát triển kết cấu cầu đại Kết cấu Luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận danh mục tài liệu tham khảo, luận án gồm chương, 21 tiết 38 Chương TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO 1.1 Mở đầu TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Các cơng trình cầu bê tơng cốt thép Việt Nam thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến hội nhập Triết lý thiết kế tiêu chuẩn cầu phải thiết kế thỏa mãn tất trạng thái giới hạn với cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan độ bền Các tài liệu thiết kế thi công cầu bê tông cốt thép hành đầy đủ chi tiết để đảm bảo mục tiêu thi công được, an tồn sử dụng được, có xét đến yếu tố: khả dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan độ bền Các tài liệu thiết kế vật liệu bê tông để đảm bảo mục tiêu thiết kế kết cấu biên soạn Vấn đề đảm bảo độ bền cầu bê tông cốt thép đặt Trong lĩnh vực này, tượng ăn mòn cốt thép mối quan tâm lớn Xâm nhập clo CO ngun nhân q trình ăn mịn cốt thép gây hư hại làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng Các biện pháp nhằm giảm bớt xâm nhập ion clo CO vào bê tông hy vọng nâng cao đáng kể độ bền tuổi thọ sử dụng cầu bê tơng Việt Nam nước có bờ biển dài 3000 Km, có nhiều cơng trình cầu bê tông cốt thép nằm gần sát với biển Trên thực tế cơng trình cầu bê tơng cốt thép nằm ven biển chịu tác động mạnh xâm nhập clo vào bê tơng gây ăn mịn thép dẫn đến nứt bê tông bảo vệ làm giảm diện tích tiết diện thép giảm sức kháng lại tải trọng sử dụng Trình tự chung hầu hết nghiên cứu theo hướng: độ bền bê tông, xâm nhập clo vào bê tông ăn mịn cốt thép bê tơng, tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Các hướng có liên hệ mật thiết với bê tơng có độ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt Tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép theo xâm nhập clo thời gian từ kết cấu bắt đầu tiếp xúc với mơi trường có ion clo đến cốt thép bị ăn mòn gây nứt hồn tồn bê tơng bảo vệ đến ăn mịn gây mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực 1.2 Các nghiên cứu độ bền tuổi thọ sử dụng giới 39 - Các nghiên cứu lý thuyết độ bền bê tông M.S Shetty tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice” xuất năm 2005, đưa lý thuyết độ bền bê tông sau: Trong thời gian dài, bê tơng coi vật liệu có độ bền với u cầu khơng cần điều kiện bảo trì Giả thiết tương đối đa số trường hợp, ngoại trừ bê tông sử dụng môi trường khắc nghiệt: khu vực đô thị khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề; môi trường biển, mơi trường có ion clo Trong mơi trường bê tơng bị suy thối, bền xâm nhập hóa chất axit, sun phát, phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập clo, bon nát hóa Độ bền bê tơng xi măng Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01 định nghĩa khả chống tác động thời tiết, xâm nhập hóa chất, mài mịn, q trình khác hư hại Bê tơng bền giữ hình thức ban đầu Bê tơng bền trì chất lượng khả phục vụ tiếp xúc với môi trường xâm thực Hiện nay, bê tông sử dụng tất nơi có điều kiện thuận lợi mở rộng đến môi trường khắc nghiệt, nên việc xem xét yếu tố độ bền cơng trình xây dựng đại trở nên quan trọng nhiều so với trước Số lượng lớn kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển trực tiếp gián tiếp, tác động nước biển bê tông cần quan tâm đặc biệt Các kết cấu vùng ven biển kết cấu khơi chịu tác động đồng thời số q trình suy thối vật lý hóa học Bê tơng nước biển phải chịu ăn mịn thép clo gây ra, phong hóa muối, mài mịn cát, vv Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng lượng, nồng độ ion Na+ − Cl cao nhất, tương ứng 1,1% 2% Nó chứa Mg2+ SO42-, tương ứng 1,4% 2,7% Độ PH nước biển thay đổi từ 7,5 8,4 Giá trị trung bình 8.2 - Các nghiên cứu chế xâm nhập clo vào bê tông Tốc độ xâm nhập chất vào bê tơng yếu tố để dự báo độ bền bê tông, chế hư hại chẳng hạn ăn mịn, rửa trơi cacbonat liên quan đến tốc độ xâm nhập tác nhân xâm thực vào bê tơng Tính xâm nhập xem mức độ mà vật liệu cho phép khí, chất lỏng, ion vào vật liệu Một kết cấu bê tông cốt thép bền vững, hạn chế xâm nhập chất 40 lỏng yêu cầu cần phải đáp ứng Các chế khuếch tán, di trú, đối lưu thấm chế chuyên chở chất vào bê tông 1.3 Các nghiên cứu nước Các cơng trình nước nghiên cứu ăn mịn thép bê tơng vùng ven biển điển hình như: GS.TS Phạm Duy Hữu công xuất sách “Bê tông cường độ cao chất lượng cao” năm 2008 Đề tài luận án tiến sỹ Nguyễn Mạnh Phát năm 1997 có tên “Nghiên cứu nâng cao khả chống ăn mịn cho bê tơng bê tơng cốt thép môi trường xâm thực biển” Đề tài luận án tiến sỹ Trần Đương năm 2005: “ Ứng dụng mô hình Tang Luping- Olof Nilsson khảo sát khuếch tán ion Cl- bê tông nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia đến trình này” TS Nguyễn Mạnh Phát xuất sách “Lý thuyết ăn mòn chống ăn mịn bê tơng- bê tơng cốt thép xây dựng” năm 2007 Ha Minh, Hiroshi Mutsuyoshi năm 2010 với báo “ Sự hư hại cầu bê tông dự ứng lực kéo sau điều kiện môi trường đặc biệt” ThS Tô Minh Tuấn, TS Nguyễn Ngọc Nam, TS Vũ Ngọc Anh, năm 2010 với nghiên cứu “ Tính tốn tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép chịu ăn mịn” Theo tác giả tác nhân gây ăn mịn hóa học ion Cl- Tính tốn thời gian cốt thép bị án bê tông gây nứt cho kết cấu hạn chế rủi ro cho cơng trình Chương NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG 2.1 Giới thiệu chung Hệ số khuếch tán ion clo bê tông thông số quan trọng để dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép bê tông Hệ số khuếch tán clo bê tơng xác định từ thí nghiệm dự báo theo thành phần bê tơng Trên giới hệ số khuếch tán clo bê tơng thường xác định từ thí nghiệm di trú nhanh (Rapid Migration Test) Việt Nam có thí nghiệm thấm nhanh clo (Rapid Chloride Permeability Test-ASTM C1202), thí nghiệm đưa số điện lượng chuyển qua thí nghiệm, từ kết đưa mức độ định tính thấm clo Vấn đề đặt từ điện tích chuyển qua ta xác định hệ số khuếch tán ion clo bê tông 28 ngày tuổi Luận án đưa công thức xác định 41 hệ số khuếch tán clo bê tông từ kết thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 so sánh với kết dự báo hệ số khuếch tán clo từ thành phần bê tông Chương mô tả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 với 18 mẫu bê tông Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo bê tơng từ kết thí nghiêm ASTM C1202, tính hệ số khuếch tán clo, so sánh kết tính với dự báo 2.2 Thí nghiệm xác định hệ số khuếch tán clo bê tông - Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 1/ Tiêu chuẩn thí bị thí nghiệm + Thí nghiệm tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM C1202-12 + Thiết bị thí nghiệm: RLC INSTRUMENT CO-KELTRON CORP-USA-C300 2/ Kế hoạch thí nghiệm + Bê tơng làm cầu đa số có tỷ lệ nước xi măng w/c=0,300,40, cường độ chịu nén tối thiểu theo điều 5.4.2.1 tiêu chuẩn 22TCN272-05 qui định sau “Cường độ chịu nén đặc trưng bê tông dự ứng lực mặt cầu không thấp 28 MPa” Hiện thiết kế thi công thường dùng cấp bê tông từ 30MPa đến 50MPa + Mục tiêu thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ w/c =0,30-0,40 mẫu đến điện lượng chuyển qua mẫu Q(Culơng) thí nghiêm ASTM C1202 Từ kết điện lượng chuyển qua thí nghiệm, kiểm chứng hệ số khuếch tán D theo công thức lập so sánh với công thức dự báo tác giả khác + Mẫu thử chế tạo tạo phịng thí nghiệm trường đại học Giao thông với tổ mẫu tổ mẫu 3/Mơ tả thí nghiệm a) Chuẩn bị mẫu Đúc tổ mẫu thí nghiệm tổ mẫu, mẫu trụ trịn kích thước dài 200m, đường kính 100mm, diện tích mặt cắt ngang A=πd2/4=7854mm2 Các mẫu 200m cắt bỏ hai ñầu đầu 20mm cắt thành ba mẫu mẫu dài L=50mm - Để khô bề mặt mẫu thử khơng khí sau - Dùng chổi hay khăn làm bề mặt mẫu thử 47 • Hệ số khuếch tán DC1202 thấp so với công thức kinh nghiệm Berke: bê tông thường từ 9% đến 14%; bê tơng có 8% muội silic từ 49% đến 52%; bê tơng có 15% tro bay từ 11% đến 12% • Hệ số khuếch tán DC1202 so với công thức kinh nghiệm Omar S Baghabra: bê tông C30-C40 DC1202 thấp từ 55% đến 346%; bê tông C50 DC1202 cao từ 19% đến 22%; bê tơng có 8% muội silic DC1202 thấp hơn từ 14% đến 23%; bê tơng có 15% tro bay DC1202 cao khoảng 80% • Hệ số khuếch tán DC1202 so với tính theo Zhang Gjorv thấp từ 60% đến 68% Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO 3.1 Giới thiệu chung Tuổi thọ sử dụng thực tế khái niệm tuổi thọ thiết kế trìu tượng Vịng đời kết cấu nhỏ tuổi thọ thiết kế định chủ đầu tư dựa sở kinh tế chức Thời gian thực kết cấu giữ nguyên sử dụng nhiều tuổi thọ thiết kế điều đưa nguồn gốc tuổi thọ sử dụng Vài định nghĩa tuổi thọ sử dụng phát triển Một định nghĩa đơn giản Ủy ban 365 ACI chấp nhận là: Tuổi thọ sử dụng thời gian mà kết cấu thực chức định Theo 22TCN272-05: Tuổi thọ sử dụng khoảng thời gian cầu dự kiến khai thác an toàn Trong luận án tuổi thọ sử dụng kết cấu cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo môi trường biển định nghĩa sau: Tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép xâm nhập clo thời gian từ bắt đầu tiếp xúc với mơi trường có ion clo đến clo gây ăn mịn cốt thép dẫn tới nứt bê tơng bảo vệ tới ăn mòn gây mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực 48 Tuổi thọ sử dụng cầu bê tơng cốt thép tính theo xâm nhập clo tính năm tổng hai giai đoạn nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn giai đoạn lan truyền ăn mòn 3.2 Xây dựng mơ hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn Thời gian khởi đầu ăn mòn thép bê tông phơi nhiễm clo thường diễn tả thời gian cần thiết để clo khuếch tán qua bê tông vào cốt thép đạt tới mức ngưỡng nồng độ tới hạn Nồng độ Cl tích lũy với thời gian thay đổi theo chiều sâu Các chế clo xâm nhập vào bê tông thay đổi theo điều kiện phơi nhiễm Bê tơng thường xun ẩm ướt khuếch tán chế chủ đạo Định luật Fick thường sử dụng để mơ tả điều Mơ hình dự báo thời kỳ khởi đầu dựa định luật thứ hai Fick khuếch tán Theo định luật thứ hai Fick ta có phương trình vi phân biểu diễn nồng độ građien nồng độ thay đổi theo thời gian, giải phương trình vi phân ta có thời gian khởi đầu ăn mịn Bài tốn chiều: (khuếch tán chiều- dùng cho tường) Trong đó: (3.1) C(x,t) nồng độ clo chiều sâu x thời gian t D hệ số khuyếch tán clo bê tơng x chiều sâu tính từ bề mặt bê tông t thời gian trường hợp D khơng đổi theo thời gian nồng độ clo bề mặt số Ta có: Trong đó: (3.2) Cs nồng độ clo bề mặt bê tông C0 nồng độ clo ban đầu bê tông Khi nồng độ clo C(x,t) bề mặt cốt thép ngưỡng nồng độ gây ăn mòn C th lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mịn (gỉ) 49 t1 thời gian khởi đầu ăn mịn (3.3) - Bài tốn hai chiều: (khuếch tán hai chiều- dầm cột) Trong đó: (3.4) C(x,y,t) nồng độ clo chiều sâu x,y thời gian t D hệ số khuyếch tán clo bê tông x,y khoảng cách tính từ bề mặt bê tơng t thời gian có: Trường hợp D không đổi theo thời gian nồng độ clo bề mặt số Ta Trình tự giải toán D Cs thay đổi theo thời gian (3.5) Trong tốn thực tế hai hệ số khuếch tán nồng độ clo bề mặt thay đổi theo thời gian Do để giải toán ta sử dụng phép sai phân hữu hạn định luật hai Fick Mơ hình có giả định sau: • Vật liệu xem xét đồng nhất; • Nồng độ bề mặt clo xung quanh cấu kiện bê tông không đổi bước thời gian; • Các đặc tính phần tử khơng đổi bước thời gian; • Hằng số khuếch tán không đổi theo chiều sâu phần tử không đổi bước thời gian; 3.3 Xây dựng mơ hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn Để dự báo thời gian ăn mịn gây nứt bê tơng bảo vệ có nhiều tác giả theo cách khác Trong số phải kể tới mơ hình tốn Bazant đề xuất năm 1979; mơ hình tốn Youping Liu năm 1996; mơ hình thực nghiệm Morinaga năm 1989 50 - Mơ hình tốn Bazant Dựa lý thuyết mơ hình vật lý ăn mịn thép bê tông tiếp xúc với nước biển, Bazant đề xuất mơ hình tốn học đơn giản để tính tốn thời gian tới nứt ăn mịn lớp bê tông bảo vệ Các giả định mơ hình Bazant sau: a) Thâm nhập oxy ion clo thông qua lớp bê tông bảo vệ chiều b) Một trạng thái ổn định tốc độ tạo gỉ bắt đầu vào thời điểm lớp thụ động bề mặt cốt thép bị phá vỡ c) Mơ hình dựa rỉ đỏ gây nguy hiểm cho nứt bê tông giả định ρr = ρs/4, ρr ρs tỷ trọng sản phẩm gỉ thép chưa gỉ Thời gian từ bắt đầu ăn mòn tới ăn mịn gây nứt bê tơng, tcr,: Trong đó: ; (3.6) (3.7) + S khoảng cách + d đường kính + ∆d thay đổi đường kính + jr tốc độ tạo gỉ, jr=2,89x10-12icor + ρcor hàm mật độ khối lượng thép gỉ Theo mơ hình Bazant, thời gian tcr hàm tốc độ ăn mịn, chiều dày lớp bê tơng bảo vệ, khoảng cách cốt thép tính chất học bê tông cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson hệ số từ biến Nhiều tác giả kiểm chứng mơ hình Bazant kết luận thời gian dự đốn nứt tính tốn từ mơ hình Bazant ngắn nhiều so với quan sát Mơ hình tốn Liu Năm 1996 Youping Liu ñề xuất phương pháp xác định khoảng thời gian từ khởi đầu ăn mịn tới nứt bê tơng bảo vệ ăn mịn, hình 3.1 Các sản phẩm ăn mịn gây áp lực đồng cho bê tông xung quanh cốt thép Khơng phải tất sản phẩm ăn mịn gây áp lực, số chúng lấp vào khoảng trống xung quanh giao diện thép-bê tông di chuyển khỏi giao diện thép - bê tơng Do 51 tính phức tạp vấn đề, nứt ăn mòn gây giới hạn ứng suất việc sản phẩm ăn mòn nở thể tích Hình 3.1 Áp lực bê tơng hình thành sản phẩm ăn mịn sau: Có ba giai đoạn xem xét mơ hình đề xuất giải thích ngắn gọn a Giai đoạn giãn nở tự do: mơ hình giả định có tồn vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê tơng Khi ăn mịn xảy bề mặt thép, vùng xốp lấp đầy sản phẩm ăn mòn Khi tổng số lượng sản phẩm ăn mịn so với số lượng sản phẩm ăn mòn yêu cầu lấp đầy vào vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê tơng, hình thành sản phẩm ăn mòn giai đoạn chưa tạo ứng suất bê tông xung quanh b Giai đoạn tạo ứng suất: số lượng sản phẩm ăn mòn vượt số lượng sản phẩm ăn mòn cần thiết để lấp đầy vào vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê tơng, hình thành sản phẩm ăn mòn bắt đầu tạo áp lực lên bê tông xung quanh cốt thép áp lực tăng lên với gia tăng sản phẩm ăn mòn c Giai đoạn nứt: tổng lượng sản phẩm ăn mòn đạt đến số lượng tới hạn sản phẩm ăn mòn tới hạn, Wcrit (số lượng giới hạn sản phẩm ăn mòn cần thiết để tạo nứt bê tông bảo vệ), ứng suất gia tăng thể tích sản phẩm gỉ vượt cường độ chịu kéo bê tông gây nứt bê tông bảo vệ Số lượng tới hạn sản phẩm ăn mòn cần thiết để tạo vết nứt bê tơng bảo vệ tính từ phương trình 3.8: (3.8) 52 Trong đó: ρrust tỷ trọng sản phẩm ăn mòn ρst tỷ trọng thép d0 chiều dày vùng xốp ds chiều dày sản phẩm ăn mòn gây ứng suất kéo d đường kính cốt thép L chiều dày lớp bê tông bảo vệ a=(d+2d0)/2; b = L + (d+2d0)/2 Wst khối lượng thép ăn mòn (Wst=αWcrit) α=0.523 (Gỉ Fe(OH)3) α=0.622 cho Fe(OH)2 fct cường độ chịu kéo bê tông νc hệ số Poisson bê tông Ecef mô đun đàn hồi có hiệu bê tơng Tốc độ tạo gỉ viết sau, (3.9) Ở Wrust số lượng sản phẩm gỉ, t thời gian ăn mòn (năm) kp tốc độ sản xuất gỉ, kp có liên quan đến tốc độ mát thép, mà biểu diễn tốc độ ăn mịn: (3.10) Trong đó: α có liên quan đến loại sản phẩm gỉ, D đường kính thép (inch) icorr suất ăn mịn trung bình hàng năm Từ phương trình 3.11, tích phân ta thu được: (3.11) Khi tốc độ ăn mịn khơng đổi, thời gian để nứt, t2 tính sau: (3.12) Nhận xét mơ hình Liu Mơ hình toán Liu đưa sở khoa học rõ ràng nhiên cịn có số hạn chế sau: 53 Tốc độ tạo gỉ kp thiếu sở khoa học rõ ràng Chưa xét tới đặc trưng học sản phẩm ăn mòn Chưa xét đến xâm nhập sản phẩm ăn mịn vào vết nứt -Mơ hình thực nghiệm Các mơ hình thực nghiệm chủ yếu dựa phân tích hồi quy liệu thực nghiệm quan sát Các liệu thực nghiệm hình thành sở cho mơ hình thực nghiệm thường thu điều kiện gia tốc nứt đánh dấu xuất bề rộng vết nứt 0,05 mm Beaton Stratfull đề xuất công thức dựa quan sát trường thí nghiệm phịng để tính gần t2 Clear đơn giản hóa mơ hình này, sau sửa đổi Purvis et al, bao gồm thời gian phụ thuộc hàm lượng clo bề mặt Trong đó: (3.13) t2 thời gian từ bắt đầu ăn mòn tới nứt bê tơng bảo vệ tính năm; L chiều dày lớp bê tông bảo vệ; t tuổi bê tông đo nồng độ clo bề mặt(năm); Cs nồng độ clo bề mặt (tính % khối lượng bê tông); w/c tỷ lệ nước xi măng; Morinaga giả định vết nứt bê tơng xảy có số lượng định sản phẩm ăn mòn hình thành cốt thép Ơng dựa liệu thí nghiệm trường phịng đưa dự đoán thời gian tới nứt sau: Trong đó: Wcr số lượng tới hạn sản phẩm ăn mòn (g/mm2) jr tốc độ ăn mòn (g/cm2 ngày) L chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm) (3.14) 54 d đường kính cốt thép (mm) 3.4 Sơ đồ thuật tốn tính tuổi thọ sử dụng cầu bê tơng “LifeConBridge” Hình 3.2 trình bày sơ đồ thuật tốn tính tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Luận án đặt tên cho thuật toán “Life Concrete Bridge” viết tắt “ LifeConBridge” Thuật toán lập trình Mathlab Từ sơ đồ thuật tốn phần mềm “LifeConBridge” –(Service life of Concrete Bridge) viết Mathlab cho hai thời gian khởi đầu ăn mòn thời gian lan truyền ăn mòn 55 Hình 3.2 Sơ đồ thuật tốn tuổi thọ sử dụng xâm nhập clo 56 3.5 Nhận xét 1/ Ảnh hưởng yếu tố thiết kế kết cấu vật liệu: độ dài giai đoạn khởi đầu ăn mịn thay đổi mạnh theo chiều dày lớp bê tơng bảo vệ L Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới độ dài thời gian khởi đầu ăn mòn hệ số khuếch tán clo thông qua ảnh hưởng tỷ lệ nước xi măng (w/c) ảnh hưởng muội silic Độ dài giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng giảm tăng đường kính cốt thép Độ dài giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm tỷ lệ thuận với ρth đường kính cốt thép tỷ lệ nghịch với mật độ dòng điện ăn mòn 2/ Ảnh hưởng yếu tố môi trường: Ảnh hưởng mạnh môi trường đến độ dài giai đoạn khởi đầu ăn mòn nồng độ clo bề mặt độ ẩm, tiếp đến ảnh hưởng nhiệt độ Chương CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ DỤ TÍNH TỐN 4.1 Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng - Với kết cấu Các giải pháp kết cấu: chiều dày lớp bê tông bảo vệ tham số quan trọng ảnh hưởng tới thời gian khởi đầu ăn mòn thời gian lan truyền ăn mịn Hình 4.1 Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi đầu ăn mòn w/c=0.35, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=80% cho vùng khí biển 57 Hình 4.2 Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian từ khởi đầu ăn mòn đến nứt cho bê tơng f’c=40MPa, đường kính cốt thép d=16mm, - nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=80% cho vùng khí biển Giải pháp vật liệu Sử dụng tỷ lệ nước xi măng nhỏ Hình 4.3 Quan hệ tỷ lệ nước xi măng w/c với thời gian khởi đầu ăn mòn Sử dụng phụ gia muội silic (Silica fume) 58 Hình 4.4 Quan hệ tỷ lệ muội si líc với thời gian khởi đầu ăn mòn Tăng ngưỡng clo tới hạn Các biện pháp kéo dài thời gian tích lũy clo bề mặt bê tông - Các giải pháp kết hợp Với kết cấu cũ Có hai phương pháp hiệu áp dụng chung cho kết cấu bị ăn mịn thép là: Điện hóa khử ion clo Bảo vệ cực âm 4.2 Thí dụ tính tốn cho số phận cầu T (Xem Luận án) 59 1/ Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu sinh nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu chuẩn ASTM C1202 cho mẫu bê tông phổ biến xây dựng cầu Việt Nam Kết thí nghiệm cho thấy bê tơng cấp C30-C40-C50 có điện lượng truyền qua từ 2577 cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình thấp Nghiên cứu sinh xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết thí nghiệm nhanh ASTM C1202 Đã sử dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo cho 18 mẫu thử, sau so sánh với kết cơng thức dự báo Stanish, Berke cho kết tương đối phù hợp Nghiên cứu sinh tổng kết nghiên cứu tác giả đề nghị công thức dự báo hệ số khuếch tán clo biểu kiến từ thành phần trộn bê tông, nhiệt độ, độ ẩm môi trường, tuổi bê tông mức độ nứt bê tông Nghiên cứu sinh xây dựng thành cơng mơ hình “LifeConBridge” dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập clo lập trình phần mềm Mathlab Đã sử dụng mơ hình tính toán tác động tham số (chiều dày lớp bê tông bảo vệ, tỉ lệ w/c, phụ gia muội silic, ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn) dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép điều kiện Việt Nam 2/ Kiến nghị + Trong điều kiện Việt Nam, sử dụng cơng thức tính hệ số khuếch tán clo bê tơng từ kết thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 luận án thành lập chương Kết hệ số khuếch tán dùng số liệu đầu vào mơ hình dự báo + Mơ hình tuổi thọ sử dụng trợ giúp kỹ sư thiết kế để có phương án thiết kế hợp lý cho cơng trình cầu bê tơng cốt thép ven biển + Ngồi sử dụng mơ hình luận án xây dựng dự báo tuổi thọ sử dụng xâm nhập clo kết cấu bê tông cốt thép khác làm việc mơi trường có clo cầu cảng, kết cấu bê tông khu vực cửa sơng có xâm nhập mặn + Khi nghiên cứu thiết kế kết cấu bê tông cốt thép môi trường clo tham khảo thuật tốn, chương trình kết luận đưa luận án 60 + Mơ hình áp dụng cho kết cấu cầu cảng bê tông cốt thép + Đối với thiết kế: gồm hai mục thiết kế kết cấu thiết kế thành phần bê tông Thiết kế kết cấu cần cân nhắc chiều dày lớp bê tông bảo vệ hợp lý, xem xét biện pháp bảo vệ bê tông, bảo vệ cốt thép Thiết kế thành phần bê tông cần nghiên cứu đưa thành phần bê tơng để vừa đảm bảo hệ số khuếch tán clo nhỏ đồng thời nâng ngưỡng nồng độ clo gây ăn mịn thép + Đối với thi cơng cần tn thủ yêu cầu thiết kế tiêu chuẩn thi công nghiệm thu hành + Đối với công tác bảo trì cần theo dõi thường xuyên tình trạng kết cấu Với kết cấu sơn phủ mặt màng bề mặt bê tông cần định kỳ quét lại sơn thay màng 3/ Hướng nghiên cứu Hướng nghiên cứu dự kiến sau: + Nghiên cứu dự báo hệ số khuếch tán clo theo loại xi măng vật liệu địa phương vùng khác nước ta + Nghiên cứu tích tụ clo bề mặt bê tông loại bê tông khác cho vùng Việt Nam, vẽ đồ phân vùng nồng độ clo bề mặt bê tơng Việt Nam + Nghiên cứu đặc tính ngẫu nhiên q trình khuếch tán ăn mịn + Nghiên cứu tác động đồng thời nhiều yếu tố như: cơ, lý, hóa, nhiệt DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1/ Chủ nhiệm đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ: Một phương pháp tính kết cấu bê tơng cốt thép theo mơ hình hệ thanh- Mã số: B99-35-82; 2/ Chủ nhiệm đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ: Nghiên cứu, phân tích làm việc kết cấu bê tơng cốt thép có xét đến giảm độ cứng nứt - Mã số: B200904-100; 3/ Chủ nhiệm đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép theo thấm clorua- Mã số T2013-CT-23; 4/ Đào Văn Dinh – Bùi Trọng Cầu-“Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu Bê tơng cốt thép” -Tạp chí khoa học GTVT số 25/2009; 61 5/ Đào Văn Dinh “Phân tích kết cấu bê tơng cốt thép có xét tới giảm cứng nứt”- Tạp chí khoa học GTVT số 34/2011; 6/ Đào Văn Dinh- “Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép bê tơng phơi nhiễm Clo”- Tạp chí khoa học GTVT số 41-Tháng /2013-5-8; 7/ Đào Văn Dinh, Đỗ Văn Trung-“ Tính tốn dự báo hệ số khuếch tán clo bê tơng” Tạp chí Cầu đường Việt Nam số tháng 12/2013-07-11; 8/ Phạm Duy Hữu, Bùi Trọng Cầu, Đào Văn Dinh “Dự báo thời gian lan truyền ăn mịn cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép phơi nhiễm Clo” Tạp chí Cầu đường Việt Nam số tháng 4/2014-11-15; 9/ Phạm Duy Hữu, Đào Văn Dinh “Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm Clorua” Tạp chí Cầu đường Việt Nam số tháng 7/2014-23-26; ... hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo Đây lý để đề tài nghiên cứu xâm nhập clo gây ăn mòn cốt thép để dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. .. cốt thép để xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo xâm nhập ion clo Chỉ giới hạn cơng trình cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Tuy nhiên áp dụng. .. nghiệm Mơ hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo tác động xâm nhập clo Lập trình dự báo tuổi thọ sử dụng phần mềm MATLAB, kỹ thuật sử dụng bán thực nghiệm