Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐÀO VĂN DINH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO CHUY£N NGµNH : Kü THUậT XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐặC BIệT Mã Số : 62.58.02.06 LUËN ¸N TIÕN SÜ Kü THUËT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS PHẠM DUY HỮU PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU HÀ NỘI - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác HÀ NỘI NGÀY THÁNG NĂM 2014 TÁC GIẢ ĐÀO VĂN DINH LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn trực tiếp GS.TS Phạm Duy Hữu PGS.TS Bùi Trọng Cầu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu để giúp thực luận án Tôi xin cảm ơn q thầy mơn Cơng Trình Giao Thơng Thành Phố Cơng trình Thủy, đặc biệt GS.TS Nguyễn Viết Trung giúp đỡ nhiều q trình học tập nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh đóng góp ý kiến cho luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng ðào tạo sau ðại học trường ðại học Giao Thông Vận tải tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường ðại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Cơng Trình tạo điều kiện để tơi học tập nghiên cứu Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu HÀ NỘI NGÀY THÁNG NĂM 2014 TÁC GIẢ ðÀO VĂN DINH MỤC LỤC Lời cam đoan .i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vẽ vii Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu ix MỞ ðẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Mở đầu 1.2 Các nghiên cứu độ bền tuổi thọ sử dụng giới 1.2.1 Các nghiên cứu lý thuyết độ bền bê tông 1.2.2 Các nghiên cứu chế xâm nhập clo vào bê tông 10 1.2.3 Các nghiên cứu chế ăn mòn cốt thép 13 1.2.4 Các thí nghiệm sức kháng xâm nhập clo bê tông 21 1.2.5 Các nghiên cứu hệ số khuếch tán 30 1.2.6 Các nghiên cứu thời gian khởi đầu ăn mòn thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng 32 1.3 Các nghiên cứu nước 35 1.4 Nhận xét hướng nghiên cứu luận án 37 1.5 Mục tiêu luận án 38 1.6 Nội dung phương pháp nghiên cứu 38 1.6.1 Nội dung nghiên cứu 38 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG .39 2.1 Giới thiệu chung 39 2.2 Thí nghiệm xác định hệ số khuếch tán clo bê tông 40 2.2.1 Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 40 2.2.2 Kết thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 48 2.2.3 Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết thí nghiệm C1202 49 2.2.4 Áp dụng phương trình DC1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết thí nghiệm C1202 50 2.3 Tổng kết kết dự báo hệ số khuếch tán giới 51 2.3.1 Dự báo hệ số khuếch tán (D28) từ tỷ lệ nước xi măng 52 2.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số khuếch tán 52 2.3.3 Ảnh hưởng thời gian đến hệ số khuếch tán 53 2.3.4 Ảnh hưởng muội silic đến hệ số khuếch tán 55 2.3.5 Ảnh hưởng độ ẩm đến hệ số khuếch tán 57 2.3.6 Ảnh hưởng nứt đến hệ số khuếch tán 57 2.3.7 Hệ số khuếch tán biểu kiến 58 2.3.8 Tính hệ số khuếch tán theo dự báo theo công thức kinh nghiệm 59 2.4 So sánh kết tính tốn thảo luận 60 2.4.1 So sánh kết tính hệ số khuếch tán D 60 2.4.2 Phân tích, nhận xét kết tính hệ số khuếch tán D 63 2.5 Kết luận chương 63 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO 65 3.1 Giới thiệu chung 65 3.1.1 Khái niệm tuổi thọ sử dụng 66 3.1.2 Tuổi thọ sử dụng theo tác động xâm nhập clo môi trường biển 67 3.2 Xây dựng mơ hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn 71 3.2.1 Tổng quát 71 3.2.2 Các tham số mơ hình 71 3.2.3 Xây dựng mơ hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn 80 3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi đầu ăn mòn Mathlab 88 3.3 Xây dựng mơ hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn 88 3.3.1 Các vấn đề chung 88 3.3.2 Xem xét mơ hình có 89 55 3.3.3 Mơ hình đề xuất 94 3.4 Sơ đồ thuật tốn tính tuổi thọ sử dụng cầu bê tông “LifeConBridge” 109 3.5 Kết tính nhận xét 111 3.5.1 Kiểm chứng kết tính mơ hình đề xuất 111 3.5.2 Kết tính tốn thí dụ 112 3.5.3 Nhận xét kết quả: 114 3.6 Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 115 3.6.1 ðặc điểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam biến đổi khí hậu 115 3.6.2 Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 118 3.7 Kết luận chương 120 CHƯƠNG CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ DỤ TÍNH TỐN .122 4.1 Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng 122 4.1.1 Với kết cấu 122 4.1.2 Với kết cấu cũ 127 4.2 Thí dụ tính tốn cho số phận cầu T 127 4.2.1 Các thơng sơ tính tuổi thọ sử dung cầu T 127 4.2.2 Kết tính tốn tuổi thọ sử dụng 129 4.2.3 Các kết luận rút từ thí dụ nghiên cứu 130 4.3 Kết luận chương 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 1/ Kết luận 132 2/ Kiến nghị .134 3/ Hướng nghiên cứu 135 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .136 TÀI LIỆU THAM KHẢO .137 PHỤ LỤC 145 PHỤ LỤC 155 66 Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Ảnh hưởng tham số khác q trình ăn mòn 21 Bảng 1.2 Tổng kết phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo 30 Bảng 2.1 Thành phần bê tông tổ mẫu 42 Bảng 2.2 Mức độ thấm ion clo 45 Bảng 2.3 Kết thí nghiệm theo ASTM C1202 48 Bảng 2.4 Kết tính DC1202 từ thí nghiệm 51 Bảng 2.5 Các giá trị m cho loại bê tông 54 Bảng 2.6 Kết D theo dự báo công thức kinh nghiệm 60 Bảng 2.7 DC1202, D dự báo công thức kinh nghiệm 61 Bảng 2.8 So sánh kết tính hệ số D 62 Bảng 3.1 Tốc độ tích lũy nồng độ lớn clo bề mặt 73 Bảng 3.2 Tóm tắt tiêu chuẩn xác định giới hạn tối đa cho phép clo vữa bê tông dự ứng lực 78 Bảng 3.3 Ảnh hưởng canxi nitrit (CNI) ngưỡng clo tới hạn 79 Bảng 3.4 Kết tinh thời gian khởi đầu ăn mòn H=100% 111 Bảng 3.5 Kết tinh thời gian khởi đầu ăn mòn H=75% 112 Bảng 3.6 Kết tinh thời gian lan truyền ăn mòn theo nứt bê tông bảo vệ 112 Bảng 3.7 Kết tinh thời gian khởi đầu ăn mòn theo tham số 113 Bảng 3.8 Kết tính thời gian lan truyền ăn mòn theo tham số (quan điểm 1: nứt hồn tồn bê tơng bảo vệ) 113 Bảng 3.9 Kết tính thời gian lan truyền ăn mòn theo tham số (quan điểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm) 114 Bảng 4.1 Kết tính tuổi thọ sử dụng, với giải pháp kết hợp 126 Bảng 4.2 Thông số kết cấu vật liệu 128 Bảng 4.3 Thông số môi trường 129 Bảng 4.4 Kết tính tuổi thọ sử dụng, tốn 1D 129 Bảng 4.5 Kết tính tuổi thọ sử dụng, toán 2D 130 77 Bảng 4.6 Kết tính thời gian lan truyền ăn mòn t2 130 viii Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Số lượng hư hại quan sát Nhật (nguồn liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) Hình 1.2: Biểu đồ Pourbaix quan hệ điện cực độ pH hệ Fe-H2O 15 Hình 1.3 Các phản ứng cực dương cực âm (Beeby) 18 Hình 1.4 Thể tích tương đối sản phẩm ăn mòn sắt 20 Hình 1.5 Biểu đồ thể hư hại ăn mòn gây nứt, vỡ, tách lớp 20 Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) 21 Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối- Bulk Diffusion Test (NordTest NTBuild 443) 22 Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) 23 Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di 25 Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm điện di Tang Nilsson 26 Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm điện di nhanh (NordTest NTBuild 492) 27 Hình 1.12 Thiết bị đo điện trở suất chiều 29 Hình 1.13 Sơ đồ phương pháp điểm đo Wenner 29 Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép: Mơ hình hai giai đoạn Tuuti 1980 33 Hình 2.1 Sơ đồ bơm hút chân khơng mẫu thử C1202 43 Hình 2.2 Sơ đồ đo điện tích 44 Hình 2.3 Các ảnh thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202 47 Hình 2.4 Ảnh hưởng tỷ lệ W/C hệ số khuếch tán Clo bê o tông nhiệt độ 20 C 52 Hình 2.5 Ảnh hưởng tro bay xỉ hệ số khuếch tán 55 Hình 2.6 Ảnh hưởng silica fum hệ số khuếch tán Hình 2.7 Biểu đồ kết tính D 62 Hình 3.1: ðịnh nghĩa tuổi thọ sử dụng kéo dài tuổi thọ sử dụng 67 Hình 3.2: Ảnh hưởng màng sơn phủ bề mặt 75 Hình 3.3: góc phần tư cột 2D 84 Hình 3.4: Các biến góc phần tư cột 2D 85 Hình 3.5: Áp lực bê tơng hình thành sản phẩm ăn mòn (Mơ hình Liu) 91 141 40 Mark G Richardson (2004), Fundamentals of durable reinforced concrete, published in the Taylor & Francis e-Library, simultaneously published in the USA and Canada 41 Morinagn, S (1989) “Prediction of Service Lives of Reinforced Concrete Buildings Based on Rate of Corrosion of Reinforcing Steel,S” pecial Report of the Institute of Technology, Skimiza Corporation, Japan 42 Morris, W., Moreno, E.I and Sagues, A A.(1996), “Practical Evaluation of Resistivity of Concrete in TestCylinders using a Wenner Array Probe”, Cement and Concrete Research, Vol 26, No 12, pp.1779-1787 43 M.S Shetty (2005) “ Concrete Technology: Theory and Practice” published by S Chand & Company Pvt.Ltd 7361, Ram Naga, New Delhi 44 Mutsuyoshi, H (2001): ‘Present Situation of durability of posttensioned pc bridges in Japan’, in: Durability of post-tensioning tendons (Taerwe, L ed.), Fédération Internationale du Béton, Lausanne, pp 75-88 45 NCHRP- NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM, REPORT 558-Manual on Service Life of CorrosionDamaged Reinforced Concrete Bridge Superstructure Elements 46 Nielsen A (1985) Durability, pp 200-243 in Beton Bogen, Aalborg Cement Company, Aalborg, Portland 47 Omar S Baghabra Al-Amoudi, Walid A Al-Kutti, Shamsad Ahmad, Mohammed Maslehuddin (2009) “Correlation between compressive strength and certain durability indices of plain and blended cement concretes” Cement & Concrete Composites 31 672–676 48 P Vassie (1984), “Reinforcement corrosion and the durability of concrete bridges”, Proceeding of Institution of Civil Engineers 76, 713– 723 142 49 Purvis RL, Babaei K, Clear KC, Markow MJ (1994), Life-cycle cost analysis for protection and rehabilitation of concrete bridges relative to reinforcement corrosion, Washington, DC: Strategic Highway Research Program, National Research Council 50 Rodriguez, O.G & Hooton, R.D (March 2003), “Influence of cracks on chlo-ride ingress into concrete”, ACI Materials Journal, Vol 100, No 2, p 120-126 51 Schießl P.; Wiens U (1995), “Rapid Determination of Chloride Diffusivity in Concrete with Blending Agents”, Proceedings of RILEM International Workshop on Chloride Penetration into Concrete, St.Rémy-lès-Chevreuse, France, pp 115-125 52 Sharif, A., Loughlin, K F., Azad, A K and Nawaz, C M.,(1999), Determination of the effective diffusion coefficient in concrete via a gas diffusion technique, Proceedings of the international conference on concrete durability and repair technology, Edited by Dhir R K and McCarthy M J., published by Thomas Telford 53 Stanish, K (2000), Predicting the Diffusion Coefficient of Concrete from Mix Parameters, University of Toronto Report 54 Swamy,R.N., Hamada and Laiw,J.C, (Jul 1994) “ A citical evaluation of chloride penetration into concrete in marine environment”, in “ Corrosion and Corrosion Protection of steel in concrete” Proceedings of an International Conference, University of Sheffield, England, 404-419 55 Tang, L and Nilsson, L-O (1992), “Chloride diffusivity in high strength concrete at different ages.” Nordic Concrete Research, pp 162-171 56 Tang Luping, Joost Gulikers (2007) “On the mathematics of timedependent apparent chloride diffusion coefficient in concrete” - Cement and Concrete Research 37, 589–595 57 Technical Research Centre of Finland (VTT) (2003), LIFECON Deliverable D 3.2, Service Life ModelsLife -Cycle Management of 143 Concrete Infrastructures for Improved Sustainability, Project funded by the European Community under the Competitive and Sustainable Growth Programme (2001-2003) 58 TRB (1996), Transverse cracking in newly constructed bridge decks, National Co-operative Highway Research Program Report 380, Transportation Research Board, National Academy Press, Washington, 126 p 59 Tuutti, K (1980) “Service life of structures with regard to corrosion of embedded steel”, Proceedings of the International Conference on Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-65, pp 223236 60.57 T Liu, R.W Weyers (1998), “Modeling the dynamic corrosion process in chloride contaminated concrete structures”, Cement and Concrete Research 28 (3) 365–379 61 Uhlig, H H (1971), Corrosion and Corrosion Control, Wiley, New York 62 Vu, K A T and Stewart, M G (2000): “Structural reliability of concrete bridges including improved chloride-induced corrosion models”, Structural Safety, Vol 22, pp 313-333 63 Weyers, R.E (1998), “Service life model for concrete structures in chloride laden environments.” ACI Materials Journal, Vol 95 (4), pp 445-453 64 Whiting, D (1981), “Rapid Measurement of the Chloride Permeability of Concrete”, Public Roads, Vol 45,No 3, pp 101-112 65 W López, J.A González (1993), “Influence of the degree of pore saturation on the resistivity of concrete and the corrosion rate of steel reinforcement”, Cement and Concrete Research 23 (2) 368–376 66 Youping Liu (October 21, 1996), Modeling the Time-to-Corrosion Cracking of the Cover Concrete in Chloride Contaminated Reinforced 144 Concrete Structures, Doctor of Philosophy, Virginia Polytechnic Institute and State University 67 Zhang, and Gjorv, O.E (October 1995), “Effect of Ionic Interaction in Migration Testing of Chloride Diffusivity in Concrete”, Cement and Concrete Research, V.25, No.7, pp.1535-1542 145 PHỤ LỤC Phần mềm LifeConBridge BÀI TOÁN 1D VÙNG THỦY TRIỀU % Du bao tuoi tho su dung cau be tong cot thep ven bien Viet Nam xam nhap clo-"Sevice Life Concrete Bridges" % Phuong phap sai phan huu han Crank-Nicholson clear all; % Cac thong so dau vao co ban cua bai toan fc = 50; %Cuong chiu nen cua be tong o 28 MPa fsp = 0.59*sqrt(fc); %Cuong chiu keo uon MPa gammac = 2500; % Trong luong rieng cua be tong kg/m3 Ec = 0.043*(gammac)^(1.5)*sqrt(fc);%Mo-duyn dan hoi cua be tong phi = 2;% He so tu bien cua be tong Ecef =Ec/(1+phi); roth =2.5; % Phan tram mat mat dien tich TD thep toi han db = 16; %Duong kinh cot thep vc = 0.18; % He so poisson n = 2.7; %He so gian no the tich n=2.7-3.0 k1 = 0.5; % muc lap day vao vet nut delta0 = 15; % chieu day lop xi micro - m r0 = db/2+delta0/1000; b = 1000; Lc = 75; %Chieu day cau kien -mm % Chieu day lop be tong bao ve-mm dt = 0.1; % buoc thoi gian tinh bang nam dx =5; %Do lon cua luoi chia theo chieu day - mm nx1 =Lc/dx; % So buoc chia cua khoang cach nx = b/dx; NX = 0.35; %Ty le nuoc/xi mang FA = 0; % phu gia Tro bay SF= 2;% phu gia silica-fume SG=0; %Phu gia xi lo Tref = 293.15; T = 299.05; % Nhiet tuyet doi K D28 = exp(-0.165*SF)*10^(-12.06+2.4*NX); % He so khuech tan o 28 tuoi m = 0.2+0.4*(FA/50+SG/70); % D28 thi nghiem Hc = 0.75; %Hc = 75% am chuan H = 0.80; %Do dam tuong doi cua mtH U = 35000; G = 8.314; fT = exp(U/G*(1/Tref-1/T)); fH = 1/(1+((1-H)/(1-Hc))^4); 146 ucth = 0.15; uth = 0.15*ones(nx1+1,1); % Nong clorua tai thoi diem t = for i = 1:nx+1 x(i) =(i-1)*dx; u(i,1) =0; end k=1; u_new =u; while u_new(nx1+1)