Nghiên cứu sử dụng thép chịu thời tiết ở Việt Nam

Giảm chi phí vòng đời của kết cấu là một yêu cầu quan trọng đối với công trình cơ sở hạ tầng ở các nước trên thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam - nơi mà việc phát triển cơ sở hạ tầng đang được đẩy mạnh. Trong xây dựng cơ sở hạ tầng, thép chịu thời tiết có thể được sử dụng cho kết cấu cầu. Thép chịu thời tiết là loại thép không cần sơn, vì vậy nó làm giảm chi phí vòng đời, gồm có chi phí ban đầu (chi phí sơn ban đầu) và chi phí bảo trì (chi phí sơn lại). Để đánh giá khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết và sử dụng trong xây dựng cầu ở Việt Nam, các chuyên gia Nhật Bản và Việt Nam đã tiến hành các thí nghiệm về loại vật liệu này (bao gồm việc đo đạc các thông số môi trường và thí nghiệm phơi mẫu) tại vị trí các công trình cầu thực tế.

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu sử dụng thép chịu thời tiết Việt Nam Shinichi Miura1, Masatsugu Murase1, Đặng Đăng Tùng2, Lê Quý Thủy3*, Nguyễn Văn Thịnh3 Tập đoàn thép JFE, Nhật Bản Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Ngày nhận 1/3/2017; ngày chuyển phản biện 3/3/2017; ngày nhận phản biện 30/3/2017; ngày chấp nhận đăng 10/4/2017 Tóm tắt: Giảm chi phí vòng đời kết cấu u cầu quan trọng cơng trình sở hạ tầng nước giới, đặc biệt Việt Nam - nơi mà việc phát triển sở hạ tầng đẩy mạnh Trong xây dựng sở hạ tầng, thép chịu thời tiết sử dụng cho kết cấu cầu Thép chịu thời tiết loại thép khơng cần sơn, làm giảm chi phí vòng đời, gồm có chi phí ban đầu (chi phí sơn ban đầu) chi phí bảo trì (chi phí sơn lại) Để đánh giá khả ứng dụng thép chịu thời tiết sử dụng xây dựng cầu Việt Nam, chuyên gia Nhật Bản Việt Nam tiến hành thí nghiệm loại vật liệu (bao gồm việc đo đạc thông số môi trường thí nghiệm phơi mẫu) vị trí cơng trình cầu thực tế Dựa kết đo đạc môi trường thử nghiệm phơi mẫu, báo đề xuất tiêu chí áp dụng thép chịu thời tiết đưa đánh giá khả ứng dụng thép chịu thời tiết việc giảm chi phí vòng đời kết cấu cầu thép cách sử dụng thép chịu thời tiết Việt Nam tương lai Từ khoá: Độ ẩm tương đối, mát ăn mòn, muối khơng khí, thép chịu thời tiết, thử nghiệm phơi mẫu Chỉ số phân loại: 2.3 Mở đầu Thép chịu thời tiết thép hợp kim thấp có chứa lượng nhỏ nguyên tố hợp kim đồng, niken, crơm… Dưới điều kiện khí thích hợp, sử dụng thép chịu thời tiết mà khơng cần sơn tốc độ ăn mòn nhỏ, không đáng kể Thép chịu thời tiết sử dụng rộng rãi nhiều quốc gia Hoa Kỳ, Nhật Bản, châu Âu [1] Nói chung, kết cấu thép cần phải bảo vệ để chống ăn mòn yêu cầu phải sơn để ngăn chặn ăn mòn mơi trường khí Tuy nhiên, trường hợp phải sơn, cần phí sơn ban đầu chi phí sơn lại (chi phí bảo trì) Ngược lại, thép chịu thời tiết sử dụng cho kết cấu thép, chi phí vòng đời giảm khơng cần tốn chi phí sơn ban đầu chi phí sơn lại thép thơng thường Trong việc sử dụng thép chịu thời tiết vào kết cấu thép, điều quan trọng xác định khả sử dụng điều kiện mơi trường thực tế Ở Nhật Bản, có nghiên cứu cho thấy, thép chịu thời tiết sử dụng nơi mà lượng muối NaCl khơng khí không vượt 0,05 mg/dm2/ngày (mdd), khu vực mà khoảng cách từ bờ biển xác định vùng [2] Ngoài ra, báo cáo gần ước lượng rằng, thép chịu thời tiết áp dụng tổn thất ăn mòn năm 0,03 mm sau thí nghiệm phơi mẫu [3] Cho đến nay, số kết thí nghiệm phơi mẫu thép chịu thời tiết nghiên cứu cầu thép chịu thời tiết Việt Nam cơng bố [4-8] Các kết thí nghiệm phơi mẫu khác thép cacbon thông thường cơng bố [9] Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu đầy đủ khả sử dụng thực tế thép chịu thời tiết Việt Nam Do vậy, báo này, dựa kết thí nghiệm phơi mẫu thực tế hiểu biết khả sử dụng thép chịu thời tiết Nhật Bản, tác giả đề xuất tiêu chí áp dụng thép chịu thời tiết vùng khác Việt Nam Nội dung nghiên cứu Để có sở ứng dụng thép chịu thời tiết Việt Nam, tác giả tiến hành đo đạc yếu tố môi trường thông số liên quan đến mẫu phơi kiểu Wappen Phương pháp thử nghiệm phơi mẫu Wappen phát triển thành cơng Nhật Bản Phương pháp thu nhận kết thử nghiệm tiếp xúc phản ánh ăn mòn mơi trường thực tế cách trực tiếp vị trí cầu Phương pháp thực Tác giả liên hệ: Email: thuymtc@yahoo.com * 18(7) 7.2017 37 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Received March 2017; accepted 10 April 2017 Abstract: Reducing the life cycle cost of structures is a major challenge in Vietnam, where infrastructure development is underway In the construction of infrastructure, weathering steels are able to be used for structures without painting, so weathering steels decrease the life cycle cost including initial cost (initial paint cost) and maintenance cost (repaint cost) On the other hand, it is necessary to judge the applicability of weathering steels at the construction site to use effectively weathering steels in the steel structures Therefore, the authors proposed the criteria of applying weathering steels based on the results of environmental measurement and exposure test As a result, the applicability of weathering steels could be determined In the future, the life cycle cost will be decreased by applying weathering steels to steel structures in Vietnam Vùng Cwa Hà Nội Aw Am 18(7) 7.2017 Quần đào g Hồn Sa Aw Tp Hồ Chí Minh Classification nuber: 2.3 Khi thử nghiệm, cần xem xét đặc trưng khí hậu địa lý Việt Nam Nhiệt độ độ ẩm tương đối vùng lãnh thổ Việt Nam có khác biệt lớn địa hình trải dài từ Bắc vào Nam, với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa khác Vì vậy, để điều tra ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tương đối đến ăn mòn thép chịu thời tiết, vùng miền từ Bắc đến Nam Việt Nam phân bố theo điều kiện môi trường thực tế (xem hình 1) Mặt khác, cần thiết xem xét ảnh hưởng muối khơng khí Đà Nẵng Vùng Keywords: Air borne salt, corrosion loss, exposure test, relative humidity, weathering steel cách đặt mẫu thép thí nghiệm dầm cầu thực tế Do đặc điểm mơi trường ăn mòn phía mặt bên dầm cầu khác nhau, nên cần đặt mẫu phơi phía cạnh bên phía dầm cầu Vùng 1918 17 16 12 1110 Am Vùng 13 15 Vùng 14 Vùng g JFE Steel Group, Japan Hochiminh City University of Technology Institute of Transport Science and Technology Nhiệt độ, độ ẩm tương đối lượng muối khơng khí đo vòng năm Nhiệt độ độ ẩm tương đối đo máy đo nhiệt ẩm (Ondotori, Tập đoàn T&D) Lượng muối khơng khí đo phương pháp Dry Gauze theo tiêu chuẩn JIS Z 2382 Sau thử nghiệm trời năm, mẫu thử gỡ Gỉ hình thành mẫu thử làm trọng lượng mẫu đo cân điện tử Sự tổn thất chiều dày đánh giá từ diện tích bề mặt thay đổi trọng lượng trước sau thí nghiệm phơi mẫu Tổn thất chiều dày trung bình mẫu gắn với mặt cạnh mặt dầm cầu xác định đánh giá ờn Van Thinh Nguyen đả o Sa Tr Dang Tung Dang2, Quy Thuy Le3*, uầ n Shinichi Miura1, Masatsugu Murase1, đến đặc tính ăn mòn, Việt Nam có bờ biển trải dài Hơn nữa, để điều tra ảnh hưởng muối khơng khí đến đặc tính ăn mòn, tác giả lựa chọn số địa điểm thí nghiệm phơi mẫu với khoảng cách khác từ bờ biển vùng Q The proposal of applications of weathering steel in Vietnam Hình Các vùng lãnh thổ khu vực phơi mẫu thí nghiệm Kết Kết đo yếu tố môi trường Bảng giới thiệu kết đo yếu tố mơi trường vị trí thí nghiệm phơi mẫu Trong vùng 1, 4, 5, phía Nam, nhiệt độ trung bình khoảng 28 đến 29,5oC độ ẩm tương đối trung bình khoảng 70 đến 80% Trong vùng miền Trung, nhiệt độ trung bình khoảng 38 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ 27 đến 28oC độ ẩm tương đối trung bình khoảng 75 đến 80% Trong vùng phía Bắc, nhiệt độ trung bình khoảng 24 đến 26oC độ ẩm tương đối trung bình khoảng 75 đến 80% Vùng có nhiệt độ thấp độ ẩm tương đối cao so với vùng khác Điều thể xu hướng rằng, Việt Nam nhiệt độ giảm độ ẩm tương đối tăng từ phía Nam phía Bắc phù hợp hồi quy tuyến tính kết đánh giá khoảng cách từ bờ biển, nơi mà lượng muối khơng khí 0,05 mdd thấp vùng 1) Vùng 1: ≥ 0,5 km (từ hai vị trí thí nghiệm phơi mẫu Phú Hải Cà Ty) 2) Vùng 2: ≥ 0,9 km 3) Vùng 3: ≥ 4,9 km Bảng Kết đo yếu tố môi trường vị trí thí nghiệm phơi mẫu 4) Vùng 4: ≥ 11,7 km 5) Vùng 5: ≥ 17,5 km Kinh độ 6) Vùng 6: ≥ 1,0 km (từ hai vị trí thí nghiệm phơi mẫu Hà Thanh Dần Xây) 0.100 0,100 Tổn Tổnthất thấtdo doăn ănmòn mòn (mm) / mm Cầu Phan Ngọc Hiển Lượng muối khơng khí / mdd Mối quan hệ việc giảm ăn mòn năm lượng muối khơng khí khoảng cách 1.000 từ bờ biển Để khái quát 0.100 tiêu khả sử dụng thép chịu thời tiết Việt Nam, tác giả đánh giá khoảng cách từ bờ biển, nơi mà Vùng lượng muối NaCl khơng khí 0.010 0,05 mdd thấp Vùng hơn, nơi mà mát ăn Vùng Vùng Vùng mòn năm thứ làVùng0,03 mm thấp Lượngmuối muốitrong trongkhơng khơngkhí khí/ (mdd) Lượng mdd 0.001 1.000 1,000 0.1 10 Hình M ối liên h ệ khoảng cách từ bờ biển lư ợng muối khơng khí 0.100 0,100 0,001 0.001 Vùng Vùng Vùng Vùng Vùng Vùng 0,1 0.1 Vùng Vùng Vùng Vùng Vùng Vùng 0.001 0,001 0.1 0,1 10 Khoảng cách từ km từ bờ bờ biển biển /(km) 10 Khoảng Khoảng cách cáchtừ từbờ bờbiển biển(km) / km Hình Mối liên hệ khoảng cách từ bờ biển tổn thất ăn mòn năm thứ 100 Hình thể mối quan hệ khoảng cách từ bờ biển tổn thất ăn mòn năm thứ Ở vùng, tổn thất ăn mòn năm thứ giảm khoảng cách từ bờ biển tăng Xu hướng tương tự với kết thí nghiệm phơi mẫu Nhật Bản [11] Từ kết này, tác giả điều chỉnh phù hợp hồi quy tuyến tính đánh giá khoảng cách từ bờ biển, nơi mà tổn thất ăn mòn năm thứ 0,03 mm thấp vùng 1) Vùng 1: ≥ 0,1 km (từ hai vị trí thí nghiệm phơi mẫu Phú Hải Cà Ty) Hình Mối liên hệ khoảng cách từ bờ biển lượng muối khơng khí 2) Vùng 2: ≥ 1,5 km Hình thể mối quan hệ khoảng cách từ bờ biển lượng muối khơng khí Ở vùng, lượng muối khơng khí giảm khoảng cách từ bờ biển tăng Xu hướng tương tự với kết thí nghiệm phơi mẫu Nhật Bản [10] Các tác giả điều chỉnh 4) Vùng 4: ≥ 2,6 km 18(7) 7.2017 100 100 Khoảng cách từ bờ biển / km 0,010 0.010 0.010 0,010 3) Vùng 3: ≥ 3,4 km　 5) Vùng 5: ≥ 3,1 km 6) Vùng 6: ≥ 1,2 km (từ hai vị trí thí nghiệm phơi mẫu An Nghĩa Kỳ Hà) 39 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Dựa vào kết trên, khoảng cách từ bờ biển mà thép chịu thời tiết sử dụng Việt Nam nhóm nghiên cứu làm rõ Các kết thể bảng 0.100 TTổn ổn thất thấtdo doăn ănmòn mòn(mm) / mm Trước hết, chúng tơi tập trung vào việc phân tích lượng muối khơng khí thu theo kết thí nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách lớn từ bờ biển, khoảng cách từ0.010 bờ biển áp dụng cho thép chịu thời Vùng 1hướng an toàn so với kết tiết định theo Vùng 3, 4, xem xét có thí nghiệm Các vùngVùng 1, 2, Vùng Vùng thể áp dụng 1,0 km, 2,0 10,0 km, 20 km, 25 km Vùngkm, 0.001 xa từ bờ biển 0.1 10 Khoảng cách từ bờ biển / km 100 Bảng Khoảng cách từ bờ biển mà thép chịu thời tiết áp dụng Việt Nam Khoảng cách từ bờ bờ biển biến , Khoảngcáchtừ lượng muối nơinơi màmà lượngmuối trong không khí khơngkhí 0,05mdd 0,05 mdd Vùng 0,5 km*1 0,5 km*1 Khoảng cách từ Khoảngcáchtừ bờbờ biển biến, nơitổn màthất tổndo thất nơi mà ăn ăn mòn nămthứ nămnhấtlà thứ mòncủa 0,03 mm 0,03mm 0,1 km*1 0,1 km*1 Khoảng cách từ biến Khoảngcáchtừ bờbờ biển được ước lượng códụngthé thể sử p ước lượngcó thể áp thép chịu thời tiết mà dụngthời chịu tiếtmà khôngcần sơn không cần sơn ≥1,0 km ≥1,0 km Vùng 0,9 km 0,9 km 1,5 km 1,5 km ≥2,0 km ≥2,0 km Vùng 4,9 km 4,9 km 3,4 km 3,4 km ≥10,0 km≥10,0 km Vùng 11,7 km 11,7 km 2,6 km 2,6 km ≥20,0 km≥20,0 km Vùng 17,5 km 17,5 km 3,1 km 3,1 km ≥25,0 km≥25,0 km Vùng 1,0 km*2 1,0 km*2 1,2 km*3 1,2 km*3 ≥2,0 km ≥2,0 km Được Phú Cà Ty *1:*1: Được rút rút từracầutừPhú HảiHải cầu Cà Ty Được rúttừracầutừHàHà Thanhvà Xây *2:* 2: Được rút Thanh cầuDần Dần Xây Được rúttừra Nghĩavà Hà *3:* 3: Được rút cầutừ AnAn Nghĩa cầu Kỳ Hà Sự phụ thuộc vào thời gian ăn mòn Vơ Hối nơi có độ ẩm tương đối cao khoảng thời gian ẩm dài so với vùng khác Do đó, tốc độ ăn mòn khơng giảm theo thời gian Trong vùng mà độ ẩm tương đối vượt 85%, việc sử dụng thép chịu thời tiết đánh giá khó khăn Điều kiện sử dụng thép chịu thời tiết lượng muối khơng khí thời gian ẩm Về khả sử dụng thép chịu thời tiết: Khả xem xét dựa lượng muối khơng khí thời gian ẩm, thông số môi trường cho ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất ăn mòn Hình thể mối quan hệ lượng muối khơng khí, thời gian ẩm khả áp dụng thép chịu thời tiết Vòng tròn thể điều kiện sử dụng, tổn thất ăn mòn năm thứ 0,03 mm thấp tốc độ ăn mòn giảm theo thời gian sau thí nghiệm phơi mẫu vài năm X thể điều kiện khơng thể sử dụng mát ăn mòn năm thứ nhiều 0,03 mm tốc độ ăn mòn khơng tăng theo thời gian thử nghiệm ngồi trời nhiều năm tiến hành Hình cho thấy, thép chịu thời tiết sử dụng mà không cần sơn lượng muối khơng khí 0,05 mdd thấp thời gian ẩm 6.400 thấp (độ ẩm tương đối 85% thấp hơn) 1.000 1,000 Lượng muối muối trong khơng khơngkhí khí/(mdd) mdd Sự phụ thuộc vào thời gian mát ăn mòn thép chịu thời tiết tính theo phương trình sau [11]: y = AxB, đó, y mát ăn mòn, x khoảng thời gian thử nghiệm, A B hệ số Do đó, tác giả tính tốn kết với y = AxB Các đường xấp xỉ thể hình Tại vị trí thí nghiệm phơi mẫu vùng 1, vùng vùng (ngoại trừ Vơ Hối), mát ăn mòn tăng tốc độ ăn mòn giảm theo thời gian Ngược lại, Vô Hối vùng 3, tốc độ ăn mòn tăng theo thời gian Tổn thất ăn mòn / mm 0.25 Vùng 0.10 Vùng 0.05 Vùng Thời gian trời / năm 10 Hình Sự thay đổi mát ăn mòn theo thời gian 2.000 2000 4.000 4000 6.000 6000 8.000 8000 Thời Thời gian ẩm (giờ) / Việc đo thông số môi trường thí nghiệm phơi mẫu thực Việt Nam nhằm làm rõ tiêu chí sử dụng thép chịu thời tiết vùng khác Các kết tổng hợp sau: Từ lượng muối khơng khí mát ăn mòn năm thứ nhất, tác giả ước đoán khoảng cách từ bờ biển, nơi mà thép chịu thời tiết có khả sử dụng mà khơng cần sơn Khoảng cách áp dụng từ 1.000 rong khơng khí / mdd 0,001 0.001 Kết luận 0.15 0.100 0.010 0,010 Hình Điều kiện áp dụng thép chịu thời tiết lượng muối khơng khí thời gian ẩm Vơ Hối 0.20 0.00 0.100 0,100 18(7) 7.2017 40 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ bờ biển 1,0 km vùng 1; 2,0 km vùng 2; 10 km vùng 3; 20 km vùng 4; 25 km vùng 2,0 km vùng Thép chịu thời tiết sử dụng mà khơng cần sơn lượng muối khơng khí 0,05 mdd thời gian ẩm 6.400 (độ ẩm tương đối 85%) Vietnam”, Proc., the 14th East Asia - Pacific Conf on Structural Engineering and Construction, Ho Chi Minh City University of Technology and Construction Publishing House, Vietnam, pp.1847-1854 [6] http://ascelibrary.org/journal/ciegag [7] Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2013), “Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết qua kết thử nghiệm ban đầu Việt Nam”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, 12, tr.30-31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [8] Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2014), “Kết điều tra tình trạng sử dụng [1] C Miki and A Ichikawa (2004), Recent Bridge Engineering, SUURIKOUGAKUSHA Co., Ltd, Japan, pp.30-42 (in Japanese) thép chịu thời tiết áp dụng cho cầu Chợ Thượng”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, [2] Japan Road Association - JARA (2008), Specifications for Highway Bridges Part II Steel Bridges: Examination of Durability, Maruzen Co Ltd., Japan, pp.81-86 atmospheric corrosion in Vietnam 1995-2005”, Science and Technology of 5, tr.16-19 [9] T.H.L Le, T.S Pham and L.H Hoang (2007), “Results of studying [3] Japan Society of Steel Construction - JSSC (2006), “Potential and New Technologies of Weathering Steel Bridges”, JSSC Technical Report, pp.181-184 Advanced Materials, 8, pp.552-558 [4] Đặng Đăng Tùng, Trần Duy Khanh, S Miura, I Kage, T Okamoto, E Iwasaki (2013), “Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết điều kiện khí hậu Việt Nam”, Tạp chí Giao thông Vận tải, 12, tr.14-17 muối clorua không khí - Mối quan hệ phân bố địa lý muối clorua [5] Miura, S Kage, I Murase, M Okamoto, T Dang, and E Iwasaki (2016), “Evaluation of applicability of weathering steel by exposure tests in 18(7) 7.2017 [10] Public Works Research Institute - PWRI (1993), “Điều tra tồn quốc khơng khí gió”, Thơng báo kỹ thuật PWRI (tiếng Nhật) [11] Public Works Research Institute - PWRI (1992), Báo cáo ứng dụng thép chịu thời tiết cho cầu (tiếng Nhật) 41 ... dụng thép chịu thời tiết đánh giá khó khăn Điều kiện sử dụng thép chịu thời tiết lượng muối khơng khí thời gian ẩm Về khả sử dụng thép chịu thời tiết: Khả xem xét dựa lượng muối khơng khí thời. .. mà thép chịu thời tiết có khả sử dụng mà khơng cần sơn Khoảng cách áp dụng từ 1.000 rong khơng khí / mdd 0,001 0.001 Kết luận 0.15 0.100 0.010 0,010 Hình Điều kiện áp dụng thép chịu thời tiết. .. Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Dựa vào kết trên, khoảng cách từ bờ biển mà thép chịu thời tiết sử dụng Việt Nam nhóm nghiên cứu làm rõ Các kết thể bảng 0.100 TTổn ổn thất thấtdo doăn ănmòn mòn(mm)