Đánh giá độ bền thấm nước và khuếch tán ion clorua của bê tông có xét đến yếu tố ứng suất nén, ứng dụng trong kết cấu cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HỒ XUÂN BA ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA BÊ TƠNG CĨ XÉT ĐẾN YẾU TỐ ỨNG SUẤT NÉN, ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU CẦU Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng Cầu Hầm TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: GS.TS Phạm Duy Hữu Trường Đại học Giao thông Vận tải PGS.TS Trần Thế Truyền Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Như Khải Phản biện 3: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại: ……………………………… ………….… Vào lúc ….… giờ, ngày………tháng … …năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Độ bền kết cấu cơng trình xây dựng nói chung cơng trình cầu, hầm nói riêng bê tơng cốt thép vấn đề quan tâm nhiều thời gian gần Việt Nam Một số yêu cầu thiết kế kết cấu theo độ bền đưa vào hồ sơ thiết kế mới, thiết kế sửa chữa nhằm trì tuổi thọ cơng trình dự kiến Một u cầu độ bền đảm bảo, cơng trình có tính bền vững theo thời gian, chi phí bảo trì sửa chữa cơng trình giảm xuống mức tối thiểu; lực khai thác cơng trình phát huy tối đa Một tiêu chí độ bền kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép độ bền vật liệu bê tông chống lại khả thấm nước thấm ion clorua Bên cạnh việc nghiên cứu ứng dụng loại bê tơng có khả chống thấm tốt nhằm áp dụng thực tế việc đánh giá chế thấm nước, thấm ion clorua qua bê tơng, đặc biệt nghiên cứu có xét đến ảnh hưởng tải trọng tác dụng đến thấm nước thấm ion clorua nghiên cứu nhiều thời gian gần Có thể kể đến nghiên cứu Banthia &al (2008), A Antoni & al (2008), Tran & al (2009), H Wang & al (2011), W Zhang &al (2011), G.P Li & al (2011), A Djerbi &al (2013), Junjie Wang & al (2015) Các nghiên cứu tác giả ảnh hưởng ứng suất bê tông tác động học (tải trọng) gây đến độ thấm nước thấm ion clorua qua bê tông thông qua nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mơ hình lý thuyết dựa định luật Fick Darcy mơ hình cấu trúc rỗng bê tơng có xét đến dịch chuyển chất lỏng qua bê tông Một số điểm chưa đề cập đến nghiên cứu nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến trạng thái ứng suất giới hạn đàn hồi bê tông mối quan hệ khuếch tán ion clorua thấm nước bê tơng Nếu có kết nghiên cứu vấn đề cho phép dễ dàng tìm khuếch tán ion clorua (vốn khó khăn thí nghiệm) từ độ thấm nước (đo đạc dễ dàng hơn) bê tông; đồng thời dự báo ảnh hưởng trạng thái tồn đường nứt vi mô (chưa xuất đường nứt lớn) đến tuổi thọ sử dụng cơng trình cầu bê tông cốt thép Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng đến độ thấm nước thấm ion clorua bê tông vấn đề mới, chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến Một phần thí nghiệm, đánh giá thấm nước khuếch tán ion clorua qua bê tơng cịn phức tạp, đặc biệt thí nghiệm có xét đến ảnh hưởng tải trọng nén trực tiếp Việc nghiên cứu đánh giá mối quan hệ độ thấm nước khuếch tán ion clorua có xét đến yếu tố ứng suất bê tông cần thiết, mang nhiều ý nghĩa cho công tác đánh giá, dự báo tuổi thọ cơng trình; phù hợp với đặc điểm khai thác cơng trình nói chung cơng trình cầu nói riêng, đặc biệt cơng trình cầu Việt Nam Từ địi hỏi cấp thiết ý nghĩa quan trọng việc đề xuất mơ hình đánh giá ảnh hưởng tải trọng đến độ thấm bê tông ứng dụng dự báo tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép nói chung cơng trình cầu nói riêng, đề tài nghiên cứu “Đánh giá độ thấm nước thấm ion clorua bê tơng có xét đến yếu tố ứng suất, ứng dụng kết cấu cầu” lựa chọn làm đề tài luận án Nội dung luận án gồm chương, mở đầu, kết luận kiến nghị + Mở đầu + Chương 1: Tổng quan độ bền bê tông nghiên cứu liên quan đến độ thấm nước, khuếch tán ion clorua bê tơng + Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước bê tơng có xét đến trạng thái ứng suất nén + Chương 3: Thí nghiệm phân tích khuếch tán ion clorua bê tơng có xét đến trạng thái ứng suất nén + Chương 4: Tính tốn dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tơng cốt thép có xét đến ảnh hưởng đồng thời hiệu ứng tải trọng tác động môi trường + Kết luận kiến nghị Mục tiêu luận án Mục tiêu luận án là: + Xác định hệ số thấm nước, mác chống thấm, hệ số khuếch tán ion clorua số loại bê tông thường dùng xây dựng cầu chịu tải trọng nén trước chịu tải trọng nén trực tiếp + Xây dựng mối quan hệ hệ số thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua, có xét đến hiệu ứng tải trọng nén trực tiếp + Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tơng cốt thép có xét đến hiệu ứng tải trọng theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép bê tông Áp dụng dự báo tuổi thọ cho kết cấu cơng trình cầu bê tơng cốt thép Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu số loại bê tông thường dùng xây dựng cầu Hệ số thấm nước, thấm ion clorua tương quan chúng có xét đến ảnh hưởng tải trọng Tuổi thọ sử dụng cơng trình cầu bê tơng cốt thép 3.2 Phạm vi nghiên cứu + Kết cấu bê tông cốt thép có ứng suất nén mơi trường xâm thực có ion clorua + Bê tơng cơng trình xây dựng nói chung cơng trình cầu nói riêng Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp tổng hợp, phân tích so sánh + Phương pháp nghiên cứu chủ yếu phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Sử dụng lý thuyết tiên tiến độ bền bê tông để xác định tương quan (công thức) thực nghiệm triển khai nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng + Mơ hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép chịu tác động khuếch tán ion clorua có xét đến hiệu ứng tải trọng Những đóng góp luận án + Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước qua bê tơng chịu ảnh hưởng tải trọng với hai loại bê tông C30 C40 Một mơ hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp thiết kế, chế tạo thử nghiệm + Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm phân tích tính thấm ion clorua qua bê tông chịu ảnh hưởng tải trọng loại bê tông C30 C40 Một mơ hình thí nghiệm thấm ion clorua có xét đến tải trọng nén trực tiếp thiết kế, chế tạo thử nghiệm + Luận án đề xuất mối quan hệ giữa khuếch tán ion clorua hệ số thấm nước bê tông + Luận án áp dụng mơ hình đề xuất để tính tốn dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng tải trọng thường xuyên tải trọng khai thác CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ THẤM NƯỚC, KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA BÊ TÔNG Tổng quan độ bền bê tông Độ bền bê tông xi măng theo ACI 201.2R-08 [1] định nghĩa "khả chống lại hoạt động thời tiết, ăn mịn hóa chất, mài mịn, q trình suy thối khác", có nghĩa bê tơng bền giữ lại hình thức ban đầu nó, chất lượng, khả phục vụ tiếp xúc với môi trường Sự suy giảm độ bền kết cấu bê tông cốt thép tiếp xúc với mơi trường có nhiều chế Trong phạm vi nghiên cứu luận án này, với điều kiện, đặc điểm khí hậu Việt Nam, đặc biệt vùng ven biển chế dẫn đến suy giảm đánh giá chủ yếu thông qua tiêu độ bền khả chống thấm chất lỏng sức kháng khuếch tán ion clorua qua bê tơng Ngồi ra, kể đến tượng cacbonat hóa, ăn mịn sunfat, ăn mịn hóa học axit nước biển Khả chống thấm bê tông, loại vật liệu rỗng, phụ thuộc nhiều vào tham số môi trường bê tông độ rỗng, độ ngoằn ngoèo lỗ rỗng tính thơng lỗ rỗng Scrivener [2] cho rằng, độ rỗng độ thông lỗ rỗng bê tông tăng lên, độ bền chống thấm bê tông bị giảm xuống; lỗ rỗng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ nhanh Dưới tác động học co ngót, từ biến hay nhiệt độ, , dẫn đến phá hủy bê tông kèm theo đường nứt làm gia tăng thông số trên, độ thấm bê tơng tăng nhanh Sơ đồ thấm minh họa Hình 1.1 Hình 1.1 - Ảnh hưởng độ rỗng, dạng, kích thước đường rỗng tính liên thơng lỗ rỗng đến độ thấm bê tông (Scrivener (2001) [2]) Ăn mịn cốt thép bê tơng vấn đề phổ biến ảnh hưởng đến độ bền kết cấu bê tơng cốt thép Trong ăn mịn ion clorua gây nguyên nhân dẫn đến suy giảm, ảnh hưởng đến độ bền lâu dài kết cấu cơng trình [3] Khi cốt thép bao bọc lớp bê tơng bảo vệ đặc chắc, mơi trường kiềm bê tông đủ cao để tạo lớp màng bảo vệ cốt thép Nếu màng bảo vệ bị phá hủy, q trình ăn mịn cốt thép xảy dẫn đến suy giảm diện tích mặt cắt ngang khả chịu lực phận kết cấu bê tơng cốt thép Q trình cacbonat hóa bê tơng tác dụng CO2 có môi trường theo phản ứng: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (1.1) Quá trình diễn từ ngồi vào bê tơng, theo thời gian Tuy nhiên để q trình cacbonat hóa diễn hồn tồn (khi pH bê tơng cịn khoảng 9) có chiều dày lớp bê tơng bảo vệ mỏng cần khoảng thời gian dài (20 ÷ 30 năm trở lên) Mặt khác kết khảo sát nhiều cơng trình thực tế chứng minh chí kết cấu bê tơng có độ pH cịn cao (lớn 11,5) tượng ăn mòn diễn Nguyên nhân nồng độ ion clorua, vượt giới hạn, gây ổn định lớp màng thụ động: Ion clorua có mặt bê tơng với lý như: Kết cấu bê tông làm việc môi trường biển môi trường chứa ion clorua khác, bê tông chế tạo từ vật liệu nhiễm mặn, xử lý bê tông chất làm tan băng dùng phụ gia rắn nhanh chứa Ion clorua, Các nghiên cứu độ thấm nước khuếch tán ion clorua bê tông giới Độ thấm nước bê tông vấn đề quan trọng kết cấu bê tơng có tiếp xúc với nước độ thấm nước ảnh hưởng đến độ bền kết cấu bê tông cốt thép Thấm nước qua bê tông nguyên nhân ăn mòn cốt thép bê tơng kết cấu cơng trình tiếp xúc với mơi trường nước có tính chất ăn mịn nước ngầm, nước khoáng, nước biển, nước thải sinh hoạt cơng nghiệp chứa tác nhân ăn mịn Ngồi ra, bê tông bị thấm nhiều làm nước hồ chứa, kênh mương, bể nước, gây thấm dột mái nhà, nước đọng, Theo Banthia N cộng [4] tính thấm bê tơng chịu ảnh hưởng hai yếu tố chính: Một đặc điểm độ rỗng kích thước, độ ngoằn ngo, tính liên thơng lỗ rỗng, hai vết nứt vi mô bê tông, đặc biệt mặt liên kết cốt liệu chất kết dính Các yếu tố thuộc độ rỗng kiểm soát chủ yếu tỷ lệ N/X, mức độ hyđrat hóa mức độ đầm chặt Trong đó, mật độ vị trí vết nứt vi mô mặt liên kết xác định cấp ứng suất tác dụng, xuất bên hay bên cấu trúc bê tông Ứng suất xuất bên bê tông co ngót, chênh lệch nhiệt độ, thay đổi đột ngột nhiệt-ẩm môi trường yếu tố gây nên ổn định thể tích Ảnh hưởng ứng suất tác động bên đến độ thấm bê tơng cịn chưa hiểu rõ Những câu hỏi ứng suất mức độ nào, độ tuổi bê tơng chấp nhận đánh giá độ thấm cần phải làm rõ Hình 1.2 - Ảnh hưởng lỗ rỗng mao mạch đến độ thấm (Powers (1958)) Độ thấm nước bê tông chịu tải trọng Các cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng đến khả thấm nước bê tông số tác giả giới công bố Kermani (1991) [5], Gerard (1996) [6], Lion & al (2005) [7], Banthia & al (2008) [8], Tran & al (2009) [9] Tuy nhiên kết phân tán, phần độ thấm nước bê tơng bị ảnh hưởng cơng tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm (dạng mẫu, thành phần bê tông, cấp phối cốt liệu, điều kiện bão dưỡng…) q trình thí nghiệm (q trình chất tải, áp lực nước sử dụng…); Mặt khác, kết đo thấm nước bê tông thu thấp so với giá trị thấm thực tế phản ứng hóa-lý nước với cấu trúc vi mơ bê tơng Chính phản ứng hóa-lý làm cho việc đánh giá chế thấm nước bê tơng khó khăn khiến cho kết đo thấm nước bị thấp so với kết đo thấm khí Năm 2009, luận văn tiến sĩ trường đại học Liege, Tran [10] độ thấm nước bê tông phụ thuộc đáng kể vào hiệu ứng dư tải trọng nén trước áp lực nước q trình thí nghiệm Áp lực nước bé lớn gây hiệu ứng ngăn cản thẩm thấu nước qua bê tông Sự xuất phá hủy học tải trọng tác dụng có ảnh hưởng đến gia tăng độ thấm nước bê tông tương tự với độ thấm khí Độ thấm nước bê tông xấp xỉ nhỏ 100 lần so với độ thấm khí Khi bê tơng chưa chịu tải độ thấm nước ban đầu K0 xác định gần 10-19 m2 hay 10-11 cm/s Gia tăng độ thấm nước bắt đầu ghi nhận σ/σmax > 0.4 – 0.6 Stanish, K (2000) [11] phát triển mối quan hệ hệ số khuếch tán D28 tỷ lệ N/X cho bê tông chuẩn hoá nhiệt độ 20oC Dựa sở liệu lớn thí nghiệm khuếch tán, ơng đưa quan hệ thực nghiệm phương trình sau: D28 = 1×10(−12,06+2,4 N / X ) (m2/s) (1.2) Hệ số khuếch tán, D28 (m2/s) Quan hệ thể Hình 1.3 Hệ số khuếch tán, CDC (x 10 -8cm2/s) N/X tán ion clorua Hình 1.3 - Quan hệ tỷ lệ N/X hệ số khuếch (Stanish, K (2000)) Ahmad S., (2003) [12] phương trình biểu thị mối liên hệ hệ số khuếch tán ion clorua với điện lượng bê tông Mối tương quan dùng để xác định hệ số khuếch tán ion clorua mức khuếch tán ion clorua biết (Hình 1.4) Mức khuếch tán ion clorua, RCP (coulombs) Hình 1.4 - Quan hệ mức độ thấm hệ số khuếch tán ion clorua (Ahmad S.( 2003)) Cơng thức tính hệ số khuếch tán ion clorua sau: Bê tông thường: D = 0,0056Q0 - 8,45 ; (1.3) Bê tông sử dụng muội silic: D = 0,0005Q0 + 0,99 ; (1.4) Bê tông sử dụng tro bay: D = 0,0019Q0 - 0,86 ; (1.5) đó: D: Hệ số khuếch tán Ion clorua bê tông (x10-8 cm2/s); Q0: Mức khuếch tán ion clorua (Coulombs) Berke cộng (1992) [13] đưa mối tương quan hệ số khuếch tán số điện lượng coulombs chuyển qua thí nghiệm (1.6) D = 0,0103 × 10 × (Q ) , Q0 điện lượng truyền qua theo thí nghiệm ASTM C1202 d) Công thức quan hệ hệ số khuếch tán cường độ chịu nén bê tông C Lim cộng (2000) [14] thực đánh giá ảnh hưởng vết nứt vi mô khuếch tán ion clorua bê tông phải chịu tải trọng nén trước trục Ơng có nhận xét rằng, mẫu bê tơng dỡ tải hồn tồn cấp tải trọng nén trước 0.5f’c , vùng xuất vết nứt vi mơ hồi phục lại 100% trạng thái ban đầu Tuy nhiên, dỡ tải cấp tải trọng từ 0.7 đến 0.95f’c , số vùng vết nứt khơng có khả hồi phục sau dỡ tải Tính chất có ý nghĩa định lớn tính thấm bê tơng Khuếch tán ion clorua bê tông (sau dỡ tải) bị ảnh hưởng xuất ứng suất nén trước Khuếch tán ion clorua mẫu bê tông thay đổi không đáng kể cấp tải trọng nén trước nhỏ σ/σmax ≤ 0.7 Mức độ gia tăng độ thấm thấy rõ cấp tải trọng nén trước lớn σ/σmax > 0.7 Hình 1.5 Đường “ab” thể độ thấm clorua không thay đổi so với độ thấm ban đầu Sau đó, đường “bc” sau ngưỡng σ/σmax = 0.7 thể độ thấm clorua tăng nhanh Hình 1.5 - Độ thẩm ion clorua nhanh cấp tải trọng nén trước khác (C Lim (2000)) Năm 2013, A Djerbi Tegguer cộng [15] tiến hành thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng tải trọng nén trục đến độ thấm khí hệ số khuếch tán ion clorua bê tông đưa mối quan hệ chúng Mối tương quan độ thấm khí hệ số khuếch tán ion clorua thiết lập cách đưa biến phá hủy suy giảm độ cứng bê tông bị hư hỏng tác dụng tải trọng nén trục Mẫu bê tông thường (OC) bê tông cường độ cao (HPC) sử dụng thí nghiệm để xem xét ảnh hưởng chế xuất lan truyền vết nứt bê tơng đến độ thấm khí thấm ion clorua bê tơng Hình 1.6 - Mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua tương đối trị số phá hủy d bê tông (A Djerbi Tegguer (2013)) Các nghiên cứu thời gian khởi đầu ăn mòn thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng Năm 1980, hội nghị quốc tế vể bê tông môi trường biển viện bê tông Mỹ (ACI) tổ chức, Tuuti [16] cho rằng, kết cấu bê tông cốt thép làm việc môi trường biển bị ion clorua khuếch tán vào bê tơng tích tụ bề mặt cốt thép Khi nồng độ ion clorua bề mặt cốt thép đạt tới ngưỡng nồng độ tới hạn bắt đầu gây ăn mòn cốt thép Cốt thép bị ăn mòn dẫn tới hai hậu Thứ làm giảm diện tích mặt cắt ngang cốt thép dẫn tới giảm sức kháng lại tải trọng Thứ hai, cốt thép bị ăn mòn sinh sản phẩm ăn mòn, sản phẩm ăn mịn nở thể tích gây ứng suất kéo lớp bê tông bảo vệ gây nứt, tách, vỡ bê tơng Mơ hình hóa dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép khuếch tán ion clorua cần trình dẫn đến ăn mịn thép bê tơng ion clorua gây Các trình mô tả sau : - Ion clorua mơi trường tích lũy bề mặt bê tơng - Ion clorua khuếch tán vào bê tông qua số chế mà chủ yếu khuếch tán - Nồng độ ion clorua tích lũy theo thời gian bề mặt cốt thép - Khi nồng độ ion clorua bề mặt cốt thép đạt tới mức ngưỡng tới hạn, màng thụ động mặt cốt thép bị phá vỡ q trình ăn mịn bắt đầu xảy - Sản phẩm ăn mịn tích lớn cốt thép bị ăn mịn, gây ứng suất kéo lớp bê tông bảo vệ - Bê tông chịu kéo kém, xuất vết nứt thẳng góc nằm ngang hình thành tách lớp cốt thép - Các vết nứt tạo thành rạn nứt vỡ làm cho kết cấu bị xuống cấp chức sử dụng khơng cịn đảm bảo gây an tồn Đây xem thời điểm mà u cầu phải sửa chữa - Ăn mòn gây mát diện tích tiết diện thép, dẫn đến trạng thái giới hạn chịu lực khơng cịn thỏa mãn Tuutti, K đưa mơ hình hai giai đoạn tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép hình 1.7 Theo tuổi thọ sử dụng gồm hai giai đoạn nhau: giai đoạn khởi đầu ăn mòn giai đoạn lan truyền ăn mòn theo phương trình 1.7 (1.7) t =t +t ; đó: - t tuổi thọ sử dụng ; - t1 giai đoạn khởi đầu ăn mòn; - t2 giai đoạn lan truyền ăn mịn Hình 1.7 - Tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép: Mơ hình hai giai đoạn Tuuti (1980) Kết luận chương Việc đánh giá độ bền, dự báo tuổi thọ dài hạn cơng trình giao thơng bê tơng cốt thép có ý nghĩa quan trọng công tác quản lý, vận hành hệ thống Bằng chứng vấn đề quan tâm, nghiên cứu từ lâu nước phát triển giới Trong đó, hai yếu tố ảnh hưởng đến độ bền độ thấm độ khuếch tán bê tơng Ngồi cịn kể đến tượng cacbonat hóa, ăn mịn hóa học axít nước biển Qua nhiều nghiên cứu độ thấm nước bê tông, rằng, tính thấm bê tơng chịu ảnh hưởng hai yếu tố chính: Một đặc điểm độ rỗng; kích thước, độ ngoằn ngo, tính liên thơng lỗ rỗng, hai vết nứt vi mô bê tông, đặc biệt mặt liên kết cốt liệu chất kết dính Trong đó, ảnh hưởng ứng suất tác động từ bên ngồi đến độ thấm bê tơng cịn chưa làm rõ Các thí nghiệm đo đạc độ thấm nước bê tơng phân loại sau: thí nghiệm dịng nước trạng thái ổn định, thí nghiệm dịng nước trạng thái khơng ổn định, thí nghiệm ngấm nước Trong đó, cơng trình xây dựng BTCT môi trường biển, tượng hư hỏng quan trọng cần phải tính đến q trình ăn mịn cốt thép bê tơng ion clorua Đã có nhiều nghiên cứu đưa đề xuất, mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua bê tông, tỷ lệ nước/xi măng, thời gian, số điện lượng Coulombs Ngoài ra, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng trạng thái ứng suất nén trước bê tông thực Các thí nghiệm khuếch tán ion qua bê tơng bao gồm thí nghiệm khuếch tán trạng thái ổn định, thí nghiệm khuếch tán trạng thái khơng ổn định, thí nghiệm di trú vùng điện trường Nói chung, việc thực thí nghiệm thấm ion clorua cịn phức tạp (đặc biệt xét đến trạng thái ứng suất bê tông) nên việc xác định gián tiếp hệ số khuếch tán ion clorua thơng qua thí nghiệm đơn giản thí nghiệm thấm nước có ý nghĩa quan trọng công tác đánh giá độ bền dự báo tuổi thọ kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TƠNG CĨ XÉT ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT NÉN 2.1 Đặt vấn đề Mục đích thí nghiệm chương đánh giá độ thấm nước số loại bê tơng điển hình thường dùng cơng trình cầu Việt Nam Hai loaị bê tơng có cường độ 30 MPa (ký hiệu C30) 40 MPa (ký hiệu C40) sử dụng thí nghiệm Chương trình thí nghiệm bao gồm thí nghiệm sau: - Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tơng - Thí nghiệm xác định độ thấm nước bê tơng chịu ứng suất nén trước - Thí nghiệm xác định độ thấm nước bê tông chịu ứng suất nén trực tiếp Chương cấu trúc thành phần Phần đầu chương cơng tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm bao gồm cơng tác chuẩn bị vật liệu , đúc bảo dưỡng mẫu thí nghiệm Phần thứ trình bày quy trình thực thí nghiệm xác định cường độ chịu nén thí nghiệm xác định độ thấm nước bê tông chịu ứng suất nén trước chịu ứng suất nén trực tiếp Phần thứ phân tích đánh giá kết thí nghiệm có Để thiết kế cấp phối cho bê tơng có cường độ chịu nén fc’ = 30 MPa (C30) fc’ = 40 MPa (C40), nghiên cứu sinh dùng xi măng Bỉm Sơn – PC 40 (đạt yêu cầu TCVN 2682: 2009) Cốt liệu nhỏ (cát) Cát dùng để chế tạo bê tông cát thiên nhiên có cỡ hạt từ 0.14 đến 5mm - theo TCVN 7570-2008; từ 0.075 đến 4.75 mm - theo tiêu chuẩn Mỹ từ 0.08 đến 5mm theo tiêu chuẩn Pháp tương tự phần Phần cuối đề xuất mối quan hệ hệ số thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua bê tông 3.2 Ảnh hưởng ứng suất nén trước đến độ thấm clorua bê tơng Dựa vào kết thí nghiệm nói trên, tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ khuếch tán ion clorua bê tông C30 C40 với đến ứng suất nén trước Hình 3.1 3.2 Điện lượng (Coulombs) Khuếch tán ion clorua bê tông C30 4500 4000 3500 3000 2500 2000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 σ/σmax Hình 3.1 - Quan hệ điện lượng ứng suất nén trước bê tông C30 Điện lượng (Coulombs) Khuếch clorua bê tông C40 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 σ/σmax Hình 3.2 - Quan hệ điện lượng ứng suất nén trước bê tơng C40 Hình 3.1 hình 3.2 cho thấy với loại bê tơng xem xét C30 C40, khuếch tán ion clorua (thông qua giá trị điện lượng) tăng tuyến tính Xây dựng mối quan hệ gia tăng hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông (giá trị tương đối D/D0) ứng suất nén trước Hình 3.3, Hình 3.4 Hình 3.5 Bê tơng C30 1.6 y = 0.4851x + 1.0205 R² = 0.9799 D/D0 1.4 1.2 y = 1.0242e0.4081x R² = 0.9642 1.0 0.8 0.2 0.4 σ/σ 0.6 0.8 max Hình 3.3 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trước mẫu bê tông C30 (DO hệ số thấm clorua ban đầu) 11 D/Do Bê tông C40 ,1.6 ,1.5 ,1.4 ,1.3 ,1.2 ,1.1 ,1.0 ,0.9 ,0.8 y = 0.5504x + 1.028 R² = 0.9725 y = 1.0317e0.4537x R² = 0.9521 0.2 0.4 0.6 σ/σmax 0.8 Hình 3.4 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trước mẫu bê tông C40 Kết từ hình 3.4 3.5 cho thấy, với bê tông C30, ứng suất nén trước đạt đến 0.8σmax hệ số thấm tăng 1.4 lần so với độ thấm bê tông không chịu tải Bê tông C30, C40 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 D/D0 y = 0.5177x + 1.0242 R² = 0.9603 y = 1.028e0.4309x R² = 0.9455 0.2 0.4 σ/σmax 0.6 0.8 Hình 3.5 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trước loại bê tông C30 C40 Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clorua theo ứng suất nén trước loại bê tông C30 C40 biểu diễn theo công thức sau: + Hồi quy hàm mũ: D/Do = 1.028exp(0.4309σ/σmax) (3.1) + Hồi quy tuyến tính: D/D0 = 0.5177(σ/σmax) + 1.0242 (3.2) Các đường hồi quy cho thấy quy luật gia tăng khuếch tán ion clorua bê tông tương đồng với quy luật gia tăng độ thấm khí qua bê tông chịu ứng suất nén trước ((A Djerbi Tegguer – 2013, Choinska – 2008, Tran - 2009) [15], [17], [10] 3.3 Ảnh hưởng ứng suất nén trực tiếp đến độ thấm clorua bê tông Quan hệ khuếch tán ion clorua (C) bê tông C30 C40 theo thí nghiệm thấm nhanh tương ứng với giá trị ứng suất nén đồng thời mẫu bê tơng biểu diễn hình 3.6 hình 3.7 Kết thí nghiệm cho thấy khuếch tán ion clorua thay đổi mạnh 12 có xuất tải trọng tác động đồng thời Tuy nhiên trước sau gia tải khuếch tán ion clorua nằm mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012 Tại cấp ứng suất 30% σmax, khuếch tán ion clorua trung bình giảm 11.33% Khi tăng ứng suất lên 50% 70% σmax, độ thấm bê tông tăng 13.60% 35.79% Sự suy giảm độ thấm cấp ứng suất 30% σmax giải thích ứng suất gây biến dạng vi mơ ứng suất nằm giới hạn đàn hồi, nên chưa phát sinh vết nứt, mà ngược lại làm tăng độ đặc giảm lỗ rỗng bê tơng làm giảm độ thấm Trong trường hợp khuếch tán ion clorua giảm dẫn tới kéo dài thời gian khuếch tán ion clorua qua lớp bê tông bảo vệ để gây ăn mịn cốt thép cơng trình bê tơng cốt thép Từ kết cho thấy kết cấu bê tơng ứng suất trước, có ứng suất nén bê tông nằm giới hạn phù hợp kéo dài thời gian khuếch tán làm tăng tuổi thọ trình khuếch tán ion clorua Bê tông C30 1.40 1.30 y = 1.3985x2 - 0.5661x + 0.9898 R² = 0.8484 1.20 D/Do 1.10 1.00 0.90 Giá trị… 0.80 0.70 0.0 0.2 0.4 σ/σmax 0.6 0.8 Hình 3.6 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trực tiếp loại bê tông C30 Bê tông C40 1.40 1.30 y = 1.2354x2 - 0.5297x + 0.9929 R² = 0.8453 D/Do 1.20 1.10 1.00 0.90 Giá trị đo 0.80 0.70 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 σ/σmax Hình 3.7 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trực tiếp loại bê tông C40 13 3.4 Xây dựng mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua với trạng thái ứng suất nén trực tiếp bê tông Mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua bê tơng với điện lượng đo được, tính theo cơng thức Berke Hicks Kết tính hệ số khuếch tán ion clorua cho mẫu bê tơng thí nghiệm C30 C40 trình bày hình 3.3 3.4 Từ kết tính tốn tiến hành xây dựng mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông ứng suất nén trực tiếp mẫu bê tông C30, B40 Bê tông C30, C40 1.40 Hệ số khuếch tán Dx1012 (m2/s) D/Do 1.30 y = 1.317x2 - 0.5479x + 0.9914 1.20 R² = 0.8367 1.10 1.00 0.90 Giá trị… 0.80 0.70 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 σ/σmax Hình 3.8 – Quan hệ tỷ lệ tương đối hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông với ứng suất nén trực tiếp loại bê tông C30 C40 Từ hình 3.8 cho thấy, quy luật thay đổi độ thấm clorua qua bê tông chịu nén trực tiếp loại bê tông tương đồng Khi ứng suất nén thấp 0.5σmax thay đổi độ thấm không đáng kể, ứng suất nén trước đạt đến 0.7σmax hệ số thấm tăng khoảng 1.3 lần so với độ thấm bê tông không chịu tải Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clorua theo ứng suất nén trước loại bê tông C30 C40 biểu diễn theo công thức sau: Hồi quy hàm mũ: D/Do = 1.317(σ/σmax)2 – 0.5479(σ/σmax) + 0.9914 (3.3) Hàm hồi quy cho thấy quy luật gia tăng khuếch tán ion clorua bê tông tương đồng với quy luật gia tăng độ thấm khí qua bê tơng chịu ứng suất nén (Banthia & al (2006)) 3.5 Quan hệ hệ số thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua bê tông Vẽ biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua dựa công thức lý thuyết Banthia kết thí nghiệm, thể hình 3.9 hình 3.10 14 12 10 Lý thuyết 0 0.2 0.8 Cấp0.4 tải trọng 0.6 Hình 3.9 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua dựa lý thuyết Banthia kết thí nghiệm bê tơng C30 14 Hệ số khuếch tán Dx10-12 (m2/s) 10 Lý thuyết Thí nghiệm 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Cấp tải trọng 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.10 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua dựa lý thuyết Banthia kết thí nghiệm bê tơng C40 Qua hình 3.9 3.10, cho thấy, kết tính tốn hệ số khuếch tán ion Clorua theo lí thuyết, kết thí nghiệm khuếch tán ion clorua sát Kết thí nghiệm cho thấy, cấp ứng suất bê tơng σ/σmax ≤0.3, hệ số khuếch tán ion clorua giảm, cấp ứng suất tăng lên, hệ số khuếch tán tăng dần Tăng mạnh cấp ứng suất bê tông vượt ngưỡng σ/σmax ≥ 0.6 3.5.1 Đề xuất công thức xác định hệ số khuếch tán ion clorua từ hệ số thấm nước xét đến ứng suất bê tông Kết tính tốn phần 3.5.1 cho phép đề xuất cơng thức tính hệ số khuếch tán ion clorua từ hệ số thấm nước sau: - Với bê tông C30: Kw = 144.93 S0.5 D (3.4) - Với bê tông C40: Kw = 176.72 S0.5 D (3.5) Với cơng thức dễ dàng tính tốn hệ số khuếch tán ion clorua từ hệ số thấm nước số loại bê tông thường dùng 3.6 Kết luận chương Tác giả tiến hành thực nghiệm phân tích tính thấm ion clorua qua bê tơng chịu ảnh hưởng tải trọng với mẫu bê tơng có f’c = 30MPa f’c = 40MPa Có thành phần thiết kế chương Kết thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tơng chịu ứng suất nén trước cho thấy, ứng suất nén trước bê tơng σ/σ ≤ 0,8 khuếch tán ion clorua tăng tuyến tính đều; sau ngưỡng khuếch tán ion clorua tăng mạnh Mối quan hệ giữa khuếch tán ion clorua với trạng thái ứng suất nén trước loại bê tông C30, C40 mà tác giả luận án xây dựng, đề xuất là: D/D = 1.028 × exp(0.4309 × (σ/σ )); (3.6) đó: D0 hệ số khuếch tán ion Clorua bê tông không tải Mối quan hệ giữa khuếch tán ion clorua với trạng thái ứng suất nén trực tiếp loại bê tông C30, C40 mà tác giả luận án xây dựng, đề xuất là: D/D = (1.317 × (σ/σ ) − 0.5479(σ/σ ) + 0.9914 (3.7) Trong đó: D0 hệ số khuếch tán ion Clorua bê tơng khơng tải Kết thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tông chiụ tải trọng trực tiếp cho thấy, khuếch tán ion clorua thay đổi mạnh có xuất tải trọng tác động đồng thời Tuy nhiên trước sau gia tải khuếch tán ion clorua nằm mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012 Sự suy giảm độ thấm ứng suất 30% σmax giải thích ứng suất 15 gây biến dạng vi mơ ứng suất nằm giới hạn đàn hồi nên chưa phát sinh vết nứt mà ngược lại làm tăng độ đặc giảm lỗ rỗng bê tông, làm giảm độ thấm Tốc độ khuếch tán ion clorua qua bê tông giảm ứng suất mức 0.3σmax tăng mức 0.5σmax 0.7σmax Cuối cùng, tác giả luận án đề xuất mối quan hệ hệ số thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua bê tông sau: - Với bê tông C30: Kw = 144.93 S0.5 D - Với bê tông C40: Kw = 176.72 S0.5 D CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN DỰ BÁO TUỔI THỌ CƠNG TRÌNH CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG 4.1 Đặt vấn đề Mục đích chương xây dựng mơ hình dự báo ảnh hưởng tải trọng môi trường đến tuổi thọ kết cấu cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép bê tơng Các kết thí nghiệm chương sử dụng làm sở thiết lập mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình Các mơ hình ứng dụng dự báo tuổi thọ công trình cầu cụ thể Chương cấu trúc thành phần Phần đầu phần xây dựng mơ hình dự báo có xem xét đến đồng thời ảnh hưởng tải trọng điều kiện môi trường Phần thứ tính tốn dự báo tuổi thọ với cơng trình cầu cụ thể có xét đến thay đổi chiều dày lớp bê tông bảo vệ, nồng độ ion clorua bề mặt, ứng suất nén trước nén trực tiếp bê tông 4.2 Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tông cốt thép Các thông số đầu vào toán quan trọng Luận án dựa thơng số đầu vào từ thí nghiệm chương 2, chương với kết tác giả ngồi nước Các thơng số kiến nghị sử dụng cho mơ hình xây dựng 4.2.1 Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép Năm 1975, Crank [18] đưa mơ hình tốn học cho trình khuếch tán dựa định luật Fick II Trong trường hợp hệ số khuếch tán số, nông độ ion clorua bề mặt cốt thép công thức 4.1 với điều kiện biên C0 = C(0,t) (tức hàm lượng ion clorua bề mặt số) điệu kiện ban đầu C = 0, x > t = 0, xác định bởi: x (4.1) C = C − erf ; 2√Dt đó: - Cx nồng độ ion clorua chiều sâu x; - erf hàm sai số; - Cs nồng độ ion clorua bề mặt bê tông kết cấu; - t thời gian xem xét; - x chiều sâu tính từ bề mặt bê tông kết cấu ; - D hệ số khuếch tán ion clorua Q trình ăn mịn cốt thép bắt đầu Cx = Ccr ; x = h (chiều dày lớp bê tông bảo vệ) ta có : 16 C =C − erf h (4.2) 2√Dt Thực tế tuổi thọ cơng trình nói chung cơng trình giao thơng nói riêng theo tiêu chí ăn mịn cao đáng kể so với kết tính theo cơng thức độ khuếch tán clorua nồng độ clorua bề mặt yếu tố phụ thuộc vào thời gian Ðể xem xét yếu tố thời gian biểu diễn giá trị độ khuếch tán clorua bê tông thường nguyên vẹn, Mangat & Molloy (1994) [19] đề nghị quy luật thay đổi Kc theo thời gian có dạng sau: t (4.3) D=D ; t đó: - D28: hệ số khuếch tán ion Clorua tuổi 28 ngày; - t0 : tuổi bê tông (t0 = 28 ngày) ; - m : hệ số thực nghiệm lấy sau : (theo A.Costa and J.Appleton (1998)) + Vùng ảnh hưởng sóng biển: m = 0.245 ; + Vùng thủy triều lên xuống: m = 0.2 ; + Vùng khí hậu ven biển: m = 0.29 Để xem xét yếu tố thời gian biểu diễn giá trị nồng độ clorua bề mặt Cs luận án tác giả lấy hay dổi theo đề nghị A Costa & J.Appeleton (1998) sau: (4.4) C = C t ; đó: Cso nồng độ clorua bề mặt sau thời gian năm; n hệ số thực nghiệm Theo điều kiện môi trường khác giá trị Cso (theo % khối lượng bê tơng) n cho bê tơng thường điển hình lấy sau (A Costa & J.Appeleton (1999)): - Vùng ảnh hưởng sóng biển: Cso = 0.24; n = 0.47; - Vùng thủy triều lên xuống: Cso = 0.38; n = 0.37; - Vùng khí hậu ven biển: Cso = 0.12; n = 0.54 Như xét đến thay đổi theo thời gian hệ số khuếch tán clorua nồng dộ clorua bề mặt (4.2) viết lại sau: x C = C t (1 − erf (4.5) D t Chiều dày nhỏ lớp bê tông bảo vệ h cần thiết để chống ăn mịn cốt thép bê tơng tính sau: C h = 3D t × erf (4.6) C t 4.2.2 Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất bê tông Khác với trạng thái không chịu tải, cấu trúc bê tông nguyên vẹn, phải chịu tải trọng đủ lớn, cấu trúc bê tông bị phá hủy dẫn đến độ thấm bê tông tăng nhanh, điều tạo diều kiện cho độ khuếch tán clorua vào bê tông tăng nhanh, làm tăng nồng độ ion Clorua bề mặt cốt thép hậu gây ăn mịn cốt thép sớm Để giải thích điều này, ứng suất bê tông vượt giới hạn nứt làm cho bê tông nứt tạo điều kiện cho độ thấm nước độ khuếch tán ion clorua tăng nhanh Ðể xét ảnh hưởng trạng thái ứng suất đến trình khuếch tán ion clorua vào bê tông, công thức xác định mối quan hệ gia tăng hệ số khuếch tán ion clorua theo thời gian trạng thái ứng suất nén trước hay nén trực tiếp chương sử dụng tính tốn Do đó, từ cơng thức 4.5 4.6 ta thiết lập công thức xác định tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép bê tông 17 a) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trước h=2 D t ) × erf t 1.028 exp 0.4309(σ/σ b) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trực tiếp h=2 D t t 1.317 − 0.5479 C C t + 0.9914 × erf (4.7) (4.8) h (cm) Áp dụng công thức (4.7) (4.8) có thay đổi tuổi thọ cơng trình theo bề dầy lớp bê tông bảo vệ tương ứng với cấp ứng suất nén trước nén trực tiếp Hình 4.1 4.2 15 0.0 0.3 13 0.5 0.7 11 10 40 50 60 70 80 t (năm) Hình 4.1 - Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo ứng suất nén trước Trên hình 4.1 ta thấy trường hợp tải trọng nén trước; quy luật thay đổi tuổi thọ cơng trình theo chiều dầy lớp bê tông bảo vệ tương đồng; gia tăng ứng suất nén trước yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn 13 30 0.0 0.3 0.5 0.7 11 h (cm) 20 10 20 30 40 50 60 70 80 t (năm) Hình 4.2 - Quan hệ chiều dày lớp bê tơng bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo ứng suất nén trực tiếp Trên hình 4.2 ta thấy, trường hợp tải trọng nén trực tiếp, quy luật thay đổi tuổi thọ cơng trình theo chiều dầy lớp bê tông bảo vệ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nén trước theo giai đoạn khác Khi σ/σmax = 0.3 chiều dày lớp bê tơng bảo vệ giảm xuống, σ/σmax = 0.5 chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng lên tăng lên đáng kể σ/σmax = 0.7 18 4.3 Áp dụng dự báo tuổi thọ cơng trình cầu Trong ví dụ tính tốn áp dụng đây, tuổi thọ cấu kiện bê tơng cốt thép cơng trình cầu tính tốn theo cơng thức (4.7) (4.8) Các thông số liên quan đến bê tông thường tiến hành thí nghiệm mục trước phần sử dụng phần Các thông số khác lấy theo khuyến cáo số kết nghiên cứu tiêu chuẩn điển hình giới phân tích phần Hệ số khuếch tán ion clorua ban đầu D xác định qua thí nghiệm chương có giá trị D28 = 7.9 x10-12 (m2/s) (bê tông C30) D28 = 6.243 x 10-12 (bê tông C40) Khi xem xét đến yếu tố thời gian, luận án này, tác giả sử dụng mô hình Mangat & Molloy (1994) [19] Giá trị nồng độ ion clorua bề mặt kết cấu bê tông cốt thép Cs tính tốn sau lấy theo kết nghiên cứu A Costa & J.Appeleton (1999) [20] có xét đến yếu tốt thời gian Các giá trị trình bày mục 4.2 Theo EN206 concrete, giá trị giới hạn nồng độ ion clorua bề mặt cốt thép lấy : Ccr = 0.4% theo khối lượng xi măng hay xấp xỉ 0.05 đến 0.07% theo khối lượng bê tơng (KLBT) Trong tính tốn Ccr lấy 0.05% theo khối lượng bê tơng Mơ hình đề xuất giá trị thực nghiệm trình bày mục 4.2 áp dụng mục tính tốn Ba vùng xem xét tốc độ ăn mịn cốt thép trụ cầu xem xét tính tốn là: - + Vùng khơng khí biến - + Vùng sóng đánh - + Vùng thủy triều lên xuống Hình 4.3 – Phân chia vùng tác động điều kiện môi trường biển đến tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng trụ cầu 4.3.1 Tính toán tuổi thọ trụ cầu xét đến tải trọng thường xuyên Sử dụng công thức (4.8) thơng số tính tốn lấy Lý trường hợp trụ chịu trọng lượng thân trụ cầu kết cấu nhịp cầu Khơng xét đến có mặt hoạt tải Mơ hình xét đến tốc độ ăn mịn cốt thép bê tơng mơ hình nén trực tiếp với ứng suất bê tông < 0.5σmax Quan hệ chiều chiều dày lớp bê tông bảo vệ tuổi thọ biểu thị Hình 4.4 19 14 A 12 B h (cm) 10 40 50 60 70 80 t (năm) Hình 4.4 - Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo vùng khác trạng thái ứng suất σ /σmax = 0.2 Trong hình 4.4: - A vùng thủy triều lên xuống; - B vùng ảnh hưởng sóng biển; - C vùng khí hậu ven biển Hình 4.4 cho thấy để đạt tuổi thọ dự kiến theo tiêu chí ăn mịn cốt thép bề dày lớp bê tông vùng thủy triều lên xuống lớn vùng khí hậu ven biển bé Hay nói cách khác, với kết cấu bê tơng cốt thép bê tông dự ứng lực với lớp chiều dày bê tông bảo vệ mơi trường khác cho tuổi thọ khác Kết cấu cơng trình nằm vùng bị ảnh hưởng thường xuyên sóng biển vùng thủy triều lên xuống cần thiết chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn hẳn so với cơng trình nằm vùng chịu ảnh hưởng khí hậu ven biển Bề dày lớp bê tơng bảo vệ cơng trình bê tông dự ứng lực cần thiết lớn so với cơng trình bê tơng cốt thép 4.3.2 Tính tốn tuổi thọ trụ cầu có xét đến hoạt tải cầu Sử dụng công thức (4.7) thơng số tính tốn lấy Lý trường hợp ô tô qua cầu gây nứt vi mô bê tông; vết nứt không khép lại hoạt tải otô khỏi cầu Phần tính với ứng suất bê tơng từ 0.5σmax trở lên với mơ hình nén trước giá trị ứng suất gây nứt bê tông (Chọn giá trị ứng suất = 0.7σmax) Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ tuổi thọ biểu thị Hình 4.5 17 15 10 20 30 A h (cm) 13 11 20 40 60 t (năm)80 Hình 4.5 - Quan hệ chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo vùng khác trạng thái ứng suất σ /σmax = 0.7 Trong Hình 4.5: - A vùng thủy triều lên xuống; 20 - B vùng ảnh hưởng sóng biển; - C vùng khí hậu ven biển Hình 4.5 cho thấy tương quan chiều dày lớp bê tơng bảo vệ với tuổi thọ có xét đến ảnh hưởng hoạt tải gây nứt bê tông cầu giống với trường hợp xét tĩnh tải hình 4.4 Tuy nhiên, với chiều dày lớp bê tơng bảo vệ nhau, tuổi thọ giảm có tác dụng hoạt tải so với trường hợp xét đến ảnh hưởng tĩnh tải 4.4 Kết luận chương Đề đề xuất mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng theo khuếch tán ion clorua, mở đầu chương 4, tác giả trình bày khái niệm, đặc điểm khác tuổi thọ sử dụng độ bền kết cấu Sự suy giảm trực tiếp suy giảm gián tiếp coi hai chế chủ yếu dẫn đến suy giảm kết cấu cầu bê tơng cốt thép, phạm vi nghiên cứu đề tài này, tác giả đề cập đến tuổi thọ sử dụng theo khuếch tán ion clorua vào kết cấu cầu bê tơng cốt thép gây ăn mịn cốt thép Mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép xây dựng dựa mơ hình Tuutti K gồm hai giai đoạn theo khuếch tán ion clorua vào kết cấu cầu gây ăn mòn cốt thép Trong nghiên cứu này, liên quan đến phá hoại dài hạn cơng trình bị ăn mịn, tác giả xem xét đánh giá tuổi thọ công trình giao thơng bê tơng cốt thép thời gian bắt đầu có ăn mịn cốt thép bê tông khuếch tán ion clorua vào bê tơng hay xác thời gian mà nồng độ ion clorua (C) bề mặt cốt thép đạt đến giá trị tới hạn (Ccr) Phương trình tính tốn nồng độ ion clorua bề mặt cốt thép lấy theo định luật Fick (RILEM 14 (2005) – A.Sara & E Vesikari) Ở cuối chương, tác giả tiến hành áp dụng tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu cầu cầu bê tông cốt thép với thơng số từ thí nghiệm lấy theo khuyến cáo số tiêu chuẩn điển hình giới, kết cho thấy tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu khởi đầu ăn mòn giảm đáng kể ứng suất nén trước tăng Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ thay đổi có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án thực nội dung nghiên cứu liên quan đến phân tích độ thấm nước thấm ion clorua số loại bê tơng thường dùng xây dựng cơng trình cầu có xét đến ảnh hưởng ứng suất nén bê tông Các đóng góp luận án tóm tắt sau: 1.1 Nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước qua bê tông chịu ảnh hưởng tải trọng với hai loại bê tông C30 C40 Kết nghiên cứu cho thấy tăng cấp tải trọng nén độ thấm nước bê tơng tăng đáng kể; đặc biệt sau bê tông bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng tác động tải trọng nén trước nén trực tiếp Một mô hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp thiết kế, chế tạo thử nghiệm dựa kết nghiên cứu giới gần đây; thiết bị thí nghiệm có cải tiến để q trình đo đạc thuận lợi hơn, đặc biệt trình khống chế tải trọng ghi nhận số liệu hoàn toàn tự động Kết thí nghiệm đo thấm nước chịu ảnh hưởng tải trọng nén trước cho thấy, ứng suất tương đối nén trước nhỏ σ/σmax ≤ 0.3, độ thấm nước gia tăng chậm; sau ngưỡng này, độ thấm nước bắt đầu tăng nhanh; đặc biệt ứng suất tương đối lớn σ/σmax > 0.5, độ thấm nước gia tăng nhanh Sự xuất vết nứt phá hủy bê tông làm cho gia tăng thấm nước nhanh Với mẫu bê tông C40, tốc độ suy giảm mác chống thấm ứng suất nén trước bê tông tăng thấp so với mẫu bê tơng C30 Kết thí nghiệm đo thấm nước chịu ảnh hưởng tải trọng nén trực tiếp cho thấy, độ thấm nước bê tông gần khơng thay đổi, chí suy giảm phần, sau tăng chậm giá trị ứng suất tương đối σ/σmax < 0.4; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh, sau ngưỡng này, độ thấm nước bắt đầu tăng nhanh; đặc biệt ứng suất tương đối lớn σ/σmax > 0.7, độ thấm nước gia tăng nhanh giống trường hợp tải trọng nén trước Điều giải thích cấu trúc vi mô bê tông bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất vốn ngưỡng làm xuất vùng phá hủy phân tán (theo tiếp cận học phá hủy bê tông) làm gia tăng độ thấm nước bê tông 1.2 Các nghiên cứu thực nghiệm phân tích tính thấm ion clorua qua bê tông chịu ảnh hưởng tải trọng loại bê tông C30 C40 Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể tải trọng nén đến dộ thấm ion clorua bê tông Một mô hình thí nghiệm thấm ion clorua có xét đến tải trọng nén trực tiếp thiết kế, chế tạo thử nghiệm dựa kết nghiên cứu giới gần đây; thiết bị thí nghiệm có cải tiến để q trình đo đạc thuận lợi hơn, đặc biệt trình kiểm sốt lực nén bê tơng Kết thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tông chịu tải trọng nén trước cho thấy, ứng suất nén trước bê tơng σ/σmax ≤ 0,5 - 06 khuếch tán ion clorua tăng tuyến tính đều; sau ngưỡng khuếch tán ion clorua tăng mạnh Tác giả đề xuất mối quan hệ giữa khuếch tán ion clorua ứng suất nén trước trước loại bê tơng C30 C40 Kết thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tông chịu tải trọng nén trực tiếp cho thấy, khuếch tán ion clorua thay đổi mạnh có xuất tải trọng tác động đồng thời Tuy nhiên trước sau gia tải khuếch tán ion clorua nằm mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012 Sự suy giảm độ thấm ứng suất 30% σmax giải thích ứng suất gây biến dạng vi mơ ứng suất nằm giới hạn đàn hồi nên chưa phát sinh vết nứt, mà ngược lại làm tăng độ đặc giảm lỗ rỗng bê tông, làm giảm độ thấm Tốc độ khuếch tán ion clorua qua bê tông giảm ứng suất mức 30%σmax tăng mức 50%σmax 70%σmax 22 1.3 Xác định hệ số Ck để tính tốn hệ số khuếch tán ion clorua từ hệ số thấm nước loại bê tơng Từ đề xuất cơng thức tính tốn quan hệ hệ số thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua bê tông có xét đến ảnh hưởng ứng suất bê tông cho loại bê tông xem xét sau: + Đối với bê tông C30: K = 144.93 S0.5 D với Ck = 144.93 0.5 + Đối với bê tông C40: K = 176.72 S D với Ck = 176.72 1.4 Áp dụng mơ hình đề xuất để tính toán dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng tải trọng thường xuyên tải trọng khai thác Kết phân tích cho thấy kết cấu chịu ảnh hưởng dư tải trọng nén trước, tuổi thọ cấu kiện suy giảm theo gia tăng ứng suất nén trước với mức suy giảm 16%, 27% 33% ứng suất nén trước tăng 30%, 50 % 70% ứng suất phá phá hoại Khi chịu ứng suất nén trực tiếp, có gia tăng tuổi thọ 10% ứng suất nén đạt xấp xỉ 30% ứng suất lớn (do hiệu ứng nén trực tiếp), sau tuổi thọ suy giảm nhẹ mức 0.4% ứng suất nén tăng lên 50% và giảm mạnh đến 23% ứng suất nén bê tông tăng lên đến 70% giá trị ứng suất phá hoại Khi áp dụng tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu trụ cầu nằm vùng môi trường khác nhau: vùng khơng khí biển, vùng thủy triều lên xuống vùng ảnh hưởng sóng biển Kết cho thấy ảnh hưởng đáng kể vùng mơi trường biển đến tuổi thọ cấu kiện có xét đến ảnh hưởng tĩnh tải hoạt tải xét tĩnh tải 1.5 Góp phần chế tạo thiết bị đo thấm nước bê tông chịu ứng suất nén trực tiếp thiết bị đo thấm ion clorua bê tông chịu ứng suất nén trực tiếp Luận án phần định hướng phát triển nghiên cứu độ bền bê tông kết cấu bê tông cốt thép Các thiết bị đo thấm nước thấm ion clorua chế tạo thử nghiêm với bê tông thường sở cho việc thực nghiên cứu tương tự với đối tượng loại bê tông khác bê tông cường độ cao, bê tông nhẹ Kiến nghị hướng nghiên cứu Hướng nghiên cứu dự kiến sau: + Nghiên cứu tích tụ ion clorua bề mặt bê tơng loại bê tông khác cho vùng Việt Nam, vẽ đồ phân vùng nồng độ ion clorua bề mặt bê tông 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 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO ACI 201.2R-08, Guide to Durable Concrete, Reported by ACI Committee 201 SCRIVENER K, 2001, “Cours on-line”, EPF Cement & Concrete Association of Australia, “Durable Concrete Structures”, 1989 Banthia N, Birpava A, Mindess S, (2005), “Permeability of concrete under stress”, Cement and Concrete Research 35, 1651-1655, 2005 Kermani A (1991), "Stressed concrete Permeability of stressed concrete", Building Research and Information 19, 360–366 Gérard B., Breysse D., Ammouche A., Houdusse O., Dirdry O (1996), "Cracking and permeability of concrete under tension", Mater Struct 29 pp.141-151 Lion M, Skoczylas F, Lafhaj Z, Sersar M (2005), "Experimental study on a mortar Temperature effects on porosity and permeability, Residual properties or direct measurements under temperature", Cement and Concrete Research 35, 1937–1942 Tô Minh Tuấn, Nguyễn Ngọc Nam, Vũ Ngọc Anh (2010), “Tính tốn tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép chịu ăn mịn” Workshop on Construction under Exceptional Condition, October 2010, Hanoi, Vietnam Stanish K., Thomas M (2003), “The use of bulk diffusion tests to establish timedependent concrete chloride diffusion coefficient” cement & concrete Research 33, pp 55-62 10 Truyen T Tran (2009), "Contribution to the study of mechanical and hydro mechanical behaviors of concrete", PhD Thesis (in French), University of Liege 11 Stanish, K (2000), “Predicting the Diffusion Coefficient of Concrete from Mix Parameters, University of Toronto Report” 12 Ahmad S (2003), “Reinforcement corrosion in concrete structures, its monitoring and service life prediction––a review” Cement and Concrete Composites, V 25, Issues 5, pp 459-471 13 Berke, N and Hicks, M., (1992), “Estimating the life cycle of reinforced concrete decks and marine piles using laboratory diffusion and corrosion data” 14 C Lim, (2000), “Microcracking and chlorid permeability of concrete under uniaxial compression, Cem Concr Com 22 353–360” 15 A Djerbi,S Bonnet,A Khelidj, V Baroghel-bouny, (2008), “Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete”, Cement and Concrete Research 38, 877-883 16 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 223-236 17 Cao H T and Sirivivatnanon V, ‘Service Life Modelling of Crack-freed and Cracked Reinforced Concrete Members subjected to Working Load’, Proceedings CIB Building Congress 2001, Wellington, New Zealand, 2-6 April, 2001 18 Crank (1975), “Mathematics of diffusion”, Brunel University Uxbridge 19 Mangat P.S and Molloy B.T (1994), “Prediction of long-term chloride concentration in concrete” Material and Structure, V 27 pp 338-346 20 Costa, A., Appleton, J (1999), “Chloride penetration into concrete in marine environment - Part I: Main parameters effecting chloride penetration Materials and structures” P252-259 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH Tran The Truyen, Le Quang Vu, Ho Xuan Ba, Service life estimation of high performance reinforced concrete structures in considering the damage of concrete cover¸ Procedings of the International Conference EASEC-14, HCM City, 1/2016 Hồ Xuân Ba, Lê Quang Vũ, Ảnh hưởng trạng thái chịu tải đến khả chống thấm bê tơng, Tạp chí KHGTVT số 51, 4/2016 Hồ Xuân Ba, Trần Thế Truyền, Phạm Duy Hữu, Thực nghiệm xác định độ thấm nước bê tông chịu nén, Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Số 53, Tháng 8/2016 Tran The Truyen, Ho Xuan Ba, Hoang Viet Hai, Le Ba Anh, Water permeability of concrete under uniaxial loading, Proceedings of The 7th International Conference of Asian Concrete Federation - Sustainable Concrete for Now and the Future, ACF 2016, 11/2016 Hồ Xuân Ba, Ảnh hưởng ứng suất nén trước đến khuếch tán ion clorua bê tông thường bê tông cường độ cao, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Tháng 4/2017 Trần Thế Truyền, Thái Khắc Chiến, Lê Quang Vũ, Hồ Xuân Ba, Ảnh hưởng lịch sử chịu tải nén trước đến dộ thấm Ion clorua số loại bê tông, ứng dụng dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép, Khoa học Giao thông Vận tải, Số 57, Tháng 6/2017 Tran The Truyen, Nguyen Xuan Tung, Ho Xuan Ba, Effect Of Pre-Compressive Stress On Chloride Permeability Of Concrete Used Anti-Permeable Admixture, Lecture Notes in Civil Engineering, Springer Nature, ISBN 978-981-10-6712-9 ISBN 978-981-10-6713-6 (eBook) DOI 10.1007/978-981-10-6713-6 Lê Quang Vũ, Hồ Xuân Ba, Đoàn Bảo Quốc Trần Thế Truyền, “Ảnh hưởng ứng suất nén trước bê tông đến độ thấm bê tông nhẹ, Tuyển tập hội nghị học toàn quốc lần thứ X, Hà nội, 12/2017 Hồ Xuân Ba, Lê Quang Vũ, Thái Khắc Chiến, Trần Thế Truyền, Ảnh hưởng ứng suất nén đến độ khuếch tán ion clorua bê tơng, Tạp chí Khoa học GTVT số 66, 10/2018 ... thác CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ THẤM NƯỚC, KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA BÊ TÔNG Tổng quan độ bền bê tông Độ bền bê tông xi măng theo ACI 201.2R-08... thấm nước hệ số khuếch tán ion clorua bê tông 3.2 Ảnh hưởng ứng suất nén trước đến độ thấm clorua bê tông Dựa vào kết thí nghiệm nói trên, tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ khuếch tán ion clorua bê. .. lý bê tông chất làm tan băng dùng phụ gia rắn nhanh chứa Ion clorua, Các nghiên cứu độ thấm nước khuếch tán ion clorua bê tông giới Độ thấm nước bê tông vấn đề quan trọng kết cấu bê tơng có