Đánh giá thực trạng ăn mòn cốt thép trong Bê tông và đề xuất biện pháp xử lý cho một số công trình tại tỉnh Bến Tre

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THẾ PHÚC ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP XỬ LÝ CHO MỘT SỐ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI TỈNH BẾN TRE Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 85 80 201 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN CHÍNH Phản biện 1: PGS.TS TRƢƠNG HỒI CHÍNH Phản biện 2: TS NGUYỄN THANH BÌNH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chun ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày tháng 11 năm 2019 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bê tông loại đá nhân tạo, chế tạo từ loại vật liệu rời(cát, đá, sỏi ), chất kết dính(thường xi măng), nước có thêm phụ gia Ăn mịn cốt thép tượng phổ biến kết cấu bê tơng cốt thép, q trình thủy hóa xi măng làm cho bê tông tăng cường độ đồng thời làm giảm độ pH có bê tơng, điều làm cho cốt thép bị tính chống rỉ thụ động Với xâm nhập muối, oxy, độ ẩm co2 vào lớp bảo vệ bê tơng sau dẫn đến ăn mịn cốt thép bên bê tơng Q trình phá hoại bê tơng q trình ăn mịn cốt thép có môi quan hệ mật thiết với [3] Khi cốt thép kết cấu bê tơng bị ăn mịn làm suy giảm khả chịu lực kết cấu chịu tải trọng dẫn đến kết cấu bị phá hoại; ăn mịn làm giảm kích thước tiết diện ngang cốt thép, cốt thép trở nên dòn hơn; thể tích sản phẩm ăn mịn tăng lên gây nội ứng suất bê tông dẫn đến xuất vết nứt bê tơng; ngồi cốt thép bị ăn mòn ảnh hưởng đến lực dính bê tơng cốt thép [3] Tại Việt Nam nói chung tỉnh Bến Tre nói riêng việc quy hoạch xây dựng cơng trình cịn nhiều bất cập chưa đồng Tỉnh Bến tre có vị trí địa lý khu vực tiếp giáp biển đơng nơi có nhánh dịng sơng Mekong chảy cửa biển, xung quanh bao chùm sơng ngịi dày đặc Việc tác hại xâm thực nước biển dẫn đến ăn mịn cốt thép điều khó tránh khỏi; qua nguyên nhân nêu tác giả muốn nghiên cứu khảo sát số dạng ăn mòn cốt thép thường gặp địa phương tỉnh Bến Tre Đó lý tác giả chọn đề tài: “Đánh giá thực trạng ăn mịn cốt thép Bê tơng đề xuất biện pháp xử lý cho số cơng trình Tỉnh Bến Tre “ 2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát để đánh giá thực trạng hư hại cơng trình xây dựng ăn mịn cốt thép bê tơng địa phương tỉnh Bến Tre, từ tác giả đề xuất số giải pháp xử lý Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Các cơng trình xây dựng tỉnh Bến Tre  Ăn mòn cốt thép bê tông Sử dụng phương pháp đo điện cốt thép thiết bị đo Proced Corrosion Analysing Instrument Phƣơng pháp nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan ăn mịn cốt thép bê tơng tác hại ăn mòn cốt thép đến làm việc kết cấu bê tông cốt thép  Đo giá trị điện cốt thép số cơng trình xây dựng tỉnh Bến Tre Căn vào tiêu chuẩn hành để đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép bê tơng cơng trình khảo sát  Tổng quan biện pháp chống ăn mịn cốt thép bê tơng, từ tác giả đánh giá lựa chọn giải pháp xử lý cho công trình khảo sát Bố cục luận văn Ngồi phần mở đầu kết luận, luận văn gồm chương  Chương 1: Ăn mòn cốt thép bê tơng ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến làm việc kết cấu BTCT  Chương 2: Khảo sát đánh giá thực trạng ăn mòn cốt thép bê tơng số cơng trình Bến Tre  Chương 3: Các biện pháp xử lý cho cơng trình hư hỏng ăn mịn cốt thép Bến Tre CHƢƠNG ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TƠNG VÀ ẢNH HƢỠNG CỦA ĂN MỊN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTCT 1.1 ĂN MỊN CỐT THÉP TRONG BÊ TƠNG 1.1.1 Cơ chế ăn mòn - Ăn mòn cốt thép trình điện hóa liên quan đến việc di chuyển dịng điện diện nhỏ rộng [2] - Phản ứng điện cực dương: - Phản ứng điện cực âm: Tùy thuộc vào sẵn có O2 độ pH vùng lân cận bề mặt thép, có hai phản ứng catốt xảy ra: - Dấu hiệu nhận thấy ăn mòn vết màu nâu bề mặt bê tông khu vực quanh cốt thép Các vết màu nâu thâm nhập vào bê tơng mà khơng cần có vết nứt bê tông thông thường kèm với vết nứt bê tông vết nứt xuất sau [2] - Sau ăn mòn bắt đầu, sản phẩm ăn mòn (như ion O2 & OH ) làm tăng thể tích vài lần so với thể tích thép ban đầu dẫn đến nội ứng lực gây nên vết nứt bong trát lớp bê tông bảo vệ [2] 1.1.2 Ăn mòn ion Cla) Sự thâm nhập Cl – vào bê tông nguyên nhân gây ăn mịn cốt thép Khi ion Cl- thâm nhập vào bê tơng phá hủy lớp màng bảo vệ xung quanh cốt thép [2] - Tương tự q trình carbonat hố, q trình xâm nhập clorua khơng trực tiếp ăn mịn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ bề mặt cốt thép thúc đẩy trình ăn mịn phát triển Nói cách khác, clorua đóng vai trị chất xúc tác cho q trình ăn mịn BTCT Tuy nhiên, chế ăn mòn ion clorua khác q trình carbonat hố chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ công cốt thép độ pH hỗn hợp mức cao - Ăn mòn cục tập trung ion Cl- bề mặt cốt thép BTCT Có bốn (04) chế xâm nhập ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông 1.1.3 Ăn mòn tƣợng cacbonat Kết tất yếu phản ứng nồng độ pH chất lỏng lỗ rỗng bên bê tông bị giảm từ giá trị bình thường 13-14 đến giá trị trung tính Khi có xuất O2 nước ăn mịn cốt thép bắt đầu xảy nồng độ pH chất lỏng lỗ rỗng bê tông rơi xuống 11 [2] 1.1.4 Ăn mòn dòng điện lân cận Dòng điện lân cận từ hệ thống xe lửa, thiết bị điện có điện cao thơng thường gây ăn mòn kết cấu thép BTCT chơn lịng đất.Dịng điện lân cận dòng điện chiều(DC) xoay chiều(AC) Dòng điện lân cận theo hướng khác với hướng dự định ln có hướng song song hướng di chuyển khác Hướng dịng điện lân cận hướng có điện trở thấp di chuyển qua kết cấu có chứa kim loại thép chơn lịng đất(đường ống dẫn dầu, khí, bể chứa, cơng trình biển).[2] 1.2 ẢNH HƢỠNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTCT Sự phá hoại bê tơng nguyên nhân riêng biệt mà thông thường nhiều ngun nhân cơ, lí, hóa khác Muối, oxy, độ ẩm CO2 thâm nhập vào lớp bảo vệ bê tơng sau dẫn đến ăn mịn cốt thép bên bê tơng Q trình phá hoại bê tơng q trình ăn mịn cốt thép có mối quan hệ mật thiết với nhau.Thực tế, trình xuất đồng thời gia tăng nguy phá hoại kết cấu Hậu ăn mịn cốt thép khơng liên quan đến khả phục vụ điều kiện bên ngồi kết cấu, ảnh hưởng đến hiệu suất kết cấu giảm an tồn Ăn mịn thường xác định đốm gỉ xuất bề mặt bên ngồi bê tơng, hư hỏng bê tông vỏ sản xuất mở rộng sản phẩm ăn mòn Những sản phẩm thực tế chiếm khối lượng lớn nhiều so với ban đầu thép Khối lượng sản phẩm ăn mịn lớn từ đến lần so với sắt mà chúng có nguồn gốc, tùy thuộc vào thành phần chúng mức độ hydrat hóa [2] 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Ăn mịn cốt thép tượng phổ biến kết cấu bê tông cốt thép Với xâm nhập tác nhân có hại ion Cl -, sau thời gian chúng tác động trực tiếp vào đến cốt thép gây ăn mòn Muốn tăng tuổi thọ cơng trình ngồi việc tăng bề dày lớp bê tơng bảo vệ việc tăng độ đặc bê tơng nhân tố có vai trị quan trọng việc giảm tốc độ thấm CO2, Cl- vào bê tông Nhưng điều bất lợi bê tông cường độ chịu kéo nhỏ so với cường độ chịu nén, nên chúng dễ nứt vùng kéo chịu lực CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TƠNG TẠI MỘT SỐ CƠNG TRÌNH TẠI BẾN TRE 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trên giới có nhiều cố cơng trình mà ngun nhân chủ yếu ăn mịn cốt thép bê tơng ăn mòn thép ứng lực trước(ƯLT) Ngày 15 tháng 12 năm 1965 cầu Silver quốc lộ 35 kết nối Point Pleasant, Tây Virginia Kanauga, bang Ohio – Hoa kỳ đổ sụp xuống sông Ohio làm 37 xe ô rơi xuống sông 47 người chết Các nhà điều tra nguyên nhân gây sập cầu ăn mòn cốt thép, ăn mòn tác dụng ứng suất ăn mòn tác dụng mỏi [3] 2.2 THIẾT BỊ PHÂN TÍCH ĂN MỊN PROCEQ CORROSION ANALYSING INSTRUMENT  Canin + cơng cụ nhanh để phân tích ăn mòn, cung cấp cách tiếp cận thực tế, hiệu chi phí cho việc khảo sát bê tơng cốt thép Phân tích ăn mịn với Canin + cho phép kiểm tra nhanh chóng, tồn diện vị trí đưa đánh giá nhanh vị trí có khả ăn mịn Phân tích ăn mịn với phương pháp đo nửa điện sử dụng Việt Nam theo TCVN 9348 – 2012 [10] nước giới  Quy trình đo ăn mịn cốt thép thơng qua điện cốt thép máy phân tích Proceq Corrosion Analysing Instrument 2.3 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ĂN MỊN THƠNG QUA ĐIỆN THẾ CỐT THÉP Đo điện phạm vi -100 mV đến -250 mV, xác suất ăn mịn đánh giá khơng chắn, khó để giải thích tạo thành tỷ lệ đáng kể tất giá trị đo Khi tiêu chí đưa theo kinh nghiệm, biến thể xảy loại bê tơng khác nhau, theo tiêu chí ASTM khơng thể sử dụng cách hữu ích Do hạn chế phương pháp này, phương pháp đánh giá thay có trở nên phổ biến [2] 2.4 KẾT QUẢ ĐO MỘT SỐ CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG TẠI BẾN TRE Bến Tre tỉnh thuộc vùng Đồng sông Cửu Long, nằm cuối nguồn sông Cửu Long, tiếp giáp biển Đông(với chiều dài đường biển khoảng 65 km) tỉnh Tiền Giang, Trà Vinh, Vĩnh Long Địa hình Bến Tre phẳng, có độ cao trung bình từ đến mét so với mực nước biển, thấp dần từ tây bắc xuống đông nam, độ cao chênh lệch lớn, tối đa 3,5 m Trong đề tài tác giả khảo sát vài cơng trình có khả ăn mịn cốt thép thiết bị đo giá trị điện cốt thép, đánh giá mức độ ăn mòn đề xuất giải pháp xử lý 2.4.1 Cơng trình Chợ Giồng Miễu- Huyện Thạnh Phú Địa bàn huyện Thạnh Phú hình thành từ đất phù sa hai sông Hàm Luông Cổ Chiên bồi tụ nên qua nhiều kỷ nay, bãi biển Thạnh Phú lấn dần phía Biển Đơng có đường bờ biển dài khoảng 25 km Huyện lỵ thị trấn Thạnh Phú nằm quốc lộ 57, cách thành phố Bến Tre khoảng 45 km hướng đơng nam Cơng trình Chợ Giồng Miễu xây dựng năm 2015 đưa vào sử dụng đến xuống cấp trầm trọng, quan chuyên ngành khảo sát trạng tìm giải pháp xử lý Bảng 2.2 Kết đo điện cốt thép cột công trình Chợ Giịng Miễu - Thạnh Phú Bảng 2.3 Kết đo điện cốt thép dầm cơng trình Chợ Giịng Miễu - Thạnh Phú 10  Vị trí sàn bê tơng cốt thép khảo sát gía trị đo điện > - 200mv nên dựa theo Tiêu chuẩn ASTM C876 [11] ta nhận thấy khả ăn mịn cốt thép thấp(< 10%) 2.4.2 Cơng trình UBND Huyện Thạnh Phú  Cơng trình UBND Huyện Thạnh Phú(cũ) phận kết cấu bị hư hỏng, tác giả đo khảo sát phận(cột, dầm, sàn) lầu 1, khu vực cốt thép bị ăn mòn tạo vết gỉ sét bề mặt lớp bê tông bảo vệ Các giá trị đo điện kết cấu thể đây: Bảng 2.5 Kết đo điện cốt thép cột cơng trình UBND – Thạnh Phú 11 Bảng 2.6 Kết đo điện cốt thép dầm cơng trình UBND – Thạnh Phú Hình 2.10 Đo điện sàn bê tơng cốt thép bị ăn mịn Bảng 2.7 Kết đo điện cốt thép sàn cơng trình UBND – Thạnh Phú 12 - Nhận xét đánh giá kết đo: Qua kết giá trị đo bảng(2.5; 2.6; 2.7) tác giả nhận thấy giá số liệu trị đo rơi miền > -200mv nên dựa theo Tiêu chuẩn ASTM C876 [11] ta nhận thấy khả ăn mòn cốt thép thấp ( 1.2 kg/m3 độ pH 90% khả chịu lực đáp ứng tải trọng sàn ta tiến hành gia cường cốt thép dọc thép đai(vì tượng cột bị bong tróc lớp bê tơng bảo vệ nhiều chưa thấy xuất vết nứt nguy hiểm gây phá hoại kết cấu), phạm vi nghiên cứu đề tài tác giả đề xuất phương pháp xử lý sửa chữa sau:  Đục tẩy phần bê tông bị nứt, bị bong lở xung quanh khu vực cốt thép bị gỉ, làm nhám bề mặt bê tông, rửa bề mặt nước, để nước  Tăng cường thép đủ số lượng, dùng thêm thép hình vài vị trí cột chủ lực tiến hành hàn nối gia cố vào thép cũ  Quét chất tạo dính keo epoxy lên thép bê tơng: có khả chống ăn mịn, bám dính bê tông cũ  Lắp dựng cốt pha, đổ bê tơng cường độ cao có pha chất ức chế ăn mòn DCI hãng Grace Việc pha chất ức chế vào bê tông coi biện pháp bảo vệ cốt thép chống ăn mòn  Qt lớp chống thấm bên ngồi bề mặt bê tơng ngăn chặn tượng thấm nước 3.3.2 Cơng trình UBND – Huyện Thạnh Phú  Dựa việc phân tích thực trạng hư hại ăn mòn cốt thép cơng trình trình bày mục 2.4.2 biện 21 pháp xử lý hành mục 3.2 tác giả đề xuất quy trình sửa chữa cụ thể sau:  Nhìn tổng thể phận kết cấu cơng trình hư hỏng mức độ khơng lớn lắm, xuất nhiều bong tróc lớp bê tơng bảo vệ ngun nhân ăn mịn cốt thép mà Chưa thấy dấu hiệu vết nứt xảy làm phá hoại kết cấu Trong phạm vi nghiên cứu đề tài tác giả đề xuất phương pháp xử lý sửa chữa sau: + Vi trí Dầm bê tơng cốt thép: + Vi trí sàn bê tơng cốt thép: + Vi trí cột bê tơng cốt thép: 3.3.3 Cơng trình Ban Quản Lý Chợ - Huyện Mỏ Cày Nam Dựa việc phân tích thực trạng hư hại ăn mịn cốt thép cơng trình trình bày mục 2.4.3 biện pháp xử lý hành mục 3.2 tác giả đề xuất quy trình sửa chữa cụ thể sau: Qua trình khảo sát ta nhận thấy phần cấu kiện(cột,dầm) bê tơng bị hư hỏng nhiều cần có biện pháp triệt để xử lý, kết cấu sàn mức độ hư hỏng nhẹ Đề xuất biện pháp xử lý cụ thể sau: + Vị trí cột bê tông cốt thép khảo sát: ta nhận thấy khả xuất ăn mòn rơi khoảng(10% - 90%) theo giá trị đo bảng 2.8, thực tế việc hư hại tâp trung chủ yếu đầu cột giao với sàn văng bê tơng cốt thép Vì ta tiến hành gia cố chống đỡ quy cách khu vực hư hại trước xử lý  Phá vỡ lớp bê tông bảo vệ đầu cột lớp bê tông sàn ô văng đầu cột (khu vực tiếp giáp)  Tăng cường thép (dọc, đai) đầu cột, thép lưới sàn ô văng đủ số lương quy cách  Phần lắp dựng cofa tái lập bê tơng ta tiến hành theo quy trình tương tự 02 cơng trình nêu 22  Quy trình xử lý tái lập lớp bê tơng tiến hành tương tự 02 cơng trình nêu trên, lưu ý tái lập bê tông đáy dầm cần bơm bê tông với áp lực tương đối nhỏ tránh tình trạng ảnh hưởng đến hệ chống đở đáy dầm xê dịch; dẫn đến tăng độ võng kết cấu + Vị trí sàn bê tơng cốt thép khảo sát: Quy trình thực tương tự cách xử lý 02 cơng trình có phần kết cấu sàn hư hỏng nêu 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG  Nhìn chung ba cơng trình tác giả khảo sát đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép phương pháp đo điện nhanh chóng xác định vị trí cốt thép bị ăn mòn, phận kết cấu xuất khả ăn mòn khác từ đưa biện pháp xử lý phù hợp  Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, cơng trình tác giả khảo sát có qui mơ nhỏ, thực tế địa phương Huyện ngành quản lý xây dựng tiến hành tìm biện pháp xử lý Tác giả nghĩ cách xử lý trình bày phần trên(mục 3.4) mặt đáp ứng u cầu kỹ thuật, đảm bảo cơng trình sử dụng ổn định hơn, phù hợp với TCVN 9343 -2012 [9]  Do mặt hạn chế thời gian nghiên cứu đề tài nên tác giả khảo sát công trình có tính chất qui mơ lớn, đặc biệt(cầu, cảng) mức độ ăn mòn cốt thép cao tiếp xúc thường xuyên mặt nước biển gần môi trường xâm thực điều tránh khỏi Trong trường hợp đủ thời gian theo dõi ta xử lý phương pháp sử dụng anod hy sinh anod sử dụng nguồn điện 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ + Kết luận:  Trong điều kiện thi cơng cơng trình xây dựng khả ăn mịn cốt thép điều khó tránh khỏi khơng có biện pháp chống ăn mịn triệt để Ở Việt Nam quy trình xây dựng tiêu chuẩn ngành nêu rõ biện pháp kỹ thuật thi công, áp dụng thực tế chưa đạt yêu cầu chất lượng Đây ngun nhân dẫn đến cơng trình đưa vào sử dụng chất lượng, tuổi thọ không cao  Cốt thép bê tơng dễ bị ăn mịn nhiều nguyên nhân khác hai nguyên nhân chủ yếu thâm nhập ion Clvà CO2  Trong giới hạn luận văn tác giả tiến hành khảo sát khả xuất ăn mòn cốt thép số cấu kiện thuộc cơng trình bê tông cốt thép địa bàn tỉnh Bến Tre sử dụng phương pháp đo điện cốt thép, qua thấy khả xuất ăn mịn cốt thép bê tông số phận kết cấu địa bàn cao  Các biện pháp xử lý cơng trình có khả ăn mịn cốt thép bê tơng đề xuất cụ thể phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam giới  Phương pháp đo nửa điện phương pháp đơn giản bước đầu đánh giá khả xuất ăn mòn cốt thép bê tơng Do số cấu kiện khả ăn mòn cốt thép thấp hay chưa chắn(