Phương pháp tính khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn

Bài viết này giới thiệu một phương pháp tính khả năng chịu lực còn lại của kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn bởi sự xâm nhập của chất Clorua có từ nước biển, khi xuất hiện vết nứt.

Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHƯƠNG PHÁP TÍNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỊN LẠI CỦA CẤU KIỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN ThS Nguyễn Bá Sáu Khoa Đào tạo nghề, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt Ăn mịn cốt thép xác định nguyên nhân phổ biến gây hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép toàn giới Sự xâm nhập chất Clorua có từ nước biển, nước mưa, nước ngầm, nước, v.v gây ăn mịn kết cấu bê tơng cốt thép, dẫn đến cấu kiện bong tróc lớp bê tơng bảo vệ, làm giảm diện tích cốt thép chịu lực, mát lực bám dính bê tơng cốt thép ảnh hưởng đến khả chịu lực cấu kiện Bài báo giới thiệu phương pháp tính khả chịu lực cịn lại kết cấu bê tơng cốt thép bị ăn mịn xâm nhập chất Clorua có từ nước biển, xuất vết nứt Từ khố Tính khả chịu lực kết cấu bê tơng cốt thép bị ăn mịn Đặt vấn đề Dự báo khả chịu lực cịn lại cơng trình bị xuống cấp việc làm cần thiết, sở quan trọng giúp nhà quản lý đưa khuyến cáo tải trọng sử dụng, từ có giải pháp gia cố, sửa chữa nhằm kéo dài tuổi thọ cơng trình đảm bảo an toàn cho người sử dụng Trong số ngun nhân gây hư hỏng cơng trình Bê tơng cốt thép (BTCT) xâm nhập chất Clorua có từ nước biển, nước mưa, nước ngầm, nước, v.v gây ăn mòn kết cấu BTCT xác định nguyên nhân phổ biến toàn giới Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ăn mịn bảo vệ cơng trình tiến hành từ năm 1970 kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế hạn chế, dẫn đến tuổi thọ nhiều cơng trình xây dựng mơi trường biển cịn thấp so với yêu cầu Một số hình ảnh cấu kiện bê tơng cốt thép bị ăn mịn Với cấu kiện BTCT bị ăn mịn dễ phát chúng ln xuất vết nứt chạy dọc thép chủ, gõ vào bê tơng nghe có tiếng bộp xuất lớp rỉ sét màu vàng chạy dọc theo vết nứt đục vị trí bị nứt lớp bê tơng vỡ mảng lộ cốt thép dọc bị rỉ sét ngồi (hình 1) 113 Thơng báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 a) Cầu thang nhà dân dụng bị ăn mòn b) Sàn nhà dân dụng vỡ lớp bê tơng bảo vệ c) Bong tróc lớp bê tơng bảo vệ trụ cầu d) Vết nứt móng cọc ăn mịn cốt thép Hình Cấu kiện bê tơng cốt thép bị ăn mịn Q trình thấm ion Cl- vào bê tơng gây ăn mịn cốt thép Cốt thép BTCT bảo vệ chóng lại ăn mịn nhờ có tính kiềm cao vật liệu sử dụng Trong mơi trường có tính kiềm cao cốt thép bị ơxy hóa tạo thành lớp màng mỏng thụ động bền bề mặt cốt thép cốt thép bê tông bảo vệ không bị ăn mịn Thơng thường vật liệu dùng chế tạo bê tơng khơng bị nhiễm mặn có hàm lượng ion Cl ¯ ban đầu vào khoảng 0,1÷0,4 kG/m3 bê tơng (thấp giới hạn gây ăn mịn cốt thép 0,6 kG/m3) Nếu khơng có tích tụ thêm ion Cl¯ từ mơi trường bên ngồi vào độ pH bê tơng ln trì giá trị khơng thấp 11,5 cốt thép bê tơng bảo vệ trạng thái thụ động, chúng không bị phá hủy ăn mịn Trên thực tế bê tơng khơng hồn tồn đặc chắc, cấu trúc bê tơng tồn lỗ rỗng mao quản cho chất khí, nước ẩm thấm vào Đó đường thấm ion Cl¯, O2, H2O chất xâm thực khác từ mơi trường bên ngồi vào bê tơng Theo thời gian độ pH bêtơng bị giảm bị cacbonat hóa tượng chung với cơng trình BTCT Khi bê tơng tiếp xúc với mơi trường khơng khí nước chứa khí CO2 Các sản phẩm q trình cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc bê tông, làm giảm độ chống thấm dẫn tới ăn mòn cốt thép Sản phẩm ăn mịn hình thành dạng Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3.3H2O,… Kèm theo trình tích tụ sản phẩm ăn mịn bề mặt kim loại tích gấp đến lần so với ban đầu Chính trương nở thể tích gây nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ làm giảm tiết diện cốt thép [3] Q trình ăn mịn cốt thép diễn theo hai giai đoạn[6] (hình 2): Trong giai đoạn mồi (I) Điểm A tương ứng với thời điểm cốt thép bị lớp màng bảo vệ thụ động bề mặt cốt thép bị phá vỡ Cl - CO2 Trong giai đoạn phát tán (II) Phản ứng điện – hóa xảy với có mặt ơxy, nước nhiệt độ thích hợp, tỷ lệ ăn mịn đạt ngưỡng dẫn đến hình thành vết nứt, sau bắt đầu 114 Thơng báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 phá huỷ lớp bê tông điểm B Ở cuối giai đoạn B, ăn mòn không bị phát kết cấu không tiến hành sửa chữa sụp đổ giảm khả chịu tải Hình Sơ đồ phát triển ăn mòn cốt thép theo thời gian Information of Science and Technology No 2/2016 Việc xác định tham số tính tốn phức tạp phụ thuộc vào loại kết cấu, cấp độ bền, loại xi măng, loại phụ gia sử dụng, loại cốt thép, điều kiện tự nhiên nơi xây dựng cơng trình, v.v Mối quan hệ nhân tố kể với tham số tính tốn, xây dựng dựa kết khảo sát, thí nghiệm thực tế từ tìm số thiệu cụ thể để đưa vào tính tốn 4.1 Tính diện tích cốt thép bị ăn mịn 4.1.1 Quan hệ diện tích cốt thép mát ăn mòn dạng ăn mòn Xác định tham số tính tốn Hình Diện tích thép bị ăn mịn (hình a) ăn mịn điểm (hình b) Ăn mịn cốt thép bê tơng ăn mịn (uniform) ăn mịn điểm (pick)[5] (Hình 3) Cơng thức (1) mơ tả mối liên hệ diện tích đường kính cốt thép ban đầu (o), đường kính cốt thép cịn lại () độ sâu ăn mòn cốt thép (x):  = o – α.x (1) Trong đó: α - hệ số tập trung ăn mòn điểm [4]; α = cốt thép ăn mòn ion clo; α = ÷ cốt thép ăn mịn điểm ion clo Từ cơng thức (1) xác định diện tích cốt thép bị ăn mòn (ΔAs): ΔAs = (π/4)(2α.x.o – α2.x2) (2) 4.1.2 Quan hệ mở rộng vết nứt độ sâu ăn mòn Khi cốt thép bắt đầu ăn mòn phần rỉ sét chưa đủ tạo áp lực gây nứt bê tơng, phần diện tích cốt thép bị ăn mịn đủ tạo áp lực gây nứt bê tơng gọi ΔAs0 tương ứng với độ sâu ăn mòn ban đầu xo [4] [5]: xo = 7,53 + 9,32 (c/o) (3) Trong đó: c - chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm) Mối quan hệ độ mở rộng vết nứt (w) độ sâu ăn mịn (x) phương trình thực nghiệm [5] : w = 0,05 + (x - xo) (4) Trong đó:  - hệ số phụ thuộc vị trí đặt cốt thép dầm;  = 0,01 cốt thép đặt phía so với hướng đổ bê tơng;  = 0,0125 cốt thép đặt phía so với hướng đổ bê tông 115 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 4.1.3 Quan hệ diện tích cốt thép mát ăn mòn mở rộng vết nứt Bề rộng vết nứt bề mặt bê tông ăn mòn lượng cốt thép bị ăn mòn[7] : w = k(ΔAs – ΔAs0) (5) Trong đó: k - hệ số thực nghiệm lấy k = 0,0575 Từ (5) xác định phần diện tích cốt thép bị giảm ăn mòn ΔAs:  As   Aso  w 0,0575 (6) Trong đó: As - Tổng diện tích cốt thép bị ăn Giữa D giá trị giảm diện tích tiết diện cốt thép (ΔA s) có mối quan hệ sau:  A   As  D  1  s   As   Aso  Aso - Diện tích ăn mịn cốt thép cần A bav  (1  D ) A bov    c  3    Aso  As  1   7,53  9,32 10   o    o    (7)  Từ (6) (7) ta có cơng thức tính diện tích cốt thép cịn lại As(cịn lại): As(cịn lại)  Trong đó: As   As (8) As - tổng diện tích cốt thép ban đầu (mm2) 4.2 Tính suy giảm lực bám dính ăn mịn Ăn mịn cốt thép ln gây ảnh hưởng bất lợi kép kết cấu BTCT Làm giảm tiết diện cốt thép làm (hoặc giảm) khả bám dính cốt thép bê tơng làm cho lực kéo từ cốt thép không chuyền sang bê tơng ngược lại [7]: τăn mịn = τo ăn mịn (1- D) (9) - Trường hợp khơng bị ăn mịn D = 0, khơng có mát lực dính ăn mịn τăn mịn = τo ăn mòn - Trường hợp ăn mòn mức D=1, lực dính bị tồn ăn mòn τăn mòn = (11) Trong đó: Abvo - diện tích lớp bê tơng bảo vệ ban đầu (mm2); Abva thiết để tạo vết nứt (mm2) (10) D - hệ số phụ thuộc vào q trình ăn mịn; với: D = ÷ n - hệ số thực nghiệm; chọn n = Khi tính khả chịu lực cấu kiện bị ăn mòn, phải kể đến giảm yếu vết nứt xuất lớp bê tông bảo vệ Đặc biệt vết nứt vùng nén cấu kiện chịu uốn cấu kiện chịu nén Để tính diện tích cịn lại lớp bê tơng bảo vệ tham gia vào khả chịu lực tiết diện[8]: mòn (mm ); w - Độ mở rộng vết nứt ăn mịn (mm); n - diện tích lớp bê tơng bảo vệ cịn lại (mm2); D - hệ số xác định theo công thức (10) Trong trường hợp ăn mịn q mạnh làm bong tróc lớp bê tơng bảo vệ Thì diện tích tiết diện tính theo diện tích thực tế (Att) qua kết khảo sát trường Ví dụ tính tốn 5.1 Bài tốn (cấu kiện chịu uốn): Dầm có kích thước tiết diện hình 4: Hình Tiết diện mặt cắt ngang dầm 116 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 Bê tông B20; cốt thép CII; c=30mm Dầm ăn mịn điểm mơi trường nước biển bị nứt Kết khảo sát đo vết nứt (w): - Vị trí thép số 1: w1= 0,5mm; w2= 1mm; - Vị trí thép số 3: w3= 1mm; - Cường độ bê tông đo trường (số liệu xử lý đưa vào tính tốn) Rb(cịn lại)= 11,5Mpa; Tiết diện bê tông thay đổi không đáng kể vết nứt cịn bé Tính khả chịu lực giới hạn dầm chưa ăn mòn (Mgh) khả chịu lực giới hạn lại dầm bị ăn mịn (Mgh(cịn lại))  Kết tính tốn: a Số liệu - Tra bảng [2]: B20 có Rb= 11,5MPa; CII có Rs = 280MPa   R  0, 662 - Tổng vết nứt: w= w1+w2+w3 = 0,5+1+1 = 2,5mm Trong đó: w1; w2; w3 : Kích thước vết nứt đo trường b Tính khả chịu lực giới hạn dầm chưa ăn mịn[1] - Tổng diện tích cốt thép: As = 3ϕ28 =3×615,7= 1847mm2 28  44mm  h0  h  a  600 - 44 = 556mm 280 1847 RA  0,324  R  0, 622  phá hoại dẻo - Từ công thức:   s s  Rb bho 11,5  250  556 - Tính: a  30  - Tính hệ số:   1  0, 5  =(1 - 0,5 0,324)=0,838 - Tính khả chịu lực giới hạn: M gh  Rs As ho  280×1847×0,838×556=240959324Nmm=241KNm c Kiểm tra khả chịu lực giới hạn lại dầm bị ăn mịn - Tính diện tích cốt thép ăn mịn cần thiết để tạo vết nứt:     Aso  As 1  1    o   c  7, 53  9, 32   o  3   10    2     30       1847 1  1  7, 53  9, 32 10      18, 44 mm 28 28         - Tính diện tích cốt thép bị giảm ăn mòn điểm: As  Aso  w 2,5  18, 44   61,92mm 0,0575 0,0575 - Tính diện tích cốt thép cịn lại: As(còn lại)  As  As  1847  61,92  1785,1mm2 - Tính suy giảm lực bám dính ăn mòn điểm: n  A  As   1785,1  D 1  s   1    0,113  1847  18, 44   As  Aso  - Tính diện tích lớp bê tơng bảo vệ cịn lại tham gia chịu lực: Abva  (1  D ) Abvo  (1  0,113).7500  6652, mm Trong đó: Abvo - Diện tích lớp bê tơng bảo vệ ban đầu: Abvo  b.c  250  30  7500mm b - Bề rộng tiết diện chữ nhật; c – bề dày lớp bê tông bảo vệ - Tiết diện dầm lại xuất vết nứt: (Vết nứt bé, kích thước tiết diện dầm khơng thay đổi) 117 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 b(còn lại)= b=250; h(còn lại)= h = 600mm Rs As ( lai) 280 1785,1  0,312   R  0, 622 11,  250  556 - Tính hệ số:  - Tính hệ số:   1  0,5.   (1 - 0,5×0,199)=0,84 Rb ( cịn lai) b.ho  - Tính khả chịu giới hạn dầm bị ăn mòn: M gh ( lai)  Rs As ( cịn lai) ho  280×1785,1×0,9×556=233439669Nmm=233KNm 5.2 Bài tốn (cấu kiện chịu nén): Cột có tiết diện chữ nhật nén tâm, cấu tạo cốt thép hình (Giả thiết bỏ qua lệch tâm sau cốt thép bị ăn mịn) Hình Tiết diện mặt cắt ngang Cột Bê tông B20; cốt thép CII; c = 30mm Chiều dài tính tốn cột l = 3,6m Cột ăn mịn điểm mơi trường nước biển bị nứt Kết khảo sát đo vết nứt (w): - Vị trí thép số 3: w1= 0,5mm; w3= 1,5mm; - Vị trí thép số số 7: w6= 1mm; w7= 1,5mm - Cường độ bê tông đo trường (số liệu xử lý đưa vào tính tốn) Rb(cịn lại)= 11,5Mpa; Tiết diện bê tông thay đổi không đáng kể vết nứt cịn bé Tính khả chịu lực giới hạn cột chưa ăn mòn (Ngh) khả chịu lực giới hạn lại cột bị ăn mịn (Ngh(cịn lại))  Kết tính tốn a Số liệu - Tra bảng phụ lục [2]: B20 có Rb= 11,5MPa; CII có Rsc = 280MPa; - Tổng vết nứt: w = w1+w3+w6 +w7 = 0,5+1,5+1+1,5 = 4,5mm; Trong đó: w1; w3; w6; w7 – Kích thước vết nứt đo trường b Tính khả chịu lực giới hạn cột chưa ăn mòn [1] - Tổng diện tích cốt thép: Ast = 4ϕ18 = 4×254,5 = 1018mm2 - Diện tích cột ban đầu: A = b.h = 200×300 = 60000mm2 - Diện tích bê tơng: Ab= A-Ast = 60000–1018 = 58982mm2 - Xét uốn dọc: + Tính bán kính quán tính: rmin  + Tính độ mảnh: + Tính hệ số:  J hb 300  200    57, 74 mm A 12 bh 12  200  300 l0 3600   62,35   gh  120;   62, 35  28 rmin 57, 74   1, 028  0, 0000288.  0,0016. =0,82 118 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 Information of Science and Technology No 2/2016 - Tính khả chịu lực giới hạn cột: N gh    Rb Ab  Rsc Ast   0,82(11,5×58982+280×1018)=789933N=790KN c Kiểm tra khả chịu lực giới hạn lại cột bị ăn mịn - Tính diện tích cốt thép ăn mòn cần thiết để tạo vết nứt: 2       c  3    30  3   Aso  As 1  1   7, 53  9, 32  10    1018 1  1   7, 53  9, 32  10    20, 76 mm o  18    o        18   - Tính diện tích cốt thép bị giảm ăn mòn điểm: As  Aso  w 4,5  20,76   99,02mm2 0,0575 0,0575 - Tính diện tích cốt thép cịn lại: Ast(cịn lại)  As As  1018  99,02  919mm2 - Tính suy giảm lực bám dính ăn mịn điểm: n  A  As  919   D  1  s   1    0,335  1018  20,76   As  Aso  - Tính diện tích lớp bê tơng bảo vệ lại tham gia vào khả chịu lực: Abva  (1  D ) Abvo  (1  0,335).12000  7980mm Trong đó: Bê tơng bảo vệ ban đầu: Abvo  2.b.c  2(200  30)  12000 mm - Diện tích tiết diện cịn lại: o A(còn lại))= A  Abv  Abva  60000  12000  7980  55980 mm - Diện tích bê tơng cịn lại: Ab(cịn lại) = A(cịn lại) - Ast(cịn lại) = 55980 – 919 = 55061mm2 - Kích thước cột lại xuất vết nứt (Vết nứt cịn bé kích thước khơng thay đổi): h(cịn lại)= h = 300mm; b(còn lại) = b= 200 - Xét uốn dọc: + Tính bán kính quán tính: rmin  h(còn lai) b(3còn lai) J 300  2003    57, 74mm A( lai) 12.b( lai) h( cịn lai) 12  200  300 + Tính độ mảnh:   l0 3600   62, 35   gh  120;   62, 35  28 rmin 57, 74 + Tính hệ số:   1, 028  0, 0000288  0, 0016  = 1,028- 0,0000288×62,352 -0,0016×62,35 = 0,82 Tính khả chịu lực giới hạn lại cột bị ăn mòn: N gh (còn lai )    Rb ( lai) Ab ( lai)  Rsc Ast ( cịn lai)  = 0,82(11,5×55061+280×919)=730227N=730KN Kết luận Ăn mịn tượng phổ biến kết cấu BTCT Ăn mòn làm giảm tiết diện cốt thép, bong lớp bê tơng bảo vệ dẫn đến q trình ăn mịn diễn , nhanh làm giảm khả chịu lực cấu kiện Những cơng trình xây dựng môi trường xâm thực biển, tuổi thọ phụ thuộc vào thời gian thẩm thấu ion Cl , lượng ion Cl - đạt ngưỡng ăn mịn coi giới hạn tuổi thọ cấu kiện Phương pháp tính mà chúng tơi giới thiệu báo này, hồn tồn áp dụng tính tốn khả chịu lực cịn lại cơng trình bị ăn mịn từ đưa khuyến cáo tải trọng sử 119 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 2/2016 dụng lại giúp nhà quản lý có biện pháp cải tạo, sữa chữa nhằm hạn chế rủi ro cho người cơng trình Để áp dụng thành cơng phương pháp tính cần phải thực phân loại bê tông, phân loại cốt thép tuỳ theo đặc tính vật liệu phân vùng xây dựng, dựa vào điều kiện tự nhiên khảo sát Information of Science and Technology No 2/2016 trường theo dõi, quan trắc, thí nghiệm, đo đạc số liệu nhằm thiết lập bảng tra tham số tính tốn cho loại bê tông sử dụng khu vực khác Đây sở quan trọng để đưa vào kiểm tra tính tốn lại khả chịu lực cấu kiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Xây Dựng, 2006 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (TCXD 356:2005), Hà Nội [2] GS.TS Nguyễn Đình Cống, 2013 Tính tốn thực hành cấu kiện bê tông cốt thép, NXB Xây dựng, Hà Nội [3] TS.Nguyễn Mạnh Phát 2007 Lý thuyết ăn mòn chống ăn mịn bê tơng cốt thép xây dựng, NXB Xây dựng, Hà Nội [4] Ngoc Anh VU, 2007 Requalification du Comportement Mécanique de Poutres en Béton Précontraint Dégradées par Corrosion des Armatures passives et actives, Thèse de Doctorat, INSA de Toulose [5] Alonso C., Andrade C., Rodriguez J., Diez J.M 199.) “ Factors controlling cracking of concrete afected by reinforcement corosion ”, Materials and Structures, 31, pp 435-441 [6] Rodriguez J., Ortega L.M., Casal J., Diez J.M., 1996a “Corrosion of reinforcementand service life of concrete structures”, Seventh Conference on Durability of Building Materials and Components, vol.1, Stockholm, esditespar C Sjostrom, pp 117-126 [7] Tuutti K., 1982 Corrosion of steel in concrete, Swedish Cement and Concrete Researche Institute, Ed., Stockholm [8] Therry VIDAL, 2003 Requalification des structures dégradées par corosion desarmatures, Thèse de Doctorat, INSA de Toulouse 120 ... cốt thép ban đầu (o), đường kính cốt thép lại () độ sâu ăn mòn cốt thép (x):  = o – α.x (1) Trong đó: α - hệ số tập trung ăn mòn điểm [4]; α = cốt thép ăn mịn ion clo; α = ÷ cốt thép ăn mòn. .. lợi kép kết cấu BTCT Làm giảm tiết diện cốt thép làm (hoặc giảm) khả bám dính cốt thép bê tông làm cho lực kéo từ cốt thép không chuyền sang bê tông ngược lại [7]: ? ?ăn mòn = τo ăn mòn (1- D) (9)... vào tính tốn) Rb(cịn lại) = 11,5Mpa; Tiết diện bê tơng thay đổi khơng đáng kể vết nứt cịn bé Tính khả chịu lực giới hạn dầm chưa ăn mòn (Mgh) khả chịu lực giới hạn lại dầm bị ăn mòn (Mgh (còn lại) )