Nghiên cứu này tiến hành đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng của kết cấu dầm BTCT. Các mẫu dầm được tạo ứng suất và ngâm trong môi trường nước biển. Kết quả nghiên cứu sẽ làm rõ ảnh hưởng của việc cốt thép bị ăn mòn đến khả năng kháng uốn của dầm BTCT, đến ứng xử của kết cấu dầm BTCT có xét đồng thời ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện môi trường.
PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Phân tích ảnh hưởng mức độ ăn mịn cốt thép bê tông đến ứng xử dầm bê tông cốt thép Analysis of the effect of steel bar corrosion on behavior of RC beams > VO VAN NAM1; TRAN THE TRUYEN2 Faculty of Traffic Engineering, Ho Chi Minh City University of Transport Email: nam.vo@ut.edu.vn Faculty of Engineering, University of transport and communications Email: truyenestc@gmail.com 62 TĨM TẮT: Đồng sơng Cửu Long với đặc trưng địa hình sơng ngịi, kênh rạch dày đặc; đánh giá bị ảnh hưởng nặng nề tượng nước biển dâng biến đổi khí hậu Nước biển dâng gây tác động đáng kể đến ăn mòn kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) thay đổi vùng ăn mòn gia tăng nồng độ chất ăn mòn phận kết cấu Khi cốt thép bị ăn mòn, sức kháng kết cấu bị suy giảm, ảnh hưởng đến khả khai thác cơng trình Nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng kết cấu dầm BTCT Các mẫu dầm tạo ứng suất ngâm môi trường nước biển Kết nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng việc cốt thép bị ăn mòn đến khả kháng uốn dầm BTCT, đến ứng xử kết cấu dầm BTCT có xét đồng thời ảnh hưởng tải trọng điều kiện mơi trường Từ khóa: “ăn mịn”; “ăn mịn cốt thép”; “dầm BTCT”; “sức kháng” ABSTRACT: The Mekong Delta is characterized by dense topography of rivers and canals; is considered to be heavily affected by sea level rise due to climate change Sea level rise has a significant impact on the corrosion of reinforced concrete structures by changing the corrosion zones and increasing the concentration of corrosive substances in structural parts When the reinforcement is corroded, the resistance of the structure will be reduced, affecting the exploitability of the building This study evaluates the influence of reinforcement corrosion on the resistance of RC beam structures The beam samples are stressed and immersed in seawater The research results will clarify the influence of the corroded reinforcement on the flexural resistance of the RC beams, on the behavior of the RC beam structure, taking into account the influence of loads and environmental conditions at the same time Keywords: "corrosion"; “bar steel corrosion”; “RC beams”; “resistance” Ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm BTCT trình lâu dài phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện môi trường, tải trọng tác dụng, vật liệu chế tạo cấu kiện…[7, 8] Đồng sơng Cửu Long với mạng lưới sơng ngịi kênh rạch dày đặc thuận lợi cho phát triển giao thơng đường thủy; bên cạnh nhằm kết nối tuyến đường thông suốt liên tục, đảm bảo vận tải hàng hóa hành khách, cơng trình cầu BTCT trở phổ biến tuyến đường đối tượng bị ăn mịn tác dụng mơi trường xâm thực Các sông, kênh rạch nơi với chế độ thủy triều lên xuống ảnh hưởng đến độ nhiễm mặn môi trường nước; đặc biệt vào mùa khô, hạn hán kéo dài, nước mặn xâm nhập sâu vào đất liền, độ mặn nước tăng lên Đây yếu tố gây nên tượng ăn mòn kết cấu cầu BTCT vấn đề cần nghiêm túc nghiên cứu phân tích nhằm đánh giá mức độ nguy hại tác động đến tuổi thọ cơng trình cầu BTCT q trình khai thác Để đánh giá cách nghiêm túc xác ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng dầm BTCT cần thực nghiệm môi trường diễn tiến nhanh; với điều kiện tự nhiên thiết kế giả lập môi trường thực nghiệm cách gần so với điều kiện làm việc thực tế cấu kiện dầm Qua đó, quan trắc, thu thập, phân tích đánh giá ứng xử dầm suốt trình làm việc với kịch tạo phịng thí nghiệm 10.2021 ISSN 2734-9888 Vấn đề quan tâm nhiều nhà khoa học ngồi nước; nước tác giả Nguyễn Cơng Luyến, Trường Đại học Đà Nẵng, công bố kết quả, Nghiên cứu ảnh hưởng tượng ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tông cốt thép mô hình 3D-RBSM, Tạp chí Khoa học kỹ thuật môi trường, 2018 [9]; tác giả Vũ Ngọc Anh, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, công bố kết nghiên cứu, Ăn mòn cốt thép ảnh hưởng tới ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép, 2014, [8] Trên giới nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Cairo University, Ai Cập công bố kết nghiên cứu ăn mòn cốt thép dầm BTCT dự ứng lực BTCT truyền thống, Mohamed Moawad, Hossam El-Karmoty, Ashraf El Zanaty, Behavior of corroded bonded fully prestressed and conventional concrete beams, 2015 [10] Tuy nhiên hầu hết tác giả thời gian qua dừng lại cấu kiện BTCT chịu nén nén uốn đồng thời (sơ đồ uốn điểm) [8, 9]; phạm vi báo nhằm bổ sung thêm góc nhìn từ việc phân tích ứng xử cấu kiện dầm BTCT chịu uốn túy (sơ đồ uốn điểm) với cốt thép bị ăn mòn tác dụng tải trọng [10, 11], tác giả đề xuất thực nghiệm mẫu dầm BTCT, điều kiện môi trường mơ giả định Nhóm tác giả tiến hành thống kê, phân tích số liệu, đồng thời đưa số kết luận kiến nghị liên quan đến ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép đến khả kháng uốn dầm BTCT VẬT LIỆU, THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU, THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu chế tạo mẫu, thiết bị phục vụ chế tạo mẫu, q trình thực nghiệm - Bê tơng C30 có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày dự kiến fc’ = 30 MPa Thành phần cấp phối bê tông thiết kế theo tiêu chuẩn ACI211.1-91, [4] - Thép sử dụng chế tạo dầm: D10, tròn trơn, fy = 240 Mpa Bảng Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông Xi măng XM 395 (kg) Cát C 848 (kg) Đá Đ 1060 (kg) Nước N 170 (lit) Thiết bị phục vụ chế tạo mẫu: - Máy nén San 3000 loại máy nén điện tử, điều khiển máy tính giữ lực theo thời gian - Load cell loại 1000kN dùng để đo lực - Strain gages loại KC60 hãng KYOWA dùng để đo biến dạng - Máy SDA-830C dùng để nối đầu đo lực biến dạng ghi liệu đơn vị thời gian theo tín hiệu điện - Máy đầm bê tông - Một số thiệt bị khác… Hình Máy trộn vữa bê tơng Hình Máy nén San 3000 2.2 Kích thước, hình dạng cấu tạo mẫu Mẫu dầm chế tạo phục vụ thực nghiệm có kích thước 500x100x100 (mm) [1, 2, 4, 5, 6] Số lượng 10 dầm Hình Kích thước cấu tạo dầm thực nghiệm 2.3 Quá trình thực thực nghiệm Với mục tiêu nhóm nghiên cứu phân tích ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến ứng xử - cụ thể khả kháng uốn dầm BTCT tác dụng tải trọng Nghiên cứu tiến hành 10 mẫu dầm BTCT có kích thước 500x150x100(mm), 02 mẫu sữ dụng để uốn xác định Pmax, 04 mẫu không gia tải 04 mẫu dầm gông gia tải mức 0,8.Pmax Bảng Số lượng mẫu đối sánh xác định Pmax Thí nghiệm SL dầm Lực tác dụng Thí nghiệm uốn điểm 02 Pmax Nhóm dầm 04 Khơng gia tải Bảng Số lượng mẫu dầm ứng cấp gia tải Thí nghiệm SL dầm Lực tác dụng Nhóm dầm 04 0,8 Pmax Điều kiện diễn tiến ăn mịn nhanh thực phịng thí nghiệm với dung dịch NaCl nồng độ (3-5%) kết hợp tạo điện cực kích hoạt mơi trường ăn mịn điện ly Các mẫu dầm gông thành cặp, đảm bảo dầm chịu uốn túy; 02 gối đầu dầm cách đầu dầm 25 cm, gối phía dầm cách gối đầu dầm cách 150 cbm, chia dầm làm đoạn đoạn 150 cm, lực gông 0,8.Pmax, cách siết bu lơng gá gia lực Nhóm nghiên cứu xác định lực gông thông qua loadcell, đồng thời kiểm sốt thơng qua biến dạng ứng suất, cách dán sensor, điện trở thiết bị gông dầm Nghĩa cấp gia tải xác định thông qua ứng suất uốn cốt thép, tức ứng suất bê tông mơ đun nứt bê tơng Q trình kiểm sốt triển khai suốt trình mẫu dầm gơng gia tải Hình Thiết bị mơ tả gông dầm ISSN 2734-9888 10.2021 63 PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Hình Hình ảnh gia tải dầm Quá trình uốn dầm xác định Pmax, xác định thông qua load cell, đồng thời kiểm soát qua việc xác định ứng suất thép cách gắn sensor thép cấu tạo dầm [1, 2] Giá trị lực uốn phá hoại xác đinh được: Pmax = 28 KN Ứng với ứng suất thép vết nứt xấp xỉ : σ = 150 Mpa Hình Hình ảnh thiết bị kích hoạt ăn mịn điện cực Hình 10 Hình ảnh dầm sau thí nghiệm ăn mịn diễn tiến nhanh Hình Hình ảnh uốn dầm xác định Pmax Các cặp mẫu dầm ngâm môi trường dung dịch NaCl nồng độ (3-5%) kết hợp tạo điện cực kích hoạt mơi trường ăn mòn điện ly Thời gian ngâm 30 ngày liên tục Hình 11 Hình ảnh cốt thép bị ăn mịn Hình Hình ảnh ngâm dầm khơng gia tải Hình Hình ảnh dầm ngâm có gia tải 64 10.2021 ISSN 2734-9888 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 3.1 Kết uốn dầm sau thí nghiệm ăn mòn diễn tiến nhanh Bảng Thống kê kết uốn mẫu dầm (KN) Lực gia Lực uốn phá Giá trị lực Tên STT tải ban hoại sau ngâm trung bình mẫu đầu (KN) (KN) (KN) Mẫu 22.10 Mẫu 19.96 Mẫu 20.68 Mẫu 21.95 Mẫu 0,8 Pmax 14.40 Mẫu 0,8 Pmax 12.20 Mẫu 0,8 Pmax 10.10 Mẫu 0,8 Pmax 12.95 21.17 12.41 Dựa kết thống kê Bảng tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ sức kháng tải trọng tác dụng 30 21.17 20 10 12.41 tải trọng tác dụng Nhóm dầm lực uốn phá hoại Hình 12 Quan hệ sức kháng uốn tải tác dụng 3.2 Mức độ ăn mòn cốt thép Các mẫu dầm sau uốn đến phá hoại, tiến hành đập bỏ lớp bê tông bảo vệ, thép lấy làm phần gỉ thép bao quanh, bê tông bám vào tiến hành cân xác định khối lượng.Khối lượng thép hao mịn tính chênh lệch khối lượng thép trước sau ngâm Kiểm sốt khối lượng thép bị ăn mịn q trình thí nghiệm tổ hợp dầm Khối lượng thép ban đầu: khối lượng 02 thép D10 trịn trơn cân sau cắt theo kích thước vẽ trước chế tạo dầm Bảng Độ hao mịn cốt thép nhóm mẫu dầm (%) Lực gia tải KL thép KL thép KL thép Hao Hao mòn STT Tên mẫu ban đầu ban sau ngâm hao mòn mòn TB (KN) đầu (g) ( g) (g) (%) (%) Mẫu 562.0 412.2 149.8 26.7 Mẫu 560.0 418.5 141.5 25.2 Mẫu 551.0 407.5 143.5 26.1 26.15 10 Mẫu 553.5 406.5 147.0 26,6 Mẫu 0,8.Pmax 556.5 390.7 165.8 29.8 Mẫu 0,8.Pmax 550.5 395.5 155.0 28.2 Mẫu 0,8.Pmax 554.5 386.5 168 30.2 29.41 Mẫu 0,8.Pmax 552.5 389,8 162.7 29.5 Dựa kết thống kê Bảng tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ tải trọng tác dụng mức độ ăn mòn cốt thép % Hao mòn Quan hệ tải tác dụng mức độ ăn mòn cốt thép 29.41 26.15 20 40 30 26.15 29.41 21.17 20 12.41 10 Nhóm dầm Nhóm dầm 40 % Mức độ ăn mòn Giá trị lực (KN) Quan hệ sức kháng tải trọng tác dụng Quan hệ mức độ ăn mòn sức kháng uốn Nhóm dầm Tải tác dụng Nhóm dầm Mức độ ăn mịn Hình 13 Quan hệ lực tác dụng mức độ ăn mịn mức độ ăn mịn (%) Nhóm dầm lực uốn phá hoại Hình 14 Quan hệ mức độ ăn mòn sức kháng uốn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết phân tích thực nghiệm mẫu dầm, nhóm nghiên cứu đưa số kết luận sau: - Khối lượng cốt thép hao mòn mẫu dầm gia tải lớn mẫu dầm khơng gia tải Như thấy mức độ ăn mòn cốt thép tỉ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên dầm Cốt thép bị ăn mịn thường trương nở thể tích làm nứt kết cấu bê tông bảo vệ, qua vết nứt khả xâm nhập tác nhân ăn mòn diễn tiến nhanh phức tạp - Giá trị lực kháng uốn thời điểm phá hoại mẫu dầm có gia tải nhỏ so với mẫu dầm khơng gia tải; thấy cốt thép dầm BTCT bị ăn mòn làm giảm sức kháng uốn dầm BTCT; nguyên nhân nêu tiết diện làm việc cốt thép bị suy giảm, khả dính bám cốt thép bê tông giảm dẫn đến khả làm việc chung suy giảm - Kiến nghị nghiên cứu thêm ảnh hưởng tượng ăn mòn cốt thép đến khả dính bám bê tơng cốt thép kết cấu dầm BTCT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Ngọc Long, Cầu bê tông cốt thép, NXB GTVT, (2012) [2] Nguyễn Viết Trung, Trần Thế Truyền, Hồ Xuân Tú, Thấm ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép, NXB Xây dựng, (2014) [3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, NXB GTVT, 2005 [4] Thiết kế cấp phối bê tông - Tiêu chuẩn ACI211.1-91 [5] TCXDVN 327: 2004, Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mịn mơi trường biển [6] TCVN 9346:2012, u cầu bảo vệ chống ăn mịn mơi trường biển, 2012 [7] TCVN 3993:1985, Chống ăn mòn xây dựng - Kết cấu bê tông BTCT- Nguyên tắc để thiết kế, 1985 [8] Vũ Ngọc Anh, Ăn mịn cốt thép ảnh hưởng tới ứng xử kết cấu bê tông cốt thép, Khoa học công nghệ - Hội đập lớn phát triển nguồn nước Việt Nam, 2014 [9] Nguyễn Công Luyến, Nghiên cứu ảnh hưởng tượng ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tơng cốt thép mơ hình 3D-RBSM, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mơi trường, 62, 2018 [10] Mohamed Moawad, Hossam El-Karmoty , Ashraf El Zanaty Behavior of corroded bonded fully prestressed and conventional concrete beams, HBRC Journal , 14, 2016, pp.137-149 [11] A.El-Hefnawy A New Statistical Approach for Predicting the Residual Capacity of Reinforced Concrete Beams Having Corroded Main Steel PhD Thesis, Cairo University, 2000 3.3 Ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn dầm BTCT Trên sở kết thống kê Bảng tiến hành vẽ biểu đồ thể quan hệ mức độ ăn mòn khả kháng uốn dầm ISSN 2734-9888 10.2021 65 ... hệ mức độ ăn mòn sức kháng uốn Nhóm dầm Tải tác dụng Nhóm dầm Mức? ?độ? ?ăn? ?mịn Hình 13 Quan hệ lực tác dụng mức độ ăn mòn mức độ ăn mòn (%) Nhóm dầm lực uốn phá hoại Hình 14 Quan hệ mức độ ăn mòn. .. tải trọng tác dụng mức độ ăn mòn cốt thép % Hao mòn Quan hệ tải tác dụng mức độ ăn mòn cốt thép 29.41 26.15 20 40 30 26.15 29.41 21.17 20 12.41 10 Nhóm dầm Nhóm dầm 40 % Mức độ ăn mịn Giá trị lực... cứu, Ăn mòn cốt thép ảnh hưởng tới ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép, 2014, [8] Trên giới nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Cairo University, Ai Cập công bố kết nghiên cứu ăn mòn cốt thép dầm BTCT