- Giai đoạn ăn mòn kim loại: sau khi Clorua hoặc C02 chạm tới lõi thép thì quá
t: thời gia n« phát bệnh », là thời gian
cấn th iết để toàn bộ cốt thép bị ăn mòn cho tới khi cấu kiện BTCT đạt tới trạng thái giới hạn sử dụng (corrosion propagation phase).
M ôhình của Tuuti sau đó được phân đoạn nhỏ hơn bởi Li [9], t r o n g đ ó phân biệt thời điểm các vết nút xuất hiện, thời điểm các mảng bê tông bị vỡ vụn tách rời khỏi cấu kiện, cho đến thời điểm cuối cùng khi cấu kiện BTCT không còn giá trị sử dụng (hình 2).
Độ dài của giai đoạn ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố [10-15]. Bên cạnh đó, hậu quả của sự ăn m òn cũng khá đa
thép
dạng, bắt đầu từ sự suy giảm diện tích m ặt cắt ngang cốt thép [16], suy giảm độ cứng BTCT [17], m ất liên kết giữa bê tô ng với cốt thép [18], nứt lớp bê tông bảo vệ [5,6], cho tới hư hỏng toàn bộ cấu kiện BTCT. Việc dự báo tốc độ ăn mòn vì thê' không dễ dàng do khó có thể kết hợp được đổng thời các yếu tố ảnh hưởng, và thường chỉ có thể chọn m ột trong các dấu hiệu hư hỏng nêu trên làm giới hạn tính toán. Việc chọn trạng thái giới hạn phải đảm bảo những điểu sau: (i) dễ dàng để định tính và định lượng; (ii) luôn đảm bảo an toàn cho người sử dụng; (iii) cấu kiện BTCT có khả năng sửa chữa và
k h ô i p h ụ c .
Mô phỏng dự đoán quá trình ăn m òn cốt thép có thể được xây dựng dựa trên m ột hoặc nhiều dấu hiệu hư hỏng đã nêu trên. Tuy nhiên cho đến thờ i điểm hiện tại, tấ t cả các m ô hình đã công bố mới chỉ có khả năng áp dụng cho m ột mức độ th iệ t hại nhất định. Vì thê' khả năng xây dựng mô hình dựa trên đổng thời nhiều dấu hiệu hư hỏng vẫn còn bỏ ngỏ và còn nhiểu tiểm năng cho nghiên cứu.
Bất kể áp dụng cho mức độ th iệ t hại nào thì các m ô hình dự báo ăn m òn cốt thép đểu thuộc vào m ột trong ba nhóm chính sau [19]: (1) M ô hình thực nghiệm (empirical m odelling); (2) M ô hình bằng phương pháp số (numerical m odelling); (3) Mô hình bằng phương pháp giải tích (analytical m odelling). Phần tiế p theo sẽ giới thiệu tổng quan vể từng loại m ô hình.
2 .1. M ô phỏng thực nghiệm
Đây là những m ô hình được xây dựng dựa trên các giả th iế t về m ối liên hệ trực tiế p g i ữ a t ố c đ ộ ă n m ò n BTCT và các thông số cơ bản của BTCT như ti lệ nư ớ c/xi măng, thành phẩn cốt liệu, các th ôn g số v ề m ô i
trường [20]. Mô hình thực nghiệm được chia thành 3 nhóm sau [21]:
Nhóm 1:TỐC độ ăn m òn được dự đoán dựa trên số liệu th u được từ những năm
trước. Hiện vẫn chưa được áp dụng cho ăn m òn Clorua trên BTCT do mức độ phức tạp của nó.
Nhóm 2: Sử dụng lý th uyế t mờ (Fuzzy logic) cho m ộ t tập hợp các giả th iế t cho trước [22,23]. Phương pháp này đã được sử dụng để tín h toán mức độ suy giảm diện tích m ặt cắt ngang của th ép tron g quá trìn h ăn m òn [20].
Nhóm 3: Coi m ột số tính chất của vật liệu như điện trở hoặc độ khuếch tán Oxy tro n g bê tô n g là những yếu tố chính kiểm soát quá trìn h ăn m òn. Sau đó sẽ xét đến các các th ô n g số khác như nhiệt độ, độ ẩm, cấp phối bê tô n g v.v. [24,25].
M ột tro n g những nhược điểm chính của m ô phỏng thực nghiệm là các th ôn g số đầu vào được xem xét độc lập VỚI nhau. Vì th ế m ỗi m ô hình chỉ đúng với m ột điều kiện nhất định. Ví dụ: m ột m ô hình thực nghiệm ở 20°c, độ ẩm 65% thì chỉ đúng với các cấu kiện BTCT tro n g điểu kiện nhiệt độ m ôi trường là 20°c và độ ẩm 65%. Khi nhiệt độ và đ ộ ẩm thay đổi, dù chỉ rất nhỏ, th ì không có gì đảm bảo các dự đoán sẽ chính xác. Để khắc phục hạn chế này th ì người sử dụng, đặc b iệ t là các kĩ sư hiện trường, thường sử dụng các m ô phỏng có điểu kiện gẩn với thự c tế nhất, và có các th ô n g số đầu vào dễ kiếm và dễ xác định nhất. Điểu này dẫn tớ i những dự đoán sai lệch vể tu ổ i th ọ thực tế của công trìn h, có thể gây ra những hậu quả nghiệm trọ n g cho an toàn của công trìn h và của người sử dụng.
2 .2 . M ô p h ỏ n g b ằng phương p h á p số
Quá trìn h ăn m òn được th ể hiện bằng các phương trìn h vi phân phức tạp, với sự tham gia của nhiểu th ôn g số đẩu vào [26]. Hệ phương trìn h vi phân này sẽ được giải chủ yếu bằng các phương pháp sau [27]: (ĩ) Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite elem ent m ethod - FEM); (ii) Phương pháp phấn tử hữu hạn chỉ tính tới bể m ặt tiế p xúc giữa bê tô n g và cốt th ép (Boundary elem ent m ethod - BEM).
2.2. 7. P h ư ơ n g p h á p p h â n t ử h ữ u h ạ n(F E M ) (F E M )
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các m iền liên tục phức tạp của bài toán. Các m iền liên tục được chia thành nhiểu m iền con (phán tủ). Các m iền con này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Việc tính toán được các th ôn g số cụ th ể tại từ ng m iền con sẽ giúp giải bài toán tổ ng th ể [28]. Đ ối với BTCT, từng thành phẩn bê
tông, cốt thép, cấu trúc lỗ rỗng của bê tông đểu có thể được m ô hình hóa bằng phẩn tử hữu hạn. Do đó các tính chất của từng miền riêng biệt cũng như tại các điểm tiế p xúc đểu tược tính tới. Bài toán sẽ được giải sao cho thỏa mãn các điểu kiện biên: nhiệt độ, độ ẩm, nổng độ Clorua, điện trở bê tô ng [5].
M ô phỏng bằng phẩn tử hữu hạn có m ột lợi thế rất lớn là dễ dàng tính tớ i sự thay đổi vi cấu trúc của bê tông. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là khối lượng các miển con lớn, số lượng các phương trình rất nhiều và thời gian để máy tính giải quyết vấn để là đáng kể. Để cho ra được kết quả thì có những chương trình phải chạy hàng tuần, thậm chí hàng tháng [29], Nhược điểm này có thể được khắc phục trong m ột số trường hợp cụ thể, khi có th ể thay thế phương pháp phẩn tử hữu hạn bằng phương pháp thể tích hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn.
2.2.2. P h ư ơ n g p h á p p h ầ n t ử h ữ u h ạ nt ạ i b ể m ặ t t iế p x ú c g i ữ a b ê t ô n g v ớ i c ố t t h é p t ạ i b ể m ặ t t iế p x ú c g i ữ a b ê t ô n g v ớ i c ố t t h é p (B E M )
Phương pháp BEM chỉ tính tới bể m ặt tiế p xúc bê tông - cốt thép, do đó các điều kiện biên luôn luôn được thỏa mãn. Vì thế số lượng các m iền con trong phương pháp này ít hơn nhiều so với phương pháp phẩn tử hữu hạn, ngoài ra các miển con hai chiểu có th ể được sử dụng cho các bài toán ba chiều, thờ i gian tính toán bởi vậy cũng giảm đi đáng kể. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là các điều kiện biên phải là hằng số, trong khi trên thực tế điều kiện biên thay đổi theo suốt chiểu dài bé m ặt tiế p xúc giữa bê tô ng và cốt thép. Vi thế phương pháp BEM thường chỉ áp dụng cho m ột số điểm xác định cụ thể [26],
2.3. Mô phòng bằng phương pháp giải tích giải tích
Trong trường hợp này, bài toán về quá trình ăn m òn được giải quyết bằng phương pháp giải tích, cấu kiện BTCT thường được coi như là m ột trụ đặc với cốt thép ở chính giữa (hình 3), với D là đường kính cốt thép và d0 là độ dày lớp b ọ t khí tại m ặt tiế p xúc bê tô ng - cốt thép, nơi mà độ rỗng khí nhiều hơn đáng kể so với phẩn còn lại của lớp bê tô ng bảo vệ (C) [30,31]. Các m ô hình điển hình sử dụng phương pháp này là của Li [30], Bhargava [31] và Coronelli [32], cho ra dự đoán vể nứt sinh ra do ăn m òn cốt thép.
Hình 3. Sơ đó bê tông cót thép dùng trong mô phỏng bằng phương pháp giải tích
Phương pháp này đòi hỏi phải giả th iế t rằng phần tiế p xúc cốt th ép - bê tô ng có thể dịch chuyển tự do tro n g quá trìn h ăn m òn, như vậy tạo ra được không gian giúp chứa các sản phẩm sinh ra do ăn m òn thép. Sự dịch chuyển này gây ra bởi áp lực hướng tâm đồng đểu tạ i m ọi điểm trên m ặt tiế p xúc dọc theo thanh th ép (bài toán ứng suất phẳng). Đây cũng chính là hạn chế chủ yếu bởi không thể tính tới phản ứng phi tuyến tính của bê tô ng sau khi các vết nứt hình thành. Ngoài ra tron g thực tế, lớp bê tông bảo vệ ngăn không cho diễn ra bất cứ sự dịch chuyển nào tạ i bề m ặt tiế p xúc cốt thép - bê tông, và vì th ế bài toán biến dạng phẳng sẽ hợp lí hơn ở trường hợp này. Tương tự như phương pháp số, m ô hình giải tích cũng cẩn được hiệu chỉnh bằng kết quả thực nghiệm tại phòng th í nghiệm hoặc tại hiện trường để đánh giá mức độ tin cậy khi sử dụng.