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
1.4. CÁC NGHİÊN CỨU VỀ THỜİ GİAN KHỞİ ĐẦU ĂN MÒN VÀ THỜİ GİAN LAN TRUYỀN ĂN MÒN, TUỔİ THỌ
1.4.2. Tuổi thọ sử dụng theo tác động của sự khuếch tán ion clorua trong môi trường biển
Năm 1980, tại hội nghị quốc tế về bê tông trong môi trường biển do viện bê tông Mỹ (ACI) tổ chức, Tuuti [89] cho rằng, các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển sẽ bị các ion clorua khuếch tán vào bê tông và tích tụ trên bề mặt cốt thép. Khi nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt tới ngưỡng nồng độ tới
hạn nó sẽ bắt đầu gây ăn mòn cốt thép. Cốt thép bị ăn mòn sẽ dẫn tới hai hậu quả.
Thứ nhất là nó làm giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dẫn tới giảm sức kháng lại các tải trọng. Thứ hai, cốt thép bị ăn mòn sẽ sinh ra các sản phẩm ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn nở thể tích gây ra ứng suất kéo trong lớp bê tông bảo vệ và gây nứt, tách, vỡ bê tông.
Mô hình hóa dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép do khuếch tán ion clorua cần chỉ ra các quá trình dẫn đến ăn mòn thép trong bê tông do ion clorua gây ra. Các quá trình này cơ bản được mô tả như sau :
- Ion clorua trong môi trường tích lũy trên bề mặt bê tông.
- Ion clorua được khuếch tán vào bê tông qua một số cơ chế mà chủ yếu là khuếch tán.
- Nồng độ ion clorua được tích lũy theo thời gian tại bề mặt của cốt thép.
- Khi nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt tới mức ngưỡng tới hạn, thì màng thụ động trên mặt cốt thép bị phá vỡ và quá trình ăn mòn bắt đầu xảy ra.
- Sản phẩm của ăn mòn có thể tích lớn hơn cốt thép đã bị ăn mòn, gây ra ứng suất kéo trong lớp bê tông bảo vệ.
- Bê tông chịu kéo kém, do vậy sẽ xuất hiện các vết nứt hoặc thẳng góc hoặc nằm ngang hình thành tách lớp giữa các cốt thép.
- Các vết nứt tạo thành rạn nứt hoặc vỡ làm cho kết cấu bị xuống cấp như chức năng sử dụng không còn được đảm bảo hoặc gây mất an toàn. Đây có thể xem là thời điểm mà yêu cầu phải sửa chữa.
- Ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện thép, dẫn đến trạng thái giới hạn chịu lực không còn thỏa mãn.
Tuutti, K. đã đưa ra mô hình hai giai đoạn của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép như trong hình 1.16. Theo đó tuổi thọ sử dụng gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn theo phương trình 1.26.
t = t + t ; (1.26)
trong đó:
- t là tuổi thọ sử dụng ;
- t1 là giai đoạn khởi đầu ăn mòn;
- t2 là giai đoạn lan truyền ăn mòn.
Hình 1.16 - Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai đoạn của Tuuti (1980)
Giai đoạn khởi đầu ăn mòn (t1)
Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian kể từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với ion clorua cho đến khi ion clorua khuếch tán vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng nồng độ gây ăn mòn. Độ dài của giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:
- Nồng độ ion clorua trên bề mặt bê tông;
- Nhiệt độ, độ ẩm của môi trường;
- Chiều dày lớp bảo vệ;
- Chất lượng của bê tông bảo vệ thông qua hệ số khuếch tán ion clorua;
- Ngưỡng nồng độ ion clorua gây ăn mòn cốt thép;
Giai đoạn lan truyền ăn mòn (t2)
Giai đoạn lan truyền ăn mòn là thời gian kể từ khi cốt thép bắt đầu bị ăn mòn tới khi ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực. Khi ăn mòn xảy ra và phát triển, các sản phẩm ăn mòn là gỉ, thể tích tăng khoảng 2-6 lần thể tích của thép bị gỉ, tạo áp lực lên bê tông xung quanh và cuối cùng dẫn đến kết cấu bị nứt (theo chiều dọc và ngang), vỡ và tách lớp của bê tông bảo vệ và mất diện tích tiết diện cốt thép, gây nguy hiểm cho kết cấu.
Bê tông đã nứt làm cho các tác nhân ăn mòn khuếch tán nhanh hơn đến bề mặt cốt thép, tốc độ ăn mòn sẽ nhanh hơn, gây nguy hiểm cho kết cấu. Vì vậy sự xuất hiện của vết nứt ăn mòn đầu tiên có thể là dấu hiệu quan trọng xác định điểm cuối của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép.
Độ dài của giai đoạn lan truyền ăn mòn phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:
- Mật độ dòng điện ăn mòn,
- Chiều dày lớp bảo vệ,
- Chất lượng cơ học của bê tông bảo vệ thông qua cường độ chịu kéo của bê tông, mô đun đàn hồi, hệ số từ biến.
Yếu tố thứ nhất, mật độ dòng điện ăn mòn, phản ánh tốc độ của phản ứng ăn mòn điện hóa. Phản ứng ăn mòn tạo ra sản phẩm gỉ, nó có thể tích lớn hơn thể tích của thép bị ăn mòn và gây ra ứng suất kéo trong bê tông bảo vệ. Mật độ dòng điện ăn mòn phụ thuộc vào chất lượng của bê tông (điện trở suất của bê tông), nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép, nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Một yếu tố không thể thiếu trong quá trình trên là độ ẩm và ô xy cần được cung cấp. Yếu tố thứ hai và thứ ba thể hiện sức kháng nứt của bê tông bảo vệ.
Đến năm 2000, dự án DuraCrete (2000) - Thiết kế bền vững dựa trên thiết kế của các kết cấu bê tông, do Liên minh Châu Âu - Brite EuRam III [50] thực hiện đã chi tiết hóa giai đoạn lan truyền ăn mòn thành các giai đoạn nhỏ hình 1.17.
Hình 1.17 - Các sự kiện liên quan đến tuổi thọ sử dụng (DuraCrete (2000)) Để dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông, điểm kết thúc của tuổi thọ cần được xác định. Hiện nay điểm kết thúc của tuổi thọ sử dụng còn đang là chủ đề tranh luận của các nhà nghiên cứu. Có hai quan điểm lớn về vấn đề này: quan điểm thứ nhất xem điểm kết thúc của tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ; còn quan điểm thứ hai là khi ăn mòn làm giảm diện tích tiết diện cốt thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực.