CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO
3.2 Xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo thời gian khởi ủầu ăn mũn
3.2.2 Các tham số của mô hình
Hệ số khuếch tán clo là tham số vật liệu, hệ số này giữ vai trò cốt yếu trong dự báo tuổi thọ của kết cấu bê tông phơi nhiễm clo của môi trường ven biển Việt Nam. Hệ số khuếch tỏn clo ủược dự bỏo theo tỷ lệ nước –xi măng
và chịu ảnh hưởng của nhiệt ủộ, ủộẩm của mụi trường cũng như cỏc chất phụ gia. Nú ủược tớnh theo cụng thức 2.18.
Với cỏc cầu vừa xõy dựng xong cú thể làm thớ nghiệm ủể xỏc ủịnh giỏ trị ủặc trưng của hệ số khuếch tỏn D28.
3.2.2.2 Sự tớch tụ nồng ủộ clo trờn bề mặt bờ tụng
Nồng ủộ ion clo trờn bề mặt bờ tụng tiếp xỳc với một mụi trường biển phu thuộc vào vị trớ ủịa lý của vựng biển cũng như khoảng cỏch so với mực nước biển. Theo vị trí của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển Ủy ban ACI 365 của Hoa kỳ chia thành 4 vùng:
1- Vựng thủy triều, (Marine splash zone -là vựng nằm trong biờn ủộ thủy triều hoặc là ở trong phạm vi 1m so với mực nước cao nhất của thủy triều)
2- Vựng súng ủỏnh (Marine spray zone là vựng nằm cao hơn mực nước cao nhất của thủy triều 1m, nhưng ủụi khi tiếp xỳc với bụi nước biển)
3- Vùng không khí biển cách biển ≤ 800m
4- Vựng khụng khớ biển cỏch biển từ 800m ủến 1500m
Cỏc tài liệu trong nghiờn cứu hiện nay ủó chỉ ra rằng nồng ủộ clo trờn bề mặt bờ tụng tiếp xỳc với một mụi trường biển ủược tớch tụ sau ủú tăng lờn cựng với thời gian. Vơi cỏc vựng bờ tụng luụn tiếp xỳc với nước biển nồng ủộ clo bề mặt cú thể khụng thay ủổi với thời gian vớ dụ như vựng thủy triều,vựng bắn tóe của nước biển.
Theo Swamy và cỏc cộng sự [54], trong tất cả cỏc ủiều kiện tiếp xỳc, ngoại trừ cỏc khu vực ngập nước, hàm lượng clo bề mặt thay ủổi tuyến tớnh với căn bậc hai của thời gian, cho thấy sự gia tăng của Cs có xu hướng suy giảm theo thời gian.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng ủến nồng ủộ clo bờ mặt là: thành phần của xi măng dựng trong bờ tụng; ủăc ủiểm bề mặt của bờ tụng; chu kỳ khụ ẩm của môi trường.
Nồng ủộ clo bề mặt là một hàm của thời gian và là hàm cú giới hạn theo thời gian. Quy luật tớch lũy nồng ủộ clo bề mặt cú nhiều quan ủiểm: khụng ủổi, hàm bậc nhất và hàm mũ.
Theo Michael Thomas -life 365 ủó sử dụng cơ sở dữ liệu ủược khảo sỏt bởi Viện muối Hoa Kỳ từ 1960-1984 và dữ liệu tốc ủộ tớch tụ clo của Wayers và cỏc cộng sự năm 1993. Cỏc giỏ trị của dữ liệu ủó ủược so sỏnh với dữ liệu hàm lượng clo thu thập ủược từ cỏc cõy cầu do Babie và Hawkins năm 1987.
Theo ACI 365 nồng ủộ clo thay ủổi tuyến tớnh với thời gian tựy theo từng vựng nú từ 10 ủến 30 năm như trong phương trỡnh 3.3 sau:
( ) ( )
, ax
, ax , ax
3.3
s m
s
s m s m
kt khit C C t k
C khi t C k
≤
=
≥
Cs,max ủược lấy tựy thuộc vào cỏc ủịa phương khỏc nhau. ðối với kết cấu trong mụi trường biển ACI 365 ủưa ra bảng 3.1 như sau:
Bảng 3.1 Tốc ủộ tớch lũy và nồng ủộ lớn nhất của clo bề mặt[22]
Vựng Tốc ủộ tớch lũy k (%/ năm)
Cs,max
(%/ khối lượng bê tông) Vùng thủy triều Xảy ra ngay 0.8
Vựng súng ủỏnh 0.10 1.0
Cách biển ≤800m 0.04 0.6
Cách biển từ 800m-1500m 0.02 0.6
Theo Lifecon 2003 [57] nồng ủộ clo trờn bề mặt bờ tụng (Cs) phụ thuộc vào ủộ cao của kết cấu so với mực nước biển. Lifecon 2003 ủưa ra ủối với vùng thủy triều (cao hơn mực nước biển từ 0-3m) giá trị trung bình của Cs=0.51% khối lượng bờ tụng, ủộ lệch chuẩn là 0.23%.
Seung-Woo Pack, Min-Sun Jung –Hàn Quốc trên tạp chí “Cement and Concrete Research 40 (2010) 302–312” ủưa ra quan hệ nồng ủộ clo bề mặt là một hàm logarit tự nhiên của thời gian theo dạng:
( ) ln( 1) ( )3.4
C ts =α βt+ +k
Trong ủú: Cs(t) là nồng ủộ clo bề mặt tại thời ủiểm t (% chất kết dớnh);
α,β, k là các hằng số thực nghiệm phụ thuộc loại bê tông.
A. Costa và J. Appleton đại học kỹ thuật Lisbon Bồđào Nha trên tạp chắ
“Materials and Structures” Vol 32, june 1999, pp354-359 nghiên cứu thực nghiệm nồng ủộ clo bề mặt cỏc vựng ven biển. Họ ủó ủưa ra quan hệ nồng ủộ clo bề mặt là một hàm mũ có dạng như phương trình 3.5 sau:
( ) 1 n ( )3.5
C ts =C t
Trong ủú: Cs(t) là hàm lượng clo bề mặt tại thời ủiểm t (% khối lượng bê tông); C1- hàm lượng clo bề mặt sau một năm(% khối lượng bê tông) và n là các hằng số thực nghiệm phụ thuộc loại bê tông và vùng môi trường (vùng thủy triều: C1=0.38, n=0.37; vùng bụi nước biển:
C1=0.22, n=0.48; vùng khí quyển biển C1=0.10, n=0.59)
Nồng ủộ clo trờn bề mặt bờ tụng khụng những phụ thuộc vào vị trớ ủịa lý của cỏc vựng biển mà cũn phụ thuộc vào ủặc tớnh của bờ tụng (cú hay khụng xử lý bề mặt) và khớ hậu của khu vực (do mưa rửa trụi). ðể ủơn giản Luận ỏn này sẽ chọn quy luật tớch tụ nồng ủộ clo bề mặt theo Michael Thomas phương trỡnh 3.3 nhưng nồng ủộ clo bề mặt lớn nhất (Cs,max) sẽ lấy theo cỏc vựng biển của Việt Nam.
Ảnh hưởng của màng và sơn phủbề mặt
Màng chống thấm và sơn phủ ủược cho rằng chỉ tỏc ủộng lờn tốc ủộ tớch tụ clo.
Màng có tác dụng ngăn ngừa xâm nhập clo hiệu quả 100%, nó chỉ mất tác dụng khi hết tuổi thọ của màng. Tuổi thọ trung bình của màng là 20 năm, nghĩa là thời gian tích tụ clo của bê tông có màng bảo vệ là sau 20 năm. Thí dụ như hỡnh 3.2, với bề mặt bờ tụng khụng ủược bảo vệ tốc ủộ tớch tụ clo ở mức 0,04% mỗi năm và ủạt nồng ủộ tối ủa là 0,60% lỳc 15 năm. Hiệu quả ban ủầu và tuổi thọ của màng cú thểủược thay ủổi theo tớnh năng của màng và
mụi trường. Ngoài ra lớp màng cú thể ủược quột lại ủịnh kỳ theo cỏch tương tự như chống thấm.
Hình 3.2: Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt[22]
Sơn phủủược xem cú tuổi thọ trung bỡnh là 5 năm, vớ dụ trong Hỡnh 3.2 cho thấy ảnh hưởng của các sơn phủ áp dụng lại mỗi lần 5 năm.
3.2.2.3 Ngưỡng nồng ủộ clo gõy ăn mũn thộp trong bờ tụng
Ngưỡng nồng ủộ clo gõy ăn mũn thộp cũn gọi là ngưỡng nồng ủộ clo tới hạn (Cth) ủúng vai trũ quan trọng trong ăn mũn cốt thộp. Ngưỡng nồng ủộ clo gõy ăn mũn thộp ủược ủịnh nghĩa là hàm lượng clo cần thiết tại bề mặt cốt thộp ủể gõy phỏ vỡ màng thụ ủộng của thộp và bắt ủầu gõy ăn mũn. Nú thường ủược biểu thị theo tỷ lệ phần trăm của trọng lượng bờ tụng hoặc trọng lượng chất kết dính.
Cỏc cầu ở Anh ngưỡng nồng ủộ clo tới hạn ủó ủo ủược khoảng từ 0.2%
ủến 1.5% trọng lượng xi măng [48]. Tiờu chuẩn Anh giới hạn nồng ủộ clo dưới mức 0.4% trọng lượng xi măng cho các kết cấu bê tông cốt thép và mức 0.1% cho các kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực[30]. Tuy nhiên, ngưỡng nồng ủộ clo tới hạn theo hàm lượng riờng clo tự do hiếm khi ủược ủo ủạc, so với tổng hàm lượng clo hoặc tỷ lệ [Cl-]: [OH-].
Một số lượng lớn cỏc nghiờn cứu ủó tập trung vào việc ủịnh lượng Cth, nhưng cỏc giỏ trị ủo thường phõn tỏn. Lý do cho sự phõn tỏn của Cth bao gồm
cỏc phương phỏp ủo lường, phương phỏp biểu diễn Cth, ủiều kiện của giao diện thép bê tông và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường.
a) Xỏc ủịnh thời ủiểm khởi ủầu ăn mũn
Thời ủiểm bắt ủầu ăn mũn cú thể ủược phỏt hiện bằng cỏch theo dừi dũng ủiện macrocell giữa cực dương và cực õm, ủo ủiện thế nửa pin hoặc theo dừi tốc ủộăn mũn ủo bằng kỹ thuật phõn cực hoặc phương phỏp trở khỏng AC.
b) ðo hàm lượng clo trong bê tông ở sát bề mặt thép
ðo hàm lượng clo ủể xỏc ủịnh Cth ủược thực hiện sau khi ăn mũn bắt ủầu xảy ra. Cú hai giai ủoạn trong việc xỏc ủịnh hàm lượng clo: lấy mẫu và phõn tớch. Lấy mẫu thường liờn quan ủến mài bờ tụng và thu thập bột ở cỏc ủộ sõu khỏc nhau. ðiều rất cần thiết là phải ủảm bảo rằng mẫu bột thu ủược phải cú lượng vữa xi măng ủủ cao hơn bột cốt liệu.
Phương phỏp sử dụng rộng rói nhất ủể ủo tổng hàm lượng clo là sử dụng chiết xuất axit hũa tan, trong ủú người ta cho rằng cả clo liờn kết và clo tự do ủều hũa tan trong axit. ðo clo hũa tan axit (tổng lượng clo) cú thể ủược thực hiện bằng cỏch sử dụng ủiện cực chọn lọc ion clo hoặc bằng cỏch chuẩn ủộ, vớ dụ như mô tả trong tiêu chuẩn Anh Quốc 1881 phần 124 [31].
c) Biểu diễn của ngưỡng nồng ủộ clo
Ngưỡng nồng ủộ clo gõy ăn mũn Cth biểu diễn qua tổng hàm lượng clo là cách tiếp cận rộng rãi và phổ biến nhất trong các tiêu chuẩn.
Năm 2012 trong bỏo cỏo tổng kết của Cục Quản lý ủường cao tốc liờn bang (FHWA) trờn chương trỡnh tớnh năng dài hạn của cầu ủó ủưa ra “Túm tắt cỏc tiờu chuẩn xỏc ủịnh giới hạn tối ủa cho phộp của clo trong vữa và bờ tụng dự ứng lực”, bảng 3.2 [33].
Tiờu chuẩn của Anh quốc BS 8810 quy ủịnh hàm lượng clo tới hạn Cth=0,10% khối lượng xi măng cho bê tông dự ứng lực và Cth=0,20% khối lượng xi măng cho bê tông cốt thép thường.
Theo nghiên cứu của ðại học kỹ thuật Munich Cộng hòa liên bang ðức (Technische Universitọt Mỹnchen) thụng thường Cth=0,20% -0,40% khối lượng xi măng.
Mối quan hệ thực tế giữa sự ăn mòn và hàm lượng clo trong bê tông bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số như:
- Loại, thành phần cấu tạo của xi măng - Các phụ gia
- ðộẩm và nhiệt ủộ
- ðộ xốp và cấu trúc lỗ rỗng của bê tông - Tính chất của bề mặt cốt thép
- Sự hiện diện của các chất khác trong dung dịch lỗ rỗng (ví dụ như chất kiềm)
Bảng 3.2 Túm tắt cỏc tiờu chuẩn xỏc ủịnh giới hạn tối ủa cho phộp của clo trong vữa và bê tông dự ứng lực[33]
STT Nguồn Mục Vật liệu Giới hạn Loại clo
1 AASHTO LRFD bridge Construction Specifications, xuất bản lần thứ, năm 2012
Mục 10, Dự ứng lực, Bảng 10.9.3.2
Vữa 0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong axit) theo ASTM C1152 2 Chi tiết kỹ thuật cho vữa của
các kết cấu kéo trước, PTIM55.01.03
Mục 3.3.4, hàm lượng clo
Vữa 0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong axit) theo ASTM C1152 3 Chỉ dẫn ủộ bền của bờ tụng,
ACI201.2R-08
Chương 7, Ăn mòn của kim loại và các vật liệu khỏc ủặt trong bê tông, bảng trong mục 7.2.3.4
Bê tông dự ứng
lực
0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong axit) theo ASTM C1152 0.06% khố
lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong nước) theo ASTM C1218
4 Bảo vệ kim loại trong bê tông chống lại ăn mòn, ACI 222R-01
Chương 3, bẳng 3.1
Bê tông dự ứng
lực
0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong axit) theo ASTM C1152 0.06% khối
lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong nước) theo ASTM C1218
5 ACI 318M-11 Chương 3, bảng
R4.3.1
Bê tông dự ứng
lực
0.06% khối lượng xi măng
Tổng clo (hòa tan trong nước) theo ASTM C1218 6 Vữa cho các bó cáp dự ứng
lực- Các yêu cầu cơ bản, tiêu chuẩn chấu Âu EN 447
Chương 6, mục 6.1
Vữa 0.10% khối lượng xi măng
Sulfate≤4,5% khối lượng
xi măng; Sulfua
≤0.01% khối lượng xi măng.
7 Giới hạn hàm lượng ion clo, hiệp hội tiêu chuẩn Canada (CSA) A23.1.09
Mục 4.1.1.2 Bê tông dự ứng
lực
0.06% khối lượng xi măng
Hòa tan trong nước
8 Hàm lượng clo của bê tông tươi, hiệp hội bê tông tươi New Zealand, Inc.
Bảng 1, Giá trị tối ủa của hàm lượng ion clo khi ủổ
Bê tông dự ứng
lực
0.5kg/m3 clo trong bê tông hoặc 0.14%
khối lượng xi măng
Tổng Clo
(hòa tan trong axit)
9 Chỉ dẫn thiết kế và xây dựng của vữa ủối với kết cấu bờ tụng dự ứng lực, hiệp hội kỹ sư bê tông dự ứng lực Nhật bản
Tập 1, mục 4.2 Vữa 0.3kg/m3 clo trong vữa hoặc 0.023% khối lượng xi măng
Tổng Clo
(hòa tan trong axit)
10 Quy tắc thực hành cho xây dựng bờ tụng ủỳc sẵn, sở nhà Hồng Kong
Chương 2, bảng 2.3
Bê tông dự ứng
lực
0.1% khối lượng xi măng
Tổng Clo
(hòa tan trong axit)
Trong chương trỡnh life 365 Michael Thomas ủó sử dụng giỏ trị Cth=0,05% khối lượng của bờ tụng, giỏ trị này ủược lấy từ cỏc kết quả nghiờn cứu hàm lượng clo từ 0,20% ủến 0,40% khối lượng xi măng tương ủương khoảng 0,03% ủến 0,07% khối lượng bờ tụng.
Dựa trờn cỏc phõn tớch trờn luận ỏn này kiến nghị giỏ trị ngưỡng nồng ủộ clo gây ăn mòn cốt thép như sau:
- Với bê tông cốt thép thường Cth=0,05%
- Với bê tông dựứng lực Cth=0,012%
d) Ảnh hưởng của các chất ức chế ăn mòn
Hai chất ức chếăn mòn hóa học với tính năng ghi nhận: chất ức chế canxi nitrit (CNI)-Ca(NO2)2 và Rheocrete 222 + (một sản phẩm ủộc quyền từ các nhà xây dựng chuyên nghiệp; trong phần mềm Life-365, nú ủược gọi là "E& A", cho "cỏc amin và este"). Canxi nitrit sẽ làm màng thụ ủộng bề mặt cụt thộp dày thờm và vững chắc hơn do ủú làm tăng Cth.
Theo Michael Thomas trong Life-365, năm cấp ủộ liều lượng của dung dịch 30% canxi nitrit. Việc ủưa CNI vào ủược giả ủịnh là khụng cú hiệu lực trên hệ số khuếch tán D28, hoặc hệ số suy giảm khuếch tán m. Ảnh hưởng của CNI trờn ngưỡng clo Cth, thay ủổi với liều lượng như trong bảng 3.3.
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của canxi nitrit (CNI) trên ngưỡng clo tới hạn[22]
Liều dùng CNI (l/m3)
Ngưỡng clo tới hạn Cth
(% trọng lượng bê tông)
0 0,05
5 0,075
10 0,15
15 0,24
20 0,32
25 0,37
30 0,40
Các giá trị trong bảng 3.3 dựa trên kết quả nghiên cứu an mòn của Nmail và Mc Donald, 1999; Berke và Rosenberg, 1989.
e) Thép không gỉ
ðối với thép không gỉ cấp 316 theo nghiên cứu của của Mac Donald và cộng sự thuộc Cục Quản lý ủường cao tốc liờn bang (FHWA) Cth = 0,5% (theo khối lượng bê tông).
f) Ảnh hưởng của lớp phủ keo epoxy
Sự hiện diện của thộp trỏng epoxy khụng ảnh hưởng ủến tốc ủộ xõm nhập clo vào trong bờ tụng, và cũng khụng ảnh hưởng ủến ngưỡng clo gõy ăn mũn thộp tại vựng thộp khụng ủược bảo vệ. Do ủú, việc sử dụng thộp trỏng epoxy khụng ảnh hưởng ủến thời gian khởi ủầu, t1. Tuy nhiờn, nú ủược giả ủịnh tốc ủộ của tớch lũy hư hại là thấp hơn khi thộp ủược phủ epoxy tức làm kộo dài thời gian lan truyền ăn mũn t2. Trong Life 365 với thộp ủược phủ keo epoxy thời gian lan truyền ủược sửa ủổi từ 6 năm tới 20 năm.