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
3.1.2 Tuổi thọ sử dụng theo tỏc ủộng của sự xõm nhập clo trong mụi trường biển
Các kết cấu cầu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển sẽ bị cỏc ion clo xõm nhập vào bờ tụng và tớch tụ trờn bề mặt cốt thộp. Khi nồng ủộ ion clo tại bề mặt cốt thộp ủạt tới ngưỡng nồng ủộ tới hạn nú sẽ bắt ủầu gõy
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 bịăn mòn sẽ sinh ra các sản phẩm ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn nở thể tích gây ra ứng suất kéo trong bê tông bảo vệ và gây nứt, tách, vỡ bê tông bảo vệ.
Mô hình hóa dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo cần hiểu biết các quá trình ăn mòn thép trong bê tông do clo gõy ra. Cỏc quỏ trỡnh này cơ bản ủược mụ tả như sau [45]:
1 Clo trong môi trường tích lũy trên bề mặt bê tông.
2 Clo ủượcxõm nhập vào bờ tụng qua một số cơ chế mà chủ yếu là khuếch tán.
3 Nồng ủộ clo ủược tớch lũy theo thời gian tại bề mặt của cốt thộp.
4 Khi nồng ủộ clo tại bề mặt cốt thộp ủạt tới mức ngưỡng tới hạn thỡ màng thụ ủộng trờn mặt cốt thộp bị phỏ vỡ và quỏ trỡnh ăn mũn bắt ủầu xảy ra.
5 Sản phẩm của ăn mũn cú thể tớch lớn hơn cốt thộp ủó bị ăn mũn gây ra ứng suất kéo trong bê tông bảo vệ.
6 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.
7 Các vết nứt tạo thành rạn nứt hoặc vỡ làm cho kết cấu bị xuống cấp như chức năng sử dụng khụng cũn ủược ủảm bảo hoặc gõy mất an toàn. ðõy cú thể xem là thời ủiểm mà yờu cầu phải sửa chữa.
8 Ăn mũn gõy ra mất mỏt diện tớch tiết diện thộp dẫn ủến trạng thỏi giới hạn chịu lực không còn thỏa mãn.
ðể dự đốn tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tơng, điểm kết thúc của tuổi thọ cần ủược xỏc ủịnh. Hiện nay ủiểm kết thỳc của tuổi thọ sử dụng cũn ủang là chủủề tranh luận của cỏc nhà nghiờn cứu. Cú hai quan ủiểm lớn về vấn ủề này: quan ủiểm thứ nhất xem ủiểm kết thỳc của tuổi thọ sử dụng là khi ăn mũn gõy nứt hoàn toàn bờ tụng bảo vệ; cũn quan ủiểm thứ hai là khi ăn mũn
làm giảm diện tích tiết diện cốt thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực.
Trong luận án này sẽ tính cho cả hai trường hợp:
1. ðiểm cuối của tuổi thọ sử dụng xem là khi ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ.
2. ðiểm cuối của tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn cốt thép gây nguy hiểm ở trạng thái giới hạn chịu lực.
Quá trình hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép theo Tuuti (1980) [59], quỏ trỡnh gồm hai giai ủoạn: Giai ủoạn khởi ủầu và giai ủoạn lan truyền theo phương trình 3.1.
1 2 ( )3.1
t t = + t
Trong ủú: t1 là giai ủoạn khởi ủầu ăn mũn;
t2 là giai ủoạn lan truyền ăn mũn.
3.1.2.1 Giai ủoạn khởi ủầu ăn mũn (t1)
Giai ủoạn khởi ủầu ăn mũn là thời gian kể từ khi kết cấu bắt ủầu tiếp xỳc với ion clo cho ủến khi ion clo xõm nhập vào bờ tụng tập trung trờn bề mặt cốt thộp ủạt ủến ngưỡng nồng ủộ gõy ăn mũn. ðộ dài của giai ủoạn này phụ thuộc chủ yếu vào:
1) Nồng ủộ clo trờn bề mặt bờ tụng;
2) Nhiệt ủộ, ủộ ẩm của mụi trường;
3) Chiều dày lớp bảo vệ;
4) Chất lượng của bê tông bảo vệ thông qua hệ số khuếch tán clo;
5) Ngưỡng nồng ủộ clo gõy ăn mũn của cốt thộp;
Mặc dự tốc ủộ xõm nhập của clo vào bờ tụng là một quỏ trỡnh rất phức tạp, là tổng hợp của nhiều cơ chế xâm nhập khác nhau chẳng hạn như cơ chế khuyếch tán, cơ chế hút thấm bề mặt, cơ chế thẩm thấu vv nhưng cơ chế lan truyền khuyếch tỏn ủược chứng minh là cơ chế quyết ủịnh.
3.1.2.2 Giai ủoạn lan truyền ăn mũn (t2)
Giai ủoạn lan truyền ăn mũn là thời gian kể từ khi cốt thộp bắt ủầu bịăn mòn tới khi ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thộp bị giảm do ăn mũn dẫn ủến kết cấu khụng cũn thỏa món 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 [46], tạo áp lực lờn bờ tụng xung quanh và cuối cựng dẫn ủến sự thiệt hại cho cỏc kết cấu theo hình thức 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.
Bờ tụng ủó nứt làm cho cỏc tỏc nhõn ăn mũn khuếch tỏn nhanh hơn ủến bề mặt cốt thộp, tốc ủộ ăn mũn sẽ nhanh hơn gõy nguy hiểm cho kết cấu. Vỡ vậy sự xuất hiện của vết nứt ăn mũn ủầu tiờn cú thể là dấu hiệu quan trọng xỏc ủịnh ủiểm cuối của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bờ tụng cốt thộp.
ðộ dài của giai ủoạn lan truyền ăn mũn phụ thuộc chủ yếu vào:
1) Mật ủộ dũng ủiện ăn mũn, 2) Chiều dày lớp bảo vệ,
3) Chất lượng cơ học của bờ tụng bảo vệ thụng qua cường ủộ chịu kộo của bờ tụng, mụ ủun ủàn hồi, hệ số từ biến.
Yếu tố thứ nhất, mật ủộ dũng ủiện ăn mũn phản ỏnh tốc ủộ của phản ứng ăn mũn ủiện húa. Phản ứng ăn mũn tạo ra sản phẩm gỉ sinh ra ứng suất kộo trong bờ tụng bảo vệ. Mật ủộ dũng ủiện ăn mũn phụ thuộc vào chất lượng của bờ tụng (ủiện trở suất của bờ tụng), nồng ủộ clo tại bề mặt cốt thộp, nhiệt ủộ và ủộ ẩm mụi trường. Một yếu tố khụng thể thiếu trong quỏ trỡnh trờn là ủộ ẩm và ụ xy cần ủược cung cấp.
Yếu tố thứ hai và thứ ba thể hiện sức kháng nứt của bê tông bảo vệ.