1.6.1 Nội dung nghiờn cứu
+ Thớ nghiệm thấm nhanh clo trong một số mẫu bờ tụng theo tiờu chuẩn ASTM C1202.
+ Xõy dựng cụng thức xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng (D), ỏp dụng tớnh cho cỏc kết quả mấu thớ nghiệm. So sỏnh kết quả tớnh với cỏc nghiờn cứu khỏc trờn thế giớị Nhận xột và kết luận.
+ Xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo tuổi thọ sử dụng cầu bờ tụng cốt thộp ven biển Việt Nam do xõm nhập clo dựa trờn ủịnh luật 2 của Fick và ủịnh luật Faradaỵ
+ Sử dụng mụ hỡnh thiết lập khảo sỏt cỏc biện phỏp kộo dài tuổi thọ sử
dụng do xõm nhập clọ
1.6.2 Phương phỏp nghiờn cứu
+ Lý thuyết kết hợp với thớ nghiệm.
Mụ hỡnh húa ủể dự bỏo tuổi thọ sử dụng của cầu bờ tụng cốt thộp ven biển Việt Nam theo tỏc ủộng của sự xõm nhập clọ Lập trỡnh dự bỏo tuổi thọ
CHƯƠNG 2. NGHIấN CỨU XÁC đỊNH HỆ SỐ
KHUẾCH TÁN CLO TRONG Bấ TễNG
2.1 Giới thiệu chung
Hệ số khuếch tỏn ion clo trong bờ tụng (sau ủõy gọi là hệ số khuếch tỏn clo) là thụng số quan trọng ủể dự bỏo thời gian khởi ủầu ăn mũn cốt thộp trong bờ tụng. Hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng ủược xỏc ủịnh từ cỏc thớ nghiệm hoặc cú thể dự bỏo theo thành phần bờ tụng.
Trờn thế giới hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng thường ủược xỏc ủịnh từ thớ nghiệm di trỳ nhanh (Rapid Migration Test). Việt Nam hầu như chỉ cú thớ nghiệm thấm nhanh clo (Rapid Chloride Permeability Test-ASTM C1202), thớ nghiệm này ủưa ra sốủiện lượng chuyển qua trong 6 giờ thớ nghiệm, từ kết quả này ủưa ra mức ủộ ủịnh tớnh về thấm clọ Vấn ủề ủặt ra ở ủõy là từ cỏc
ủiện tớch chuyển qua ta cú thể xỏc ủịnh ủược hệ số khuếch tỏn ion clo trong bờ tụng ở 28 ngày tuổị Luận ỏn sẽ ủưa ra cụng thức xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng từ kết quả thớ nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 và so sỏnh với kết quả dự bỏo hệ số khuếch tỏn clo từ thành phần bờ tụng.
Chương này mụ tả thớ nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 với 18 mẫu bờ tụng. Xõy dựng cụng thức xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng từ
kết quả thớ nghiờm ASTM C1202, tớnh hệ số khuếch tỏn clo, so sỏnh kết quả
tớnh với dự bỏọ
Hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng
Hệ số khuếch tỏn clo là hệ số D tương ứng trong ủịnh luật Fick. đơn vị
của D trong hệ SI là m2/s.
Bờ tụng luụn cú hệ thống lỗ rỗng, cỏc ion clo xõm nhập vào trong bờ tụng thụng qua khuếch tỏn khi cú chờnh lệch nồng ủộ dung dịch lỗ rỗng giữa bề
luật Fick thứ nhất về khuếch tỏn, theo ủú tốc ủộ xõm nhập ion clo thụng qua mặt vuụng gúc với hướng khuếch tỏn tỷ lệ thuận với gradient nụng ủộ C.
x C D J ∂ ∂ − =
Hệ số khuếch tỏn clo D phụ thuộc vào cấu trỳc của vữa bờ tụng tức phụ
thuộc thành phần bờ tụng, nhiệt ủộ, ủộ ẩm. Trong bờ tụng phản ứng thủy húa xi măng diễn ra trong thời gian dài, sản phẩm thủy húa cú xu hướng lấp vào một phần hệ thống lỗ rỗng. Do ủú hệ số khuếch tỏn clo cú xu hướng giảm theo thời gian.
RILEM-TC-178 ủó ủưa ra hai loại hệ số khuếch tỏn như sau:
a) Hệ số khuếch tỏn cú hiệu Deff [57]
Hệ số khuếch tỏn cú hiệu ủược xỏc ủịnh từ thớ nghiệm pin khuếch tỏn, Deffủược tớnh theo ủịnh luật Fick 1.
b) Hệ số khuếch tỏn biểu kiến (Dapp)(Apparent) [57] Là một hệ sốkhuếch tỏnkhụng ổn ủịnhchịuảnh hưởng của:
- Vận tốc xõm nhập khỏc nhau của cỏc ion phụ thuộc vào nhiệt ủộ;
- Sự thủy húa của vữa xi măng
- Nồng ủộ phụ thuộc thời gian
Hệ số khuếch tỏn biểu kiến nhận ủược từ thớ nghiệm ngõm hoặc khảo sỏt kết cấu ỏp dụng ủịnh luật Fick 2 về khuếch tỏn.
Hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng (D) phụ thuộc vào chất lượng bờ tụng, tuổi của bờ tụng, nhiệt ủộ và ủộẩm của mụi trường.
2.2 Thớ nghiệm và xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo trong bờ tụng 2.2.1 Thớ nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 2.2.1 Thớ nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202
1/ Tiờu chuẩn và thớ bị thớ nghiệm
+ Thớ nghiệm tiến hành theo tiờu chuẩn ASTM C1202-12.
+ Thiết bị thớ nghiệm:
- RLC INSTRUMENT CO-KELTRON CORP-USA-C300
+ Bờ tụng làm cầu hiện nay ủa số cú tỷ lệ nước trờn xi măng w/c=0,30- 0,40, cường ủộ chịu nộn tối thiểu theo ủiều 5.4.2.1 của tiờu chuẩn 22TCN- 272-05 qui ủịnh như sau ỘCường ủộ chịu nộn ủặc trưng của bờ tụng dự ứng lực và bản mặt cầu khụng ủược thấp hơn 28 MPaỢ. Hiện nay trong thiết kế và thi cụng thường dựng cỏc cấp bờ tụng từ 30MPa ủến 50MPạ
+ Mục tiờu thớ nghiệm: Khảo sỏt ảnh hưởng của tỷ lệ w/c =0,30-0,40 của cỏc mẫu (cường ủộ chịu nộn ủặc trưng từ 30MPa ủến 50Mpa) ủến ủiện lượng chuyển qua mẫu Q(Culụng) trong thớ nghiờm ASTM C1202. Từ kết quả ủiện lượng chuyển qua của cỏc thớ nghiệm, kiểm chứng hệ số khuếch tỏn D theo cụng thức lập và so sỏnh với cỏc cụng thức dự bỏo của cỏc tỏc giả khỏc.
+ Mẫu thử ủược chế tạo tạo phũng thớ nghiệm trường đại học Giao thụng với 6 tổ mẫu mỗi tổ 3 mẫụ Thành phần cấp phối của 6 tổ mẫu như
bảng 2.1:
- Bờ tụng cấp 30MPa-35MPa thường sử dụng cho kết cấu phần dưới như múng, mố trụ cầu bờ tụng. Bờ tụng cấp 40MPa-50MPa thường sử dụng cho kết cấu nhịp như dầm bản rỗng, dầm super T, dầm hộp.
Bảng 2.1. Thành phần bờ tụng của cỏc tổ mẫu Thành phần cấp phối C30 C35 C40 C50 C50+8%SF C50+15%FA Dmax (mm) 20 20 20 20 20 20 W/CKC 0,40 0,375 0,35 0,33 0,30 0,35 Chất siờu dẻo Sika 3000.10 (l/m3) 4,38 4,54 4,72 4,85 5,33 4,85 Lượng nước (kg/m3) 175 170 165 160 160 165 lượng xi măng (kg/m3) 438 454 472 485 491 371 Lượng muội si lic
(kg/m3) 0 0 0 0 42 0 Lượng Tro bay
(kg/m3) 0 0 0 0 0 70 Cốt liệu mịn (kg/m3) 760 750 745 740 720 730 Cốt liệu thụ (kg/m3) 1100 1100 1080 1060 1060 1100 độ sụt (mm) 150 160 162 185 180 178 Cường ủộ chịu nộn ủặc trưng sau 28 ngày (MPa) 30 35 40 50 50 50 Cường ủộ chịu nộn sau 28 ngày (MPa) 38,5 44,0 50,0 60,0 60,5 60,0
+ Thớ nghiệm thấm nhanh clo của cỏc mẫu thử ủược tiến hành tại phũng thớ nghiệm LAS XD 1133- Trung tõm xi măng và bờ tụng, Viện Vật liệu xõy dựng Việt Nam, số 235 đường Nguyễn Trói- Thanh Xuõn Ờ Hà Nộị
3/Mụ tả thớ nghiệm a)Chuẩn bị mẫu
đỳc 6 tổ mẫu thớ nghiệm mỗi tổ 3 mẫu, cỏc mẫu trụ trũn kớch thước dài 200m, ủường kớnh 100mm, diện tớch mặt cắt ngang A=πd2/4=7854mm2
Cỏc mẫu 200m cắt bỏ hai ủầu mỗi ủầu 20mm cắt thành ba mẫu mỗi mẫu dài L=50mm.
- để khụ bề mặt mẫu thử trong khụng khớ ớt nhất sau 1 giờ.
- Dựng chổi hay khăn làm sạch bề mặt mẫu thử.
- Phủ kớn sơn lờn diện tớch xung quanh mẫu thử bằng chổi quột sơn. Bảo dưỡng sơn và ủể sơn khụ hoàn toàn theo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất sơn.
- đặt cỏc mẫu thử vào bỡnh hỳt chõn khụng. Lắp ủặt hệ thống bơm hỳt chõn khụng theo sơ ủồ hỡnh 2.1
- đổ nước ủó ủun sụi ủể nguội vào bỡnh ủựng nước.
- Khúa vũi nối bỡnh hỳt chõn khụng với bỡnh ủựng nước. Bật mỏy bơm hỳt chõn khụng duy trỡ ỏp suất trong bỡnh hỳt chõn khụng dưới 1 mmHg trong 24 giờ.
Hỡnh 2.1 Sơủồ bơm hỳt chõn khụng mẫu thử C1202
- Mở khúa vũi nối bỡnh hỳt chõn khụng với bỡnh ủựng nước cho ủến khi nước ngập mẫu thử. Khúa vũi và tiếp tục duy trỡ bơm hỳt chõn khụng ớt nhất 3 giờ.
- Tắt mỏy bơm, lấy cỏc mẫu thử ra khỏi bỡnh hỳt chõn khụng. Chuyển cỏc mẫu thử vào trong bỡnh ủựng nước và ngõm trong vũng 18h ổ 2 giờ.
b) Tiến hành thớ nghiệm
- Lấy mẫu thử ra khỏi bỡnh ủựng nước, lau sạch cỏc giọt nước ủọng.
- Lắp mẫu thử vào khoang chứa mẫụ Dựng keo silicone trỏm vào khe tiếp giỏp giữa mẫu thử và khoang chứa mẫu, ủảm bảo bịt kớn khụng rũ rỉ nước ra ngoàị
- đổủầy húa chất thử vào hai ủầu khoang chứa mẫu thử, một ủầu khoang
ủổ dung dịch NaOH 0,3N và ủầu khoang kia ủổ dung dịch NaCl 3%.
đậy kớn hai ủầu khoang bằng nỳt cao su ủể trỏnh bay hơi cỏc dung dịch.
- Lắp ủặt mạch ủiện gồm nguồn ủiện, vụn kế, ampe kế với khoang chứa mẫu thử theo sơủồ hỡnh 2.2
Hỡnh 2.2 Sơủồ ủo ủiện tớch
- Nối cực õm của nguồn ủiện với ủầu khoang chứa dung dịch NaCl, cực dương của nguồn ủiện với ủầu khoang chứa dung dịch NaOH.
- đúng mạch ủiện và duy trỡ tại ủiện thế một chiều 60V.
- Theo dừi và ghi lại cỏc thụng số về cường ủộ dũng ủiện, nhiệt ủộ
khoang chứa dung dịch NaCl trong 6 giờ.
- đối với thiết bị ủo tự ủộng, toàn bộ quỏ trỡnh ủo, ghi và tớnh toỏn tổng
- đối với cỏc thiết bị bỏn tự ủộng, người thớ nghiệm phải ủo và ghi cường
ủộ dũng ủiện 30 phỳt một lần.
- Nếu nhiệt ủộ dung dịch trong khoang thử tăng ủến 90oC, tắt nguồn ủiện
ủể trỏnh phỏ hủy khoang thử. Ghi hiện tượng này vào bỏo cỏo và ủỏnh giỏ mức ủộ thấm ion clo ở mức Ộkhụng thấmỢ theo như bảng 1 của tiờu chuẩn nàỵ
4/ Tớnh toỏn và ủỏnh giỏ kết quả
- Thiết bị thớ nghiệm sử dụng là thiết bị bỏn tự ủộng, tớnh tổng ủiện lượng truyền qua mẫu theo cụng thức sau ủõy:
) I I 2 I ...2 I 2 I 2 .900.(I x 95 Q 0 30 60 300 330 360 2 + + + + + = (2.1) Trong ủú:
Q là tổng ủiện lượng truyền qua mẫu thử trong thời gian 6 giờ, ủơn vị là culụng.
I0, I30, I60, Ầ, I330, I360 là cường ủộ dũng ủiện ở thời ủiểm bắt ủầu bật mỏy ủo, 30 phỳt, 60 phỳt Ầ 330 phỳt, 360 phỳt, ủơn vị là ampẹ
x là ủường kớnh thực tế của mẫu thử, ủơn vị là mm.
- đỏnh giỏ ủộ thấm ion clo qua bờ tụng theo cỏc mức dưới ủõy, bảng 2.2:
Bảng 2.2. Mức ủộ thấm ion clo[22]
điện lượng truyền qua mẫu (culụng) Mức ủộ thấm ion clo
> 4000 Cao > 2000 ữ 4000 Trung bỡnh > 1000 ữ 2000 Thấp 100 ữ 1000 Rất thấp <100 Khụng thấm 5/ Cỏc chỳ ý khi thớ nghiệm
Trong thớ nghiệm C1202 ủiện lượng chuyển qua trong 6 giờ ủược ủiều chỉnh ủể xột ủến ảnh hưởng của hiệu ứng Joule do tăng nhiệt ủộ. Betancourt và cỏc cộng sự [28] ủó ủề xuất ủiện tớch ủiều chỉnh chuyển qua như sau:
( ) ( )
ln Qc6hr (1/ T 1/273) 0
Q =e +β ∆ − 2.2
Q0 là ủiện lượng ủiều chỉnh qua 6 giờ và β là một hằng số thực nghiệm bằng 1245, Qc6hr là ủiện lượng chuyển qua ban ủầu của thớ nghiệm C1202 trong 6 giờ, và ∆T là sự tăng nhiệt ủộ (theo ủộ Kelvin) trong khi thử nghiệm 6 giờ thớ nghiệm. ( ) 0 0 Q Q I 2.3 t 6*3600 = =
Ở ủõy t là thời gian tớnh bằng giõy (trong thớ nghiờm C1202: t=6*3600s)
Do vậy khi tiến hành thớ nghiệm xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo từ kết quả
C1202 cần theo dừi nhiệt ủộ tăng lờn của mẫu bờ tụng ủể xột ủến ảnh hưởng do hiệu ứng Joulẹ
2.2.2 Kết quả thớ nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202
Kết quả thớ nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 tại viện vật liệu xõy dựng tại LAS XD 1133- Trung tõm xi măng và bờ tụng ủược kết quả như bảng 2.3 sau:
Bảng 2.3 Kết quả thớ nghiệm theo ASTM C1202
Số TT Mẫu thử W/C Ngày ủỳc mẫu Ngày thớ nghiệm Nhiệt ủộ K(oC) ∆T Qc6hr -6 giờ (C) Q0- 6 giờ (C) I=Q0/t (mA) 1 C30-1 0.4 22/3/12 20/4/12 303(30) 16 3264 2536 117.4 2 C30-2 0.4 22/3/12 20/4/12 303(30) 16 3317 2577 119.3 3 C30-3 0.4 22/3/12 20/4/12 303(30) 16 3298 2562 118.6 4 C35-1 0.375 22/3/12 21/4/12 306(33) 16 3012 2340 108.3 5 C35-2 0.375 22/3/12 21/4/12 306(33) 16 2892 2247 104.0 6 C35-3 0.375 22/3/12 21/4/12 306(33) 16 2945 2288 105.9 7 C40-1 0.35 22/3/12 20/4/12 308(35) 14 2477 1983 91.8 8 C40-2 0.35 22/3/12 20/4/12 308(35) 14 2523 2020 93.5 9 C40-3 0.35 22/3/12 20/4/12 308(35) 14 2464 1973 91.3 10 C50-1 0.33 29/3/12 27/4/12 312(39) 12 2117 1747 80.9 11 C50-2 0.33 29/3/12 27/4/12 312(39) 12 2195 1812 83.9 12 C50-3 0.33 29/3/12 27/4/12 312(39) 12 2180 1799 83.3 13 C50+8%SF-1 0.3 29/3/12 27/4/12 318(45) 4 337 316 14.6 14 C50+8%SF-2 0.3 29/3/12 27/4/12 318(45) 4 322 301 14.0 15 C50+8%SF-3 0.3 29/3/12 27/4/12 318(45) 4 365 342 15.8 16 C50+15%FA-1 0.35 22/3/12 19/4/12 313(40) 14 2475 1981 91.7 17 C50+15%FA-2 0.35 22/3/12 19/4/12 313(40) 14 2500 2001 92.7 18 C50+15%FA-3 0.35 22/3/12 19/4/12 313(40) 14 2357 1887 87.4
Từ cỏc kết quả thớ nghiệm của bảng 2.3 so sỏnh với tiờu chuẩn trong bảng 2.2 ủể ủưa ra mức ủộ thấm clo trong bờ tụng. Vấn ủề ủặt ra là cần biết
ủịnh lượng của hệ số khuếch tỏn clo (D) trong bờ tụng ủể cú thể dự bỏo thời gian khởi ủầu ăn mũn thộp trong bờ tụng. Do vậy cần thiết phải xõy dựng cụng thức tớnh hệ số khuếch tỏn clo D từ kết quả của thớ nghiệm C1202. Hệ số
2.2.3 Xõy dựng cụng thức xỏc ủịnh hệ số khuếch tỏn clo từ kết quả thớ nghiệm C1202
Trong ủiều kiện trạng thỏi ổn ủịnh, thụng lượng ion clo tổng cộng bao gồm ba thành phần, ủú là khuếch tỏn, di trỳ và ủối lưu như thể hiện trong phương trỡnh 2.4 [23]. C zF E J D DC Cu x RT x ∂ ∂ = − − + ∂ ∂ (2.4)
Trong ủú D là hệ số khuếch tỏn của ion clo tớnh bằng m2/ giõy; C là nồng
ủộ ion clo tớnh bằng mole/m3; E là ủiện thếủược ỏp dụng và u là vận tốc của chất tan - m/giõỵ Số hạng ủầu tiờn và thứ ba trong phương trỡnh 2.4 mụ tả sự khuếch tỏn tinh khiết và cỏc quỏ trỡnh ủối lưụ Kể từ khi mẫu vật
ủược bóo hũa cho thớ nghiện thấm nhanh clo, vận tốc của chất tan cú thể ủược bỏ quạ Khi trường ủiện ủược ỏp dụng trờn mẫu vật bờ tụng, hiệu ứng khuếch tỏn thuần tỳy trong bờ tụng nhỏ, khuếch tỏn cú thể ủược bỏ quạ Kết quả là, số