C x t C x t D t x ∂ = ∂ ∂ ∂
Trong ủú: C(x,t) là nồng ủộ clo tại chiều sõu x và thời gian t D là hệ số khuyếch tỏn clo trong bờ tụng
x là chiều dày tớnh từ bề mặt của bờ tụng t là thời gian
Phương trỡnh (3.2) ủược giải ủể tỡm thời gian t sao cho C(x,t) bằng ngưỡng nồng ủộ gõy ăn mũn thộp. Trong phương trỡnh trờn trường hợp D khụng ủổi theo thời gian cú thể giải bài toỏn bằng giải tớch. Nhưng như trong chương 2 ủó trỡnh bày D thay ủổi theo thời gian, do vậy luận ỏn này dựng phương phỏp sai phõn hữu hạn ủể giảị
Cỏc thụng số ủầu vào trong bài toỏn là quan trọng. Luận ỏn này sẽ dựa trờn cỏc nghiờn cứu cỏc thụng số ủầu vào của cỏc tỏc giả trong và ngoài nước và kiến nghị sử dụng cỏc thụng số cho mụ hỡnh sẽủược xõy dựng.
3.2.2 Cỏc tham số của mụ hỡnh 3.2.2.1 Hệ số khuếch tỏn clo 3.2.2.1 Hệ số khuếch tỏn clo
Hệ số khuếch tỏn clo là tham số vật liệu, hệ số này giữ vai trũ cốt yếu trong dự bỏo tuổi thọ của kết cấu bờ tụng phơi nhiễm clo của mụi trường ven biển Việt Nam. Hệ số khuếch tỏn clo ủược dự bỏo theo tỷ lệ nước Ờxi măng
và chịu ảnh hưởng của nhiệt ủộ, ủộẩm của mụi trường cũng như cỏc chất phụ
giạ 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 trớ của kết cấu bờ tụng cốt thộp trong mụi trường biển Ủy ban ACI 365 của Hoa kỳ chia thành 4 vựng:
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- Vựng khụng khớ biển cỏch 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 túe 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 cú 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 mụi 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 C kt khit k C t C C khi t k ≤ = ≥
Cs,max ủược lấy tựy thuộc vào cỏc ủịa phương khỏc nhaụ đối 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 bờ tụng) Vựng thủy triều Xảy ra ngay 0.8 Vựng súng ủỏnh 0.10 1.0 Cỏch biển ≤800m 0.04 0.6 Cỏch 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 vựng thủy triều (cao hơn mực nước biển từ 0-3m) giỏ trị trung bỡnh của Cs=0.51% khối lượng bờ tụng, ủộ lệch chuẩn là 0.23%.
Seung-Woo Pack, Min-Sun Jung ỜHàn Quốc trờn tạp chớ ỘCement and Concrete Research 40 (2010) 302Ờ312Ợ ủưa ra quan hệ nồng ủộ clo bề mặt là một hàm logarit tự nhiờn của thời gian theo dạng:
( ) ln( 1) ( )3.4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
s
C t =α βt+ +k
Trong ủú: Cs(t) là nồng ủộ clo bề mặt tại thời ủiểm t (% chất kết dớnh);
α,β, k là cỏc hằng số thực nghiệm phụ thuộc loại bờ tụng.
Ạ Costa và J. Appleton đại học kỹ thuật Lisbon Bồđào Nha trờn tạp chớ ỘMaterials and StructuresỢ Vol 32, june 1999, pp354-359 nghiờn 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 cú dạng như phương trỡnh 3.5 sau:
( ) 1 n ( )3.5
s
C t =C t
Trong ủú: Cs(t) là hàm lượng clo bề mặt tại thời ủiểm t (% khối lượng bờ tụng); C1- hàm lượng clo bề mặt sau một năm(% khối lượng bờ tụng) và n là cỏc hằng số thực nghiệm phụ thuộc loại bờ tụng và vựng mụi trường (vựng thủy triều: C1=0.38, n=0.37; vựng bụi nước biển: C1=0.22, n=0.48; vựng khớ 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). để 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 phủ bề mặt Màng chống thấm và sơn phủ ủược cho rằng chỉ tỏc ủộng lờn tốc ủộ tớch tụ clọ Màng cú tỏc dụng ngăn ngừa xõm nhập clo hiệu quả 100%, nú chỉ mất tỏc dụng khi hết tuổi thọ của màng. Tuổi thọ trung bỡnh của màng là 20 năm, nghĩa là thời gian tớch tụ clo của bờ tụng cú màng bảo vệ là sau 20 năm. Thớ 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
mụi trường. Ngoài ra lớp màng cú thể ủược quột lại ủịnh kỳ theo cỏch tương tự như chống thấm.
Hỡnh 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 cỏc sơn phủ ỏp 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 dớnh.
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 cỏc kết cấu bờ tụng cốt thộp và mức 0.1% cho cỏc kết cấu bờ tụng cốt thộp dự ứng lực[30]. Tuy nhiờn, 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 thộp bờ tụng và ảnh hưởng của cỏc yếu tố mụi 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) đo hàm lượng clo trong bờ tụng ở sỏt bề mặt thộp
đo hàm lượng clo ủể xỏc ủịnh Cth ủược thực hiện sau khi ăn mũn bắt ủầu xảy rạ 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 nhaụ điều rất cần thiết là phải ủảm bảo rằng mẫu bột thu ủược phải cú lượng vữa xi măng ủủ cao hơn bột cốt liệụ
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. đo 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 mụ tả trong tiờu 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 cỏch tiếp cận rộng rói và phổ biến nhất trong cỏc tiờu chuẩn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 ỘTúm tắt cỏc tiờu chuẩn xỏc ủịnh giới hạn tối ủa cho phộp của clo trong vữa và bờ tụng dự ứng lựcỢ, 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 bờ tụng dự ứng lực và Cth=0,20% khối lượng xi măng cho bờ tụng cốt thộp thường.
Theo nghiờn cứu của đại học kỹ thuật Munich Cộng hũa liờn bang đức (Technische Universitọt Mỹnchen) thụng thường Cth=0,20% -0,40% khối lượng xi măng.
Mối quan hệ thực tế giữa sự ăn mũn và hàm lượng clo trong bờ tụng bị ảnh hưởng bởi nhiều thụng số như: - Loại, thành phần cấu tạo của xi măng - Cỏc phụ gia - độẩm và nhiệt ủộ - độ xốp và cấu trỳc lỗ rỗng của bờ tụng - Tớnh chất của bề mặt cốt thộp - Sự hiện diện của cỏc chất khỏc trong dung dịch lỗ rỗng (vớ 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 bờ tụng dựứng 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 (hũa tan trong axit) theo ASTM C1152
2 Chi tiết kỹ thuật cho vữa của
cỏc kết cấu kộo trước, PTIM55.01.03
Mục 3.3.4, hàm lượng clo
Vữa 0.08% khối
lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong axit) theo ASTM C1152 3 Chỉ dẫn ủộ bền của bờ tụng, ACI201.2R-08 Chương 7, Ăn mũn của kim loại và cỏc vật liệu khỏc ủặt trong bờ tụng, bảng trong mục 7.2.3.4 Bờ tụng dự ứng lực 0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong axit) theo ASTM C1152
0.06% khố
lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong nước) theo ASTM C1218
4 Bảo vệ kim loại trong bờ
tụng chống lại ăn mũn, ACI
222R-01 Chương 3, bẳng 3.1 Bờ tụng dự ứng lực 0.08% khối lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong axit) theo ASTM C1152
0.06% khối
lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong nước) theo ASTM C1218 5 ACI 318M-11 Chương 3, bảng R4.3.1 Bờ tụng dự ứng lực 0.06% khối lượng xi măng
Tổng clo (hũa tan trong nước) theo ASTM C1218
6 Vữa cho cỏc bú cỏp dự ứng
lực- Cỏc yờu cầu cơ bản, tiờu 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, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hiệp hội tiờu chuẩn Canada (CSA) A23.1.09 Mục 4.1.1.2 Bờ tụng dự ứng lực 0.06% khối lượng xi măng
Hũa tan trong nước
8 Hàm lượng clo của bờ tụng
tươi, hiệp hội bờ tụng tươi New Zealand, Inc.
Bảng 1, Giỏ trị
tối ủa của hàm
lượng ion clo khi ủổ Bờ tụng dự ứng lực 0.5kg/m3 clo trong bờ tụng hoặc 0.14% khối lượng xi măng Tổng Clo
(hũa tan trong axit)
9 Chỉ dẫn thiết kế và xõy dựng
của vữa ủối với kết cấu bờ tụng dự ứng lực, hiệp hội kỹ sư bờ tụng 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
(hũa tan trong axit)
10 Quy tắc thực hành cho xõy
dựng bờ tụng ủỳc sẵn, sở nhà Hồng Kong Chương 2, bảng 2.3 Bờ tụng dự ứng lực 0.1% khối lượng xi măng Tổng Clo
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 gõy ăn mũn cốt thộp như sau:
- Với bờ tụng cốt thộp thường Cth=0,05%
- Với bờ tụng dựứng lực Cth=0,012%
d) Ảnh hưởng của cỏc chất ức chế ăn mũn
Hai chất ức chếăn mũn húa học với tớnh năng ghi nhận: chất ức chế canxi nitrit (CNI)-CăNO2)2 và Rheocrete 222 + (một sản phẩm ủộc quyền từ cỏc nhà xõy dựng chuyờn 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 trờn hệ số khuếch tỏn D28, hoặc hệ số suy giảm khuếch tỏn 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) trờn ngưỡng clo tới hạn[22]
Liều dựng CNI (l/m3)
Ngưỡng clo tới hạn Cth (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(% trọng lượng bờ tụng) 0 0,05 5 0,075 10 0,15 15 0,24 20 0,32 25 0,37 30 0,40
Cỏc giỏ trị trong bảng 3.3 dựa trờn kết quả nghiờn cứu an mũn của Nmail và Mc Donald, 1999; Berke và Rosenberg, 1989.
e) Thộp khụng gỉ
đối với thộp khụng gỉ cấp 316 theo nghiờn cứu của của Mac Donald và cộng sự thuộc Cục Quản lý ủường cao tốc liờn bang (FHWA) Cth = 0,5% (theo khối lượng bờ tụng).
f) Ảnh hưởng của lớp phủ keo epoxy