Tom tat luan an tieng viet: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
__________________________

LÊ QUANG VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION
CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG
TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU

Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số : 9580205
Chun ngành: Xây dựng Cầu Hầm

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Giao thơng Vận tải

Người hường dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Trần Thế Truyền
Trường Đại học Giao thông Vận tải
2.

PGS.TS. Đỗ Anh Tú
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Phản biện 1:

Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thơng Vận tải
Vào lúc … ngày …/…/2022

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
- Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

2


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thực tế áp ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình ở các nước trên thế giới
cho thấy các ưu điểm nổi bật như: Giảm trọng lượng bản thân của kết cấu cầu, do đó nâng cao
năng lực khai thác của hoạt tải; Giảm chi phí cẩu lắp và vận chuyển các cấu kiện đúc sẵn do trọng
lượng kết cấu được giảm bớt. Điều này thuận tiện cho thi công lao lắp và giảm giá thành xây
dựng. Tăng độ bền của kết cấu do dính kết giữa cốt liệu và đá xi măng tốt; Giảm được hiệu ứng
tập trung ứng suất thường được tạo ra xung quanh các hạt cốt liệu đối với bê tông thường. Giảm
các đường nứt vi mơ do co ngót và từ biến gây ra. Tăng độ bền của bê tông do giảm được các
đường nứt vi mô; Cải thiện khả năng chống thấm nhập của các ion clo. Minh chứng về hàm lượng
ion Cl- sau 23 năm khai thác của các nhà nghiên cứu của Mỹ cho thấy: Theo khi chiều dày lớp bê
tông tăng lên hàm lượng ion Cl- giảm đi so với bê tông thường
Hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tơng nhẹ trong xây dựng các cơng trình nhà
cửa đã được thực hiện tương đối nhiều; bước đầu đã có các nghiên cứu ứng dụng trong xây
dựng giao thông, đặc biệt là xây dựng các bộ phận kết cấu cầu. Một số cơng trình điển hình
như Khách sạn Fortuna Hà nội, Trung thâm thể thao Long Biên hay Hà nội Club do công ty

Cổ phần sản xuất bê tông nhẹ Thiên Giang thực hiện. Cơng trình nhà 7 tầng nhà số 132 Khuất
Duy Tiến; nhà 6 tầng số 130 phố Giảng Võ; khách sạn 11 tầng phố Hàng Thùng; sàn 200 m2
nhà hàng Xanh Plat số 10 Phạm Ngọc Thạch… do Công ty Xây dụng và Phát triển hạ tầng
Đô thị Hà Nội (CiCo) thực hiện. Các kết quả thu được rất khả quan và được Bộ Xây dựng
đánh giá rất cao. Tuy nhiên trong ngành xây dựng giao thông nói chung, xây dựng kết cấu
cơng trình cầu nói riêng thì đây cịn là vấn đề cần được nghiên cứu áp dụng.
Thiết kế thành phần cấp phối của bê tông nhẹ và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý
của bê tông nhẹ đã được nhiều nghiên cứu đề cập. Các kết quả đã cho thấy nhưng điểm giống và
khác biệt của bê tông nhẹ so với bê tông thường cùng cấp cường độ chịu nén. Tuy vậy, độ bền lâu
của bê tông nhẹ, của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ vẫn là câu hỏi cần được trả lời,
đặc biệt là với các loại bê tông nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam và các kết cấu sử
dụng bê tông nhẹ khai thác trong điều kiện khí hậu thời tiết ở Việt Nam.
Đánh giá độ bền của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ đã được một số nghiên
cứu trên thế giới thực hiện. Về nguyên tắc, các phương pháp đo đạc đánh giá tính thấm nước,
thấm clo của bê tơng nhẹ cũng như dự đốn tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê
tông nhẹ được thực hiện giống như đối với bê tông thường. Tuy vậy, các kết quả thu được độ
phân tán lớn, nguyên nhân chính là do thành phần cốt liệu khác nhau, tuổi bê tông khác nhau,
dạng mẫu và phương pháp thí nghiệm khác nhau.
Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ
hiện là một vấn đề rất mới ở Việt Nam; đặc biệt là có xét đến ảnh hưởng của yếu tố tải trọng.
Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào thực hiện về vấn đề này. Cần thiết phải có các
nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của kết cấu bê tông nhẹ nhằm bổ sung cơ sở dữ liệu cho công
tác thiết kế của các kết cấu bê tông nhẹ sử dụng trong xây dựng dân dụng và xây dựng giao
thông. Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tơng nhẹ, có
thể xây dựng các mơ hình dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tơng cốt thép sử dụng bê tơng nhẹ
theo tiêu chí ăn mòn cốt thép.
Từ những đòi hỏi cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất được mô hình đánh
giá ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông cốt liệu nhẹ và ứng dụng trong dự báo
tuổi thọ cơng trình bằng bê tơng cốt thép nói chung và các cơng trình cầu nói riêng, đặc biệt là
phù hợp với triết lý thiết kế cầu theo xác suất của tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam, đề tài

nghiên cứu “Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ ứng dụng trong dự đốn
tuổi thọ kết cấu cầu có sử dụng lý thuyết xác suất” được lựa chọn làm đề tài luận án.
Nội dung luận án gồm 4 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị
1


 Mở đầu
 Chương 1: Tổng quan về bê tông nhẹ, các nghiên cứu liên quan đến độ bền của bê tông
nhẹ và các kết cấu sử dụng bê tông nhẹ.
 Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ.
 Chương 3: Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ của kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.
 Chương 4: Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến
ảnh hưởng đồng thời của hiệu ứng tải trọng và tác động của môi trường. Kết luận và
kiến nghị
2. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án là:
 Xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ.
 Xây dựng các mơ hình tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông nhẹ.
 Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông nhẹ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit và các kết cấu sử dụng
loại bê tơng nhẹ này.
Các đặc tính bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và tuổi thọ kết cấu bê tông nhẹ.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
 Luận án chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề tác động ăn mòn thép của ion clo, khơng đề
cập đến ăn mịn bê tơng của sunphat.
 Nghiên cứu các đặc tính bền của bê tơng nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam:
khả năng chống thấm nước, thấm ion clo trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và thời gian
theo quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm.

 Dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp tổng hợp, phân tích và so sánh.
 Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm. Sử dụng các lý thuyết tiên tiến về độ bền của bê tông để xác định các
tương quan (công thức) thực nghiệm và triển khai nghiên cứu thực nghiệm với vật liệu
và kết cấu bê tơng nhẹ để kiểm chứng.
 Mơ hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ.
5. Những đóng góp mới của luận án
 Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước và thấm
ion clo qua bê tông nhẹ C30 chịu ảnh hưởng của tải trọng.
 Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng nén thì độ thấm nước của bê tông
tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tơng bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng do tác
động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp. Một mơ hình thí nghiệm thấm nước có
xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết
quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để q
trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế tải trọng và ghi nhận số
liệu hoàn toàn tự động.
 Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của tải trọng nén đến độ thấm ion clo
của bê tơng nhẹ. Một mơ hình thí nghiệm thấm ion clo có xét đến tải trọng nén trực tiếp
đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới
gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để q trình đo đạc được thuận lợi
hơn, đặc biệt là quá trình kiểm sốt lực nén trong bê tơng nhẹ.
2


 Luận án đã đề xuất được mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clo và hệ số thấm nước
của bê tông nhẹ. Xác định được hệ số Ck để tính tốn hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số
thấm nước của cùng loại bê tông nhẹ. Từ đó đề xuất cơng thức tính tốn quan hệ giữa
hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tơng nhẹ có xét đến ảnh hưởng của

ứng suất trong bê tông cho loại bê tông nhẹ xem xét.
 Luận án xây dựng được mơ hình tính toán dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu cơng
trình bê tơng nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng của tải trọng thường
xuyên và tải trọng khai thác.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU
LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TƠNG CỐT LIỆU NHẸ
Bê tơng cốt liệu nhẹ và ứng dụng
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [43], bê tơng nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ
hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông nhẹ chịu lực
theo ACI 213R-03 [25] là bê tơng có khối lượng thể tích từ 1.120 - 1.920kg/m3 và cường độ
chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ
2.400kg/m3 trong bê tơng truyền thống xuống cịn 1.900kg/m3 đối với bê tơng nhẹ thì có thể
giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và
cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng.
Việc sử dụng cốt liệu nhẹ là yếu tố cơ bản để đạt được một KLTT nhỏ. Ngoài KLTT
của cốt liệu, KLTT của bê tơng cịn phụ thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ ẩm cốt liệu, hàm
lượng khí, hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia hóa học và phụ gia khống… Bên cạnh
vật liệu, KLTT của bê tơng cũng phụ thuộc vào phương pháp đầm nén, điều kiện bảo
dưỡng…
KLTT của BTCLN chịu lực biến đổi từ 1200 - 2000 kg/m3 so với 2300 - 2400 kg/m3
của bê tông nặng. Đa số các tính chất của BTCLN đều liên quan đến KLTT, đặc biệt là cường
độ nén.
Nghiên cứu độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ
Độ thấm nước được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thấm thấu qua của một
môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng. Độ thấm của bê tông nhẹ, một loại vật liệu rỗng,
phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các
lỗ rỗng và tính thơng nhau giữa các lỗ rỗng. Theo Scrivener (2001), khi độ rỗng và độ thông
nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống;
và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dịng chảy thấm có tốc độ càng nhanh. Dưới tác động cơ học
hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông

số trên, độ thấm của bê tơng vì vậy cũng sẽ tăng nhanh [61].

Hình 1.1 - Ảnh hưởng của độ rỗng, dạng - kích thước đường rỗng và tính liên thơng của các
lỗ rỗng đến độ thấm của bê tông (Scrivener (2001))
3


Các nghiên cứu của Abbas (2000) về ảnh hưởng của không gian rỗng đến cường độ và độ
thấm của bê tông nhẹ cho thấy, cường độ bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên,
độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thơng giữa các lỗ rỗng. Một khi bê tơng có tính liên
thơng rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ
học, nhiệt độ cao, ăn mịn...) trong q trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh.
Sự chênh lệch về độ ẩm, của áp lực thủy tĩnh, của ứng suất, nhiệt độ, và của nồng độ các
hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của các chất lưu trong vật liệu rỗng; do vậy, sự di
chuyển của dòng lưu chất xảy ra để thiết lập lại sự cân bằng mới. Q trình di chuyển của
dịng lưu chất này thông thường được mô tả ở các phương diện như hút bám, khuếch tán, hấp
thụ và thấm. Trong bê tông, cả cấu trúc vật lý của bê tông và trạng thái của nước trong lỗ
rỗng ảnh hưởng đến những quá trình này.
Đặng Thùy Chi (2018) [3] đã nghiên cứu về xác định độ chống thấm của bê tông cốt liệu
nhẹ. Mỗi cấp bê tơng được thí nghiệm trên một tổ mẫu gồm 6 viên hình trụ đường kính 150,
chiều cao 150 mm. Kết quả cho thấy loại BTCLN LC40 bị nước thấm qua khi áp lực nước đạt
12 atm, đạt được cấp chống thấm B10. Trong khi hai loại BTCLN LC50 và LC60 áp lực nước
lớn hơn 12 atm, mẫu vẫn chưa bị nước thấm qua, đạt được cấp chống thấm lớn nhất B12. Kết
quả này cũng tương tự như bê tông nặng thông thường.
Nghiên cứu độ bền thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ
Theo kết quả nghiên cứu của Youm và đồng sự [70] về BTCLN sử dụng muội silic, muội
silic cải thiện vi cấu trúc của vữa xi măng, qua đó cải thiện độ chống thấm ion clo của bê tông
nhẹ. Và BTCLN sử dụng muội silic có kết quả thử độ thấm ion clo ít bị ảnh hưởng bởi loại cốt
liệu. Mặt khác, Liu và đồng sự [51] đã nhận xét rằng mức độ thấm ion clo của BTCLN tăng
lên khi tăng hàm lượng CLN trong bê tơng. Ngồi ra, Liu và đồng sự cũng tổng kết rằng bê

tơng dùng CLN và cát thường có cùng độ chống thấm, độ thấm thấm ion clo so với bê tơng
thường có cùng tỉ lệ N/CKD.
Basheer, & Long, 2005, Lo et al., 2008 [52] cho thấy khi tỷ lệ cốt liệu nhẹ tăng lên thì độ
bền của bê tơng nhẹ giảm xuống. Ngun nhân được giải thích là do diện tích liên kết hồ xi
măng và cốt liệu tăng lên, đây làm điểm khiến cho khả năng xâm nhập nước và ion clo tăng
mặc dù phần lớn ion clo không xâm nhập qua các cốt liệu nhẹ (Chia & Zhang, 2002 [36]).
Đặng Thùy Chi (2018) thực hiện các thí nghiệm đo đạc độ thấm của bê tơng nhẹ với 3 cấp
cường độ mục tiêu 30, 50 và 60 MPa. Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo cho thấy mức độ
thấm tăng dần từ 166 Columb đến 193 Columb khi cường độ chịu nén trung bình giảm từ 69
xuống 50 MPa. Mức độ thấm rất thấp tương đương giá trị trung bình đo được trên các loại bê
tơng nặng cường độ nén bằng 80 MPa [33]. Như vậy, kết quả thí nghiệm dường như phù hợp
với các nhận xét của Liu [51] là BTCLN có độ thấm ion clo cao hơn so với bê tơng nặng có
cùng cường độ chịu nén ngày 28 (nhưng có tỉ lệ N/CKD cao hơn)
Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng
Năm 1980, tại hội nghị quốc tế vể bê tông trong môi trường biển do viện bê tông Mỹ
(ACI) tổ chức, Tuuti [16] cho rằng, các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường
biển sẽ bị các ion clorua khuếch tán vào bê tơng 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 mịn 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 mịn nở thể tích gây ra ứng suất kéo trong lớp
bê tông bảo vệ và gây nứt, tách, vỡ bê tơng.
Mơ 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 mịn thép trong bê tơng do ion clorua gây ra. Các
q trình này cơ bản được mơ tả như sau:
- Ion clorua trong mơi trường tích lũy trên bề mặt bê tông.
4


- 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 q trình ăn mịn bắt đầu xảy ra.
- Sản phẩm của ăn mịn 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 khơng cịn được đảm bảo hoặc gây mất an tồn. 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
khơng cịn thỏa mãn.
Tuutti, K. đã đưa ra mơ hình hai giai đoạn của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tơng cốt
thép như trong hình 1.2. 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 mịn theo phương trình 1.1.
(1.1)
t = t1 + t 2 ;
trong đó:
- t là tuổi thọ đã sử dụng ;
- t1 là giai đoạn khởi đầu ăn mòn;
- t2 là giai đoạn lan truyền ăn mịn.

Hình 1.2 - Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tơng cốt thép: Mơ hình hai giai
đoạn của Tuuti (1980)
Kết luận chương 1
Qua nhiều nghiên cứu về độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ, đã chỉ ra rằng, tính
thấm của bê tơng chịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: Một là đặc điểm độ rỗng như kích
thước, độ ngoằn ngo, và tính liên thơng giữa các lỗ rỗng, hai là các vết nứt vi mô trong bê
tông, đặc biệt là tại mặt liên kết giữa cốt liệu và chất kế dính. Trong đó, ảnh hưởng của ứng
suất do các tác động từ bên ngoài đến độ thấm bê tơng vẫn cịn chưa được làm rõ.

Trong khi đó, với các cơng trình xây dựng trong mơi trường biển, hiện tượng hư hỏng
quan trọng cần phải tính đến đó là q trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng do các ion clorua. Đã
có rất nhiều nghiên cứu đưa ra các đề xuất, mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clorua của bê
tông, tỷ lệ nước/ xi măng, thời gian, số điện lượng Coulombs. Ngoài ra, những nghiên cứu đánh
giá ảnh hưởng của trạng thái ứng suất nén trước trong bê tông cũng đã được thực hiện. Các thí
nghiệm khuếch tán ion qua bê tơng bao gồm thí nghiệm khuếch tán trạng thái ổn định, thí nghiệm
khuếch tán trạng thái khơng ổn định, thí nghiệm di trú vùng điện trường. Nói chung, việc thực
hiện các thí nghiệm thấm ion clorua còn phức tạp (đặc biệt khi xét đến các trạng thái ứng suất
trong bê tông). Nên việc xác định gián tiếp hệ số khuếch tán ion clorua thơng qua các thí nghiệm
đơn giản hơn như thí nghiệm thấm nước có ý nghĩa quan trọng trong cơng tác đánh giá độ bền và
dự báo tuổi thọ của các kết cấu cơng trình bằng bê tơng cốt liệu nhẹ.
5


CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ
THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
2.1. Đặt vấn đề
Mục đích của các thí nghiệm trong chương này là đánh giá độ thấm nước của một số loại
bê tơng nhẹ điển hình thường dùng trong các cơng trình cầu ở Việt Nam. Loaị bê tơng nhẹ có
cường độ 30 MPa (ký hiệu C30) được sử dụng trong các thí nghiệm này. Chương trình thí
nghiệm bao gồm các thí nghiệm sau:
- Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tơng.
- Thí nghiệm xác định độ thấm nước và thấm clo của bê tông chịu ứng suất nén trước.
- Thí nghiệm xác định độ thấm nước và thấm clo của bê tông chịu ứng suất nén trực tiếp.
Để thiết kế cấp phối cho bê tơng có cường độ chịu nén fc’ = 30 MPa (C30), nghiên cứu sinh
dùng xi măng Bỉm Sơn - PC 40 (đạt yêu cầu của TCVN 2682: 2009).
Cốt liệu nhỏ (cát)
Cát dùng để chế tạo bê tơng là cát thiên nhiên có cỡ hạt từ 0.14 đến 5mm - theo TCVN
7570-2008; từ 0.075 đến 4.75 mm - theo tiêu chuẩn của Mỹ và từ 0.08 đến 5mm theo tiêu
chuẩn của Pháp.

Cát được sử dụng trong nghiên cứu này là cát sông Đà.
 Cốt liệu lớn (đá dăm)
Sử dụng đá dăm Hịa Bình.
Vật liệu đá để chế tạo bê tơng phải có cường độ và độ hao mịn phù hợp. Đá dăm có độ
nhám tốt, liên kết chặt chẽ với vữa xi măng nên cường độ kháng uốn của bê tông đá dăm cao
hơn so với bê tông đá sỏi.
 Nước
Dùng nước sinh hoạt để sản xuất và bảo dưỡng bê tông. Nước dùng phải là nước sạch theo
TCVN 4056: 2012 Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật.
2.2. Kết quả thí nghiệm thấm nước với mẫu bê tơng chịu ứng suất nén trước
Dựa vào kết quả các thí nghiệm nói trên, ta xây dựng biểu đồ độ chống thấm nước của bê
tông C30 khi xét đến ứng suất nén trước như sau (Hình 2.1):

Hình 2.1 - Gia tăng độ thấm nước K theo ứng suất tương đối max
Ở ngưỡng max > 0.5 đánh dấu sự gia tăng nhanh của độ thấm nước khi áp lực nước lớn
hơn 10 atm, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của ứng suất nén trước đủ lớn đến gia tăng độ thấm
nước của bê tông nhẹ, chính các tác động cơ học dư này tạo điều kiện cho nước thẩm thấu dễ
dàng hơn qua mẫu bê tông, đặc biệt khi max > 0.5, sự xuất hiện sự phá hủy bê tông đã làm
cho gia tăng thấm nước tăng nhanh hơn. Đặc biệt trong thí nghiệm, ta thấy ở ngưỡng max =
0.8 đã cho ta thấy sự chênh lệch rất lớn về độ thấm nước trong bê tông nhẹ.
6


Hình 2.2 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.6.

Điện lượng (Coulombs)

Hình 2.3 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.7.
Độ thấm nước của bê tông gần như không thay đổi hoặc thay đổi chậm khi giá trị ứng suất
tương đối max < 0.5; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh. Khi ứng suất tương

đối max ≥ 0.6, độ thấm nước gia tăng rất nhanh; điều này có thể giải thích là do cấu trúc vi
mô của bê tông bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất này - vốn là ngưỡng làm xuất hiện các vùng
phá hủy phân tán (theo tiếp cận của cơ học phá hủy bê tông) - làm gia tăng độ thấm nước của
bê tông. Quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông sau 28 ngày tuổi trong thí nghiệm này
cũng tương tự như quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông non tuổi đã công bố của
Banthia & al (2005) khi phá hủy cơ học chưa xuất hiện trong bê tông.
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

MẪU 1
MẪU 2
MẪU 3
MẪU 4
MẪU 5
MẪU 6

0

(max) 0.2

0.4

0.6

0.8

1

Hình 2.4 - Độ thấm clo của bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất nén trước trong bê tông
7


Ta thấy khi ứng suất nén trước trong bê tông: max ≤ 0,5 thì độ thấm ion clo tăng tuyến
tính và khá đều; sau ngưỡng này thì độ thấm clo tăng mạnh.
Độ thấm ion clo của bê tông cấp 30Mpa ở các cấp chịu tải 30%f’c, 50%f’c, có giá trị từ
200 - 300(C) - ở mức trung bình, khi cấp chịu tải là 80%f’c điện lượng truyền qua mẫu tăng
nhanh đạt 1300(C) - ở mức cao.

Hình 2.5 - Quy luật gia tăng của hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước của mẫu bê
tông cốt liệu nhẹ C30
Ta thấy, khi ứng suất nén thấp hơn 0.5max sự thay đổi độ thấm không đáng kể, nhưng khi
ứng suất nén trước đạt đến 0.7max thì hệ số thấm tăng khoảng 2.7 lần so với độ thấm của bê
tông không chịu tải.
Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trước của bê tông cốt liệu nhẹ C30
được biểu diễn theo công thức như sau:
Hồi quy hàm mũ: D/Do = 9.1226(max)2 – 3.4256(max) + 1.0816
(2.12)

Hình 2.6 - Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tông nhẹ chịu nén trực tiếp
Quan hệ của độ thấm ion clo (C) của bê tơng C30 theo thí nghiệm thấm nhanh tương ứng
với các giá trị ứng suất khi nén đồng thời mẫu bê tông được biểu diễn trên hình 2.7. Kết quả
thí nghiệm cho thấy độ thấm ion clo thay đổi mạnh khi có sự xuất hiện của tải trọng tác động
đồng thời. Tuy nhiên trước và sau khi gia tải độ thấm ion clo đều nằm trong mức “trung bình”

theo TCVN 9337-2012. Khi tăng tải trọng tương ứng với cấp suất  lên 30% và 50% so với
cấp ứng suất max, độ thấm của bê tông tăng lần lượt là 24,50% và 39,48%. Khi tăng ứng suất
lên 80% max độ thấm của bê tơng có sự gia tăng lớn. Trong trường hợp độ thấm ion clo giảm
8


sẽ dẫn tới kéo dài thời gian xâm nhập ion clo qua lớp bê tông bảo vệ để gây ăn mịn cốt thép
trong các cơng trình bê tơng cốt thép. Từ kết quả này cho thấy rằng trong kết cấu bê tơng ứng
suất trước, khi có ứng suất nén trong bê tơng nằm trong giới hạn phù hợp có thể kéo dài thời
gian xâm nhập và làm tăng tuổi thọ do quá trình xâm nhập ion clo.

Hình 2.7 - Quan hệ của độ thấm ion clo qua bê tông với cấp ứng suất nén bê tông nhẹ
Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trực tiếp của bê tông nhẹ C30 được
biểu diễn theo công thức như sau:
Hồi quy hàm mũ: D/Do = 4.4975(max)2 – 1.9529(max) + 0.9543

(2.13)

Banthia & al (2008) đề nghị mối quan hệ giữa hệ số thấm nước K và hệ số khuếch tán ion
clo D của bê tông cốt sợi như sau:
K=𝐶𝐾 𝑥𝐹 0.5 𝑥𝑆 0.5 𝑥𝐷
Trong đó:
- S là hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất nén trong bê tơng, hệ số này được biểu diễn bằng
𝐾𝑐ó 𝑡ả𝑖
tỷ lệ giữa hệ số thấm nước của bê tơng có gia tải và bê tông không chịu tải: S =
𝐾𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑡ả𝑖

- F là hệ số xét đến ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi trong bê tông; hệ số F được biểu diễn
bằng tỷ lệ giữa hệ số thấm nước của bê tơng có cốt sợi và hệ số thấm nước của bê tơng khơng
có sợi. Khi chỉ xét đến bê tơng thường (F = 1): F =

𝐾𝑐ó 𝑐ố𝑡 𝑠ợ𝑖
𝐾𝑘ℎơ𝑛𝑔 𝑐ố𝑡 𝑠ợ𝑖

- Ck là hệ số xét đến tương quan giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông
𝐾

không chịu tải: Ck = 𝐷0
Hệ số khuếch tán ion clo của bê tơng được tính từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo theo
Berke và Hicks (1993) như sau:
D = 1,03x10-2xQ0,84 x10-12(m2/s)

Hệ số Ck cho bê tông C30 xét đến tương quan giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion
clo của bê tơng khơng chịu tải được tính từ kết quả thí nghiệm thấm nước và thấm ion clo là:

𝐶𝑘 =

3.5𝑥10−11
1.205𝑥10−12

= 29.05

9


Hình 2.8 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clo dựa trên lý thuyết Banthia và kết quả thí
nghiệm của bê tơng nhẹ C30
Qua hình 2.8, cho thấy, kết quả tính tốn hệ số khuếch tán ion clo theo lí thuyết, và kết
quả thí nghiệm độ thấm ion clo là khá sát nhau.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi cấp ứng suất trong bê tông max ≤ 0,3 thì hệ số khuếch

tán ion clo giảm, khi cấp ứng suất này tăng lên, hệ số khuếch tán tăng dần. Tăng mạnh khi cấp
ứng suất trong bê tông vượt ngưỡng max ≥ 0,6.
Kết quả tính tốn cho phép đề xuất cơng thức tính hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm
nước như sau:
Với bê tông C30: Kw = 29.05 S0.5 D
Với cơng thức này, ta có thể dễ dàng tính tốn hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm
nước của một số loại bê tông thường dùng.
2.3. Kết luận chương 2
Kết quả thí nghiệm xác định độ chống thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ứng suất
nén trước cho thấy, ở ngưỡng max > 0.5 đánh dấu sự gia tăng nhanh của độ thấm nước khi áp
lực nước lớn hơn 10atm, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của ứng suất nén trước đủ lớn đến gia tăng
độ thấm nước của bê tông nhẹ, chính các tác động cơ học dư này tạo điều kiện cho nước thẩm
thấu dễ dàng hơn qua mẫu bê tông, đặc biệt khi max > 0.5, sự xuất hiện sự phá hủy bê tông đã
làm cho gia tăng thấm nước tăng nhanh hơn. Đặc biệt trong thí nghiệm, ta thấy ở ngưỡng max =
0.8 đã cho ta thấy sự chênh lệch rất lớn về độ thấm nước trong bê tơng nhẹ.
Kết quả thí nghiệm đo thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ứng suất nén trực tiếp
cho thấy, Độ thấm nước của bê tông gần như không thay đổi hoặc thay đổi chậm khi giá trị
ứng suất tương đối max < 0.5; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh. Khi ứng suất
tương đối max ≥ 0.6, độ thấm nước gia tăng rất nhanh; điều này có thể giải thích là do cấu
trúc vimô của bê tông bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất này - vốn là ngưỡng làm xuất hiện các
vùng phá hủy phân tán (theo tiếp cận của cơ học phá hủy bê tông) - làm gia tăng độ thấm nước
của bê tông. Quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tơng sau 28 ngày tuổi trong thí nghiệm
này cũng tương tự như quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông non tuổi đã công bố của
Banthia & al (2005) khi phá hủy cơ học chưa xuất hiện trong bê tơng.
Kết quả thí nghiệm thấm ion clo với mẫu bê tông chịu ứng suất nén trước cho thấy, khi
ứng suất nén trước trong bê tông max ≤ 0,8 thì độ thấm ion clo tăng tuyến tính và khá đều;
sau ngưỡng này thì độ thấm ion clo tăng mạnh.
Kết quả thí nghiệm thấm ion clo với mẫu bê tông chiụ tải trọng trực tiếp cho thấy, độ thấm
ion clo thay đổi mạnh khi có sự xuất hiện của tải trọng tác động đồng thời. Tuy nhiên trước và
sau khi gia tải độ thấm ion clo đều nằm trong mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012. Sự

suy giảm độ thấm tại ứng suất 30% max được giải thích là do ứng suất gây biến dạng vi mô
-

10


và vì ứng suất vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi nên chưa phát sinh vết nứt mà ngược lại làm
tăng độ đặc và giảm lỗ rỗng của bê tông do đó làm giảm độ thấm. Tốc độ xâm nhập ion clo
qua bê tông giảm khi ứng suất ở mức 30% max và tăng ở mức 50% max và 70% max.
Cuối cùng, tác giả đề xuất mối quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của
bê tông.
Với bê tông C30: Kw = 29.05 S0.5 D
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO TUỔİ THỌ CỦA KẾT CẤU SỬ DỤNG
BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ
3.1. Đặt vấn đề
Mục đích của chương này là xây dựng mơ hình dự báo ảnh hưởng của tải trọng và mơi
trường đến tuổi thọ các kết cấu cơng trình cầu bê tơng cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí khởi
đầu ăn mịn cốt thép trong bê tơng. Các kết quả thí nghiệm trong chương 2 sẽ được sử dụng
làm cơ sở thiết lập các mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình. Các mơ hình này sẽ được ứng dụng
trong dự báo tuổi thọ một cơng trình cầu cụ thể.
Chương này được cấu trúc thành 2 phần chính. Phần đầu chương là phần xây dựng mơ hình dự
báo có xem xét đến đồng thời ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện mơi trường. Phần thứ 2 là các
tính tốn dự báo tuổi thọ với một cơng trình cầu cụ thể có xét đến sự thay đổi của chiều dày lớp bê
tông bảo vệ, nồng độ ion clo bề mặt, ứng suất nén trước và nén trực tiếp trong bê tông.
3.2. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, chỉ đề cập tới tuổi thọ sử dụng theo sự xâm
nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tơng gây ăn mịn cốt thép.
Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập ion clo là thời gian từ khi bắt đầu
tiếp xúc với mơi trường có ion clo đến khi ion clo gây ra ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt bê tơng
bảo vệ hoặc tới khi ăn mịn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng

xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê
tơng cốt thép tính theo sự xâm nhập ion clo sẽ được tính bằng năm và là tổng của hai giai đoạn
kế tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn.
Trong phạm vi luận án này, liên quan đến phá hoại dài hạn của cơng trình do bị ăn mịn,
chỉ xem xét đánh giá tuổi thọ của một cơng trình giao thơng bằng bê tơng cốt thép như là thời
gian bắt đầu có sự ăn mịn các cốt thép trong bê tơng do sự khuếch tán ion clo vào bê tơng hay
chính xác hơn là thời gian mà nồng độ ion clo (C) ở bề mặt các cốt thép đạt đến giá trị tới hạn
(Ccr). Sự thay đổi của tuổi thọ cơng trình theo tiêu chí ăn mịn này được biểu diễn theo các
thay đổi về bề dày lớp bê tông bảo vệ và độ thấm của bê tông liên quan đến hệ số khuếch tán
ion clo vào trong bê tơng có xét đến yếu tố ứng suất.
3.3. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí
ăn mịn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tông
Các thông số đầu vào trong bài toán là quan trọng. Luận án này sẽ dựa trên những thông
số đầu vào từ các thí nghiệm ở chương 2 cùng với kết quả của các tác giả trong và ngồi nước.
Các thơng số đó sẽ được kiến nghị sử dụng cho mơ hình sẽ được xây dựng.
3.3.1. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí khởi
đầu ăn mịn cốt thép
Năm 1975, Crank đưa ra mơ hình tốn học cho q trình khuếch tán dựa trên định luật
Fick II. Trong trường hợp hệ số khuếch tán là hằng số, nông độ ion clorua trên bề mặt cốt thép
ở công thức 3.1 với điều kiện biên C0 = C(0,t) (tức hàm lượng ion clorua bề mặt là hằng số) và
điệu kiện ban đầu C = 0, x > 0 và t = 0, được xác định bởi:
x
(3.1)
)) ;
Cx = Cs (1 − erf (
2√Dt
11


trong đó:

- Cx là nồng độ ion clorua ở chiều sâu x;
- erf là hàm sai số;
- Cs là nồng độ ion clorua ở bề mặt bê tông của kết cấu;
- t là thời gian xem xét;
- x là chiều sâu tính từ bề mặt bê tơng của kết cấu ;
- D là hệ số khuếch tán ion clorua.
Quá trình ăn mòn cốt thép bắt đầu khi Cx = Ccr ; khi đó x = h (chiều dày lớp bê tơng bảo vệ) ta có:
h
(3.2)
))
Ccr = Cs (1 − erf (
2√Dt
Thực tế thì tuổi thọ của các cơng trình nói chung và các cơng trình giao thơng nói riêng
theo tiêu chí ăn mịn cao hơn đáng kể so với kết quả được tính theo cơng thức ở trên vì độ
khuếch tán clorua và nồng độ clorua bề mặt là những yếu tố phụ thuộc vào thời gian.
Ðể xem xét yếu tố thời gian trong biểu diễn giá trị độ khuếch tán clorua của bê tông thường
nguyên vẹn, Mangat & Molloy (1994) đề nghị quy luật thay đổi Kc theo thời gian có dạng như sau:
t0 m
(3.3)
D = D28 ( ) ;
t
trong đó:
- D28: là hệ số khuếch tán ion Clorua tại tuổi 28 ngày;
- t0 : tuổi bê tông (t0 = 28 ngày) ;
- m : là hệ số thực nghiệm được lấy như sau : (theo A.Costa and J.Appleton (1998))
 Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển: m = 0.245 ;
 Vùng thủy triều lên xuống: m = 0.2 ;
 Vùng khí hậu ven biển: m = 0.29.
Để xem xét yếu tố thời gian trong biểu diễn giá trị nồng độ clorua bề mặt Cs trong luận án
này tác giả lấy hay dổi theo đề nghị của A. Costa & J.Appeleton (1998) như sau:

(3.4)
Cs = Cso . t n ;
trong đó: Cso là nồng độ clorua bề mặt sau thời gian 1 năm; n là hệ số thực nghiệm. Theo
các điều kiện môi trường khác nhau các giá trị Cso (theo % khối lượng bê tông) và n cho bê
tông thường điển hình được lấy như sau (A. Costa & J.Appeleton (1999)):
- Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển: Cso = 0.24; n = 0.47;
- Vùng thủy triều lên xuống: Cso = 0.38; n = 0.37;
- Vùng khí hậu ven biển: Cso = 0.12; n = 0.54.
Như vậy nếu xét đến sự thay đổi theo thời gian của hệ số khuếch tán clorua và nồng dộ
clorua bề mặt thì (3.2) được viết lại như sau:
x
)
Cx = Cso t n (1 − erf (
(3.5)
2√D28 𝑡0𝑚 t1−m
Chiều dày nhỏ nhất của lớp bê tơng bảo vệ h cần thiết để chống ăn mịn cốt thép trong bê
tơng được tính như sau:
Ccr
(3.6)
)
h = 2√3D28 𝑡0𝑚 t1−m × erf −1 (
Cso t n
3.3.2. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn
mịn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tông
Khác với trạng thái khi không chịu tải, cấu trúc bê tông còn nguyên vẹn, khi phải chịu một
tải trọng đủ lớn, cấu trúc bê tông bị phá hủy dẫn đến độ thấm của bê tông tăng rất nhanh, điều
này sẽ tạo diều kiện cho độ khuếch tán clorua vào bê tông tăng càng nhanh, làm tăng nồng độ
ion Clo ở bề mặt cốt thép và hậu quả là gây ăn mòn cốt thép sớm hơn. Để giải thích điều này,
12

khi ứng suất trong bê tông vượt quá giới hạn nứt sẽ làm cho bê tông nứt và tạo điều kiện cho
độ thấm nước và độ khuếch tán ion clorua tăng nhanh.
Ðể xét ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến q trình khuếch tán ion clorua vào bê tơng,
cơng thức xác định mối quan hệ giữa sự gia tăng hệ số khuếch tán ion clorua theo thời gian và
trạng thái ứng suất nén trước hay nén trực tiếp ở chương sẽ được sử dụng trong các tính tốn.
Do đó, từ công thức 3.5 và 3.6 ta thiết lập được cơng thức xác định tuổi thọ cơng trình bê
tơng cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mịn cốt thép trong bê tông.
a) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trước

b) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trực tiếp

3.4. Mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến lí thuyết xác suất
3.4.1. Lý thuyết xác suất hư hỏng và tuổi thọ dài hạn
Mơ hình tính tốn đơn giản nhất để mô tả trường hợp hư hỏng một biến số tải trọng S và
một biến số sức kháng R. Về nguyên tắc, biến số R và S có thể là nhiều tải trọng và được biểu
diễn trong nhiều đơn vị. Chỉ duy nhất yêu cầu là chúng có tỷ lệ.
Nếu R và S độc lập với thời gian, trường hợp hư hỏng có thể được hiểu như sau (Kraker,
de Tichler và Vrouwenvelder, 1982):
{Hư hỏng} = {R < S}
(3.7)
Nói cách khác hư hỏng xảy ra khi sức kháng nhỏ hơn tải trọng tác dụng lên kết cấu.
Xác suất hư hỏng Pf bây giờ được định nghĩa như xác suất hư hỏng đó.
Pf = P (R < S)
(3.8)
Sức kháng R hoặc tải trọng S hoặc cả hai đều có thể là các tải trọng phụ thuộc vào thời
gian. Do đó, xác suất hư hỏng cũng có thể là một tải trọng phụ thuộc vào thời gian. Việc xem
xét R(г) và S(г) là những giá trị theo quy luật tự nhiên tức thời của sức kháng và tải trọng ở
thởi điểm г xác suất hư hỏng trong một tuổi thọ г có thể được định nghĩa bằng:
Pf(г) = P{R(г)< S(г)} với mọi г < t

(3.9)
Việc xác định hàm số Pf(г) theo phương trình trên là rất khó về mặt tốn học. Thông thường, sức
kháng và tải trọng không thể được xử lý như những giá trị tự nhiên tức thời. Đó là lý do tại sao R và S
được xem xét là các tải trọng ngẫu nhiên với các phân phối phụ thuộc vào thời gian hoặc các phân
phối mật độ không đổi. Với ý nghĩa như vậy, xác suất hư hỏng thường định nghĩa:
Pf(t) = P {R(t)< S(t)}
(3.10)
Theo như định nghĩa trên, xác suất hư hỏng tăng liên tục theo thời gian như biểu đồ dưới đây.

Hình 3.1 - Xác suất hư hỏng tăng liên tục theo thời gian
Ở thời điểm t = 0 phân phối mật độ của tải trọng rất xa nhau và xác suất hư hỏng ban đầu
là nhỏ. Với thời điểm các phân phối tiếp cận gần nhau, tạo ra diện tích chồng chéo tăng lên.
Vùng chồng chéo minh họa khu vực xác suất hư hỏng. Hàm Pf(t) có đặc điểm là hàm phân
13


phối. Nếu tuổi thọ dài hạn được định nghĩa như vậy thì trường hợp t L < t giống với trường hợp
hư hỏng với tuổi thọ dài hạn t, hàm phân phối tuổi thọ dài hạn được định nghĩa bằng:
FL = P(tL < t) = Pf(t)
(3.11)
Ở đó FL là phân phối tích lũy của tuổi thọ dài hạn.
Hàm mật độ xác suất được xác định như nguồn gốc của hàm phân phối:
f L (t ) 

d
FL (t )
dt

(3.12)

Tại một thời điểm nào đó, xác suất hư hỏng có thể được xác định bằng tổng các tích của hai xác
suất: (1) xác suất mà R < S tại S = s và (2) xác suất mà S = s, mở rộng cho tất cả các dãy số của S:
Pf   P{R  S / S  s}.P{S  s}
(3.13)
s

Để xem xét các phân phối liên tục, xác suất hư hỏng Pf ở một thời điểm nào đó có thể
được xác định bằng việc sử dụng tích phân chập:


Pf 

 F (s). f (s)ds
R

(3.14)

s



Trong đó:
FR(s) là hàm phân phối của R.
fs(s) là hàm mật độ xác suất của S
s là tải trọng phổ biến hoặc độ lệch của R và S
Phương pháp chung để giải quyết bài tốn tích phân này với các phân phối phụ thuộc vào thời
gian của R và S có thể là rất phức tạp. Hướng giải quyết trực tiếp các tích phân này chỉ sẵn có
trong một số trường hợp, ví dụ như phân phối của R và S là bình thường. Tuy nhiên các tích phân
có thể giải quyết bằng phương pháp xấp xỉ. Phân phối của tuổi thọ dài hạn có thể tìm được bằng
cách tính tốn các giá trị xác suất hư hỏng ở các thời điểm khác nhau như t = 10, 20, 30…

3.4.2. Phương pháp thiết kế xác suất
Với phương pháp thiết kế độ bền xác suất, các phân phối của tải trọng, đường đặc trưng và tuổi
thọ dài hạn cũng được đưa vào tính tốn. Điều kiện được hiểu là xác suất mà cơng thức thiết kế là
khơng chính xác. Cơng thức thiết kế có thể được thiết lập theo nguyên tắc làm việc hoặc nguyên tắc
tuổi thọ dài hạn về cơ bản là giống nhau như trong thiết kế xác định. Theo nguyên tắc làm việc, yêu
cầu sau đây phải được thỏa mãn: Xác suất của sức kháng của kết cấu mà nhỏ hơn tải trọng trong
thời gian sử dụng phải nhỏ hơn một xác suất hư hỏng cho phép nào đó:
Về mặt tốn học u cầu được hiểu là:
P{hư hỏng}tg = P{R – S < 0}tg < Pfmax
(3.15)
Ở đây P{hư hỏng}tg là xác suất hư hỏng của kết cấu trong tuổi thọ dài hạn mong muốn tg.
Pfmax là xác suất hư hỏng cho phép tối đa.
Vấn đề có thể được giải quyết nếu các phân phối của tải trọng và sức kháng được tìm ra.
Khi quy tắc tuổi thọ dài hạn được sử dụng, yêu cầu được thiết lập như sau: Xác suất mà tuổi thọ
dài hạn của kết cấu ngắn hơn tuổi thọ mong muốn là nhỏ hơn xác suất hư hỏng cho phép nào đó.
P{hư hỏng}tg = P{tL < tg} < Pfmax
(3.16)
Vấn đề có thể được giải quyết nếu phân phối của tuổi thọ dài hạn được xác định. Nếu
dạng phân phối không được xác định, nó phải được phỏng đốn theo một số phân phối đã biết.
Một giải pháp cho các trường hợp phân phối của tuổi thọ dài hạn được giả định là loga chuẩn.
3.4.3. Thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp R và S có phân phối chuẩn
Trường hợp nguyên tắc làm việc được sử dụng trong thiết kế độ bền, và tải trọng và sức kháng là
các tải trọng có phân phối chuẩn, xác suất hư hỏng được xác định bằng cách sử dụng chỉ số thử β:
 ( R, t )   ( S , t )
 (t )  2
(3.17)
( [R, t ]   2 [S , t ])1/2
μ là giá trị trung bình, σ là độ lệch chuẩn.
14

Chỉ số thử β là phân phối chuẩn (0,1). Xác suất hư hỏng tương ứng với β là sẵn có trong
các bảng hoặc trong các hàm được cập nhật trong các ứng dụng bảng tính. Trong thiết kế kết
cấu chỉ số thử β được xem như là hệ số an tồn hoặc chỉ số độ tin cậy. Thơng thường R hoặc S
là hằng số. Quan hệ trên được rút gọn :
r  [S , t ]
 (t ) 
(3.18)
 [S , t ]
[R, t ]  s
 (t ) 
(3.19)
 [R, t ]
Trong đó r và s là các hằng số.
Trong trường hợp r là hằng số và s là hàm theo thời gian được xấp xỉ bằng một mô hình
suy giảm, vấn đề này được gọi là một vấn đề về sự làm việc.
Vì các giá trị trung bình và các độ lệch chuẩn phụ thuộc vào thời gian nên chỉ số β cũng
phụ thuộc vào thời gian. Để tìm được phân phối của tuổi thọ dài hạn thì các xác suất hư hỏng
phải được giải quyết với một số giá trị của t (t= 0, 10, 20,… hàng năm).
3.4.4. Xây dựng mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu
nhẹ có xét đến tính bất định của các tham số đầu vào
Tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tơng cốt liệu nhẹ được tính là thời gian từ lúc
đưa cơng trình vào khai thác đến thời điểm cốt thép trong bê tông bắt đầu bị ăn mòn. Tuổi thọ
phụ thuộc vào 4 yếu tố: hệ số khuếch tán clorua D, nồng độ clorua cân bằng ở bề mặt bê tông
Cs, nồng độ clorua giới hạn và lớp phủ bê tông Ccr và chiều dày lớp bê tông bảo vệ h.
Trong các nghiên cứu gần đây, nồng độ clorua giới hạn Ccr được coi là có phân phối chuẩn
với giá trị trung bình và hệ số biến thiên (COV) là 0.027 - 0.045% và 0.05 - 0.296 (Enright và
Frangopol 1998a; Stewart 2009; Stewart và Rosowsky 1998; Yanaka 2004. Nồng độ clorua bề
mặt Cs được mơ hình hóa bằng phân bố chuẩn loga với giá trị trung bình và khoảng COV lần lượt
là 0.10 - 0.40% và 0.05 - 0.50 (Vũ và Stewart 2000). Chiều dày lớp bê tông bảo vệ bị ảnh hưởng

bởi chất lượng xây dựng, được mô phỏng theo phân phối chuẩn hoặc phân phối xác suất loga
chuẩn (Enright và Frangopol 1999a).
Hệ số khuếch tán clorua trong đề tài này được mô tả tuân theo luật phân phối chuẩn với
giá trị trung bình và khoảng COV lần lượt là 0.32-2.58 cm2 /năm và 0.05-1.6 (mơ hình phân
phối chuẩn được nhiều tác giả đề cập đến như Yanaka (2004) .
Điều kiện để các cốt thép trong kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ bị ăn mòn là:
C(x, t) ≥ Ccr hay f = C(x, t) – Ccr ≥ 0
Xác suất để sự cố ăn mòn xuất hiện được biểu diễn như sau:
Pf = P[C(x, t) – CCr ≥ 0]
Sử dụng mơ phỏng Monte-Carlo có có thể dễ dàng tính được xác suất sự cố ăn mịn xảy
ra. Xác suất ăn mịn xảy ra được tính theo cơng thức:
1
Pf = ∑𝑁
𝐼(𝑓(𝑥, 𝑡))
𝑁 1
Trong đó I là hàm chỉ thị:
I = 0 nếu f(x,t) < 0
I = 1 nếu f(x,t) ≥ 0.
Áp dụng các công thức trên đây với các thơng số từ nghiên cứu, thí nghiệm thực nghiệm
có thể tính được xác suất sự cố ăn mòn cốt thép xảy ra. Tuổi thọ thiết kế dự kiến của cơng
trình là 100 năm.
3.5. Kết luận chương 3
Để đề xuất mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng theo độ thấm ion clo, mở đầu chương III, tác giả
đã trình bày các khái niệm, đặc điểm và sự khác nhau cơ bản về tuổi thọ sử dụng và độ bền của
một kết cấu. Sự suy giảm trực tiếp và sự suy giảm gián tiếp được coi là hai cơ chế chủ yếu dẫn
đến sự suy giảm của kết cấu cầu bê tơng cốt thép, trong đó, ở phạm vi nghiên cứu đề tài này, tác
15


giả chỉ đề cập đến tuổi thọ sử dụng theo sự xâm nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tơng gây ăn

mịn cốt thép. Mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép được xây dựng dựa trên mơ hình
của Tuutti. K gồm hai giai đoạn theo sự xâm nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tơng gây ăn
mịn cốt thép. Và trong nghiên cứu này, liên quan đến phá hoại dài hạn của cơng trình do bị ăn
mịn, tác giả chỉ xem xét đánh giá tuổi thọ của một cơng trình giao thông bằng bê tông cốt thép
như là thời gian bắt đầu có sự ăn mịn các cốt thép trong bê tông do sự khuếch tán ion clo vào bê
tông hay chính xác hơn là thời gian mà nồng độ ion clo (C) ở bề mặt các cốt thép đạt đến giá trị
tới hạn (Ccr). Phương trình tính tốn nồng độ ion clo ở bề mặt cốt thép được lấy theo định luật 2
Fick (RILEM 14 (2005) - A.Sara & E. Vesikari).
Cuối chương, tác giả đưa ra mơ hình dự báo tuổi thọ theo lí thuyết xác suất khi xét đến
quá trình xâm nhập clorua gây ăn mịn cốt thép. Và thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong
trường hợp R và S có phân phối chuẩn được lựa chọn ở trong nghiên cứu này.

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP
CỐT LIỆU NHẸ CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI
TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MƠI TRƯỜNG
4.1. Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với mơ
hình xác định.
Mơ hình đề xuất và các giá trị thực nghiệm đã được trình bày ở chương 3 được áp dụng
trong mục tính tốn này

Hình 4.1 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tơng bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo ứng suất
nén trước
Trên hình 4.1 ta thấy, với trường hợp tải trọng nén trước; quy luật thay đổi tuổi thọ cơng
trình theo chiều dầy lớp bê tông bảo vệ khá tương đồng; sự gia tăng ứng suất nén trước sẽ yêu
cầu chiều dày lớp bê tơng bảo vệ dày hơn.

Hình 4.2 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ cơng trình theo ứng suất
nén trực tiếp
16

Trên hình 4.2 ta thấy, với trường hợp tải trọng nén trực tiếp; quy luật thay đổi tuổi thọ
cơng trình theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nén trước theo
các giai đoạn khác nhau. Khi max = 0.3 thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ giảm xuống nhưng
khi max = 0.5 thì chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tăng lên và tăng lên đáng kể tại max = 0.7
4.2. Tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tơng cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với
mơ hình xác suất
Bảng 4.1 - Bảng tham số đầu vào
Các tham số đầu vào

Giá trị trung Độ

lệch Hệ

số

biến

bình 𝝁

chuẩn 𝝈

thiên Cv (%)

38,00

5,70

15

Ngưỡng nồng độ gây ăn mòn

0,06

0,009

15

Nồng độ ion clo bề mặt sau 1 năm:

0,24

0,03

15

Hệ số n

0,47

0,0705

15

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ h

60

9

15

Hệ số thực nghiệm m

0,245

3,675

15

Hệ số khuyếch tán ion clo ban đầu
(mm2/năm)

Trong nghiên cứu này, các tham số D, m, C s, Ccr và m coi là các biến ngẫu nhiên có
dạng phân phối chuẩn N(µ, σ) với µ là giá trị trung bình và σ là độ lệch chuẩn, các tham
số khác coi là hằng số. Hệ số biến thiên Cv được tham khảo là 15% không đổi (với độ
lệch chuẩn bằng 15% giá trị trung bình) cho tất cả các tham số trong Bảng 4.1.
D = 38,00 (mm2/năm) (D = 1.205x10-12 (m2/s)) với bê tông là bê tơng cốt liệu nhẹ theo tiêu
chí khởi đầu ăn mịn; với tỷ lệ nước/xi măng (N/X) = 0,27; hmin = 60mm đối với KCBT ven
biển. Ở đây chọn h = 60mm; Δh = 0 (mm) với vùng khí quyển biển; tuổi thọ sử dụng thiết kế
là 100 năm; m = 0,245 với bê tông nhẹ, CCr = 0,06% (theo khối lượng bê tông), kcu = 1,0 với
bảo dưỡng KCBT 7 ngày và ken = 0,68 với vùng khí quyển biển.
4.2.2.1. Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán ion clorua D
Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mịn Pf được thể hiện trong Hình
4.10. Ta thấy rằng trong một khoảng thời gian nhất định, khi giữ nguyên các tham số khác, sự
gia tăng của D dẫn đến gia tăng Pf, điều này là do độ khuếch tán càng cao thể hiện việc vận
chuyển các ion clorua vào trong bê tông càng nhanh, hệ số D0 phụ thuộc vào chất lượng của
bê tông chủ yếu là tỉ lệ N/X và loại chất kết dính (CKD). Giả sử Pmt = 0,1 (β = 1,3), Hình 4.3
cho thấy rằng thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 28, 20 và 19 năm tương
ứng với hệ số khuếch tán D = 47,50; 38,00 và 57,01 (mm2/năm).

17


1

D=57,01

Xác suất ăn mịn Pf

0.8

D=38,00

0.6
0.4

 =1,3

D=47,50

0.2
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thời gian (năm)

Hình 4.3 - Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mòn
4.2.2.2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ h
Ảnh hưởng của h đến Pf được thể hiện trong Hình 4.4. Khi h tăng lên thì Pf giảm xuống, hay
nói cách khác nếu Pf là như nhau thì thời gian bắt đầu ăn mịn cốt thép tăng lên. Để có thể bắt đầu
ăn mịn, các ion clorua bên ngoài phải được vận chuyển từ bề mặt bê tông đi qua lớp bảo vệ và
đến cốt thép, do đó, chiều dày lớp bê tơng bảo vệ càng lớn làm cho nồng clorua đạt đến cốt thép ở
mức tới hạn càng lâu và tuổi thọ của KCBT càng lớn. Như vậy chiều dày lớp bê tông bảo vệ là
một trong những tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến tuổi thọ của KCBT. Nếu lấy Pmt = 0,1 (β
= 1,3), thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 29, 41 và 57 năm tương ứng với
chiều dày lớp bê tông bảo vệ h = 60, 75 và 90 mm.
1

Xác suất ăn mòn Pf

0.8

h=75mm

0.6

h=60mm
0.4

h=90mm

 =1,3

0.2
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thời gian (năm)

Hình 4.4 - Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ h đến xác suất sự cố ăn mòn
4.2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới hạn Ccr
Hình 4.5 cho thấy ảnh hưởng của CCr đến Pf tương tự như chiều dày lớp bê tông bảo vệ,
tức là Pf giảm khi CCr tăng lên. Rõ ràng khi C Cr tăng lên dẫn đến thời gian để các ion clorua
từ bên ngoài xâm nhập vào bê tơng đạt đến mức CCr tăng lên và do đó P f giảm xuống. Nồng
độ CCr phụ thuộc vào chất lượng bê tông (tỷ lệ N/X, loại CKD) và loại thép sử dụng. Nếu lấy
Pmt = 10-1 (β = 1,3), thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 29, 38 và 46
năm tương ứng với CCr = 0,06, 0,075 và 0,09%.
18


1

Xác suất ăn mòn Pf

0.8

CCr = 0,075%

0.6

CCr = 0,06%
0.4

CCr = 0,09%

 =1,3

0.2
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thời gian (năm)

Hình 4.5 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới hạn Ccr đến xác suất sự cố ăn mòn
4.2.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ clorua bề mặt bê tông CS
Ảnh hưởng của CS đến Pf được thể hiện trong Hình 4.6, CS tăng lên làm cho Pf tăng lên. Vì
CS càng cao sẽ làm tăng chênh lệch nồng độ clorua giữa bề mặt và phần bên trong của bê tông
càng lớn dẫn đến sự vận chuyển clorua vào bê tông càng nhanh, kết quả là clorua đạt đến nồng
độ CCr diễn ra nhanh hơn. Nồng độ CS phụ thuộc thời gian, chất lượng của bê tông (tỉ lệ N/X,
loại CKD) và loại môi trường tiếp xúc. Thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là
khoảng 25, 39 và 42 năm tương ứng với CS= 0,36; 0,3 và 0,24%.
1

Xác suất ăn mòn Pf

0.8

CS = 0,36%
CS = 0,3%

0.6
0.4
0.2

CS = 0,24%

 =1,3

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thời gian (năm)

Hình 4.6 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua bề mặt bê tông CS đến xác suất sự cố ăn mòn
4.2.2.5. Ảnh hưởng của hệ số tuổi n
Ảnh hưởng của n đến Pf được thể hiện trong Hình 4.7, n càng lớn thể hiện sức kháng
của bê tông với xâm nhập clorua từ môi trường theo thời gian càng lớn (hệ số khuếch tán
ion clorua của bê tông theo thời gian càng thấp) dẫn đến Pf giảm xuống (tăng tuổi thọ của
KCBT). Hệ số n phụ thuộc phụ thuộc chủ yếu vào loại CKD và điều kiện môi trường tiếp

xúc. Thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 32, 42 và 56 năm tương ứng
với hệ số n = 0,47; 0,5875 và 0,705.

19


Xác suất ăn mòn Pf

1
0.8

n = 0,47
n = 0,5875

0.6
0.4

n = 0,705

 =1,3

0.2
0
0

20

40

60

80

100

Thời gian (năm)

Hình 4.7 - Ảnh hưởng của hệ số tuổi n đến xác suất sự cố ăn mòn
4.4. Kết luận chương 4
Áp dụng tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản mặt cầu đường sắt bằng bê tông cốt thép cốt
liệu nhẹ với các thông số từ thí nghiệm và lấy theo khuyến cáo của một số tiêu chuẩn điển
hình trên thế giới, kết quả cho thấy tuổi thọ kết cấu bản mặt cầu đường sắt bê tông cốt thép cốt
liệu nhẹ theo tiêu chỉ khởi đầu ăn mòn giảm đáng kể khi ứng suất nén trước tăng. Chiều dày
lớp bê tơng bảo vệ thay đổi có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép.
- Với trường hợp tải trọng nén trước; quy luật thay đổi tuổi thọ cơng trình theo chiều dầy
lớp bê tông bảo vệ khá tương đồng; sự gia tăng ứng suất nén trước sẽ yêu cầu chiều dày lớp bê
tông bảo vệ dày hơn.
- Với trường hợp tải trọng nén trực tiếp; quy luật thay đổi tuổi thọ cơng trình theo chiều dày
lớp bê tơng bảo vệ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nén trước theo các giai đoạn khác nhau.
Khi max = 0.3 thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ giảm xuống nhưng khi max = 0.5 thì
chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tăng lên và tăng lên đáng kể tại max = 0.7.
Thông qua áp dụng lý thuyết xác suất khi xét đến q trình xâm nhập clorua gây ăn mịn
cốt thép để dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng loại vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ.
Mô hình dự báo báo tuổi thọ được thiết kế dựa theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp sức
kháng R và tải trọng S có phân phối chuẩn được lựa chọn trong nghiên cứu này. Kết hợp mô
phỏng Monte - Carlo với 4 thông số đầu vào: hệ số khuếch tán clorua D, nồng độ clorua cân
bằng ở bề mặt bê tông Cs, nồng độ clorua giới hạn Ccr và chiều dày lớp bê tông bảo vệ h suy
ra được mối quan hệ giữa xác suất sự cố ăn mòn với các yếu tố liên quan đến bê tông. Từ kết
quả nghiên cứu, rút ra một số kết luận như sau:
- Chiều dày lớp bảo vệ bê tông h ảnh hưởng lớn nhất đến xác suất sự cố ăn mòn Pf, tiếp

đến là các tham số n, Ccr, Cs và D.
- Dưới sự xâm nhập của ion clorua, muốn tăng chất lượng của kết cấu bê tơng hay nói
cách khác là tăng tuổi thọ của kết cấu bê tông cần phải tăng các giá trị các tham số n, Ccr và
đồng thời giảm các tham số D, Cs để giảm xác suất sự cố ăn mòn Pf.
- Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ đóng một vai trị vơ cùng thiết yếu dưới sự tác động của
môi trường đối với kết cấu bê tơng cốt thép. Vì vậy, phải chọn chiều dày lớp bê tơng bảo vệ
hợp lý nhất có thể.

20


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án đã thực hiện được các nội dung nghiên cứu liên quan đến phân tích độ thấm nước
và thấm ion clorua của một số loại bê tông nhẹ dùng trong xây dựng công trình có xét đến ảnh
hưởng ứng suất nén trong bê tơng. Các đóng góp mới của luận án được tóm tắt như sau:
1/ Các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước qua bê tơng nhẹ chịu ảnh
hưởng của tải trọng với bê tông C30. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng
nén thì độ thấm nước của bê tông tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tơng bắt đầu có
thay đổi cấu trúc rỗng do tác động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp.
Một mơ hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế
tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm
này đã có các cải tiến để q trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế
tải trọng và ghi nhận số liệu hoàn toàn tự động.
Kết quả thí nghiệm đo thấm nước chịu ảnh hưởng của tải trọng nén trước cho thấy, ở
ngưỡng max > 0.5 đánh dấu sự gia tăng nhanh của độ thấm nước khi áp lực nước lớn hơn
10atm, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của ứng suất nén trước đủ lớn đến gia tăng độ thấm nước
của bê tông nhẹ, chính các tác động cơ học dư này tạo điều kiện cho nước thẩm thấu dễ dàng
hơn qua mẫu bê tông, đặc biệt khi max > 0.5, sự xuất hiện sự phá hủy bê tông đã làm cho
gia tăng thấm nước tăng nhanh hơn. Đặc biệt trong thí nghiệm, ta thấy ở ngưỡng max = 0.8

đã cho ta thấy sự chênh lệch rất lớn về độ thấm nước trong bê tơng nhẹ.
Kết quả thí nghiệm đo thấm nước chịu ảnh hưởng của tải trọng nén trực tiếp cho thấy, Độ
thấm nước của bê tông gần như không thay đổi hoặc thay đổi chậm khi giá trị ứng suất tương
đối /𝑚𝑎𝑥 < 0.5; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh. Khi ứng suất tương đối
/𝑚𝑎𝑥 ≥ 0.6, độ thấm nước gia tăng rất nhanh; điều này có thể giải thích là do cấu trúc vimơ
của bê tơng bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất này - vốn là ngưỡng làm xuất hiện các vùng phá
hủy phân tán (theo tiếp cận của cơ học phá hủy bê tông) - làm gia tăng độ thấm nước của bê
tông. Quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông sau 28 ngày tuổi trong thí nghiệm này cũng
tương tự như quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông non tuổi đã công bố của Banthia &
al (2005) khi phá hủy cơ học chưa xuất hiện trong bê tông.
2/ Các nghiên cứu thực nghiệm phân tích tính thấm ion clorua qua bê tông nhẹ chịu ảnh
hưởng của tải trọng với bê tông C30, kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của
tải trọng nén đến dộ thấm ion clorua của bê tơng nhẹ.
Một mơ hình thí nghiệm thấm ion clorua có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế,
chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí
nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là q trình
kiểm sốt lực nén trong bê tơng.
Kết quả thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tơng nhẹ chịu tải trọng nén trước cho
thấy, Độ thấm ion clo ở các cấp tải trọng /max = 0; 0,3; 0,5 của bê tơng nhẹ C30 thuộc mức
thấp và có sự thay đổi nhẹ hơn so với bê tông thường C30. Sự thay đổi lớn ở cấp 0,8P đánh
dấu sự gia tăng nhanh độ thấm ion clo của bê tông nhẹ C30 so với bê tơng thường C30. Thay
đổi này có sự khác biệt lớn do ứng suất nén tiến tới giá trị phá hoại, các cấu trúc trong bê
tông bị phá vỡ vào tạo điều kiện cho ion clo thấm nhập qua. Điều này hoàn toàn phù hợp với
thang đánh giá về điện lượng theo tiêu chuẩn ASTM C1202 [24]. Ngun nhân đối với bê
tơng nhẹ có lớp vỏ cốt liệu có thể chứa nước hay ion clo.
Khi nén với cấp tải 0,8P các hạt sét bị vỡ, mất khả năng ngăn ion clo, nhờ đó các ion clo có
thể nhanh trong thấm nhập qua bê tông. Các hạt sét của bê tông nhẹ chứa đầy nước đến trạng
thái bão hồ nước trong bê tơng, khi mẫu bão hồ nước hiện tượng thấm mới bắt đầu xảy ra.
Ngược lại với bê tông thường, hiện tượng thấm xảy ra sớm hơn do hạt cốt liệu là sỏi đá nên
21

khơng thấm nước. Ngồi ra khi sử dụng thêm phụ gia khống mịn vào thành phần cho bê tơng
nhẹ thì hiệu quả của việc chống thấm ion clo tăng mạnh.
Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trước của bê tông cốt liệu nhẹ C30
được biểu diễn theo công thức như sau:
Hồi quy hàm mũ: D/Do = 9.1226(/max)2 – 3.4256(/max) + 1.0816
Kết quả thí nghiệm thấm ion clorua với mẫu bê tông nhẹ chịu tải trọng nén trực tiếp cho
thấy, độ thấm ion clo thay đổi mạnh khi có sự xuất hiện của tải trọng tác động đồng thời.
Tuy nhiên trước và sau khi gia tải độ thấm ion clo đều nằm trong mức “trung bình” theo
TCVN 9337-2012. Khi tăng ứng suất lên 30% và 50% max, độ thấm của bê tông tăng lần
lượt là 24,50% và 39,48%. Khi tăng ứng suất lên 80% max độ thấm của bê tơng có sự gia
tăng lớn. Trong trường hợp độ thấm ion clo giảm sẽ dẫn tới kéo dài thời gian xâm nhập ion
clo qua lớp bê tơng bảo vệ để gây ăn mịn cốt thép trong các cơng trình bê tơng cốt thép.
Từ kết quả này cho thấy rằng trong kết cấu bê tông ứng suất trước, khi có ứng suất nén
trong bê tơng nằm trong giới hạn phù hợp có thể kéo dài thời gian xâm nhập và làm tăng
tuổi thọ do quá trình xâm nhập ion clo.
Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trước của bê tông nhẹ C30 được
biểu diễn theo công thức như sau:
Hồi quy hàm mũ: D/Do = 4.4975(max)2 – 1.9529(max) + 0.9543
3/ Xác định được hệ số C để tính tốn hệ số khuếch tán ion clorua từ hệ số thấm nước của
cùng loại bê tơng. Từ đó đề xuất cơng thức tính tốn quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ
số khuếch tán clorua của bê tơng có xét đến ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông C30
như sau:
Kw = 29.05 S0.5 D.
4/ Luận án đã sử dụng mơ hình đề xuất để tính tốn dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết
cấu cơng trình bê tơng cốt thép sử dụng bê tơng nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến
ảnh hưởng của tải trọng thường xuyên và tải trọng khai thác.
- Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trước (tải trọng khai thác)
σ 2

σ
Ccr
(9.1226
(
) − 3.4256 (
) + 1.0816) × erf −1 (
)
h = 2√D0 t1−m t m
0
σmax
σmax
Cso t n
- Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trực tiếp (tải trọng thường xuyên)
h=

2√D0 t1−m t m
0

(4.4975 (

σ

2

σ
Ccr
) − 1.9529 (
) + 0.9543) × erf −1 (
)
σmax

σmax
Cso t n

Với trường hợp tải trọng nén trước; quy luật thay đổi tuổi thọ cơng trình theo chiều dầy lớp
bê tông bảo vệ khá tương đồng; sự gia tăng ứng suất nén trước sẽ yêu cầu chiều dày lớp bê
tông bảo vệ dày hơn.
Với trường hợp tải trọng nén trực tiếp; quy luật thay đổi tuổi thọ công trình theo chiều
dày lớp bê tơng bảo vệ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nén trước theo các giai đoạn khác
nhau. Khi /max = 0.3 thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ giảm xuống nhưng khi /max =
0.5 thì chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tăng lên và tăng lên đáng kể tại /max = 0.7
Trong mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tơng cốt thép sử dụng bê tơng cốt liệu nhẹ có đã
có xét đến tính bất định của tham số đầu vào và mơ phỏng Monter- Carlo để tính xác suất để
sự cố ăn mịn xảy ra.
5/ Tiến hành áp dụng tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bản mặt cầu đường sắt bằng bê
tông cốt thép cốt liệu nhẹ với các thơng số từ thí nghiệm và lấy theo khuyến cáo của một số
tiêu chuẩn điển hình trên thế giới, kết quả cho thấy tuổi thọ kết cấu bản mặt cầu đường sắt
bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chỉ khởi đầu ăn mòn giảm đáng kể khi ứng suất nén
22


trước tăng. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ thay đổi có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ kết cấu
bê tơng cốt thép.
6/ Áp dung tính tốn dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với
mơ hình xác suất cho 1 số kết luận:
- Chiều dày lớp bảo vệ bê tông h ảnh hưởng lớn nhất đến xác suất sự cố ăn mòn Pf, tiếp đến
là các tham số n, Ccr, Cs và D.
- Dưới sự xâm nhập của ion clorua, muốn tăng chất lượng của kết cấu bê tông hay nói cách
khác là tăng tuổi thọ của kết cấu bê tông cần phải tăng các giá trị các tham số n, Ccr và đồng
thời giảm các tham số D, Cs để giảm xác suất sự cố ăn mòn Pf
- Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ đóng một vai trị vô cùng thiết yếu dưới sự tác động của môi

trường đối với kết cấu bê tơng cốt thép. Vì vậy, phải chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ hợp lý
nhất có thể.
2. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo
Hướng nghiên cứu tiếp theo dự kiến như sau:
- Nghiên cứu sự tích tụ ion clorua trên bề mặt bê tơng nhẹ của các loại bê tông khác nhau
cho các vùng của Việt Nam, có thể vẽ bản đồ phân vùng nồng độ ion clorua trên bề mặt bê
tông của Việt Nam.
- Nghiên cứu đặc tính ngẫu nhiên của q trình khuếch tán và ăn mòn.
- Nghiên cứu các tác động đồng thời của nhiều yếu tố như: cơ, lý, hóa, nhiệt.
- Nghiên cứu độ thấm nước và độ thấm clorua cho các kết cấu bê tông nhẹ chịu uốn và
kéo đồng thời.

23