Báo cáo khoa học: "MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP" ppsx

MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP



Th.S. ĐÀO VĂN DINH
Bộ môn Cơ học kết cấu
TS. BÙI TRỌNG CẦU
Bộ môn Xây dựng Cơ sở hạ tầng
Trường Đại học Giao thông Vận tải


Tóm tắt: Sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước vv
ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã được xác định là nguyên nhân phổ
biến nhất gây hư hỏng các kết cấu BTCT trên phạm vi toàn thế giới. Đã có nhiều mô hình dự báo
tuổi thọ của các kết cấu BTCT trong các môi trường có clorua nhằm xác định các biện pháp kéo
dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. Bài báo này giới thiệu một mô
hình dự báo tuổi thọ công trình trên cơ sở hệ số khuếch tán ion clorua có tên là Life – 365. Đây là
mô hình hiện đang đuợc ứng dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ.
Summary: The corrosion of embedded steel reinforcement in reinforced – concrete structures
due to the penetration of chlorides from groundwater, seawater, rainfall, steam etc. is the most
prevalent form of premature concrete deterioration worldwide. A number of models for predicting
the service life of concrete structures exposed to chloride environments have been developed to
propose measures for increasing the service life and determine the optimum strategy for
maintaining reinforced- concrete structures. This paper presents a predicting model named Life –
365. The model is being widely used in the North America.

I. MỞ ĐẦU
Việc dự báo tuổi thọ một cách đáng tin
cậy là cơ sở quan trọng nhất để xây dựng
chiến lược bảo trì và thiết kế tối ưu các công

trình xây dựng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm
các chi phí cho cả đời dự án. Trong số các
nguyên nhân gây hư hỏng các kết cấu và công
trình BTCT, sự thâm nhập của các chất
clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa,
hơi nước v.v ăn mòn cốt thép trong các
kết cấu BTCT đã được xác định là nguyên
nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu
và công trình BTCT trên phạm vi toàn thế
giới.
Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ
của các kết cấu BTCT trong các môi trường
có Clorua nhằm xác định các biện pháp kéo
dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế
các kết cấu BTCT tối ưu. Mỗi mô hình đều
có các ưu và nhược điểm riêng. Bài báo này
giới thiệu một mô hình dự báo có tên là Life
– 365. Đây là mô hình đã và đang được ứng
dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ.
II. CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA
CLORUA
Cốt thép trong bê - tông được bảo vệ
chống lại sự ăn mòn là nhờ bởi tính kiềm cao
của môi trường xi - măng. Độ pH của nước


trong các lỗ rỗng trong bê tông lành mạnh là
lớn hơn 12,5. Trong môi trường có tính kiềm
cao này, cốt thép bị oxy hoá, tạo ra một lớp
màng mỏng thụ động và bền chắc trên bề mặt

cốt thép và bảo vệ cốt thép. Tuy nhiên, quá
trình cac - bon hoá của bê tông hay sự thâm
nhập của clorua sẽ phá vỡ lớp màng mỏng bảo
vệ thụ động này và kích hoạt các phản ứng
điện – hoá, sinh ra các sản phẩm của quá trình
ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước, trương
nở và gây ra một áp lực đối với bê tông bao
quanh. Kết quả là, bê tông bị nứt, phá vỡ,
hoặc bong ra và cuối cùng kết cấu bị hư hỏng.
Quá trình ăn mòn cốt thép ở trên diễn ra
theo hai giai đoạn: giai đoạn khởi đầu và giai
đoạn lan truyền. Trong giai đoạn khởi đầu, lớp
màng bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị
phá vỡ bởi Cl
-
hoặc CO
2
còn trong giai đoạn
lan truyền, phản ứng điện – hoá xảy ra với sự
có mặt của O-xy, nước và nhiệt độ thích hợp.
Cần chú ý rằng, mức độ lan truyền của ăn
mòn không thống nhất, có thể tăng lên hay
giảm đi phụ thuộc vào sự thay đổi của các
điều kiện môi trường.
III. DỰ BÁO THỜI KỲ KHỞI ĐẦU
Thời kỳ khởi đầu được định nghĩa là thời
gian cần thiết để các ion clorua tập trung trên
bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập trung tới
hạn”. Độ dài của thời kỳ này phụ thuộc chủ
yếu vào: 1) mức tập trung clorua trên bề mặt

bê tông, 2) chiều dày lớp bảo vệ, 3) mức tập
trung clorua tới hạn trong bê tông và 4) tốc độ
thâm nhập của clorua. Mặc dù tốc độ thâm
nhập của clorua vào bê tông là một quá trình
rất phức tạp, là tổng hợp của nhiều cơ chế
thâm nhập khác nhau chẳng hạn như cơ chế
lan truyền khuyếch tán (diffusion), cơ chế hút
thấm bề mặt, cơ chế thẩm thấu v.v nhưng cơ
chế lan truyền khuếch tán được chứng minh là
cơ chế quyết định, nhất là đối với các kết cấu
kiểu bản như mặt cầu.
Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu giả thiết
rằng, sự lan truyền khuếch tán của clorua hoạt
động theo cơ chế Đô - mi - nô. Theo Định luật
thứ hai của Fick ta có phương trình vi phân
sau:

2
2
dx
Cd
.D
dt
dC
=
(1)
Trong đó: C là hàm lượng clorua
D là hệ số lan truyền khuếch tán
x là chiều dày lớp bê tông bảo vệ
t là biến số thời gian của giai đoạn

khởi đầu
Hệ số lan truyền khuếch tán clorua là
một hàm số của thời gian và nhiệt độ. Quan
hệ giữa hệ số lan truyền khuyếch tán clorua
với thời gian được mô tả bằng phương trình
sau:

m
i
ti
t
t
.D)t(
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
D
(2)
Trong đó: D(t) là hệ số lan truyền khuếch tán
tại thời điểm t
D
ti
là hệ số lan truyền khuếch tán
tại thời điểm t

i
.
Life - 365 lấy t
i
= 28 ngày
m là hằng số
Các giá trị D
i
và m được lấy phụ thuộc
vào loại bê tông, tỷ lệ Nước/Xi măng, cấp
phối và chất lượng của cốt liệu. Để tránh hệ
số lan truyền khuếch tán giảm vô hạn theo
thời gian, quan hệ trong phương trình (2) chỉ
có giá trị với thời gian 25 năm. Quá thời
gian này, giá trị tại thời điểm 25 năm được
cho là không đổi trong suốt thời gian phân

tích còn lại.
Quan hệ giữa hệ số lan truyền khuếch
tán clorua với nhiệt độ được mô tả bằng
phương trình sau:

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
tdi
ti
T
1
T
1
R
U
exp.D)T(D
(3)
Trong đó:
D(T) là hệ số lan truyền khuếch tán tại
thời điểm t ở nhiệt độ T.
D
ti
là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời
điểm t
i
ở nhiệt độ T
i
.

U là năng lượng kích hoạt quá trình
khuếch tán (= 35.000 J/mol)
R là hằng số khí (= 8,314472 JK
−1
mol
−1
)
T
td
là nhiệt độ tuyệt đối
Thông thường người ta tính với ti = 28
ngày và T
i
= 20
0
C, nhiệt độ T của bê tông sẽ
được tính tuỳ khí hậu từng khu vực.
Thay các giá trị D(t) và D(T) vào
phương trình (1) và biết giá trị mức tập trung
clorua tới hạn trong bê tông, ta sẽ xác định
được thời kỳ khởi đầu (t
1
) là thời gian các ion
clorua tập trung trên bề mặt cốt thép đạt tới
“mức tập trung tới hạn”.

2
th
1-
2

1
C
C
1fD4
x
t
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
(4)
Trong đó:
f là hàm sai số
C
th
là mức tập trung clorua tới hạn
IV. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TÍNH
TOÁN
Việc xác định các tham số tính toán phụ
thuộc vào loại kết cấu, loại bê tông, cấp phối,

thành phần bê tông, loại xi măng, các phụ gia
được sử dụng, loại cốt thép, điều kiện địa
phương nơi công trình được xây dựng, các
biện pháp áp dụng để chống lại sự ăn mòn
v.v
Mối quan hệ giữa các nhân tố đã kể với
các tham số tính toán đã được xây dựng thành
hàm số hoặc bảng tính cho khu vực Bắc Mỹ.
Thí dụ, đối với bê tông thông thường sử dụng
xi măng Portland không phụ gia, ta có:
D
28
= 1x10
(-12,06 +2,4 N/XM)
m
2
/s
m = 0,20 (5)
Ở đây: D
28
là hệ số lan truyền khuếch
tán tại thời điểm 28 ngày tuổi và ở nhiệt độ
T = 20
o
C.
m là hằng số (lấy bằng 0,2 theo dữ liệu
của trường đại học Toronto và các dữ liệu
đã được công bố khác).
Tuy vậy, cần hết sức lưu ý khi xác định
các tham số, nhất là khi áp dụng các biện pháp

bảo vệ hoặc các biện pháp cải thiện chất
lượng của bê tông và cốt thép. Chẳng hạn, khi
áp dụng biện pháp quét keo epoxy lên các
thanh cốt thép sẽ không ảnh hưởng gì tới thời
gian khởi đầu là thời gian các ion clorua tập
trung trên bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập
trung tới hạn” mà chỉ ảnh hưởng tới thời gian
lan truyền.
V. DỰ BÁO THỜI KỲ LAN TRUYỀN VÀ
LẬP KẾ HOẠCH SỬA CHỮA
Theo kinh nghiệm ở Bắc Mỹ, thời gian
lan truyền là 6 năm tính cho tất cả các loại bê
tông. Nếu sử dụng keo Epoxy phủ chống gỉ
các thanh thép, thời gian này đựơc lấy là 20
năm.
Gọi thời kỳ lan truyền là t
2
, thời gian một
chu kỳ sửa chữa (t
sc
) sẽ đơn giản là

:


t
sc
= t
1
+ t

2
(6)
Trong đó:
t
sc
là thời gian một chu kỳ sửa chữa
t
1
là thời gian của thời kỳ khởi đầu
t
2
là thời gian của thời kỳ lan truyền
t
2
= 6 năm với BTCT thông thường và t
2
= 20 năm khi cốt thép được quét keo Epoxy.
VI. PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY VÀ THIẾT
KẾ CÁC KẾT CẤU BTCT TỐI ƯU
Việc xác định chính xác các tham số rõ
ràng là điều kiện quan trọng nhất để dự báo
chính xác tuổi thọ của các kết cấu BTCT.
Tuy nhiên, đây là công việc khó khăn và vì
thế, việc phân tích độ nhạy là hết sức cần
thiết.
Phổ biến nhất khi phân tích độ nhạy,
người ta thực hiện các tính toán sau đây:
- Xác định các tham số trong các điều
kiện thuận lợi nhất và bất lợi nhất để tính ra
tuổi thọ tối đa và tuổi thọ tối thiểu

- Thay đổi các tham số theo các kịch bản
khác nhau, thường là cộng/trừ 10% giá trị các
tham số để xác định các tuổi thọ tương ứng
với các kịch bản khác nhau.
- Xác định tuổi thọ của kết cấu khi chỉ
xét tới một hoặc một vài tham số có ảnh
hưởng lớn nhất.
Trên cơ sở các phân tích này, người quản
lý sẽ phân tích và ra quyết định cuối cùng về
kế hoạch theo dõi, bảo trì và sửa chữa.
Hiện nay, có nhiều biện pháp nhằm
nâng cao tuổi thọ của các kết cấu và công
trình bằng BTCT. Phổ biến nhất là các biện
pháp sau:
- Sử dụng bê tông có tính chống thấm
cao (Bê tông chất lượng cao HPC)
- Sử dụng các phụ gia ngăn cản quá
trình ăn mòn cốt thép
- Bảo vệ cốt thép chống lại ăn mòn (như
quét keo epoxy)
- Sử dụng thép không gỉ
- Sử dụng cốt không chứa sắt
- Tạo các màng chống thấm phủ bề mặt
bê tông
- Tổng hợp hai hay nhiều biện pháp trên
v.v
Tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có ưu
nhược điểm riêng và đòi hỏi các chi phí khác
nhau. Thông thường, các biện pháp đòi hỏi
chi phí xây dựng ban đầu lớn sẽ tiết kiệm

được các chi phí bảo trì, sửa chữa sau này và
ngược lại. Vì vậy, việc phân tích chi phí cho
cả đời kết cấu và cả đời công trình là công
cụ then chốt nhằm lựa chọn giải pháp thiết
kế các kết cấu BTCT tối ưu.
VII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Bài báo đã giới thiệu mô hình Life – 365
dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trên cơ
sở độ thấm Clorua là nhân tố quan trọng nhất
gây ra sự phá hoại của các kết cấu bê tông cốt
thép. Mô hình này cho phép xác định tuổi thọ
của các kết cấu bê tông cốt thép để từ đó xác
định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến
lược bảo trì, sửa chữa và thiết kế tối ưu các
kết cấu bê tông cốt thép.
Để có thể áp dụng thành công mô hình
này ở Việt Nam, cần thiết phải thực hiện các
công việc phân loại bê tông, phân loại cốt thép
tuỳ theo theo đặc tính của vật liệu và phân
vùng xây dựng căn cứ vào các điều kiện tự
nhiên để theo dõi, quan trắc, thí nghiệm nhằm

thiết lập bảng tra các tham số tính toán
cho mỗi loại bê tông sử dụng ở các khu vực
khác nhau. Đây sẽ là cơ sở để dự báo tuổi thọ
còn lại của các công trình hiện cũng như tuổi
thọ của các công trình xây dựng mới và lập kế
hoạch bảo dưỡng, sửa chữa tối ưu các công
trình BTCT. Nó cũng giúp cho người thiết kế
lựa chọn được giải pháp thiết kế tối ưu các kết

cấu BTCT cho từng công trình. Chắc chắn
rằng việc áp dụng mô hình này cùng với kỹ
thuật phân tích chi phí cho cả đời dự án sẽ
mang lại những kết quả thiết thực.

Tài liệu tham khảo
[1]. Lacasse, M. A. and Vanier, D. J., "A Review
of Service Life Durability Issues", Proceedings
of the 7th International Conference of the
Durability of Building Materials and
Components, Stockholm, Sweden, Vol. 2, May
1996, 867-866.
[2]. Morcous, G., Rivard, H. and Hanna, A. M.,
“Predicting the Condition of
Bridge”.

[3]. Decks Using Case-Based Reasoning,
Proceedings of the CSCE 29th Annual.
[4]. Conference, D. Noakes (editor), Victoria,
BC, Canada, June 2001.
[5]. Enright, M. P., and Frangopol, D. M.,
“Service - life prediction of
deterioration

concrete bridges”, J. of Structural Engineering,
ASCE, 124 (3) (1998), 309-317
[6]. Amleh, L., “Bond deterioration of
reinforcing steel in concrete due to corrosion”,
Ph.D. thesis, McGill University, Montreal,
Canada, 2000

[7]. Page, C. L., Short, N. R., and El Tarros, A.,
“Diffusion of chloride ions in hardened cement
pastes”, Cement and Concrete Research, 11
(1981), 395-406.
[8]. Cady, P.D. and Weyers R. E.,
”Deterioration Rates of Concrete Bridge
Decks”,
Journal of Transportation Engineering,
ASCE, 110 (1) (1983), 34-44♦