Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clo(thông tin đưa lên website)

1
MỞ ðẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Hệ thống mạng lưới ñường giao thông của Việt nam trong những thập kỷ
qua ñã ñược nhà nước ñầu tư rất lớn. Việc ñảm bảo an toàn và ñộ bền cho các
cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải ñược ñặt ra.
Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều cầu
ñi ven biển. Các kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt thép
nói riêng trong môi trường biển theo thời gian sẽ bị clo xâm nhập gây ra ăn
mòn cốt thép làm giảm ñộ bền và giảm tuổi thọ sử dụng.
Các kết cấu nằm trên mực nước thấp nhất của thủy triều và các kết cấu
ven bờ biển sẽ bị ảnh hưởng mạnh do ăn mòn cốt thép. Dạng hư hỏng của các
kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn mòn ñiện hóa do các ion clo trong
môi trường sẽ khuếch tán vào bê tông. Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt
thép ñạt ñến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, clo sẽ phá vỡ màng thụ
ñộng trên bề mặt cốt thép, ăn mòn sẽ xảy ra. Khi ăn mòn xảy ra, sản phẩm của
ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước sẽ trương nở thể tích dẫn ñến nứt, vỡ bê
tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép làm giảm dính bám giữa bê tông và cốt thép,
giảm diện tích tiết diện cốt thép dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén
và sức kháng cắt.
Tuổi thọ sử dụng (service life) của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập
clo là thời gian từ khi xây dựng ñến khi ăn mòn (do clorua) gây ra các hư hại
cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn nữa. Thời
gian này gồm hai giai ñoạn kế tiếp nhau: Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai
ñoạn lan truyền ăn mòn. Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn là thời gian cần thiết ñể
các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép ñạt ñến
“ngưỡng nồng ñộ gây ăn mòn”. Giai ñoạn lan truyền ăn mòn là thời gian từ khi
khởi ñầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc
tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn ñến kết cấu không
còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực.
Với mục ñích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam

do xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon ñề tài: “ Dự báo tuổi thọ sử dụng
của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo”
2. Mục ñích nghiên cứu
Mục ñích của luận án là nghiên cứu về sự thâm nhập và ăn mòn cốt thép
do clo gây ra ñối với các kết cấu cầu bê tông cốt thép ñể:
1) Xác ñịnh các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông
nh
ư: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng ñộ clo trên bề mặt bê tông Cs;
Ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép C
th
.
2) Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho các công trình cầu bê
tông cốt thép ở ven biển Việt Nam theo sự xâm nhập clo.
3) ðề ra biện pháp tăng cường kéo dài tuổi thọ sử dụng.Áp dụng mô
hình tính cho thí dụ nghiên cứu là các bộ phận kết cấu cầu T.
2
3. Nội dung luận án
Luận án gồm 4 chương, nội dung ñược toám tắt như sau:
Mở ñầu: giới thiệu lý do chọn ñề tài, mục ñích nghiên cứu, ñối tượng và
phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương 1 “Tổng quan về các nghiên cứu tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông
cốt thép do xâm nhập clo”
Chương 2 “ Nghiên cứu xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông”.
Chương này trình bày: (1) Thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông theo tiêu
chuẩn ASTM C1202, (2) xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo
trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông ASTM
C1202,(3) áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết
quả thí nghiệm thấm nhanh clo C1202, (3) dự báo hệ số khuếch tán clo trong
bê tông.
Chương 3 “ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông

cốt thép ven biển Việt Nam theo sự thấm clo”.
Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính toán ” .
Phần “ Kết luận và kiến nghị” phần này sẽ trình bày các kết luận của
luận án, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TUỔI THỌ SỬ
DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1
Mở ñầu
Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện ñang ñược thiết kế
theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập [1]. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu
phải ñược thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính
kinh tế, mỹ quan và ñộ bền. Vấn ñề ñộ bền của cầu bê tông cũng ñã ñược
quan tâm. Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn
nhất. Xâm nhập của clo và CO
2
là các nguyên nhân chính của quá trình ăn
mòn cốt thép gây hư hỏng và làm giảm ñộ bền, giảm tuổi thọ sử dụng. Các
biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO
2
vào trong bê tông
ñược hy vọng là nâng cao ñáng kể ñộ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông.
Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông ñược giáo sư Mutsuyoshi,
(2001) ñưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản, thống kê này
chỉ ra nguyên nhân chủ yếu nhất là do xâm nhập clo chiếm tới 66% các hư
hỏng, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%.
Tu
ổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo thường ñược
ñịnh nghĩa là thời gian từ khi kết cấu bắt ñầu tiếp xúc với môi trường có ion

clo ñến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ hoặc khi ăn mòn 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.
3
Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng ñã và ñang nhận ñược
sự quan tâm của các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới.
1.2
Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới
1.2.1
Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông
1.2.2
Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông
Các thông số xâm nhập trong bê tông liên quan ñến cơ chế khuếch tán, di
trú, ñối lưu và thấm. Chúng ñược ñề cập như sau.
1.2.2.1
Khuếch tán
ðịnh luật Fick thứ nhất
( )
1 1
C
J D .
x
∂
= −
∂

ðịnh luật Fick thứ hai
( )
2
2

1 2
C C
D .
t x
∂ ∂
=
∂ ∂

1.2.2.2
Sự di trú (Migration)
1.2.3
Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép
1.2.3.1
Khái quát
Trong ăn mòn ñiện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và
chất ñiện ly: Phản ứng giải phóng ñiện tử ở anốt (oxy hóa) và phản ứng tiêu
thụ ñiện tử ở cực âm.
Theo Nielsen A. (1985) [46] Ô xít sắt không ngậm nước Fe
2
O
3
có thể tích
gấp 2 lần thép mà nó thay thế. Nhưng khi ngậm nước nó nở thể tích gấp ñến
6.5 lần. Vì vậy nó gây ra nứt và vỡ bê tông bảo vệ.
1.2.4
Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông
Theo thời gian thí nghiệm người ta phân thành hai phương pháp ñể xác
ñịnh hệ số khuếch tán D.
Bảng 1.2 Tổng kết các phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo
Phương pháp thí nghiệm Thời gian thí nghiệm

Thí
nghiệm
dài hạn
Thí nghiệm salt ponding
AASHTO T259
90 ngày sau khi bảo dưỡng 28 ngày
Khuếch tán khối
(Nord test)
40-120 ngày sau khi bảo dưỡng

Thí
nghiệm
ngắn hạn
Thí nghiệm thấm nhanh clo -
RCPT-AASHTO T277 (ASTM

C1202)
6 giờ sau khi bảo dưỡng 28 ngày
Di trú ñiện - Electrical
Migration
Phụ thuộc vào ñiện áp và bê tông
Di trú nhanh -
Rapid Migration
Test
18 giờ sau khi bảo dưỡng 28 ngày
(AASHTO TP64-03)
ðiện trở suất 30 phút
4
1.2.5
Các nghiên cứu về hệ số khuếch tán

Stanish, K. 2000[53] ñã tiến hành các thí nghiệm ñể ñưa ra quan hệ thực
nghiệm giữa hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày và nhiệt ñộ
20
o
C với tỷ lệ nước trên xi măng.

Zhang và Gjorv [67] phát triển cách tiếp cận ñơn giản xác ñịnh hệ số
khuếch tán của các ion clo thể hiện bởi phương trình 1.19
( )
o
T LV dC
D 1.19
E C A dt
β
=

Berke và các cộng sự (1992) ñã phát triển một phương trình thực nghiệm
1.20 ñược sử dụng thể hiện mối tương quan giữa các hệ số khuếch tán có hiệu
và dữ liệu ñiện tích chuyển qua trong thí nghiệm .
(
)
12 0,84 2
eff 0
D 0,0103 10 (Q ) (m /s) 1.20
−
= × ×

Omar S. Baghabra Al-Amoudi ñã công bố kết quả nghiên cứu thực
nghiệm trên tạp chí Cement & Concrete Composites số 31 năm 2009 [47].
( )

( )
2
12
b
'
c
a m
D 10 1.21
s
f
−
 
= ×
 
 

f’
c
là cường ñộ chịu nén của bê tông MPa; a, b là các hằng số thực nghiệm
như sau:
1.2.6
Các nghiên cứu về thời gian khởi ñầu ăn mòn và thời gian lan
truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng
Tuutti, K. (1980) [59]ñưa ra mô hình hai giai ñoạn của tuổi thọ sử dụng
của kết cấu bê tông cốt thép. Trong mô hình ñã xem như D là không thay ñổi
theo thời gian.

Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai
ñoạn của Tuuti 1980
[

59
]

Tại châu Âu có ñề tài nghiên cứu (2000)– DuraCrete [32] Thiết kế ñộ
bền dựa trên tính năng xác suất của các kết cấu bê tông.
Ở Phần Lan có ñề tài (năm 2003) viết tắt là LIFECON [57]- Quản lý
chu kỳ tuổi thọ của kết cấu hạ tầng bê tông ñể nâng cao tính bền vững. Cách
5
tiếp cận dựa trên mô hình bán xác xuất và xác xuất ñầy ñủ của xâm nhập clo
và CO
2
, xác ñịnh tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông hiện có dựa trên ñiều
tra khảo sát kết cấu này.
Tại Mỹ hiện có nghiên cứu của Ủy ban ACI có tên “Life 365”
(2012)[22] Mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt
thép tiếp xúc với clo. Trong nghiên cứu này tuổi thọ sử dụng ñược tính theo
hai giai ñoạn: Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn.
Nghiên cứu này xem như bê tông là bão hòa ẩm và trong giai ñoạn lan truyền
ăn mòn lấy cố ñịnh là 6 năm cho mọi loại kết cấu.
1.3
Các nghiên cứu trong nước
GS.TS Phạm Duy Hữu và các công sự, năm 2008[7], “ Bê tông cường ñộ
cao và chất lượng cao”. Tác giả ñã ñề cập ñến ñộ bền của bê tông và các nhân
tố ảnh hưởng tới ñộ bền. Trong tài liệu này tác giả ñưa ra biện pháp nâng cao
ñộ bền là sử dụng bê tông chất lượng cao với hệ số khuếch tán clo thấp.
“Nghiên cứu công nghệ ñiện hóa khử ion clo và phục hồi ñộ kiềm vùng
xung quanh bê tông” của viện khoa học công nghệ giao thông năm 2007 [20].
Mục tiêu của họ là giảm hàm lượng ion clo trong bê tông và phục hồi ñộ kiềm
xung quanh cốt thép xuống dưới ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn. Công việc
này là rất khó khăn và tốn kém chưa cơ bản, hơn nữa ñây là các nghiên cứu

trên kết cấu hiện có.
Các nghiên cứu của viện khoa học công nghệ xây dựng “ Tình trạng ăn
mòn Bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam và một số kinh nghiệm sử dụng
chất ức chế ăn mòn Canxi nitrit” năm 2010 của các tác giả tiến sỹ Phạm Văn
Khoan, tiến sỹ Nguyễn Nam Thắng [9].
1.4
Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận án
Các nghiên cứu trên còn các vấn ñề cần phải giải quyết:
- Tính toán hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm
thấm nhanh clo theo ASTM C1202.
- Tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo của cầu bê tông cốt thép cần xét
tới ảnh hưởng nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên cả hai giai ñoạn khởi ñầu ăn
mòn và lan truyền ăn mòn.
- Thời gian lan truyền ăn mòn cần ñược dự báo ñịnh lượng.
Luận án này sẽ giải quyết các vấn ñề trên theo phương pháp mô hình
toán. Ph
ương pháp nghiên cứu là dựa trên mô hình toán của quá trình khuếch
tán ñể xác ñịnh thời gian khởi ñầu ăn mòn, cũng như mô hình toán của hoạt
ñộng ăn mòn gây nứt bê tông ñể xác ñịnh thời gian lan truyền ăn mòn.



6
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO
TRONG BÊ TÔNG
2.1
Giới thiệu chung
Hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông là thông số quan trọng ñể dự báo
thời gian khởi ñầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. Hệ số khuếch tán clo trong
bê tông ñược xác ñịnh từ các thí nghiệm hoặc có thể dự báo theo thông số

phép trộn bê tông.
Chương này mô tả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 với 16 mẫu bê
tông ñể tính hệ số khuếch tán D, so sánh kết quả tính với dự báo.
Hệ số khuếch tán clo trong bê tông
Hệ số khuếch tán là hệ số D tương ứng trong ñịnh luật Fick. ðơn vị của D
trong hệ SI là m
2
/s.
x
C
DJ
∂
∂
−=

RILEM-TC-178 ñã ñưa ra hai loại hệ số khuếch tán như sau:
a) Hệ số khuếch tán có hiệu D
eff

Là một hệ số khuếch tán ở trạng thái ổn ñịnh
b) Hệ số khuếch tán biểu kiến (Dapp)(Apparent)
Là một hệ số khuếch tán không ổn ñịnh. Hệ số khuếch tán biểu kiên nhận
ñược từ thí nghiệm ngâm hoặc khảo sát kết cấu áp dụng ñịnh luật
Fick 2 về khuếch tán.
Hệ số khuếch tán clo D là một hàm của vật liệu, môi trường và thời gian
và ñộ ẩm môi trường.

2.2
Thí nghiệm và xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông
2.2.1

Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202
Bảng 2.2. Mức ñộ thấm ion clo[22]
ðiện lượng truyền qua mẫu (culông) Mức ñộ thấm ion clo
> 4000 Cao
> 2000

÷
4000
Trung bình
> 1000

÷
2000
Thấp
100

÷
1000
Rất thấp
<100 Không thấm






7
2.2.2
Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202
Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm C1202

Số
TT

Mẫu thử W/C
Ngày ñúc

mẫu
Ngày
thí
nghiệm

Nhiệt
ñộ
o
C
∆T
o
C
Qc6hr -6
giờ
(C)
Q
0
- 6
giờ
(C)
I=Q
0
/t
(mA)

1 C30-1 0.4 22/3/12 20/4/12

30 16 3264 2536 117.4
2 C30-2 0.4 22/3/12 20/4/12

30 16 3317 2577 119.3
3 C30-3 0.4 22/3/12 20/4/12

30 16 3298 2562 118.6
4 C35-1 0.375

22/3/12 21/4/12

33 16 3012 2340 108.3
5 C35-2 0.375

22/3/12 21/4/12

33 16 2892 2247 104.0
6 C35-3 0.375

22/3/12 21/4/12

33 16 2945 2288 105.9
7 C40-1 0.35 22/3/12 20/4/12

35 14 2477 1983 91.8
8 C40-2 0.35 22/3/12 20/4/12

35 14 2523 2020 93.5

9 C40-3 0.35 22/3/12 20/4/12

35 14 2464 1973 91.3
10 C50-1 0.33 29/3/12 27/4/12

39 12 2117 1747 80.9
11 C50-2 0.33 29/3/12 27/4/12

39 12 2195 1812 83.9
12 C50-3 0.33 29/3/12 27/4/12

39 12 2180 1799 83.3
13 C50-8%SF-1 0.3 29/3/12 27/4/12

45 4 337 316 14.6
14 C50+8%SF-2 0.3 29/3/12 27/4/12

45 4 322 301 14.0
15 C50+8%SF-3 0.3 29/3/12 27/4/12

45 4 365 342 15.8
16 C50+15%FA-1

0.35 22/3/12 19/4/12

40 14 2475 1981 91.7
17 C50+15%FA-2

0.35 22/3/12 19/4/12

40 14 2500 2001 92.7
18 C50+15%FA-3

0.35 22/3/12 19/4/12

40 14 2357 1887 87.4
2.2.3
Xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí
nghiệm C1202
Trong ñiều kiện trạng thái ổn ñịnh, thông lượng ion clo tổng cộng bao
gồm ba thành phần, ñó là khuếch tán, di trú và ñối lưu như thể hiện trong
phương trình 2.4 [23],
i
i i i i
C
zF E
J D D C C u (2.4)
x RT x
∂
∂
= − − +
∂ ∂



Khi trường ñiện ñược áp dụng trên mẫu vật bê tông, hiệu ứng khuếch
tán thuần túy trong bê tông nhỏ, khuếch tán có thể ñược bỏ qua. Kết quả
là phương trình 2.4 có thể ñược rút thành phương trình 2.5.
(2.5)
i i

zF E
J D C
RT x
∂
= −
∂

Dựa vào quan hệ do C.Andrade ñưa ra 1993 thì thông lượng của một
loài di trú cũng là tỷ lệ thuận với cường ñộ dòng ñiện:
i
I
J
zF
η
=

(2.6)

Thay ph
ương trình 2.6 vào 2.5 và lấy ∂x=L; ∂E=E, C
i
=C
o
ta ñược hệ số
khuếch tán trong trạng thái ổn ñịnh như sau:
( )
i
2 2
o
I RTL

D 2.7
z F EC A
η
=

8
Từ thí nghiệm ASTM C1202 : Co=0,52mol/l; E=60V; A=7854mm
2
;
L=50mm; z=1;η
i
=1; R=8,314Jmol
-1
K
-1
; F=9,6485x10
4
Cmol
-1
thay vào phương
trình 2.7 ta có:
( )
2
16
C1202
m
D 1,822 IT 10 ( ) 2.9
s
−
= × ×

2.2.4
Áp dụng phương trình D
C1202
tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả
thí nghiệm C1202
Áp dụng phương trình 2.9 tính hệ số khuếch tán của bảng tiêu chuẩn
mức ñộ thấm ion clo ta ñược như bảng 2.4 dưới ñây.
Bảng 2.4. Kết quả tính D
C1202
từ thí nghiệm
Số
TT
Mẫu Q
(C)
Q
0

(C)
I
mA
T
ốc ñộ di trú
(mol/l.s)
D
C1202


(m
2

/s)
1 C30-1 3264 2536 117.4 4.87E-06 6.83E-12
2 C30-2 3317 2577 119.3 4.95E-06 6.94E-12
3 C30-3 3298 2562 118.6 4.92E-06 6.90E-12
4 C35-1 3012 2340 108.3 4.49E-06 6.36E-12
5 C35-2 2892 2247 104.0 4.31E-06 6.11E-12
6 C35-3 2945 2288 105.9 4.39E-06 6.22E-12
7 C40-1 2477 1983 91.8 3.81E-06 5.39E-12
8 C40-2 2523 2020 93.5 3.88E-06 5.49E-12
9 C40-3 2464 1973 91.3 3.79E-06 5.36E-12
10 C50-1 2117 1747 80.9 3.35E-06 4.78E-12
11 C50-2 2195 1812 83.9 3.48E-06 4.95E-12
12 C50-3 2180 1799 83.3 3.45E-06 4.92E-12
13 C50+8%SF-1 337 316 14.6 6.06E-07 8.57E-13
14 C50+8%SF-2 322 301 14.0 5.79E-07 8.19E-13
15 C50+8%SF-3 365 342 15.8 6.56E-07 9.29E-13
16 C50+15%FA-1

2475 1981 91.7 3.8E-06 5.47E-12
17 C50+15%FA-2

2500 2001 92.7 3.84E-06 5.52E-12
18 C50+15%FA-3

2357 1887 87.4 3.62E-06 5.21E-12
2.2.5
Tổng kết các kết quả dự báo hệ số khuếch tán trên thế giới
Luận án tổng kết kết quả nghiên cứu trên thế giới về hệ số khuếch tán
biểu kiến ñược dự báo xác ñịnh như sau:
[ ]

( )
28
w
. exp( 0,165 ) . ( ). ( ). ( ) 2.18
cr
app cr
cr
D D SF f t f T f H D
s
= − +

SF là phần trăm muội silic thay thế xi măng trong bê tông; f(t),f(T),f(H)
là hệ số ảnh hưởng của tuổi bê tông, nhiệt ñộ, ñộ ẩm tương ñối tới hệ số
khuếch tán clo trong bê tông.
( 12,06 2,4 / )
2
28
( / )
10
− +
=
w c
D m s
[22]
[ ]
28
( ) ( 25 ) ; 0, 2 0,4( /50 / 70) 22
m
t
f t f t year m FA SG

t
 
= ≤ = = + +
 
 

[ ] [ ]
4
ef
1 1 1
( ) exp 22 ; ( ) 24
1
1
1
r
c
U
f T f H
R T T
H
H
 
 
= − =
 
 
 
 
 
 

 
−
 
+
 
−
 
 
 

9
2.2.6
Tính hệ số khuếch tán theo dự báo và theo kinh nghiệm
2.3
So sánh các kết quả tính toán và thảo luận
2.3.1
So sánh kết quả tính hệ số khuếch tán D
Bảng 2.7 D
C1202
, D dự báo và các công thức kinh nghiệm
Số
TT
Mẫu W/C

D
C1202

(m
2
/s)

D theo dự
báo
Stanish
(m
2
/s)
D theo
Zhang –
Gjor(m
2
/s)

D theo
Berke
(m
2
/s)
D theo Omar
S. Baghabra
(m
2
/s)
1 C30-1 0.4 6.83E-12

7.94E-12

1.15E-11 7.45E-12

2.36E-11
2 C30-2 0.4 6.94E-12

7.94E-12

1.17E-11 7.55E-12

2.36E-11
3 C30-3 0.4 6.90E-12

7.94E-12

1.16E-11 7.52E-12

2.36E-11
4 C35-1 0.375

6.36E-12

6.92E-12

1.06E-11 6.97E-12

1.37E-11
5 C35-2 0.375

6.11E-12

6.92E-12

1.02E-11 6.73E-12

1.37E-11
6 C35-3 0.375

6.22E-12

6.92E-12

1.03E-11 6.84E-12

1.37E-11
7 C40-1 0.35 5.39E-12

6.03E-12

8.91E-12 6.06E-12

8.53E-12
8 C40-2 0.35 5.49E-12

6.03E-12

9.08E-12 6.16E-12

8.53E-12
9 C40-3 0.35 5.36E-12

6.03E-12

8.86E-12 6.03E-12

8.53E-12
10 C50-1 0.33 4.78E-12

5.40E-12

7.80E-12 5.45E-12

3.87E-12
11 C50-2 0.33 4.95E-12

5.40E-12

8.09E-12 5.62E-12

3.87E-12
12 C50-3 0.33 4.92E-12

5.40E-12

8.03E-12 5.59E-12

3.87E-12
13 C50+8%SF-1 0.3 8.57E-13

1.22E-12

1.37E-12 1.29E-12

1.06E-12
14 C50+8%SF-2 0.3 8.19E-13

1.22E-12

1.31E-12 1.25E-12

1.06E-12
15 C50+8%SF-3 0.3 9.29E-13

1.22E-12

1.49E-12 1.38E-12

1.06E-12
16 C50+15%FA-1

0.35 5.47E-12

6.03E-12

8.90E-12 6.06E-12

1.06E-12
17 C50+15%FA-2

0.35 5.52E-12

6.03E-12

8.99E-12 6.11E-12

1.06E-12
18 C50+15%FA-3

0.35 5.21E-12

6.03E-12

8.48E-12 5.81E-12

1.06E-12
2.3.2
Thảo luận kết quả tính hệ số khuếch tán D
Qua kết quả tính toán D, có các nhận xét sau: công thức 2.9 cho kết quả
tính D cơ bản phù hợp với kết quả tính theo Stanish và Berke.
2.4
Kết luận chương 2
1.
Nghiên cứu sinh ñã nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu
chuẩn ASTM C1202 cho các mẫu bê tông phổ biến trong xây dựng
cầu tại Việt Nam. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cấp C30-C40-
C50 có ñiện lượng truyền qua từ 2577 cu lông ñến 1799 cu lông thuộc
loại có mức ñộ thấm ion clo trung bình và thấp.
2.
Luận án ñã xây dựng công thức ñể tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả
ñiện tích chuyển qua trong thí nghiệm ASTM C1202 như sau:
2
16
C1202
m
D 1,822 IT 10 ( ) (2.9)

s
−
= × ×

3.
Xác ñịnh hệ số khuếch tán clo của các mẫu thí nghiệm ASTM C1202
t
ừ công thức 2.9 sau ñó so sánh kết quả tính với dự báo của Stanish ñi
ñến kết luận hệ số khuếch tán clo tính từ kết quả thí nghiệm C1202
như công thức 2.9 cơ bản phù hợp với kết quả của Stanish (ñược dùng
trong Life 365) cũng như của Berke.
10
4.
Luận án ñã tổng kết các nghiên cứu của các tác giả và ñề nghị công thức
dự báo hệ số khuếch tán clo biểu kiến như trong phương trình 2.18.

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG
CẦU BTCT VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO
3.1
Giới thiệu chung
3.1.1
Khái niệm tuổi thọ sử dụng
Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời
gian từ khi bắt ñầu tiếp xúc với môi trường có ion clo ñến khi clo gây ra ăn
mòn cốt thép dẫn tới nứt bê tông bảo vệ hoặc tới khi ăn mòn 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.
3.1.2
Tuổi thọ sử dụng dựa trên sự thâm nhập của clo trong môi trường
biển

ðể dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông, ñiểm kết thúc của tuổi
thọ cần ñược xác ñịnh.
Trong luận án này sẽ tính cho cả hai trường hợp:
1. ðiểm cuối của tuổi thọ sử dụng xem là khi ăn mòn gây nứt bê
tông bảo vệ.
2. ðiểm cuối của tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn cốt thép gây
nguy hiểm ở trạng thái giới hạn chịu lực.
Quá trình hư hỏng của các kết cấu bê tông cốt thép có nhiều quan
ñiểm. Theo Tuuti (1980) [58], quá trình gồm hai giai ñoạn: Giai ñoạn khởi
ñầu và giai ñoạn lan truyền phương trình 3.1.
(
)
1 2
3.1
t t t
= +

Trong ñó: t
1
là giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn; t
2
là giai ñoạn lan truyền ăn
mòn.
3.2
Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn
3.2.1
Tổng quát
Từ ñịnh luật thứ hai của Fick về khuếch tán:
( )
2

2
( , ) ( , )
3.2
C x t C x t
D
t x
∂ ∂
=
∂ ∂

Trong ñó: C(x,t) là nồng ñộ clo tại chiều sâu x và thời gian t ;D là hệ số
khuyếch tán clo trong bê tông; x là chiều dày tính từ bề mặt của bê
tông ; t là thời gian.
3.2.2
Các tham số của mô hình
3.2.2.1
Hệ số khuếch tán clo (D)
3.2.2.2
Sự tích tụ nồng ñộ clo trên bề mặt bê tông
( ) ( )
, ax
, ax
, ax
3.3
s m
s
s m
s m
C
kt khi t

k
C t
C
C khi t
k

≤


=


≥



11
Bảng 3.1 Tốc ñộ tích lũy và nồng ñộ lớn nhất của clo bề mặt
Vùng Tốc ñộ tích lũy k
(%/ năm)
C
s,max
(%/)
Vùng thủy triều Xảy ra ngay 0.8
Vùng sóng ñánh 0.10 1.0
Cách biển
≤
800m
0.04 0.6
Cách biển từ 800m-1500m 0.02 0.6

Trong luận án này sẽ chọn quy luật tích tụ nồng ñộ clo bề mặt theo
Michael Thomas phương trình 3.3 nhưng nồng ñộ clo bề mặt lớn nhất (C
s,max
)
sẽ lấy theo các vùng biển của Việt Nam.
3.2.2.3
Ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép trong bê tông
- Với bê tông cốt thép thường C
th
=0.05%
- Với bê tông dự ứng lực C
th
=0.012%
3.2.3
Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn
3.2.3.1
Bài toán một chiều: (Khuếch tán 1 chiều)

Khi nồng ñộ clo C(x,t) tại chiều sâu lớp bê tông bảo vệ bằng ngưỡng
nồng ñộ gây ăn mòn C
th
lúc ñó cốt thép bắt ñầu bị ăn mòn (gỉ).
1
( , )
c
th
x d
C x t C
t t
=

=
=
t
1
là thời gian khởi ñầu ăn mòn
3.2.3.2
Bài toán hai chiều: (Khuếch tán 2 chiều)

( )
2 2
2 2
( , , ) ( , , ) ( , , )
3.7
C x y t C x y t C x y t
D
t x y
 
∂ ∂ ∂
= +
 
∂ ∂ ∂
 

3.2.3.3
Giải bài toán khi D và Cs thay ñổi bằng phương pháp sai phân
hữu hạn Crank-Nicolson.
3.2.4
Xây dựng thuật toán tính thời gian khởi ñầu ăn mòn bằng mathlab
Hai bài toán tính thời gian khởi ñầu ăn mòn ñược lập trình trên phần mềm
Mathlab: Bài toán khuếch tán một chiều ñể tính bản tường và các cốt thép phía

trong của các trụ cầu. Bài toán khuếch tán hai chiều tính cho các cốt thép ở góc
của dầm, trụ cầu.
Thuật toán của hai bài toán này xem phụ lục 1
3.3
Xây dựng mô hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn
3.3.1
Các vấn ñề chung
3.3.2
Xem xét các mô hình hiện có
3.3.3
Mô hình ñề xuất
3.3.3.1
Các giả ñịnh.
ðể phát triển các mô hình ăn mòn,các giả ñịnh cơ bản sau ñây ñược ñưa ra:
1) Quá trình ăn mòn là ñều xung quanh cốt thép ñiều này dẫn ñến một
áp suất phân bố ñều hướng tâm tại giao diện thép bê tông. Bê tông
xung quanh các thanh cốt thép ñược coi là một hình trụ thành dày và
ñộ dày thành ñược giả ñịnh bằng các lớp bê tông bảo vệ mỏng nhất.
12
2) Các ứng suất và biến dạng trong bê tông ñược gây ra chỉ bởi sự nở
thể tích của các sản phẩm ăn mòn.Bê tông bảo vệ là vật liệu ñàn hồi
tuyến tính.
3) Có một vùng xốp xung quanh giao diện thép-bê tông, các sản phẩm
ăn mòn sẽ khuếch tán vào các khoảng trống này.
4) Trong sự phát triển của vết nứt, một phần của các sản phẩm ăn mòn
sẽ chèn vào bên trong các vết nứt.

Hình 3.6: Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày:
(a) mẫu bê tông ban ñầu; (b) sự biến dạng của bê tông, (c) sự biến dạng của
các sản phẩm ăn mòn (d) gỉ chèn vào trong các vết nứt mở.

Hình 3.7 : Khoảng thời gian từ khởi ñầu ăn mòn thép ñến nứt
hoàn toàn bê tông b
ảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực
Trong giai ñoạn lan truyền nứt, một phần nhỏ của các sản phẩm ăn mòn
sẽ thâm nhập vào các vết nứt xuyên tâm. Sau ñó, số lượng yêu cầu của cốt
thép ăn mòn ñể gây ra nứt hoàn toàn của bê tông bảo vệ có thể ñược tính toán
với hai thành phần (Hình 3.7):
13
3.3.3.2
Mối quan hệ giữa mất mát trọng lượng của thép và áp lực
hướng tâm.
ðặt ρ là ký hiệu của tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát M
loss

với khối lượng thép ban ñầu M
s
trên một ñơn vị chiều dài:
( )
os
100% 3.33
l s
s
M
M
ρ
= ×

( )
( )

2
'
2 2
0 0 0
2 2
ef 0 0
2 ( ) 2
1 1 1
( )
3.40
1
sp
c
c
c
f
L r L r
v
d E r L r d
n
δ
γ
ρ
 
 
+ +
+ + + + −
 
 
+ −

 
 
=
−

Mất mát bán kính tương ứng sẽ là:
1
1
2 2 2
∆ = − = − −
ρ
s n c
d d d
r r

(
)
( )
1
1 1 3.41
2
s c
d
r
ρ
∆ = − −

3.3.3.3
Số lượng các sản phẩm ăn mòn xâm nhập vào các vết nứt
( )

2 1
3.44
s s
L
r r
d
∆ = ∆

( )
2 1
3.45
s s
L
r k r
d
∆ = ∆

Mất mát bán kính thép ∆r
s2
sẽ tương ứng có tỷ lệ phần trăm mất mát
khối lượng ρ
2
là:
( )
2
3.46
c
L
k
d

ρ ρ
=

Từ (3.40) và (3.46) ta có tổng tỷ lệ phần trăm mất mát khối lượng
tương ứng là:
( )
( )
2
'
2 2
0 0 0
2 2
ef 0 0
2 ( ) 2
1 1 1
( )
(1 ) 3.47
1
sp
c
c
c
f
L r L r
v
d E r L r d
L
k
d n
δ

γ
ρ
 
 
+ +
+ + + + −
 
 
+ −
 
 
= +
−

3.3.3.4
Xây dựng mô hình dự báo theo nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ
Sử dụng ñịnh luật Faraday mô tả mất mát khối lượng thép do ăn mòn:
( )
or
os
3.48
c r
l s
MI
M t
zF
=

Trong
ñó M

loss
là sự mất trọng lượng thép tiêu thụ (g); M là khối lượng
nguyên tử của ion Fe, M = 56 g/mol; z là hóa trị của sắt, F là hằng số Faraday,
F = 96.500 C/mol và t là thời gian ăn mòn tính bằng giây (s).
Mật ñộ dòng ăn mòn i
corr
ñược ñịnh nghĩa là dòng ñiện ăn mòn trên
mỗi ñơn vị bề mặt thép. Nếu chiều dài ñơn vị L
0
= 1 cm và ñường kính có
14
ñơn vị d là mm, một mối quan hệ giữa I
corr
(A) và i
corr
(µA/cm2) có thể thu
ñược như sau:
( )
6 7
or or or
1 10 10 3.49
10
c r c r c r
d
I i di
π π
− −
= × × =

Với ρ

s
=7.85g/cm3 và L
0
=1cm phương trình (3.33) có thể viết thành
( )
2
2
os
0.0616 3.50
4 10
l s s s
d
M M d
π
ρ ρ ρ ρ
 
= = =
 
 

( )
2
os
7
or or or
2.5 96500 0.0616
234762 3.51
56 10 3600
l s
c r c r c r

zFM d d
t
MI di i
ρ ρ
π
−
× ×
= = =
× × ×

( )
( )
( )
( )
2
2
'
2
0 0
0
2
2
ef
0 0
2
or
2 2
. 1 1
26,799( ) 3.53
1 .

sp
c
c
c r
f
r L r
L
d E d
r L r
t d kL
n i
δ
ν
 
 
+ +
 
+ + + −
 
 
+ −
 
 
 
 
= + ×
−

Dự báo mật ñộ dòng ñiện i
( )

4 0.215
or
3034
0.9259exp 7.98 0.771ln(1.69 ) 1.16 10 2.24 3.54
c r cl c
i C R t
T
− −
 
= + − − × +
 
 


[
]
{
}
7.2548
90.537 1 exp 5 50(1 ( ) (3.55)
c
R H H
−
= + − − Ω

3.3.3.5
Xây dựng mô hình dự báo theo ăn mòn gây nguy hiểm cho
trạng thái giới hạn chịu lực
Phương trình tổng quát của trạng thái giới hạn chịu lực theo 22TCN 272-
05[1] như sau:

(3.58)
i i n r
Q R R
η γ φ
≤ =
∑

Trong cấu kiện chỉ chịu uốn phần trăm mất mát diện tích tiết diện cốt thép
gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu mô men uốn có thể tính từ phương
trình sau:
1 (3.59)
u
th
r
M
M
ρ
= −

Trong ñó: M
r
là sức kháng uốn tính toán (hay sức kháng uốn có hệ số);
M
u
là mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế có hệ số gây ra.
Trong cấu kiện chịu nén, gọi sức kháng nén tính toán là P
r
, lực nén dọc ở
trạng thái giới hạn cường ñộ là P

u
.

(3.60)
r rc rs
P P P
= +

P
rc
phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông;P
rs
phần sức kháng tạo
nên bởi tiết diện cốt thép

(3.61)
r rc rs rs
P P P P
= + − ∆

Tiết diện ñặt tới trạng thái cân bằng giới hạn chịu lực khi:
15

(3.62)
r rc rs rs u
P P P P P
= + − ∆ =


1 (3.63)

rs u rc
rs rs
P P P
P P
ρ
∆ −
= = −


1 (3.64)
u rc
th
rs
P P
P
ρ
−
= −

Tương tự ta có phần trăm mất mát diện tích tiết diện cốt thép gây nguy
hiểm cho trạng thái giới hạn chịu mô men uốn của cấu kiện chịu nén và uốn
ñồng thời:

1 (3.65)
u rc
th
rs
M M
M
ρ

−
= −

M
rc
phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông; M
rs
phần sức kháng
tạo nên bởi tiết diện cốt thép; M
u
là mô men uốn tính toán.
Với cốt thép ñai chịu cắt:

1 (3.66)
u rc
th
rs
V V
V
ρ
−
= −

Từ phương trình 3.51 ta có thời gian lan truyền ăn mòn (tính bằng năm)
gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực như sau:
( )
2
or
26.8 3.67
th

c r
d
t
i
ρ
=

3.4
Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông
“LifeConBridge”
Hình 3.11 trình bày sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông
cốt thép ven biển Việt Nam. Luận án ñặt tên cho thuật toán này là “Life
Concrete Bridge” viết tắt là “ LifeConBridge”. Thuật toán này ñược lập trình
bằng Mathlab.
Từ sơ ñồ thuật toán một phần mềm “LifeConBridge” –(Service life of
Concrete Bridge) ñược viết bằng Mathlab cho cả hai thời gian khởi ñầu ăn
mòn và thời gian lan truyền ăn mòn. Chi tiêt Phần mềm xem phụ lục 1.

16

Hình 3.11. Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập Clo
3.5 Kết quả tính và nhận xét
3.5.1 Kiểm chứng kết quả tính của mô hình ñề xuất
Bảng 3.4 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=100%
Chiều dày

lớp bê tông

bảo vệ (mm)

w/c
D
28
10
-12

(m
2
/s)

T(
o
C)

H(%) C
s
(%)

C
th
(%)

t
1
(năm)
theo mô hình

xây dựng
t
1

(năm)

theo Life
365
20 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 4.40 4.60
30 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 6.60 6.80
40 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 9.10 9.30
50 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 12.0 10.80
60 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 15.3 15.10
70 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 18.9 17.50
80 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 23.1 22.8
90 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 27.8 26.00
100 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 33.20 32.90
(Kết quả tính với SF=0; FA=0; SG=0)
17
Bảng 3.5 Kết quả tính thời gian khởi ñầu ăn mòn H=75%
Chiều dày lớp

bê tông bảo vệ

(mm)
w/c

D
28
10
-12

(m
2

/s)

T(
o
C)

H(%)

C
s
(%)

C
th
(%)

t
1
(năm)
theo mô hình

xây dựng
t
1
(năm)
theo Life
365
20 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 6.20
4.60
30 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 9.70
6.80
40 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 14.1
9.30
50 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 19.20
10.80
60 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 25.30
15.10
70 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 32.60
17.50
80 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 40.90
22.8
90 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 50.40
26.00
100 0.35

6.026

20 75 0.6 0.05 61.00
32.90
(Kết quả tính với SF=0; FA=0; SG=0)
Khi ñộ ẩm bão hòa kết quả của mô hình “LifeConBridge” sai khác ít so
với Life 365.
Bảng 3.6 Kết quả tinh thời gian lan truyền ăn mòn
d (mm)

C (mm) i
corr
(µA/cm2)

t
2
(năm)
t
2
(
năm) thí
nghiệm của Liu

16 47.50 2.35 1.45-1.93 1.84
16 69.60 1.80 2.85-3.80 3.54
16 27.18 3.77 0.57-0.74 0.72
12.7 52.07 1.81 2.29-3.04 2.38
(Kết quả tính với k=0.25, n=2.5-3.0)
Thời gian lan truyền ăn mòn là phù hợp với thí nghiệm của Liu
3.5.2 Kết quả tính toán thí dụ
Bảng 3.7 Kết quả tính thời gian khởi ñầu ăn mòn theo các tham số
Chiều dày l
ớp
bê tông bảo

vệ (mm)
w/c

SF(%)

FA(%)

D
28

10
-12

(m
2
/s)
T(
o
C)

H(%)

C
s
(%)

C
th
(%)

t
1
(năm)

70 0.35

0 6.26 20 75 0.6 0.05 32.1
60 0.35

0 6.26 20 75 0.6 0.05 24.88

70 0.4 0 7.94 20 75 0.6 0.05 25.62
70 0.35

0 6.26 22 75 0.6 0.05 29.63
70 0.35

0 6.26 20 85 0.6 0.05 20.42
70 0.35

0 6.26 20 75 0.6 0.045 30.58
70 0.35

5 3.48 20 75 0.6 0.05 66.66
70 0.35

8 2.12 20 75 0.6 0.05 105.88

70 0.35

0 5 6.26 20 75 0.6 0.05 38.64
70 0.35

0 8 6.26 20 75 0.6 0.05 43.47
18
Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số
(quan ñiểm 1: nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ)
Chiều dày lớp b
ê
tông bảo vệ
(mm)

d (mm) f'
sp
(MPa)

T(
o
C) H(%)
i
corr

(µA/cm
2
)
t
2
(năm)

70 16 3.3 20 75 1.47 5.81
60 16 3.3 20 75 1.47 4.77
70 18 3.3 20 75 1.47 5.38
70 16 3.0 20 75 1.47 5.46
70 16 3.3 22 75 1.58 5.42
70 16 3.3 20 85 1.54 5.54
Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số
(quan ñiểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm)
Chiều dày lớp
bê tông b
ảo vệ
(mm)
d (mm) f'

sp
(MPa)

T(
o
C) H(%)
i
corr

(µA/cm
2
)
(năm) khi
ρ
th
=2.5%
70 16 3.3 20 75 1.47 9.94
60 16 3.3 20 75 1.47 9.94
70 18 3.3 20 75 1.47 11.19
70 16 3.0 20 75 1.47 9.94
70 16 3.3 22 75 1.58 9.28
70 16 3.3 20 85 1.54 9.48
3.6
Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam
3.6.1
ðặc ñiểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến ñổi khí hậu
3.6.1.1
ðặc ñiểm khí hậu Việt Nam
3.6.1.2
Biến ñổi khí hậu Việt Nam trong tương lai

Theo Bộ Tài nguyên Môi trường có ba kịch bản biến ñổi khí hậu, nước
biển dâng tại Việt Nam. Kịch bản phát thải trung bình ñược khuyến nghị các
Bộ, ngành và ñịa phương làm ñịnh hướng ban ñầu ñể ñánh giá tác ñộng của
biến ñổi khí hậu, nước biển dâng và xây dựng kế hoạch hành ñộng ứng phó
với biến ñổi khí hậu.
3.6.1.3
ðánh giá chung ảnh hưởng của khí hậu tới tuổi thọ sử dụng
Khí hậu nóng ẩm của Việt Nam là ñiều kiện thúc ñẩy nhanh quá trình
khuếch tán ion clo vào bê tông, và ñồng thời cũng ñẩy nhanh quá trình ăn mòn
c
ốt thép trong bê tông gây nguy hại cho các công trình nói chung, cũng như
các công trình cầu bê tông nói riêng.
Theo kịch bản biến ñổi khí hậu nước biển sẽ dâng khá cao (570-730mm),
mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông ngòi Việt Nam làm ảnh hưởng tới các công
trình bê tông cốt thép nói chung và các cầu bê tông ở trong khu vục này.
2
t
19
3.6.2 Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam
Tuổi thọ sử dụng của các loại cầu có kết cấu nhịp không thể thay thế sẽ
ñược lấy bằng giá trị tuổi thọ sử dụng nhỏ nhất của các kết cấu thành phần
(móng, mố trụ, kết cấu nhịp).
(
)
(
)
min 3.68
i
T T
=

+ Mố trụ cầu trong vùng nước biển
Các mố trụ cầu trong vùng nước mặn sẽ gồm 4 vùng: vùng thường xuyên
ngập nước, vùng thủy triều, vùng sóng ñánh và vùng không khí biển (hình 3.15).

Hình 3.15: Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông
+ Kết cấu nhịp trong vùng nước biển
Kết cấu nhịp thuộc vùng không khí biển.

Hình 3.16: ðịnh tính về phân bố nồng ñộ clo bề mặt
3.7 Kết luận chương 3
1. Nghiên cứu sinh ñã xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê
tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo “LifeConBridge”. Mô
hình lấy ñiểm kết thúc của tuổi thọ sử dụng là khi bê tông bảo vệ cốt thép
bị nứt hoàn toàn hoặc khi ăn mòn làm giảm diện tích tiết diện cốt thép gây
nguy hi
ểm cho trạng thái giới hạn chịu lực.
2. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo mô hình “LifeConBridge”
gồm hai giai ñoạn kế tiếp nhau: giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn
lan truyền ăn mòn.
+ Mô hình dự báo giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn ñược xây dựng sử dụng
phương pháp sai phân hữu hạn dựa trên ñịnh luật thứ 2 của Fick về khuếch
20
tán. ðộ dài của giai ñoạn này ñã xét ñến 3 tham số: Tham số vật liệu gồm
hệ số khuếch tán clo trong bê tông, ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép;
Tham số môi trường có nồng ñộ clo bề mặt, nhiệt ñộ, ñộ ẩm của môi
trường; Tham số kết cấu là chiều dày lớp bê tông bảo vệ;
+ Xây dựng mô hình dự báo giai ñoạn lan truyền ñược tiến hành với hai trường
hợp: trường hợp 1: xem ñiểm kết thúc tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn gây nứt
hoàn toàn bê tông bảo vệ; trường hợp 2: xem ñiểm kết thúc tuổi thọ sử dụng là

khi ăn mòn gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực.
3. Kết quả tính toán của mô hình “LifeConBridge” khá phù hợp với kết quả
của các mô hình khác và thí nghiệm nên do vậy mô hình có ñộ tin cậy cao.

CHƯƠNG 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ
DỤ TÍNH TOÁN
4.1
Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng
4.1.1
Với các kết cấu mới
ðối với các kết cấu cầu bê tông cốt thép xây dựng mới, ñể kéo dài tuổi
thọ sử dụng, hiệu quả nhất là kéo dài giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn.
4.1.1.1
Các giải pháp về kết cấu

Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày bê tông bảo vệ với thời gian khởi ñầu ăn mòn

Hình 4.2: Quan hệ giữa chiều dày bê tông bảo vệ với thời gian từ khởi ñầu ăn
mòn ñến nứt
21
4.1.1.2
Giải pháp vật liệu
1. Sử dụng tỷ lệ nước trên xi măng nhỏ

Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ w/c với thời gian khởi ñầu ăn mòn
2. Sử dụng phụ gia muội silic (Silica fume)

Hình 4.4: Quan hệ giữa tỷ lệ muội si líc (silica fume) với thời gian khởi ñầu
ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt ñộ 25
o

C, ñộ ẩm H=75%
cho vùng khí quyển biển)
3. Tăng ngưỡng clo tới hạn
ðể kéo dài tuổi thọ sử dụng có thể dùng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit
(CNI) ñể tăng ngưỡng clo tới hạn C
th
.
4. Các biện pháp kéo dài thời gian tích lũy clo trên bề mặt bê tông
ðối với vùng khí quyển biển ñể kéo dài thời gian tích lũy clo trên bề mặt
bê tông có thể dùng biện pháp màng hoặc sơn phủ.

4.1.1.3
Các giải pháp kết hợp
B
ảng 4.1 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, với các giải pháp kết hợp
P.Án Chiều dày bê tông
bảo vệ (mm)
w/c
SF
(%)

FA
(%)

SG
(%)

CNI
(l/m
3

)

t
1
(năm)

t
2
(năm)

t
1+
t
2

(năm)
1 75 0.4 2 5 5 0 46.9 5.78 52.68
2 75 0.4 2 5 5 10 101.1

2.46 103.56
3 75 0.375

2 5 0 10 98.9 2.46 101.36
22
P.Án Chiều dày bê tông
bảo vệ (mm)
w/c
SF
(%)

FA
(%)

SG
(%)

CNI
(l/m
3
)

t
1
(năm)

t
2
(năm)

t
1+
t
2

(năm)
4 75 0.375

2 0 0 10 80.0 2.46 82.46
5 75 0.375

2 0 5 10 93.0 2.46 95.46
6 75 0.35 2 2 0 10 99.1 2.46 101.56
7 75 0.35 4 0 0 0 57.7 5.78 63.48
8 75 0.325

2 0 0 10 103.7

2.46 106.16
9 75 0.325

2 0 0 0 48.6 5.78 54.38
10 75 0.30 2 0 0 10 118.2

2.46 120.66
11 75 0.30 4 0 0 0 74.4 5.78 80.18
(Bảng tính cho nhiệt ñộ 23
o
C, ñộ ẩm 75%, thép d=16mm, f’c=40MPa)
ðể ñạt tuổi thọ sử dụng 100 năm có thể sử dụng các phương án: 2, 3, 6, 8,
10 như trong bảng 4.1.
4.1.2
Với các kết cấu cũ
Với các kết cấu cũ cần thiết phải ñánh giá tình trạng của nó trước khi ñưa
ra biện pháp ñể kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Có hai phương pháp hiệu quả hơn có thể áp dụng chung cho các kết cấu
ñã bị ăn mòn thép ñó là:
+ ðiện hóa khử ion clo.
+ Bảo vệ cực âm
4.2
Thí dụ tính toán cho bộ phận cầu T

4.2.1
Các thông sô tính tuổi thọ sử dụng của cầu T
4.2.1.1
Thông số kết cấu, vật liệu
Bảng 4.2 Thông số kết cấu và vật liệu
Bộ phận kết
cấu
Loại cốt
thép
ðường
kính
(mm)
Chiều dày
lớp bê tông
bảo vệ (mm)
Bê tông
Giá
trị ρ
th
(%)
Cấp
(MPa)
Tỷ lệ
w/c
Phụ gia SF
(%)
Trụ tháp
Cốt dọc 32 80 50 0,35 2,0 7,5
Cốt ñai 16 65 50 0,35 2,0 7,0
Trụ cầu dẫn

Cốt dọc 32 90 40 0,375 2,0 7,5
Cốt ñai 16 75 40 0,375 2,0 7,0
Dầm cầu
dẫn
Cốt dọc 22 55 50 0,35 2,0 2,5
Cốt ñai 16 40 50 0,35 2,0 5,0
4.2.2
Thông số môi trường
Bảng 4.3 Thông số môi trường
Bộ phận kết
cấu
Vùng môi
trường biển
Nồng ñộ Clo
bề mặt tối ña
Cs (%)
Tốc ñộ tích
lũy Cs
(%/năm)
Nhiệt ñộ
trung bình
năm (
o
C)
ðộ ẩm trung
bình năm(%)
Trụ tháp
Vùng thủy
triều
0,60 Tức thời

25,9 80 Trụ cầu dẫn
Vùng thủy
triều
0,60 Tức thời
Dầm cầu
dẫn
Không khí
biển
0,40 0,04
23
4.2.3
Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng
Bảng 4.4 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 1D
Bộ phận kết cấu
Loại cốt
thép
Kết quả theo
Mô hình luận án
Kết quả
theo Life 365
t
1
(năm)
t
2
(năm)
t
1
+t
2

(năm)
t
1
(năm)
t
1
+t
2

(năm)
Trụ tháp
Cốt dọc 20.40 4.97 25.37 17.80 23.80
Cốt ñai 12.20 5.74 17.94 9.90 15.90
Trụ cầu dẫn
Cốt dọc 23.00 5.73 28.73 19.20 25.20
Cốt ñai 14.60 6.93 21.53 13.10 19.10
Dầm cầu dẫn
Cốt dọc 18.30 3.90 22.20 16.00 22.00
Cốt ñai 13.50 3.70 17.20 10.70 16.70
Bảng 4.5 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 2D
Bộ phận kết cấu
Loại cốt
thép
Kết quả theo
Mô hình luận án
Kết quả
theo Life 365
t
1

(năm)
t
2
(năm)
t
1
+t
2

(năm)
t
1
(năm)
t
1
+t
2

(năm)
Trụ tháp Cốt dọc 15.20 4.97 20.17 12.0 18.0
Trụ cầu dẫn Cốt dọc 17.40 5.73 23.13 13.2 19.2
Dầm cầu dẫn Cốt dọc 14.40 3.90 18.30 12.00 18.00
4.3
Kết luận chương 4
Sau khi áp dụng mô hình “LifeConBridge” tính toán cho các trường hợp
cho thấy ñể kéo dài thời gian khởi ñầu ăn mòn cần:
1)
Sử dụng bê tông có sức kháng xâm nhập clo cao, D nhỏ (bê tông tính
năng cao). Bê tông này nên có thành phần như sau:
+ tỷ lệ nước trên xi măng thấp w/c=0,25-0,35

+ phụ gia như: Muội silic nên từ 4-7%, tro bay, xỉ lò.
2)
Thiết kế kết cấu có chiều dày lớp bê tông bảo vệ (c) như khuyến cáo của
tiêu chuẩn 22TCN 272-05: bê tông vùng khí quyển biển L ≥75mm, bê
tông vùng thủy triều L≥100mm.
3)
Sử dụng các biện pháp tăng ngưỡng nồng ñộ gây ăn mòn cốt thép như:
+ Chất ức chế ăn mòn hóa học Ca(NO
2
)
2

+ Sử dụng thép không gỉ
4)
Sử dụng các biện pháp kéo dài thời gian tích lũy nồng ñộ clo bề mặt C
s

như:
+ Dùng màng chống thấm
+ S
ử dụng sơn phủ bề mặt bê tông
5)
Sử dụng các biện pháp kết hợp giữa các biện pháp trên.
Các biện pháp kéo dài thời gian lan truyền ăn mòn: Sơn phủ cốt thép bằng
keo epoxy, tráng hoặc mạ kẽm.

24
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1/ Kết luận
1. Nghiên cứu sinh ñã nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu

chuẩn ASTM C1202 cho các mẫu bê tông phổ biến trong xây dựng cầu tại
Việt Nam. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cấp C30-C40-C50 có ñiện
lượng truyền qua từ 2577 cu lông ñến 1799 cu lông thuộc loại có mức ñộ
thấm ion clo trung bình và thấp.
2. Nghiên cứu sinh ñã xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo từ
kết quả thí nghiệm nhanh ASTM C1202 . ðã sử dụng công thức này tính hệ
số khuếch tán clo cho 18 mẫu thử, sau ñó so sánh với kết quả công thức dự
báo của Stanish, của Berke cho kết quả tương ñối phù hợp.
3. Nghiên cứu sinh ñã tổng kết các nghiên cứu của các tác giả và ñề nghị
công thức dự báo hệ số khuếch tán clo biểu kiến từ thành phần trộn bê tông,
nhiệt ñộ, ñộ ẩm của môi trường, tuổi của bê tông và mức ñộ nứt của bê tông
như trong phương trình 2.18.
4. Nghiên cứu sinh ñã xây dựng thành công mô hình “LifeConBridge” dự
báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm
nhập clo và lập trình trên phần mềm Mathlab. Trong mô hình này, tuổi thọ sử
dụng gồm hai giai ñoạn thời gian kế tiếp nhau: thời gian khởi ñầu ăn mòn và
thời gian lan truyền ăn mòn.Sử dụng mô hình “LifeConBridge” tính toán với
các ví dụ cho thấy: thời gian khởi ñầu ăn mòn (t1) khi ñộ ẩm H=100% phù
hợp với “Life 365”; thời gian lan truyền ăn mòn phù hợp với kết quả thí
nghiệm của Liu, từ ñó cho thấy mô hình xây dựng ñược là ñáng tin cậy.
5. ðã sử dụng mô hình tính toán tác ñộng của các tham số (chiều dày lớp bê
tông bảo vệ, tỉ lệ w/c, phụ gia muội silic, ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn)
ñến tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép trong ñiều kiện Việt Nam.
2/ Kiến nghị
+ Trong ñiều kiện Việt Nam, có thể sử dụng công thức tính hệ số
khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM
C1202 như luận án ñã thành lập ở chương 2. Kết quả hế số khuếch tán
này có thể ñược dùng như số liệu ñầu vào của mô hình dự báo.
+ Mô hình tuổi thọ sử dụng này có thể trợ giúp các kỹ sư thiết kế ñể có
ñược phương án thiết kế hợp lý cho các công trình cầu bê tông ven biển.

+ Khi thiết kế các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường clo có thể
tham khảo thuật toán, chương trình và các kết luận ñã ñưa ra trong luận
án này.