Tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN TRUNG KIÊN

TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU
UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
---------------------

NGUYỄN TRUNG KIÊN
KHÓA: 2011-2013

TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU
UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

Chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số:

60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN NGỌC NAM
2. TS. NGUYỄN HIỆP ĐỒNG

Hà Nội - 2014


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành sau nhiều tháng nghiên cứu, tổng hợp với sự
hướng dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Ngọc Nam, và thầy TS. Nguyễn
Hiệp Đồng. Bằng lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tác giả xin gửi lời
cảm ơn đến các thầy, chúc thầy cùng toàn thể gia đình luôn mạnh khỏe và
hạnh phúc. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo sau đại học, các thầy
cô giảng dạy lớp cao học xây dựng khóa 2011 – 2013 Trường Đại học Kiến
Trúc Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong công tác học tập và giúp tôi trong quá trình
hoàn thành luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Trung Kiên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học
độc lập của tôi.
Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực
và có nguồn gốc rõ ràng.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trung Kiên


MỤC LỤC
A.PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 2
Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 2
B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG
MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC ...................................................................... 3
1.1. Khái niệm ăn mòn và đặc điểm của môi trường xâm thực lên bê tông và
bê tông cốt thép ............................................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm về ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ............................. 3
1.1.2. Đặc điểm của ăn mòn bê tông cốt thép trong môi trường biển ............ 5
1.1.3. Đặc điểm của ăn mòn bê tông cốt thép trong các môi trường ăn mòn
nhân tạo ....................................................................................................... .9
1.2. Các nghiên cứu về ăn mòn BTCT trong môi trường biển. ..................... 11
1.2.1. Sự hư hỏng của các công trình BTCT làm việc trong môi
trường biển................................................................................................... 11

1.2.2. Các mô hình ăn mòn BTCT trong môi trường biển. ............................ 15
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG BIỂN CHỨA ION Cl¯
TỚI CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP. ..................................... 21
2.1. Sự thâm nhập của ion Cl¯ vào bê tông ................................................... 21
2.1.1. Các nghiên cứu thực nghiệm về sự thẩm thấu ion Cl¯ vào bê tông ...... 21
2.1.2. Mô hình thẩm thấu Cl- vào bê tông. .................................................... 26
2.2. Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn chứa Cl¯ đến tính chất cơ


lý của bê tông ............................................................................................... 32
2.2.1 Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn chứa Cl¯ tới biến dạng của bê tông.
..................................................................................................................... 32
2.2.2 Xây dựng biểu đồ ứng suất - biến dạng của bê tông bị ăn mòn trong môi
trường chứa ion Cl-........................................................................................34
2.3. Sự ăn mòn cốt thép trong môi trường chứa Cl-: ..................................... 39
2.3.1. Mô hình ăn mòn tiết diện cốt thép ..................................................... 39
2.3.2. Sự suy giảm cường độ và tiết diện của cốt thép bị ăn mòn .................. 43
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN
LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN ......................................... 51
3.1. Phương pháp tính toán cấu kiện chịu uốn làm việc trong môi trường ăn
mòn .............................................................................................................. 51
3.1.1. Các giả thuyết..................................................................................... 51
3.1.2. Yêu cầu thiết kế và vật liệu ................................................................. 52
3.1.3 Thiết lập phương pháp tính toán. ......................................................... 58
3.2. Ví dụ tính toán. ...................................................................................... 63
KẾT LUẬN.................................................................................................. 75
ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 76
Tài liệu tham khảo

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
Bảng 1.1.

Tên bảng
Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và trên thế giới

Bảng 1.2

Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam

Bảng 1.2

Tuổi thọ của kết cấu trong vùng biển Việt Nam

Bảng 2.1

Hệ số kenv

Bảng 2.2

Các mô hình biến dạng của bê tông

Bảng 2.3 2.4

Bảng 2.5

Các giá trị biến dạng giới hạn của bê tông khi chịu nén và khi
chịu kéo

Giá trị thực nghiệm và lý thuyết của ứng suất cũng như sai số (i)
Giá trị các hệ số của mô hình đối với bê tông nặng chịu tác

Bảng 2.6 -2.7

Bảng 3.1

Bảng 3.2
Bảng 3.3

dụng của môi trường khí chứa ClCác yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong
môi trường biển
Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm bê tông và bê tông cốt thép đạt
tính năng chống ăn mòn trong môi trường biển
Kiểm tra độ bền của cấu kiện BTCT chịu uốn bị ăn mòn


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình

Hình 1.1

Phân vùng môi trường ven biển Việt Nam

Hình 1.2

Sơ đồ ăn mòn thép của Pourbaix

Hình 1.3

Sơ đồ mô tả các vùng ăn mòn các vùng ăn mòn bê tông cốt thép
trong môi trường biển

Hình 1.4

Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bê tông khi có mặt ion Cl¯.

Hình 2.1

So sánh kết quả uốn ba điểm giữa dầm bị ăn mòn và dầm không
bị ăn mòn

Hình 2.2

Kết quả của thực nghiệm của Bentz E. và Thomas M

Hình 2.3

Kết quả khảo sát Si lô nhà máy Hà Tiên 2

Hình 2.4

Sơ đồ thâm nhập ion Cl- vào bê tông

Hình 2.5

Sự thay đổi nồng độ ion Cl- trong khí quyển ven biển theo chiều
sâu từ bờ biển vào đất liền

Hình 2.6

Xấp xỉ hóa đường cong ứng suất – biến dạng khi chịu nén của bê
tông bị ăn mòn

Hình 2.7

Biểu đồ ứng suất – biến dạng của bê tông

Hình 2.8

Quá trình ăn mòn thép kết hợp với nứt bê tông và tác động phá
hủy sinh học

Hình 2.9

Sự thay đổi trong đường kính cốt thép do ăn mòn

Hình 2.10 Mặt cắt ngang bê tông được mô hình hóa
Hình 3.1

Sơ đồ tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn

Hình 3.2

Trạng thái ứng suất - biến dạng của cấu kiện BTCT bị uốn chịu
ăn mòn

Hình 3.3

Sơ đồ ứng suất của dầm BTCT chịu uốn bị ăn mòn

Hình 3.4

Mặt cắt dầm BTCT bị ăn mòn sau.

Hình 3.5

Mặt cắt dầm 300x600 bị ăn mòn sau 7 năm

Hình 3.6

Mặt cắt dầm 300x600 bị ăn mòn tại thời điểm 14,35 năm


1

A. PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong thực tế xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, một số
lượng lớn công trình bê tông cốt thép (BTCT) làm việc trong môi trường ăn
mòn. Bên cạnh các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình như tải trọng,
môi trường…thì giải pháp kết cấu quyết định hình dáng và bề mặt tiếp xúc
với môi trường xung quanh cũng là một yếu tố rất quan trọng. Điều này ảnh
hưởng đến các hư hỏng khác nhau trên bề mặt kết cấu và khả năng làm việc
của kết cấu cũng như toàn bộ công trình.
Các dạng hư hỏng thường gặp trên cấu kiện BTCT như: hư hỏng
cục bộ dưới tác động của môi trường hoặc bị bong tróc lớp bê tông bảo vệ cốt

thép, khe nứt đơn dài dọc theo kết cấu theo phương đứng.
Hiện nay việc khảo sát, đánh giá, nghiên cứu sự làm việc của kết
cấu BTCT chịu ăn mòn tại Việt Nam chủ yếu tập chung vào quá trình ăn mòn
lý hóa của môi trường đến vật liệu, mà chưa đề cập sâu tới việc tính toán đánh
giá khả năng chịu lực cũng như tuổi thọ của công trình.
Vì vậy việc nghiên cứu, tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn làm
việc trong môi trường ăn mòn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao
Mục đích nghiên cứu
Tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn làm việc trong môi
trường ăn mòn, để từ đó đánh giá khả năng làm việc của kết cấu BTCT chịu
ăn mòn, có các giải pháp thiết kế và biện pháp khắc phục, sửa chữa các công
trình xây dựng trong môi trường ăn mòn kịp thời, hiệu quả về cả kinh tế và kỹ
thuật.


2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các kết cấu BTCT chịu uốn làm
việc trong môi trường ăn mòn đặc biệt là vùng biển và ven biển.
Phạm vi của đề tài là tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện
BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn là vùng biển và ven biển.
Nội dung nghiên cứu:
Nắm vững lý thuyết ăn mòn bê tông cốt thép.
Khảo sát, tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn làm việc trong môi
trường biển và ven biển.
Xây dựng phương pháp tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện
BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn bằng các lý thuyết sức bền
vật liệu và lý thuyết về ăn mòn, lấy ví dụ minh họa cho quá trình tính toán.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Đề tài nghiên cứu cho phép tính toán mức độ an toàn của cấu kiện
BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn, nếu được phát triển thêm
có thể làm tài liệu tham khảo trong thiết kế các công trình trong môi trường
ăn mòn. Đề tài này cũng có thể mở rộng nhằm tính toán độ tin cậy và dự báo
tuổi thọ của các công trình xây dựng từ BTCT.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


75

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu, tổng hợp rút ra một số kết luận sau:
1. Đối với các công trình bê tông và bê tông cốt thép làm việc chịu ăn
mòn do môi trường nói chung và môi trường biển nói riêng bắt buộc phải kể
đến yếu tố ăn mòn là điều kiện an toàn cho kết cấu. Từ thiết kế, lựa chọn vật
liệu sử dụng, thi công, đánh giá tuổi thọ và độ bền vững công trình, ngoài các
yếu tố chung thì cần kể đến yếu tố môi trường ăn mòn.
2. Phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt
thép có kể đến sự làm việc đồng thời của lớp bê tông bị ăn mòn, bê tông chưa

bị ăn mòn và cốt thép bị ăn mòn trong giai đoạn đàn hồi dẻo đã được nghiên
cứu và đưa ra cách thức tính toán.
3. Xây dựng được cách thức tính toán theo từng bước cụ thể, đã kể đến
tương đối đầy đủ các yếu tố bắt đầu từ xâm nhập của chất ăn mòn Cl- vào kết
cấu, ăn mòn bê tông và cốt thép, giảm lực bám dính, sơ đồ ứng suất - biến
dạng khi bê tông cốt thép bị ăn mòn và các yếu tố liên quan đến tính toán khả
năng chịu lực của một kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn khi đã bị ăn mòn.
4. Từ mô hình xâm nhập Cl- có thể đánh giá tương đối chính xác tuổi
thọ còn lại của cấu kiện chịu uốn làm việc trong môi trường biển Việt Nam
trong giai đoạn đàn hồi dẻo tại từng thời điểm t xác định.


76

Kiến nghị
Kết quả nghiên cứu của luận văn bước đầu đã đưa ra cho các kỹ sư xây
dựng phương pháp tính toán thời gian cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn
trong môi trường biển bị ăn mòn và ứng xử của dầm bê tông khi đã bị ăn
mòn. Để hoàn thiện, mang lại tính khả thi và khả năng áp dụng rộng rãi, đề tài
này cần được nghiên cứu sâu hơn. Vì vậy tác giả có kiến nghị trong việc phát
triển đề tài như sau:
+ Các ví dụ tính toán trong luận văn được thực hiện với trường hợp
thép bị ăn mòn đồng đều, trong khi trên thực tế thép thường bị ăn mòn cục bộ.
Vì vậy cần phát triển nghiên cứu theo hướng này.
+ Nghiên cứu ứng xử cơ học của các cấu kiện bê tông khác (như cấu
kiện chịu nén, kéo, xoắn...) trong môi trường biển cũng như các môi trường
ăn mòn khác. Đặc biệt là trong các môi trường công nghiệp có chứa chất ăn
mòn cao.
+ Phương pháp tính nêu ra trong đề tài còn sử dụng nhiều các yếu tố
thực nghiệm trên các kết cấu cụ thể nên không tránh khỏi sai lệch khi áp dụng

thành lý thuyết tính toán. Do vậy cần phải có thêm các nghiên cứu các thông
số bê tông cốt thép như: Hệ số điều kiện làm việc của bê tông cốt thép trong
môi trường ăn mòn phụ thuộc vào hàm lượng chất ăn mòn; hệ số lực dính kết
của bê tông và cốt thép phụ thuộc vào thời gian, nồng độ chất ăn mòn, cường
độ của bê tông và cốt thép...


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
1. TCXDVN 327-2004 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu
bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển“.
2. TCXDVN 356-2005 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu
chuẩn thiết kế“.
3. Vũ Ngọc Anh (năm 2008), “Nghiên cứu hiện tượng ăn mòn bê tông
cốt thép ứng lực trước”, Tuyển tập các công trình nghiên cứu khoa
học, tr 114-26, Trường đaị học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội.
4. Huỳnh Vương Thu Minh (2001), Giáo trình Mathcad , tr. 68-78,
trường Đại học Cần Thơ, Cần Thơ.
5. Nguyễn Ngọc Nam (2006), Sự làm việc trong không gian ba chiều
của Si lô bê tông cốt thép hình trụ có các hư hỏng cục bộ dưới tác
động của môi trường, Luận án tiến sỹ. Mátxcơva, 199 tr.
6. Nguyễn Ngọc Nam (2008), “Biến dạng của bê tông trong môi
trường ăn mòn chứa clo”, Báo cáo nghiên cứu khoa học, Hà Nội.
7. Nguyễn Ngọc Nam (2008), “Đánh giá tuổi thọ kết cấu bê tông cốt
thép làm việc trong môi trường biển”, Báo cáo nghiên cứu khoa
học, Hà Nội.
8. Nguyễn Mạnh Phát (2007), Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn bê
tông – bê tông cốt thép trong xây dựng, tr. 23-52, NXB xây dựng Hà
Nội , Hà Nội.
9. Cao Duy Tiến, Lê Quang Hung, Trần Việt Liên(1999) “Nghiên cứu

các điều kiện kỹ thuật nhằm đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông
và bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài,
Viện Khoa học và Công nghệ Xây dựng Việt Nam (IBST), Hà Nội.


10. Tô Minh Tuấn (2010), "Đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu bê
tông cốt thép làm việc trong môi trường biển". Luận văn Thạc sỹ,
ĐH Kiến Trúc Hà Nội.
Tiếng Anh
11.Bazant ZP (june – 1979), Physical model for steel corrosion in
concrete sea structures – applications. J Struct Div :1155–65.
12.Thomas M., Bentz E(November 9-10, 1998), “Modelling Chloride
Ingress by the Combined Processes of Diffusion and Convection”,
Report from the NIST/ACI/ASTM Workshop held in Gaithersburg,
MD , pp. 9-11.
13.Bjegovic D., Krstic V., Mikulic D. Ukrainczyk V(1995), “C-D-c-t
Diagrams for Practical Design of Concrete Durability Parameters,
Cement and Concrete Research”, Vol. 25, № 1, pp. 187-196.
14.Canadian Standards Association (1994), (CSA) A23.3-94. Design of
concretestructures, Canadian Standards Association, Rexadle,
ON,Canada.
15.Liang MT, Yang RJ (2005), “Theoretical elucidation on the on-site
measurements of corrosion rate of reinforcements” . Constr Build
Mater ;19:175–80.
16.Liang MT, Jin WL, Yang RJ, Huang NM, “Predeterminate model of
corrosion rate of steel in concrete”. Cement Concr Research
005;35:1827– 33.
17.Liu Y, Weyers R (1998). Modeling the time-to-corrosion cracking
in chloride contaminated reinforced concrete structures. ACI Mater
J ; 95 (6):675–81.

18.Molina FJ, Alonso C, Andrade C (1993), “Cover cracking as a
function of rebar

corrosion: Part 2 – numerical model”, Mater

Struct ;26:532–48.
19.Morinaga S (1988) , “Prediction of service lives of reinforced
concrete buildings based on rate of corrosion of reinforcing steel”,
Report No. 23, Shimizu Corp, Japan , p. 82
20.Mohta P.K (1980), “Durability of concrete in Marine Enviroment –
A Review” , Proceedings of 1st International Conference
,Performance of Concrete in Marine Environment , St. Andrews by
the Sea, SP – 65 ACI Publication.
21.Niu DT, Wang LK, Wang QL (1996), Determination of the diffusion
coefficient of dioxidation in concret,. J Xian Constr, Univ, Sci,
Tech,28:6–9. In Chinese.
22.Takewaka K., Mastumoto S (1988), “Quality and Cover Thickness
of Concrete Based on the Estimation of Chloride Penetration in
Marine Environments”, ACI-SP 109-117, Concrete in Marine
Environment, Detroit, pp. 381-400.
23.Tepfers R (1979), “Cracking of concrete cover along anchored
deformed reinforcing bars” , Mag Concr Res ;31 (106):3-12.
24.Thoft-Christensen P (May 8–10; 2000), “Stochastic modelling of the
crack initiation time for reinforced concrete structures”, ASCE
Structures Congress, Philadelphia, p. 8.
25.Timoshinko SP (1940), “Strength of materials – Part II”, Advanced
theory and problems, NY, USA: Van Nostrand Company, Inc.
26.T. Vidal, A.Castel and R, Francois (2004), “Analyzing crack width

to predict corrosion in reinforced concrete”, Cement and concrete
research 34, pp.165-174.


27.T. Vidal, A.Castel and R, Francois (2006) , “A finite macro-element
for corroded reinforced concrete”, Materials and Structures 39,
pp.571-584.
28.Weyers RE (1998), “Service life model for concrete structures in
chloride laden environments”. ACI Mater J ;95 (4):445–53.
Tiếng Pháp
29. Poupart O., Catinaud S., L'hostis V., petre-Lazar I (2004),
"Benchmark des poutres des La Rance, Caracterisation de la
desgradation des corp d'espreuve" - rapport d'avancement.
Tiếng Nga.
30.Попеско А.И (1996) , Работоспособность железобетонных
конструкций,

подверженных коррозии. - СПб.: СПб гос.

архит.-строит, ун-т, 182 с. / Popesko A. I. Khả năng làm việc của
kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn mòn. Trường Đại học tổng hợp
Kiến trúc và Xây dựng Saint Peterburg, 182 tr.
31.Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А (2000),
Моделирование

поведения

железобетонных

элементов

конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т232 с/ Mô hình hóa ứng xử của kết
cấu BTCT làm việc trong môi trường ăn mòn chứa cờ lo – Trường
Đại học tổng hợp kỹ thuật Xaratov, LB Nga, 232 tr.
32.Пахомова, Е. Г. Прочность изгибаемых железобетонных
конструкций при коррозионных повреждениях: Диссертация на
соискание ученой степени кандидата технических наук, Курск –
2006. - 168 tr.


33.Меркулов, С. И. Конструктивная безопасность железобетонных
элементов реконструированных зданий и сооружений: Дис...
докт. техн. наук [Текст] / С. И. Меркулов - Орел, 2004. - 436tr.