Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clo ( Luận án tiến sĩ)

B GIO DC V O TO
TRNG I HC GIAO THễNG VN TI

O VN DINH

D BO TUI TH S DNG CA
CU Bấ TễNG CT THẫP VEN BIN
VIT NAM DO XM NHP CLO
CHUYÊN NGàNH : Kỹ THUậT XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐặC BIệT
Mã Số

: 62.58.02.06

LUậN áN TIếN Sĩ Kỹ THUậT

Người Hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS PHM DUY HU
2. PGS.TS BI TRNG CU

H NI - 2014


i

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi.
Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược công bố trong các
công trình khác.
HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014
TÁC GIẢ

ðÀO VĂN DINH


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận án ñược thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm
Duy Hữu và PGS.TS Bùi Trọng Cầu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy
hướng dẫn ñã chỉ dẫn tận tình và ñã ñóng góp các ý kiến quý báu ñể giúp tôi
thực hiện luận án này.
Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Công Trình Giao Thông
Thành Phố và Công trình Thủy, ñặc biệt là GS.TS Nguyễn Viết Trung ñã giúp
ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh ñã ñóng góp các ý
kiến cho luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng ðào tạo sau ðại học trường ðại học
Giao Thông Vận tải ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập
nghiên cứu.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường ðại học Giao
Thông Vận tải, lãnh ñạo khoa Công Trình ñã tạo ñiều kiện ñể tôi ñược học tập
và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các ñồng nghiệp, gia ñình người thân ñã
giúp ñỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.
HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014
TÁC GIẢ

ðÀO VĂN DINH


iii

MỤC LỤC
Lời cam ñoan ................................................................................................................... i
Lời cảm ơn ...................................................................................................................... ii
Mục lục...........................................................................................................................iii
Danh mục các bảng biểu ............................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ ..................................................................................................vii
Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ........................................................................ ix
MỞ ðẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG
CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI
VÀ VIỆT NAM.............................................................................................................. 6
1.1

Mở ñầu .................................................................................................. 6

1.2

Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới ................ 8

1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông ........................... 8
1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông......... 10
1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép....................................... 13
1.2.4 Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông ............. 21
1.2.5 Các nghiên cứu về hệ số khuếch tán ............................................ 30
1.2.6 Các nghiên cứu về thời gian khởi ñầu ăn mòn và thời gian lan
truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng............................................................... 32
1.3

Các nghiên cứu trong nước................................................................. 35

1.4

Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận án ....................................... 37

1.5

Mục tiêu của luận án........................................................................... 38

1.6

Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................... 38

1.6.1 Nội dung nghiên cứu .................................................................... 38
1.6.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................. 38
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO
TRONG BÊ TÔNG ..................................................................................................... 39
2.1

Giới thiệu chung ................................................................................. 39

2.2

Thí nghiệm và xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông .............. 40

2.2.1 Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 .................................. 40
2.2.2 Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 ..................... 48


iv

2.2.3 Xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo từ kết quả
thí nghiệm C1202 ..................................................................................... 49
2.2.4 Áp dụng phương trình DC1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết
quả thí nghiệm C1202 .............................................................................. 50
2.3

Tổng kết các kết quả dự báo hệ số khuếch tán trên thế giới .............. 51

2.3.1 Dự báo hệ số khuếch tán (D28) từ tỷ lệ nước trên xi măng .......... 52
2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hệ số khuếch tán ............................ 52
2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian ñến hệ số khuếch tán ........................... 53
2.3.4 Ảnh hưởng của muội silic ñến hệ số khuếch tán ......................... 55
2.3.5 Ảnh hưởng của ñộ ẩm ñến hệ số khuếch tán ............................... 57
2.3.6 Ảnh hưởng của nứt ñến hệ số khuếch tán .................................... 57
2.3.7 Hệ số khuếch tán biểu kiến .......................................................... 58
2.3.8 Tính hệ số khuếch tán theo dự báo và theo công thức kinh
nghiệm ...................................................................................................... 59
2.4

So sánh các kết quả tính toán và thảo luận ......................................... 60

2.4.1 So sánh kết quả tính hệ số khuếch tán D...................................... 60
2.4.2 Phân tích, nhận xét kết quả tính hệ số khuếch tán D ................... 63
2.5

Kết luận chương 2 .............................................................................. 63

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU
BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO ............. 65

3.1

Giới thiệu chung ................................................................................. 65

3.1.1 Khái niệm tuổi thọ sử dụng .......................................................... 66
3.1.2 Tuổi thọ sử dụng theo tác ñộng của sự xâm nhập clo trong môi
trường biển ............................................................................................... 67
3.2

Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ....................... 71

3.2.1 Tổng quát...................................................................................... 71
3.2.2 Các tham số của mô hình ............................................................. 71
3.2.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ................ 80
3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi ñầu ăn mòn bằng
Mathlab ..................................................................................................... 88
3.3

Xây dựng mô hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn ..................... 88

3.3.1 Các vấn ñề chung ......................................................................... 88
3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có ....................................................... 89


v

3.3.3 Mô hình ñề xuất............................................................................ 94
3.4

Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông

“LifeConBridge”........................................................................................ 109
3.5

Kết quả tính và nhận xét ................................................................... 111

3.5.1 Kiểm chứng kết quả tính của mô hình ñề xuất .......................... 111
3.5.2 Kết quả tính toán thí dụ .............................................................. 112
3.5.3 Nhận xét kết quả:........................................................................ 114
3.6 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 115
3.6.1 ðặc ñiểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến ñổi khí hậu .. 115
3.6.2 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt
Nam ....................................................................................................... 118
3.7

Kết luận chương 3 ............................................................................ 120

CHƯƠNG 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ
DỤ TÍNH TOÁN .......................................................................................................122
4.1

Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng .................................................. 122

4.1.1 Với các kết cấu mới.................................................................... 122
4.1.2 Với các kết cấu cũ ...................................................................... 127
4.2

Thí dụ tính toán cho một số bộ phận cầu T ...................................... 127

4.2.1 Các thông sô tính tuổi thọ sử dung của cầu T ............................ 127

4.2.2 Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng ............................................. 129
4.2.3 Các kết luận rút ra từ thí dụ nghiên cứu ..................................... 130
4.3

Kết luận chương 4 ............................................................................ 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................132
1/ Kết luận ...................................................................................................................132
2/ Kiến nghị .................................................................................................................134
3/ Hướng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................135
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................................136
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................137
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................145
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................155


vi

Danh mục các bảng biểu
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau ñối với quá trình ăn mòn .. 21
Bảng 1.2 Tổng kết các phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo...................... 30
Bảng 2.1. Thành phần bê tông của các tổ mẫu ............................................... 42
Bảng 2.2. Mức ñộ thấm ion clo ...................................................................... 45
Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm theo ASTM C1202 ........................................... 48
Bảng 2.4. Kết quả tính DC1202 từ thí nghiệm ................................................... 51
Bảng 2.5 Các giá trị m cho các loại bê tông .................................................. 54
Bảng 2.6 Kết quả D theo dự báo và các công thức kinh nghiệm.................... 60
Bảng 2.7 DC1202, D dự báo và các công thức kinh nghiệm ............................. 61
Bảng 2.8 So sánh kết quả tính hệ số D............................................................ 62
Bảng 3.1 Tốc ñộ tích lũy và nồng ñộ lớn nhất của clo bề mặt ....................... 73

Bảng 3.2 Tóm tắt các tiêu chuẩn xác ñịnh giới hạn tối ña cho phép của clo
trong vữa và bê tông dự ứng lực .................................................... 78
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của canxi nitrit (CNI) trên ngưỡng clo tới hạn ............ 79
Bảng 3.4 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=100%......................... 111
Bảng 3.5 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=75%........................... 112
Bảng 3.6 Kết quả tinh thời gian lan truyền ăn mòn theo nứt bê tông bảo vệ .... 112
Bảng 3.7 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn theo các tham số ............ 113
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).......................................... 113
Bảng 3.9 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan
ñiểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm) ................................................... 114
Bảng 4.1 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, với các giải pháp kết hợp .............. 126
Bảng 4.2 Thông số kết cấu và vật liệu .......................................................... 128
Bảng 4.3 Thông số môi trường ..................................................................... 129
Bảng 4.4 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 1D.................................... 129
Bảng 4.5 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 2D.................................... 130
Bảng 4.6 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn t2 ............................... 130


vii

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu
Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) ....................................................... 7
Hình 1.2: Biểu ñồ Pourbaix quan hệ thế ñiện cực và ñộ pH của hệ Fe-H2O .. 15
Hình 1.3 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) ................................. 18
Hình 1.4 Thể tích tương ñối của các sản phẩm ăn mòn sắt ........................... 20
Hình 1.5 Biểu ñồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp ..... 20
Hình 1.6 Sơ ñồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) .................... 21
Hình 1.7 Sơ ñồ thí nghiệm khuếch tán khối- Bulk Diffusion Test

(NordTest NTBuild 443) ................................................................ 22
Hình 1.8 Sơ ñồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) ......................... 23
Hình 1.9 Sơ ñồ thí nghiệm kỹ thuật ñiện di .................................................... 25
Hình 1.10 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di của Tang và Nilsson .............................. 26
Hình 1.11 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di nhanh (NordTest NTBuild 492) ............ 27
Hình 1.12 Thiết bị ño ñiện trở suất một chiều ............................................... 29
Hình 1.13 Sơ ñồ phương pháp 4 ñiểm ño của Wenner .................................. 29
Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai
ñoạn của Tuuti 1980 ....................................................................... 33
Hình 2.1 Sơ ñồ bơm hút chân không mẫu thử C1202 ................................... 43
Hình 2.2 Sơ ñồ ño ñiện tích............................................................................ 44
Hình 2.3 Các ảnh thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202 ................ 47
Hình 2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ W/C trên hệ số khuếch tán Clo trong bê
tông ở nhiệt ñộ 20oC ....................................................................... 52
Hình 2.5 Ảnh hưởng của tro bay và xỉ ñối với hệ số khuếch tán ................. 55
Hình 2.6 Ảnh hưởng của silica fum ñối với hệ số khuếch tán ...........................
Hình 2.7 Biểu ñồ các kết quả tính D .............................................................. 62
Hình 3.1: ðịnh nghĩa tuổi thọ sử dụng và kéo dài tuổi thọ sử dụng ............... 67
Hình 3.2: Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt ....................................... 75
Hình 3.3: góc phần tư trong cột 2D................................................................. 84
Hình 3.4: Các biến trong góc phần tư trong cột 2D ........................................ 85
Hình 3.5: Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn (Mô
hình của Liu) ................................................................................... 91


viii

Hình 3.6: Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: .. 95
Hình 3.7: Khoảng thời gian từ khởi ñầu ăn mòn thép ñến nứt hoàn toàn bê
tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực............................................ 96

Hình 3.8: Sơ ñồ ước lượng cho mất mát bán kính thép ∆rs2 ......................... 102
Hình 3.9: Mối quan hệ giữa tốc ñộ ăn mòn và ñộ ẩm tương ñối với bê tông
tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt ñộ 23oC ... 105
Hình 3.10. Mật ñộ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt ñộ
20oC, ñộ ẩm H=75% theo Liu và Weyers..................................... 107
Hình 3.11. Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo ............ 110
Hình 3.12: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào giữa thế kỷ 21 theo
kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 116
Hình 3.13: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào cuối thế kỷ 21 theo
kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 117
Hình 3.14: Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông ........................... 119
Hình 3.15: ðịnh tính về phân bố nồng ñộ clo bề mặt ................................... 120
Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi
ñầu ăn mòn khi w/c=0.35, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho
vùng khí quyển biển ...................................................................... 123
Hình 4.2: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian từ
khởi ñầu ăn mòn ñến nứt cho bê tông f’c=40MPa,ñường kính
cốt thép d=16mm, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho vùng khí
quyển biển .................................................................................... 123
Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ nước trên xi măng w/c với thời gian khởi ñầu
ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=70mm, nhiệt ñộ 20oC,
ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ..................................... 124
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
25oC, ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ........................... 125


ix

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu

∆rs1

Lượng giảm bán kính của cốt thép tại thời ñiểm bắt ñầu nứt

∆rs 2

Lượng giảm bán kính của cốt thép do gỉ chèn vào vết nứt

Ecef

Mô ñun ñàn hồi có hiệu (xét ñến từ biến);

ψ

Hệ số từ biến của bê tông;

δ0

Chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép;

νc

Hệ số poisson của bê tông νc=0,18-0,20;

δcon

Chuyển vị hướng tâm của bê tông;

∆d

Sự thay ñổi ñường kính của cốt thép

νr

Hệ số poisson của gỉ sắt;

δrust

Chuyển vị nén hướng tâm của gỉ (các sản phẩm ăn mòn)

∆T

là mức tăng nhiệt ñộ trong thí nghiệm C1202.

“LifeConBridge”- Service Life of concrete Bridge- Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông.
A

Diện tích tiết diện mẫu thử

BTCT Bê tông cốt thép
C

Nồng ñộ clo

C(x,t) Nồng ñộ clo tại chiều sâu x và thời gian t
C0

Nồng ñộ clo ban ñầu trong bê tông

CNI

Canxi nitrit

Cs

Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông

Cs(t)

Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông tại thời ñiểm t

d

ðường kính cốt thép

D

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông

D(t)

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở thời ñiểm t

D(T)

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở nhiệt ñộ T

D28

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày

DPC

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường

DSF

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông có muội silic (silica fume)

E

ðiện thế áp dụng


x

Ec

Mô ñun ñàn hồi của bê tông;

Er

Mô ñun ñàn hồi của gỉ sắt;

F

Hằng số Faraday

FA

Phần trăm tro bay

fr

Cường ñộ chịu kéo của bê tông;

H

ðộ ẩm tương ñối của môi trường

i

Mật ñộ dòng ñiện

I

Cường ñộ dòng ñiện

icorr

Mật ñộ dòng ñiện ăn mòn

J

Dòng của ion (hay thông lượng)

K

Tốc ñộ di trú clo

k

Hệ số biểu thị mức ñộ lấp ñầy các vết nứt bằng các sản phẩm ăn mòn;

L

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

M

Khối lượng nguyên tử của sắt

Mloss

Khối lượng thép mất mát do ăn mòn

Mr

Sức kháng uốn tính toán (hay sức kháng uốn có hệ số)

Mrc

Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông

Mrs

Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép

Ms

Khối lượng thép ban ñầu (trên một ñơn vị chiều dài thanh thép)

Mu

Mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế có hệ số gây ra.

n

Hệ số nở thể tích của gỉ (tỷ số thể tích gỉ thép và thép bị gỉ)

p

Áp lực tại giao diện bê tông và gỉ

Pr

Sức kháng nén tính toán của tiết diện bê tông cốt thép

Prc

Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông

Prs

Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép

Pu

Lực nén dọc tính toán

Q

ðiện tích chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202

Q0

ðiện tích ñiều chỉnh trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202

qr

Áp lực tới xuyên tâm

qr,c

Áp lực tới hạn gây nứt bê tông bảo vệ


xi

R

Hằng số khí

r0=0,50d+δ0;
rn

Bán kính của thép chưa bị ăn mòn

S

Khoảng cách giữa các cốt thép

SF

Phần trăm muội silic

SG

Phần trăm xỉ lò

T

Nhiệt ñộ tuyệt ñối

V

Thế tích của dung dịch NaCl sử dụng trong thí nghiệm C1202

w/c

Tỷ lệ nước trên xi măng

x,y

Khoảng cách từ bề mặt bê tông

z

Hóa trị của clo

ρ

Tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát Mloss với khối lượng
thép ban ñầu Ms trên một ñơn vị chiều dài

ρth

Tỷ lệ phần trăm của mất mát diện tích tiết diện thép gây nguy hiểm
cho trạng thái giới hạn chịu lực.


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.
Việt Nam là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt ñới gió mùa,
nhiệt ñộ khá cao, ñộ ẩm lớn. ðây chính là yếu tố thúc ñẩy nhanh ăn mòn cốt
thép trong các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch
bản biến ñổi khí hậu thì nhiệt ñộ sẽ tăng, nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ
xâm nhập sâu vào các sông do ñó nhiều kết cấu sẽ bị ảnh hưởng của nước
biển và xâm nhập mặn.
Các vùng kết cấu bê tông ít bị ảnh hưởng do ăn mòn cốt thép là các
vùng thường xuyên nằm dưới mực nước thấp nhất của thủy triều, do thiếu oxy

cung cấp cho phản ứng ăn mòn ñiện hóa. 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 hại của các kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn
mòn ñiện hóa do các ion clo trong môi trường 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, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ ñộng trên bề mặt cốt thép và 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 còn
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.


2

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 kê 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.
Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo một cách
ñáng tin cậy là cơ sở ñể ñưa ra phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi
thọ sử dụng và giảm các chi phí vòng ñời dự án cầu bê tông.
Hiện nay trên thế giới ñã có các nghiên cứu về tuổi thọ sử dụng của các
kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. Tuy nhiên, với Việt Nam do có các
ñặc thù riêng vì vậy cần thiết có một mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho

các cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. ðây là lý do ñể ñề tài này nghiên
cứu sự xâm nhập clo và gây ra ăn mòn cốt thép ñể dự báo tuổi thọ sử dụng
của các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Mô hình dự báo này sẽ trợ
giúp các kỹ sư xây dựng phương án thiết kế, bảo trì hợp lý các công trình
cầu bê tông cốt thép ở ven biển.
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 xâm nhập clo gây ra ăn mòn cốt
thép ñối với các cầu bê tông cốt thép ven biển.


3

Các nội dung chính của luận án:
1)

Xác ñịnh các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông
như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng ñộ clo trên bề mặt bê tông Cs;
Ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép Cth.

2)

Xây dựng phương pháp và 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 “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” tính cho thí dụ
nghiên cứu.

3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu
ðối tượng nghiên cứu là các công trình cầu bê tông cốt thép ñã và sẽ
ñựơc xây dựng ở ven biển Việt Nam.
Hư hại của Cầu BTCT nói riêng và của kết cấu BTCT nói chung chịu
ảnh hưởng của các yếu tố như môi trường và ñiều kiện khai thác như tải
trọng. Trong các yếu tố môi trường, bên cạnh nguyên nhân ăn mòn cốt thép
gây hư hại còn có nguyên nhân nữa là sự suy giảm của bê tông do tác ñộng
trực tiếp của môi trường gây ra các hiện tượng như phản ứng kiềm cốt liệu,
xâm nhập của Sun phát, của a xít… Các tải trọng trong thời gian sử dụng
gây ra tích lũy hư hại trong kết cấu BTCT và dẫn ñến các phá hủy. Một
nguyên nhân nữa có thể gây hư hại kết cấu BTCT là các sự cố bất thường
ngoài dự tính của thiết kế như ñộng ñất cấp lớn hơn cấp thiết kế, va xô
nghiêm trọng hơn dự tính của thiết kế hoặc cháy nổ. Các kết cấu cầu BTCT
tùy theo ñiều kiện tác ñộng có thể bị phá hoại do một hoặc tổng hợp của một
nhóm nguyên nhân.
Luận án ñược tiến hành trong phạm vi giới hạn như sau:


4

- Nghiên cứu về sự thâm nhập của các các ion clo gây ra ăn mòn cốt
thép trong các kết cấu cầu bê tông cốt thép ñể xây dựng mô hình dự
báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam
theo sự xâm nhập của ion clo.

- Chỉ giới hạn ñối với các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt
Nam. Tuy nhiên cũng có thể áp dụng cho các kết cấu khác như công
trình cầu cảng, công trình gần các sông có xâm nhập mặn.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án.
Xây dựng ñược mô hình tính toán dự báo tuổi thọ theo sự xâm nhập
của clo, từ ñó làm sáng tỏ tác ñộng cơ lý hóa ñến quá trình suy giảm chất
lượng dẫn tới hư hại rồi phá hủy kết cấu bê tông cốt thép, góp phần xây dựng
phương pháp nghiên cứu dự báo tuổi thọ kết cấu,công trình.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Luận án cung cấp một tổng quan tốt, một mô hình và phần mềm dự báo
tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo
là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu và thiết kế sử dụng
trong quá trình phát triển các kết cấu cầu hiện ñại.
5. Nội dung luận án
Luận án gồm 4 chương, nội dung ñược toám tắt như sau:
Mở ñầu: giới thiệu lý do chon 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 này phân tích, ñánh giá các công
trình nghiên cứu ñã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật


5

thiết ñến ñề tài luận án; nêu những vấn ñề còn tồn tại; chỉ ra những vấn ñề
mà ñề tài luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
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 do xâm nhập clo”. Chương này trình bày các khái
niệm tuổi thọ, tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo. Xây dựng mô hình và phần
mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo theo
hai giai ñoạn: giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn.
ðặc ñiểm khí hậu, và biến ñổi khí hậu ở Việt Nam. Tuổi thọ sử dụng của cầu
bê tông cốt thép ven biển Việt Nam.
Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính
toán”. Chương này sẽ sử dụng phần mềm lập trong chương 3 khảo sát ñưa ra
các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng, các giải pháp ñưa ra là: giải pháp kết
cấu là tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, giải pháp vật liệu với hai mục tiêu
cơ bản là giảm hệ số khuếch tán D và tăng ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn
thép. Giải pháp kết hợp kết cấu và vật liệu ñưa ra khuyến cáo chiều dày lớp
bê tông bảo vệ và thành phần bê tông ñể ñảm bảo ñược tuổi thọ sử dụng như
mục tiêu yêu cầu.
Áp dụng mô hình xây dựng dự báo tuổi thọ sử dụng của các bộ phận kết
cấu cầu ven biển.
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.


6

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN
CỨU VỀ 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. Các tài liệu về thiết kế và thi công cầu bê
tông cốt thép hiện hành khá ñầy ñủ và chi tiết ñể ñảm bảo mục tiêu thi công
ñược, an toàn và sử dụng ñược, có xét ñến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra,
tính kinh tế, mỹ quan và ñộ bền [8,12,15,16,17,18]. Các tài liệu về thiết kế vật
liệu bê tông ñể ñảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu ñã ñược biên soạn
[6,10]. Vấn ñề ñảm bảo ñộ bền của cầu bê tông cốt thép cũng ñã ñược ñặt ra.
Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất.
Xâm nhập của clo và CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt
thép gây hư hại và làm giảm ñộ bền, giảm tuổi thọ sử dụng. Các biện pháp
nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO2 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 hại cầu bê tông ñược GS Mutsuyoshi, (năm
2001) ñưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản (hình 1.1)
[44]. Qua số liệu thống kê chúng ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu
nhất dẫn ñến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo
chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%.


7

Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof
Hiroshi Mutsuyoshi 2001) [44]
Việt nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 Km, có rất nhiều công
trình cầu bê tông cốt thép nằm gần sát với biển. Trên thực tế các công trình

cầu bê tông cốt thép nằm ven biển chịu tác ñộng mạnh của xâm nhập clo vào
bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn ñến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích
tiết diện thép do ñó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng. Trình tự chung
của hầu hết các nghiên cứu ñều ñi theo hướng: ñộ bền của bê tông, xâm nhập
clo vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuổi thọ sử dụng của kết cấu
bê tông cốt thép. Các hướng này có liên hệ mật thiết với nhau như bê tông có
ñộ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt.
Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo xâm nhập clo 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 hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc ñến 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. ðể dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên
cứu: (1) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn cốt thép
trong bê tông, thời gian khởi ñầu ăn mòn thường ñược ký hiệu là t1; (2)


8

Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong
bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường ñược ký hiệu là t2.
Thời gian khởi ñầu ăn mòn cốt thép hầu hết ñều ñược dự báo dựa trên ñịnh
luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Giai ñoạn này phụ thuộc vào ñặc tính xâm
nhập của ion clo vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các
ñặc ñiểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng clo gây ăn mòn thép.
Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc ñộ ăn mòn, ñường kính
cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và các tính chất cơ học của bê tông,
cũng như các yếu tố môi trường, khí hậu.
Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng ñã và ñang ñược các
hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm.
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
M.S. Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice”
xuất bản năm 2005[43], ñã ñưa ra lý thuyết ñộ bền của bê tông như sau:
Trong một thời gian dài, bê tông ñược coi là vật liệu có ñộ bền với yêu
cầu ít hoặc không cần ñiều kiện bảo trì. Giả thiết này tương ñối ñúng trong ña
số trường hơp, ngoại trừ khi bê tông ñược sử dụng trong môi trường khắc
nghiệt: khu vực ñô thị và khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề; môi trường
biển, môi trường có các ion clo. Trong các môi trường trên bê tông bị suy
thoái, kém bền do như xâm nhập của các hóa chất như axit, sun phát, phản
ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập của clo, các bon nát hóa.
ðộ bền của bê tông xi măng ñược Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01
ñịnh nghĩa là khả năng chống các tác ñộng của thời tiết, xâm nhập của hóa
chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác của sự hư hại. Bê tông bền sẽ
giữ ñược hình thức ban ñầu của nó. Bê tông bền cũng sẽ duy trì ñược chất
lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực.


9

Trước ñây, các nghiên cứu ñều tập trung vào cường ñộ nén bê tông.
Thực tế, tiến bộ trong công nghệ bê tông ñều liên quan ñến cường ñộ của bê
tông. Hiện nay do mức ñộ khắc nghiêt của ñiều kiện môi trường, nên cả
cường ñộ và ñộ bền của bê tông cần phải ñược xem xét. Mối quan hệ giữa
cường ñộ và ñộ bền cũng là vấn ñề ñáng ñược quan tâm và nghiên cứu.
Khi thiết kế hỗn hợp bê tông hoặc thiết kế kết cấu bê tông, ñiều kiện
tiếp xúc mà bê tông phải chịu sẽ ñược ñánh giá ngay từ ñầu. Nhiều báo cáo
cho rằng ở các nước công nghiệp phát triển, hơn 40% tổng số nguồn lực của
các ngành công nghiệp xây dựng ñược chi cho việc sửa chữa và bảo trì.
Hiện nay, bê tông ñược sử dụng ở tất cả những nơi có ñiều kiện thuận
lợi và ñã ñược mở rộng ñến những môi trường rất khắc nghiêt, nên việc xem

xét yếu tố ñộ bền của công trình xây dựng hiện ñại ñã trở nên quan trọng hơn
nhiều so với trước ñây.
Số lượng lớn các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển hoặc trực tiếp
hoặc gián tiếp, tác ñộng của nước biển trên bê tông cần ñược quan tâm ñặc
biệt. Các kết cấu ở vùng ven biển và kết cấu ngoài khơi chịu tác ñộng ñồng
thời của một số quá trình suy thoái vật lý và hóa học. Bê tông trong nước biển
sẽ phải chịu sự ăn mòn thép do clo gây ra, phong hóa muối, mài mòn bằng
cát,.. vv [43].
Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng lượng, nồng ñộ ion của
Na+ và Cl − là cao nhất, tương ứng là 1,1% và 2%. Nó cũng chứa Mg2+ và
SO42-, tương ứng là 1,4% và 2,7%. ðộ PH của nước biển thay ñổi từ 7,5 và
8,4. Giá trị trung bình là 8.2 [43].
Kinh nghiệm cho thấy những sự xâm nhập gây ảnh hưởng nghiêm
trọng nhất của nước biển xảy ra trong bê tông ở vùng lên xuống của thủy triều
và vùng bắn tóe. Các bộ phận bên dưới mực nước thấp nhất, chúng bị ngâm
liên tục sẽ chịu ảnh hưởng ít nhất [43].
Bê tông không phải là vật liệu 100% không thấm nước. Nước thấm vào
bê tông mang theo các tác nhân gây ăn mòn thép. Các sản phẩm ăn mòn có
thể tích cao hơn vật liệu mà chúng thay thế và có thể gây ứng suất kéo trong


10

bê tông làm giảm ñô bền bê tông cốt thép. Hiện tượng ñộ bền suy giảm
thường gặp trong trường hợp bê tông cốt thép hơn là trong bê tông [43].
Thiết kế thành phần ñể cải thiện ñộ bền bê tông trong nước biển là một
nhiệm vụ phải ñược ñặt ra. Ngoài loại xi măng với hàm lượng C3A thấp, một
yếu tố khác nên ñược xem xét là việc sử dụng bê tông có tỷ lệ W/C thấp. Bê
tông với tỷ lệ W/C thấp sẽ làm cho bê tông không thấm nước ñể tránh xâm
nhập của nước biển. Bê tông với các phụ gia như muội silic làm giảm hệ số

khuếch tán nên ñược lựa chọn. Thiết kế lớp bê tông bảo vệ ñủ dày là bước
quan trọng ñể tăng ñộ bền của bê tông cốt thép. Các mối nối phải ñược làm từ
bê tông ñặc chắc tốt vv cũng giúp nâng cao ñộ bền của bê tông trong nước
biển [43].
1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông

Tốc ñộ xâm nhập của các chất vào bê tông là yếu tố chính ñể dự báo ñộ
bền của bê tông, các cơ chế hư hại chẳng hạn như ăn mòn, rửa trôi hoặc
cacbonat ñều liên quan ñến tốc ñộ xâm nhập của các tác nhân xâm thực
vào bê tông. Tính xâm nhập ñược xem như là mức ñộ mà vật liệu cho
phép các khí, chất lỏng, hoặc ion ñi vào trong vật liệu. Một kết cấu bê tông cốt
thép bền vững, hạn chế sự xâm nhập của chất lỏng là một yêu cầu cần phải
ñáp ứng.
Các cơ chế khuếch tán, di trú, ñối lưu và thấm là các cơ chế chuyên chở
các chất vào bê tông. Chúng ñược ñề cập như sau.
1.2.2.1 Khuếch tán
Khuếch tán là sự chuyển ñộng của chất khí, các ion hoặc các phân
tử khi có chênh lệch nồng ñộ, từ một khu vực có nồng ñộ cao ñến một khu
vực với một nồng ñộ thấp. Khuếch tán khí ñược biết ñến nhiều trong bê
tông không bão hòa trong khi khuếch tán ion xảy ra trong ñiều kiện bão
hòa và bão hòa một phần. Khuếch tán phân tử xảy ra nếu các lỗ rỗng của bê


11

tông là tương ñối lớn (Sharif và cộng sự, 1999) [52]. ðịnh luật rất cơ bản về
khuếch tán là ñịnh luật của Adolf Fick phát minh năm 1855.
ðịnh luật Fick thứ nhất
Các mô hình của khuếch tán khí và ion trong chất rắn thường ñược thực
hiện bằng cách sử dụng ñịnh luật thứ nhất của Fick về khuếch tán, khuếch

tán trạng thái ổn ñịnh. ðịnh luật này có thể ñược dùng ñể mô tả tỷ lệ khuếch
tán của một khí hoặc ion thông qua một vật liệu có thể khuếch tán:
J = −D

∂C
∂x

(1.1)

Trong ñó:
J : mật ñộ dòng khuếch tán hay tốc ñộ xâm nhập (mol/m2s hoặc g/
m2s)
D :hệ số khuếch tán (m2/s)

∂C
: gradient nồng ñộ
∂x

C : nồng ñộ của chất lỏng (ion hoặc khí) (mol/ m3 hoặc g/m3)
x

: vị trí hay khoảng cách (m)

ðịnh luật Fick thứ hai
Tốc ñộ biến thiên nồng ñộ theo thời gian tỷ lệ thuận với ñạo hàm bậc
hai của nồng ñộ theo tọa ñộ. Quá trình khuếch tán ñược mô tả ñầy
ñủ, nếu nồng ñộ ñược cho là một hàm của không gian và thời gian t.
∂C
∂ 2C
=D 2

∂t
∂x

(1.2)

Khuếch tán ion clo vào bê tông là do trong bê tông có hệ thống lỗ rỗng
rất nhỏ thường ñược lấp ñầy bởi nước. Các ion clo sẽ khuếch tán trong dung
dịch lỗ rỗng của bê tông khi có chênh lệch nồng ñộ. Vậy bản chất của C trong
các phương trình về khuếch tán áp dụng cho bê tông là nồng ñộ ion clo trong
dung dịch lỗ rỗng.


12

1.2.2.2 Sự di trú (Migration)
Sự di trú là sự chuyển ñộng của các ion trong một dung dịch dưới một
ñiện trường. ðó chính là cơ chế xâm nhập chính trong các thí nghiệm nhanh
clo trong phòng thí nghiệm, và ñược quy ñịnh bởi các phương trình:
J =−

zF
∂E
DC
RT
∂x

(1.3)

Trong ñó:
J là vận tốc của ion

D là hệ số khuếch tán của ion (m2/s)

C là nồng ñộ ion

z là ñiện tích (số hóa trị) của ion khuếch tán
F là hằng số Faraday (9,6485.104 J/Vmol)
T là nhiệt ñộ tuyệt ñối
U là ñiện thế chênh lệch qua mẫu

x

là biến khoảng cách

R là hằng số khí (R = 8,314 Jmol-1K-1)
Trong nhiều thí nghiệm, khuếch tán và di trú có thể xảy ra hầu như
là ñồng thời (Stanish et al., 2004). Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, di
trú chiếm phần lớn nhất của dòng này.
1.2.2.3 Sự ñối lưu (Convection)
ðối lưu là sự trao ñổi nhiệt bằng các dòng vật chất chuyển ñộng (chất
lỏng, chất khí hay plasma), xảy ra khi có chênh lệch nhiệt ñộ giữa các vùng
của chất lưu. Dòng ñối lưu có thể chảy nhờ lực ñẩy Ácsimét, khi chênh lệch
nhiệt ñộ kéo theo chênh lệch mật ñộ của chất lưu trong trường lực hấp dẫn.
ðối lưu là quá trình mô tả sự xâm nhập của một chất tan (ví dụ như ion clo
hoặc ion sulfat) do kết quả của nước di chuyển (Boddy và cộng sự 1999). Quá trình này ñược mô tả bởi:
∂C
∂ 2C
= −ν 2
∂t
∂x

(1.4)


13

Trong ñó:
C là nồng ñộ của chất tan ở ñộ sâu x sau thời gian t

ν là vector vận tốc trung bình của dòng chất lỏng
ðối lưu (cùng với sự khuếch tán) là cơ chế xâm nhập chính cho xâm
nhập clo trong bê tông bị nứt (Paulsson, và Johan, 2002). Nó cũng có một vai
trò quan trọng trong sự di chuyển của các ion clo khi bê tông tiếp xúc với ñiều
kiện khô-ướt.
1.2.2.4 ðộ thấm
ðộ thấm của bê tông ñược ñịnh nghĩa là một thước ño của khả năng bê
tông truyền chất lỏng qua cấu trúc lỗ rỗng của nó dưới một áp lực bên
ngoài trong khi các lỗ rỗng ñược bão hòa với chất lỏng. ðộng lực ñể các chất
lỏng và khí ñi

qua các khoảng

trống lỗ

rỗng hoặc hệ

thống vết

nứt là

do một chênh lệch áp suất (Samaha và Hover, 1992).

ðối với thấm, ñịnh luật Darcy ñược sử dụng ñể tính toán vận tốc trung
bình của dòng chảy của chất lỏng ( v ):
 k  dh 

 n  dx 

ν =   −

(1.5)

Trong ñó:
k là hệ số thấm
n là trạng thái xốp
h là cột áp thủy tĩnh

x

là khoảng cách

Thấm ñóng vai trò quan trọng trong kết cấu duy trì nước nơi mà xâm
nhập nước qua kết cấu là có hại
1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép
1.2.3.1 Khái quát
Ăn mòn ñược Fontana, M. G. (1971) [34] và Uhlig, H. H. (1971) [61]
ñịnh nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng ñiện hóa của nó với