Tóm tắt luận văn tiến sĩ dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐÀO VĂN DINH

TÓM TẮT LUẬN VĂN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA

CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN
VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt
Mã số: 62.58.02.06

HỒ CHÍ MINH - 2014


Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
Người hướng dẫn khoa học : 1. GS.TS PHẠM DUY HỮU

2. PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU

Phản biện 1: ......................................................................................................
Phản biện 2: ......................................................................................................
Phản biện 3: ......................................................................................................

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

. Vào hồi........giờ........, ngày..........tháng........năm 2014


34

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hệ thống mạng lưới đường giao thông của Việt Nam trong những thập kỷ qua

đã được nhà nước đầu tư rất lớn. Việc đảm bảo an toàn và độ bền cho các cầu cũ và
các cầu mới là một nhiệm vụ phải được đặt ra. Trong số các cầu trên mạng lưới giao
thông của Việt Nam có rất nhiều cầu đi 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 độ bền và giảm tuổi thọ sử dụng. Việt Nam

là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ khá cao, độ ẩm
lớn. Đây chính là yếu tố thúc đẩy nhanh ăn mòn cốt thép trong các cầu bê tông cốt
thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch bản biến đổi khí hậu thì nhiệt độ sẽ tăng,

nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông do đó 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 điện 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 điện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông. Khi hàm
lượng ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion
clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ động 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

đến 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.

Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ

khi xây dựng đến khi ăn mòn 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 đoạn kê tiếp nhau:

Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Giai đoạn khởi đầu ăn
mòn là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt

cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn”. Giai đoạn lan truyền ăn mòn là thời
gian từ khi khởi đầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ


35

hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn đến 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 đáng

tin cậy là cơ sở để đưa ra phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi thọ sử dụng và
giảm các chi phí vòng đời dự án cầu bê tông. Hiện nay trên thế giới đã 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 đặc 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. Đây là lý do để đề tài này nghiên
cứu sự xâm nhập clo và gây ra ăn mòn cốt thép để 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 đích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm

nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon đề tài: “Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông
cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo”

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
2.1. Mục đích của luận án

Mục đích của luận án là nghiên cứu về sự xâm nhập clo gây ra ăn mòn cốt thép

đối với các cầu bê tông cốt thép ven biển.
2.2. Nhiệm vụ

Để thực hiện được mục đích nêu trên, luận án sẽ giải quyết các nhiệm vụ chủ

yếu sau đây:

- Xác định các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông như: Hệ

số khuếch tán clo D; Nồng độ clo trên bề mặt bê tông Cs; Ngưỡng nồng độ clo gây ăn
mòn thép Cth.

- 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.

- Đề 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.


36

3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu là các công trình cầu bê tông cốt thép đã và sẽ đựơc 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 điều 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 động 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 đến

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 động đất 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 điều kiện
tác động có thể bị phá hoại do một hoặc tổng hợp của một nhóm nguyên nhân.
Luận án được tiến hành trong phạm vi giới hạn như sau:

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 để 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 đối 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. Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án
4.1. Nội dung nghiên cứu

+ Thí nghiệm thấm nhanh clo trong một số mẫu bê tông theo tiêu chuẩn ASTM

C1202.

+ Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông, áp dụng

tính cho các kết quả mẫu thí nghiệm. So sánh kết quả tính với các nghiên cứu khác
trên thế giới. Nhận xét và kết luận.

+ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt

Nam do xâm nhập clo dựa trên định luật 2 của Fick và định luật Faraday.

+ Sử dụng mô hình thiết lập khảo sát các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng do

xâm nhập clo.


37

4.2. Phương pháp nghiên cứu

+ Lý thuyết kết hợp với thí nghiệm. Mô hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng

của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo tác động của sự xâm nhập clo. Lập

trình dự báo tuổi thọ sử dụng trên phần mềm MATLAB, kỹ thuật sử dụng là bán thực
nghiệm.

5. Đóng góp mới về khoa học của luận án

- Nghiên cứu sinh đã 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 điện lượng truyền qua từ 2577
cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình và thấp.

- Nghiên cứu sinh đã xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết

quả thí nghiệm nhanh ASTM C1202. Đã sử dụng công thức này tính hệ số khuếch tán

clo cho 18 mẫu thử, sau đó so sánh với kết quả công thức dự báo của Stanish, của
Berke cho kết quả tương đối phù hợp.

- Nghiên cứu sinh đã 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.

6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án: Xây dựng được mô hình tính toán dự báo tuổi

thọ theo sự xâm nhập của clo, từ đó làm sáng tỏ tác động cơ lý hóa đến 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 đại.
7. Kết cấu của Luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận án gồm 4

chương, 21 tiết.


38

Chương 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ

SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO
1.1. Mở đầu

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo

tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu phải được thiết

kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và độ
bền. Các tài liệu về thiết kế và thi công cầu bê tông cốt thép hiện hành khá đầy đủ và
chi tiết để đảm bảo mục tiêu thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các

yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và độ bền. Các tài liệu về thiết kế

vật liệu bê tông để đảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu đã được biên soạn. Vấn đề
đảm bảo độ bền của cầu bê tông cốt thép cũng đã được đặt ra. 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 hại và làm giảm độ 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 được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê

tông.

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 động mạnh của xâm nhập clo vào bê tông gây ra ăn mòn thép
dẫn đến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện thép do đó giảm sức kháng

lại các tải trọng sử dụng. Trình tự chung của hầu hết các nghiên cứu đều đi theo

hướng: độ 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 độ 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 đầu tiếp xúc

với môi trường có ion clo đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ
hoặc đến 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.

1.2. Các nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới


39

- Các nghiên cứu về lý thuyết độ bền của bê tông

M.S. Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice” xuất

bản năm 2005, đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau: Trong một thời gian
dài, bê tông được coi là vật liệu có độ bền với yêu cầu ít hoặc không cần điều kiện bảo

trì. Giả thiết này tương đối đúng trong đa số trường hợp, ngoại trừ khi bê tông được sử
dụng trong môi trường khắc nghiệt: khu vực đô 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. Độ bền của bê tông xi măng

được Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01 định nghĩa là khả năng chống các tác động 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 được hình thức ban đầu của nó. Bê tông bền cũng sẽ duy trì
được chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực.

Hiện nay, bê tông được sử dụng ở tất cả những nơi có điều kiện thuận lợi và đã

được mở rộng đến những môi trường rất khắc nghiệt, nên việc xem xét yếu tố độ bền
của công trình xây dựng hiện đại đã trở nên quan trọng hơn nhiều so với trước đây. Số

lượng lớn các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp, tác

động của nước biển trên bê tông cần được quan tâm đặc biệt. Các kết cấu ở vùng ven
biển và kết cấu ngoài khơi chịu tác động đồng 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. Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng
lượng, nồng độ 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%. Độ PH của nước biển thay đổi từ
7,5 và 8,4. Giá trị trung bình là 8.2.
-

Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông

Tốc độ xâm nhập của các chất vào bê tông là yếu tố chính để dự báo độ bền

của bê tông, các cơ chế hư hại chẳng hạn như ăn mòn, rửa trôi hoặc cacbonat đều liên
quan đến tốc độ xâm nhập của các tác nhân xâm thực vào bê tông. Tính xâm nhập

được xem như là mức độ mà vật liệu cho phép các khí, chất lỏng, hoặc ion đi vào
trong vật liệu. Một kết cấu bê tông cốt thép bền vững, hạn chế sự xâm nhập của chất


40

lỏng là một yêu cầu cần phải đáp ứng. Các cơ chế khuếch tán, di trú, đối lưu và thấm
là các cơ chế chuyên chở các chất vào bê tông.
1.3. Các nghiên cứu trong nước

Các công trình trong nước nghiên cứu về ăn mòn thép trong bê tông vùng ven

biển điển hình như: GS.TS Phạm Duy Hữu và các công sự xuất bản cuốn sách “Bê

tông cường độ cao và chất lượng cao” năm 2008. Đề tài luận án tiến sỹ của Nguyễn
Mạnh Phát năm 1997 có tên “Nghiên cứu nâng cao khả năng chống ăn mòn cho bê

tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực biển”. Đề tài luận án tiến sỹ của
Trần Đương năm 2005: “ Ứng dụng mô hình Tang Luping- Olof Nilsson khảo sát sự

khuếch tán ion Cl- trong bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình
này” . TS Nguyễn Mạnh Phát xuất bản cuốn sách “Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn

bê tông- bê tông cốt thép trong xây dựng” năm 2007. Ha Minh, Hiroshi Mutsuyoshi
năm 2010 với bài báo “ Sự hư hại của cầu bê tông dự ứng lực kéo sau trong điều kiện

môi trường đặc biệt”. ThS Tô Minh Tuấn, TS Nguyễn Ngọc Nam, TS Vũ Ngọc Anh,

năm 2010 với nghiên cứu “ Tính toán tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn
mòn” Theo các tác giả tác nhân gây ăn mòn hóa học chính là ion Cl-. Tính toán được
thời gian cốt thép bị án trong bê tông và gây ra nứt cho kết cấu sẽ hạn chế ñược rủi ro
cho công trình.

Chương 2.

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH 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 để dự báo thời

gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. Hệ số khuếch tán clo trong bê tông được
xác định từ các thí nghiệm hoặc có thể dự báo theo thành phần bê tông. Trên thế giới

hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường được xác định từ thí nghiệm di trú nhanh
(Rapid Migration Test). Việt Nam hầu như chỉ có thí nghiệm thấm nhanh clo (Rapid

Chloride Permeability Test-ASTM C1202), thí nghiệm này đưa ra số điện lượng

chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm, từ kết quả này đưa ra mức độ định tính về thấm

clo. Vấn đề đặt ra ở đây là từ các điện tích chuyển qua ta có thể xác định được hệ số

khuếch tán ion clo trong bê tông ở 28 ngày tuổi. Luận án sẽ đưa ra công thức xác định


41

hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM

C1202 và so sánh với kết quả dự báo hệ số khuếch tán clo từ thành phần bê tông.

Chương này mô tả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 với 18 mẫu bê tông. Xây
dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiêm
ASTM C1202, tính hệ số khuếch tán clo, so sánh kết quả tính với dự báo.
2.2. Thí nghiệm và xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông
- Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202
1/ Tiêu chuẩn và thí bị thí nghiệm

+ Thí nghiệm tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM C1202-12.

+ Thiết bị thí nghiệm: RLC INSTRUMENT CO-KELTRON CORP-USA-C300
2/ Kế hoạch thí nghiệm

+ Bê tông làm cầu hiện nay đa số có tỷ lệ nước trên xi măng w/c=0,300,40,

cường độ chịu nén tối thiểu theo điều 5.4.2.1 của tiêu chuẩn 22TCN272-05 qui định
như sau “Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông dự ứng lực và bản mặt cầu không

được thấp hơn 28 MPa”. Hiện nay trong thiết kế và thi công thường dùng các cấp bê
tông từ 30MPa đến 50MPa.

+ Mục tiêu thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ w/c =0,30-0,40 của các

mẫu đến điện lượng chuyển qua mẫu Q(Culông) trong thí nghiêm ASTM C1202. Từ
kết quả điện lượng chuyển qua của các thí nghiệm, kiểm chứng hệ số khuếch tán D
theo công thức lập và so sánh với các công thức dự báo của các tác giả khác.

+ Mẫu thử được chế tạo tạo phòng thí nghiệm trường đại học Giao thông với 6

tổ mẫu mỗi tổ 3 mẫu.

3/Mô tả thí nghiệm
a) Chuẩn bị mẫu

Đúc 6 tổ mẫu thí nghiệm mỗi tổ 3 mẫu, các mẫu trụ tròn kích thước dài 200m,

đường kính 100mm, diện tích mặt cắt ngang A=πd2/4=7854mm2

Các mẫu 200m cắt bỏ hai ñầu mỗi đầu 20mm cắt thành ba mẫu mỗi mẫu dài

L=50mm.

- Để khô bề mặt mẫu thử trong không khí ít nhất sau 1 giờ.
- Dùng chổi hay khăn làm sạch bề mặt mẫu thử.


42

- Phủ kín sơn lên diện tích xung quanh mẫu thử bằng chổi quét sơn. Bảo dưỡng

sơn và để sơn khô hoàn toàn theo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất sơn.

- Đặt các mẫu thử vào bình hút chân không. Lắp đặt hệ thống bơm hút chân

không theo sơ đồ hình 2.1

Hình 2.1. Sơ đồ bơm hút chân không mẫu thử C1202

- Đổ nước đã đun sôi để nguội vào bình đựng nước.

- Khóa vòi nối bình hút chân không với bình đựng nước. Bật máy bơm hút chân

không duy trì áp suất trong bình hút chân không dưới 1 mmHg trong 24 giờ.

- Mở khóa vòi nối bình hút chân không với bình đựng nước cho đến khi nước

ngập mẫu thử. Khóa vòi và tiếp tục duy trì bơm hút chân không ít nhất 3 giờ.

- Tắt máy bơm, lấy các mẫu thử ra khỏi bình hút chân không. Chuyển các mẫu

thử vào trong bình đựng nước và ngâm trong vòng 18h ± 2 giờ.
b) Tiến hành thí nghiệm

- Lấy mẫu thử ra khỏi bình đựng nước, lau sạch các giọt nước đọng.

- Lắp mẫu thử vào khoang chứa mẫu. Dùng keo silicone trám vào khe tiếp giáp

giữa mẫu thử và khoang chứa mẫu, đảm bảo bịt kín không rò rỉ nước ra ngoài.

- Đổ đầy hóa chất thử vào hai đầu khoang chứa mẫu thử, một đầu khoang đổ

dung dịch NaOH 0,3N và đầu khoang kia đổ dung dịch NaCl 3% đậy kín hai đầu
khoang bằng nút cao su để tránh bay hơi các dung dịch.

- Lắp đặt mạch điện gồm nguồn điện, vôn kế, ampe kế với khoang chứa mẫu

thử theo sơ đồ hình 2.2


43

Hình 2.2. sơ đồ đo điện tích

- Nối cực âm của nguồn điện với đầu khoang chứa dung dịch NaCl, cực dương

của nguồn điện với đầu khoang chứa dung dịch NaOH.

- Đóng mạch điện và duy trì tại điện thế một chiều 60V.

- Theo dõi và ghi lại các thông số về cường độ dòng điện, nhiệt độ khoang chứa

dung dịch NaCl trong 6 giờ.

- Đối với thiết bị đo tự động, toàn bộ quá trình đo, ghi và tính toán tổng điện

lượng truyền qua mẫu được tự động hóa.

- Đối với các thiết bị bán tự động, người thí nghiệm phải đo và ghi cường độ

dòng điện 30 phút một lần.

- Nếu nhiệt độ dung dịch trong khoang thử tăng đến 90oC, tắt nguồn điện để

tránh phá hủy khoang thử. Ghi hiện tượng này vào báo cáo và đánh giá mức độ thấm
ion clo ở mức “không thấm” theo như bảng 1 của tiêu chuẩn này.
4/ Tính toán và đánh giá kết quả

-Thiết bị thí nghiệm sử dụng là thiết bị bán tự động, tính tổng điện lượng truyền

qua mẫu theo công thức sau đây:

Trong đó:

- Q là tổng điện lượng truyền qua mẫu thử trong thời gian 6 giờ, đơn vị là

culông.


44

- I0, I30, I60, …, I330, I360 là cường độ dòng điện ở thời điểm bắt đầu bật máy

đo, 30 phút, 60 phút … 330 phút, 360 phút, đơn vị là ampe.

- x là đường kính thực tế của mẫu thử, đơn vị là mm.

- Đánh giá độ thấm ion clo qua bê tông theo các mức theo bảng 1:

-

Bảng 1. Mức độ thấm ion clo

Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202

Kết quả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 tại viện vật liệu xây dựng tại

LAS XD 1133- Trung tâm xi măng và bê tông được kết quả như bảng 2:


45

Bảng 2. Kết quả thí nghiệm theo ASTM C1202

C1202

- Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm
Trong điều kiện trạng thái ổn định, thông lượng ion clo tổng cộng bao gồm ba

thành phần, đó là khuếch tán, di trú và đối lưu như thể hiện trong phương trình 2.2.
(2.2)

Sự di trú điện của các ion clo thông qua khuếch tán và phương trình 2.2 có thể

được rút thành phương trình 2.3.

(2.3)

Hệ số khuếch tán trong trạng thái ổn định được xác định theo công thức sau:

46

(2.4)

C1202

-Áp dụng phương trình DC1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm
Áp dụng phương trình 2.4 tính hệ số khuếch tán của 18 mẫu thí nghiệm như

trong bảng 2 ta được kết quả trình bày trong bảng 3 dưới đây.

Bảng 3. Kết quả tính Dc1202 từ thí nghiệm

2.3. Phân tích, nhận xét kết quả tính

Qua kết quả tính toán D, có các nhận xét sau:

• Hệ số khuếch tán DC1202 thấp hơn so với dự báo của Stanish: đối với bê tông

thường và tro bay là từ 9% ñến 16%; đối với bê tông có muội silic là từ 31% ñến 49%.


47

• Hệ số khuếch tán DC1202 thấp hơn so với công thức kinh nghiệm của Berke:

đối với bê tông thường là từ 9% đến 14%; đối với bê tông có 8% muội silic từ 49%
đến 52%; đối với bê tông có 15% tro bay từ 11% đến 12%.

• Hệ số khuếch tán DC1202 so với công thức kinh nghiệm của Omar S.

Baghabra: đối với bê tông C30-C40 DC1202 thấp hơn từ 55% đến 346%; đối với bê

tông C50 DC1202 cao hơn từ 19% đến 22%; đối với bê tông có 8% muội silic
DC1202 thấp hơn hơn từ 14% đến 23%; đối với bê tông có 15% tro bay DC1202 cao
hơn khoảng 80%.

• Hệ số khuếch tán DC1202 so với tính theo Zhang và Gjorv thấp hơn từ 60%

đến 68%.

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

3.1. Giới thiệu chung

Tuổi thọ sử dụng trong thực tế khái niệm tuổi thọ thiết kế là khá trìu tượng.

Vòng đời của một kết cấu có thể nhỏ hơn tuổi thọ thiết kế nhưng đó là một quyết định

của chủ đầu tư dựa trên cơ sở kinh tế và chức năng. Thời gian thực sự một kết cấu giữ
nguyên trong sử dụng có thể là nhiều hơn hoặc ít hơn tuổi thọ thiết kế và điều này đưa
ra nguồn gốc tuổi thọ sử dụng.

Vài định nghĩa về tuổi thọ sử dụng đã được phát triển. Một định nghĩa đơn giản

nhất đã được Ủy ban 365 của ACI chấp nhận là: Tuổi thọ sử dụng là thời gian mà kết
cấu thực hiện chức năng đã định của nó.

Theo 22TCN272-05: Tuổi thọ sử dụng là khoảng thời gian cầu được dự kiến

khai thác an toàn.

Trong luận án này tuổi thọ sử dụng của kết cấu cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm

clo trong môi trường biển được định nghĩa như sau: Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông

cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo
đến 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.


48

Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép tính theo sự xâm nhập clo sẽ được

tính bằng năm và là tổng của hai giai đoạn kế tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và
giai đoạn lan truyền ăn mòn.

3.2. Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn

Thời gian khởi đầu ăn mòn thép trong bê tông phơi nhiễm clo thường được diễn

tả như là thời gian cần thiết để clo khuếch tán qua bê tông vào cốt thép đạt tới mức
ngưỡng nồng độ tới hạn. Nồng độ Cl được tích lũy dần dần với thời gian và thay đổi

theo chiều sâu. Các cơ chế clo xâm nhập vào bê tông sẽ thay đổi theo các điều kiện

phơi nhiễm. Bê tông thường xuyên ẩm ướt thì khuếch tán là cơ chế chủ đạo. Định luật

Fick 2 thường được sử dụng để mô tả điều này. Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu dựa

trên định luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Theo định luật thứ hai của Fick ta có
phương trình vi phân biểu diễn nồng độ và građien nồng độ thay đổi theo thời gian,
giải phương trình vi phân ta có được thời gian khởi đầu ăn mòn.

 Bài toán một chiều: (khuếch tán một chiều- dùng cho bản và tường)

Trong đó:

(3.1)

C(x,t) là nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t
D là hệ số khuyếch tán clo trong bê tông
x là chiều sâu tính từ bề mặt của bê tông

t là thời gian trường hợp D không ñổi theo thời gian và nồng độ clo bề mặt là

hằng số. Ta có:

Trong đó:

(3.2)

Cs là nồng độ clo tại bề mặt bê tông

C0 là nồng độ clo ban đầu trong bê tông.

Khi nồng độ clo C(x,t) tại bề mặt cốt thép bằng ngưỡng nồng độ gây ăn mòn C th

lúc đó cốt thép bắt đầu bị ăn mòn (gỉ).


49

t1 là thời gian khởi đầu ăn mòn

(3.3)

- Bài toán hai chiều: (khuếch tán hai chiều- dầm và cột)

Trong đó:

(3.4)

C(x,y,t) là nồng độ clo tại chiều sâu x,y và thời gian t
D là hệ số khuyếch tán clo trong bê tông

x,y là khoảng cách tính từ các bề mặt của bê tông
t là thời gian
có:

Trường hợp D không đổi theo thời gian và nồng độ clo bề mặt là hằng số. Ta

 Trình tự giải bài toán khi D và Cs thay đổi theo thời gian

(3.5)

Trong bài toán thực tế thì cả hai hệ số khuếch tán và nồng độ clo bề mặt đều

thay đổi theo thời gian. Do vậy để giải quyết bài toán ta sử dụng một phép sai phân
hữu hạn của định luật hai của Fick. Mô hình có các giả định sau:
• Vật liệu được xem xét là đồng nhất;

• Nồng độ bề mặt của clo xung quanh cấu kiện bê tông là không đổi tại mỗi

bước thời gian;

• Các đặc tính của các phần tử không đổi trong mỗi bước thời gian;

• Hằng số khuếch tán là không đổi theo chiều sâu của phần tử và không đổi

trong mỗi bước thời gian;

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

Để dự báo thời gian ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ có nhiều tác giả đã đi theo

các cách khác nhau. Trong số đó phải kể tới mô hình toán của Bazant đề xuất năm
1979; mô hình toán của Youping Liu năm 1996; mô hình thực nghiệm của Morinaga
năm 1989.


50

- Mô hình toán của Bazant

Dựa trên lý thuyết về mô hình vật lý đối với ăn mòn của thép trong bê tông tiếp

xúc với nước biển, Bazant đề xuất một mô hình toán học đơn giản để tính toán thời

gian tới nứt do ăn mòn của lớp bê tông bảo vệ. Các giả định cơ bản của mô hình
Bazant là như sau:

a) Thâm nhập oxy và ion clo thông qua lớp bê tông bảo vệ là một chiều.

b) Một trạng thái ổn định của tốc độ tạo gỉ bắt đầu vào thời điểm lớp thụ động

trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ.

c) Mô hình này dựa trên rỉ đỏ gây nguy hiểm hơn cho nứt bê tông và giả định

ρr = ρs/4, trong đó ρr và ρs là tỷ trọng của sản phẩm gỉ và thép chưa gỉ.

Thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn tới khi ăn mòn gây nứt bê tông, tcr,:

Trong đó:

;

(3.6) (3.7)

+ S là khoảng cách giữa các thanh
+ d là đường kính của thanh

+ ∆d là sự thay đổi đường kính của thanh
+ jr là tốc độ tạo gỉ, jr=2,89x10-12icor

+ ρcor là một hàm của mật độ khối lượng của thép và gỉ.

Theo mô hình Bazant, thời gian tcr là một hàm của tốc độ ăn mòn, chiều dày lớp

bê tông bảo vệ, khoảng cách giữa các cốt thép và tính chất cơ học của bê tông như

cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và hệ số từ biến. Nhiều tác giả đã
kiểm chứng mô hình của Bazant và đã kết luận rằng thời gian dự đoán nứt tính toán từ
mô hình Bazant là ngắn hơn nhiều so với quan sát.
 Mô hình toán của Liu

Năm 1996 Youping Liu đã ñề xuất phương pháp xác định khoảng thời gian từ

khi khởi đầu ăn mòn tới nứt bê tông bảo vệ do ăn mòn, hình 3.1. Các sản phẩm ăn mòn

gây ra áp lực đồng đều cho bê tông xung quanh cốt thép. Không phải tất cả các sản

phẩm ăn mòn đều gây ra áp lực, một số trong chúng có thể lấp vào các khoảng trống
xung quanh giao diện thép-bê tông hoặc di chuyển ra khỏi giao diện thép - bê tông. Do


51

tính phức tạp của vấn đề, nứt do ăn mòn gây ra chỉ giới hạn do các ứng suất do việc
sản phẩm ăn mòn nở thể tích.

Hình 3.1. Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn

sau:

Có ba giai đoạn xem xét trong mô hình đề xuất và được giải thích ngắn gọn như
a. Giai đoạn giãn nở tự do: trong mô hình đã được giả định rằng có tồn tại một

vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê tông. Khi ăn mòn xảy ra trên bề mặt của thép,

vùng xốp sẽ dần dần được lấp đầy bởi các sản phẩm ăn mòn. Khi tổng số lượng của
các sản phẩm ăn mòn ít hơn so với số lượng sản phẩm ăn mòn yêu cầu lấp đầy vào
vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê tông, sự hình thành của các sản phẩm ăn mòn
ở giai đoạn này sẽ chưa tạo ra bất kỳ ứng suất nào trên bê tông xung quanh.

b. Giai đoạn tạo ứng suất: khi số lượng các sản phẩm ăn mòn vượt quá số lượng

các sản phẩm ăn mòn cần thiết để lấp đầy vào vùng xốp xung quanh giao diện thép- bê

tông, sự hình thành của các sản phẩm ăn mòn bắt đầu tạo ra áp lực lên bê tông xung
quanh cốt thép và áp lực này tăng lên cùng với sự gia tăng trong các sản phẩm ăn mòn.

c. Giai đoạn nứt: khi tổng lượng của các sản phẩm ăn mòn đạt đến số lượng tới

hạn các sản phẩm ăn mòn tới hạn, Wcrit (số lượng giới hạn của các sản phẩm ăn mòn

cần thiết để tạo ra nứt bê tông bảo vệ), ứng suất do sự gia tăng thể tích sản phẩm gỉ sẽ
vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây nứt bê tông bảo vệ.

Số lượng tới hạn các sản phẩm ăn mòn cần thiết để tạo ra các vết nứt trên bê

tông bảo vệ có thể được tính từ phương trình 3.8:

(3.8)

52

Trong đó:

ρrust là tỷ trọng của sản phẩm ăn mòn
ρst là tỷ trọng của thép

d0 là chiều dày của vùng xốp

ds là chiều dày của sản phẩm ăn mòn gây ra ứng suất kéo
d là đường kính cốt thép

L là chiều dày lớp bê tông bảo vệ
a=(d+2d0)/2; b = L + (d+2d0)/2

Wst là khối lượng của thép ăn mòn (Wst=αWcrit)

α=0.523 (Gỉ là Fe(OH)3) và α=0.622 cho Fe(OH)2
fct cường độ chịu kéo của bê tông
νc là hệ số Poisson của bê tông

Ecef là một mô đun đàn hồi có hiệu của bê tông
Tốc độ tạo gỉ có thể được viết như sau,

(3.9)

Ở đây Wrust là số lượng sản phẩm gỉ, t là thời gian ăn mòn (năm) và kp là tốc độ

sản xuất gỉ, kp có liên quan đến tốc độ mất mát thép, mà có thể được biểu diễn bằng
tốc độ ăn mòn:

(3.10)

Trong đó: α có liên quan đến các loại sản phẩm gỉ, D là đường kính thép (inch) và icorr
là suất ăn mòn trung bình hàng năm. Từ phương trình 3.11, tích phân ta thu được:
(3.11)

Khi tốc độ ăn mòn không đổi, thời gian để nứt, t2 có thể được tính như sau:
(3.12)

Nhận xét mô hình của Liu Mô hình toán của Liu đã đưa ra cơ sở khoa học khá

rõ ràng tuy nhiên còn có một số hạn chế như sau:


53

 Tốc độ tạo gỉ kp thiếu cơ sở khoa học rõ ràng.

 Chưa xét tới đặc trưng cơ học của sản phẩm ăn mòn.

 Chưa xét đến sự xâm nhập của sản phẩm ăn mòn vào các vết nứt.
-Mô hình thực nghiệm

Các mô hình thực nghiệm chủ yếu dựa trên phân tích hồi quy các dữ liệu thực

nghiệm và quan sát. Các dữ liệu thực nghiệm hình thành cơ sở cho các mô hình thực
nghiệm đã thường thu được trong điều kiện gia tốc và nứt đã được đánh dấu bởi sự

xuất hiện của bề rộng vết nứt 0,05 mm. Beaton và Stratfull đề xuất công thức đầu tiên

dựa trên quan sát hiện trường và các thí nghiệm trong phòng để tính gần đúng t2. Clear
đơn giản hóa mô hình này, sau đó được sửa đổi bởi Purvis et al, bao gồm thời gian phụ
thuộc của hàm lượng clo bề mặt.

Trong đó:

(3.13)

t2 là thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn tới khi nứt bê tông bảo vệ tính bằng năm;
L là chiều dày lớp bê tông bảo vệ;

t là tuổi của bê tông khi đo nồng độ clo bề mặt(năm);

Cs là nồng độ clo bề mặt (tính bằng % khối lượng bê tông);
w/c là tỷ lệ nước trên xi măng;

Morinaga giả định rằng các vết nứt trên bê tông đầu tiên sẽ xảy ra khi có một số

lượng nhất định các sản phẩm ăn mòn hình thành trên cốt thép. Ông đã dựa trên các dữ
liệu các thí nghiệm hiện trường và trong phòng đưa ra dự đoán thời gian tới nứt như
sau:

Trong đó:

Wcr là số lượng tới hạn của các sản phẩm ăn mòn (g/mm2)
jr tốc độ ăn mòn (g/cm2 ngày)

L là chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)

(3.14)


54

d là đường kính cốt thép (mm)

3.4. Sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông “LifeConBridge”

Hình 3.2 trình bày sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt

thép ven biển Việt Nam. Luận án đặt tên cho thuật toán này là “Life Concrete Bridge”
viết tắt là “ LifeConBridge”. Thuật toán này được lập trình bằng Mathlab.

Từ sơ đồ thuật toán một phần mềm “LifeConBridge” –(Service life of Concrete

Bridge) được viết bằng Mathlab cho cả hai thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan
truyền ăn mòn.


55

Hình 3.2. Sơ đồ thuật toán tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo


56

3.5. Nhận xét

1/ Ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế kết cấu và vật liệu: độ dài của giai đoạn

khởi đầu ăn mòn thay đổi mạnh theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ L.

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới độ dài của thời gian khởi đầu ăn mòn là hệ số

khuếch tán clo thông qua ảnh hưởng của tỷ lệ nước trên xi măng (w/c) và ảnh hưởng
của muội silic.

Độ dài của giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm 1 tăng khi chiều dày lớp

bê tông bảo vệ tăng và giảm khi tăng đường kính cốt thép.

Độ dài của giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm 2 tỷ lệ thuận với ρth và

đường kính cốt thép tỷ lệ nghịch với mật độ dòng điện ăn mòn.

2/ Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: Ảnh hưởng mạnh nhất của môi

trường đến độ dài của giai đoạn khởi đầu ăn mòn là nồng độ clo bề mặt và độ ẩm, tiếp
đến là ảnh hưởng của nhiệt độ.

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
- Với các kết cấu mới

Các giải pháp về kết cấu: chiều dày lớp bê tông bảo vệ là tham số quan trọng

ảnh hưởng tới cả thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn.

Hình 4.1. Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi đầu ăn

mòn khi w/c=0.35, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=80% cho vùng khí quyển biển