Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clo

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
Ngi hng dn khoa hc:

1. GS.TS PHM DUY HU
2. PGS.TS BI TRNG CU

H NI - 2014


i

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

ĐÀO VĂN DINH


2

LỜI CẢM ƠN
Luận án được 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 đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để 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, đặc biệt là GS.TS Nguyễn Viết Trung đã giúp
đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh đã đóng 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 đã tạo điều 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 đạo khoa Công Trình đã tạo điều kiện để tôi được học tập
và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.
HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014
TÁC GIẢ

ðÀO VĂN DINH


3

MỤC LỤC
Lời

cam

đoan

...................................................................................................................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 đầu .................................................................................................. 6

1.2

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

1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết độ 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 đầu 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 định hệ số khuếch tán clo trong bê tông .............. 40


4

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


5

2.2.3 Xây dựng công thức xác định 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 độ đến hệ số khuếch tán ............................ 52
2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến hệ số khuếch tán ........................... 53
2.3.4 Ảnh hưởng của muội silic đến hệ số khuếch tán ......................... 55
2.3.5 Ảnh hưởng của độ ẩm đến hệ số khuếch tán ............................... 57
2.3.6 Ảnh hưởng của nứt đến 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 động của sự xâm nhập clo trong môi
trường biển ............................................................................................... 67
3.2

Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu 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 đầu ăn mòn ................ 80
3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi đầu 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 đề chung ......................................................................... 88
3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có ....................................................... 89


55

3.3.3 Mô hình đề xuất............................................................................ 94
3.4

Sơ đồ 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 đề 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 điểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến đổi 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


66

Danh mục các bảng biểu
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối 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 độ 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 độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt ....................... 73
Bảng 3.2 Tóm tắt các tiêu chuẩn xác định giới hạn tối đa 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 đầu ăn mòn H=100%......................... 111
Bảng 3.5 Kết quả tinh thời gian khởi đầu 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 đầu ăn mòn theo các tham số ............ 113
Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan
điểm 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
điểm 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


77

Bảng 4.6 Kết quả tính thời
gian lan truyền ăn mòn

t2 .......................
........ 130


viii

7

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản (nguồn dữ liệu
Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) ....................................................... 7
Hình 1.2: Biểu đồ Pourbaix quan hệ thế điện cực và độ 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 đối của các sản phẩm ăn mòn sắt ........................... 20
Hình 1.5 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp ..... 20
Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) .................... 21
Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối- Bulk Diffusion Test
(NordTest NTBuild 443) ................................................................ 22
Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202)......................... 23
Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di .................................................... 25
Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm điện di của Tang và Nilsson .............................. 26
Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm điện di nhanh (NordTest NTBuild 492) ............ 27
Hình 1.12 Thiết bị đo điện trở suất một chiều ............................................... 29
Hình 1.13 Sơ đồ phương pháp 4 điểm đo của Wenner .................................. 29
Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai
đoạn của Tuuti 1980 ....................................................................... 33
Hình 2.1 Sơ đồ bơm hút chân không mẫu thử C1202 ................................... 43
Hình 2.2 Sơ đồ đo điện 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
o

tông ở nhiệt độ 20 C ....................................................................... 52
Hình 2.5 Ảnh hưởng của tro bay và xỉ đối với hệ số khuếch tán ................. 55
Hình 2.6 Ảnh hưởng của silica fum đối với hệ số khuếch tán...........................
Hình 2.7 Biểu đồ 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
8

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 đầu ăn mòn thép đến nứt hoàn toàn bê
tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực............................................ 96
Hình 3.8: Sơ đồ ước lượng cho mất mát bán kính thép rs2 ......................... 102
Hình 3.9: Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và độ ẩm tương đối với bê tông
o

tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt độ 23 C ... 105
Hình 3.10. Mật độ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt độ
o

20 C, độ ẩm H=75% theo Liu và Weyers..................................... 107
Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo ............ 110
o

Hình 3.12: Mức tăng nhiệt độ trung bình năm ( C) vào giữa thế kỷ 21 theo
kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 116
o

Hình 3.13: Mức tăng nhiệt độ trung bình năm ( C) 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 độ clo bề mặt ................................... 120
Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi
o

đầu ăn mòn khi w/c=0.35, nhiệt độ 20 C, độ 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 đầu ăn mòn đến nứt cho bê tông f’c=40MPa,đường kính
cốt thép d=16mm, nhiệt độ 20oC, độ 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 đầu
o

ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=70mm, nhiệt độ 20 C,
độ 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
đầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt độ
o

25 C, độ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ........................... 125


9x

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu
rs1

Lượng giảm bán kính của cốt thép tại thời điểm bắt đầu nứt

rs 2

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

Ecef

Mô đun đàn hồi có hiệu (xét đến từ biến);


10
x

Hệ số từ biến của bê tông;
0

Chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép; c

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

con

Chuyển vị hướng tâm của bê tông;
d

Sự thay đổi đường kính của cốt thép

r

Hệ số poisson của gỉ sắt;

rust

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

T

là mức tăng nhiệt độ 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 độ clo

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

Nồng độ clo ban đầu trong bê tông

CNI

Canxi nitrit

Cs

Nồng độ clo tại bề mặt bê tông

Cs(t)

Nồng độ clo tại bề mặt bê tông tại thời điểm 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 điểm t

D(T)

Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở nhiệt độ 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


11
x

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông;

Er

Mô đun đàn hồi của gỉ sắt;

F

Hằng số Faraday

FA

Phần trăm tro bay

fr

Cường độ chịu kéo của bê tông;

H

ðộ ẩm tương đối của môi trường

i

Mật độ dòng điện

I

Cường độ dòng điện

icorr

Mật độ dòng điện ăn mòn

J

Dòng của ion (hay thông lượng)

K

Tốc độ di trú clo

k

Hệ số biểu thị mức độ lấp đầy 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 đầu (trên một đơn 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 điều 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


1
1
11

R

Hằng số khí

r0=0,50d+0;
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 độ tuyệt đối

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 đầu Ms trên một đơn 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
2
12

MỞ ðẦU
1. Lý do chọn đề tài
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. ðây 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.


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 đến 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 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 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. ðây 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 nghiên cứu
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.


3

Các nội dung chính của luận án:
1)

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.

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 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:


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 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. Ý nghĩa khoa học 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.
5. Nội dung luận án
Luận án gồm 4 chương, nội dung được toám tắt như sau:
Mở đầu: giới thiệu lý do chon đề tài, mục đích nghiên cứu, đối 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, đánh giá các công
trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật


5

thiết đến đề tài luận án; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề
mà đề tài luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Chương 2 “Nghiên cứu xác định 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 định 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 đoạn: giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn.
ðặc điểm khí hậu, và biến đổi 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 đưa ra
các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng, các giải pháp đưa 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 độ clo gây ăn mòn
thép. Giải pháp kết hợp kết cấu và vật liệu đưa ra khuyến cáo chiều dày lớp
bê tông bảo vệ và thành phần bê tông để đảm bảo được 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 đầu
Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện đang được thiết
kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập [1]. 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 [8,12,15,16,17,18]. Các tài liệu về thiết kế vật
liệu bê tông để đảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu đã được biên soạn
6,10. 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 CO2 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 CO2 vào trong bê tông được hy
vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông.
Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông được GS Mutsuyoshi, (năm
2001) đưa 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 đến 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 được 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 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. ðể dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên
cứu: (1) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn khởi đầu ăn mòn cốt thép
trong bê tông, thời gian khởi đầu ăn mòn thường được ký hiệu là t1; (2)


8

Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong
bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường được ký hiệu là t2.
Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép hầu hết đều được dự báo dựa trên
định
luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Giai đoạn này phụ thuộc vào đặc tính xâm
nhập của ion clo vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các
đặc điểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng clo gây ăn mòn thép.
Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, đường 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 đã và đang được các

hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm.
1.2 Các nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới
1.2.1 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[43], 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 hơp, 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.
ðộ 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.


9

Trước đây, các nghiên cứu đều tập trung vào cường độ nén bê tông.
Thực tế, tiến bộ trong công nghệ bê tông đều liên quan đến cường độ của bê
tông. Hiện nay do mức độ khắc nghiêt của điều kiện môi trường, nên cả
cường độ và độ bền của bê tông cần phải được xem xét. Mối quan hệ giữa
cường độ và độ bền cũng là vấn đề đáng được quan tâm và nghiên cứu.
Khi thiết kế hỗn hợp bê tông hoặc thiết kế kết cấu bê tông, điều kiện
tiếp xúc mà bê tông phải chịu sẽ được đánh giá ngay từ đầu. 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 được chi cho việc sửa chữa và bảo trì.

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 nghiêt, 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 [43].
Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng lượng, nồng độ ion của


1
0
+

Na và Cl là cao nhất, tương ứng là 1,1% và 2%. Nó cũng chứa Mg2+ và
2-

SO4 , tương ứng là 1,4% và 2,7%. ðộ PH của nước biển thay đổi 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