Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực đà nẵng và hải phòng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------o0o------

NGUYỄN HOÀNG HUY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU
THỜI TIẾT TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở KHU VỰC
ĐÀ NẴNG VÀ HẢI PHÒNG

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM
Mã ngành:

60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN VĂN MIỀN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 24 tháng 8 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Lê Bá Khánh
2. TS. Nguyễn Cảnh Tuấn
3. TS. Đặng Đăng Tùng
4. PGS. TS. Lê Thị Bích Thủy
5. TS. Trần Văn Miền
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG HUY

MSHV: 11380342

Ngày, tháng, năm sinh: 30-07-1987

Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm

Mã số: 60 58 25

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU THỜI
TIẾT TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở KHU VỰC ĐÀ NẴNG VÀ HẢI PHÒNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn gồm các nội dung sau:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về thép chịu thời tiết.
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết cầu thép chịu thời tiết.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cầu thép chịu thời tiết.
Chương 4: Kết quả thí nghiệm, đánh giá.
Chương 5: Kết luận, kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21-01-2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21-06-2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Tp. HCM, ngày ….. tháng ….. năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

TS. LÊ BÁ KHÁNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


-i-

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng,
người đã tận tình chỉ dẫn và có những góp ý vơ cùng q báo giúp tơi hồn thành
nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn anh Huỳnh Quang Chỉnh và các thành viên cùng tơi
tham gia trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thời
tiết trong điều kiện Việt Nam do Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng chủ trì, đã nhiệt tình giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và cung cấp các thông tin bổ sung, các số liệu hữu ích giúp tơi
hồn thành luận văn một cách đầy đủ nhất.
Xin gửi lời cảm ơn đến cô Lê Thị Bích Thủy, thầy Trần Văn Miền đã có
những đóng góp tích cực khi phản biện luận văn của tơi.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tơi, cha mẹ và vợ tơi,
những người ở phía sau ln giúp đỡ tơi về mọi mặt, tạo mọi điều kiện cho tơi hồn
thành luận văn này.


- ii -

ABSTRACT
Weathering steels with the outstanding advantages which have been studied,
applied in developing countries. However, the study and application of weathering
steels in the construction of bridges in Vietnam is still limited. The research
presented in this thesis is experimental research, it is based on data measured and
collected by exposure tests. Then the data will be analyzed and calculated based on
the appropriate model for evaluation and prediction of corrosion loss. Initial results
of a year in the coastal regions of 3 climate zones in Vietnam have obtained
satisfactory results, conventional weathering steels are generally considered to be
applied in all test sites with the available for limited airbone salinity. However,
additional research results of the next stage are needed to be able to accurately
evaluate the application of weathering steels, which proposed scope of application

of this steel in bridge construction in Vietnam.


- iii -

TÓM TẮT
Thép chịu thời tiết với những ưu điểm vượt trội đã và đang được nghiên cứu,
ứng dụng ở các nước phát triển. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng loại thép
chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. Nghiên cứu được
trình bày trong nội dung luận văn này là nghiên cứu thực nghiệm dựa trên các số
liệu hiện trường đo đạc và thu thập thơng qua các thí nghiệm phơi bày. Sau đó các
số liệu sẽ được phân tích và tính tốn dựa trên mơ hình đánh giá và dự đốn mất
mát ăn mịn thích hợp. Kết quả nghiên cứu bước đầu trong một năm tại các khu vực
ven biển thuộc 3 vùng khí hậu đặc trưng trên cả nước đã thu được kết quả tích cực,
thép chịu thời tiết thơng thường được xem là có thể ứng dụng trong tất cả các nơi
được thử nghiệm với nồng độ muối khơng khí trong giới hạn cho phép. Tuy vậy,
cần có thêm những kết quả nghiên cứu của các giai đoạn kế tiếp để có thể đánh giá
chính xác khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết, từ đó đề xuất phạm vi ứng
dụng của loại thép này trong xây dựng cầu ở nước ta.


- iv -

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
TÓM TẮT .............................................................................................................. ii
ABSTRACT .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ............................................................................. viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................ x
CHƯƠNG MỞ ĐẦU. TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI. ........................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài. ...................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu. .......................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ....................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ............................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT ............................... 4
1.1. VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ........................................................... 4
1.1.1. Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết ............................................... 4
1.1.2. Phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết ....................................................... 8
1.1.3. Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết ........................................................ 8
1.1.4. Lợi ích của thép chịu thời tiết....................................................................... 10
1.2. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĂN MÒN CỦA CẦU THÉP CHỊU
THỜI TIẾT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU
.............................................................................................................................. 12
1.2.1. Sự ăn mịn xảy ra ở các cơng trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết ...... 12
1.2.2 Sự ăn mịn xảy ra ở các cơng trình sử dụng thép chịu thời tiết gần khu công
nghiệp ...........................................................................................................18
1.5 NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU...............................23


-v-

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT . 25
2.1. BẢN CHẤT THÉP CHỊU THỜI TIẾT ....................................................... 25
2.1.1. Vật liệu thép chịu thời tiết............................................................................ 25
2.1.2. Thời gian ổn định lớp gỉ............................................................................... 26
2.1.3. Hình thái của lớp gỉ bảo vệ .......................................................................... 27

2.2. CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ............................ 29
2.3. PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĂN MỊN ....................................................... 30
2.3.1. Phương trình cơ bản..................................................................................... 30
2.3.2. Hệ số A và số mũ B ..................................................................................... 31
2.4. MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ MÔI TRƯỜNG CHO VIỆC
SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG ................................ 32
2.4.1. Nồng độ muối trong khơng khí .................................................................... 32
2.4.2. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển ................... 34
2.4.3.Thời gian ngưng tụ ẩm và nhiệt độ ................................................................ 35
2.4.4. Nồng độ SOx trong khơng khí ...................................................................... 36
2.5. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM ............................................................. 38
2.6. NHẬN XÉT ................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẦU THÉP CHỊU THỜI
TIẾT ..................................................................................................................... 42
3.1. NGUYÊN TẮC CHỌN CẦU ĐỂ TIẾN HÀNH KHẢO SÁT ..................... 42
3.2. PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM ............................................... 45
3.3. THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM ..................................... 49
3.3.1. Các số liệu nhiệt độ, độ ẩm .......................................................................... 49
3.3.2. Tạp chất trong khơng khí ............................................................................. 49
3.3.3. Nồng độ muối trong khơng khí .................................................................... 52
3.3.4. Các số liệu bề dày lớp gỉ mẫu thép ............................................................... 54
3.4. NHẬN XÉT ................................................................................................... 54
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ....................................... 55
4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỀ MƠI TRƯỜNG, ĐÁNH GIÁ..................... 55


- vi -

4.1.1. Nhiệt độ và độ ẩm ........................................................................................ 55
4.1.2. Kết quả phân tích mật độ muối và SOx trong khơng khí ............................... 67

4.2. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ MẤT MÁT ĂN MÒN ..................... 72
4.3 DỰ BÁO ĂN MÒN ........................................................................................ 78
4.4.

MỘT SỐ KẾT QUẢ TỔNG HỢP BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠI 3

VÙNG ĐỐI VỚI MẪU THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG JIS
SMA400 (SAMPLE 3)…......................................................................................85
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................... 90
5.1. KẾT LUẬN ................................................................................................... 90
5.2. KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 91
5.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI ....................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 92
PHỤ LỤC............................................................................................................. 96


- vii -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Ma trận thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ
Bảng 1.2. Các thành phần hóa chất của thép
Bảng 1.3. Các điều kiện của mơi trường xung quanh thí nghiệm
Bảng 2.1. Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết
Bảng 2.2. Phân loại mơi trường ăn mịn
Bảng 2.3. Ăn mịn cho phép
Bảng 2.4. Phân nhóm thời gian ngưng tụ ẩm
Bảng 3.1: Danh sách các cầu được chọn lắp đặt mẫu thép và thiết bị đo môi trường
khu vực Đà Nẵng
Bảng 3.2. Danh sách các cầu được chọn lắp đặt mẫu thép và thiết bị đo mơi trường
ở khu vực Hải Phịng

Bảng 4.1. Thống kê số liệu nhiệt độ và độ ẩm thu thập tại khu vực Đà Nẵng
Bảng 4.2. Thống kê số liệu nhiệt độ và độ ẩm thu thập tại khu vực Hải Phòng
Bảng 4.3. Tổng hợp kết quả nhiệt độ và độ ẩm
Bảng 4.4. Kết quả phân tích mật độ muối và SOx
Bảng 4.5. Tổng hợp các kết quả phân tích muối và SOx


- viii -

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1.1. So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiếtvà thép carbon thông
thường
Biểu đồ1.2. Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon theo thời gian
Biểu đồ 1.3. Biểu đồ thể hiện sự giảm chiều dày tỷ lệ nghịch với thời gian phơi bày
trên hệ tọa độ logarit.
Biểu đồ 1.4. Biểu đồ thể hiện sự khác biệt trọng lượng của thép chịu thời tiết trong
môi trường công nghiệp, với hệ trục logarit
Biểu đồ 1.5. Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon ứng với sự
gia tăng chu kỳ ẩm ướt/khô của nồng độ SO2
Biểu đồ 2.1. Tính chất kép của lớp gỉ
Biểu đồ 2.2. Mối quan hệ giữa hệ số A và số mũ B ở phương trình 2.1 của thép JISSMA
Biểu đồ 2.3. Hướng dẫn áp dụng cho cầu thép không sơn cho thép chịu thời tiết
truyền thống ở Nhật Bản
Biểu đồ 2.4. Ảnh hưởng của nồng độ muối trong khơng khí đến ổn định lớp gỉ bảo
vệ thép chịu thời tiết
Biểu đồ 2.5.Kết quả mất mát ăn mòn ước lượng của thép chịu thời tiết kháng ăn
mòn cao thêm Niken sau 100 năm
Biểu đồ 2.6. Sự biển đổi của tốc độ ăn mịn khí quyển đối với thép chịu thời tiết
truyền thống với hàm lượng SO2 trong khí quyển
Biểu đồ 3.1. Mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển với lượng muối thổi đến

Biểu đồ 4.1. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu F
Biểu đồ 4.2. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu G
Biểu đồ 4.3. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu H
Biểu đồ 4.4. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu I
Biểu đồ 4.5. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu J
Biểu đồ 4.6. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu K


- ix -

Biểu đồ 4.7. Biến đổi nhiệt độ trong một ngày tiêu biểu
Biểu đồ 4.8. Diễn biến lượng muối biển thổi đến qua các lần đo
Biểu đồ 4.9. Quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển
Biểu đồ 4.10. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu G
Biểu đồ 4.11. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu G
Biểu đồ 4.12. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu F
Biểu đồ 4.13. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu F
Biểu đồ 4.14. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu H
Biểu đồ 4.15. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu H
Biểu đồ 4.16. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu I
Biểu đồ 4.17. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu I
Biểu đồ 4.18. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu J
Biểu đồ 4.19. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu J
Biểu đồ 4.20. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu K
Biểu đồ 4.21. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu K
Biểu đồ 4.22. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 1 các vị trí cầu ở Đà Nẵng
Biểu đồ 4.23. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 2 các vị trí cầu ở Đà Nẵng
Biểu đồ 4.24. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 3 các vị trí cầu ở Đà Nẵng
Biểu đồ 4.25. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vị trí cầu ở Đà Nẵng
Biểu đồ 4.26. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vị trí cầu ở Đà Nẵng

Biểu đồ 4.27. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 6 các vị trí cầu ở Đà Nẵng
Biểu đồ 4.28. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 1 các vị trí cầu Hải Phịng
Biểu đồ 4.29. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 2 các vị trí cầu Hải Phịng
Biểu đồ 4.30. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 3 các vị trí cầu Hải Phịng
Biểu đồ 4.31. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vị trí cầu Hải Phịng
Biểu đồ 4.32. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vị trí cầu Hải Phịng
Biểu đồ 4.33. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 6 các vị trí cầu Hải Phòng
Biểu đồ 4.34. Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và nồng độ muối trong
khơng khí


-x-

Biểu đồ 4.35. Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và mất mát ăn mòn
Biểu đồ 4.36. Mối tương quan giữa thời gian ẩm ướt và mất mát ăn mòn
Biểu đồ 4.37. Mối tương quan giữa lượng muối trong khơng khí và mất mát ăn mịn
Biểu đồ 4.38. Mối tương quan giữa mất mát ăn mòn và khoảng cách bờ biển
(Bottom)
Biểu đồ 4.39. Mối tương quan giữa mất mát ăn mịn và hàm lượng muối khơng khí
(Bottom)


- xi -

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cầu thép chịu thời tiết Serninggerbaach Valley ở Luxebourg
Hình 1.2. Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland
Hình 1.3. Cầu thép chịu thời tiết trên đường xe lửa, Đan Mạch
Hình 1.4. Cầu thép chịu thời tiết Torno, giữa Pháp và Thụy Điển
Hình 1.5. Cầu đi bộ, Slucovice, cộng hịa Séc

Hình 1.6. Cầu cạn Piave, Italy được giảm nhẹ sau khi xây dựng
Hình 1.7. Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ
Hình 1.8. Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ
Hình 1.9. Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) –Pont Lenine in Ales (1979) – Pháp
Hình 1.10. Cầu Rạch Rớ - tỉnh Bình Dương
Hình 1.11. Kiểm tra đánh giá UTG (trái) và phép đo UTG với mẫu (phải)
Hình 1.12. Bề mặt mẫu thép "cũ" và "mới" trước khi tẩy
Hình 2.1. Bản đồ các vùng khí hậu Việt Nam.
Hình 3.1. Vị trí các cầu lắp đặt thí nghiệm
Hình 3.2. Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở Đà Nẵng.
Hình 3.3. Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hải Phịng
Hình 3.4. Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hồ Chí Minh
Hình 3.5. Mẫu thép kích thước 50x50x2 mm dùng trong thí nghiệm
Hình 3.6. Giá đỡ mẫu thép thí nghiệm và thiết bị đo đạc thơng số mơi trường
Hình 3.7. Thiết bị đo đạc nhiệt độ và độ ẩm
Hình 3.8. Cơng tác làm sạch bề mặt dầm cầu
Hình 3.9. Các mẫu thép và thiết bị thí nghiệm sau khi được lắp đặt
Hình 3.10. Lắp nhiệt kế và độ ẩm kế
Hình 3.11. Thiết bị đo mật độ muối và tạp chất trong khơng khí
Hình 3.12. Dụng cụ hình chơng dùng để ngăn chim đậu trên mẫu thép
Hình 3.13. Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 1
Hình 3.14. Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 2


- xii -

Hình 3.15. Số liệu nhiệt độ và độ ẩm hiển thị ở chương trình đọc dữ liệu đo
Hình 3.16. Ống hình trụ dán màng chứa chất thử PbO2
Hình 3.17. Kích thước mẫu khung vải mỏng thu thập mật độ muối
Hình 3.18. Máy đo độ dày lớp gỉ hiện trường

Hình 4.1. Các mẫu thép được đo mất mát ăn mịn
Hình 4.2. Đánh số các mẫu thép được đo mất mát ăn mịn
Hình 4.3. Hình ảnh mẫu thép phía trên bầu dầm Cầu I
Hình 4.4. Hình ảnh mẫu thép bên dưới bầu dầm Cầu I
Hình 4.5. Hình ảnh mẫu thép bên dưới bầu dầm Cầu I bị nước đọng bên dưới


-1-

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI
-----------------------1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, hàng loạt các dự án lớn như đường cao tốc,

đường vành đai, đường tránh … được triển khai xây dựng trên khắp cả nước. Vì thế
nhu cầu về giao thông khác mức, cụ thể là cầu vượt đang được áp dụng ở nhiều tỉnh
thành. Cụ thể là ở hai đô thị lớn nhất nước là thủ đô Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh, để giải quyết vấn đề kẹt xe, ùn tắc giao thông ở hai đô thị lớn này, hàng loạt
cầu vượt bằng thép với nhiều ưu điểm vượt trội đã và đang được xây dựng, bước
đầu mang lại kết quả khả quan. Từ đó nhu cầu sử dụng cầu thép trong nước tăng lên
đáng kể.
Tuy nhiên việc tỉ trọng sử dụng cầu thép ở nước ta hiện nay so với cầu bê
tơng vẫn cịn rất khiêm tốn, do giá thành xây dựng và chi phí bảo dưỡng cầu thép
còn cao hơn nhiều so với cầu bê tơng cốt thép.
Vì vậy những nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng cầu thép áp dụng vào các
vùng miền có điều kiện khí hậu – địa lý – mơi trường đặc biệt như các tỉnh duyên
hải, những nơi có lượng mưa nhiều, những miền có độ ẩm cao, những vùng ngập

mặn, các khu cơng nghiệp … cịn rất ít và hạn chế.
Trong tương lai theo xu thế chung, việc xây dựng cầu không chỉ đáp ứng về
yếu tố giao thông mà yếu tố thân thiện với môi trường và mỹ quan cũng là vấn đề
không kém phần quan trọng. Bên cạnh đó u cầu chọn phương án cầu với chi phí
bảo dưỡng thấp nhất, bảo dưỡng ít nhất, đảm bảo tuổi thọ cao được quan tâm hàng
đầu.
Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, để đáp ứng được các yếu tố kể
trên cầu thép làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết luôn là một sự lựa chọn trong
những ưu tiên hàng đầu. Những ưu điểm vượt trội của cầu thép chịu thời tiết là làm
giá thành chi phí vịng đời cho cầu thấp, góp phần tối thiểu cơng bảo trì và bảo vệ
môi trường.


-2Việc nghiên cứu và ứng dụng loại thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu
ở nước ta hiện nay cịn hạn chế, do đó một nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng
dụng của thép này trong xây dựng cầu ở các vùng miền đặc trưng nói riêng ở nước
ta là thực sự cần thiết và cấp bách.
2.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài nằm trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép

chịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam do TS. Đặng Đăng Tùng chủ trì. Kế thừa từ
những kết quả trong các luận văn thạc sĩ : “Phân tích khả năng ứng dụng của thép
chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh – Phan Thiết”
của tác giả Hồ Trung Thơng [1] và “Phân tích ảnh hưởng tương quan của các yếu tố
môi trường đến khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết khu vực Thành phố Hồ
Chí Minh – Phan Thiết” của tác giả Huỳnh Quang Chỉnh [2] kết hợp với kết quả thí
nghiệm hiện trường thu thập được sau một năm ở khu vực Đà Nẵng và Hải Phịng,
đề tài sẽ trình bày mối tương quan của các yếu tố môi trường (nồng độ muối trong

khơng khí, nồng độ SOx, nhiệt độ, độ ẩm, cự li khoảng cách bờ biển…) đến tính
kháng gỉ của thép chịu thời tiết từ đó đưa ra khả năng ứng dụng của thép chịu thời
tiết, từ đó đề xuất phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu.
3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các loại thép chịu thời tiết dùng cho kết

cấu thượng tầng (dầm, giàn) của cầu bắc qua sông, suối. Các mẫu thép được sử
dụng bao gồm thép thường, thép chịu thời tiết truyền thống, thép chịu thời tiết mới
với hàm lượng Niken cao, thích hợp cho môi trường ven biển với nồng độ muối
trong không khí lớn. Các loại thép này đã được sử dụng rất rộng rãi ở các nước phát
triển như Mỹ, Nhật…
Trong phạm vi một đề tài luận văn Thạc sĩ, đề tài nhằm mục đích xây dựng
tổng quan nền tảng và đánh giá hiện tượng, khuynh hướng ứng xử đối với thép chịu
thời tiết làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là
thí nghiệm phơi bày tại khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng.
4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu của đề tài được giải quyết thơng qua một số phương

pháp chính sau:


-3-

Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến cầu thép
và cầu thép chịu thời tiết.

-

Phân tích và lựa chọn mơ hình dự đốn tốc độ ăn mịn thép chịu thời tiết.

-

Thực hiện thí nghiệm phơi bày đối với thép chịu thời tiết.

-

Dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá ăn mịn, mơ hình dự đốn tốc độ ăn
mịn và các dữ liệu thí nghiệm được thu thập và phân tích. Tiến hành đánh
giá về khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong giai đoạn đầu của cả
ba vùng vào trong xây dựng cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, Đà
Nẵng và Hải Phòng.

5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Thép chịu thời tiết với đặc tính là tự tạo nên lớp gỉ bảo vệ để bảo vệ lớp gỉ

bên trong, quá trình này sẽ diễn ra khác nhau tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và
mơi trường . Đặc biệt trong xây dựng cơng trình giao thông, ở các nước phát triển
đã thành công trong việc ứng dụng thép chịu thời tiết, giảm chi phí duy tu bảo
dưỡng. Tuy nhiên Việt Nam là một nước nhiệt đới, với 3 vùng miền khí hậu khác
nhau [3], có trục đường giao thông quan trọng dọc bờ biển dài, vùng có nồng độ
muối nhiều, độ ẩm cao thì có thể sử dụng thép chịu thời tiết được hay không. Do đó
việc hiểu về đặc tính của thép chịu thời tiết, sử dụng thép chịu thời tiết trong mơi
trường thích hợp sẽ góp phần vào xây dựng các cơng trình cầu với chi phí bảo
dưỡng thấp nhất.

Việc ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rất lớn vào đặc
điểm mơi trường, khí hậu…, do đó một nghiên cứu, đánh giá mang tính tổng quan
về khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu ở Việt Nam là rất cần
thiết.


-4-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT
-----------------------1.1

VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

1.1.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết
Thép chịu thời tiết (tiếng anh: weathering steels / weather resistant steels),
hay để đưa tên kỹ thuật của nó là " thép dùng trong kết cấu với khả năng chống ăn
mịn trong khơng khí được cải thiện", là cái tên để đưa ra một phạm vi về thép hợp
kim thấp cường độ cao, khi dùng chúng trong điều kiện phù hợp, có thể được phơi
bày ngồi hiện trường mà không cần phải sơn. Khi được sử dụng hợp lý, thép chịu
thời tiết khơng có sơn có thể tăng cường tính chống gỉ so với thép cacbon hoặc
cacbon/mangan thường trong kết cấu mà khơng có sơn.
Tất cả thép trong kết cấu bị gỉ ở một tốc độ nào đó phụ thuộc vào sự xâm
nhập của hơi ẩm và oxy vào trong kim loại sắt. Khi quá trình xâm nhập này cứ tiếp
tục diễn ra, một lớp oxit gỉ sẽ trở thành một rào cản hạn chế sự xâm nhập khác của
hơi ẩm và oxy tới kim loại, và tốc độ ăn mòn này sẽ giảm xuống. Nếu như lớp gỉ
này ngăn khơng cho thấm nước một cách thích đáng và dính bám một cách chặt chẽ
thì tốc độ xâm nhập có thể giảm bớt xuống gần như tới zero.
Trong trường hợp dùng thép chịu thời tiết, điều kiện ổn định này có thể đạt
được tới một vài năm tùy thuộc vào điều kiện môi trường, và kim loại sau đó được

bảo vệ từ sự ăn mịn trong tương lai bằng các rào cản là lớp gỉ. Giả định rằng khơng
có sự thay đổi đáng kể nào trong mơi trường và với sự kiểm tra thường xuyên tuổi
thọ một cây cầu dùng thép chịu thời tiết, thì điều kiện ổn định có thể xác định được.
Sắt và thép cả hai đều gỉ khi có sự có mặt của khơng khí và nước, kết quả là
sản phẩm của sự ăn mòn, gỉ và sắt oxit. Thép không chịu thời tiết (Non-weatherresisting steel) có một lớp oxit tương đối xốp mà có thể giữ ẩm và thúc đẩy sự ăn
mòn hơn nữa. Sau một thời gian nhất định (phụ thuộc vào điều kiện), lớp gỉ này sẽ
tách khỏi bề mặt kim loại, làm bề mặt kim loại bị phơi bày ra và gây hư hại nhiều
hơn nữa. Do đó, tốc độ gỉ phát triển như một loạt các đường cong và được xấp xỉ


-5bởi một đường thẳng, độ dốc của nó phụ thuộc vào tính chất xâm thực của mơi
trường (Biểu đồ 1.1).
Tỷ lệ trung bình
Biểu đồ mất mát
do gỉ theo chu kỳ
Mất mát do gỉ

Thép Các bon / Các bon- Mangan
không được bảo vệ chống gỉ

Thép chịu thời tiết

Thời gian

Biểu đồ 1.1. So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiết và thép carbon thông
thường
Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ được bắt đầu theo cùng một khuynh
hướng như các loại thép cacbon thơng thường. Khi phơi bày ngồi mơi trường, gỉ sẽ
hình thành trong giai đoạn đầu với các đặc điểm và tốc độ tương tự như thép cacbon
thông thường, nhưng các thành phần hợp kim đặc biệt trong thép tạo nên một lớp gỉ

ổn định, bám chặt vào kim loại cơ bản và ít xốp. Lớp gỉ “đồng” này phát triển dưới
điều kiện ẩm và khô xen kẻ nhau và tạo nên một lớp oxit chống gỉ, ngăn chặn sự
thâm nhập của oxy và hơi ẩm.
Giới hạn chảy cao của thép chịu thời tiết cho phép giảm giá thành nhờ khả
năng có thể thiết kế mặt cắt kết cấu mảnh hơn. Những loại thép này được thiết kế,
chủ yếu cho những ứng dụng không sơn, giảm chi phí bảo dưỡng.


-6-

Hình 1.1: Cầu thép chịu thời tiết Serninggerbaach Valley ở Luxebourg
Thép chịu thời tiết ban đầu có màu nâu cam sáng, khi bề mặt kim loại bị thổi
thì thép bắt đầu bị ơxy hóa. Trong suốt q trình thi cơng thì màu thép dần dần
chuyển sang đen, mặc dù màu sắc có thể khơng hồn tồn đều trong giai đoạn này.
Trong một hoặc hai năm sau khi hoàn thành, bề mặt trở thành màu nâu sẫm, thỉnh
thoảng màu tím nhẹ mà thường phân bố đều. Màu sắc đúng của thép chịu thời tiết
tùy thuộc tới mức độ tác động nào đó của mơi trường. Hình 1.2 Thể hiện sự thay
đổi màu sắc của một cầu cụ thể trong suốt quá trình xây dựng.

Hình 1.2: Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland
(1) Và (2) Trong quá trình xây dựng
(3) Bề mặt sau 1 năm xây dựng


-7-

Hình 1.3: Cầu thép chịu thời tiết trên đường xe lửa, Đan Mạch

Hình 1.4: Cầu thép chịu thời tiết Torno, giữa Pháp và Thụy Điển

Hình 1.5: Cầu đi bộ, Slucovice, cộng hịa Séc

Hình 1.6: Cầu cạn Piave, Italy được giảm nhẹ sau khi xây dựng


-81.1.2 Phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết
Môi trường phù hợp
Hầu như những địa điểm có xây dựng cầu đều phù hợp cho việc dùng thép
chịu thời tiết. Chỉ những mơi trường khơng thích hợp, là những nơi như có sự tập
trung cao về chất hóa học mạnh hay là những chất gây ơ nhiễm cơng nghiệp có mặt,
ở đó thép sẽ bị lộ ra để cho muối bám vào (ở những môi trường đặc biệt gần biển),
hoặc là ở những nơi mà các thành phần của thép chịu thời tiết liên tục bị ướt và ẩm.
Dùng trong những điều kiện sử dụng khó khăn
Thép chịu thời tiết được xem xét ở lợi ích tốt nhất của nó khi mà việc bảo trì
duy tu theo cách thơng thưởng hoặc là rất khó khăn hoặc là nguy hiểm, và theo đó
giá thành của việc sơn lại đối với những cấu kiện bằng thép thông thường sẽ cao.
Như vậy, những điều có thể xảy ra, ví dụ như ở những vùng núi xa xôi, những con
sông, hay trên những đường ray tàu điện. Ở những nơi có mơi trường như vậy thì
thép chịu thời tiết sẽ hoạt động tốt.
1.1.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết
Năm 1916, Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ đã bắt đầu một nghiên cứu
về sự ăn mịn khí quyển của vật liệu.
Trong những năm 1930, tập đoàn thép Hoa Kỳ đã khám phá ra thép chịu thời
tiết với sức kháng ăn mịn khí quyển lớn trong mơi trường cơng nghiệp và nông
thôn bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phần
hợp kim khác. Thép chịu thời tiết được phát triển dưới tên gọi thương mại là corten, chủ yếu được sử dụng cho các toa xe than đường sắt. Kiểm sốt ăn mịn là tính
năng của vật liệu mà được chào đón như là một sản phẩm cho nhu cầu về một loại
thép chắc chắn có khả năng chịu đựng được sự khắc nghiệt của các chuyến tàu và ở
các mỏ than ở Mỹ. Bởi vì độ bền vốn có của nó, thép chịu thời tiết cũng được sử
dụng rộng rãi cho các container. Nhưng thép chịu thời tiết khơng thể hình thành lớp

gỉ bảo vệ và có tốc độ ăn mịn cao hơn trong mơi trường với sự có mặt của ion Cl-.
Nhiều năm sau, Yamashita khảo sát sự ăn mịn khí quyển của thép chịu thời
tiết có chứa một lượng nhất định Crơm được phơi bày trong khí quyển gần biển
trong hơn 20 năm và đã nhận thấy rằng lớp gỉ tự nhiên bao gồm hai lớp, lớp bên
trong được kết chặt và làm giàu với Crôm[5]. Tài liệu báo cáo rằng lớp gỉ bảo vệ


-9này có phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH). Thí nghiệm đo lường Ion đã chỉ ra rằng lớp gỉ
chứa phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH) có thể ngăn chặn sự xâm hại của Cl-; điều này
giúp đẩy nhanh sự hình thành của lớp gỉ chắc chắn.
Những ứng dụng kỹ thuật dân sự mà đã xuất hiện vào đầu những năm 1960
đã trực tiếp sử dụng sức kháng ăn mòn được cải thiện để chống ăn mòn. Cầu đầu
tiên sử dụng vật liệu này được xây dựng ở New Jersey Turnpike vào năm 1964.
Thép chịu thời tiết ngày nay đang được sử dụng trong rất nhiều những ứng
dụng bao gồm cho cầu, đường sắt, tháp truyền dẫn, ống khói và đóng tàu. Một số ví
dụ việc ứng dụng của nó cho các kết cấu lớn như như cầu New River Gorge, West
Virginia, Mỹ với vòm dài 518m được xây dựng năm 1974 và hoàn thành năm 1977;
nhánh mới của cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ, nhánh này được xây dựng
vào năm 1972 nhằm giảm tải cho cầu cũ chỉ có hai làn xe.

Hình 1.7. Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.8. Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ


- 10 -

Hình 1.9. Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) –Pont Lenine in Ales (1979) – Pháp

Cầu thép liên hợp bê tông, 2 dầm I–nhịp 152m và Cầu thép liên 4 dầm–nhịp 93m

Ở Việt Nam, một số lượng ít cầu thép chịu được làm bằng vật liệu thép chịu
thời tiết đã được xây dựng bằng nguồn tài trợ khơng hồn lại của chính phủ Nhật từ
năm 2001. Đến nay đã được 12 năm, tình trạng của các cầu này hiện nay rất tốt, tuy
nhiên vẫn chưa có điều tra chi tiết về tính ưu việt của các cầu thép này ở Việt Nam.

Hình 1.10. Cầu Rạch Rớ - tỉnh Bình Dương
1.1.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết
Cầu thép thông thường tận dụng những tiến bộ mới nhất trong tự động hóa
chế tạo và kỹ thuật xây dựng có thể cung cấp các giải pháp kinh tế đối với các yêu
cầu về an toàn, xây dựng nhanh, diện mạo hấp dẫn, chiều cao kết cấu thấp, bảo trì