Ăn mòn hư hỏng dầm cầu bê tông dự ứng lực

XXVII

Konferencja
Naukowo-Techniczna

awarie budowlane 2015

KHẮC PHỤC THIỆT HẠI ĐỂ KHẮC PHỤC
CẦU BÊ TÔNG CẦU GIẤY
Y ANAKA M AKOTO,
Kỹ sư kết cấu, Japan Highway Public Corporation, Nagoya, Japan
N OWAK A NDRZEJ S.,

Giáo sư và Chủ nhiệm Khoa Xây dựng, Đại học Auburn, Auburn, Hoa Kỳ
G HASEMI S ĐÃ MẮT H OOMAN

Nghiên cứu sau Tiến sĩ về Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Auburn, Auburn, Hoa Kỳ

Trừu tượng: Quá trình hư hỏng bao gồm ba giai đoạn: khuếch tán clorua, ăn mòn các sợi thép và
nứt / bong tróc bê tơng. Thời gian bắt đầu ăn mòn phụ thuộc vào chiều sâu lớp phủ bê tơng, chất
lượng lớp phủ bảo vệ (nếu có) và hệ số khuếch tán. Việc xuất hiện các vết nứt có thể rất quan trọng,
vì nó tạo điều kiện cho sự xâm nhập của các hóa chất mạnh (muối). Hệ số khuếch tán có thể lớn hơn
đáng kể đối với các phần (khu vực) bị nứt so với bê tông nguyên vẹn. Đối với phần bị nứt khi chịu tải
trọng làm việc, nó được lấy làm giá trị trung bình theo thời gian và diện tích, mơ hình A 2-D và 3-D
được phát triển để dự đoán nồng độ clorua trên bề mặt cốt thép. Xác suất bắt đầu ăn mịn được
tính tốn cho các trường hợp thiết kế đại diện.

1. Giới thiệu
Thế hệ mới của các mã thiết kế dựa trên độ tin cậy cho các tòa nhà và cầu đã được phát
triển ở nhiều quốc gia khác nhau. Các thơng số tải trọng và sức kháng có bản chất ngẫu
nhiên và do đó, độ tin cậy có thể được sử dụng như một thước đo hợp lý về hiệu suất kết

cấu. Phương pháp tiếp cận theo xác suất giúp bạn có thể định lượng mức độ khơng chắc
chắn. Các thông số thiết kế (hệ số tải trọng và điện trở) được xác định trong quá trình hiệu
chuẩn. Cho đến nay, hầu hết nỗ lực hiệu chuẩn mã đều hướng đến việc phát triển các tiêu
chí tải cuối cùng. Tuy nhiên, các trạng thái giới hạn khả năng sử dụng (SLS) thường chi
phối trong thiết kế cầu. Do đó, cần có hiệu chuẩn dựa trên độ tin cậy của SLS.

Khi nồng độ clorua đạt đến mức ngưỡng của nồng độ clorua để bắt đầu ăn mòn bề mặt của
cốt thép, ăn mịn có thể bắt đầu. Khi thời gian trôi qua, thép gây ra ứng suất kéo trong bê tơng
xung quanh vì các sản phẩm ăn mịn có tỷ trọng bằng một nửa của thép âm. Do đó, sự thay đổi
tỷ trọng này có thể gây ra các vết nứt trên bề mặt bê tông. Sau khi nứt do ăn mòn thép xảy ra,
tốc độ ăn mòn trở nên nhanh hơn nhiều vì có thể cung cấp đủ oxy qua vết nứt [Williamson và
et.al 2009]. Ai cũng biết rằng các vết nứt có thể làm tăng tốc độ ăn mòn. Trước đây, các quy
chuẩn thiết kế quy định chiều rộng vết nứt cho phép, được xác định bằng đánh giá của kỹ
thuật, chứ khơng phải bằng phân tích tác động ăn mòn. Nghiên cứu mới cho thấy rằng sự ăn
mịn khơng nhất thiết phải tương quan với bề rộng bề mặt của các vết nứt. Do đó, trong thế hệ
mã mới, bao gồm AASHTO LRFD [2015] và ACI 318 [2014], giới hạn chiều rộng vết nứt đã được
thay thế bằng ứng suất cho phép trong


892

Ăn mịn hư hỏng dầm cầu bê tơng dự ứng lực

cốt thép chịu kéo và / hoặc khoảng cách tối thiểu của cốt thép chịu kéo. Tuy nhiên, các yêu
cầu mới vẫn là gián tiếp dựa trên bề rộng vết nứt cho phép.
Một nỗ lực nghiên cứu đáng kể đã được tập trung vào việc điều tra mối quan hệ giữa
thời gian bắt đầu ăn mòn, tốc độ ăn mòn và chiều rộng vết nứt, sau đó khơng thay đổi
trong các thí nghiệm [ví dụ, Otsuki và et.al 2010; Osterminski và Shie β l 2012; Arya và et.al
2014; TakewakA và cộng sự. 2003]. Tuy nhiên, trong thực tế, vết nứt có thể đóng mở tùy
thuộc vào tải trọng; do đó cần phải xem xét tác động đóng mở này. Tỷ lệ xuất hiện vết nứt

phụ thuộc vào độ sâu của lớp phủ bê tông, loại cốt thép và bản chất của tải trọng sống.
Trong tài liệu được trích dẫn ở trên, vấn đề được xem xét từ quan điểm xác định hơn là độ
tin cậy.
Phân tích độ tin cậy phụ thuộc vào khơng gian theo thời gian của ăn mịn dầm cầu bê tông
dự ứng lực đã được đánh giá bởi Darmawan và Stewart [2007], và Thoft-Christensen [2008] đã
nghiên cứu các bước xuống cấp và độ tin cậy của kết cấu bê tơng.
Vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là xác định thời gian bắt đầu cho cầu dầm bê tông
dự ứng lực, là thời gian cần thiết để các clorua bám trên bề mặt bê tông tiếp cận với thép
dự ứng lực và bắt đầu ăn mòn. Các thơng số chính được xem xét bao gồm ngưỡng nồng
độ clorua, hệ số khuếch tán, độ sâu lớp phủ, cường độ bê tông (nén và căng), và mức độ
tiếp xúc với mơi trường biển. Xe tải nặng có thể gây nứt bê tơng. Do đó, phân tích được
thực hiện cho hai trường hợp: bê tơng khơng có rãnh và bê tơng bị nứt.

2. Ăn mịn thép trong bê tơng
Mơ hình vịng đời của kết cấu bê tơng cốt thép có thể được chia thành ba giai đoạn rõ
ràng: khuếch tán, ăn mòn và hư hỏng. Giai đoạn đầu tiên, khuếch tán, được định nghĩa là
giai đoạn các vật liệu xâm thực xâm nhập và đạt đến ngưỡng ăn mòn trên bề mặt thép.
Giai đoạn thứ hai, ăn mòn, được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn đến
khi nứt đầu tiên do thép giãn nở. Giai đoạn thứ ba, sự xuống cấp, mô tả thời gian để đạt
đến mức độ hư hỏng cần phải sửa chữa hoặc phục hồi vì ở giai đoạn thứ ba, tốc độ hư
hỏng trở nên nhanh hơn nhiều [Williamson và et.al 2009].
Ăn mòn do clorua gây ra
Ai cũng biết rằng sự hiện diện của các ion clorua trong bê tông cốt thép có thể gây ăn
mịn nếu tiếp xúc với đủ oxy và nước. Ăn mòn do clorua là nguyên nhân gây ăn mịn cốt
thép phổ biến và có hại nhất. Thực hành thiếc, có một mức ngưỡng của nồng độ clorua
phải được vượt quá trước khi xảy ra ăn mòn. Clorua có nguồn gốc từ bốn nguồn: (1) canxi
clorua được thêm vào hỗn hợp làm chất xúc tác, (2) natri clorua xâm nhập khi tiếp xúc với
môi trường biển, (3) natri clorua xâm nhập từ muối hòa tan được sử dụng làm muối khử
muối trên đường và cầu, và (4) natri clorua có trong cốt liệu bê tơng.

Sự khuếch tán của các ion clorua trong bê tông

Sự khuếch tán clorua là một trường hợp cụ thể của các vấn đề trường vô hướng gặp phải trong hầu hết các
ngành của kỹ thuật và vật lý. Hầu hết chúng có thể được xem như các dạng đặc biệt của Phương trình
Helmholtz tổng quát được đưa ra bởi

∂

• ∂ •∂φ •
∂φ
• ∂ •∂φ
k y ∂ + • k z • + Q = ρc
•+
x • ∂y ••• y ••
∂t
• ∂z • ∂ z •

•∂φ
•kx∂

∂x •

(1)


893

Mosty tôi drogi

Ở đâu: k x, k y, và k z = độ dẫn ion trong x, y, và z - hướng, tương ứng, Q = cung cấp ion,

c = giá trị cụ thể của hàm lượng ion, ρ = mật độ của bê tông, t = thời gian và φ ( xyz) = biến trường
cần giải quyết.

Đối với nồng độ bề mặt khơng đổi và bài tốn một chiều, trong các điều kiện,
C ( 0, t) = C 0 và C tơi = 0, Phương trình 1 sản lượng

•
C ()
x, =
t C 10 ( - erf η ()) = C 10 • - erf
•
•

••
••
•
• •2 D ct • •
•
•
•

x

(2)

Ở đâu: C (x, t) = nồng độ ion trên bề mặt thép tại thời điểm t, x = độ sâu bao phủ, C 0 = ion

nồng độ ở bề mặt bê tông, D c = a hệ số khuếch tán và erf ( η) = hàm lỗi Gaussian. D c có
thể được diễn đạt như D c = k / ρ c [ Incropera và Dewitt 1996].
Hệ số khuếch tán

Hệ số khuếch tán, Dc, là một đặc tính quan trọng đo khả năng dẫn ion của vật liệu so
với khả năng lưu giữ ion của nó. Vật liệu có Dc lớn sẽ phản hồi nhanh chóng
thay đổi nồng độ ion của chúng, trong khi các vật liệu có D c sẽ phản ứng chậm hơn, mất nhiều
thời gian hơn để đạt được điều kiện cân bằng mới [Incropera và Dewitt 1996]. Mặc du
có một số nghiên cứu trong đó xem xét hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian, tỷ lệ xi măng nước,
và ảnh hưởng nhiệt độ [ví dụ như Samson và Marchand 2009; Weng và cộng sự. Năm 2006;
Tanaka và cộng sự. 2001], hệ số khuếch tán là một biến ngẫu nhiên chứ không phải là một giá
trị xác định vì bản chất của bê tơng. Ví dụ, Stewart [1997] giả định rằng hệ số khuếch tán, được
phân phối tiên lượng với giá trị trung bình là 2,0 ⋅ 10-8 cm 2 / s và hệ số biến thiên, V = 0,75. Trong
nghiên cứu này, các tham số thống kê trong Bảng 1 được sử dụng cho hệ số khuếch tán. Các
giá trị thu được từ dữ liệu thử nghiệm lõi bê tông lấy từ các cây cầu hiện có [Tanaka et al. Năm
2001].
Bảng 1. Dữ liệu thống kê cho hệ số khuếch tán
Cường độ bê tông

40 Mpa
50 Mpa

Số lượng mẫu

47
17

COV
1,31
1,00

Trung bình (cm 2 / S)

1.2.E-08
3.3.E-09

Phân phối
Lognormal
Lognormal

3. Độ rộng vết nứt và hệ số khuếch tán
Đã có nhiều nghiên cứu về mối quan hệ giữa bề rộng vết nứt và tốc độ ăn mòn. Mặc dù chiều
rộng vết nứt lớn hơn có thể làm tăng tốc độ ăn mịn, nhưng một số nhà nghiên cứu đã phát hiện ra
mối quan hệ yếu giữa chiều rộng vết nứt và tốc độ ăn mòn. Một số mã thiết kế giới hạn chiều rộng
vết nứt để kiểm sốt tốc độ ăn mịn, trong khi các mã khác thì khơng. Mã ACI hiện tại [2014] giới hạn
khoảng cách của cốt thép gần nhất với bề mặt bê tơng vì chiều rộng vết nứt trong kết cấu có thể
thay đổi. Chiều rộng vết nứt dự đốn trên bề mặt bê tơng có thể được xác định dựa trên nghiên cứu
của Gergely và Lutz [1968]:
3
Wmax = 0.76 ⋅ 10
-β ⋅

⋅ fS⋅

3dc⋅

A

b

Ở đâu: f s = ứng suất tải trọng dịch vụ trong cốt thép, β = khoảng cách từ trục trung hòa đến

sợi dưới cùng, chia cho khoảng cách đến cốt thép, d c = khoảng cách từ

(3)


894

Ăn mịn hư hỏng dầm cầu bê tơng dự ứng lực

sợi có lực căng cực hạn đối với tâm của thanh cốt thép nằm gần nó nhất, và
A b = diện tích chịu lực hiệu quả của bê tơng bao quanh cốt thép chịu lực và có cùng
tâm với cốt thép đó, chia cho số thanh hoặc số dây.
Cần lưu ý rằng Eq. 3 được tính bằng inch (1 inch = 25,4 mm).
Ảnh hưởng của chiều rộng vết nứt đến sự khuếch tán của ion clorua

Trong bê tông, các vết nứt có thể được tạo ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, chẳng hạn như co ngót do
khơ hoặc tác dụng của tải trọng. Những vết nứt này có khả năng ảnh hưởng đến sự khuếch tán của các ion
clorua vào bê tông. Takewaka và cộng sự. [2003] thực nghiệm rút ra mối quan hệ giữa chiều rộng vết nứt và hệ
số khuếch tán của mặt cắt bị nứt như thể hiện trong các phương trình sau,

D c = 1,2 × 10- số 8 exp {136,33 w} cho (0 ≤ w ≤ 0,1 mm} (40 MPa - bê tông)

(4)

D c = 3,3 × 10- 9 exp {149,24 w} cho (0 ≤ w ≤ 0,1 mm} (50 MPa - bê tông)

(5)

D c = 1,2 × 10- số 8 cho (0,1 ≤ w}

(6)

Ở đâu D c = hệ số khuếch tán (cm 2 / giây) và w là chiều rộng vết nứt (mm).
Nói chung, hệ số khuếch tán của bê tơng nứt lớn hơn nhiều so với bê tông âm. Hệ số
khuếch tán của bê tông âm thanh nhỏ hơn 1,0 cm 2 / năm, trong khi độ nứt của bê tông có
thể lớn hơn 2-3 bậc.
4. Dữ liệu thống kê cho tải và kháng
Các tham số thống kê của tải trọng chết được xác định bởi Nowak và Collins [2013]. Mơ
hình tải trọng động và tĩnh được phát triển cùng với sự phát triển của mã AASHTO LRFD
[Nowak 1999], dựa trên dữ liệu khảo sát xe tải.
Vật liệu làm dầm cầu bê tông dự ứng lực là cốt thép và bê tơng ứng suất trước. Tính
ngẫu nhiên của hoạt động của các vật liệu này phát sinh do độ bền vật chất thay đổi, độ
chính xác của mơ hình dự đốn độ bền và chế tạo. Dữ liệu thống kê và sự phân bố kháng
thuốc được lấy từ Nowak và Collins [2013] và Nowak và Rackoczy [2012]. MacGregor [1997]
chỉ ra rằng 10% chiều rộng vết nứt đo được vượt quá
1,5 lần giá trị cho bởi Eq. 6, trong khi 2% chiều rộng vết nứt đo được nhỏ hơn 0,5 lần chiều
rộng tính tốn. Giả sử rằng phân phối là một biến ngẫu nhiên thông thường, hệ số chệch
và hệ số biến thiên chiều rộng vết nứt lần lượt là 1,116 và 0,269.
5. Thiết kế dầm cầu bê tông dự ứng lực
Để đề cập đến nhiều loại dầm cầu bê tông dự ứng lực khác nhau, phân tích được thực
hiện cho ba nhịp khác nhau, ba giá trị của ứng suất kéo cho phép, hai chiều sâu của lớp
phủ và hai giá trị cường độ nén của bê tơng, như được tóm tắt trong Bảng 2. Khoảng cách
dầm và chiều dày bản sàn được giả định tương ứng là 2,4 m và 225 mm. Tất cả các thiết kế
chỉ dựa trên ứng suất kéo cho phép, thường chi phối thiết kế dầm cầu bê tông dự ứng lực.
Tổng số trường hợp thiết kế được xem xét là 36 trường hợp.
Lưu ý rằng trong nghiên cứu này, ứng suất kéo cho phép được xác định bằng cách sử dụng tham số K,

ứng suất kéo cho phép

=K

fc ' ( MPa )

(số 8)


895

Mosty tôi drogi

Ở đâu: K = 0, 0,25 và 0,50. Trong cuộc thảo luận thêm, ba giá trị ứng suất cho phép được xem xét được
biểu thị bằng giá trị tương ứng của K
Bảng 2. Các thông số thiết kế

Thông số

Giá trị của các tham số được sử dụng trong nghiên cứu

Kéo dài

này 12 m, 18 m, 24 m

Ứng suất kéo cho phép

0 MPa, 0,25

MPa, 0,5

MPa

50 mm, 75 mm

Độ sâu bao phủ

Cường độ nén bê tông

40 MPa, 50 MPa

Khoảnh khắc nứt, Khoảnh khắc nén, Ứng suất trong các sợi ứng suất trước

Các hàm phân phối tích lũy (CDF) thu được cho thời điểm bẻ khóa, M cr,
mơmen nén, Mdc, ứng suất trong thép ứng suất trước và ứng suất ở đáy dầm,
sử dụng một quy trình máy tính được phát triển đặc biệt, với các mô phỏng Monte Carlo và
thuật toán của Al-Zaid (1986). Kết quả được thể hiện trong hình 1 trong 75 năm sau khi cây cầu
bắt đầu sử dụng. Các CDF được vẽ trên giấy xác suất thông thường [Nowak và Collins 2013].
Kết cấu được xem xét bao gồm dầm bê tông đúc sẵn ứng suất trước và bản bê tơng cốt
thép (đúc tại chỗ). Hình 2 cho thấy các giá trị trung bình của thời điểm giải nén,
Mdc và thời điểm bẻ khóa, M cr. Giả thiết rằng tấm sàn được đúc tại chỗ bằng cách sử dụng
kết cấu khơng mài mịn 180 ngày sau khi đúc dầm. Do đó, có một sự gián đoạn
tương ứng với 180 ngày trong Hình 2. Ngồi ra, các giá trị danh nghĩa của M dc, và M cr.
thu được bằng phân tích đàn hồi được biểu diễn dưới dạng các đoạn thẳng trong hình 2 biểu diễn giá trị trung bình
giá trị của ứng suất trong thép ứng suất trước.
99,99
Mdc, K = 0
Mcr, K = 0

99,9

Mdc, K = 0,25
Mcr, K = 0,25

Mdc, K = 0,50
LMcr, K = 0,50

99
95
90
80
70
50
30
20
10
5
1
.1
. 01
6 10 5

8 10 5

1 10 6

1,2 10 6

1,4 10 6

1,6 10 6

1,8 10 6

Moment (Nm)

Hình 1. Phân phối Moment giải nén và
Moment nứt (Span = 12 m, 40 MPa,
Bìa = 50 mm, Sau 75 năm)

Hình 2. Moment giải nén và nứt
Moment so với thời gian bảo dưỡng (40 MPa,
Span = 12 m, K = 0,25, Cover = 50 mm)

Như đã trình bày trong Hình 1, cả mơmen nén và mơmen nứt đều phụ thuộc vào ứng
suất kéo cho phép (giá trị K). Ngồi ra, mơ men giải nén và mơ men nứt có thể được giả
định tuân theo các phân bố bình thường. Từ Hình 2, sau khi đúc bản sàn, khơng có sự thay
đổi đáng kể về mơmen nén và mômen nứt. Xu hướng này cũng phù hợp với tính tốn của
Al-Zaid (1988).


896

Ăn mịn hư hỏng dầm cầu bê tơng dự ứng lực

Thời gian đến vết nứt đầu tiên

Vết nứt đầu tiên xảy ra khi tải trọng tác dụng vượt quá mô men nứt, Mcr. Tuy nhiên,
sau khi vết nứt đầu tiên xảy ra, bê tông mất độ bền kéo và do đó
nứt xảy ra bất cứ khi nào tải trọng tác dụng vượt q mơ men giải nén, M dc.
Hình cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ giữa mômen giải nén và
thời điểm phục vụ, nhịp và cường độ bê tơng. Trong Hình vẽ, loại dầm kiểu AASHTO được
sử dụng cho thiết kế được chỉ ra (ví dụ: Loại II). Như minh họa trong Hình 3, cường độ nén
của bê tông cao hơn dẫn đến tỷ lệ giữa mômen nén và mơmen phục vụ nhỏ hơn. Ngồi ra,

có thể quan sát thấy rằng các dầm dài hơn có xu hướng làm cho tỷ lệ lớn hơn. Để giải thích
xu hướng này, một trường hợp không phức hợp được xem xét vì tính đơn giản. Cơng thức
thiết kế cho ứng suất kéo cho phép có thể được biểu thị như sau [Naaman 2004]:

F
Fe M phục vụ. ≥
+
σ ts
Ac Sb
Sb

(9)

Ở đâu: F = lực ứng suất trước hiệu quả, A c = diện tích của một cái dầm, e = độ lệch tâm của ứng suất trước

lực lượng, S b = mô đun phần đối với sợi dưới cùng, M phục vụ. = thời điểm phục vụ,
và σ ts = ứng suất kéo cho phép. Từ Eq. 9, bất đẳng thức sau đây có thể nhận được.

•S
•
F • b + e••- σ ts S b = M dc
-σ
A
• c
•

ts

Sb≥

M phục vụ.

(10)

từ M dc = F * (S b / A c + e). Từ Eq. 10, tỷ lệ giữa thời điểm giải nén, M dc,
và thời điểm dịch vụ, M phục vụ. có thể nhận được như sau:

M dc ≥
σ
1+ ts Sb
M phục vụ.
M phục vụ.
Ghi chú σ ts là một giá trị âm. Từ Eq. 11, đối với một phần nhất định, tỷ lệ giữa M dc và

(11)

M phục vụ. tăng khi độ dài nhịp tăng kể từ M phục vụ. cũng tăng (tức là, số hạng thứ hai của vế
phải tiếp cận số 0 âm từ một giá trị âm khi độ dài khoảng tăng). Đây là lý do cho xu hướng
có thể thấy trong Hình Hình 7.

Hình 3. Tỷ lệ giữa Khoảnh khắc giải nén và Khoảnh khắc phục vụ so với Khoảng thời gian ( K = 0,50,

Nắp = 50 mm)


897

Mosty tôi drogi

6. Hệ số khuếch tán của vùng nứt

Hệ số khuếch tán của vùng nứt, được tính trung bình theo thời gian và diện tích, có thể
thu được bằng cách sử dụng mô phỏng Monte Carlo. Đối với thời gian mở vết nứt, cần lấy
giá trị trung bình của hệ số khuếch tán, giá trị trung bình của thời gian mở vết nứt ở đáy
dầm được sử dụng. Một vùng nứt 1 - mm được sử dụng để thu được hệ số khuếch tán
trung bình. Hình 4 cho thấy mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán trung bình của vùng nứt
và độ sâu vết nứt. Hệ số khuếch tán trung bình của khu vực nứt được tính cho thời gian
đầu khai thác cầu và sau 3 năm, 6 năm, 15 năm và 75 năm. Chiều sâu vết nứt được lấy từ
đáy dầm. Hình 5 cho thấy mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán trung bình của vùng nứt ở
đáy dầm và thời gian phục vụ.

Hình 4. Hệ số khuếch tán trung bình (40 MPa,

Hình 5. Hệ số khuếch tán trung bình phụ thuộc vào

Khoảng cách = 12 m, K = 0,25, bìa = 50 mm,

thời gian so với thời gian phục vụ (40 MPa,

K = 0,25, Nắp = 50 mm, ADTT = 5000)

ADTT = 5000)

Như dự đoán, hệ số khuếch tán của vùng nứt giảm khi chiều sâu vết nứt (tức là khoảng
cách từ đáy dầm) tăng lên vì chiều rộng vết nứt và thời gian mở vết nứt cũng giảm. Từ
hình 5, sau 3 năm, có vẻ như sự thay đổi của hệ số khuếch tán trung bình trở nên tương
đối nhỏ.
7. Xác suất ăn mịn
Sử dụng dữ liệu xác suất của nồng độ clorua do FEA thu được với phương pháp Monte
Carlo, có thể đánh giá sự bắt đầu ăn mòn. Xác suất được biểu thị bằng xác suất bắt đầu ăn
mòn trong vòng 75 năm. Xác suất của mơ hình hai chiều và mơ hình ba chiều lần lượt

được cung cấp trong và hình vẽ. Trục hồnh của hình biểu thị khoảng cách từ đường tâm
của dầm.
Bảng 3. Xác suất bắt đầu ăn mòn (C 0 = 0,00369 g / cm 3)
Bê tông

Che
50 mm

40 MPa 75 mm
50 mm

50 MPa 75 mm

12 m

24 m

18 m

K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50

1,00
0,66
0,39
0,03

1,00
0,76
0,80
0,10

1,00
1,00
1,00
1,00

1,00
0,66
0,39
0,02

1,00
0,66
0,37
0,06

1,00
1,00
1,00
1,00

1,00
0,65
0,38
0,06

1,00
0,65
0,47
0,07

1,00
1,00
1,00
1,00


898

Ăn mịn hư hỏng dầm cầu bê tơng dự ứng lực

Bảng 4. Xác suất bắt đầu ăn mòn ( C 0 = 0,00212 g / cm 3)
12 m

18 m

Lớp phủ bê tông K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50

50
mm
75

40 MPa mm

50
mm
75

50 MPa mm

24 m

0,61

0,65

1,00

0,55

0,65

0,96

0,56

0,59

0,73

0,14

0,14

1,00

0,15

0,15

0,84

0,13

0,13

0,40

0,09

0,17

1,00

0,07

0,07

0,97

0,11

0,08

0,84

0,01

0,02

1,00

0,02

0,03

0,82

0,01

0,03

0,96

Bảng 5. Xác suất bắt đầu ăn mòn ( C 0 = 0,00122 g / cm 3)
Bê tông Che

12 m

18 m

24 m

K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50 K = 0,00 K = 0,25 K = 0,50

50 mm 0,08
40 MPa 75 mm 0,03
50 mm 0,01
50 MPa 75 mm 0,00

0,11
0,05
0,05
0,00

0,49
0,60
0,57
0,90

0,13
0,04
0,02
0,01

0,09
0,04
0,03
0,00

0,22
0,14
0,23
0,07

0,13
0,02
0,01
0,00

0,07
0,02
0,01
0,00

0,11
0,02
0,10
0,17

Như có thể thấy, cường độ kéo cho phép, cường độ bê tông và chiều sâu lớp phủ ảnh
hưởng đến xác suất bắt đầu ăn mòn. Giả sử rằng xác suất ăn mòn cho phép là 0,159,
tương ứng với 1,0 trong chỉ số độ tin cậy, tất cả các trường hợp thiết kế có thể được đánh
giá về xác suất ăn mịn và các trường hợp khơng thỏa mãn xác suất ăn mòn cho phép
được đưa vào Bảng 3–5. Xác suất ăn mịn có xu hướng giảm khi lớp vỏ tăng lên và ứng
suất kéo cho phép giảm. Cường độ bê tơng cao hơn cũng có thể đạt được xác suất ăn mịn
nhỏ hơn vì bê tơng cường độ cao hơn có thể đạt được hệ số khuếch tán nhỏ hơn của bê
tơng âm thanh.
Ngồi ra, hiệu ứng ba chiều cũng được cơng nhận (hình 6). Vì vậy, có thể cần phải xem
xét hiệu ứng ba chiều đối với sự khuếch tán của các ion clorua. Có thể nói một cách an
tồn rằng chiều sâu lớp phủ từ bề mặt bên cần phải vượt quá 75 mm.

Hình 6. Xác suất bắt đầu ăn mòn (3 chiều, C 0 = 0,00212 g / cm 3, K = 0,25)


899

Mosty tôi drogi

8. Kết luận

Nghiên cứu đề cập đến việc phát triển mơ hình thời gian khuếch tán clorua cho dầm
cầu kiểu AASHTO bê tông dự ứng lực. Để mô hình hóa chuyển động đóng mở của các vết
nứt do tải trọng tác dụng, hệ số khuếch tán của vùng nứt, được tính trung bình theo thời
gian và diện tích, được sử dụng.
Để tiếp cận vấn đề, ban đầu phải xem xét nứt do tải trọng tác dụng. Hệ số khuếch tán
trung bình của vùng nứt có thể thu được bằng cách sử dụng mơ hình đã phát triển có thể
tính đến chuyển động đóng mở của các vết nứt.
Sử dụng hệ số khuếch tán của vùng nứt, tiến hành phân tích phần tử hữu hạn bằng
phương pháp Monte Carlo để thu được nồng độ clorua trên bề mặt cốt thép. Các kết quả
được sử dụng để thu được xác suất bắt đầu ăn mòn. Từ xác suất bắt đầu ăn mịn, có thể
thu được các khuyến nghị thiết kế cho các mơi trường khác nhau.
Một số kết luận có thể được rút ra từ nghiên cứu này. Những kết luận này được tóm tắt
như sau:
- Sự gia tăng của ứng suất kéo cho phép làm tăng khả năng nứt. Do đó, hệ số khuếch tán
của vùng nứt tăng khi ứng suất kéo cho phép tăng. Ngồi ra, có thể lấy xác suất nứt từ
tỷ số giữa thời điểm giải nén và thời điểm phục vụ.

- Nói chung, trường hợp ứng suất kéo cho phép = 25

0.

′

f cMPa cho thấy sự khác biệt nhỏ

từ trường hợp có ứng suất kéo cho phép bằng 0 về hệ số khuếch tán trung bình
của khu vực bị nứt. Trong trường hợp ứng suất kéo cho phép = 50

0.

′
fcMPa,

hệ số khuếch tán của vùng nứt lớn hơn nhiều so với bê tông âm.
- Nứt do ăn mịn cốt thép có thể có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến tổng thời gian hiển thị
của ăn mịn vì nứt do ăn mịn có thể quan sát được khoảng hai năm sau khi bắt đầu ăn
mòn. Do đó, thời gian bắt đầu ăn mịn hoặc xác suất bắt đầu ăn mòn trong thời gian sử
dụng quan trọng hơn thời gian bắt đầu nứt do ăn mòn đối với các tình huống thực tế.
- Giả sử xác suất bắt đầu ăn mịn cho phép, có thể phát triển các khuyến nghị thiết kế,
chẳng hạn như cường độ bê tông, lớp phủ bê tông và ứng suất kéo cho phép, cho các
môi trường khác nhau.

Người giới thiệu

1. AASHTO, (2015), Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD, Hiệp hội Quan chức Giao thông và
Xa lộ Tiểu bang Hoa Kỳ, Phiên bản thứ 7, Washington, DC
2. ACI, (2014), Yêu cầu mã xây dựng đối với bê tông kết cấu (ACI 318-14) và Bình luận, Viện bê tơng
Hoa Kỳ, Michigan.
3. Al-Zaid RZ, Naaman AE, Nowak AS, (1988), “Dầm composite ứng suất trước một phần dưới tải
trọng bền vững và tuần hồn”, Tạp chí Kỹ thuật kết cấu, Tập 14, Số 2, tr.269–291, Tháng Hai.
4. Arya C., Vassie P., Bioubakhsh S., (2014), “Mơ hình hóa sự xâm nhập của clorua trong bê tông chịu sự thấm
ướt và làm khô theo chu trình”, Tạp chí Nghiên cứu Bê tơng, Vol.66, No.7, pp.364–376 .

5. Darmawan MS, Stewart MG, (2007), “Phân tích độ tin cậy phụ thuộc vào không gian theo thời gian của
sự ăn mịn dầm cầu bê tơng dự ứng lực đúc sẵn”, Structural Safety, Vol.29, No.1, pp.16–31.

6. Gergely P., và Lutz LA, (1968), “Chiều rộng vết nứt tối đa trong cấu kiện chịu uốn bê tông cốt
thép,” Nguyên nhân, Cơ chế và Kiểm sốt vết nứt trong bê tơng, SP-20, Viện Bê tông Hoa Kỳ,
Detroit.

900

Ăn mịn hư hỏng dầm cầu bê tơng dự ứng lực

7. Hwang ES, Nguyen SH, Nguyen Q. H, (2014), “Phát triển các tiêu chí thiết kế trạng thái giới hạn khả năng phục
vụ cho ứng suất trong dầm bê tông ứng suất trước”, Tạp chí KSCE, Vol.18, No.7, pp.2143–2152.

8. Incropera FP, DeWitt DP, (1996), Giới thiệu về Truyền nhiệt., John Wiely & Sons, Inc., New York.

9. MacGregor JG, (1997), Cơ học và thiết kế bê tông cốt thép, ấn bản thứ ba, Prentice Hall, Inc., New
Jersey, tr.939.
10. Naaman AE, (2004), Phân tích và thiết kế bê tơng ứng suất trước-Cơ bản, Techno Press 3000,
Michigan, tr.1072.
11. Nowak AS (1999). Hiệu chuẩn mã thiết kế cầu LRFD. NCHRP Báo cáo 368, Ban Nghiên cứu Giao
thông vận tải, Washington, DC.
12. Nowak AS và Rakoczy, Anna M. (2012) “Mơ hình kháng thống kê cho các thành phần cấu trúc R /
C”, ACI SP-284-6, Vol. 248, trang 1–16.
13. Nowak AS, Collins KR, (2013), Độ tin cậy của các cấu trúc. CRC Press, New York.
14. Otsuki N., Tadokoro Y., Kojima M., (2010), “Sự lan truyền ăn mịn của thanh cốt thép khơng gỉ
trong bê tơng”, Tạp chí Kỹ thuật ăn mịn. Vol.59, No.45, pp.126–135,
15. Osterminski K. Schie β l P., (2012), “Mơ hình thiết kế bê tơng cốt thép”, Tạp chí Kết cấu
Bê tơng, Vol. 13, số 3, tr.156–165.

16. Samson E. Marchand J., (2007), “Mơ hình hóa ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự vận chuyển ion trong
vật liệu kết dính” Nghiên cứu Xi măng và Bê tông Vol. 37, 455–468.
17. Stewart MG, (1997), 'Độ tin cậy phụ thuộc vào thời gian của các kết cấu BTCT hiện có', Tạp chí Kỹ thuật
Kết cấu-ASCE, 123 896–902.

18. Takewaka K., Yamaguchi T., Maeda S., (2003), “Mơ hình mơ phỏng sự xuống cấp của kết cấu bê

tông do sự tấn cơng của clorua”, Tạp chí Cơng nghệ bê tơng tiên tiến. Vol.1, No.2, pp.139–
146, tháng bảy.

19. Tanaka Y., Kawano H., Watanabe H., và Nakajo T., (2001), “Nghiên cứu độ sâu lớp phủ yêu cầu của cầu
đường cao tốc bê tông trong môi trường ven biển”, Hội thảo Kỹ thuật Cầu Hoa Kỳ-Nhật Bản lần thứ 17.

20. Thoft-Christensen P. (2008), “Sự suy giảm của kết cấu bê tông cốt thép”, Ikke Angivet, Khoa Xây
dựng, Đại học Aalborg.
21. Weng ZC, Yu HF, Sun W., Zhang JH và Chen HY, (2006) “Ảnh hưởng của tỷ lệ nước-xi măng và
hàm lượng xi măng đến khả năng liên kết clorua của bê tông” Tạp chí Đại học Cơng nghệ Vũ
Hán, Tập 28, No , 3, trang 47–50.
22. Williamson G., Weyers RE, Sprinkel MM, (2009), “Xác thực mơ hình tuổi thọ dịch vụ ăn mịn theo
xác suất clorua: Các dự đốn về tầng cầu tồn cầu và cá nhân”, Tạp chí ASTM International, Vol.
6, số 9.