Phân tích ảnh hưởng tương quan của các yếu tố môi trường đến khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết (weathering steels) khu vực tp hồ chí minh phan thiết

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

HUỲNH QUANG CHỈNH

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯƠNG QUAN CỦA CÁC
YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT (WEATHERING STEELS)
KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – PHAN THIẾT

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM
Mã ngành:

60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012


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: 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 05 tháng 01 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Lê Bá Khánh
2. TS. Lê Thị Bích Thủy
3. TS. Trần Văn Miền
4. TS. Đặng Đăng Tùng
5. TS. Văn Hồng Tấn
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: HUỲNH QUANG CHỈNH

MSHV: 10380348

Ngày, tháng, năm sinh: 07-10-1986

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm

Mã số: 60 58 25

I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯƠNG QUAN CỦA CÁC YẾU TỐ
MÔI TRƯỜNG ĐẾN KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT
(WEATHERING STEELS) KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – PHAN
THIẾT.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn gồm các nội dung sau:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cầu thép và vật liệu dùng cho cầu.
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: 02-07-2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30-11-2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Tp. HCM, ngày ….. tháng ….. năm 201…
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
Lời đầu tiên của em trong Luận văn này em xin chân thành cảm ơn Ban Giám
Hiệu cùng tất cả các thầy cô của Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã
tạo điều kiện giúp đỡ em hồn thành chương trình học.
Em xin được gởi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng cùng
với các thầy cô trong Bộ môn Cầu Đường đã tận tình giúp đỡ em hồn thành Luận
văn tốt nghiệp trong thời hạn được giao.
Cuối cùng em xin cám ơn đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã
tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ Luận văn tốt nghiệp.
Tuy nhiên, kiến thức còn nhiều hạn chế, chắc chắn rằng Luận văn tốt nghiệp
này không tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự góp ý, phê bình chỉ dẫn của
Giáo viên hướng dẫn và Giáo viên phản biện để em có thêm kinh nghiệm cho cơng
tác sau này.
Em xin kính chúc Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng cùng các thầy giáo ,cô giáo khoa
Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh nhiều sức
khoẻ, đạt được nhiều thành công trong sự nghiệp cao quý của mình .

Em xin chân thành cám ơn !
TP.Hồ Chí Minh ,ngày ………tháng 12 năm 2012
Học viên

Huỳnh Quang Chỉnh


- ii -

ABSTRACT

Weathering steel has a unique property of preventing rust by rust, and using
unpainted weathering steel is important to reduce the life cycle cost of
infrastructure. In the construction of the weathering steel bridges, it is important to
judge whether the weathering steels applied to the structure are suited to the local
environment.
Under appropriate corrosive environment, atmospheric corrosion resistance is
demonstrated by rust of weathering steel. However, in marine coastal areas and
frequent high rainfall, high humidity or persistent fog, weathering steel cannot have
the corrosion resistance.
This paper presents the relationship between estimated corrosion loss and the
air-borne salt in the region from Ho Chi Minh city to Phan Thiet city by exposure
tests.


- iii -

TĨM TẮT
Thép chịu thời tiết có một cơ chế bảo vệ gỉ rất độc đáo là sử dụng lớp gỉ bên
ngoài để ngăn cản gỉ và việc sử dụng thép chịu thời tiết là rất quan trọng để giảm
chi phí vịng đời của các cơng trình. Trong việc xây dựng cầu thép chịu thời tiết,
quan trọng là đánh giá xem liệu thép chịu thời tiết có phù hợp với điều kiện tại địa
phương hay không.
Dưới môi trường ăn mịn phù hợp, chống ăn mịn khí quyển được chứng minh
bởi lớp gỉ của thép chịu thời tiết là rất nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy
nhiên, tại các khu vực ven biển, khu vực có độ ẩm cao hay sương mù kéo dài thép
chịu thời tiết không có khả năng chống ăn mịn.
Luận văn này sẽ trình bày mối quan hệ giữa mất mát ăn mòn và mật độ muối
trong khơng khí , độ ẩm mơi trường trong khu vực Thành phố Hồ Chí Minh – Phan
Thiết thơng qua các thí nghiệm phơi bày. Từ đó đưa ra dự báo về khả năng sử dụng
thép chịu thời tiết trong khu vực nghiên cứu.

- 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. .......................................................................................... 1
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. ............................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG
CHO CẦU .............................................................................................................. 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP ...................................................................... 4
1.1.1. Đặc điểm của vật liệu thép và cầu thép .......................................................... 4
1.1.2. Ưu, khuyết điểm của cầu thép ........................................................................ 5
1.1.3. Sơ lược lịch sử phát triển cầu thép ................................................................. 6
1.1.4. Tình hình sử dụng cầu thép ở nước ta .......................................................... 16
1.1.5. Phương hướng phát triển cầu thép................................................................ 20
1.2. VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU.......................................................... 20
1.3. VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ......................................................... 22
1.3.1. Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết ............................................. 22

1.3.2. Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết ...................................................... 25
1.3.3. Lợi ích của thép chịu thời tiết....................................................................... 28


-v-

1.3.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng cầu thép chịu thời tiết ở các nước trên thế
giới và Việt Nam ................................................................................................... 30
1.4. NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ................................ 37
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦUTHÉP CHỊU THỜI TIẾT .. 38
2.1. BẢN CHẤT THÉP CHỊU THỜI TIẾT ....................................................... 38
2.1.1. Vật liệu thép chịu thời tiết............................................................................ 38
2.1.2. Q trình phong hóa .................................................................................... 40
2.1.3. Thời gian ổn định lớp gỉ............................................................................... 42
2.1.4. Hình thái của lớp gỉ bảo vệ .......................................................................... 46
2.2. CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ............................ 48
2.2.1. Các chú ý về thiết kế, chi tiết ....................................................................... 48
2.2.2. Chế tạo và lắp dựng ..................................................................................... 51
2.2.3. Kiểm định, giám sát và bảo trì ..................................................................... 53
2.3. PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĂN MỊN ....................................................... 54
2.3.1. Phương trình cơ bản..................................................................................... 54
2.3.2. Hệ số A và số mũ B ..................................................................................... 55
2.4. MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ MÔI TRƯỜNG CHO VIỆC
SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG ................................ 56
2.4.1. Nồng độ muối trong khơng khí .................................................................... 56
2.4.2. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển ................... 59
2.4.3.Thời gian ngưng tụ ẩm và nhiệt độ................................................................ 60
2.4.4. Nồng độ SOx trong khơng khí ...................................................................... 62
2.5. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM............................................................. 63
2.6. NHẬN XÉT ................................................................................................... 64

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẦU THÉP CHỊU THỜI
TIẾT ..................................................................................................................... 65
3.1. NGUYÊN TẮC CHỌN CẦU ĐỂ TIẾN HÀNH KHẢO SÁT ..................... 65
3.2. PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM ............................................... 66
3.3. THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM ..................................... 72


- vi -

3.3.1. Các số liệu nhiệt độ, độ ẩm và môi trường ................................................... 72
3.3.2. Các số liệu bề dày lớp gỉ mẫu thép ............................................................... 73
3.3. NHẬN XÉT ................................................................................................... 74
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ....................................... 75
4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỀ MƠI TRƯỜNG, ĐÁNH GIÁ..................... 75
4.1.1. Nhiệt độ và độ ẩm ........................................................................................ 75
4.1.2. Kết quả phân tích mật độ muối và SOx trong khơng khí ............................... 84
4.2. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ MẤT MÁT ĂN MÒN ..................... 90
4.3 DỰ BÁO ĂN MÒN ........................................................................................ 98
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .......................................................... 116
5.1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 116
5.2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 117
5.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI ..................................................... 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 118
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 120


- vii -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thành phần hóa học

Bảng 2.2. Tính chất cơ học của cor-ten A
Bảng 2.3. Tính chất cơ học của cor-ten B
Bảng 2.4. Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết
Bảng 2.5. Thơng tin về sự phát triển ăn mịn khí quyển của thép chịu thời tiết truyền
thống theo thời gian phơi bày
Bảng 2.6. Phân loại mơi trường ăn mịn
Bảng 2.7. Ăn mịn cho phép
Bảng 2.8. Phân nhóm thời gian ngưng tụ ẩm
Bảng 3.1: Các cầu lắp đặt thí nghiệm
Bảng 4.1. Thống kê số liệu nhiệt độ và độ ẩm thu thập
Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả nhiệt độ và độ ẩm
Bảng 4.3. Kết quả phân tích mật độ muối và SOx
Bảng 4.4. Tổng hợp các kết quả phân tích muối và SOx
Bảng 4.5. So sánh lượng muối thổi đến
Bảng 4.6. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 1
Bảng 4.7. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 2
Bảng 4.8. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 3
Bảng 4.9. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 4
Bảng 4.10. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 5
Bảng 4.11. Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 6
Bảng 4.12. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 1
Bảng 4.13. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 2
Bảng 4.14. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 3
Bảng 4.15. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 4
Bảng 4.16. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 5
Bảng 4.17. Lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn đối với mẫu thép 6
Bảng 4.18. Thời gian ẩm trong năm và mất mát ăn mòn


- viii -

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1.1. Các nhóm thành phần trong thép
Biểu đồ 1.2. So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiếtvà thép carbon thông
thường
Biểu đồ 1.3. Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình
Biểu đồ 1.4. Tình hình sử dụng thép chịu thời tiết ở Nhật Bản
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 củathép chịu thời tiết kháng ăn
mòn cao thêm Niken sau 100 năm
Biểu đồ 2.6. Lượng muối biển thổi đến theo phương trình 2.7 và 2.8
Biểu đồ 2.7. 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 A
Biểu đồ 4.2. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu E (cầu thép)
Biểu đồ 4.3. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu C
Biểu đồ 4.4. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu D
Biểu đồ 4.5. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu B
Biểu đồ 4.6. Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu E (cầu bê tông)
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

- ix -

Biểu đồ 4.10. Mật độ muối tại các vị trí khác nhau đối với mặt cắt cầu có hai dầm
Biểu đồ 4.11. Mật độ muối tại các vị trí khác nhau đối với mặt cắt cầu có ba dầm
Biểu đồ 4.12. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu A
Biểu đồ 4.13. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu A
Biểu đồ 4.14. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu C
Biểu đồ 4.15. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu C
Biểu đồ 4.16. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu D
Biểu đồ 4.17. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu D
Biểu đồ 4.18. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu B (chưa điều chỉnh)
Biểu đồ 4.19. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu B (chưa điều chỉnh)
Biểu đồ 4.20. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu B (đã điều chỉnh)
Biểu đồ 4.21. Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu B (đã điều chỉnh)
Biểu đồ 4.22. Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 1 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.23. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 2 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.24. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 3 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.25. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 4 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.26. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 5 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.27. Mất mát ăn mịn dự báo tính cho mẫu thép 6 ở các vị trí cầu
Biểu đồ 4.28. Mất mát ăn mòn tại các vị trí khác nhau đối với mặt cắt cầu có hai dầm
Biểu đồ 4.29. Mất mát ăn mòn tại các vị trí khác nhau đối với mặt cắt cầu có hai dầm
Biểu đồ 4.30. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 1)
Biểu đồ 4.31. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 2)
Biểu đồ 4.32. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 3)
Biểu đồ 4.33. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 4)
Biểu đồ 4.34. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 5)
Biểu đồ 4.35. Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và mất mát ăn mòn (mẫu 6)
Biểu đồ 4.36. Mối quan hệ giữa thời gian ẩm trong năm và mất mát ăn mòn

-x-

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Gỉ ở cầu thép Nam Ơ, thành phố Đà Nẵng
Hình 1.2. Cầu Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779)
Hình 1.3. Cầu dây võng bắc qua eo biển Menai, Wales (1819-1826)
Hình 1.4. Cầu Grand Trumk, Niagara
Hình 1.5. Cầu Brooklyn, New York (1867-1883)
Hình 1.6. Cầu Forth, Scotland (1881-1890)
Hình 1.7. Cầu Howrah, Kolkata, Ấn Độ
Hình 1.8. Cầu cảng Sydney, Australia (1923-1932)
Hình 1.9. Cầu George Washington, New York (1931)
Hình 1.10. Cầu Golden Gate, San Francisco (1937)
Hình 1.11. Cầu Stromsund, Thụy Điển (1955)
Hình 1.12. Cầu Long Biên, Hà Nội (1893-1903)
Hình 1.13. Cầu Thăng Long, Hà Nội
Hình 1.14. Cầu Bính, Hải Phịng (2002-2005)
Hình 1.15. cầu Cần Thơ (2004-2010)
Hình 1.16. Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng (2003-2009)
Hình 1.17. Cầu Nhật Tân, Hà Nội (đang xây dựng)
Hình 1.18. Bề mặt lớp gỉ của thép chịu thời tiết và thép thường
Hình 1.19. Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ
Hình 1.20. Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ
Hình 1.21. Tác phẩm Angel of the North, Gateshead, Tyne and Wear, Anh
Hình 1.22. Tác phẩm Chicago Picasso, Chicago, Illinois, Mỹ
Hình 1.23. Cầu Chợ Thượng làm bằng thép chịu thời tiết trên tuyến đường sắt Bắc
– Nam
Hình 2.1. Phân vùng khí hậu Việt Nam
Hình 3.1. Vị trí các cầu lắp đặt thí nghiệm

Hình 3.2. Mẫu thép kích thước 50x50x2 mm dùng trong thí nghiệm


- xi -

Hình 3.3. Giá đỡ mẫu thép thí nghiệm và thiết bị đo đạc thơng số mơi trường
Hình 3.4. Thiết bị đo đạc nhiệt độ và độ ẩm
Hình 3.5. Cơng tác làm sạch bề mặt dầm cầu
Hình 3.6. Các mẫu thép và thiết bị thí nghiệm sau khi được lắp đặt
Hình 3.7. Lắp nhiệt kế và độ ẩm kế
Hình 3.8. Thiết bị đo mật độ muối và tạp chất trong khơng khí
Hình 3.9. Dụng cụ hình chơng dùng để ngăn chim đậu trên mẫu thép
Hình 3.10. Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 1
Hình 3.11. Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 2
Hình 3.12. Vị trí lắp đặt theo phương dọc cầu
Hình 3.13. Số liệu nhiệt độ và độ ẩm hiển thị ở chương trình đọc dữ liệu đo
Hình 3.14. 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 mòn


-1-

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

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Thép chịu thời tiết được áp dụng tương đối nhiều ở các nước có nền công

nghiệp sản xuất thép tiên tiến. Với khả năng tự bảo vệ gỉ, tính bền, màu sắc đặc
trưng thì thép chịu thời tiết là sự lựa chọn tốt đối với các kết cấu ngồi trời mang
tính chất trưng bày như các tác phẩm nghệ thuật điêu khắc, kết cấu cầu đường, dân
dụng và các kết cấu khác.
Ở nước ta, tỉ lệ sử dụng cầu thép so với cầu bê tơng vẫn cịn rất thấp do giá
thành xây dựng và chi phí bảo dưởng cầu thép cao hơn so với cầu bê tông. Tuy
nhiên việc áp dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu sẽ làm giảm đáng kể chi phí
duy tu bảo dưởng, chi phí vịng đời của cầu thép chịu thời tiết.
Trong tương lai theo xu thế chung thì tỉ lệ sử dụng cầu thép chịu thời tiết sẽ
tăng lên do đó việc hình thành một phương pháp đánh giá sự tương quan của các
yếu tố môi trường đến sự gỉ của thép chịu thời tiết trong điều kiện nước ta là một
yêu cầu cấp thiết.
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. Với tư cách
là người tham gia đề tài ngay từ ngày đầu tiên, kế thừa những kết quả bước đầu
trong 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 Thạc sĩ Hồ
Trung Thông và thông qua những kết quả thí nghiệm hiện trường thu thập được sau
một năm, đề tài sẽ trình bày mối tương quan của các yếu tố mơi trường (mật độ
muối trong khơng khí, mật độ SOx, độ ẩm mơi trường…) đến tính gỉ của thép chịu


-2-

thời tiết từ đó đưa ra khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu

ở phạm vi khu vực nghiên cứu từ Thành phố Hồ Chí Minh đến Phan Thiết.

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 của cầu bắc qua sông, suối. Các loại thép chịu thời tiết gồm thép
chịu thời tiết truyền thống và thép chịu thời tiết mới với hàm lượng Niken cao, thích
hợp cho mơi trường ven biển với hàm lượng muối trong khơng khí lớn. Các loại
thép này đã được sử dụng rất thành công ở các nước phát triển.
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 đối với thép chịu thời tiết
làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn. Khu vực giới hạn nghiên cứu của đề tài là
thành phố Hồ Chí Minh – Phan Thiết.
4.

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

pháp chính sau:
-

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 mòn, 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 vào trong xây dựng cầu ở
khu vực TP. Hồ Chí Minh – Phan Thiết.

5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Với đặc tính là dùng lớp gỉ để bảo vệ lớp gỉ thì thép chịu thời tiết được sử

dụng rất nhiều trong xây dựng cơ sở hạ tầng, đặc biệt trong xây dựng cầu, trên cơ sở
phát huy đặc tính này thì ở các nước phát triển đã thành cơng trong việc giảm chi
phí duy tu bảo dưỡng các kết cấu có thép, tuy nhiên việc áp dụng thép chịu thời tiết


-3-

ở các vùng có lượng muối nhiều hoặc những vùng có độ ẩm cao sẽ làm nảy sinh ra
vấn đề thép chịu thời tiết chưa phát huy được tác dụng. Do đó việc hiểu về đặc tính
của thép chịu thời tiết, sử dụng thép chịu thời tiết trong môi trường thích hợp và các
phương pháp duy tu bảo dưỡng thích hợp sẽ góp phần vào xây dựng các cơng trình
cầu với chi phí bảo dưỡng thấp nhất. Do đó đề tài rất có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn.

-4-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP
VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU
-----------------------1.1.

TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1.1. Đặc điểm củavật liệu thép và cầu thép
Thép là vật liệu hoàn chỉnh được dùng rộng rãi trong tất cả mọi ngành công
nghiệp cũng như đời sống hàng ngày và trong ngành xây dựng cầu nói riêng.
Thép có tính chịu lực cao với các loại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt…Có thể
dùng để chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau: dầm, dàn, vịm, treo… và các hệ liên
hợp.
Thép có trọng lượng riêng lớn, độ bền cao, trọng lượng bản thân nhẹ do đó
có thể xây dựng được những cầu nhịp rất lớn.
Thép có cường độ cao và mơ đun đàn hồi lớn – độ cứng lớn, đảm bảo ổn
định dưới tác dụng của tải trọng gió và các loại tải trọng có chu kỳ.
Về mặt lí hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ,
cường độ và mô đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện
nhiệt độ của môi trường biến đổi.
Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn đập, đúc cán, hàn nên có thể chế
tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm các loại cầu khác nhau, đồng
thời tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong cơng xưởng nhà máy.
Thêm vào đó các bộ phận của cầu thép được vận chuyển từ nơi chế tạo đến công
trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạo điều kiện đẩy nhanh thời
gian xây dựng cơng trình.
Một đặc điểm quan trọng của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy

như bu lông, chốt, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp
ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các cơng trình vĩnh
cửu, các cơng trình tạm và các cơng trình phục vụ quốc phòng.


-5-

1.1.2. Ưu, khuyết điểm của cầu thép
1.1.2.1.

Ưu điểm

Thép là loại vật liệu hồn chỉnh nhất. Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng, làm
việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và chịu
kéo cùng cao. Thép có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu khác
khơng có được do đó chịu được ổn định và tải trọng động tốt.
Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bêtông. Nó có thể được lắp dựng
dễ dàng qua sơng, suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau nên
giảm giá thành xây dựng.
Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu phần
dưới. Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu, nền đất yếu.
Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu bê tông nên
giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc…
Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bêtông.
1.1.2.2.

Khuyết điểm

Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo dưỡng cầu.
Đó là ngun nhân chính dẫn đến phá hỏng cầu thép.

Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn. Vấn đề cạo gỉ
ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Việc cạo sạch sơn cũ và thu gom
các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành này lại lớn hơn việc bỏ cầu cũ
và xây dựng cầu mới. Việc sơn cầu cũng gây nhiều vấn đề khác như làm ô nhiễm
môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người…
Với những nhược điểm nói trên đã làm giảm sự hấp dẫn phần nào của cầu
thép so với cầu bêtông ứng suất trước.


-6-

Hình 1.1.Gỉ ở cầu thép Nam Ơ, thành phố Đà Nẵng
1.1.3. Sơ lược lịch sử phát triển cầu thép
1.1.3.1.

Cầu bằng gang

Gang được sử dụng ở châu Âu để xây dựng các khẩu pháo và máy móc vào
thế kỷ XVI, nhưng mãi đến cuối thế kỷ XVIII, trong bối cảnh của cuộc cách mạng
công nghiệp đầu tiên, gang mới được sử dụng cho kết cấu [21]. Chiếc cầu vòm gang
đầu tiên trên thế giới là cầu Coalbrookdale nổi tiếng ở hạt Shropshire, Anh, với nhịp
dài 30.5m. Cầu này được thiết kế bởi Thomas Pritchard và xây dựng bởi Darby và
Wilkinson từ năm 1777 – 1779. Chất lượng của cơng trình 400 tấn gang này rất tốt,
sau hơn 200 năm, cầu này vẫn tồn tại được cho đến bây giờ.
Tuy nhiên, cầu Coalbrookdale được xây dựng với những khái niệm của cầu
truyền thống bằng đá, như hình dạng vịm bán nguyệt và cấu trúc trên vòm. Thomas
Telford đã nhận ra rằng nhờ tính chất đặc biệt của gang như trọng lượng nhẹ và
cường độ cao có thể cho phép vượt nhịp lớn hơn và phẳng hơn vịm. Năm 1796 ơng
đã xây dựng cầu Buildwas qua sơng Severn ở Shropshire với nhịp vịm 40 m.

-7-

Hình 1.2. Cầu Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779)
Trước đó, Tom Paine đã thiết kế cầu bằng gang với nhịp 122m bắc qua sông
Schuylkill ở Philadelphia, đặt hàng từ Yorkshire, Anh. Tuy nhiên, dự án bị đình trệ
và khối lượng gang đó đã được dùng để xây dựng cầu dài 72m bắc qua sông Wear ở
Sunderland cùng thời điểm với cầu Buildwas. Những cầu này đã mở đường cho rất
nhiều cầu bằng gang khác trong hai thập kỷ đầu của thế kỷ XIX ở Anh và Pháp.
Năm 1814 Thomas Telford đã đề xuất cầu treo bắc qua sông Mersey ở
Runcorn với nhịp chính 1000ft (305m) và hai nhịp biên dài 500ft. Telford hợp tác
với Samuel Brown đã tiến hành thí nghiệm với sắt rèn và quyết định rằng cáp làm
từ sắt rèn có thể sử dụng với ứng suất làm việc là 5 tấn trên một inch vuông
(77N/mm2), so với ứng suất làm việc của gang chỉ 1.25 tấn/in2. Cầu Mersey đã
không thành hiện thực. Tuy nhiên, đề xuất giúp nâng cao hợp tác giữa Anh và
Ireland. Sau đó là yêu cầu một chiếc cầu bắc qua eo biển Menai và Telford đã đề
xuất cầu treo dây võng với nhịp chính dài 177m vào năm 1817. Cơng trình bắt đầu
vào năm 1819 và đến năm 1826 chiếc cầu treo bằng gang đầu tiên trên thế giới được
hoàn thành. Đây cũng là cây cầu đầu tiên trên thế giới bắc qua biển. Telford cũng
xây dựng cầu dây võng nhịp 100m ở Conway cùng thời điểm này. Sự thành công
với hai cây cầu này mang lại một kỷ nguyên mới đối với cầu nhịp lớn.


-8-

Hình 1.3. Cầu dây võng bắc qua eo biển Menai, Wales (1819-1826)
Tại Hoa Kỳ, việc xây dựng đường sắt bắt đầu vào đầu những năm 1830.
Những cây cầu đường sắt đầu tiên được cấp bằng sáng chế chủ yếu là các loại cầu
giàn với phần tử nén bằng gỗ và phần tử chịu kéo bằng sắt rèn. Kế tiếp theo đó là hệ
thống giàn liên hợp bởi những phần tử nén bằng gang đúc và phần tử chịu kéo bằng

sắt rèn.Loại thứ hai là dạng cầu gỗ với hình dáng vòm cong thoải được tăng cường
bởi hệ giàn thanh chéo bằng sắt, đây là dạng sử dụng đầu tiên của sắt vào cầu nhịp
lớn ở Mỹ.
Trong năm 1848 John Ellet đã xây dựng cầu dây võng với nhịp chính dài
308m qua sông Ohio ở Wheeling, West Virginia. Vào tháng giêng năm 1854,cầu
này bị sụp đổ trong một trận bão do sự dao động khí động học. Roebling đã nhận ra
rằng sự phá hủy của cầu Wheeling là do sự thiếu ổn định chứ khơng phải do thiếu
cường độ. Ơng cũng nghiên cứu về sự sụp đổ của cầu dây võng vào năm 1850 ở
Angers, Pháp dưới một trung đoàn hành quân và ở Licking, Kentucky vào năm


-9-

1854 dưới một xe ngựa chở nước.Cầu Grand Trunk của ơng ở Niagara với nhịp
chính 250m và có hai tầng, tầng trên cho đường sắt và tầng dưới cho đường bộ; giàn
tăng cường cao 5.5m được làm bằng gỗ giữa hai bản mặt cầu, đây là dạng dầm tăng
cường đầu tiên sử dụng cho cầu dây võng. Hệ mặt cầu được chống đỡ bởi bốn cáp
chủ đường kính 10inch (254mm) bao gồm nhiều sợi sắt rèn song song nhau được
bện lại với nhau và cùng chịu kéo.
Đây là sự ra đời của cầu treo hiện đại, mà phải được xếp hạng là một trong
những phát minh vĩ đại của lịch sử. Bản mặt cầu được chống đỡ bởi tháp cầu thơng
qua 64 dây treo. Cầu này được hồn thành vào năm 1855. Roebling đã chứng minh
rằng cầu dây võng có thể mang đường sắt và chứng tỏ tính kinh tế hơn việc xây
dựng bằng dầm hộp được xây dựng ở Menai sau đó.

Hình 1.4. Cầu Grand Trumk, Niagara
1.1.3.2.

Cầu thép

Vào nửa sau của thế kỷ XIX thép đã được phát triển và bắt đầu thay thế gang
đúc trong kết cấu. Kỹ thuật sử dụng khí nén để hạ móng giếng chìm dưới nước cũng
đã được phát triển [21]. Vào năm 1855 – 1859 Brunel xây cầu Cheptow qua sông


- 10 -

Wye và cầu Saltash qua sông Tamar cho đường sắt. Chúng là sự kết hợp của kết cấu
dạng vịm và treo. Ngồi ra ở Đức, một số cầu đường sắt được xây dựng vào nửa
sau của thế kỷ này phải kể đến; hai cầu ở Koln vào năm 1859, với bốn nhịp dài
103m; cầu ở Mainz xây vào năm 1882 với bốn nhịp dài 105m.
Ở Mỹ, sau kết thúc cuộc nội chiến và sự phát triển xây dựng đường sắt làm
cho nhu cầu xây dựng cầu lớn lên. Trước nhu cầu kết nối đường sắt ở bang Illinois
qua sông Mississippi. Eads đã đề xuất xây dựng một cầu vòm kiểu giàn với một
nhịp 159m và hai nhịp 153m bằng thép. Cầu này mang hai làn đường sắt ở tầng 1 và
đường bộ ở phía trên và cho đến nay vẫn còn được sử dụng.
Năm 1867 John Roebling và con trai Washington bắt đầu xây dựng cầu
Brooklyn qua sông Đông kết nối Manhattan và Brooklyn, New York. Với nhịp dài
487m gần gấp đôi những cầu nhịp dài nhất trước đó và nó phải mang hai làn đường
sắt, hai làn xe điện, đường bộ và lề đường bộ hành. Kết cấu duyên dáng nhưng
mạnh mẽ của cầu Brooklyn là mốc thành tích, tầm nhìn và sự quyết tâm của con
người.

Hình 1.5. Cầu Brooklyn, New York (1867-1883)


- 11 -

Nửa sau của thế kỷ XIX chứng kiến những tiến bộ lớn trong vật liệu, máy
móc và lý thuyết xây dựng. James Clerk Maxwell, Rankine và các giáo sư xây dựng

khác đã phát triển lý thuyết phân tích cáp dây võng, dầm giàn, mômen uốn và lực
cắt trong dầm, tính tốn độ võng và sự mất ổn định thanh nén. Những phát triển này
và sự không phù hợp của cầu dây võng cho đường sắt dẫn đên sự phát triển mạnh
của cầu giàn dạng mút thừa, dẫn đầu là cầu Forth nỗi tiếng dành cho đường sắt, cầu
này được hoàn thành vào năm 1890. Đây là cầu lớn đầu tiên ở châu Âu được xây
dựng bằng thép.

Hình 1.6. Cầu Forth, Scotland (1881-1890)
Cầu giàn thép bắt đầu phát triển khắp thế giới. Nối tiếp theo cầu Forth ở
Scotland là một số cầu như Queenboro bắc qua sông Đông ở New York với nhịp
chính dài 360m; cầu Quebec bắc qua sơng St Lawrence, Canada với nhịp chính dài
549m. Một số cầu hẫng nhịp lớn cũng đã được xây dựng ở Mỹ như cầu
Commodore, Pennsylvania, nhịp chính 501m, xây dựng năm 1974; cầu Greater
New Orleans, Louisiana, nhịp chính 480m, xây dựng năm 1958 và East Bay, San
Francisco, nhịp chính 427m, xây dựng năm 1936.
Một số ví dụ đáng chú ý của loại cầu này là cầu Howrah ở Kolkata, Ấn Độ
với nhịp chính 457m và tháp chính cao 83m được làm bằng thép và hoàn thành năm
1943. Cầu Minato ở Osaka, Nhật Bản hồn thành năm 1974 với nhịp chính 510m.