Phân tích ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép trong bê tông đến ứng xử của dầm bê tông cốt thép

PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG

Phân tích ảnh hưởng của mức độ ăn mịn
cốt thép trong bê tông đến ứng xử của
dầm bê tông cốt thép
Analysis of the effect of steel bar corrosion on behavior of RC beams
> VO VAN NAM1; TRAN THE TRUYEN2
1
Faculty of Traffic Engineering, Ho Chi Minh City University of Transport.
Email:
2
Faculty of Engineering, University of transport and communications.
Email:

62

TÓM TẮT:
Đồng bằng sơng Cửu Long với đặc trưng địa hình sơng ngịi, kênh
rạch dày đặc; được đánh giá là bị ảnh hưởng nặng nề bởi hiện
tượng nước biển dâng do biến đổi khí hậu. Nước biển dâng gây tác
động đáng kể đến sự ăn mịn các kết cấu cơng trình bằng bê tơng
cốt thép (BTCT) khi thay đổi các vùng ăn mịn và gia tăng nồng độ
các chất ăn mòn trong các bộ phận kết cấu. Khi cốt thép bị ăn
mòn, sức kháng của các kết cấu sẽ bị suy giảm, ảnh hưởng đến
khả năng khai thác của cơng trình.
Nghiên cứu này tiến hành đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn
mòn cốt thép đến sức kháng của kết cấu dầm BTCT. Các mẫu
dầm được tạo ứng suất và ngâm trong môi trường nước biển.
Kết quả nghiên cứu sẽ làm rõ ảnh hưởng của việc cốt thép bị ăn
mòn đến khả năng kháng uốn của dầm BTCT, đến ứng xử của kết
cấu dầm BTCT có xét đồng thời ảnh hưởng của tải trọng và điều

kiện mơi trường.
Từ khóa: “ăn mịn”; “ăn mịn cốt thép”; “dầm BTCT”; “sức kháng”

ABSTRACT:
The Mekong Delta is characterized by dense topography of rivers
and canals; is considered to be heavily affected by sea level rise
due to climate change. Sea level rise has a significant impact on
the corrosion of reinforced concrete structures by changing the
corrosion zones and increasing the concentration of corrosive
substances in structural parts. When the reinforcement is
corroded, the resistance of the structure will be reduced,
affecting the exploitability of the building.
This study evaluates the influence of reinforcement corrosion on
the resistance of RC beam structures. The beam samples are
stressed and immersed in seawater. The research results will
clarify the influence of the corroded reinforcement on the flexural
resistance of the RC beams, on the behavior of the RC beam
structure, taking into account the influence of loads and
environmental conditions at the same time.
Keywords: "corrosion"; “bar steel corrosion”; “RC beams”;
“resistance”

Ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm BTCT là một quá trình lâu
dài và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện môi trường, tải trọng
tác dụng, vật liệu chế tạo cấu kiện…[7, 8] Đồng bằng sơng Cửu
Long với mạng lưới sơng ngịi và kênh rạch dày đặc là một thuận
lợi cho phát triển giao thơng đường thủy; bên cạnh đó nhằm kết
nối các tuyến đường bộ được thông suốt và liên tục, đảm bảo vận
tải hàng hóa và hành khách, các cơng trình cầu BTCT đang trở phổ
biến trên các tuyến đường bộ và là đối tượng bị ăn mòn dưới tác

dụng của môi trường xâm thực. Các con sông, kênh rạch nơi đây
với chế độ thủy triều lên xuống ảnh hưởng đến độ nhiễm mặn của
môi trường nước; đặc biệt vào mùa khô, khi hạn hán kéo dài, nước
mặn xâm nhập sâu vào đất liền, độ mặn của nước tăng lên. Đây là

một trong các yếu tố gây nên hiện tượng ăn mòn trong kết cấu cầu
BTCT và là vấn đề cần được nghiêm túc nghiên cứu và phân tích
nhằm đánh giá mức độ nguy hại và tác động đến tuổi thọ của các
cơng trình cầu BTCT trong q trình khai thác.
Để có thể đánh giá một cách nghiêm túc và chính xác ảnh
hưởng của của ăn mòn cốt thép đến sức kháng của dầm BTCT cần
thực nghiệm trong môi trường diễn tiến nhanh; với các điều kiện
tự nhiên được thiết kế và giả lập trong môi trường thực nghiệm
một cách gần đúng nhất so với điều kiện làm việc thực tế của cấu
kiện dầm. Qua đó, quan trắc, thu thập, phân tích và đánh giá ứng
xử của dầm trong suốt quá trình làm việc với các kịch bản được tạo
ra trong phịng thí nghiệm.

10.2021

ISSN 2734-9888


Vấn đề trên được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong
và ngoài nước; trong nước tác giả Nguyễn Công Luyến, Trường Đại
học Đà Nẵng, đã công bố kết quả, Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện
tượng ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tông cốt thép bằng mô hình
3D-RBSM, trên Tạp chí Khoa học kỹ thuật và mơi trường, 2018 [9];
tác giả Vũ Ngọc Anh, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, công bố kết
quả nghiên cứu, Ăn mịn cốt thép và ảnh hưởng của nó tới ứng xử

của kết cấu bê tông cốt thép, 2014, [8]. Trên thế giới nhóm tác giả
thuộc Trường Đại học Cairo University, Ai Cập đã công bố kết quả
nghiên cứu về sự ăn mòn cốt thép trên dầm BTCT dự ứng lực và
BTCT truyền thống, Mohamed Moawad, Hossam El-Karmoty,
Ashraf El Zanaty, Behavior of corroded bonded fully prestressed
and conventional concrete beams, 2015 [10].
Tuy nhiên hầu hết các tác giả thời gian qua đang dừng lại ở cấu
kiện BTCT chịu nén hoặc nén uốn đồng thời (sơ đồ uốn 3 điểm) [8,
9]; trong phạm vi bài báo nhằm bổ sung thêm góc nhìn từ việc
phân tích ứng xử của cấu kiện dầm BTCT chịu uốn thuần túy (sơ đồ
uốn 4 điểm) với cốt thép bị ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng [10,
11], tác giả đề xuất thực nghiệm trên các mẫu dầm BTCT, các điều
kiện môi trường được mô phỏng và giả định. Nhóm tác giả sẽ tiến
hành thống kê, phân tích số liệu, đồng thời đưa ra một số kết luận
và kiến nghị liên quan đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt
thép đến khả năng kháng uốn của dầm BTCT.
2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU, THỰC NGHIỆM
2.1 Vật liệu chế tạo mẫu, thiết bị phục vụ chế tạo mẫu, q
trình thực nghiệm
- Bê tơng C30 có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày dự kiến là
fc’ = 30 MPa Thành phần cấp phối của bê tông được thiết kế theo
tiêu chuẩn ACI211.1-91, [4]
- Thép được sử dụng chế tạo dầm: D10, tròn trơn, fy = 240 Mpa.
Bảng 1. Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông
Xi măng XM
395 (kg)
Cát
C
848 (kg)
Đá

Đ
1060 (kg)
Nước
N
170 (lit)
Thiết bị phục vụ chế tạo mẫu:
- Máy nén San 3000 là loại máy nén điện tử, điều khiển bằng
máy tính có thể giữ được lực theo thời gian.
- Load cell loại 1000kN dùng để đo lực
- Strain gages loại KC60 hãng KYOWA dùng để đo biến dạng
- Máy SDA-830C dùng để nối các đầu đo lực và biến dạng ghi
dữ liệu cùng 1 đơn vị thời gian theo tín hiệu điện.
- Máy đầm bê tơng
- Một số thiệt bị khác…

Hình 1. Máy trộn vữa bê tơng

Hình 2. Máy nén San 3000
2.2. Kích thước, hình dạng và cấu tạo mẫu
Mẫu dầm chế tạo phục vụ thực nghiệm có kích thước
500x100x100 (mm) [1, 2, 4, 5, 6]. Số lượng 10 dầm.

Hình 3. Kích thước và cấu tạo dầm thực nghiệm
2.3. Quá trình thực hiện thực nghiệm
Với mục tiêu của nhóm nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của
ăn mòn cốt thép đến ứng xử - cụ thể là khả năng kháng uốn của
dầm BTCT dưới tác dụng của tải trọng.
Nghiên cứu được tiến hành trên 10 mẫu dầm BTCT có kích
thước 500x150x100(mm), trong đó 02 mẫu sữ dụng để uốn xác
định Pmax, 04 mẫu không gia tải và 04 mẫu dầm gông gia tải mức

0,8.Pmax.
Bảng 2. Số lượng mẫu đối sánh và xác định Pmax
Thí nghiệm
SL dầm
Lực tác dụng
Thí nghiệm uốn 4 điểm
02
Pmax
Nhóm dầm 1
04
Khơng gia tải
Bảng 3. Số lượng mẫu dầm ứng các cấp gia tải
Thí nghiệm
SL dầm
Lực tác dụng
Nhóm dầm 2
04
0,8 .Pmax
Điều kiện diễn tiến ăn mịn nhanh thực hiện trong phịng thí
nghiệm với dung dịch NaCl nồng độ (3-5%) kết hợp tạo điện cực
kích hoạt mơi trường ăn mịn điện ly.
Các mẫu dầm được gông thành từng cặp, đảm bảo dầm chịu
uốn thuần túy; 02 gối đầu dầm cách đầu dầm 25 cm, 2 gối phía
trong dầm cách gối đầu dầm và cách nhau 150 cbm, chia dầm ra
làm 3 đoạn mỗi đoạn 150 cm, lực gông 0,8.Pmax, bằng cách siết bu
lông bộ gá gia lực.
Nhóm nghiên cứu xác định lực gơng thơng qua loadcell, đồng
thời kiểm sốt thơng qua biến dạng và ứng suất, bằng cách dán
sensor, các lá điện trở trên thiết bị gông và dầm. Nghĩa là các cấp
gia tải sẽ được xác định thông qua ứng suất uốn trên cốt thép, tức

là khi ứng suất bê tông bằng mô đun nứt của bê tơng. Q trình
kiểm sốt này được triển khai trong suốt q trình các mẫu dầm
được gơng gia tải.

Hình 4. Thiết bị mơ tả gơng dầm

ISSN 2734-9888

10.2021

63


PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG

Hình 5. Hình ảnh gia tải dầm
Quá trình uốn dầm xác định Pmax, xác định thông qua load
cell, đồng thời kiểm soát qua việc xác định ứng suất của thép bằng
cách gắn các sensor trên tấm thép cấu tạo trong dầm [1, 2].
Giá trị lực uốn phá hoại xác đinh được: Pmax = 28 KN
Ứng với ứng suất thép tại vết nứt xấp xỉ : σ = 150 Mpa.

Hình 9. Hình ảnh thiết bị kích hoạt ăn mịn điện cực

Hình 10. Hình ảnh dầm sau thí nghiệm ăn mịn diễn tiến nhanh

Hình 6. Hình ảnh uốn dầm xác định Pmax
Các cặp mẫu dầm được ngâm trong môi trường dung dịch
NaCl nồng độ (3-5%) kết hợp tạo điện cực kích hoạt mơi trường ăn
mịn điện ly. Thời gian ngâm là 30 ngày liên tục.

Hình 11. Hình ảnh cốt thép bị ăn mịn

Hình 7. Hình ảnh ngâm dầm khơng gia tải

Hình 8. Hình ảnh dầm ngâm có gia tải

64

10.2021

ISSN 2734-9888

3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM
3.1. Kết quả uốn dầm sau khi thí nghiệm ăn mịn diễn tiến
nhanh.
Bảng 4. Thống kê kết quả uốn các mẫu dầm (KN)
Lực gia
Lực uốn phá
Giá trị lực
Tên
STT
tải ban
hoại sau ngâm
trung bình
mẫu
đầu (KN)
(KN)
(KN)
1

Mẫu 1

0

22.10

2

Mẫu 2

0

19.96

3

Mẫu 3

0

20.68

4

Mẫu 4

0

21.95

5

Mẫu 5

0,8 .Pmax

14.40

6

Mẫu 6

0,8 .Pmax

12.20

7

Mẫu 7

0,8 .Pmax

10.10

8

Mẫu 8

0,8 .Pmax

12.95

21.17

12.41


Dựa trên kết quả thống kê tại Bảng 3 tiến hành vẽ biểu đồ
quan hệ giữa sức kháng và tải trọng tác dụng.

30

21.17

20
10
0

8

12.41

0

tải trọng tác dụng

Nhóm dầm 2
lực uốn phá hoại

Hình 12. Quan hệ sức kháng uốn và tải tác dụng
3.2. Mức độ ăn mòn cốt thép
Các mẫu dầm sau khi uốn đến phá hoại, sẽ tiến hành đập bỏ
lớp bê tông bảo vệ, các thanh thép được lấy ra và làm sạch phần gỉ
thép bao quanh, bê tông bám vào thanh rồi tiến hành cân xác định
khối lượng.Khối lượng thép hao mịn được tính bằng chênh lệch
khối lượng giữa các thanh thép trước và sau khi ngâm.
Kiểm soát khối lượng thép bị ăn mịn trong q trình thí
nghiệm đối với các tổ hợp dầm. Khối lượng thép ban đầu: là khối
lượng 02 thanh thép D10 tròn trơn được cân sau khi cắt theo kích
thước bản vẽ và trước khi chế tạo dầm.
Bảng 5. Độ hao mòn cốt thép các nhóm mẫu dầm (%)
Lực gia tải KL thép KL thép KL thép Hao Hao mòn
STT Tên mẫu ban đầu
ban sau ngâm hao mòn mòn
TB
(KN)
đầu (g)
( g)
(g)
(%)
(%)
1 Mẫu 1
0
562.0 412.2 149.8 26.7
2 Mẫu 2
0
560.0 418.5 141.5 25.2
5 Mẫu 3
0

551.0 407.5 143.5 26.1 26.15
6
7
8
9
10

Mẫu 4
0
553.5 406.5 147.0 26,6
Mẫu 5 0,8.Pmax 556.5 390.7 165.8 29.8
Mẫu 6 0,8.Pmax 550.5 395.5 155.0 28.2
Mẫu 7 0,8.Pmax 554.5 386.5
168 30.2 29.41
Mẫu 8 0,8.Pmax 552.5 389,8 162.7 29.5
Dựa trên kết quả thống kê tại Bảng 4 tiến hành vẽ biểu đồ
quan hệ giữa tải trọng tác dụng và mức độ ăn mòn cốt thép.

% Hao mòn

Quan hệ tải tác dụng và mức độ ăn mịn cốt thép

29.41

26.15

20
0

40

30

26.15

29.41
21.17

20

12.41

10
0
Nhóm dầm 1

Nhóm dầm 1

40

% Mức độ ăn mịn

Giá trị lực (KN)

Quan hệ sức kháng và tải trọng tác dụng

Quan hệ mức độ ăn mịn và sức kháng uốn

8

0

Nhóm dầm 1
Tải tác dụng

Nhóm dầm 2
Mức độ ăn mịn

Hình 13. Quan hệ lực tác dụng và mức độ ăn mịn

mức độ ăn mịn (%)

Nhóm dầm 2
lực uốn phá hoại

Hình 14. Quan hệ mức độ ăn mịn và sức kháng uốn
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua kết quả phân tích thực nghiệm trên các mẫu dầm, nhóm
nghiên cứu đưa ra một số kết luận như sau:
- Khối lượng cốt thép hao mòn ở các mẫu dầm được gia tải lớn
hơn ở các mẫu dầm không gia tải. Như vậy có thể thấy mức độ ăn
mịn cốt thép tỉ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên dầm. Cốt thép
bị ăn mịn thường trương nở thể tích làm nứt kết cấu bê tông bảo
vệ, qua các vết nứt khả năng xâm nhập của tác nhân ăn mòn càng
diễn tiến nhanh và phức tạp.
- Giá trị lực kháng uốn tại thời điểm phá hoại của các mẫu dầm
có gia tải nhỏ hơn so với các mẫu dầm không gia tải; như vậy có
thể thấy khi cốt thép trong dầm BTCT bị ăn mòn sẽ làm giảm sức
kháng uốn của dầm BTCT; nguyên nhân có thể nêu ở đây là do tiết
diện làm việc của cốt thép bị suy giảm, khả năng dính bám giữa
cốt thép và bê tơng giảm dẫn đến khả năng làm việc chung suy
giảm.

- Kiến nghị nghiên cứu thêm ảnh hưởng của hiện tượng ăn
mòn cốt thép đến khả năng dính bám giữa bê tơng và cốt thép
trong kết cấu dầm BTCT.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Ngọc Long, Cầu bê tông cốt thép, NXB GTVT, (2012).
[2] Nguyễn Viết Trung, Trần Thế Truyền, Hồ Xuân Tú, Thấm và ăn mịn kết cấu bê tơng
cốt thép, NXB Xây dựng, (2014).
[3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, NXB GTVT, 2005.
[4] Thiết kế cấp phối bê tông - Tiêu chuẩn ACI211.1-91
[5] TCXDVN 327: 2004, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn
mịn trong mơi trường biển.
[6] TCVN 9346:2012, u cầu bảo vệ chống ăn mịn trong mơi trường biển, 2012.
[7] TCVN 3993:1985, Chống ăn mòn trong xây dựng - Kết cấu bê tông và BTCT- Nguyên
tắc cơ bản để thiết kế, 1985.
[8] Vũ Ngọc Anh, Ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó tới ứng xử của kết cấu bê tông
cốt thép, Khoa học công nghệ - Hội đập lớn và phát triển nguồn nước Việt Nam, 2014.
[9] Nguyễn Công Luyến, Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng ăn mịn cốt thép đến kết
cấu bê tơng cốt thép bằng mơ hình 3D-RBSM, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Môi trường, 62,
2018.
[10] Mohamed Moawad, Hossam El-Karmoty , Ashraf El Zanaty. Behavior of corroded
bonded fully prestressed and conventional concrete beams, HBRC Journal , 14, 2016,
pp.137-149.
[11] A.El-Hefnawy. A New Statistical Approach for Predicting the Residual Capacity of
Reinforced Concrete Beams Having Corroded Main Steel. PhD Thesis, Cairo University, 2000.

3.3. Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của
dầm BTCT
Trên cơ sở kết quả thống kê tại Bảng 3 và 4 tiến hành vẽ biểu
đồ thể hiện quan hệ giữa mức độ ăn mòn và khả năng kháng uốn
của dầm.

ISSN 2734-9888

10.2021

65