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

Nội dung tài liệu: Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo

1. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống mạng lưới đường giao thông của Việt nam trong những thập kỷ qua đã được nhà nước đầu tư rất lớn. Việc đảm bảo an toàn và độ bền cho các cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải được đặt ra. Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều cầu đi ven biển. Các kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt thép nói riêng trong môi trường biển theo thời gian sẽ bị clo xâm nhập gây ra ăn mòn cốt thép làm giảm độ bền và giảm tuổi thọ sử dụng. Các kết cấu nằm trên mực nước thấp nhất của thủy triều và các kết cấu ven bờ biển sẽ bị ảnh hưởng mạnh do ăn mòn cốt thép. Dạng hư hỏng của các kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn mòn điện hóa do các ion clo trong môi trường sẽ khuếch tán vào bê tông. Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, clo sẽ phá vỡ màng thụ động trên bề mặt cốt thép, ăn mòn sẽ xảy ra. Khi ăn mòn xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước sẽ trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép làm giảm dính bám giữa bê tông và cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén và sức kháng cắt. Tuổi thọ sử dụng (service life) của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng đến khi ăn mòn (do clorua) gây ra các hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn nữa. Thời gian này gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn”. Giai đoạn lan truyền ăn mòn là thời gian từ khi khởi đầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn đến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực. Với mục đích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon đề tài: “ Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo” 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu về sự thâm nhập và ăn mòn cốt thép do clo gây ra đối với các kết cấu cầu bê tông cốt thép để: 1) Xác định các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng độ clo trên bề mặt bê tông Cs; Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép C th. 2) Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam theo sự xâm nhập clo. 3) Đề ra biện pháp tăng cường kéo dài tuổi thọ sử dụng.Áp dụng mô hình tính cho thí dụ nghiên cứu là các bộ phận kết cấu cầu T.
2. 2 3. Nội dung luận án Luận án gồm 4 chương, nội dung được toám tắt như sau: Mở đầu: giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1 “Tổng quan về các nghiên cứu tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo” Chương 2 “ Nghiên cứu xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông”. Chương này trình bày: (1) Thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1202, (2) xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông ASTM C1202,(3) áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo C1202, (3) dự báo hệ số khuếch tán clo trong bê tông. Chương 3 “ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo sự thấm clo”. Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính toán ” . Phần “ Kết luận và kiến nghị” phần này sẽ trình bày các kết luận của luận án, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Mở đầu Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập [1]. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu phải được thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và độ bền. Vấn đề độ bền của cầu bê tông cũng đã được quan tâm. Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất. Xâm nhập của clo và CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hỏng và làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng. Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO 2 vào trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông. Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông được giáo sư Mutsuyoshi, (2001) đưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản, thống kê này chỉ ra nguyên nhân chủ yếu nhất là do xâm nhập clo chiếm tới 66% các hư hỏng, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo thường được định nghĩa là thời gian từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ hoặc khi ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực.
3. 3 Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng đã và đang nhận được sự quan tâm của các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới. 1.2 Các nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết độ bền của bê tông 1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông Các thông số xâm nhập trong bê tông liên quan đến cơ chế khuếch tán, di trú, đối lưu và thấm. Chúng được đề cập như sau. 1.2.2.1 Khuếch tán Định luật Fick thứ nhất C J D 1.1 x Định luật Fick thứ hai C 2C D 1.2 t x2 1.2.2.2 Sự di trú (Migration) 1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép 1.2.3.1 Khái quát Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và chất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở anốt (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở cực âm. Theo Nielsen A. (1985) [46] Ô xít sắt không ngậm nước Fe2O3 có thể tích gấp 2 lần thép mà nó thay thế. Nhưng khi ngậm nước nó nở thể tích gấp đến 6.5 lần. Vì vậy nó gây ra nứt và vỡ bê tông bảo vệ. 1.2.4 Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông Theo thời gian thí nghiệm người ta phân thành hai phương pháp để xác định hệ số khuếch tán D. Bảng 1.2 Tổng kết các phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo Phương pháp thí nghiệm Thời gian thí nghiệm Thí Thí nghiệm salt ponding 90 ngày sau khi bảo dưỡng 28 ngày nghiệm AASHTO T259 dài hạn Khuếch tán khối 40-120 ngày sau khi bảo dưỡng (Nord test) Thí nghiệm thấm nhanh clo - 6 giờ sau khi bảo dưỡng 28 ngày Thí RCPT-AASHTO T277 (ASTM nghiệm C1202) ngắn hạn Di trú điện - Electrical Phụ thuộc vào điện áp và bê tông Migration Di trú nhanh - Rapid Migration 18 giờ sau khi bảo dưỡng 28 ngày Test (AASHTO TP64-03) Điện trở suất 30 phút
4. 4 1.2.5 Các nghiên cứu về hệ số khuếch tán Stanish, K. 2000[53] đã tiến hành các thí nghiệm để đưa ra quan hệ thực nghiệm giữa hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày và nhiệt độ 20oC với tỷ lệ nước trên xi măng. Zhang và Gjorv [67] phát triển cách tiếp cận đơn giản xác định hệ số khuếch tán của các ion clo thể hiện bởi phương trình 1.19 T LV dC D  1.19 E CoA dt Berke và các cộng sự (1992) đã phát triển một phương trình thực nghiệm 1.20 được sử dụng thể hiện mối tương quan giữa các hệ số khuếch tán có hiệu và dữ liệu điện tích chuyển qua trong thí nghiệm . 12 0,84 2 Deff 0,0103 10 (Q0) (m / s) 1.20 Omar S. Baghabra Al-Amoudi đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên tạp chí Cement & Concrete Composites số 31 năm 2009 [47]. a m2 D 10 12 1.21 b ' s fc f’c là cường độ chịu nén của bê tông MPa; a, b là các hằng số thực nghiệm như sau: 1.2.6 Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng Tuutti, K. (1980) [59]đưa ra mô hình hai giai đoạn của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép. Trong mô hình đã xem như D là không thay đổi theo thời gian. Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai đoạn của Tuuti 198059 Tại châu Âu có đề tài nghiên cứu (2000)– DuraCrete [32] Thiết kế độ bền dựa trên tính năng xác suất của các kết cấu bê tông. Ở Phần Lan có đề tài (năm 2003) viết tắt là LIFECON [57]- Quản lý chu kỳ tuổi thọ của kết cấu hạ tầng bê tông để nâng cao tính bền vững. Cách
5. 5 tiếp cận dựa trên mô hình bán xác xuất và xác xuất đầy đủ của xâm nhập clo và CO2, xác định tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông hiện có dựa trên điều tra khảo sát kết cấu này. Tại Mỹ hiện có nghiên cứu của Ủy ban ACI có tên “Life 365” (2012)[22] Mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép tiếp xúc với clo. Trong nghiên cứu này tuổi thọ sử dụng được tính theo hai giai đoạn: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Nghiên cứu này xem như bê tông là bão hòa ẩm và trong giai đoạn lan truyền ăn mòn lấy cố định là 6 năm cho mọi loại kết cấu. 1.3 Các nghiên cứu trong nước GS.TS Phạm Duy Hữu và các công sự, năm 2008[7], “ Bê tông cường độ cao và chất lượng cao”. Tác giả đã đề cập đến độ bền của bê tông và các nhân tố ảnh hưởng tới độ bền. Trong tài liệu này tác giả đưa ra biện pháp nâng cao độ bền là sử dụng bê tông chất lượng cao với hệ số khuếch tán clo thấp. “Nghiên cứu công nghệ điện hóa khử ion clo và phục hồi độ kiềm vùng xung quanh bê tông” của viện khoa học công nghệ giao thông năm 2007 [20]. Mục tiêu của họ là giảm hàm lượng ion clo trong bê tông và phục hồi độ kiềm xung quanh cốt thép xuống dưới ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn. Công việc này là rất khó khăn và tốn kém chưa cơ bản, hơn nữa đây là các nghiên cứu trên kết cấu hiện có. Các nghiên cứu của viện khoa học công nghệ xây dựng “ Tình trạng ăn mòn Bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam và một số kinh nghiệm sử dụng chất ức chế ăn mòn Canxi nitrit” năm 2010 của các tác giả tiến sỹ Phạm Văn Khoan, tiến sỹ Nguyễn Nam Thắng [9]. 1.4 Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận án Các nghiên cứu trên còn các vấn đề cần phải giải quyết: - Tính toán hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202. - Tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo của cầu bê tông cốt thép cần xét tới ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm trên cả hai giai đoạn khởi đầu ăn mòn và lan truyền ăn mòn. - Thời gian lan truyền ăn mòn cần được dự báo định lượng. Luận án này sẽ giải quyết các vấn đề trên theo phương pháp mô hình toán. Phương pháp nghiên cứu là dựa trên mô hình toán của quá trình khuếch tán để xác định thời gian khởi đầu ăn mòn, cũng như mô hình toán của hoạt động ăn mòn gây nứt bê tông để xác định thời gian lan truyền ăn mòn.
6. 6 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG 2.1 Giới thiệu chung Hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông là thông số quan trọng để dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. Hệ số khuếch tán clo trong bê tông được xác định từ các thí nghiệm hoặc có thể dự báo theo thông số phép trộn bê tông. Chương này mô tả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 với 16 mẫu bê tông để tính hệ số khuếch tán D, so sánh kết quả tính với dự báo. Hệ số khuếch tán clo trong bê tông Hệ số khuếch tán là hệ số D tương ứng trong định luật Fick. Đơn vị của D trong hệ SI là m2/s. C J D x RILEM-TC-178 đã đưa ra hai loại hệ số khuếch tán như sau: a) Hệ số khuếch tán có hiệu Deff Là một hệ số khuếch tán ở trạng thái ổn định b) Hệ số khuếch tán biểu kiến (Dapp)(Apparent) Là một hệ số khuếch tán không ổn định. Hệ số khuếch tán biểu kiên nhận được từ thí nghiệm ngâm hoặc khảo sát kết cấu áp dụng định luật Fick 2 về khuếch tán. Hệ số khuếch tán clo D là một hàm của vật liệu, môi trường và thời gian và độ ẩm môi trường. 2.2 Thí nghiệm và xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông 2.2.1 Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 Bảng 2.2. Mức độ thấm ion clo[22] Điện lượng truyền qua mẫu (culông) Mức độ thấm ion clo > 4000 Cao > 2000  4000 Trung bình > 1000  2000 Thấp 100  1000 Rất thấp <100 Không thấm
7. 7 2.2.2 Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm C1202 Ngày Nhiệt Qc6hr -6 Q - 6 Số Ngày đúc T 0 I=Q /t Mẫu thử W/C thí độ giờ giờ 0 TT mẫu oC (mA) nghiệm oC (C) (C) 1 C30-1 0.4 22/3/12 20/4/12 30 16 3264 2536 117.4 2 C30-2 0.4 22/3/12 20/4/12 30 16 3317 2577 119.3 3 C30-3 0.4 22/3/12 20/4/12 30 16 3298 2562 118.6 4 C35-1 0.375 22/3/12 21/4/12 33 16 3012 2340 108.3 5 C35-2 0.375 22/3/12 21/4/12 33 16 2892 2247 104.0 6 C35-3 0.375 22/3/12 21/4/12 33 16 2945 2288 105.9 7 C40-1 0.35 22/3/12 20/4/12 35 14 2477 1983 91.8 8 C40-2 0.35 22/3/12 20/4/12 35 14 2523 2020 93.5 9 C40-3 0.35 22/3/12 20/4/12 35 14 2464 1973 91.3 10 C50-1 0.33 29/3/12 27/4/12 39 12 2117 1747 80.9 11 C50-2 0.33 29/3/12 27/4/12 39 12 2195 1812 83.9 12 C50-3 0.33 29/3/12 27/4/12 39 12 2180 1799 83.3 13 C50-8%SF-1 0.3 29/3/12 27/4/12 45 4 337 316 14.6 14 C50+8%SF-2 0.3 29/3/12 27/4/12 45 4 322 301 14.0 15 C50+8%SF-3 0.3 29/3/12 27/4/12 45 4 365 342 15.8 16 C50+15%FA-1 0.35 22/3/12 19/4/12 40 14 2475 1981 91.7 17 C50+15%FA-2 0.35 22/3/12 19/4/12 40 14 2500 2001 92.7 18 C50+15%FA-3 0.35 22/3/12 19/4/12 40 14 2357 1887 87.4 2.2.3 Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm C1202 Trong điều kiện trạng thái ổn định, thông lượng ion clo tổng cộng bao gồm ba thành phần, đó là khuếch tán, di trú và đối lưu như thể hiện trong phương trình 2.4 [23], C zF E J D i D C C u (2.4) i x RT i i x i Khi trường điện được áp dụng trên mẫu vật bê tông, hiệu ứng khuếch tán thuần túy trong bê tông nhỏ, khuếch tán có thể được bỏ qua. Kết quả là phương trình 2.4 có thể được rút thành phương trình 2.5. zF E J D C (2.5) RT i i x Dựa vào quan hệ do C.Andrade đưa ra 1993 thì thông lượng của một loài di trú cũng là tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện: I J i (2.6) zF Thay phương trình 2.6 vào 2.5 và lấy x=L; E=E, C i=Co ta được hệ số khuếch tán trong trạng thái ổn định như sau: I RTL D i 2.7 2 2 z F ECoA
8. 8 Từ thí nghiệm ASTM C1202 : Co=0,52mol/l; E=60V; A=7854mm2; -1 -1 4 -1 L=50mm; z=1;i=1; R=8,314Jmol K ; F=9,6485x10 Cmol thay vào phương trình 2.7 ta có: m2 D 1,822 IT 10 16 ( ) 2.9 C1202 s 2.2.4 Áp dụng phương trình D C1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm C1202 Áp dụng phương trình 2.9 tính hệ số khuếch tán của bảng tiêu chuẩn mức độ thấm ion clo ta được như bảng 2.4 dưới đây. Bảng 2.4. Kết quả tính DC1202 từ thí nghiệm Số Mẫu Q Q0 I Tốc độ di trú DC1202 TT (C) (C) mA (mol/l.s) (m2/s) 1 C30-1 3264 2536 117.4 4.87E-06 6.83E-12 2 C30-2 3317 2577 119.3 4.95E-06 6.94E-12 3 C30-3 3298 2562 118.6 4.92E-06 6.90E-12 4 C35-1 3012 2340 108.3 4.49E-06 6.36E-12 5 C35-2 2892 2247 104.0 4.31E-06 6.11E-12 6 C35-3 2945 2288 105.9 4.39E-06 6.22E-12 7 C40-1 2477 1983 91.8 3.81E-06 5.39E-12 8 C40-2 2523 2020 93.5 3.88E-06 5.49E-12 9 C40-3 2464 1973 91.3 3.79E-06 5.36E-12 10 C50-1 2117 1747 80.9 3.35E-06 4.78E-12 11 C50-2 2195 1812 83.9 3.48E-06 4.95E-12 12 C50-3 2180 1799 83.3 3.45E-06 4.92E-12 13 C50+8%SF-1 337 316 14.6 6.06E-07 8.57E-13 14 C50+8%SF-2 322 301 14.0 5.79E-07 8.19E-13 15 C50+8%SF-3 365 342 15.8 6.56E-07 9.29E-13 16 C50+15%FA-1 2475 1981 91.7 3.8E-06 5.47E-12 17 C50+15%FA-2 2500 2001 92.7 3.84E-06 5.52E-12 18 C50+15%FA-3 2357 1887 87.4 3.62E-06 5.21E-12 2.2.5 Tổng kết các kết quả dự báo hệ số khuếch tán trên thế giới Luận án tổng kết kết quả nghiên cứu trên thế giới về hệ số khuếch tán biểu kiến được dự báo xác định như sau: wcr Dapp D28.exp( 0,165SF). f (t). f (T ). f (H ) Dcr 2.18 scr SF là phần trăm muội silic thay thế xi măng trong bê tông; f(t),f(T),f(H) là hệ số ảnh hưởng của tuổi bê tông, nhiệt độ, độ ẩm tương đối tới hệ số khuếch tán clo trong bê tông. ( 12,06 2,4w/c) 2 D28 10 (m / s ) [22] m t28 f (t) f (t 25year) ; m 0,2 0,4(FA / 50 SG / 70) 22 t U 1 1 1 f (T ) exp 22; f (H ) 24 R T T 4 ref 1 H 1 1 H c
9. 9 2.2.6 Tính hệ số khuếch tán theo dự báo và theo kinh nghiệm 2.3 So sánh các kết quả tính toán và thảo luận 2.3.1 So sánh kết quả tính hệ số khuếch tán D Bảng 2.7 DC1202, D dự báo và các công thức kinh nghiệm D theo dự D theo D theo D theo Omar Số D báo Mẫu W/C C1202 Zhang – Berke S. Baghabra TT (m2/s) Stanish Gjor(m2/s) (m2/s) (m2/s) (m2/s) 1 C30-1 0.4 6.83E-12 7.94E-12 1.15E-11 7.45E-12 2.36E-11 2 C30-2 0.4 6.94E-12 7.94E-12 1.17E-11 7.55E-12 2.36E-11 3 C30-3 0.4 6.90E-12 7.94E-12 1.16E-11 7.52E-12 2.36E-11 4 C35-1 0.375 6.36E-12 6.92E-12 1.06E-11 6.97E-12 1.37E-11 5 C35-2 0.375 6.11E-12 6.92E-12 1.02E-11 6.73E-12 1.37E-11 6 C35-3 0.375 6.22E-12 6.92E-12 1.03E-11 6.84E-12 1.37E-11 7 C40-1 0.35 5.39E-12 6.03E-12 8.91E-12 6.06E-12 8.53E-12 8 C40-2 0.35 5.49E-12 6.03E-12 9.08E-12 6.16E-12 8.53E-12 9 C40-3 0.35 5.36E-12 6.03E-12 8.86E-12 6.03E-12 8.53E-12 10 C50-1 0.33 4.78E-12 5.40E-12 7.80E-12 5.45E-12 3.87E-12 11 C50-2 0.33 4.95E-12 5.40E-12 8.09E-12 5.62E-12 3.87E-12 12 C50-3 0.33 4.92E-12 5.40E-12 8.03E-12 5.59E-12 3.87E-12 13 C50+8%SF-1 0.3 8.57E-13 1.22E-12 1.37E-12 1.29E-12 1.06E-12 14 C50+8%SF-2 0.3 8.19E-13 1.22E-12 1.31E-12 1.25E-12 1.06E-12 15 C50+8%SF-3 0.3 9.29E-13 1.22E-12 1.49E-12 1.38E-12 1.06E-12 16 C50+15%FA-1 0.35 5.47E-12 6.03E-12 8.90E-12 6.06E-12 1.06E-12 17 C50+15%FA-2 0.35 5.52E-12 6.03E-12 8.99E-12 6.11E-12 1.06E-12 18 C50+15%FA-3 0.35 5.21E-12 6.03E-12 8.48E-12 5.81E-12 1.06E-12 2.3.2 Thảo luận kết quả tính hệ số khuếch tán D Qua kết quả tính toán D, có các nhận xét sau: công thức 2.9 cho kết quả tính D cơ bản phù hợp với kết quả tính theo Stanish và Berke. 2.4 Kết luận chương 2 1. Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu chuẩn ASTM C1202 cho các mẫu bê tông phổ biến trong xây dựng cầu tại Việt Nam. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cấp C30-C40- C50 có điện lượng truyền qua từ 2577 cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình và thấp. 2. Luận án đã xây dựng công thức để tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả điện tích chuyển qua trong thí nghiệm ASTM C1202 như sau: m2 D 1,822 IT 10 16 ( ) (2.9) C1202 s 3. Xác định hệ số khuếch tán clo của các mẫu thí nghiệm ASTM C1202 từ công thức 2.9 sau đó so sánh kết quả tính với dự báo của Stanish đi đến kết luận hệ số khuếch tán clo tính từ kết quả thí nghiệm C1202 như công thức 2.9 cơ bản phù hợp với kết quả của Stanish (được dùng trong Life 365) cũng như của Berke.
10. 10 4. Luận án đã tổng kết các nghiên cứu của các tác giả và đề nghị công thức dự báo hệ số khuếch tán clo biểu kiến như trong phương trình 2.18. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU BTCT VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO 3.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Khái niệm tuổi thọ sử dụng Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo đến khi clo gây ra ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt bê tông bảo vệ hoặc tới khi ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. 3.1.2 Tuổi thọ sử dụng dựa trên sự thâm nhập của clo trong môi trường biển Để dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông, điểm kết thúc của tuổi thọ cần được xác định. Trong luận án này sẽ tính cho cả hai trường hợp: 1. Điểm cuối của tuổi thọ sử dụng xem là khi ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ. 2. Điểm cuối của tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn cốt thép gây nguy hiểm ở trạng thái giới hạn chịu lực. Quá trình hư hỏng của các kết cấu bê tông cốt thép có nhiều quan điểm. Theo Tuuti (1980) 58, quá trình gồm hai giai đoạn: Giai đoạn khởi đầu và giai đoạn lan truyền phương trình 3.1. t t1 t2 3.1 Trong đó: t1 là giai đoạn khởi đầu ăn mòn; t2 là giai đoạn lan truyền ăn mòn. 3.2 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn 3.2.1 Tổng quát Từ định luật thứ hai của Fick về khuếch tán: C(x,t) 2C(x,t) D 3.2 t x2 Trong đó: C(x,t) là nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t ;D là hệ số khuyếch tán clo trong bê tông; x là chiều dày tính từ bề mặt của bê tông ; t là thời gian. 3.2.2 Các tham số của mô hình 3.2.2.1 Hệ số khuếch tán clo (D) 3.2.2.2 Sự tích tụ nồng độ clo trên bề mặt bê tông Cs,max kt khit k Cs t 3.3 C C khi t s,max s,max k
11. 11 Bảng 3.1 Tốc độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt Vùng Tốc độ tích lũy k Cs,max (%/ năm) (%/) Vùng thủy triều Xảy ra ngay 0.8 Vùng sóng đánh 0.10 1.0 Cách biển 800m 0.04 0.6 Cách biển từ 800m-1500m 0.02 0.6 Trong luận án này sẽ chọn quy luật tích tụ nồng độ clo bề mặt theo Michael Thomas phương trình 3.3 nhưng nồng độ clo bề mặt lớn nhất (C s,max) sẽ lấy theo các vùng biển của Việt Nam. 3.2.2.3 Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép trong bê tông - Với bê tông cốt thép thường Cth=0.05% - Với bê tông dự ứng lực Cth=0.012% 3.2.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn 3.2.3.1 Bài toán một chiều: (Khuếch tán 1 chiều) Khi nồng độ clo C(x,t) tại chiều sâu lớp bê tông bảo vệ bằng ngưỡng nồng độ gây ăn mòn Cth lúc đó cốt thép bắt đầu bị ăn mòn (gỉ). x dc C(x, t) Cth t1 là thời gian khởi đầu ăn mòn t t1 3.2.3.2 Bài toán hai chiều: (Khuếch tán 2 chiều) C(x, y,t) 2C(x, y,t) 2C(x, y,t)  D  3.7 t x2 y2  3.2.3.3 Giải bài toán khi D và Cs thay đổi bằng phương pháp sai phân hữu hạn Crank-Nicolson. 3.2.4 Xây dựng thuật toán tính thời gian khởi đầu ăn mòn bằng mathlab Hai bài toán tính thời gian khởi đầu ăn mòn được lập trình trên phần mềm Mathlab: Bài toán khuếch tán một chiều để tính bản tường và các cốt thép phía trong của các trụ cầu. Bài toán khuếch tán hai chiều tính cho các cốt thép ở góc của dầm, trụ cầu. Thuật toán của hai bài toán này xem phụ lục 1 3.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn 3.3.1 Các vấn đề chung 3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có 3.3.3 Mô hình đề xuất 3.3.3.1 Các giả định. Để phát triển các mô hình ăn mòn,các giả định cơ bản sau đây được đưa ra: 1) Quá trình ăn mòn là đều xung quanh cốt thép điều này dẫn đến một áp suất phân bố đều hướng tâm tại giao diện thép bê tông. Bê tông xung quanh các thanh cốt thép được coi là một hình trụ thành dày và độ dày thành được giả định bằng các lớp bê tông bảo vệ mỏng nhất.
12. 12 2) Các ứng suất và biến dạng trong bê tông được gây ra chỉ bởi sự nở thể tích của các sản phẩm ăn mòn.Bê tông bảo vệ là vật liệu đàn hồi tuyến tính. 3) Có một vùng xốp xung quanh giao diện thép-bê tông, các sản phẩm ăn mòn sẽ khuếch tán vào các khoảng trống này. 4) Trong sự phát triển của vết nứt, một phần của các sản phẩm ăn mòn sẽ chèn vào bên trong các vết nứt. Hình 3.6: Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: (a) mẫu bê tông ban đầu; (b) sự biến dạng của bê tông, (c) sự biến dạng của các sản phẩm ăn mòn (d) gỉ chèn vào trong các vết nứt mở. Hình 3.7 : Khoảng thời gian từ khởi đầu ăn mòn thép đến nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực Trong giai đoạn lan truyền nứt, một phần nhỏ của các sản phẩm ăn mòn sẽ thâm nhập vào các vết nứt xuyên tâm. Sau đó, số lượng yêu cầu của cốt thép ăn mòn để gây ra nứt hoàn toàn của bê tông bảo vệ có thể được tính toán với hai thành phần (Hình 3.7):
13. 13 3.3.3.2 Mối quan hệ giữa mất mát trọng lượng của thép và áp lực hướng tâm. Đặt ρ là ký hiệu của tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát M loss với khối lượng thép ban đầu Ms trên một đơn vị chiều dài: M loss 100% 3.33 M s 2 2L f ' (r L)2 r 2 2  sp 0 0 v 1  1 0 1 2 2 c  d Ecef (r0 L) r0 d  3.40 c n 1 Mất mát bán kính tương ứng sẽ là: d d d r r 1 s1 2 n 2 2 c d r 1 1 3.41 s1 2 c 3.3.3.3 Số lượng các sản phẩm ăn mòn xâm nhập vào các vết nứt L r r 3.44 s2 d s1 L r k r 3.45 s2 d s1 Mất mát bán kính thép rs2 sẽ tương ứng có tỷ lệ phần trăm mất mát khối lượng ρ2 là: L k 3.46 2 d c Từ (3.40) và (3.46) ta có tổng tỷ lệ phần trăm mất mát khối lượng tương ứng là: 2 2L f ' (r L)2 r 2 2  sp 0 0 v 1  1 0 1 2 2 c  L d Ecef (r0 L) r0 d (1 k )  3.47 c d n 1 3.3.3.4 Xây dựng mô hình dự báo theo nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ Sử dụng định luật Faraday mô tả mất mát khối lượng thép do ăn mòn: MI M corr t 3.48 loss zF Trong đó M loss là sự mất trọng lượng thép tiêu thụ (g); M là khối lượng nguyên tử của ion Fe, M = 56 g/mol; z là hóa trị của sắt, F là hằng số Faraday, F = 96.500 C/mol và t là thời gian ăn mòn tính bằng giây (s). Mật độ dòng ăn mòn i corr được định nghĩa là dòng điện ăn mòn trên mỗi đơn vị bề mặt thép. Nếu chiều dài đơn vị L 0= 1 cm và đường kính có
14. 14 đơn vị d là mm, một mối quan hệ giữa I corr (A) và icorr (A/cm2) có thể thu được như sau: d I 1 i 10 6 10 7 di 3.49 corr 10 corr corr Với ρs=7.85g/cm3 và L0=1cm phương trình (3.33) có thể viết thành 2 d 2 M loss M s s 0.0616 d 3.50 4 10 zFM 2.5 96500 0.0616 d 2 d t loss 234762 3.51 7 MIcorr 56 dicorr 10 3600 icorr 2 2 ' 2  2L fsp r0 L r0 20 . 2  c 1  1 d E 2 d cef r0 L r0  t2 26,799(d kL) 3.53 n 1 .icorr Dự báo mật độ dòng điện i 3034 4 0.215  icorr 0.9259exp 7.98 0.771ln(1.69Ccl ) 1.16 10 Rc 2.24t  3.54 T  7.2548 Rc 90.537H 1 exp5 50(1 H  () (3.55) 3.3.3.5 Xây dựng mô hình dự báo theo ăn mòn gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực Phương trình tổng quát của trạng thái giới hạn chịu lực theo 22TCN 272- 051 như sau:  iQi Rn Rr (3.58) Trong cấu kiện chỉ chịu uốn phần trăm mất mát diện tích tiết diện cốt thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu mô men uốn có thể tính từ phương trình sau: M u th 1 (3.59) M r Trong đó: Mr là sức kháng uốn tính toán (hay sức kháng uốn có hệ số); Mu là mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế có hệ số gây ra. Trong cấu kiện chịu nén, gọi sức kháng nén tính toán là P r, lực nén dọc ở trạng thái giới hạn cường độ là Pu. Pr Prc Prs (3.60) Prc phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông;Prs phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép Pr Prc Prs Prs (3.61) Tiết diện đặt tới trạng thái cân bằng giới hạn chịu lực khi:
15. 15 Pr Prc Prs Prs Pu (3.62) P P P rs 1 u rc (3.63) Prs Prs Pu Prc th 1 (3.64) Prs Tương tự ta có phần trăm mất mát diện tích tiết diện cốt thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu mô men uốn của cấu kiện chịu nén và uốn đồng thời: M u M rc th 1 (3.65) M rs Mrc phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông;Mrs phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép; Mu là mô men uốn tính toán. Với cốt thép đai chịu cắt: Vu Vrc th 1 (3.66) Vrs Từ phương trình 3.51 ta có thời gian lan truyền ăn mòn (tính bằng năm) gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực như sau: thd t2 26.8 3.67 icorr 3.4 Sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông “LifeConBridge” Hình 3.11 trình bày sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Luận án đặt tên cho thuật toán này là “Life Concrete Bridge” viết tắt là “ LifeConBridge”. Thuật toán này được lập trình bằng Mathlab. Từ sơ đồ thuật toán một phần mềm “LifeConBridge” –(Service life of Concrete Bridge) được viết bằng Mathlab cho cả hai thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn. Chi tiêt Phần mềm xem phụ lục 1.
16. 16 Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập Clo 3.5 Kết quả tính và nhận xét 3.5.1 Kiểm chứng kết quả tính của mô hình đề xuất Bảng 3.4 Kết quả tinh thời gian khởi đầu ăn mòn H=100% Chiều dày D28 t1 (năm) t1 (năm) -12 o lớp bê tông w/c 10 T( C) H(%) Cs (%) Cth (%) theo mô hình theo Life bảo vệ (mm) (m2/s) xây dựng 365 20 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 4.40 4.60 30 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 6.60 6.80 40 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 9.10 9.30 50 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 12.0 10.80 60 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 15.3 15.10 70 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 18.9 17.50 80 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 23.1 22.8 90 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 27.8 26.00 100 0.35 6.026 20 100 0.6 0.05 33.20 32.90 (Kết quả tính với SF=0; FA=0; SG=0)
17. 17 Bảng 3.5 Kết quả tính thời gian khởi đầu ăn mòn H=75% Chiều dày lớp D28 t1 (năm) t1 (năm) -12 o bê tông bảo vệ w/c 10 T( C) H(%) Cs (%) Cth (%) theo mô hình theo Life (mm) (m2/s) xây dựng 365 20 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 6.20 4.60 30 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 9.70 6.80 40 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 14.1 9.30 50 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 19.20 10.80 60 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 25.30 15.10 70 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 32.60 17.50 80 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 40.90 22.8 90 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 50.40 26.00 100 0.35 6.026 20 75 0.6 0.05 61.00 32.90 (Kết quả tính với SF=0; FA=0; SG=0) Khi độ ẩm bão hòa kết quả của mô hình “LifeConBridge” sai khác ít so với Life 365. Bảng 3.6 Kết quả tinh thời gian lan truyền ăn mòn t (năm) thí d (mm) C (mm) i (A/cm2) t (năm) 2 corr 2 nghiệm của Liu 16 47.50 2.35 1.45-1.93 1.84 16 69.60 1.80 2.85-3.80 3.54 16 27.18 3.77 0.57-0.74 0.72 12.7 52.07 1.81 2.29-3.04 2.38 (Kết quả tính với k=0.25, n=2.5-3.0) Thời gian lan truyền ăn mòn là phù hợp với thí nghiệm của Liu 3.5.2 Kết quả tính toán thí dụ Bảng 3.7 Kết quả tính thời gian khởi đầu ăn mòn theo các tham số Chiều dày lớp D28 -12 o bê tông bảo w/c SF(%) FA(%) 10 T( C) H(%) Cs (%) Cth (%) t1 (năm) vệ (mm) (m2/s) 70 0.35 0 6.26 20 75 0.6 0.05 32.1 60 0.35 0 6.26 20 75 0.6 0.05 24.88 70 0.4 0 7.94 20 75 0.6 0.05 25.62 70 0.35 0 6.26 22 75 0.6 0.05 29.63 70 0.35 0 6.26 20 85 0.6 0.05 20.42 70 0.35 0 6.26 20 75 0.6 0.045 30.58 70 0.35 5 3.48 20 75 0.6 0.05 66.66 70 0.35 8 2.12 20 75 0.6 0.05 105.88 70 0.35 0 5 6.26 20 75 0.6 0.05 38.64 70 0.35 0 8 6.26 20 75 0.6 0.05 43.47
18. 18 Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan điểm 1: nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ) Chiều dày lớp bê i tông bảo vệ d (mm) f' (MPa) T(oC) H(%) corr t (năm) sp (A/cm2) 2 (mm) 70 16 3.3 20 75 1.47 5.81 60 16 3.3 20 75 1.47 4.77 70 18 3.3 20 75 1.47 5.38 70 16 3.0 20 75 1.47 5.46 70 16 3.3 22 75 1.58 5.42 70 16 3.3 20 85 1.54 5.54 Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan điểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm) Chiều dày lớp t2 o icorr bê tông bảo vệ d (mm) f'sp (MPa) T( C) H(%) (năm) khi (A/cm2) (mm) ρth=2.5% 70 16 3.3 20 75 1.47 9.94 60 16 3.3 20 75 1.47 9.94 70 18 3.3 20 75 1.47 11.19 70 16 3.0 20 75 1.47 9.94 70 16 3.3 22 75 1.58 9.28 70 16 3.3 20 85 1.54 9.48 3.6 Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 3.6.1 Đặc điểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến đổi khí hậu 3.6.1.1 Đặc điểm khí hậu Việt Nam 3.6.1.2 Biến đổi khí hậu Việt Nam trong tương lai Theo Bộ Tài nguyên Môi trường có ba kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng tại Việt Nam. Kịch bản phát thải trung bình được khuyến nghị các Bộ, ngành và địa phương làm định hướng ban đầu để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và xây dựng kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu. 3.6.1.3 Đánh giá chung ảnh hưởng của khí hậu tới tuổi thọ sử dụng Khí hậu nóng ẩm của Việt Nam là điều kiện thúc đẩy nhanh quá trình khuếch tán ion clo vào bê tông, và đồng thời cũng đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông gây nguy hại cho các công trình nói chung, cũng như các công trình cầu bê tông nói riêng. Theo kịch bản biến đổi khí hậu nước biển sẽ dâng khá cao (570-730mm), mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông ngòi Việt Nam làm ảnh hưởng tới các công trình bê tông cốt thép nói chung và các cầu bê tông ở trong khu vục này.
19. 19 3.6.2 Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Tuổi thọ sử dụng của các loại cầu có kết cấu nhịp không thể thay thế sẽ được lấy bằng giá trị tuổi thọ sử dụng nhỏ nhất của các kết cấu thành phần (móng, mố trụ, kết cấu nhịp). T min Ti 3.68 Mố trụ cầu trong vùng nước biển Các mố trụ cầu trong vùng nước mặn sẽ gồm 4 vùng: vùng thường xuyên ngập nước, vùng thủy triều, vùng sóng đánh và vùng không khí biển (hình 3.15). Hình 3.15: Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông Kết cấu nhịp trong vùng nước biển Kết cấu nhịp thuộc vùng không khí biển. Hình 3.16: Định tính về phân bố nồng độ clo bề mặt 3.7 Kết luận chương 3 1. Nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo “LifeConBridge”. Mô hình lấy điểm kết thúc của tuổi thọ sử dụng là khi bê tông bảo vệ cốt thép bị nứt hoàn toàn hoặc khi ăn mòn làm giảm diện tích tiết diện cốt thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. 2. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo mô hình “LifeConBridge” gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Mô hình dự báo giai đoạn khởi đầu ăn mòn được xây dựng sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn dựa trên định luật thứ 2 của Fick về khuếch
20. 20 tán. Độ dài của giai đoạn này đã xét đến 3 tham số: Tham số vật liệu gồm hệ số khuếch tán clo trong bê tông, ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép; Tham số môi trường có nồng độ clo bề mặt, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường; Tham số kết cấu là chiều dày lớp bê tông bảo vệ; Xây dựng mô hình dự báo giai đoạn lan truyền được tiến hành với hai trường hợp: trường hợp 1: xem điểm kết thúc tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ; trường hợp 2: xem điểm kết thúc tuổi thọ sử dụng là khi ăn mòn gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. 3. Kết quả tính toán của mô hình “LifeConBridge” khá phù hợp với kết quả của các mô hình khác và thí nghiệm nên do vậy mô hình có độ tin cậy cao. CHƯƠNG 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ DỤ TÍNH TOÁN 4.1 Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng 4.1.1 Với các kết cấu mới Đối với các kết cấu cầu bê tông cốt thép xây dựng mới, để kéo dài tuổi thọ sử dụng, hiệu quả nhất là kéo dài giai đoạn khởi đầu ăn mòn. 4.1.1.1 Các giải pháp về kết cấu Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày bê tông bảo vệ với thời gian khởi đầu ăn mòn Hình 4.2: Quan hệ giữa chiều dày bê tông bảo vệ với thời gian từ khởi đầu ăn mòn đến nứt
21. 21 4.1.1.2 Giải pháp vật liệu 1. Sử dụng tỷ lệ nước trên xi măng nhỏ Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ w/c với thời gian khởi đầu ăn mòn 2. Sử dụng phụ gia muội silic (Silica fume) Hình 4.4: Quan hệ giữa tỷ lệ muội si líc (silica fume) với thời gian khởi đầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt độ 25oC, độ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) 3. Tăng ngưỡng clo tới hạn Để kéo dài tuổi thọ sử dụng có thể dùng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit (CNI) để tăng ngưỡng clo tới hạn Cth. 4. Các biện pháp kéo dài thời gian tích lũy clo trên bề mặt bê tông Đối với vùng khí quyển biển để kéo dài thời gian tích lũy clo trên bề mặt bê tông có thể dùng biện pháp màng hoặc sơn phủ. 4.1.1.3 Các giải pháp kết hợp Bảng 4.1 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, với các giải pháp kết hợp P.Án Chiều dày bê tông SF FA SG CNI t t t t w/c 1 2 1+ 2 bảo vệ (mm) (%) (%) (%) (l/m3) (năm) (năm) (năm) 1 75 0.4 2 5 5 0 46.9 5.78 52.68 2 75 0.4 2 5 5 10 101.1 2.46 103.56 3 75 0.375 2 5 0 10 98.9 2.46 101.36
22. 22 P.Án Chiều dày bê tông SF FA SG CNI t t t t w/c 1 2 1+ 2 bảo vệ (mm) (%) (%) (%) (l/m3) (năm) (năm) (năm) 4 75 0.375 2 0 0 10 80.0 2.46 82.46 5 75 0.375 2 0 5 10 93.0 2.46 95.46 6 75 0.35 2 2 0 10 99.1 2.46 101.56 7 75 0.35 4 0 0 0 57.7 5.78 63.48 8 75 0.325 2 0 0 10 103.7 2.46 106.16 9 75 0.325 2 0 0 0 48.6 5.78 54.38 10 75 0.30 2 0 0 10 118.2 2.46 120.66 11 75 0.30 4 0 0 0 74.4 5.78 80.18 (Bảng tính cho nhiệt độ 23oC, độ ẩm 75%, thép d=16mm, f’c=40MPa) Để đạt tuổi thọ sử dụng 100 năm có thể sử dụng các phương án: 2, 3, 6, 8, 10 như trong bảng 4.1. 4.1.2 Với các kết cấu cũ Với các kết cấu cũ cần thiết phải đánh giá tình trạng của nó trước khi đưa ra biện pháp để kéo dài tuổi thọ sử dụng. Có hai phương pháp hiệu quả hơn có thể áp dụng chung cho các kết cấu đã bị ăn mòn thép đó là: Điện hóa khử ion clo. Bảo vệ cực âm 4.2 Thí dụ tính toán cho bộ phận cầu T 4.2.1 Các thông sô tính tuổi thọ sử dụng của cầu T 4.2.1.1 Thông số kết cấu, vật liệu Bảng 4.2 Thông số kết cấu và vật liệu Đường Chiều dày Bê tông Giá Bộ phận kết Loại cốt kính lớp bê tông Cấp Tỷ lệ Phụ gia SF trị ρ cấu thép th (mm) bảo vệ (mm) (MPa) w/c (%) (%) Cốt dọc 32 80 50 0,35 2,0 7,5 Trụ tháp Cốt đai 16 65 50 0,35 2,0 7,0 Cốt dọc 32 90 40 0,375 2,0 7,5 Trụ cầu dẫn Cốt đai 16 75 40 0,375 2,0 7,0 Dầm cầu Cốt dọc 22 55 50 0,35 2,0 2,5 dẫn Cốt đai 16 40 50 0,35 2,0 5,0 4.2.2 Thông số môi trường Bảng 4.3 Thông số môi trường Bộ phận kết Vùng môi Nồng độ Clo Tốc độ tích Nhiệt độ Độ ẩm trung cấu trường biển bề mặt tối đa lũy Cs trung bình bình năm(%) Cs (%) (%/năm) năm (oC) Vùng thủy Trụ tháp 0,60 Tức thời triều Vùng thủy Trụ cầu dẫn 0,60 Tức thời 25,9 80 triều Dầm cầu Không khí 0,40 0,04 dẫn biển
23. 23 4.2.3 Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng Bảng 4.4 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 1D Kết quả theo Kết quả Loại cốt Mô hình luận án theo Life 365 Bộ phận kết cấu thép t1 t2 t1+t2 t1 t1+t2 (năm) (năm) (năm) (năm) (năm) Cốt dọc 20.40 4.97 25.37 17.80 23.80 Trụ tháp Cốt đai 12.20 5.74 17.94 9.90 15.90 Cốt dọc 23.00 5.73 28.73 19.20 25.20 Trụ cầu dẫn Cốt đai 14.60 6.93 21.53 13.10 19.10 Cốt dọc 18.30 3.90 22.20 16.00 22.00 Dầm cầu dẫn Cốt đai 13.50 3.70 17.20 10.70 16.70 Bảng 4.5 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 2D Kết quả theo Kết quả Loại cốt Mô hình luận án theo Life 365 Bộ phận kết cấu thép t1 t2 t1+t2 t1 t1+t2 (năm) (năm) (năm) (năm) (năm) Trụ tháp Cốt dọc 15.20 4.97 20.17 12.0 18.0 Trụ cầu dẫn Cốt dọc 17.40 5.73 23.13 13.2 19.2 Dầm cầu dẫn Cốt dọc 14.40 3.90 18.30 12.00 18.00 4.3 Kết luận chương 4 Sau khi áp dụng mô hình “LifeConBridge” tính toán cho các trường hợp cho thấy để kéo dài thời gian khởi đầu ăn mòn cần: 1) Sử dụng bê tông có sức kháng xâm nhập clo cao, D nhỏ (bê tông tính năng cao). Bê tông này nên có thành phần như sau: tỷ lệ nước trên xi măng thấp w/c=0,25-0,35 phụ gia như: Muội silic nên từ 4-7%, tro bay, xỉ lò. 2) Thiết kế kết cấu có chiều dày lớp bê tông bảo vệ (c) như khuyến cáo của tiêu chuẩn 22TCN 272-05: bê tông vùng khí quyển biển L 75mm, bê tông vùng thủy triều L 100mm. 3) Sử dụng các biện pháp tăng ngưỡng nồng độ gây ăn mòn cốt thép như: Chất ức chế ăn mòn hóa học Ca(NO2)2 Sử dụng thép không gỉ 4) Sử dụng các biện pháp kéo dài thời gian tích lũy nồng độ clo bề mặt C s như: Dùng màng chống thấm Sử dụng sơn phủ bề mặt bê tông 5) Sử dụng các biện pháp kết hợp giữa các biện pháp trên. Các biện pháp kéo dài thời gian lan truyền ăn mòn: Sơn phủ cốt thép bằng keo epoxy, tráng hoặc mạ kẽm.
24. 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1/ Kết luận 1. Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu chuẩn ASTM C1202 cho các mẫu bê tông phổ biến trong xây dựng cầu tại Việt Nam. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông cấp C30-C40-C50 có điện lượng truyền qua từ 2577 cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình và thấp. 2. Nghiên cứu sinh đã xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm nhanh ASTM C1202 . Đã sử dụng công thức này tính hệ số khuếch tán clo cho 18 mẫu thử, sau đó so sánh với kết quả công thức dự báo của Stanish, của Berke cho kết quả tương đối phù hợp. 3. Nghiên cứu sinh đã tổng kết các nghiên cứu của các tác giả và đề nghị công thức dự báo hệ số khuếch tán clo biểu kiến từ thành phần trộn bê tông, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, tuổi của bê tông và mức độ nứt của bê tông như trong phương trình 2.18. 4. Nghiên cứu sinh đã xây dựng thành công mô hình “LifeConBridge” dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo và lập trình trên phần mềm Mathlab. Trong mô hình này, tuổi thọ sử dụng gồm hai giai đoạn thời gian kế tiếp nhau: thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn.Sử dụng mô hình “LifeConBridge” tính toán với các ví dụ cho thấy: thời gian khởi đầu ăn mòn (t1) khi độ ẩm H=100% phù hợp với “Life 365”; thời gian lan truyền ăn mòn phù hợp với kết quả thí nghiệm của Liu, từ đó cho thấy mô hình xây dựng được là đáng tin cậy. 5. Đã sử dụng mô hình tính toán tác động của các tham số (chiều dày lớp bê tông bảo vệ, tỉ lệ w/c, phụ gia muội silic, ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn) đến tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép trong điều kiện Việt Nam. 2/ Kiến nghị Trong điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 như luận án đã thành lập ở chương 2. Kết quả hế số khuếch tán này có thể được dùng như số liệu đầu vào của mô hình dự báo. Mô hình tuổi thọ sử dụng này có thể trợ giúp các kỹ sư thiết kế để có được phương án thiết kế hợp lý cho các công trình cầu bê tông ven biển. Khi thiết kế các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường clo có thể tham khảo thuật toán, chương trình và các kết luận đã đưa ra trong luận án này.