Tài liệu Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clov

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐÀO VĂN DINH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO CHUY£N NGµNH : Kü THUËT X¢Y DùNG C¤NG TR×NH §ÆC BIÖT M· Sè : 62.58.02.06 LUËN ¸N TIÕN SÜ Kü THUËT Ng­êi H­íng dÉn khoa häc: 1. GS.TS PHẠM DUY HỮU 2. PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU HÀ NỘI - 2014 i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược công bố trong các công trình khác. HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014 TÁC GIẢ ðÀO VĂN DINH ii LỜI CẢM ƠN Luận án ñược thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Bùi Trọng Cầu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn ñã chỉ dẫn tận tình và ñã ñóng góp các ý kiến quý báu ñể giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Công Trình Giao Thông Thành Phố và Công trình Thủy, ñặc biệt là GS.TS Nguyễn Viết Trung ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh ñã ñóng góp các ý kiến cho luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng ðào tạo sau ðại học trường ðại học Giao Thông Vận tải ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường ðại học Giao Thông Vận tải, lãnh ñạo khoa Công Trình ñã tạo ñiều kiện ñể tôi ñược học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các ñồng nghiệp, gia ñình người thân ñã giúp ñỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014 TÁC GIẢ ðÀO VĂN DINH iii MỤC LỤC Lời cam ñoan ................................................................................................................... i Lời cảm ơn ...................................................................................................................... ii Mục lục...........................................................................................................................iii Danh mục các bảng biểu ............................................................................................... vi Danh mục các hình vẽ ..................................................................................................vii Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ........................................................................ ix MỞ ðẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.............................................................................................................. 6 1.1 Mở ñầu .................................................................................................. 6 1.2 Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới ................ 8 1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông ........................... 8 1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông......... 10 1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép....................................... 13 1.2.4 Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông ............. 21 1.2.5 Các nghiên cứu về hệ số khuếch tán ............................................ 30 1.2.6 Các nghiên cứu về thời gian khởi ñầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng............................................................... 32 1.3 Các nghiên cứu trong nước................................................................. 35 1.4 Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận án ....................................... 37 1.5 Mục tiêu của luận án........................................................................... 38 1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................... 38 1.6.1 Nội dung nghiên cứu .................................................................... 38 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................. 38 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG ..................................................................................................... 39 2.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 39 2.2 Thí nghiệm và xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông .............. 40 2.2.1 Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 .................................. 40 2.2.2 Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 ..................... 48 iv 2.2.3 Xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm C1202 ..................................................................................... 49 2.2.4 Áp dụng phương trình DC1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm C1202 .............................................................................. 50 2.3 Tổng kết các kết quả dự báo hệ số khuếch tán trên thế giới .............. 51 2.3.1 Dự báo hệ số khuếch tán (D28) từ tỷ lệ nước trên xi măng .......... 52 2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hệ số khuếch tán ............................ 52 2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian ñến hệ số khuếch tán ........................... 53 2.3.4 Ảnh hưởng của muội silic ñến hệ số khuếch tán ......................... 55 2.3.5 Ảnh hưởng của ñộ ẩm ñến hệ số khuếch tán ............................... 57 2.3.6 Ảnh hưởng của nứt ñến hệ số khuếch tán .................................... 57 2.3.7 Hệ số khuếch tán biểu kiến .......................................................... 58 2.3.8 Tính hệ số khuếch tán theo dự báo và theo công thức kinh nghiệm ...................................................................................................... 59 2.4 So sánh các kết quả tính toán và thảo luận ......................................... 60 2.4.1 So sánh kết quả tính hệ số khuếch tán D...................................... 60 2.4.2 Phân tích, nhận xét kết quả tính hệ số khuếch tán D ................... 63 2.5 Kết luận chương 2 .............................................................................. 63 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO ............. 65 3.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 65 3.1.1 Khái niệm tuổi thọ sử dụng .......................................................... 66 3.1.2 Tuổi thọ sử dụng theo tác ñộng của sự xâm nhập clo trong môi trường biển ............................................................................................... 67 3.2 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ....................... 71 3.2.1 Tổng quát...................................................................................... 71 3.2.2 Các tham số của mô hình ............................................................. 71 3.2.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ................ 80 3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi ñầu ăn mòn bằng Mathlab ..................................................................................................... 88 3.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn ..................... 88 3.3.1 Các vấn ñề chung ......................................................................... 88 3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có ....................................................... 89 v 3.3.3 Mô hình ñề xuất............................................................................ 94 3.4 Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông “LifeConBridge”........................................................................................ 109 3.5 Kết quả tính và nhận xét ................................................................... 111 3.5.1 Kiểm chứng kết quả tính của mô hình ñề xuất .......................... 111 3.5.2 Kết quả tính toán thí dụ .............................................................. 112 3.5.3 Nhận xét kết quả:........................................................................ 114 3.6 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 115 3.6.1 ðặc ñiểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến ñổi khí hậu .. 115 3.6.2 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam ....................................................................................................... 118 3.7 Kết luận chương 3 ............................................................................ 120 CHƯƠNG 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ DỤ TÍNH TOÁN .......................................................................................................122 4.1 Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng .................................................. 122 4.1.1 Với các kết cấu mới.................................................................... 122 4.1.2 Với các kết cấu cũ ...................................................................... 127 4.2 Thí dụ tính toán cho một số bộ phận cầu T ...................................... 127 4.2.1 Các thông sô tính tuổi thọ sử dung của cầu T ............................ 127 4.2.2 Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng ............................................. 129 4.2.3 Các kết luận rút ra từ thí dụ nghiên cứu ..................................... 130 4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................ 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................132 1/ Kết luận ...................................................................................................................132 2/ Kiến nghị .................................................................................................................134 3/ Hướng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................................135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................................136 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................137 PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................145 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................155 vi Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau ñối với quá trình ăn mòn .. 21 Bảng 1.2 Tổng kết các phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo...................... 30 Bảng 2.1. Thành phần bê tông của các tổ mẫu ............................................... 42 Bảng 2.2. Mức ñộ thấm ion clo ...................................................................... 45 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm theo ASTM C1202 ........................................... 48 Bảng 2.4. Kết quả tính DC1202 từ thí nghiệm ................................................... 51 Bảng 2.5 Các giá trị m cho các loại bê tông .................................................. 54 Bảng 2.6 Kết quả D theo dự báo và các công thức kinh nghiệm.................... 60 Bảng 2.7 DC1202, D dự báo và các công thức kinh nghiệm ............................. 61 Bảng 2.8 So sánh kết quả tính hệ số D............................................................ 62 Bảng 3.1 Tốc ñộ tích lũy và nồng ñộ lớn nhất của clo bề mặt ....................... 73 Bảng 3.2 Tóm tắt các tiêu chuẩn xác ñịnh giới hạn tối ña cho phép của clo trong vữa và bê tông dự ứng lực .................................................... 78 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của canxi nitrit (CNI) trên ngưỡng clo tới hạn ............ 79 Bảng 3.4 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=100%......................... 111 Bảng 3.5 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=75%........................... 112 Bảng 3.6 Kết quả tinh thời gian lan truyền ăn mòn theo nứt bê tông bảo vệ .... 112 Bảng 3.7 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn theo các tham số ............ 113 Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan ñiểm 1: nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ).......................................... 113 Bảng 3.9 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan ñiểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm) ................................................... 114 Bảng 4.1 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, với các giải pháp kết hợp .............. 126 Bảng 4.2 Thông số kết cấu và vật liệu .......................................................... 128 Bảng 4.3 Thông số môi trường ..................................................................... 129 Bảng 4.4 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 1D.................................... 129 Bảng 4.5 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 2D.................................... 130 Bảng 4.6 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn t2 ............................... 130 vii Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) ....................................................... 7 Hình 1.2: Biểu ñồ Pourbaix quan hệ thế ñiện cực và ñộ pH của hệ Fe-H2O .. 15 Hình 1.3 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) ................................. 18 Hình 1.4 Thể tích tương ñối của các sản phẩm ăn mòn sắt ........................... 20 Hình 1.5 Biểu ñồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp ..... 20 Hình 1.6 Sơ ñồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) .................... 21 Hình 1.7 Sơ ñồ thí nghiệm khuếch tán khối- Bulk Diffusion Test (NordTest NTBuild 443) ................................................................ 22 Hình 1.8 Sơ ñồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) ......................... 23 Hình 1.9 Sơ ñồ thí nghiệm kỹ thuật ñiện di .................................................... 25 Hình 1.10 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di của Tang và Nilsson .............................. 26 Hình 1.11 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di nhanh (NordTest NTBuild 492) ............ 27 Hình 1.12 Thiết bị ño ñiện trở suất một chiều ............................................... 29 Hình 1.13 Sơ ñồ phương pháp 4 ñiểm ño của Wenner .................................. 29 Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai ñoạn của Tuuti 1980 ....................................................................... 33 Hình 2.1 Sơ ñồ bơm hút chân không mẫu thử C1202 ................................... 43 Hình 2.2 Sơ ñồ ño ñiện tích............................................................................ 44 Hình 2.3 Các ảnh thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202 ................ 47 Hình 2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ W/C trên hệ số khuếch tán Clo trong bê tông ở nhiệt ñộ 20oC ....................................................................... 52 Hình 2.5 Ảnh hưởng của tro bay và xỉ ñối với hệ số khuếch tán ................. 55 Hình 2.6 Ảnh hưởng của silica fum ñối với hệ số khuếch tán ........................... Hình 2.7 Biểu ñồ các kết quả tính D .............................................................. 62 Hình 3.1: ðịnh nghĩa tuổi thọ sử dụng và kéo dài tuổi thọ sử dụng ............... 67 Hình 3.2: Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt ....................................... 75 Hình 3.3: góc phần tư trong cột 2D................................................................. 84 Hình 3.4: Các biến trong góc phần tư trong cột 2D ........................................ 85 Hình 3.5: Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn (Mô hình của Liu) ................................................................................... 91 viii Hình 3.6: Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: .. 95 Hình 3.7: Khoảng thời gian từ khởi ñầu ăn mòn thép ñến nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực............................................ 96 Hình 3.8: Sơ ñồ ước lượng cho mất mát bán kính thép ∆rs2 ......................... 102 Hình 3.9: Mối quan hệ giữa tốc ñộ ăn mòn và ñộ ẩm tương ñối với bê tông tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt ñộ 23oC ... 105 Hình 3.10. Mật ñộ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=75% theo Liu và Weyers..................................... 107 Hình 3.11. Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo ............ 110 Hình 3.12: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào giữa thế kỷ 21 theo kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 116 Hình 3.13: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào cuối thế kỷ 21 theo kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 117 Hình 3.14: Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông ........................... 119 Hình 3.15: ðịnh tính về phân bố nồng ñộ clo bề mặt ................................... 120 Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi ñầu ăn mòn khi w/c=0.35, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho vùng khí quyển biển ...................................................................... 123 Hình 4.2: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian từ khởi ñầu ăn mòn ñến nứt cho bê tông f’c=40MPa,ñường kính cốt thép d=16mm, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho vùng khí quyển biển .................................................................................... 123 Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ nước trên xi măng w/c với thời gian khởi ñầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=70mm, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ..................................... 124 Hình 4.4: Quan hệ giữa tỷ lệ muội si líc (silica fume) với thời gian khởi ñầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt ñộ 25oC, ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ........................... 125 ix Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ∆rs1 Lượng giảm bán kính của cốt thép tại thời ñiểm bắt ñầu nứt ∆rs 2 Lượng giảm bán kính của cốt thép do gỉ chèn vào vết nứt Ecef Mô ñun ñàn hồi có hiệu (xét ñến từ biến); ψ Hệ số từ biến của bê tông; δ0 Chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép; νc Hệ số poisson của bê tông νc=0,18-0,20; δcon Chuyển vị hướng tâm của bê tông; ∆d Sự thay ñổi ñường kính của cốt thép νr Hệ số poisson của gỉ sắt; δrust Chuyển vị nén hướng tâm của gỉ (các sản phẩm ăn mòn) ∆T là mức tăng nhiệt ñộ trong thí nghiệm C1202. “LifeConBridge”- Service Life of concrete Bridge- Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông. A Diện tích tiết diện mẫu thử BTCT Bê tông cốt thép C Nồng ñộ clo C(x,t) Nồng ñộ clo tại chiều sâu x và thời gian t C0 Nồng ñộ clo ban ñầu trong bê tông CNI Canxi nitrit Cs Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông Cs(t) Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông tại thời ñiểm t d ðường kính cốt thép D Hệ số khuếch tán clo trong bê tông D(t) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở thời ñiểm t D(T) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở nhiệt ñộ T D28 Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày DPC Hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường DSF Hệ số khuếch tán clo trong bê tông có muội silic (silica fume) E ðiện thế áp dụng x Ec Mô ñun ñàn hồi của bê tông; Er Mô ñun ñàn hồi của gỉ sắt; F Hằng số Faraday FA Phần trăm tro bay fr Cường ñộ chịu kéo của bê tông; H ðộ ẩm tương ñối của môi trường i Mật ñộ dòng ñiện I Cường ñộ dòng ñiện icorr Mật ñộ dòng ñiện ăn mòn J Dòng của ion (hay thông lượng) K Tốc ñộ di trú clo k Hệ số biểu thị mức ñộ lấp ñầy các vết nứt bằng các sản phẩm ăn mòn; L Chiều dày lớp bê tông bảo vệ M Khối lượng nguyên tử của sắt Mloss Khối lượng thép mất mát do ăn mòn Mr Sức kháng uốn tính toán (hay sức kháng uốn có hệ số) Mrc Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông Mrs Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép Ms Khối lượng thép ban ñầu (trên một ñơn vị chiều dài thanh thép) Mu Mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế có hệ số gây ra. n Hệ số nở thể tích của gỉ (tỷ số thể tích gỉ thép và thép bị gỉ) p Áp lực tại giao diện bê tông và gỉ Pr Sức kháng nén tính toán của tiết diện bê tông cốt thép Prc Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông Prs Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép Pu Lực nén dọc tính toán Q ðiện tích chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202 Q0 ðiện tích ñiều chỉnh trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202 qr Áp lực tới xuyên tâm qr,c Áp lực tới hạn gây nứt bê tông bảo vệ xi R Hằng số khí r0=0,50d+δ0; rn Bán kính của thép chưa bị ăn mòn S Khoảng cách giữa các cốt thép SF Phần trăm muội silic SG Phần trăm xỉ lò T Nhiệt ñộ tuyệt ñối V Thế tích của dung dịch NaCl sử dụng trong thí nghiệm C1202 w/c Tỷ lệ nước trên xi măng x,y Khoảng cách từ bề mặt bê tông z Hóa trị của clo ρ Tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát Mloss với khối lượng thép ban ñầu Ms trên một ñơn vị chiều dài ρth Tỷ lệ phần trăm của mất mát diện tích tiết diện thép gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. 1 MỞ ðẦU 1. Lý do chọn ñề tài Hệ thống mạng lưới ñường giao thông của Việt nam trong những thập kỷ qua ñã ñược nhà nước ñầu tư rất lớn. Việc ñảm bảo an toàn và ñộ bền cho các cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải ñược ñặt ra. Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều cầu ñi 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 ñộ bền và giảm tuổi thọ sử dụng. Việt Nam là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt ñới gió mùa, nhiệt ñộ khá cao, ñộ ẩm lớn. ðây chính là yếu tố thúc ñẩy nhanh ăn mòn cốt thép trong các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch bản biến ñổi khí hậu thì nhiệt ñộ sẽ tăng, nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông do ñó nhiều kết cấu sẽ bị ảnh hưởng của nước biển và xâm nhập mặn. Các vùng kết cấu bê tông ít bị ảnh hưởng do ăn mòn cốt thép là các vùng thường xuyên nằm dưới mực nước thấp nhất của thủy triều, do thiếu oxy cung cấp cho phản ứng ăn mòn ñiện hóa. 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 hại của các kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn mòn ñiện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông. Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép ñạt ñến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ ñộng trên bề mặt cốt thép và 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 ñến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép còn 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. 2 Tuổi thọ sử dụng (service life) của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng ñến 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 ñoạn kê tiếp nhau: Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn. Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn là thời gian cần thiết ñể các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép ñạt ñến “ngưỡng nồng ñộ gây ăn mòn”. Giai ñoạn lan truyền ăn mòn là thời gian từ khi khởi ñầu 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 ñến kết cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực. Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo một cách ñáng tin cậy là cơ sở ñể ñưa ra phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi thọ sử dụng và giảm các chi phí vòng ñời dự án cầu bê tông. Hiện nay trên thế giới ñã có các nghiên cứu về tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. Tuy nhiên, với Việt Nam do có các ñặc thù riêng vì vậy cần thiết có một mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho các cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. ðây là lý do ñể ñề tài này nghiên cứu sự xâm nhập clo và gây ra ăn mòn cốt thép ñể dự báo tuổi thọ sử dụng của các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Mô hình dự báo này sẽ trợ giúp các kỹ sư xây dựng phương án thiết kế, bảo trì hợp lý các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển. Với mục ñích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon ñề tài: “Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo” 2. Mục ñích nghiên cứu Mục ñích của luận án là nghiên cứu về sự xâm nhập clo gây ra ăn mòn cốt thép ñối với các cầu bê tông cốt thép ven biển. 3 Các nội dung chính của luận án: 1) Xác ñịnh các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng ñộ clo trên bề mặt bê tông Cs; Ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép Cth. 2) Xây dựng phương pháp và 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) ðề ra biện pháp tăng cường kéo dài tuổi thọ sử dụng. Áp dụng 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” tính cho thí dụ nghiên cứu. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu ðối tượng nghiên cứu là các công trình cầu bê tông cốt thép ñã và sẽ ñựơc xây dựng ở ven biển Việt Nam. Hư hại của Cầu BTCT nói riêng và của kết cấu BTCT nói chung chịu ảnh hưởng của các yếu tố như môi trường và ñiều kiện khai thác như tải trọng. Trong các yếu tố môi trường, bên cạnh nguyên nhân ăn mòn cốt thép gây hư hại còn có nguyên nhân nữa là sự suy giảm của bê tông do tác ñộng trực tiếp của môi trường gây ra các hiện tượng như phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập của Sun phát, của a xít… Các tải trọng trong thời gian sử dụng gây ra tích lũy hư hại trong kết cấu BTCT và dẫn ñến các phá hủy. Một nguyên nhân nữa có thể gây hư hại kết cấu BTCT là các sự cố bất thường ngoài dự tính của thiết kế như ñộng ñất cấp lớn hơn cấp thiết kế, va xô nghiêm trọng hơn dự tính của thiết kế hoặc cháy nổ. Các kết cấu cầu BTCT tùy theo ñiều kiện tác ñộng có thể bị phá hoại do một hoặc tổng hợp của một nhóm nguyên nhân. Luận án ñược tiến hành trong phạm vi giới hạn như sau: 4 - Nghiên cứu về sự thâm nhập của các các ion clo gây ra ăn mòn cốt thép trong các kết cấu cầu bê tông cốt thép ñể xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam theo sự xâm nhập của ion clo. - Chỉ giới hạn ñối với các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam. Tuy nhiên cũng có thể áp dụng cho các kết cấu khác như công trình cầu cảng, công trình gần các sông có xâm nhập mặn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án. Xây dựng ñược mô hình tính toán dự báo tuổi thọ theo sự xâm nhập của clo, từ ñó làm sáng tỏ tác ñộng cơ lý hóa ñến quá trình suy giảm chất lượng dẫn tới hư hại rồi phá hủy kết cấu bê tông cốt thép, góp phần xây dựng phương pháp nghiên cứu dự báo tuổi thọ kết cấu,công trình. Ý nghĩa thực tiễn của luận án. Luận án cung cấp một tổng quan tốt, một mô hình và phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu và thiết kế sử dụng trong quá trình phát triển các kết cấu cầu hiện ñại. 5. Nội dung luận án Luận án gồm 4 chương, nội dung ñược toám tắt như sau: Mở ñầu: giới thiệu lý do chon ñề tài, mục ñích nghiên cứu, ñối 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 này phân tích, ñánh giá các công trình nghiên cứu ñã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật 5 thiết ñến ñề tài luận án; nêu những vấn ñề còn tồn tại; chỉ ra những vấn ñề mà ñề tài luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2 “Nghiên cứu xác ñịnh 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 ñịnh 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 do xâm nhập clo”. Chương này trình bày các khái niệm tuổi thọ, tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo. Xây dựng mô hình và phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo theo hai giai ñoạn: giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn. ðặc ñiểm khí hậu, và biến ñổi khí hậu ở Việt Nam. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính toán”. Chương này sẽ sử dụng phần mềm lập trong chương 3 khảo sát ñưa ra các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng, các giải pháp ñưa ra là: giải pháp kết cấu là tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, giải pháp vật liệu với hai mục tiêu cơ bản là giảm hệ số khuếch tán D và tăng ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép. Giải pháp kết hợp kết cấu và vật liệu ñưa ra khuyến cáo chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thành phần bê tông ñể ñảm bảo ñược tuổi thọ sử dụng như mục tiêu yêu cầu. Áp dụng mô hình xây dựng dự báo tuổi thọ sử dụng của các bộ phận kết cấu cầu ven biển. 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. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Mở ñầu Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện ñang ñược thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập [1]. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu phải ñược thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và ñộ bền. Các tài liệu về thiết kế và thi công cầu bê tông cốt thép hiện hành khá ñầy ñủ và chi tiết ñể ñảm bảo mục tiêu thi công ñược, an toàn và sử dụng ñược, có xét ñến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và ñộ bền [8,12,15,16,17,18]. Các tài liệu về thiết kế vật liệu bê tông ñể ñảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu ñã ñược biên soạn [6,10]. Vấn ñề ñảm bảo ñộ bền của cầu bê tông cốt thép cũng ñã ñược ñặt ra. 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 hại và làm giảm ñộ bền, giảm tuổi thọ sử dụng. Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO2 vào trong bê tông ñược hy vọng là nâng cao ñáng kể ñộ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông. Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông ñược GS Mutsuyoshi, (năm 2001) ñưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản (hình 1.1) [44]. Qua số liệu thống kê chúng ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn ñến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%. 7 Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) [44] Việt nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 Km, có rất nhiều công trình cầu bê tông cốt thép nằm gần sát với biển. Trên thực tế các công trình cầu bê tông cốt thép nằm ven biển chịu tác ñộng mạnh của xâm nhập clo vào bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn ñến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện thép do ñó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng. Trình tự chung của hầu hết các nghiên cứu ñều ñi theo hướng: ñộ bền của bê tông, xâm nhập clo vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép. Các hướng này có liên hệ mật thiết với nhau như bê tông có ñộ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo xâm nhập clo là thời gian từ khi kết cấu bắt ñầu tiếp xúc với môi trường có ion clo ñến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc ñến 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. ðể dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên cứu: (1) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian khởi ñầu ăn mòn thường ñược ký hiệu là t1; (2) 8 Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường ñược ký hiệu là t2. Thời gian khởi ñầu ăn mòn cốt thép hầu hết ñều ñược dự báo dựa trên ñịnh luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Giai ñoạn này phụ thuộc vào ñặc tính xâm nhập của ion clo vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các ñặc ñiểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng clo gây ăn mòn thép. Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc ñộ ăn mòn, ñường kính cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và các tính chất cơ học của bê tông, cũng như các yếu tố môi trường, khí hậu. Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng ñã và ñang ñược các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm. 1.2 Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông M.S. Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice” xuất bản năm 2005[43], ñã ñưa ra lý thuyết ñộ bền của bê tông như sau: Trong một thời gian dài, bê tông ñược coi là vật liệu có ñộ bền với yêu cầu ít hoặc không cần ñiều kiện bảo trì. Giả thiết này tương ñối ñúng trong ña số trường hơp, ngoại trừ khi bê tông ñược sử dụng trong môi trường khắc nghiệt: khu vực ñô thị và khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề; môi trường biển, môi trường có các ion clo. Trong các môi trường trên bê tông bị suy thoái, kém bền do như xâm nhập của các hóa chất như axit, sun phát, phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập của clo, các bon nát hóa. ðộ bền của bê tông xi măng ñược Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01 ñịnh nghĩa là khả năng chống các tác ñộng của thời tiết, xâm nhập của hóa chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác của sự hư hại. Bê tông bền sẽ giữ ñược hình thức ban ñầu của nó. Bê tông bền cũng sẽ duy trì ñược chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực.