1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Các công trình cầu phải làm việc trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt đó là
môi trường xâm thực mạnh bởi môi trường biển chứa nhiều tác nhân gây ăn
mòn kết cấu bê tông cốt thép, phải kể đến như: CO2-, Cl, O2- theo tác giả
Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17], trong “Báo cáo tổng kết dự án KT
- KT chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển”.
Khi ăn mòn cốt thép 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.
Trong môi trường biển khí hậu các vùng ven Việt Nam do đặc thù điều kiện
khí hậu nóng ẩm, trong không khí chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu
bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng
là vùng nước lên xuống do chế độ thủy triều, khí quyển biển và ven biển theo
Trương Hoài Chính cùng cộng sự (2007) [3], và Cao Duy Tiến cùng cộng sự
(2003), [17].
Cần thiết phải khảo sát rõ thực trạng và nghiên cứu ăn mòn thép và các ảnh
hưởng của ăn mòn thép đến sức kháng của công trình hạ tầng giao thông
bằng bê tông cốt thép, trong đó có các công trình cầu bê tông cốt thép ở các
vùng biển và ven biển. Đây là lý do đề tài “ Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn
cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép” được
đề xuất lựa chọn làm nội dung luận án nghiên cứu.
2. Đốı tượng nghıên cứu
Các kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu đồng thời tác động của tải trọng và ăn
mòn cốt thép từ môi trường chứa ion Clorua.
Một số kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến
trạng thái ăn mòn cốt thép do ion Clorua.
3. Phạm vi nghiên cứu
Sức kháng uốn và mức độ ăn mòn của của các kết cấu dầm cầu bê tông cốt
thép thường trong môi trường ăn mòn do Ion Clorua xâm nhập.
Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ thực hiện với mẫu dầm BTCT thường, nhịp
đơn giản trong phòng thí nghiệm.
Các nghiên cứu mô phỏng ngoài áp dụng cho các kết cấu BTCT quy mô
phòng thí nghiệm thì còn áp dụng cho các kết cấu dầm cầu BTCT thực tế
trong môi trường ăn mòn do ion Clorua.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu dựa vào phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp
với phương pháp điều tra, khảo sát để đánh giá vấn đề nghiên cứu.
2
Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết
hợp phương pháp tính toán mô phỏng số để dự báo sức kháng của các kết
cấu bê tông cốt thép có xét đến mức độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đã có những tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước về các vấn đề liên quan đến cơ chế ăn mòn cốt thép; ảnh hưởng
của mức độ ăn mòn cốt thép tới trạng thái chất lượng và sự làm việc chịu tải
của kết cấu…, để từ đó xác lập được phương pháp luận nghiên cứu phù hợp
để đạt được các mục tiêu nghiêm cứu của luận án.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án là những đóng góp có ý nghĩa về
mặt khoa học và có giá trị thực tiễn. Nội dung và kết quả của luận án có thể
được coi là một tài liệu tham khảo hữu ích cho những người quan tâm đến
công tác thiết kế và đánh giá kết cấu cầu BTCT.
Giá trị khoa học: Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông
đến mức độ ăn mòn của các cốt thép. Từ đó đánh giá được ảnh hưởng của
mức độ ăn mòn đến sức kháng của các dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn.
Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng cho các tính
toán dự báo tuổi thọ và sức kháng của các kết cấu bê tông cốt thép trong thực
tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong bê tông.
CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP
TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH
HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VİỆT NAM
1.1.Tổng quan về mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt
thép
1.1.1. Khái niệm ăn mòn kim loại
Ăn mòn được Fontana, M. G. (1971) [59] và Uhlig, H. H. (1971) [100] định
nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi
trường. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện
trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn.
a. Quá trình cacbonat hóa
b. Quá trình xâm thực của ion Cl-
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% [76].
3
Hình 1.1.Các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT [76]
Hình 1.2.Vết nứt phát triển do ăn mòn cốt thép[99]
Với các loại cốt thép xác định được sử dụng trong các công trình bằng bê
tông cốt thép; mức độ ăn mòn các cốt thép chịu ảnh hưởng lớn bởi trạng thái
ứng xử và cấu trúc vật liệu của lớp bê tông bảo vệ [99].
1.2. Thực trạng ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến kết cấu dầm
bê tông cốt thép ở một số công trình cầu tại Việt Nam
Đặc điểm khá chung của các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam là
làm việc dưới tác động của khí hậu nhiệt đới gió mùa, điều kiện môi trường
nóng ẩm, cộng với đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn
kết cấu bê tông cốt thép.
Đánh giá 11 cầu bê tông cốt thép trên các tuyến giao thông ở các địa phương
ở Việt Nam.
Đánh giá, nhận xét
- Tình trạng ăn mòn cốt thép trên các công trình hạ tầng sử dụng kết cấu bê
tông cốt thép là đáng báo động; Vấn đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng
hơn đối với các địa phương ven biển, là nơi có môi trường xâm thực, chứa
các tác nhân ăn mòn mạnh.
- Kết cấu dầm, bản, tấm bê tông cốt thép có xu hướng bị ăn mòn do môi
trường xâm thực, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc mất khả năng bảo vệ cốt
thép bên trong; khi cốt thép bị phơi trần hoặc tăng khả năng tiếp xúc với tác
4
nhân gây ăn mòn, nó nhanh chóng bị ăn mòn, dẫn đến mất tiết diện chịu lực,
trương nở thể tích, gây phát triển vết nứt thêm nghiêm trọng.
- Tình trạng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép diễn biến phức tạp gây ảnh
hưởng đến công tác duy tu bảo dưỡng hạ tầng có sữ dụng kết cấu bê tông cốt
thép. Độ bền và tuổi thọ công trình qua đó bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh
hưởng đến quá trình khai thác vận hành công trình. Cần thiết có thêm nhiều
nghiên cứu nhằm đánh giá các ảnh hưởng của quá trình ăn mòn cốt thép đến
khả năng làm việc của kết cấu bê tông cốt thép.
1.3.Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
Khi cốt thép bị ăn mòn thì sản phẩm của sự ăn mòn là rỉ sét. rỉ sét hút nước
và sẽ nở ra về thể tích, dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. ăn mòn cốt thép còn
làm giảm độ bám dính giữa bê tông và cốt thép, làm giảm diện tích mặt cắt
ngang của cốt thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
Nhiều nghiên cứu gần đây trong và ngoài nước có liên quan đến ăn mòn cốt
thép trong kết cấu bê tông cốt thép và ảnh hưởng của nó; có thể kể đến: V.
F. Stepanova (2013) [92], Vũ Ngọc Anh (2014) [1], Trần Thế Truyền (2010)
[28], (2018) [30]; Đồng Kim Hạnh và cộng sự (2014) [11], Mohamed
Moawad & nkk (2015) [73], A. Shetty, K. Venkataramana, K.s.b. Narayan
(2015) [87], Xuân Tùng và cộng sự (2017) [31], Nguyễn Công Luyến (2018)
[9], Hussain, H., & Miteva, D. (2018) [64], Phạm Đức Thọ và al (2019) [26],
(2020) [27], Thanh Hung Nguyen và cộng sự (2020) [13].
Nghiên cứu của các tác giả trên đã chỉ ra ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến
khả năng chống chịu và tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép thông qua khảo
sát hiện trạng hoặc xây dựng mô hình lý thuyết.
Hầu hết các nghiên cứu đề cập trên chưa xét đến tác dụng đồng thời ảnh
hưởng của của tải trọng trong quá trình đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt
thép đến kết cấu bê tông cốt thép.
Nhận thấy, các nghiên cứu trên còn các vấn đề cần phải giải quyết như sau:
- Hầu hết các nghiên cứu chưa nghiên cứu đến vấn đề ăn mòn cốt thép trong
các dầm BTCT có xét đến ứng suất trong bê tông, từ đó đánh giá sức kháng
uốn của các kết cấu dầm có xét đến mức độ ăn mòn cốt thép trong bê tông.
Luận án sẽ giải quyết các nội dung trên cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm
ăn mòn gia tốc trên các mẫu dầm thực tế với các điều kiện ăn mòn được xác
lập trong phòng thí nghiệm, có xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên
kết cấu dầm.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA AN MON CỐT
THEP DẾN SỨC KHANG UỐN CỦA DẦM BTCT
2.1. Ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép
2.1.1. Ăn mòn thép do quá trình các bo nát hóa
5
2.1.2. Ăn mòn do ion Clo (ăn mòn điện hóa)
2.1.3. Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông
2.1.3.1. Ăn mòn cốt thép do Clorua gây ra
2.1.3.2. Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông
2.1.3.3. Dự báo hệ số khuếch tán
2.1.3.4. Ngưỡng nồng độ clorua gây ăn mòn thép trong bê tông
2.1.4. Một số mô hình về lan truyền ăn mòn trong kết cấu BTCT
2.1.4.1. Mô hình toán của Bazant
2.1.4.2. Mô hình toán của Youping Liu
2.1.4.3. Mô hình thực nghiệm của Morinaga
2.1.4.4. Thời gian lan truyền ăn mòn theo Life 365
2.1.5. Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép trong bê tông
2.1.5.1. Kỹ thuật điện thế nửa pin
2.1.5.2. Điện trở phân cực tuyến tính (LPR)
2.1.5.3. Kỹ thuật xung tĩnh điện
2.1.5.4. Kỹ thuật đo điện trở suất của bê tông
2.1.6. Cơ sở xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn
2.1.6.1. Một số giả thiết:
1) 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.
2) Có một vùng xốp xung quanh giao diện thép - bê tông gây ra bởi sự chuyển
tiếp từ vữa xi măng với thép là có các khoảng trống không khí bị cuốn vào
và kẹt tại đây, các sản phẩm ăn mòn sẽ khuếch tán vào các khoảng trống này.
Trong sự phát triển của vết nứt, một phần của các sản phẩm ăn mòn sẽ chèn
vào bên trong các vết nứt.
2.1.6.2. Mô hình xác định mất mát
diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn
a) Mối quan hệ giữa mất mát trọng
lượng của thép và áp lực xuyên tâm.
b) Số lượng các sản phẩm ăn mòn xâm
nhập vào các vết nứt
2.1.6.3. Các thông số của phương
trình mất mát diện tích tiết diện cốt
thép do ăn mòn
a) Diện tích cốt thép
Sử dụng định luật Faraday mô tả mất mát khối lượng thép do ăn mòn.
Hình 2.1. Sơ đồ ước lượng cho mất
mát bán kính thép rs2