Bài giảng Bệnh học và sửa chữa công trình: Phần 3.1

Phần 3

BỆNH, HƯ HỎNG VÀ SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG BỆNH, HƯ HỎNG VÀ SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG

NỘI DUNG CỦA PHẦN 3

Phần 3.1 : Bệnh và hư hỏng kết cấu bê tông

Phần 3.2 : Sửa chữa hư hỏng kết cấu bê tông Phần 3 2 : Sửa chữa hư hỏng kết cấu bê tông

Phần 3.3 : Gia cường kết cấu bê tông

Phần 3.1 :

BỆNH VÀ HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG

NỘI DUNG CỦA PHẦN 3.1

Ữ G ẶC CƠ QU CỦ Ệ

(cid:131) NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU C U BÊ TÔNG

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC CHỦ QUAN NGUỒN GỐC CHỦ QUAN

NỘI DUNG CỦA PHẦN 3.1

Ữ G ẶC CƠ QU CỦ Ệ

(cid:131) NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU C U BÊ TÔNG

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC CHỦ QUAN NGUỒN GỐC CHỦ QUAN

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM VẬT LÝ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

- Vật liệu bê tông có cấu trúc rỗng : phần đặc + phần lỏng + phần khí

Lỗ rỗng mở liên kết

Lỗ rỗng mở không liên kết

Phần đặc

Lổ rỗng kín

ủ bê tô th ờ ở 28 thô

Độ ỗ Độ rỗng của bê tông thông thường ở 28 ngày tuổi à t ổi khoảng 15%

Sự xâm nhập của các tác nhân hóa học (có nguồn gốc hóa học) Sự xâm nhập của các tác nhân hóa học (có nguồn gốc hóa học) qua các lổ rỗng là nguyên nhân chính gây ra hư hỏng kết cấu bê tông

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM VẬT LÝ CỦA BÊ TÔNG

g

ự p

g

ậ

ệ

kết ấ bê tô

hất l

đế

Bê tông là vật liệu đàn nhớt : đặc tính lưu biến ảnh hưởng đến chất lượng kết cấu bê tông ả h h ở trong quá trình thi công

Sự phân tầng của vật liệu bê tông ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu bê tông

T B ổ đ g n ơ ư h P

ρ: khối lượng riêng của BT

τ0 : ngưỡng chảy dẻo của bê tông Quan hệ giữa ngưỡng chảy dẻo τ0 và độ sụt S (khi S thay đổi từ 5 đến 25 cm):

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM VẬT LÝ CỦA BÊ TÔNG

kết ấ bê tô diễ ủ ă t i

Quá trình thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông diễn ra rong một thời ột thời Q á t ì h thủ hó gian dài:

- Ảnh hưởng đến sự phát triển các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông á đặ t ật liệ bê tô Ả h h ở hát t iể đế ủ h

- Ảnh hưởng đến sự ổn định thể tích của bê tông trong giai đoạn đầu

- Nhiệt thủy hóa có thể tạo ra các ứng suất kéo gây nứt kết cấu BT nhất là trong trường hợp bê tông khối lớn trong trường hợp bê tông khối lớn

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

ất é do được tạo t à

đồ g

từ

ều ật - Bê tông là vật liệu có tính đồng nhất kém do được tạo thành từ nhiều vật ê tô g à ật ệu có t liệu thành phần khác nhau

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

Qua

- Quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt liệu và ệ ứ g suất b ế dạ g của cốt ệu à vữa xi măng là tuyến tính tuy nhiên đặc trưng cơ học này của bê tông là có thể xem là phi tuyến

- Các vi nứt tồn tại ở vùng lỗ rỗng trong kết cấu gây ra sự tập trung ứng suất ở vùng tiếp giáp vữa xi măng cốt liệu giáp vữa xi măng – cốt liệu

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

p - Cường độ chịu kéo thấp ~ 1/10 cường độ chịu nén

g ộ

ị

- Khả năng biến dạng kém : theo Acker (1992) bê tông bắt đầu nứt khi biến dạng xấp xỉ 150.10-6 p

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

) (Acker P. 1992. Retrait et fissurations du béton.) (

Giai đoạn làm việc đàn hồi khi σ < 0,4σc

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

g ộ

p ụ

ộ

g p - Cường độ bê tông phát triển theo thời gian và phụ thuộc chủ yếu vào quá trình thủy hóa xi măng

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

+ Cường độ bê tông phát triển nhanh trong 28 ngày sau khi đổ bê tông. Sau 28 ngày cường độ bê tông phát triển chậm. Theo 1 số nghiên cứu sự chênh lệch cường độ bê tông thông thường ở thời điểm 28 ngày và 1 năm khoảng 15% 15% ở thời điể 28 độ bê tô kh ả th ờ à 1 thô ờ à

+ Tỷ lệ N/X (nước/xi măng) quyết định đến tốc độ thủy hóa

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

ặ ạ g ạp p g

ạ , Do đặc điểm cấu tạo, biến dạng của bê tông rất phức tạp và có thể biếu diễn bằng công thức sau :

ε = ε(co ngót) + ε(nhiệt) + ε(đàn hồi) + ε(dẻo) + ε(từ biến)

Do tác động của môi trường

Do tải trọng tác Do tải trọng tác động dài hạn

Do tải trọng tác Do tải trọng tác động ngắn hạn

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG

(cid:137) ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

) Sự làm việc của bê tông dưới tác dụng của tải trọng lặp (mỏi) ọ g ặp ( ụ g ự g ệ

NỘI DUNG CỦA PHẦN 3.1

Ữ G ẶC CƠ QU CỦ Ệ

(cid:131) NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH CỦA KẾT CẤU C U BÊ TÔNG

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:131) NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC CHỦ QUAN NGUỒN GỐC CHỦ QUAN

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) ĂN MÒN CỐT THÉP VÀ HƯ HỎNG LỚP BÊ TÔNG BẢO VỆ

- Là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây hư hỏng kết cấu bê tông

- Những hư hỏng này thường diễn ra trong một quá trình lâu dài và chủ yếu ở những khu vực xây dựng có các tác nhân hóa học ( ví dụ vùng ven biển, các nhà máy hóa chất ….) nhà máy hóa chất ….)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) ĂN MÒN CỐT THÉP VÀ HƯ HỎNG LỚP BÊ TÔNG BẢO VỆ

Th

Vũ

Tà

V

Cảng Cửa Cấm –Hải Phòng sau 30 năm Cảng Cửa Cấm –Hải Phòng sau 30 năm sử dụng

Cảng Thương Vụ - Vũng Tàu sau 15 Cả 15 năm sử dụng

( Theo N.V Khoan – L.N. Thắng : Tình trạng ăn mòn BTCT ở vùng biển VN)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

- Dạng hư hỏng này thường không gây ra phá hủy đột ngột kết cấu công trình tuy nhiên chúng là một trong những tác nhân cơ bản (chủ yếu) quyết định đến tuổi thọ công trình. g

- Một ví dụ về phá hủy kết cấu BTCT do cốt thép bị ăn mòn ( Trường Đại học Syracuse New York)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190) CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

- Các tác nhân có nguồn gốc hóa học ( CO2 , Cl-….)

Clorua (trong muối)

CO2

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190) CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

- Quá trình ăn mòn của các tác nhân có nguồn gốc hóa học ( CO2 , Cl-….)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190)CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

Ăn mòn do CO2

- CO2 xâm nhập qua các lỗ rỗng trong kết cấu bê tông

- Làm giảm độ pH của môi trường kết cấu dẫn đến ăn mòn cốt thép

- Xảy ra chủ yếu ở các khu công nghiệp nơi có hàm lượng CO2 cao

- Ăn mòn do CO2 không xảy ra khi kết cấu bê tông nằm hoàn toàn dưới nước

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190)CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

Các vết nứt trên kết cấu bê tông đẩy nhanh quá trình xâm nhập của CO2 nhập của CO2

Xác định chiều sâu vùng các-bô-nát bằng phenoltanéin

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190)CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/xi măng đến quá trình cacbonat

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190)CÁC TÁC NHÂN GÂY ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG

Ăn mòn do Clorua

Ă ế ấ

- Ăn mòn do Clorua xảy ra khi kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường có chứa clorua ( vùng ven biển, khu công nghiệp )

- Clorua xâm nhập thông qua các lỗ rỗng và nhất là các khe nứt trên bề mặt kết cấu

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190) HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG DO ĂN MÒN CỐT THÉP

Làm giảm yếu tiết diện của cốt thép chịu lực trong kết cấu BTCT ị ự g p

ế

Làm giảm tiết diện bê tông của kết cấu ế ấ (nhất là trường hợp kết cấu chịu nén)

Làm giảm khả năng chịu lực hay tuổi thọ của kết cấu (công trình)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO THAY ĐỔI ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

Kết cấu bê tông có sự thay đổi kích thước khi hàm lượng nước (độ ẩm ) thay đổi đặc biệt các bộ phận kết cấu công trình có sự tiếp xúc với môi trường tự nhiên đặc biệt các bộ phận kết cấu công trình có sự tiếp xúc với môi trường tự nhiên

Thay đổi chiều dài kết cấu Độ ẩm môi trường thấp

Độ ẩm môi trường cao

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO THAY ĐỔI ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG THEO THỜI GIAN

* Với bê tông thường, biến dạng do co ngót lên tới 600*10-6 ( gấp 4 lần giá trị biến dạng gây nứt bê tông)

* Với kết cấu siêu tĩnh, biến dạng co ngót sinh ra ứng suất kéo trong kết cấu

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO THAY ĐỔI ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG THEO THỜI GIAN

t ì h đế tố ủ điề kiệ ôi t ờ thi ô ô

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường thi công công trình đến tốc Ả h h ở độ co ngót (theo Control of Cracking in Concrete)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO THAY ĐỔI ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

NỨT KẾT CẤU DO CO NGÓT

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO NHIỆT ĐỘ

- Tác động của nhiệt độ sinh ra ứng suất nhiệt trong các kết cấu siêu tĩnh ( có thể là ) ứng suất kéo, nén hoặc ứng suất cắt ) ặ g g ,

- Là nguồn gốc của sự biến dạng, nứt vỡ, võng của kết cấu bê tông

+

Nhiệt độ Nhiệt độ

-

Giảm thể tích

Tăng thể tích Tăng thể tích bê tông

Δt = 38°C

- Ví dụ : hệ số dẫn nhiệt của bê tông ~ 9*10-6 mm/mm/°C . Với kết cấu có chiều dài khoảng 30m thì khi sự thay đổi nhiệt độ 38 C thì biến dạng nhiệt là 22 mm khoảng 30m thì khi sự thay đổi nhiệt độ 38°C thì biến dạng nhiệt là 22 mm

30m

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:137) HƯ HỎNG BÊ TÔNG DO NHIỆT ĐỘ

Khi kết cấu siêu tĩnh biến dạng nhiệt sinh ra ứng suất trong kết cấu

Ví dụ :

E = 2,8*104 (MPa)

Biến dạng của kết cấu : 38 x 9x10-6 = 342x10-6 (mm/mm)

Sự thay đổi nhiệt độ Δt = 38°C Hệ số dẫn nhiệt 9x10-6 mm/mm/°C Hệ số dẫn nhiệt 9x10 mm/mm/ C Ứng suất kéo : Ứ ất ké

Chiều dài kết cấu : 30,5 m 14 (MPa)

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

(cid:190) TRƯỜNG HỢP BÊ TÔNG KHỐI LỚN

• Trong các kết cấu bê tông khối lớn, nhiệt độ bên trong kết cấu cao hơn so với bề mặt kết cấu bên trong kết cấu cao hơn so với bề mặt kết cấu do phản ứng thủy hóa của xi măng ( tồn tại Gradien nhiệt độ)

• Bề mặt kết cấu chịu các ứng suất kéo, trong khi bên trong kết cấu chịu các ứng suất nén

Ví dụ :

ố ẫ ế ế

Khi nhiệt độ bên ngoài giảm, chênh lệch nhiệt độ ΔT đạt đến 30°C, nếu hệ số dẫn nhiệt của bê tông là 9x10-6 mm/mm/°C, nếu E =30 MPa thì ứng suất kéo là 8,1 MPa. Ứng suất này vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

- Đối với kết cấu bê tông khối lớn, biến dạng nhiệt có thể đạt đến 400 đến 500x10-6 khi chiều dày kết cấu thay đổi từ 60 cm đến 80 cm

- Theo TCXDVN 305 : 2004 để bê tông bị nứt do nhiệt thủy hóa cần có 2 điều kiện sau:

+ Độ chênh nhiệt độ ΔT > 20°C (chênh lệch nhiệt độ giữa các phần bê tông và giữa bề mặt bê tông và không khí bên ngoài)

+ Mô đun độ chênh nhiệt độ MT ≥50°C/m

NHỮNG HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG (BÊ TÔNG CỐT THÉP) CÓ NGUỒN GỐC KHÁCH QUAN

T B

T A

tg tg =α= =α=

= =

M T M

− a

T Δ a

α α

a a

với các giá trị cho trong tiêu chuẩn , xác định được a = 0,4 (m)

Chênh lệch nhiệt do thủy hóa của xi măng chỉ gây ra ứng suất kéo trong vùng bê Chênh lệch nhiệt do thủy hóa của xi măng chỉ gây ra ứng suất kéo trong vùng bê tông cách bề mặt là 0,4 m.