Báo cáo khoa học: "MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước vv ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu BTCT trên phạm vi toàn thế giới. Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trong các môi trường có clorua nhằm xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP"

MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Th.S. ĐÀO VĂN DINH Bộ môn Cơ học kết cấu TS. BÙI TRỌNG CẦU Bộ môn Xây dựng Cơ sở hạ tầng Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước vv ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu BTCT trên phạm vi toàn thế giới. Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trong các môi trường có clorua nhằm xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. Bài báo này giới thiệu một mô hình dự báo tuổi thọ công trình trên cơ sở hệ số khuếch tán ion clorua có tên là Life – 365. Đây là mô hình hiện đang đuợc ứng dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ. Summary: The corrosion of embedded steel reinforcement in reinforced – concrete structures due to the penetration of chlorides from groundwater, seawater, rainfall, steam etc. is the most prevalent form of premature concrete deterioration worldwide. A number of models for predicting the service life of concrete structures exposed to chloride environments have been developed to propose measures for increasing the service life and determine the optimum strategy for maintaining reinforced- concrete structures. This paper presents a predicting model named Life – 365. The model is being widely used in the North America. Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ I. MỞ ĐẦU của các kết cấu BTCT trong các môi trường Việc dự báo tuổi thọ một cách đáng tin có Clorua nhằm xác định các biện pháp kéo cậy là cơ sở quan trọng nhất để xây dựng dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế chiến lược bảo trì và thiết kế tối ưu các công các kết cấu BTCT tối ưu. Mỗi mô hình đều trình xây dựng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm có các ưu và nhược điểm riêng. Bài báo này các chi phí cho cả đời dự án. Trong số các giới thiệu một mô hình dự báo có tên là Life nguyên nhân gây hư hỏng các kết cấu và công – 365. Đây là mô hình đã và đang được ứng trình BTCT, sự thâm nhập của các chất dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ. clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, II. CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA hơi nước v.v... ăn mòn cốt thép trong các CLORUA kết cấu BTCT đã được xác định là nguyên Cốt thép trong bê - tông được bảo vệ nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu chống lại sự ăn mòn là nhờ bởi tính kiềm cao và công trình BTCT trên phạm vi toàn thế của môi trường xi - măng. Độ pH của nước giới.
trong các lỗ rỗng trong bê tông lành mạnh là cơ chế quyết định, nhất là đối với các kết cấu lớn hơn 12,5. Trong môi trường có tính kiềm kiểu bản như mặt cầu. cao này, cốt thép bị oxy hoá, tạo ra một lớp Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu giả thiết màng mỏng thụ động và bền chắc trên bề mặt rằng, sự lan truyền khuếch tán của clorua hoạt cốt thép và bảo vệ cốt thép. Tuy nhiên, quá động theo cơ chế Đô - mi - nô. Theo Định luật trình cac - bon hoá của bê tông hay sự thâm thứ hai của Fick ta có phương trình vi phân nhập của clorua sẽ phá vỡ lớp màng mỏng bảo sau: vệ thụ động này và kích hoạt các phản ứng d 2C dC điện – hoá, sinh ra các sản phẩm của quá trình (1) = D. 2 dt dx ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước, trương nở và gây ra một áp lực đối với bê tông bao Trong đó: C là hàm lượng clorua quanh. Kết quả là, bê tông bị nứt, phá vỡ, D là hệ số lan truyền khuếch tán hoặc bong ra và cuối cùng kết cấu bị hư hỏng. x là chiều dày lớp bê tông bảo vệ Quá trình ăn mòn cốt thép ở trên diễn ra t là biến số thời gian của giai đoạn theo hai giai đoạn: giai đoạn khởi đầu và giai khởi đầu đoạn lan truyền. Trong giai đoạn khởi đầu, lớp màng bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị Hệ số lan truyền khuếch tán clorua là phá vỡ bởi Cl- hoặc CO2 còn trong giai đoạn một hàm số của thời gian và nhiệt độ. Quan lan truyền, phản ứng điện – hoá xảy ra với sự hệ giữa hệ số lan truyền khuyếch tán clorua có mặt của O-xy, nước và nhiệt độ thích hợp. với thời gian được mô tả bằng phương trình Cần chú ý rằng, mức độ lan truyền của ăn sau: mòn không thống nhất, có thể tăng lên hay m ⎛t ⎞ giảm đi phụ thuộc vào sự thay đổi của các (2) D( t ) = D ti .⎜ i ⎟ ⎜t ⎟ ⎝ ⎠ điều kiện môi trường. Trong đó: D(t) là hệ số lan truyền khuếch tán III. DỰ BÁO THỜI KỲ KHỞI ĐẦU tại thời điểm t Thời kỳ khởi đầu được định nghĩa là thời Dti là hệ số lan truyền khuếch tán gian cần thiết để các ion clorua tập trung trên tại thời điểm ti. bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập trung tới hạn”. Độ dài của thời kỳ này phụ thuộc chủ Life - 365 lấy ti = 28 ngày yếu vào: 1) mức tập trung clorua trên bề mặt m là hằng số bê tông, 2) chiều dày lớp bảo vệ, 3) mức tập Các giá trị Di và m được lấy phụ thuộc trung clorua tới hạn trong bê tông và 4) tốc độ vào loại bê tông, tỷ lệ Nước/Xi măng, cấp thâm nhập của clorua. Mặc dù tốc độ thâm phối và chất lượng của cốt liệu. Để tránh hệ nhập của clorua vào bê tông là một quá trình số lan truyền khuếch tán giảm vô hạn theo rất phức tạp, là tổng hợp của nhiều cơ chế thời gian, quan hệ trong phương trình (2) chỉ thâm nhập khác nhau chẳng hạn như cơ chế có giá trị với thời gian 25 năm. Quá thời lan truyền khuyếch tán (diffusion), cơ chế hút gian này, giá trị tại thời điểm 25 năm được thấm bề mặt, cơ chế thẩm thấu v.v... nhưng cơ cho là không đổi trong suốt thời gian phân chế lan truyền khuếch tán được chứng minh là
tích còn lại. thành phần bê tông, loại xi măng, các phụ gia được sử dụng, loại cốt thép, điều kiện địa Quan hệ giữa hệ số lan truyền khuếch phương nơi công trình được xây dựng, các tán clorua với nhiệt độ được mô tả bằng biện pháp áp dụng để chống lại sự ăn mòn phương trình sau: v.v... ⎡U ⎛ 1 ⎞⎤ Mối quan hệ giữa các nhân tố đã kể với 1 D(T) = D ti . exp⎢ ⎜ − ⎟⎥ (3) ⎜T T ⎟ ⎢R ⎝ i các tham số tính toán đã được xây dựng thành ⎠⎥ ⎣ ⎦ td hàm số hoặc bảng tính cho khu vực Bắc Mỹ. Trong đó: Thí dụ, đối với bê tông thông thường sử dụng D(T) là hệ số lan truyền khuếch tán tại xi măng Portland không phụ gia, ta có: thời điểm t ở nhiệt độ T. D28 = 1x10 (-12,06 +2,4 N/XM) m2/s Dti là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời m = 0,20 (5) điểm ti ở nhiệt độ Ti. Ở đây: D28 là hệ số lan truyền khuếch U là năng lượng kích hoạt quá trình tán tại thời điểm 28 ngày tuổi và ở nhiệt độ khuếch tán (= 35.000 J/mol) T = 20oC. R là hằng số khí (= 8,314472 JK−1mol−1 ) m là hằng số (lấy bằng 0,2 theo dữ liệu Ttd là nhiệt độ tuyệt đối của trường đại học Toronto và các dữ liệu đã được công bố khác). Thông thường người ta tính với ti = 28 ngày và Ti = 200 C, nhiệt độ T của bê tông sẽ Tuy vậy, cần hết sức lưu ý khi xác định được tính tuỳ khí hậu từng khu vực. các tham số, nhất là khi áp dụng các biện pháp bảo vệ hoặc các biện pháp cải thiện chất Thay các giá trị D(t) và D(T) vào lượng của bê tông và cốt thép. Chẳng hạn, khi phương trình (1) và biết giá trị mức tập trung áp dụng biện pháp quét keo epoxy lên các clorua tới hạn trong bê tông, ta sẽ xác định thanh cốt thép sẽ không ảnh hưởng gì tới thời được thời kỳ khởi đầu (t1) là thời gian các ion gian khởi đầu là thời gian các ion clorua tập clorua tập trung trên bề mặt cốt thép đạt tới trung trên bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập “mức tập trung tới hạn”. trung tới hạn” mà chỉ ảnh hưởng tới thời gian x2 (4) lan truyền. t1 = 2 ⎡ ⎛ C ⎞⎤ 4D ⎢f -1⎜1 − th ⎟⎥ C ⎠⎦ ⎣⎝ V. DỰ BÁO THỜI KỲ LAN TRUYỀN VÀ LẬP KẾ HOẠCH SỬA CHỮA Trong đó: Theo kinh nghiệm ở Bắc Mỹ, thời gian f là hàm sai số lan truyền là 6 năm tính cho tất cả các loại bê Cth là mức tập trung clorua tới hạn tông. Nếu sử dụng keo Epoxy phủ chống gỉ các thanh thép, thời gian này đựơc lấy là 20 IV. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TÍNH năm. TOÁN Gọi thời kỳ lan truyền là t2 , thời gian một Việc xác định các tham số tính toán phụ chu kỳ sửa chữa (tsc) sẽ đơn giản là : thuộc vào loại kết cấu, loại bê tông, cấp phối,
tsc = t1 + t2 (6) cao (Bê tông chất lượng cao HPC) Trong đó: - Sử dụng các phụ gia ngăn cản quá trình ăn mòn cốt thép tsc là thời gian một chu kỳ sửa chữa - Bảo vệ cốt thép chống lại ăn mòn (như t1 là thời gian của thời kỳ khởi đầu quét keo epoxy) t2 là thời gian của thời kỳ lan truyền - Sử dụng thép không gỉ t2 = 6 năm với BTCT thông thường và t2 - Sử dụng cốt không chứa sắt = 20 năm khi cốt thép được quét keo Epoxy. - Tạo các màng chống thấm phủ bề mặt VI. PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY VÀ THIẾT bê tông KẾ CÁC KẾT CẤU BTCT TỐI ƯU - Tổng hợp hai hay nhiều biện pháp trên Việc xác định chính xác các tham số rõ v.v... ràng là điều kiện quan trọng nhất để dự báo Tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có ưu chính xác tuổi thọ của các kết cấu BTCT. nhược điểm riêng và đòi hỏi các chi phí khác Tuy nhiên, đây là công việc khó khăn và vì nhau. Thông thường, các biện pháp đòi hỏi thế, việc phân tích độ nhạy là hết sức cần chi phí xây dựng ban đầu lớn sẽ tiết kiệm thiết. được các chi phí bảo trì, sửa chữa sau này và Phổ biến nhất khi phân tích độ nhạy, ngược lại. Vì vậy, việc phân tích chi phí cho người ta thực hiện các tính toán sau đây: cả đời kết cấu và cả đời công trình là công cụ then chốt nhằm lựa chọn giải pháp thiết - Xác định các tham số trong các điều kế các kết cấu BTCT tối ưu. kiện thuận lợi nhất và bất lợi nhất để tính ra tuổi thọ tối đa và tuổi thọ tối thiểu VII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Thay đổi các tham số theo các kịch bản Bài báo đã giới thiệu mô hình Life – 365 khác nhau, thường là cộng/trừ 10% giá trị các dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trên cơ tham số để xác định các tuổi thọ tương ứng sở độ thấm Clorua là nhân tố quan trọng nhất với các kịch bản khác nhau. gây ra sự phá hoại của các kết cấu bê tông cốt - Xác định tuổi thọ của kết cấu khi chỉ thép. Mô hình này cho phép xác định tuổi thọ xét tới một hoặc một vài tham số có ảnh của các kết cấu bê tông cốt thép để từ đó xác hưởng lớn nhất. định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì, sửa chữa và thiết kế tối ưu các Trên cơ sở các phân tích này, người quản kết cấu bê tông cốt thép. lý sẽ phân tích và ra quyết định cuối cùng về kế hoạch theo dõi, bảo trì và sửa chữa. Để có thể áp dụng thành công mô hình này ở Việt Nam, cần thiết phải thực hiện các Hiện nay, có nhiều biện pháp nhằm công việc phân loại bê tông, phân loại cốt thép nâng cao tuổi thọ của các kết cấu và công tuỳ theo theo đặc tính của vật liệu và phân trình bằng BTCT. Phổ biến nhất là các biện vùng xây dựng căn cứ vào các điều kiện tự pháp sau: nhiên để theo dõi, quan trắc, thí nghiệm nhằm - Sử dụng bê tông có tính chống thấm
thiết lập bảng tra các tham số tính toán cho mỗi loại bê tông sử dụng ở các khu vực khác nhau. Đây sẽ là cơ sở để dự báo tuổi thọ còn lại của các công trình hiện cũng như tuổi thọ của các công trình xây dựng mới và lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa tối ưu các công trình BTCT. Nó cũng giúp cho người thiết kế lựa chọn được giải pháp thiết kế tối ưu các kết cấu BTCT cho từng công trình. Chắc chắn rằng việc áp dụng mô hình này cùng với kỹ thuật phân tích chi phí cho cả đời dự án sẽ mang lại những kết quả thiết thực. Tài liệu tham khảo [1]. Lacasse, M. A. and Vanier, D. J., "A Review of Service Life Durability Issues", Proceedings of the 7th International Conference of the Durability of Building Materials and Components, Stockholm, Sweden, Vol. 2, May 1996, 867-866. [2]. Morcous, G., Rivard, H. and Hanna, A. M., “Predicting the Condition of Bridge”. [3]. Decks Using Case-Based Reasoning, Proceedings of the CSCE 29th Annual. [4]. Conference, D. Noakes (editor), Victoria, BC, Canada, June 2001. [5]. Enright, M. P., and Frangopol, D. M., “Service - life prediction of deterioration concrete bridges”, J. of Structural Engineering, ASCE, 124 (3) (1998), 309-317 [6]. Amleh, L., “Bond deterioration of reinforcing steel in concrete due to corrosion”, Ph.D. thesis, McGill University, Montreal, Canada, 2000 [7]. Page, C. L., Short, N. R., and El Tarros, A., “Diffusion of chloride ions in hardened cement pastes”, Cement and Concrete Research, 11 (1981), 395-406. [8]. Cady, P.D. and Weyers R. E., ”Deterioration Rates of Concrete Bridge Decks”, Journal of Transportation Engineering, ASCE, 110 (1) (1983), 34-44♦