Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra và đưa ra các tiêu chí đánh giá cầu dây văng bê tông cốt thép

Chia sẻ: Lạc Táp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra và đưa ra các tiêu chí đánh giá cầu dây văng bê tông cốt thép" nhằm nghiên cứu và trang bị các phương pháp kiểm tra, đánh giá cầu dây văng bê tông cốt thép để có thể áp dụng trong việc quản lý, bảo dưỡng các cầu dây văng bê tông cốt thép ở Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra và đưa ra các tiêu chí đánh giá cầu dây văng bê tông cốt thép

1 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ trong việc sử dụng cầu dùng hệ thống dây văng, việc đưa ra vấn đề kiểm tra đánh giá và bảo dưỡng cầu dây văng có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đảm bảo công trình luôn được duy trì trong trạng thái ổn định và an toàn vận tải đồng thời có thể kéo dài tuổi thọ công trình. Cũng như tất cả các công trình khác, công trình giao thông do ảnh hưởng của môi trường, do sự suy giảm và lão hoá của vật liệu, do những thay đổi về điều kiện sử dụng ... theo thời gian dần dần bị hư hỏng. Công tác bảo dưỡng sửa chữa này chủ yếu căn cứ vào công tác kiểm tra nhằm phát hiện những hư hỏng, những khuyết tật trước khi chúng phát triển thành trầm trọng và đòi hỏi những công việc sửa chữa tốn kém. Đây là biện pháp duy nhất để đạt được những hiệu quả kinh tế cao. Vậy công tác kiểm tra là sử dụng những biện pháp kỹ thuật để khảo sát và đánh giá điều kiện làm việc của công trình, quyết định những biện pháp sửa chữa hay tăng cường đối với những hư hỏng hay những khuyết tật có trên công trình. Chính vì vậy công tác theo dõi thường xuyên, kiểm tra chi tiết hoặc kiểm tra đặc biệt đối với công trình bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực để trên cơ sở đó quyết định các biện pháp duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa hoặc tăng cường công trình đúng lúc là vô cùng quan trọng trong công tác quản lý. Cho đến nay, chúng ta mới chỉ chú trọng đến công tác xây dựng cơ bản mà chưa chú trọng thoả đáng đến việc theo dõi, kiểm tra, duy tu bảo dưỡng các công trình cầu, trong đó có cầu dây văng. Trong những năm gần đây, cầu dây văng được xây dựng ngày càng nhiều ở Việt nam cũng như trên thế giới. Cho đến nay đã có hàng chục cầu dây văng được xây dựng ở Việt Nam như cầu Mỹ Thuận, cầu Kiền, cầu Bính, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Phú Mỹ và sắp tới sẽ có một số cầu dây văng được đưa vào khai thác như cầu Nhật Tân, cầu Trần Thị Lý... Để các công trình cầu dây văng hiện có tiếp tục được khai thác tốt, công tác kiểm tra và duy tu bảo dưỡng công trình cầu loại này cần được quan tâm đúng mức. Kết cấu cầu dây văng thanh mảnh, chịu ảnh hưởng rất lớn từ các tác động bên ngoài, việc kiểm soát và đánh giá trạng thái làm việc của các bộ phận là rất khó khăn và phức tạp. Mặt khác, trong quá trình khai thác do tác động của nhiều yếu tố như môi trường, tải trọng và các tác động khác làm cho các bộ phận của kết cấu cầu bị hư hỏng do bị suy giảm cường độ bêtông, cốt thép thường và cốt thép DUL bị ăn mòn gây gỉ, đứt ... Do đó để quản lý và khai thác các cầu một cách có hiệu quả trong điều kiện kinh tế của Việt Nam, chúng ta cần nghiên cứu các phương pháp kiểm tra và đưa ra các tiêu chí đánh giá trên cơ sở thu thập được các số liệu kiểm tra cần thiết.
2 Mục đích của đề tài là nghiên cứu và trang bị các phương pháp kiểm tra, đánh giá cầu dây văng BTCT để có thể áp dụng trong việc quản lý, bảo dưỡng các cầu dây văng BTCT ở Việt nam. Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu cơ chế suy giảm độ bền của bê tông, sự ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép của cầu dây văng BTCT. - Nghiên cứu các phương pháp kiểm tra cầu dây văng BTCT, nghiên cứu các phương pháp đánh giá cầu để có thể áp dụng trong đánh giá một số bộ phận cầu dây văng BTCT. - Lựa chọn các biện pháp quản lý, duy tu và bảo dưỡng cầu dây văng. Nghiên cứu thực nghiệm: - Trên cơ sở các phương pháp kiểm tra và đánh giá cầu, ứng dụng các phương pháp trên vào nghiên cứu kết quả thực tế. Nội dung luận án có cấu trúc gồm phần mở đầu và 3 chương: Chương 1: Tổng quan về kế t cấ u và cá c hư hỏng củ a cầ u dây văng BTCT. Chương 2: Các phương pháp kiểm tra, đánh giá kế t cấ u cầu dây văng BTCT. Chương 3: So sánh, lựa chọn phương án đo lực trong dây văng - Kết quả đo ở một số cầu. Tiếp đến là phần kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp và cuối cùng là danh mục tài liệu tham khảo.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ CÁC HƯ HỎNG CỦA CẦU DÂY VĂNG BTCT. 1.1. KHÁI NIỆM VỀ KẾT CẤU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA CẦU DÂY VĂNG BTCT. 1.1.1. GIỚI THIỆU CHUNG. Cầu dây văng có ưu điểm về nhiều mặt nên nhanh chóng được áp dụng trên toàn thế giới. Tính đa dạng là một đặc điểm quan trọng của cầu dây văng mà các hệ thống cầu khác không thể có được. Tính đa dạng của cầu dây văng thể hiện ở chiều dài nhịp, ở số lượng nhịp khác nhau cũng như ở khả năng thay đổi dáng vẻ, sơ đồ phân bố dây và số lượng mặt phẳng dây ... mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt. Ngoài ra khi thiết kế cầu dây văng các kỹ sư, kiến trúc sư còn có thể sáng tạo được nhiều dáng vẻ độc đáo, tạo thành các công trình kiến trúc thể hiện được sự phát triển của khoa học và trí tuệ con người. Cầu dây văng là hệ không biến dạng hình học do đó có độ cứng lớn. Hệ làm việc như một dầm cứng tựa trên các gối đàn hồi là các dây văng. Tăng số lượng gối đàn hồi sẽ không làm tăng mô men uốn trong dầm cứng đặc biệt dưới tác dụng của tĩnh tải mô men uốn trong dầm cứng gần như được triệt tiêu. Do đó cầu dây văng có thể vượt được nhịp rất lớn mà lượng vật liệu tăng không đáng kể. Cầu dây văng làm việc như một dàn có biên dưới cứng chịu nén uốn, dây văng làm việc như các gối đàn hồi trung gian chịu kéo nên có thể làm bằng thép cường độ cao, dầm cứng chịu nén nên có thể áp dụng vật liệu bê tông cốt thép. Tuy nhiên các gối đàn hồi này lại không trực tiếp truyền phản lực xuống đất nền mà thông qua tháp cầu truyền xuống trụ chính. Do đó về nguyên tắc mố trụ chính của cầu dây văng chịu toàn bộ tĩnh và hoạt tải trên cầu. 1.1.2. KẾT CẤU CẦU DÂY VĂNG BTCT. 1.1.2.1. Cấu tạo chung về sơ đồ kết cấu nhịp. 1.1.2.1.1. Cầu dây văng một nhịp. Cầu dây văng một nhịp có hai tháp cầu được dựng trên hai mố, dầm chủ một nhịp tựa lên hai gối cứng trên mố và các gối đàn hồi là các điểm neo các dây văng, từ đỉnh tháp dây neo được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường. Về sơ đồ kết cấu hệ làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối đàn hồi trung gian là các điểm neo dây và các gối cứng trên mố, do đó hệ có đặc điểm chịu lực giống như các cầu dây văng ba nhịp. Trên các mố đỡ dầm cần bố trí một gối cố định một gối di động. Gối cố định chịu lực ngang khi có tải trọng không đối xứng. Như vậy trong cầu dây văng một nhịp cả mố neo và trụ đều chịu lực ngang. Dầm cứng ngoài chịu uốn còn chịu lực dọc thay đổi dấu gây bất lợi cho việc áp dụng dầm cứng bằng BTCT.
4 1.1.2.1.2. Cầu dây văng hai nhịp Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu. Nếu cầu không có các dây neo vào mố thì các dây văng chủ yếu chỉ chịu tĩnh tải, còn để tăng cường khả năng chịu hoạt tải thì có thể bố trí hai dây neo vào mố. Khi hệ đối xứng các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải nên để tránh dây chịu nén dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp các dây neo cần được căng trước với nội lực đủ để khắc phục lực nén lớn nhất có thể xẩy ra. Ngoài ra còn dùng một tháp cầu cứng ở giữa để hạn chế chuyển vị ngang của tháp. Cũng có thể dùng hệ hai nhịp có các nhịp không bằng nhau trong đó nhịp lớn có số khoang lớn hơn, tại nhịp nhỏ bố trí dây neo vào mố. 1.1.2.1.3. Cầu dây văng ba nhịp Sơ đồ ba nhịp có nhịp biên ngắn không được đỡ bằng các dây văng có độ cứng của các gối đàn hồi lớn do dây neo có chiều dài ngắn. Nhịp biên làm việc như một dầm liên tục chịu uốn ngoài ra còn chịu lực nén của các dây văng truyền vào. Về mặt cơ học cầu dây văng ba nhịp là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng và các gối đàn hồi là các nút neo dây văng. 1.1.2.2. Bố trí dây văng. Mét d©y Hai d©y Ba d©y NhiÒu d©y KÕt hîp §ång quy Song song RÎ qu¹t H×nh sao Hình 1.1. Các sơ đồ bố trí dây văng Theo cách phân bố dây văng, sơ đồ bố trí dây văng thể chia ra thành 4 loại cơ bản: đồng quy, song song, rẽ quạt và hình sao. Sơ đồ dây đồng quy và sơ đồ dây rẽ quạt có hiệu quả nhất cho hệ kết cấu vì nó hoàn toàn được sắp xếp giống các tam giác. Ngược lại, sơ đồ dây song song chủ yếu chứa các hình tứ giác, do đó phải tăng độ cứng của dầm chủ hay cột tháp để chịu được lực không đều. Trong sơ đồ dây đồng quy, các sợi cáp được liên kết từ hệ mặt cầu đến cùng một điểm trên đỉnh cột tháp. Kết quả là lực uốn trong tháp sẽ nhỏ, nhưng lại phải chịu đựng được
5 lực chống gập. Điều này dẫn đến việc cột tháp sẽ phải có độ cứng lớn. Tuy nhiên, trong những cầu lớn với nhiều dây văng, việc bố trí tất cả các neo tại đỉnh tháp sẽ gặp nhiều khó khăn. Trong sơ đồ song song, các dây văng được lắp song song với nhau làm cho cầu có tính thẩm mỹ hơn. Mặt khác, lực căng cáp sẽ được phân bố theo chiều cao cột tháp làm giảm mô men uốn trong cột tháp. Sơ đồ bố trí dây văng này có thể là giải pháp có lợi nhất cho các cầu có nhịp chính đến gần 200m, đặc biệt ở những nơi tính thẩm mỹ đóng vai trò quan trọng. Hiệu quả của sơ đồ song song với sơ đồ dây đồng quy, tiết diện ngang cần thiết của cột tháp sẽ nhỏ hơn. Trong các cầu dây văng hiện đại, hệ thống dây văng có thể bao gồm nhiều loại dây văng khác nhau, mỗi dây văng bao gồm một loại cáp được chế tạo cho đủ chiều dài và tiết diện dây văng. Để đạt được sự bố trí dây văng này, còn có thể được tăng lên bằng cách thêm các trụ trung gian ở các nhịp biên. Trong sơ đồ rẽ quạt, khoảng cách giữa các điểm neo cáp ở phần trên của cột tháp được phân bố đồng đều. Điều này làm cho việc lắp đặt các neo trở nên dễ dàng hơn so với sơ đồ đồng quy. Không cần thiết phải bố trí các dây văng gần nhau. Do đó, khoảng cách giữa các điểm neo dây văng trên dầm chủ thường nằm trong khoảng từ 8 đến 15m. 1.1.2.3. Mă ̣t phẳ ng dây Trong mặt cắt ngang, hệ thống dây văng thường được bố trí trong một mặt phẳng thẳng đứng tại đường tim cầu, hai mặt phẳng thẳng đứng hoặc hai mặt nghiêng (a) (b) (c) Hình 1.2. Mặt phẳng cáp a) Một mặt phẳng b) Hai mặt phẳng đứng c) Hai mặt phẳng nghiêng Trong cầu một mặt phẳng dây, các dây văng thường được neo tại đường tim của hệ mặt cầu. Cầu chủ yếu chịu tải trọng theo phương đứng còn khả năng chịu xoắn rất kém. Do đó, hệ dầm phải chịu xoắn tốt để có thể chịu lực lệch tâm, chẳng hạn như xe chạy trên một bên cầu. Để đạt được yêu cầu độ cứng chống xoắn cao, dầm sẽ phải chế tạo theo dạng hình hộp (a). Trong cầu hai mặt phẳng dây (đứng hoặc xiên), các dây văng được neo dọc theo hai bên của hệ mặt cầu. Trong trường hợp này, hệ dây văng sẽ chịu cả tải trọng đứng và xoắn. Do đó, người thiết kế không cần thiết phải bố trí hệ dầm có độ cứng
6 chống xoắn tốt. Vì thế, hệ dầm có thể là dầm I đơn, I kép liên kết trực tiếp với hệ dây văng (b). Trong các cầu dây văng nhịp rất lớn, nơi dễ bị ảnh hưởng bởi ổn định khí động học, một dầm hộp với hai mặt phẳng dây sẽ đem lại nhiều ưu điểm hơn và cũng làm cho hình dạng dầm có tính khí động học tốt hơn (c). Tuy nhiên, cũng nên nhấn mạnh rằng, hình dạng như hình 8c chỉ dùng cho các cầu có nhịp rất lớn (trên 500m) hoặc cho các cầu có tỷ lệ chiều cao trên chiều dài nhịp nhỏ (dưới 1/25). 1.1.2.4. Các bộ phận chủ yếu 1.1.2.4.1. Tháp cầu Trong cầu dây văng tháp là bộ phận quan trọng có tính quyết định các chỉ tiêu KTKT và độ an toàn công trình. Tháp cầu chịu toàn bộ tĩnh và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp, thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền. Tùy theo kích thước và liên kết của tháp với trụ hoặc móng cầu theo chiều dọc, có thể phân biệt hai loại: tháp mềm và tháp cứng. Tháp mềm có kích thước theo chiều dọc cầu tương đối nhỏ, độ cứng bé, khả năng chịu uốn kém hoặc khi tháp cầu có liên kết khớp với trụ thì cũng được coi là mềm không phụ thuộc vào kích thước tiết diện. Chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu dựa vào độ cứng chịu kéo của dây neo. Dây neo thường được liên kết cố định một đầu vào đỉnh tháp cầu, một đầu vào dầm cứng trên mố trụ. Như vậy theo phương dọc cầu, tháp mềm làm việc như một thanh có đầu trên liên kết khớp với dây neo đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ. Tháp cầu mềm có thể làm bằng thép hoặc BTCT. Tháp cầu đơn giản nhất có dạng hai cột thẳng đứng tạo thành một khung hở ngàm vào thân trụ hoặc vào dầm chủ, mỗi cột tháp nằm trong một mặt phẳng dây làm việc chịu nén uốn theo phương ngang như thanh có một đầu ngàm một đầu tự do. Tháp cầu dạng khung kín tạo điều kiện giảm chiều dài tự do chịu nén dọc nên có thể giảm chiều dày tiết diện cột tháp mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định. Tháp cứng có kích thước tiết diện ngang lớn, độ cứng theo phương dọc cầu đủ lớn để hạn chế chuyển vị ngang đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng. Do đó tháp cứng phải liên kết cứng với trụ và trên nguyên tắc có thể không cần dây neo. Tháp cứng chịu tải như một thanh có một đầu ngàm, một đầu tự do chịu nén uốn. Để đảm bảo độ cứng ngang hạn chế đến mức tối thiểu chuyển vị ngang của đỉnh tháp và tiết kiệm vật liệu, tháp cầu có thể cấu tạo dạng A hoặc Y ngược. Hình dáng tháp cầu thể hiện một thanh cơ bản về khái niệm tổng thể của kết cấu. Hình dáng của tháp cầu ảnh hưởng đến cả tính thẩm mỹ và tính kinh tế của dự án cũng như các đặc trưng ứng xử tĩnh và động của nó. Có nhiều cải tiến từ 3 dạng này, mỗi dạng có những ưu nhược điểm và tính mỹ thuật riêng. Hình dạng của cột tháp có liên quan mật thiết đến cách bố trí dây văng vì chức năng chính của cột tháp là để đỡ hệ dây văng.
7 Hình 1.3. Ba dạng cơ bản của tháp cầu Trong cầu một mặt phẳng dây, tháp cầu có thể được thiết kế như là một thanh thẳng đứng hoặc dạng chữ Y ngược. Tháp thanh thẳng đứng tại giữa hệ mặt cầu có thể dùng cho cả sơ đồ dây song song và sơ đồ dây rẽ quạt, trong khi tháp chữ Y ngược lại đòi hỏi một sơ đồ rẽ quạt cải tiến. Tháp thanh thẳng đứng phải có một điểm neo cứng với cả hệ dầm chủ lẫn trụ cầu để đạt được sự ổn định với tải trọng lệch tâm. Trong cầu hai mặt phẳng dây theo phương thẳng đứng, tháp cầu có thể bao gồm hai cột thẳng đứng hoặc có dạng cột tháp chữ H. Theo điều kiện gối đỡ ở đầu dầm và dạng bố trí dây văng, cột tháp dạng chữ H cũng gần phù hợp với cột tháp chủ Y ngược. Với cầu có hai mặt phẳng dây xiên, đa số các người thiết kế sẽ chọn tháp chữ A kết hợp với sơ đồ bố trí dây rẽ quạt. Ngoài ra, nhiều tổ hợp khác về mặt lý thuyết cũng có thể được áp dụng cho cầu dây văng. Do cột tháp chịu tác động của lực căng của dây văng và các thành phần lực nén và uốn khác, tháp cầu thường được chế tạo từ bê tông, thép hoặc tổ hợp giữa bê tông và thép. Trong kết cấu tổ hợp, kết cấu bên trong bằng thép sẽ được bao phủ bởi lớp bên ngoài bằng bê tông với mục đích thẩm mỹ hay để mục đích cho các neo dây văng liên kết với vỏ bọc bê tông. Hầu hết các tháp cầu đều rỗng để bố trí thang lên xuống, cần trục và hệ thống cung cấp điện cần thiết cho việc duy tu bảo dưỡng. Mặt cắt ngang của cột tháp thường có dạng một hộp đơn. Do chủ yếu là chịu lực nén, độ cứng của cột tháp cần thiết phải được gia cường bằng các thanh gia cường, phương dọc cầu thường phải lớn hơn phương ngang cầu.
8 Hình 1.4. Mặt cắt ngang điển hình của tháp cầu Tại các vùng neo dây văng, việc gia cường thêm các vách ngăn cứng theo phương dọc và ngang là điều cần thiết để giảm ứng suất cục bộ theo các phương khác nhau. 1.1.2.4.2. Dầm chủ cầu dây văng Dầm chủ trong cầu dây văng chủ yếu chịu nén về mặt lý thuyết hệ có thể cấu tạo như một dàn liên kết khớp tại các nút neo dây, trong đó các dây văng và dây neo đảm bảo độ cứng. Trên thực tế dầm liên tục được áp dụng nhằm tăng cường độ cứng dưới tác dụng của tại trọng cục bộ. Dưới tác dụng của tải trọng phân bố trên toàn nhịp, độ cứng của dầm chủ ảnh hưởng không đáng kể đến độ võng của hệ đặc biệt đối với các cầu nhịp lớn dây dày thì ảnh hưởng lại càng nhỏ. Về mặt cấu tạo dầm chủ cần được thiết kế để chế tạo thuận tiện và thi công đơn giản nhất tránh tối đa cấu tạo các khớp các khe nối trên cầu. Do dầm cứng chủ yếu chịu nén nên dùng BTCT thích hợp, đặc biệt trong công nghệ thi công hẫng thì cầu dây văng có thể được coi như cầu dầm liên tục thi công hẫng cốt thép ngoài. Ngoài ra dưới tác dụng của tĩnh tải lực nén trước trong dầm cứng do các dây văng truyền vào luôn ổn định không bị mất mát tức thời và lâu dài cho nên cầu dây văng có thể xem là cầu bê tông tự ứng suất trước trong đó lực nén trước trong dầm cứng có thể triệt tiêu được ứng suất kéo do mô men uốn gây ra. 1.1.2.4.3. Dây văng và hệ neo. Cầu dây văng là loại cầu có thể vượt được các nhịp dài và rất dài, do đó dây văng thường có chiều dài lớn được căng và neo vào hai điểm cố định, dưới tác dụng của tải trọng bản thân dây thường bị võng khi chịu hoạt tải độ võng giảm, dây duỗi thẳng gây thêm biến dạng phụ. Có nhiều loại cáp dùng làm dây văng nhưng hầu hết đều được chế tạo từ thép cường độ cao. Cáp được chế tạo từ các thanh thép đặt song song với nhau trong một ống thép và được định vị bằng các vách ngăn bằng chất dẻo, hoặc là các bó dây bằng các sợi thép cường độ cao bố trí song song đặt trong ống thép hoặc ống nhựa, hoặc là các tao cáp cường độ cao quấn xoắn ốc một hoặc nhiều lớp quanh một sợi thép nằm chính giữa. Sau khi căng kéo xong có thể bơm vữa xi măng trong lòng ống.
9 Hình 1.5. Thanh song song - Sợi song song - Tao song song -Tao xoắn -Dây cáp Neo có tác dụng liên kết bó dây với khối neo và liên kết khối neo với công trình. Đầu neo có cầu tạo hình dáng kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng và phương pháp căng. Đầu neo cần được thiết kế chế tạo để đủ khả năng chịu lực kéo đứt của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu đầu neo. Tùy theo chức năng có thể phân biệt hai loại đầu neo đầu neo cố định và đầu neo di động. 1.1.2.5. Những bài ho ̣c về kế t cấ u Với hơn nửa thế kỷ tích luỹ kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu thiết kế và xây dựng cầu dây văng, nhiều vấn đề lý luận không ngừng được cập nhật cho việc thiết kế kết cấu. 1.1.2.5.1. Bố trí dạng dây văng. Dạng dây hình “Hình Đàn Hạc” (các dây song song) là loại bố trí dây tạo được cảm giác mảnh, thanh thoát và đẹp cho công trình nhất là cầu nhịp nhỏ hơn 200m cho nên ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại người ta thường sử dụng hình thức này. Nhưng loại hình bố trí cáp này không tối ưu về mặt chịu lực vì gây ra mômen uốn lớn trong tháp nên ngày nay ít được dùng. Tuy nhiên đối với cầu nhịp nhỏ như cầu Kiền (Quốc lộ 10) vẫn có thể áp dụng để giải quyết về mặt thẩm mỹ cầu. Dạng dây xoè (hình nan quạt) có nhiều ưu điểm về mặt chịu lực cho tháp (giảm mômen uốn). Tuy nhiên dạng này bắt buộc phải tập trung liên kết dây cáp ở đầu tháp, nên rất khó cấu tạo cũng như tạo ra không gian cho việc đặt kích căng dây. Bố trí dây văng “lai hình đàn hạc” là dạng dùng phổ biến của các cầu dây văng hiện đại. Toàn bộ đầu cáp neo vào tháp được bố trí ở phía trên thân tháp. Cách bố trí này khắc phục được các nhược điểm phân phối lực của dạng “đàn hạc” và dễ thi công căng cáp. 1.1.2.5.2. Dầm cầu. Một trong các đặc tính ưu việt của cầu dây văng là dầm cầu có chiều cao kiến trúc thấp vượt nhịp lớn. Ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại, khi bố trí cự ly dây vào dầm lớn, người ta thường sử dụng dầm thép bản Orthotrop. Ngày nay các cầu hiện đại đều bố trí cự ly neo dây ngắn thì không nhất thiết phải sử dụng loại dầm này. Theo thống kê gần đây cho thấy rằng với các cầu dây văng có nhịp 500m trở lại thì giá thành kết cấu phần trên của cầu với các loại dầm thép bản orthotrop, dầm bê tông liên hợp, bê tông cốt thép là như nhau. Việc lựa chọn loại dầm nào còn tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể nơi xây dựng cầu, nếu điều kiện đất yếu thì dùng dầm loại nhẹ để giảm khối lượng thi công kết cấu phần dưới. Nhưng có một điểm cần lưu ý hiện nay rất khó thi công lớp phủ măt cầu
10 có độ bền cao trên bản mặt cầu orthotrop, do đó cần cân nhắc kỹ khi sử dụng. Ngày nay khi đã tích luỹ được nhiều số liệu về thí nghiệm khí động học và khuynh hướng bố trí dây với cự ly ngắn từ 7m đến 9m, các dầm cầu không nhất thiết phải thiết kế theo dạng hộp có dạng thoát gió, cố gắng dùng các loại dầm bản mỏng. 1.1.2.5.3. Tháp cầu. Tháp cầu là kết cấu gây nhiều ấn tượng nhất về vẻ đẹp của cầu và đóng vai trò quan trọng cho việc ổn định khí động học của kết cấu cầu. Trước kia tháp có các dạng cơ bản hình H, chữ A, chữ Y ngược hoặc Diamon. Tháp dạng đẹp như cầ u Cần Thơ đã lựa chọn là một phương án kiến trúc tốt. Phần lớn các cầu lớn mặt cắt ngang của cột tháp đều có dạng hình hộp. Người ta chú ý nhiều đến việc mặt cắt cột tháp có đủ chỗ để bố trí kích căng cáp tại tháp thuận tiện cho thi công cho nên hình dạng tháp chưa thanh thoát tương xứng với kết cấu cầu. Hiện nay có nhiều khuynh hướng tìm tòi các giải pháp kiến trúc cho tháp vừa đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ nhưng có lợi về mặt kinh tế, nhất là vùng chịu gió bão lớn, có mặt cầu rộng, đó là loại tháp một cột. Tháp chỉ có một ống để đảm bảo ổn định ngang của cột, người ta dùng cáp neo 2 bên của phần dưới thân trụ. Tính kinh tế của tháp ở chỗ thi công một cột bao giờ cũng rẻ hơn thi công hai cột. 1.1.2.5.4. Số lượng mặt phẳ ng dây. Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đã từng ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây. Việc dùng 3 mặt phẳng dây cho các cầu nhịp nhỏ, do nhược điểm về mặt phân phối chịu lực ngày nay không dùng nữa. Đối với cầu 1 mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thông thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại kết cấu này người ta còn đang xem xét về giới hạn trên của chiều dài nhịp. 1.1.2.6. Đánh giá kế t cấ u cầ u Dây văng. Trong những năm gần đây, cầu dây văng đã được sử dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm sau: - Sử dụng vật liệu hiệu quả. - Kết cấu không phức tạp, dễ chế tạo và thi công - Thi công nhanh. - Tính mỹ thuật cao. - Vượt được nhịp lớn - Có tính kinh tế cao đi với các cầu nhịp lớn. - Độ võng nhỏ hơn cầu dây võng. Cầu dây văng đã giúp các người thiết kế có nhiều phương án lựa chọn hơn để đạt đến một dự án cạnh tranh và ưu việt hơn cho các cầu nhịp lớn. Với sự phát triển mạnh mẽ của các phần mềm tính toán cũng như những phương án mô phỏng kết cấu. Chúng ta hoàn toàn có thể kiểm tra chất lượng cũng như khả năng làm vệc của cáp văng nói chung và cầu dây văng nói riêng để qua đó đưa ra được phương án tối ưu nhất trong quá trình thiết
11 kế, thi công cũng như vấn đề theo dõi diễn biến quá trình làm việc của cáp văng và qua đó đưa ra được phương án duy tu và bảo dưỡng cầu dây văng một cách thích hợp nhất. 1.2. CƠ CHẾ SUY GIẢM ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG VÀ SỰ ĂN MÒN CỐT THÉP CỐT THÉP TRONG CÁC CÔNG TRÌNH BTCT. 1.2.1. CƠ CHẾ SUY GIẢM ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG. 1.2.1.1. Giới thiệu chung Bê tông của xi măng Porland là một vật liệu có tính kiềm mạnh và ít nhiều chịu sự thẩm thấu. Chính tính chất kiềm này xác định tình trạng của vật liệu đối với sự tấn công hoá học. Khi môi trường xung quanh có tính acid sẽ xẩy ra phản ứng trao đổi, kết cục có thể dẫn đến những hệ quả nghiêm trọng: sự ăn mòn, sự nứt, vết rỗ, vết gỉ bột. Đó là những dấu hiệu vĩ mô chắc chắn nhất của sự tấn công hoá học. Tuy nhiên cũng có một vài sự tương tác hoá học giúp làm tăng độ bền của bê tông. Đó là trường hợp của CO2 có thể tạo trên bề mặt của bê tông một lớp bảo vệ bằng Carbonat calxi. Lớp bảo vệ này ổn định về mặt hoá học có tác dụng làm chậm lại hoặc ngăn cản sự vận chuyển các chất xâm thực vào sâu hơn trong bê tông. Với lớp bê tông cốt thép, hiệu quả bảo vệ tự nhiên này phụ thuộc vào độ thẩm thấu và chiều dày lớp bảo vệ cốt thép. Bê tông thường biểu hiện có một độ bền tốt đối với các chất tấn công hóa học và chỉ bị những hư hỏng không nghiêm trọng và có thể chấp nhận trong tuổi thọ của nó, nhưng chỉ khi bê tông được sản xuất theo đúng các quy trình, chỉ định và thành phần của nó hay hình thức của công trình phải phù hợp với môi trường hiện tại và về sau. Đó phải là môi trường có thể xây dựng công trình bằng bê tông. Những quy định cần phải áp dụng để có một bê tông chịu được sự xâm thực hoá học hoặc ít nhất phải đạt được tuổi thọ dự kiến của công trình trong các môi trường thông thường nhất (nước ngọt, acid, sulfat, nước biển). Các xâm thực hoá học đối với bê tông thường được biểu hiện bằng các quá trình hư hỏng và các tác dụng xấu sẽ xẩy ra. Các tác nhân hoá học tấn công có thể xếp thành 4 loại: - Các khí: có trong tự nhiên, do sự ô nhiễm của khí quyển và do sự lên men. Thông thường nhất là CO2, SO2, NO2, SH2 các khí clor, brom, iod, ammoniac. - Các chất lỏng vô cơ và hữu cơ: có chứa tính acid, tính kiềm, các anion hoặc cation. - Các chất rắn: thường là đất và các chất thải có nguồn gốc khác nhau và đặc biệt có những hạt đất chứa sulphat lẫn trong bê tông. - Các môi trường sinh học: sự lên men vi sinh đưa đến sự tạo thành các acid, các tấn công cơ học và hoá học bởi một vài sinh vật có trong nước biển. Tất cả các tác nhân tấn công thường có một điểm chung và cần thiết là nước dưới dạng chất lỏng hoặc hơi. Cơ chế tác dụng và vận chuyển của các khí ăn mòn bê tông thường
12 bằng cách khuếch tán và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm tương đối của vật liệu, nó yếu trong bê tông bão hoà nước và tăng lên cùng với sự giảm độ ẩm tương đối. Các chất khí bản thân nó thường không tác động. Nhưng do bị hoà tan chúng có khả năng cùng với nước tạo ra các dung dịch có tính xâm thực. Sự vận chuyển của chúng trong bê tông được điều chỉnh bởi các định luật nước chảy trong các môi trường xốp (áp lực thuỷ tĩnh, sự dâng lên trong mao quản) và bởi các định luật khuếch tán. Hơi nước có một khả năng đặc biệt do những phản ứng qua lại rất mạnh của nó với các hydrat của xi măng. Khác với các khí bình thường, độ khuếch tán của nó tăng rất nhanh với mức độ giảm độ ẩm tương đối của bê tông. Cơ chế hoạt động của các chất lỏng: sự vận chuyển của các chất lỏng thường theo hai quá trình chính là những chuyển động của các chất lỏng dưới gradient thủy lực và bằng sức hút mao dẫn một phần và sự khuếch tán ion hay phần tử. Yếu tố sau cùng là do áp lực thẩm thấu và tính chất của các màng bám thấu của bê tông. Nó rất phức tạp và thường kèm theo các hiện tượng hấp thụ và phản hấp thụ sự khuếch tán phía sau của một vài loại ion và các chuyển động của pha lỏng. Cơ chế hoạt động của chất rắn: sự độc hại của các chất rắn gắn liền trực tiếp với khả năng trích xuất và chuyển thành dung dịch trong nước mà nó tiếp xúc. Tác dụng của nó hạn chế với những hiện tượng xảy ra trong trường hợp các tấn công bởi các chất lỏng. Cơ chế hoạt động của các tác nhân tấn công nguồn gốc sinh học: các phản ứng sinh học của các vi khuẩn hiếm khí và yếu khí có trong các nước thải có thể dẫn đến sự tạo thành các acid đặc biệt là acid sulfuric do sự oxy hoá của hydrogen sulfure H2SO4 và chính nước là tác nhân cho tấn công acid. 1.2.1.2. Cơ chế hư hỏng của bê tông do các phản ứng hoá học. Sự xuống cấp của bê tông có cơ sở từ những phản ứng thuỷ phân và hoà tan theo các cơ chế sau: 1.2.1.2.1. Sự thuỷ phân: Sự thuỷ phân là phản ứng phân huỷ của một vài loại muối bởi nước và cũng sẽ phân huỷ tiếp và cho các proton H3O+ hoặc các hydroxy OH- tuỳ theo tính chất của muối của một bazơ yếu với một acid mạnh hay muối của một acid yếu với một bazơ mạnh. Dung dịch có được trong đó muối chỉ một phần được ion hoá có thể có tính chất acid hoặc kiềm. Các hiện tượng thuỷ phân xảy ra một cách tất yếu trong lúc xảy ra sự hydrat hoá xi măng và sự hình thành đặc biệt các silicat calci ngậm nước. Các chất này cũng như các silicat khan mà từ đó nó hình thành, là những muối của acid yếu với bazơ mạnh (vôi). Tuy rằng nó rất ít tan, nhưng nó có thể bị thuỷ phân trong bê tông khi tiếp xúc với nước ngọt luôn chảy hay thay thế. Nó có thể bị phân huỷ dần dần dưới tác dụng của các proton của nước gây ra sự hoà tan từng phần không hợp thức hoá của vôi.
13 Tuỳ theo độ thấm của bê tông, độ pH và khả năng thay đổi nước, phản ứng có thể dẫn đến hiện tượng rửa nhanh hay chậm chất vôi biểu hiện bằng sự mất khối lượng sự tăng độ xốp và một sự phá vỡ cấu trúc của chất kết dính. Sản phẩm cuối cùng của phản ứng có thể là một silicat rất nghèo về vôi, và với thời gian dài chúng sẽ mất đi tính chất kết dính. Các phản ứng tương tự có thể xảy ra với các aluminát hay alumino- sắt calci ngậm nước. Sản phẩm tối ưu sẽ là những hỗn hợp oxít nhôm và oxít sắt ngậm nước (Al 2O3.nH2O và Fe2O3.nH2O). 1.2.1.2.2. Sự hoà tan. Sự hoà tan hoá học thường không bắt buộc phải kèm theo các hiện tượng thuỷ phân, thí dụ clorua natri (NaCl): muối của acid mạnh (HCl) và bazơ mạnh NaOH hoà tan trong nước và sẽ ion hoàn toàn thành ion Cl- và Na+. Cũng là trường hợp hoà tan trong nước của hydroxy calci Ca(OH)2 là một bazơ mạnh. Sự hoà tan một kim loại có thể theo 3 cách chính: - Cách đồng dạng: trong đó thành phần của dung dịch giống như của kim loại - Cách không đồng dạng: khi sự hoà tan không hợp thức có kèm theo sự hình thành một nhân trong dung dịch của một pha mới. - Cách có chọn lọc trong đó các thành phần bề mặt của kim loại bị biến đổi do sự hình thành dung dịch có tính chất ưu đãi của một vài ion. - Cách không đồng dạng và cách có chọn lọc, cả hai đều trùng với sự hoà tan không hợp thức, phải được phân biệt ra vì chúng có những cơ chế rất khác nhau. Lượng kim loại hoà tan được tính bởi công thức sau: q = KD(ceq-c)n (1-1) Trong đó: - q là lượng hoà tan. - KD là hằng số tốc độ. - ceq nồng độ lúc bão hoà - c nồng độ ở thời gian đã cho - n thứ tự của phản ứng. Trong trường hợp các kim loại dễ tan, sự hoà tan được kiểm tra bằng tốc độ khuếch tán của các ion trong dung dịch xung quanh. Trong trường hợp các kim loại ít tan, sự hoà tan được kiểm tra bằng tốc độ phản ứng của kim loại với dung môi. Tuỳ theo tính chất của chất tấn công, các hiện tượng thuỷ phân và hoà tan có thể kèm theo hoặc các phản ứng trao đổi ion giữa chất lỏng tấn công và chất dính ngậm nước, hoặc sự kết tinh của các thành phần.
14 Cơ chế cơ bản của sự hư hỏng của bê tông cũng như các tác dụng xấu do nó gây ra được tổng hợp dưới dạng như sơ đồ trên hình. Sự hư hỏng của bê tông do các phản ứng hoá học Các phản ứng kéo Phản ứng trao đổi giữa Phản ứng kéo theo sự theo sự thuỷ phân dung dịch xâm thực và hình thành các sản và sự rửa trôi các các thành phần của bột phẩm co giãn. thành phần của bột nhão xi măng cứng. nhão xi măng cứng Sự di chuyển của các ion Ca2+ thành sản phẩm mới Sản phẩm Sản phẩm không hoà hoà tan tan, không co dãn Sự gia tăng độ xốp và độ thấm Sự gia tăng lực ép bên Mất độ kiềm Bề mặt hỏng Giảm độ bền Nứt, vỡ vụn Sự giãn nở, sự hỏng biến dạng Hình 1.6. Quá trình hư hỏng của bê tông bởi sự tấn công hoá học. 1.2.1.3. Môi trường xâm thực gây suy giảm độ bền đối với bê tông. 1.2.1.3.1. Nước ngọt Sự xâm thực của nước phụ thuộc vào 3 thông số độc lập với nhau. Đó là: độ cứng, hàm lượng CO2 và độ pH của nó. Độ cứng biểu thị qua số lượng ion (kiềm) hoà tan trong nước. Phân biệt độ cứng tạm thời do hydroxít cacbonat (HCO3-) của các kim loại này và độ cứng vĩnh viễn do các muối khác (sulphat, clorua…).
15 CO2 tác động: Nước có thể hoà tan một lượng CO2 nào đó làm cho nó có tính chất acid nhiều hay ít. Lượng hoà tan phụ thuộc vào áp lực của khí và nhiệt độ. CO2 có thể nằm ở 3 dạng khác nhau: cacbonat calci, magie rất ít hoà tan và CO2 tự do. Các hydroxit cacbon xuất xứ từ sự tác động của CO2 tự do lên cacbonat theo phương trình sau: CaCO3 + CO2 + H2O < – > Ca(HCO3)2 (1-2) Hydrocacbonat ở trong dung dịch dưới dạng các ion Ca2+ và axits cacbonic HCO3- trong thời gian nước chứa lượng CO2 đủ để giữ cân bằng. Nếu nồng độ CO2 thấp hơn CO2 ở thế cân bằng, cacbonatcanxi sẽ kết tủa. Lượng thừa CO2 so với lượng ở thế cân bằng tạo thành CO2 tấn công có khả năng hoà tan các hydratcaxi hay cacbonat. CO2 ở thế cân bằng trong nước ngọt rất thấp. Nước có thể trở thành tác nhân tấn công nếu lượng axit cacbonic tự do tăng lên mặc dù với tỷ lệ thấp. Ngược lại, lượng nước cứng mà CO 2 cân bằng cao thì ít có tính chất tấn công. Dù vậy nước có cùng độ cứng có thể có những mức độ tấn công khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng CO2 tấn công chúng. Vì vậy để đặc trưng cho sự tấn công của nước, chỉ độ cứng thôi cũng chưa đủ mà còn phải thêm hàm lượng CO2 tấn công. Sự tấn công của nước không chỉ phụ thuộc nồng độ axit cacbonic tự do mà còn phụ thuộc vào độ pH của nó. Bê tông chắc thường ít nhạy cảm với sự tấn công của nước tinh khiết. Quá trình xuống cấp của bê tông gây ra bởi sự tấn công của nước tinh khiết chủ yếu là do sự hoà tan hydroxydcanxi Ca(OH)2 mà độ hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ như trong bảng sau: Độ hòa tan của Ca(OH)2 phụ thuộc vào nhiệt độ. Bảng 1-1. Nhiệt độ o C 0 15 20 30 40 50 60 Độ hoà tan mg/l 1.31 1.29 1.23 1.13 1.04 0.96 0.86 Quá trình tác dụng có thể gây nên bởi sự ăn mòn mạnh do nước chảy trên bề mặt của bê tông, hoặc do một sự ngâm chiết của chất lỏng dưới gradien áp suất thuỷ lực chảy qua vật liệu. Trong tất cả các trường hợp đều dẫn đến sự mất khối lượng và độ kiềm do hiện tượng rửa vôi kéo theo sự tăng độ xốp và độ thấm, kết cục là giảm kết dính và giảm độ bền cơ học của bê tông. Hiện tượng rửa vôi thường biểu hiện bằng sự hình thành ở bề mặt bê tông nhưng kết thể, các đá treo, các chất lên hoa màu trắng do sự kết tủa của cacbonatcaxi từ dung dịch chiết xuất giầu về vôi được tiếp xúc với CO2 của không khí. Cường độ của sự tác động phụ thuộc vào sự thay đổi của mực nước, độ đặc chắc của bê tông, kích thước của các khối bê tông và loại xi măng. Xi măng càng vững bền đối với sự tác động của nước ngọt càng ít có chất vôi. 1.2.1.3.2. Nước có chứa CO2 Trong không khí, lượng CO2 chiếm khoảng 0.03% theo thể tích (hoặc chiếm khoảng 0.046% theo trọng lượng). Khí CO2 hoà tan trong nước và trong không khí (nước mưa, sương mù..)
16 đến một giới hạn pH gần 5 ở áp suất và nhiệt độ bình thường. Quá trình tác động lên bê tông của nước tinh khiết có chứa CO2 tấn công được quy định theo phương trình sau: CaCO3 + CO2 + H2O < – > Ca(OH)2 (1-3) Sự kết tủa cacbonat giúp tạo thành bicacbonat, làm cho toàn bộ quá trình được lặp lại theo hai phản ứng: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 < – > 2CaCO3 +2H2O (1-4) CaCO3 + CO2 + H2O < – > Ca(HCO3)2 (1-5) Lượng CO2 tấn công trong nước giúp sự hoà tan lại cacbonat và sự di chuyển đường tấn công. Cường độ của phản ứng phụ thuộc vào hàm lượng CO2 tấn công trong nước, vào khả năng thay nó, vào độ chắc của bê tông. Sự ăn mòn các bê tông đặc rất chậm, nhưng các bê tông xốp có thể xuống cấp rất nhanh. Sự xuống cấp cũng phụ thuộc vào hàm lượng Ca(OH)2 nghĩa là vào loại xi măng. Các xi măng càng bền càng ít giải phóng Ca(OH)2. 1.2.1.3.3. Mưa axít. Nước mưa sạch thường có pH nằm giữa 5.6 và 7 tuỳ theo nó chứa NH 3 nguồn gốc sinh vật hay CO2. Nó không có tác dụng xấu lên bê tông bình thường. Thực chất mưa được gọi là acid có độ pH có thể giảm xuống đến 4 và đôi khi còn thấp hơn rất tác hại. Loại mưa này nhình thành chính bởi sự ô nhiễm từ các oxyd của lưu huỳnh có nguồn gốc công nghiệp hay trong sinh hoạt bình thường (sự đốt cháy than, nhựa đường, các chất đốt..) chiếm khoảng 1/3 toàn bộ SOx trong không khí. Kết quả là sự hình thành H2SO4 rất dễ hòa tan và ngưng tụ thành giọt có thể chứa những kim loại nặng (Hg, Pb, Ag, Cd) cũng như (NH4)2SO4, Na2SO4 và NOx cho acid nitric. Thành phần và pH có thể thay đổi phụ thuộc vào mùa và điều kiện địa phương. Các mưa acid có thể gây ra sự xuống cấp bề mặt tuỳ theo quá trình ít nhiều phức tạp đưa vào các hiện tượng hoà tan do các acid (H 2SO4, HNO3, H2CO3) và sự giãn nở do các sulphat. 1.2.1.3.4. Axít Các axít được đặc trưng bằng độ pH thấp hơn 7. Các hydrat xi măng rất nhạy với các dung dịch axít. Sức tác động của axít không chỉ phụ thuộc vào pH của chúng mà còn phụ thuộc vào độ tan của các muối được hình thành trong lúc có sự tấn công các thành phần calci của bê tông. Phản ứng giữa hydroxyd calci và axít cho một muối có thể tan ít hoặc tan nhiều. Độ hoà tan càng lớn thì acid càng có tính xâm thực bởi vì nó có thể kéo theo sự rửa hoàn toàn chất vôi. Như vậy phản ứng giữa acid cohydric và porland tạo ra clorua calci rất dễ tan gây ra sự rửa hoàn toàn Ca(OH)2 theo phản ứng: Ca(OH)2 +2HCl –> CaCl2 +2H2O (1-6) Sự xuống cấp của bê tông bởi các dung dịch acid kim loại tương ứng chủ yếu với một cơ chế hoà tan của các hydrat calci. Tốc độ và cường độ của sự tấn công phụ thuộc vào tính chất của acid, vào độ pH và độ hoà tan của muối tạo thành.
17 Các acid nitric và chlorhydric, bromhydric tạo ra sự hoà tan nhanh Ca(OH)2 là những chất tấn công mạnh. Acid iodhydric HIO3 có một tính chất tấn công vừa. Acid fluohydric làm phân huỷ các silicat hydrat hoá. Nó tác động rất mạnh ngay cả trong dung dịch loảng. Acid fluo silic kéo theo sự hình thành trên bề mặt của bê tông một chất không tan có tính chất ít nhiều bảo vệ là chất không có tác dụng. Các acid hữu cơ tự do có một cơ chế hoạt động giống như các acid kim loại. Chúng tác dụng bằng cách hoà tan vôi và nó tác động mạnh hay yếu là phụ thuộc vào độ hoà tan các muối tạo thành. 1.2.1.3.5. Các bazơ. Các dung dịch bazơ được đặc trưng bởi sự có mặt của các ion OH - thừa mà nồng độ được biểu thị bằng độ pH lớn hơn 7. Các bê tông của xi măng Portland làm bằng các hạt không phản ứng với các oxyd kiềm rất bề vững với các dung dịch đậm đặc ( từ 10 đến 20 %) của đa số các bazơ. Tuy vậy, nếu một trong các mặt của bê tông tiếp xúc với một dung dịch xút ngay cả với nồng độ thấp, sự xâm nhập của chất này trong hệ thống xốp của vật liệu có thể bằng sự bay hơi và tác động của CO2 trong không khí, gây nên sự kết tinh của các muối như: Na2CO3 + H2O hay Na2CO3.10H2O, áp lực của sự kết tinh các muối này có thể gây ra sự xuống cấp bề mặt của bê tông. Nó thường đạt các sức bền cơ học trước khi các áp lực của sự kết tinh tác động đều. Tác động này nên tránh với các bê tông chưa đủ cứng và các bê tông xốp. 1.2.1.3.6. Các muối. Các muối là sản phẩm của phản ứng giữa acid và bazơ. Các dung dịch của các muối acid mạnh và bazơ mạnh có pH trung tính (pH = 7). Ngược lại sự thuỷ phân các muối của bazơ mạnh với acid yếu và của acid mạnh vơí bazơ yếu dẫn đến các dung dịch có thể kiềm hoặc acid. Quá trình tấn công của các dung dịch muối rất phức tạp, nó không những phụ thuộc vào tính chất của các acid gốc của muối (nói cách khác các anion: SO42-, I-, NO3-, CO3-) vào tính chất của loại cation được kết hợp (Mg2+, NH4+, Na+, Ca2+, ..) và vào áp lực của chúng với các ion calci và các ion hydroxyl OH-. Tác dụng của muối phụ thuộc vào độ hoà tan của sản phẩm vào phản ứng với các hydrat của chất kết dính và vào tính chất giãn nở tức thời. Các muối chlorua, ngoài tác dụng xấu lên thép trong kết cấu bê tông cốt thép mà có thể còn là nguyên nhân các sự hư hỏng của chất kết dính thực thụ, nếu chúng có nồng độ cao và ngay cả nồng độ thấp (< 1000mg/l) trong những khu vực nước thay đổi. Quá trình xuống cấp, trong trường hợp có nồng độ tương đối thấp, tương ứng chủ yếu với sự mất calci của các chất kết dính do sự tạo thành CaCl2 tan thường kéo theo sự rửa dần dần calci. Các ion Cl- xâm nhập rất nhanh và sâu trong bột nhão xi măng cứng tác dụng như một màng bám thấm. Chúng trao đổi với các ion OH- khuếch tán ngược chiều và tạo ra với Ca(OH)2 các cation kiềm thổ ít di động hơn sẽ kết tủa trên bề mặt của bê tông dưới dạng hydroxyd Ca(OH)2, Mg(OH)2.
18 Trong trường hợp nồng độ cao (>15%) ngoài tác dụng hoà tan, các muối chlorua có thể gây ra các sự xuống cấp nguồn gốc lý học. Các sulphat là một trong những nguồn gốc quan trọng sự xuống cấp của bê tông, nó tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí. Nhưng do nguyên nhân gì đi nữa, tác dụng của nó ở trạng thái rắn và khí cần có mặt của nước dưới dạng chất lỏng hoặc hơi. Các sulphat có thể có nguồn gốc tự nhiên, sinh học hoặc từ các chất bẩn sinh hoạt và công nghiệp. Nó thường có trong các đất đá và nó là một thức ăn nuôi dưỡng các cây. Nồng độ của chúng ở đây khá thấp. Nó thay đổi trung bình từ 0.01đến 0.05% đất khô. Nhưng cũng không phải ít khi gặp những nồng độ cao hơn ( > 5%) trong một vài vùng mà phần dưới có chứa thạch cao (CaSO4.2H2O) hay anhydrit CaSO4. Các nước mưa, đặc biệt các mưa acid đã nói ở trên có thể có chứa sulphat dưới dạng acid sulfuric rất đáng sợ cho các bê tông non. Các thông số của sức bền các bê tông đã xuống cấp bởi các sulfat. 1.2.1.3.7. Sự xuống cấp có nguồn gốc sinh học Nước nhỏ xuống ở trong đó xẩy ra các phản ứng vi sinh vật hiếm khí và yếu khí, có khả năng làm hư hỏng bê tông. Các vùng dễ bị hư hỏng là các vùng ở nơi đó các nồng độ của các chất thải lớn, nhiệt độ cao. Trong những vùng ấy sẽ bay lên hydro sulfur khí (CH 2S) do tác động oxy hoá của các vi sinh vật lên các lớp chất hữu cơ hay vô cơ của lưu huỳnh có chứa trong nước. Nó có thể trở thành acid sulphuric H2SO4 bằng cách tự đọng lại trên các bề mặt ẩm ướt và bị oxy hoá bằng các vi sinh vật hiếm khí, Nó có thể gây ra một sự xuống cấp của bê tông bởi sự tác động của acid một phần và phần khác bởi sự phồng lên do sự có mặt của SO42-. Trong các điều kiện có độ ẩm cao một vài nấm mốc có khả năng xâm nhập vào bê tông và tấn công nó bằng cách tạo ra một lượng lớn acid. 1.2.2. SỰ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CÁC CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP. 1.2.2.1. Giới thiệu chung. 1.2.2.1.1. Ăn mòn Về mặt khoa học, sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông cốt thép là một hiện tượng bình thường, giúp cho sắt chuyển qua một trạng thái ổn định hơn về mặt nhiệt động học. Tuổi thọ của một công trình gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn ủ: Khi chưa có một sự xuống cấp nhưng đã có những điều kiện thuận lợi cho sự ăn mòn. - Giai đoạn hao mòn: Khi sự ăn mòn bắt đầu. - Giai đoạn lão hoá: Khi cấu trúc bị xuống cấp vì sự ăn mòn. Chiến lược bảo trì chống lại sự ăn mòn của cốt thép gồm 4 cấp:
19 - Để nguyên: khi những khuyết tật được coi như không quan trọng và được đánh giá là chúng không phát triển. - Theo dõi: Khi khuyết tật không ảnh hưởng đến sự vận hành và sự an toàn của công trình, nhưng nó có thể gây ra những bệnh nặng hơn. Trong trường hợp này, phải kiểm tra vùng bị khuyết tật và theo dõi sự phát triển của nó. - Kiểm tra: Nếu mức độ khuyết tật khó đánh giá hoặc nguy hiểm quan trọng, người ta phải nhờ đến các chuyên gia để kiểm tra sâu hơn. - Sửa chữa: Khi các khuyết tật đe doạ khả năng hoạt động của công trình. Ăn mòn là sự tấn công huỷ diệt một kim loại bằng các phản ứng điện hoá học, dẫn đến một sự di chuyển các ion và điện tử trên mặt phân giới kim loại- dung dịch, dưới sự ảnh hưởng của hiệu điện thế có ở giữa mặt phân giới. Trên bề mặt của kim loại người ta có 2 loại phản ứng song song và đồng thời gắn liền với 1 điện tử. Người ta gọi chúng là những phản ứng điện hóa học liên hợp. Phản ứng điện cực dương (sự ôxy hoá kim loại). - Ion kim loại dời mạng tinh thể để chuyển qua dung dịch. Nó để lại 1 lượng điện tương đương trong pha rắn. Fe –> Fen+ + ne- (1-7) Phản ứng điện cực âm: - Sự khử một chất oxy hóa có mặt trong dung dịch bằng cách lấy các điện tử do điện cực âm cung cấp. Theo môi trường xung quanh và lượng oxy ở điện cực âm người ta có: Khi không có mặt oxy: 2H2O + 2e2OH- + H2 (1-8) H2+ +2e- –> H2 (1-9) Khi có mặt oxy: O2 + 2H2O + 4e- –> 4OH- (1-10) Hai phản ứng điện cực âm và dương xảy ra khi có sự tiếp xúc kim loại. Các tính toán điện động học cho phép xác định dạng ăn mòn tuỳ theo sự di chuyển có thể có từ một trạng thái cân bằng này sang một trạng thái cân bằng khác. Cơ chế và động lực học của quá trình ăn mòn có thể xác định bằng sự phân tích các đường cong phân cực (điện thế - dòng điện). 1.2.2.1.2. Những dạng ăn mòn và cơ chế ăn mòn: Sự ăn mòn nói chung: tương ứng với một sự hoà tan đồng đều của kim loại, người ta thường gặp nó khi vùng phản ứng điện cực âm gần vùng điện cực dương.
20 Sự ăn mòn từng chấm: xuất hiện khi các vùng điện cực âm điện cực dương bé và ở những chỗ không xác định. Sự ăn mòn có chọn lọc: có thể có nếu như vật liệu kim loại có những thành phần rất khác nhau và một số hạt được hoà tan. Sự ăn mòn hang: xẩy ra do sự không đồng đều về tính chất lý học hoặc hoá học trong dung dịch tấn công. Nó đặc trưng bởi sự tấn công mạnh do hình thành trong các pin nhỏ các lỗ hổng của kim loại. Sự ăn mòn chịu tải: xuất hiện do tác dụng song song của sự ăn mòn và tác dụng cơ học. Nếu các lực tác dụng biến đổi, người ta nói đến hiện tượng mỏi - ăn mòn. Cơ chế của sự ăn mòn chịu tải có thể có hai loại: - Một vết nứt xảy ra trong 1 khuyết tật tại chỗ của lớp sơn lót và nó lớn dần dưới tác dụng phối hợp của sự hoà tan rất cục bộ và các lực cơ học. - Độ cứng của thép cường độ cao bị giảm đi bởi sự gia tăng nồng độ hydro do phản ứng điện cực âm, H2 được tập trung trong các vùng có sự biến dạng nhiều nhất, một vết nứt nhỏ do một khuyết tật hình học nhỏ sẽ lớn dần đưa đến sự phá huỷ một thể tích dễ vỡ. 1.2.2.1.3. Môi trường gây các dạng ăn mòn thường gặp: Sự ăn mòn do khí quyển: liên quan chính đến hàm lượng nước có trong các lỗ hổng của bê tông. Khí hậu càng ẩm, nóng, sương mù càng nhiều càng làm cho sự ăn mòn tăng lên. Bụi và các chất bẩn ( CO2, H2SO3, HNO3) có tác dụng xấu đến tính chất của kim loại. Sự ăn mòn bằng nước thiên nhiên: phụ thuộc vào các yếu tố vật lý( như nhiệt độ, mức nước làm ảnh hưởng đến độ vững bền của các chất ăn mòn) hoá học và sinh học. Vì vậy sự biến đổi của các mức nước làm tăng khả năng ăn mòn. Sự ăn mòn tăng mạnh ở bề mặt ngoài của bê tông nơi mà hàm lượng ôxy nhiều hơn cả. Sự ăn mòn trong đất: phụ thuộc vào hàm lượng nước, vào các muối bám vào, vào pH và điển trở của đất. Một sự phân điện cực do các dòng nước tự do, có thể làm cho kim loại bị ăn mòn. Sự ăn mòn bằng các vi sinh vật: tác dụng của các vi sinh vật lên các kim loại có thể xẩy ra theo 5 quy trình phối hợp, tác dụng riêng lẻ hoặc tác dụng liên tiếp nhau theo thời gian: - Sự ăn mòn hoá học do 1 tác nhân ăn mòn, sản phẩm của sự chuyển hoá của các vi sinh vật. - Sự ăn mòn điện hóa học tương ứng với các sự hình thành các pin của nồng độ các muối trên bề mặt của kim loại do các vi sinh vật. - Sự ăn mòn điện hoá học gắn liền vào sự phân cực âm do các vi sinh vật. - Sự phá huỷ các màng bảo vệ bởi các vi sinh vật. - Sự ức chế hoặc phá huỷ các chất ức chế việc ăn mòn.