Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu" là xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ; Xây dựng các mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông nhẹ; Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông nhẹ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI __________________________ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng Cầu Hầm TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Thế Truyền Trường Đại học Giao thông Vận tải 2. PGS.TS. Đỗ Anh Tú Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào lúc … ngày …/…/2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải 2
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thực tế áp ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình ở các nước trên thế giới cho thấy các ưu điểm nổi bật như: Giảm trọng lượng bản thân của kết cấu cầu, do đó nâng cao năng lực khai thác của hoạt tải; Giảm chi phí cẩu lắp và vận chuyển các cấu kiện đúc sẵn do trọng lượng kết cấu được giảm bớt. Điều này thuận tiện cho thi công lao lắp và giảm giá thành xây dựng. Tăng độ bền của kết cấu do dính kết giữa cốt liệu và đá xi măng tốt; Giảm được hiệu ứng tập trung ứng suất thường được tạo ra xung quanh các hạt cốt liệu đối với bê tông thường. Giảm các đường nứt vi mô do co ngót và từ biến gây ra. Tăng độ bền của bê tông do giảm được các đường nứt vi mô; Cải thiện khả năng chống thấm nhập của các ion clo. Minh chứng về hàm lượng ion Cl- sau 23 năm khai thác của các nhà nghiên cứu của Mỹ cho thấy: Theo khi chiều dày lớp bê tông tăng lên hàm lượng ion Cl- giảm đi so với bê tông thường Hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình nhà cửa đã được thực hiện tương đối nhiều; bước đầu đã có các nghiên cứu ứng dụng trong xây dựng giao thông, đặc biệt là xây dựng các bộ phận kết cấu cầu. Một số công trình điển hình như Khách sạn Fortuna Hà nội, Trung thâm thể thao Long Biên hay Hà nội Club do công ty Cổ phần sản xuất bê tông nhẹ Thiên Giang thực hiện. Công trình nhà 7 tầng nhà số 132 Khuất Duy Tiến; nhà 6 tầng số 130 phố Giảng Võ; khách sạn 11 tầng phố Hàng Thùng; sàn 200 m2 nhà hàng Xanh Plat số 10 Phạm Ngọc Thạch… do Công ty Xây dụng và Phát triển hạ tầng Đô thị Hà Nội (CiCo) thực hiện. Các kết quả thu được rất khả quan và được Bộ Xây dựng đánh giá rất cao. Tuy nhiên trong ngành xây dựng giao thông nói chung, xây dựng kết cấu công trình cầu nói riêng thì đây còn là vấn đề cần được nghiên cứu áp dụng. Thiết kế thành phần cấp phối của bê tông nhẹ và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông nhẹ đã được nhiều nghiên cứu đề cập. Các kết quả đã cho thấy nhưng điểm giống và khác biệt của bê tông nhẹ so với bê tông thường cùng cấp cường độ chịu nén. Tuy vậy, độ bền lâu của bê tông nhẹ, của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ vẫn là câu hỏi cần được trả lời, đặc biệt là với các loại bê tông nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam và các kết cấu sử dụng bê tông nhẹ khai thác trong điều kiện khí hậu thời tiết ở Việt Nam. Đánh giá độ bền của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ đã được một số nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Về nguyên tắc, các phương pháp đo đạc đánh giá tính thấm nước, thấm clo của bê tông nhẹ cũng như dự đoán tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ được thực hiện giống như đối với bê tông thường. Tuy vậy, các kết quả thu được độ phân tán lớn, nguyên nhân chính là do thành phần cốt liệu khác nhau, tuổi bê tông khác nhau, dạng mẫu và phương pháp thí nghiệm khác nhau. Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ hiện là một vấn đề rất mới ở Việt Nam; đặc biệt là có xét đến ảnh hưởng của yếu tố tải trọng. Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào thực hiện về vấn đề này. Cần thiết phải có các nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của kết cấu bê tông nhẹ nhằm bổ sung cơ sở dữ liệu cho công tác thiết kế của các kết cấu bê tông nhẹ sử dụng trong xây dựng dân dụng và xây dựng giao thông. Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ, có thể xây dựng các mô hình dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép. Từ những đòi hỏi cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất được mô hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông cốt liệu nhẹ và ứng dụng trong dự báo tuổi thọ công trình bằng bê tông cốt thép nói chung và các công trình cầu nói riêng, đặc biệt là phù hợp với triết lý thiết kế cầu theo xác suất của tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam, đề tài nghiên cứu “Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu có sử dụng lý thuyết xác suất” được lựa chọn làm đề tài luận án. Nội dung luận án gồm 4 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị 1
 Mở đầu  Chương 1: Tổng quan về bê tông nhẹ, các nghiên cứu liên quan đến độ bền của bê tông nhẹ và các kết cấu sử dụng bê tông nhẹ.  Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ.  Chương 3: Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ của kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.  Chương 4: Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng đồng thời của hiệu ứng tải trọng và tác động của môi trường. Kết luận và kiến nghị 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án là:  Xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ.  Xây dựng các mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông nhẹ.  Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông nhẹ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit và các kết cấu sử dụng loại bê tông nhẹ này. Các đặc tính bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và tuổi thọ kết cấu bê tông nhẹ. 3.2. Phạm vi nghiên cứu  Luận án chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề tác động ăn mòn thép của ion clo, không đề cập đến ăn mòn bê tông của sunphat.  Nghiên cứu các đặc tính bền của bê tông nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam: khả năng chống thấm nước, thấm ion clo trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và thời gian theo quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm.  Dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ. 4. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp tổng hợp, phân tích và so sánh.  Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Sử dụng các lý thuyết tiên tiến về độ bền của bê tông để xác định các tương quan (công thức) thực nghiệm và triển khai nghiên cứu thực nghiệm với vật liệu và kết cấu bê tông nhẹ để kiểm chứng.  Mô hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ. 5. Những đóng góp mới của luận án  Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước và thấm ion clo qua bê tông nhẹ C30 chịu ảnh hưởng của tải trọng.  Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng nén thì độ thấm nước của bê tông tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tông bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng do tác động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp. Một mô hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế tải trọng và ghi nhận số liệu hoàn toàn tự động.  Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của tải trọng nén đến độ thấm ion clo của bê tông nhẹ. Một mô hình thí nghiệm thấm ion clo có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình kiểm soát lực nén trong bê tông nhẹ. 2
 Luận án đã đề xuất được mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clo và hệ số thấm nước của bê tông nhẹ. Xác định được hệ số Ck để tính toán hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước của cùng loại bê tông nhẹ. Từ đó đề xuất công thức tính toán quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông nhẹ có xét đến ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông cho loại bê tông nhẹ xem xét.  Luận án xây dựng được mô hình tính toán dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu công trình bê tông nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng của tải trọng thường xuyên và tải trọng khai thác. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ Bê tông cốt liệu nhẹ và ứng dụng Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [43], bê tông nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [25] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1.120 - 1.920kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m3 trong bê tông truyền thống xuống còn 1.900kg/m3 đối với bê tông nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng. Việc sử dụng cốt liệu nhẹ là yếu tố cơ bản để đạt được một KLTT nhỏ. Ngoài KLTT của cốt liệu, KLTT của bê tông còn phụ thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ ẩm cốt liệu, hàm lượng khí, hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia hóa học và phụ gia khoáng… Bên cạnh vật liệu, KLTT của bê tông cũng phụ thuộc vào phương pháp đầm nén, điều kiện bảo dưỡng… KLTT của BTCLN chịu lực biến đổi từ 1200 - 2000 kg/m3 so với 2300 - 2400 kg/m3 của bê tông nặng. Đa số các tính chất của BTCLN đều liên quan đến KLTT, đặc biệt là cường độ nén. Nghiên cứu độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ Độ thấm nước được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thấm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng. Độ thấm của bê tông nhẹ, một loại vật liệu rỗng, phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng. Theo Scrivener (2001), khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống; và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh. Dưới tác động cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh [61]. Hình 1.1 - Ảnh hưởng của độ rỗng, dạng - kích thước đường rỗng và tính liên thông của các lỗ rỗng đến độ thấm của bê tông (Scrivener (2001)) 3
Các nghiên cứu của Abbas (2000) về ảnh hưởng của không gian rỗng đến cường độ và độ thấm của bê tông nhẹ cho thấy, cường độ bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên, độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông giữa các lỗ rỗng. Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ học, nhiệt độ cao, ăn mòn...) trong quá trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh. Sự chênh lệch về độ ẩm, của áp lực thủy tĩnh, của ứng suất, nhiệt độ, và của nồng độ các hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của các chất lưu trong vật liệu rỗng; do vậy, sự di chuyển của dòng lưu chất xảy ra để thiết lập lại sự cân bằng mới. Quá trình di chuyển của dòng lưu chất này thông thường được mô tả ở các phương diện như hút bám, khuếch tán, hấp thụ và thấm. Trong bê tông, cả cấu trúc vật lý của bê tông và trạng thái của nước trong lỗ rỗng ảnh hưởng đến những quá trình này. Đặng Thùy Chi (2018) [3] đã nghiên cứu về xác định độ chống thấm của bê tông cốt liệu nhẹ. Mỗi cấp bê tông được thí nghiệm trên một tổ mẫu gồm 6 viên hình trụ đường kính 150, chiều cao 150 mm. Kết quả cho thấy loại BTCLN LC40 bị nước thấm qua khi áp lực nước đạt 12 atm, đạt được cấp chống thấm B10. Trong khi hai loại BTCLN LC50 và LC60 áp lực nước lớn hơn 12 atm, mẫu vẫn chưa bị nước thấm qua, đạt được cấp chống thấm lớn nhất B12. Kết quả này cũng tương tự như bê tông nặng thông thường. Nghiên cứu độ bền thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ Theo kết quả nghiên cứu của Youm và đồng sự [70] về BTCLN sử dụng muội silic, muội silic cải thiện vi cấu trúc của vữa xi măng, qua đó cải thiện độ chống thấm ion clo của bê tông nhẹ. Và BTCLN sử dụng muội silic có kết quả thử độ thấm ion clo ít bị ảnh hưởng bởi loại cốt liệu. Mặt khác, Liu và đồng sự [51] đã nhận xét rằng mức độ thấm ion clo của BTCLN tăng lên khi tăng hàm lượng CLN trong bê tông. Ngoài ra, Liu và đồng sự cũng tổng kết rằng bê tông dùng CLN và cát thường có cùng độ chống thấm, độ thấm thấm ion clo so với bê tông thường có cùng tỉ lệ N/CKD. Basheer, & Long, 2005, Lo et al., 2008 [52] cho thấy khi tỷ lệ cốt liệu nhẹ tăng lên thì độ bền của bê tông nhẹ giảm xuống. Nguyên nhân được giải thích là do diện tích liên kết hồ xi măng và cốt liệu tăng lên, đây làm điểm khiến cho khả năng xâm nhập nước và ion clo tăng mặc dù phần lớn ion clo không xâm nhập qua các cốt liệu nhẹ (Chia & Zhang, 2002 [36]). Đặng Thùy Chi (2018) thực hiện các thí nghiệm đo đạc độ thấm của bê tông nhẹ với 3 cấp cường độ mục tiêu 30, 50 và 60 MPa. Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo cho thấy mức độ thấm tăng dần từ 166 Columb đến 193 Columb khi cường độ chịu nén trung bình giảm từ 69 xuống 50 MPa. Mức độ thấm rất thấp tương đương giá trị trung bình đo được trên các loại bê tông nặng cường độ nén bằng 80 MPa [33]. Như vậy, kết quả thí nghiệm dường như phù hợp với các nhận xét của Liu [51] là BTCLN có độ thấm ion clo cao hơn so với bê tông nặng có cùng cường độ chịu nén ngày 28 (nhưng có tỉ lệ N/CKD cao hơn) Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng Năm 1980, tại hội nghị quốc tế vể bê tông trong môi trường biển do viện bê tông Mỹ (ACI) tổ chức, Tuuti [16] cho rằng, các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển sẽ bị các ion clorua khuếch tán vào bê tông và tích tụ trên bề mặt cốt thép. Khi nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt tới ngưỡng nồng độ tới hạn nó sẽ bắt đầu gây ăn mòn cốt thép. Cốt thép bị ăn mòn sẽ dẫn tới hai hậu quả. Thứ nhất là nó làm giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dẫn tới giảm sức kháng lại các tải trọng. Thứ hai, cốt thép bị ăn mòn sẽ sinh ra các sản phẩm ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn nở thể tích gây ra ứng suất kéo trong lớp bê tông bảo vệ và gây nứt, tách, vỡ bê tông. Mô hình hóa dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông cốt thép do khuếch tán ion clorua cần chỉ ra các quá trình dẫn đến ăn mòn thép trong bê tông do ion clorua gây ra. Các quá trình này cơ bản được mô tả như sau: - Ion clorua trong môi trường tích lũy trên bề mặt bê tông. 4
- Ion clorua được khuếch tán vào bê tông qua một số cơ chế mà chủ yếu là khuếch tán. - Nồng độ ion clorua được tích lũy theo thời gian tại bề mặt của cốt thép. - Khi nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt tới mức ngưỡng tới hạn, thì màng thụ động trên mặt cốt thép bị phá vỡ và quá trình ăn mòn bắt đầu xảy ra. - Sản phẩm của ăn mòn có thể tích lớn hơn cốt thép đã bị ăn mòn, gây ra ứng suất kéo trong lớp bê tông bảo vệ. - Bê tông chịu kéo kém, do vậy sẽ xuất hiện các vết nứt hoặc thẳng góc hoặc nằm ngang hình thành tách lớp giữa các cốt thép. - Các vết nứt tạo thành rạn nứt hoặc vỡ làm cho kết cấu bị xuống cấp như chức năng sử dụng không còn được đảm bảo hoặc gây mất an toàn. Đây có thể xem là thời điểm mà yêu cầu phải sửa chữa. - Ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện thép, dẫn đến trạng thái giới hạn chịu lực không còn thỏa mãn. Tuutti, K. đã đưa ra mô hình hai giai đoạn của tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép như trong hình 1.2. Theo đó tuổi thọ sử dụng gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn theo phương trình 1.1. t = t1 + t 2 ; (1.1) trong đó: - t là tuổi thọ đã sử dụng ; - t1 là giai đoạn khởi đầu ăn mòn; - t2 là giai đoạn lan truyền ăn mòn. Hình 1.2 - Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai đoạn của Tuuti (1980) Kết luận chương 1 Qua nhiều nghiên cứu về độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ, đã chỉ ra rằng, tính thấm của bê tông chịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: Một là đặc điểm độ rỗng như kích thước, độ ngoằn ngoèo, và tính liên thông giữa các lỗ rỗng, hai là các vết nứt vi mô trong bê tông, đặc biệt là tại mặt liên kết giữa cốt liệu và chất kế dính. Trong đó, ảnh hưởng của ứng suất do các tác động từ bên ngoài đến độ thấm bê tông vẫn còn chưa được làm rõ. Trong khi đó, với các công trình xây dựng trong môi trường biển, hiện tượng hư hỏng quan trọng cần phải tính đến đó là quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông do các ion clorua. Đã có rất nhiều nghiên cứu đưa ra các đề xuất, mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clorua của bê tông, tỷ lệ nước/ xi măng, thời gian, số điện lượng Coulombs. Ngoài ra, những nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của trạng thái ứng suất nén trước trong bê tông cũng đã được thực hiện. Các thí nghiệm khuếch tán ion qua bê tông bao gồm thí nghiệm khuếch tán trạng thái ổn định, thí nghiệm khuếch tán trạng thái không ổn định, thí nghiệm di trú vùng điện trường. Nói chung, việc thực hiện các thí nghiệm thấm ion clorua còn phức tạp (đặc biệt khi xét đến các trạng thái ứng suất trong bê tông). Nên việc xác định gián tiếp hệ số khuếch tán ion clorua thông qua các thí nghiệm đơn giản hơn như thí nghiệm thấm nước có ý nghĩa quan trọng trong công tác đánh giá độ bền và dự báo tuổi thọ của các kết cấu công trình bằng bê tông cốt liệu nhẹ. 5
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 2.1. Đặt vấn đề Mục đích của các thí nghiệm trong chương này là đánh giá độ thấm nước của một số loại bê tông nhẹ điển hình thường dùng trong các công trình cầu ở Việt Nam. Loaị bê tông nhẹ có cường độ 30 MPa (ký hiệu C30) được sử dụng trong các thí nghiệm này. Chương trình thí nghiệm bao gồm các thí nghiệm sau: - Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông. - Thí nghiệm xác định độ thấm nước và thấm clo của bê tông chịu ứng suất nén trước. - Thí nghiệm xác định độ thấm nước và thấm clo của bê tông chịu ứng suất nén trực tiếp. Để thiết kế cấp phối cho bê tông có cường độ chịu nén fc’ = 30 MPa (C30), nghiên cứu sinh dùng xi măng Bỉm Sơn - PC 40 (đạt yêu cầu của TCVN 2682: 2009). Cốt liệu nhỏ (cát) Cát dùng để chế tạo bê tông là cát thiên nhiên có cỡ hạt từ 0.14 đến 5mm - theo TCVN 7570-2008; từ 0.075 đến 4.75 mm - theo tiêu chuẩn của Mỹ và từ 0.08 đến 5mm theo tiêu chuẩn của Pháp. Cát được sử dụng trong nghiên cứu này là cát sông Đà.  Cốt liệu lớn (đá dăm) Sử dụng đá dăm Hòa Bình. Vật liệu đá để chế tạo bê tông phải có cường độ và độ hao mòn phù hợp. Đá dăm có độ nhám tốt, liên kết chặt chẽ với vữa xi măng nên cường độ kháng uốn của bê tông đá dăm cao hơn so với bê tông đá sỏi.  Nước Dùng nước sinh hoạt để sản xuất và bảo dưỡng bê tông. Nước dùng phải là nước sạch theo TCVN 4056: 2012 Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. 2.2. Kết quả thí nghiệm thấm nước với mẫu bê tông chịu ứng suất nén trước Dựa vào kết quả các thí nghiệm nói trên, ta xây dựng biểu đồ độ chống thấm nước của bê tông C30 khi xét đến ứng suất nén trước như sau (Hình 2.1): Hình 2.1 - Gia tăng độ thấm nước K theo ứng suất tương đối max Ở ngưỡng max > 0.5 đánh dấu sự gia tăng nhanh của độ thấm nước khi áp lực nước lớn hơn 10 atm, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của ứng suất nén trước đủ lớn đến gia tăng độ thấm nước của bê tông nhẹ, chính các tác động cơ học dư này tạo điều kiện cho nước thẩm thấu dễ dàng hơn qua mẫu bê tông, đặc biệt khi max > 0.5, sự xuất hiện sự phá hủy bê tông đã làm cho gia tăng thấm nước tăng nhanh hơn. Đặc biệt trong thí nghiệm, ta thấy ở ngưỡng max = 0.8 đã cho ta thấy sự chênh lệch rất lớn về độ thấm nước trong bê tông nhẹ. 6
Hình 2.2 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.6. Hình 2.3 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.7. Độ thấm nước của bê tông gần như không thay đổi hoặc thay đổi chậm khi giá trị ứng suất tương đối max < 0.5; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh. Khi ứng suất tương đối max ≥ 0.6, độ thấm nước gia tăng rất nhanh; điều này có thể giải thích là do cấu trúc vi mô của bê tông bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất này - vốn là ngưỡng làm xuất hiện các vùng phá hủy phân tán (theo tiếp cận của cơ học phá hủy bê tông) - làm gia tăng độ thấm nước của bê tông. Quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông sau 28 ngày tuổi trong thí nghiệm này cũng tương tự như quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông non tuổi đã công bố của Banthia & al (2005) khi phá hủy cơ học chưa xuất hiện trong bê tông. 1600 1400 MẪU 1 MẪU 2 Điện lượng (Coulombs) 1200 MẪU 3 1000 MẪU 4 800 MẪU 5 600 MẪU 6 400 200 0 0 (max) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Hình 2.4 - Độ thấm clo của bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất nén trước trong bê tông 7
Ta thấy khi ứng suất nén trước trong bê tông: max ≤ 0,5 thì độ thấm ion clo tăng tuyến tính và khá đều; sau ngưỡng này thì độ thấm clo tăng mạnh. Độ thấm ion clo của bê tông cấp 30Mpa ở các cấp chịu tải 30%f’c, 50%f’c, có giá trị từ 200 - 300(C) - ở mức trung bình, khi cấp chịu tải là 80%f’c điện lượng truyền qua mẫu tăng nhanh đạt 1300(C) - ở mức cao. Hình 2.5 - Quy luật gia tăng của hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước của mẫu bê tông cốt liệu nhẹ C30 Ta thấy, khi ứng suất nén thấp hơn 0.5max sự thay đổi độ thấm không đáng kể, nhưng khi ứng suất nén trước đạt đến 0.7max thì hệ số thấm tăng khoảng 2.7 lần so với độ thấm của bê tông không chịu tải. Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trước của bê tông cốt liệu nhẹ C30 được biểu diễn theo công thức như sau: Hồi quy hàm mũ: D/Do = 9.1226(max)2 – 3.4256(max) + 1.0816 (2.12) Hình 2.6 - Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tông nhẹ chịu nén trực tiếp Quan hệ của độ thấm ion clo (C) của bê tông C30 theo thí nghiệm thấm nhanh tương ứng với các giá trị ứng suất khi nén đồng thời mẫu bê tông được biểu diễn trên hình 2.7. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ thấm ion clo thay đổi mạnh khi có sự xuất hiện của tải trọng tác động đồng thời. Tuy nhiên trước và sau khi gia tải độ thấm ion clo đều nằm trong mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012. Khi tăng tải trọng tương ứng với cấp suất  lên 30% và 50% so với cấp ứng suất max, độ thấm của bê tông tăng lần lượt là 24,50% và 39,48%. Khi tăng ứng suất lên 80% max độ thấm của bê tông có sự gia tăng lớn. Trong trường hợp độ thấm ion clo giảm 8
sẽ dẫn tới kéo dài thời gian xâm nhập ion clo qua lớp bê tông bảo vệ để gây ăn mòn cốt thép trong các công trình bê tông cốt thép. Từ kết quả này cho thấy rằng trong kết cấu bê tông ứng suất trước, khi có ứng suất nén trong bê tông nằm trong giới hạn phù hợp có thể kéo dài thời gian xâm nhập và làm tăng tuổi thọ do quá trình xâm nhập ion clo. Hình 2.7 - Quan hệ của độ thấm ion clo qua bê tông với cấp ứng suất nén bê tông nhẹ Quy luật gia tăng hệ số thấm ion clo theo ứng suất nén trực tiếp của bê tông nhẹ C30 được biểu diễn theo công thức như sau: Hồi quy hàm mũ: D/Do = 4.4975(max)2 – 1.9529(max) + 0.9543 (2.13) Banthia & al (2008) đề nghị mối quan hệ giữa hệ số thấm nước K và hệ số khuếch tán ion clo D của bê tông cốt sợi như sau: K=𝐶 𝐾 𝑥𝐹 0.5 𝑥𝑆 0.5 𝑥𝐷 Trong đó: - S là hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất nén trong bê tông, hệ số này được biểu diễn bằng 𝐾 𝑐ó 𝑡ả𝑖 tỷ lệ giữa hệ số thấm nước của bê tông có gia tải và bê tông không chịu tải: S = 𝐾 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑡ả𝑖 - F là hệ số xét đến ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi trong bê tông; hệ số F được biểu diễn bằng tỷ lệ giữa hệ số thấm nước của bê tông có cốt sợi và hệ số thấm nước của bê tông không 𝐾 𝑐ó 𝑐ố𝑡 𝑠ợ𝑖 có sợi. Khi chỉ xét đến bê tông thường (F = 1): F = 𝐾 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑐ố𝑡 𝑠ợ𝑖 - Ck là hệ số xét đến tương quan giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông 𝐾 không chịu tải: Ck = 𝐷0 Hệ số khuếch tán ion clo của bê tông được tính từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo theo Berke và Hicks (1993) như sau: D = 1,03x10-2xQ0,84 x10-12(m2/s) Hệ số Ck cho bê tông C30 xét đến tương quan giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông không chịu tải được tính từ kết quả thí nghiệm thấm nước và thấm ion clo là: 3.5𝑥10−11 𝐶𝑘 = = 29.05 1.205𝑥10−12 9
Hình 2.8 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clo dựa trên lý thuyết Banthia và kết quả thí nghiệm của bê tông nhẹ C30 Qua hình 2.8, cho thấy, kết quả tính toán hệ số khuếch tán ion clo theo lí thuyết, và kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo là khá sát nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi cấp ứng suất trong bê tông max ≤ 0,3 thì hệ số khuếch tán ion clo giảm, khi cấp ứng suất này tăng lên, hệ số khuếch tán tăng dần. Tăng mạnh khi cấp ứng suất trong bê tông vượt ngưỡng max ≥ 0,6. Kết quả tính toán cho phép đề xuất công thức tính hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước như sau: - Với bê tông C30: Kw = 29.05 S0.5 D Với công thức này, ta có thể dễ dàng tính toán hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước của một số loại bê tông thường dùng. 2.3. Kết luận chương 2 Kết quả thí nghiệm xác định độ chống thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ứng suất nén trước cho thấy, ở ngưỡng max > 0.5 đánh dấu sự gia tăng nhanh của độ thấm nước khi áp lực nước lớn hơn 10atm, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của ứng suất nén trước đủ lớn đến gia tăng độ thấm nước của bê tông nhẹ, chính các tác động cơ học dư này tạo điều kiện cho nước thẩm thấu dễ dàng hơn qua mẫu bê tông, đặc biệt khi max > 0.5, sự xuất hiện sự phá hủy bê tông đã làm cho gia tăng thấm nước tăng nhanh hơn. Đặc biệt trong thí nghiệm, ta thấy ở ngưỡng max = 0.8 đã cho ta thấy sự chênh lệch rất lớn về độ thấm nước trong bê tông nhẹ. Kết quả thí nghiệm đo thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ứng suất nén trực tiếp cho thấy, Độ thấm nước của bê tông gần như không thay đổi hoặc thay đổi chậm khi giá trị ứng suất tương đối max < 0.5; sau ngưỡng này, hệ số thấm bắt đầu tăng nhanh. Khi ứng suất tương đối max ≥ 0.6, độ thấm nước gia tăng rất nhanh; điều này có thể giải thích là do cấu trúc vimô của bê tông bị phá hủy sau ngưỡng ứng suất này - vốn là ngưỡng làm xuất hiện các vùng phá hủy phân tán (theo tiếp cận của cơ học phá hủy bê tông) - làm gia tăng độ thấm nước của bê tông. Quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông sau 28 ngày tuổi trong thí nghiệm này cũng tương tự như quy luật gia tăng độ thấm nước của bê tông non tuổi đã công bố của Banthia & al (2005) khi phá hủy cơ học chưa xuất hiện trong bê tông. Kết quả thí nghiệm thấm ion clo với mẫu bê tông chịu ứng suất nén trước cho thấy, khi ứng suất nén trước trong bê tông max ≤ 0,8 thì độ thấm ion clo tăng tuyến tính và khá đều; sau ngưỡng này thì độ thấm ion clo tăng mạnh. Kết quả thí nghiệm thấm ion clo với mẫu bê tông chiụ tải trọng trực tiếp cho thấy, độ thấm ion clo thay đổi mạnh khi có sự xuất hiện của tải trọng tác động đồng thời. Tuy nhiên trước và sau khi gia tải độ thấm ion clo đều nằm trong mức “trung bình” theo TCVN 9337-2012. Sự suy giảm độ thấm tại ứng suất 30% max được giải thích là do ứng suất gây biến dạng vi mô 10
và vì ứng suất vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi nên chưa phát sinh vết nứt mà ngược lại làm tăng độ đặc và giảm lỗ rỗng của bê tông do đó làm giảm độ thấm. Tốc độ xâm nhập ion clo qua bê tông giảm khi ứng suất ở mức 30% max và tăng ở mức 50% max và 70% max. Cuối cùng, tác giả đề xuất mối quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông. Với bê tông C30: Kw = 29.05 S0.5 D CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔİ THỌ CỦA KẾT CẤU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ 3.1. Đặt vấn đề Mục đích của chương này là xây dựng mô hình dự báo ảnh hưởng của tải trọng và môi trường đến tuổi thọ các kết cấu công trình cầu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. Các kết quả thí nghiệm trong chương 2 sẽ được sử dụng làm cơ sở thiết lập các mô hình dự báo tuổi thọ công trình. Các mô hình này sẽ được ứng dụng trong dự báo tuổi thọ một công trình cầu cụ thể. Chương này được cấu trúc thành 2 phần chính. Phần đầu chương là phần xây dựng mô hình dự báo có xem xét đến đồng thời ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện môi trường. Phần thứ 2 là các tính toán dự báo tuổi thọ với một công trình cầu cụ thể có xét đến sự thay đổi của chiều dày lớp bê tông bảo vệ, nồng độ ion clo bề mặt, ứng suất nén trước và nén trực tiếp trong bê tông. 3.2. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, chỉ đề cập tới tuổi thọ sử dụng theo sự xâm nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tông gây ăn mòn cốt thép. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập ion clo là thời gian từ khi bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo đến khi ion clo gây ra ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt bê tông bảo vệ hoặc tới 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. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép tính theo sự xâm nhập ion clo sẽ được tính bằng năm và là tổng của hai giai đoạn kế tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Trong phạm vi luận án này, liên quan đến phá hoại dài hạn của công trình do bị ăn mòn, chỉ xem xét đánh giá tuổi thọ của một công trình giao thông bằng bê tông cốt thép như là thời gian bắt đầu có sự ăn mòn các cốt thép trong bê tông do sự khuếch tán ion clo vào bê tông hay chính xác hơn là thời gian mà nồng độ ion clo (C) ở bề mặt các cốt thép đạt đến giá trị tới hạn (Ccr). Sự thay đổi của tuổi thọ công trình theo tiêu chí ăn mòn này được biểu diễn theo các thay đổi về bề dày lớp bê tông bảo vệ và độ thấm của bê tông liên quan đến hệ số khuếch tán ion clo vào trong bê tông có xét đến yếu tố ứng suất. 3.3. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tông Các thông số đầu vào trong bài toán là quan trọng. Luận án này sẽ dựa trên những thông số đầu vào từ các thí nghiệm ở chương 2 cùng với kết quả của các tác giả trong và ngoài nước. Các thông số đó sẽ được kiến nghị sử dụng cho mô hình sẽ được xây dựng. 3.3.1. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ công trình cầu bê tông cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mòn cốt thép Năm 1975, Crank đưa ra mô hình toán học cho quá trình khuếch tán dựa trên định luật Fick II. Trong trường hợp hệ số khuếch tán là hằng số, nông độ ion clorua trên bề mặt cốt thép ở công thức 3.1 với điều kiện biên C0 = C(0,t) (tức hàm lượng ion clorua bề mặt là hằng số) và điệu kiện ban đầu C = 0, x > 0 và t = 0, được xác định bởi: x Cx = Cs (1 − erf ( )) ; (3.1) 2√Dt 11
trong đó: - Cx là nồng độ ion clorua ở chiều sâu x; - erf là hàm sai số; - Cs là nồng độ ion clorua ở bề mặt bê tông của kết cấu; - t là thời gian xem xét; - x là chiều sâu tính từ bề mặt bê tông của kết cấu ; - D là hệ số khuếch tán ion clorua. Quá trình ăn mòn cốt thép bắt đầu khi Cx = Ccr ; khi đó x = h (chiều dày lớp bê tông bảo vệ) ta có: h Ccr = Cs (1 − erf ( )) (3.2) 2√Dt Thực tế thì tuổi thọ của các công trình nói chung và các công trình giao thông nói riêng theo tiêu chí ăn mòn cao hơn đáng kể so với kết quả được tính theo công thức ở trên vì độ khuếch tán clorua và nồng độ clorua bề mặt là những yếu tố phụ thuộc vào thời gian. Ðể xem xét yếu tố thời gian trong biểu diễn giá trị độ khuếch tán clorua của bê tông thường nguyên vẹn, Mangat & Molloy (1994) đề nghị quy luật thay đổi Kc theo thời gian có dạng như sau: t0 m D = D28 ( ) ; (3.3) t trong đó: - D28: là hệ số khuếch tán ion Clorua tại tuổi 28 ngày; - t0 : tuổi bê tông (t0 = 28 ngày) ; - m : là hệ số thực nghiệm được lấy như sau : (theo A.Costa and J.Appleton (1998))  Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển: m = 0.245 ;  Vùng thủy triều lên xuống: m = 0.2 ;  Vùng khí hậu ven biển: m = 0.29. Để xem xét yếu tố thời gian trong biểu diễn giá trị nồng độ clorua bề mặt Cs trong luận án này tác giả lấy hay dổi theo đề nghị của A. Costa & J.Appeleton (1998) như sau: Cs = Cso . t n ; (3.4) trong đó: Cso là nồng độ clorua bề mặt sau thời gian 1 năm; n là hệ số thực nghiệm. Theo các điều kiện môi trường khác nhau các giá trị Cso (theo % khối lượng bê tông) và n cho bê tông thường điển hình được lấy như sau (A. Costa & J.Appeleton (1999)): - Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển: Cso = 0.24; n = 0.47; - Vùng thủy triều lên xuống: Cso = 0.38; n = 0.37; - Vùng khí hậu ven biển: Cso = 0.12; n = 0.54. Như vậy nếu xét đến sự thay đổi theo thời gian của hệ số khuếch tán clorua và nồng dộ clorua bề mặt thì (3.2) được viết lại như sau: x Cx = Cso t n (1 − erf ( ) (3.5) 2√D28 𝑡0𝑚 t1−m Chiều dày nhỏ nhất của lớp bê tông bảo vệ h cần thiết để chống ăn mòn cốt thép trong bê tông được tính như sau: Ccr h = 2√3D28 𝑡0𝑚 t1−m × erf −1 ( ) (3.6) Cso t n 3.3.2. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ công trình cầu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tông Khác với trạng thái khi không chịu tải, cấu trúc bê tông còn nguyên vẹn, khi phải chịu một tải trọng đủ lớn, cấu trúc bê tông bị phá hủy dẫn đến độ thấm của bê tông tăng rất nhanh, điều này sẽ tạo diều kiện cho độ khuếch tán clorua vào bê tông tăng càng nhanh, làm tăng nồng độ ion Clo ở bề mặt cốt thép và hậu quả là gây ăn mòn cốt thép sớm hơn. Để giải thích điều này, 12
khi ứng suất trong bê tông vượt quá giới hạn nứt sẽ làm cho bê tông nứt và tạo điều kiện cho độ thấm nước và độ khuếch tán ion clorua tăng nhanh. Ðể xét ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến quá trình khuếch tán ion clorua vào bê tông, công thức xác định mối quan hệ giữa sự gia tăng hệ số khuếch tán ion clorua theo thời gian và trạng thái ứng suất nén trước hay nén trực tiếp ở chương sẽ được sử dụng trong các tính toán. Do đó, từ công thức 3.5 và 3.6 ta thiết lập được công thức xác định tuổi thọ công trình bê tông cốt thép theo tiêu chí khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. a) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trước b) Trường hợp xét tới trạng thái ứng suất nén trực tiếp 3.4. Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến lí thuyết xác suất 3.4.1. Lý thuyết xác suất hư hỏng và tuổi thọ dài hạn Mô hình tính toán đơn giản nhất để mô tả trường hợp hư hỏng một biến số tải trọng S và một biến số sức kháng R. Về nguyên tắc, biến số R và S có thể là nhiều tải trọng và được biểu diễn trong nhiều đơn vị. Chỉ duy nhất yêu cầu là chúng có tỷ lệ. Nếu R và S độc lập với thời gian, trường hợp hư hỏng có thể được hiểu như sau (Kraker, de Tichler và Vrouwenvelder, 1982): {Hư hỏng} = {R < S} (3.7) Nói cách khác hư hỏng xảy ra khi sức kháng nhỏ hơn tải trọng tác dụng lên kết cấu. Xác suất hư hỏng Pf bây giờ được định nghĩa như xác suất hư hỏng đó. Pf = P (R < S) (3.8) Sức kháng R hoặc tải trọng S hoặc cả hai đều có thể là các tải trọng phụ thuộc vào thời gian. Do đó, xác suất hư hỏng cũng có thể là một tải trọng phụ thuộc vào thời gian. Việc xem xét R(г) và S(г) là những giá trị theo quy luật tự nhiên tức thời của sức kháng và tải trọng ở thởi điểm г xác suất hư hỏng trong một tuổi thọ г có thể được định nghĩa bằng: Pf(г) = P{R(г)< S(г)} với mọi г < t (3.9) Việc xác định hàm số Pf(г) theo phương trình trên là rất khó về mặt toán học. Thông thường, sức kháng và tải trọng không thể được xử lý như những giá trị tự nhiên tức thời. Đó là lý do tại sao R và S được xem xét là các tải trọng ngẫu nhiên với các phân phối phụ thuộc vào thời gian hoặc các phân phối mật độ không đổi. Với ý nghĩa như vậy, xác suất hư hỏng thường định nghĩa: Pf(t) = P {R(t)< S(t)} (3.10) Theo như định nghĩa trên, xác suất hư hỏng tăng liên tục theo thời gian như biểu đồ dưới đây. Hình 3.1 - Xác suất hư hỏng tăng liên tục theo thời gian Ở thời điểm t = 0 phân phối mật độ của tải trọng rất xa nhau và xác suất hư hỏng ban đầu là nhỏ. Với thời điểm các phân phối tiếp cận gần nhau, tạo ra diện tích chồng chéo tăng lên. Vùng chồng chéo minh họa khu vực xác suất hư hỏng. Hàm Pf(t) có đặc điểm là hàm phân 13
phối. Nếu tuổi thọ dài hạn được định nghĩa như vậy thì trường hợp t L < t giống với trường hợp hư hỏng với tuổi thọ dài hạn t, hàm phân phối tuổi thọ dài hạn được định nghĩa bằng: FL = P(tL < t) = Pf(t) (3.11) Ở đó FL là phân phối tích lũy của tuổi thọ dài hạn. Hàm mật độ xác suất được xác định như nguồn gốc của hàm phân phối: d f L (t )  FL (t ) (3.12) dt Tại một thời điểm nào đó, xác suất hư hỏng có thể được xác định bằng tổng các tích của hai xác suất: (1) xác suất mà R < S tại S = s và (2) xác suất mà S = s, mở rộng cho tất cả các dãy số của S: Pf   P{R  S / S  s}.P{S  s} (3.13) s Để xem xét các phân phối liên tục, xác suất hư hỏng Pf ở một thời điểm nào đó có thể được xác định bằng việc sử dụng tích phân chập:  Pf   F (s). f (s)ds  R s (3.14) Trong đó: FR(s) là hàm phân phối của R. fs(s) là hàm mật độ xác suất của S s là tải trọng phổ biến hoặc độ lệch của R và S Phương pháp chung để giải quyết bài toán tích phân này với các phân phối phụ thuộc vào thời gian của R và S có thể là rất phức tạp. Hướng giải quyết trực tiếp các tích phân này chỉ sẵn có trong một số trường hợp, ví dụ như phân phối của R và S là bình thường. Tuy nhiên các tích phân có thể giải quyết bằng phương pháp xấp xỉ. Phân phối của tuổi thọ dài hạn có thể tìm được bằng cách tính toán các giá trị xác suất hư hỏng ở các thời điểm khác nhau như t = 10, 20, 30… 3.4.2. Phương pháp thiết kế xác suất Với phương pháp thiết kế độ bền xác suất, các phân phối của tải trọng, đường đặc trưng và tuổi thọ dài hạn cũng được đưa vào tính toán. Điều kiện được hiểu là xác suất mà công thức thiết kế là không chính xác. Công thức thiết kế có thể được thiết lập theo nguyên tắc làm việc hoặc nguyên tắc tuổi thọ dài hạn về cơ bản là giống nhau như trong thiết kế xác định. Theo nguyên tắc làm việc, yêu cầu sau đây phải được thỏa mãn: Xác suất của sức kháng của kết cấu mà nhỏ hơn tải trọng trong thời gian sử dụng phải nhỏ hơn một xác suất hư hỏng cho phép nào đó: Về mặt toán học yêu cầu được hiểu là: P{hư hỏng}tg = P{R – S < 0}tg < Pfmax (3.15) Ở đây P{hư hỏng}tg là xác suất hư hỏng của kết cấu trong tuổi thọ dài hạn mong muốn tg. Pfmax là xác suất hư hỏng cho phép tối đa. Vấn đề có thể được giải quyết nếu các phân phối của tải trọng và sức kháng được tìm ra. Khi quy tắc tuổi thọ dài hạn được sử dụng, yêu cầu được thiết lập như sau: Xác suất mà tuổi thọ dài hạn của kết cấu ngắn hơn tuổi thọ mong muốn là nhỏ hơn xác suất hư hỏng cho phép nào đó. P{hư hỏng}tg = P{tL < tg} < Pfmax (3.16) Vấn đề có thể được giải quyết nếu phân phối của tuổi thọ dài hạn được xác định. Nếu dạng phân phối không được xác định, nó phải được phỏng đoán theo một số phân phối đã biết. Một giải pháp cho các trường hợp phân phối của tuổi thọ dài hạn được giả định là loga chuẩn. 3.4.3. Thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp R và S có phân phối chuẩn Trường hợp nguyên tắc làm việc được sử dụng trong thiết kế độ bền, và tải trọng và sức kháng là các tải trọng có phân phối chuẩn, xác suất hư hỏng được xác định bằng cách sử dụng chỉ số thử β:  ( R, t )   ( S , t )  (t )  2 (3.17) ( [R, t ]   2 [S , t ])1/2 μ là giá trị trung bình, σ là độ lệch chuẩn. 14
Chỉ số thử β là phân phối chuẩn (0,1). Xác suất hư hỏng tương ứng với β là sẵn có trong các bảng hoặc trong các hàm được cập nhật trong các ứng dụng bảng tính. Trong thiết kế kết cấu chỉ số thử β được xem như là hệ số an toàn hoặc chỉ số độ tin cậy. Thông thường R hoặc S là hằng số. Quan hệ trên được rút gọn : r  [S , t ]  (t )  (3.18)  [S , t ] [R, t ]  s  (t )  (3.19)  [R, t ] Trong đó r và s là các hằng số. Trong trường hợp r là hằng số và s là hàm theo thời gian được xấp xỉ bằng một mô hình suy giảm, vấn đề này được gọi là một vấn đề về sự làm việc. Vì các giá trị trung bình và các độ lệch chuẩn phụ thuộc vào thời gian nên chỉ số β cũng phụ thuộc vào thời gian. Để tìm được phân phối của tuổi thọ dài hạn thì các xác suất hư hỏng phải được giải quyết với một số giá trị của t (t= 0, 10, 20,… hàng năm). 3.4.4. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ có xét đến tính bất định của các tham số đầu vào Tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ được tính là thời gian từ lúc đưa công trình vào khai thác đến thời điểm cốt thép trong bê tông bắt đầu bị ăn mòn. Tuổi thọ phụ thuộc vào 4 yếu tố: hệ số khuếch tán clorua D, nồng độ clorua cân bằng ở bề mặt bê tông Cs, nồng độ clorua giới hạn và lớp phủ bê tông Ccr và chiều dày lớp bê tông bảo vệ h. Trong các nghiên cứu gần đây, nồng độ clorua giới hạn Ccr được coi là có phân phối chuẩn với giá trị trung bình và hệ số biến thiên (COV) là 0.027 - 0.045% và 0.05 - 0.296 (Enright và Frangopol 1998a; Stewart 2009; Stewart và Rosowsky 1998; Yanaka 2004. Nồng độ clorua bề mặt Cs được mô hình hóa bằng phân bố chuẩn loga với giá trị trung bình và khoảng COV lần lượt là 0.10 - 0.40% và 0.05 - 0.50 (Vũ và Stewart 2000). Chiều dày lớp bê tông bảo vệ bị ảnh hưởng bởi chất lượng xây dựng, được mô phỏng theo phân phối chuẩn hoặc phân phối xác suất loga chuẩn (Enright và Frangopol 1999a). Hệ số khuếch tán clorua trong đề tài này được mô tả tuân theo luật phân phối chuẩn với giá trị trung bình và khoảng COV lần lượt là 0.32-2.58 cm2 /năm và 0.05-1.6 (mô hình phân phối chuẩn được nhiều tác giả đề cập đến như Yanaka (2004) . Điều kiện để các cốt thép trong kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ bị ăn mòn là: C(x, t) ≥ Ccr hay f = C(x, t) – Ccr ≥ 0 Xác suất để sự cố ăn mòn xuất hiện được biểu diễn như sau: Pf = P[C(x, t) – CCr ≥ 0] Sử dụng mô phỏng Monte-Carlo có có thể dễ dàng tính được xác suất sự cố ăn mòn xảy ra. Xác suất ăn mòn xảy ra được tính theo công thức: 1 Pf = ∑1𝑁 𝐼(𝑓(𝑥, 𝑡)) 𝑁 Trong đó I là hàm chỉ thị: I = 0 nếu f(x,t) < 0 I = 1 nếu f(x,t) ≥ 0. Áp dụng các công thức trên đây với các thông số từ nghiên cứu, thí nghiệm thực nghiệm có thể tính được xác suất sự cố ăn mòn cốt thép xảy ra. Tuổi thọ thiết kế dự kiến của công trình là 100 năm. 3.5. Kết luận chương 3 Để đề xuất mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng theo độ thấm ion clo, mở đầu chương III, tác giả đã trình bày các khái niệm, đặc điểm và sự khác nhau cơ bản về tuổi thọ sử dụng và độ bền của một kết cấu. Sự suy giảm trực tiếp và sự suy giảm gián tiếp được coi là hai cơ chế chủ yếu dẫn đến sự suy giảm của kết cấu cầu bê tông cốt thép, trong đó, ở phạm vi nghiên cứu đề tài này, tác 15
giả chỉ đề cập đến tuổi thọ sử dụng theo sự xâm nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tông gây ăn mòn cốt thép. Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép được xây dựng dựa trên mô hình của Tuutti. K gồm hai giai đoạn theo sự xâm nhập ion clo vào trong kết cấu cầu bê tông gây ăn mòn cốt thép. Và trong nghiên cứu này, liên quan đến phá hoại dài hạn của công trình do bị ăn mòn, tác giả chỉ xem xét đánh giá tuổi thọ của một công trình giao thông bằng bê tông cốt thép như là thời gian bắt đầu có sự ăn mòn các cốt thép trong bê tông do sự khuếch tán ion clo vào bê tông hay chính xác hơn là thời gian mà nồng độ ion clo (C) ở bề mặt các cốt thép đạt đến giá trị tới hạn (Ccr). Phương trình tính toán nồng độ ion clo ở bề mặt cốt thép được lấy theo định luật 2 Fick (RILEM 14 (2005) - A.Sara & E. Vesikari). Cuối chương, tác giả đưa ra mô hình dự báo tuổi thọ theo lí thuyết xác suất khi xét đến quá trình xâm nhập clorua gây ăn mòn cốt thép. Và thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp R và S có phân phối chuẩn được lựa chọn ở trong nghiên cứu này. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG 4.1. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với mô hình xác định. Mô hình đề xuất và các giá trị thực nghiệm đã được trình bày ở chương 3 được áp dụng trong mục tính toán này Hình 4.1 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ công trình theo ứng suất nén trước Trên hình 4.1 ta thấy, với trường hợp tải trọng nén trước; quy luật thay đổi tuổi thọ công trình theo chiều dầy lớp bê tông bảo vệ khá tương đồng; sự gia tăng ứng suất nén trước sẽ yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ dày hơn. Hình 4.2 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ công trình theo ứng suất nén trực tiếp 16
Trên hình 4.2 ta thấy, với trường hợp tải trọng nén trực tiếp; quy luật thay đổi tuổi thọ công trình theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất nén trước theo các giai đoạn khác nhau. Khi max = 0.3 thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ giảm xuống nhưng khi max = 0.5 thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng lên và tăng lên đáng kể tại max = 0.7 4.2. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với mô hình xác suất Bảng 4.1 - Bảng tham số đầu vào Giá trị trung Độ lệch Hệ số biến Các tham số đầu vào bình 𝝁 chuẩn 𝝈 thiên Cv (%) Hệ số khuyếch tán ion clo ban đầu 38,00 5,70 15 (mm2/năm) Ngưỡng nồng độ gây ăn mòn 0,06 0,009 15 Nồng độ ion clo bề mặt sau 1 năm: 0,24 0,03 15 Hệ số n 0,47 0,0705 15 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ h 60 9 15 Hệ số thực nghiệm m 0,245 3,675 15 Trong nghiên cứu này, các tham số D, m, C s, Ccr và m coi là các biến ngẫu nhiên có dạng phân phối chuẩn N(µ, σ) với µ là giá trị trung bình và σ là độ lệch chuẩn, các tham số khác coi là hằng số. Hệ số biến thiên Cv được tham khảo là 15% không đổi (với độ lệch chuẩn bằng 15% giá trị trung bình) cho tất cả các tham số trong Bảng 4.1. D = 38,00 (mm2/năm) (D = 1.205x10-12 (m2/s)) với bê tông là bê tông cốt liệu nhẹ theo tiêu chí khởi đầu ăn mòn; với tỷ lệ nước/xi măng (N/X) = 0,27; hmin = 60mm đối với KCBT ven biển. Ở đây chọn h = 60mm; Δh = 0 (mm) với vùng khí quyển biển; tuổi thọ sử dụng thiết kế là 100 năm; m = 0,245 với bê tông nhẹ, CCr = 0,06% (theo khối lượng bê tông), kcu = 1,0 với bảo dưỡng KCBT 7 ngày và ken = 0,68 với vùng khí quyển biển. 4.2.2.1. Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán ion clorua D Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mòn Pf được thể hiện trong Hình 4.10. Ta thấy rằng trong một khoảng thời gian nhất định, khi giữ nguyên các tham số khác, sự gia tăng của D dẫn đến gia tăng Pf, điều này là do độ khuếch tán càng cao thể hiện việc vận chuyển các ion clorua vào trong bê tông càng nhanh, hệ số D0 phụ thuộc vào chất lượng của bê tông chủ yếu là tỉ lệ N/X và loại chất kết dính (CKD). Giả sử Pmt = 0,1 (β = 1,3), Hình 4.3 cho thấy rằng thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 28, 20 và 19 năm tương ứng với hệ số khuếch tán D = 47,50; 38,00 và 57,01 (mm2/năm). 17
1 D=57,01 0.8 D=38,00 Xác suất ăn mòn Pf 0.6 0.4  =1,3 D=47,50 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (năm) Hình 4.3 - Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mòn 4.2.2.2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ h Ảnh hưởng của h đến Pf được thể hiện trong Hình 4.4. Khi h tăng lên thì Pf giảm xuống, hay nói cách khác nếu Pf là như nhau thì thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép tăng lên. Để có thể bắt đầu ăn mòn, các ion clorua bên ngoài phải được vận chuyển từ bề mặt bê tông đi qua lớp bảo vệ và đến cốt thép, do đó, chiều dày lớp bê tông bảo vệ càng lớn làm cho nồng clorua đạt đến cốt thép ở mức tới hạn càng lâu và tuổi thọ của KCBT càng lớn. Như vậy chiều dày lớp bê tông bảo vệ là một trong những tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến tuổi thọ của KCBT. Nếu lấy Pmt = 0,1 (β = 1,3), thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 29, 41 và 57 năm tương ứng với chiều dày lớp bê tông bảo vệ h = 60, 75 và 90 mm. 1 0.8 Xác suất ăn mòn Pf h=75mm 0.6 h=60mm 0.4 h=90mm 0.2  =1,3 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (năm) Hình 4.4 - Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ h đến xác suất sự cố ăn mòn 4.2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới hạn Ccr Hình 4.5 cho thấy ảnh hưởng của CCr đến Pf tương tự như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, tức là Pf giảm khi CCr tăng lên. Rõ ràng khi C Cr tăng lên dẫn đến thời gian để các ion clorua từ bên ngoài xâm nhập vào bê tông đạt đến mức CCr tăng lên và do đó P f giảm xuống. Nồng độ CCr phụ thuộc vào chất lượng bê tông (tỷ lệ N/X, loại CKD) và loại thép sử dụng. Nếu lấy Pmt = 10-1 (β = 1,3), thời gian bắt đầu ăn mòn của KCBT lần lượt là khoảng 29, 38 và 46 năm tương ứng với CCr = 0,06, 0,075 và 0,09%. 18