Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép" là đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép trong các kết cấu dầm bê tông cốt thép ở môi trường ăn mòn chứa tác nhân Ion Cl; Nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến mức độ ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm bê tông cốt thép thường;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép

1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Các công trình cầu phải làm việc trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt đó là môi trường xâm thực mạnh bởi môi trường biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép, phải kể đến như: CO2-, Cl, O2- theo tác giả Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17], trong “Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển”. Khi ăn mòn cốt thép xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước sẽ trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. Trong môi trường biển khí hậu các vùng ven Việt Nam do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm, trong không khí chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng là vùng nước lên xuống do chế độ thủy triều, khí quyển biển và ven biển theo Trương Hoài Chính cùng cộng sự (2007) [3], và Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17]. Cần thiết phải khảo sát rõ thực trạng và nghiên cứu ăn mòn thép và các ảnh hưởng của ăn mòn thép đến sức kháng của công trình hạ tầng giao thông bằng bê tông cốt thép, trong đó có các công trình cầu bê tông cốt thép ở các vùng biển và ven biển. Đây là lý do đề tài “ Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép” được đề xuất lựa chọn làm nội dung luận án nghiên cứu. 2. Đốı tượng nghıên cứu Các kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu đồng thời tác động của tải trọng và ăn mòn cốt thép từ môi trường chứa ion Clorua. Một số kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến trạng thái ăn mòn cốt thép do ion Clorua. 3. Phạm vi nghiên cứu Sức kháng uốn và mức độ ăn mòn của của các kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép thường trong môi trường ăn mòn do Ion Clorua xâm nhập. Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ thực hiện với mẫu dầm BTCT thường, nhịp đơn giản trong phòng thí nghiệm. Các nghiên cứu mô phỏng ngoài áp dụng cho các kết cấu BTCT quy mô phòng thí nghiệm thì còn áp dụng cho các kết cấu dầm cầu BTCT thực tế trong môi trường ăn mòn do ion Clorua. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa vào phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương pháp điều tra, khảo sát để đánh giá vấn đề nghiên cứu.
2 Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng số để dự báo sức kháng của các kết cấu bê tông cốt thép có xét đến mức độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án đã có những tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến cơ chế ăn mòn cốt thép; ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép tới trạng thái chất lượng và sự làm việc chịu tải của kết cấu…, để từ đó xác lập được phương pháp luận nghiên cứu phù hợp để đạt được các mục tiêu nghiêm cứu của luận án. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án là những đóng góp có ý nghĩa về mặt khoa học và có giá trị thực tiễn. Nội dung và kết quả của luận án có thể được coi là một tài liệu tham khảo hữu ích cho những người quan tâm đến công tác thiết kế và đánh giá kết cấu cầu BTCT. Giá trị khoa học: Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến mức độ ăn mòn của các cốt thép. Từ đó đánh giá được ảnh hưởng của mức độ ăn mòn đến sức kháng của các dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn. Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng cho các tính toán dự báo tuổi thọ và sức kháng của các kết cấu bê tông cốt thép trong thực tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong bê tông. CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VİỆT NAM 1.1.Tổng quan về mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép 1.1.1. Khái niệm ăn mòn kim loại Ăn mòn được Fontana, M. G. (1971) [59] và Uhlig, H. H. (1971) [100] định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn. a. Quá trình cacbonat hóa b. Quá trình xâm thực của ion Cl- Các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập Clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5% [76].
3 Hình 1.1.Các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT [76] Hình 1.2.Vết nứt phát triển do ăn mòn cốt thép[99] Với các loại cốt thép xác định được sử dụng trong các công trình bằng bê tông cốt thép; mức độ ăn mòn các cốt thép chịu ảnh hưởng lớn bởi trạng thái ứng xử và cấu trúc vật liệu của lớp bê tông bảo vệ [99]. 1.2. Thực trạng ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến kết cấu dầm bê tông cốt thép ở một số công trình cầu tại Việt Nam Đặc điểm khá chung của các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam là làm việc dưới tác động của khí hậu nhiệt đới gió mùa, điều kiện môi trường nóng ẩm, cộng với đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép. Đánh giá 11 cầu bê tông cốt thép trên các tuyến giao thông ở các địa phương ở Việt Nam. Đánh giá, nhận xét - Tình trạng ăn mòn cốt thép trên các công trình hạ tầng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép là đáng báo động; Vấn đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng hơn đối với các địa phương ven biển, là nơi có môi trường xâm thực, chứa các tác nhân ăn mòn mạnh. - Kết cấu dầm, bản, tấm bê tông cốt thép có xu hướng bị ăn mòn do môi trường xâm thực, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc mất khả năng bảo vệ cốt thép bên trong; khi cốt thép bị phơi trần hoặc tăng khả năng tiếp xúc với tác
4 nhân gây ăn mòn, nó nhanh chóng bị ăn mòn, dẫn đến mất tiết diện chịu lực, trương nở thể tích, gây phát triển vết nứt thêm nghiêm trọng. - Tình trạng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép diễn biến phức tạp gây ảnh hưởng đến công tác duy tu bảo dưỡng hạ tầng có sữ dụng kết cấu bê tông cốt thép. Độ bền và tuổi thọ công trình qua đó bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến quá trình khai thác vận hành công trình. Cần thiết có thêm nhiều nghiên cứu nhằm đánh giá các ảnh hưởng của quá trình ăn mòn cốt thép đến khả năng làm việc của kết cấu bê tông cốt thép. 1.3.Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Khi cốt thép bị ăn mòn thì sản phẩm của sự ăn mòn là rỉ sét. rỉ sét hút nước và sẽ nở ra về thể tích, dẫn đến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. ăn mòn cốt thép còn làm giảm độ bám dính giữa bê tông và cốt thép, làm giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Nhiều nghiên cứu gần đây trong và ngoài nước có liên quan đến ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép và ảnh hưởng của nó; có thể kể đến: V. F. Stepanova (2013) [92], Vũ Ngọc Anh (2014) [1], Trần Thế Truyền (2010) [28], (2018) [30]; Đồng Kim Hạnh và cộng sự (2014) [11], Mohamed Moawad & nkk (2015) [73], A. Shetty, K. Venkataramana, K.s.b. Narayan (2015) [87], Xuân Tùng và cộng sự (2017) [31], Nguyễn Công Luyến (2018) [9], Hussain, H., & Miteva, D. (2018) [64], Phạm Đức Thọ và al (2019) [26], (2020) [27], Thanh Hung Nguyen và cộng sự (2020) [13]. Nghiên cứu của các tác giả trên đã chỉ ra ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến khả năng chống chịu và tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép thông qua khảo sát hiện trạng hoặc xây dựng mô hình lý thuyết. Hầu hết các nghiên cứu đề cập trên chưa xét đến tác dụng đồng thời ảnh hưởng của của tải trọng trong quá trình đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tông cốt thép. Nhận thấy, các nghiên cứu trên còn các vấn đề cần phải giải quyết như sau: - Hầu hết các nghiên cứu chưa nghiên cứu đến vấn đề ăn mòn cốt thép trong các dầm BTCT có xét đến ứng suất trong bê tông, từ đó đánh giá sức kháng uốn của các kết cấu dầm có xét đến mức độ ăn mòn cốt thép trong bê tông. Luận án sẽ giải quyết các nội dung trên cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm ăn mòn gia tốc trên các mẫu dầm thực tế với các điều kiện ăn mòn được xác lập trong phòng thí nghiệm, có xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên kết cấu dầm. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA AN MON CỐT THEP DẾN SỨC KHANG UỐN CỦA DẦM BTCT 2.1. Ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép 2.1.1. Ăn mòn thép do quá trình các bo nát hóa
5 2.1.2. Ăn mòn do ion Clo (ăn mòn điện hóa) 2.1.3. Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông 2.1.3.1. Ăn mòn cốt thép do Clorua gây ra 2.1.3.2. Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông 2.1.3.3. Dự báo hệ số khuếch tán 2.1.3.4. Ngưỡng nồng độ clorua gây ăn mòn thép trong bê tông 2.1.4. Một số mô hình về lan truyền ăn mòn trong kết cấu BTCT 2.1.4.1. Mô hình toán của Bazant 2.1.4.2. Mô hình toán của Youping Liu 2.1.4.3. Mô hình thực nghiệm của Morinaga 2.1.4.4. Thời gian lan truyền ăn mòn theo Life 365 2.1.5. Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép trong bê tông 2.1.5.1. Kỹ thuật điện thế nửa pin 2.1.5.2. Điện trở phân cực tuyến tính (LPR) 2.1.5.3. Kỹ thuật xung tĩnh điện 2.1.5.4. Kỹ thuật đo điện trở suất của bê tông 2.1.6. Cơ sở xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn 2.1.6.1. Một số giả thiết: 1) Các ứng suất và biến dạng trong bê tông được gây ra chỉ bởi sự nở thể tích của các sản phẩm ăn mòn. Bê tông bảo vệ là vật liệu đàn hồi tuyến tính. 2) Có một vùng xốp xung quanh giao diện thép - bê tông gây ra bởi sự chuyển tiếp từ vữa xi măng với thép là có các khoảng trống không khí bị cuốn vào và kẹt tại đây, các sản phẩm ăn mòn sẽ khuếch tán vào các khoảng trống này. Trong sự phát triển của vết nứt, một phần của các sản phẩm ăn mòn sẽ chèn vào bên trong các vết nứt. 2.1.6.2. Mô hình xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn a) Mối quan hệ giữa mất mát trọng lượng của thép và áp lực xuyên tâm. b) Số lượng các sản phẩm ăn mòn xâm nhập vào các vết nứt 2.1.6.3. Các thông số của phương trình mất mát diện tích tiết diện cốt Hình 2.1. Sơ đồ ước lượng cho mất thép do ăn mòn mát bán kính thép rs2 a) Diện tích cốt thép Sử dụng định luật Faraday mô tả mất mát khối lượng thép do ăn mòn.
6 b) Dự báo mật độ dòng điện i Mật độ dòng điện ăn mòn i biểu thị tốc độ ăn mòn. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng tốc độ ăn mòn là rất thấp ở mức độ ẩm tương đối H nhỏ hơn 50% và ăn mòn dừng lại khi độ ẩm tương đối dưới 35%. Tốc độ ăn mòn tăng theo cấp số nhân khi H= 50% đến 70%, nó vẫn gần như không đổi từ H=70% đến 90% và giảm từ 90% đến bão hòa hoàn toàn do hạn chế ôxy ở cực âm. 2.2. Một số mô hính ứng xử của bê tông Hình 2.2. Mối quan hệ giữa tốc và cốt thép độ ăn mòn và độ ẩm tương đối 2.2.1. Các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông 2.2.1.1. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi 2.2.1.2. Ứng xử của bê tông tuân theo lí thuyết cơ học rạn nứt bê tông 2.2.1.3. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi - dẻo 2.2.1.4. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi - giòn 2.2.1.5. Ứng xử của bê tông tuân theo luật kết hợpCác mô hình ứng xử của cốt thép 2.2.2. Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép 2.2.2.1. Biểu diễn hình học sự có mặt của các cốt thép 2.2.2.2. Biểu diễn liên kết bê tông – cốt thép 2.3. Nhận xét, kết luận chương 2 - Cơ sở lý thuyết về tính toán và đánh giá ăn mòn thép trong cấu kiện bê tông cốt thép khá hoàn chỉnh và phổ biến; điều này phù hợp cho tính khả thi về việc tiến hành thực nghiệm với điều kiện phòng thí nghiệm - nội dung chương 3, nhằm đánh giá cụ thể hơn quá trình ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng của nó đến sức kháng uốn của cấu kiện dầm. - Mô hình tương tác giữa 2 vật liệu thép và bê tông trong cấu kiện bê tông cốt thép là rất phức tạp. Sự tương tác giữa các thành phần thép và bê tông ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử thực của mẫu và ứng xử mô phỏng của mẫu. Việc mô phỏng lại tương tác giống với thực tế là khó do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa các thành phần. Thực tế, giữa bê tông và cốt thép luôn có sự trượt tương đối song trong phạm vi luận án này, để đơn giản
7 hoá tính toán, tác giả sử dụng giả thiết liên kết tuyệt đối giữa bê tông và cốt thép, bỏ qua các hiệu ứng tách rời của hai vật liệu này trong quá trình tính toán. Mô hình tương tác giữa bê tông và cốt thép được sử dụng là mô hình mô hình rời rạc và mô hình phân tán trong phần mềm chuyên dụng ATENA tại nội dung Chương 4. CHƯƠNG 3. CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT CÓ XÉT ĐẾN TẢİ TRỌNG TÁC DỤNG Thí nghiệm đánh giá chỉ tıêu cơ lý của vật lıệu chế tạo mẫu 3.1.1. Thành phần vật liệu 3.2. Tính toán thiết kế thành phần cấp phối hổn hợp bê tông thí nghiệm 3.2.1. Thiết kế cấp phối bê tông Bê tông C30 có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày dự kiến là fc’ = 30 MPa. Thành phần cấp phối của hổn hợp bê tông được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI211.1-91 Bảng 3.1. Khối lượng thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông C30 Loại vật liệu Đá Cát Xi măng Nước Khối lượng 1060 848 395 170 (Kg) 3.3. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm 3.3.2. Mẫu thử 3.3.3. Quy trình thử nghiệm Bảng 3.2. Kết quả đo mô đun đàn hồi của bê tông Mô đun STT Biến Biến Ứng suất Ứng Mô đun đàn hồi mẫu dạng 1 dạng 2 1 suất 2 đàn hồi trung bình σ1 σ2 E Etb ε1 ε2 (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 1 0,00005 0,00046 2,4 17,6 37073 2 0,00005 0,00051 1,7 18,4 36304 37565 3 0,00005 0,00049 2,1 19,4 39318 3.4. Thí nghiệm xác định cường độ bê tông (f’c) 3.4.1. Thiết bị thí nghiệm
8 3.4.2. Chuẩn bị thí nghiệm: 3.4.3. Tiến hành thử: Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của của bê tông Lực nén Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén trung (kN) (MPa) bình (MPa) 302,1 38,5 308,3 39,3 38.6 297,3 37,9 3.5. Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm 3.5.1. Thiết bị dùng trong quá trình chế tạo dầm thí nghiệm Bê tông C30 có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày dự kiến là fc’ = 30 MPa Thành phần cấp phối của bê tông (mẻ trộn 500l) được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI211.1-91. Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông theo Bảng 3.1. Thép được sử dụng chế tạo dầm: D10, tròn trơn, fy = 240 Mpa. 3.5.2. Chế tạo dầm thí nghiệm Dầm thực nghiệm có kích thước 500x100x100mm, với 2 thanh cốt thép, đường kính D10; không bố trí cốt thép cấu tạo chống cắt. Hình 3.1. Kích thước và cấu tạo dầm thực nghiệm 3.6. Thí nghiệm xác định lực phá hoại Pmax 3.6.1. Chuẩn bị mẫu Thí nghiệm tiến hành trên 02 mẫu dầm ứng với thí nghiệm uốn 4 điểm nhằm xác định lực Pmax (Đảm bảo kết cấu chỉ chịu uốn thuần túy). Hình 3.2. Sơ đồ uốn 4 điểm trong thí nghiệm phá hoại mẫu Bảng 3.4. Số lượng mẫu dầm xác định Pmax
9 Thí nghiệm SL dầm Ký hiệu Lực tác dụng Uốn xác định Pmax 02 M01 M02 Pmax 3.6.2. Thực hiện uốn mẫu Bảng 3.5. Bảng thống kê giá trị Pmax Mẫu Pmax (KN) σ (Mpa) M01 Pmax1 = 28 σ1 = 150 M02 Pmax2 = 27,66 σ2 = 148,2 TB Pmaxtb = 27,83 σtb = 149,09 3.7. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của ứng suất do tải trọng tác dụng đến mức độ ăn mòn cốt thép 3.7.1. Qui trình thực hiện thí nghiệm Hình 3.3. Sơ đồ các bước thực hiện thí nghiệm 3.7.2. Thiết bị và công tác chuẩn bị thí nghiệm Thiết lập môi trường, điều kiện diễn tiến nhanh quá trình ăn mòn cốt thép bằng cách ngâm mẫu dầm trong môi trường dung dịch NaCl (3% - 5%); kết hợp tạo điện cực kích hoạt môi trường ăn mòn điện ly. Thời gian ngâm mẫu là 30 ngày kể từ ngày bắt đầu ngâm. Trường hợp đặt dầm làm việc trong điều kiện thí nghiệm diễn tiến nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, chịu các cấp tải trọng khác nhau lần lượt: 0.2 Pmax; 0,4 Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax. Bảng 3.6. Các mẫu dầm thí nghiệm Cấp tải Tên Ghi chú trọng mẫu Mẫu 1 Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 không đặt 0% Mẫu 2 trong bộ giá gia tải
10 Mẫu 3 Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 đặt theo 20% Mẫu 4 cặp trong bộ giá gia tải Mẫu 5 Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp 40% Mẫu 6 trong bộ giá gia tải Mẫu 7 Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp 60% Mẫu 8 trong bộ giá gia tải Mẫu 9 Dầm chế tạo ngày 03/12/2019 đặt theo 80% Mẫu 10 cặp trong bộ giá gia tải Các cặp mẫu dầm sau khi gông gia tải theo các cấp tải trọng như đề xuất, được ngâm trong môi trường diễn tiến ăn mòn nhanh. Hình 3.4. Hình ảnh thí nghiệm dầm ăn mòn gia tốc Các mẫu dầm sau khi ngâm đủ 30 ngày sẽ được trục vớt, uốn 4 điểm đến phá hoại nhằm xác định lực kháng uốn cực đại (số liệu lực kháng uốn này được lưu trữ nhằm phục vụ cho việc xác định quan hệ ăn mòn và sức kháng), sau đó tiến hành đập bỏ lớp bê tông bảo vệ, các thanh thép được lấy ra và làm sạch phần gỉ thép bao quanh, bê tông bám vào thanh rồi tiến hành cân xác định khối lượng. Khối lượng thép hao mòn được tính bằng chênh lệch khối lượng giữa các thanh thép trước và sau khi ngâm.
11 Hình 3.5. Hình ảnh bề mặt dầm và cốt thép bị ăn mòn 3.7.3. Kết quả thí nghiệm: Bảng 3.7. Tổng hợp độ hao mòn cốt thép các mẫu dầm (%) Ứng suất Giá trị KL thép KL thép KL thép Thép Ký hiệu duy trì hao mòn ban đầu sau ngâm hao mòn hao mòn mẫu TB TB (g) (g) (g) (%) (Mpa) (%) M1 560 417 143 25.5 0 25,55 M2 555 413 142 25.6 M3 562 420 142 25.3 35,8 25,25 M4 560 418.5 141.5 25.2 M5 551.0 407.5 143.5 26.1 58,63 26,35 M6 553.5 406.5 147.0 26,6 M7 556.5 402 154.5 27.8 90,85 28 M8 550.5 395.5 155 28.2 M9 554.5 386.5 168 30.2 122,8 30,25 M10 552.5 385 167.5 30.3 Qua kết quả thí nghiệm ngâm các mẫu dầm trong 30 ngày với các cấp ứng suất khác nhau: không gia tải; 0.2 Pmax; 0,4 Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax, dưới tác dụng của môi trường ăn mòn diễn tiến nhanh NaCl (3-5%) và kích hoạt môi trường ăn mòn điện ly, có thể thấy tốc độ ăn mòn cốt thép gia tăng khi ứng suất duy trì trong dầm tăng. 3.7.4. Quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn cốt thép
12 Dựa trên kết quả thống kê tại Bảng 3.7. tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ giữa ứng suất duy trì trong dầm và mức độ ăn mòn cốt thép. Trên cơ sở dữ liệu thu thập được từ kết quả thực nghiệm, tác giả chọn biểu đồ cột nhằm thể hiện từ tổng quát đến chi tiết mối quan hệ giữa ứng suất và mức độ ăn mòn cốt thép, đồng thời so sánh mức độ gia tăng tốc độ ăn mòn cốt thép giữa các cấp ứng suất trong dầm. Hình 3.6. Quan hệ ứng suất - mức độ ăn mòn – sức kháng uốn  Qua phân tích đánh giá kết quả, nghiên cứu sinh có một số kết luận như sau: - Cốt thép trong các mẫu dầm có ứng suất uốn duy trì ăn mòn nhanh hơn so với mẫu dầm không có ứng suất (đặc biệt rỗ rệt ở mức 0.8Pmax) - Khi tạo ra ứng suất duy trì trong dầm bằng cách gông các cặp dầm; ta thấy từ mức 0 lên mức tương ứng 0.2Pmax, có hiện tượng khối lượng ăn mòn giảm xuống, tuy nhiên không đáng kể (chênh lệch 0.3%). Điều này có thể do dầm ở trạng thái ứng suất thấp 0.2Pmax chưa đủ để vết nứt xuất hiện qua đó thúc đẩy quá trình xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn; ngược lại ứng suất này còn giúp lớp bê tông bảo vệ trở nên đặc chắc hơn, gia cường khả năng bảo vệ cốt thép ngăn cản các tác nhân gây ăn mòn có thể tiếp cận cốt thép. Nhưng nếu ứng suất tiếp tục tăng, ta thấy mức độ ăn mòn bắt đầu tăng, sự chênh lệch tăng nhanh hơn thể hiện rõ nét hơn ở mức 0.4Pmax (1,1%), 0.6Pmax (2,75%), mức 0.8Pmax (5%); - Qua đó có thể thấy mức độ ăn mòn cốt thép tỉ lệ thuận với ứng suất uốn duy trì trong dầm. Như vậy, dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên cộng với điều kiện môi trường chứa các tác nhân xâm thực, kết cấu BTCT sẽ dễ bị tổn thương qua quá trình ăn mòn. 3.8. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép Nghiên cứu được tiến hành trên 02 nhóm dầm; - Nhóm 01 – với số lượng 04 mẫu dầm không gông gia tải và ngâm ăn mòn diễn tiến nhanh;
13 - Nhóm 02 - với số lượng 04 mẫu dầm gông gia tải mức 0,8.Pmax. và ngâm ăn mòn diễn tiến nhanh. 3.8.1. Thí nghiệm xác định lực kháng uốn các nhóm mẫu dầm Sau khi ngâm đủ 30 ngày các mẫu dầm thuộc nhóm 01 và 02 được trục vớt; tiến hành đánh giá bề mặt dầm sau ngâm sau đó dỡ tải bằng cách tháo dỡ bộ gá gông gia tải; Đánh giá bề mặt và hiện trạng các nhóm dầm sau khi thí nghiệm  Đối với nhóm dầm 01: - Bề mặt dầm xuất hiện vết nứt dọc theo vị trí bố trí cốt thép, tuy nhiên vết nứt nhỏ và số lượng vết nứt ít.  Đối với nhóm dầm 02: - Bề mặt dầm xù xì do bê tông bị ăn mòn, xuất hiện nhiều mảng màu xẩm đỏ do gỉ thép loang ra; - Các vết nứt dọc theo thân dầm xuất hiện với mật độ dày hơn so với nhóm dầm 01, đặc biệt vị trí giữa nhịp dầm xuất hiện các vết nứt theo phương vuông góc với chiều dài bố trí cốt thép. Các mẫu dầm sau khi được đánh giá bề mặt được tiến hành, xác định lực kháng uốn lớn nhất với từng nhóm mẫu dầm thí nghiệm. Bảng 3.8. Thống kê kết quả lực uốn phá hoại các nhóm mẫu dầm (KN) Môi trường Giá trị lực Lực gia Lực uốn ăn mòn diễn kháng uốn Tên tải ban phá hoại STT tiến nhanh trung bình mẫu đầu sau ngâm (dd NaCl 3- Max (KN) (KN) 5%) (KN) 1 M1.1 Ngâm 30 22.10 2 M1.2 ngày trong 19.96 0 3 M1.3 môi trường ăn 20.68 21.17 4 M1.4 mòn điện li 21.95 5 M2.1 Ngâm 30 14.40 6 M2.2 ngày trong 12.20 0,8.Pmax 7 M2.3 môi trường ăn 10.10 12.41 8 M2.4 mòn điện li 12.95 3.8.2. Xác định mức độ ăn mòn cốt thép Khối lượng thép hao mòn sau quá trình ăn mòn được xác định. Bảng 3.9. Độ hao mòn cốt thép các nhóm mẫu dầm(%)
14 STT Tên Lực Môi trường KL KL KL Hao Hao mẫu gia tải ăn mòn thép thép thép mòn mòn ban diễn tiến ban sau hao Ctt TB đầu nhanh đầu ngâm mòn (%) Ctb (KN) (dd NaCl 3- m1 (g) m2 ( g) Δm (g) (%) 5%) 1 562.0 412.2 149.8 26.7 2 Nhóm 560.0 418.5 141.5 25.2 Ngâm mẫu 26.15 mẫu 0 5 đủ 30 ngày 551.0 407.5 143.5 26.1 01 6 553.5 406.5 147.0 26,6 7 556.5 390.7 165.8 29.8 8 Nhóm 550.5 395.5 155.0 28.2 0,8.Pmax Ngâm mẫu 29.41 mẫu 9 đủ 30 ngày 554.5 386.5 168 30.2 02 10 552.5 389,8 162.7 29.5 3.8.3. Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm BTCT có xét đến ảnh hưởng của tải trọng Trên cơ sở kết quả thống kê tại và biểu đồ thể hiện quan hệ giữa mức độ ăn mòn và khả năng kháng uốn của dầm. Dữ liệu độ võng của các nhóm dầm chịu các mức ứng suất: 0.2Pmax, 0.4Pmax, 0.6Pmax , 0.8Pmax tại thí nghiệm mục 3.6, mục 3.7 được sử dụng để thiết lập quan hệ tải trọng và chuyển vị có xét đến mức độ ăn mòn tại 25% để thiết lập biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của dầm bị ăn mòn mức 25%. Nhận xét kết quả thí nghiệm: - Khối lượng cốt thép hao mòn ở các Nhóm mẫu dầm 02 lớn hơn ở các nhóm mẫu dầm 01. Như vậy một lần nữa có thể thấy tải trọng tác dụng kết hợp cùng môi trường xâm thực chứa các tác nhân gây ăn mòn tác động mạnh mẽ đến quá trình gây ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm BTCT. - Tại thí nghiệm này một lần nữa cho thấy hiện tượng các nhóm dầm không chịu tải có tốc độ ăn mòn nhanh hơn nhóm dầm chịu tải thấp - mức 0,2.Pmax. Cụ thể: Nhóm dầm 01 tuy không được gia tải xong mức độ ăn mòn cho thấy nhanh hơn mức gia tải 0,2.Pmax (so sánh với kết quả tại Bảng 3.35. mục 3.7), điều này có thể thấy việc dầm chịu mức ứng suất uốn thấp sẽ chỉ góp phần làm cho lớp bê tông bảo vệ bị nén và trở nên đặc chặt hơn, qua đó nâng cao khả năng bảo vệ cốt thép bên trong;
15 - Giá trị lực kháng uốn thực tế các mẫu dầm thực nghiệm tại thời điểm phá hoại của nhóm mẫu dầm 02 (có gia tải ở mức cao - 0,8.Pmax và ngâm trong môi trường ăn mòn điện li) nhỏ hơn so với các mẫu dầm 01 (ngâm trong môi trường ăn mòn điện li nhưng không gia tải), 12,41Mpa so với 21,17Mpa; như vậy có thể thấy khi cốt thép trong dầm BTCT bị ăn mòn sẽ làm giảm sức kháng uốn của dầm BTCT, mức độ ăn mòn càng lớn thì sức kháng uốn càng giảm; nguyên nhân có thể nêu ở đây là do tiết diện làm việc của cốt thép bị suy giảm, khả năng dính bám giữa cốt thép và bê tông giảm dẫn đến khả năng làm việc chung suy giảm. CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN GIẢI TÍCH VÀ MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN SỨC KHÁNG CỦA DẦM CẦU BTCT CÓ XÉT ĐẾN SỰ ĂN MÒN CỦA CỐT THÉP Dựa trên kết quả các thí nghiệm thực hiện tại Chương 3 - thuộc nội dung của luận án, một mô hình phần tử hữu hạn trên nền tảng phần mềm ATENA được đề xuất để mô hình hóa dầm BTCT giản đơn khi xét đến sự ăn mòn cốt thép bên trong và mối quan hệ của chúng đối với khả năng chịu tải của dầm BTCT khi chịu ứng suất. Kết quả đồng thời được so sánh với thực nghiệm nhằm đánh giá phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm bê tông cốt thép có xét đến yếu tố tải trọng tác dụng. 4.1. Kết quả mô hình hóa dầm thực nghiệm Sau khi thực hiện mô phỏng và tính toán đối với tất cả các mẫu có kích thước như nhau theo các mức độ ăn mòn cốt thép: 0%, 5%, 10%, 20%, 25%, quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị tương ứng với các trường hợp ăn mòn được thể hiện ở Hình 4.1. So sánh trường hợp ăn mòn 25% tại các cấp tải trọng 0%  Pmax giữa mô phỏng số với thực nghiệm được thực hiện ở trên. Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị của mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% tại cấp tại trọng 0%  Pmax với thí nghiệm thực tế được thể hiện nhằm giúp nghiên cứu sinh phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu Hình 4.2.
16 Hình 4.1.Quan hệ giữa tải trọng và Hình 4.2.Quan hệ tải trọng và chuyển vị của chuyển vị tương ứng với các mức ăn mòn mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% tại cấp tại trọng 0  Pmax với thí nghiệm thực tế Kết quả mô phỏng cho thấy khi mức độ ăn mòn tăng lên mặc dù cùng một cấp tải trọng tác dụng thì độ võng tương ứng cũng tăng lên. Đồng thời, khi cốt thép bị ăn mòn dẫn tới diện tích cốt thép tăng lên do quá trình trương nở thể tích của gỉ cốt thép, gây nứt bê tông xung quanh cốt thép làm cho cường độ chịu kéo, mô đun (module) đàn hồi của bê tông giảm xuống. Qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị của mẫu dầm BTCT ăn mòn mức 25% tại cấp tại trọng 0  Pmax với thí nghiệm thực tế tại hình 4.13 cho thấy sự tương đối đồng nhất về đường biểu diễn xu hướng với độ võng tại tải trọng xấp xỉ 13 KN là 2.5 mm. Tại thời điểm này, dầm bắt đầu bị phá hoại và không thể tiếp tục làm việc bình thường. Ta thấy mô hình phù hợp cho việc áp dụng để xét đến ứng xử các cấu kiện BTCT có cốt thép chịu lực bị gỉ. Đường cong quan hệ thực tế thực nghiệm và mô phỏng số có sự sai khác nhất định, do thực tế bê tông không hoàn toàn đồng nhất (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngoài ra bê tông thí nghiệm có các đặc trưng cơ học không hoàn toàn giống với mô hình. 4.2. Ví dụ tính toán ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm cầu chịu tác dụng của tảı trọng Thiết kế một dầm cầu bê tông cốt thép chữ T cho cầu đường ôtô nhịp giản đơn. Theo quy trình thiết kế cầu TCVN 11823 – 2017. Kết quả tính toán dầm điển hình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành tại Việt Nam -TCVN11823-2017 được thống kê thành bảng, phục vụ cho việc đánh giá, phân tích và nhận xét các tham số ảnh hưởng đến bài toán ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm cầu.
17 Hình 4.3.Quan hệ mô men uốn theo Hình 4.4.Quan hệ diện tích cốt thép và thời gian ăn mòn thời gian ăn mòn  Nhận xét, đánh giá: - Qua kết quả bài toán tính toán dầm bị ăn mòn trong 25 năm, có thể thấy kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép trong quá trình vận hành trong điều kiện môi trường chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn, cùng với tác dụng của các loại tải trọng khai thác theo thời gian sẽ bị ăn mòn cốt thép, điều đó thể hiện qua diện tích cốt thép bị ăn mòn gia tăng theo thời gian: sau 05 năm đầu tiết diện các thanh cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế là 1%, tuy nhiên, cùng điều kiện môi trường và khai thác ở năm thứ 10 mức độ ăn mòn cốt thép là 2,5% sau đó nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% ở năm thứ 20 và 11,8% ở năm thứ 25; - Dưới tác dụng của tải trọng bản thân và các tổ hợp tải trọng trong quá trình vận hành khai thác, các vết nứt mồi có thể đã sớm xuất hiện, các tác nhân gây ăn mòn qua đó mà xâm nhập, tiếp xúc cốt thép và gây ăn mòn cốt thép làm giảm tiết diện cốt thép chịu lực, theo kết quả tính toán khoảng 8mm2 thép bị hao mòn trong 5 năm đầu, 5 năm tiếp theo lượng thép bị hao mòn khoảng 12mm2, sau đó lượng cốt thép hao mòn tăng nhanh chạm mức 25mm2 ở năm thứ 20 và 35mm2 ở năm thứ 25. - Thép trong cấu kiện dầm cầu bê tông cốt thép bị ăn mòn làm mất mát tiết diện thép tham gia chịu lực dẫn đến việc suy giảm sức kháng uốn của dầm, sức kháng uốn suy giảm tỉ lệ thuận với quá trình dầm bị ăn mòn cụ thể: giai đoạn 5 năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1% so với sức kháng tính toán thiết kế, sự suy giảm này ở mức 2,5% ở năm thứ 10, 8% ở năm thứ 20 và 12% ở năm thứ 25. 4.3. Mô phỏng số đánh giá và so sánh kết quả giải tích dầm cầu t - btct Dầm chữ T có các thông số, và kết quả về ăn mòn cốt thép tại phần tính toán giải tích tại mục 4.2 sẽ được mô phỏng số nhằm đánh giá so sánh.
18 Hình 4.5.Quan hệ sức kháng uốn và Hình 4.6.Quan hệ sức kháng uốn và chuyển vị theo mô phỏng số chuyển vị theo mô phỏng số và thực nghiệm tại mức ăn mòn 25% So sánh sức kháng uốn mô phỏng số với kết quả tính toán theo phương pháp giải tích (741,81 KN.m), ta thấy lực kháng uốn theo mô phỏng (755,7 KN.m) chênh lệch 13,89 KN.m tương đương 1,87%; lượng sai khác này là chấp nhận được; nguyên nhân có sự sai khác nhất định là do thực tế bê tông không hoàn toàn đồng nhất (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngoài ra bê tông thí nghiệm có các đặc trưng cơ học không hoàn toàn giống với mô hình. Hình 4.7.Ảnh hưởng của tiết diện thép Hình 4.8.Ảnh hưởng của thời gian ăn ăn mòn đến sức kháng uốn mòn đến mức độ ăn mòn (%)
19 Hình 4.9.Ảnh hưởng ứng suất trong bê Hình 4.10. Ảnh hưởng của cường độ tông đến sức kháng uốn của dầm bê tông đến mức độ ăn mòn 4.4. Kết luận Chương 4  Phần mềm ATENA có thể mô hình hóa chính xác trạng thái làm việc của dầm giản đơn, bao gồm dầm bản ở thí nghiệm ăn mòn gia tốc và dầm T ở mục giải tích đối sánh; Thông qua mô phỏng số có thể kết luận rằng: - Sức kháng uốn của dầm BTCT giảm khi cốt thép trong dầm bị ăn mòn. Nguyên nhân là do tiết diện chịu lực của thép bị ăn mòn suy giảm so với tiết diện thiết kế yêu cầu ban đầu, gây ảnh hưởng đến khả năng kháng uốn của dầm; - Mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm gia tăng khi ứng suất trong bê tông gia tăng; do dưới tác dụng của tải trọng, vùng chịu kéo của dầm xuất hiện nhiều vết nứt, các tác nhân gây ăn mòn xâm nhập qua đó tiếp xúc cốt thép và gây ăn mòn. Tải trọng tăng thì độ mở rộng vết nứt tăng lên, điều này càng xúc tiến quá trình xâm nhập của tác nhân gây ăn mòn cốt thép, dẫn đến quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn. - Kết quả mô phỏng bằng phần mềm phản ánh tương tự kết quả thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm; cho thấy việc ứng dụng mô hình số là rất phù hợp trong việc đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến ứng xử của dầm bị ăn mòn.  Qua việc thực hiện giải bài toán ăn mòn cốt thép theo phương pháp giải tích đối với trường hợp dầm cầu bê tông cốt thép – chữ T chịu tải trọng có thể thấy các kết quả tính toán phù hợp với kết quả ghi nhận từ mô phỏng số. - Dưới tác dụng của tải trọng khai thác, cùng với tác động của môi trường gây ăn mòn, cốt thép trong dầm cầu bị ăn mòn; quá trình ăn mòn diễn tiến
20 phức tạp làm giảm tiết diện chịu lực của cốt thép trong dầm cầu: sau 05 năm đầu tiết diện các thanh cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế là 1%, tuy nhiên, cùng điều kiện môi trường và khai thác ở năm thứ 10 mức độ ăn mòn cốt thép là 2,5% sau đó nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% ở năm thứ 20, 11,8% ở năm thứ 25 và 25% ở năm thứ 35; - Mức độ suy giảm tiết diện cốt thép và sức kháng uốn của dầm cầu tỉ lệ thuận với mức độ cốt thép trong dầm bị ăn mòn bởi các tác nhân gây ăn mòn từ môi trường xâm thực: giai đoạn 5 năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1% so với sức kháng tính toán thiết kế, sự suy giảm này ở mức 2,5% ở năm thứ 10, 7,8% ở năm thứ 20, 12% ở năm thứ 25 và 23,5% ở năm thứ 35. Điều này phù hợp với các đánh giá nghiên cứu thực nghiệm tại chương 3, và phần mô phỏng bằng phần mềm ATENA. - Sức kháng uốn mô phỏng số (755,7 KN.m) với kết quả tính toán theo phương pháp giải tích (741,81 KN.m), chênh lệch 1,87% đối với dầm T – BTCT ăn mòn 25%, cho thấy sự tương đồng về việc suy giảm sức kháng uốn đối với dầm ăn mòn cốt thép. Điều này cho thấy phần mềm ATENA phù hợp trong việc mô phỏng đánh giá ứng xử của dầm bị ăn mòn có xét đến tải trọng tác dụng.  Qua việc khảo sát đánh giá ảnh hưởng các tham số đến mức độ ăn mòn của cốt thép trong kết cấu dầm cầu BTCT - Lực kháng uốn của dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với tiết diện thép bị ăn mòn, điều này được giải thích: khi mức độ ăn mòn của cốt thép (vùng chịu kéo – theo thí nghiệm) tăng lên, tiết diện thép chịu lực bị giảm, cùng với khả năng làm việc chung của bê tông và cốt thép suy giảm do tính dính bám giảm, dẫn đến sức kháng uốn của dầm suy giảm; - Thời gian cấu kiện dầm cầu BTCT làm việc trong môi trường ăn mòn càng lâu thì mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện càng nghiêm trọng; tại nội dung luận án nghiên cứu sinh chỉ dừng lại tại thời gian 35 năm sau khởi đầu ăn mòn thì mức độ ăn mòn của dầm BTCT – M30 tăng dần theo thời gian khảo sát, tại năm thứ 35 thì mức độ ăn mòn đặt 25%; - Ứng suất trong bê tông tăng lên làm cho khả năng kháng uốn của dầm cầu BTCT giảm theo thời gian làm việc của cấu kiến dầm trong điều kiện môi trường có nhiều tác nhân gây ăn mòn thép; - Mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với cường độ bê tông chế tạo dầm, khi cường độ bê tông tăng lên thì mức độ ăn