Thông tin chung: - Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CÒN LẠI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG CÁC SỐ LIỆU KHẢO SÁT TRÊN ĐỊA BÀN TP.HCM Tiến hành nghiên cứu khảo sát số liêu kế
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
Kết cấu bê tông cốt thép là loại vật liệu phổ biến nhất trong xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp và cầu đường nhờ độ bền cao, ít biến dạng, dễ tạo hình và ổn định theo thời gian trong nhiều điều kiện khí hậu Tuy nhiên, hư hỏng thường gặp như nứt bê tông, bong tróc lớp bảo vệ, han rỉ cốt thép và giảm tiết diện làm tăng võng, dẫn đến hư hỏng công trình và tốn kém trong duy tu sửa chữa Nhu cầu triển khai biện pháp chống ăn mòn hiệu quả cho các công trình bê tông cốt thép ngày càng cấp thiết Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, độ ẩm cao khiến kim loại và cốt thép trong bê tông ăn mòn nhanh, vì vậy nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến sự làm việc của kết cấu ở các vùng khí hậu và thời tiết khác nhau là cần thiết Đề tài khảo sát mức độ ăn mòn bê tông cốt thép và khả năng chịu lực của kết cấu dầm trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, dựa trên số liệu từ các công trình xuống cấp sau hơn 40 năm Phân tích và xử lý số liệu nhằm rút ra quy luật ăn mòn làm giảm khả năng chịu lực của dầm, sau đó dùng phần mềm Abacus mô phỏng kết cấu dầm và đánh giá khả năng chịu lực còn lại Mô hình vật liệu bê tông và cốt thép của chương trình được kiểm chứng với kết quả phân tích và xử lý số liệu, tăng độ tin cậy của kết quả mô phỏng.
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, kết cấu bê tông được ứng dụng rộng rãi nhờ tính ứng dụng và độ bền cao của nó, đặc biệt tại TP Hồ Chí Minh nơi nhu cầu xây dựng tăng mạnh Kết cấu bê tông cốt thép đạt độ bền cao khi được thiết kế và thi công đúng quy trình, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình Vật liệu này không bị ảnh hưởng bởi thời tiết khắc nghiệt và có khả năng tồn tại hàng trăm năm, mang lại sự ổn định lâu dài cho các công trình trong đô thị Vì vậy, lựa chọn kết cấu bê tông cốt thép tại TP Hồ Chí Minh là giải pháp bền vững và tiết kiệm cho các dự án xây dựng.
Trong nhiều năm gần đây, các công trình bê tông cốt thép ngày càng có dấu hiệu ăn mòn và nứt vỡ kết cấu nhanh do sự tác động của nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan khác nhau Nguyên nhân chủ quan đến từ thiết kế chưa chính xác, thi công sai so với bản vẽ, người sử dụng không bảo dưỡng hoặc sử dụng sai chức năng Nguyên nhân khách quan bắt nguồn từ thời tiết, thiên tai và các yếu tố môi trường khác, ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng và tuổi thọ của kết cấu.
Việc khảo sát và đánh giá mức độ ăn mòn của kết cấu bê tông cốt thép tại một số công trình trên địa bàn TP Hồ Chí Minh cung cấp căn cứ quan trọng để làm rõ sự khác biệt giữa cường độ bê tông thực tế và thiết kế, từ đó đánh giá mức độ phù hợp của thiết kế với thực tế công trình Dựa vào kết quả thu thập được từ các công trình có sẵn, chúng tôi tiến hành tính toán, phân tích và đánh giá chất lượng kết cấu so với thiết kế, từ đó xác định chất lượng công trình và kịp thời đề xuất biện pháp xử lý đối với những công trình kém chất lượng, giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa.
Tình hình nghiên cứu chống ăn mòn bê tông và BTCT ở Việt Nam
Ở nước ta, nhiều công trình bằng bê tông cốt thép sau một thời gian khai thác đã bị ăn mòn và hư hỏng trong các môi trường có tính chất ăn mòn, đòi hỏi phải có biện pháp phòng ngừa và hạn chế ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép Các tiêu chuẩn Việt Nam như TCVN 3993:1985 Chống ăn mòn trong xây dựng – kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Nguyên tắc cơ bản để thiết kế; TCVN 3994:1985 Chống ăn mòn trong xây dựng – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Phân loại ăn mòn; TCXD 149-1986 Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn đã đưa ra các khung khái niệm và phân loại ăn mòn, nhưng chưa đề cập đến tất cả các loại ăn mòn và chưa bao quát đầy đủ các môi trường ăn mòn, dẫn tới áp dụng còn hạn chế Nhiều cơ quan khoa học đã nghiên cứu vấn đề này, các đề tài nghiên cứu chưa quan tâm về lý thuyết mà chủ yếu đi vào các biện pháp cụ thể chống ăn mòn công trình bê tông và bê tông cốt thép, phần lớn tập trung vào chống ăn mòn trong môi trường chất lỏng, đặc biệt là môi trường biển Từ những năm 1960 đã có các khảo sát ở Hòn Gai và Hải Phòng các công trình được xây dựng từ năm 1914 và rút ra nhận định cần có quy định riêng cho công tác thiết kế và thi công công trình bê tông cốt thép vùng biển.
Tiến sĩ Nguyễn Thanh Hưng đã mô phỏng dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn, xem xét cường độ liên kết giữa cốt thép và bê tông theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của liên kết thép-bê tông trong khả năng chịu lực của cấu kiện và tác động của ăn mòn đến độ bền, từ đó đề xuất các mô hình dự báo và giải pháp tăng cường liên kết để nâng cao tuổi thọ của cấu kiện bê tông cốt thép trong thực tế.
Thanh Hưng và cộng sự đã có những chẩn đoán dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong trường hợp thiếu số liệu
Tiến sĩ Đào Ngọc Thế Lực cùng các cộng sự đã xây dựng mô hình số đánh giá tuổi thọ cho các công trình bê tông cốt thép bị ăn mòn trong môi trường biển Nghiên cứu đề cập đến mô hình nứt trong kết cấu bê tông cốt thép do ăn mòn và mô phỏng nứt lớp bê tông bảo vệ, với hai phần chính là mô phỏng ăn mòn không đều của cốt thép và mô phỏng nứt của lớp bê tông bảo vệ Đáng chú ý, hai mô hình này nhận được sự quan tâm sâu rộng từ nhiều chuyên gia, nhằm hiểu rõ quá trình xuống cấp và đề xuất giải pháp nâng cao tuổi thọ cho các cấu kiện bê tông cốt thép ở biển.
- Ths.Nguyễn Công Luyến cũng đã nghiên cứu về hiện tượng ăn mòn cốt thép trong kết cấu bằng mô hình 3D-RBSM
Việt Nam đã nhận thức và chú trọng tới vấn đề ăn mòn và công nghệ chống ăn mòn cho bê tông và bê tông cốt thép Tuy vậy, các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn chủ yếu tập trung vào các dự án xây dựng ở môi trường biển, trong khi còn thiếu sự quan tâm tới các điều kiện có nắng nóng, độ ẩm cao và các môi trường khắc nghiệt khác Vì thế, cần mở rộng phạm vi nghiên cứu và áp dụng giải pháp chống ăn mòn cho bê tông cốt thép ở các môi trường đa dạng để nâng cao tuổi thọ, an toàn và hiệu quả kinh tế cho công trình.
Tình hình nghiên cứu chống ăn mòn bê tông và BTCT trên thế giới
Trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của sự ăn mòn cốt thép trong bê tông đến khả năng chịu lực của kết cấu W.L Lai và cộng sự đã nghiên cứu ăn mòn cốt thép bằng radar xuyên đất; Xu-Gang và các tác giả năm 2010 công bố các phân tích mô phỏng về tính chất cơ học của thanh thép bị biến dạng ăn mòn; năm 2011, phân tích PTHH của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn chịu lực cắt của Tanarat Potisuk và đồng nghiệp đã được công bố và nhận được sự quan tâm đặc biệt Phương pháp đánh giá không phá hủy kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn mòn bằng điện từ của Gemma Roqueta, Lluís Jofre và Maria Q Feng cũng được các chuyên gia đánh giá cao Irina Saether và Bjonar Sand đã thực hiện mô phỏng FEM của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn; S Kharkovsky và các tác giả khác gợi ý một phương pháp mới sử dụng 3D SAR để đánh giá ăn mòn bê tông cốt thép TS Đào Ngọc Thế Lực và cộng sự đã đi sâu vào nghiên cứu mô hình ăn mòn thép cục bộ trong kết cấu bê tông, còn Jiabin Li và các đồng nghiệp đã mô phỏng cột bê tông cốt thép bị ăn mòn bằng phương pháp không phá hủy, mang lại cho thế giới nói chung và lĩnh vực xây dựng dân dụng nói riêng một cái nhìn khái quát và rõ ràng hơn.
Mục tiêu nghiên cứu
Đoàn nghiên cứu tiến hành khảo sát số liệu kết cấu bê tông của một số công trình nhà ở và chung cư tại TP Hồ Chí Minh dựa trên tài liệu đã thu thập được Đánh giá cấu trúc và cường độ của các dầm và cột bê tông trước và sau khi bị phá hoại nhằm làm rõ mức độ chịu tải và sự biến đổi của vật liệu theo thời gian Từ phân tích này, xác định các nguyên nhân gây ra hiện tượng hư hỏng và phá hoại kết cấu, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện an toàn, ổn định và tính bền vững cho các công trình trong khu vực.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn.
Phạm vi nghiên cứu
Các công trình bị ăn mòn bê tông cốt thép trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh.
Phương pháp nghiên cứu
Khảo sát, thống kê số liệu tự nhiên
Xử lý số liệu bằng phần mềm Excel xử lý số liệu thống kê
Phân tích đánh giá tính toán bằng phần mềm Abaqus.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Dự báo khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn Ý nghĩa thực tiễn
Giúp cho Chủ đầu tư, chủ nhà hiểu rõ hiện trạng và chất lượng của công trình
Từ đó xác định rõ nguyên nhân để xử lí kịp thời, tránh việc gia tăng thêm lỗi cho các cấu kiện liền kề
Khoanh vùng và phát hiện mọi lỗi, tối ưu biện pháp xử lý và xử lý nhanh kịp thời để tránh kiểm tra, chỉnh sửa nhiều lần, từ đó nâng cao chất lượng công trình trên địa bàn; đồng thời giải tỏa bức xúc, lo lắng của người dân về các vấn đề hiện hữu và cải thiện chất lượng cuộc sống.
Một số tài liệu nghiên cứu về ăn mòn bê tông cốt thép
Nguyễn Thanh Hưng (2013) trình bày mô phỏng dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn, xét đến cường độ liên kết giữa cốt thép và bê tông theo phương pháp phần tử hữu hạn, tại Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XI diễn ra ở Thành phố Hồ Chí Minh từ ngày 7 đến ngày 9 tháng 11 năm 2013.
Trong lĩnh vực chẩn đoán và dự báo ăn mòn bê tông cốt thép, các nghiên cứu Việt Nam đề cập đến phương pháp ứng dụng khi thiếu số liệu và trong môi trường biển Nguyễn Thanh Hưng, Nguyễn Văn Phó và Trần Văn Liên (2015) trình bày phương pháp chẩn đoán dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong trường hợp thiếu số liệu tại Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, tổ chức tại Đà Nẵng ngày 6-7/8/2015 Đào Ngọc Thế Lực (2014) đề xuất xây dựng mô hình số đánh giá tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép chịu ăn mòn trong môi trường biển, với đề tài cấp ĐHĐN mã số Đ2014-02-105 Các công trình này có sự tham gia của Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hoài Chính, Hồ Công Duyên và Bùi Minh Cảnh.
(2015) Xây dựng mô hình nứt trong kết cấu bê tông cốt thép do ăn mòn Hội nghị
Trong khuôn khổ Cơ học Kỹ thuật toàn quốc 2015 (số 2015, trang 387–396) và các bài viết của Đào Ngọc Thế Lực công bố năm 2017, tập trung vào mô phỏng nứt lớp bê tông bảo vệ do ăn mòn không đều trong kết cấu bê tông cốt thép Phần đầu tiên trình bày phương pháp mô phỏng ăn mòn không đồng đều của cốt thép, đăng trên Tạp chí Xây dựng số 10-2017, trang 1-5; Phần thứ hai mở rộng sang mô phỏng nứt lớp bê tông bảo vệ, đăng trên Tạp chí Xây dựng số 10-2017, trang 5-10.
Bài viết của Nguyễn Công Luyến (2018) tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tông cốt thép thông qua mô hình 3D-RBSM Nghiên cứu mô tả cách ăn mòn cốt thép làm giảm sức chịu tải và tăng sự biến dạng của kết cấu, từ đó đánh giá độ bền và an toàn của công trình Sử dụng mô hình 3D-RBSM, bài báo thực hiện các phân tích số để xác định mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn, mức tổn thất diện tích cốt thép và hiệu suất liên kết giữa thép và bê tông Kết quả nhấn mạnh vai trò của thiết kế bảo vệ và các biện pháp bảo trì trong kiểm soát ăn mòn, đồng thời đóng góp cho lĩnh vực khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường bằng cách cung cấp công cụ đánh giá nhanh và hiệu quả cho các kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn mòn Bài viết được đăng trong Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 62 (09/2018).
Dimitri V Val, Leonid Chernin nghiên cứu ăn mòn dầm bê tông cốt thép qua vết nứt bê tông quá giới hạn, giảm độ bám dính giữa bê tông và cốt thép do hiện tượng trượt gây ra làm giảm độ cứng và làm tăng độ võng của dầm
Trong nghiên cứu này, Yang Xiaoming và Zhu Hongqiang đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và đánh giá khả năng chịu tải của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn, dựa trên hiệu ứng trượt giữa bê tông và cốt thép Nghiên cứu được thực hiện trên một bộ dầm bê tông cốt thép với các tỷ lệ ăn mòn khác nhau, nhằm phân tích tác động của ăn mòn lên độ bền và khả năng chịu tải của kết cấu Kết quả cho thấy mức độ ăn mòn ảnh hưởng đáng kể đến sức chịu tải và hiệu suất của dầm, cung cấp cái nhìn khoa học về mối quan hệ giữa ăn mòn và suy giảm khả năng chịu lực, từ đó hỗ trợ thiết kế và bảo trì các công trình bê tông cốt thép bị ăn mòn.
Néstor F Ortega và Sandra I Robles dùng kỹ thuật không phá huỷ dự đoán tuổi thọ của dầm bê tông cốt thép, bằng cách cho dòng điện chạy qua cấu kiện được nghiên cứu sau đó cho rung với tần số tự nhiên và đo được kết quả, dựa trên phép đo này để đưa ra một mô hình toán học dự đoán tuổi thọ kết cấu
Một số hình ảnh công trình bị xuống cấp do bị ăn mòn bê tông cốt thép trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh
Hình 1.1: Chung cư 1078-1082 Võ Văn Kiệt, quận 5
Hình 1.2: Dầm bị thấm ố, bong tróc, rỉ sét
Hình 1.2: Dầm bị thấm ố, bong tróc, rỉ sét
Hình 1.3: Chung cư 133/7 Phú Hòa, quận Tân Bình
Hình 1.4: Dầm bị thấm ố, bong tróc, rỉ sét
Hình 1.5: Dầm bị thấm ố, bong tróc, rỉ sét
Hình 1.6: Chung cư 107-121 Gò Công, quận 5
Hình 1.7: Sàn bị thấm ố, bong tróc, rỉ sét
Kết luận chương I
Hiện nay bê tông cốt thép là vật liệu chính xây dựng công trình nhà cửa, cầu đường ở Việt Nam và trên thế giới, việc ăn mòn các công trình bê tông và bê tông cốt thép làm giảm tuổi thọ công trình, gây hư hỏng công trình, làm tốn phí nhiều tiền của cho việc duy tu bảo dưỡng hàng năm Ở Tp.HCM cũng không ngoại lệ có nhiều công trình bị ăn mòn bê tông cốt thép gây nguy hiểm cho người sử dụng, cần thiết các cuộc khảo sát đánh giá mức độ ăn mòn và đưa ra dự báo về hiện trạng kết cấu bị ăn mòn nhằm giúp các nghành chuyên môn có dữ liệu để ra biện pháp khắc phục làm giảm tác hại do sự ăn mòn công trình bê tông và bê tông cốt thép trên địa bàn thành phố
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết chung về ăn mòn bê tông cốt thép
Khái niệm về ăn mòn bê tông
Bê tông xi măng gồm hai thành phần là vữa xi măng và cốt liệu (đá hoặc sỏi), hai thành phần này liên kết với nhau tạo thành một khối rắn chắc có khả năng chịu lực Quá trình ăn mòn thường bắt đầu từ thành phần vữa xi măng vì nó dễ bị ăn mòn hơn so với cốt liệu; khi vữa xi măng bị ăn mòn, liên kết giữa vữa xi măng và cốt liệu bị suy giảm, dẫn đến bê tông bị phá hoại.
Phân loại ăn mòn bê tông
Ăn mòn bê tông trong môi trường lỏng là hiện tượng phá hủy bê tông khi tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nước biển, nước có nồng độ pH thấp, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải Những nguồn nước này chứa các thành phần gây ăn mòn cho bê tông, và ăn mòn bê tông trong môi trường lỏng là loại ăn mòn phổ biến nhất, đặc biệt là ở khu vực tiếp xúc với nước biển do thành phần muối và các yếu tố ăn mòn hóa học có trong nước biển.
Ăn mòn bê tông trong môi trường khí là hiện tượng bê tông bị phá hủy do tiếp xúc với các khí có tác nhân gây ăn mòn, và hiện tượng này thường xảy ra ở các khu vực có nhà máy sản xuất hóa chất cũng như ở các khu vực ven biển có khí hậu đặc thù Hiểu đúng nguyên nhân và điều kiện gây ăn mòn giúp nhận diện rủi ro và từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ, bảo dưỡng bê tông trong các khu công nghiệp và vùng ven biển.
Ăn mòn bê tông trong môi trường rắn xảy ra khi bê tông tiếp xúc với các hóa chất như phân bón và thuốc bảo vệ thực vật; quá trình ăn mòn diễn ra mạnh hơn khi các hóa chất này ở trạng thái ẩm ướt hoặc ở dạng dung dịch, làm suy yếu kết cấu bê tông và rút ngắn tuổi thọ công trình.
Ăn mòn bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của kết cấu công trình bằng bê tông và bê tông cốt thép, gây sự xuống cấp và hư hỏng nghiêm trọng Sự xuống cấp do ăn mòn bê tông cốt thép mang lại tổn thất kinh tế lớn thông qua chi phí sửa chữa, cải tạo và nâng cấp, đồng thời làm tăng thời gian dừng hoạt động và ảnh hưởng đến các hoạt động phụ thuộc vào công trình Bên cạnh đó, hiện tượng ăn mòn còn làm giảm hiệu suất vận hành và giá trị đầu tư của dự án, tác động đến an toàn và sự tin cậy của các dịch vụ liên quan.
Mức độ ăn mòn bê tông
Dựa trên mức độ tác dụng và tác nhân gây ăn mòn, người ta phân loại quá trình ăn mòn thành ba mức độ: ăn mòn mạnh, ăn mòn trung bình và ăn mòn yếu Việc phân loại này giúp đánh giá mức độ phá hủy và từ đó lên kế hoạch bảo vệ phù hợp cho vật liệu và thiết bị.
Độ ăn mòn bê tông mạnh thường xảy ra với các công trình ở vùng biển, nơi tiếp xúc trực tiếp với nước biển và chịu tác động của nước lên xuống có sóng đánh.
- Mức độ ăn mòn bê tông trung bình xảy ra với các công trình ở môi trường nước ngọt
- Mức độ ăn mòn bê tông yếu xảy ra với các công trình không tiếp xúc trực tiếp với nước
Nguyên nhân gây ăn mòn bê tông
- Ăn mòn bê tông xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau
Ăn mòn cơ học là hiện tượng phá hủy bề mặt bê tông do các tác động vật lý: xói mòn của dòng chảy, sự bám dính và hoạt động của sinh vật trên bề mặt bê tông, cùng với sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm trong không khí Các yếu tố này kết hợp gây mài mòn, nứt rạn và mất liên kết ở lớp ngoài của bê tông, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ công trình Việc nhận diện và quản lý ăn mòn cơ học đòi hỏi đánh giá tác động của dòng chảy, vi sinh vật và điều kiện môi trường để từ đó đưa ra biện pháp bảo dưỡng phù hợp.
Ăn mòn hóa học là quá trình biến đổi hóa học diễn ra trong các thành phần cấu tạo bê tông như vữa xi măng, đá hoặc sỏi do sự xâm nhập của các chất hóa học từ môi trường xung quanh Quá trình này làm thay đổi thành phần và tính chất của bê tông, dẫn đến suy giảm liên kết, cường độ và độ bền của công trình theo thời gian Đặc trưng ăn mòn bê tông là sự biến đổi cấu trúc bên trong và sự hình thành sản phẩm ăn mòn do xâm thực hóa học trong môi trường.
- Quá trình ăn mòn bê tông xảy ra rất đa dạng và phức tạp, tuy nhiên nó thường xảy ra với ba dạng sau:
Ăn mòn loại 1 diễn ra do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng, chủ yếu là hydroxit canxi và aluminat canxi bị hòa tan, khiến cấu kiện mất đi một phần thành phần liên kết và dần suy giảm cường độ theo thời gian Hiện tượng này còn được gọi là quá trình khử kiềm, một dạng ăn mòn nội tại do sự biến đổi nồng độ kiềm trong hệ xi măng–nước gây phá vỡ cấu trúc và làm tăng nguy cơ hư hỏng Hiểu rõ cơ chế ăn mòn loại 1 giúp đưa ra các biện pháp quản lý nước, bổ sung phụ gia và thiết kế kết cấu để giảm sự hòa tan và kéo dài tuổi thọ công trình.
Ăn mòn loại 2 được phân biệt với ăn mòn loại 1 ở chỗ nó không chỉ hòa tan các sản phẩm của vữa xi măng mà chủ yếu là do sự tương tác của axit hoặc muối trong môi trường với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, từ đó hình thành các hợp chất tan mạnh hơn các sản phẩm thủy hóa ban đầu.
Ăn mòn loại 3 là quá trình tích tụ muối hình thành từ sự tương tác giữa các sản phẩm thủy hóa xi măng và các hợp chất của môi trường, làm tăng thể tích và sinh nội ứng suất trong vữa xi măng Quá trình này gây phá hoại kết cấu vữa xi măng bằng cách hình thành nứt và phồng, làm giảm độ bền và ổn định của công trình.
Hình 2.1: Một vài hình ảnh ăn mòn bê tông (nguồn Internet)
Khái niệm ăn mòn cốt thép trong bê tông
Ăn mòn cốt thép là hiện tượng phổ biến trong bê tông đặc, đặc biệt ở các công trình tiếp xúc với nước biển hoặc chịu ảnh hưởng của khí hậu vùng ven biển Khi lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc hoặc phá hoại và để lộ thép, cốt thép sẽ tiếp tục ăn mòn do nước mưa, thời tiết và độ ẩm, từ đó làm giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu Do đó, việc thiết kế và bảo vệ lớp bảo vệ bê tông, cũng như kiểm tra định kỳ để phát hiện vết nứt, bong tróc là rất quan trọng để ngăn ngừa ăn mòn và kéo dài tuổi thọ công trình.
Ăn mòn cốt thép là quá trình phản ứng hóa học hoặc điện hóa giữa kim loại và môi trường xung quanh, gây phá hủy vật liệu và làm giảm các tính chất cơ học của thép Quá trình này dẫn đến hình thành gỉ sắt có thể tăng thể tích từ bốn đến sáu lần so với kích thước ban đầu và đồng thời tạo các lỗ trên bề mặt cốt thép, làm giảm tiết diện chịu lực của cấu kiện.
Cơ chế ăn mòn cốt thép
Thông thường cốt thép được bảo vệ bằng một lớp oxít thụ động, lớp oxít sắt này được tạo trên bề mặt cốt thép và bền vững trong môi trường kiềm, giúp ngăn ngừa ăn mòn Có hai quá trình chủ yếu phá hủy lớp oxit bảo vệ dẫn đến ăn mòn cốt thép: thứ nhất là sự xâm nhập của các ion Cl- gây phá hủy lớp oxít thụ động và gây ăn mòn cục bộ; thứ hai là cacbonat hóa bê tông làm giảm độ kiềm, khiến lớp oxít bị phá hủy và cốt thép dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với môi trường kiềm yếu.
Các nguyên tử sắt trong cốt thép bị tách khỏi mạng lưới tinh thể và trở thành các ion mang điện trong dung dịch dưới tác dụng của ion OH−, từ đó hình thành nhiều sản phẩm gỉ sét ở dạng công thức chung xFeO.yFe2O3.zH2O Những sản phẩm gỉ này có thể ở dạng Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3.3H2O, có đặc tính xốp và tích tụ trên bề mặt của cốt thép, đồng thời có thể tích lũy từ 4–6 lần thể tích ban đầu của cốt thép.
- Phản ứng hoá học quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra như sau:
Cực âm (cathode) là điện cực nhận các điện tử được sinh ra bởi phản ứng ở cực dương và tiêu thụ chúng trong quá trình điện phân Có hai phản ứng cơ bản xảy ra ở cực âm tùy thuộc vào pH của dung dịch: khi pH < 7, phản ứng là 2H+ + 2 e- -> H2; khi pH > 7, phản ứng là 2H2O + O2 + 4 e- -> 4OH-.
Khí CO2 trong khí quyển thâm nhập qua các vết nứt và lớp bê tông bảo vệ có độ đặc chắc kém, gặp Ca(OH)2 trong bê tông để hình thành khu vực có nồng độ pH thấp ở vùng lân cận cốt thép; theo thời gian, vùng pH thấp này mở rộng sâu vào bên trong bê tông Khi mức pH xuống còn khoảng 8 và vùng này tiếp xúc với cốt thép, lớp oxit bảo vệ thụ động trên bề mặt thép bị phá hoại và thép bắt đầu bị ăn mòn.
Xi măng thường chứa các khoáng C3S, C2S, C4AF, C3A; khi được trộn với nước, các khoáng này tham gia phản ứng thủy hóa tạo ra môi trường kiềm mạnh với pH từ 12,5 đến 13,5 Với điều kiện pH vượt ngưỡng 12,5, thép trong bê tông nằm ở vùng thụ động theo biểu đồ Pourbaix và trên bề mặt cốt thép hình thành màng thụ động, giúp thép không bị ăn mòn.
Hiện tượng cacbonat hóa bê tông là quá trình Ca(OH)2, được hình thành trong phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng, phản ứng với CO2 từ môi trường để hình thành CaCO3 và nước Quá trình này làm giảm nồng độ ion OH− trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông, khiến pH giảm xuống dưới 12,5 và có thể xuống tới khoảng 8 Sự hạ thấp của pH phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép và làm gia tăng nguy cơ ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông.
Các bước của phản ứng như sau:
CO2 trong không khí xâm nhập qua các vết nứt và lớp bê tông có độ đặc chắc kém, kết hợp với Ca(OH)2 trong bê tông tạo thành vùng kiềm thấp ở gần cốt thép Theo thời gian, vùng kiềm thấp này lan rộng vào sâu bên trong bê tông, làm giảm khả năng kiềm bảo vệ cốt thép Khi nồng độ pH giảm xuống khoảng 8 và vùng kiềm thấp tiếp xúc với thép, lớp oxit bảo vệ tự động trên bề mặt cốt thép bị phá hoại và thép bắt đầu bị ăn mòn.
Tốc độ cacbonat hóa được xác định bằng biểu thức sau : c k t
K – hệ dố cacbonat hóa , phụ thuộc vào chất lượng bê tông k < 3mm/ (năm) 0,5 - bê tông tốt k < 6mm/ (năm) 0.5 - bê tông xấu
Các yêu tố cơ bản ảnh hưởng đến mức độ cacbonat hóa :
- Chất lượng bê tông ( xốp , đặc chắc )
- Độ ẩm ướt của bê tông : mức độ cacbonat hóa mạnh nhất ở trong khoảng độ ẩm từ 50-70%
Hình 2.2: Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép trong bê tông
Trong môi trường kiềm của bê tông, cốt thép được bao bọc bởi một lớp màng oxit thụ động trên bề mặt, ngăn ngừa quá trình han gỉ Tuy nhiên, ion Cl- có thể xâm nhập và khuếch tán đến bề mặt thép, phá vỡ lớp màng thụ động và kích hoạt quá trình ăn mòn cốt thép Đặc trưng của ăn mòn Cl- là hình thành các lỗ trên bề mặt thép, gây yếu cấu trúc và đòi hỏi biện pháp bảo vệ thích hợp.
Hình 2.3: Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép trong bê tông có ion Cl-
Khi nồng độ ion Cl- đạt ngưỡng ăn mòn, nó làm thay đổi môi trường điện hóa và phá vỡ màng thụ động trên bề mặt kim loại Sự phá vỡ lớp màng thụ động do sự xâm nhập của ion Cl- khiến cốt thép dễ bị ăn mòn hơn nếu có đủ độ ẩm và oxy trong môi trường Quá trình ăn mòn của cốt thép trong bê tông chịu ảnh hưởng mạnh bởi quá trình điện hóa; các phản ứng điện hóa diễn ra trên bề mặt kim loại và tiếp tục diễn ra khi điều kiện ẩm ướt và oxy có mặt.
Như minh họa ở Hình 2.4, sự khác biệt điện thế giữa vùng cốt thép bị phá vỡ màng thụ động (cực dương) và vùng còn lại có màng thụ động chưa bị phá vỡ (cực âm) tạo thành hai cực điện và hiệu điện thế giữa chúng Kết quả là xuất hiện dòng điện: electron di chuyển từ cực dương sang cực âm, trong khi dung dịch điện giải có dòng ion từ cực âm tới cực dương để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương Quá trình này khiến kim loại tại cực dương bị hòa tan nhiều hơn, làm giảm tiết diện của cốt thép và làm gia tăng nguy cơ ăn mòn trong hệ bê tông–cốt thép.
Hình 2.4: Quá trình phản ứng ở hai đầu cực
Phản ứng hoá học xảy ra ở hai đầu cực như sau:
- Khi có mặt của ion Clo phản ứng xảy ra như sau:
Quá trình ăn mòn cốt thép
- Quá trình thấm Ion Cl- vào bê tông gây phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép
- Quá trình khuyếch tán ôxy, hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện môi trường nhiệt độ không khí cao gây ra phản ứng ăn mòn cốt thép
Quá trình thấm ion SO4^2− vào bê tông tương tác với các sản phẩm thuỷ hóa của vữa xi măng, hình thành khoáng ettringit khiến thể tích bê tông trương nở Sự hình thành ettringit làm tăng khuyết tật cấu kiện và hút ẩm, tạo điều kiện cho khí ẩm và nước thâm nhập sâu vào bê tông Quá trình này gây nứt, phá vỡ liên kết bên trong và làm tăng nguy cơ ăn mòn cốt thép ở phần lõi bê tông.
- Quá trình cacbonat hóa làm giảm độ pH trong bê tông theo thời gian làm phá hủy lớp màng thu động bảo vệ cốt thép
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông diễn ra theo hai giai đoạn chính như được trình bày ở hình 2.4 Giai đoạn t1 là khoảng thời gian các yếu tố ảnh hưởng thâm nhập vào bên trong bê tông cho đến khi mức độ ăn mòn bắt đầu xuất hiện Giai đoạn t2 là khoảng thời gian mà quá trình ăn mòn diễn ra mạnh cho đến khi cốt thép bị hư hại đáng kể.
Hình 2.5: Sơ đồ quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông
Nguyên nhân gây ăn mòn cốt thép
Lớp bê tông bảo vệ cốt thép không được đầm chặt, có độ rỗng cao khiến nước và dung dịch muối dễ ngấm vào bên trong Quá trình ngấm nước tạo môi trường dẫn điện giữa thép và bê tông, gây ra ăn mòn điện hóa của cốt thép Do đó, việc đầm chặt và giảm porosity là yếu tố then chốt để ngăn ngừa ăn mòn và kéo dài tuổi thọ của kết cấu.
Các biện pháp chống ăn mòn bê tông cốt thép
Chống ăn mòn bê tông:
Thay đổi thành phần khoáng của xi măng bằng cách giảm lượng khoáng C3A và C3S trong xi măng giúp quá trình thủy hóa hình thành Ca(OH)2 và C3AH6, từ đó làm giảm ăn mòn bê tông và nâng cao độ bền của cấu kiện bê tông.
Độ đặc chắc của bê tông được xác định bởi độ sụt của hỗn hợp; độ sụt càng cao đồng nghĩa với lượng nước lớn hơn trong bê tông và ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình đóng cứng Khi nước trong bê tông bốc hơi, các lỗ rỗng hình thành và làm giảm độ đặc chắc, đồng thời tạo điều kiện cho các chất xâm nhập và phá hoại bê tông Để nâng cao độ đặc chắc, cần kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ nước – xi măng, tối ưu hóa thành phần phụ gia và thiết kế hỗn hợp sao cho hạn chế mao quản, tăng khả năng chống thấm và kéo dài tuổi thọ công trình.
- Biến đổi sản phẩm thủy hóa : Dùng các phụ gia khoáng hoạt tính như puzolan, xỉ hạt lò cao nghiền mịn và các thải phẩm công nghiệp khác làm phụ gia trong bê tông, trong các phụ gia khoáng có thành phần chủ yếu là SiO2 ở dạng vô định hình tạo ra các sản phẩm thủy hóa có tính tan kém và hoạt động hóa học yếu hơn, điều này cũng làm tăng khả năng chống ăn mòn bê tông
- Ngăn cách bê tông với môi trường ăn mòn: Sơn mặt ngoài bảo vệ bê tông với môi trường ăn mòn, quét sơn chống thấm chống lại môi trường ăn mòn là chất lỏng, quét mặt ngoài bê tông một lớp nhủ tương, hoặc trát một lớp vữa xi măng dày để bảo vệ bê tông
Nhược điểm của các biện pháp chống ăn mòn bê tông
Thay đổi thành phần khoáng của xi măng dẫn đến biến đổi tính chất chung của xi măng và ảnh hưởng tới tính chất cơ học của bê tông, có thể làm giảm cường độ bê tông.
Độ đặc của bê tông phải được xác định đồng thời với thành phần cấp phối và phụ thuộc vào cấu kiện cần đổ bê tông cũng như hàm lượng thép trong cấu kiện đó Việc tối ưu cấp phối và điều chỉnh sao cho phù hợp với lực thép sẽ giúp bê tông lấp đầy mọi chi tiết của khuôn và cấu kiện, từ đó giảm thiểu nguy cơ rỗng do bê tông không lèn đến được.
- Biến đổi sản phẩm thủy hóa có thể làm giảm độ pH trong bê tông phá hoại lớp bảo vệ thụ động xung quanh cốt thép
- Ngăn cách bê tông với môi trường bên ngoài : biện pháp này cho hiệu quả không cao, không phù hợp với một số công trình
Chống ăn mòn cốt thép
- Dùng cốt thép không gỉ, thép hợp kim thấp
- Mạ cốt thép có tác dụng chống ăn mòn, thường là mạ kẽm
- Sơn bảo vệ cốt thép, sử dụng các loại sơn chống gỉ có nguồn gốc epoxy
Ức chế ăn mòn cốt thép là tập hợp các hợp chất hóa học được sử dụng để làm giảm quá trình ăn mòn của thép trong bê tông Chất ức chế ăn mòn cốt thép được trộn vào bê tông như một biện pháp bảo vệ, giúp hạn chế sự xâm nhập của các chất gây ăn mòn và ngăn ngừa rỉ sét trên cốt thép Khi bổ sung vào hỗn hợp bê tông, chất này phát huy tác dụng bằng cách hình thành màng bảo vệ trên bề mặt thép hoặc giảm vận chuyển chất ăn mòn trong hệ chất lỏng của bê tông, từ đó kéo dài tuổi thọ của kết cấu và giảm chi phí bảo trì Đây là một biện pháp chống ăn mòn cốt thép hiệu quả cho các công trình bê tông cốt thép.
Phương pháp bảo vệ catôt là quá trình phân cực một bề mặt kim loại ở cực âm nhằm làm giảm tốc độ ăn mòn và duy trì màng bảo vệ thụ động trên bề mặt Dòng điện bảo vệ catôt giúp kiểm soát quá trình ăn mòn và duy trì tính chất của màng bảo vệ, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình kim loại Đồng thời dòng điện bảo vệ catôt đẩy ion Cl- ra xa bề mặt cốt thép, hạn chế tác động ăn mòn từ chloride Nhờ vậy, bảo vệ catôt là giải pháp hiệu quả để bảo vệ kim loại trước ăn mòn và kéo dài tuổi thọ của kết cấu.
Nhược điểm của các biện pháp chống ăn mòn cốt thép
- Sử dung thép không gỉ làm cho giá thành công trình cao, chất lượng kết cấu bê tông có cốt thép giảm
- Sơn phủ bảo vệ cốt thép ảnh hưởng khả năng bám dính của bê tông và cốt thép, thi công tốn nhiều thời gian
- Ức chế ăn mòn cốt thép : vì chất ức chế được trộn vào bê tông nên đòi hỏi công nghệ chế tạo cao, tiêu chuẩn kỹ thuật phức tạp
- Bảo vệ catôt: khả năng áp dụng ngoài thực tế không cao
Một số tiêu chuẩn liên quan
- TCVN 3993 : 1985 Chống ăn mòn trong xây dựng – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – nguyên tắc cơ bản để thiết kế
- TCVN 3994 : 1985 Chống ăn mòn trong xây dựng – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – phân loại môi trường xâm thực
- TCVN 9346: 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển
- TCVN 9139: 2012 Công trình thủy lợi – Kết cấu bê tông , bê tông cốt thép vùng ven biển - Yêu cầu kỹ thuật
- TCVN 4116 : 1985 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thủy công – Tiêu chuẩn thiết kế
- TCVN 9381: 2012 Chỉ dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm của kết cấu nhà
- TCXDVN 239: 2006 : Bê tông nặng , chỉ dẫn đánh giá cường độ bê tông trên kết cấu công trình
- TCVN 3105 : 1993 Hỗn hợp bêtông nặng và bêtông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử.
Kết luận chương 2
- Ăn mòn bê tông cốt thép bao gồm ăn mòn bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông;
- Ăn mòn bê tông là quá trình hư hỏng do hoà tan xi măng trong bê tông sau đó sẽ ăn mòn cốt liệu (đá, sạn sỏi…)
Ăn mòn cốt thép trong bê tông là quá trình phản ứng hóa học hoặc điện hóa giữa kim loại và môi trường xung quanh gây phá hủy vật liệu và làm giảm các tính chất của nó Sự ăn mòn làm hình thành gỉ sắt có thể tích lớn gấp bốn đến sáu lần thể tích của thép ban đầu, đồng thời tạo ra các lỗ trên bề mặt cốt thép làm giảm tiết diện chịu lực Các hình thức ăn mòn phổ biến bao gồm ăn mòn điện hóa, ăn mòn cacbonat hóa và ăn mòn ion Cl-, là các nguyên nhân chính phá hủy cốt thép trong cấu kiện bê tông khi gặp điều kiện ẩm ướt và có chứa muối chloride.
Vấn đề ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép vẫn là chủ đề nghiên cứu nhằm tìm kiếm vật liệu mới thay thế cốt thép hoặc phát triển phụ gia chống ăn mòn để ức chế và làm chậm quá trình ăn mòn Đã có cốt sợi polymer thay cho cốt thép và bê tông cốt sợi, cùng với các phụ gia chống ăn mòn được phát triển, nhưng chưa được sử dụng phổ biến do giá thành còn cao Hy vọng trong tương lai các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm ra vật liệu mới và phụ gia phù hợp, áp dụng rộng rãi trong thực tế để xử lý triệt để ăn mòn công trình bê tông và bê tông cốt thép, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình.
KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG ĂN MÒN MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TRÊN ĐỊA BÀN TP.HỒ CHÍ MINH
Một số phương pháp khảo sát ăn mòn bê tông cốt thép
Để khảo sát mức độ ăn mòn của công trình bê tông và bê tông cốt thép, có hai nhóm phương pháp chính: thí nghiệm không phá huỷ và thí nghiệm phá huỷ Đối với bê tông, phương pháp không phá huỷ gồm thử nghiệm bằng búa Schmidt và đo xung siêu âm kết hợp tác động cơ học để ước lượng cường độ và tình trạng ăn mòn mà không làm hỏng mẫu; phương pháp phá huỷ là khoan mẫu hiện trường và ép mẫu để xác định cường độ bê tông Đối với cốt thép, phương pháp không phá huỷ là đo điện thế của cốt thép trong bê tông để đánh giá mức độ ăn mòn, biện pháp phá huỷ là đục bỏ lớp bê tông bảo vệ và cạo bỏ lớp rỉ sét (lớp rỉ sét có thể tích trương 4–6 lần cốt thép ban đầu), sau đó đo đường kính còn lại của cốt thép bằng thước kẹp hoặc panme Trong luận văn này, cả hai phương pháp không phá huỷ và phá huỷ đều được thực hiện Ưu điểm của phương pháp không phá huỷ là không làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu, tuy nhiên nhược điểm là cho kết quả không cao và không thể quan sát bằng mắt thường; ưu điểm của phương pháp phá huỷ là cho kết quả chính xác cao, nhược điểm là có thể làm ảnh hưởng nhẹ đến khả năng chịu lực của kết cấu và chỉ có thể đánh giá sơ bộ bằng mắt thường.
Để khảo sát và đánh giá độ ăn mòn của bê tông cũng như cường độ của nó, có hai phương pháp chính được áp dụng: thí nghiệm không phá hủy và phương pháp khoan lấy mẫu bê tông mang về phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng để ép mẫu xác định cường độ Thí nghiệm không phá hủy cho phép đánh giá nhanh trạng thái bê tông và mức độ ăn mòn mà không làm hỏng cấu kiện Ngược lại, phương pháp khoan lấy mẫu bê tông cung cấp mẫu vật chất đem đi phân tích trong phòng thí nghiệm, từ đó ép mẫu và xác định cường độ bằng thử nghiệm nén, đảm bảo kết quả chính xác cho thiết kế và bảo dưỡng công trình.
Trong thử nghiệm không phá hủy, người ta sử dụng búa Schmidt (búa bật nẩy) hoặc đo xung siêu âm kết hợp với tác động cơ học để ước lượng cường độ bê tông Phương pháp dùng búa Schmidt khá đơn giản, tuy nhiên không phù hợp khi bề mặt bê tông bị xuống cấp hoặc mòn do tác động ngoài Kỹ thuật đo xung siêu âm không thích hợp với bê tông thô hoặc chất lượng kém do vận tốc xung thấp, và phương pháp này không đo trực tiếp cường độ mà chuyển đổi vận tốc thành giá trị cường độ Lựa chọn phương pháp phù hợp với đặc tính bề mặt và chất lượng bê tông sẽ giúp đánh giá cường độ bê tông một cách tin cậy và hiệu quả cho ứng dụng thực tế.
Để có số liệu đáng tin cậy hơn về cường độ bê tông, cần thí nghiệm trên mẫu bê tông được khoan lấy từ kết cấu thực (nếu được phép) tại những vị trí có ứng suất không lớn Việc này giúp mẫu đại diện cho điều kiện thi công và đặc tính vật liệu thực tế của công trình, từ đó đảm bảo kết quả thí nghiệm phản ánh đúng khả năng chịu lực của bê tông Chọn vị trí lấy mẫu có ứng suất thấp nhằm giảm ảnh hưởng của tải trọng và yếu tố ngoại lai, nâng cao độ lặp lại và tính tin cậy của dữ liệu.
Mức độ sai số của các phương pháp thí nghiệm xác định cường độ của bê tông trên kết cấu thực là :
- Phương pháp khoan lấy mẫu: với sai số trong phạm vi ±2√𝑛% với n là số lượng mẫu khoan;
- Phương pháp đo xung vận tốc: với sai số trong phạm vi ±20%;
- Phương pháp dùng súng bật nẩy: sai số trong phạm vi ±25%
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp đo độ bật nảy bê tông bằng máy đo nảy để xác định sơ bộ cường độ tại hiện trường Đồng thời, chúng tôi tiến hành khoan lấy mẫu bê tông và mang về phòng thí nghiệm để tiến hành ép xác định cường độ bê tông một cách chính xác.
Các phương pháp khảo sát đánh giá độ ăn mòn cốt thép
TCVN 9348:2012 hướng dẫn phương pháp đo điện thế của cốt thép nằm trong bê tông nhằm đánh giá khả năng ăn mòn của cốt thép trong cấu kiện Quy trình đo bao gồm hai bước chính: nối mạch điện bằng cách nối cực dương của vôn kế với vị trí kẹp cốt thép và nối cực âm của vôn kế với điện cực đồng; đặt điện cực đồng vuông góc với bề mặt bê tông tại vị trí đo.
Giữ điện cực tiếp xúc với bề mặt bê tông cho đến khi số đo điện thế trên vônkế chỉ ổn định;
Ghi lại giá trị điện thế trên vôn kế chính xác đến 10mV;
Nhấc điện cực ra khỏi vị trí đo và tiếp tục thực hiện phép đo tại các vị trí khác tiếp theo
TCVN 9356 : 2012 hướng dẫn phương pháp xác định chiều dày lớp bê tông bảo vệ, vị trí và đường kính của cốt thép đặt trong bê tông Từ các kết quả khảo sát và đo đạc, cần xác định các tham số quan trọng như chiều dày còn lại của lớp bảo vệ, vị trí tương đối của cốt thép và đường kính của cốt thép, từ đó phục vụ cho đánh giá tình trạng và an toàn của cấu kiện, kiểm định chất lượng và lên kế hoạch bảo dưỡng hoặc thi công lại khi cần.
Chiều dày của lớp bê tông bảo vệ;
Vị trí cốt thép trong bê tông; Đường kính cốt thép trong bê tông
Trong luận văn này đã dùng phương pháp đo trực tiếp đường kính cốt thép bị ăn mòn bằng thước kẹp hoặc Panme
Mỗi dầm hoặc cột có thể khoan 1 hoặc 2 vị trí để kiểm tra tùy mức độ ăn mòn sau khi quan sát sơ bộ bằng mắt thường, vị trí khoan lấy mẫu bê tông và đo đường kính cốt thép được chọn ở những vùng nội lực nhỏ nhất nhằm đảm bảo ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu là tối thiểu Sau khi khoan, lỗ được trám bằng bê tông có cường độ tương đương với phần bê tông còn lại để duy trì tính đồng bộ và bảo đảm độ bền của kết cấu Để có kết quả kiểm tra có độ chính xác cao, nên khoan hai vị trí trên một cấu kiện cột hoặc dầm Dưới đây là kết quả thống kê từ khảo sát các công trình liên quan đến phương pháp kiểm tra này.
Bảng 3.1: Bảng thống kê kết quả khảo sát công trình
STT Công trình Đối tượng Vị trí
Chieu dai (mm) b (mm) h (mm)
Cường độ BTCT ban đầu (MPa) Đường kính cốt thép (mm)
Cường độ BTCT kiểm tra (daN/cm2) Đường kính cốt thép (mm)
Ho (mm) Độ võng (mm)
D/2-3 tầng lửng 5300 200 400 200 18 366 198 396 183 17.4 362 2 A'/4-3 tầng lửng 3550 200 400 200 18 366 199 397 183 17.2 363 2.5 1'/A-A' lầu 4 2600 200 400 200 18 366 199 397 183 17.3 363 0.5
A/6-7 tầng trệt 4000 100 300 200 16 267 97 298 144 15.2 265 0.5 A/4-5 tầng trệt 3800 100 300 200 16 267 97 299 144 15.1 266 0.5 1/C-D lầu 1 3750 200 300 200 16 267 196 297 150 15.1 264 1
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN , MÔ PHỎNG KẾT CẤU BỊ ĂN MÒN BẰNG PHẦN MỀM
Đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu bị ăn mòn
Xuất phát từ kết quả phân tích và xử lý số liệu ở chương 3, cường độ bê tông cột có dấu hiệu suy giảm nhưng cường độ bê tông hiện trường đạt mức từ B15 đến B22,5, vẫn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo TCVN 5574:2012 Đối với đà kiềng và đà sàn, cường độ bê tông còn lại đạt từ B22,5 đến B27,5 và cũng đủ tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo TCVN 5574:2012.
Việc bê tông đà có cường độ cao hơn bê tông cột có thể bắt nguồn từ thời điểm thi công khi công nghệ thi công chưa phát triển đầy đủ, khiến cấp phối trộn bê tông được đo lường thủ công và không đồng nhất Do đo lường cấp phối bằng thủ công nên cường độ bê tông có sự biến thiên ở các vị trí khác nhau trong cùng một công trình, dẫn đến khác biệt cường độ giữa các khu vực và thành phần kết cấu.
Nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn bê tông là quá trình khử kiềm diễn ra do các sản phẩm thủy hóa của xi măng bị hòa tan; trong đó canxi hydroxide (Ca(OH)2) và aluminat canxi là hai thành phần bị hòa tan nhiều nhất Sự mất kiềm và hạ pH của bê tông làm suy yếu lớp bảo vệ kiềm bên trong, từ đó tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn diễn ra và làm giảm tính liên kết cũng như độ bền của cấu kiện bê tông.
Nguyên nhân ăn mòn cốt thép là quá trình ăn mòn do cacbonat hóa Quá trình này dẫn đến sự hình thành gỉ sắt và thể tích của lớp gỉ có thể tăng lên từ bốn đến sáu lần kích thước ban đầu của thép, làm yếu kết cấu và giảm tuổi thọ của công trình.
Đánh giá kết cấu thực tế công trình
Từ bảng thống kê công trình chọn một công trình tiêu biểu xác định các thông số tính toán: Chung cư 265-277 Nguyễn Chí Thanh, phường 12, quận 5, TP.HCM
Bảng 4.1: Kích thước hình học bê tông dầm
Mặt cắt cấu kiện Vị trí Chiều rộng
Chiều cao (mm) Lớp vữa trát
Bảng 4.2: Độ ăn mòn cốt thép dầm
Cấu kiện Đường kính thiết kế (mm) Đường kính đo thực tế (mm) Độ ăn mòn (mm)
Vị trí Độ võng cho phép
(mm) Độ võng lúc sau (mm) Đánh giá
Nhận xét
- Công trình chung cư tại 265-277 Nguyễn Chí Thanh (trước 1975) sau khi kiểm tra có kích thước dầm lầu một 200x300 còn 197x296 mm, đường kính thép 18 còn
16.93, đường kính cốt đai 6 còn 5.66.
Kết luận
Các cấu kiện đà sàn của công trình đều bị ăn mòn cả bê tông lẫn cốt thép do điều kiện tiếp xúc môi trường Kết quả tính toán theo tiêu chuẩn khả năng chịu lực dựa trên diện tích tiết diện bị ăn mòn cho thấy vẫn đảm bảo khả năng chịu lực Tuy nhiên, cacbonat hóa bê tông gây rỉ sét, nứt và bong tróc, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
Giới thiệu phần mềm mô phỏng
Trong bối cảnh sự phát triển nhanh của công nghệ thông tin, các phương pháp tính toán bằng số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), ngày càng được ứng dụng rộng rãi để phân tích kết cấu ABAQUS là một trong những phần mềm hữu ích hàng đầu cho mô phỏng kết cấu bằng PTHH, với kho phần tử phong phú cho phép phân tích mọi hình dạng kết cấu Phần mềm này có thể mô phỏng và xây dựng các kết cấu điển hình dựa trên vật liệu sử dụng như kim loại, bê tông cốt thép, vật liệu cao phân tử và vật liệu phức hợp Không chỉ phục vụ phân tích kết cấu, ABAQUS còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như truyền nhiệt và điện tử.
Trong nghiên cứu về cơ học và phân tích âm thanh, phần mềm ABAQUS được đánh giá cao nhờ tính thương mại cao và khả năng mô phỏng hiệu quả Giao diện người dùng của ABAQUS dễ thao tác, cho phép thiết lập và chạy các bài toán phức tạp một cách nhanh chóng Vì những ưu điểm này, ABAQUS được chọn làm công cụ mô phỏng chính cho luận văn này để thực hiện các bài toán cơ học và phân tích âm thanh liên quan.
Giới thiệu phần mềm Abaqus
Khái niệm mô hình CDP trong Abaqus
Hình 4.1: Biểu đồ quam hệ ứng suất và biến dạng bê tông chịu nén
Biến dạng miền đàn hồi: c in c oc el
là biến dạng trong miền đàn hồi khi hệ số thiệt hại dc = 0
c là tổng biến dạng khi chịu nén của bê tông
Trong đó: dc tham số liên quan đến sự giảm khả năng chịu tải của kết cấu
Hình 4.2: Biểu đồ quam hệ ứng suất và biến dạng bê tông chịu kéo
Hình 4.3: Biểu đồ quam hệ ứng suất và biến dạng bê tông chịu nén
Trong hình 4.3, điểm đạt cường độ chịu nén cực hạn được xác định bằng tọa độ σ_cu và ε_0 Điểm kết thúc của đường cong có toạ độ tương ứng là ε_d và ứng suất bằng 0,3 × σ_cu Miền đàn hồi nằm trong phạm vi 50% của cường độ chịu nén cực hạn Đường cong ứng suất–biến dạng của Hsusu thỏa mãn một phương trình nhất định được nêu trong tài liệu.
Trong đó hệ số β phụ thuộc hình dạng đường cong được xác định theo biểu thức:
Biến dạng cực hạn o được xác định theo biểu thức sau:
Mô đun đàn hồi (E0) bê tông được xác định theo biểu thức sau :
Các biểu thức xác định (σcu ), (ε0), (E0), được xác định theo đơn vị (kip/in2) Trong đó: 1MPa= 0.145037743 ( kip/in 2 )
Hình 4.4: Biểu đồ quam hệ ứng suất và biến dạng bê tông chịu kéo
Mô hình mô phỏng
Thông số Ký hiệu Giá trị
Cường độ chịu nén BT fc 19.27(Mpa)
Cường độ chịu kéo BT ft (Mpa)
Giới hạn chảy của thép c 0.00021(Mpa)
Module đàn hồi cốt thép Es 210000 (Mpa)
- Cốt thép chịu lực 4 16.9mm, cốt đai 5.6 mm
- Kích thước mặt cắt dầm: 297x196 mm
Hình 4.5: Thép trong dầm
Diễn giải các bước nhập dữ liệu vào Abaqus
Bước 1: Nhập tiết diện cấu kiện, kích thước tiết diện, chiều dài cấu kiện
Bước 2: Khai báo vật liệu và gán vật liệu cho phần tử
Bước 3: Tổ hợp các phần tử
Bước 4: Khai báo các bước phân tích
Bước 5: Khai báo liên kết các phần tử
Bước 6: Khai báo điều kiện biên và tải trọng
Bước 7: Khai báo bước lưới cho phần tử
Bước 8: Khai báo dữ liệu đầu ra phân tích
Bước 10: Xem kết quả phân tích
- Quá trình mô phỏng tải trọng tăng dần từ thấp đến cao cho đến khi kết cấu bị phá hoại
Kết quả mô phỏng
Hình 4.7: Nứt do nén
Hình 4.8: Ứng suất cốt thép
Hình 4.9: Ứng suất bê tông
Nhận xét kết quả mô phỏng
Thông qua kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus, dầm của Chung cư 265-277 Nguyễn Chí Thanh sau khi bị ăn mòn vẫn thể hiện khả năng chịu lực ở mức ổn định Kết quả cho thấy mức ăn mòn không làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của dầm và hệ thống liên kết vẫn duy trì độ bền chịu tải ở giới hạn phù hợp với điều kiện thực tế Những phân tích này cung cấp căn cứ đánh giá rủi ro và hỗ trợ quyết định bảo trì, gia cố nhằm đảm bảo an toàn cho công trình Chung cư 265-277 Nguyễn Chí Thanh.