Luận án nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm cfrp

Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu công trình bị ăn mòn cốt thép do tác nhân xâm thực ion clorua và đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cườn

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bê tông cốt thép (BTCT) đã được sử dụng rộng rãi từ cách đây hơn một thế kỷ, bởi vì đây là một vật liệu xây dựng linh hoạt, kinh tế và bền vững Cốt thép thường được bố trí trong vùng chịu kéo của kết cấu, do bê tông có cường độ chịu kéo thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén, cho phép thiết kế các cấu kiện có tính sử dụng khác nhau, còn bê tông đóng vai trò như một môi trường bảo vệ cho cốt thép Tuy nhiên, kết cấu BTCT có thể bị xuống cấp nhanh hơn hoặc nghiêm trọng hơn so với

dự kiến Nguyên nhân của các hư hỏng có thể do lỗi thiết kế, sự cố trong quá trình thi công hoặc các vật liệu bị xuống cấp dưới tác động của các điều kiện môi trường khắc nghiệt Nói chung, những hư hỏng quan sát được trên công trình là kết quả của sự kết hợp các yếu tố khác nhau này Hiện tượng ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chính gây ra nhiều hư hỏng làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, những bất lợi trong việc khai thác sử dụng công trình và làm giảm tuổi thọ công trình Hiện tượng này diễn ra trên rất nhiều loại công trình như các kết cấu tồn tại trong môi trường chứa hàm lượng lớn khí CO2, chẳng hạn như tại khu vực đô thị hoặc khu công nghiệp, hoặc các kết cấu chịu sự xâm nhập của ion clorua (công trình biển đảo, công trình ven biển)

Trên thế giới, những nghiên cứu về kết cấu BTCT bị ăn mòn ngày càng được quan tâm thực hiện trong suốt hơn ba mươi năm trở lại đây Ở Nhật Bản, một nghiên cứu chỉ ra rằng 90% các công trình tiếp xúc với môi trường biển có lớp bê tông bảo vệ không đủ lớn và các công trình chỉ mới 10 năm tuổi đã bị hư hỏng chiếm một tỷ lệ lớn [108] Tại Hoa Kỳ, có khoảng 15% công trình cầu đường bộ bị giảm khả năng làm việc do quá trình ăn mòn cốt thép phát triển mạnh [96] Tại Canada, khoảng 40% công trình cầu trong hệ thống đường cao tốc đã đưa vào sử dụng hơn 40 năm và một lượng lớn các công trình này đòi hỏi phải xây dựng mới hoặc thay thế vì những hư hỏng do ăn mòn cốt thép gây ra [53, 96] Tại Anh, Bộ Giao thông Vận tải ước tính khoảng 10% trong số các công trình cầu đã kiểm định bị hư hỏng do ăn mòn [46, 96] Tại Pháp, cơ quan quản lý đường bộ đã tiến hành khảo sát và xác định rằng 28% công trình cầu bằng BTCT bị xuống cấp do ăn mòn cốt thép [54] Chi phí thực hiện việc bảo trì công trình, sửa chữa và gia cường các kết cấu bị hư hỏng do ăn mòn cốt thép đang tăng lên trong những năm gần đây Hơn nữa, những thiệt hại gián tiếp về kinh

tế cho người sử dụng do sự chậm trễ và giảm hiệu năng khai thác công trình có thể lớn hơn so với các chi phí trực tiếp của việc bảo trì và sửa chữa công trình

Việt Nam là quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm gió mùa Nước ta có đường bờ biển dài 3260 km với nhiều đảo, quần đảo chạy dọc từ Bắc vào Nam, với 29/63 tỉnh, thành phố tiếp giáp biển trong đó có nhiều đô thị lớn và quan trọng Một

số đặc điểm của khí hậu biển đó là: (i) Nồng độ ion clorua trong không khí khá cao, tại mép nước dao động từ 0,4 - 1,3 mgCl-/m3 ở các tỉnh miền Bắc và khoảng 1,3 - 2,0 mgCl-/m3 ở các tỉnh miền Nam; (ii) Nhiệt độ tương đối cao, tăng dần từ Bắc vào Nam Miền Bắc có 2 – 3 tháng mùa đông với nhiệt độ dưới 20oC, mùa hè nhiệt độ cao trên

30oC và có thể đến 40oC Trong khi, miền Nam có nhiệt độ cao đều quanh năm; (iii)

Độ ẩm không khí cao, dao động trung bình trong khoảng 75-80%; (iv) Thời gian ẩm ướt bề mặt kéo dài, dao động từ 1300 - 1850 giờ/năm ở vùng ven biển các tỉnh miền Bắc, từ 450 - 950 giờ/năm các tỉnh miền Nam Những điều kiện khí hậu môi trường của nước ta có thể làm cho quá trình ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình BTCT diễn ra nhanh hơn so với dự đoán Hiện nay, bên cạnh các công trình có tuổi thọ trên

30 - 40 năm có nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 - 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10 - 15 năm sử dụng Những thiệt hại do ăn mòn gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, ước tính khoảng trên 100 tỷ đồng/năm Chi phí cho sửa chữa khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30 - 70% mức đầu tư xây dựng công trình [2]

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước đòi hỏi phải phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng, cũng như đầu tư xây dựng các công trình biển và ven biển, đặc biệt là các công trình ở khu vực hải đảo Trong thực tế, nhiều công trình được xây dựng trong môi trường khí hậu biển đều áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường, mà ít chú ý đến vấn đề chống ăn mòn nhằm đảm bảo độ bền vững cho công trình, dẫn đến làm giảm tuổi thọ công trình Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu công trình bị ăn mòn cốt thép do tác nhân xâm thực ion clorua và đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cường khả năng chịu lực của kết cấu, cũng như đảm bảo độ bền vững và gia tăng tuổi thọ công trình Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP” đã được đề xuất thực hiện trong luận án này

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các mẫu thử có các kích thước 150x150x150 mm và trên các mẫu dầm thí nghiệm có các kích thước 150x200x2200 mm, được chế tạo bằng bê tông thông thường có cấp độ bền nén từ B30 đến B50 và các thanh cốt thép dọc có đường kính danh nghĩa d12 mm thuộc nhóm thép CB300V

Các mẫu thí nghiệm bị ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực ion clorua bằng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn điện hóa Luận án tập trung phân tích ảnh hưởng của cốt thép dọc bị ăn mòn trong khoảng 5 - 15% dựa theo khối lượng kim loại bị mất mát đến ứng xử uốn của các dầm BTCT, đặc trưng bởi quan hệ tải trọng – chuyển vị, sơ đồ vết nứt và dạng phá hoại

Các mẫu dầm ăn mòn gia cường chịu uốn bằng phương pháp dán tấm sợi CFRP Quy trình thi công gia cường được thực hiện trong phòng thí nghiệm Hiệu quả gia cường chịu uốn đã được phân tích bằng cách so sánh các kết quả thu được giữa dầm gia cường, dầm ăn mòn và dầm đối chứng

4 Cơ sở khoa học

Trên cơ sở phân tích nghiên cứu tổng quan về sự ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình, luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm về ăn mòn của dầm BTCT cũng như biện pháp gia cường chịu uốn của dầm BTCT bằng tấm sợi CFRP Hơn nữa, các phân tích số phi tuyến cũng được đề xuất để mô phỏng ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn được gia cường bằng tấm sợi CFRP

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án đã được thực hiện bằng các phương pháp chính như sau:

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Tổng quan của luận án đã được thực hiện thông qua việc tổng hợp, phân tích các tài liệu đã được công bố liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm của luận án thu được bằng cách tiến hành các thí nghiệm trên các mẫu thử và các mẫu dầm BTCT trong phòng thí nghiệm

- Phương pháp mô phỏng: Kết quả mô phỏng của luận án được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) phi tuyến và phân tích tham số

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ở trong nước, các nghiên cứu trên kết cấu công trình BTCT bị ăn mòn tuy đã được quan tâm, nhưng chủ yếu được tiến hành bằng phương pháp điều tra, khảo sát Số lượng nghiên cứu về ứng xử cơ học của kết cấu BTCT bị ăn mòn, cũng như phương pháp gia cường kết cấu ăn mòn còn rất hạn chế Do đó, đề tài nghiên cứu của luận án đóng góp vào sự hiểu biết về ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn cốt thép trong môi trường clorua ở Việt Nam

Những kết quả của luận án góp phần vào việc dự báo khả năng chịu lực còn lại của các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn và đề xuất phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu tấm sợi CFRP Do đó, luận án có ý nghĩa thực tiễn đối với lĩnh vực kiểm định chất lượng và gia cường kết cấu công trình

7 Những đóng góp mới của luận án

- Luận án đã cung cấp một bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên tổng cộng 27 mẫu thử và 14 mẫu dầm BTCT (gồm 2 dầm đối chứng, 6 dầm ăn mòn và 6 dầm gia cường), với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau, bằng cách áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong điều kiện môi trường thực tế ở Việt Nam

- Kết quả nghiên cứu xác định được hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP đối với dầm BTCT bị ăn mòn Từ đó, luận án chứng minh rằng giải pháp gia cường dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP là hiệu quả

- Luận án xây dựng được các mô hình PTHH phi tuyến cho phép mô tả chính xác ứng xử uốn của dầm đối chứng, dầm ăn mòn và dầm gia cường, đặc biệt là cơ chế phá hoại do bong tách tấm CFRP Từ đó, mô hình PTHH đã được phát triển để khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến ứng xử của dầm ăn mòn gia cường, như cường độ chịu nén của bê tông, hàm lượng cốt thép dọc, sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép, sơ đồ dán gia cường tấm sợi CFRP

8 Nội dung và cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và kiến nghị, và danh mục tài liệu tham khảo

Phần mở đầu: Trình bày bối cảnh nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, những đóng góp mới của luận án

Chương 1: Trình bày nghiên cứu tổng quan về kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong môi trường biển

Chương 2: Trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn

Chương 3: Trình bày nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn bằng tấm CFRP

Chương 4: Trình bày mô hình phi tuyến phân tích ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn gia cường bằng tấm CFRP

Phần kết luận: Trình bày những kết luận chung được rút ra từ các kết quả nghiên cứu của luận án Từ đó, luận án đề xuất các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI

TRƯỜNG BIỂN

1.1 Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình

1.1.1 Cơ chế của ăn mòn cốt thép

Quá trình ăn mòn cốt thép được thể hiện thông qua sự phá hủy kim loại do các phản ứng điện hóa, làm trao đổi ion và electron ở bề mặt của kim loại và dung dịch hòa tan Ở bề mặt của kim loại, có hai loại phản ứng diễn ra đồng thời tương ứng với quá trình ăn mòn/oxy hóa, diễn ra như sau:

(i) Phản ứng ở anode (phản ứng oxy hóa kim loại): tương ứng với sự hình thành các ion dịch chuyển sang dung dịch hòa tan, diễn ra ở trên kim loại Động lực của phản ứng này bị ảnh hưởng bởi khả năng nhận các ion Fe2+ và Fe3+ của môi trường chất điện phân Nồng độ của các ion này phụ thuộc vào bản chất kim loại của các cực anion và tính tan của các anion và ion sắt

(ii) Phản ứng ở cathode: tương ứng với sự giảm chất oxy hóa, biểu hiện bằng việc các chất tan nhận các electron được tạo ra bởi cathode Theo sự có mặt của oxy trong môi trường, các phản ứng xảy ra khác nhau:

- Trong điều kiện thiếu oxy:

2H2O + 2e– → 2OH- + H2 (1.2) 2H3O+ + 2e– → 2H2O + H2 (1.3)

- Trong điều kiện có oxy:

O2 + 4H3O+ + 4e– → 6H2O (1.5) Các phản ứng chính của quá trình oxy hóa khử diễn ra tiếp theo các phản ứng thứ phát để hình thành các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại Các phản ứng này được minh họa trong Hình 1.1 [65] Sự hình thành một pin điện hóa cục bộ trên thanh thép giữa cực cathode và cực anode với sự có mặt của nước và oxy, tạo ra phản ứng hòa tan vật liệu kim loại trên bề mặt, cũng như sự kết tủa các oxit sắt

Fen+ + nOH– → Fe(OH)n (1.6)

2 Fe(OH)n ↔ FexOy + H2O (1.7)

Hình 1.1 Hình thành các sản phẩm ăn mòn

Sự hình thành các sản phẩm ăn mòn khác nhau bao gồm các bước như sau

[75-77, 99, 131]: (1) Phản ứng hòa tan của thép tạo thành các ion sắt Fe2+; (2) Hình thành các hydroxit sắt Fe(OH)2; (3) Hình thành các sản phẩm gỉ sắt xanh trong điều kiện thiếu oxy ([FeII

3FeIII(OH)8] + [Cl.H2O-] khi có các ion clorua, hoặc [FeII

4FeIII

2(OH)12] + [CO3 2H2O]2- khi bê tông bị cacbonat hóa; (4) Hình thành ferrihydrite 5Fe2O3.9H2O; (5) Hình thành các sắt oxy-hydroxit khác nhau (geothite (α – FeOOH), lepidocrocite (γ – FeOOH), akaganeite (β – FeOOH), oxit sắt từ (Fe3O4)), tương ứng với sự gỉ sắt đỏ và trương nở thể tích, hoặc sự ổn định của ferrihydrite

Sơ đồ phản ứng của quá trình ăn mòn cốt thép bao gồm sự có mặt đồng thời của bốn môi trường nơi diễn ra các quá trình đơn lẻ như sau: (i) Vùng cực anode tương ứng với phản ứng oxy hóa của sắt; (ii) Vùng cực cathode tương ứng với sự giảm các thành phần hóa học vào dung môi hòa tan (nước hoặc oxy hòa tan); (iii) Môi trường dẫn truyền các electron (kim loại); (iv) Môi trường điện phân (chất lỏng mao dẫn trong bê tông) Các phản ứng ở anode và cathode đặc trưng cho cặp điện cực kim loại/dung môi hòa tan Ở mức độ vĩ mô, các phản ứng này diễn ra đồng thời và trên cùng một vị trí Tại vị trí cục bộ, bề mặt của các cực anode và cathode liên tục thay đổi

Khi mà vật truyền dẫn các electron tiếp xúc với môi trường điện phân chứa các ion, chúng tạo thành một điện cực Tại mặt tiếp giáp giữa hai pha này xảy ra gián

đoạn rất lớn sự phân bố cục bộ của các lực điện, do đó mật độ trung bình cục bộ thường bằng không Nó tạo ra hai không gian điện tích khác không ở hai phía mặt tiếp giáp, các electron ở phía kim loại và các ion ở phía chất điện ly Ban đầu, những điện tích trái dấu có thể coi như nằm trên hai mặt song song tương ứng với một tụ điện Ở giữa hai mặt của tụ điện này tồn tại một hiệu điện thế, gọi là “hiệu điện thế của điện cực” hoặc “điện thế của kim loại”, cũng như một điện trường rất mạnh trong toàn bộ không gian liên quan Khi kim loại được cho tiếp xúc với chất điện ly, hiệu điện thế này được tạo ra đồng thời, gọi đó là điện thế “tự phát” hoặc “tự do” Điện trường và điện thế của điện cực tương ứng ảnh hưởng một cách tự nhiên đến sự trao đổi các điện tích giữa hai môi trường kim loại và dung môi hòa tan (phản ứng ở cực anode và cathode) Theo chiều ngược lại, sự trao đổi này thay đổi các không gian điện tích và do đó thay đổi hiệu điện thế của tụ điện Mặc dù hai phản ứng này độc lập với nhau, chúng sinh ra và chịu các tương tác giống nhau của hiệu điện thế và dòng điện Do đó chúng được kết hợp bởi các hiệu ứng điện của chúng

Sự dịch chuyển của các ion kim loại trong dung môi hòa tan khi xảy ra phản ứng

ở anode của kim loại được biểu diễn bởi một phương trình cân bằng động như sau:

Cân bằng này tương ứng với điện thế E (biểu diễn bởi hiệu điện thế giữa kim loại

M và dung môi hòa tan có chứa các ion Mn+) E là điện thế thuận nghịch (xoay chiều) của phản ứng diễn ra tại các điện cực Điện thế này có thể được tính toán bởi phương trình quan hệ Nernst, trong đó E0 (V) là điện thế chuẩn của điện cực kim loại M (điện thế của kim loại trong cân bằng với dung dịch có các ion với nồng độ 1 mol/L); R = 8,314 J/mol/K là hằng số khí lý tưởng; T (K) là nhiệt độ đơn vị Kelvin; n là hóa trị của kim loại; F = 96500 C/mol là hằng số Faraday; [Mn+] (mol/L) là nồng độ của ion kim loại có trong dung dịch

giá trị giới hạn (khoảng 9), quá trình ăn mòn có thể được kích hoạt dưới ảnh hưởng điện thế của thép

Hình 1.2 Biểu đồ Pourbaix của hệ Fe-H2O ở nhiệt độ 25°C [123]

Khi giá trị độ pH khoảng 13,5 của dung dịch mao dẫn trong môi trường bê tông, biểu đồ Pourbaix chỉ ra rằng cốt thép ở trạng thái cân bằng với Fe3O4 với một điện thế khoảng -800 mV Khi điện thế ở dưới giá trị này, thép không bị ăn mòn, còn ở trên giá trị này, các oxit sắt Fe3O4 và Fe2O3 tạo nên lớp màng thụ động trên bề mặt cốt thép giúp giảm tốc độ ăn mòn xuống mức có thể bỏ qua được

Miền nằm giữa hai đường (a) và (b) trên biểu đồ Pourbaix tương ứng với miền ổn định của nước Một cách tổng quát, hai đường này chia ra làm ba miền: (i) Tất cả các kim loại có điện thế cân bằng ở dưới đường (a) bị ăn mòn trong dung môi là nước với

sự giải phóng hydro; (ii) Tất cả các kim loại có điện thế cân bằng nằm giữa hai đường (a) và (b) chỉ bị ăn mòn khi có oxy trong môi trường; (iii) Tất cả các kim loại có điện thế cân bằng nằm ở trên của đường (b) thường bền về mặt nhiệt động học

Với sự có mặt của oxy, điện thế của kim loại có thể biến thiên trên một khoảng giá trị rộng Đối với các kết cấu tiếp xúc trực tiếp với không khí trong điều kiện thông thường, các kết quả đo điện thế ăn mòn thay đổi trong khoảng từ -200 mV đến +100

mV, được chỉ rõ trong biểu đồ Pourbaix Phân tích lớp màng thụ động thấy rằng, cốt thép trong bê tông được bao bọc bởi một lớp màng mỏng ở dạng rắn gồm có F3O4 –

F2O3 có bề dày trong khoảng 10-3 và 10-1 μm [140] Khi lớp màng thụ động bị phá hủy, sự ăn mòn phát triển, điện thế tiến dần đến các giá trị âm

1.1.2 Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép

Các dấu hiệu trên bề mặt của một kết cấu công trình bị ăn mòn như là các vết gỉ sét, các vết nứt bê tông, cốt thép bị ăn mòn lộ ra ngoài, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc là hậu quả của các phản ứng hóa học nội sinh bắt đầu từ rất lâu trước khi các hư hỏng xuất hiện Sự phát triển ăn mòn có thể được phân biệt theo hai giai đoạn như minh họa trên Hình 1.3, bao gồm: (i) Giai đoạn mồi; (ii) Giai đoạn phát tán

Hình 1.3 Sơ đồ phát triển ăn mòn của cốt thép theo thời gian [164]

Trong giai đoạn mồi, tính ổn định của hệ kết cấu cốt thép được bảo vệ bởi bê tông giảm dần, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép Chiều dày lớp bê tông bảo vệ là một yếu tố thiết yếu, nhưng không phải là yếu tố duy nhất quyết định đến tính bền vững Các tính chất vật lý của lớp bê tông bảo vệ như độ thấm, độ khuếch tán đóng vai trò chủ yếu để đảm bảo khả năng ngăn chặn các tác nhân xâm thực Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) giữ vai trò quan trọng đối với khả năng ngăn chặn này Giai đoạn mồi có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cốt thép vì nó kiểm soát sự bắt đầu của quá trình ăn mòn

Sau giai đoạn mồi, hiện tượng ăn mòn cốt thép bắt đầu xảy ra (điểm A) Quá trình

ăn mòn tiếp diễn trong giai đoạn phát tán và gây ra sự xuống cấp của bê tông, làm tăng tốc độ phá hủy lớp bê tông bảo vệ (điểm D) Trong giai đoạn phát tán, hình thành các sản phẩm của quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra dưới dạng các phản ứng điện hóa Các sản phẩm này là các phân tử oxit, hydroxit có thể tích lớn hơn so với nguyên tử sắt (Hình 1.4) Chúng tạo ra ứng suất trong kết cấu, gây ra các vết nứt dọc theo các thanh thép, làm giảm sự bám dính giữa thép và bê tông, cũng như có thể gây ra sự bong tróc lớp bê tông bảo vệ Các dấu hiệu hư hỏng không chỉ ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của công trình, mà còn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực Sự ăn mòn làm

A

D Giai đoạn mồi Giai đoạn phát tán

giảm tiết diện của cốt thép, dọc theo chiều dài thanh thép hoặc cục bộ tại một vài vị trí [34] Nhìn chung, khả năng làm việc của kết cấu được xem là bị ảnh hưởng khi lớp bê tông bảo vệ bị phá hủy, mặc dù sự giảm yếu tiết diện của cốt thép không gây

ra các hư hỏng kết cấu

Hình 1.4 Sự tăng thể tích các sản phẩm của quá trình oxy hóa sắt

1.1.3 Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép

Trong thực tế, có hai nguyên nhân chính gây ra sự ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT, đó là: (a) Sự cacbonat hóa bê tông do sự xâm nhập của khí CO2 trong không khí vào trong môi trường vật liệu bê tông; (b) Sự xâm nhập của ion clorua đối với các công trình trong môi trường biển, hoặc những kết cấu tiếp xúc trực tiếp với các muối

vô cơ

Ranh giới giữa giai đoạn mồi và thời điểm bắt đầu giai đoạn phát tán của quá trình

ăn mòn cốt thép có thể được xác định như sau [28]:

- Trong môi trường không có tác nhân xâm thực ion clorua: đó là thời gian cần thiết

để lớp bê tông bảo vệ bị cacbonat hóa hoàn toàn;

- Trong môi trường xuất hiện tác nhân xâm thực ion clorua: đó là thời gian cần thiết

để nồng độ ion clorua trong bê tông ở bề mặt cốt thép đạt đến giá trị tới hạn gây phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép

(a) Nguyên nhân do bê tông bị cacbonat hóa

Khí CO2 trong không khí xâm nhập vào trong bê tông qua mạng lưới các lỗ rỗng hay các khe nứt Với sự có mặt của pha lỏng trong bê tông, tạo nên các phản ứng hóa học với vữa xi măng, gọi là sự cacbonat hóa Phản ứng này làm chuyển hóa các sản

phẩm hydrat hóa, đặc biệt là Ca(OH)2 thành canxi silicat CaCO3 [51, 166] Quá trình cacbonat hóa bê tông làm xảy ra những phản ứng hóa học sau đây:

- Các phản ứng hòa tan CO2 trong nước:

H2CO3 + H2O ↔ HCO3- + H3O+ (1.11) HCO3- + H2O ↔ CO32- + H3O+ (1.12)

- Phản ứng giữa axit cacbonic với canxi hydroxit (portlandit), tạo ra canxi cacbonat và làm hòa tan portlandit:

H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2H2O (1.13)

Sự có mặt của chất lỏng mao dẫn, với một lượng đủ lớn tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông, cho phép hòa tan khí CO2 trong không khí dưới dạng các ion CO32- Các ion cacbonat kết hợp với các ion Ca2+ do quá trình hòa tan canxi hydroxit để tạo thành canxi cacbonat CaCO3 và nước Một trong những hậu quả của việc mất đi lượng Ca(OH)2 là độ pH của chất lỏng mao dẫn trong các khe rỗng của bê tông giảm từ khoảng 12,5 – 13,5 xuống xấp xỉ 9, do sự giải phóng của ion H3O+, dẫn đến sự phá

vỡ của lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép Hình 1.5 minh họa các phản ứng hóa học

ở trên khi khí CO2 xâm nhập vào trong môi trường vật liệu bê tông

Hình 1.5 Cơ chế của quá trình cacbonat hóa bê tông [157]

Ngoài ra, khi có sự có mặt của các bazơ kiềm (NaOH, KOH), tính tan của canxi hydroxit tương đối kém, làm phản ứng diễn ra chậm hơn Tuy nhiên, các bazơ kiềm này cũng có thể bị cacbonat hóa với môi trường, sinh ra các sản phẩm Na2CO3và

K2CO3

H2CO3 + KOH → K2CO3 + 2H2O (1.14)

H2CO3 + NaOH → Na2CO3 + 2H2O (1.15) Các muối cacbonat tạo ra làm tăng tính tan của canxi hydroxit, dẫn đến tăng lượng sản phẩm CaCO3 khi chúng tác dụng với Ca(OH)2

K2CO3 + Ca(OH)2→ CaCO3 + 2KOH (1.16)

Na2CO3 + Ca(OH)2→ CaCO3 + 2NaOH (1.17) Phản ứng cacbonat hóa cũng làm biến tính tương tự với các hydroxit trong xi măng đông kết Xét trường hợp của C-S-H, phản ứng này có thể tiến triển cho đến khi hình thành nên vật liệu dạng keo vô định hình của silic (SiO2.nH2O) [64]

H2CO3 + CaO.SiO2.nH2O → CaCO3 + SiO2.nH2O + H2O (1.18) Thành phần portlandit bị cacbonat nhanh nhất, nhưng các thành phần hydrat khác như aluminat, canxi silicat hydrat cũng nhạy với sự xuất hiện của CO2 và tạo thành các khoáng canxi

Khi sự cacbonat hóa diễn ra nhanh hơn, các lỗ rỗng trong bê tông giảm đi [156, 157] Trên thực tế, thể tích mol của Ca(OH)2 là 33,2 cm3/mol, trong khi thể tích mol của CaCO3 là 36,9cm3/mol, tăng hơn 11% Thể tích mol tăng từ 12-16 cm3/mol khi một phân tử C-S-H bị cacbonat (tăng hơn 30%) Các sản phẩm cacbonat chiếm chỗ một phần các lỗ rỗng so với trạng thái ban đầu của vật liệu Sự phân bố lại thể tích của các lỗ rỗng đồng thời cũng bị thay đổi do quá trình cacbonat hóa vật liệu bê tông [43, 112, 115, 125, 156, 157] Quá trình cacbonat hóa làm giảm đáng kể số lượng lỗ rỗng có kích thước trong khoảng 30 – 60 nm Điều này có quan hệ trực tiếp với sự giảm tổng thể của độ rỗng và độ thấm của bê tông Đối với bê tông không có cốt thép, quá trình cacbonat hóa không gây hại cho bê tông, các nghiên cứu đã được thực hiện thường chỉ ra rằng nó làm tăng cường độ cơ học và mô đun đàn hồi của bê tông Một số các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ cacbonat hóa bê tông có thể được nêu ra như sau:

 Tỷ lệ nước/xi măng (N/X): Tỷ lệ N/X càng lớn thì chiều dày lớp bê tông cacbonat càng tăng nhanh theo thời gian và có mối quan hệ tuyến tính với căn bậc hai của thời gian tính theo đơn vị năm [144]

 Hàm lượng xi măng: Nếu thành phần cấp phối bê tông sử dụng một khối lượng lớn xi măng thì chiều dày lớp bê tông bị cacbonat hóa có thể nhỏ hơn khi sử dụng

khối lượng xi măng ít hơn, do độ rỗng của bê tông giảm đi Chiều dày lớp bê tông cacbonat hóa cũng tăng chậm hơn theo thời gian khi hàm lượng xi măng là đáng

kể [169]

 Cường độ chịu nén của bê tông: Trong thực tế, cường độ chịu nén là một chỉ tiêu quan trọng và thường được sử dụng để xác định chất lượng của bê tông Trong cùng một khoảng thời gian, chiều dày lớp bê tông cacbonat giảm dần khi cường

độ bê tông tăng dần Đối với bê tông cường độ cao (lớn hơn 50 MPa) thì sự cacbonat hóa có thể trở nên không đáng kể do độ rỗng của vật liệu là rất nhỏ [161]

 Các chất phụ gia khoáng (xỉ lò cao, tro bay, muội silic): Nếu thành phần cấp phối của bê tông sử dụng xỉ lò cao, thì chiều dày lớp bê tông bị cacbonat hóa tăng lên khi tăng hàm lượng xỉ Đối với tro bay, sự cacbonat hóa bê tông chỉ tăng khi hàm lượng tro bay được sử dụng vượt quá 30% Muội silic cũng có ảnh hưởng nhất định đến sự cacbonat hóa, vì nó thường được sử dụng để chế tạo bê tông cường

độ cao Việc sử dụng muội silic làm giảm đi một phần phân tử portlandit có trong

bê tông, dẫn đến thay đổi tốc độ của quá trình cacbonat hóa

 Độ ẩm tương đối của không khí: Yếu tố này quyết định hàm lượng nước trong bê tông, được coi là một tham số cơ bản [56] Các nghiên cứu đã chứng minh rằng: Quá trình cacbonat hóa trong bê tông diễn ra với tốc độ nhanh nhất khi độ ẩm tương đối của không khí có giá trị trung bình, trong khoảng 60 – 70%, là giá trị trung bình trong môi trường khí hậu nhiệt đới [136, 139, 167, 171] Sự cacbonat hóa không diễn ra trong môi trường bê tông hoàn toàn khô hoặc bão hòa nước

 Các điều kiện thi công và bảo dưỡng: Đây là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc trưng/chất lượng của vật liệu trên hiện trường, do đó cũng ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình cacbonat hóa bê tông

(b) Nguyên nhân do xâm thực của các ion clorua

Sự xâm nhập của ion clorua vào trong bê tông đòi hỏi sự có mặt của pha lỏng Đối với các kết cấu công trình trong vùng ngập nước, bê tông ở trạng thái bão hòa nước hoàn toàn, quá trình xâm thực ion clorua vào trong bê tông dựa trên cơ chế khuếch tán ion từ môi trường nước biển có nồng độ ion clorua cao vào môi trường vật liệu

bê tông có nồng độ ion clorua thấp Đối với các kết cấu công trình nằm trong vùng nước lên xuống và có sóng đánh, bê tông chịu chu trình tuần hoàn khô/ướt, các ion clorua xâm thực thông qua hệ thống mao dẫn và di chuyển khi xuất hiện pha lỏng

Các ion clorua này tiếp tục khuếch tán trong những vùng bê tông bão hòa nước hoàn toàn hoặc bão hòa nước đến một giá trị cho phép Hiện tượng đối lưu rất quan trọng

vì tốc độ diễn ra rất nhanh Đối với bê tông chịu chu trình tuần hoàn khô/ướt, thì tốc

độ xâm nhập các ion clorua diễn ra nhanh hơn và thấm sâu hơn vào trong bê tông [70]

Các ion clorua xâm thực vào trong bê tông sẽ tương tác với vữa xi măng: chúng

bị hấp thụ bởi các phân tử C-S-H hoặc phản ứng hóa học với một số thành phần để tạo ra các sản phẩm mới (canxi clorua aluminat, canxi hydrat monoclorua alunimat, muối Friedel, C3A.CaCl2.10H2O) Các ion clorua này gọi là ion clorua cố định hoặc ion clorua liên kết Sự liên kết của các ion clorua phụ thuộc nhiều vào loại xi măng được sử dụng và đặc biệt là hàm lượng C3A trong xi măng, đồng thời C4AF cũng như các muối sulphat cũng có một vai trò nhất định

Các ion clorua tự do là ion tồn tại trong pha lỏng của vật liệu bê tông, chúng còn được gọi là ion clorua hòa tan trong nước Chỉ các ion clorua tự do mới có thể khuếch tán, tham gia vào trong quá trình phá hủy lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép và gây

ra hiện tượng ăn mòn Do đó, nếu xi măng có hàm lượng lớn C3A thì kết cấu có khả năng chống ăn mòn cốt thép tốt hơn, bởi sự hấp thụ một lượng lớn ion clorua trong các liên kết hóa học, nhờ đó làm giảm lượng ion clorua tự do hoạt động gây ra ăn mòn cốt thép

Hình 1.6 Vùng đối lưu trong kết cấu BTCT chịu sự xâm thực của nước và ion

clorua

Biểu đồ nồng độ ion clorua trong bê tông là một đường cong giữa nồng độ và chiều sâu tính từ bề mặt kết cấu Trong trường hợp bê tông bão hòa nước hoàn toàn hoặc chu trình tuần hoàn khô/ướt là không đáng kể, thì nồng độ ion clorua giảm mạnh theo chiều sâu Trong trường hợp ngược lại, biểu đồ này chỉ giảm kể từ chiều sâu mà

ở đó các ion có thể di chuyển trong hệ thống mao dẫn luôn luôn bão hòa nước (vùng khuếch tán) hay còn gọi là vùng đối lưu như minh họa trên Hình 1.6

Cơ chế ăn mòn cốt thép xảy ra với sự có mặt của ion clorua khác với cơ chế ăn mòn do cacbonat hóa bê tông Sự ăn mòn không diễn ra tổng thể trên thanh cốt thép

mà chỉ xảy ra cục bộ tại một số ví trí nhỏ, rồi phát tán dọc theo chiều dài thanh thép Thực tế thấy rằng, tốc độ ăn mòn cốt thép diễn ra nhanh hơn với sự xuất hiện của ion clorua Tuy nhiên, một hậu quả của quá trình xâm thực các ion clorua vào trong kết cấu đó là sự hòa tan cục bộ của lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép và khuếch tán xuyên qua nó Với nồng độ rất thấp ion clorua (>0,01%) làm thay đổi hình thái của lớp màng thụ động bằng cách tạo ta hợp chất FeOOH, đồng thời, các ion bất ổn định FeCl3- nhận ion OH- theo các phản ứng sau đây:

Fe + 3 Cl– → FeCl3 + 2e– (1.19) FeCl3 + 2 OH– → Fe(OH)2 + 3 Cl– (1.20) Những ion được giải phóng trong phản ứng oxy hóa di chuyển từ kim loại đến các cực cathode Theo các phản ứng trên, quá trính này làm giảm độ pH và tuần hoàn lại các ion clorua

Sự tấn công của ion clorua tạo thành những cực anode và cathode trên bề mặt lớp màng thụ động của kim loại, xuất hiện những pin điện hóa vi mô, làm tỉ lệ bề mặt của cực cathode/anode tăng Điều này tạo ra mật độ lớn những dòng ăn mòn cục bộ Ở trên diện tích cathode, các sản phẩm ion OH- làm tăng độ pH, làm giảm nguy cơ bị tấn công về sau Để các phản ứng có thể tiếp tục diễn ra, các ion Cl- phải luôn luôn

có sẵn cùng với các ion OH- để duy trì một tỷ lệ Cl-/OH- trên giá trị giới hạn của sự phá hủy lớp màng thụ động Sự hình thành các sản phẩm ăn mòn trung gian gốc clorua làm giảm tạm thời nồng độ các ion clorua Hơn nữa, các ion OH- đến từ các chất kiềm chứa trong dung dịch nước mao dẫn có tác dụng làm tăng tính thụ động hóa của những vùng đã bị ảnh hưởng và hạn chế sự phát tán ăn mòn Nếu duy trì sự xâm thực các ion clorua, nồng độ tăng lên ở các cực anode, rồi phân bố lại nồng độ nhờ có các dòng

ăn mòn trên toàn bộ thanh thép Sự thay đổi độ ẩm và gradient nồng độ clorua tạo ra

các cực anode mới, và tạo ra các vùng ăn mòn lớn hơn Tốc độ ăn mòn diễn ra nhanh hơn khi hàm lượng ion clorua tự do trên cốt thép đủ lớn

Rất khó để xác định chính xác nồng độ clorua tự do tới hạn, cho phép bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép Trên thực tế, nồng độ này phụ thuộc vào nhiều tham số, đặc biệt là cấu trúc vi mô tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông Hơn nữa, nồng độ ion clorua trong dung dịch mao dẫn là không đồng nhất với nồng độ ở những vị trí xảy ra ăn mòn Giai đoạn mồi của quá trình ăn mòn phụ thuộc vào thế điện hóa của thép [34, 35] Tỷ lệ nồng độ Cl-/OH- không nhỏ hơn 0,6 thường được xem như là một chỉ tiêu để xác định thời điểm bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép [67, 83] Tỷ lệ này càng lớn, thì tốc độ ăn mòn diễn ra càng nhanh Chỉ tiêu này cũng phù hợp với một phân tích nhiệt động học về sự ổn định của lớp màng thụ động động theo hàm của độ

pH [128], được chứng minh bởi thực nghiệm [143] Nếu biết được độ pH của dung dịch mao dẫn trong bê tông, có thể tính toán được giá trị tới hạn của nồng độ ion clorua gây ra ăn mòn cốt thép Tỷ lệ Cl-/OH- có giá trị trong khoảng 0,6 – 1 thì nồng

độ ion clorua đạt đến giá trị tới hạn vào khoảng 0,4% so với khối lượng xi măng đối với bê tông không bị cacbonat hóa (hoặc trong khoảng 0,04 – 0,1% so với khối lượng

bê tông tùy theo cấp phối vật liệu)

Mối quan hệ này cho phép khảo sát sự tương tác giữa quá trình cacbonat hóa (giảm nồng độ ion OH-) và sự xâm thực của ion clorua (tăng nồng độ ion clorua tự do) Nhắc lại rằng, điều kiện độ ẩm bê tông (hàm lượng nước) là thông số quyết định đối với sự ăn mòn cốt thép, một mặt đối với sự khuếch tán các tác nhân hóa học (độ ẩm phù hợp để tồn tại pha khí trong bê tông nhằm khuếch tán khí CO2, cũng như tồn tại pha lỏng để khuếch tán các ion clorua), một mặt khác để các phản ứng hóa học giữa các tác nhân xâm thực này với vật liệu bê tông có thể được xảy ra

Sự xâm thực các ion clorua vào trong kết cấu BTCT phụ thuộc vào một số yếu tố như sau:

 Cấu trúc vi mô của vật liệu bê tông: Sự khuếch tán của ion clorua phụ thuộc nhiều vào độ rỗng của vữa xi măng Các phản ứng hóa học giữa ion clorua và các thành phần của vật liệu bê tông, tạo thành các ion clorua liên kết, làm giảm kích thước các lỗ rỗng đến giá trị rất nhỏ, đồng thời làm thay đổi hình thái các sợi tinh thể C-S-H Thành phần canxi clorua tạo ra cấu trúc vật liệu mở hơn đối với các lỗ rỗng mao dẫn so với các thành phần natri clorua, từ đó tạo điều kiện cho sự khuếch tán của các thành phần hóa học tự do [82, 111, 132] Như vậy, các ion clorua tự do

cũng như các ion clorua liên kết, tác động đến hình dạng của các lỗ rỗng trong bê tông, ảnh hưởng đến quá trình xâm thực

 Các phụ gia khoáng: xỉ lò cao, tro bay, muội silic có trong thành phần xi măng hoặc được sử dụng trong thành phần cấp phối của bê tông

Trong giai đoạn mồi của hiện tượng ăn mòn, chất lượng bê tông có ảnh hưởng lớn nhất (tỷ lệ N/X, cường độ bê tông), các điều kiện tiếp xúc với môi trường của kết cấu công trình giữ vai trò chính đối với sự ăn mòn cốt thép

1.2 Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn

1.2.1 Trên thế giới

Ăn mòn cốt thép là một trong những vấn đề thường gặp đối với các công trình bê tông cốt thép sau một thời gian công trình đưa vào sử dụng Sự ăn mòn bắt đầu từ việc độ pH trong bê tông giảm khi ở trong môi trường có hại, điều này làm cho cốt thép bị mất tính chống gỉ thụ động Với sự xâm nhập của các tác nhân có hại như ion clorua, sau một thời gian chúng sẽ tác động trực tiếp đến cốt thép và gây ra ăn mòn Muốn tăng tuổi thọ công trình thì ngoài việc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ thì việc tăng độ đặc chắc của bê tông là một nhân tố có vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ thấm khí cacbonic và ion clorua vào trong môi trường bê tông

Ăn mòn làm giảm cường độ và độ dẻo của cốt thép [61, 94] Hơn nữa, quá trình

ăn mòn cốt thép tạo ra các sản phẩm gỉ sét có sự giãn nở về thể tích tạo nên ứng suất kéo trong bê tông và làm cho bê tông suy giảm khả năng chịu lực do xuất hiện các vết nứt [101, 110] Một nhược điểm của bê tông là cường độ chịu kéo khá nhỏ so với cường độ chịu nén, nên nó rất dễ nứt tại vùng kéo khi chịu lực Sự ăn mòn cốt thép ở mức độ cao cũng làm cho lực dính giữa bê tông và cốt thép giảm đi như chỉ ra trong các nghiên cứu đã được thực hiện [37, 44] Do đó, sự ăn mòn sẽ làm cho độ cứng, khả năng chịu lực và biến dạng của cấu kiện BTCT bị suy giảm [6, 52, 124] Khi cốt thép bị ăn mòn, nó có ảnh hưởng kép đến ứng xử cơ học của kết cấu: (i) làm giảm khả năng chịu lực do diện tích cốt thép bị giảm so với thiết kế ban đầu; (ii) làm giảm

độ cứng của cấu kiện do giảm diện tích cốt thép và giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép; (iii) kết cấu bị phá hoại khi lực tác dụng và độ võng còn nhỏ Như một hệ quả,

sự an toàn và công năng sử dụng của kết cấu công trình bị ảnh hưởng [5]

Dầm BTCT dễ bị suy giảm khả năng chịu lực do sự tấn công của ion clorua làm cho cốt thép bị ăn mòn Ứng xử cơ học của các mẫu thử dầm BTCT bị ăn mòn cũng

đã được nghiên cứu rộng rãi Các nhà khoa học đã chứng minh rằng khi mức độ ăn mòn tương đối nhỏ (< 4% khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn), thì ăn mòn cốt thép trong dầm có ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng chịu uốn của kết cấu [38,

62, 107, 135, 158] Trong khi, nếu mức độ ăn mòn lớn hơn, độ võng cũng như bề rộng vết nứt tăng đáng kể trong quá trình tăng tải liên tục, khả năng chịu uốn giảm đi

và có thể kèm theo sự thay đổi về cơ chế và dạng phá hoại của kết cấu [158]

Một hạn chế lớn của các công trình nghiên cứu trên,đó là tất cả các mẫu thử đều

bị cho ăn mòn mà không có sự tác dụng của tải trọng trước khi áp dụng thí nghiệm

cơ học Để cải thiện điều này, một số công trình đã nghiên cứu khả năng chịu lực cũng như khả năng làm việc của dầm dưới tác dụng của tải trọng và sự ăn mòn cốt thép một cách đồng thời [41, 63, 84, 105, 174] Một nghiên cứu của Dong et al (2017) [58] đã được thực hiện để khảo sát sự lan truyền vết nứt và ứng xử uốn của dầm BTCT dưới sự ảnh hưởng đồng thời của ăn mòn cốt thép và tải trọng tác dụng Trong nghiên cứu này, cả cốt thép đai và cốt dọc chịu lực chính của dầm đều bị ăn mòn Trong quá trình ăn mòn cốt thép, dầm đồng thời cũng chịu tác dụng của tải trọng với các mức độ khác nhau Nghiên cứu này đã đưa ra các kết luận như sau: (i) Quá trình

ăn mòn cốt thép và tác dụng tải trọng lên dầm diễn ra đồng thời, sự hình thành vết nứt sẽ đáng kể và nhanh hơn so với quá trình cho dầm ăn mòn độc lập; (ii) Quá trình đồng thời diễn ra của ăn mòn và tải trọng tác dụng thì ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng chịu lực giới hạn của dầm khi cốt thép chủ bị ăn mòn ở mức độ thấp (2 - 3% trong bài nghiên cứu), nhưng nó có thể làm giảm độ dẻo của dầm; (iii) Quá trình này có thể phản ánh đúng ứng xử của kết cấu trong thực tế khi chúng phải chịu đồng thời tác dụng của cả tải trọng và quá trình ăn mòn

Nhiều nghiên cứu trong quá khứ đã chỉ ra rằng ăn mòn cốt thép ảnh hưởng xấu đến ứng xử cơ học của các cấu kiện BTCT [103, 153] Theo những nghiên cứu này, cường độ cơ học của dầm BTCT giảm dưới tác động của ăn mòn Rất nhiều các nghiên cứu trước đây đã được thực hiện với mục đích khảo sát ứng xử của dầm BTCT khi cốt thép dọc chịu lực và cốt đai bị ăn mòn đồng thời Các bài báo đó đã kết luận rằng có sự suy giảm đáng kể khả năng chịu lực cũng như độ võng giới hạn của dầm khi hai loại cốt thép bị ăn mòn cùng một thời điểm [81] Trạng thái phá hoại của dầm

có thể bị thay đổi bởi sự mất mát độ dẻo, chuyển từ dạng phá hoại uốn sang dạng phá hoại cắt

Tuy nhiên, không có nhiều tài liệu có sẵn tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc ăn mòn cốt đai riêng biệt đến ứng xử uốn của dầm BTCT Khi cốt đai bị ăn mòn, một phần tiết diện của cốt đai sẽ bị mất mát, cùng với đó là sự trương nở về thể tích của các sản phẩn ăn mòn sinh ra trong bê tông dẫn tới sự phá vỡ lớp bê tông bảo

vệ Sự mất mát lớp bảo vệ của bê tông này có thể dẫn tới phá hoại cắt, nguyên nhân của sự phá hoại giòn và đột ngột của dầm [55] Mặc dù cốt đai ở phần giữa nhịp dầm không đóng góp nhiều vào khả năng chịu uốn của dầm, nhưng sự ăn mòn của cốt đai tại đó sẽ làm ảnh hưởng tới khả năng chịu uốn cũng như độ dẻo của dầm BTCT Sự

ăn mòn của cốt đai tạo nên các vết nứt do ăn mòn, những vết nứt này sẽ có vai trò định hướng cho sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt nghiêng trong quá trình gia tải Ảnh hưởng của ăn mòn cốt đai trong vùng nhịp cắt của dầm cũng quan trọng bởi

vì nó dẫn đến sự thay đổi trạng thái phá hoại của dầm

Một nghiên cứu được thực hiện bởi Ullah et al (2016) [165] đã khảo sát ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đai đến khả năng chịu lực của dầm BTCT Trong nghiên cứu này, cốt thép dọc chịu lực được bọc bởi một lớp epoxy để loại bỏ khả năng chúng

bị ăn mòn Bảy mẫu dầm với chiều dài 1800 mm, rộng 100 mm và cao 150mm được đúc bằng bê tông thường, và sự ăn mòn của cốt đai được thực hiện bằng dòng điện Các vị trí ăn mòn cốt đai ở nhịp chịu cắt, giữa dầm và trên toàn dầm với hai mức độ

ăn mòn, ví dụ như ăn mòn thấp (gần 10% mất mát khối lượng trung bình) và ăn mòn nghiêm trọng (gần 20% mất mát khối lượng trung bình) Sau quá trình thí nghiệm, các kết luận có thể được rút ra từ nghiên cứu như sau:

- Sự mất mát khối lượng không xảy ra đều trên các cốt đai, mặc dù quá trình ăn mòn được dùng chung một dòng điện cho tất cả các cốt đai Sự khác biệt trong việc mất mát khối lượng của cốt đai là do sự cách điện khác nhau của các cốt đai

- Có một số điểm tương đồng trong hình dạng vết nứt sau khi ăn mòn với mức độ

ăn mòn khác nhau Đối với các dầm ăn mòn thấp, vết nứt lớn nhất do ăn mòn với

bề rộng từ 0,1 - 0,29 mm Đối với dầm ăn mòn nghiêm trọng, số lượng vết nứt ăn mòn giảm dần, trong khi bề rộng vết nứt tăng lên

- Số lượng vết nứt do ăn mòn gần như giống nhau tại những vị trí ăn mòn mà không

có sự phân biệt bởi mức độ ăn mòn Tuy nhiên, số vết nứt uốn do tải trọng ít hơn nhiều trên dầm ăn mòn nghiêm trọng

- Các vết nứt uốn do tải trọng trên dầm ăn mòn thấp rộng hơn so với dầm ăn mòn nghiêm trọng Đối với dầm ăn mòn nghiêm trọng, các vết nứt uốn xuất hiện trong phạm vi nhỏ có thể được quan sát

- Khả năng chịu lực của tất cả các dầm ăn mòn đều bị giảm so với dầm đối chứng,

và sự mất mát khả năng chịu lực lớn nhất đến từ các dầm ăn mòn nghiêm trọng

Sự mất mát khả năng chịu lực lớn nhất được quan sát ở những dầm mà vị trí cốt đai bị ăn mòn là ở giữa nhịp dầm

- Sự ăn mòn của cốt đai không ảnh hưởng đáng kể đến độ võng và độ dẻo của các dầm BTCT trong thí nghiệm

Ăn mòn là một trong những nguyên nhân chính làm hư hỏng các kết cấu BTCT, đặc biệt là các kết cấu tiếp xúc với môi trường biển Hàng năm trên thế giới tiêu tốn hơn 100 tỷ đô la để sửa chữa, bảo trì các kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn mòn [100] Phân tích ứng xử của kết cấu bị ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào nhiều tham số, do đó

sử dụng phương pháp phân tích truyền thống như khi cốt thép không bị ăn mòn gặp nhiều hạn chế Ảnh hưởng của các tham số đó vẫn chưa được đánh giá đầy đủ và cần nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa Do đó, mô phỏng số là một công cụ rất hữu ích để đánh giá, dự báo sự làm việc của các kết cấu thực tế bị ăn mòn Phương pháp này giúp các nhà quản lý, các kỹ sư thiết kế kết cấu có kế hoạch, giải pháp bảo vệ, sửa chữa phù hợp cho các kết cấu công trình thực tế Các kết quả thu được từ mô phỏng số là cơ sở dữ liệu góp phần cho việc xây dựng phương pháp tính toán kết cấu BTCT bị ăn mòn

Ngoài việc nghiên cứu ứng xử uốn của các dầm BTCT bị ăn mòn bằng phương pháp thí nghiệm và dự đoán sự làm việc của chúng bằng phương pháp số, tại phòng thí nghiệm LMDC – thuộc Viện Khoa học Ứng dụng Quốc gia Toulouse, Cộng hòa Pháp, nhóm nghiên cứu của GS François Raoul đã chế tạo những dầm BTCT và áp dụng phương pháp ăn mòn tự nhiên từ năm 1984 [71] Những dầm này được thiết kế theo tiêu chuẩn BAEL của Pháp với kích thước tiết diện mặt cắt ngang 150 mm x 280

mm, chiều dài 3000 mm Những dầm này trước khi đem bảo quản được uốn ba điểm với cùng một cấp tải và bị nứt – các vết nứt thẳng góc với trục dầm Sau đó chia làm hai nhóm khác nhau: (i) Nhóm thứ nhất được bảo quản trong môi trường phun sương bằng nước muối có tỷ lệ 35 g/lít Tỷ lệ này tương đương với nồng độ NaCl có trong nước biển Sáu năm đầu tiên dầm được phun sương nước muối liên tục, nhiệt độ được giữ không đổi là 20oC Ba năm tiếp theo dầm được phun cách quãng, nghĩa là một

tuần phun sương nước muối và một tuần được để khô trong điều kiện phòng thí nghiệm Năm năm tiếp theo dầm cũng được phun muối cách quãng một tuần phun và một tuần sấy khô nhưng để ở ngoài trời Sau 19 năm các vết nứt do cốt thép bị ăn mòn được đo và vẽ lại; (ii) Nhóm thứ hai không bị ăn mòn được bảo quản trong phòng thí nghiệm để làm kết quả đối chứng Sau 19 năm, hai dầm đã được thực hiện thí nghiệm uốn ba điểm (tải trọng tập trung tác động tại giữa dầm) Kết quả là dầm không

bị ăn mòn bị phá hoại khi tải trọng thí nghiệm đạt 53 kN, tương ứng với độ võng đo được giữa dầm là 83,5 mm Dầm ăn mòn bị phá hoại khi tải trọng thí nghiệm đạt 42,5

kN tương ứng độ võng đo được tại giữa dầm chỉ là 25,5 mm So sánh kết quả thí nghiệm uốn ba điểm, thấy rằng dầm ăn mòn bị giảm khả năng chịu lực đến 22% so với dầm không bị ăn mòn Tỷ lệ giảm khả năng chịu lực này bằng đúng tỷ lệ giảm diện tích cốt thép trong vùng kéo tại khu vực có mô men uốn lớn nhất Ngoài ra, độ võng trước khi dầm bị phá hủy cũng giảm đáng kể so với dầm BTCT không bị ăn mòn do cốt thép bị ăn mòn kém dẻo hơn cốt thép không bị ăn mòn Chính độ giãn dài của cốt thép ăn mòn bị giảm nên dầm bị phá hủy ngay khi độ võng của dầm có giá trị rất nhỏ so với dầm đối chứng Bên cạnh đó, nếu so sánh độ cứng của dầm ở cấp tải trọng nhỏ hơn 36 kN, thì ta thấy rằng độ cứng của dầm ăn mòn nhỏ hơn độ cứng của dầm không bị ăn mòn Đó là do ảnh hưởng của sự mất mát lực dính giữa bê tông và cốt thép do ăn mòn gây ra Như vậy, hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông gây ra

ba ảnh hưởng chính cho kết cấu bê tông cốt thép: (1) giảm khả năng chịu lực của dầm BTCT và gia tăng nguy cơ thay đổi trạng thái phá hoại từ dẻo sang giòn, (2) giảm độ dẻo của thép, (3) giảm độ cứng tổng thể của cấu kiện do sự mất mát lực dính

1.2.2 Ở Việt Nam

Về vị trí địa lý, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm gió mùa Những điều kiện khí hậu môi trường có thể làm cho quá trình ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình thực tế diễn ra nhanh hơn so với dự đoán [1] Những công trình BTCT ở các đô thị ven biển rất dễ bị ăn mòn do gió thổi từ biển vào mang theo độ

ẩm và hàm lượng muối cao Do đó, sự ăn mòn cốt thép chắc chắn là một vấn đề quan trọng thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Ở nước ta, các kỹ sư thiết

kế đều tính toán cấu kiện BTCT theo trạng thái giới hạn thứ nhất, tức là đảm bảo khả năng chịu lực, nhưng kiểm tra sự hình thành và mở rộng vết nứt thì ít được quan tâm

Do đó, các vết nứt trong vùng bê tông chịu kéo xuất hiện ngay từ cấp tải trọng nhỏ so với khả năng chịu lực của nó Các vết nứt này vô cùng nhạy cảm với các kết cấu thiết

kế chống ăn mòn, do các vết nứt tại vùng kéo tạo điều kiện dễ dàng cho sự xâm thực của các tác nhân gây ăn mòn cốt thép như khí cacbonic và ion clorua Về góc độ ăn mòn thì vết nứt trong bê tông vùng kéo có thể làm giảm tuổi thọ của kết cấu từ 5 năm đến 15 năm so với kết cấu không có vết nứt

Căn cứ vào tính chất, mức độ xâm thực của môi trường biển có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường biển theo vị trí làm việc của kết cấu công trình thành các tiểu vùng sau đây: (i) Vùng hoàn toàn ngập trong nước biển; (ii) Vùng nước biển lên xuống (bao gồm cả phần sóng đánh); (iii) Vùng khí quyển trên biển và ven biển, gồm các vị trí địa lý như khí quyển trên mặt nước biển, sát mép nước từ 0 - 0,25 km, ven

bờ từ 0,25 - 1 km; và gần bờ từ 1 - 20 km

Theo tài liệu của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng [2] về kết quả điều tra, khảo sát hiện trạng, đánh giá nguyên nhân và mức độ hư hỏng của hàng trăm công trình BTCT đã xây dựng từ đầu thế kỷ XX đến nay ở vùng biển Việt Nam từ Quảng Ninh đến Kiên Giang, có thể mô tả bức tranh chung về hiện trạng ăn mòn, hư hỏng các công trình BTCT ở vùng biển Việt Nam như sau:

 Đối với các công trình trong vùng ngập nước biển, các cấu kiện BTCT thường được chế tạo với bê tông có cường độ chịu nén trong khoảng 20 - 40 MPa Sau thời gian sử dụng 50 - 60 năm, phần kết cấu nằm trong vùng hoàn toàn ngập nước biển vẫn ở trạng thái tốt, cốt thép chớm gỉ nhẹ, bê tông bị hư hại nhưng chưa tới mức bị nứt vỡ hay phá huỷ Do đó, phần kết cấu trong vùng ngập nước có cường

độ và độ đặc chắc phù hợp có thể đạt đến tuổi thọ thiết kế của công trình Ngược lại, phần kết cấu phía trên mặt nước có thể xảy ra hiện tượng ăn mòn và những hư hỏng, làm ảnh hưởng đến việc khai thác, sử dụng công trình Hình 1.7 giới thiệu một công trình thực tế điển hình bị ăn mòn trong điều kiện ngập nước

Hình 1.7 Ăn mòn cốt thép trên cầu cảng Hòn Gai, Quảng Ninh [1]

 Đối với các công trình trong vùng nước biển lên xuống và có sóng đánh, nguyên nhân chủ yếu gây ra những hư hỏng và phá huỷ của kết cấu công trình là sự ăn mòn cốt thép, làm giảm tiết diện cốt thép, làm nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ, dẫn tới suy giảm dần khả năng chịu lực của kết cấu Nhìn chung, các kết cấu BTCT có cường độ bê tông dưới 30 MPa và độ đặc chắc trung bình Sau 10 - 15 năm làm việc ở vùng nước lên xuống, nhiều công trình có lớp bê tông bảo vệ bị vỡ hẳn ra

do lớp gỉ cốt thép quá dày, kéo theo giảm đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu Hình 1.8 giới thiệu một số công trình thực tế điển hình bị ăn mòn cốt thép trong vùng nước lên xuống sau 15 đến 30 năm sử dụng Như vậy, quá trình ăn mòn cốt thép diễn ra nhanh hơn trên kết cấu công trình trong vùng nước lên xuống, có thể gây ra những hư hỏng nghiêm trọng cho công trình

(a) Cảng Thương vụ - Vũng Tàu sau 15

năm sử dụng

(b) Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng, cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng Hình 1.8 Ăn mòn cốt thép trên công trình thực tế trong vùng nước lên xuống [1]

 Đối với các công trình trong vùng khí quyển trên biển và ven biển, ảnh hưởng xâm thực biển có thể vào sâu trong đất liền tới 20 km Các công trình có cường

độ bê tông dưới 25 MPa, hiện tượng nứt kết cấu thường xuất hiện trên các kết cấu

có thời gian sử dụng khoảng 15 - 25 năm, và xảy ra nhiều nhất trên các kết cấu nằm ở vị trí trực diện với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khô

ẩm liên tiếp (ví dụ: kết cấu bao che phía ngoài, ban công, cầu thang, dầm, cột, sàn) Ngược lại, các kết cấu nằm ở vị trí khác, khô ráo và không bị ẩm ướt thường thì ít bị hư hỏng hơn Hình 1.9 giới thiệu minh họa một số công trình thực tế bị ăn mòn trong điều kiện khí hậu ven biển

(a) Nhà dân ở Đồ Sơn, Hải Phòng (b) Trường học ở Thanh Hóa Hình 1.9 Ăn mòn cốt thép trên một số công trình thực tế trong vùng khí quyển ven

biển [1]

Những kết quả thu được từ điều tra và khảo sát đã được thực hiện ở nước ta, có thể đưa ra các nhận xét chính về tình trạng ăn mòn cốt thép trên các công trình BTCT xây dựng trong điều kiện khí hậu biển và ven biển, như sau:

- Ăn mòn cốt thép là một hiện tượng phổ biến và là nguyên nhân chính gây ra hư hỏng kết cấu BTCT và làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình xây dựng ven biển ở Việt Nam

- Trên các công trình bị ăn mòn cốt thép, cường độ chịu nén của bê tông phổ biến trong khoảng từ 15 đến 40 MPa

- Mức độ ăn mòn cốt thép rất biến động trên các công trình thực tế, trung bình dao động trong khoảng 5% đến 30%, và có thể đạt đến 50 – 60%

- Hàm lượng ion clorua và độ pH trong bê tông cũng rất biến động, phụ thuộc vào

vị trí xây dựng của công trình

Tương tự, Hai et al (2007) [79] đã thực hiện một nghiên cứu nhằm đánh giá hiện trạng của các công trình cầu đường bộ ở Việt Nam, tập trung phân tích các dạng và nguyên nhân chính của các hư hỏng Theo số liệu thống kê năm 2004, ở nước ta có tổng cộng 4107 cầu, được xây dựng từ năm 1954 – 1995, bằng kết cấu BTCT, bê tông ứng lực trước và kết cấu thép Phần lớn các công trình cầu có kích thước nhỏ với chiều dài nhỏ hơn 25 m, khả năng chịu tải thấp từ 10 – 13 tấn Nghiên cứu này chỉ ra rằng ăn mòn là nguyên nhân hàng đầu gây ra những hư hỏng, xuống cấp trên các công trình cầu Đối với các kết cấu phía trên mặt cầu, tần suất xuất hiện ăn mòn kim loại

là 100%, nhưng với mức độ thấp, lớn nhất khoảng 30% diện tích bề mặt thép Đối

với các kết cấu cách mặt nước 2 m, thì tần suất bị ăn mòn có thể lên đến 70% với mức độ ăn mòn nghiêm trọng lên đến 80% diện tích bề mặt thép Các kết cấu trong vùng nước lên xuống, tần suất xuất hiện là 40%, với mức độ ăn mòn trung bình, lớn nhất khoảng 50% diện tích bề mặt thép Trong khi đó, các kết cấu nằm trong vùng ngập nước, ăn mòn cốt thép xuất hiện ít hơn cả Những nguyên nhân chính được xác định bao gồm:

(a) Tác động của những điều kiện khí hậu bất lợi như độ ẩm cao, không khí ven biển có nồng độ clorua cao, sự chênh lệch lớn về nhiệt độ;

(b) Bề mặt bê tông không được bảo vệ bởi vật liệu chống ăn mòn;

(c) Bề mặt kết cấu thép được bảo vệ bởi vật liệu sơn có chất lượng thấp;

(d) Lớp bê tông bảo vệ có chiều dày hạn chế, trong khoảng 15 – 50 mm

Từ những số liệu về hiện trạng ăn mòn cốt thép trên các công trình thực tế, nước

ta đã tiến hành xây dựng một số tiêu chuẩn liên quan cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, đó là TCVN 3994:1985 [20], TCVN 9139:2012 [21], TCVN 9343:2012 [22], TCVN 9346:2012 [23] và TCVN 9348:2012 [24] Tiêu chuẩn TCVN 9346:2012 [23] quy định các yêu cầu thiết kế, vật liệu và thi công nhằm đảm bảo khả năng chống

ăn mòn cho các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép xây dựng ở vùng biển với tuổi thọ

sử dụng công trình đến 50 năm Bảng 1.1 tổng hợp các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển Đối với vật liệu bê tông, cường

độ chịu nén thiết kế có giá trị từ 25 - 50 MPa Kết cấu trong vùng nước lên xuống và trên mặt nước thường có cường độ lớn hơn so với kết cấu trong các vùng khác Đối với các công trình sát bờ biển và ven biển, lớp bê tông bảo vệ có chiều dày tối thiểu

từ 20 - 50 mm Kết cấu ngoài trời phải có lớp bảo vệ dày hơn so với kết cấu trong nhà Đối với kết cấu ngập nước, trong vùng nước lên xuống và trên mặt nước, lớp bê tông bảo vệ có chiều dày tối thiểu từ 30 - 70 mm Dưới tác động xâm thực của môi trường biển, độ mở rộng vết nứt xuất hiện trên kết cấu được quy định phải không lớn hơn 0,15 mm đối với công trình sát bờ biển và ven biển, không lớn hơn 0,1 mm đối với công trình ngập nước và trên mặt nước, không lớn hơn 0,05 mm đối với công trình trong vùng nước lên xuống và có sóng đánh

Bảng 1.1 Yêu cầu thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển [23]

Yêu cầu thiết kế

Kết cấu làm việc trong vùng

Ngập nước

Nước lên xuống

và sóng đánh

Khí quyển Trên mặt

nước

Trên bờ, 01 km cách mép nước

Gần bờ, 130 km cách mép nước Cường độ bê tông

Cấu tạo kiến trúc

- Bề mặt kết cấu phẳng, không gây đọng nước, không gây tích hơi ẩm và bụi

- Hạn chế sử dụng kết cấu BTCT dạng thanh mảnh (chớp, lan can chắn nắng)

- Có khả năng tiếp cận tới mọi vị trí để kiểm tra, sửa chữa Trong thời gian gần đây, những nghiên cứu về chủ đề ăn mòn cốt thép tại Việt Nam vẫn chưa nhận được sự quan tâm đúng mực, một số nghiên cứu thường chỉ xét đến các biện pháp chống ăn mòn và giảm ăn mòn [10], mà chưa xét đến khả năng làm việc cũng như ứng xử cơ học của các kết cấu chịu lực chính của công trình như cột, dầm, sàn

Gần đây, thông qua các nghiên cứu thực nghiệm của Azad et al (2007) [38] và Lee et al (1999) [98] trên các mẫu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn bởi thí nghiệm gia tốc ăn mòn điện hóa, Đ.V Hiệp (2018) [3] đã tiến hành mô phỏng ứng xử của kết

cấu dầm BTCT bị ăn mòn bằng phần mềm ATENA Trong thí nghiệm của Azad et

al (2017) [38], các dầm được chia làm bốn nhóm tùy theo đường kính cốt thép dọc, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cường độ dòng điện tác dụng và thời gian gia tốc ăn mòn Cốt thép dọc chịu kéo của các mẫu dầm được ăn mòn bởi dòng điện để đạt được khối lượng thép bị mất mát trung bình tương ứng lần lượt là 5,4% và 31% Cốt thép dọc chịu nén được cách ly để không bị ăn mòn Sau thời gian ăn mòn, các dầm được thí nghiệm uốn bốn điểm cho đến khi phá hoại Thông qua việc sử dụng phương pháp

số để mô hình hóa lại thí nghiệm, nghiên cứu đã đưa ra một số kết luận dựa trên những kết quả thu được, như sau: (i) Mất mát lực dính giữa cốt thép và bê tông làm phân phối lại nội lực trong cốt thép chịu kéo và bê tông vùng nén Trong phạm vi dầm đã khảo sát, mất mát lực dính hầu như không làm suy giảm khả năng chịu lực của dầm; (ii) Mất mát diện tích cốt thép dọc chịu lực làm thay đổi kiểu ứng xử của dầm, có thể chuyển từ phá hoại dẻo sang phá hoại giòn Mất mát tiết diện cốt thép làm giảm độ võng nhiều hơn làm giảm khả năng chịu lực của dầm; (iii) Với 1% mất mát diện tích cốt thép chịu kéo sẽ làm giảm khoảng 0.8% khả năng chịu lực của dầm Tương tự, một số nghiên cứu bằng phương pháp số đã được thực hiện bởi Tân & Kiên (2020) [95, 121] nhằm mô phỏng ứng xử uốn và ứng xử cắt của các mẫu dầm BTCT bị ăn mòn cốt thép đai Những nghiên cứu này chỉ ra rằng khả năng chịu lực của dầm ăn mòn chủ yếu bị chi phối bởi sự mất mát tiết diện của cốt thép chịu kéo,

và ít bị ảnh hưởng bởi mất mát ứng suất bám dính giữa cốt thép và bê tông Cốt thép đai trong vùng nhịp uốn bị ăn mòn ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng chịu uốn

và độ võng của dầm Ngược lại, cốt thép đai trong vùng nhịp cắt bị ăn mòn với mức

độ nghiêm trọng có thể làm thay đổi dạng phá hoại của dầm, từ phá hoại dẻo sang phá hoại giòn

Cho đến nay, các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử cơ học của các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua còn rất hạn chế Gần đây, một

số nghiên cứu đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến khả năng chịu lực và biến dạng của kết cầu dầm BTCT [120, 121] Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên các mẫu dầm có kích thước tương đối nhỏ và cốt thép chỉ bị ăn mòn thấp Hơn nữa, các nghiên cứu thực nghiệm về sửa chữa và gia cường các kết cấu BTCT bị ăn mòn gần như chưa được thực hiện

1.3 Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn

1.3.1 Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn

Ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân quan trọng gây ra nhiều hư hỏng và xuống cấp trên các công trình BTCT Đặc biệt, quá trình ăn mòn thường diễn

ra nhanh hơn dự kiến đối với các công trình làm việc trong môi trường biển và ven biển do sự xâm nhập của ion clorua tồn tại trong nước biển hoặc khuếch tán trong không khí Sự tấn công của ion clorua vào trong kết cấu, làm thay đổi điều kiện môi trường của lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến thay đổi lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép

và thúc đẩy quá trình ăn mòn diễn ra Đặc trưng của ăn mòn do xâm nhập ion clorua

là sự xuất hiện của các điểm ăn mòn cục bộ (pitting corrosion) dọc theo chiều dài thanh thép Trên kết cấu công trình bị ăn mòn, những hư hỏng thường gặp đó là: lớp

bê tông bảo vệ bị nứt, thậm chí bị bong tróc hoàn toàn do sự trương nở thể tích của các sản phẩm ăn mòn; diện tích tiết diện của cốt thép bị suy giảm và biến động do hiện tượng ăn mòn điểm Những xuống cấp, hư hỏng do ăn mòn cốt thép không chỉ ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của công trình, mà dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực, tính ổn định và độ bền vững của công trình theo thời gian Những hư hỏng quan sát được trên bề mặt của kết cấu là hệ quả của một quá trình ăn mòn cốt thép đã bắt đầu từ rất lâu trước đó Theo TCVN 9343:2012 [22], công trình thường xuyên chịu tác động ăn mòn cốt thép do khí hậu biển và hóa chất cần được kiểm tra định kỳ với chu kỳ từ 1 đến 2 năm Hơn nữa, kinh nghiệm của các nước trên thế giới chỉ ra rằng các công việc bảo trì, sửa chữa và gia cường kết cấu công trình bị ăn mòn cốt thép đòi hỏi nguồn tài chính rất lớn và ngày càng tăng lên do số lượng lớn công trình xây dựng cũ [123]

(a) Các phương pháp sửa chữa kết cấu

Tùy vào mức độ hư hỏng và xuống cấp của kết cấu công trình, các biện pháp sửa chữa và gia cường kết cấu có thể được áp dụng, nhằm khôi phục khả năng làm việc, đảm bảo tính an toàn và bền vững của công trình theo thời gian Theo AFGC [29], các phương pháp thường được sử dụng để sửa chữa kết cấu BTCT bị ăn mòn như sau:

- Sửa chữa lớp bảo vệ: Phương pháp này nhằm mục đích sửa chữa lớp bê tông bảo

vệ cốt thép, ngăn chặn quá trình ăn mòn và duy trì tính toàn vẹn của kết cấu Một

số công tác thường được thực hiện bao gồm loại bỏ các vùng bê tông bị hư hỏng,

nứt vỡ, thay thế cốt thép bị ăn mòn nghiêm trọng, khôi phục lớp bảo vệ bằng vật liệu sửa chữa có tính chất tương đương hoặc cao hơn so với bê tông/ vật liệu cũ

- Hóa chất chống thấm: Phương pháp này tạo ra một lớp mỏng hóa chất chống thấm nước trên bề mặt kết cấu để ngăn chặn sự thấm nước từ môi trường vào trong kết cấu Nó thường được áp dụng như một phương pháp phòng ngừa đối với các kết cấu tiếp xúc trực tiếp với nước mưa, hoặc dòng nước chảy

- Chất ức chế ăn mòn: Là một hợp chất hóa học ở dạng lỏng được phủ trực tiếp lên

bề mặt và thấm vào trong bê tông, có tác dụng làm chậm hoặc ngăn chặn quá trình

ăn mòn cốt thép Chất ức chế bao phủ bề mặt kim loại và làm giảm diện tích của các phản ứng ăn mòn, hoặc tạo ra các hợp chất với kim loại, nước trong môi trường vật liệu và thay đổi các phản ứng tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông

- Sơn phủ bề mặt: Phương pháp này được áp dụng phổ biến nhằm cải thiện tính thẩm mỹ của công trình, bảo vệ bề mặt bê tông và tăng khả năng chống thấm đối với các tác nhân xâm thực từ môi trường như khí cacbonic, ion clorua, độ ẩm không khí

- Bê tông phun: Phương pháp này thường sử dụng đối với kết cấu dạng vách, phun hỗn hợp bê tông lên bề mặt kết cấu bằng khí nén Vật liệu được thiết kế có độ sụt cao để đảm bảo tính công tác, bằng cách sử dụng thêm các phụ gia hóa học, phụ gia khoáng (muội silic) và các loại sợi để tăng cường các tính chất của bê tông

- Xử lý điện hóa: Phương pháp này dựa trên nguyên lý phân cực dòng điện đối với lưới thép gần với bề mặt, bằng cách sử dụng một cực dương đặt trên bề mặt và được bao bọc bởi một lớp vữa bão hòa dung dịch chất điện ly Dòng điện phân cực chạy từ cực dương sang cốt thép (cực âm) Kỹ thuật này cho phép tăng độ pH của môi trường bê tông đã bị cacbonat hóa hoặc loại bỏ các ion clorua đã thấm vào lớp bê tông bảo vệ

(b) Các phương pháp gia cường kết cấu

Quá trình ăn mòn cốt thép ở mức độ cao không chỉ gây ra những hư hỏng đối với lớp bê tông bảo vệ, mà nó còn gây ra sự giảm tiết diện của cốt thép, giảm ứng suất bám dính giữa cốt thép và bê tông, giảm tiết diện chịu lực của bê tông, cũng như suy giảm các tính chất cơ học của các vật liệu vùng hư hỏng Những xuống cấp này dẫn đến sự suy giảm khả năng làm việc của kết cấu công trình, cụ thể là giảm khả năng chịu lực, tăng biến dạng của kết cấu, thậm chí có thể gây ra sự sụp đổ công trình một

cách đột ngột Do đó, các công trình thực tế cần phải được bảo trì thường xuyên, khảo sát hiện trạng định kỳ, nhằm đánh giá khả năng chịu lực còn lại và đưa ra phương pháp gia cường nhằm khôi phục lại khả năng làm việc ban đầu nếu cần thiết

Trong thực tế, kết cấu công trình BTCT thường được gia cường bằng một trong bốn phương pháp chính, như sau:

- Phương pháp bọc ngoài bằng bê tông/BTCT: Phương pháp này dựa trên nguyên

lý là thay thế lớp bê tông bảo vệ bị hư hỏng bằng vật liệu sửa chữa có tính chất cơ học tương đương hoặc cao hơn vật liệu cũ, kết hợp với tăng hàm lượng cốt thép

và tăng tiết diện chịu lực của kết cấu Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm là làm tăng trọng lượng bản thân của kết cấu, giảm diện tích sử dụng hoặc chiều cao thông thủy của công trình, cũng như quá trình khai thác sử dụng công trình bị ảnh hưởng do biện pháp thi công yêu cầu phải giảm tối đa biến dạng ban đầu của kết cấu trước khi tiến hành gia cường

- Phương pháp bọc ngoài bằng bản thép: Các bản thép được bọc bên ngoài kết cấu nhằm tăng khả năng chịu lực và độ cứng của kết cấu Việc sử dụng các bản thép

ít ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của kết cấu so với phương pháp bọc ngoài bằng bê tông/BTCT Thi công trên hiện trường cũng nhanh hơn do các bản thép có thể gia công sẵn trong nhà xưởng Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm như các bản thép có thể bị tác động bởi các yếu tố gây ra ăn mòn khi công trình làm việc trong các điều kiện khí hậu khắc nghiệt, hoặc/và sự làm việc không đồng thời giữa kết cấu cũ và bản thép gia cường

- Phương pháp dán tấm sợi FRP (Fiber Reinfoced Polymer): Phương pháp này được nghiên cứu và phát triển nhằm thay thế cho hai phương pháp gia cường nêu trên Nhờ những ưu điểm về các tính chất cơ học của vật liệu FRP cao hơn so với các vật liệu truyền thống (bê tông, thép), trọng lượng nhẹ và phương pháp thi công đơn giản, không ảnh hưởng đến quá trình khai thác và vận hành công trình, mà phương pháp này đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam Phương pháp dán tấm sợi FRP đã được chứng minh là có thể được áp dụng trên đa dạng các kết cấu công trình như nhà dân dụng, nhà cao tầng, công trình cầu, công trình thủy lợi, công trình biển… như minh họa trên các Hình 1.10 – 1.12

(a) Gia cường cột (b) Gia cường trụ cầu

Hình 1.10 Gia cường kết cấu cột BTCT bằng vật liệu FRP [9]

(a) Gia cường chịu uốn dầm (b) Gia cường chịu cắt dầm

Hình 1.11 Gia cường kết cấu dầm BTCT bằng vật liệu FRP [9]

(a) Gia cường sàn phẳng không dầm (b) Gia cường kết cấu vòm cầu

Hình 1.12 Gia cường kết cấu sàn BTCT bằng vật liệu FRP [9]

Hiện nay, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, cũng như các tiêu chuẩn về thi công và nghiệm thu gia cường kết cấu bằng vật liệu FRP Vì vậy, để đánh giá chính xác về hiệu quả gia cường của phương pháp gia cường này trên công trình thực tế đòi

hỏi phải thực hiện nhiều nghiên cứu thực nghiệm, đặc biệt khi áp dụng phương pháp gia cường này trên các kết cấu BTCT bị ăn mòn cốt thép trong môi trường khí hậu biển ở nước ta Trong khuôn khổ của luận án, phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết và áp dụng để tiến hành gia cường chịu uốn đối với các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua

- Phương pháp ứng lực trước căng ngoài: Một số ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu gia cường Các sợi cáp ứng lực căng ngoài sẽ được kéo và neo vào các ụ neo này Việc gia cường bằng phương pháp này thường được áp dụng cho các cấu kiện có kích thước lớn, như dầm cầu, sàn nhà khẩu độ lớn, và được thực hiện ở vùng làm việc chịu kéo

1.3.2 Cấu tạo của vật liệu FRP

FRP là một dạng vật liệu composite, kết hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần để tạo nên vật liệu mới có các tính chất cơ lý cao hơn rất nhiều so với các dạng vật liệu ban đầu Các loại sợi được sử dụng phổ biến là sợi các bon, sợi thủy tinh và sợi armid Vật liệu sợi được liên kết với nhau nhờ vật liệu nền gốc polymer như keo epoxy, nhựa vinylester hoặc polyester Tính chất cơ học của vật liệu FRP phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của loại sợi dệt Một số đặc điểm nổi bật của vật liệu FRP là khối lượng nhẹ, độ bền cao, độ bền vững dưới các tác động của môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm, tác nhân ăn mòn), độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp Với những

ưu điểm kể trên, vật liệu FRP ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt trong sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT

Hình 1.13 giới thiệu minh họa các loại sợi thường được sử dụng để chế tạo vật liệu FRP, gồm có: (i) sợi các bon CFRP, (ii) sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), và (iii) sợi aramid AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer) Loại sợi được sử dụng để dệt nên tấm sợi FRP phải đảm bảo có cường độ cao, có sự khác biệt nhỏ về cường độ giữa các sợi đơn lẻ, và có đường kính đồng nhất Tấm sợi được cấu tạo bởi các sợi liên tục và phân bố theo các hướng xác định tùy thuộc vào công nghệ dệt Do đó, FRP là vật liệu đẳng hướng, có cường độ cao và độ cứng cao hơn theo hướng phân bố của sợi

(i) Sợi các bon (ii) Sợi thủy tinh (iii) Sợi aramid

Hình 1.13 Các loại sợi sử dụng chế tạo tấm sợi FRP Trong số các loại sợi kể trên, thì sợi thủy tinh GFRP được đưa vào sử dụng sớm nhất từ khoảng những năm 1939, tiếp đến là sợi aramid từ những năm 1950 và sợi các bon từ những năm 1959 Trong lĩnh vực xây dựng, sợi thủy tinh và sợi các bon được sử dụng phổ biến hơn Trong khi sợi aramid chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không và quân sự Bảng 1.2 và Bảng 1.3 giới thiệu một số tính chất cơ học của sợi các bon CFRP và sợi thủy tinh GFRP như khối lượng riêng, mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo và biến dạng dãn dài

Hiện nay, sợi thủy tinh vẫn được sử dụng phổ biến do giá thành rẻ hơn so với sợi các bon, tuy nhiên mô đun đàn hồi thấp hơn Sợi các bon có các tính chất cơ lý tốt hơn sợi thủy tinh, và giá thành cao hơn Sợi các bon có hiệu quả rất tốt dưới tác động của tải trọng mỏi và độ bền vững trong môi trường nóng ẩm Do đó, việc sử dụng sợi các bon vẫn được ưa thích và ứng dụng khá rộng rãi không chỉ trong lĩnh vực xây dựng, mà còn nhiều lĩnh vực khác như hàng không, công nghệ cao

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ lý của vật liệu CFRP Sợi các bon Trọng lượng

riêng (g/cm3)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Cường độ chịu kéo (MPa)

Biến dạng lớn nhất (%)

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ lý của vật liệu GFRP Sợi thủy tinh Trọng lượng

riêng (g/cm3)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Cường độ chịu kéo (MPa)

Biến dạng lớn nhất (%)

Bảng 1.4 Một số tính chất cơ lý của vật liệu nền epoxy

Sikadur 300 Tyfo S epoxy

Vật liệu nền là chất kết dính giữa các sợi với nhau, giữ vai trò truyền ứng suất khi

có tác động của ngoại lực tác dụng lên vật liệu Ngoài ra, vật liệu nền còn có chức năng bảo vệ các sợi khỏi bị mài mòn, suy giảm chất lượng do môi trường, phân bố

và giữ vị trí các sợi trong vật liệu FRP Đối với các tấm sợi CFRP và GFRP, vật liệu nền thường đượng sử dụng là keo epoxy và vinylester Bảng 1.4 giới thiệu các tính chất cơ lý chính của một số loại keo epoxy thương mại thường được sử dụng, sản xuất bởi Công ty Sika và Tyfo

1.3.3 Các đặc điểm của vật liệu FRP

(a) Trọng lượng riêng

Các loại sợi FRP có trọng lượng riêng dao động trong khoảng 1,7 – 2,6 g/cm3

(Bảng 1.2 và 1.3), nhỏ hơn từ 3 đến 4,5 lần so với vật liệu thép có trọng lượng riêng 7,85 g/cm3 Do đó, tổng khối lượng vật tư gia cường giảm so với khi sử dụng các vật liệu truyền thống (bê tông, thép), giúp cho việc giảm giá thành vận chuyển, giảm

trọng lượng bản thân của lớp vật liệu gia cường, cũng như đơn giản hóa biện pháp thi công tại công trình thực tế

(b) Tính chất cơ học (cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi)

Vật liệu FRP được tạo thành bởi sự kết hợp giữa tấm sợi và vật liệu nền, trong đó vật liệu sợi đóng vai trò chính để đảm bảo các tính chất cơ học cần thiết, còn vật liệu nền đóng vai trò kết dính giữa các sợi với nhau cũng như đảm bảo liên kết giữa tấm sợi và vật liệu bê tông của kết cấu công trình Các đặc trưng cơ bản của vật liệu FRP phụ thuộc vào các yếu tố như: tỷ lệ tương đối giữa cốt sợi và vật liệu nền, các tính chất cơ học của vật liệu thành phần, hướng phân bố sợi và phương pháp chế tạo nên tấm sợi (công nghệ dệt) Trong thực tế, sợi phân bố đẳng hướng trong vật liệu FRP được sử dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả cao trong gia cường kết cấu công trình Vật liệu FRP đạt được cường độ và độ cứng lớn nhất khi chịu kéo theo hướng phân

bố sợi và nhỏ nhất theo hướng vuông góc với tấm sợi Đặc trưng cơ học của vật liệu FRP được xác định dựa trên tính chất cơ học của các vật liệu thành phần và tỷ lệ thể tích của chúng, và có thể biểu diễn dưới dạng các phương trình tuyến tính (1.21) và (1.22) như sau:

EFRP = Ef Vf + Em Vm (1.21)

fFRP ≈ ff Vf + fm Vm (1.22) Trong đó: EFRP và fFRP là mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo của vật liệu FRP theo phương làm việc của sợi Ef và ff là mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo của cốt sợi Em và fm là mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo của vật liệu nền Vf và Vm

là tỷ lệ thể tích của cốt sợi và vật liệu nền

Hình 1.14 minh họa biểu đồ ứng suất – biến dạng của vật liệu CFRP, GFRP và cốt thép thường [97] So với cốt thép thường, vật liệu FRP không có giai đoạn biến dạng dẻo và có cường độ chịu kéo cao hơn nhiều lần Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu FRP có dạng tuyến tính từ khi bắt đầu chịu kéo cho đến khi phá hoại Sự phá hoại diễn ra đột ngột và giòn Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo cao, trong khoảng 2400 – 4800 MPa (Bảng 1.2), trong khi biến dạng dài khá nhỏ khoảng 1,5% Đối với loại CFRP tiêu chuẩn và cường độ cao, mô đun đàn hồi của vật liệu này bằng khoảng 250 GPa, tương đương với cốt thép thường (200 GPa) Đối với loại CFRP

mô đun cao thì giá trị mô đun đàn hồi có thể tăng đến 500 – 800 GPa, gấp 2,5 đến 4 lần so với cốt thép thường Vật liệu GFRP có cường độ chịu kéo khoảng 2350 – 4600

MPa và biến dạng dài khoảng 2,5% (Bảng 1.3) Tuy nhiên, mô đun đàn hồi của vật liệu này có giá trị thấp hơn so với CFRP và cốt thép thường, trong khoảng 70 – 90 GPa

Hình 1.14 So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng giữa CFRP, GFRP và thép [97] Đối với kết cấu gia cường, vật liệu FRP thường được sử dụng như vật liệu chịu kéo để bổ sung cho cốt thép chịu kéo trong bê tông, hoặc bổ sung cho cốt thép chịu cắt

(c) Khả năng chịu tác động của điều kiện môi trường

Một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu đó là đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu gia cường bằng tấm sợi FRP dưới tác động của các điều kiện môi trường, như độ ẩm, nhiệt độ, tia tử ngoại và các tác nhân ăn mòn Về vấn đề này, kết quả từ các nghiên cứu trên thế giới chưa đạt được sự thống nhất Nghiên cứu của Công ty Misubishi Chemical Infratec về độ bền vững của tấm sợi CFRP dưới tác động của các điều kiện môi trường bên ngoài cho kết luận hầu như không có sự thay đổi về cường độ chịu kéo sau 10000 giờ và cường độ bám dính sau 2000 giờ như minh họa trên các Hình 1.15 và 1.16 [113]

Một nghiên cứu khác về cường độ chịu kéo của vật liệu FRP cũng cho kết quả tương tự [118] Theo đó, nghiên cứu này đã tiến hành chế tạo các mẫu thí nghiệm FRP và đặt trong điều kiện môi trường tại ba thành phố Okinawa, Tsukuba (Nhật Bản) và Sherbrooke (Canada) Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu kéo của các mẫu tấm FRP sau năm năm suy giảm không đáng kể như minh họa trên Hình 1.17

Hình 1.15 Cường độ kéo của vật liệu FRP theo thời gian [113]

Hình 1.16 Cường độ bám dính của vật liệu FRP theo thời gian [113]

Hình 1.17 Cường độ kéo của vật liệu FRP theo thời gian dưới tác động của các

điều kiện khí hậu khác nhau [118]

Nhóm nghiên cứu của Collins thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada tiến hành thí nghiệm xác định sự thay đổi tính chất cơ lý của tấm sợi FRP dưới tác dụng của các tác động môi trường như hiện tượng đóng băng và tan băng, tia cực tím, thay đổi nhiệt độ, dung dịch NaOH với độ pH lần lượt bằng 10 và 12, và hơi ẩm Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khả năng chịu kéo và khả năng dính bám của tấm FRP không

bị ảnh hưởng đáng kể từ sự thay đổi nhiệt độ, ảnh hưởng tia cực tím, chu kỳ đóng/tan băng, tuy nhiên bị giảm đáng kể dưới tác động của môi trường kiềm, độ ẩm (cường

độ chịu kéo giảm khoảng 7% sau 84 ngày chịu tác động của môi trường kiềm và độ ẩm) [86]

Các nghiên cứu đã được thực hiện cho thấy các tính chất cơ lý của vật liệu sợi không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện môi trường Tuy nhiên, cường độ bám dính giữa vật liệu FRP và kết cấu bê tông có thể bị ảnh hưởng do điều kiện môi trường ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu nền Các nghiên cứu về độ bền của tấm sợi FRP vẫn đang tiếp tục được thực hiện do các kết quả nghiên cứu chưa đủ mức độ chi tiết và thống nhất Kết quả nghiên cứu của vấn đề này là một tham chiếu quan trọng

để xác định độ bền vững của tấm sợi FRP theo thời gian, từ đó có thể phân tích và so sánh được hiệu quả kinh tế – kĩ thuật của phương pháp gia cường kết cấu bằng FRP

so với các phương pháp gia cường truyền thống khác như bọc ngoài bằng BTCT, dán tấm thép, ứng lực trước căng ngoài

(d) Khả năng chống cháy

FRP là vật liệu tổng hợp nên dễ cháy, tạo ra các sản phẩm cháy độc hại đối với con người và môi trường Do đó, khi sử dụng phương pháp gia cường kết cấu công trình bằng vật liệu FRP cần có biện pháp chống cháy như sơn phủ bề mặt bằng sơn chống cháy nhằm đảm bảo an toàn khi sử dụng

Hơn nữa, FRP là loại vật liệu không tái chế được và phân hủy rất chậm trong môi trường tự nhiên Do đó, cần kiểm soát các chất thải trong quá trình thi công gia cường bằng vật liệu FRP

1.3.4 Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP

1.3.4.1 Tiêu chuẩn thiết kế gia cường

Trên thế giới, các tiêu chuẩn về thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu FRP đã được ban hành, dựa trên cơ sở là các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Một số các tiêu chuẩn thường được sử dụng đó là:

 ACI 440.2R-17 [27]

Tiêu chuẩn ACI 440.2R-17 [27] về hướng dẫn thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP, do Viện bê tông Hoa Kỳ ban hành năm 2017 Tiêu chuẩn này được xây dựng dựa trên cơ sở là tiêu chuẩn ACI 318 [26] về tính toán kết cấu BTCT

Tiêu chuẩn ACI 440.2R-17 [27] quy định điều kiện áp dụng vật liệu tấm sợi FRP

để gia cường kết cấu BTCT, trong đó yêu cầu khả năng chịu lực của kết cấu trước khi gia cường phải chịu được tác dụng của tối thiểu toàn bộ tĩnh tải cũ, 10% tĩnh tải tác dụng mới và 75% hoạt tải tác dụng mới lên kết cấu Điều kiện áp dụng được miêu tả bằng công thức (1.23), trong đó (ϕRn)existing là khả năng chịu tải trước khi gia cường,

SDL là tĩnh tải, và SLL là hoạt tải tác dụng lên kết cấu Nếu hoạt tải tác dụng lên kết cấu được duy trì dài hạn thì kết cấu trước khi gia cường phải đảm bảo chịu được 100% hoạt tải tác dụng như công thức (1.24)

(ϕRn)existing ≥ (1,1 SDL + 0,75 SLL)new (1.23) (ϕRn)existing ≥ (1,1 SDL + 1,0 SLL)new (1.24)

 fib 14 (2001) [69]

Tiêu chuẩn fib 14 [69] về vật liệu FRP bám dính ngoài cho kết cấu BTCT do Ủy ban Châu Âu (CEB-FIP) ban hành năm 2001 Tiêu chuẩn này dựa trên tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 và tiêu chuẩn fib Model Code 1990 [50] về thiết kế kết cấu BTCT fib 14 (2001) [69] không quy định về yêu cầu khả năng chịu lực của kết cấu trước khi gia cường so với các tác động mới Việc tính toán theo tiêu chuẩn này được quy định để không xảy ra sự phá hoại, sụp đổ kết cấu sau khi gia cường dưới tác động của các yếu tố như tải trọng, hỏa hoạn

 ISIS (2008) [89]

Tiêu chuẩn ISIS Design Manual No 4 về thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu FRP do Hệ thống các trung tâm nghiên cứu về cảm biến thông minh cho kết cấu của Canada ban hành năm 2008 Tiêu chuẩn này quy định kết cấu trước khi gia cường có khả năng chịu được tác dụng của tĩnh tải và tối thiểu 50% hoạt tải tác dụng, như miêu tả trong công thức (1.25) dưới đây

(ϕRn)existing ≥ (1,1 SDL + 0,5 SLL)new (1.25)

 TR55 (2000) [159]