Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 385 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔ[.]
Trang 1NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN
ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Đào Văn Dinh
Trường Đại học Giao thông vận tải
Tóm tắt
Kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường theo thời gian sẽ bị suy thoái dần do
xâm nhập ion Clo và CO 2 vào bê tông và gây ra ăn mòn thép Hiện nay biến đổi khí hậu đang diễn
ra mạnh mẽ kết quả là nước biển dâng cao và nồng độ CO 2 trong không khí tăng rất nhanh Đây là các yếu tố làm thúc đẩy nhanh tốc độ suy thoái của các kết cấu BTCT và giảm độ bền của chúng Bài báo này giới thiệu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà cụ thể là việc tăng nồng độ trong không khí đến độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép.
Từ khóa: Bê tông cốt thép; Thời gian khởi đầu ăn mòn; Cacbonat hóa; Biến đổi khí hậu Abstract
Research of climate change impacts on the durability of reinforced concrete structures
Reinforced concrete structures under the influence of the environment over time will gradually degrade due to the penetration of Chloride and CO 2 into the concrete and cause steel corrosion At present, climate change is taking place strongly, resulting in sea level rise and the concentration
of CO 2 in the air increasing very rapidly These are factors that accelerate the degradation rate of reinforced concrete structures and reduce their durability This paper introduces the influence of climate change, namely the increase of concentration CO 2 in the air on the durability of reinforced concrete structures.
Keywords: Reinforced concrete; Initiation of corrosion; Carbonated induced steel corroson;
Climate change
1 Đặt vấn đề
Các kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường sẽ bị suy thoái dần Cơ chế hư hỏng thường gặp bao gồm sự ăn mòn cốt thép, tấn công sulfate, phản ứng kiềm cốt liệu, từ biến và
co ngót và các hiệu ứng nhiệt độ Trong các yếu tố trên, cacbonat hóa gây ra ăn mòn cốt thép là một nguyên nhân gây suy giảm của các kết cấu bê tông Ăn mòn cốt thép dẫn đến nứt, vỡ và tách lớp bê tông bảo vệ Ăn mòn cốt thép cũng làm giảm diện tích tiết diện cốt thép, mất dính bám giữa các cốt thép và bê tông và sau đó giảm sức kháng của kết cấu Kết quả là giảm sự an toàn và khả năng phục
vụ của kết cấu bê tông và rút ngắn tuổi thọ sử dụng của chúng
Cacbonat hóa đề cập đến một loạt các quá trình liên quan đến sự khuếch tán của khí cacbon dioxide trong khí quyển vào bê tông, sau đó phản ứng với các sản phẩm có tính kiềm của xi măng thuỷ hoá dẫn đến việc giảm độ pH của nước trong lỗ rỗng từ một giá trị lớn hơn 12,6 (13,5 trong trường hợp OPC) đến một mức độ dưới 9.0 và do đó dẫn đến phá vỡ màng thụ động của cốt thép
và gây ra ăn mòn cốt thép [2] Quá trình cacbonat hóa không những phụ thuộc vào thành phần bê tông, nhiệt độ và độ ẩm mà nó còn phụ thuộc vào nồng độ CO2 trong không khí Các kịch bản biến đổi khí hậu đều dự báo nồng độ CO2 trong không khí tăng theo các năm
Bài báo này giới thiệu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà cụ thể là việc tăng nồng độ trong không khí đến độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép
Trang 22 Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép do cacbonat hóa gây ra
Mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép do cacbonnat hóa gây ra sẽ dựa trên định luật thứ nhất của Fick về khuếch tán Khối lượng CO2 xâm nhập vào bê tông do chênh lệch nồng
độ CO2 giữa không khí bên ngoài và bê tông được thể hiện như sau:
2 2
CO CO
C
x
∆
Trong đó: dQ là khối lượng khuếch tán cacbon dioxide (kg); A - là diện tích xâm nhập (m 2);
2
CO
C
∆ chênh lệch nồng độ cacbon dioxide (kg/m3
); x là khoảng cách (m); dt là bước thời gian (x);
2
CO
D hệ số khuếch tán cacbon dioxide (m2/s)
Carbon dioxide khuếch tán vào phản ứng với các hydroxit canxi, hydroxit kali và hydroxit natri ở trong bê tông Theo hình thức đơn giản, quá trình này được mô phỏng bởi phương trình 2
Trong đó: a là khả năng liên kết CO 2 của bê tông (kg/m 3 );
Từ phương trình 1 và phương trình 2 ta được:
2 2
CO
D
a
Trường hợp D CO2;∆C CO2 là hằng số đối với t, lấy tích phân hai vế phương trình 3 ta được:
2 2
2
CO
D
a
X c là chiều sâu cacbonnat hóa;
a là khả năng liên kết CO 2 của bê tông;
2.1 Các tham số để xác định thời gian khởi đầu ăn mòn do cacbonat
2.1.1 Hệ số khuếch tán CO 2 trong bê tông
Hệ số khuếch tán CO2 trong bê tông được xác định bằng các thí nghiệm chuẩn như thí nghiệm tăng tốc cacbonat Hệ số khuếch tán cũng có thể dự báo theo thành phần bê tông như đề xuất bởi Papadakis như sau [4]
3
2.2 6
, 2
w w
e CO
p c
H
−
(5)
Trong đó: ec là độ xốp của bê tông ,wc, wp, ww là hàm lượng của xi măng, vật liệu phụ gia
và nước; rc, rp, rw là tỷ trọng của xi măng, phụ gia và nước tương ứng; H = 65 là độ ẩm của môi trường khi thí nghiệm chuẩn, tính bằng %
a Ảnh hưởng của bảo dưỡng
Thời gian bảo dưỡng ảnh hưởng tới khuếch tán CO2 vào trong bê tông Hệ số ảnh hưởng của
bảo dưỡng kí hiệu là k c và sẽ lấy theo FiB 2006 [1] như sau:
7
=
bc c c
t
Trang 3t c là số ngày bảo dưỡng bê tông (ngày);
b c là số mũ của hồi quy, b c =-0,567;
b Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ của môi trường ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán, nhiệt độ càng cao thì khuếch tán càng nhanh Phương trình Arrhenius là một công thức đơn giản, nhưng khá chính xác, cho sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng Phương trình được đề xuất bởi Svante Arrhenius vào năm
1889 Dựa trên phương trình Arrhenius quan hệ giữa hệ số khuyếch tán clo với nhiệt độ được mô
tả bằng phương trình sau:
( )= exp − = ( )
td
U
ref
( ) exp= −
U
f T
Trong đó:
D(T) là hệ số khuyếch tán tại thời điểm t ở nhiệt độ T
Dt0 là hệ số khuyếch tán tại thời điểm t0 ở nhiệt độ Ti = 293.15K (20 0C)
U là năng lượng kích hoạt quá trình khuyếch tán (= 35.000 J/mol)
R là hằng số khí (= 8,314 JK−1mol−1)
Ttd là nhiệt độ tuyệt đối (K)
c Ảnh hưởng của độ ẩm
Định lượng các hệ số độ ẩm tương đối có thể được thực hiện bằng cách so sánh dữ liệu thu được trong điều kiện khí hậu thực H với một khí hậu thí nghiệm (thường T = 20 0C và độ ẩm tương đối tham khảo Href = 65 %)
Hệ số độ ẩm được lấy theo như sau [1]:
2.5 5 5 ef
1 ( )
H
f H
H
Trong đó H là độ ẩm tương đối của lớp cacbonat hóa (%) và Href là độ ẩm tham khảo Href = 65 % Như vậy hệ số khuếch tán ở nhiệt độ T và độ ẩm H của môi trường là:
D e CO, 2( , )T H = D e CO, 2× ×k c f T( )× f H( ) (10)
2.1.2 Khả năng liên kết CO 2 của bê tông
Khả năng liên kết CO2 của bê tông, đó là một tham số trong phương trình 8, theo Yoon và các cộng sự [5] được xác định bởi phương trình 11 như sau:
2
CaO
m
m
α
C CaO là hàm lượng của oxit canxi trong xi măng; C c là khối lượng xi măng trong bê tông; a h
là mức độ thủy hóa; m CO2 là khối lượng phân tử của carbon dioxide; m CaO là khối lượng phân tử của oxit canxi
Trang 42.1.3 Nồng độ CO 2 của môi trường
Nghiên cứu lịch sử của nồng độ khí CO2 của IPCC (Ủy ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu) chỉ ra rằng trong suốt thời gian trước năm 1750, nồng độ khí CO2 đã tương đối ổn định từ 260 đến 280 ppm, nhưng từ năm 1750 đến năm 2005, nồng độ khí CO2 tăng từ 280 ppm lên 380 ppm [3] Theo kịch bản phát thải trung bình A1B thì lượng CO2 như Hình 1
Hình 1: Nồng độ CO 2 tăng theo thời gian (IPCC, 2007)[3]
Giả định rằng nồng độ CO2 tại năm 2021 là 400 ppm và tăng tuyến tính theo thời gian ta có:
CO t2( ) (400= +p t ) 0.0019 10× × −3 ( /kg m3) (12)
ρ là tốc độ tăng CO2 trung bình năm (ppm/năm)
(0.0019x103) là đổi từ ppm sang kg/m3
2.2 Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép
Thay các phương trình 10 và 12 vào phương trình 3 và lấy tích phân rồi biến đổi ta được:
2
e CO c
D k f T f H
Giải phương trình 23 với x=L c, ta có t tính bằng năm như sau:
2
1
4 2
t
Trong đó:
6 , 2
1
( ) ( )
2
e CO c
D k f T f H p
A
a
−
3 , 2
1
( ) ( ) 0.76D e CO k f T f H c 10 365 24 3600
B
a
−
2
1 2c
L
L c là chiều dày lớp bê tông bảo vệ (m)
Với các kết cấu nằm ngoài trời chịu ảnh hưởng của chu kỳ khô ướt thời gian khởi đầu ăn mòn
sẽ kéo dài thêm bằng hệ số ảnh hưởng do chu kỳ khô ướt Hệ số này sẽ lấy theo FIB [1] như sau:
Trang 5k = w1( )t (18)
( )
( oW)w
2 0
W =
b sR
p T
t t t
t 0 là thời gian tham chiếu ( t0= 28 ngày = 0.0767 năm);
t là tuổi thọ sử dụng (năm);
w là số mũ thời tiết;
p sR là xác suất mưa
b w là giá trị thiết kế của số mũ hồi quy (b w -0,446)
ToW là thời gian ướt tính theo phương trình sau:
Nd
ToW=
365
≥
* Ví dụ tính toán
Sử dụng công thức 14,15,16,17 tính toán cho ví dụ sau:
Thành phần bê tông: Lượng xi măng 380 kg/m3; lượng nước: 100 lít/m3; Tỷ trọng của xi măng: 3100 kg/m3; thời gian bảo dưỡng: 2 ngày;
2
e CO
Điều liện môi trường: Nhiệt độ trung bình năm: 26 0C; độ ẩm môi trường: 75 %;
Loại kết cấu: Được che chắn;
Thời gian khởi đầu ăn mòn được tính theo p=2;3;4 ppm/năm và chiều dày lớp bê tông bảo
vệ L c =25,30,35,40,45mm Kết quả được thể hiện trong Hình 2:
p = 2 ppm/năm
p = 3 ppm/năm
p = 4 ppm/năm
Hình 2: Ảnh hưởng của các kịnh bản tăng CO 2 và chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến thời gian
khởi đầu ăn mòn cốt thép
Trang 63 Kết luận
Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép do cacbonat hóa gây ra phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: Tính chất của bê tông được đặc trưng bởi hai tham số là hệ số khuếch tán CO2 (D ) và khả năng liên kết CO CO2 2 của bê tông (a); chiều dày lớp bê tông bảo vệ (L c); Nồng độ CO2 trong không khí
- Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ, ảnh hưởng của sự tăng nồng độ CO2 trong không khí
là không nhiều (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; 4 ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T
= 32, 14; 31,1; 30,17 năm).
- Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ khá dày, ảnh hưởng của sự tăng nồng độ CO2 trong không
khí là đáng kể (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; 4 ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T = 109,12; 100,8; 94,37 năm).
- Thời gian khởi đầu ăn mòn tăng mạnh khi tỷ lệ nược trên xi măng giảm (ví dụ Lc = 30 mm:
p = 3 ppm/năm, w/c = 0,35; 0,45; 0,50; 0,55, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T = 257,07; 108,23; 58,54; 36,70; 25,4 năm).
- Khuyến nghị khi thiết kế kết cấu nên có chiều dày lớp bê tông bảo lớn hơn hoặc bằng
30 mm, sử dụng tỷ lệ nước trên xi măng từ 0,30 - 0,40
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] FIP (2006) Model code for service life design The International Federation for Structural Concrete
(fib).
[2] Mark G Richardson (2004) Fundamentals of durable reinforced concrete Published in the Taylor &
Francis e-Library, simultaneously published in the USA and Canada.
[3] IPCC (2007) Fourth Assessment Report of the Intergovernmental panel in climate change Cambridge
University Press, UK.
[4] V.G Papadakis (2000) Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against
carbonation and chloride ingress Cement and Concrete Research 30, tr 291 - 299.
[5] I.S Yoon, Copuroglu, O., and Park, K.B (2007) Effect of global climatic change on carbonation
progress of concrete Atmospheric Environment 41, tr 7274 - 7285.
Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 Phản biện: TS Thái Thị Thanh Minh