Luận án Tiến sĩ 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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer BTCT : Bê tông cốt thép CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer FRP : Fiber Reinforced Polymer GFRP : Glass Fib

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

TRẦN HOÀI ANH

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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã ngành: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

TRẦN HOÀI ANH

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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã ngành: 9580201

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Nguyễn Hoàng Giang

2 PGS TS Lê Trung Thành

Hà Nội – Năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Những số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Trần Hoài Anh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS Nguyễn Hoàng Giang và PGS.TS Lê Trung Thành đã luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo và kỹ thuật viên của Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, đã giúp

đỡ tôi trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm

Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô của Khoa Xây dựng DD&CN, Phòng Quản lý đào tạo, các nhà khoa học của Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và các trường Đại học kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng đã đưa ra nhiều góp ý giúp tôi có thể hoàn thiện nội dung của luận án

Tôi chân thành cảm ơn Cục Giám định nhà nước về chất lượng công trình, Cục Công tác phía Nam, Bộ Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm

vụ nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, vợ con và các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tinh thần và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong học tập, nghiên cứu đề hoàn thành luận án

Trần Hoài Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cơ sở khoa học 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4

7 Những đóng góp mới của luận án 4

8 Nội dung và cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 6

1.1 Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình 6

1.1.1 Cơ chế của ăn mòn cốt thép 6

1.1.2 Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép 10

1.1.3 Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép 11

1.2 Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 18

1.2.1 Trên thế giới 18

1.2.2 Ở Việt Nam 22

1.3 Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 29

1.3.1 Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 29

1.3.2 Cấu tạo của vật liệu FRP 33

1.3.3 Các đặc điểm của vật liệu FRP 35

1.3.4 Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP 39

1.4 Kết luận Chương 1 50

CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN 52

2.1 Thiết lập mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 52

2.1.1 Mục đích thí nghiệm 52

2.1.2 Nguyên lý thí nghiệm 52

2.1.3 Mô hình thí nghiệm 53

2.1.4 Quy trình thí nghiệm 54

2.2 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu thử 55

2.2.1 Vật liệu sử dụng 56

2.2.2 Mẫu thử 58

2.2.3 Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 59

2.2.4 Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử 60

2.2.5 Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử BTCT

64

2.3 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 66

2.3.1 Vật liệu sử dụng 66

2.3.2 Mẫu dầm thí nghiệm 67

2.3.3 Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 68

2.3.4 Xác định mức độ ăn mòn cốt thép 69

2.4 Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 72

2.4.1 Mục đích thí nghiệm 72

2.4.2 Sơ đồ thí nghiệm 72

2.4.3 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 73

3.2.4 Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của dầm

BTCT 77

2.5 Sơ đồ vết nứt bê tông trên dầm BTCT 80

2.5.1 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn 80

2.5.2 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng 85

2.6 Kết luận Chương 2 90

CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG TẤM CFRP 92

3.1 Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mòn 92

3.1.1 Vật liệu sử dụng 92

3.1.2 Mẫu dầm gia cường 95

3.1.3 Quy trình gia cường chịu uốn dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP 98

3.2 Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm ăn mòn gia cường 102

3.2.1 Mục đích thí nghiệm 102

3.2.2 Sơ đồ thí nghiệm 103

3.2.3 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 104

3.3 Phân tích kết quả thực nghiệm 107

3.3.1 Khả năng chịu lực của dầm ăn mòn gia cường 107

3.3.2 Độ võng của dầm 108

3.3.3 Dạng phá hoại của dầm ăn mòn gia cường 110

3.4 Kết luận Chương 3 111

CHƯƠNG 4 – 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 113

4.1 Mở đầu 113

4.2 Tóm tắt chương trình thực nghiệm 115

4.2.1 Vật liệu và dầm thí nghiệm 115

4.2.2 Kết quả thực nghiệm 116

4.3 Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 118

4.3.1 Định nghĩa phần tử 118

4.3.2 Mô hình vật liệu 120

4.3.3 Kiểm chứng mô hình PTHH 126

4.4 Nghiên cứu tham số 134

4.4.1 Cường độ nén bê tông, hàm lượng cốt thép và cường độ bám dính 134

4.4.2 Sơ đồ dán gia cường 137

4.5 Kết luận Chương 4 140

KẾT LUẬN 142

KẾT LUẬN 142

KIẾN NGHỊ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

Tài liệu tiếng Việt 145

Tài liệu nước ngoài 146

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer

BTCT : Bê tông cốt thép

CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer

FRP : Fiber Reinforced Polymer

GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer

c (%) : Mức độ ăn mòn trung bình của cốt thép

ci (%) : Mức độ ăn mòn của từng thanh thép

F : Hằng số Faraday

I : Cường độ dòng điện

Itb : Cường độ dòng điện trung bình

L (mm) : Chiều dài thực tế cốt thép bị ăn mòn/Chiều dài truyền sóng siêu âm

M : Nguyên tử khối của sắt

∆m (g) : Khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn

mo (g) : Khối lượng kim loại trước khi ăn mòn

m (g) : Khối lượng kim loại còn lại sau khi ăn mòn

m : Giá trị trung bình

Pb (kN) : Lực kéo tới hạn làm đứt thép

Pc (kN) : Lực kéo tại thời điểm thép chảy dẻo

PEXP : Tải trọng thu được từ thí nghiệm

PFEM : Tải trọng thu được từ mô hình

Pn (kN) : Tải trọng gây nứt

Pph (kN) : Tải trọng phá hoại

Rb (MPa) : Giới hạn bền của thép

Rc (MPa) : Giới hạn chảy của thép

Rn (MPa) : Cường độ chịu nén của bê tông

s : Độ lệch chuẩn

T (giờ) : Thời gian ăn mòn điện hóa/Thời gian truyền sóng siêu âm

U (vôn) : Hiệu điện thế của dòng điện

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

27

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ lý của vật liệu CFRP 34

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ lý của vật liệu GFRP 35

Bảng 1.4 Một số tính chất cơ lý của vật liệu nền epoxy 35

Bảng 2.1 Thành phần cấp phối vật liệu của các loại bê tông sử dụng 56

Bảng 2.2 Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng ở 28 ngày tuổi 57

Bảng 2.3 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 61

Bảng 2.4 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 62

Bảng 2.5 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 64

Bảng 2.6 So sánh mức độ ăn mòn cốt thép thực tế và dự báo 65

Bảng 2.7 Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi 66

Bảng 2.8 Các tính chất cơ học của cốt thép dọc 67

Bảng 2.9 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu II 71

Bảng 2.10 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu III 71

Bảng 2.11 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu IV 71

Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn bốn điểm 78

Bảng 3.1 Các tính chất cơ học của sợi CFRP 94

Bảng 3.2 Khối lượng keo dán sử dụng 94

Bảng 3.3 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu V 97

Bảng 3.4 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VI 97

Bảng 3.5 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VII 98

Bảng 3.6 So sánh tải trọng uốn phá hoại giữa các dầm thí nghiệm 107

Bảng 3.7 So sánh độ võng giữa các dầm thí nghiệm 109

Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn dầm 117

Bảng 4.2 Các tham số vật liệu sử dụng trong mô hình PTHH 123

Bảng 4.3 So sánh kết quả thí nghiệm và mô hình 128Bảng 4.4 Ảnh hưởng của cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép dọc và suy giảm cường độ bám dính 136Bảng 4.5 Ảnh hưởng của sơ đồ dán gia cường và chiều dài tấm CFRP 140

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình thành các sản phẩm ăn mòn 7

Hình 1.2 Biểu đồ Pourbaix của hệ Fe-H2O ở nhiệt độ 25°C [123] 9

Hình 1.3 Sơ đồ phát triển ăn mòn của cốt thép theo thời gian [164] 10

Hình 1.4 Sự tăng thể tích các sản phẩm của quá trình oxy hóa sắt 11

Hình 1.5 Cơ chế của quá trình cacbonat hóa bê tông [157] 12

Hình 1.6 Vùng đối lưu trong kết cấu BTCT chịu sự xâm thực của nước và ion clorua 15

Hình 1.7 Ăn mòn cốt thép trên cầu cảng Hòn Gai, Quảng Ninh [1] 23

Hình 1.8 Ăn mòn cốt thép trên công trình thực tế trong vùng nước lên xuống [1] 24 Hình 1.9 Ăn mòn cốt thép trên một số công trình thực tế trong vùng khí quyển ven biển [1] 25

Hình 1.10 Gia cường kết cấu cột BTCT bằng vật liệu FRP [9] 32

Hình 1.11 Gia cường kết cấu dầm BTCT bằng vật liệu FRP [9] 32

Hình 1.12 Gia cường kết cấu sàn BTCT bằng vật liệu FRP [9] 32

Hình 1.13 Các loại sợi sử dụng chế tạo tấm sợi FRP 34

Hình 1.14 So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng giữa CFRP, GFRP và thép [97] 37 Hình 1.15 Cường độ kéo của vật liệu FRP theo thời gian [113] 38

Hình 1.16 Cường độ bám dính của vật liệu FRP theo thời gian [113] 38

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] 38

Hình 1.18 Sơ đồ ứng suất – biến dạng của tiết diện gia cường FRP khi uốn [27] 42

Hình 1.19 Các dạng phá hoại điển hình của dầm BTCT gia cường chịu uốn bằng tấm sợi FRP 45

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu thử 53

Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu dầm 54

Hình 2.3 Thí nghiệm nén bê tông 56

Hình 2.4 Kích thước hình học và khuôn chế tạo mẫu thử 58

Hình 2.5 Quá trình chế tạo các mẫu thử 59

Hình 2.6 Lắp đặt và thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 59

Hình 2.7 Mẫu thử sau khi bị ăn mòn bằng phương pháp điện hóa 60

Hình 2.8 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 61

Hình 2.9 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 63

Hình 2.10 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 64

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh và cường độ chịu nén của bê tông 65

Hình 2.12 Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu dầm thí nghiệm 67

Hình 2.13 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 69

Hình 2.14 Cân xác định khối lượng thanh thép trước và sau khi bị ăn mòn 70

Hình 2.15 Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm 72

Hình 2.16 Thí nghiệm uốn bốn điểm trên mẫu dầm ăn mòn 73

Hình 2.17 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm đối chứng D1-NC và D2-NC 74 Hình 2.18 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D3-C và D4-C 74

Hình 2.19 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D5-C và D6-C 75

Hình 2.20 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D7-C và D8-C 76

Hình 2.21 Cốt thép dọc trong dầm D8-C bị đứt khi thí nghiệm 76

Hình 2.22 So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa dầm đối chứng và dầm ăn mòn 77

Hình 2.23 So sánh tải trọng phá hoại trung bình giữa các tổ mẫu dầm 78

Hình 2.24 So sánh độ võng trung bình khi phá hoại giữa các tổ mẫu dầm 79

Hình 2.25 Các mẫu dầm sau khi bị ăn mòn cốt thép và được vệ sinh bề mặt 80

Hình 2.26 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D3-C 81

Hình 2.27 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D4-C 81

Hình 2.28 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D5-C 81

Hình 2.29 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D6-C 81

Hình 2.30 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D7-C 82

Hình 2.31 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D8-C 82

Hình 2.32 Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D4-C 83

Hình 2.33 Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D6-C 83

Hình 2.34 Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D8-C 84

Hình 2.35 Quan hệ giữa bề rộng vết nứt và mức độ ăn mòn 84

Hình 2.36 Sơ đồ vết nứt do tải trọng và dạng phá hoại của các dầm thí nghiệm 85

Hình 2.37 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D1-NC 86

Hình 2.38 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D2-NC 86

Hình 2.39 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D3-C 87

Hình 2.40 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D4-C 87

Hình 2.41 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D5-C 87

Hình 2.42 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D6-C 88

Hình 2.43 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D7-C 88

Hình 2.44 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D8-C 88

Hình 2.45 Tải trọng tương ứng với bề rộng vết nứt cho phép 89

Hình 3.1 Chất kết dính và keo bơm sử dụng sửa chữa vết nứt 93

Hình 3.2 Tấm sợi CFRP sử dụng gia cường dầm 94

Hình 3.3 Keo dán sử dụng gia cường dầm ăn mòn 94

Hình 3.4 Thí nghiệm ăn mòn các mẫu dầm gia cường 95

Hình 3.5 Các mẫu dầm sau khi bị ăn mòn bằng thí nghiệm điện hóa 95

Hình 3.6 Sơ đồ dán gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP 96

Hình 3.7 Các dầm thí nghiệm ăn mòn trước và sau khi vệ sinh bề mặt 98

Hình 3.8 Đo đạc bề rộng vết nứt do ăn mòn 99

Hình 3.9 Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi áp dụng chất kết dính 99

Hình 3.10 Quá trình làm sạch lỗ khoan và lắp đặt xy lanh kim loại 100

Hình 3.11 Thi công trét chất kết dính để bịt kín vết nứt bề mặt 100

Hình 3.12 Xy lanh và máy bơm keo 101

Hình 3.13 Dán tấm CFRP gia cường các mẫu dầm ăn mòn 102

Hình 3.14 Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm ăn mòn gia cường 103

Hình 3.15 Thí nghiệm uốn bốn điểm trên dầm ăn mòn gia cường 104

Hình 3.16 Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D9-CFRP và D10-CFRP 104

Hình 3.17 Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D11-CFRP và D12-CFRP 105

Hình 3.18 Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D13-CFRP và D14-CFRP 106

Hình 3.19 So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa các mẫu dầm ăn mòn gia cường 108

Hình 3.20 So sánh độ võng khi phá hoại và độ võng cực hạn giữa các dầm ăn mòn gia cường 109

Hình 3.21 So sánh dạng phá hoại của dầm ăn mòn và dầm ăn mòn gia cường 110

Hình 4.1 Kích thước và cấu tạo của dầm gia cường điển hình 116

Hình 4.2 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm uốn 117

Hình 4.3 Mô hình chia lưới dầm ăn mòn gia cường bằng CFRP 118

Hình 4.4 Phần tử sử dụng cho bê tông và cốt thép 119

Hình 4.5 Phần tử sử dụng cho CFRP và liên kết CFRP/bê tông 120

Hình 4.6 Mô hình vật liệu của bê tông 120

Hình 4.7 Mô hình liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép 122

Hình 4.8 Mô hình vật liệu của tấm CFRP 124

Hình 4.9 Mô hình vật liệu của cốt thép 126

Hình 4.10 So sánh giữa các mô hình với kích thước lưới khác nhau 127

Hình 4.11 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các dầm với kích thước lưới khác nhau 127

Hình 4.12 So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm và mô hình: (a) Dầm đối chứng; (b) Dầm ăn mòn 128

Hình 4.13 Ứng suất trong cốt thép tại thời điểm dầm bị phá hoại: (a) FEM-D1-NC

và (b) FEM-D5-C 129Hình 4.14 So sánh sơ đồ vết nứt do tải trọng thu được từ thí nghiệm và mô hình: (a) Dầm D1-NC; (b) Dầm D5-C 130Hình 4.15 So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các dầm ăn mòn gia cường thu được từ thí nghiệm và mô hình 131Hình 4.16 Sơ đồ vết nứt của dầm ăn mòn gia cường CFRP thu được từ mô hình tại các giai đoạn phá hoại 131Hình 4.17 Sự phát triển ứng suất cắt tại bề mặt tấm CFRP 132Hình 4.18 Phân bố ứng suất trong (a) cốt thép dọc và cốt đai; (b) bê tông 133Hình 4.19 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm khi thay đổi (a) Cấp độ bền nén của

bê tông; (b) Hàm lượng cốt thép dọc 135Hình 4.20 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm ăn mòn gia cường khi thay đổi lực bám dính 135Hình 4.21 Sơ đồ vết nứt trên dầm khi suy giảm 90% lực bám dính 136Hình 4.22 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm khi thay đổi (a) Sơ đồ dán tấm CFRP; (b) Chiều dài tấm CFRP 137Hình 4.23 Sơ đồ dán tấm CFRP và vết nứt tại thời điểm dầm bị phá hoại: (a) Gia cường mặt bên; (b) Gia cường với hệ neo hình chữ U 138Hình 4.24 Sơ đồ vết nứt và phân bố ứng suất cắt trong tấm CFRP tại thời điểm phá hoại: (a) L = 1400 mm; (b) L = 1000 mm 139

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 BIỂN1.1 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:

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 ([FeII3FeIII(OH)8] + [Cl.H2O-] khi có các ion clorua, hoặc [FeII4FeIII2(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]