Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mở rộng vết nứt tới tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

1.1 Tổng quan về độ bền công trình BTCT 1.2 Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT 1.3 So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể.. Hình 1.11 Bê tông dẫn điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS – TRẦN BẢO VIỆT

TP HỒ CHÍ MINH - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của TS Trần Bảo Việt Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hùng

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Trần Bảo Việt Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Vũ Việt Hưng đã giúp đỡ và đóng góp các ý kiến cho luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Giao Thông Vận Tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Trân trọng cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về độ bền công trình BTCT 4

1.1.1 Các khái niệm về độ bền 4

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền 6

1.2 Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT 16

1.2.1 Giới hạn bề rộng vết nứt trong TCVN 16

1.2.2 Ảnh hưởng bề rộng và chiều sâu của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua 17

1.3 So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể 20

1.3.1 Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận văn 20

1.3.2 Mục tiêu của luận văn 21

1.3.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ VẾT NỨT KẾT CẤU BÊ TÔNG 23

2.1 Các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT 23

2.1.1 Nứt do thiết kế 24

2.1.2 Các quá trình liên quan đến nhiệt độ môi trường 24

2.1.3 Các quá trình liên quan đến tải trọng 26

2.1.4 Các quá trình liên quan lún 26

2.1.5 Các quá trình liên quan đến phản ứng vật liệu 27

2.2 Các biện pháp hạn chế 38

2.2.1 Các biện pháp liên quan đến thiết kế 39

2.2.2 Các biện pháp liên quan đến môi trường 39

2.2.3 Các biện pháp liên quan đến tải trọng 40

2.2.4 Các biện pháp liên quan đến lún 43

2.2.5 Các biện pháp liên quan đến vật liệu 44

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG VẾT NỨT TỚI HỆ SỐ KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG 53

3.1 Nghiên cứu thực nghiệm 53

3.1.1 Tổng hợp các nghiên cứu về ảnh hưởng vết nứt tới hệ số khuếch tán ion clorua của kết cấu bê tông 53

3.1.2 Đề xuất thực nghiệm xác định ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua của bê tông 75

3.2 Đề xuất mô hình lý thuyết 88

3.2.1 Tổng hợp các nghiên cứu về mô hình lý thuyết 88

3.2.2 Đề xuất mô hình lý thuyết 91

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA VẾT NỨT TỚI TUỔI THỌ CỦA DẦM BTCT 98

4.1 Mô tả ví dụ tính toán 98

4.1.1 Tuổi thọ sử dụng của dầm BTCT theo tác động của sự xâm nhập clo trong môi trường ven biển 98

4.1.2 Phương trình tính toán tuổi thọ của dầm BTCT 100

4.1.3 Các thông số của dầm BTCT ví dụ tính toán 103

4.2 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT không nứt 104

4.3 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt 105

4.3.1 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt theo kết quả thí nghiệm (chương 3) 106

4.3.2 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt theo mô hình đề xuất (chương 3)106 4.4 So sánh và thảo luận 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

1 Kết luận 110

2 Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 115

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cấp chống nứt và giá trị bề rộng vết nứt giới hạn để đảm bảo hạn chế

thấm cho bê tông [12] 17

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp giới hạn vết nứt của các cấu kiện bê tông cốt thép 19

Bảng 2.1 ―Nghiên cứu đặc trưng nhiệt của bê tông sử dụng hàm lượng tro bay lớn‖ [6] 46

Bảng 2.2 Các chỉ dẫn kỹ thuật hạn chế ăn mòn cốt thép trong bê tông bằng cách tăng cường chất lượng bê tông 50

Bảng 3.1 Tổng hợp các kết quả thí nghiệm xâm nhập clo 55

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp kết quả [18] 56

Bảng 3.3 Bề rộng và chiều sâu của mẫu tại thời điểm 4 tuần và 6 tuần 61

Bảng 3.4 Hệ số khuếch tán ion clorua tại vùng chịu kéo và vùng chịu nén 66

Bảng 3.5 Tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng vết nứt tới hệ số khuếch tán ion clorua 70

Bảng 3.6 Kế hoạch đúc mẫu 75

Bảng 3.7 Thành phần bê tông cho 1m3 khi xét đến độ ẩm của cát và đá 78

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm thấm ion clorua 83

Bảng 3.9 Hệ số khuếch tán ion clo của một số loại bê tông 85

Bảng 4.1 Thông số mô hình 103

Bảng 4.2 Thông số dầm chữ I 104

Bảng 4.3 Bảng tính thời gian khởi đầu ăn mòn t1 của các dầm BTCT không nứt (xc = 70mm) 105

Bảng 4.4 Bảng tính thời gian khởi đầu ăn mòn t1 của các dầm BTCT chịu nứt theo kết quả thí nghiệm ( xc = 70mm) 106

Bảng 4.5 Bảng tính thời gian khởi đầu ăn mòn t1 của dầm BTCT chịu nứt theo mô hình đề xuất ( xc = 70mm) 107

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc của bê tông 6

Hình 1.2 Quan hệ giữa cường độ bê tông và tỷ lệ N/X [2] 6

Hình 1.3 Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông [9] 7

Hình 1.4 Sự biến thiên dòng ăn mòn của các cốt thép 5, 6, 7 theo thời gian [9] 8

Hình 1.5 Vận chuyển bê tông bằng xe chuyên dụng (nguồn internet) 9

Hình 1.6 Hình ảnh đổ bê tông (nguồn internet) 9

Hình 1.7 Hình ảnh đầm cóc (nguồn internet) 10

Hình 1.8 Hình ảnh đầm dùi (nguồn internet) 10

Hình 1.9 Bảo dưỡng bê tông cột (nguồn internet) 10

Hình 1.10 Bảo dưỡng bê tông sàn (nguồn internet) 10

Hình 1.11 Bê tông dẫn điện làm tan băng tuyết trên đường (nguồn internet) 11

Hình 1.12 Sự phụ thuộc của hệ số thấm của bê tông kt vào thể tích của các lỗ rỗng macrô [10] 12

Hình 1.13 Sự phụ thuộc của hệ số thấm của bê tông kt vào N/X [10] 12

Hình 1.14 Nứt bê tông do phản ứng kiềm – cốt liệu (nguồn internet) 12

Hình 1.15 Cơ chế ăn mòn cố thép trong bê tông 13

Hình 1.16 Quá trình phá hoại do ăn mòn cốt thép (nguồn internet) 13

Hình 1.17 Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông khi có mặt ion clorua [8] 15

Hình 1.18 Sơ đồ về các tác động đến độ bền của bê tông 15

Hình 1.19 Quá trình khuếch tán ion clorua trong bê tông có bề rộng vết nứt khác nhau ( trong đó: crack width – bề rộng vết nứt, with chlorides – nơi có ion clorua, without chlorides - nơi không có ion clorua) [18] 18

Hình 1.20 Mối quan hệ giữa bề rộng vết nứt với hệ số khuếch tán ion clorua [21] 18 Hình 1.21 Thể hiện giá trị hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông bị nứt [14] 18

Hình 1.22 Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) [22] 20

Hình 2.1 Sơ đồ các nguyên nhân gây nứt do thiết kế 24

Hình 2.2 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường (nguồn internet) 25

Hình 2.3 Nứt do hiện tượng đóng-tan băng [4] 25

Hình 2.4 Nứt do nền đường bê tông (nguồn internet) 26

Hình 2.5 Nứt do lún không đều [4] 26

Hình 2.6 Nứt do co dẻo [4] 27

Hình 2.7 Nứt do co khô [4] 28

Hình 2.8 Nứt do nhiệt [4] 28

Hình 2.9 Trường phân tích nhiệt độ của khối móng ở tuổi 85 giờ [5] 29

Hình 2.10 Thay đổi nhiệt độ tại tâm khối đổ và mặt hở ở các thời điểm khác nhau [5] 29

Hình 2.11 Nứt do phản ứng kiềm-cốt liệu [4] 31

Hình 2.12 Nứt do ăn mòn cốt thép trong bê tông [4] 31

Hình 2.13 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) [16] 35

Hình 2.14 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt [14] 37

Hình 2.15 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp [25] 38

Hình 2.16 Sơ đồ các cơ chế hình thành vết nứt 38

Hình 2.17 Hình ảnh khe nhiệt (nguồn internet) 39

Hình 2.18 Mô hình hấp phụ của phụ gia (nguồn internet) 40

Hình 2.19 Trình tự thực hiện và hình ảnh dán bản thép [1] 41

Hình 2.20 Trình tự thực hiện và hình ảnh tăng cường cầu bằng dự ứng lực ngoài [1]42 Hình 2.21 Trình tự thực hiện và hình ảnh tăng cường cầu bằng dự ứng lực ngoài [1]43 Hình 2.22 Một số hình ảnh xử lý nền đất yếu (nguồn internet) 44

Hình 2.23 Mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi khi nén tĩnh và cường độ chịu nén của các loại BTXM dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ gia R4 [11] 45

Hình 2.24 Mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi khi nén tĩnh của các loại BTXM dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ gia R4 và lượng xi măng [11] 45

Hình 2.25 Đặc trưng nhiệt độ trong khối bê tông sử dụng 100% xi măng PC50 theo thời gian [6] 47

Hình 2.26 Đặc trưng nhiệt độ trong khối bê tông sử dụng 80% xi măng PC50 + 50%FA theo thời gian [6] 47

Hình 2.27 Đặc trưng nhiệt độ tại tâm khối bê tông sử dụng các hàm lượng tro bay khác nhau theo thời gian [6] 48

Hình 2.28 Tuyến Tàu Điện Ngầm số 3, Santiago, Chile trước và sau khi PENETRON ADMIX hoạt hóa 49

Hình 2.29 Một số hình ảnh về bê tông tự lành vết nứt [nguồn internet] 51

Hình 2.30 Một số hình ảnh về bê tông cốt sợi [nguồn internet] 52

Hình 3.1 Vết nứt được tạo ra bằng máy cắt 53

Hình 3.2 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu bằng biện pháp ép chẻ [18] 54

Hình 3.3 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu bằng biện pháp tách niêm [18] 54

Hình 3.4 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu bằng biện pháp uốn bốn điểm [18] 55

Hình 3.5 Vết nứt được tạo bởi thí nghiệm uốn 3 điểm [7] 58

Hình 3.6 Vết nứt trên bề mặt dầm [7] 58

Hình 3.7 Mẫu ngâm trong thùng chứa dung dịch NaCl 10% [7] 58

Hình 3.8 Mối liên hệ giữa bề rộng và chiều sâu vết nứt [7] 59

Hình 3.9 Hàm lượng clorua của mẫu FA, SF ngâm 16 tuần tại vị trí nứt và không nứt [7] 60

Hình 3.10 So sánh hàm lượng clorua của mẫu FA và SF ngâm 4 và 16 tuần tại vị trí nứt [7] 60

Hình 3.11 Mô tả quá trình thí nghiệm [23] 62

Hình 3.12 Mối tương quan giữa chiều rộng vết nứt và độ sâu vết nứt (Chú thích: Residual crack width – bề rộng vết nứt, Respective crack depdth – chiều sâu vết nứt tương ứng, W/C – tỷ lệ N/XM, Multinomial - đồ thị) [23] 62

Hình 3.13 Sự khác biệt giữa chiều sâu xâm nhập ion clorua tại bê tông không bị nứt (a) và bê tông bị nứt (b), (N / X M= 0,5) [23] 63

Hình 3.14 Mối quan hệ giữa chiều sâu xâm nhập ion clorua vào bê tông nứt với chiều sâu vết nứt tương ứng (Chú thích: Residual crack width – bề rộng vết nứt, Chloride penetration depth – chiều sâu xâm nhập ion clorua, W/C – tỷ lệ N/X, Linear - đường tuyến tính) [23] 63

Hình 3.15 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu bằng thí nghiệm uốn ba điểm [21] 64

Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ giữa mức độ thấm ion clorua với chiều sâu vết nứt sau 15 chu kỳ (a) bề rộng vết nứt là w = 0 (b) bề rộng vết nứt: w = 0,1-0,3 mm (c) bề rộng vết nứt: w = 0,3-0,5 mm (Ghi chú: Free chloride concentration - Nồng độ ion clorua, Testing section – kiểm tra mẫu, Depth – chiều sâu) [21] 65

Hình 3.17 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu bằng thí nghiệm uốn ba điểm [17] 66

Hình 3.18 Mẫu thí nghiệm [19] 67

Hình 3.19 Sơ đồ tạo vết nứt cho mẫu (Ghi chú: Mortar sample – mẫu vữa,

expansive core –lõi mở rộng, confinement ring – vòng xiết) [19] 67

Hình 3.20 Sơ đồ mài mẫu kiểm tra hàm lượng ion clorua (Ghi chú: Face – mặt, crack plane –bề mặt nứt, grinding areas –khu vực mài) [19] 68

Hình 3.21 Biểu đồ quan hệ giữa mức độ thấm ion clorua với bề rộng và chiều sâu vết nứt của mẫu vữa sau 28 ngày (Ghi chú: Carack opening – độ mở rộng vết nứt, Depth –chiều sâu, Total chorides – lượng clo xâm nhập) [19] 68

Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ giữa mức độ thấm ion clorua với bề rộng và chiều sâu vết nứt của mẫu vữa sau 2năm (Ghi chú: Crack opening – độ mở rộng vết nứt, Depth –chiều sâu, Total chorides – lượng clo xâm nhập) [19] 69

Hình 3.23 Thiết bị bơm hút chân không 77

Hình 3.24 Khoang chứa mẫu thử 77

Hình 3.25 Bình hút chân không 79

Hình 3.26 Sơ đồ đo điện lượng 80

Hình 3.27 Một số hình ảnh thí nghiệm 81

Hình 3.28 Mô tả vết nứt trên mẫu thí nghiệm 83

Hình 3.29 Điện lượng truyền qua mẫu thí nghiệm của các loại bê tông 84

Hình 3.30 Mối tương quan giữa hệ số khuếch tán ion clo và số cu lông truyền qua [28] ( chloride diffusion coefficient-hệ số khuếch tán ion clorua, chloride permeability-độ thấm ion clorua ( điện lượng ) ) 85

Hình 3.31 Hệ số khuếch tán ion clo (D) của một số loại bê tông 86

Hình 3.32 Tỉ số Dn/Dkn của một số loại bê tông 86

Hình 3.33 Mô hình thể tích kiểm soát 89

Hình 3.34 Minh họa ảnh hưởng vết nứt vĩ mô tới hệ số khuếch tán của kết cấu 93

Hình 3.35 Minh họa ảnh hưởng vết nứt vi mô tới hệ số khuếch tán của vật liệu 94

Hình 3.36 Ảnh hưởng đặc trưng vết nứt vi mô tới hệ số khuếch tán của bê tông 97

Hình 4.1 Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai 99

Hình 4.2 Mặt cắt ngang dầm chữ I 104

Hình 4.3 Các trường hợp tính toán của dầm BTCT với cường độ khác nhau 105

Hình 4.4 Các trường hợp tính toán của dầm BTCT chịu nứt với cường độ và đặc trưng vết nứt khác nhau 105

Hình 4.5 Tuổi thọ của một số loại dầm BTCT không nứt và chịu nứt theo kết quả thí nghiệm ( tkn và tn : tuổi thọ của dầm BTCT không nứt và chịu nứt) ( xc = 50mm) 106 Hình 4.6 Biểu đồ so sánh tuổi thọ của dầm BTCT chịu nứt tính toán theo mô hình với thực nghiệm (L=20mm, xc=50mm) 108 Hình 4.7 Mối quan hệ giữa tuổi thọ và bề rộng vết nứt (L=50mm, xc=50mm) 108

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với gần 2 tỷ tấn bê tông được tiêu thụ hàng năm, bê tông là loại vật liệu xây dựng phổ biến nhất toàn cầu Tuy vậy vấn đề suy giảm tuổi thọ các công trình xây dựng sử dụng vật liệu bê tông là vấn đề rất nghiêm trọng

Theo báo cáo của Giáo sư V Baroghel-Bouny tại Trung tâm thí nghiệm Cầu Đường – Cộng hòa Pháp năm 2008, chi phí sửa chữa các công trình do suy giảm chất lượng của bê tông tăng đều đặn trong vòng 30 năm gần đây Cụ thể, tại Hoa

Kỳ, có gần 586 000 cầu đường bộ thì 15% số đó đã suy giảm chất lượng mà phần lớn là do lớp bê tông bảo vệ không đủ ngăn chặn hiện tượng ăn mòn cốt thép Các cây cầu này chủ yếu xây dựng trong những năm 50 đến 70 thế kỷ trước Chi phí thay thế, sửa chữa hàng năm lên tới 10 tỷ đô la Tại Canada, chỉ có 40% số cầu đường bộ có tuổi thọ lớn hơn 40 năm Tại Pháp, năm 1997, Cục đường bộ - Cộng hòa Pháp có khảo sát 315 cầu bê tông trên mạng lưới đường quốc lộ thì có 28% số cầu có vấn đề về suy giảm độ bền do ăn mòn cốt thép Các vấn đề tương tự cũng xảy ra ở Anh, Nhật Bản, Thụy Sỹ … Qua đó chúng ta có thể nhận thấy rằng, đối với các nước phát triển, nơi có điều kiện về trình độ công nghệ xây dựng cao, hệ thống tiêu chuẩn thiết kế chặt chẽ, vấn đề về độ bền của công trình sử dụng bê tông

là rất đáng lo ngại Hầu hết các công trình cầu đều có tuổi thọ ngắn hơn dự tính, khiến chi phí bảo trì, sửa chữa, thay thế tăng đột biến

Bê tông là dạng vật liệu có cấu trúc phức tạp dạng phá hoại dòn Dưới tác dụng của tải trọng và theo thời gian, các vết nứt xuất hiện trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) là điều hoàn toàn có thể xảy ra và ngay cả khi xuất hiện các vết nứt thì kết cấu BTCT vẫn hoạt động bình thường Tuy vậy, vết nứt sẽ làm giảm tuổi thọ của kết cấu Đây là chủ đề nghiên cứu được quan tâm rộng rãi Trong phạm vi luận

án cao học, đề tài nhấn mạnh ở hai điểm chính sau:

- Các cơ chế hình thành vết nứt và các biện pháp hạn chế

- Tính toán tuổi thọ kết cấu BTCT dựa theo kích thước vết nứt

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác định ảnh hưởng của vết nứt tới độ bền công trình xây dựng

3 Đối tượng nghiên cứu

Kết cấu sử dụng bê tông

4 Phạm vi nghiên cứu

Kết cấu bê tông cốt thép bị nứt

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp kết hợp kết quả thực nghiệm với cơ sở lý thuyết và tính toán số

6 Nội dung luận văn

Luận án gồm 4 chương, nội dung được tóm tắt như sau:

Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi

nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan

1.1 Tổng quan về độ bền công trình BTCT

1.2 Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT

1.3 So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể

Chương 2: Các cơ chế hình thành và các biện pháp hạn chế vết nứt kết cấu bê tông

2.1 Các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT

2.2 Các biện pháp hạn chế

Chương 3: Ảnh hưởng vết nứt tới hệ số khuếch tán ion clorua của kết cấu

bê tông

3.1 Nghiên cứu thực nghiệm

3.2 Đề xuất mô hình lý thuyết

Chương 4: Ví dụ tính toán ảnh hưởng của vết nứt tới tuổi thọ của dầm BTCT

4.1 Mô tả ví dụ tính toán

4.2 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT không nứt

4.3 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt

4.4 So sánh và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về độ bền công trình BTCT

1.1.1 Các khái niệm về độ bền

1.1.1.1 Các khái niệm về độ bền ở Việt Nam

Viện sĩ.GS.TSKH IU.M.Bazenov, PGS.TS Bạch Đình Thiên và TS Trần Ngọc Tính xuất bản cuốn sách ― Công nghệ bê tông‖ năm 2004 [10] Đã đề cập đến

độ bền của bê tông như sau:

Chất lượng của bê tông và sự làm việc của nó trong kết cấu và công trình được xác định bằng các tính chất của chúng Tính chất quan trọng nhất của vật liệu

là độ bền

Độ bền được gọi là khả năng chống lại sự phá hoại từ các tác dụng của nội ứng suất, xảy ra do kết quả của tải trọng hoặc các yếu tố khác Vật liệu nằm trong các công trình có thể chịu các nội ứng suất khác nhau: nén, kéo, uốn, cắt và xoắn

Bê tông là vật liệu chiụ nén tốt, chịu cắt kém và chịu kéo rất kém (khoảng 5-50 lần kém hơn khi nén) Vì vậy, các kết cấu xây dựng có thể được thiết kế sao cho bê tông trong chúng nhận các tải trọng nén Khi cần thiết kế nhận các ứng suất kéo kết cấu cần có cốt Trong các kết cấu bê tông cốt thép ứng suất kéo và cắt do cốt thép chịu, chúng có sức bền cao đối với các loại ứng suất này Vì vậy, một trong các tính chất quan trọng của bê tông là cường độ khi nén của chúng Tuy nhiên có một số dạng riêng của kết cấu ( mặt đường, nền, ), trong đó bê tông cần nhận tải trọng kéo khi uốn Trong trường hợp này, khi thiết kế các thành phần của bê tông xuất phát từ yêu cầu sự cần thiết nhận được cường độ định trước của bê tông khi uốn hoặc kéo GS.TS Phạm Duy Hữu và các công sự xuất bản cuốn sách ―Bê tông cường độ cao và chất lượng cao‖ năm 2008 [2] Đã đề cập đến độ bền của bê tông như sau:

Bê tông là vật liệu composit rất không đồng nhất mà độ bền của nó được hiểu là khả năng chống lại các tác động bên ngoài Đặc biệt là phản ứng kiềm - cốt liệu, tính thấm nước, phản ứng cácbonát và thấm clo

1.1.1.2 Các khái niệm về độ bền trên thế giới

M Richardson ―Fundamentals of durable reinforced concrete‖ [13] đã đưa ra khái niệm độ bền của bê tông như sau:

Độ bền được định nghĩa là khả năng để chống lại tác động thời tiết, tác nhân hóa học và ăn mòn trong khi vẫn duy trì các đặc tính kỹ thuật của nó mong muốn

Nó thường dùng để chỉ thời gian làm việc hiệu quả của cấu kiện Bê tông khác nhau đòi hỏi mức độ khác nhau về độ bền phụ thuộc vào môi trường tiếp xúc và đặc tính mong muốn

Theo ASTM E 632 [15] độ bền được định nghĩa là: Khả năng duy trì khả năng

sử dụng của một sản phẩm, cấu kiện, bộ phận, lắp ráp, hoặc xây dựng trong thời gian xác định Khả năng sử dụng được xem là khả năng của các cấu kiện để thực hiện chức năng mà chúng được thiết kế và xây dựng

M.S Shetty trong tài liệu ― Concrete Technology: Theory and Practice‖ xuất bản năm 2005 [12], đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau:

Độ bền của bê tông được coi là khả năng làm việc bình thường của kết cấu bê tông, trong khoảng thời gian dài với yêu cầu ít hoặc không cần điều kiện bảo trì

Độ bền của bê tông xi măng được Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01 định nghĩa

là khả năng chống các tác động của thời tiết, xâm nhập của hóa chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác của sự hư hại Bê tông bền sẽ giữ được hình thức ban đầu của nó, duy trì được chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực

Như vậy độ bền là một đại lượng đặc trưng cho tuổi thọ công trình Tuổi thọ của công trình được kéo dài hay không, phụ thuộc vào độ bền của kết cấu có được đảm bảo hay không

Tuy nhiên độ bền và tuổi thọ là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau Trong luận văn này tuổi thọ của kết cấu BTCT phơi nhiễm clo được định nghĩa như sau: Tuổi thọ của kết cấu BTCT do xâm nhập ion clorua là thời gian bắt đầu tiếp xúc với môi trường ion clorua tới khi ion clorua gây ra ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt lớp bê tông bảo vệ hoặc giảm diện tích cốt thép làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu tới mức nguy hiểm

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền

1.1.2.1 Các yếu tố trong quá trình thiết kế

Cấu trúc bê tông: Bê tông có cấu trúc đặc chắc, lỗ rỗng thấp sẽ giảm khả năng

thấm của bê tông, từ đó làm tăng độ bền

a hỗn hợp cứng b hỗn hợp dẻo

Hình 1.1 Cấu trúc của bê tông

Hình 1.1 chỉ ra rằng, với cấu trúc bê tông đặc chắc (hình 1.1a) thì lỗ rỗng thấp hơn hẳn so với cấu trúc bê tông ở hình 1.1b

Tỷ lệ nước/xi măng: Tỷ lệ nước/xi măng phải hợp lý, vì nếu quá cao sẽ gây ra

hiện tượng phân tầng, làm giảm cường độ của bê tông

Hình 1.2 Quan hệ giữa cường độ bê tông và tỷ lệ N/X [2]

Ghi chú: S1: Biểu đồ Suzuki 1

S2: Biểu đồ Suzuki 2

Ha: Công thức Hatori

GT2: 0,45x50x(X/N-0,5)

GT3: 0,45x40x(X/N-0,5)

ACI: Đường biểu diễn trên theo tra bảng ACI

Nhận xét: Tỷ lệ nước/xi măng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ của bê tông

Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ N/X thực chất phụ thuộc vào thể tích

lỗ rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa Từ biểu đồ trên,ncó thể thấy cường độ của

bê tông tăng lên khi tỷ lệ N/X giảm đi

Lớp bê tông bảo vệ: Lớp bê tông bảo vệ có tác dụng bảo vệ cốt thép khỏi ăn

mòn, nó ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân gây hại như ion clorua từ môi trường bên ngoài Sau đây là biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đếnquá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Ghi chú:

5, 6, 7: ký hiệu các

loại cốt thép có vị trí khác nhau

a, b, c, d: ký hiệu các mặt của tiết diện bê tông

20, 40, 60: đơn vị mm

Hình 1.3 Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông [9]

Hình 1.4 Sự biến thiên dòng ăn mòn của các cốt thép 5, 6, 7 theo thời gian [9]

Ta thấy dòng ăn mòn của các cốt thép là ổn định theo thời gian, điều này chứng tỏ các yếu tố của môi trường bê tông ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép

là ít thay đổi Tốc độ ăn mòn cốt thép thay đổi theo chiều dày lớp bê tông Cốt thép

số 7 ở sát ngoài cùng có dòng ăn mòn trung bình khoảng 2

0,8 A cm/ , tương đương tốc độ ăn mòn khoảng 8 m/năm Cốt thép số 5 có dòng ăn mòn bé nhất, chỉ tương ứng với 3 m/năm Như vậy, tốc độ ăn mòn cốt thép giảm khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng, hay nói cách khác chiều dày lớp bê tông bảo vệ có tác dụng ngăn cản quá trình ăn mòn cốt thép [9]

1.1.2.2 Các yếu tố trong quá trình thi công

Vận chuyển: Việc vận chuyển bê tông tươi không được để dẫn tới các hiện

tượng sau [3]:

- Phân tầng

- Mất các vật liệu thành phần trong hỗn hợp bê tông

- Làm giảm đi tính công tác

- Tăng đáng kể nhiệt độ hỗn hợp bê tông

Giới hạn thời gian vận chuyển hỗn hợp bê tông cần được quy định về thời gian ninh kết của xi măng và bê tông

Hình 1.5 Vận chuyển bê tông bằng xe chuyên dụng (nguồn internet)

Như vậy, quá trình vận chuyển bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của bê tông

Đổ bê tông: Bê tông cần phải được đổ sao cho giữ được tính đồng nhất, đầy

hết ván khuôn, đảm bảo tính toàn khối, không xuất hiện vết nứt [3]

- Cần chú ý khi đổ bê tông sao cho không làm dịch chuyển các cốt thép ra khỏi vị trí đã quy định

- Chiều cao đổ tự do của hỗ hợp không được cao hơn mức quy định

- Để đầm có hiệu quả thì chiều dày mỗi lớp đổ bê tông phải không được cao hơn mức quy định

- Cần phải có giải pháp đặc biệt khi đổ bê tông trong điều kiện thời tiết nóng

để tránh bị mất nước nhanh Biện pháp chủ yếu là giảm nhiệt độ bê tông và bảo dưỡng hợp lý

Hình 1.6 Hình ảnh đổ bê tông (nguồn internet) Đầm nén bê tông: Đầm nén bê tông để loại bỏ không khí ra khỏi bê tông

Trong quá trình nhào trộn, vận chuyển, đổ khuôn bê tông, không khí sẽ cuốn vào

trong bê tông Bê tông có tính công tác càng thấp thì lỗ rỗng cuốn khí vào càng nhiều, do đó cần công đầm nén nhiều hơn Đầm nén cũng để đảm bảo độ đặc chắc

và tính đồng nhất của bê tông Thời gian đầm nén phải thích hợp vì thời gian đầm nén quá ngắn làm cho bê tông không đủ chặt, thời gian đầm nén quá dài sẽ gây ra phân tầng

Hình 1.7 Hình ảnh đầm cóc

(nguồn internet)

Hình 1.8 Hình ảnh đầm dùi (nguồn internet)

Bảo dưỡng: Bảo dưỡng cần phải được tiến hành ngay sau khi đổ bê tông nhằm

đảm bảo độ ẩm trong bê tông để bề mặt và chất lượng bê tông đạt được tiêu chuẩn thiết kế Thời gian bảo dưỡng phải đủ để bê tông đạt được cường độ yêu cầu Việc bảo dưỡng bê tông cũng để làm tăng quá trình đóng rắn và độ bền, đồng thời cũng ngăn ngừa sự hình thành và phát triển của các vết nứt trong bê tông

Hình 1.9 Bảo dưỡng bê tông cột

(nguồn internet)

Hình 1.10 Bảo dưỡng bê tông sàn (nguồn internet)

1.1.2.3 Các yếu tố trong quá trình khai thác và sử dụng

Chu kỳ đóng tan băng: Ở vùng khí hậu lạnh, chu kỳ đóng băng tan băng là

nguyên nhân chính gây hư hại các kết cấu bê tông lộ thiên (cầu, đường, ) Nguyên nhân cơ bản gây nên sự phá hoại của bê tông trong môi trường đóng tan băng là áp lực lên thành của các lỗ rỗng và các vết nứt nhỏ do nước đóng băng tạo nên Khi bị đóng băng, thể tích nước đá tăng lên trên 9% [10] Cấu trúc của bê tông cản trở sự

nở thể tích ấy của nước đá, vì thế trong cấu trúc bê tông có thể xuất hiện những ứng suất rất lớn Sự lặp đi lặp lại của quá trình đóng tan băng dẫn đến phá hoại dần dần cấu trúc bê tông [10]

Hình 1.11 Bê tông dẫn điện làm tan băng tuyết trên đường (nguồn internet) Tính thấm: Tính thấm là một trong những tính chất quan trọng nhất ảnh hưởng

tới độ bền của bê tông.Các lỗ rỗng hay các vết nứt trong cấu trúc bê tông đóng vai trò quyết định đến độ thấm của bê tông Các lỗ rỗng có thể liên tục hay rời rạc Cùng một độ rỗng nhưng các lỗ rỗng rời rạc thì tính thấm thấp hơn so với các lỗ rỗng liên tục

kt,10 -2 ,cm/s

0,8

120 100

Hình 1.12 Sự phụ thuộc của hệ số

thấm của bê tông kt vào thể tích của

các lỗ rỗng macrô [10]

Hình 1.13 Sự phụ thuộc của hệ số thấm của bê tông kt vào N/X [10]

Phản ứng kiềm – cốt liệu(Silic):

Viện sĩ.GS.TSKH IU.M.Bazenov, PGS.TS Bạch Đình Thiên và TS Trần Ngọc Tính xuất bản cuốn sách ― Công nghệ bê tông‖ năm 2004 [10] Đã đề cập đến phản ứng kiềm cốt liệu trong bê tông như sau:

Trong thực tế xây dựng có các trường hợp bê tông bị phá hoại do phản ứng giữa hydroxyt canxi và kali có trong xi măng với dạng hoạt tính của diôxyt silic của cốt liệu Trong phản ứng này, có hiện tượng giãn nở bê tông và xuất hiện trong nó nội ứng suất lớn, chúng có thể tạo thành các vết nứt và phá hoại cấu trúc bê tông

Hình 1.14 Nứt bê tông do phản ứng kiềm – cốt liệu (nguồn internet)

Phản ứng cacbonat hóa:

ở ngưỡng an toàn 12-13 Trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng thụ động Tuy nhiên, quá trình

trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng dưới đây:

Hình 1.15 Cơ chế ăn mòn cố thép trong bê tông

Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế "tự bảo vệ thụ động" của BTCT không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn

Hình 1.16 Quá trình phá hoại do ăn mòn cốt thép (nguồn internet)

Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông Sự phát triển của vết nứt phát

triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép (spalling) như hình minh hoạ trên

Tốc độ của quá trình carbonat hoá phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ lý của

bê tông như độ kiềm và độ thẩm thấu Điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hoá hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60-75% Hơn nữa, tốc

độ quá trình carbonat hoá tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần Mặt khác, hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm

và làm chậm quá trình carbonat hoá

Ngoài ra, bề dày lớp bê tông bảo vệ cũng đóng vai trò quan trọng giảm quá trình ăn mòn

Carbonat hoá là một quá trình chậm, đặc biệt khi nhiệt độ môi trường ở mức bình thường Tốc độ của quá trình này có thể đo đạc được và ngăn chặn Tuy nhiên,

nó lại là vấn đề nghiêm trọng đối với những công trình có tuổi thọ cao (≥ 30 năm)

Độ thấm clo:

Ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách Ion clorua có thể được cho vào trong lúc đúc kết cấu thông qua việc sử dụng phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua trong hầu hết các công trình là do sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như:

Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối

Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép, mà phá vỡ lớp màng thụ động trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển Nói cách khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hoá ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13)

Mức độ thấm Clo qua vùng bê tông bảo vệ được thể hiện thông qua hệ số khuếch tán Clo ký hiệu là D, với bê tông thường: D = 6,3.10-12 m 2 /s [8]

Hình 1.17 Cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông khi có mặt ion clorua

1.2 Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT

Khả năng chống nứt cuả các kết cấu hay bộ phận kết cấu được phân thành ba cấp phụ thuộc vào điều kiện làm việc của chúng và loại cốt thép được dùng

Cấp 1: Không cho phép xuất hiện vết nứt

Cấp 2: Cho phép có sự mở rộng ngắn hạn của vết nứt với bề rộng hạn chế acrc1

nhưng bảo đảm sau đó vết nứt chắc chắn sẽ khép kín lại

Cấp 3: Cho phép có sự mở rộng ngắn hạn của vết nứt khi kết cấu chịu tác dụng đồng thừi của tải trọng thường xuyên, tải trọng tậm thời ngắn hạn và dài hạn acrc2

Bề rộng vết nứt ngắn hạn được hiểu là sự mở rộng vết nứt khi kết cấu chịu tác dụng đồng thời của tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời ngắn hạn và dài hạn

Bề rộng vết nứt dài hạn được hiểu là sự mở rộng vết nứt khi các kết cấu chỉ chịu tác dụng của tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời dài hạn

Cấp chống nứt của kết cấu bê tông cốt thép cũng như giá trị bề rộng giới hạn cho phép của vết nứt trong điều kiện môi trường không bị xâm thực cho trong Bảng

1 (đảm bảo chế độ thấm cho kết cấu)

Bảng 1.1 Cấp chống nứt và giá trị bề rộng vết nứt giới hạn để đảm bảo hạn

chế thấm cho bê tông [12]

Điều kiện làm viêc của kết cấu

Cấp chống nứt và giá trị bề rộng vết nứt giới hạn, mm để đảm bảo hạn chế thấm

cho kết cấu

1 Kết cấu chịu

áp lực của chất

lỏng hoặc hơi

Khi toàn bộ tiết

acrc2 = 0,2 Khi một phần tiết

2 Kết cấu chịu áp lực của vật liệu rồi Cấp 3 acrc1 = 0,3

acrc2 = 0,2

* Cần ưu tiên dùng kết cấu ứng lực trước Chỉ khi có cơ sở chắc chắn mới cho phép

dùng kết cấu không ứng lưc trước với cấp chống nứt yêu cầu là cấp 3

1.2.2 Ảnh hưởng bề rộng và chiều sâu của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua

Các hậu quả của nứt từ phạm vi nhỏ cho tới hậu quả nghiêm trọng Về mặt kết cấu thì ảnh hưởng sâu sắc đến độ bền Về mặt tâm lý sẽ làm suy giảm niềm tin của chủ đầu tư tới đơn vị thiết kế cũng như đơn vị thi công, gây ảnh hưởng đến tâm lý của người sử dụng từ đó làm ảnh hưởng đến uy tín của đơn vị thiết kế thi công

Độ bền có thể bị tổn hại nếu có một số lượng lớn các vết nứt giao nhau Vì thế thiết kế cần phải hạn chế các vết nứt đến nhỏ nhất có thể Ứng suất kéo có thể bị giảm đi bởi một số lượng lớn các vết nứt hoặc bởi một số lượng nhỏ các vết nứt rộng Tuy nhiên có thể giới hạn độ rộng vết nứt đến một giá trị được quyết định bởi cân nhắc thẩm mỹ

Độ bền của bê tông bị ảnh hưởng nghiêm trọng liên quan đến 'các vết nứt trùng' Đây là những vết nứt trùng nhau làm cho các vết nứt lớn lên, tạo điều kiện cho độ ẩm và ôxy xâm nhập vào cực âm, từ đó quá trình ăn mòn còn thép diễn ra nhanh hơn, làm suy giảm tuổi thọ nhanh chóng và làm giảm tiết diện mặt cắt ngang của kết cấu hay cấu kiện

Hình 1.19 Quá trình khuếch tán ion clorua trong bê tông có bề rộng vết nứt khác nhau ( trong đó: crack width – bề rộng vết nứt, with chlorides – nơi có ion

clorua, without chlorides - nơi không có ion clorua) [18]

Khi bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30μm thì quá trình khuếch tán ion clorua hầu như không đáng kể Khi bề rộng vết nứt nhỏ hơn 80μm thì quá trình khuếch tán ion clorua bắt đầu tăng lên và nó tăng lên rất nhanh khi bề rộng vết nứt lớn hơn 80μm

OC: bê tông thường

HPC: bê tông cường độ cao

HPCSF: bê tông cường độ siêu cao

Hình 1.20 Mối quan hệ giữa bề rộng vết nứt với hệ số khuếch tán ion clorua

[21]

Dav Dcr Dun-eff

Hình 1.21 Thể hiện giá trị hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông bị nứt [14]

Trong đó:

W: bề rộng vết nứt

L: Chiều sâu vết nứt tính từ miệng vết nứt đến nơi vết nứt có bề rộng là 30μm

Dav: Giá trị hệ số khuếch tán trung bình qua bê tông bị nứt

Dcr: Giá trị hệ số khuếch tán qua vùng bê tông bị nứt với bề rộng vết nứt lớn hơn 30μm

Dun-eff: Giá trị hệ số khuếch tán qua vùng bê tông bị nứt với bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30μm

Duncr: Giá trị hệ số khuếch tán qua vùng bê tông không nứt

Theo TCVN 9381:2012 [13] thì kết cấu bê tông cốt thép được đánh giá là

nguy hiểm khi bề rộng vết nứt vượt quá giới hạn cho phép theo bảng 1.2

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp giới hạn vết nứt của các cấu kiện bê tông cốt thép

Vì kèo có độ võng lớn hơn Lo/200 Thanh cánh dưới ≥1mm

Như vậy, ảnh hưởng lớn nhất của vết nứt đến độ bền của công trình BTCT chính là tạo điều kiện cho các chất xâm thực đặc biệt là ion clorua xâm nhập vào trong BTCT, là cơ sở tiền đề cho quá trình ăn mòn cốt thép diễn ra

1.3 So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể

1.3.1 Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận văn

Hiện tượng nứt kết cấu bê tông cốt thép thường gây lo ngại cho chủ đầu tư và người sử dụng công trình Đây cũng là mối quan tâm thường xuyên của giới chuyên môn và các nhà quản lý Tuy nhiên, nứt là hiện tượng cố hữu của vật liệu bê tông xi măng Có những vết nứt ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy ra sự cố công trình nhưng cũng có những trường hợp nứt kết cấu có thể chấp nhận được mà không đòi hỏi xử lý hay gia cường bổ sung Nghiêm trọng hơn là các vết nứt ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của công trình Tác hại lớn nhất đó là tạo điều kiện cho các chất xâm thực xâm nhập vào

bê tông đặc biệt là ion clorua, từ đó gây ăn mòn cốp thép trực tiếp ảnh hưởng tới độ bền công trình

Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông được GS Mutsuyoshi, (năm 2001) đưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản (hình 1.22) [22] Qua số liệu thống kê, có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn đến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo (chiếm tới 66% các hư hại), trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%

Hình 1.22 Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof

Hiroshi Mutsuyoshi 2001) [22]

Việt Nam là quốc gia có bờ biển dài, khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ khá cao, độ ẩm lớn Đây chính là yếu tố thúc đẩy nhanh ăn mòn cốt thép trong các công trình bê tông cốt thép ven biển Việt Nam Hơn nữa theo kịch bản biến đổi khí hậu thì nhiệt độ sẽ tăng, nước biển dâng cao Nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông

do đó nhiều kết cấu sẽ bị ảnh hưởng của nước biển và xâm nhập mặn

Các công trình ở Việt Nam trong những thập kỷ qua đã được đầu tư rất lớn, trong số đó có rất nhiều công trình ven biển sử dụng vật liệu bê tông xi măng có cường độ khác nhau tuỳ theo mục đích sử dụng Các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển theo thời gian sẽ bị clo xâm nhập thông qua việc xuất hiện các vết nứt gây ra ăn mòn cốt thép làm giảm độ bền và giảm tuổi thọ sử dụng Việc đảm bảo an toàn và độ bền cho các công trình cũ và các công trình mới là một nhiệm vụ phải được đặt ra

Từ những nhận xét trên hướng nghiên cứu của luận văn này là:

Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình mở rộng vết nứt tới tuổi thọ của kết cấu

bê tông cốt thép với các cường độ khác nhau

1.3.2 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến tuổi thọ của công trình BTCT thông qua:

- Xác định các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông và bê tông cốt thép từ đó đưa ra biện pháp hạn chế

- Xác định mức độ ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua trong bê tông từ kết quả thực nghiệm từ đó đề xuất mô hình tính toán

1.3.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.3.3.1 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các cơ chế hình thành và các biện pháp hạn chế vết nứt kết cấu bê tông

- Thí nghiệm thấm nhanh ion clorua trong các mẫu bê tông theo TCVN 9337:2012 để xác định mức độ ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion

clorua trong bê tông với các cường độ khác nhau, từ kết quả thực nghiệm từ đó đề xuất mô hình tính toán hệ số khuếch tán ion clorua trong bê tông

- Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt và không nứt, từ đó so sánh và kết luận

1.3.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Mô hình hoá tính toán tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng trong môi trường ven biển Việt Nam dưới tác động của quá trình xâm nhập ion clorua thông qua vết nứt

CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ VẾT NỨT KẾT CẤU BÊ TÔNG

2.1 Các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT

Hiện tượng nứt kết cấu BTCT thường gây lo ngại cho chủ đầu tư và người sử dụng công trình mặc dù khi tính toán khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn, các

lý thuyết tính toán ở cả phương Đông và phương Tây thường bỏ qua sự làm việc của bê tông ở vùng chịu kéo, chỉ xét đến sự làm việc của cốt thép chịu lực Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam và Tiêu chuẩn kết cấu bê tông TCVN 5574:2012 [12] đều quy định giới hạn bề rộng khe nứt khi tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2 Song thực tế tính toán thiết kế hiện nay thường bỏ qua bước tính toán kiểm tra sự hình thành vết nứt và bề rộng khe nứt của kết cấu, cấu kiện Khi các vết nứt ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu, hay làm giảm độ bền lâu của kết cấu, cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy ra sự cố công trình Ngược lại, trong nhiều trường hợp hiện tượng nứt kết cấu có thể chấp nhận được mà không đòi hỏi

xử lý hay gia cường bổ sung nào do kết quả tính toán kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của kết cấu hoặc kết quả thí nghiệm thử tải kết cấu cho thấy kết cấu đảm bảo các yêu cầu chịu lực theo thiết kế

Vì vậy, việc xét đến ảnh hưởng của nứt trong tính toán thiết kế kết cấu là cần thiết, nhằm tránh các sự cố nảy sinh do nứt kết

Các hư hỏng liên quan đến vết nứt trong công trình xây dựng thường do tác động vật lý, tác động cơ học và các tác động khác Do đó khả năng hư hỏng phát triển theo thời gian, theo tải trọng và theo sự xuống cấp của khả năng chịu lực và của độ cứng công trình

Bê tông cốt thép (BTCT) là vật liệu được sử dụng phổ biến làm kết cấu chịu lực chính trong công trình xây dựng, nhất là các công trình lớn như cầu, đập, nhà cao tầng Tuy nhiên, một trong các vấn đề thường gặp ở kết cấu BTCT là sự xuất hiện vết nứt trong các cấu kiện BTCT kể cả giai đoạn thi công và trong quá trình sử dụng Theo một khảo sát gần đây của các chuyên gia xây dựng, sự xuất hiện của vết nứt trong các cấu kiện bê tông cốt thép ở các công trình xây dựng ngày càng phổ biến và hình thái của vết nứt thì đa dạng

Nứt ở bê tông có thể do các nguyên nhân khác nhau gây ra, cụ thể như sau:

2.1.1 Nứt do thiết kế

Nứt bêtông là hiện tượng thường gặp trong các công trình xây Các vết nứt trong bêtông có thể phát triển từ nhiều nguyên nhân Trong đó, quá trình thiết kế cũng là một nguyên nhân Nứt do thiết kế chủ yếu do trong quá trình tính toán có vấn đề, ngoài ra cũng có thể do chọn vật liệu

Hình 2.1 Sơ đồ các nguyên nhân gây nứt do thiết kế

2.1.2 Các quá trình liên quan đến nhiệt độ môi trường

2.1.2.1 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ không khí nóng lạnh thay đổi theo chu kỳ ngày đêm, và theo mùa đã làm cho lớp bề mặt bê tông co nở thường xuyên, phát sinh ứng suất kéo Yếu tố này thường tác dụng đối với các kết cấu trãi thời kỳ mùa Đông, có chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm khá cao Vết nứt trong trường hợp này là nứt mặt

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004 thì bê tông bị nứt khi chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và bên trong bê tông là T > 200C

Nguyên nhân do khi bề mặt bê tông bị giảm nhiệt độ sẽ có xu hướng co, nhưng bị các lớp phía trong có nhiệt độ cao hơn kìm giữ sẽ phát sinh ra ứng suất kéo Khi chênh lệch nhiệt độ T > 200C, ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của bê tông làm chobê tông sẽ bị nứt

Hình 2.2 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường (nguồn internet)

2.1.2.2 Vết nứt gây ra do hiện tƣợng đóng-tan băng

Nứt do hiện tượng đóng-tan băng xảy ra ở những vùng khí hậu lạnh, có băng tuyết Nguyên nhân là do sự tích lũy tự nhiên của nước trong các lỗ rỗng khi còn ở thể lỏng, sau đó khi nhiệt độ hạ thấp, nước đóng băng, nở thể tích gây ứng suất kéo

từ đó gây ra những vết nứt trong bê tông Sau nhiều chu kỳ đóng-tan băng, vết nứt loại này sẽ phát triển dần và phá hoại kết cấu nhanh chóng [4]

Hình 2.3 Nứt do hiện tượng đóng-tan băng [4]

2.1.3 Các quá trình liên quan đến tải trọng

Nứt do mỏi: Bê tông chịu ứng suất kéo lặp nhiều chu kỳ theo sự thay đổi thường xuyên của tải trọng, thời tiết, lâu ngày bị mỏi, sức kháng nứt kém, dẫn đến

bị nứt mặt Các vết nứt hay hư hỏng do mỏi thường xuất hiện trong các kết cấu cầu

Hình 2.4 Nứt do nền đường bê tông (nguồn internet)

2.1.4 Các quá trình liên quan lún

Nứt do lún nền không đều:

Loại vết nứt này thường tạo ra do hiện tượng lún hoặc rửa trôi đất hay vật liệu

ở lớp đệm, có thể gây ra nhiều vấn đề trong kết cấu bê tông: nứt, thẩm mỹ, hư hỏng toàn bộ kết cấu Tháo ván khuôn sớm hay không đủ thanh chống ván khuôn cũng là nguyên nhân gây ra nứt trong bê tông [4]

Hình 2.5 Nứt do lún không đều [4]

2.1.5 Các quá trình liên quan đến phản ứng vật liệu

2.1.5.1 Nứt do co mềm (nứt do co dẻo)

Tính co dẻo là một trong những lý do quan trọng gây ra những vết nứt trong thời gian đầu của quá trình đông kết và cứng hóa của bê tông Co dẻo xảy ra khi nước bay hơi từ bề mặt của bê tông mới được đổ còn ướt (bê tông tươi) nhanh hơn

so với nước thừa của quá trình thủy hóa xi măng tiết ra làm cho bề mặt bê tông bị

co Do sự kìm giữ của bê tông ở phía dưới bề mặt đang khô, ứng suất kéo sẽ phát triển ở những vùng yếu làm hình thành những vết nứt nông với những độ sâu khác nhau [4]

Đặc điểm của loại vết nứt này là chiều dài không lớn và chủ yếu là các vết nứt nhỏ (vết nứt micro hay nứt rạn), hướng nứt không rõ ràng và thường nứt khá rộng ở trên bề mặt [4]

Nứt do co dẻo xuất hiện trong khoảng thời gian 30 phút tới 6 giờ sau khi đổ

đó các khe co ngót (mối nối kiểm tra) thường được thiết kế cho bê tông để định trước vị trí của các vết nứt do co khô [4]