MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU ppsx

ĐỖ MINH HIẾU Trường MADI - Moscow - Liên Bang Nga Tóm tắt: Bài báo mô tả 3 giai đoạn phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông dưới tác nhân Clo và mô hình hoá sự phá huỷ b

MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU

NCS ĐỖ MINH HIẾU

Trường MADI - Moscow - Liên Bang Nga Tóm tắt: Bài báo mô tả 3 giai đoạn phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông

dưới tác nhân Clo và mô hình hoá sự phá huỷ bêtông bằng các công thức toán học, đồng thời cũng đưa ra các số liệu thực nghiệm để so sánh với các số liệu tính toán Qua đó có sự tiếp cận sâu hơn về vấn đề tính toán năng lực chịu tải còn lại của kết cấu cầu cũng như có thể đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế lớp bêtông bảo vệ cốt thép cho điều kiện ăn mòn của Việt nam

Summary: Vietnam is a humid tropical country with a long coastline, which favours

corosion of metal So, reinforced concrete structures gradually degrade due to corosion of steel reinforcement induced by ingress of aggressive agents Ingress of chloride from marine enviroment is the main cause of corosion of steel in concrete which results in damages occurred to the structures afters a short time of operation

This paper presents a study on the influence of chloride concentation, humidtity and thickness of concrete cover on the corosion of steel in concrete The corosion is reproduced by mathematical formulas and censored by experimental results, which is advisable for climatic conditions of Vietnam

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngoài các tác nhân do tải trọng gây ra, làm suy giảm khả năng chịu tải của kết cấu công trình chúng ta còn cần phải xét đến các tác nhân từ môi trường xung quanh Trong đó tác động của các hợp chất hóa học đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ăn mòn bê tông cốt thép gây nên sự suy giảm năng lực chịu tải của kết cấu công trình nói chung và công trình cầu nói riêng Việt nam là một nước ven biển, nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới, độ ẩm và hàm lượng muối trong không khí rất cao Đồng thời, nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa, khí thải công nghiệp cũng là một yếu tố tác động không nhỏ đến quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại cho kết cấu cầu Do đó, việc nghiên cứu vấn đề ăn mòn cốt thép, kết hợp với tác động của tải trọng để đưa ra các đánh giá và chẩn đoán trạng thái làm việc của công trình cầu đang được đặt ra cấp thiết, phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng và khai thác cầu

CT 2

II NỘI DUNG

Quá trình ăn mòn cốt thép theo thời gian bên trong lớp bêtông bảo vệ của kết cấu có thể chia làm 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Các tác nhân xâm thực, nhất là khí CO2 trong không khí gây ra quá trình cacbonat hóa bêtông và hợp chất chứa ion Cl- nằm trong các tinh thể muối có trong không khí, phân bố trên bề mặt bêtông theo thời gian sẽ xâm nhập vào bên trong lớp bêtông bảo vệ dẫn đến

sự phá hủy cốt thép; đồng thời lớp bêtông bảo vệ cũng bị mất đi những đặc tính cơ lý ban đầu Quá trình xâm thực được thể hiện qua phương trình tính hàm lượng Clo theo thời gian:

) Dt 2

y erf 1 ( C

Cyt = 0 − (1)

Trong đó: t - khoảng thời gian bắt đầu

quá trình xâm thực; C0 - nồng độ ion Cl

trên bề mặt kết cấu, tinh theo % khối

lượng ximăng; Cy,t - nồng độ ion Cl tại

chiều sâu y (%); D - hệ số khếch tán Cl

trong bêtông (cm2/năm)

Theo [1], giá trị giới hạn của nồng độ

ion Cl- tại lớp bêtông sát với cốt thép Ch,th

(nghĩa là bắt đầu quá trình ăn mòn) đạt tới

0,4% khối lượng ximăng đối với cốt thép

thường và bằng 0,2% đối với cốt thép dự

ứng lực trong điều kiện bêtông chưa bị

cacbonát hóa Nếu như bêtông đã bị cacbonnat hóa thì các giá trị đó tương ứng là 0,1% và 0,2

Yếu tố quan trọng để dự đoán tuổi thọ của kết cấu trong điều kiện ăn mòn clo đó là xác

định được thời điểm th, với h là chiều dày lớp bêtông bảo vệ tương ứng với thời điểm bắt đầu

quá trình ăn mòn cốt thép

CT 2

Như vậy ta có :

o

th , h

C 1 Dt 2

h erf = − (2)

Đặt:

h

Dt 2

h

=

β (3) β được xác định theo bảng của hàm tích phân xác xuất Gauss [2], từ

đó ta tính được giá trị Ch,th:

Đặt: α= D từ (2) ta có: h =2αβ th (4)

⇒

2 2

2 h

h D 4

1 D

4

h

t = β = ⎜⎜⎝⎛β⎟⎟⎠⎞ (5)

Theo kết quả nghiên cứu của viện RILEM thì th được xác định như sau:

2

2 0 th

h

) C C ( 1

h D

12

1 t

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

= (6)

(5) và (6) có sự tương ứng khi ta đặt 3[1 (C /C ) 2]

o th

β (7)

Bảng 1 giới thiệu kết quả tính toán giá trị th theo công thức (5) với các giá trị và khi

D = 0,5 cm

2/năm)

Từ công thức (5) và các số liệu tính toán người ta có thể đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế cho

lớp bêtông bảo vệ tùy thuộc vào mỗi một điều kiện khí hậu khác nhau

Bảng 1 Thời gian bắt đầu ăn mòn clo trong kết cấu bêtông với cốt thép thường

Ch.th = 0,4% Ch.th = 0,2%

C0 (%) h, cm

β β* tβ (năm) tβ' (năm) β β* tβ (năm) tβ' (năm)

1,0

5

0,62 0,64

33 31

0,85 0,95

17 14

0,8

5

0,48 0,51

54 48

0,81 0,86

19 17

0,6

5

0,31 0,33

129 122

0,69 0,74

26 23

Đồng thời với quá trình xâm thực Clo ta cũng phải xét đến quá trình cacbonnat hóa bêtông với công thức sau: h = A thc (8)

2 hc

A

h

t = (9)

Trong đó: h - chiều sâu cacbonnat bêtông; thc - thời gian khuếch tán CO2 trong bêtông;

A, cm/năm - hệ số thực nghiệm

CT 2

Theo kết quả nghiên cứu cacbonnat hóa bêtông người ta đã đưa ra phương trình phụ thuộc giữa h và thc như sau:

2

76 , 1 X / N 6 4

2 , 7 t

−

= (10)

Với thc - thời gian cacbonat hóa lớp bêtông bảo vệ; N/X - tỉ lệ nước/ximăng trong bêtông

Từ (9) và (10) ta có: A=0,73 4,6N/X−1,76) (11) Đối với bêtông kết cấu cầu:

Với cầu cũ: Tỷ lệ N/X thường từ 0,4-0,55 thì giá trị của hệ số A bằng 0,2 đến 0,35

Xét một trường hợp phổ biến với Co = 0,8%; Cy,t = 0,4%; D = 0,5 cm2/năm

Ta có α= D =0,707 và 0,5

C

C 1 Dt 2

y erf

0

th =

−

= và β=0,48 Với tỉ lệ N/X = 0,5 ta có

A = 0,27, từ (5) 2

2

2

48 , 0 2

h

×

=

⇒ Từ (10) ⇒ thc = 13,72 h2

Khi so sánh 2 giá trị th và thc ta dễ dàng nhận thấy quá trình xâm thực Clo dẫn đến ăn mòn

cốt thép nhanh hơn rất nhiều so với quá trình cacbonat hóa bêtông Điều này cũng đã được

khẳng định qua nhiều các nghiên cứu khác về kết cấu BTCT cầu

Giai đoạn 2: Bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép

Giai đoạn 2 của quá trình ăn mòn được bắt đầu bằng sự ăn mòn cốt thép, tiếp theo đó là sự

hình thành và phát triển vết nứt tại lớp bêtông bảo vệ Vết nứt hình thành dọc theo chiều của cốt

thép chủ Có thể coi như giai đoạn 2 kết thúc khi vết nứt mở rộng với bề rộng đạt tới 0,3mm

rH = r0 + Δ (12) Với rH và rO - bán kính cốt thép ban đầu và sau khi ăn mòn; Δ - chiều sâu ăn mòn

Ta coi như toàn bộ phần cốt thép bị ăn mòn (gỉ) sẽ chuyển dịch xuống dưới, cho nên

chuyển vị của bêtông sẽ bằng 2 lần chiều sâu ăn mòn: f = 2Δ (13) Khi đó sự chuyển vị của gỉ sẽ tạo nên một áp lực P xuống bêtông ở phía dưới nó sẽ gây phá

hủy bêtông sinh ra vết nứt

CT 2

Xét một phần của kết cấu có chứa thanh cốt thép bị ăn mòn, coi đó như một dầm giản đơn

với 2 đầu ngàm và chịu lực P, như vậy ta có :

2

M 3,5Pl

W 8h

σ = = (14)

với M Pl

8

= - mômen uốn tại ngàm; W h2

3,5

= - mômen quán tính của mặt cắt có xét đến

tính chất đàn hồi dẻo của bêtông

Chuyển vị lớn nhất của mặt cắt dầm:

2

Pl 12Pl Pl f

192EJ 192Eh 16Eh

= = = 33 (15)

với J = h3/12 - momen quán tính của mặt cắt; E – mô đun đàn hồi của bêtông

Từ (13) suy ra:

3 3

32Eh P

l Δ

= (16)

Từ (14) suy ra:

3 3 2

32Eh 3,5l 14 Eh l

Δ Δ

σ = = 2 (17)

Giá trị trung bình cường độ của bêtông khi chịu kéo thường bằng Rtb = 2Rbt với Rbt - ứng suất kéo tính toán của bêtông Khi giá trị ứng suất trong bêtông σ=2Rbt với xác suất 0,5 sẽ

hình thành vết nứt tại lớp bêtông bảo vệ Như vậy giá trị của tổn thất do ăn mòn Δ khi hình

thành vết nứt trong bêtông sẽ là:

2 bt

2R l 14Eh

Δ = (18)

Khi vết nứt tại lớp vỏ bêtông đạt tới bề rộng 0,3 mm thì tốc độ ăn mòn cốt thép sẽ diễn ra nhanh hơn rất nhiều lần, ta coi lúc đó quá trình ăn mòn đã chuyển sang giai đoạn phát triển tiếp

theo

Để đánh giá mối liên hệ giữa 2 đại lượng độ mở rộng vết nứt (δ)và đại lượng tổn thất do ăn mòn (Δ) ta coi rằng lớp bêtông sẽ chuyển vị xoay quanh 2 điểm cố đinh thớ bên trên 2 đầu dầm

và chuyển vị là rất nhỏ so với bề rộng l đang xét

Từ hình 2 mô tả sự hình thành vết nứt của bêtông ta có:

h 4

l

CT 2

Bên cạnh đó f = 2 , suy ra: Δ f

2 8h

l δ

Δ = = (20)

Như vậy mối liên hề giữa 2 đại lượng (δ) và (Δ) được thiết lập thông qua công thức (20)

Theo tính toán với điều kiện tốc độ ăn mòn khoảng 0,02 mm/năm thì giai đoạn 2 của mẫu dầm bêtông như trên sẽ kéo dài khoảng 5 năm (δ = 0,3 mm)

So sánh mô hình tính như trên với các thí nghiệm của Viện nghiên cứu xây dựng Madrid [3] ta thấy có sự phù hợp tương đối

Độ mở rộng vết nứt (δ) mm

Chiều sâu ăn mòn (Δ), μm theo công thức (20)

Chiều sâu ăn mòn (Δ), μm theo tính toán của [3]

0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,5 1,0

17

33

67

100

130

150

300

15-50 15-50 100-300 100-300 100-300 100-300

300

Giai đoạn 3: Sự phát triển nhanh chóng của ăn mòn

Tốc độ ăn mòn cốt thép trong giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu và điều

kiện khai thác công trình Để đánh giá ta có thể xem xét vấn đề dựa trên 2 quan điểm sau:

1 Sử dụng các số liệu sẵn có để đưa vào nghiên cứu và đánh giá chất lượng công trình Tất

cả các số liệu này đều có một khoảng tin cậy nhất định Người ta đã đưa ra 3 dạng dự đoán theo

hướng: tích cực, trung bình và tiêu cực Tương ứng theo đó là các gía trị biên trên, biên dưới và

giá trị trung bình của khoảng tin cậy

Tuy nhiên việc các thông số trên thường có một khoảng dao động khá lớn, ví dụ như độ ẩm

tương đối từ 50 đến 95% thì tốc độ ăn mòn của thép trong vùng bê tông đã bị cacbonat hóa thay

đổi từ 0 đến 50 μm/năm v.v [4]

Vì vậy vấn đề của chúng ta là phải tổ chức thu thập và hệ thống hóa các số liệu ăn mòn

thép của kết cấu xây dựng, bao gồm trong đó có ăn mòn cốt thép của kết cấu bêtông, trong sự

phụ thuộc liên quan đến rất nhiều các yếu tố khác Khi đó công tác chuẩn đoán sẽ trở nên đáng

tin cậy hơn

2 Xem xét cụ thể sự liên quan giữa mất mát ăn mòn và bề rộng vết nứt do ăn mòn Có rất

nhiều các hướng ăn mòn cốt thép trong vùng phân bố vết nứt của mỗi một vết nứt khác nhau

Từ đó ta mới có thể đánh giá môt cách chính xác cho mỗi một công trình cụ thể

Trong giai đoạn này, phương trình ăn mòn cốt thép có dạng đường cong bậc 2 theo thời

gian:

( ) ( ) 2

2

t t V t

u - hệ số góc của đường cong

Từ các số liệu thực nghiệm ta xây dựng đường cong ăn mòn, cũng có nghĩa là xác định hệ số

góc u của phương trình từ đó có thể đưa ra các dự đoán về sự phát triển sau này của quá trình

III KẾT LUẬN

Việc mô hình hóa quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông thông qua các phương trình và

các đường cong tính toán giúp chúng ta có thể tiếp cận sâu hơn trong vấn đề chuẩn đoán trạng

thái làm việc cũng như sức chịu tải còn lại của kết cấu Tất cả các tính toán và dự đoán đều phải

dựa trên cơ sở các số liệu thu thập được từ các thử nghiệm trên thực tế công trình Từ đó ta có

thể đưa ra được những khuyến cáo và các biện pháp duy tu bảo dưỡng kết cấu một cách hợp lí

Tài liệu tham khảo

[1] EN206 Concrete - Performance, production ad Conformity

[2] Brontein A.U, Semendiev K.A Tuyển tập toán học

[3] A Sarja and E.Vesikari.Espo Duability Design of Concrete Structures RILEM Report of TC 130 -

CSL Finland, 1994

[4] Vasiliev A.U Đánh giá xác suất thời hạn làm việc của kết cấu BTCT♦