Tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn (tt)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN TRUNG KIÊN TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN TRUNG KIÊN

TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRUNG KIÊN KHÓA: 2011-2013

TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN NGỌC NAM

2 TS NGUYỄN HIỆP ĐỒNG

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành sau nhiều tháng nghiên cứu, tổng hợp với sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Nguyễn Ngọc Nam, và thầy TS Nguyễn Hiệp Đồng Bằng lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, chúc thầy cùng toàn thể gia đình luôn mạnh khỏe và hạnh phúc Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo sau đại học, các thầy

cô giảng dạy lớp cao học xây dựng khóa 2011 – 2013 Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong công tác học tập và giúp tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Tác giả

Nguyễn Trung Kiên

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi

Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực

và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trung Kiên

MỤC LỤC

A.PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Nội dung nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC 3

1.1 Khái niệm ăn mòn và đặc điểm của môi trường xâm thực lên bê tông và bê tông cốt thép 3

1.1.1 Khái niệm về ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép 3

1.1.2 Đặc điểm của ăn mòn bê tông cốt thép trong môi trường biển 5

1.1.3 Đặc điểm của ăn mòn bê tông cốt thép trong các môi trường ăn mòn nhân tạo 9

1.2 Các nghiên cứu về ăn mòn BTCT trong môi trường biển 11

1.2.1 Sự hư hỏng của các công trình BTCT làm việc trong môi trường biển 11

1.2.2 Các mô hình ăn mòn BTCT trong môi trường biển 15

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG BIỂN CHỨA ION Cl¯ TỚI CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP 21

2.1 Sự thâm nhập của ion Cl¯ vào bê tông 21

2.1.1 Các nghiên cứu thực nghiệm về sự thẩm thấu ion Cl ¯ vào bê tông 21

2.1.2 Mô hình thẩm thấu Cl - vào bê tông 26

2.2 Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn chứa Cl¯ đến tính chất cơ

lý của bê tông 32

2.2.1 Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn chứa Cl ¯ tới biến dạng của bê tông. 32

2.2.2 Xây dựng biểu đồ ứng suất - biến dạng của bê tông bị ăn mòn trong môi trường chứa ion Cl- 34

2.3 Sự ăn mòn cốt thép trong môi trường chứa Cl-: 39

2.3.1 Mô hình ăn mòn tiết diện cốt thép 39

2.3.2 Sự suy giảm cường độ và tiết diện của cốt thép bị ăn mòn 43

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN 51

3.1 Phương pháp tính toán cấu kiện chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn 51

3.1.1 Các giả thuyết 51

3.1.2 Yêu cầu thiết kế và vật liệu 52

3.1.3 Thiết lập phương pháp tính toán 58

3.2 Ví dụ tính toán 63

KẾT LUẬN 75

ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ 76 Tài liệu tham khảo

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và trên thế giới Bảng 1.2 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam

Bảng 1.2 Tuổi thọ của kết cấu trong vùng biển Việt Nam

Bảng 2.1 Hệ số k env

Bảng 2.2 Các mô hình biến dạng của bê tông

Bảng 2.3 -

2.4 Các giá trị biến dạng giới hạn của bê tông khi chịu nén và khi

chịu kéo

Bảng 2.5 Giá trị thực nghiệm và lý thuyết của ứng suất cũng như sai số( i  )

Bảng 2.6 -2.7

Giá trị các hệ số của mô hình đối với bê tông nặng chịu tác dụng của môi trường khí chứa

Cl-Bảng 3.1 Các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong

môi trường biển

Bảng 3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm bê tông và bê tông cốt thép đạt

tính năng chống ăn mòn trong môi trường biển Bảng 3.3 Kiểm tra độ bền của cấu kiện BTCT chịu uốn bị ăn mòn

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân vùng môi trường ven biển Việt Nam

Hình 1.2 Sơ đồ ăn mòn thép của Pourbaix

Hình 1.3 Sơ đồ mô tả các vùng ăn mòn các vùng ăn mòn bê tông cốt thép

trong môi trường biển

Hình 1.4 Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bê tông khi có mặt ion Cl ¯. Hình 2.1 So sánh kết quả uốn ba điểm giữa dầm bị ăn mòn và dầm không

bị ăn mòn

Hình 2.2 Kết quả của thực nghiệm của Bentz E và Thomas M

Hình 2.3 Kết quả khảo sát Si lô nhà máy Hà Tiên 2

Hình 2.4 Sơ đồ thâm nhập ion Cl - vào bê tông

Hình 2.5 Sự thay đổi nồng độ ion Cl

trong khí quyển ven biển theo chiều sâu từ bờ biển vào đất liền

Hình 2.6 Xấp xỉ hóa đường cong ứng suất – biến dạng khi chịu nén của bê

tông bị ăn mòn

Hình 2.7 Biểu đồ ứng suất – biến dạng của bê tông

Hình 2.8 Quá trình ăn mòn thép kết hợp với nứt bê tông và tác động phá

hủy sinh học

Hình 2.9 Sự thay đổi trong đường kính cốt thép do ăn mòn

Hình 2.10 Mặt cắt ngang bê tông được mô hình hóa

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn

Hình 3.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng của cấu kiện BTCT bị uốn chịu

ăn mòn

Hình 3.3 Sơ đồ ứng suất của dầm BTCT chịu uốn bị ăn mòn Hình 3.4 Mặt cắt dầm BTCT bị ăn mòn sau

Hình 3.5 Mặt cắt dầm 300x600 bị ăn mòn sau 7 năm

Hình 3.6 Mặt cắt dầm 300x600 bị ăn mòn tại thời điểm 14,35 năm

A PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong thực tế xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, một số lượng lớn công trình bê tông cốt thép (BTCT) làm việc trong môi trường ăn mòn Bên cạnh các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình như tải trọng, môi trường…thì giải pháp kết cấu quyết định hình dáng và bề mặt tiếp xúc với môi trường xung quanh cũng là một yếu tố rất quan trọng Điều này ảnh hưởng đến các hư hỏng khác nhau trên bề mặt kết cấu và khả năng làm việc của kết cấu cũng như toàn bộ công trình

Các dạng hư hỏng thường gặp trên cấu kiện BTCT như: hư hỏng cục bộ dưới tác động của môi trường hoặc bị bong tróc lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khe nứt đơn dài dọc theo kết cấu theo phương đứng

Hiện nay việc khảo sát, đánh giá, nghiên cứu sự làm việc của kết cấu BTCT chịu ăn mòn tại Việt Nam chủ yếu tập chung vào quá trình ăn mòn

lý hóa của môi trường đến vật liệu, mà chưa đề cập sâu tới việc tính toán đánh giá khả năng chịu lực cũng như tuổi thọ của công trình

Vì vậy việc nghiên cứu, tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn làm

việc trong môi trường ăn mòn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Mục đích nghiên cứu

Tính toán kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn, để từ đó đánh giá khả năng làm việc của kết cấu BTCT chịu

ăn mòn, có các giải pháp thiết kế và biện pháp khắc phục, sửa chữa các công trình xây dựng trong môi trường ăn mòn kịp thời, hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các kết cấu BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn đặc biệt là vùng biển và ven biển

Phạm vi của đề tài là tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn là vùng biển và ven biển

Nội dung nghiên cứu:

Nắm vững lý thuyết ăn mòn bê tông cốt thép

Khảo sát, tính toán cấu kiện BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường biển và ven biển

Xây dựng phương pháp tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn bằng các lý thuyết sức bền vật liệu và lý thuyết về ăn mòn, lấy ví dụ minh họa cho quá trình tính toán

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Đề tài nghiên cứu cho phép tính toán mức độ an toàn của cấu kiện BTCT chịu uốn làm việc trong môi trường ăn mòn, nếu được phát triển thêm

có thể làm tài liệu tham khảo trong thiết kế các công trình trong môi trường

ăn mòn Đề tài này cũng có thể mở rộng nhằm tính toán độ tin cậy và dự báo tuổi thọ của các công trình xây dựng từ BTCT

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu, tổng hợp rút ra một số kết luận sau:

1 Đối với các công trình bê tông và bê tông cốt thép làm việc chịu ăn mòn do môi trường nói chung và môi trường biển nói riêng bắt buộc phải kể đến yếu tố ăn mòn là điều kiện an toàn cho kết cấu Từ thiết kế, lựa chọn vật liệu sử dụng, thi công, đánh giá tuổi thọ và độ bền vững công trình, ngoài các yếu tố chung thì cần kể đến yếu tố môi trường ăn mòn

2 Phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép có kể đến sự làm việc đồng thời của lớp bê tông bị ăn mòn, bê tông chưa

bị ăn mòn và cốt thép bị ăn mòn trong giai đoạn đàn hồi dẻo đã được nghiên cứu và đưa ra cách thức tính toán

3 Xây dựng được cách thức tính toán theo từng bước cụ thể, đã kể đến tương đối đầy đủ các yếu tố bắt đầu từ xâm nhập của chất ăn mòn Cl- vào kết cấu, ăn mòn bê tông và cốt thép, giảm lực bám dính, sơ đồ ứng suất - biến dạng khi bê tông cốt thép bị ăn mòn và các yếu tố liên quan đến tính toán khả năng chịu lực của một kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn khi đã bị ăn mòn

4 Từ mô hình xâm nhập Cl- có thể đánh giá tương đối chính xác tuổi thọ còn lại của cấu kiện chịu uốn làm việc trong môi trường biển Việt Nam trong giai đoạn đàn hồi dẻo tại từng thời điểm t xác định

Kiến nghị

Kết quả nghiên cứu của luận văn bước đầu đã đưa ra cho các kỹ sư xây dựng phương pháp tính toán thời gian cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn trong môi trường biển bị ăn mòn và ứng xử của dầm bê tông khi đã bị ăn mòn Để hoàn thiện, mang lại tính khả thi và khả năng áp dụng rộng rãi, đề tài này cần được nghiên cứu sâu hơn Vì vậy tác giả có kiến nghị trong việc phát triển đề tài như sau:

+ Các ví dụ tính toán trong luận văn được thực hiện với trường hợp thép bị ăn mòn đồng đều, trong khi trên thực tế thép thường bị ăn mòn cục bộ

Vì vậy cần phát triển nghiên cứu theo hướng này

+ Nghiên cứu ứng xử cơ học của các cấu kiện bê tông khác (như cấu kiện chịu nén, kéo, xoắn ) trong môi trường biển cũng như các môi trường

ăn mòn khác Đặc biệt là trong các môi trường công nghiệp có chứa chất ăn mòn cao

+ Phương pháp tính nêu ra trong đề tài còn sử dụng nhiều các yếu tố thực nghiệm trên các kết cấu cụ thể nên không tránh khỏi sai lệch khi áp dụng thành lý thuyết tính toán Do vậy cần phải có thêm các nghiên cứu các thông

số bê tông cốt thép như: Hệ số điều kiện làm việc của bê tông cốt thép trong môi trường ăn mòn phụ thuộc vào hàm lượng chất ăn mòn; hệ số lực dính kết của bê tông và cốt thép phụ thuộc vào thời gian, nồng độ chất ăn mòn, cường

độ của bê tông và cốt thép

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 TCXDVN 327-2004 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu

bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển“

2 TCXDVN 356-2005 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu

chuẩn thiết kế“

3 Vũ Ngọc Anh (năm 2008), “Nghiên cứu hiện tượng ăn mòn bê tông

cốt thép ứng lực trước”, Tuyển tập các công trình nghiên cứu khoa

học, tr 114-26, Trường đaị học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội

4 Huỳnh Vương Thu Minh (2001), Giáo trình Mathcad , tr 68-78,

trường Đại học Cần Thơ, Cần Thơ

5 Nguyễn Ngọc Nam (2006), Sự làm việc trong không gian ba chiều của Si lô bê tông cốt thép hình trụ có các hư hỏng cục bộ dưới tác động của môi trường, Luận án tiến sỹ Mátxcơva, 199 tr

6 Nguyễn Ngọc Nam (2008), “Biến dạng của bê tông trong môi

trường ăn mòn chứa clo”, Báo cáo nghiên cứu khoa học, Hà Nội

7 Nguyễn Ngọc Nam (2008), “Đánh giá tuổi thọ kết cấu bê tông cốt

thép làm việc trong môi trường biển”, Báo cáo nghiên cứu khoa

học, Hà Nội

8 Nguyễn Mạnh Phát (2007), Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn bê tông – bê tông cốt thép trong xây dựng, tr 23-52, NXB xây dựng Hà Nội , Hà Nội

9 Cao Duy Tiến, Lê Quang Hung, Trần Việt Liên(1999) “Nghiên cứu các điều kiện kỹ thuật nhằm đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài,

Viện Khoa học và Công nghệ Xây dựng Việt Nam (IBST), Hà Nội

10 Tô Minh Tuấn (2010), "Đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển" Luận văn Thạc sỹ,

ĐH Kiến Trúc Hà Nội

Tiếng Anh

11 Bazant ZP (june – 1979), Physical model for steel corrosion in concrete sea structures – applications J Struct Div :1155–65

12 Thomas M., Bentz E(November 9-10, 1998), “Modelling Chloride Ingress by the Combined Processes of Diffusion and Convection”,

Report from the NIST/ACI/ASTM Workshop held in Gaithersburg,

MD , pp 9-11

13 Bjegovic D., Krstic V., Mikulic D Ukrainczyk V(1995), “C-D-c-t Diagrams for Practical Design of Concrete Durability Parameters, Cement and Concrete Research”, Vol 25, № 1, pp 187-196

14 Canadian Standards Association (1994), (CSA) A23.3-94 Design of

concretestructures, Canadian Standards Association, Rexadle,

ON,Canada

15 Liang MT, Yang RJ (2005), “Theoretical elucidation on the on-site

measurements of corrosion rate of reinforcements” Constr Build

Mater ;19:175–80

16 Liang MT, Jin WL, Yang RJ, Huang NM, “Predeterminate model of

corrosion rate of steel in concrete” Cement Concr Research

005;35:1827– 33

17 Liu Y, Weyers R (1998) Modeling the time-to-corrosion cracking

in chloride contaminated reinforced concrete structures ACI Mater

J ; 95 (6):675–81

18 Molina FJ, Alonso C, Andrade C (1993), “Cover cracking as a

function of rebar corrosion: Part 2 – numerical model”, Mater

Struct ;26:532–48

19 Morinaga S (1988) , “Prediction of service lives of reinforced concrete buildings based on rate of corrosion of reinforcing steel”,

Report No 23, Shimizu Corp, Japan , p 82

20 Mohta P.K (1980), “Durability of concrete in Marine Enviroment –

A Review” , Proceedings of 1 st International Conference ,Performance of Concrete in Marine Environment , St Andrews by

the Sea, SP – 65 ACI Publication

21 Niu DT, Wang LK, Wang QL (1996), Determination of the diffusion

coefficient of dioxidation in concret, J Xian Constr, Univ, Sci,

Tech,28:6–9 In Chinese

22 Takewaka K., Mastumoto S (1988), “Quality and Cover Thickness

of Concrete Based on the Estimation of Chloride Penetration in

Marine Environments”, ACI-SP 109-117, Concrete in Marine

Environment, Detroit, pp 381-400

23 Tepfers R (1979), “Cracking of concrete cover along anchored

deformed reinforcing bars” , Mag Concr Res ;31 (106):3-12

24 Thoft-Christensen P (May 8–10; 2000), “Stochastic modelling of the

crack initiation time for reinforced concrete structures”, ASCE

Structures Congress, Philadelphia, p 8

25 Timoshinko SP (1940), “Strength of materials – Part II”, Advanced

theory and problems, NY, USA: Van Nostrand Company, Inc

26 T Vidal, A.Castel and R, Francois (2004), “Analyzing crack width

to predict corrosion in reinforced concrete”, Cement and concrete

research 34, pp.165-174