La nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép ở trạng thái chịu tải

Vật liệu bê tông vốn có một độ thấm nhất định khi ở trạng thái nguyên vẹn, gọi là độ thấm ban đầu. Tuy nhiên, sự thấm nƣớc hay không khí qua bê tông thực sự thay đổi đáng kể từ khi vật liệu này chịu tải trọng và bắt đầu xuất hiện các vùng phá hủy, các vết nứt nhỏ cho đến khi xuất hiện đƣờng nứt lớn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VŨ ĐỨC MINH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHÔNG THẤM CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở TRẠNG THÁI CHỊU TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 60.58.02.05

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TRẦN THẾ TRUYỀN

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ đóng góp

ý kiến của thầy, cô ở Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn

Đặc biệt tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn

PGS.TS Trần Thế Truyền – Bộ môn Cầu hầm, Trường Đại học Giao thông Vận

tải, là người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người thân của tôi, những người luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn cho tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành khóa học này

Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra Tôi xin chân thành cảm ơn

và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả

VŨ ĐỨC MINH

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG 3

1.1 Khái niệm về tính thấm của bê tông 3

1.1.1 Cấu trúc rỗng của bê tông 3

1.1.2 Các định nghĩa cơ bản 4

1.1.2.1 Độ rỗng của bê tông 4

1.1.2.2 Tính thấm của bê tông 5

1.1.2.3 Sự khuếch tán 5

1.1.2.4 Sự hút bám 5

1.1.2.5 Sự hấp thụ 5

1.1.2.6 Độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng 5

1.1.2.7 Tính liên thông giữa các lỗ rỗng 6

1.1.3 Ảnh hưởng của tải trọng đến cấu trúc vi mô của bê tông 6

1.1.4 Thấm của chất lưu qua bê tông 7

1.1.4.1 Khái niệm 7

1.1.4.2 Cơ chế thấm của chất lưu qua môi trường rỗng 9

1.2 Ảnh hưởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép 11

1.2.1 Hiện tượng các công trình bằng bê tông cốt thép bị ăn mòn 11

1.2.2 Đặc điểm và cơ chế ăn mòn bê tông 14

1.2.3 Đặc điểm và cơ chế ăn mòn cốt thép 16

1.2.4 Ảnh hưởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép 20

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông 25

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thấm của bê tông 25

1.3.3 Ảnh hưởng cơ – nhiệt đồng thời đến độ thấm của bê tông 25

1.4 Các phương pháp đo thấm trong bê tông cốt thép 25

1.4.1 Phương pháo đo thấm nước trong bê tông 25

1.4.1.1 Xác định mác chống thấm hay độ chống thấm (Water Permeability Grade) 26

1.4.1.2 Xác định hệ số thấm theo phương pháp duy trì dòng thấm ổn định (Constant Flow Method) 27

1.4.1.3 Xác định hệ số thấm theo phương pháp đo độ thấm xuyên sâu (Penetration Method) 28

1.4.2 Phương pháo đo thấm khí trong bê tông 29

1.4.2.1 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi 29

1.4.2.2 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột giảm áp 30

1.5 Kết luận chương 1 30

CHƯƠNG 2 31

ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM 31

CỦA BÊ TÔNG 31

2.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm khí và thấm nước của bê tông 31

2.1.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm khí của bê tông 31

2.1.2 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm nước của bê tông 32

2.1.3 Mô hình hóa quá trình gia tăng độ thấm của bê tông theo trạng thái phá hủy 33

2.1.3.1 Mô hình không liên tục 33

2.1.3.2 Các mô hình liên tục 33

2.1.3.3 Mô hình liên tục áp dụng cho toàn bộ quá trình phá hủy của bê tông (D = 0÷1) 36

2.2 Các thí nghiệm đo đạc độ thấm khí và thấm nước của bê tông 39

2.2.1 Đo độ thấm khí qua bê tông 40

2.2.1.1 Thiết bị thí nghiệm 40

2.2.1.2 Mẫu thí nghiệm 42

2.2.1.3 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi 42

2.2.1.4 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột giảm áp 43

2.2.2 Đo độ thấm nước qua bê tông 48

2.2.2.1 Thí nghiệm dòng nước ổn định 48

2.2.2.2 Thí nghiệm dòng nước không ổn định 51

2.2.2.3.2 Xác định hệ số độ thấm từ chiều sâu ngấm nước 56

2.3 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 58

TÍNH TOÁN ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG 58

Ở TRẠNG THÁI CHỊU TẢI 58

3.1 Giới thiệu chung 58

3.2 Mô hình kết cấu 58

3.2.1 Mẫu thử 58

3.2.2 Mô hình tính toán 59

3.3 Kết quả mô hình 61

3.4 Kết luận chương 3 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 Kết luận 70

2 Kiến nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các chi tiết của các thí nghiệm độ thấm khí với cột giảm áp 44

Bảng 2.2 Mối quan hệ giữa chất lượng bảo vệ bê tông và chỉ số độ thấm khí Figg 45

Bảng 2.3 Chất lượng bảo vệ dựa theo chỉ số độ thấm khí Autoclam 48

Bảng 2.4 Chất lượng bảo vệ dựa vào chỉ số độ thấm nước Autoclam 54

Bảng 3.1 Các cấp tải trọng tác dụng vào đĩa bê tông 59

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả từ mô hình tính toán 64

Bảng 3.3 Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.2q max 65

Bảng 3.4 Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.4q max 66

Bảng 3.5 Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.6q max 66

Bảng 3.6 Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.8q max 66

Bảng 3.7 Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=q max 67

Bảng 3.8 Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.2q max 67

Bảng 3.9 Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.4q max 68

Bảng 3.10 Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.6q max 68

Bảng 3.11 Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.8q max 68

Bảng 3.12 Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=q max 69

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc của bê tông Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Các giai đoạn ứng xử của bê tông dưới tác động của tải trọng Error! Bookmark not defined.

Hình 1.3.Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trường chất rỗng Error! Bookmark not defined.

Hình 1.4 Lan can cầu bị ăn mòn (nguồn internet) Error! Bookmark not defined Hình 1.5: Ăn mòn bê tông và các cốt thép ở xà mũ trụ Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Bê tông bị nứt,bong tróc do cốt thép bị ăn mòn Error! Bookmark not defined Hình 1.7: Ăn mòn bê tông và các cốt thép trong môi trường nước biển Error! Bookmark not defined.

Hình 1.8: Ăn mòn bê tông và các cốt thép ở lan can cầu Error! Bookmark not defined Hình 1.9: Cốt thép bị ăn mòn trong kết cấu bê tông cốt thép (nguồn internet) Error! Bookmark not defined.

Hình 1.10: Quá trình ăn mòn cốt thép Error! Bookmark not defined Hình 1.11: Quá trình thâm nhập của ion clorua Error! Bookmark not defined Hình 1.12: Ảnh hưởng của độ thấm đến chiều sâu cacbonat hóa bê tông (Dhir và cộng sự 1989) Error! Bookmark not defined Hình 1.13: Quan hệ giữa chỉ số thấm khí Autoclam và chiều sâu cacbonat hóa (Basheer 1991) Error! Bookmark not defined Hình 1.14: Quan hệ giữa chỉ số độ thấm nước Autoclam và chiều sâu cacbonat hóa (Long, Basheer và Montgomery 1997) Error! Bookmark not defined Hình 1.15: Mối quan hệ giữa chỉ số độ hấp thụ Autoclam và lượng clo đi vào (Basheer 1994) Error! Bookmark not defined Hình 1.16: Sự phụ thuộc của sự cacbonat hóa vào độ thấm khí của các cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) Error! Bookmark not defined Hình 1.17: Sự phụ thuộc của sự thấm nhập clorua vào độ thấm khí của các cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) Error! Bookmark not defined Hình 1.18: Máy thí nghiệm xác định mác chống thấm với 6 khoang chứa mẫu Error! Bookmark not defined.

Hình 1.19: Máy thí nghiệm xác định hệ số thấm với 4 khoang chứa mẫu của Matest

Hình 2.1 Gia tăng độ thấm khí của bê tông theo ứng suất tác dụng Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2 Gia tăng độ thấm khí của bê tông khi chất tải và khi dỡ tải (Choinska 2006) Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Gia tăng độ thấm khí của bê tông khi chất tải và khi dỡ tải (Chatzigeorgiou 2005) Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Gia tăng độ thấm của bê tông theo độ phá hủy của bê tông Error! Bookmark not defined.

Hình 2.5 Gia tăng độ thấm của bê tông theo quá trình phá hủy của bê tông Error! Bookmark not defined.

Hình 2.6 Một máy đo thấm khí điển hình Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Thiết bị đo thấm Cembureau và mẫu thí nghiệm dạng đĩa Error! Bookmark not defined.

Hình 2.8 Hai dạng mẫu bê tông được sử dụng trong các thí nghiệm đo đạc độ thấm khí Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Thiết bị đo thấm nước điển hình Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Bố trí thí nghiệm ISO/DIS 7032 Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1 Mẫu thử Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Đĩa bê tông dưới tác dụng của tải trọng q=0.2qmax Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3 Đĩa bê tông dưới tác dụng của tải trọng q=0.4qmax Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4 Đĩa bê tông dưới tác dụng của tải trọng q=0.6qmax Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5 Đĩa bê tông dưới tác dụng của tải trọng q=0.8qmax Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6 Đĩa bê tông dưới tác dụng của tải trọng q=qmax Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông

dưới tác dụng của tải trọng q=0.4q max Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông

dưới tác dụng của tải trọng q=0.6q max Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông

dưới tác dụng của tải trọng q=0.8q max Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông

dưới tác dụng của tải trọng q=q max Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Quan hệ giữa độ thấm K và hệ số σ/σmax Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Gia tăng độ thấm K theo cấp tải trọng q/qmax Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thấm nước và không khí qua bê tông là vấn đề được nghiên cứu nhiều trên thế giới với các mục đích khác nhau bao gồm ngăn cản sự rò rỉ khí độc của lò phản ứng hạt nhân, hầm chứa chất thải hạt nhân, hay tìm biện pháp chống sự thẩm thấu nước qua bề mặt các công trình thủy lợi Thấm khí và nước qua bê tông cũng được nghiên cứu với mục đích quan trọng là khống chế sớm quá trình ăn mòn các kết cấu công trình xây dựng

Vật liệu bê tông vốn có một độ thấm nhất định khi ở trạng thái nguyên vẹn, gọi là độ thấm ban đầu Tuy nhiên, sự thấm nước hay không khí qua bê tông thực

sự thay đổi đáng kể từ khi vật liệu này chịu tải trọng và bắt đầu xuất hiện các vùng phá hủy, các vết nứt nhỏ cho đến khi xuất hiện đường nứt lớn Các nghiên cứu cho thấy độ thấm của bê tông tăng nhanh theo quy luật hàm mũ khi bê tông bị nứt so với độ thấm ban đầu

Việt Nam là một nước nhiệt đới, lượng mưa lớn, khí hậu thay đổi thất thường, địa hình tiếp giáp với bờ biển dài Tuổi thọ công trình xây dựng, giao thông và thủy lợi bị giảm đáng kể nếu khả năng chống thấm trong quá trình khai thác của các công trình này bị ảnh hưởng do các tác động của tải trọng gây phá hủy, nứt vỡ

bê tông Các vết nứt không mong muốn xuất hiện ở hầu hết các công trình xây dựng, giao thông hay thủy lợi của Việt Nam đã tạo điều kiện cho nước và không khí (hay gọi tắt là chất lưu) có hại thấm nhập vào bên trong kết cấu Và chắc chắn rằng với lý do này độ bền của các công trình sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều trong quá trình khai thác

Việc dự báo ảnh hưởng của các tác động bên ngoài vào công trình là cơ sở quan trọng nhất để duy trì và thiết kế tối ưu các công trình xây dựng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì duy tu sửa chữa trọn đời cho công trình Một trong

số các nguyên nhân dẫn đến hư hỏng cho các kết cấu và công trình bê tông cốt thép

là sự thâm nhập của các chất lưu từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước v.v Ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép đã được xác định là

nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng cho các kết cấu và công trình bê tông cốt thép trên toàn thế giới

Đánh giá tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép do thấm các chất lưu vào bê tông là một trong những phương pháp đánh giá độ bền dài hạn của công trình Việc Xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng và khả năng chống thấm của kết cấu bê tông cốt thép sẽ giúp kiểm soát quá trình thấm nhập của các chất lưu vào bê tông ở những công trình thường xuyên có tải trọng tác dụng, nó góp phần đánh giá chính xác tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép nói chung và các công trình cầu nói riêng Hiện nay, trên thế giới, việc xác định quan hệ này là yêu cầu bắt buộc khi xem xét khả năng chống thấm và chống ăn mòn của các loại

bê tông sử dụng trong xây dựng các công trình thường xuyên chịu tác dụng của tải trọng Tuy nhiên, ở Việt Nam, đây vẫn là vấn đề mới mẻ, cần thiết phải có các nghiên cứu để làm rõ vấn đề này với một số loại bê tông thường dùng trong xây dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng

Như vậy đề tài“Nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép

ở trạng thái chịu tải” là thực sự cần thiết

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng và khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép

Trên cơ sở các tiêu chuẩn hiện hành, thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài, các tính chất của bê tông để nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép ở trạng thái chịu tải

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong phạm vi hạn hẹp về thời gian nên đề tài chỉ nghiên cứu theo hướng thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài:

- Các tiêu chuẩn, tài liệu, sách, báo, tạp chí đã công bố trong và ngoài nước;

- Các tài liệu, số liệu trong các Website chuyên ngành trên Internet

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG

1.1 Khái niệm về tính thấm của bê tông

1.1.1 Cấu trúc rỗng của bê tông

Sau khi tạo hình, các thành phần của hỗn hợp bê tông được sắp xếp chặt chẽ, kết hợp với sự thủy hóa của xi măng hình thành nên cấu trúc bê tông Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học

Cấu trúc vi mô của bê tông có thể được biểu diễn như trên hình 1.1 gồm 3 pha

cơ bản là: pha hơi, pha nước và pha rắn

Hình 1.1 Cấu trúc của bê tông [nguồn internet]

Pha rắn gồm đá xi măng, khung cốt liệu và các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu Đá xi măng được cấu thành bởi các hạt xi măng thủy hóa chứa khoảng 50% gel C-S-H, 20% vôi liên kết Ca(OH)2, 10 % aluminates và sunfo –

Liên kết đá xi măng – khung cốt liệu tồn tại xung quanh khung cốt liệu và phụ thuộc vào hình dạng cũng như thành phần hóa học các hạt cốt liệu Các kết quả thí nghiệm cho thấy, các hạt cốt liệu đá canxi khá rỗng và có liên kết chống thấm tốt hơn trong khi các cốt liệu đá silic cho liên kết chống thấm kém hơn

Pha lỏng bao gồm các dạng nước khác nhau cùng tồn tại trong bê tông: nước

lỗ rỗng, nước hấp phụ và nước có liên kết hóa học Nước lỗ rỗng lấp đầy thể tích rỗng nếu bê tông hoàn toàn bão hòa Khi bê tông không bão hòa, nước lỗ rỗng phân cách với pha hơi bởi các mặt cong mao dẫn (menisque) Nước hấp phụ có mặt trên thành của các lỗ rỗng, nhất là trên gel C-S-H và chịu tác động của các lực mặt qua trung gian các lực liên phân tử Van der Waals và các lực tĩnh điện; có đến

6 lớp phân tử nước có thể bị giữ lại trên bề mặt, tuy nhiên lực hấp dẫn giảm khi mà khoảng cách giữa lớp phân tử với bề mặt rắn tăng lên Việc mất nước hút bám là nguyên nhân chủ yếu của sự co ngót của đá xi măng khi bị làm khô Nước có liên kết hóa học là nước cần thiết cho các phản ứng hydrat hóa của xi măng, loại nước này chỉ bị bay hơi khi nhiệt độ lên tới trên 4000C

Pha lỏng bao gồm khí và hơi nước cùng tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông Với bê tông bão hòa hoàn toàn, pha hơi bị chiếm chỗ bởi nước lỗ rỗng

Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu

và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu Độ rỗng được định nghĩa là

tỷ số giữa thể tích các lỗ rỗng của bê tông và thể tích tổng Đối với bê tông thường,

độ rỗng có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông (Baroghel – Bouny: 1994) Trong khi với bê tông chất lượng cao, độ rỗng có thể giảm xuống dưới 3%

1.1.2 Các định nghĩa cơ bản

1.1.2.1 Độ rỗng của bê tông

Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu

và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu Độ rỗng được xác định bởi công thức:

Trong đó:

Vp: thể tích các lỗ rỗng của bê tông Vt: thể tích tổng cộng

Đối với bê tông thường, độ rỗng có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông Trong khi đó với bê tông chất lượng cao độ rỗng có thể giảm xuống dưới 3% Các lỗ rỗng trong bê tông có kích thước khác nhau từ vài nm đến vài chục

nm Các lỗ rỗng do lỗi quá trình đầm bê tông có kích thước lớn hơn 1 mm Các bọt khí có kích thước từ 10µm đến 1mm Các lỗ rỗng mao dẫn có kích thước từ 0.01 đến 5µm Các lỗ rỗng trong xi măng có kích thước nhỏ hơn 4nm

1.1.2.2 Tính thấm của bê tông

Tính thấm của bê tông có thể được định nghĩa là tính dễ cho chất lỏng đi vào

và xuyên qua khối bê tông dưới sự chênh lệch về áp lực Mặc dù thuật ngữ tính thấm liên quan chặt chẽ đến dòng chảy xảy ra dưới sự chênh lệch về áp lực; tuy nhiên, nó cũng thường được sử dụng một cách tổng quát để bao hàm các cơ chế truyền khác nhau như là sự hấp thụ và sự khuếch tán

1.1.2.3 Sự khuếch tán

Sự khuếch tán là quá trình trong đó một chất lỏng, khí hoặc ion có thể truyền qua bê tông dưới hoạt động của một gradient tập trung Sự truyền khối lượng là kết quả của chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử hoặc các ion tự do trong dung dịch

1.1.2.4 Sự hút bám

Sự hút bám là một quá trình trong đó các phần tử dính kết với các bề mặt rắn trong bê tông (các gel C–S–H) bởi các lực dính kết vật lý hoặc bởi sự dính bám hóa học Thuật ngữ khác được dùng phổ biến cùng với sự hút bám là sự nhả (desorption), là sự giải phóng các phân tử bị hấp thụ khỏi các bề mặt rắn trong bê tông

1.1.2.5 Sự hấp thụ

Sự hấp thụ là quá trình trong đó bê tông giữ một chất lỏng do sự hút mao dẫn trong các lỗ rỗng để lấp đầy không gian bên trong vật liệu

1.1.2.6 Độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng

Độ ngoằn ngoèo của đường di chuyển của chất lưu trong bê tông được định nghĩa (Carma – 1996)

Trong đú:

Le: chiều dài dũng chảy thực tế;

L: chiều dài phần chiếu của Le trờn đường thẳng

1.1.2.7 Tớnh liờn thụng giữa cỏc lỗ rỗng

Tớnh liờn thụng giữa cỏc lỗ rỗng là một tham số hỡnh dạng đặc trưng cho độ thụng nhau giữa cỏc lỗ rỗng, được định nghĩa:

C = b – n + 1 (1.3) Trong đú:

b: Số lượng nhỏnh liờn thụng;

n: Số lượng nỳt rỗng

Trong một mụi trường giả thiết là đồng nhất, C tỷ lệ với kớch thước của kết cấu

1.1.3 Ảnh hưởng của tải trọng đến cấu trỳc vi mụ của bờ tụng

Ứng xử của bờ tụng dưới tỏc động của tải trọng ở cấp độ vĩ mụ đó được nhiều nghiờn cứu đề cập đến

Hỡnh 1.2 Cỏc giai đoạn ứng xử của bờ tụng dưới tỏc động của tải trọng [1]

Pha ứng xử đàn hồi

Trong phạm vi luận văn, trình bày tóm lược các pha ứng xử cơ bản của cấu trúc vi mô của bê tông khi chịu kéo và chịu nén có xét đến giai đoạn xuất hiện và

lan truyền các đường nứt trong bê tông (hình 1.2)

Giai đoạn đàn hồi hoặc tựa đàn hồi ( ≤ 0.7max , ~Do ):

Bê tông được xem như còn nguyên vẹn nghĩa là chưa xuất hiện hay lan truyền nứt cơ học Ma trận các lỗ rỗng trong bê tông không đổi hoặc giảm nhẹ do ứng suất nén trong bê tông

Giai đoạn không đàn hồi trước giới hạn phá hoại (0.7max <  ≤ max ,

Giai đoạn ứng xử mềm của bê tông sau giới hạn phá hoại ( >max ,~ C ):

Các đường nứt nhỏ tập trung lại và tạo ra các đường nứt lớn có thể quan sát được bằng mắt thường, môi trường bê tông trở nên không liên tục, độ rỗng của bê tông và đặc biệt độ thông nhau của các lỗ rỗng tăng rất nhanh

1.1.4 Thấm của chất lưu qua bê tông

1.1.4.1 Khái niệm

Độ thấm được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thẩm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng Độ thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng,

độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng Khi độ rỗng

và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của

bê tông bị giảm xuống; và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh Dưới tác động cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông

kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh

Độ thấm của bê tông phụ thuộc vào các thành phần cấu thành nên bê tông (dạng, tỷ lệ) bao gồm:

- Nước / xi măng: liên quan trực tiếp đến độ rỗng mao dẫn

- Bản chất và tỷ lệ các loại cốt liệu sử dụng: liên quan đến việc hình thành các vùng liên kết giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu cũng như thay đổi tính ngoằn ngoèo của các đường rỗng

Cường độ và độ thấm của bê tông cho thấy, cường độ bê tông phụ thuộc vào

tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên, độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông giữa các lỗ rỗng Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ học, nhiệt độ cao, ăn mòn…) trong quá trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh

Sự chênh lệch về độ ẩm, của áp lực thủy tĩnh, của ứng suất, nhiệt độ và của nồng độ các hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của chất lưu trong vật liệu rỗng; vì vậy sự di chuyển của dòng lưu chất xảy ra để thiết lập lại sự cân bằng mới Quá trình di chuyển của dòng lưu chất này thông thường được mô tả ở các phương diện như hút bám, khuếch tán, hấp thụ và thấm Trong bê tông, cả cấu trúc vật lý của bê tông và trạng thái của nước trong lỗ rỗng ảnh hưởng đến những quá trình này Thủy động học của các vật liệu rỗng xem xét phần rỗng như là một thể liên tục với mục đích thiết lập các phương trình mô tả các quá trình di chuyển của dòng chất lưu Các mô tả lý thuyết của các quá trình dịch chuyển của chất lưu thường là

cơ sở để đo đạc các tính chất của dòng chảy trong bê tông Tuy vậy, các quy luật thực nghiệm về dòng chảy của chất lưu như luật thấm Darcy, phương trình Poiseuille hay các luật thấm liên tục thường được sử dụng rộng rãi để mô tả quá trình thấm của chất lưu qua bê tông

1.1.4.2 Cơ chế thấm của chất lưu qua môi trường rỗng

Giai đoạn (c) – Di chuyển hơi lẫn nước Giai đoạn (d) – Mặt từ biến có

nhiều di chuyển hơi chứa nước

Giai đoạn (g) –Khuếch tán của các ion qua

các lỗ rỗng không bão hòa

Giai đoạn (h) – Các ion khuếch tán qua

các lỗ rỗng bão hòa

Hình 1.3.Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trường chất rỗng [1]

Có 6 giai đoạn trong quá trình dịch chuyển của dòng chất lỏng qua một môi

trường rỗng như trên hình 1.3 Các giai đoạn khác nhau được giải thích như sau:

Giai đoạn a:

Là giai đoạn của sự hút bám và đến khi nó kết thúc, dòng hơi nước không thể

truyền qua vật liệu mặc dù dòng này sẽ di chuyển đến những vùng hút bám ở dạng

Lớp hút bám

Giai đoạn b:

Là giai đoạn của sự di chuyển bị cản trở của hơi nước khi mà hơi nước ứng

xử như là một khí lý tưởng Điều này được trình bày trong định luật thứ nhất về khuếch tán của Fick:

Trong đó:

JX : lưu lượng dòng chảy tại vị trí x theo phương x tính từ gốc;

Các giai đoạn c và d xảy ra khi các chỗ co hẹp mặt cắt chứa chất lỏng, có thể

có một màng mỏng hoặc không, với chiều dày đáng kể trên thành khoang

Trong giai đoạn c, hệ thống không thấm đối với khí trơ và thấm đối với chất lỏng chỉ bởi quá trình chưng cất, trong đó các chỗ co hẹp mặt cắt có vai trò ngăn cản dòng di chuyển của hơi nước Quá trình này được giải thích là do chất lỏng được hỗ trợ bởi sự truyền hơi nước, sự hỗ trợ tăng lên bởi vì các chất lỏng làm ngắn chiều dài đường đi hữu hiệu của hơi nước khuếch tán

Trong giai đoạn d, điều kiện là sự từ biến bề mặt (nghĩa là dòng chảy bên trong các màng chất lỏng) trong đó có hơi nước được hỗ trợ bởi sự truyền chất lỏng Sự khác nhau quan trọng giữa giai đoạn d và e trong hình 1.3 là việc bỏ qua các mũi tên và xem hình vẽ như là mô tả một sự cân bằng động

Giai đoạn e:

Trong giai đoạn e, mặt tiếp xúc giữa chất khí và nước sẽ có cùng độ cong ở mọi nơi, nhưng ở giai đoạn d, độ cong ở xa các chỗ co hẹp được xác định chủ yếu bởi hình dạng của bề mặt

Do dòng chảy xảy ra trong lỗ rỗng do chênh lệch áp suất ngang qua mặt tiếp xúc ở giai đoạn e, lưu lượng dòng chảy được cho bởi phương trình Washburn:

Trong đó:

Dòng chảy trong giai đoạn f, nghĩa là trong điều kiện bão hòa, là do một cột

áp lực cao tồn tại trong lỗ rỗng, do đó lưu lượng bị khống chế bởi luật thấm Darcy Thêm vào các giai đoạn từ a đến f, sự khuếch tán ion có thể xảy ra trong các giai đoạn e và f giống như minh họa trong các giai đoạn g và h Sự khuếch tán ion cũng bị khống chế bởi định luật thứ nhất của Fick

1.2 Ảnh hưởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép

1.2.1 Hiện tượng các công trình bằng bê tông cốt thép bị ăn mòn

Độ bền của công trình được quyết định bởi nhiều yếu tố, như thiết kế, thi công, vật liệu sử dụng, khai thác Trong đó vật liệu là yếu tố có thể nói là quan trọng nhất Đối với các công trình xây dựng nói chung và các công trình giao thông nói riêng thì bê tông cốt thép là hai loại vật liệu chính được sử dụng thường xuyên, cấu thành nên kết cấu bê tông cốt thép có độ bền cao, giá thành rẻ và có tính linh hoạt Một vật liệu chịu nén tốt và rẻ là bê tông kết hợp với một vật liệu chịu kéo – nén tốt là thép cho phép các nhà thiết kế có được các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đạt hầu hết các yêu cầu xây dựng hiện đại ngày nay Thực tế cho

thấy, nếu sử dụng bê tông cốt thép thì sẽ tiết kiệm được đáng kể chi phí dành cho việc xây dựng, duy tu, bảo dưỡng so với việc sử dụng vật liệu thép đơn thuần

Hình 1.4 Lan can cầu bị ăn mòn [nguồn internet]

Trong lĩnh vực xây dựng nói chung,vật liệu bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi để làm các công trình cầu, cống, hầm, tường chắn…Để duy trì các lợi thế của bê tông cốt thép trong các công trình này trong suốt quá trình vận hành, khai thác, thì một yếu tố quan trọng là phải đảm bảo độ bền của bê tông và cốt thép trước ảnh hưởng của các yếu tố môi trường gây ra Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân liên quan đến qua trình thiết kế, thi công, bảo dưỡng mà cả bê tông và cốt thép đều

bị suy giảm độ bền theo thời gian, nhất là khi làm việc trong các môi trường có tính xâm thực cao Trong đó, sự suy giảm độ bền của các kết cấu công trình do ăn mòn bê tông và cốt thép là nguyên nhân chủ yếu

Hiện tượng ăn mòn các kết cấu bê tông cốt thép có thể dễ dàng bắt gặp ở các môi trường xâm thực nặng Dễ nhận thấy nhất là hiện tượng bê tông bị nứt vỡ, bóc tách, rửa trôi; các cốt thép bị han gỉ, đứt gãy Các bộ phận kết cấu có tiếp xúc với môi trường ẩm ướt, khô – ướt liên tục dễ bị phá hoại do ăn mòn nhất Sự ăn mòn

bê tông và cốt thép có thể gây phá hoại các công trình giao thông nếu không được sửa chữa kịp thời Đã có nhiều công trình cầu trên thế giới bị phá hoại do tác động

ăn mòn như cầu đi bộ bắc Carolina, cầu Point Pleasant (Mỹ) bị sập do bị ăn mòn, Cầu Dickson (Canada) bị tạm ngừng khai thác do bị ăn mòn, cầu Melle (Bỉ) bị sập

do các cốt thép dự ứng lực bị ăn mòn từ sự phát triển của các vết nứt quá lớn… Ở Việt Nam, cầu Rào (Hải Phòng) đã bị sập năm 1987 cũng xuất phát từ sự ăn mòn

và đứt các bó thép dự ứng lực Các công trình cầu bị xuống cấp do bị ăn mòn bê tông và cốt thép thì rất nhiều, chúng ta có thể quan sát thấy các bộ phận kết cấu cầu

bị ăn mòn ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các vùng ven biển

Sự ăn mòn bê tông và các cốt thép gây suy giảm chất lượng công trình có thể sảy ra với nhiều bộ phận kết cấu khác nhau Thông thường các bộ phận thường xuyên tiếp xúc với không khí ẩm và các vùng khô ướt liên tục như mố, trụ cầu thì

bị ăn mòn nhiều nhất Tuy nhiên các bộ phận lan can hay đáy dầm, bản mặt cầu cũng có thể bị ăn mòn nếu môi trường có tính xâm thực mạnh hoặc chất lượng bê tông kém

Hình 1.5: Ăn mòn bê tông và các cốt

thép ở xà mũ trụ [nguồn internet]

Hình 1.6: Bê tông bị nứt,bong tróc do

cốt thép bị ăn mòn [nguồn internet]

Hình 1.7: Ăn mòn bê tông cốt thép trong

môi trường nước biển [nguồn internet]

Hình 1.8: Ăn mòn bê tông và các cốt

thép ở lan can cầu [nguồn internet]

1.2.2 Đặc điểm và cơ chế ăn mòn bê tông

Như đã phân tích, bê tông là loại vật liệu rỗng được cấu thành bởi đá, cát, xi măng và khung cốt liệu Trong môi trường có tác động xâm thực, bê tông dễ bị thấm bởi các chất lưu làm cho tốc độ ăn mòn diễn ra nhanh hơn Đá, xi măng là phần bị ăn mòn đầu tiên,tiếp đó là phần liên kết giữa đá, cát, xi măng và khung cốt liệu Khi đá, cát, xi măng bị ăn mòn thì cấu trúc của bê tông cũng phá hủy theo Tốc độ ăn mòn của bê tông diễn ra nhanh hơn khi tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí có chứa các chất ăn mòn Nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước thải công nghiệp là những chất lỏng gây ăn mòn bê tông mạnh nhất Các loại khí thải của các nhà máy hóa chất hoặc khí hậu ven biển là các tác nhân khí gây ăn mòn bê tông Tốc độ của quá trình ăn mòn bê tông phụ thuộc vào đặc tính của xi măng sử dụng, hàm lượng, loại phụ gia bê tông sử dụng và đặc biệt là nồng độ của các chất hóa học gây ăn mòn có trong nước hay không khí mà bê tông tiếp xúc trực tiếp Đặc biệt khi bê tông chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao hoặc có tác dụng của tải trọng lớn làm phá vỡ cấu trúc rỗng của bê tông, tạo điều kiện cho không khí ẩm, nước có chứa các chất ăn mòn xâm thực thì quá trình ăn mòn của bê tông diễn ra càng nhanh làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của bê tông

Có thể phân rahai dạng ăn mòn chính của bê tông là ăn mòn hóa học và ăn

mòn vật lý Ăn mòn hóa học là kết quả tương tác hóa học của môi trường bên ngoài

với các khoáng của đá xi măng và cốt liệu; do các phản ứng hóa học, sự phá hủy của cấu trúc bê tông dần dần sảy ra làm giảm độ bền của bê tông và cuối cùng là

phá hủy cả kết cấu công trình Ăn mòn vật lý bê tông diễn ra dưới ảnh hưởng của

nội lực và ngoại lực do tác dụng của tải trọng sử dụng, do giãn nở thể tích của nước đóng băng trong các lỗ của bê tông

 Ăn mòn hóa học của bê tông:

Do tính đa khoáng của xi măng, sự tương tác của nó trước các muối khác nhau trong môi trường là rất khác nhau

- Ăn mòn bê tông do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng:

Quá trình ăn mòn này diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hydroxit canxi (Ca(OH)2) và aluminat canxi ngậm nước (CaO.Al2O3.nH2O)) bị hòa tan, đặc biệt hydroxit can xi tan mạnh nhất Dạng ăn mòn này diễn ra khi có sự tác động của nước tương đối tinh khiết

- Ăn mòn bê tông do các phản ứng của đá xi măng và môi trường:

Là do các phản ứng trao đổi giữa nước có chứa các chất hóa học xâm thực (axit, muối) và các thành phần của đá xi măng gây ra Những sản phẩm phản ứng tạo thành bị hòa tan và bị nước mang đi, hoặc bị tách ra dạng khối vô định hình

dạng xốp

với Ca(OH)2

CO2 + H2O + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

tăng độ bền của bê tông Tuy nhiên, đá vôi lại tương tác tiếp với khí cacbonic và nước để tạo thành Ca(HCO3)2, là chất có độ hòa tan mạnh

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2

Ăn mòn axit khác như HCl, H2SO4, HNO3 và các axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic cũng diễn ta tương tự

Ca(OH)2 + HCL → CaCl2 + H2O Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + H2O Ca(OH)2 + HNO3 → Ca(NO3)2 +H2O

- Ăn mòn bê tông do sự trương nở của đá xi măng:

Là sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối ở bên trong kết cấu đá xi măng gây ra, do sự tương tác giữa các sản phẩm thủy hóa xi măng với các hợp chất của môi trường bên ngoài xâm thực vào, làm tăng thể tích, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu đá xi măng và mở đường cho tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên

trong bê tông và nhanh chóng phá hoại bê tông Phổ biến là sự tương tác của nước sunfat gây phá hủy kết cấu do tạo thành các tinh thể thạch cao

Ăn mòn này là dạng ăn mòn nguy hiểm nhất Ở giai đoạn đầu tiên, những tinh thể tạo thành và phát triển, chất đầy các lỗ, các mao quản của xi măng, làm đặc chắc bê tông, làm tăng độ bền của nó Nhưng sau đó, các tinh thể phát triển, làm tăng kích thước, bắt đầu đè nén lên thành lỗ mao quản, gây ra lực căng trong mối liên kết cấu trúc xi măng Vì những liên kết này chính là các ái lực tinh thể, các ái lực này có khả năng biến dạng nhỏ, không phá hủy nhưng có thể tạo thành các vết nứt Những vết nứt xuyên qua các khối bê tông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bê tông

 Ăn mòn vật lý của bê tông:

Độ bền của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được xác định không chỉ bơi tính chất của tương tác hóa học và môi trường ngoài mà còn bởi trạng thái ứng suất của bê tông, các tác động gây ra của ngoại và nội lực

Những tải trọng lặp đi lặp lại gây mỏi, làm yếu liên kết mạng lưới kết cấu vật liệu và càng có khả năng phát triển các vết nứt nhỏ trong đá xi măng

Tóm lại ăn mòn hóa học cũng như ăn mòn vật lý phụ thuộc trực tiếp vào độ xốp và độ thấm của nó Khi bê tông càng đặc chắc, độ thấm của nó càng nhỏ thì sự

ăn mòn phát triển càng chậm Quá trình ăn mòn của bê tông là một quá trình tổng hợp do tác động của nhiều yếu tố gây nên Xong quá trình ăn mòn của bê tông diễn

ra chậm trong một thời gian dài (20-30 năm) Trong khi đó các dạng ăn mòn khác, đặc biệt là ăn mòn cốt thép, diễn ra nhanh chóng dẫn đến phá hủy kết cấu trước khi

bê tông bị ăn mòn

1.2.3 Đặc điểm và cơ chế ăn mòn cốt thép

Bê tông vốn là môi trường kiềm cao (pH>12) Chính môi trường kiềm này tồn tại xung quanh các cốt thép đã tạo nên một lớp màng bảo vệ thụ động, cho nên nếu không có tác động có tính a xít mạnh từ môi trường bên ngoài thì về mặt lý thuyết, các cốt thép trong bê tông không dễ bị ăn mòn Tuy nhiên, lớp màng bảo vệ kiềm này không phải luôn bền vững, hiện tượng cacbonat hóa bê tông đã làm cho độ kiềm bê tông bị giảm gây phá hủy lớp bảo vệ thụ động, cộng với khi bê tông bị

thấm sẽ dẫn theo sự thâm nhập của ion clorua vào bên trong bê tông là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn các cốt thép

Ăn mòn thép là sự phá hủy sắt hay các hợp kim của sắt dưới tác động của các yếu tố môi trường Có 2 cơ chế ăn mòn thép là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó sắt phản ứng trực tiếp

với các chất oxi hóa trong môi trường và không có xuất hiện dòng điện, ăn mòn hóa học thường sảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với nước và oxi

Hình 1.9: Cốt thép bị ăn mòn trong kết cấu bê tông cốt thép [nguồn internet]

Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn xảy ra phổ biến và nghiêm trọng nhất

trong tự nhiên, ở mọi môi trường Nó cũng là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hóa – khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện ly, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện

Sắt + chất oxi hóa → oxit sắt (hoặc muối sắt) + chất khử

Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông:

Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông đặc chắc thì môi trường kiềm trong bê tông đủ cao để tạo ra các lớp bảo vệ cốt thép Nếu màng bảo vệ này

bị phá hủy (bê tông bị ăn mòn, bị phá hủy hay nứt), quá trình ăn mòn các cốt thép

sẽ sảy ra Dạng ăn mòn điển hình nhất với cốt thép là ăn mòn điện hóa xảy ra do tác dụng xâm thực của các ion clorua ngấm qua bê tông Trong quá trình ăn mòn, cốt thép sẽ bị han gỉ và trương nở thể tích, lớp bê tông bảo vệ vì thế lại càng bị phá hủy mạnh gây phá hỏng kết cấu bê tông cốt thép.

Quá trình màng thụ động xung quanh các cốt thép bị xuyên thủng chỉ sảy ra khi xuất hiện đồng thời cả hai điều kiện:

- Độ pH của bê tông miền tiếp giáp với cốt thép bị giảm, thấp hơn giá trị cần thiết để bảo toàn trạng thái thụ động;

- Nồng độ một số ion xâm thực, điển hình là Cl-, vượt quá giới hạn, gây mất

Hình 1.10: Quá trình 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

- Nguyên nhân do tác động của ion clorua: Ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách Clorua có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước, một cách vô tình hay cố ý 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, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ 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)

Hình 1.11: Quá trình thâm nhập của ion clorua [nguồn internet]

Ăn mòn cục bộ do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong BTCT

- Sức hút mao dẫn;

- Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT;

- Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt;

- Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế

Trong thực tế quá trình cacbonat hóa và sự xâm nhập của ion clorua có mối quan hệ tương hỗ với nhau: Kết cấu BTCT thường xuyên làm việc dưới tác động hỗn hợp của cả hai cơ chế trên Clorua aluminat (AlCl4-), được tạo ra từ phản ứng giữa ion clorua và xi măng có tác dụng làm giảm lượng clorua, qua đó làm chậm quá trình ăn mòn Tuy nhiên, khi quá trình carbonat hoá làm giảm độ pH trong bê tông, AlCl4- sẽ bị phá vỡ Kết quả là những kết cấu chịu sự tác động của cả hai cơ chế trên đồng thời sẽ nhạy cảm hơn nhiều với ăn mòn và khó để kiểm soát hơn

1.2.4 Ảnh hưởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép

Các tác nhân làm suy giảm chất lượng bê tông bao gồm sự ăn mòn cốt thép,

sự phá hoại do đóng và tan băng, tác động của muối, kiềm, phản ứng kiềm – cốt liệu, sunfat và axit Sự thấm nhập của các ion, chất lỏng và chất khí có tính xâm thực mạnh từ môi trường gây ra sự xuống cấp hoặc phá hủy các kết cấu bê tông cốt thép

Sự thấm nhập của các ion clorua sẽ phá hủy màng bảo vệ thụ động của các cốt thép trong bê tông, cộng với sự có mặt của oxi và nước thì thép sẽ bắt đầu bị ăn mòn Tương tự như vậy, sự thấm nhập của các hóa chất như là các axit, kiềm và ion sunfat gây ra sự xuống cấp hóa học của bê tông

Các vùng phá hủy và các vết nứt ở lớp bê tông bảo vệ là nguyên nhân chính làm tăng tính thấm của bê tông Các đường nứt bên trong bê tông cũng tạo ra sự thay đổi của cấu trúc lỗ rỗng và cũng làm giảm khả năng chống thấm của bê tông

thuộc của chiều sâu cacbonat hóa vào độ thấm khí của bê tông được minh họa ở hình dưới

Hình 1.12: Ảnh hưởng của độ thấm đến chiều sâu cacbonat hóa bê tông

(Dhir và cộng sự 1989) [1]

Hình 1.13: Quan hệ giữa chỉ số thấm khí Autoclam và chiều sâu

cacbonat hóa (Basheer 1991) [1]

Trong hình 1.12, chiều sâu cacbonat hóa sau 20 tuần ở thí nghiệm cacbonat hóa được tăng tốc, thể hiện theo logarit của độ thấm Hình 1.13 minh họa sự thay đổi chiều sâu cacbonat hóa của 27 hỗn hợp khác nhau sau 14 ngày ở thí nghiệm được tăng tốc với kết quả độ thấm khí autoclam Có thể thấy mối tương quan giữa chiều sâu thấm cacbonat hóa và độ thấm khí của bê tông qua hai biểu đồ trên Sự khác nhau giữa 2 biểu đồ trên nguyên nhân là do sự khác nhau trong việc chuẩn bị mẫu, các điều kiện thí nghiệm và các loại vật liệu kết dính khác nhau được dùng trong bê tông

Long và các cộng sự (1997) đã báo cáo mối quan hệ giữa các kết quả độ thấm nước Autoclam và mất mát khối lượng (thể hiện theo phần trăm của khối lượng bảo hòa ban đầu) từ 300 chu kỳ thí nghiệm đóng băng và tan băng ASTM C 666 quy trình A (hình 1.14)

Hình 1.14: Quan hệ giữa chỉ số độ thấm nước Autoclam và chiều sâu

cacbonat hóa (Long, Basheer và Montgomery 1997) [1]

Dữ liệu thể hiện trong hình 1.14 được dựa vào các thí nghiệm thực hiện với

27 hỗn hợp bê tông khác nhau Như có thể thấy, có tồn tại một mối tương quan tốt giữa 2 đại lượng Reference 56 báo cáo một mối quan hệ tương tự giữa khối lượng mất mát do thí nghiệm đóng băng, tan băng và độ thấm nội tại của bê tông

Sự phụ thuộc của sự thấm nhập các ion clorua và sự hấp thụ của bê tông có thể thấy trong hình 1.14 Dữ liệu trong hình này dựa vào các thí nghiệm nhỏ giọt thực hiện trên cả các mẫu bê tông có xử lý bề mặt và không xử lý bề mặt Ba mẫu

bê tông không xử lý bề mặt cho một quan hệ tuyến tính giữa sự đi vào của ion clorua, các giá trị độ hấp thụ và việc giảm độ hấp thụ do xử lý bề mặt tương ứng dẫn đến sự giảm hàm lượng clo Basheer và Cleland đã báo cáo là sự giảm trong cả

độ hấp thụ và lượng clo vào bị phụ thêm bởi sự giảm tương ứng của tốc độ ăn mòn các thanh thép nằm trong các mẫu thí nghiệm

Hình 1.15: Mối quan hệ giữa chỉ số độ hấp thụ Autoclam và lượng clo đi vào

(Basheer 1994) [1]

Hai đồ thị ở trên hình 1.16 và 1.17 thể hiện sự phụ thuộc của cả sự cacbonat hóa và thấm nhập của Clo vào độ thấm khí của bê tông dựa vào các thí nghiệm được tiến hành với hệ thống độ thấm Autoclam trên 11 công trình cầu đường bộ bằng bê tông ở Bắc Ai Len Mặc dù tác dụng của hơi ẩm không hoàn toàn được

tính vào trong các kết quả độ thấm khí, các sự thay đổi lớn về chiều sâu cacbonat hóa và lượng clo đi vào tương ứng với sự thay đổi lớn giống như vậy về độ thấm khí của bê tông

Hình 1.16: Sự phụ thuộc của sự cacbonat hóa vào độ thấm khí của các

cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) [1]

Hình 1.17: Sự phụ thuộc của sự thấm nhập clorua vào độ thấm khí của các

cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) [1]

Như vậy có thể nói, thấm bê tông có ảnh hưởng lớn đến tốc độ ăn mòn của kết cấu bê tông, nó gây phá hủy cấu trúc bê tông và làm giảm nhanh chóng khả năng chịu lực của kết cấu

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông

1.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông

Qua các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng độ thấm khí của bê tông bắt đầu tăng nhanh khi ứng suất trong bê tông δ đạt đến một ngưỡng nhất định

so với ứng suất lớn nhất δmax Ngưỡng giới hạn này thường nằm trong khoảng 0.65δmax đến 0.8δmax tùy thuộc vào từng loại bê tông Độ thấm nước của bê tông bắt đầu tăng đáng kể với các mẫu bê tông chịu nén δ > 0.4δmax

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thấm của bê tông

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ thấm khí dư của bê tông đo

các mẫu thí nghiệm lớn hơn 1050C

nhiệt độ 200C Độ thấm nước ở 800C tăng 60% so với độ thấm ở nhiệt độ 500C

1.3.3 Ảnh hưởng cơ – nhiệt đồng thời đến độ thấm của bê tông

Độ thấm khí của bê tông ở 200C trong quá trình chất tải và sau khi dỡ tải không khác nhau nhiều Khi nhiệt độ thay đổi từ 1050C đến 1500C và khi bến dạng

thấm đo được sau khi dỡ tải Độ thấm khí của bê tông đo ở 3 nhiệt độ khác nhau

200C, 1050C và 1500C giảm so với độ thấm khí ban đầu khi ứng suất trong bê tông

này, độ thấm của bê tông bắt đầu tăng mạnh Nhiệt độ có ảnh hưởng không nhiều đến các gia tăng thấm theo tải trọng này

1.4 Các phương pháp đo thấm trong bê tông cốt thép

1.4.1 Phương pháo đo thấm nước trong bê tông

Theo các tiêu chuẩn hiện nay, việc xác định tính thấm nước của bê tông được thực hiện theo một trong các nguyên tắc chung sau đây:

- Xác định mác chống thấm hay độ chống thấm (Water Permeability Grade);

- Xác định hệ số thấm theo phương pháp duy trì dòng thấm ổn định (Constant Flow Method);

- Xác định tính thấm nuớc theo phương pháp đo độ thấm xuyên sâu (Penetration Method)

Những nội dung chính duợc đề cập trong các tiêu chuẩn xác định tính thấm nuớc của bê tông được tóm tắt như sau:

1.4.1.1 Xác định mác chống thấm hay độ chống thấm (Water Permeability Grade)

Hiện nay tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3116-1993 và tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ) OCT 12730.5-84 huớng dẫn cách xác định độ chống thấm với các lưu ý như sau:

- Chuẩn bị mẫu thử gồm 6 viên hình trụ đường kính bằng chiều cao và bằng 15cm;

Thời gian giữ mẫu ở mỗi cấp áp lực là 16 giờ

- Tăng áp tới khi thấy trên mặt viên mẫu có xuất hiện nuớc xuyên qua, khóa van ngừng thử viên mẫu bị nuớc xuyên qua Tiếp tục thử các viên còn lại và ngừng thử toàn bộ khi 4 trong 6 viên đã bị nuớc thấm qua

Hình 1.18: Máy thí nghiệm xác định mác chống thấm với 6 khoang chứa mẫu

[nguồn internet]

1.4.1.2 Xác định hệ số thấm theo phương pháp duy trì dòng thấm ổn định (Constant Flow Method)

Xác định hệ số thấm theo phương pháp duy trì dòng thấm ổn dịnh được đề cập trong ba tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8219-2009; Mỹ CRD-C48-92; Trung Quốc SL48-94 Một số ý chính được đề cập trong các tiêu chuẩn này như sau:

- Chuẩn bị một tổ mẫu ≥ 3 viên

 Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8219 – 2009:

- Bơm nước cho mẫu chịu áp lực nuớc ban đầu là 1daN/cm2 (1at) trong 1 giờ Sau đó cứ sau mỗi giờ tăng thêm 1 áp lực như vậy cho đến khi xuất hiện nước thấm qua mẫu Từ lúc đó không tăng thêm áp lực nữa mà chỉ xác định lượng nước thấm và hệ số thấm ở áp lực đã đạt được

của định luật Darcy bằng công thức:

Trong đó:

δ: Chiều dày của mẫu (cm);

η: Hệ số xét đến độ nhớt của nước ở nhiệt độ khác nhau;

S: Diện tích bề mặt mẫu thử chịu thấm (cm2);

τ: Thời gian thí nghiệm thấm (giây);

ΔP = P1 - P2: Là hiệu số áp lực nước ở chỗ vào P1 và ở chỗ ra P2 của mẫu, biểu thị bằng cm cột nước Trị số P1 được lấy bằng áp suất dư

ở thiết bị, trị số P2 được coi bằng 0 khi nước chảy ra một cách tự dọ tại mặt mẫu

 Theo tiêu chuẩn Mỹ CRD – C48 – 92:

- Bơm nuớc tạo áp trên bề mặt mẫu ở mức 13.8at cho đến khi thấm ổn định, thông thuờng là từ 14 dến 20 ngày;

- Ðo lưu luợng nuớc thấm trung bình qua mẫu của 5 ngày thí nghiệm cuối cùng khi dòng hấm đã đạt đến trạng thái ổn định;

- Tính hệ số thấm theo định luật Darcy, công thức cụ thể nhu sau:

( ) Trong đó:

K: Hệ số thấm (cm/s);

A: Tiết diện mẫu thử (cm2);

H: Chiều cao cột nước tác dụng (cm);

L: Chiều cao mẫu thử (cm)

 Theo tiêu chuẩn Trung Quốc SL 48 – 94:

- Bơm nước tạo áp trên bề mặt mẫu ở mức 30at cho đến khi thấm ổn định;

- Ðo lưu lượng nước thấm qua mẫu khi đã đạt trạng thái ổn định;

1.4.1.3 Xác định hệ số thấm theo phương pháp đo độ thấm xuyên sâu (Penetration Method)

Phương pháp thí nghiệm này được đề cập trong tiêu chuẩn của Châu Âu EN

12390 - 8:2000 Các nội dung chính được đề cập trong tiêu chuẩn như sau:

- Chuẩn bị một tổ mẫu ≥ 3 viên;

- Bơm nước và tăng áp tới giá trị (5 ± 0.5)at trong vòng (72 ± 2)giờ Trong quá trình thí nghiệm, quan sát định kỳ bề mặt mẫu không chịu tác động của nuớc

để xem có xuất hiện nước thấm xuyên qua không Nếu quan sát thấy có nuớc thấm qua phải ghi lại dể lưu ý khi xem xét tính chính xác của kết quả;

- Sau khi kết thúc thí nghiệm, tháo mẫu ra khỏi máy, lau sạch bề mặt mẫu tiếp xúc trực tiếp với nuớc, ép bửa đôi mẫu theo chiều vuông góc với bề mặt chịu tác động của nuớc, đo độ thấm xuyên sâu của nuớc vào mẫu, chính xác đến mm Ðộ thấm xuyên sâu đo được chính là kết quả để đánh giá tính thấm nuớc của bê tông

Hình 1.19: Máy thí nghiệm xác định hệ số thấm với 4 khoang chứa mẫu của

Matest [nguồn internet]

1.4.2 Phương pháo đo thấm khí trong bê tông

Phương pháp đo thấm khí của bê tông có những lợi thế so với việc đo các thông số như hệ số khuếch tán, khả năng hấp thụ bề mặt ban đầu Phương pháp này cho phép đo tương đối nhanh và do đó cho phép các mẫu thử được đặt điều kiện ở bất kỳ tuổi nào để được thí nghiệm mà không bị thời gian chờ Các điều kiện của mẫu hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thí nghiệm

Các thí nghiệm đo độ thấm khí của bê tông có thể được tiến hành bằng cách giữ cột áp không đổi và đo dòng khí hoặc theo dõi sự suy giảm áp suất qua một khoảng thời gian nhất định

1.4.2.1 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi

Các thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi được thực hiện với một buồng thấm tương tự như với các thí nghiệm đo độ thấm nước Không khí, khí ni

tơ hoặc khí oxy đều có thể được dùng làm khí thấm Trạng thái ổn định của dòng khí có thể được thiết lập trong một vài phút tính từ lúc bắt đầu thì nghiệm Tốc độ của dòng khí vào được theo dõi và giá trị tương ứng với trạng thái ổn định được dùng để tính độ thấm của bê tông theo phương trình Darcy Với thí nghiệm độ thấm khí, phương trình tính toán độ thấm là:

1.4.2.2 Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột giảm áp

Những khó khăn của việc thực hiện các thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi ở hiện trường dẫn đến sự phát triển của các phương pháp không yêu cầu

đo đạc dòng khí ở áp suất không đổi Phương pháp đo đạc độ thấm khí với cột giảm áp có thể được dùng để đo độ thấm khí của bê tông ở hiện trường trong các kết cấu thực tế bao gồm 4 loại:

- Các thí nghiệm lực hút lỗ;

- Các thí nghiệm quá áp lỗ;

- Các thí nghiệm lực hút bề mặt;

- Các thí nghiệm quá áp bề mặt

Trong các thí nghiệm lực hút lỗ và quá áp lỗ, một khoang nhỏ được tạo trong

bê tông bằng cách khoan vào bề mặt để tạo buồng thí nghiệm Với các thí nghiệm

bề mặt, một buồng được gắn vào bề mặt mẫu thí nghiệm Áp suất được giảm xuống dưới áp suất khí quyển đến một mức xác định trong các thí nghiệm lực hút Ngược lại, áp suất được tăng lên đến một mức xác định trong các thí nghiệm quá

áp Việc đo sự thay đổi áp suất được dùng để tính toán chỉ số độ thấm khí ở hiện trường

1.5 Kết luận chương 1

Để xác định độ thấm nước trên bê tông ta xác định độ chống thấm nước, với nguyên lý là tăng dần áp lực nước theo thời gian cho đến khi xuất hiện nước qua bề mặt mẫu thử thì dừng lại Phương pháp này có ưu điểm hơn đo lưu lượng nước thấm qua bê tông với áp lực không đổi ban đầu (13.8Mpa)

Với độ thấm khí ta dùng phương pháp đo đo độ thấm khí với cột giảm áp

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM

CỦA BÊ TÔNG 2.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm khí và thấm nước của bê tông

2.1.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm khí của bê tông

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới như Sugiyama (1996), Hearn (1998), Picandet (2001), Choinska (2006) cho thấy rằng độ thấm khí của bê tông bắt đầu tăng nhanh khi ứng suất trong bê tông δ đạt đến một ngưỡng nhất định so với ứng suất lớn nhất δmax Ngưỡng giới hạn này thường nằm trong khoảng 0.65δmax đến 0.8δmax tùy thuộc vào từng loại bê tông

Hình 2.4 Gia tăng độ thấm khí của bê tông theo ứng suất tác dụng [1]

(a) Theo Hearn & Al (1998); (b) Theo Sugiyama (1996)

Các kết quả nghiên cứu của Picandet (2001) đối với 3 loại bê tông có cường

khi dỡ tải trong giai đoạn trước phá hoại có thể đạt tới giá trị lớn hơn gấp 10 lần so với độ thấm khí ban đầu (khi chưa gia tải)

Các kết quả đo đạc của Choinska (2006) cho thấy độ thấm của bê tông giảm nhẹ so với độ thấm ban đầu khi ứng suất trong bê tông nhỏ hơn 0.7δmax Sau ngưỡng này, độ thấm của bê tông tăng rất nhanh theo sự gia tăng của ứng suất Độ