La đánh giá tuổi thọ kết cấu cầu BTCT cường độ cao do thấm clo có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông

Luận văn này được trình bày dựa trên những kiến thức từ bài giảng của các thầy cô Trường đại học Giao thông vận tải, từ việc tham khảo, thu thập, phân tích các tài liệu, số liệu thực tế và từ những ý tưởng gợi mở của thầy giáo PGSTS Trần Thế Truyền trong việc định hình luận án về cơ sở lý luận và thực tiễn.

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

TRẦN MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

DO THẤM CLO CÓ XÉT ĐẾN TRẠNG THÁI

PHÁ HỦY CỦA BÊ TÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016

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

TRẦN MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

DO THẤM CLO CÓ XÉT ĐẾN TRẠNG THÁI

PHÁ HỦY CỦA BÊ TÔNG

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS TRẦN THẾ TRUYỀN

Hà Nội - 2016

LỜI CÁM ƠN

Luận văn này được trình bày dựa trên những kiến thức từ bài giảng của các thầy

cô Trường đại học Giao thông vận tải, từ việc tham khảo, thu thập, phân tích các tài liệu, số liệu thực tế và từ những ý tưởng gợi mở của thầy giáo PGS-TS Trần Thế Truyền trong việc định hình luận án về cơ sở lý luận và thực tiễn

Học viên xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS-TS Trần Thế Truyền, người

đã tận tình hướng dẫn học viên trong quá trình hoàn thiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô trong Bộ môn Cầu Hầm - Trường Đại học Giao thông vận tải và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành các nhiệm

vụ được giao trong quá trình tôi thực hiện luận văn

Do năng lực còn hạn chế nên không thể tránh khỏi các thiếu sót rất mong được

sự góp ý, chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2016

Tác giả

Trần Minh Tuấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Bê tông được xem là vật liệu đá nhân tạo có tính bền vững cao, không bị phân hủy hay cháy nổ Tuy nhiên, theo thời gian, bê tông bị hư hại do tác động xâm thực của môi trường Việc xác định tuổi thọ còn lại của công trình cầu đường là vấn đề rất cần thiết, vì nó liên quan đến việc quuết định tiếp tục khai thác, sửa chữa hay phá bỏ Đặc biệt là các công trình ở vùng thường chịu tác động xâm thực của môi trường, của tải trọng khai thác lớn…

Hiện tượng ăn mòn cốt thép do thấm clorua là một mối đe dọa nguy hiểm đối với công trình bê tông cốt thép, đặc biệt là công trình cầu đường và bến cảng trong môi trường nước biển chứa hàm lượng clorua cao Vùng thủy triều và sóng vỗ là những khu vực nguy hiểm có khả năng gây ăn mòn cao Ăn mòn cốt thép do thẩm thấu clo làm tiết diện cốt thép giảm đi nhanh chóng và ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông cốt thép

Với các kết cấu công trình sử dụng bê tông cường độ cao, khả năng chống thấm nước, chống xâm nhập clorua đã được cải thiện đáng kể nhờ cấu trúc vật liệu có độ đặc cao; độ rỗng thấp Tuy vậy, một khi trong bê tông cường độ cao xuất hiện các vùng phá hủy hoặc các đường nứt nhỏ thì xâm nhập clorua sẽ tăng nhanh, gây ăn mòn cốt thép và ảnh hưởng đến tuổi thọ của các công trình này

Đánh giá tuổi thọ kết cấu cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nói chung và bê tông cường độ cao do thấm clorua có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông là nghiên cứu tương đối mới hiện nay ở trên thế giới Việc đánh giá này kết hợp với nhiều phương pháp xác định tuổi thọ của kết cấu cầu bê tông cốt thép khác sẽ đưa ra dự đoán chính xác tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép nói chung và công trình cầu đường nói riêng có xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng

Vậy đề tài: “Đánh giá tuổi thọ kết cấu cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông

cường độ cao do thấm clorua có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông” là thực sự cần thiết

2 Đối tƣợng nghiên cứu:

Các bộ phận kết cấu cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ cao bị thấm clorua có xét đến trạng thái phá hủy bê tông

3 Phạm vi nghiên cứu:

Các kết cấu cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ cao Tuổi thọ được xem xét theo tiêu chí ăn mòn cốt thép trong bê tông (tính đến thời điểm các cốt thép bắt đầu bị ăn mòn do thấm clorua) Chỉ trạng thái phá hủy phân tán của bê tông được xét đến

4 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Phân tích quá trình ăn mòn cốt thép nói chung và ăn mòn cốt thép do thấm clorua nói riêng

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của trạng thái phá hủy và nứt của bê tông đến

5 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lí thuyết thông qua việc tham khảo, thu thập, phân tích các tài liệu, các số liệu thực tế, qua đó đề xuất các mô hình mới nhằm khắc phục các hạn chế mà các tác giả trước đó chưa đề cập đến Cùng với đó so sánh mô hình đề xuất với các mô hình đã từng đề nghị trước đó nhằm đảm bảo tính thuyết phục, thực tiễn

6 Kết cấu của luận văn:

Chương 1: Tổng quan về độ bền của bê tông cường độ cao

Chương 2: Đánh giá độ bền của kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép

Chương 3: Đánh giá tuổi thọ kết cấu cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ cao có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1.1 Bê tông cường độ cao:

Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (xi măng…), nước và phụ gia Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ khung chịu lực Hỗn hợp xi măng và nước (hồ ximăng) là thành phần hoạt tính trong bê tông, nó bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và khi hồ xi măng rắn chắc, nó dính kết cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông Các chất phụ gia rất phong phú và chúng làm tính chất của bê tông trở nên đa dạng và đáp ứng được các yêu cầu ngày càng phát triển của bê tông và kết cấu bê tông

Ngày nay bê tông là một trong những loại vật liệu đang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng, xây dựng cầu, đường Tỷ lệ sử dụng bê tông trong xây dựng nhà chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu đường khoảng 15% tổng khối lượng bê tông

Bê tông có cường độ chịu nén cao, mô đun đàn hồi phù hợp với kết cấu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực

Bê tông bền nước và ổn định với các tác động của môi trường

Công nghệ bê tông ổn định ngày càng phát triển

Giá thành của bê tông hợp lý do tận dụng được các nguyên vật liệu địa phương,

vì vậy kết cấu bê tông chiếm 60% các kết cấu xây dựng

Nhược điểm cơ bản của bê tông là có cường độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bê tông cốt thép còn lớn Cường độ chịu nén của bê tông thường chỉ đạt tối đa 50MPa và độ sụt tối đa 7cm

Con đường phát triển của bê tông là cải tiến hệ thống cấu trúc, thành phần, công nghệ bằng cách sử dụng các phụ gia, các chất hỗ trợ công nghệ (bảo dưỡng, trợ bơm )

và các phương pháp công nghệ mới để tìm ra các bê tông chất lượng cao Các bê tông chất lượng cao phải đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ bền, tính dễ đổ và tính kinh

tế Những tính chất được cải tiến làm chất lượng hơn hẳn bê tông truyền thống (cường

độ, biến dạng, dễ đổ ) Những tính chất đặc biệt này tạo ra khả năng sáng tạo ra các kết cấu xây dựng và công nghệ xây dựng mới

1.1.1 Định nghĩa bê tông cường độ cao:

Bê tông chất lượng cao là một thế hệ bê tông mới có thêm các phẩm chất được

cải thiện thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu và kết cấu xây dựng Xét về

cường độ chịu nén thì đó là bê tông cường độ cao (High strength concrete), xét tổng

thể các tính năng thì gọi là bê tông chất lượng cao

Bê tông cường độ cao (High strength concrete) là loại bê tông có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày > 60MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15cm, H = 30cm Cường độ chịu nén sau 24h ≥ 35MPa, cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày ≥ 60Mpa Mẫu thử được chế tạo, dưỡng hộ, thử theo các tiêu chuẩn hiện hành

Thành phần bê tông cường độ cao có thể dùng hoặc không dùng muội silic hoặc dùng kết hợp với tro bay Khi sử dụng muội silic chất lượng bê tông được nâng cao hơn

Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ quy định bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường

độ chịu nén ở tuổi 28 ngày ≥ 42Mpa

Theo CEB.FIP quy định bê tông chất lượng cao có cường độ nén sau 28 ngày tối thiểu là 60Mpa và có các tính năng vật lý và cơ học cao

1.1.2 Các nghiên cứu về bê tông cường độ cao:

Trong khoảng 25 năm gần đây các sản phẩm bê tông có cường độ ngày càng cao hơn, đạt cường độ từ 60 đến 140 MPa Đặc biệt bê tông cường độ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) với cường độ lên đến 300MPa (40.000 psi) đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm

Bê tông cường độ cao bắt đầu được sử dụng vào thập kỷ 70, khi đó một loại bê tông có cường độ chịu nén cao hơn hẳn các loại bê tông trước đó được dùng làm cột trong một số toà nhà cao tầng tại Mỹ Các công trình ngoài biển từ bê tông cường độ cao đã được xây dựng tại Na Uy Các công trình cầu đường tại Pháp, Nga, Nhật Bản từ

bê tông cường độ cao đã đạt được các thành công nổi bật Hiện nay, bê tông với cường

độ 98 đến 112 MPa đã được sản xuất công nghiệp và được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp Các nước như Anh, Đức, Thuỵ Điển, Italia, Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam đã bắt đầu áp dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng nhà, cầu, đường, thuỷ lợi

Các nghiên cứu về bê tông cường độ cao đã khẳng định việc sử dụng bê tông cường độ cao cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng

giải quyết được nhiều vấn đề kỹ thuật hơn hoặc vừa đảm bảo cả hai yếu tố trên do khi

sử dụng bê tông cường độ cao có các ưu điểm sau:

- Giảm kích thước cấu kiện, kết quả là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công;

- Giảm khối lượng bản thân và các tĩnh tải phụ thêm làm giảm được kích thước móng;

- Tăng chiều dài nhịp và giảm số lượng dầm với cùng yêu cầu chịu tải;

- Giảm số lượng trụ đỡ và móng do tăng chiều dài nhịp;

- Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm

1.1.3 Phân loại bê tông cường độ cao:

Có thể phân loại bê tông chất lượng cao theo cường độ, thành phần vật liệu chế tạo và theo tính dễ đổ

1.1.3.1 Phân loại theo cường độ nén:

Căn cứ vào cường độ nén ở tuổi 28 ngày mẫu hình trụ D = 15cm, H = 30cm có thể chia bê tông thành 4 loại sau:

Bê tông truyền thống và bê tông thường được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu đường ở Việt Nam Bê tông cường độ cao đã được nghiên cứu và có đủ điều kiện

để phát triển ở Việt Nam

1.1.3.2 Phân loại theo thành phần vật liệu chế tạo:

- Bê tông cường độ cao không sử dụng muội silic: là loại bê tông không sử dụng muội silic siêu mịn, chỉ cần giảm tỉ lệ N/X và sử dụng các chất siêu dẻo tăng tính công tác

- Bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic: trong thành phần có lượng muội silic (5 – 15)% so với lượng xi măng và chất siêu dẻo

- Bê tông chất lượng cao sử dụng tro bay: loại bê tông này sử dụng tro bay với liều lượng (15 – 30)% so với lượng xi măng để tăng độ bền nước, giảm nhiệt độ của bê tông tươi và giảm giá thành bê tông

- Bê tông chất lượng cao hỗn hợp: để đảm bảo chất lượng của bê tông và giảm giá thành có thể sử dụng kết hợp cả tro bay và muội silic với các liều lượng tối ưu

- Bê tông cường độ cao cốt sợi: là bê tông cường độ cao có hoặc không có muội silic nhưng có thành phần cốt sợi Cốt sợi có thể là kim loại, sợi thủy tinh, sợi cacbon hoặc các loại sợi khác tùy theo yêu cầu về tính năng và giá thành

1.2 Bê tông cường độ cao trong các kết cấu công trình cầu

Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén và nhiều tính chất khác được cải thiện như: mô đun đàn hồi cao hơn, cường độ chịu kéo cao, từ biến thấp hơn bê tông thường

Cường độ chịu nén của bê tông là một trong những tính chất quan trọng nhất của bê tông Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày được dùng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng của bê tông Cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao hiện nay đã sử dụng

từ 42MPa (6.000 psi) đến 138 MPa (20.000 psi) và thường dùng bê tông có cường độ khoảng 84 MPa Theo tiêu chuẩn Mỹ và Anh, cường độ chịu nén được xác định bằng mẫu tiêu chuẩn hình trụ tròn 150x300mm (6x12 inch) Theo tiêu chuẩn Việt Nam, cường độ chịu nén được xác định trên mẫu hình hộp lập phương 150x150x150mm

Cường độ chịu kéo khống chế vết nứt của bê tông, đồng thời còn ảnh hưởng đến một số tính chất khác như: độ cứng, độ bền của bê tông, khả năng dính bám với cốt thép Bê tông có chất lượng cao thì cường độ chịu kéo cũng cao hơn từ (30-60)% tuỳ theo thành phần của bê tông cường độ cao, nhưng tốc độ tăng cường độ chịu kéo chậm hơn cường độ chịu nén Thông thường cường độ chịu kéo của bê tông cường độ cao bằng khoảng 10% Cường độ chịu kéo có thể được xác định trực tiếp hoặc gián tiếp (thông qua cường độ chịu kéo bửa (ASTM C496) hoặc kéo uốn (ASTM C78)

Các nghiên cứu cũng cho thấy cường độ bê tông tăng thì mô đun đàn hồi tăng đáng kể từ 20 - 40% tuỳ theo thành phần của nó và bản chất của loại cốt liệu Biến dạng dài hạn cuối cùng giảm đáng kể (εt) chỉ còn khoảng 0,4 - 0,5 biến dạng theo thời gian của bê tông thường Tuy nhiên môđun chống cắt Gc tăng không nhiều

Tốc độ phát triển cường độ của bê tông cường độ cao nhanh hơn bê tông thường Các loại bê tông truyền thống thường 7 ngày đạt 50% cường độ (tuổi 28

ngày), 14 ngày đạt 70-80% cường độ Nhưng đối với bê tông cường độ cao thì 7 ngày

đã đạt 70-80% cường độ, 14 ngày đạt > 90% cường độ tuổi 28 ngày

Các tính chất cơ học được cải tiến như vậy dẫn đến khả năng ứng dụng bê tông cường độ cao Những ứng dụng chính là các công trình lớn đòi hỏi cường độ nén cao

và các kết cấu bê tông DƯL (cầu, hầm, nhà, cảng lớn)

1.2.1 Tổng quát ứng dụng bê tông cường độ cao

Hiện nay bê tông cường độ cao được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:

- Cột của các toà nhà cao tầng: việc sử dụng cột bê tông chất lượng cao sẽ chịu được tải trọng lớn hơn, cho phép giảm kích thước mặt cắt cột, yêu cầu lượng cốt thép

và ván khuôn sử dụng ít hơn (Mỹ và Đức)

- Trong xây dựng cầu: bê tông chất lượng cao thường được sử dụng cho các dầm cầu bê tông dự ứng lực với mục đích giảm tải trọng bản thân dầm và tăng chiều dài kết cấu nhịp Cường độ bê tông đã được sử dụng trong khoảng 60 - 100MPa (Mỹ Nhật Bản, Trung Quốc và Pháp) Các cầu của Đức , Hà Lan vào năm 1992 - 1995 đã dùng bê tông 60 - 80MPa

Trong các công trình ngoài khơi: dùng bê tông chất lượng cao giảm được trọng lượng bản thân, tăng độ bền cho kết cấu (Na Uy, Thụy Điển, Anh, Úc

Bê tông cường độ cao đựơc dùng chủ yếu ở Mỹ cho các nhà cao tầng bắt đầu từ năm 1975 đến nay Các ngôi nhà từ 43 - 76 tầng vào năm 1975- 1976 đều dùng bê tông 62MPa Các ngôi nhà ở Chicago 1976 - 1990, số tầng 50 - 70 cường độ bê tông đến 80 MPa Các ngôi nhà ở Tôkyô, Cleveland vào năm 88 - 90 - 95 cường độ bê tông đến 97 MPa Sự phân phối cường độ bê tông theo tầng như sau: Tầng 0 đến tầng 25 bê tông 75 - 90 MPa, kích thước cột 48 x 48 inch, 18 x 54 inch Tầng 25 - 40 bê tông 60MPa Tầng 60 - 75 bê tông 40, kích thước cột 18 x 24inch Các ngôi nhà ở Pháp, Đức khoảng 40 tầng đều dùng bê tông M70 - M90 ở những tầng từ 0 đến 20

Công trình hầm và Metro thường sử dụng bê tông chất lượng cao và bê tông cường độ cao cốt sợi để tăng độ bền trong muôi trường làm việc phức tạp và tăng tuổi thọ của công trình Tiêu biểu là các công trình hầm qua eo biểm Măng-sơ và hầm qua đèo Hải Vân

Các công trình nhà ở Trung Đông, các công trình cầu mới được xây dựng trong năm 2001-2008 đều sử dụng bê tông cường độ cao với tuổi thọ khai thác trên 100 năm

Bê tông cường độ cao đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới chứng tỏ các ưu thế nổi bật của loại bê tông này và đang được áp dụng tại Việt Nam

Hình 1.1 - Nhà La De’fense (Paris)

Hình 1.2 - NovaScotia, Toronto (Canada)

Lợi ích cơ bản của bê tông cường độ cao - Tăng khả năng chịu lực và tuổi thọ khai thác của kết cấu xây dựng

Lợi ích về mặt tính năng lâu dài và tăng cường độ có thể đạt được trong các kết cấu cầu khi sử dụng bê tông cường độ cao Những giải pháp chính để sử dụng bê tông cường độ cao trong các kết cấu cầu là kéo dài chiều dài khẩu độ cầu với những kiểu dầm được chế tạo thông thường, giảm chiều cao kết cấu và loại bỏ các tuyến dầm không cần thiết để mang lại hiệu quả kinh tế cao (bớt đi một hoặc hai tuyến dầm) Trong các trường hợp đặc biệt (cầu rất lớn, cầu ở biển) độ bền cao chính là lợi ích của

bê tông cường độ cao

Các thiết kế hiệu quả về mặt chi phí

Đó là vì tăng cường được các đặc tính về mặt cơ học và cải thiện các tính chất

về độ bền của bê tông cường độ cao Những lợi ích về mặt tính năng mang lại cho người thiết kế sự linh hoạt hơn trong việc lựa chọn kiểu và kích thước của một cây cầu

và các bộ phận của cầu Người thiết kế có thể sử dụng ít vật liệu hơn, ít dầm hơn và khẩu độ dài hơn cho các dự án bê tông cường độ cao của họ Độ bền lâu của bê tông cường độ cao dẫn đến chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thấp

1.2.2 Các ứng dụng bê tông cường độ cao

1.2.2.1 Ứng dụng vào cầu đường cao tốc ở Hoa Kỳ

Ngày càng có nhiều các nhà chế tạo và nhà thầu quan tâm đến sản xuất, chế tạo

và thi công bê tông cường độ cao Họ đã rút ra được những bài học có giá trị để cải thiện khả năng sản xuất và chất lượng và đạt được một sản phẩm tốt Các dầm bê tông

dự ứng lực đúc sẵn sử dụng bê tông có cường độ từ 10.000psi (69MPa) và cường độ giải phóng ứng suất (cắt dự ứng lực) ở phạm vi từ 7.000 đến 8.000psi (48-55MPa) có thể được đúc ở một chu kỳ ban ngày bình thường với chi phí chỉ hơi cao hơn bê tông thông thường một chút

Bê tông cường độ cao sở hữu tất cả các bộ phận cần thiết cho các ứng dụng kết cấu để kéo dài tuổi thọ phục vụ và giảm chi phí chu kỳ tuổi thọ Ứng dụng thành công phụ thuộc lớn vào việc kỹ sư thiết kế phối hợp chặt chẽ với các nhà chế tạo và nhà thầu địa phương để tiến tới các giải pháp có hiệu quả kinh tế

- Cầu Alabama dầm chữ T, 34m

Đường cao tốc số 199 qua nhánh sông Uphapee, hạt Macon Được thông xe vào tháng 4 năm 2000, bắc trên đường cao tốc số 199 qua nhánh sông Uphapee là một cây

cầu dài 798ft (243m) Nó bao gồm 7 nhịp có độ dài mỗi nhịp là 114ft (34m) với 54 dầm hình chữ T cách nhau 10ft (3m) Môi trường được coi là một cây cầu bình thường bắc qua sông Các bộ phận có sử dụng bê tông cường độ cao là các kết cấu phụ, dầm

và phiến lát

Việc thiết kế của các dầm cho một bê tông có cường độ nén tới 10.000psi (69MPa) tại thời điểm 28 ngày cho phép sử dụng 5 tuyến dầm Nếu sử dụng bê tông thông thường phải cần đến 6 tuyến dầm Trong khi những lợi ích dự đoán với việc sử dụng bê tông cường độ cao tăng lên gấp đôi Một là tiết kiệm được chi phí thi công ban đầu do sử dụng ít hơn 1 tuyến dầm và 1 trụ cầu Thứ hai là sự mong đợi ở một kết cấu bê tông có độ bền hơn nhờ đó giảm được chi phí bảo dưỡng và kéo dài tuổi thọ phục vụ

- Cầu California hình hộp 162m

Cầu qua vịnh Oakland: đường bộ trên không, San Francisco

Cây cầu mới trên vịnh Oakland - San Francisco được cấu tạo gồm nhịp Signature, các nhịp Skyway và nhịp tiệp cận Tuổi thọ thiết kế của cây cầu này là 150 năm

Skyway là một dầm hình hộp đúc sẵn nhiều nhịp với chiêu dài mỗi nhịp là 540 feet (162m) Dầm hình hộp được cấu tạo từ hai dầm "chính" cách nhau gần 26ft (7.8m) Trong khi tất cả các thành phần của cây cầu vịnh này có các yêu cầu về tính năng nghiêm ngặt, bản tóm tắt này chỉ tập trung vào các bộ phận siêu kết cấu của Skyway Bê tông cường độ cao, kết hợp với thi công phân đoạn, nhờ đó tăng được đáng kể chiều dài nhịp thiết kế

- Cầu I-25 trên đại lộ Yale, Denver dầm hình hộp cao 1.7m, L=65m

Được thông đường vào tháng 6 năm 1998, cầu I-25 trên đại lộ Yale là một cây cầu dài 214 ft (65m) mặt đường rộng 38ft (11.3m) Kết cấu hai nhịp sử dụng các dầm hình hộp chiều cao 1700mm x chiều rộng 750mm cách nhau 1720mm Môi trường được xem là một cây cầu bắc qua đường bộ Các bộ phận có sử dụng bê tông cường độ cao bao gồm trụ cầu, dầm và phiến lát cầu

Bê tông cường độ cao được chỉ định cho dầm hình hộp để đáp ứng các yêu cầu nhịp dài với chiều sâu siêu kết cấu nông Để cung cấp thêm không gian phụ cho một làn đường quay đầu xe, cầu đã giảm từ thiết kết 4 nhịp ban đầu thành 2 nhịp Cây cầu

mới đã có một trụ với 4 cột so với cây cầu trước đước có 3 trục với tổng cộng 45 cột Việc giảm số nhịp và số cột đã cải thiện đáng kể tính thẩm mỹ và tầm nhìn

Chủ đầu tư đã chỉ định tỉ lệ phần trăm tối đa tro nhẹ là 25% đối với dầm và 10% đối với phiến lát Cường độ nén được chỉ định là 10.000 psi (69MPa) ở 56 ngày tuổi cho dầm và 5076 psi (35MPa) ở 28 ngày tuổi cho phiến lát Không có chỉ định về các yêu cầu khả năng thấm clo Phụ thuộc vào thời điểm của năm, xử lý bằng màng tiếp theo là xử lý bằng nước 5 ngày hoặc xử lý bằng màng tiếp theo là xử lý là mền chăn cách nhiệt 5 ngày được sử dụng cho phiến lát

- Cầu Georgia (sơ đồ cầu 16+38.7+38.7+13.7m), I75cm

Cầu SR 920 (đường bộ Jonesboro) cầu I-75, hạt Henry Được thông đường vào tháng 2 năm 2003, cầu I-75 bắc qua đường bộ SR 920 là một cây cầu có chiều dài 352ft (107m) và rộng 90ft (27.4m) Kết cấu được bố trí gồm 4 nhịp có khẩu độ là 53ft (16m), 127ft (38.7m), 127ft (38.7m), và 45ft (13.7m) Môi trường ở đây được xem là một cây cầu bình thường bắc qua sông Các bộ phận cầu có sử dụng bê tông cường độ cao là dầm và phiến lát

Sử dụng bê tông cường độ cao là cần thiết với dự án vì nó giảm được tối đa chiều cao tổng thể của kết cấu và tránh phải tăng cấp độ của cầu Bê tông cường độ cao còn được sử dụng để tối ưu hoá khoảng cách dầm

- Cầu dầm Lousiana L=21m khoảng cách dầm 3m

Cầu LA87 bắc qua kênh Charenton ở St Mary Parish Được thông xe vào tháng

11 năm 1999, cầu LA87 bắc qua kênh Chareton, đó là một cây cầu dài 365ft (111.25m) và rộng 46ft 10' (14m) Cầu có 5 nhịp dài 71ft (21.6m) với dầm kiểu II AASHTO cách nhau 10ft (3.0m) Môi trường ở đây được xem là một cầu bình thường bắc qua nước Các bộ phận cầu có sử dụng bê tông cường độ cao là cọc, đầu bịt cọc, dầm, phiến lát, lan can bảo vệ

- Nebraska nhịp 22.8m, dầm cách nhau 3.8m

- Cầu New Hampshire nhịp 19.8m, cách nhau 3.65m

- Cầu New Mexico 4 dầm chữ T cao 1.57m, cách nhau 3.84m

- Cầu thành phố hình hộp Ohio, L=35.5m, H=1.05m

- Cầu Texas nhịp 41m, a=4.87m

- Cầu vượt đường bộ Louetta, Houston

Cầu vượt đường bộ Louetta là một cây cầu đa nhịp trên đường cao tốc số 249

và được bố trí ở môi trường bình thường Các nhịp của nó được đỡ một cách đơn giản (chiều dài nhịp lớn nhất là 135,5ft (41m)) và bao gồm 6 dầm US 54 Texas đúc sẵn với khoảng cách giữa các dầm khác nhau từ 11 ft (3.35m) tới hơn 16ft (4.87m) Các bộ phận cầu có sử dụng bê tông cường độ cao là các trụ cầu đúc sẵn, dầm cầu đúc sẵn, các pannel phiến lát và phiến lát đổ tại chỗ

Việc sử dụng bê tông cường độ cao làm tăng độ bền của cầu và được các nhà thầu đề xuất để sử dụng các phương pháp tân tiến hơn cho việc thi công cầu Cầu được thông xe vào năm 1998

Các cầu ở Mỹ thường sử dụng bê tông cường độ cao với kết cấu dầm khẩu độ nhịp từ 28- 35m và kéo dài khoảng cách đặt dầm từ 3.5 đến 4.5m nhằm tiết kiệm từ một đến hai dải dầm Cường độ của bê tông từ 69-99MPa Tỷ lệ N/CDK từ 0,25- 0,3

Sử dụng kết hợp muội silic và tro nhẹ Dự kiến tuổi thọ khai thác từ 100-150 năm Lượng xi măng thường từ 390-450kg/m3 bê tông với xi măng kiểu I (tiêu chuẩn) và kiểu III (xi măng toả nhiệt ít) Gần đây các kết cấu cầu hình hộp có khẩu độ lớn cũng

đã được ứng dụng L=162m

1.2.2.2 Các ứng dụng bê tông cường độ cao từ năm 2000 - 2007

- PSING MA Bridge- Hồng Kông

Tuổi thọ thiết kế: 120 năm

Độ thấm Clo: nhỏ hơn 1.000 coulombs, bê tông cường độ cao: 80 MPa

Thành phần: 390-450 kg OPC, 5% Silica fume

Hình 1.3 – Cầu PSING MA, Hong Kong

- Cảng Dung Quất, Việt Nam

- Eastsea bridge, Thượng Hải - Trung Quốc

- Prai River bridge, Malaysia

Độ thấm Clo: < 500Cu

- Cầu nối Singapore – Malaysia

1.3 Đặc tính bền của bê tông cường độ cao

Độ bền chống lại các tác động hóa học của bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao nhìn chung lớn hơn bê tông thường Đặc biệt trong trường hợp phản

ứng kiềm – cốt liệu Sự cải thiện này liên quan tới:

Kết cấu có độ rỗng nhỏ và không liên tục làm giảm độ thấm, độ lọc, độ khuyếch tán ion về phía vữa và bề mặt vữa – cốt liệu

Sự giảm hàm lượng Ca(OH)2 do hiệu ứng puzôlan của muội silic

Sự giảm ion OH- trong dung dịch bên trong, cũng nhờ hiệu ứng puzôlan Quá trình cácbonát hóa khá phức tạp Chiều sâu ảnh hưởng của nó lớn hơn hoặc bằng của bê tông và đặc biệt khi thời gian bảo dưỡng ngắn Tuy vậy, sự cácbonát hóa một mặt tỉ lệ nghịch với cường độ chịu nén, mặt khác điện trở của bê tông dùng muội silic, lớn hơn của bê tông thường đã ngăn cản sự ăn mòn cốt thép ngay cả khi cốt thép đã bị tấn công

1.4 Kết luận chương I

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong thời gian gần đây, bê tông cường độ cao được áp dụng rộng rãi trong các công trình cầu đường và nhà cao tầng trên toàn thế giới Nó giúp tăng tuổi thọ công trình, hạ giá thành sản phẩm

do giảm kích thước cấu kiện, tăng chiều dài nhịp, giảm số lượng trụ đỡ Ngoài ra,

độ bền chống lại các tác động hóa học của bê tông cường độ cao nhìn chung lớn hơn bê tông thường, cải thiện được một số tính chất về mặt độ bền cho bê tông cường độ cao dẫn đến chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thấp

CHƯƠNG II ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

THEO TIÊU CHÍ ĂN MÕN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG

2.1 Độ bền lâu của kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép

2.1.1 Xâm nhập clorua và ăn mòn cốt thép trong bê tông

Công nhận rằng sự phổ biến ăn mòn cốt thép do thâm nhập clorua là mối đe dọa lớn nhất cho cơ sở hạ tầng bê tông cốt thép hiện có của các nước phát triển Các kết cấu như cầu, đường bộ, hạ tầng và bến cảng tiếp xúc với các môi trường giàu clorua, thông qua việc áp dụng muối chống đóng băng hoặc từ môi trường tự nhiên Bằng chứng về sự ăn mòn bắt đầu bởi muối chống đóng băng trong các ống bơm vữa căng sau của cầu gây ra mối lo ngại lớn trong năm 1980 và 1990 dẫn đến việc tạm ngưng bốn năm về kỹ thuật do Cơ quan đường cao tốc ở Vương quốc Anh Trong môi trường biển, các vùng thủy triều và sóng vỗ được công nhận là vùng có nguy cơ ăn mòn cao Kết cấu trong đất liền gần khu vực ven biển cũng có thể suy thoái thông qua sự ăn mòn

do gió thổi mang muối đến Bê tông thường xuyên ngập trong nước biển cho phép clorua thâm nhập đáng kể, nhưng sự ăn mòn đáng kể lại không thể xảy ra do mức độ cung cấp oxy thấp Các kết cấu như đường hầm đối với giao thông đường sắt và đường

bộ có thể tiếp xúc với nước ngầm mặn có các đặc tính tương tự như nước biển Trong kết cấu đường cao tốc, đường dẫn thoát nước hoặc mối nối bị rò rỉ có thể kênh dòng chảy theo cách này tiếp xúc với nhiều khu vực cục bộ với nồng độ cao của clorua Clorua còn gây ra hư hỏng ảnh hưởng đến cấu kiện xây dựng Bãi đỗ xe và sàn cầu đã

bị suy thoái do để nước, chất thải với muối chống đóng băng, nhỏ giọt từ xe ô tô Mặt ngoài của các công trình sớm bị suy thoái do ăn mòn gây ra bởi clorua canxi được sử dụng tăng tốc trong công trình lắp ghép Kropp (1995) lưu ý rằng clorua cũng có thể được đưa vào các phụ kiện và đồ nội thất bằng polyvinyl clorua (PVC) Nhiều công trình có chứa PVC và giải phóng khí HCl ở nhiệt độ trong quá 800C Kết cấu tùy thuộc vào chu kỳ làm ướt và sấy khô được tạo ra bởi thời tiết hoặc các dạng thủy triều đặc biệt dễ bị ảnh hưởng đến sự hấp thu clorua cao

Việc thực hiện chậm các thông số kỹ thuật dựa trên lời khuyên theo quy tắc trong qui phạm thực hành có thể đã đánh giá thấp các yêu cầu cho bê tông bền trong môi trường clorua Đặc biệt chú ý (1994 Bamforth, Grantham 1999) đã được rút ra

tiềm năng không tương xứng của bê tông xi măng Portland để cung cấp mức độ yêu cầu về độ bền trong thời hạn phục vụ điển hình và điều này tạo ra một cuộc tranh luận thú vị

Lớp thụ động của cốt thép phụ thuộc vào sự ổn định của các lớp thụ động được hình thành khi thép được ngâm trong môi trường kiềm của bê tông tươi Lớp thụ động được nêu ra không hiệu quả trong trường hợp mức độ clo xung quanh bê tông vượt quá một mức độ giới hạn Một mức độ thấp của clorua có thể có mặt và cho phép trong

bê tông bền Clorua có thể tình cờ được đưa vào như là nguyên tố vi lượng, ví dụ, nước lợ, cốt liệu và các phụ gia Tuy nhiên, khi hàm lượng quá liều có thể xẩy ra ăn mòn trong thời gian phục vụ nếu nguồn clorua có sẵn bên ngoài đáng kể Các nguồn bên trong của clorua được hạn chế đến mức chấp nhận được bởi đặc điểm kỹ thuật Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1 giới hạn hàm lượng clorua trong một phạm vi từ 0,1 đến 0,4% trong trường hợp bê tông có cốt thép Những hạn chế nghiêm ngặt áp dụng

bê tông dự ứng lực Các tiêu chuẩn cốt liệu cũng giới hạn hàm lượng clorua của cốt liệu dùng cho bê tông Việc sử dụng nước biển, cốt liệu chứa clo hoặc phụ gia tăng tốc như canxi clorua, vì thế phải kiểm soát chặt chẽ

Clorua gây ra ăn mòn thường được tập trung vào một khu vực nhỏ, hình thành nên một hố được bao quanh bằng cách cốt thép chưa ăn mòn Quá trình này được minh họa trong hình (2.1) Điều này có thể dẫn đến mất nhanh chóng mặt cắt ngang và làm giảm khả năng chịu tải nghiêm trọng của các bộ phận bê tông cốt thép Suy thoái có thể được tiến triển đáng kể trước khi hư hỏng rỗ ràng trên bề mặt

Trong suốt chu trình ăn mòn, các ion sắt trở nên sẵn sàng kết hợp với các ion clorua để tạo thành các hợp chất như clorua sắt (FeCl2) Sự thủy phân các sản phẩm này theo thời gian giải phóng các ion clorua với kết quả là làm giảm độ pH ở cực dương Tốc độ ăn mòn tăng bởi vì quá trình oxy hóa sắt được khuyến khích trong điều kiện có tính axit Các ion clorua tái sinh làm trầm trọng thêm vấn đề Một tham số ảnh hưởng là tỉ lệ ion clorua/ion hydroxyl tại cốt thép Nó đã được tìm thấy (Thitthart 1989) rằng nồng độ ion hydroxyl cao hơn nhiều một phần của tổng clo có mặt là clo tự

do Nếu các ion clorua chiếm ưu thế thì sự mất mát của các ion sắt (Fe2+) được tăng tốc Nếu ion OH- chiếm ưu thế kết tủa của ion FeOH+ trợ giúp để phục hồi lớp oxide thụ động của cốt thép Việc giảm độ pH không khuyến khích kết tủa của các sản phẩm

ăn mòn Hố ăn mòn tại cực dương có thể phát triển nhanh chóng do sự kết hợp của

một cực dương cục bộ với cực âm tương đối lớn Một cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của mức độ clorua vào điện hóa học của tình trạng này có thể thu được từ xuất phát một điều kiện thụ động như minh họa trong sơ đồ Evans trình bày trong hình (2.2)

Có thể cơ chế tương tác ion clorua với cốt thép và lớp thụ động đã không được giải quyết đầy đủ Các nghiên cứu của Foley, xuất bản vào năm 1970 và 1975, thường được trích dẫn, ví dụ như Viện Ủy ban Bê tông Mỹ 222 (1985) và Sagoe Crentsil và Glasser (1989) Ba lý thuyết đã được nâng cao - lý thuyết hấp thụ, lý thuyết lớp oxide,

và lý thuyết chuyển tiếp phức tạp Lý thuyết hấp phụ mặc nhiên cho rằng các ion clorua được hấp phụ lên bề mặt của cốt thép ưu đãi để oxy và các ion hydroxyl hòa tan Tốc độ phản ứng của sắt với clo là cao hơn và các chất phức hợp hòa tan được hình thành Kết quả của sự tan rã này thúc đẩy hình thành một cái hố Lý thuyết lớp oxide cho thấy rằng lớp oxit thụ động mở rộng với thâm nhập ion clorua hơn các ion

âm khác Các khuyết tật và lỗ rỗng trong lớp oxide được thông qua để cho phép các ion clorua truy cập vào cốt thép dẫn đến ăn mòn rỗ bề mặt Lý thuyết chuyển tiếp phức tạp mặc nhiên công nhận rằng một chất phức hợp hòa tan của clorua sắt hình thành từ các ion clorua và các ion sắt trong cuộc cạnh tranh với các phản ứng hydroxit sắt Sự khuếch tán của clorua sắt phức hợp đi từ cực dương qua để tiêu diệt các màng thụ động Chất phức hợp sau đó bị phá vỡ với kết tủa sắt hydroxit giải phóng ion clorua Các ion clorua sau đó là tự do để bắt đầu lại chu kỳ

Hình 2.2 - Biểu đồ Evans hiển thị sự xuất phát từ một điều kiện

thụ động do sự hiện diện của clorua

Clorua cĩ thể cĩ mặt trong ba trạng thái: các ion clorua tự do trong dung dịch lỗ rỗng, clorua liên kết bền vững, và clorua liên kết yếu Clorua tự do đĩng gĩp đáng kể vào nguy cơ ăn mịn Chúng cĩ thể được đưa vào từ một nguồn bên ngồi hoặc cacbonat hĩa cĩ thể giải phĩng các clorua liên kết từ các nguồn bên trong Các aluminat cĩ thể kết hợp với clorua bên trong hay bên ngồi đưa vào lên đến một nồng

độ nhất định của clorua, và ngăn chặn chúng cịn lại là clorua tự do gây nguy hiểm Tuy nhiên, việc hạ thấp độ PH bởi cacbonat giải phĩng một số các ion clorua liên kết vào dung dịch lỗ rỗng Clorua liên kết mạnh về mặt kết hợp hĩa học, chủ yếu là canxi chloroaluminates (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) và chloroferrites canxi (3CaO.Fe2O3 CaCl2.10H2O) thơng qua các hydrat aluminate canxi (ví dụ 3CaO.Al2O2.6H2O) Cĩ một phản ứng hai giai đoạn liên quan sản phẩm của clorua canxi từ hydroxit canxi và natri clorua Các clorua liên kết yếu được hấp phụ bởi các bức tường lỗ rỗng được bổ sung từ canxi hydrat silicat như 3CaO.2SiO2.3H2O

Mức ngưỡng của clorua cho ăn mịn khơng hồn tồn được thiết lập bởi vì mức

độ tới hạn mà tại đĩ lớp thụ động bị mất và ăn mịn bắt đầu khĩ để xác định Những lý

do cho điều này bao gồm các ảnh hưởng mơi trường nhưng việc đo lường cũng gây khĩ khăn Bản chất của clo là đáng kể, nhưng phần lớn clo tự do cĩ liên quan, đĩ là tổng mức clorua (tự do và liên kết) được phát hiện trong các thử nghiệm Ngồi ra, tỷ

lệ ion clorua/ion hydroxyl là một yếu tố ảnh hưởng đến sự chi phối hoạt động ăn mịn,

Điện thế E

iăn mòn

Cường độ dòng điện i

nhưng nó không phải là dễ dàng xác định được Phương pháp đo lường (axit hoặc hòa tan trong nước) và biểu thức (khối lượng tính theo trọng lượng xi măng hoặc bê tông) cũng có thể làm so sánh khó khăn Do đó ngưỡng đưa ra là thường là các giá trị điểm riêng lẻ của tổng số clorua, không chỉ clo tự do là có hại Điều này cho phép khả năng tương thích với các kỹ thuật phân tích phổ biến nhất - thường dựa trên clorua hòa tan trong axit Tổng mức clorua hòa tan trong axit, thể hiện theo tỷ lệ phần trăm theo khối lượng xi măng, theo truyền thống được sử dụng trong các qui trình kỹ thuật

2.1.2 Ăn mòn cốt thép trong bê tông do thấm Clorua:

2.1.2.1 Cơ chế hình thành:

Bê tông sau khi đã cứng rắn bao gồm hai thành phần: Đá xi măng và khung cốt liệu Hai thành phần này liên kết với nhau thành một khối cứng chắc và có khả năng chịu lực Khi bê tông sử dụng trong môi trường có tác động xâm thực,nếu không được bảo vệ nó sẽ bi ăn mòn Bê tông có thể bị ăn mòn ở cả ba môi trường: Lỏng,rắn và khí

Có thể phân ra hai 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 xẩy 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 nôi lực và ngoại lực,

gây ra do tác dụng của tải trọng sử dụng, do giãn nở thể tích của nước đóng băng trong các lỗ của bê tông, do thấm ướt và sự khô thay đổi

Ngoài hiện tượng ăn mòn bê tông,trong các môi trường sử dụng,đặc biệt trong môi trường nước biển và ngầm có xảy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép Có hai cơ chế ăn mòn cốt thép: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học

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 (các electron của các nguyên tử sắt được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường) và không có xuất hiện dòng điện, ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với hơi nước và khí oxi Ví dụ:

3Fe + 4H2O  t Fe3O4 + 4H2

2Fe + 3Cl2 t 2FeCl3

3Fe + 2O2 t Fe3O4

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 hoá khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, 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

Trong môi trường biển ăn mòn cốt thép do tác dụng xâm thực của các ion Clngấm vào trong bê tông cốt thép từ môi trường bên ngoài,hoặc do lẫn các vật liệu chế tạo trong bê tông (cát, đá)

-Các cơ chế xâm nhập ion clorua và bê tông

Sự có mặt của ion clorua trong bêtông có thể do nhiều nguyên nhân: dùng phụ gia đông cứng nhanh có chứa ion clorua (CaCl2, khá phổ biến trong thập niên 70); dùng cốt liệu, nước trộn có chứa ion clorua;… Tuy nhiên, đối với các kết cấu bê tông cốt thép vùng biển, nguyên nhân chủ yếu là do sự xâm thực của ion clorua từ môi trường Quá trình xâm thực của ion clorua vào bêtông chủ yếu theo 4 cơ chế sau:

Sự hút mao dẫn do sức căng bề mặt ngoài: Nếu bề mặt kết cấu bê tông không

bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clorua, dưới áp lực mao dẫn, nước chứa ion clorua sẽ xâm nhập vào bê tông bề mặt đến độ sâu khoảng 5÷15 mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày Cơ chế này có thể gây nên sự xâm thực đáng kể của clorua vào lớp bê tông bảo vệ Về mặt lý thuyết, độ cao cột nước mao dẫn trong bê tông với kích thước lỗ rỗng mao dẫn khoảng 10-6m có thể đạt đến 15m Nếu bề mặt kết cấu chịu tác động chu kỳ khô ẩm của nước chứa ion clorua, hệ thống lỗ rỗng sẽ tiếp tục hấp thu và tích trữ ion clorua, dẫn đến lớp bê tông bảo vệ chịu ảnh hưởng của

cơ chế này có nồng độ ion clorua khá cao Đây là trường hợp của phần bê tông ở vùng

nước lên xuống và sóng táp

Sự khuếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua: Khi có sự chêch lệch nồng độ

ion clorua, ion clorua sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clorua sẽ dịch chuyển từ bề mặt bê

tông vào sâu trong kết cấu

Hình 2.3 - Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bê tông khi có mặt ion Cl

-Sự thẩm thấu do chênh lệch áp lực

Áp lực làm tăng tốc độ xâm thực ion clorua vào kết cấu bê tông cốt thép

Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế

Trong thực tế, quá trình xâm thực của ion clorua vào kết cấu bê tông cốt thép là

sự tổng hợp của các cơ chế trình bày ở trên (hình 2.3) Ví dụ, đối với kết cấu bê tông cốt thép trong vùng nước lên xuống và sóng táp, sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài và sự khuyếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua là các cơ chế chính gây xâm thực clorua

Hình 2.4 - Mô hình các quá trình xâm thực ion clorua vào

kết cấu bê tông cốt thép vùng biển

 Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Khi cốt thép được đặt trong bê tông đặc chắc chưa bị cacbonat hóa, môi trường kiềm trong bê tông cao khiến trên bề mặt cốt thép có một lớp ôxit mỏng ngăn cản quá trình ăn mòn Lớp màng ôxit mỏng này được gọi là màng “thụ động” Hiện tượng ăn mòn chỉ xảy ra khi lớp màng “thụ động” bị xuyên thủng Việc ăn mòn cốt thép sẽ dẫn đến nở thể tích, làm nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ và phá hủy toàn bộ bê tông cốt thép

Quá trình màng thụ động xung quanh các cốt thép bị xuyên thủng chỉ xẩy 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

Giới hạn của độ pH đủ để làm mất trạng thái thụ động dao động trong khoảng từ 9 đến 11.5 Nguyên nhân dẫn đến việc độ pH của bê tông bị giảm có một số

lý do: Quá trình cacbonat hóa bê tông dưới tác dụng của CO2 có trong môi trường theo phản ứng:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Quá trình này diễn ra trong bê tông từ ngoài vào trong, theo thời gian Tuy nhiên để quá trình cacbonat hóa diễn ra hoàn toàn (khi đó pH của bê tông chỉ còn khoảng 9) ngay cả khi có chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng cũng cần một khoảng thời gian dài (20-30 năm trở lên) Mặt khác kết quả khảo sát nhiều công trình thực

tế chứng minh thậm chí những kết cấu bê tông có độ pH còn rất cao (>11.5) nhưng hiện tượng ăn mòn vẫn diễn ra

- Nồng độ một số ion xâm thực, điển hình là Cl-, vượt quá giới hạn, gây mất ổn định màng thụ động Ion Cl- có thể có mặt trong bê tông với các lý do:

+ Kết cấu bê tông làm việc trong môi trường biển hoặc các môi trường chứa Clo khác

+ Bê tông được chế tạo từ các vật liệu nhiểm mặn

+ Khi xử lý bê tông bằng các chất làm tan băng

+ Khi xử lý các phụ gia rắn nhanh chứa Clo, v.v

(1) (2) (3)

Hình 2.5 - Quá trình ăn mòn cốt thép cốt thép trong bê tông thấm clo

Giai đoạn (1) Do sự thẩm thấu của nước (chứa các ion Cl-) tác động trực tiếp vào cốt thép làm oxy hóa thép Sản phẩm là hỗn hợp Fe2O3.H2O,Fe(OH)2 - gọi là rỉ sắt

Giai đoạn (2) Oxy hóa thép đến mức độ nào đó sẽ tạo thành một lớp rỉ sắt Lớp

rỉ sắt này xốp có thể tích lớn gấp 2 đến 7 lần thể tích sắt tạo ra nó gây ra áp lực lớnlên lớp bê tông bảo vệ, khi nó lớn hơn cường độ chịu kéo của bê tông thì sẽ gây nứt lớp bê tông bảo vệ

Giai đoạn (3) Lớp rỉ sắt tiếp tục hình thành với thể tích lớn làm nứt ở lớp bê tông bảo vệ hình thành to hơn, đến một thời điểm nào đó lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc

2.1.2.2 Các ảnh hưởng liên quan đến ăn mòn cốt thép:

Trên thế giới có nhiều sự cố công trình mà nguyên nhân chủ yếu là do ăn mòn cốt thép trong bê tông hoặc ăn mòn cốt thép dự ứng lực Ngày 15/12/1965, cây cầu Sliver đột nhiên đổ sụp xuống sông Ohio và theo các nhà điều tra đã chỉ ra các nguyên nhân sập cầu trong đó có do ăn mòn cốt thép

Hình 2.6 - Cầu Sliver sập năm 1965 ( nguồn internet)

Ngày 01/8/2007 cầu thép bắcqua sông Mississippi bị sập do ăn mòn

Hình 2.7 - Cầu qua sông Mississisppi sập năm 2006

Trong đó Việt Nam là một nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới, lượng mưa hàng năm lớn, độ ẩm không khí cao, hơn nữa lại tiếp giáp với bờ biển dài nên hiện tượng ăn mòn các công trình xây dung nói chung và các công trình giao thông nói riêng rất dễ xảy ra Thực tế hiện tượng các công trình cầu bê tông cốt thép bị ăn mòn ở nước xảy ra

ở rất nhiều nơi

Hình 2.8 - Ăn mòn dầm cầu và trụ cầu ở cầu Quá Ván- Đà Nẵng

Hình 2.9 - Ăn mòn cốt thép dầm Van Cống sau 22 năm - Nam Định

Hình 2.10 - Hiện trạng ăn mòn cốt thép cống qua đê biển Hải Phòng

Hình 2.11 - Cốt thép bị ăn mòn một công trình cầu ở Phú Yên

Hình 2.12 - Ăn mòn cốt thép và bong tróc bê tông dầm cầu Vạn Kiếp – Thành phố Tuy Hòa

Ngoài hiện tượng ăn mòn bê tông, trong các môi trường đặc biệt còn xảy ra quá trình ăn mòn cốt thép Có 2 cơ chế ăn mòn cốt thép: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa Trong môi trường biển, ăn mòn cốt thép do tác dụng xâm thực của các ion Cl-ngấm vào bê tông cốt thép từ môi trường bên ngoài Có 4 cơ chế xâm nhập ion Cl- vào trong bê tông:

- Sự hút mao dẫn do sức căng bề mặt

- Sự khuếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua

- Sự thẩm thấu do chênh lệch áp lực

- Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế

Quá trình ăn mòn cốt thép gây suy giảm chất lượng công trình, xảy ra với nhiều

bộ phận 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 như 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 Quá trình ăn mòn cốt thép nếu không được phát hiện và sửa chữa kịp thời sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng mà nặng nhất là hiện tượng sập cầu Vì vậy đòi hỏi cần phải có những nghiên cứu phân tích đánh giá chi tiết quá trình ăn mòn cốt thép đến chất lượng công trình

2.1.3 Phát hiện và thể hiện mức độ clorua

Các thử nghiệm về mức độ clorua nói chung dựa trên kỹ thuật hòa tan clorua trong axit mang lại một giá trị của tổng clo Các thử nghiệm về clorua hòa tan trong nước được coi là ít thường xuyên hơn, mặc dù thực tế là mức độ clorua hòa tan trong nước tốt hơn diễn tả sự có mặt của clorua tự do Kết quả được thể hiện như các giá trị điểm riêng lẻ clorua theo tỷ lệ phần trăm trọng lượng xi măng Hệ số khuếch tán thực

tế của clorua có thể được xác định nếu có đủ các giá trị điểm riêng lẻ được xác định các chiều sâu khác nhau

Các mẫu bột thu được bằng cách khoan bề mặt bê tông thường được phân tích tổng hàm lượng clorua từ clorua khuếch tán có thể được xác định Phương pháp này là phù hợp để thử nghiệm bê tông đỗ tại chỗ cũng như Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Phương pháp có sẵn để xác định độ khuếch tán của clorua trực tiếp bằng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm liên quan đến việc chuẩn bị các bản bê tông đặc biệt Xác định hàm lượng clorua tự do có thể làm được bằng cách phân tích hóa học

của dung dịch lỗ rỗng, nhưng các kỹ thuật lấy mẫu đòi hỏi áp lực rất cao và dụng cụ yêu cầu thường là không có sẵn

Cần lưu ý rằng kết quả có thể được thể hiện là tỷ lệ phần trăm clorua theo trọng lượng của bê tông trong một số trường hợp Điều này có thể phát sinh trong thẩm định các cấu trúc hiện có trong trường hợp hàm lượng xi măng không được biết đến chắc chắn Ước tính của tỷ lệ phần trăm clorua theo trọng lượng xi măng có thể được thực hiện bằng cách nhân với một hệ số thích hợp Một hệ số từ 6.0 đến 7.0 thường được sử dụng cho bê tông xi măng có hàm lượng là 300 kg/m3 Hệ số giảm xuống khoảng 5,0 trong trường hợp hàm lượng xi măng là 400 kg/m3

Lấy mẫu

Mẫu bột có thể thu được bằng cách khoan bề mặt cấu kiện hoặc bằng cách khoan các lõi mặt bên thu hồi từ mặt cấu kiện Các thử nghiệm phá hoại mẫu cũng có thể thực hiện, nhưng không khuyến khích Các thực hành phổ biến nhất là thu hồi các mẫu bột bằng cách khoan vuông góc với một bề mặt cấu kiện Mẫu là đại diện của chiều sâu dải bao phủ Các dải cụ thể được lựa chọn có thể được liên quan đến độ sâu của lớp bê tông bảo vệ nhưng khoảng cách thường được sử dụng là 0-10mm, 10-25mm, 25-50mm, 50-100mm và 150-200mm Các mẫu bột từ 1 chiều sâu đầu tiên khoảng 5mm tính từ bề mặt tiếp xúc, cần được loại bỏ do mất clorua thông qua nước mưa rửa trôi Một độ sâu lớn hơn có thể chiết giảm nếu cacbonat hóa là sâu Điều này

là bởi vì cacbonat hóa giải phóng clorua liên kết, và một làn sóng của clo tự do di chuyển vào bên trong trước bề mặt cacbonat hóa có thể tạo ra các số đo cao bất thường trong một dải chiều sâu cụ thể Các dải độ sâu có thể được sử dụng để thiết lập một mức độ clorua cơ sở, nếu chúng vượt ra ngoài khu vực của clorua khuếch tán vào bên trong Trong trường hợp điều tra tuân thủ các giới hạn về mức độ clorua từ mười đến hai mươi mẫu được yêu cầu nếu các mức độ clorua là gần với các giới hạn cho phép

Báo cáo kỹ thuật của Hiệp hội Bê tông số 32 (1989) khuyến cáo sử dụng một lỗ khoan đường kính tối thiểu 10mm và tối đa 25mm Vài cái lỗ được khoan cho mỗi vị trí để tạo ra một mẫu đại diện ít nhất 30g Nhiều cơ quan kiểm tra sử dụng một lỗ khoan đường kính 20 mm và tối thiểu là ba lỗ cho mỗi vị trí để tạo ra một mẫu đại diện kết hợp của ít nhất là 25g mỗi khoảng chiều sâu Cỡ mẫu nhỏ hơn có thể gây hiểu lầm nếu phần lớn chúng là bột có nguồn gốc từ khoan cốt liệu

Các lõi có thể được thu hồi từ các bộ phận và khoan bột được thực hiện ở độ sâu cụ thể qua mặt bên của lõi Tuy nhiên cần lưu ý rằng một số tổn thất của các muối hòa tan trong nước và phân phối lại của clo có thể được gây ra bởi việc sử dụng nước bôi trơn mũi khoan khi khoan lõi Hiệu quả là đáng kể hơn nếu các lõi có đường kính nhỏ được sử dụng

Có thể để tiến hành các thử nghiệm trên những mảnh vỡ ra một phần tử, mặc dù không mong muốn Bê tông thu hồi bằng phương pháp này nên được chia nhỏ thành các cục và nghiền nát để tạo ra một mẫu 25g từ ít nhất một mảnh 50g Rõ ràng đây không phải là một phương pháp ưa thích vì nó khó để xác định các dải chiều sâu với

độ chính xác Các thử nghiệm trên mảnh đập vụn không được khuyến khích do khả năng của cacbonat hóa, do đó trình bày một mặt cắt clorua có thể không đại diện của các kết cấu như một tổng thể

Đo lường

Các thử nghiệm về mức độ clorua nói chung dựa trên kỹ thuật clorua hòa tan trong axit Điều này mang lại một giá trị tổng số clorua đánh giá quá cao mối mối đe dọa độ bền từ clorua tự do Tuy nhiên cần lưu ý rằng clorua liên kết có thể được giải phóng trong một số trường hợp nhất định và các điều khoản qui trình kỹ thuật áp đặt giới hạn về hàm lượng clorua thường được dựa trên tổng số clorua cho các lý do của thực tiễn Hơn nữa Tuuti (1982) thấy rằng hàm lượng clorua tự do có thể là tỷ lệ thuận với tổng hàm lượng clorua

Hàm lượng clorua có thể được xác định trong một số cách khác nhau Phương pháp chuẩn độ Volhardt sử dụng nitrat bạc (AgNO3) thường được dùng, như mô tả ví

dụ trong tiêu chuẩn Anh BS 1881 mà kỹ thuật thay thế có sẵn Một phương pháp xác định các ion clorua bằng cách đo điện thế có thể được sử dụng Kỹ thuật tinh vi của quang phổ huỳnh quang tia X là thuận lợi trong thời gian yêu cầu để phân tích ngắn

Nó cũng cho phép xác định được hàm lượng xi măng từ cùng một mẫu Hơn nữa, thử nghiệm lặp lại là có thể Tuy nhiên phương pháp này là dùng để so sánh và vì vậy các mẫu tiêu chuẩn phải có sẵn với hàm lượng clorua được biết đến

Các phương pháp phát hiện nhanh

Một thay thế cho khoan các mẫu bột trên hiện trường để phân tích trong phòng thí nghiệm sau này là việc sử dụng các thử nghiệm để xác định nhanh chóng mức độ clorua Thử nghiệm như vậy cân đối độ chính xác cho tốc độ Các kỹ thuật hữu ích cho

kiểm tra nhanh chóng về việc tuân thủ qui trình kỹ thuật, nhưng mức độ chính xác có thể sẽ loại trừ sự phụ thuộc vào các thử nghiệm trong các trạng thái giới hạn Một số

bộ dụng cụ sản xuất thương mại để xác định nhanh chóng mức độ clorua đã có trên thị trường Trong trường hợp của một bộ một mẫu 5 g được xử lý bằng axit nitric và natri carbonat khan ở nhiệt độ phòng Nồng độ clorua được xác định bằng cách sử dụng một băng mẫu thử độc quyền Như vậy phương pháp này là nhanh chóng và không tốn kém Một bộ dụng cụ thương mại khác có liên quan đến việc xử lý 5 g mẫu với axit nitric và natri bicarbonate Nitrat bạc được thêm vào thả nhỏ giọt cho đến khi một sự thay đổi màu sắc được ghi nhận Nồng độ clorua được xác định bằng cách ghi lại số lượng giọt yêu cầu Độ chính xác của các kết quả với những bộ dụng cụ không được khẳng định là tốt như các phương pháp chuẩn độ Những lợi ích được khen ngợi của tính năng các thử nghiệm sàng lọc là nhanh chong và chi phí thấp

2.1.4 Mức giới hạn clorua cho sự ăn mòn trong bê tông

Khử màng thụ động của cốt thép trong bê tông bởi các ion clorua trong cuộc cạnh tranh với việc khôi phục của màng oxide thụ động của các ion hydroxyl Điều này đã dẫn đến các khái niệm về một mức ngưỡng clorua giới hạn Mức độ giới hạn

mà tại đó tính thụ động bị mất và ăn mòn bắt đầu là không xác định rõ ràng và biến đổi đáng kể tồn tại trong các tài liệu về mức độ clorua được tìm thấy để bắt đầu ăn mòn

Do đó, lượng clo giới hạn cần thiết để bắt đầu ăn mòn là một vấn đề có nhiều cuộc tranh luận và xem xét đã được xác định đối với các yếu tố có thể ảnh hưởng đến nó trong bất kỳ tình huống nào

Sự khởi đầu của sự ăn mòn và do đó ngưỡng mức độ giới hạn clorua là phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm các yếu tố sau đây:

- Tính hóa học của các chất kết dính, đặc biệt là hàm lượng C3A

- Tỷ lệ của tổng số các clorua mà là clorua tự do

- Tỷ số Ion clorua/ion hydroxyl

môi trường làm việc của nó Chẳng hạn có một số mâu thuẫn về ảnh hưởng của độ PH Tuy nhiên lưu ý rằng việc giảm tỷ lệ nước/chất kết dính làm tăng cả ngưỡng ăn mòn

và độ PH trong khi việc bổ sung muội silic có tác dụng ngược lại trong mỗi trường hợp Tuy nhiên hiện tại có một số lượng lớn các dữ liệu công bố gợi ý các giá trị cho hàm lượng ion clorua bên dưới có một nguy cơ sự ăn mòn cốt thép thấp có thể chấp nhận được Một đánh giá của tài liệu cho thấy một xu hướng thỏa thuận mức clorua 0,4% theo khối lượng xi măng đại diện cho một tiêu chuẩn chấp nhận được cho các mục đích thiết kế

Everett và Treadaway (1980) đề nghị các mô tả nguy cơ ăn mòn và điều này đã được thông qua trong Viện nghiên cứu xây dựng (1982) và Hiệp hội bê tông (1984) Báo cáo kỹ thuật số 26 như sau đây:

- Clorua ít hơn 0,4% theo khối lượng xi măng: nguy cơ thấp

- Clorua từ 0,4 đến 1,0% theo khối lượng xi măng: nguy cơ trung bình

- Clorua lớn hơn 1,0% theo khối lượng xi măng: nguy cơ cao

Một tiêu chí tập hợp tương tự nguy cơ ăn mòn đã được sử dụng bởi Browne (1980):

- Clorua ít hơn 0,4% khối xi măng: nguy cơ không đáng kể

- Clorua 0,4 đến 1,0% theo khối lượng xi măng: có thể có nguy cơ

- Clorua 1,0 đến 2,0% theo khối lượng xi măng: có thể có nguy cơ

- Clorua lớn hơn 2.0% theo khối lượng xi măng: chắc chắn có nguy cơ

Các quy chuẩn chỉ định tổng mức clorua không được vượt quá trong bê tông tươi Các mức này đã được thiết lập bảo thủ đặc biệt dựa trên các hư hỏng bề mặt các công trình và các kết cấu dự ứng lực bởi sự ăn mòn do clorua gây ra Sự xem xét của một số tiêu chuẩn quốc gia và tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1, cho thấy giá trị clorua trong khoảng 0,1-0,4% theo khối lượng chất kết dính bao gồm các ví dụ sau đây: 0,4% trong trường hợp của bê tông cốt thép; 0,2% cho xi măng portland chống sunfat; 0,1% cho bê tông dự ứng lực và bảo dưỡng nhiệt Giá trị thấp hơn trong trường hợp của xi măng pooc lăng chống sunfat phản ánh mức thấp hơn của aluminate Tricalcium (C3A)

có sẵn để liên kết các clorua và thực tế rằng nếu sunfat tấn công xảy ra các mức ion clorua tự do tăng lên do sự phân hủy của canxi chloroaluminates (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) Cần nhấn mạnh rằng đây là những giới hạn về hàm lượng clorua tổng số của công trình mới, không phải là hàm lượng clorua tự do, và do đó

không đại diện cho ngưỡng ăn mòn như vậy, đó sẽ là một giá trị cao hơn Buenfeld (1986) tuyên bố rằng thậm chí 0,2% clorua theo khối lượng xi măng có thể dẫn đến sự

ăn mòn nếu clorua được du nhập từ một nguồn bên ngoài và một tỷ lệ lớn vẫn được tự

do trong dung dịch lỗ rỗng Khẳng định này, cùng với các qui chuẩn giới hạn điển hình trên là đồng ý với hiệp hội bê tông (1989) báo cáo, đề nghị điều tra ăn mòn cốt thép nếu hàm lượng clorua đo được lớn hơn 0,6% theo khối lượng xi măng

Sự suy giảm độ bền rộng lớn trong cấu trúc đường cao tốc áp dụng muối chống đóng băng dẫn đến Ủy ban Viện nghiên cứu bê tông Mỹ 222 (năm 1985) để có một phương pháp rất thận trọng trong khung kiến nghị Họ đề nghị mức 0,2% cho bê tông cốt thép và 0,08% cho bê tông dự ứng lực Ủy ban ACI quyết định rằng số lượng lớn các dữ liệu mâu thuẫn nhau về các giá trị ngưỡng ăn mòn và khó khăn trong việc xác định môi trường làm việc trong suốt vòng đời của một kết cấu đòi hỏi phải có các giá trị thận trọng

Gồm một số tài liệu đánh giá toàn diện các công bố về mức ngưỡng giới hạn của clorua Một loạt các giá trị tồn tại từ tối thiểu 0,06% đến tối đa là 2,5% tính theo trọng lượng xi măng Pettersson (1992) đã trình bày một đánh giá dựa trên sáu nghiên cứu được công bố Phạm vi từ 0,06 đến 2,5% Cần lưu ý rằng các tính chất khác nhau của bê tông và môi trường làm việc của nó ảnh hưởng đến phạm vi này Các biến số bao gồm: độ PH, loại xi măng, chế độ bảo dưỡng, tỷ lệ nước/chất kết dính và sử dụng các phụ gia Bamforth (1996) công bố một đánh giá có nguồn gốc từ hơn hai mươi nguồn bao gồm nhận xét của Funahashi của bảy nghiên cứu vào năm 1990 Các giá trị cho các mức ngưỡng clorua giới hạn thay đổi từ 0,06 đến 2,2% tính theo trọng lượng

xi măng Phạm vi rộng được tính toán riêng cho các phương pháp thử nghiệm khác nhau Glass và Buenfeld (1995) lưu ý một loạt các giá trị ngưỡng được công bố của 0,17 đến 0,7% cho các thử nghiệm tiếp xúc hiện trường và 0,4-2,5% đối với các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Họ cho rằng xác định một mức ngưỡng duy nhất clorua áp dụng cho một loạt các kết cấu là không làm được

Phạm vi của các mức ngưỡng giới hạn clorua đã công bố hiện nay bao gồm một phạm vi rộng và độ nhạy của các thông số ảnh hưởng là không rõ ràng Glass và Buenfeld (1995) đề nghị rằng có thể có ích để xem xét các ngưỡng clorua giới hạn duy nhất là một chỉ số có nguy cơ ăn mòn Kết quả của một nghiên cứu về các cây cầu ở Vương quốc Anh cho thấy có một hàm lượng clorua giữa 0,35 và 0,5% tính theo trọng

lượng xi măng cho một nguy cơ ăn mịn dưới 25% Hàm lượng Clorua vượt quá 1,0% cho một nguy cơ ăn mịn hơn 70% Họ kết luận rằng khơng cĩ tác động thêm, khơng

cĩ cải tạo cĩ thể được thực hiện với các mức ngưỡng clorua đề nghị 0,4% cho các cơng trình tiếp xúc với một khí hậu ơn đới châu Âu và 0,2% cho các kết cấu tiếp xúc với một mơi trường xâm thực hơn Tương tự, Hội bê tơng (1996) tuyên bố rằng khi mức ngưỡng của clorua cĩ thể nằm giữa 0,17 và 2,5% là tốt nhất cĩ thể được thực hiện hiện nay là sử dụng tiêu chí trong khoảng từ 0,2 đến 0,4%

Do đĩ một mức ngưỡng duy nhất của clorua đối với ăn mịn khơng được thành lập, tuy nhiên cĩ thể cĩ một mối quan hệ giữa hàm lượng clorua giới hạn, độ ẩm tương đối và chất lượng bê tơng đã được xuất bản bởi Comite Euro-International du Beton (1989) Mối quan hệ này đã được sử dụng như một hướng dẫn trong thiết kế của đường hầm Scheldt ở phía Tây Hà Lan (Breitenbucher và cộng sự 1999), trong những điều cĩ thể được sử dụng đầu tiên của các mơ hình tốn học trong một tiêu chuẩn kỹ thuật dựa trên thiết kế độ bền Xu hướng của mối quan hệ được chỉ ra như trong hình (2.3) Độ cao chính xác của đường cong phụ thuộc vào chất lượng của bê tơng và mức

độ của cacbonat hĩa Chất lượng bê tơng tốt hơn thì mức độ clorua giới hạn cao hơn

Sự carbonat hĩa của bê tơng làm giảm mức clorua giới hạn

Hình 2.13 - Hàm lƣợng clo giới hạn điển hình cho bê tơng

khơng cacbonat chất lƣợng tốt

2.1.5 Mơ hình tốn học của sự xâm nhập clorua

Clorua xâm nhập từ mơi trường bên ngồi xảy ra bằng cách khuếch tán và bằng cách hút mao dẫn Trong giai đoạn đầu tiếp xúc với clo được vận chuyển vào bê tơng

Hàm lượng clo giới hạn (theo khối lượng xi măng)

0,4%

Độ ẩm tương đối

bởi sự hấp thụ Tác dụng hấp thụ có thể giảm theo thời gian trừ khi bê tông chịu ẩm ướt và hong khô Mô hình toán học của sự xâm nhập clorua hiện đang được phát triển được chủ yếu dựa trên sự khuếch tán clorua mặc dù đã cố gắng thực hiện để đưa độ hấp thu vào trong tính toán Sự xem xét sau đây minh họa sự đa dạng của cách tiếp cận

mô hình clorua xâm nhập có thể được sử dụng như là điểm bắt đầu trong việc phát triển các công cụ dự đoán tuổi thọ và sử dụng dựa trên các thông số kỹ thuật

Mô hình Fick với hệ số khuếch tán biểu kiến

Mô hình dựa trên xem xét của sự khuếch tán một mình được xây dựng xung quanh định luật khuyết tán thứ hai của Fick và lời giải hàm sai số của Crank Định luật thứ hai của sự khuếch tán của Fick liên quan đến tốc độ thay đổi nồng độ theo thời gian Nó được thể hiện như sau cho sự khuếch tán trong một môi trường bán vô hạn, đồng nhất, nơi mà các hệ số khuếch tán (D) là độc lập của các biến số phụ thuộc và độc lập:

2 2

2

x

CDt

x

)tD(2

xerf1C

C



Dca = hệ số khuếch tán biểu kiến

t = thời gian tiếp xúc

erf = hàm sai số

Nhiều mô hình dựa trên định luật khuếch tán thứ hai của Fick và trên giả định đơn giản rằng hệ số khuếch tán là không đổi

Việc xác định hệ số khuếch tán trong một cấu trúc hiện tại có liên quan đến một

số giai đoạn Đầu tiên bê tông được lấy mẫu tại một loạt các độ sâu để xác định mức

độ độ clorua Mức độ clorua được xác định bằng cách phân tích trong phòng thí nghiệm Cách tốt nhất là khi độ sâu lấy mẫu cuối cùng sao cho mức độ clorua cơ bản

cĩ thể phát hiện Mức độ cơ bản này được khấu trừ từ các giá trị khác và một độ chênh lệch nồng độ sẽ vẽ biểu đồ của clorua đã khuếch tán vào bê tơng Hình (2.4) minh họa một biểu đồ như vậy Cĩ thể được lưu ý rằng mức độ bề mặt clorua bị giảm do tác động của muối được rửa trong nước mưa Trong kết cấu bê tơng, các hiệu ứng như vậy

cĩ thể dẫn đến sự biến đổi nồng độ độ clorua bề mặt (Cs) và do đĩ nồng độ clorua bề mặt danh nghĩa được sử dụng (Csn) Điều này cĩ thể đạt được bằng cách ngoại suy Biết tuổi của cấu trúc, một đường cong phù hợp nhất được trang bị và giá trị của hệ số khuếch tán biểu kiến cĩ thể được xác định

Hình 2.14 - Đường cong phù hợp nhất dựa trên lời giải hàm sai số

của Crank đối với định luật khuêch tán 2 của Fick

Việc xác định hệ số khuếch tán biểu kiến này cĩ thể được thực hiện trên các bộ phần mềm bảng tính bao gồm hàm sai số Cĩ thể thấy rằng các vấn đề cĩ thể phát sinh

từ sự kết hợp của các con số rất nhỏ (ví dụ, hệ số khuếch tán biểu kiến theo thứ tự của

10-12 m2/s) và các con số rất lớn (ví dụ, thời gian tiếp xúc của theo thứ tự của 108 giây) Các khĩ khăn cĩ thể được khắc phục bằng cách xác định thời gian trong nhiều năm và chuyển đổi hệ số khuếch tán biểu kiến cho các bộ phận yêu cầu ở phần cuối của việc tính tốn

Chiều sâuChiều sâu lấy mẫu tăng dần

Hàm lượng clo(theo % khối lượng xi măng hoặc bê tông)

Mức clo bề mặt danh định (Csn) bằng cách ngoại suy

Biên dạng đo được

Đường cong phù hợp nhất, lời giải hàm sai số của Clank đối với định luật khuyêch tán thứ 2 của Fick

Một số nghiên cứu đã đặt câu hỏi về tính hợp lệ của dự đoán dựa trên mô hình khuyếch tán đơn giản trong các trường hợp xâm nhập clorua Chatterrji (1995) lập luận rằng một mô hình hoàn toàn dựa trên định luật thứ hai của Fick là vấn đề do bản chất ion clorua Nó cũng được lập luận rằng mô hình khuếch tán không xem xét việc vận chuyển clo bằng cách hấp thụ và rằng hiệu ứng này làm giảm theo thời gian Hơn nữa,

sự phụ thuộc vào việc đo lường mức tổng clorua trong một bê tông là một chỉ báo về nguy cơ ăn mòn trong tương lai có thể bị nghi vấn vì những lý do sau đây:

- Các giá trị khuếch tán clorua cho một bê tông nhất định không thể là không đổi theo thời gian, tiếp tục làm giảm hydrat hóa

- Các tốc độ khuếch tán có thể khác nhau với chiều sâu từ bề mặt

- Nồng độ clorua bề mặt tăng theo thời gian nếu bề mặt bê tông là phải chịu các chu kỳ ướt và khô

- Khả năng của các chất kết dính xi măng khác nhau để liên kết clorua đã không được nghiên cứu đầy đủ

- Mặt cắt chỉ dựa trên các kết quả thử nghiệm nhanh trong phòng thí nghiệm không tương quan với sự làm việc của kết cấu bê tông trong thực tế

Tuy nhiên, nó thường được chấp nhận nhưng không hoàn hảo, mô hình của Fick cung cấp điểm bắt đầu tốt nhất cho thế hệ đầu tiên của mô hình dự đoán Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên có khả năng được hoàn thành bằng các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhưng sai số trong kết cấu thực sự là đáng kể Nghiên cứu đang tiếp tục nâng cao các mô hình áp dụng trong thực tế

Đối với các nghiên cứu so sánh nhanh, nó có thể hữu ích để lưu ý rằng công thức dựa trên định luật khuếch tán thứ hai của Fick dẫn đến mối quan hệ căn bậc hai của thời gian với chiều sâu của sự thâm nhập

Mô hình hóa phần tử

Trong những năm 1980, Schiessl nghiên cứu việc sử dụng các mô hình sai phân hữu hạn để đưa vào tính toán của những chỉ trích của việc sử dụng một giá trị cố định của hệ số khuếch tán một mình mà không cho phép các ảnh hưởng khác Sau đó Bentz

và cộng sự (1996) đã phát triển một mô hình sai phân hữu hạn để nghiên cứu ảnh hưởng của PFA (tro bay) trong việc giảm sự xâm nhập clorua trong trường hợp của một khu vực tiếp xúc với thủy triều biển Mô hình này sử dụng sai phân hữu hạn triển khai trực tiếp định luật thứ hai về sự khuếch tán của Fick và hiệu chỉnh cho những ảnh