Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực thành phố hồ chí minh

Tuy nhiên tại Việt Nam việc sử dụng loại thép này trong xây dựng cầu còn chưa nhiều do việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết tại Việt Nam còn hạn chế.. Kết quả nghiên

-o0o -

THÁI THANH HIẾU

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở KHU VỰC

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

MSHV: 12380407

Họ và tên học viên: THÁI THANH HIẾU

Ngày, tháng, năm sinh: 28-10-1987

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu, Hầm

Nơi sinh: Hà Tĩnh

Mã số: 60 58 25

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tiến hành đo đạc, thu thập dữ liệu môi trường và dữ liệu về gỉ thông qua thí nghiệmphơi bày ở khu vực Cần Giờ, ven biển thành phố Hồ Chí Minh Thiết lập mối tương quan giữa các yếu tố môi trường đến tốc độ ăn mòn của thép chịu thời tiết Từ đó đưa ra dự đoán mất mát ăn mòn khi áp dụng thép chịu thời tiết tại Cần Giờ Làm cơ sở công bố,

đưa ra hướng dẫn cho việc áp dụng thép chịu thời tiết vào Việt Nam

Luận văn gồm các nội dung sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về cầu thép và vật liệu dùng cho cầu

Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết cầu thép chịu thời tiết

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cầu thép chịu thời tiết

Chương 4: Kết quả thí nghiệm, đánh giá

Kết luận, kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09-2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-06-2016

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng,

người đã tận tình chỉ dẫn và có những góp ý vô cùng quý báo giúp tôi hoàn thành nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn các thành viên cùng tôi tham gia trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam

do Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng chủ trì, đã nhiệt tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến và cung cấp các thông tin bổ sung, các số liệu hữu ích giúp tôi hoàn thành luận văn một cách đầy đủ nhất

Xin gửi lời cảm ơn đến cô Lê Thị Bích Thủy, thầy Phùng Mạnh Tiến đã có những đóng góp tích cực khi phản biện luận văn của tôi

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tất cả các quý Thầy (Cô) khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường ĐH Bách Khoa TPHCM, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè lời cảm

ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi theo hết khóa học thạc sĩ và hoàn thành luận văn

TÓM TẮT

Tại các nước phát triển, thép chịu thời tiết đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong xây dựng cầu và đã chứng tỏ được ưu điểm vượt trội của mình Tuy nhiên tại Việt Nam việc sử dụng loại thép này trong xây dựng cầu còn chưa nhiều do việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết tại Việt Nam còn hạn chế Nghiên cứu được trình bày trong nội dung luận văn này là nghiên cứu thực nghiệm dựa trên các số liệu hiện trường đo đạc và thu thập thông qua các thí nghiệm phơi bày Sau đó các số liệu sẽ được phân tích và tính toán dựa trên mô hình đánh giá và

dự đoán mất mát ăn mòn thích hợp Kết quả nghiên cứu bước đầu trong một năm tại khu vực ven biển thành phố Hồ Chí Minh đã thu được kết quả tốt; Thép chịu thời tiết thông thường được xem là có thể ứng dụng tại các nơi được thử nghiệm (Trừ cầu Hà Thanh với khoảng cách quá gần bờ biển) với mất mát ăn mòn năm đầu tiên trong giới hạn cho phép Tuy vậy, cần có thêm những kết quả nghiên cứu của các giai đoạn kế tiếp để có thể đánh giá chính xác khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết, từ đó đề xuất phạm vi ứng dụng của loại thép này trong xây dựng cầu ở khu vực ven biển thành phố Hồ Chí Minh

ABSTRACT

In developed countries, weathering steels have been used widely in bridge construction with many advantages However, in Vietnam, the use of weathering steels in bridge construction is still poor due to the study of weathering steels in Vietnam is still limited The research is experimental research based on data that was measured and collected by exposure tests The data was analyzed and calculated based on the appropriate model for evaluation and prediction of corrosion loss Initial results of one year in coastal region of Ho Chi Minh City indicated that, conventional weathering steels are generally considered to be applied at all test sites (except the bridge Ha Thanh with the distance too near from the coast) with corrosion loss in the first year within the limits allowed However, additional research results of the next stage are needed to be able to accurately evaluate the application of weathering steels, which proposed scope of application of this steel in bridge construction in coastal regions of Ho Chi Minh City

BẢN CAM KẾT

Họ và tên học viên: Thái Thanh Hiếu

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình Giao Thông

Tên luận văn: Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm, có sử dụng các tài liệu tham khảo có ghi trong phần tài liệu tham khảo và với sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đặng Đăng Tùng Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về luận văn này và chịu bất kỳ hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường nếu vi phạm

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Học viên

Thái Thanh Hiếu

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP 4

1.1.1 Đặc điểm của vật liệu thép và cầu thép 4

1.1.2 Ưu, khuyết điểm của cầu thép 4

1.1.3 Phương hướng phát triển cầu thép 6

1.2 VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU 6

1.3 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 8

1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết 8

1.3.2 Phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết 11

1.3.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết 12

1.3.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết 16

1.4 NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦUTHÉP CHỊU THỜI TIẾT 19

2.1 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 19

2.1.1 Vật liệu thép đối với cầu thép chịu thời tiết 19

2.1.2 Phân loại thép chịu thời tiết 19

2.1.3 Thời gian ổn định lớp gỉ 21

2.1.4 Hình thái của lớp gỉ bảo vệ 22

2.2 CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 24

2.3 PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĂN MÒN 25

2.3.1 Phương trình cơ bản 25

2.3.2 Hệ số A và số mũ B 26

2.4 MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ MÔI TRƯỜNG CHO VIỆC SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG 30

2.4.1 Nồng độ muối trong không khí 30

2.4.2 Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển 32

2.4.3.Thời gian ngưng tụ ẩm và nhiệt độ 33

2.4.4 Nồng độ SOx trong không khí 34

2.5 ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM 35

2.6 NHẬN XÉT 39

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 40

3.1 NGUYÊN TẮC CHỌN CẦU ĐỂ TIẾN HÀNH KHẢO SÁT 40

3.2 PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM 44

3.3 THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 49

3.3.1 Các số liệu nhiệt độ, độ ẩm 49

3.3.2 Nồng độ muối trong không khí 50

3.3.3 Các số liệu bề dày lớp gỉ mẫu thép 52

3.4 NHẬN XÉT 53

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ 54

4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỀ MÔI TRƯỜNG 54

4.1.1 Nhiệt độ và độ ẩm 54

4.1.2 Kết quả phân tích mật độ muối trong không khí 60

4.2 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ MẤT MÁT ĂN MÒN 62

4.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TỔNG HỢP BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠI 3 CẦU ĐỐI VỚI MẪU THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG JIS SMA400 … … 65

4.4 NHẬN XÉT 69

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 70

1 Kết luận 70

2 Kiến nghị 70

3 Hướng nghiên cứu tương lai 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

CỦA ĐỀ TÀI - -

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Do nhu cầu đi lại của người dân ngày càng tăng cao, đồng thời quỹ đất phát triển giao thông trong các thành phố lớn không được tăng thêm Dẫn đến yêu cầu về giao thông khác mức với các cầu vượt bằng thép đang được xây dựng ở nhiều tỉnh thành Bên cạnh đó các dự án mở rộng các tuyến đường quốc lộ, đường Hồ Chí Minh cũng đang gấp rút hoàn thành Trên các tuyến đường này các cây cầu cũ và yếu vẫn đang được giữ lại để khai thác với tải trọng hạn chế, trong tương lai sẽ được nghiên cứu thay thế, sửa chữa Trong công tác tăng cường cầu cũ, việc thay thế các dầm cầu

cũ bằng các dầm thép cũng đã được xem xét đánh giá Tuy nhiên do giá thành xây dựng và chi phí bảo dưỡng cầu thép còn cao hơn nhiều so với cầu bê tông cốt thép Cho nên phương án dầm bê tông vẫn được lựa chọn trong hầu hết các phương án sửa chữa, thay thế

Hàng loạt các dự án đường cao tốc, đường vành đai… đang được xây dựng trên khắp cả nước nhằm giảm tải cho những tuyến đường qua thành phố đang trở nên quá tải Nhiều tuyến đường đang cần gấp rút hoàn thành tuy nhiên trên những tuyến đường này, các cây cầu được xây dựng chủ yếu là cầu bê tông nặng nề với thời gian thi công kéo dài Cầu thép với thời gian thi công được rút ngắn do có thể chế tạo các chi tiết tại công xưởng lại không được sử dụng do công tác bảo trì và bảo dưỡng tốn kém, mất nhiều thời gian Cầu thép với vật liệu thép chịu thời tiết lại chưa được ứng dụng do việc nghiên cứu về các loại thép chịu thời tiết để ứng dụng trong xây dựng cầu ở nước ta hiện nay còn hạn chế

Tại các nước phát triển hiện nay, việc xây dựng công trình cầu không chỉ đáp ứng về yếu tố giao thông mà tốc độ thi công, yếu tố thân thiện với môi trường và tính thẩm mỹ cũng là vấn đề được đưa ra xem xét Đồng thời yêu cầu chọn phương án cầu công tác bảo dưỡng ít nhất mà vẫn đảm bảo thời gian khai thác được đưa lên hàng đầu.Với những yêu cầu kể trên, cầu thép làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết là một

sự lựa chọn đúng đắn nhất với những ưu điểm vượt trội về giá thành chi phí vòng đời, công tác bảo trì và bảo vệ môi trường.Vì vậy một nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở nước ta nói chung và cho từng vùng miền nói riêng là thực sự cần thiết và cấp bách

Đề tài nằm trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam do TS Đặng Đăng Tùng chủ trì Kế thừa từ những kết quả trong các luận văn thạc sĩ : “Phân tích khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh – Phan Thiết” của tác giả Hồ Trung Thông [1] và “Nghiên cứu khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng” của tác giả Nguyễn Hoàng Huy [2] kết hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường thu thập được sau một năm ở Cần Giờ, khu vực ven biển Thành phố Hồ Chí Minh đề tài sẽ trình bày mối tương quan của các yếu tố môi trường (nồng độ muối trong không khí, nhiệt độ, độ

ẩm, cự li khoảng cách bờ biển…) đến sự mất mát ăn mòn của thép chịu thời tiết từ

đó đưa ra khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết, và đề xuất phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực ven biển thành phố Hồ Chí Minh

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các loại thép chịu thời tiết dùng cho kết cấu thượng tầng (dầm, giàn) của cầu bắc qua sông, suối Các mẫu thép thí nghiệm bao gồm thép thường, thép chịu thời tiết truyền thống, thép chịu thời tiết mới với hàm lượng Niken cao, thích hợp cho môi trường ven biển với nồng độ muối trong không khí lớn Các loại thép này đã được sử dụng rất rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật…

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thí nghiệm phơi bày tại khu vực Cần Giờ, ven biển thành phố Hồ Chí Minh Trong phạm vi một đề tài luận văn Thạc sĩ, đề tài nhằm mục đích đánh giá ứng xử ăn mòn của thép chịu thời tiết tại khu vực ven biển thành phố Hồ Chí Minh, xây dựng một nền tảng và làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài được giải quyết thông qua một số phương pháp chính sau:

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến thép chịu thời tiết và cầu thép chịu thời tiết

- Thực hiện thí nghiệm phơi bày đối với thép chịu thời tiết

- Phân tích và dự đoán tốc độ ăn mòn thép chịu thời tiết tại khu vực nghiên cứu

- Dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá ăn mòn, mô hình dự đoán tốc độ ăn mòn và các dữ liệu thí nghiệm được thu thập và phân tích Tiến hành đánh giá

về khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết trong việc xây dựng cầu ở khu vực ven biển thành phố Hồ Chí Minh

Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa một hàm lượng nhỏ các thành phần chống ăn mòn như đồng, niken và crom Khi được sử dụng trong môi trường không khí thích hợp sẽ dễ tạo thành lớp gỉ mỏng bám dính tốt trên bề mặt thép và bảo

vệ bề mặt thép ngăn chặn lớp gì tiến vào sâu hơn Quá trình này sẽ diễn ra khác nhau tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và môi trường Đặc biệt đối với các công trình giao thông, nơi mà thép phải làm việc trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp với môi trường, quá trình hình thành gỉ sắt sẽ xảy ra nhanh hơn so với thông thường Ở các nước phát triển đã thành công trong việc ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng công trình giao thông, giúp giảm chi phí duy tu bảo dưỡng Tuy nhiên Việt Nam là một nước nhiệt đới, với phần lãnh thổ dài và hẹp từ Bắc vào Nam, đường bờ biển trải dài theo chiều dài đất nước ảnh hưởng của biển len lỏi khắp nơi, nồng độ muối nhiều, độ ẩm cao thì có thể sử dụng thép chịu thời tiết được hay không? Do đó trên cơ sở hiểu biết

về thép chịu thời tiết qua các thí nghiệm phơi bày và phân tích tại Việt Nam sẽ giúp ích trong việc vận dụng đúng đắn thép chịu thời tiết trong xây dựng các công trình giao thông với chi phí bảo dưỡng thấp nhất

Việc lựa chọn thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm môi trường, khí hậu…, vì vậy một nghiên cứu, đánh giá mang tính tổng quan

về khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu ở Việt Nam là rất cần thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÉP

VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG TRONG CẦU

- -

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1.1 Đặc điểm củavật liệu thép

Vật liệu thép có khả năng chịu lực lớn hơn so với các loại vật liệu thông thường như: đá, gỗ, bê tông, Đồng thời thép là loại vật liệu có độ tin cậy cao

Thép có tính chịu lực cao với các loại ứng suất: kéo, nén, uốn,…Có thể dùng

để chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau: dầm, dàn, vòm, treo… và các hệ liên hợp

Thép có cường độ cao và mô đun đàn hồi lớn – độ cứng lớn, đảm bảo ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió và các loại tải trọng có chu kỳ

1.1.2 Ưu, khuyết điểm của cầu thép

1.1.2.1 Ưu điểm

Kết cấu nhịp cầu thép có trọng lượng bản thân nhẹ và thanh mảnh hơn nhiều

so với kết cấu nhịp cầu bê tông do đó có khả năng vượt nhịp lớn

Kết cấu nhịp cầu thép có tính linh động cao, dễ chế tạo, lắp ráp và thi công lắp ghép do đó rút ngắn được thời gian thi công

Thích hợp trong việc tiêu chuẩn và định hình hóa trong chế tạo do đó hạ được giá thành sản phẩm

Kết cấu nhịp cầu thép dễ kiểm tra, tăng cường và sửa chữa khi cần thiết Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu bê tông nên giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc…

Một đặc điểm quan trọng của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn và dán Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, các công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng

1.1.2.2 Khuyết điểm

Rất dễ bị gỉ và bị ăn mòn trong môi trường tự nhiên do đó đòi hỏi công tác duy tu bảo dưỡng phải được tiến hành thường xuyên nên chi phí bảo dưỡng cầu lớn

Vấn đề cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người Việc cạo sạch sơn

cũ và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, Công việc này thực hiện trong một thời gian dài chi phí có thể lại lớn hơn việc bỏ cầu cũ và xây dựng cầu mới Việc sơn cầu cũng gây nhiều vấn đề khác như làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người…

Kết cấu nhịp hoặc bộ phận kết cấu có thể bị giảm hoặc mất khả năng chịu lực khi gặp nhiệt độ cao (t > 500oC )

Nhiều chi tiết có cấu tạo phức tạp đòi hòi phải thực hiện trong công xưởng Với những ưu, nhược điểm nói trên, hiện nay cầu thép chỉ được áp dụng nhiều trong các công trình cầu chịu tải trọng lớn như tải trọng đường sắt, các cầu vượt nhịp lớn và các cầu tạm, cầu quân sự yêu cầu lắp ráp nhanh, tháo dỡ và di chuyển nhẹ nhàng… Các công trình cầu đường bộ thông thường vẫn sử dụng cầu bê tông là chủ yếu

Hình 1.1 Gỉ ở cầu Diễn Kim, Nghệ An

Trên hình là cầu Diễn Kim ở Nghệ An bắc qua sông Lạch Vạn nối liền 2 xã Diễn Kim và Diễn Bích Cầu dài 100m, rộng 3m được hoàn thành và đưa vào sử dụng năm 1994 Là cây cầu giao thương huyết mạch nhưng chỉ sau hơn 20 năm sử dụng không được bảo dưỡng đúng cách cầu đã xuống cấp trầm trọng Các dầm thép đã bị hoen gỉ, ố màu không đảm bảo khả năng chịu lực Đây là vấn đề thường gặp ở những

cây cầu thép thông thường làm cho cầu thép không được hấp dẫn và sử dụng rộng rãi như cầu bê tông cốt thép

1.1.3 Phương hướng phát triển cầu thép

Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại xây dựng trên thế giới trong những năm gần đây ta thấy nổi bật lên ba phương hướng:

- Phương hướng thứ nhất là hướng đến những cây cầu thép tốn ít công duy tu bảo dưỡng mà thời gian sử dụng lại kéo dài Nhằm giảm thiểu chi phí và tác hại đến cộng đồng Muốn làm được điều đó cần có các nghiên cứu phát triển những vật liệu thép ưu việt có thể chống chịu với thời tiết và môi trường

- Phương hướng thứ hai là với nhu cầu giao thông phát triển ngày càng tăng, các tuyến đường ngày càng nối đến những vùng sâu, vùng xa, đi lại khó khăn thì phải có những nghiên cứu tìm kiếm các hệ liên hợp có thể vượt được những nhịp dài, qua sông, qua núi để giúp giao thông thông suốt trên mọi vùng miền

- Phương hướng thứ ba là kết hợp với các vật liệu khác để giảm khối lượng, tối

ưu hóa kết cấu liên hợp Hiện nay thường dùng là các kết cấu cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép hoặc mặt cầu bằng bản thép trực hướng

1.2 VẬT LIỆU THÉP DÙNG TRONG CẦU

Thép được sử dụng cho xây dựng cầu và kết cấu gồm các thành phần:

(1) Sắt

(2) Một tỷ lệ phần trăm nhỏ carbon và mangan

(3) Tạp chất không thể được hoàn toàn loại bỏ từ quặng, cụ thể là lưu huỳnh

và phốt pho

(4) Một số thành phần hợp kim được thêm vào với lượng nhỏ để cải thiện các thuộc tính của sản phẩm như đồng, silic, niken, crom, molypden, vanadium…

Biểu đồ 1.1 Các nhóm thành phần trong thép

Thép sử dụng cho xây dựng cầu gồm có 4 loại sau đây:

(1) Thép carbon: Ngoài hai thành phần chính là Fe và C còn có các thành phần

phụ khác như mangan, silic và một lượng nhỏ lưu huỳnh, photpho Đây là loại thép rẻ nhất có thể dùng được cho kết cấu, được sử dụng khi mà độ cứng quan trọng hơn là cường độ Nó có giới hạn chảy tới 250 N/mm2 và

có thể hàn được dễ dàng Thép theo tiêu chuẩn AASHTO M270 cấp 250,

ASTM A709 cấp 250 thuộc vào nhóm này

(2) Thép hợp kim thấp cường độ cao: Loại này gồm các loại thép với giới hạn

chảy từ 300 đến 390 N/mm2 Chúng đạt được cường độ cao và các tính chất yêu cầu khác từ việc thêm vào các thành phần hợp kim như đã đề cập

ở trên Thép tiêu chuẩn châu Âu EN 10025 với cấp S355, thép theo tiêu chuẩn AASHTO M270 cấp 345, 345W , và ASTM A709 cấp 345, 345W

thuộc nhóm này

(3) Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt: Đây là thép có cường độ cao và vẫn

giữ lại tất cả những tính chất cần thiết cho việc xây dựng cầu Chúng đạt được cường độ cao nhờ vào một vài dạng xử lý nhiệt sau khi cán cụ thể là

sự chuẩn hóa hoặc sự tôi rèn Thép theo tiêu chuẩn châu Âu EN 10113 cấp S420 và S460, thép theo tiêu chuẩn AASHTO M270 cấp 485W , và ASTM

A709 cấp 485W thuộc nhóm này

1 2 3 4

(4) Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao: Thép theo

tiêu chuẩn châu Âu EN 10113 cấp S420 và S460, thép theo tiêu chuẩn AASHTO M270 cấp 690, 690W , và ASTM A709 cấp 690, 690W thuộc

nhóm này

1.3 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết

Thép chịu thời tiết (tiếng anh: weathering steels / weather resistant steels), hay

để đưa tên kỹ thuật của nó là " kết cấu thép với khả năng chịu ăn mòn trong không khí được cải thiện", là tên của một nhóm các loại thép hợp kim thấp cường độ cao khi sử dụng trong môi trường thích hợp có thể không cần sơn Mức độ ăn mòn của thép chịu thời tiết thấp hơn thép cacbon thông thường nên nếu sử dụng hợp lí cầu thép chịu thời tiết có thể sử dụng trong một thời gian dài mà chỉ cần các công tác bảo trì thông thường, mang lại nhiều lợi ích kinh tế

Có nhiều lí do dẫn đến sự ăn mòn của kết cấu thép tuy nhiên về cơ bản tất cả kết cấu thép bị gỉ ở một tốc độ nào đó phụ thuộc vào sự xâm nhập của hơi ẩm và oxy vào trong kim loại sắt nói một cách khác ăn mòn thép sẽ xảy ra khi có sự có mặt của không khí và nước, kết quả là sản phẩm của sự ăn mòn, gỉ và sắt oxit Thép không chịu thời tiết (Non-weather-resisting steel) có một lớp oxit thường nhám và xốp mà

sự xâm nhập của nước và oxi đối với bề mặt thép không khép lại Sau một thời gian nhất định (phụ thuộc vào điều kiện), lớp gỉ này sẽ tách khỏi bề mặt kim loại, làm bề mặt kim loại bị phơi bày ra và gây hư hại nhiều hơn nữa Do đó, tốc độ gỉ hầu như không hề giảm Trái lại gỉ của thép chịu thời tiết dày và có độ dính bám cao Gỉ này bảo vệ bề mặt thép và đóng lại sự xâm nhập của nước và oxi ở một mức độ nào đó

do đó tốc độ gỉ của thép chịu thời tiết giảm xuống (Biểu đồ 1.2)

Biểu đồ 1.2 So sánh giữa mất mát ăn mịn thép chịu thời tiết và thép thường

a Lớp gỉ thép chịu thời tiết b Lớp gỉ Thép thường

Hình 1.2 Cấu trúc của gỉ thép

Giới hạn chảy cao của thép chịu thời tiết cho phép giảm giá thành nhờ khả năng cĩ thể thiết kế mặt cắt kết cấu mảnh hơn Những loại thép này được thiết kế, chủ yếu cho những ứng dụng khơng sơn, giảm chi phí bảo dưỡng

Biểu đồ 1.3 Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình cho các loại thép

Thép chịu thời tiết

Biểu đồ mất mát

do gỉ theo chu kỳ

Tỷ lệ trung bình Thép Các bon / Các bon- Mangan không được bảo vệ chống gỉ

Hình 1.3 Cầu thép chịu thời tiết Mihama Ohashi ở tỉnh Chiba, Nhật Bản

Thép chịu thời tiết ban đầu có màu đỏ nâu không đều trên bề mặt thép, khi bề mặt kim loại bị thổi thì thép bắt đầu bị ôxy hóa Màu sắc bên ngoài sẽ chuyển thành màu nâu sẫm đồng nhất theo thời gian Màu sắc đúng của thép chịu thời tiết tùy thuộc

tới mức độ tác động nào đó của môi trường Hình 1.4 Thể hiện sự thay đổi màu sắc

của một cầu cụ thể trong suốt quá trình xây dựng

Hình 1.4 Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland

(1) Và (2) Trong quá trình xây dựng (3) Bề mặt sau 1 năm xây dựng

Hình 1.5 Cầu thép chịu thời tiết đầu tiên tại Anh Quốc, cầu đi bộ ở đại học York

1.3.2 Phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết

Môi trường áp dụng

Thép chịu thời tiết hoạt động trên cơ chế tạo ra lớp gỉ bảo vệ trên bề mặt thép Điều đó đòi hỏi thép chịu thời tiết phải chịu chu trình ẩm khô lặp đi lặp lại, ngoài ra lượng muối sinh ra trong không khí phải tương đối nhỏ Hầu như những địa điểm có xây dựng cầu đều phù hợp cho việc dùng thép chịu thời tiết Chỉ hạn chế sử dụng ở những môi trường như là những nơi gần bờ biển, nơi có nồng độ muối trong không khí cao, gây khó khăn cho việc hình thành lớp gỉ bào vệ Những nơi như có sự tập trung cao về chất hóa học mạnh hay là những chất gây ô nhiễm công nghiệp có mặt,

ở đó lớp gỉ thép sẽ bị hấp thụ nhanh chóng, hoặc là ở những nơi mà các thành phần của thép chịu thời tiết liên tục bị ẩm ướt, thép chịu thời tiết sẽ bị ăn mòn như thép cacbon thông thường

Dùng trong những điều kiện sử dụng khó khăn

Thép chịu thời tiết được xem là đem lại lợi ích tốt nhất ở những môi trường

mà việc duy tu và bảo dưỡng cầu là tương đối khó khăn và nguy hiểm, việc kiểm tra đánh giá không thể làm thường xuyên Như ở những vùng núi xa xôi, những con sông lớn, hay trên những đường ray tàu điện Ở những nơi như vậy thì thép chịu thời tiết

sẽ hoạt động tốt so với các cây cầu thép và cầu bê tông thông thường

Hình 1.6 Cầu New River Gorge dài 924m, Hoa Kỳ

1.3.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết

Thép chịu thời tiết được biết đến ban đầu là thép thêm vào P hoặc Cu có khả năng chịu thời tiết tốt đầu thế kỷ 20 ở Châu Âu và Mỹ, đã biết tỉ lệ ăn mòn của thép giảm khi thêm một lượng nhỏ đồng Điều này đã mở ra một quá trình điều tra có hệ thống và phát triển của thép chịu thời tiết

Ở Hoa Kỷ:

Trong những năm 1930, tập đoàn thép Hoa Kỳ đã khám phá ra thép chịu thời tiết với sức kháng ăn mòn khí quyển lớn trong môi trường công nghiệp và nông thôn bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phần hợp kim khác Thép chịu thời tiết được phát triển dưới tên gọi thương mại là cor-ten, chủ yếu được sử dụng cho các toa xe than đường sắt Đầu những năm 1940 sau khi thương mại hóa thép Corten, các nghiên cứu ăn mòn trên diện rộng đối với thép chịu thời tiết được tiến hành dưới sự bảo trợ của Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM) Cuối những năm 1950 thép chịu thời tiết với khả năng chịu hàn đã được phát triển ở Hoa Kỳ Từ đây mở ra một kỷ nguyên mới cho việc sử dụng thép chịu thời tiết trong lĩnh vực xây dựng Những ứng dụng kỹ thuật dân sự đã xuất hiện vào đầu những năm

1960 đã trực tiếp sử dụng sức kháng ăn mòn được cải thiện của thép chịu thời tiết để chống ăn mòn.Cầu đầu tiên sử dụng thép chịu thời tiết ở Hoa Kỳ vào năm 1964 trong

dự án xây dựng cầu trên đường xa lộ ở Morristown, bang New Jersey Sau đó tiêu chuẩn A588 cho thép chịu thời tiết được ra đời Việc sử dụng thép chịu thời tiết tiếp tục phát triển đến năm 1980 thì dừng lại do hư hỏng ăn mòn ở cầu trên đường cao tốc

ở Detroit Một nghiên cứu về nguyên nhân hư hỏng đã được điều tra sâu rộng và chỉ

ra rằng nguyên nhân hư hỏng là do muối làm tan băng trên cầu Sau đó các biện pháp đối với hiện tượng này đã được chỉ ra rõ ràng và thị trường thép chịu thời tiết tiếp tục phát triển trở lại

Ngày nay tại Hoa Kỳ, ở các kết cầu thép mới được xây dựng có nhiều báo cáo

là tỉ lệ thép chịu thời tiết được sử dụng lên đến 50%

Ở Nhật Bản:

Thép chịu thời tiết có thành phần hóa học ban đầu dựa vào P, Cu, Cr đã được phát triển từ cuối những năm 1950 Thép Cortten từ Hoa kỳ đã được du nhập vào Nhật Bản từ những năm 1959, tuy nhiên Nhật Bản là đất nước được bao bọc bởi biển nên thép chịu thời tiết được du nhập từ Hoa kỳ không thể được đưa vào sử dụng trực tiếp Vì vậy công nghệ phát triển thép chịu thời tiết ở Nhật Bản đã phát triển theo hướng riêng của nó Trong năm 1960 thép dùng cho kết cấu hàn đã được chuẩn hóa trong JIS, từ những năm 1970 đã có nhiều cầu thép chịu thời tiết được xây dựng Với việc tăng lên trong ứng dụng, một số hư hỏng không mong muốn đã xuất hiện ở những cầu thép không sơn phủ ở gần bờ biển Một nghiên cứu có hệ thống giữa viên nghiên cứu quốc gia, các công ty thi công cầu và các nhà sản xuất thép đã được tiến hành từ năm 1981

Đến năm 1993, hướng dẫn thiết kế đối với áp dụng cầu thép chịu thời tiết đã được xây dựng từ kết quả đạt được của các nghiên cứu, và các chỉ dẫn để đánh giá môi trường có thể áp dụng cầu thép chịu thời tiết cũng đã được xây dựng trong thời gian này

Ngoài ra Nhật Bản là một đất nước được bao bọc bởi bờ biển nên nhu cầu đi lại dọc bờ biển cũng tăng cao, do đó các loại thép chịu thời tiết thông thường không thể chịu được trong môi trường có nồng độ muối cao gần bờ biển Vì vậy thép chịu thời tiết thêm Niken với khả năng chống ăn mòn cao đã được phát triển để áp dụng vào những vùng mà thép chịu thời tiết thông thường không thể áp dụng được

Kể từ đó số lượng cầu thép chịu thời tiết tục tăng theo các nghiên cứu và kết quả đạt được của kỹ sư Nhật Bản Theo thống kê ở Nhật Bản các cầu thép chịu thời tiết đã phát triển đến 30% các cầu thép được xây dựng mới

Hình 1.7 Biểu đồ tỉ lệ sử dụng thép chịu thời tiết ở Nhật Bản [18]

Các Quốc gia khác

Ở Châu Âu cầu thép chịu thời tiết đầu tiên được xây dựng vào năm 1969 ở Tây Đức Tại Anh, cầu thép chịu thời tiết đầu tiên được áp dụng vào cầu đi bộ tại đại học York năm 1972, đến nay có hơn 100 cầu thép chịu thời tiết được xây dựng Cầu thép chịu thời tiết được xây dựng tại Hàn Quốc là cầu Majung Pedestrian vào năm 1992…

Tuy nhiên so với Nhật Bản và Hoa kỳ thì số lượng cầu thép của các quốc gia khác chiếm số lượng không nhiều vì vậy có thể nói Nhật Bản và Hoa kỳ đang dẫn đầu về công nghệ thép chịu thời tiết

Ngày nay thép chịu thời tiết đang được sử dụng trong rất nhiều những ứng dụng bao gồm cho cầu, đường sắt, tháp truyền dẫn, ống khói và đóng tàu Một số ví

dụ việc ứng dụng của nó cho các kết cấu lớn như như cầu Hunslett Viaduct, Leeds, Anh quốc dài 510m; Cầu Pennybacker ở Texas, Hoa Kỳ được xây dựng năm 1979 và hoàn thành năm 1982, cầu dài 351m với nhịp vòm trung tâm dài 183m

Hình 1.8 Cầu Hunslett Viaduct, Leeds, Anh Quốc

Hình 1.9 Cầu Pennybacker ở Texas, Hoa Kỳ

Ở Việt Nam, một số lượng ít cầu thép chịu được làm bằng vật liệu thép chịu

thời tiết đã được xây dựngbằng nguồn tài trợ không hoàn lại của chính phủ Nhật từ năm 2001 Đến nay đã được 15 năm, tình trạng của các cầu này hiện nay rất tốt Việc điều tra chi tiết về tính ưu việt của các cầu thép này ở Việt Nam là cần thiết và đang được tiến hành

Hình 1.10 Cầu Cái Nai - tỉnh An Giang

1.3.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết

Cầu thép thông thường như đã đề cập ở trên có rất nhiều lợi ích như có tính đồng nhất cao, chịu nhiệt tốt dễ gia công và chế tạo nên có thể cơ giới hóa triệt để nhằm giảm thiểu thời gian thi công Các liên kết của cầu thép như liên kết hàn, bulong

… là liên kết chắc chắn, dễ thi công, tháo lắp nên cầu thép có thể dùng trong công trình cầu tạm hoặc vĩnh cữu… Cầu thép chịu thời tiết không những có đầy đủ những lợi ích của cầu thép thông thường mà bản thân còn cung cấp nhiều lợi ích hơn nữa [6] Những lợi ích đối với loại cầu này bao gồm:

Lợi ích về giá cả ban đầu

Cầu thép chịu thời tiết có thể có giá thành vật liệu thép cao hơn cầu thép thông thường do việc thêm vào những hợp kim thấp để làm tăng hiệu quả chịu thời tiết Nhưng những chi phí thêm vào cho việc cung cấp và chế tạo thép chịu thời tiết dùng

trong những cây cầu có thể ít hơn chi phí của một hệ thống nước sơn bảo vệ toàn diện, điều đặc trưng này có thể chiếm tới 10% chi phí của kết cấu thép Cho nên tiết kiệm trong việc dùng thép chịu thời tiết sẽ được tạo ra từ việc bỏ qua việc sơn

Chỉ khi môi trường đủ ôn hòa để có thể sử dụng hệ thống bảo vệ với đặc tính

kỹ thuật thấp, đơn giản thì sẽ nhận thấy rằng chi phí cho việc sơn ít hơn so với chi phí cộng thêm trong việc dùng thép chịu thời tiết; trong trường hợp này thì chi phí ban đầu của việc dùng thép chịu thời tiết có thể sẽ cao hơn một chút

Thời gian xây dựng được giảm xuống

So với các cầu thép được sơn cầu thép chịu thời tiết có thể giảm thời gian thi công do bỏ qua công tác làm sạch và sơn bề mặt, tạo thuận lợi cho chủ đầu tư và đơn

vị thi công

Giảm chi phí bảo trì

Lợi ích chính của việc dùng thép chịu thời tiết là nếu sử dụng đúng cách công tác bảo trì sẽ chỉ còn những công tác bảo dưỡng nhỏ như kiểm tra định kỳ, làm sạch kết cấu, đánh giá hư hỏng… để đảm bảo cây cầu vẫn hoạt động bình thường Tuy nhiên, chi phí kiểm tra, dọn dẹp làm sạch, và sửa chữa những hư hỏng không thường xuyên đối với những vị trí giới hạn thì thường không đáng kể so với chi phí phải sơn lại thường xuyên cả kết cấu

Giảm thời gian duy tu, bảo dưỡng

Thời gian duy tu bảo dưỡng được giảm xuống đáng kể nếu xét trong quá trình bảo dưỡng lâu dài do loại bỏ hoặc giàm thiểu được việc phải sơn đi sơn lại kết cấu Việc kiểm tra đánh giá, dọn dẹp hay sơn ở những vùng bị giới hạn vẫn sẽ tốn ít thời gian Điều này thực sự làm giảm chi phí phát sinh gián tiếp như hạn chế giao thông trong quá trình duy tu, bảo dưỡng

Thân thiện với môi trường, an toàn với con người

Do giảm thiểu được công tác sơn phủ, những tác hại của chất thải sơn có thể gây hại đến môi trường và sức khỏe của con người trong việc sơn phủ ban đầu cũng như bảo dưỡng trong tương lai cũng được giảm thiểu Qua đó có thể nói rằng cầu thép chịu thời tiết là thân thiện với môi trường và an toàn với con người

Hình dáng bên ngoài đẹp

Thép chịu thời tiết khi sử dụng trong môi trường sẽ tạo ra một lớp gỉ ổn định trên bề mặt Do đó nó sẽ có được màu sắc hài hòa với tự nhiên và trộn lẫn vào tự nhiên theo thời gian

Với những ưu điểm nổi trội nêu trên của thép chịu thời tiết thì khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào nước ta là hoàn toàn có thể và cần thiết Tuy nhiên do thép chịu thời tiết làm việc trong những điều kiện môi trường khác nhau là khác nhau nên không thể đem tiêu chuẩn sử dụng thép chịu thời tiết của Nhật bản, Mỹ hay một quốc gia nào khác vào nước ta mà không có những đánh giá, nghiên cứu toàn diện Việt Nam là một nước có đường bờ biển dài hơn 3000km với điều kiện khí hậu thay đổi từ Bắc vào Nam nên việc áp dụng thép chịu thời tiết cần có những nghiên cứu, đánh giá trên điều kiện khí hậu môi trường ở nước ta Chương sau sẽ trình bày chi tiết hơn về cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào các vùng, khu vực có vị trí địa lý gần biển

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

- -2.1 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

2.1.1 Vật liệu thép đối với cầu thép chịu thời tiết

Thép chịu thời tiết ngoài các thành phần chính giống với thép cacbon thông thường còn có sự thêm vào của các thành phần hợp kim trong suốt quá trình sản xuất Điều này giúp cho thép chịu thời tiết có đầy đủ các tính chất cơ lí giống như thép thường, ngoài ra nó còn có khả năng chống chịu với các môi trường khác nhau từ môi trường ôn hòa đến khắc nghiệt tùy vào thành phần hợp kim thêm vào vật liệu

Các liên kết cơ bản của vật liệu thép như hàn, liên kết bu long cũng cần sử dụng vật liệu thích hợp, có khả năng chống chịu với thời tiết cũng tương đương như kết cấu chính để đảm bảo kết cấu làm việc đồng bộ trong suốt thời gian sử dụng

2.1.2 Phân loại thép chịu thời tiết

Sản phẩm thép chịu thời tiết đầu tiên được khám phá ra ở Mỹ vào những năm

1930 bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phần hợp kim khác Các sản phẩm sau đó được thương mại hóa dưới cái tên gọi thép COR-TEN (hay thép Corten) Hiện tại, về cơ bản cor-ten có 2 cấp thép là cor-ten A với bề dày tấm lên đến 12.5mm và cor-ten B với bề dày tấm lên tới 50mm Các đặc điểm của hai cấp thép này như sau [10]:

0.07

0.50 -1.25

0.25 -0.40

0.02

Bảng 2.2 Tính chất cơ học của Cor-ten A

Cấp Điểm chảy tối thiểu (MPa) Cường độ chịu kéo (MPa)

Bảng 2.3 Tính chất cơ học của Cor-ten B

Cấp Độ dày(mm) Điểm chảy tối thiểu (MPa) Cường độ chịu kéo (MPa) Cor-ten B

thép chịu thời tiết như trình bày ở bảng 2.4.Các sản phẩm mới được phát triển trong

những năm gần đây bởi những tập đoàn thép lớn như Nippon Steel, JFE Steel với hàm lượng Niken cao, những sản phẩm này cho thấy hiệu quả hoạt động rất thỏa đáng

ở môi trường ven biển có hàm lượng muối trong không khí cao

Bảng 2.4 Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết

ô nhiễm khí quyển đến sức kháng ăn mòn thép chịu thời tiết

Sự phát triển ăn mòn khí quyển của thép chịu thời tiết truyền thống theo thời gian phơi bày Khí quyển thường được phân loại theo chất lượng (khu vực nông thôn, khu vực đô thị, khu vực công nghiệp hoặc khu vực ven biển) dựa trên sự đánh giá chủ quan bởi các yếu tố ô nhiễm và bỏ qua biến số độ ẩm

Sau thời gian phơi bày rất ngắn (3–5 năm) lớp gỉ bảo vệ ổn định thông thường được hình thành ở khí quyển khu vực nông thôn và đô thị Thời gian phơi bày lâu hơn (5–10 năm) thường được yêu cầu ở khí quyển khu vực công nghiệp Với khí quyển khu vực ven biển, tốc độ ăn mòn được xem là cao hơn và thời gian để đạt đến trạng thái ổn định có xu hướng dài hơn (trên 15 năm) [8]

Liên quan đến ảnh hưởng của loại khí quyển đối với ăn mòn thép chịu thời tiết, có thể dễ dàng nhận thấy ăn mòn thép chịu thời tiết tăng lên từ khí quyển khu vực nông thôn hầu như không ô nhiễm (C2) đến khí quyển đô thị (C2–C3) và từ khí quyển nông thôn và đô thị đến khí quyển công nghiệp và ven biển (C3–C4)

Bảng 2.5 Phân loại môi trường ăn mòn

Hầu hết khu vực nông thôn C3 Không khí ở khu vực đô thị và khu vực công nghiệp

với mức độ ô nhiễm sunphua trung bình

Loại môi trường Môi trường điển hình

Khu vực ven biển có độ muối thấp

C4 Các khu công nghiệp và khu ven biển với mức độ muối

trung bình

C5-I Các khu vực công nghiệp với độ ẩm cao và không khí

xâm thực C5-M Khu vực ven biển và ngoài khơi với nồng độ muối cao

Sự hiện diện và hàm lượng các chất ô nhiễm trong không khí như SO2, Cl-, sunphat… cũng ảnh hưởng đến thời gian ổn định của lớp gỉ

Liên quan tới khí hậu ven biển, Tốc độ gỉ được nhìn nhận là cao hơn và thời gian để đạt được trạng thái ổn định có xu hướng lâu hơn, hơn 15 năm như đã đề cập

ở trên Hoạt động của ion clorua trong loại khí quyển này dường như cản trở sự hình thành của lớp gỉ bảo vệ, do đó gây trở ngại cho việc sử dụng thép chịu thời tiết truyền thống

2.1.4 Hình thái của lớp gỉ bảo vệ

Ở thép chịu thời tiết, lớp gỉ hình thành gồm 2 lớp có thể được quan sát thấy sau một thời gian phơi bày nhất định, bao gồm lớp phía trong và lớp bên ngoài

Quan sát hiển vi thực hiện bởi Yamashita và các đồng sự [5] tìm ra rằng lớp

gỉ có thể được chia thành 2 lớp: một liên quan đến lớp ngoài là hoạt tính quang học

và lớp bên trong là đẳng hướng quang học (tối) Nói cách khác, lớp gỉ hình thành ở thép bao gồm kết cấu tạp sắc gồm sản phẩm ăn mòn hoạt tính quang học và đẳng hướng quang học Lớp đẳng hướng quang học chủ yếu bao gồm oxit sắt dạng spine

vô định hình và lớp hoạt tính quang học là γ-FeOOH Raman và các đồng sự và Suzuki và các đồng sự mô tả rằng lớp bên ngoài của thép chịu thời tiết chứa vài loại oxi hiđroxit dạng tinh thể khác nhau, bao gồm lepiđolit (γ-FeOOH), gơthit (α-FeOOH), akaganeite (β-FeOOH), feroxyhyte (δ-FeOOH), maghemite (γ-Fe2O3), oxit sắt từ (Fe3O4) và ferri từ (Fe5HO8·4H2O) và lớp trong bao gồm chủ yếu là FeOOH vô định hình đặc chắc với một ít tinh thể Fe3O4 (biểu đồ 2.1) [8]

Hình 2.1 Tính chất kép của lớp gỉ

Các nghiên cứu chi tiết các phần chính của lớp gỉ gồm oxit sắt từ, gơthit và lepiđolit chỉ ra rằng, lepiđolit có vẻ hiện diện nhiều hơn ở lớp ngoài và gơthit dường như là thành phần chính của lớp trong Hơn nữa, lớp gỉ bên trong được làm giàu ở một số loại thành phần hợp kim như Cr, Cu và những thành phần khác, trong khi lớp bên ngoài được phân phối với những vết nứt và lỗ nhỏ không thể ngăn chặn lối vào của chất điện phân ăn mòn

Các nhà nghiên cứu cho rằng cả thép carbon (CS) và thép chịu thời tiết (WS) hình thành gỉ có xu hướng phân tầng theo thời gian phơi bày Cả thép carbon thông thường và thép chịu thời tiết thể hiện lớp gỉ mà nó gồm hai lớp nhỏ, lớp bên ngoài màu đỏ và lớp bên trong màm xám tối (ánh sáng phân cực) Sự phân tầng này độc lập với mức độ bảo vệ của lớp gỉ

Thành phần và hình thái của lớp gỉ bảo vệ hình thành ở thép chịu thời tiết rất khác với lớp phủ được hình thành ở thép carbon Sự khác nhau giữa lớp gỉ được hình thành ở thép carbon và ở thép chịu thời tiết là ở phần tử α (phần tử gơthit) ở giai đoạn sau này hình thành lớp dày đặc và thống nhất của của những hạt có kích thước nanomet, chúng được gắn chặt với mặt thép bên dưới Tuy nhiên, với thép carbon sự phân bố của các phần này là không đồng nhất bằng, kết quả là lớp gỉ với kết cấu tạp sắc Khả năng bảo vệ ăn mòn của thép chịu thời tiết được phân bổ chủ yếu bởi phần

tử α dày đặc này mà sự hình thành được mô phỏng bởi chu kỳ khô–ẩm ướt–khô

Theo Yamashita và Uchida [9], lớp gỉ bảo vệ ở thép chịu thời tiết thường được hình thành tự nhiên sau một số năm phơi bày nhất định Cho đến khi khả năng bảo

vệ của lớp gỉ hình thành, tốc độ gỉ của thép chịu thời tiết không phải là đặc biệt thấp Hơn nữa, lớp gỉ bảo vệ không thể hình thành ở môi trường bờ biển nơi mà lượng muối biển trong không khí là tương đối cao Tốc độ kết tỏa clorua cao hơn trong khí hậu ven biển, mức độ cao hơn của vảy được quan sát, với lớp gỉ với độ dính bám kém, bị bong tróc (tách rời, nứt vỡ) và bắt đầu hư hại tiếp theo Đặc điểm hình thái học của lớp gỉ bảo vệ do đó sẽ phụ thuộc vào loại môi trường (khu vực nông thôn, đô thị, công nghiệp hay ven biển), thành phần thép chịu thời tiết, số năm phơi bày, độ

ẩm tương đối, nhiệt độ và chất ô nhiễm (SO2, Cl-,…) như là những yếu tố chính chi phối sự hình thành và biến đổi của lớp bảo vệ

2.2 CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

Độ dày mất mát do ăn mòn phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của môi trường và được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế Ở Việt Nam chưa có các quy định này nên có thể tham khảo các Tiêu chuẩn nước ngoài

Ở Nhật Bản, thép chịu thời tiết truyền thống được quy định theo tiêu chuẩn

công nghiệp Nhật Bản G 3114 SMA (JIS-SMA Weathering Steel) Thép chịu thời tiết truyền thống hiện tại được coi là thích hợp cho cầu ở Nhật Bản trong môi trường nơi mà mất mát ăn mòn ở một mặt của dầm nhỏ hơn 0.5 mm trong 100 năm phơi bày, tức là 5 μm/năm

Ở Mỹ và Anh, quy định về ăn mòn cho phép theo ISO 9223 [16] như ở bảng

Ăn mòn cho phép (mm/bề mặt)

Ghi chú:

- Không có giá trị ăn mòn cho phép đối với mặt bên trong của dầm hộp kín

- Các trị số ăn mòn cho phép được áp dụng đối với tất cả các đường hàn góc và một phần đối với đường hàn đối đầu

- Không có giá trị ăn mòn cho phép đối với các bu lông bằng thép chịu thời tiết loại HSFG(High Strength Friction Grip)

- Các trị số độ ăn mòn cho phép được áp dụng đối với tất cả các bộ phận của kết cấu kể cả thép tăng cường và thép giằng…

Độ dày bổ sung này không nên tính vào mặt cắt có hiệu khi phân tích ứng suất Tuy nhiên, chúng có thể tính toán cho đặc tính mặt cắt cho việc phân tích tổng thể toàn kết cấu nếu thực sự cần thiết [6]

2.3.1 Phương trình cơ bản

Khi mà thép chịu thời tiết được dùng trong xây dựng thì việc ước lượng mất mát ăn mòn là cần thiết Đây là lý do xuất phát từ thực tế, bởi lẽ không thể cung cấp các sản phẩm sau khi có kết quả thử nghiệm sau 100 năm

Các tác giả nghiên cứu về ăn mòn thép chịu thời tiết đã nhận ra rằng các dữ liệu mất mát ăn mòn thép chịu thời tiết rất phù hợp với hàm lũy thừa Hàm lũy thừa này được sử dụng rộng rãi để dự báo ứng xử ăn mòn khí quyển cho vật liệu thép chịu thời tiết sau thời gian dài phơi bày, độ chính xác và độ tin cậy đã được chứng minh bởi nhiều tác giả

Phương trình 2.1 là phương trình dự báo ăn mòn đã được sử dụng phổ biến

hoặc theo chuyển đổi lôgarit của nó:

lnY = lnA + B*lnX (2.2) Trong đó:

X: Thời gian phơi bày (năm)

Y: Giảm chiều dày tấm một mặt trung bình (mm)

A, B: hệ số và số mũ thay đổi

Giá trị B có thể cung cấp một tiêu chí đánh giá tính nhạy ăn mòn khí quyển lâu dài.Giá trị B sẽ phụ thuộc vào cả kim loại, khí quyển, thời gian phơi bày tối đa và điều kiện phơi bày [8]

Trong khi đó, tham số A cung cấp một tiêu chí để đánh giá tính nhạy ăn mòn khí quyển ngắn hạn Nó cung cấp một thước đo tính phản ứng bên trong của bề mặt kim loại như được phản ánh trong xu hướng mà bề mặt tạo ra lớp ăn mòn trong điều kiện phơi bày ngắn hạn trong khí quyển Theo như phương trình 2.1 ứng với thời gian

1 năm phời bày (X=1), suy ra Y=A; như vậy, hệ số A chỉ ra mất mát ăn mòn ở năm đầu tiên

2.3.2 Hệ số A và số mũ B

Trong nghiên cứu về sự ăn mòn và khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết tại Việt Nam của Shinichi Miura đã cho thấy một mối tương quan giữa mất mát ăn mòn trong năm đầu tiên (Giá trị A) với lượng muối trong không khí và thời gian ẩm ướt Đồng thời bài báo cũng đã chỉ ra có một biểu thức quan hệ giữa giá trị A và số

mũ B [20]

Biểu đồ 2.1 Mối quan hệ giữa lượng muối trong không khí và mất mát ăn mòn

trong năm đầu tiên

0.001 0.010 0.100 1.000

Biểu đồ 2.2 Mối quan hệ giữa lượng SO2 và mất mát ăn mòn trong năm đầu tiên

Biểu đồ 2.3 Mối quan hệ giữa thời gian ẩm ướt và mất mát ăn mòn

trong năm đầu tiên

0.001 0.010 0.100 1.000

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Biểu đồ 2.4 Mối quan hệ giữa nhiệt độ trung bình và mất mát ăn mòn

trong năm đầu tiên

Trong đó Miền Nam Việt Nam có khí hậu chủ yếu là nhiệt đới ẩm ướt và khô, được gọi là Khu vực 1 Miền Trung Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, gọi là khu vực 2 Miền Bắc Việt Nam có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, gọi là khu vực 3 Trong khí hậu nhiệt đới ẩm và khô ở Miền Nam Việt Nam, vùng nước lợ ven sông lớn gọi

là Khu vực 4 Và các vùng nước lợ tại cực nam của Việt Nam, nơi có khí hậu nhiệt đới gió mùa, gọi là Khu vực 5

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

Hình 2.2 Các vùng khí hậu thí nghiệm ở Việt Nam

Những kết quả trên đã làm rõ sự thật rằng ảnh hưởng của lượng muối trong không khí và thời gian ướt là khá lớn đối với mất mát ăn mòn trong năm đầu tiên (Giá trị A)

Biểu đồ 2.5 cho thấy mối quan hệ giữa giá trị A và giá trị B Giá trị B không phải là hằng số B thay đổi khi A thay đổi, biểu đồ 2.5 đã cho thấy biểu thức quan hệ giữa giá trị A và giá trị B tại Việt Nam

Ky Ha

Song Phan

Ca Ty Phu Hai

Tuy Loan

Do Xu Do

Xe

Ho Chi Minh City

Da Nang Hanoi

Ben Chua

So 7

Ba Si

Region1 Region2 Region3

Region4 Am

Aw

Am Aw

Cwa

Region5

Biểu đồ 2.5 Mối quan hệ giữa A giá trị và giá trị B

SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG

2.4.1 Nồng độ muối trong không khí

Nồng độ muối trong không khí có ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ ăn mòn của thép chịu thời tiết Trong các tiêu chuẩn hướng dẫn sử dụng thép chịu thời tiết ở các nước trên thế giới cũng dùng giá trị này để giới hạn phạm vi sử dụng của thép chịu thời tiết

Theo hướng dẫn sử dụng thép chịu thời tiết không sơn áp dụng cho thép chịu thời tiết truyền thống JIS SMA quy định sử dụng trong môi trường có muối trong không khí với nồng độ muối ít hơn 0.05 mdd (NaCl: mg/dm2/ngày) được đề xuất vào năm 1993.Tốc độ ăn mòn tối đa cho phép để sử dụng thép chịu thời tiết là 6 μm/năm

B = -4611.3A3 + 769.19A2 - 32.421A + 1.0109 0.1

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3

Region3

Region2

Region1

Region4