Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực đà nẵng và hải phòng

Kết quả nghiên cứu bước đầu trong một năm tại các khu vực ven biển thuộc 3 vùng khí hậu đặc trưng trên cả nước đã thu được kết quả tích cực, thép chịu thời tiết thông thường được xem là

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN HOÀNG HUY

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

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG HUY MSHV: 11380342 Ngày, tháng, năm sinh: 30-07-1987 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm 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 ĐÀ NẴNG VÀ HẢI PHÒNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn gồm các nội dung sau:

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về thép chịu thời tiết

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

Chương 5: Kết luận, kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21-01-2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21-06-2013

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 anh Huỳnh Quang Chỉnh và 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 Trần Văn Miền đã có những đóng góp tích cực khi phản biện luận văn của tôi

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi, cha mẹ và vợ tôi, những người ở phía sau luôn giúp đỡ tôi về mọi mặt, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

ABSTRACT

Weathering steels with the outstanding advantages which have been studied, applied in developing countries However, the study and application of weathering steels in the construction of bridges in Vietnam is still limited The research presented in this thesis is experimental research, it is based on data measured and collected by exposure tests Then the data will be analyzed and calculated based on the appropriate model for evaluation and prediction of corrosion loss Initial results

of a year in the coastal regions of 3 climate zones in Vietnam have obtained satisfactory results, conventional weathering steels are generally considered to be applied in all test sites with the available for limited airbone salinity 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 Vietnam

TÓM TẮT

Thép chịu thời tiết với những ưu điểm vượt trội đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng ở các nước phát triển Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng loại thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở Việt Nam còn nhiều 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 các khu vực ven biển thuộc 3 vùng khí hậu đặc trưng trên cả nước đã thu được kết quả tích cực, thép chịu thời tiết thông thường được xem là có thể ứng dụng trong tất cả các nơi được thử nghiệm với nồng độ muối không khí 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 nước ta

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG 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 2

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT 4

1.1 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 4

1.1.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết 4

1.1.2 Phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết 8

1.1.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết 8

1.1.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết 10

1.2 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĂN MÒN CỦA CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU 12

1.2.1 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết 12

1.2.2 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình sử dụng thép chịu thời tiết gần khu công nghiệp 18

1.5 NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 23

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 25

2.1 BẢN CHẤT THÉP CHỊU THỜI TIẾT 25

2.1.1 Vật liệu thép chịu thời tiết 25

2.1.2 Thời gian ổn định lớp gỉ 26

2.1.3 Hình thái của lớp gỉ bảo vệ 27

2.2 CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 29

2.3 PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĂN MÒN 30

2.3.1 Phương trình cơ bản 30

2.3.2 Hệ số A và số mũ B 31

2.4 MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ MÔI TRƯỜNG CHO VIỆC SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG 32

2.4.1 Nồng độ muối trong không khí 32

2.4.2 Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển 34

2.4.3.Thời gian ngưng tụ ẩm và nhiệt độ 35

2.4.4 Nồng độ SOx trong không khí 36

2.5 ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM 38

2.6 NHẬN XÉT 41

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 42

3.1 NGUYÊN TẮC CHỌN CẦU ĐỂ TIẾN HÀNH KHẢO SÁT 42

3.2 PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM 45

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 Tạp chất trong không khí 49

3.3.3 Nồng độ muối trong không khí 52

3.3.4 Các số liệu bề dày lớp gỉ mẫu thép 54

3.4 NHẬN XÉT 54

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ 55

4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỀ MÔI TRƯỜNG, ĐÁNH GIÁ 55

4.1.1 Nhiệt độ và độ ẩm 55

4.1.2 Kết quả phân tích mật độ muối và SOx trong không khí 67

4.2 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ MẤT MÁT ĂN MÒN 72

4.3 DỰ BÁO ĂN MÒN 78

4.4 MỘT SỐ KẾT QUẢ TỔNG HỢP BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠI 3 VÙNG ĐỐI VỚI MẪU THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG JIS SMA400 (SAMPLE 3)… 85

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 90

5.1 KẾT LUẬN 90

5.2 KIẾN NGHỊ 91

5.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ma trận thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ

Bảng 1.2 Các thành phần hóa chất của thép

Bảng 1.3 Các điều kiện của môi trường xung quanh thí nghiệm

Bảng 2.1 Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết

Bảng 2.2 Phân loại môi trường ăn mòn

Bảng 2.3 Ăn mòn cho phép

Bảng 2.4 Phân nhóm thời gian ngưng tụ ẩm

Bảng 3.1: Danh sách các cầu được chọn lắp đặt mẫu thép và thiết bị đo môi trường

khu vực Đà Nẵng

Bảng 3.2 Danh sách các cầu được chọn lắp đặt mẫu thép và thiết bị đo môi trường

ở khu vực Hải Phòng

Bảng 4.1 Thống kê số liệu nhiệt độ và độ ẩm thu thập tại khu vực Đà Nẵng

Bảng 4.2 Thống kê số liệu nhiệt độ và độ ẩm thu thập tại khu vực Hải Phòng Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả nhiệt độ và độ ẩm

Bảng 4.4 Kết quả phân tích mật độ muối và SOx

Bảng 4.5 Tổng hợp các kết quả phân tích muối và SOx

trên hệ tọa độ logarit

Biểu đồ 1.4 Biểu đồ thể hiện sự khác biệt trọng lượng của thép chịu thời tiết trong

môi trường công nghiệp, với hệ trục logarit

Biểu đồ 1.5 Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon ứng với sự

gia tăng chu kỳ ẩm ướt/khô của nồng độ SO2

Biểu đồ 2.4 Ảnh hưởng của nồng độ muối trong không khí đến ổn định lớp gỉ bảo

vệ thép chịu thời tiết

Biểu đồ 2.5.Kết quả mất mát ăn mòn ước lượng của thép chịu thời tiết kháng ăn

mòn cao thêm Niken sau 100 năm

Biểu đồ 2.6 Sự biển đổi của tốc độ ăn mòn khí quyển đối với thép chịu thời tiết

truyền thống với hàm lượng SO2 trong khí quyển

Biểu đồ 3.1 Mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển với lượng muối thổi đến

Biểu đồ 4.1 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu F

Biểu đồ 4.2 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu G

Biểu đồ 4.3 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu H

Biểu đồ 4.4 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu I

Biểu đồ 4.5 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu J

Biểu đồ 4.6 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu K

Biểu đồ 4.7 Biến đổi nhiệt độ trong một ngày tiêu biểu

Biểu đồ 4.8 Diễn biến lượng muối biển thổi đến qua các lần đo

Biểu đồ 4.9 Quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển

Biểu đồ 4.10 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu G

Biểu đồ 4.11 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu G

Biểu đồ 4.12 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu F

Biểu đồ 4.13 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu F

Biểu đồ 4.14 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu H

Biểu đồ 4.15 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu H

Biểu đồ 4.16 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu I

Biểu đồ 4.17 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu I

Biểu đồ 4.18 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu J

Biểu đồ 4.19 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu J

Biểu đồ 4.20 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu K

Biểu đồ 4.21 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu K

Biểu đồ 4.22 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 1 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.23 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 2 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.24 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 3 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.25 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.26 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.27 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 6 các vị trí cầu ở Đà Nẵng Biểu đồ 4.28 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 1 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.29 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 2 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.30 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 3 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.31 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 4 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.32 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 5 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.33 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 6 các vị trí cầu Hải Phòng Biểu đồ 4.34 Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và nồng độ muối trong

không khí

Biểu đồ 4.35 Mối tương quan giữa khoảng cách bờ biển và mất mát ăn mòn

Biểu đồ 4.36 Mối tương quan giữa thời gian ẩm ướt và mất mát ăn mòn

Biểu đồ 4.37 Mối tương quan giữa lượng muối trong không khí và mất mát ăn mòn Biểu đồ 4.38 Mối tương quan giữa mất mát ăn mòn và khoảng cách bờ biển

(Bottom)

Biểu đồ 4.39 Mối tương quan giữa mất mát ăn mòn và hàm lượng muối không khí

(Bottom)

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cầu thép chịu thời tiết Serninggerbaach Valley ở Luxebourg

Hình 1.2 Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland

Hình 1.3 Cầu thép chịu thời tiết trên đường xe lửa, Đan Mạch

Hình 1.4 Cầu thép chịu thời tiết Torno, giữa Pháp và Thụy Điển

Hình 1.5 Cầu đi bộ, Slucovice, cộng hòa Séc

Hình 1.6 Cầu cạn Piave, Italy được giảm nhẹ sau khi xây dựng

Hình 1.7 Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.8 Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ

Hình 1.9 Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) –Pont Lenine in Ales (1979) – Pháp Hình 1.10 Cầu Rạch Rớ - tỉnh Bình Dương

Hình 1.11 Kiểm tra đánh giá UTG (trái) và phép đo UTG với mẫu (phải)

Hình 1.12 Bề mặt mẫu thép "cũ" và "mới" trước khi tẩy

Hình 2.1 Bản đồ các vùng khí hậu Việt Nam

Hình 3.1 Vị trí các cầu lắp đặt thí nghiệm

Hình 3.2 Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở Đà Nẵng

Hình 3.3 Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hải Phòng

Hình 3.4 Bản đồ vị trí các cầu được chọn ở khu vực Hồ Chí Minh

Hình 3.5 Mẫu thép kích thước 50x50x2 mm dùng trong thí nghiệm

Hình 3.6 Giá đỡ mẫu thép thí nghiệm và thiết bị đo đạc thông số môi trường Hình 3.7 Thiết bị đo đạc nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3.8 Công tác làm sạch bề mặt dầm cầu

Hình 3.9 Các mẫu thép và thiết bị thí nghiệm sau khi được lắp đặt

Hình 3.10 Lắp nhiệt kế và độ ẩm kế

Hình 3.11 Thiết bị đo mật độ muối và tạp chất trong không khí

Hình 3.12 Dụng cụ hình chông dùng để ngăn chim đậu trên mẫu thép

Hình 3.13 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 1

Hình 3.14 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 2

Hình 3.15 Số liệu nhiệt độ và độ ẩm hiển thị ở chương trình đọc dữ liệu đo Hình 3.16 Ống hình trụ dán màng chứa chất thử PbO2

Hình 3.17 Kích thước mẫu khung vải mỏng thu thập mật độ muối

Hình 3.18 Máy đo độ dày lớp gỉ hiện trường

Hình 4.1 Các mẫu thép được đo mất mát ăn mòn

Hình 4.2 Đánh số các mẫu thép được đo mất mát ăn mòn

Hình 4.3 Hình ảnh mẫu thép phía trên bầu dầm Cầu I

Hình 4.4 Hình ảnh mẫu thép bên dưới bầu dầm Cầu I

Hình 4.5 Hình ảnh mẫu thép bên dưới bầu dầm Cầu I bị nước đọng bên dưới

TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

CỦA ĐỀ TÀI - -

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, hàng loạt các dự án lớn như đường cao tốc, đường vành đai, đường tránh … được triển khai xây dựng trên khắp cả nước Vì thế nhu cầu về giao thông khác mức, cụ thể là cầu vượt đang được áp dụng ở nhiều tỉnh thành Cụ thể là ở hai đô thị lớn nhất nước là thủ đô Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, để giải quyết vấn đề kẹt xe, ùn tắc giao thông ở hai đô thị lớn này, hàng loạt cầu vượt bằng thép với nhiều ưu điểm vượt trội đã và đang được xây dựng, bước đầu mang lại kết quả khả quan Từ đó nhu cầu sử dụng cầu thép trong nước tăng lên đáng kể

Tuy nhiên việc tỉ trọng sử dụng cầu thép ở nước ta hiện nay so với cầu bê tông vẫn còn rất khiêm tốn, do giá thành xây dựng và chi phí bảo dưỡng cầu thép còn cao hơn nhiều so với cầu bê tông cốt thép

Vì vậy những nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng cầu thép áp dụng vào các vùng miền có điều kiện khí hậu – địa lý – môi trường đặc biệt như các tỉnh duyên hải, những nơi có lượng mưa nhiều, những miền có độ ẩm cao, những vùng ngập mặn, các khu công nghiệp … còn rất ít và hạn chế

Trong tương lai theo xu thế chung, việc xây dựng cầu không chỉ đáp ứng về yếu tố giao thông mà yếu tố thân thiện với môi trường và mỹ quan cũng là vấn đề không kém phần quan trọng Bên cạnh đó yêu cầu chọn phương án cầu với chi phí bảo dưỡng thấp nhất, bảo dưỡng ít nhất, đảm bảo tuổi thọ cao được quan tâm hàng đầu

Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, để đáp ứng được các yếu tố kể trên cầu thép làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết luôn là một sự lựa chọn trong những ưu tiên hàng đầu Những ưu điểm vượt trội của cầu thép chịu thời tiết là làm giá thành chi phí vòng đời cho cầu thấp, góp phần tối thiểu công bảo trì và bảo vệ môi trường

ở nước ta hiện nay còn hạn chế, do đó một nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng của thép này trong xây dựng cầu ở các vùng miền đặc trưng nói riêng ở nước

ta là thực sự cần thiết và cấp bách

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

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 “Phân tích ảnh hưởng tương quan của các yếu tố môi trường đến khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết khu vực Thành phố Hồ Chí Minh – Phan Thiết” của tác giả Huỳnh Quang Chỉnh [2] kết hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường thu thập được sau một năm ở khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng,

đề tài sẽ trình bày mối tương quan của các yếu tố môi trường (nồng độ muối trong không khí, nồng độ SOx, nhiệt độ, độ ẩm, cự li khoảng cách bờ biển…) đến tính kháng gỉ của thép chịu thời tiết từ đó đưa ra khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết, từ đó đề xuất phạm vi ứng dụng của thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

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 được sử dụng 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…

Trong phạm vi một đề tài luận văn Thạc sĩ, đề tài nhằm mục đích xây dựng tổng quan nền tảng và đánh giá hiện tượng, khuynh hướng ứng xử đối với thép chịu thời tiết làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thí nghiệm phơi bày tại khu vực Đà Nẵng và Hải Phòng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

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

và cầu thép chịu thời tiết

- Phân tích và lựa chọn mô hình dự đoán tốc độ ăn mòn thép chịu thời tiết

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

- 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 giai đoạn đầu của cả

ba vùng vào trong xây dựng cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Hải Phòng

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Thép chịu thời tiết với đặc tính là tự tạo nên lớp gỉ bảo vệ để bảo vệ lớp gỉ bên trong, quá trình này sẽ diễn ra khác nhau tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và môi trường Đặc biệt trong xây dựng công trình giao thông, ở các nước phát triển

đã thành công trong việc ứng dụng thép chịu thời tiết, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng Tuy nhiên Việt Nam là một nước nhiệt đới, với 3 vùng miền khí hậu khác nhau [3], có trục đường giao thông quan trọng dọc bờ biển dài, vùng có nồng độ muối nhiều, độ ẩm cao thì có thể sử dụng thép chịu thời tiết được hay không Do đó việc hiểu về đặc tính của thép chịu thời tiết, sử dụng thép chịu thời tiết trong môi trường thích hợp sẽ góp phần vào xây dựng các công trình cầu với chi phí bảo dưỡng thấp nhất

Việc ứng dụng thép chịu thời tiết vào xây dựng cầu phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm môi trường, khí hậu…, do đó 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

TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT

- -

1.1 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

1.1.1 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 " thép dùng trong kết cấu với khả năng chống ăn mòn trong không khí được cải thiện", là cái tên để đưa ra một phạm vi về thép hợp kim thấp cường độ cao, khi dùng chúng trong điều kiện phù hợp, có thể được phơi bày ngoài hiện trường mà không cần phải sơn Khi được sử dụng hợp lý, thép chịu thời tiết không có sơn có thể tăng cường tính chống gỉ so với thép cacbon hoặc cacbon/mangan thường trong kết cấu mà không có sơn

Tất cả thép trong kết cấu bị gỉ ở một tốc độ nào đó phụ thuộc vào sự xâm nhập của hơi ẩm và oxy vào trong kim loại sắt Khi quá trình xâm nhập này cứ tiếp tục diễn ra, một lớp oxit gỉ sẽ trở thành một rào cản hạn chế sự xâm nhập khác của hơi ẩm và oxy tới kim loại, và tốc độ ăn mòn này sẽ giảm xuống Nếu như lớp gỉ này ngăn không cho thấm nước một cách thích đáng và dính bám một cách chặt chẽ thì tốc độ xâm nhập có thể giảm bớt xuống gần như tới zero

Trong trường hợp dùng thép chịu thời tiết, điều kiện ổn định này có thể đạt được tới một vài năm tùy thuộc vào điều kiện môi trường, và kim loại sau đó được bảo vệ từ sự ăn mòn trong tương lai bằng các rào cản là lớp gỉ Giả định rằng không

có sự thay đổi đáng kể nào trong môi trường và với sự kiểm tra thường xuyên tuổi thọ một cây cầu dùng thép chịu thời tiết, thì điều kiện ổn định có thể xác định được

Sắt và thép cả hai đều gỉ 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 tương đối xốp mà có thể giữ ẩm và thúc đẩy sự ăn mòn hơn nữa 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 phát triển như một loạt các đường cong và được xấp xỉ

ổn định, bám chặt vào kim loại cơ bản và ít xốp Lớp gỉ “đồng” này phát triển dưới điều kiện ẩm và khơ xen kẻ nhau và tạo nên một lớp oxit chống gỉ, ngăn chặn sự thâm nhập của oxy và hơi ẩm

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

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 1.1: Cầu thép chịu thời tiết Serninggerbaach Valley ở Luxebourg

Thép chịu thời tiết ban đầu có màu nâu cam sáng, khi bề mặt kim loại bị thổi thì thép bắt đầu bị ôxy hóa Trong suốt quá trình thi công thì màu thép dần dần chuyển sang đen, mặc dù màu sắc có thể không hoàn toàn đều trong giai đoạn này Trong một hoặc hai năm sau khi hoàn thành, bề mặt trở thành màu nâu sẫm, thỉnh thoảng màu tím nhẹ mà thường phân bố đều Màu sắc đúng của thép chịu thời tiết

tùy thuộc tới mức độ tác động nào đó của môi trường Hình 1.2 Thể hiện sự thay

đổi màu sắc của một cầu cụ thể trong suốt quá trình xây dựng

Hình 1.2: Cầu cạn Obridge ở Taunton, Enghland

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

Hình 1.3: Cầu thép chịu thời tiết trên đường xe lửa, Đan Mạch

Môi trường phù hợp

Hầu như những địa điểm có xây dựng cầu đều phù hợp cho việc dùng thép chịu thời tiết Chỉ những môi trường không thích hợp, là 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 thép sẽ bị lộ ra để cho muối bám vào (ở những môi trường đặc biệt gần biển), hoặc là ở những nơi mà các thành phần của thép chịu thời tiết liên tục bị ướt và ẩm

Dùng trong những điều kiện sử dụng khó khăn

Thép chịu thời tiết được xem xét ở lợi ích tốt nhất của nó khi mà việc bảo trì duy tu theo cách thông thưởng hoặc là rất khó khăn hoặc là nguy hiểm, và theo đó giá thành của việc sơn lại đối với những cấu kiện bằng thép thông thường sẽ cao Như vậy, những điều có thể xảy ra, ví dụ như ở những vùng núi xa xôi, những con sông, hay trên những đường ray tàu điện Ở những nơi có môi trường như vậy thì thép chịu thời tiết sẽ hoạt động tốt

1.1.3 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết

Năm 1916, Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ đã bắt đầu một nghiên cứu

về sự ăn mòn khí quyển của vật liệu

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 Kiểm soát ăn mòn là tính năng của vật liệu mà được chào đón như là một sản phẩm cho nhu cầu về một loại thép chắc chắn có khả năng chịu đựng được sự khắc nghiệt của các chuyến tàu và ở các mỏ than ở Mỹ Bởi vì độ bền vốn có của nó, thép chịu thời tiết cũng được sử dụng rộng rãi cho các container Nhưng thép chịu thời tiết không thể hình thành lớp

gỉ bảo vệ và có tốc độ ăn mòn cao hơn trong môi trường với sự có mặt của ion Cl-

Nhiều năm sau, Yamashita khảo sát sự ăn mòn khí quyển của thép chịu thời tiết có chứa một lượng nhất định Crôm được phơi bày trong khí quyển gần biển trong hơn 20 năm và đã nhận thấy rằng lớp gỉ tự nhiên bao gồm hai lớp, lớp bên trong được kết chặt và làm giàu với Crôm[5] Tài liệu báo cáo rằng lớp gỉ bảo vệ

chứa phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH) có thể ngăn chặn sự xâm hại của Cl-; điều này giúp đẩy nhanh sự hình thành của lớp gỉ chắc chắn

Những ứng dụng kỹ thuật dân sự mà đã xuất hiện vào đầu những năm 1960

đã trực tiếp sử dụng sức kháng ăn mòn được cải thiện để chống ăn mòn Cầu đầu tiên sử dụng vật liệu này được xây dựng ở New Jersey Turnpike vào năm 1964

Thép chịu thời tiết ngày nay 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 New River Gorge, West Virginia, Mỹ với vòm dài 518m được xây dựng năm 1974 và hoàn thành năm 1977; nhánh mới của cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ, nhánh này được xây dựng vào năm 1972 nhằm giảm tải cho cầu cũ chỉ có hai làn xe

Hình 1.7 Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.8 Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ

Hình 1.9 Pont de Moussac-sur-Gardon (1993) –Pont Lenine in Ales (1979) – Pháp Cầu thép liên hợp bê tông, 2 dầm I–nhịp 152m và Cầu thép liên 4 dầm–nhịp 93m

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

thời tiết đã được xây dựng bằng nguồn tài trợ không hoàn lại của chính phủ Nhật từ năm 2001 Đến nay đã được 12 năm, tình trạng của các cầu này hiện nay rất tốt, tuy nhiên vẫn chưa có điều tra chi tiết về tính ưu việt của các cầu thép này ở Việt Nam

Hình 1.10 Cầu Rạch Rớ - tỉnh Bình Dương 1.1.4 Lợi ích của thép chịu thời tiết

Cầu thép thông thường tận dụng những tiến bộ mới nhất trong tự động hóa chế tạo và kỹ thuật xây dựng có thể cung cấp các giải pháp kinh tế đối với các yêu cầu về an toàn, xây dựng nhanh, diện mạo hấp dẫn, chiều cao kết cấu thấp, bảo trì

những phẩm chất này, nhưng còn cung cấp nhiều lợi ích hơn nữa [6]

Qua kinh nghiệm sử dụng cầu thép chịu thời tiết trên thế giới đã chỉ ra một

số lợi ích đối với loại cầu này bao gồm:

Những lợi ích về giá cả ban đầu

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

Việc bỏ qua công tác sơn sẽ đưa đến kết quả là giảm thời gian xây dựng công trình, tạo ra 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 trong những cây cầu sẽ đến một cách thông thường từ sự giảm chi phí bảo trì Một cách lý tưởng là chi phí bảo trì của thép chịu thời tiết là zero, từ sự không cần thiết phải sơn Trong thực tế, những việc kiểm tra và làm sạch được yêu cầu để đảm bảo rằng những cây cầu vẫn tiếp tục 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 chỗ bị giới hạn thì thường không đáng kể so với những chi phí phải sơn lại thường xuyên cả kết cấu

Giảm thời gian duy tu, bảo dưỡng

Trong tình trạng xấu nhất, việc kiểm tra, dọn dẹp việc sơn ở những vùng bị giới hạn trong việc sử dụng thép chịu thời tiết sẽ tốn ít thời gian hơn so với việc sơn lại một cây cầu dùng kết cấu thép bình thường Điều này thực sự làm giảm chi phí gián tiếp như (hạn chế giao thông trong quá trình duy tu, bảo dưỡng)

Việc quét sơn có thể làm hại đến sức khỏe của những công nhân và gây hại đến môi trường

Kiểu dáng, vẻ bề ngoài hấp dẫn

Kỹ thuật bảo vệ thép chịu thời tiết trong những cây cầu là một nét đặc trưng

về một lớp gỉ ổn định Chúng hoàn toàn được tạo thành và biến đổi một lần, vẻ bề ngoài của lớp màng này là không thay đổi, thường là màu nâu đậm hoặc là màu đỏ tía Màu này có thể trộn lẫn một cách thú vị trong môi trường nào đó

1.2 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĂN MÒN CỦA CẦU THÉP

CHỊU THỜI TIẾT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU

Thép chịu thời tiết đã và đang được ứng dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới, vật liệu thép chịu thời tiết đã trải qua hơn 80 năm phát triển và hơn 40 năm loại thép này ứng dụng vào xây dựng cầu, cho đến ngày nay hầu hết các quốc gia trên thế giới đều nhận thấy được những lợi ích kinh tế và môi trường từ việc sử dụng thép chịu thời tiết Tỷ lệ sử dụng cầu thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu, đặc biệt ở các nước phát triển đã tăng lên đáng kể

Tuy nhiên để đánh giá khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết một cách chính xác hơn, rộng rãi hơn và thúc đẩy việc sử dụng cầu thép chịu thời tiết ở những nước đang phát triển hay những nơi có điều kiện tự nhiên – môi trường đặc biệt (những nơi trước đây việc ứng dụng cầu thép được xem là không hiệu quả) thì cần phải có thêm nhiều thời gian, nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa để đánh giá đúng đắn ứng xử, khả năng bảo vệ gỉ cũng như sự ăn mòn trong giới hạn cho phép của thép chịu thời tiết trong các điều kiện tự nhiên - môi trường khác nhau

1.2.1 Sự ăn mòn xảy ra ở các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết

Cơ sở lý thuyết sự ăn mòn của thép chịu thời tiết:

Sự ăn mòn của thép kết cấu, bao gồm cả thép chịu thời tiết đã được kiểm tra [7-16], nó chỉ ra rằng các sản phẩm chính của sự ăn mòn khí quyển của thép thường hoặc hợp kim thấp là gỉ tinh thể và vô định hình (FeOOH), và khoáng magnetite Fe3O4 Gỉ thường là ở dạng tinh thể α-FeOOH hoặc γ-FeOOH và oxyhydroxide sắt

vô định hình (FeOx(OH)3-2x) Trong môi trường biển, β-FeOOH có khả năng có

kể Lớp ở trên thép thường thì không đồng đều, với các vết nứt, điều này cho phép

sự xâm nhập oxy, độ ẩm, và các chất gây ô nhiễm Tuy nhiên, lớp trên thép chịu thời tiết là nhiều đồng đều hơn, nó cũng được tìm thấy có chứa một lượng các yếu

tố hợp kim tương đối cao đặc biệt đối với loại thép này, chẳng hạn như đồng, crôm,

và phốt pho

Người ta ghi nhận rằng thép chịu thời tiết không có vẻ tạo thành một lớp bảo

vệ (như lớp gỉ đồng) trong sự hiện diện của clorua, đặc biệt là muối khử băng, 11] Điều này một phần là do những chất hút ẩm của muối Các yếu tố khác là các ion clorua tích điện âm (Cl–) làm giảm điện trở suất của các lớp bảo vệ Ngoài ra, với sự hiện diện của Cl–, kết quả phản ứng ăn mòn là số lượng β-FeOOH tương đối lớn Oxit này không biến đổi để tạo thành FeOx(OH)3-2x, thành phần chính của lớp bảo vệ [7,9,11]

[9-Thép chịu thời tiết và thép đồng đã được thử nghiệm qua [12] trong bốn môi trường khác nhau Trên cơ sở này, một mô hình năng lượng dạng logarit đã được đề xuất cho sự mất mát tiết diện do ăn mòn của thép chịu thời tiết [9,12,13], tức là:

C A y B (1.1)

Trong đó A và B là hệ số hồi quy Có hiệu quả, A có liên quan đến phản ứng ban đầu của thép, trong khi B giải thích cho sự thay đổi tính ăn mòn của thép theo thời gian Các phương trình xâm nhập ăn mòn khác cho thép chịu thời tiết được đề xuất và đánh giá trong một số tài liệu tham khảo, ví dụ: [15,16] Mặc dù các giá trị của mỗi mô hình có thể được tranh luận, Phương trình (1.1), mô hình năng lượng dạng lôgarít, là một trong những dạng đơn giản nhất và thường được áp dụng trong đánh giá các kết cấu bị ăn mòn

Phương pháp mạ kim

Mạ kim là một phương pháp áp một lớp kim loại lên bề mặt, thường là do phun lửa hoặc phun plasma [12] Trong [13], thử nghiệm ăn mòn của ba loại hợp kim được mạ kim (phun lửa lên các tấm lexan - nhựa polycarbonate) được mô tả Trong [14], thử nghiệm kéo dài 18 năm của các mẫu kim loại được đặt trong nước biển được mô tả Trong thời gian của các thử nghiệm này, hầu hết các mẫu vật mạ kim thể hiện rất tốt

mức độ mà nó cung cấp một cực dương tan để bảo vệ bề mặt thép Tuy nhiên dải kẽm là một vật liệu tương đối mới cho ứng dụng này, và không có nghiên cứu được công bố hiện có sẵn định lượng hiệu quả của nó

Phương pháp đo độ dày tấm bằng siêu âm:

Đo độ dày bằng siêu âm là phương pháp phổ biến nhất của để đo độ dày của tấm thép trên các công trình [21] Tài liệu được công bố ít có sẵn, tuy nhiên, tính chính xác của máy đo độ dày siêu âm (UTGs) đã được sử dụng để đo độ dày của tấm thép chịu thời tiết bị ăn mòn [22] lưu ý rằng đo chiều dày ăn mòn là không chính xác và do đó đòi hỏi thời gian dài thu thập dữ liệu để xác định tốc độ ăn mòn Các nguồn dữ liệu không chính xác bao gồm chính các dụng cụ, cũng như bề mặt của tấm được đo, thường hơi nhám bởi quá trình ăn mòn Tuy nhiên, đo độ dày bằng siêu âm được khuyến nghị cho kiểm tra và đánh giá sự suy thoái do ăn mòn trong các cây cầu thép [23]

Thử nghiệm bằng phương pháp siêu âm:

Mục tiêu của nghiên cứu UTG là để đánh giá hiệu quả và tính chính xác của UTGs khi được sử dụng trên tấm thép chịu thời tiết bị ăn mòn nặng Ảnh hưởng của các sản phẩm ăn mòn, ở mỗi bên của tấm, trên độ dày đo được điều tra - để xác định một cách rõ ràng có hoặc không có độ dày của các sản phẩm này được kể đến trong phép đo Ngoài ra, ảnh hưởng của ăn mòn rỗ trên các phép đo đã được kiểm tra

Các tấm mẫu bị ăn mòn rất nhiều (90mm  45mm) lấy từ một thiết bị thêm vào công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết trên 30 năm tuổi được làm phẳng bằng máy ở một bên Sau đó đo chiều dày được thực hiện từ mặt phẳng đến mặt thô của mỗi mẫu, trên một khoảng lưới đều đặn bằng cách sử dụng một UTG điển hình Những phép đo này sau đó được so sánh với các phép đo tương tự thu

được bằng cách sử dụng một máy đo tọa độ (CMM) Như Hình 1.11 (bên trái), toàn

bộ quá trình được thực hiện với các sản phẩm ăn mòn ở tại chỗ và một lần nữa sau khi sản phẩm ăn mòn đã được gỡ bỏ CMM sử dụng một que thăm dò giống như cái kim để xác định các tọa độ x, y và z của một điểm hoặc một loạt các điểm trên bề mặt của bất kỳ đối tượng 3D được đặt dưới nó

mẫu quá thô để thu được kết quả đọc UTG có ý nghĩa Vì vậy, để hoàn tất việc nghiên cứu, một tập hợp các mẫu thép chịu thời tiết mới, để bên ngoài cho ăn mòn nhẹ cho một khoảng thời gian 3 tháng, được chế tạo Cuối cùng kết quả là phép đo chiều dày UTG và CMM thu được cho ba mẫu thép "cũ" (đo từ phía bên phẳng) và

ba mẫu thép "mới" (đo từ phía bên bị ăn mòn - Xem Hình 1.12)

Sau khi các phép đo được thực hiện, các sản phẩm ăn mòn đã được gỡ bỏ bằng cách “tẩy gỉ” theo [20] Các mẫu vật đã được kiểm tra dưới kính hiển vi để đảm bảo rằng các sản phẩm ăn mòn đã được hoàn toàn loại bỏ Các phép đo UTG

và CMM sau đó được lặp lại

Hình 1.11 Kiểm tra đánh giá UTG (trái) và phép đo UTG với mẫu (phải)

Hình 1.12 Bề mặt mẫu thép "cũ" và "mới" trước khi tẩy

Nghiên cứu thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ đã được thực hiện để đánh giá tiềm năng của một số cái mới, các sản phẩm có lớp mạ kẽm để cải thiện đặc tính ăn mòn các công trình đường bộ sử dụng thép chịu thời tiết Ma trận kiểm tra cho việc

thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ được thể hiện trong Bảng 1.1 Năm mẫu được chế

tạo ứng với mỗi loại Các mẫu vật bao gồm các mẫu thép vuông 50 mm  50 mm cho vào trong epoxy để chỉ có một bên được tiếp xúc với môi trường trong phòng Mẫu thép chịu thời tiết “cũ” và “mới” được chế tạo Các mẫu thép CSA 50A [25] bị

ăn mòn nặng, được lấy từ cùng công trình giống như các mẫu thép cũ được sử dụng trong nghiên cứu UTG Sau này, bao gồm thép CSA 350 AT mới, lấy từ mẫu thép mới bị ăn mòn nhẹ đã được sử dụng trong nghiên cứu UTG Các mẫu thép cũ và mới đã được xử lý trước bằng phun cát mỗi cấp với SSPC-SP 5/NACE No 1 [26], hoặc xấp xỉ nửa mức này, để nghiên cứu tác động của tham số này lên đặc tính lớp phủ

Bảng 1.1 Ma trận thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ

3 Mới Hoàn toàn Mạ Al-Zn-In

Hai sản phẩm mạ kim đã được kiểm tra trong nghiên cứu này Các sản phẩm kẽm bao gồm kẽm có độ tinh khiết cao (tối thiểu 99.99%) Sản phẩm hợp kim nhôm

có nhôm, 5.0 % kẽm, 0.05 % indium, với lượng bổ sung nhỏ của sắt, silic, đồng và

ra, một sản phẩm dải đã được thử nghiệm: dải kẽm Galvanode® ZincTape, bao gồm

ba lớp: các lớp đầu tiên (bên ngoài) là một lớp phủ PVC, theo sau bởi một lớp kẽm

có độ tinh khiết cao (tối thiểu 99,99%) Lớp thứ ba là một chất kết dính nhạy cảm

áp lực và dẫn điện Trong các ứng dụng kích thước thực, dải băng mỏng có thể được áp vào các cạnh đầu tiên, trước khi các dải rộng hơn có thể được sử dụng để che phủ lên các không gian lớn ở giữa

Phương thức được lựa chọn cho các kiểm tra ăn mòn là phương thức SAE J2334 [27] Theo phương thức này, thử nghiệm sau một chu kỳ 24 giờ, bao gồm một giai đoạn 6 giờ ở giai đoạn ẩm (50oC, 100% RH), một giai đoạn ngâm nước 15 phút, và 17 giờ 45 phút ở giai đoạn sấy khô (60oC, 50% RH) Các thành phần của dung dịch ngâm SAE J2334 là: 0.5 % NaCl, 0.1 % CaCl2, và 0,075 % NaHCO3 Từng thành phần thu ở dạng bột và hòa tan trong nước cất, bao gồm phần còn lại của dung dịch Các phương thức thử nghiệm đã được áp đặt bằng cách đặt các mẫu vật trong một phòng kiểm tra sự ăn mòn theo chu kỳ, trong đó có hai khu vực chính: một phòng ăn mòn và một hồ chứa dung dịch Khoảng chừng hàng tuần, trong thời gian thử nghiệm, các mẫu vật đã được lấy ra, cân nặng, và đặt trở lại trong phòng thử nghiệm

Kết luận:

- Khi đo độ dày của các tấm thép chịu thời tiết sử dụng một máy đo độ dày siêu âm tiêu chuẩn, các sản phẩm ăn mòn trên mặt sau của tấm không có ảnh hưởng đến việc phép đo độ dày Ngược lại, sản phẩm ăn mòn ở bên

đo lường được thực hiện có xu hướng để làm tăng một cách giả tạo độ dày đo được bởi một lượng lớn hơn độ dày của sản phẩm ăn mòn

- Việc mạ kẽm và hợp kim nhôm – kẽm – indium và băng kẽm cung cấp một cách có hiệu quả để cải thiện đặc tính ăn mòn của thép chịu thời tiết Trong quá trình thử nghiệm, tất cả các lớp phủ có hiệu quả trong việc bảo

vệ bề mặt thép, bất kể loại thép, mức độ bề mặt rỗ, và mức độ phun cát

- Phép đo chiều dày tấm được xem là rất quan trọng cho việc đánh giá cấu trúc của các công trình, do tính bất định cao có liên quan với tốc độ ăn mòn

công nghiệp

Tóm tắt các phương pháp thử nghiệm và kết quả đạt được

Diễn biến quá trình ăn mòn của thép Cacbon (SS400) và thép hàm lượng Phosphor cao chống ăn mòn (Acr – Ten A) được diễn ra trong điều kiện tự nhiên khác nhau của môi trường đã được nghiên cứu và so sánh sau khi được thử nghiệm ngoài không khí, với các khoảng thời gian khác nhau (lên đến 6 năm) tại Đài Loan Trong điều kiện môi trường tự nhiên của nền công nghiệp, sự ăn mòn của thép chịu thời tiết được cho là sai lệch với giả thuyết nổi tiếng logarit sau 3 năm phơi bày ngoài trời Những kết quả phơi bày ngoài trời, phân tích cấu trúc lớp gỉ, điện trở kháng, phân tích quang phổ đã giúp lý giải các hiện tượng bất thường của thép chịu thời tiết khác với lý thuyết thông thường Hơn nữa, các hiện tượng này cũng được

mô phỏng lại trên máy gia tốc trên cả điều kiện ướt và khô với lượng chất bổ sung

là khí SO2

Bảng 1.2 Các thành phần hóa chất của thép

Thép Cacbon SS400 0.13 0.19 0.81 0.015 0.008 0.063 0.021 0.049 0.024 Thép chịu thời tiết

Lượng mưa trung bình (mm/năm)

tương đối (%)

Tốc độ gió trung bình (m/s)

(mg/m2 ngày)

Cl- (mg/m2 ngày)

Những mẫu thử gia tốc được cho vào buồng kín thí nghiệm với các điều kiện

về nhiệt độ, khí thải, độ ẩm tương đối được gây nên một cách đều đặn Chúng ta tăng tần suất thí nghiệm cho cho phương án khô – ướt dưới một hằng số khí SO2 trong môi trường khí ga Mỗi vòng ướt/khô bao gồm có một khoảng thời gian ướt (

Khí SO2 chỉ được bơm trong quá trình ướt, từ thanh hình trụ lưu huỳnh đioxít trộn với nitrogen loãng và khí SO2 trong buồng thí nghiệm được điều chỉnh ở 1 đến 4ppm, tách biệt nhau

Các mẫu được phát họa thành một nhóm sau khi để ngoài các điều kiện thay đổi và đo đạc lại sự mất mát khối lượng và ion điện hóa Phần khối lượng mất đi sẽ được xác định bằng cách đo khối lượng trước và sau khi phơi mẫu ngoài môi trường, sai số tiêu chuẩn cho trường hợp này là 5% Những sản phẩm của quá trình

ăn mòn được tách ra bằng phương pháp điện phân Clark Những mẫu không tạo gỉ được điện phân bằng (0.1M NaCl+0.1M Na2SO4) cho quá trình điện phân Quá trình đo đạc điện phân được phân tích dùng máy Solartron 1255 kết nối với PAR 273.Biên độ của hàm sin là 10mV, tiệm cận với chu vi số hiệu điện thế, tần số từ 100kHz đến vài mHz.Việc phân tích điện hóa được dùng máy tính và phần mềm chuyên dùng bởi Boukamp Một số mẫu khác được tiến hành phân tích bởi một số phương pháp kỹ thuật, scan electron bằng tia X quang

Biểu đồ1.2 Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon theo thời gian

Sự chống lại quá trình ăn mòn của thép chịu thời tiết rõ ràng cao hơn thép cacbon Nhìn chung, sự tiến triển quá trình ăn mòn của thép cacbon trong môi trường công nghiệp (nhà máy) tương tự với môi trường trung tâm Tuy nhiên, với thép chịu thời tiết, trong môi trường không khí công nghiệp, sự ứng xử của thép

chịu thời tiết khá đặc biệt Như thể hiện trong Biểu đồ 1.3 , sự khác biệt độ dày của

nhiên Biểu đồ 1.3 tái hiện lại kết quả trong Biểu đồ 1.2 bằng biểu đồ thể hiện sự

giảm chiều dày tỷ lệ nghịch với thời gian phơi bày trên hệ tọa độ logarithm

Biểu đồ 1.3 Biểu đồ thể hiện sự giảm chiều dày tỷ lệ nghịch với thời gian

phơi bày trên hệ tọa độ logarit

Sự ăn mòn trong không khí của thép cacbon cũng tương đối như thép chịu thời tiết tại môi trường trung tâm theo hàm: C=AtB (1.2)

Với C là trọng lượng mất đi trong dạng biểu diễn của chiều dày (m), t là thời gian phơi bày (tháng); và A, B là hằng số Khi đó, A tương đương với khối lượng mất đi khi thời gian là đơn nhất và A được xem là thông số đo đạc ban đầu của sự ăn mòn với thời gian phơi bày ngoài không khí Tuy nhiên, sự ứng xử về ăn mòn của thép chịu thời tiết tại môi trường công nghiệp lại sai khác với biểu thức (1.2), trong suốt giai đoạn cuối cùng của quá trình phơi bày Biểu đồ log – log với thời gian là một hàm không liên tục bao gồm 2 phân đoạn Độ dốc của phân đoạn 2

rõ ràng nhỏ hơn phân đoạn ban đầu

môi trường công nghiệp, với hệ trục logarit

Biểu đồ 1.4 cho thấy sơ đồ sự giảm khối lượng với thời gian của thép chịu

thời tiết tại môi trường không khí công nghiệp và trong độ logarit Hàm đại diện mối quan hệ cũng như ứng xử có thể được diễn tả bởi công thức sau:

1 2 2

1B B B ( 1) (1.3)

Trong đó C là chiều dày mất mát, A là mất mát ăn mòn tại tháng đầu tiên, t1

là chiều dài của những tháng trong thời kì đầu của độ dốc B1 và B2 là độ dốc của phân đoạn 2 Bảng 1.3 cung cấp cho ta các hệ số giảm và các hệ số tương quan của các dữ liệu theo biểu thức (1.1) và (1.2) Đối với thép chịu thời tiết tại môi trường không khí công nghiệp, giá trị của hằng số B2 là 0.241, nhỏ hơn nhiều đối với hệ số

B1 là 0.651 Thật đơn giản khi hiểu rằng sự ứng xử của quá trình ăn mòn của thép trong môi trường không khí có thể được ước tính và xác định khối lượng thông qua các hằng số A, B trong biểu thức (1.1) Hệ số B gần như bằng 0.5 nếu như sự ăn mòn được kiểm soát bằng ý tưởng khuếch tán ánh sáng Mặt khác nó sẽ lớn hơn 0.5 nếu như sự ăn mòn nhanh hơn sự tiến trình khuếch tán ánh sáng khi mà các lớp gỉ bám đã được gỡ bỏ bằng các hình thức làm tan chảy, ăn mòn…Ngược lại sự hệ số

B nhỏ hơn 0.5 nếu như giảm giá trị hệ số khếch tán bởi vì lớp gỉ bám trở nền chặt hơn với thời gian Theo đó, sự xảy ra việc phân đoạn 2 có độ dốc nhỏ B2, dùng để xác định lại tốc độ ăn mòn của thép chịu thời tiết dưới nền không khí công nghiệp

Ví dụ, Townsend và Zoccola [28] được bắt nguồn từ nguồn thực nghiệm (1.1) để so sánh sự kháng ăn mòn trong không khí của thép tỷ lệ thời gian Một lượng mất mát

250 m được chọn lựa để tính toán thời gian:

( / ) B (1.3)

t  C A

Trong đó, t là nhân tố thời gian (tháng) để đạt được sự mất mát 250m, C*

là chiều dày mất mát (250m) A, B là hằng số được đề cập trong biểu thức (1.1) Thời gian để thép cacbon và thép chịu thời tiết để mất mát được 250m trong khí quyển công nghiệp, trong hàm đơn giản (1.1) và (1.3) là 125 tháng và 460 tháng Theo kết quả nghiên cứu, khả năng chống ăn mòn của thép chịu thời tiết lớn hơn thép Cacbon 3.7 lần Ngược lại, thời gian để đo đạc được 250m trọng lượng mất

thức (1.2), được đánh giá gấp 6 lần với thép Cacbon

Một phòng thí nghiệm gia tốc được tiến hành trong điều kiện chu kỳ ướt / khô với SOx để mô phỏng dài hạn không khí ăn mòn của thép thời tiết trong SOx, ô

nhiễm công nghiệp môi trường Biểu đồ 1.5 minh họa sự biến đổi của mất độ dày

của thép với các chu kỳ khô ẩm ướt với nồng độ SO2 lần lượt là 1ppm và 4ppm

Tiến hành làm giảm độ pH của chất điện phân và làm tăng tốc độ ăn mòn của thép được minh họa qua các phương trình phản ứng hóa học sau:

Biểu đồ 1.5 Sự giảm chiều dày của thép chịu thời tiết và thép cacbon ứng

với sự gia tăng chu kỳ ẩm ướt/khô của nồng độ SO2

Kết luận

- Sự ứng xử không bình thường của hiện tượng ăn mòn sai lệch với hàm logarit thì được quan sát ở thép chịu thời tiết với hàm lượng phosphor cao sau 3 năm phơi tự nhiên tại môi trường không khí công nghiệp.Các hiện tượng sai lệch gây ra do giai đoạn chuyển hóa từ   FeOOH các vết nứt tự do và bảo vệ

FeOOH

  là một nhân tố đặc biệt quan trọng trong tiến trình ăn mòn của thép chịu thời tiết Ngược lại, hiệu ứng ăn mòn của các loại thép khác trong khí quyển thì thể hiện tương đối phù hợp theo quy luật hàm logarit

- Không chỉ các phần tử hợp kim mà còn có khí SO2 đóng vai trò khá quan trọng trong việc định dạng các vết nứt tự do và bảo vệ lớp gỉ sét.Với môi trường khí

tượng ăn mòn tại môi trường khí quyển công nghiệm, có thể mô phỏng khá nhanh ( chỉ trong vòng 50 vòng test), bằng thí nghiệm gia tốc trong cả điều kiện ướt và khô với sự gia tăng 1ppm khí SO2

ăn mòn ban đầu, B là hệ số thể hiện sự thay đổi ăn mòn trong những năm tiếp theo, phụ thuộc vào môi trường và phụ thuộc vào hệ số A, giữa A và

B có mối tương quan với nhau tùy từng điều kiện môi trường mà mối tương quan đó được biểu hiện khác nhau

- Phương pháp thử nghiệm chủ yếu được sử dụng ở đây là phương pháp phơi bày trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện giả định (phòng thí nghiệm), các mẫu thép chịu thời tiết thử nghiệm được tạo ra thông qua các thành phần hợp kim được thêm vào hay thay đổi để có được những đặc tính thích hợp với nhiều loại môi trường khác nhau

- Phương pháp đo đạc, tính toán mất mát ăn mòn thực nghiệm được áp dụng là dùng các dụng cụ siêu âm, điện từ hay bằng các phân tích điện hóa… và một số phương pháp kỹ thuật khác (tia X…)

Tuy nhiên tùy từng điều kiện môi trường khác nhau, mô hình tính toán ăn mòn cũng như các phương pháp đo đạc, thí nghiệm sẽ có những thay đổi, những đặc điểm riêng để phù hợp cho từng điều kiện khác nhau Trong phạm vi luận văn này, sẽ tập trung nghiên cứu, đánh giá ăn mòn của thép chịu thời tiết chủ yếu tại những khu vực có khoảng cách gần bờ biển, nơi có nồng độ muối cao hơn bình thường

1.3 NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

Dựa trên những vấn đề đã trình bày ở phần trên, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu phụ thuộc vào các điều kiện môi

có các nghiên cứu phơi bày ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong những đặc điểm

tự nhiên môi trường đó

Với từng điều kiện tự nhiên – môi trường khác nhau từ những nơi khí hậu ôn hòa như khu vực nông thôn, đô thị đến những nơi khí hậu khắc nghiệt như khu vực công nghiệp, ven biển thì cầu thép chịu thời tiết sẽ có ứng xử : tự tạo lớp gỉ bảo vệ

để bảo vệ lớp gỉ bên trong, tốc độ ăn mòn, sự hình thành màu sắc… cũng khác nhau Nước ta là một nước có bờ biển dài hơn 3000km, ảnh hưởng của hàm lượng muối từ bờ biển thổi vào là rất lớn Ở Việt Nam việc ứng dụng thép chịu thời tiết vẫn còn khá mới mẻ, do đó 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 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 BẢN CHẤT THÉP CHỊU THỜI TIẾT

2.1.1 Vật liệu thép chịu thời tiết

Cấu trúc vật liệu của thép chịu thời tiết nhìn chung bao gồm các thành phần chính giống với thép thường gồm sắt, một tỷ lệ phần trăm nhỏ carbon và mangan, tạp chất không thể được hoàn toàn loại bỏ từ quặng, cụ thể là lưu huỳnh, phốt pho

và một số thành phần hợp kim khác

Điểm khác để thép chịu thời tiết có được những thuộc tính đặc biệt của nó là việc pha trộn cẩn thận của các thành phần hợp kim được thêm vào thép trong suốt quá trình sản suất Các thành phần hợp kim được thêm vào thay đổi để có được những đặc tính thích hợp với nhiều loại môi trường khác nhau, từ những nơi khí hậu

ôn hòa như khu vực nông thôn, đô thị đến những nơi khí hậu khắc nghiệt như khu vực công nghiệp, ven biển

Nhật Bản cũng là quốc gia có những nghiên cứu và ứng dụng thép chịu thời tiết từ rất sớm Các sản phẩm thép chịu thời tiết ở Nhật Bản rất đa dạng để phù hợp với đặc điểm khí hậu rất khắc nghiệt Thành phần hóa học của một số thương phẩm

thép chịu thời tiết như trình bày ở bảng 2.1 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 2.1 Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết