NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ

Dầm bê tông cốt thép là 01 loại cấu kiện chịu uốn, được sử dụng phổ biến trong kết cấu công trình bê tông cốt thép.. Khi cốt thép trong dầm bê tông bị ăn mòn sẽ làm suy giảm khả năng chị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống

ăn mòn của dầm bê tông cốt thép” dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Chính

được Hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Quyết định giao nhiệm vụ tại Quyết định số 1549/QĐ-ĐHBK, ngày 14 tháng 9 năm 2018

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác /

Tác giả

Bùi Ngọc Vũ

TÓM TẮT:

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG

CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: Bùi Ngọc Vũ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 858 02 01

Khóa: K34 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

- Luận văn nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn

cốt thép trong dầm bê tông cốt thép Các mẫu dầm bê tông cốt thép, kích thước (100x150x1.000)mm được đúc trong đó cốt thép đặt ở vùng chịu kéo của dầm dùng 28 tròn trơn; tỷ lệ tro bay thay thế cho xi măng ở các mẫu dầm là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40% Cốt thép trong dầm được gia tốc ăn mòn sử dụng phương pháp gia tốc ăn mòn cốt thép với hiệu điện thế không đổi U=10V Kết quả cho thấy tro bay góp phần nâng cao khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông, tỉ lệ tro bay thay thế xi măng càng lớn thì khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông càng tăng

Từ khóa: dầm bê tông cốt thép, Tro bay, ăn mòn cốt thép; gia tốc ăn mòn;

Abstract: The thesis studied the effect of fly ash on the corrosion resistance of steel in

reinforced concrete beams Reinforced concrete beams dimensions of 100x150mm in cross section and 1000mm in length were cast, in which 2 steel diameter of 8mm were used as the tensile reinforcment, fly ash was used to replace cement at the proportions of 0% (the control beam), 10%, 20% and 40% respectively The reinforcing steel bars were accelerated corrosion

by means of impressed voltage methods of 10V The results show that the fly ash improves the corroison resistance of steel in concrete beams, the more fly ash replaced the better corrosion resistance

Key words: reinforced concrete beams, fly ash, corrosion, impressed voltage method

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cần thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết quả dự kiến 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 4

1.1 TỔNG QUANG VỀ TRO BAY 4

1.1.1 Khái niệm, thành phần 4

1.1.2 Các nghiên cứu trước đây về tro bay trong lĩnh vực xây dựng 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP 7

1.2.1 Bê tông 7

1.2.2 Bê tông cốt thép 8

1.2.3 Các nhân tố đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép 8

1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của Bê tông cốt thép 8

1.3 DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 9

1.3.1.Cấu tạo của dầm 9

1.3.2 Sự làm việc của dầm 9

1.4 KẾT LUẬN 11

CHƯƠNG 2 ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 13

2.1 ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG 13

2.1.1 Cơ chế ăn mòn của cốt thép trong bê tông 13

2.1.2 Các nguyên nhân ăn mòn 14

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA KÉT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 16

2.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TRÊN THẾ GIỚI BỊ PHÁ HOẠI DO ĂN MÒN 16

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN VÀ SỬA CHỮA KẾT CẤU ĐÃ BỊ ĂN MÒN 17

2.4.1 Một số phương pháp chống ăn mòn 17

2.4.2 Sửa chữa kết cấu đã bị ăn mòn 23

2.5 GIA TỐC ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 24

2.5.1 Khái niệm về thí nghiệm gia tốc 24

2.5.2 Gia tốc ăn mòn của cốt thép trong bê tông sử dụng nguồn điện một chiều24 2.5.3 Định luật Faraday’s 25

2.6 KẾT LUẬN 26

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

27

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 27

3.2 CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 27

3.2.1 Tiêu chuẩn áp dụng 27

3.2.2.Vật liệu, dụng cụ và thiết bị thí dùng để nghiệm 28

3.2.3 Thành phần cấp phối và chế tạo dầm bê tông cốt thép 37

3.2.4 Gia tốc ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông 41

3.2.5 Vệ sinh dầm và thực hiện uốn dầm 42

3.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.3.1 Độ sụt và cường độ chịu nén của mẫu (100x100x100)mm 45

3.3.2 Cường độ dòng điện 45

3.3.3 Kết quả tính toán mật độ dòng điện 47

3.3.4 Hình ảnh dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 50

3.3.5 Thực hiện uốn dầm BTCT 51

3.3.6 Thu hồi các thanh thép sau khi thí nghiệm 53

3.3.7 Tính ăn mòn thực tế và lý thuyết 55

3.4 KẾT LUẬN 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

3.4 Các chỉ tiêu phân tích của tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2

(Tro bay loại F theo Tiêu chuẩn ASTM)

31

3.5 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion

clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa

33

3.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật do nhà sản xuất công bố 34 3.7 Kết quả thí nghiệm kéo thép tại phòng thí nghiệm 35 3.8 Thành phần cấp phối cho một mẽ trộn 37 3.9 Số liệu các thanh thép sau khi gia công để thực hiện thí nghiệm 38 3.10 Chi tiết dầm bê tông thí nghiệm 39 3.11 Số lượng mẫu - đo độ sụt khi tạo mẫu 39 3.12 Kết quả đo độ sụt và nén mẫu (100*100*100) mm 45 3.13 Kết quả đo cường độ dòng điện trong quá trình gia tốc ăn mòn 46 3.14 Kết quả tính toán mật độ dòng diện 48 3.15 Giá trị lực trong quá trình thực hiện uốn dầm 52 3.16 Số liệu các thanh thép sau khi thực hiện thí nghiệm và thu hồi 54 3.17 Kết quả tính toán ăn mòn theo Định luật Fraday’s 55 3.18 Kết quả tính toán khối lượng ăn mòn sau khí thi nghiệm 56 3.19 Khối lượng thép bị ăn mòn giữa thực tế và lý thuyết tính toán 56

2.7 Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực dương

2.8 Thi công biện pháp chống ăn mòn bằng cực dương huy

3.1 Đá 1x2, mỏ đá Phước Tường 28 3.2 Cát đúc bê tông, mỏ cát Túy Loan 29 3.3 Xi măng Sông Gianh PCB 40 30 3.4 Tro bay Vĩnh Tân 2 31 3.5 Thép 8 tròn trơn - Việt Mỹ (VAS) 33 3.6 Thí nghiệm kéo thép 34 3.7 Muối NaCl REFINED SALT 35 3.8 Ván khuôn tạo mẫu 35 3.9 Một số thiết bị và dụng cụ phục vụ thí nghiệm 36 3.10 Một số thiết bị và dụng cụ phục vụ thí nghiệm 37 3.11 Gia công và cân thép 38 3.12 Dầm BTCT (100x150x1.000)mm 39 3.13 Đo độ sụt, đúc mẫu và bảo dưỡng 40

3.14 Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong phòng thí

3.15 Thực hiện thí nghiệm ăn mòn 41

Số hiệu hình

vẽ và sơ đồ Tên hình vẽ và sơ đồ Trang

3.16 Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 43 3.17 Sơ đồ uốn dầm 04 điểm 43 3.18 Lắp đặt dầm vào gối để thực hiện uốn dầm 44 3.19 Thực hiện nén mẫu 45 3.20 Theo dõi đo cường độ dòng điện bằng camera 46

3.21 Ảnh hưởng tro bay đến mật độ dòng điện ăn mòn của

cốt thép trong dầm 49 3.22 Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 50 3.23 Vết nứt Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 50 3.24 Hình ảnh dầm bị phá hoại khi thí nghiệm uốn dầm 51 3.25 Hình ảnh vết nứt dầm khi bị phá hoại 51 3.26 Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa dầm 52 3.27 Cốt thép bị ăn mòn trong dầm bê tông 53 3.28 Hình ảnh các thanh thép bị ăn mòn (Trước khi vệ sinh) 53 3.29 Hình ảnh các thanh thép bị ăn mòn (Sau khi vệ sinh) 54 3.30 Biểu đồ khối lượng thép bị ăn mòn theo tỷ lệ tro bay

thay thế xi măng 57

TỪ NGỮ VIẾT TẮT

AC Dòng diện xoay chiều

BD Biến dạng BTCT Bê tông cốt thép

DC Dòng điện một chiều

M Momen

TB Tro bay

ƯS Ứng suất ƯLT Ứng lực trước

XM Xi măng VAS Thép Việt Mỹ

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế tạo từ các loại vật liệu rời (cát, đá, sỏi ), chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể có thêm phụ gia [11]

Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện

Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt là 0,05 micromet Nhờ

bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt (đạt khoảng 1.4000C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao, có độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay

Dầm bê tông cốt thép là 01 loại cấu kiện chịu uốn, được sử dụng phổ biến trong kết cấu công trình bê tông cốt thép Cốt thép dọc chịu lực trong dầm đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt thép dọc chịu lực đặt ở vùng nén của dầm Bê tông và cốt thép có thể cùng chịu lực được nhờ lực dính giữa hai loại vật liệu đó, đảm bảo cho bê tông và cốt thép cùng biến dạng, đảm bảo sự truyền lực qua lại [11] Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào cường độ của bê tông, cường độ của cốt thép và lực dính giữa bê tông và cốt thép Nhưng một điều bất lợi đối với bê tông là cường độ chịu kéo khá nhỏ so với cường độ chịu nén nên chúng rất dễ nứt tại vùng kéo khi chịu lực, do đó hầu như toàn bộ toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu

Ăn mòn cốt thép là một hiện tượng phổ biến trong kết cấu bê tông cốt thép, quá trình thủy hóa xi măng làm cho bê tông tăng cường độ nhưng đồng thời cũng làm giảm

độ pH có trong bê tông, điều này làm cho cốt thép bị mất tính chống rỉ thụ động Với

sự xâm nhập của muối, oxy, độ ẩm và co2 vào trong lớp bảo vệ bê tông và sau đó dẫn đến ăn mòn của cốt thép bên trong bê tông Quá trình phá hoại của bê tông và quá trình

ăn mòn cốt thép có môi quan hệ mật thiết với nhau [8]

Khi cốt thép trong dầm bê tông bị ăn mòn sẽ làm suy giảm khả năng chịu lực của dầm khi chịu tải trọng và dẫn đến dầm bị phá hoại; do ăn mòn làm giảm kích thước tiết diện ngang của cốt thép, cốt thép trở nên dòn hơn; thể tích các sản phẩm ăn mòn tăng lên gây ra nội ứng suất trong bê tông dẫn đến xuất hiện các vết nứt trong bê tông; ngoài ra khi cốt thép bị ăn mòn còn ảnh hưởng đến lực dính giữa bê tông và cốt thép [8]

Những nghiên cứu trước đây cho thấy khi kết hợp tro bay với ximăng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm

độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công

do không phải xử lý nhiệt ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể Với ưu điểm như trên, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới và Việt Nam sử dụng sản phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu [13] Khả năng chống thấm của

bê tông có tro bay dự đoán góp phần làm giảm sự xâm nhập của chloride và các nhân

tố có hại vào bê tông nên giảm nguy cơ ăn mòn cốt thép trong bê tông Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến ăn mòn cốt thép trong bê tông nói chung và trong dâm bê tông nói riêng Đây chính là lý do tác giả làm đề tài nghiên

cứu “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn

của dầm bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của các dầm bê tông cốt thép Các dầm có tỉ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 0%, 10%, 20% và 40%

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Bằng kết quả thực nghiệm (gia tốc ăn mòn trong phòng thí nghiệm) để đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông cốt thép, với tỷ lệ tro bay thay thế lượt là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40% (tỷ lệ tro bay thay thế xi măng cho chương trình thí nghiệm dựa trên tỷ lệ tro bay thay thế xi măng đã được nghiên cứu tại đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu nén của Bê tông” [1]

- Các loại vật liệu: Cát Túy Loan (Hòa Vang, TP Đà Nẵng); đá Phước Tường (TP

Đà Nẵng); xi măng Sông Gianh PCB 40; tro bay Công ty Nhiệt điện Vĩnh Tân (Bình Thuận); Sắt 8 tròn trơn Việt Mỹ (VAS)

- Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết về ăn mòn cốt thép trong bê tông và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép

- Các dầm bê tông cốt thép có kích thước tiết diện là (100x150)mm, chiều dài dầm 1.000mm, trong đó các tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40%

- Số lượng dầm ở các thành phần tỷ lệ tro bay thay thế xi măng là 1 dầm (tổng cộng 1*4=4 dầm)

- Cốt thép dọc đặt trong vùng kéo của dầm dùng 28 tròn trơn

- Mẫu bê tông (100x100x100)mm ở các thành phần tỷ lệ tro bay thay thế xi măng

không đổi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp lý thuyết các kết quả nghiên cứu trước đó về ăn mòn của cốt thép trong bê tông và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực của một số cấu kiện bê tông cốt thép

- Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn: TCVN 3105:1993: Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử; TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt; TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén;

- Đúc dầm BTCT kích thước (100x150x1.000)mm trong đó tro bay được sử dụng

để thay thế xi măng với các tỉ lệ là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40% Ngoài ra đúc các mẫu bê tông kích thước (100x100x100)mm để xác định thực nghiệm cường độ chịu nén của bê tông

- Gia tốc ăn mòn cốt thép trong dầm BTCT tại phòng thí nghiệm sử dụng phương pháp điện thế không đổi U=10V

- Nén mẫu bê tông xác định cường độ chịu nén của mỗi bê tông ở tuổi 28 ngày

- Sau khi hết thời gian gia tốc ăn mòn thực hiện nén mẫu và uốn dầm

- Phân tích các kết quả thí nghiệm

+ Khối lượng cốt thép bị ăn mòn

+ Biểu đồ lực và chuyển vị của dầm

- Đưa ra các kiến nghị khi ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông

có sử dụng tro bay trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG VÀ

Hình 1.1 Tro bay

Hình 1.2 Sơ đồ tách lọc tro bay

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618 Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM

Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 Đơn

vị

Lớn nhất /nhỏ nhất Nhóm F Nhóm C

Yêu cầu hóa học

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % nhỏ nhất 70 50

SO3 % lớn nhất 5 5 Hàm lượng ẩm % lớn nhất 3 3 Hàm lượng mất khi nung % lớn nhất 5 5

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Chất kiềm % 1,5 1,5

Yêu cầu vật lý

Độ mịn (+325) % lớn nhất 34 34 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày) % nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28

ngày) % nhỏ nhất 75 75 Lượng nước yêu cầu % lớn nhất 105 105

Độ nở trong nồi hấp % lớn nhất 0,8 0,8 Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % lớn nhất 5 5 Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % lớn nhất 5 5

* Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

- Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) > 70%

- Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) < 70%

Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicát bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd,

Ba, Pb, Cu, Zn, Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện [22]

- Kết quả phân tích thành phần hóa học tro bay của Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân

- Bình Thuận thể hiện ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Kết quả phân tích tro bay

STT Chỉ tiêu phân tích Phương pháp thử nghiệm Đơn vị Lod Kết quả

1 Hàm lượng Carbon (DB) ASTM D3176 % - 0,45

2 Hàm lượng Hydro (DB) ASTM D3176 % - 0,04

3 Hàm lượng Nitơ (DB) ASTM D3176 % - 0,12

4 Hàm lượng lưu huỳnh

* Nhận xét:

Căn cứ kết quả phân tích trên của tro bay và đối chiếu với tiêu chuẩn ASTM ta

có (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) = ( 48,1+15,8+17,1) % = 81% > 70%, vậy tro bay của Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 (Bình Thuận) là tro bay loại F

1.1.2 Các nghiên cứu trước đây về tro bay trong lĩnh vực xây dựng

1.1.2.1 Nghiên cứu đặt trưng nhiệt của bê tông sử dụng hàm lượng tro bay lớn

Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng tro bay sử dụng thay thế xi măng PC

càng tăng thì khả năng giảm nhiệt độ trong tâm của khối bê tông và giảm chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối bê tông và nhiệt độ môi trường xung quanh càng nhiều, đồng thời thời gian phát triển nhiệt độ trong bê tông được kéo dài ra, điều này có tác dụng hạn chế ứng suất nhiệt và từ đó làm giảm nứt trong bê tông khối lớn [12]

1.1.2.2 Nghiên cứu Chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng Silica Fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng này cải thiện đáng kể tính công tác và tăng cường độ nén của bê tông Điều này góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng loại bê tông này trong công nghiệp xây dựng ở Việt Nam [10]

1.1.1.3 Nghiên cứu Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông

Kết quả nghiên cứu cho thấy tro bay làm suy giảm cường độ chịu nén của bê tông ở giai đoạn đầu (trước 56 ngày), tuy nhiên càng về sau 56 ngày, tro bay góp phần gia tăng cường độ chịu nén thậm chí co mẫu có cường độ chịu nén cao hơn mẫu đối chứng [1]

1.2 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.2.1 Bê tông

- Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn Loại bé là cát có kích thước (1-5)mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5 - 40)mm Chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác

- Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng

- Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dạng kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một số ít nước thừa và lỗ rỗng li ti ( do nước thừa bốc hơi)

- Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo

- Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong quá trình sử dụng Có nhiều loại phụ gia như phụ gia nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông, nâng cao cường

độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm…

1.2.2 Bê tông cốt thép

- Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và hiệu quả

- Bê tông đã là một vật liệu phức hợp bao gồm cốt liệu (cát, đá, sỏi ) và chất kết dính (Xi măng) kết lại với nhau thành một loại đá nhân tạo Về mặt chịu lực, Bê tông chịu nén tốt hơn chịu kéo từ 8-15 lần

- Cốt thép chịu nén và chịu kéo đều tốt và tốt hơn bê tông nhiều lần Nếu đặt một lượng cốt thép thích hợp và miền chịu kéo của dầm thi khả năng chịu kéo của miền này tăng lên rất nhiều, tương ứng với khả năng chịu nén của miền bê tông phía trên Do đó tăng đươc khả năng chịu lực của kết cấu (dầm bê tông cốt thép có khả năng chịu lực lớn hơn dầm bê tông không cốt thép hàng chục lần)

- Cốt thép chịu nén cũng rất tốt nên cốt thép được đặt vào trong cấu kiện chịu nén như cột, thanh nén của dàn, vòm để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện, chịu các lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên

1.2.3 Các nhân tố đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép

- Lực dính: Có ý nghĩa quyết định sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép Nhờ lực dính mà cường độ bê tông cốt thép mới được khai thác, bề rộng khe nứt trong vùng kéo mới được hạn chế

- Giữa bê tông cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học , bê tông bảo vệ cốt thép chống ăn mòn của môi trường

- Hệ số dãn nở dài của cốt thép và bê tông xắp xỉ nhau, do đó sự thay đổi nhiệt độ trong phạm vi thông thường (<1000c) trong cấu kiện không xảy ra nội ứng suất, không phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt thép

1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của Bê tông cốt thép

1.2.4.1 Ưu điểm

- Có khả năng sử dụng vật liệu địa phương (Xi măng, cát, đá )

- Có khả năng chịu lưc lớn hơn so với kết cấu gạch, đá, gỗ, có thể chịu tốt tải trọng rung động, động đất

- Có thể tạo được kết cấu có hình dạng bất kỳ theo yêu cầu về cấu tạo, sử dụng cũng như kiến trúc

1.3.1.Cấu tạo của dầm

- Dầm là cấu kiện mà chiều cao và chiều rộng của tiết diện ngang khá nhỏ so với chiều dài của nó Tiết diện có thể là chữ nhật, I, T, hộp ….Tỷ số chiều cao h và chiều rộng b: h/b=2-:-4; chiều cao h = 1/8-:-1/20 nhịp của dầm

- Dầm bê tông cốt thép là 01 loại cấu kiện chịu uốn, được sử dụng phổ biến trong kết cấu công trình bê tông cốt thép Cốt thép dọc chịu lực trong dầm đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt thép dọc chịu lực đặt ở vùng nén của dầm Bê tông và cốt thép

có thể cùng chịu lực được nhờ lực dính giữa hai loại vật liệu đó, đảm bảo cho bê tông

và cốt thép cùng biến dạng, đảm bảo sự truyền lực qua lại [11] Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào cường độ của bê tông, cường độ của cốt thép và lực dính giữa bê tông và cốt thép Nhưng một điều bất lợi đối với bê tông là cường dộ chịu kéo khá nhỏ so với cường độ chịu nén nên chúng rất dễ nứt tại vùng kéo khi chịu lực, do đó hầu như toàn bộ toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu

1.3.2 Sự làm việc của dầm

Khi tải trọng đủ lớn sẽ thấy xuất hiện những khe nứt thẳng góc với trục dầm nơi

có momen lớn và khe nứt nghiêng ở khu vực gần gối tựa là chỗ có lực cắt lớn Khi tải trọng khá lớn thì dầm có thể bị phá hoại tại tiết diện có khe nứt thẳng góc hoặc tại tiết diện có khe nứt nghiêng [11]

Khe nứt thẳng góc Khe nứt nghiêng

Hinh 1.3 Các dạng khe nứt trong dầm đơn giản

Việc tính toán dầm theo cường độ chính là bảo đảm cho dầm không bị phá hoại trên tiết diện thẳng góc (tính toán cường độ trên tiết diện thẳng góc), và không bị phá hoại trên tiết diện nghiêng (tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng)

Theo dõi sự phát triển ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc ta có thể chia thành các giai đoạn sau:

1.3.2.1 Giai đoạn I

Khi M (Momen) bé (tải trọng nhỏ), có thể xem như vật liệu làm việc đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là đường thẳng, sơ đồ ứng suất pháp có dạng tam giác Khi M tăng lên biến dạng dẻo trong bê tông phát triển Sơ đồ ứng suất pháp có dạng đường cong Khi sắp sửa nứt, ứng suất kéo trong bê tông đạt đến giới hạn cường

độ chịu kéo Rbt Ta gọi trạng thái giữa ứng suất và biến dạng này là trạng thái Ia Muốn cho dầm không bị nứt thì ứng suất pháp trên tiết diện không được vượt quá trạng thái Ia [11]

1.3.2.2 Giai đoạn II

Khi M tăng lên miền bê tông chịu kéo bị nứt, khe nứt phát triển dần lên phía trên, hầu như toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu Nếu lượng thép chịu kéo không nhiều lắm thì khi M tăng lên, ứng suất trong cốt thép có thể đạt đến giới hạn chảy Rs Ta gọi trạng thái này là trạng thái Iıa[11]

1.3.2.3 Giai đoạn III ( Giai đoạn phá hoại )

Khi M tiếp tục tăng lên, khe nứt tiếp tục tăng lên phía trên, vùng bê tông chịu nén thu hẹp lại, ứng suất trong vùng bê tông nén tăng lên trong khi ứng suất trong cốt thép không tăng (vì cốt thép đã chảy) khi ứng suất pháp trong vùng bê tông nén đạt đến giới hạn cường độ chịu nén Rb thì dầm bị phá hoại Sự phá hoại khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy và ứng suất trong bê tông đạt đến Rb gọi là sự phá hoại dẻo Trường hợp phá hoại này gọi là trường hợp phá hoại thứ nhất, đã tận dụng được khả năng chịu lực của Bê tông và cốt thép Nếu cốt thép vùng kéo quá nhiều, ứng suất trong cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy mà bê tông vùng nén đã bị phá hoại thì dầm cũng

bị phá hoại Khi đó không xảy ra trạng thái IIa Đây là sự phá hoại dòn, cốt thép chưa chảy dẻo, trường hợp này gọi là trường hợp phá hoại thứ hai Trường hợp này cần tránh

vì không tận dụng hết khả năng chịu lực của cốt thép và cũng nguy hiểm vì dầm bị phá hoại khi biến dạng còn nhỏ nên khó đề phòng

độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công

do không phải xử lý nhiệt ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể

- Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn Loại bé là cát có kích thước (1-5)mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5 - 40)mm Chất kết dính là xi măng trộn

với nước hoặc các chất dẻo khác

- Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và hiệu quả

- Phá hoại dầm bê tông cốt thép: Sự phá hoại khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy và ứng suất trong bê tông đạt đến Rb gọi là sự phá hoại dẻo Nếu ứng suất trong cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy mà bê tông vùng nén đã bị phá hoại thì

dầm cũng bị phá hoại gọi là phá hoại dòn

CHƯƠNG 2

ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG VÀ ẢNH HƯỞNG

CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC

CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG

- Một trong những nguyên nhân chính gây nên sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là những kết cấu ở môi trường biển [8]

- Những nhân tố ảnh hưởng đến ăn mòn của cốt thép trong bê tông như chất lượng

bê tông (nước/xi măng, hàm lượng xi măng, các vết nứt, độ sạch của thành phần tạo nên bê tông) và các nhân tố từ môi trường bên ngoài (độ ẩm môi trường, oxy, nhiệt độ,

vi khuẩn tấn công và dòng điện lân cận stray current) [8]

- Dấu hiệu đầu tiên nhận thấy sự ăn mòn là các vết màu nâu trên bề mặt bê tông tại khu vực quanh cốt thép Các vết màu nâu này có thể thâm nhập vào bê tông mà không cần có các vết nứt của bê tông nhưng thông thường sẽ đi kèm với các vết nứt của

bê tông hoặc là các vết nứt sẽ xuất hiện ngay sau đó [8]

- Hiện tượng carbonation của bê tông hoặc sự xâm nhập của các khí chứa acid

vào bê tông cũng là nguyên nhân chính gây nên sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông[8]

- Sau khi ăn mòn bắt đầu, các sản phẩm ăn mòn (như iron oxides và hydroxides)

sẽ làm tăng thể tích vài lần so với thể tích thép ban đầu dẫn đến các nội ứng lực gây nên vết nứt và bong trát lớp bê tông bảo vệ [8]

- Ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chính gây nên sự hư hại của kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là những kết cấu ở môi trường biển[8]

- Sự phá hoại của các kết cấu ứng lực trước do thâm nhập chloride đang tiếp diễn trên toàn thế giới Nhiều kết cấu ứng lực trước làm việc trong môi trường biển bị tấn công bởi ion chloride (nguyên nhân chính dẫn đến sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông)[8]

2.1.1 Cơ chế ăn mòn của cốt thép trong bê tông

- Ăn mòn cốt thép là quá trình điện hóa liên quan đến việc di chuyển dòng điện ở diện nhỏ hoặc rộng [8]

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình gỉ cốt thép do ăn mòn điện hóa

2.1.2 Các nguyên nhân ăn mòn

2.1.2.1 Ăn mòn do chlorride

- Ăn mòn của cốt thép chủ yếu xuất hiện khi các thanh thép tiếp xúc với chloride

từ thành phần của bê tông khi đúc hoặc do xâm thực từ môi trường có chloride [8]

- Sự thâm nhập của chloride vào bê tông là nguyên nhân chính gây ra ăn mòn của cốt thép Khi chloride thâm nhập vào bê tông thì nó sẽ phá hủy lớp màng bảo vệ (passive film) xung quanh cốt thép [8]

- Chloride xâm nhập vào bê tông thông thường từ các nguồn sau đây: CaCl2 có trong xi măng khi đúc bê tông; muối trong các thành phần cấp phối khi đúc bê tông; sự thâm nhập của nước muối ở môi trường biển, sự thâm nhập muối từ đường xá và xe cộ

do hiện tượng de-icing [8]

- Có nhiều dạng chloride trong bê tông như: ion chloride tự do trong chất lỏng ở các lỗ rỗng bê tông; chloride liên kết yếu trong hợp chất với calcium silicate; chloride liên kết mạnh với các hợp chất calcium aluminates [8]

2.1.2.2 Ăn mòn do hiện tượng carbonation

- Hiện tượng carbonation của bê tông hoặc sự xâm nhập của các khí chứa acid vào bê tông cũng là nguyên nhân chính gây nên sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông

mà không cần sự phá hoại của lớp bê tông trước khi cốt thép bị tấn công

- Đây là hiện tượng không thể tránh được; CaCO3 được hình thành do phản ứng hóa học giữa CO2 từ môi trường không khí và Ca(OH)2 trong chất lỏng từ các lỗ rỗng của bê tông

CO2 Ca(OH)2 H2O, NaOH CaCO3 + H2O

- Kết quả tất yếu của phản ứng trên là nồng độ pH của chất lỏng của các lỗ rỗng

bên trong bê tông bị giảm từ giá trị bình thường 13-14 đến giá trị trung tính Khi có sự xuất hiện của O2 và nước thì ăn mòn của cốt thép bắt đầu xảy ra khi nồng độ pH của chất lỏng trong các lỗ rỗng bê tông rơi xuống dưới 11 [8]

2.1.2.3 Ăn mòn do dòng điện lân cận

- Dòng điện lân cận từ các hệ thống xe lửa, hoặc những thiết bị điện có điện thế cao thông thường gây ra ăn mòn của các kết cấu thép hoặc BTCT được chôn dưới lòng đất

- Dòng điện lân cận có thể là dòng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC)

- Dòng điện lân cận có thể đi theo hướng khác với hướng dự định vì nó luôn có hướng đi song song hoặc những hướng di chuyển khác nhau Hướng đi của dòng điện lân cận là hướng có điện trở thấp di chuyển qua các kết cấu có chứa kim loại thép được chôn dưới lòng đất (đường ống dẫn dầu, khí, bể chứa, các công trình biển) [8]

2.1.2.4 Ăn mòn cốt thép trong môi trường biển

Bê tông và bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển chịu tác dụng trực tiếp của các yếu tố xâm thực của môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố xâm thực sau:

- Các yếu tố hoá học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại muối có trong nước biển

- Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thuỷ triều lên xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

- Các yếu tố vật lí: Nhiệt độ biến đổi

- Các yếu tố cơ học: Tác động của sóng xói mòn trên bề mặt bê tông

Tác động phối hợp của các yếu tố này làm cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển bị ăn mòn mạnh Xét về bản chất có một số dạng ăn mòn chính sau đây: + Ăn mòn hoá học bê tông trong nước biển

+ Ăn mòn cốt thép trong khí quyển biển và vùng có mực nước lên xuống

+ Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển

- Trong các dạng ăn mòn này thì ăn mòn hoá học của bê tông trong môi trường biển là nguy hiểm nhất vì nó vừa phá vỡ cấu trúc bê tống vừa tạo điểu kiện để các tác nhân hoá học xâm nhập vào ăn mòn cốt thép

- Các công trình bê tông cốt thép khi sử dụng trong môi trường biển, nếu không

có biện pháp bảo vệ có hiệu quả thì bị ăn mòn mạnh, vì môi trường nước biển có chứa các hợp chất hóa học có tính chất ăn mòn cao đối với cả bê tông và cốt thép Có thể nói đây là loại ăn mòn tổng hợp

- Nguyên nhân chính làm phá huỷ bêtông trong môi trường biển là do các muối sunfat ăn mòn đá xi măng, về mặt nguyên tắc, độ bền ăn mòn sunfat của bêtông tăng khi giảm thành phần C3A và phụ thuộc không nhiều vào hàm lượng CjS của ximăng [8]

ta không tiến hành những biện pháp gia cố, sửa chữa Thông thường kết cấu bê tông bị

ăn mòn dễ bị phát hiện vì chúng luôn tạo ra các vết nứt hoặc dễ nhận biết bởi màu đỏ

do rỉ sắt tạora

Hình 2.2 Hình ảnh kết cấu bị ăn mòn

- Hậu quả của sự ăn mòn cốt thép không chỉ liên quan đến khả năng bảo trì hoặc điều kiện bên ngoài của kết cấu, mà còn có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và đảm bảo an toàn của kết cấu

- Cốt thép bị ăn mòn sẽ giảm tiết diện và bị dòn dẫn đến giảm khả năng chịu kéo (nén) của kết cấu theo thiết kế ban đầu về lau dài sẽ dẫn đến kết cấu bị phá hoại, giảm tuổi thọ của công trình

- Khi bị ăn mòn do trương nở thể tích gây ra ứng suất làm nứt kết cấu và sẽ làm mất thẩm mỹ, thấm nước và gây tư tưởng không an toàn cho người sử dụng

2.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TRÊN THẾ GİỚI BỊ PHÁ HOẠI DO ĂN MÒN

Trên thế giới có nhiều sự cố công trình mà nguyên nhân chủ yếu là do ăn mòn cốt thép trong bê tông hoặc ăn mòn thép ứng lực trước (ƯLT)

- Ngày 15 tháng 12 năm 1965 cây cầu Silver trên quốc lộ 35 kết nối Point Pleasant, Tây Virginia và Kanauga, bang Ohio - Hoa kỳ đột nhiên đổ sụp xuống sông Ohio làm 37 xe ô rơi xuống sông và 47 người chết Các nhà điều tra đã chỉ ra một trong các nguyên nhân gây sập cầu là do ăn mòn cốt thép, ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất và ăn mòn dưới tác dụng của mỏi [2]

Hình 2.3 Cầu Silver sập năm 1965

- Ngày 28 tháng 6 năm 1983 cầu Mianus River Bridge tại Greenwich bang Connecticut (Hoa kỳ) bị sập do ăm mòn cốt thép và do mỏi làm 3 người chết và 7 người bị thương [2]

- Ngày 01 tháng 8 năm 2007 cầu thép bắc qua sông Mississippi bị sập làm chết

13 người và 147 người bị thương, theo các nhà điều tra thì một trong các nguyên nhân cũng là do ăn mòn [2]

Hình 2.4 Cầu qua sông Mississippi sập năm 2007

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN VÀ SỬA CHỮA KẾT CẤU ĐÃ BỊ

ĂN MÒN

2.4.1 Một số phương pháp chống ăn mòn

2.4.1.1 Thay đổi thành phần khoáng của xi măng

- Việc giảm các khoáng C3A và C3S khi thuỷ hoá sinh ra các sản phẩm Са(ОН)т và C3AH6 đem lại hiệu quả rất cao trong lĩnh vực chống ăn mòn cho các công trình dùng xi măng Tuy nhiên, khi giảm các khoáng này thường làm thay đổi các tính chất kĩ thuật chung của xi măng Việc giảm C3S ảnh hưởng ít tới các tính chất cơ

học của bê tông xi măng, nhưng khi giảm C3S lại làm giảm đáng kể cường độ của các sản phẩm dùng xi măng Do những hậu qủa này, các nhà khoa học đã khuyến cáo rằng phương pháp này chỉ dùng với những công trình có sự ăn mòn mạnh và kết cấu có yêu cầu độ chịu lực nhỏ [13]

- Việc thay đổi thành phẩn khoáng của xi măng để thích hợp với môi trường có tính chất ăn mòn có thể dẫn tới thay đổi loại xi măng Cần xác định rõ bản chất và mức

độ xâm thực mà từng phần bê tông của công trình phải tiếp xúc để chọn loại xi măng thích hợp Theo tài liệu phần bê tông và bê tông cốt thép của các công trình trong điều kiện nước biển lên xuống (nghĩa là phần bê tông bị tác dụng của môi trường sunfat trong điều kiện nóng lạnh, khô ẩm thay đổi theo chu kì) thì sử dụng xi măng bền sunfat Khi bê tông và bê tông cốt thép làm việc thường xuyên dưới đất hoặc trong môi trường biển thì dùng xi măng pooqlăng puzulan, xi măng pooclăng xỉ đủ thoả mãn độ bền

- Xi măng hỗn hợp đã được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây, do độ bền cao trong môi trường ăn mòn [13]

2.4.1.2 Nâng cao độ đặc của bê tông

- Các lỗ rỗng và mao quản trong đá xi măng là nơi để các tác nhân của môi trường lỏng xâm nhập vào, hoà tan các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng, tương tác với chúng, tạo ra các sản phẩm mới tan mạnh hơn hoặc lắng đọng trong lòng các lỗ rỗng, hoặc nở thể tích phá vỡ kết cấu Việc nâng cao độ dặc sẽ làm triệt tiêu hoặc giảm đáng

kể sự xâm nhập của các tác nhân môi trường vào trong lòng bê tông Tuy nhiên việc nâng cao độ đặc cũng là vấn đề khó, nó phải kết hợp chặt chẽ việc thiết kế thành phần

bê tông với việc thi công bê tông Để đạt được độ đặc chắc tối đa khi thi công (không

có các lỗ rỗng không khí sau tạo hình), thì ngoài lượng nước cần thiết cho thuỷ hoá xi măng còn cần một lượng nước đủ cho hỗn hợp bê tông có tính lưu động hợp lí (lượng nước nhào trộn thường gấp 1,5-2 lần lượng nước cần thiết cho thuỷ hoá xi măng) Vì lí

do đó nên sau khi rắn chắc lượng nước không thuỷ hoá xi măng bay hơi để lại các lỗ rỗng (độ rỗng của bê tông thường khoảng 10 - 15%) Ngày nay với việc chế tạo được các loại phụ gia SP nên có khả năng nâng cao được hiệu quả của phương pháp này Kết hợp việc thiết kế cấp phối tốt, thi công tốt và sử dụng SP, độ rỗng của bê tồng chỉ còn khoảng 3-5% [13]

- SP MFS-92A của viện hoá kĩ thuật - Viện Kĩ thuật Quân sự, Sikament 163EX của hãng Sika và Darex super 20 của hãng Grace có tác dụng dẻo hoá cao hỗn hợp bê tông, nên cho phép giảm nhiều tỉ lệ N/X, do đó làm tăng đáng kể độ đặc bê tông, giảm

độ co ngót, nâng cao độ bền, khả năng chống thấm và khả năng bảo vệ cốt thép trong môi trường nước, đặc biệt là môi trường có hàm lượng hoá chất cao (môi trường biển, môi trường của các nhà máy hoá chất) [13]

- Vấn đề cốt lõi khi dùng SP là tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông Khi giữ nguyên

độ dẻo thì có thể giảm được 20 - 30% lượng nước nhào trộn, tăng được độ đặc chắc,

và từ đó tăng được độ chống thấm, độ bền chống ăn mòn của bê tông Độ đặc chắc còn phải được đảm bảo bằng việc thi công tốt, nhất là việc đầm chắc hỗn hợp bê tông sau khi đổ khuôn, để loại bỏ các bọt khí và triệt tiêu các lỗ rỗng trong bê tông khi ngừng công tác đầm chặt [13]

- Độ đặc chắc của bê tông luôn luôn là một yếu tố được đánh giá cao trong việc bảo vệ bê tông và bê tông cốt thép khỏi bị ăn mòn [13].]

2.4.1.3 Biến đổi các sản phẩm thuỷ hoá

- Phương pháp chống ăn mòn này từ lâu đã được áp dụng rộng trên toàn thế giới

Ý nghĩa khoa học của nó là chuyển các sản phẩm thuỷ hoá có tính tan và hoạt động hoá học mạnh sang dạng sản phẩm mới ti tan hơn, và ít hoạt động hoá học hơn nhiều

so với các sản phẩm thuỷ hoá ban đầu Nội dung khoa học của phương pháp này là dùng các loại phụ gia khoáng hoạt tính như puzolan, xỉ hạt lò cao nghiền mịn và các thải phẩm công nghiệp khác Trong các phụ gia khoáng có thành phần chủ yếu là Si02

ở dạng vô định hình [13]

- Khi pha các phụ gia này vào bê tông, sinh ra phản ứng sau đây:

Ca(OH)2 + Si02 (vô định hình) > Ca0.nSi02.aq

- Sản phẩm mới sinh ra vừa không tan trong nưóc vừa có cường độ cao, và có tác dụng chống ăn mòn Phản ứng này được gọi là phản ứng puzolan

- Muội silic là một trong các phụ gia khoáng làm giảm đáng kể tính thấm nước của bê tông Nó cũng có tác dụng làm cho lỗ rỗng nhỏ hơn và ít liên tục hơn, do đó giảm sự thẩm thấu của ion Clo vào bê tông Khi pha phụ gia muội silic vào bê tông, độ

pH có giảm đi một chút do đó giảm sự thụ động của lớp oxyt bảo vệ cốt thép, vì thế đôi khi được coi là bất lợi Tuy nhiên qua thực tế thấy rằng, khi thay thế xi măng bằng muội silic với tỉ ]ệ đến 20% khối lượng xi măng, việc giảm độ pH không gây bất lợi lớn cho việc bảo vệ cốt thép Ngoài ra, đối với cùng nồng độ clorua, tốc độ ăn mòn không thay đổi khi có mặt hay không có mặt muội silic [13]

- Một biện pháp khác vừa có tác dụng biến đổi sản phẩm thuỷ hoá sang dạng bền vững, vừa có tác dụng nâng cao độ đặc chắc trên bề mặt sản phẩm, ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn là biện pháp cacbonat hoá bề mặt sản phẩm Khi bê tông được bảo dưỡng trong môi trường có khí cacbonic trước khi đưa vào sử dụng, thì giữa hydroxyt canxi có trong đá xi măng sẽ phản ứng với khí cacbonic theo phản ứng [13]:

Ca(OH)2 + C02 CaC03 + H20

- Sản phẩm cacbonat canxi kết tinh dạng bản tạo thành lớp vỏ chặt xít ngăn cản không cho các tác nhân của môi trường xâm nhập vào bên trong, phá hoại bê tông Tuy nhiên khi nồng độ khí cacbonic cao hoặc trong quá trình sử dụng lâu dài, khí C02

trong nước sẽ tác dụng với sản phẩm này tạo ra cácbonat canxi axit (Ca(HC03)2), tan mạnh vào môi trường làm mất khả năng bảo vệ kết cấu và sự ăn mòn bê tông lại tăng lên [13]

2.4.1.4 Ngăn cách bê tông với môi trường nước ăn mòn

- Các phương pháp khác ngăn cách bê tông với môi trường, cải thiện tính chất của nguồn nước cũng có tác dụng nhất định đến việc bảo vệ công trình khỏi sự ăn mòn của môi trường, nhưng hiệu quả không cao bằng các phương pháp đã trình bày ở trên

- Sơn mặt ngoài kết cấu là một biện pháp ngăn cách bê tông với môi trường ăn mòn Trong trường hợp cần thiết có thể tăng cường thêm năng lực chống ăn mòn bằng cách quét sơn chống thấm Các loại sơn này có thể từ hệ polime, xi măng polime và các hoá phẩm hữu cơ khác Có thể quét mặt bê tông bằng nhũ tương bitum hoặc dung dịch bitum cũng cố tác dụng chống ăn mòn đáng kể [13]

- Ngoài ra, có thể ốp hoặc dán, tạo lớp phủ trên bề mặt kết cấu Lớp phủ phải không thấm nước và bền hoá, có tác dụng bảo vệ bê tông và cả cốt thép bên trong bê tông [13]

2.4.1.5 Phương pháp chống ăn mòn điện cực âm

- Phương pháp ngăn ngừa và giảm thiểu nguy cơ ăn mòn của cốt thép trong bê tông bằng cách xây dựng hệ thống bảo vệ điện cực âm (cathodic protection) trong quá trình thi công hoặc giai đoạn sửa chữa

- Phương pháp bảo vệ điện cực âm (cathodic protection) liên quan đến việc kết nối cốt thép cần bảo vệ trong kết cấu bê tông trở thành điện cực âm của dòng điện [8]

- Có 2 phương pháp bảo vệ điện cực âm: impressed current (sử dụng nguồn

điện ngoài) và galvanic (anode hy sinh) [8]

a Phương pháp chống ăn mòn điện cực âm sử dụng dòng điện bên ngoài

- Phương pháp bảo vệ điện cực âm sử dụng nguồn điện bên ngoài (impressed current cathodic protection) liên quan đến việc kết nối cốt thép cần bảo vệ và các điện cực kim loại hay carbon khác sử dụng dòng điện một chiều, trong đó cốt thép cần bảo

vệ được kết nối với điện cực âm của nguồn điện một chiều và được bảo vệ (cathode) còn các loại vật liệu dẫn điện khác kết nối với điện cực dương của nguồn điện một chiều (anode)

- Sự thay đổi thành phần hóa học xung quanh cốt thép làm cho điện cực âm (anode) bị phân cực ngay cả khi dòng điện một chiều bị ngắt đi (tắt đi), từ đó tạo nên một hiệu điện thế giữa các điện cực và cốt thép bị phân cực theo hướng ‘điện thế âm hơn’

- Ion (OH)- sản sinh ra tại điện cực âm: 2H2O + O2 + 4e− → 4OH−

Hình 2.5 Bảo vệ điện cực âm sử dụng nguồn điện bên ngoài

* Hệ thống điện cực dương (anode)

- Khi kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường không khí Các loại vật liệu được sử dụng làm điện cực dương: titanium, zinc or aluminium alloys, conductive titanium-based ceramics and carbon[8]

+ Điện cực dương phải được đặt ở vị trí trên cấu kiện BTCT để cho dòng điện có thể di chuyển giữa điện cực âm và dương

+ Điện cực dương (anode) có thể được chôn sâu vào trong bê tông hoặc có thể dán trên bề mặt bê tông

+ Loại điện cực dương chôn vào bê tông bằng cách sử dụng loại “discrete probe electrodes’’(titanium or titania ceramics) chôn vào lỗ rỗng trong bê tông sau đó dùng vật liệu phun lấp bao quanh Ngoài ra có thể sử dụng các khe rãnh và chèn vào các loại vật liệu như các tấm sườn titanium

+ Loại điện cực dương dán trên bề mặt: sử dụng các tấm carbon hoặc titanium dán trên bề mặt bê tông và phun các vật liệu bao phủ lên trên Ngoài ra điện cực dương

bề mặt có thể được tạo ra bằng cách sơn hoặc phủ trực tiếp các loại vật liệu làm điện cực dương trên bề mặt bê tông Phương pháp này rất hiệu quả vì lượng vật liệu sử dụng ít nhưng có thể bao phủ trên diện rộng bê tông Vật liệu hay sử dụng là sơn có chứa carbon (carbon based paint)

- Khi kết cấu BTCT nằm ở dưới lòng đất hoặc dưới nước

+ Điện cực dương không cần thiết tiếp xúc trực tiếp với bê tông bởi vì nước xung quanh bê tông là chất dẫn điện đối với các kết cấu ở dưới nước hoặc đất cũng đóng vai trò chất dẫn điện trong việc tạo ra dòng điện giữa điên cực âm (cathode) và điện cực dương (anode)

+ Điên cực dương đơn có thể sử dụng để bảo vệ một diện rộng kết cấu

+ Khi kết cấu dưới nước hoặc dưới lòng đất thì điện cực dương (anode) có thể sử

Hình 2.6 Thi công hệ thống điện cực dương

b Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực dương hy sinh

Hình 2.7 Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực dương hy sinh

- Phương pháp chống ăn mòn dùng điện cực dương hy sinh (Galvanic cathodic protection) là hình thức bảo vệ chống ăn mòn trên cơ sở hiệu điện thế được tạo ra bằng cách kết nối cốt thép với điện cực làm bằng kim loại có xu hướng cho electron hơn (more anodic), khi đó kim loại có xu hướng cho electron sẽ bị ăn mòn còn cốt thép nhận electron sẽ được bảo vệ [8]

- Vì không có nguồn điện ngoài cung cấp dòng điện nên hệ thống bảo vệ dùng anode hy sinh sẽ kinh tế hơn so với hệ thống dùng dòng điện ngoài

- Khi kết cấu BTCT làm việc trong môi trường không khí

+ Điện cực dương (anode) phải tiếp xúc trực tiếp với bê tông

+ Sử dụng các tấm anode (điện cực dương) dán cố định vào bề mặt bê tông + Sơn các lớp vật liệu điện cực dương (anode) trên bề mặt bê tông

+ Khoét các lỗ cạn vào bê tông và đặt anode vào trong đó

- Khi kết cấu không làm việc trong môi trường không khí

+ Điện cực dương không nhất thiết phải tiếp xúc trực tiếp với bề mặt bê tông + Việc thay thế điện cực dương trong trường hợp này hơi khó khan

+ Loại, hình dáng, và thể tích của điện cực dương cần chọ phù hợp để đảm bảo điện cực làm việc hiệu quả, cung cấp đủ dòng điện bảo vệ cốt thép và có tuổi thọ đáp ứng với yêu cầu thiết kế

+ Các loại vật liệu hay sử dụng: zinc, aluminium and magnesium

- Điện thế thu được khi sử dụng bảo vệ bằng anode hy sinh thì thường khoảng 1V Điện thế này nhỏ hơn so với phương pháp bảo vệ dung dòng điện ngoài, do đó phương pháp dung anode hy sinh này chỉ có giới hạn sử dụng nhất định

Hình 2.8 Thi công biện pháp chống ăn mòn bằng cực dương huy sinh

2.4.2 Sửa chữa kết cấu đã bị ăn mòn

- Mục đích của việc sửa chữa những hư hại cho kết cấu BTCT

+ Giúp cho kết cấu kéo dài tuổi thọ như thiết kế

+ Đảm bảo tính an toàn và khả năng làm việc của các cấu kiện, đáp ứng những yêu cầu về sự làm việc của kết cấu như tiêu chuẩn hiện hành và trong tương lai

- Việc sửa chữa kết cấu BTCT liên quan đến vấn đề xử lý các hư hại và phục hồi hiện trạng và khả năng làm việc của kết cấu ở điều kiện có thể chấp nhận được

- Hơn 30 năm qua rất nhiều phương pháp đã được phát triển để xử lí vấn đề ăn mòn của cốt thép trong bê tông

- Những năm gần đây, nhiều tiêu chuẩn và đề xuất đã được phát triển bởi các tổ chức khác nhau như: RILEM 124-SRC, CENTC 104, BS EN 1504-9 : 2008

- Có rất nhiều kết cấu và cơ sở hạ tầng đã bị hư hại nghiêm trọng và cần sửa chữa trên toàn thế giới Chi phí cho vấn đề bảo trì và sửa chữa thường rất lớn gây ra vấn đề khó khăn cho cả người thiết kế và chủ sở hữu

* Phương pháp sửa chữa:

- Sau một thời gian sử dụng kết cấu bê tông, bê tông cốt thép có thể bị hư hại do

ăn mòn Các phương pháp và nguyên tắc sửa chữa phụ thuộc vào nguyên nhân hư hỏng Để sữa chữa cần tiến hành theo trình tự các bước: Xác định dấu hiệu hư hỏng, khảo sát, đánh giá mức độ hư hỏng, thiết kế và thi công sửa chữa

- Khảo sát dấu hiệu hư hỏng

- Khảo sát đánh giá mức độ hư hỏng

- Thiết kế sữa chữa: Thiết kế sửa chữa kết cấu đã bị hư hỏng và phòng chống ăn mòn kết cấu cần thực hiện đồng thời các bước sau đây:

+ Đảm bảo điều kiện làm việc của kết cấu

+ Gia cố phục hồi lại khả năng chịu lực của kết cấu

+ Phòng chống ăn mòn lâu dài cho kết cấu

- Thi công sửa chữa: Trong sửa chữa các kết cấu bị ăn mòn, các công việc thống thường như lắp dựng coppha, cốt thép và đổ bê tông được thực hiện theo các quy phạm hiện hành, ngoài ra cần lưu ý tới các việc sau đây:

+ Biện pháp chống đỡ kết cấu khi sửa chữa

+ Tẩy rỉ cốt thép

+ Tăng cường bám dính giữa bê tông/vữa mới và bê tông cũ

+ Thi công bê tông và vữa sửa chữa

2.5 GIA TỐC ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

2.5.1 Khái niệm về thí nghiệm gia tốc

Thí nghiệm gia tốc là những thí nghiệm mà phương pháp và điều kiện tiến hành thí nghiệm đó đảm bảo cho chúng ta thu được thông tin cần thiết về các đặc tính của đối tượng thí nghiệm trong khoảng thời gian ngắn hơn so với khi thí nghiệm thông thường

2.5.2 Gia tốc ăn mòn của cốt thép trong bê tông sử dụng nguồn điện một chiều

- Sử dụng nguồn điện 1 chiều, có cường độ dòng điện I không đổi hoặc hiệu điện thế U không đổi Trong đó Cực dương (+) của nguồn điện được nối với cốt thép và Cực âm (-) của nguồn điện được nối với tấm thép không gỉ làm việc như cực âm

- Quá trình thí nghiệm ăn mòn diễn ra trong dung dịch chất điện phân ( muối NaCl 3,5% ) Mức dung dịch trong bể được điều chỉnh để đảm bảo đủ độ ngập của các thanh thép, đồng thời đảm bảo mặt thoáng đủ oxy cho quá trình ăn mòn được diễn

t I A m

.

.





Trong đó:

A : Khối lượng mol của sắt (56mol/g)

I : Cường độ dòng điện (A)

t : Thời gian (giây)

Z : Số hóa trị của ion sắt (2)

F : Hằng số Faraday’s (96485,33 Coulombs/ mol)





a



Trong đó:

a: diện tích bề mặt của thanh thép trước khi bị ăn mòn (cm2)

 : sự suy giảm đường kính thanh thép (cm)

 : khối lượng riêng của thép (7.86 g/cm3)

a i

t I A

.

.

i

R  i(c/năm) Tốc độ ăn mòn (R) tương đương với mật độ hiện tại (i) là 1mA / cm2 tương đương với 1.165 cm / năm Nếu trong kết cấu bê tông cốt thép, thời gian ăn mòn sau khi bắt đầu là T năm, thì tổn thất kim loại đường kính sau T năm là RT (cm) Phần trăm giảm trong đường kính thanh cốt thép trong T năm được định nghĩa là mức độ ăn

mòn cốt thép

(%) 2

Trước khi đưa vào dầm để đúc thì các thanh thép được làm sạch và cân khối

lượng m1 Sau khi thí nghiệm uốn mẫu được thực hiện, các dầm được đạp phá và các

thanh thép bị ăn mòn được lấy ra, làm sạch các sản phẩm ăn mòn và cân được khối

lượng m2 Khối lượng bị giảm đi của các thanh thép (m1) và sự sai lệch giữa khối

lượng thép giảm từ kết quả tính lý thuyết và kết quả thực nghiệm (% m) được tính

theo phương trình [7]

2 1

1 m m

%100

%

2

2

1 x m

m m m

m2 : khối lượng thép bị mất đi tính theo lý thuyết theo phương trình

100 2

- Hậu quả của sự ăn mòn cốt thép không chỉ liên quan đến khả năng bảo trì hoặc

điều kiện bên ngoài của kết cấu, mà còn có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và

đảm bảo an toàn của kết cấu Cốt thép bị ăn mòn sẽ giảm tiết diện và bị dòn dẫn đến

giảm khả năng chịu kéo (nén) của kết cấu theo thiết kế ban đầu về lâu dài sẽ dẫn đến

kết cấu bị phá hoại, giảm tuổi thọ của công trình đồng thời khi bị ăn mòn do trương nở

thể tích gây ra ứng suất làm nứt kết cấu và sẽ làm mất thẩm mỹ, thấm nước và gây tư

tưởng không an toàn cho người sử dụng

- Để giảm thiểu việc ăn mòn cốt thép trong bê tông chúng ta phải lựa chọn

phương pháp chống ăn mòn phù hợp với điều kiện và môi trường làm việc của kết cấu

Khi cốt thép trong kết cấu bê tông đã bị ăn mòn cần phải tiến hành khảo sát, kiểm tra

và đánh giá mức độ ăn mòn để từ đó đưa ra giải pháp sửa chữa khắc phục hợp lý để

nhằm đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu và tuổi thọ của công trình theo thiết kế

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG ẢNH HƯỞNG

CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN

CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

- Tính toán ăn mòn theo lý thuyết được tính theo các công thức tính toán của Định luật Faraday’S như trình bày ở mục 2.5.3 và 2.5.4, Chương II

- Thực hiện ăn mòn cốt thép bằng thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong phòng thí nghiệm với dòng điện 1 chiều và hiệu điện thế không đổi U=10V

- Quá trình thí nghiệm được thực hiện theo các bước như sau:

+ Chuẩn bị vật liệu, thiết bị

+ Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu

+ Thực hiện nén các tổ mẫu bê tông (100x100x100) ở tuổi 28 ngày để xác định cường độ chịu nén của bê tông

+ Thực hiện gia tốc ăn mòn các dầm bê tông trong phòng thí nghiệm, theo dõi và thu thập giữ liệu về cường độ dòng điện trong quá trình thực hiện ăn mòn

+ Kết thúc gia tốc ăn mòn, đánh giá thực tế các dầm, vệ sinh, thực hiện uốn dầm đồng thời nén các tổ mẫu (100x100x100)mm để xác định cường độ chịu nén của bê tông khi thực hiện uốn dầm

+ Phá vỡ các dầm và thu hồi thép, vệ sinh đo lại chiều dài và cân lại khối lượng thực tế sau khi thí nghiệm

+ Thu thập, tính toán số liệu và thảo luận

lỗ sàng

(mm)

Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng, ứng với kích thước hạt liệu

nhỏ nhất và lớn nhất, mm 5-10 5-20 5-40 5-70 10-40 10-70 20-70

40 - 0 0-10 40-70 0-10 40-70 40-70

20 0 0-10 40-70 … 40-70 … 90-100

10 0-10 40-70 … … 90-100 90-100 -

5 90-100 90-100 90-100 90-100 - - -

- Ngoài ra hàm lượng hạt thoi dẹt trong cốt liệu lớn không vượt quá 15 % đối với

bê tông cấp cao hơn B30 và không vượt quá 35 % đối với cấp B30 và thấp hơn

- Thí nghiệm sử dụng đá (1x2)cm mỏ đá Phước Tường, thành phố Đà Nẵng

Hình 3.1 Đá 1x2, mỏ đá Phước Tường

- Vì điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên tác giả không tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu của đá, mà chỉ sử dụng đúc các mẫu thí nghiệm sau khi được phơi khô trong môi trường không khí để loại bỏ độ ẩm trong đá và sàn qua cở sàn 20mm

- Thí nghiệm sử dụng cát mỏ cát Túy Loan, thành phố Đà Nẵng

Hình 3.2 Cát đúc bê tông, mỏ cát Túy Loan

- Vì điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên tác giả không tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu của cát, mà chỉ sử dụng đúc các mẫu thí nghiệm sau khi được phơi khô trong môi trường không khí để loại bỏ độ ẩm trong cát và sàn qua cỡ sàn 2,5mm để loại bỏ bớt phẩn và các vật liệu tạp chất có trong cát

c Xi măng (XM): Sử dụng xi măng PCB 40 Sông Gianh

Hình 3.3 Xi măng Sông Gianh PCB 40

Vì điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên tác giả không tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu của xi măng mà chỉ tham khảo theo công bố của nhà sản xuất theo Bảng 3.3

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật do nhà sản xuất công bố

Tên chỉ tiêu Đơn vị

tính

TCVN 6260:2009

XM Sông Gianh PCB40

1 Cường độ nén, Mpa, không nhỏ hơn:

- Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0,09 mm % ≤ 10 ≤ 4,0

- Bề mặt riêng, phương pháp Blaine cm2/g ≥ 2.800 ≥ 3.200