Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐÀO VĂN DINH

DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA

CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN

VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO

CHUY£N NGµNH : Kü THUËT X¢Y DùNG C¤NG TR×NH §ÆC BIÖT

M· Sè : 62.58.02.06

LUËN ¸N TIÕN SÜ Kü THUËT

Ng­êi H­íng dÉn khoa häc:

1. GS.TS PHẠM DUY HỮU

2. PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU

HÀ NỘI - 2014

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi.

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược công bố trong các

công trình khác.

HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014

TÁC GIẢ

ðÀO VĂN DINH

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận án ñược thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm

Duy Hữu và PGS.TS Bùi Trọng Cầu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy

hướng dẫn ñã chỉ dẫn tận tình và ñã ñóng góp các ý kiến quý báu ñể giúp tôi

thực hiện luận án này.

Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Công Trình Giao Thông

Thành Phố và Công trình Thủy, ñặc biệt là GS.TS Nguyễn Viết Trung ñã giúp

ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh ñã ñóng góp các ý

kiến cho luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng ðào tạo sau ðại học trường ðại học

Giao Thông Vận tải ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập

nghiên cứu.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường ðại học Giao

Thông Vận tải, lãnh ñạo khoa Công Trình ñã tạo ñiều kiện ñể tôi ñược học tập

và nghiên cứu.

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các ñồng nghiệp, gia ñình người thân ñã

giúp ñỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.

HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014

TÁC GIẢ

ðÀO VĂN DINH

iii

MỤC LỤC

Lời cam ñoan ................................................................................................................... i

Lời cảm ơn ...................................................................................................................... ii

Mục lục ........................................................................................................................... iii

Danh mục các bảng biểu ............................................................................................... vi

Danh mục các hình vẽ .................................................................................................. vii

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ........................................................................ ix

MỞ ðẦU ........................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG

CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI

VÀ VIỆT NAM .............................................................................................................. 6

1.1 Mở ñầu .................................................................................................. 6

1.2 Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới ................ 8

1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông ........................... 8

1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông ......... 10

1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép....................................... 13

1.2.4 Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông ............. 21

1.2.5 Các nghiên cứu về hệ số khuếch tán ............................................ 30

1.2.6 Các nghiên cứu về thời gian khởi ñầu ăn mòn và thời gian lan

truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng ............................................................... 32

1.3 Các nghiên cứu trong nước ................................................................. 35

1.4 Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận án ....................................... 37

1.5 Mục tiêu của luận án ........................................................................... 38

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................... 38

1.6.1 Nội dung nghiên cứu .................................................................... 38

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................. 38

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO

TRONG BÊ TÔNG ..................................................................................................... 39

2.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 39

2.2 Thí nghiệm và xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông .............. 40

2.2.1 Thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 .................................. 40

2.2.2 Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202 ..................... 48

iv

2.2.3 Xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo từ kết quả

thí nghiệm C1202 ..................................................................................... 49

2.2.4 Áp dụng phương trình DC1202 tính hệ số khuếch tán clo từ kết

quả thí nghiệm C1202 .............................................................................. 50

2.3 Tổng kết các kết quả dự báo hệ số khuếch tán trên thế giới .............. 51

2.3.1 Dự báo hệ số khuếch tán (D28) từ tỷ lệ nước trên xi măng .......... 52

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến hệ số khuếch tán ............................ 52

2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian ñến hệ số khuếch tán ........................... 53

2.3.4 Ảnh hưởng của muội silic ñến hệ số khuếch tán ......................... 55

2.3.5 Ảnh hưởng của ñộ ẩm ñến hệ số khuếch tán ............................... 57

2.3.6 Ảnh hưởng của nứt ñến hệ số khuếch tán .................................... 57

2.3.7 Hệ số khuếch tán biểu kiến .......................................................... 58

2.3.8 Tính hệ số khuếch tán theo dự báo và theo công thức kinh

nghiệm ...................................................................................................... 59

2.4 So sánh các kết quả tính toán và thảo luận ......................................... 60

2.4.1 So sánh kết quả tính hệ số khuếch tán D ...................................... 60

2.4.2 Phân tích, nhận xét kết quả tính hệ số khuếch tán D ................... 63

2.5 Kết luận chương 2 .............................................................................. 63

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CẦU

BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO ............. 65

3.1 Giới thiệu chung ................................................................................. 65

3.1.1 Khái niệm tuổi thọ sử dụng .......................................................... 66

3.1.2 Tuổi thọ sử dụng theo tác ñộng của sự xâm nhập clo trong môi

trường biển ............................................................................................... 67

3.2 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ....................... 71

3.2.1 Tổng quát ...................................................................................... 71

3.2.2 Các tham số của mô hình ............................................................. 71

3.2.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi ñầu ăn mòn ................ 80

3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi ñầu ăn mòn bằng

Mathlab ..................................................................................................... 88

3.3 Xây dựng mô hình dự báo thời gian lan truyền ăn mòn ..................... 88

3.3.1 Các vấn ñề chung ......................................................................... 88

3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có ....................................................... 89

v

3.3.3 Mô hình ñề xuất ............................................................................ 94

3.4 Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông

“LifeConBridge” ........................................................................................ 109

3.5 Kết quả tính và nhận xét ................................................................... 111

3.5.1 Kiểm chứng kết quả tính của mô hình ñề xuất .......................... 111

3.5.2 Kết quả tính toán thí dụ .............................................................. 112

3.5.3 Nhận xét kết quả: ........................................................................ 114

3.6 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam 115

3.6.1 ðặc ñiểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến ñổi khí hậu .. 115

3.6.2 Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt

Nam ....................................................................................................... 118

3.7 Kết luận chương 3 ............................................................................ 120

CHƯƠNG 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG VÀ THÍ

DỤ TÍNH TOÁN ....................................................................................................... 122

4.1 Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng .................................................. 122

4.1.1 Với các kết cấu mới .................................................................... 122

4.1.2 Với các kết cấu cũ ...................................................................... 127

4.2 Thí dụ tính toán cho một số bộ phận cầu T ...................................... 127

4.2.1 Các thông sô tính tuổi thọ sử dung của cầu T ............................ 127

4.2.2 Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng ............................................. 129

4.2.3 Các kết luận rút ra từ thí dụ nghiên cứu ..................................... 130

4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................ 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 132

1/ Kết luận ................................................................................................................... 132

2/ Kiến nghị ................................................................................................................. 134

3/ Hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................................. 135

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ....................................................... 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 137

PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................ 145

PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................ 155

vi

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau ñối với quá trình ăn mòn .. 21

Bảng 1.2 Tổng kết các phương pháp thí nghiệm xâm nhập clo...................... 30

Bảng 2.1. Thành phần bê tông của các tổ mẫu ............................................... 42

Bảng 2.2. Mức ñộ thấm ion clo ...................................................................... 45

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm theo ASTM C1202 ........................................... 48

Bảng 2.4. Kết quả tính DC1202 từ thí nghiệm ................................................... 51

Bảng 2.5 Các giá trị m cho các loại bê tông .................................................. 54

Bảng 2.6 Kết quả D theo dự báo và các công thức kinh nghiệm .................... 60

Bảng 2.7 DC1202, D dự báo và các công thức kinh nghiệm ............................. 61

Bảng 2.8 So sánh kết quả tính hệ số D............................................................ 62

Bảng 3.1 Tốc ñộ tích lũy và nồng ñộ lớn nhất của clo bề mặt ....................... 73

Bảng 3.2 Tóm tắt các tiêu chuẩn xác ñịnh giới hạn tối ña cho phép của clo

trong vữa và bê tông dự ứng lực .................................................... 78

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của canxi nitrit (CNI) trên ngưỡng clo tới hạn ............ 79

Bảng 3.4 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=100% ......................... 111

Bảng 3.5 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn H=75% ........................... 112

Bảng 3.6 Kết quả tinh thời gian lan truyền ăn mòn theo nứt bê tông bảo vệ .... 112

Bảng 3.7 Kết quả tinh thời gian khởi ñầu ăn mòn theo các tham số ............ 113

Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan

ñiểm 1: nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ) .......................................... 113

Bảng 3.9 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan

ñiểm 2: ăn mòn gây nguy hiểm) ................................................... 114

Bảng 4.1 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, với các giải pháp kết hợp .............. 126

Bảng 4.2 Thông số kết cấu và vật liệu .......................................................... 128

Bảng 4.3 Thông số môi trường ..................................................................... 129

Bảng 4.4 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 1D .................................... 129

Bảng 4.5 Kết quả tính tuổi thọ sử dụng, bài toán 2D .................................... 130

Bảng 4.6 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn 2

t ............................... 130

vii

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu

Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) ....................................................... 7

Hình 1.2: Biểu ñồ Pourbaix quan hệ thế ñiện cực và ñộ pH của hệ Fe-H2O .. 15

Hình 1.3 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) ................................. 18

Hình 1.4 Thể tích tương ñối của các sản phẩm ăn mòn sắt ........................... 20

Hình 1.5 Biểu ñồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp ..... 20

Hình 1.6 Sơ ñồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) .................... 21

Hình 1.7 Sơ ñồ thí nghiệm khuếch tán khối- Bulk Diffusion Test

(NordTest NTBuild 443) ................................................................ 22

Hình 1.8 Sơ ñồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) ......................... 23

Hình 1.9 Sơ ñồ thí nghiệm kỹ thuật ñiện di .................................................... 25

Hình 1.10 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di của Tang và Nilsson .............................. 26

Hình 1.11 Sơ ñồ thí nghiệm ñiện di nhanh (NordTest NTBuild 492) ............ 27

Hình 1.12 Thiết bị ño ñiện trở suất một chiều ............................................... 29

Hình 1.13 Sơ ñồ phương pháp 4 ñiểm ño của Wenner .................................. 29

Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai

ñoạn của Tuuti 1980 ....................................................................... 33

Hình 2.1 Sơ ñồ bơm hút chân không mẫu thử C1202 ................................... 43

Hình 2.2 Sơ ñồ ño ñiện tích............................................................................ 44

Hình 2.3 Các ảnh thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202 ................ 47

Hình 2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ W/C trên hệ số khuếch tán Clo trong bê

tông ở nhiệt ñộ 20oC ....................................................................... 52

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tro bay và xỉ ñối với hệ số khuếch tán ................. 55

Hình 2.6 Ảnh hưởng của silica fum ñối với hệ số khuếch tán ...........................

Hình 2.7 Biểu ñồ các kết quả tính D .............................................................. 62

Hình 3.1: ðịnh nghĩa tuổi thọ sử dụng và kéo dài tuổi thọ sử dụng ............... 67

Hình 3.2: Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt ....................................... 75

Hình 3.3: góc phần tư trong cột 2D................................................................. 84

Hình 3.4: Các biến trong góc phần tư trong cột 2D ........................................ 85

Hình 3.5: Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn (Mô

hình của Liu) ................................................................................... 91

viii

Hình 3.6: Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: .. 95

Hình 3.7: Khoảng thời gian từ khởi ñầu ăn mòn thép ñến nứt hoàn toàn bê

tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực ............................................ 96

Hình 3.8: Sơ ñồ ước lượng cho mất mát bán kính thép ∆rs2 ......................... 102

Hình 3.9: Mối quan hệ giữa tốc ñộ ăn mòn và ñộ ẩm tương ñối với bê tông

tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt ñộ 23oC ... 105

Hình 3.10. Mật ñộ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt ñộ

20oC, ñộ ẩm H=75% theo Liu và Weyers ..................................... 107

Hình 3.11. Sơ ñồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo ............ 110

Hình 3.12: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào giữa thế kỷ 21 theo

kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 116

Hình 3.13: Mức tăng nhiệt ñộ trung bình năm (oC) vào cuối thế kỷ 21 theo

kịch bản phát thải trung bình ....................................................... 117

Hình 3.14: Các vùng môi trường biển của trụ cầu bê tông ........................... 119

Hình 3.15: ðịnh tính về phân bố nồng ñộ clo bề mặt ................................... 120

Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi

ñầu ăn mòn khi w/c=0.35, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho

vùng khí quyển biển ...................................................................... 123

Hình 4.2: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian từ

khởi ñầu ăn mòn ñến nứt cho bê tông f’c=40MPa,ñường kính

cốt thép d=16mm, nhiệt ñộ 20oC, ñộ ẩm H=80% cho vùng khí

quyển biển .................................................................................... 123

Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ nước trên xi măng w/c với thời gian khởi ñầu

ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=70mm, nhiệt ñộ 20oC,

ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ..................................... 124

Hình 4.4: Quan hệ giữa tỷ lệ muội si líc (silica fume) với thời gian khởi

ñầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt ñộ

25oC, ñộ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) ........................... 125

ix

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu

∆ s1

r

Lượng giảm bán kính của cốt thép tại thời ñiểm bắt ñầu nứt

∆ s2

r

Lượng giảm bán kính của cốt thép do gỉ chèn vào vết nứt

Ecef Mô ñun ñàn hồi có hiệu (xét ñến từ biến);

ψ Hệ số từ biến của bê tông;

δ0 Chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép;

νc

Hệ số poisson của bê tông νc=0,18-0,20;

δcon Chuyển vị hướng tâm của bê tông;

∆d Sự thay ñổi ñường kính của cốt thép

νr

Hệ số poisson của gỉ sắt;

δrust Chuyển vị nén hướng tâm của gỉ (các sản phẩm ăn mòn)

∆T là mức tăng nhiệt ñộ trong thí nghiệm C1202.

“LifeConBridge”- Service Life of concrete Bridge- Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông.

A Diện tích tiết diện mẫu thử

BTCT Bê tông cốt thép

C Nồng ñộ clo

C(x,t) Nồng ñộ clo tại chiều sâu x và thời gian t

C0 Nồng ñộ clo ban ñầu trong bê tông

CNI Canxi nitrit

Cs Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông

Cs(t) Nồng ñộ clo tại bề mặt bê tông tại thời ñiểm t

d ðường kính cốt thép

D Hệ số khuếch tán clo trong bê tông

D(t) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở thời ñiểm t

D(T) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở nhiệt ñộ T

D28 Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở tuổi 28 ngày

DPC Hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường

DSF Hệ số khuếch tán clo trong bê tông có muội silic (silica fume)

E ðiện thế áp dụng

x

Ec

Mô ñun ñàn hồi của bê tông;

Er

Mô ñun ñàn hồi của gỉ sắt;

F Hằng số Faraday

FA Phần trăm tro bay

fr

Cường ñộ chịu kéo của bê tông;

H ðộ ẩm tương ñối của môi trường

i Mật ñộ dòng ñiện

I Cường ñộ dòng ñiện

icorr Mật ñộ dòng ñiện ăn mòn

J Dòng của ion (hay thông lượng)

K Tốc ñộ di trú clo

k Hệ số biểu thị mức ñộ lấp ñầy các vết nứt bằng các sản phẩm ăn mòn;

L Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

M Khối lượng nguyên tử của sắt

Mloss Khối lượng thép mất mát do ăn mòn

Mr

Sức kháng uốn tính toán (hay sức kháng uốn có hệ số)

Mrc Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông

Mrs Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép

Ms

Khối lượng thép ban ñầu (trên một ñơn vị chiều dài thanh thép)

Mu Mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế có hệ số gây ra.

n Hệ số nở thể tích của gỉ (tỷ số thể tích gỉ thép và thép bị gỉ)

p Áp lực tại giao diện bê tông và gỉ

Pr Sức kháng nén tính toán của tiết diện bê tông cốt thép

Prc Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện bê tông

Prs Phần sức kháng tạo nên bởi tiết diện cốt thép

Pu Lực nén dọc tính toán

Q ðiện tích chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202

Q0 ðiện tích ñiều chỉnh trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202

qr

Áp lực tới xuyên tâm

qr,c Áp lực tới hạn gây nứt bê tông bảo vệ

xi

R Hằng số khí

r0=0,50d+δ0;

rn Bán kính của thép chưa bị ăn mòn

S Khoảng cách giữa các cốt thép

SF Phần trăm muội silic

SG Phần trăm xỉ lò

T Nhiệt ñộ tuyệt ñối

V Thế tích của dung dịch NaCl sử dụng trong thí nghiệm C1202

w/c Tỷ lệ nước trên xi măng

x,y Khoảng cách từ bề mặt bê tông

z Hóa trị của clo

ρ Tỷ lệ phần trăm của khối lượng thép mất mát Mloss với khối lượng

thép ban ñầu Ms trên một ñơn vị chiều dài

ρth Tỷ lệ phần trăm của mất mát diện tích tiết diện thép gây nguy hiểm

cho trạng thái giới hạn chịu lực.

1

MỞ ðẦU

1. Lý do chọn ñề tài

Hệ thống mạng lưới ñường giao thông của Việt nam trong những thập

kỷ qua ñã ñược nhà nước ñầu tư rất lớn. Việc ñảm bảo an toàn và ñộ bền cho

các cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải ñược ñặt ra.

Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều

cầu ñi ven biển. Các kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt

thép nói riêng trong môi trường biển theo thời gian sẽ bị clo xâm nhập gây ra

ăn mòn cốt thép làm giảm ñộ bền và giảm tuổi thọ sử dụng.

Việt Nam là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt ñới gió mùa,

nhiệt ñộ khá cao, ñộ ẩm lớn. ðây chính là yếu tố thúc ñẩy nhanh ăn mòn cốt

thép trong các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch

bản biến ñổi khí hậu thì nhiệt ñộ sẽ tăng, nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ

xâm nhập sâu vào các sông do ñó nhiều kết cấu sẽ bị ảnh hưởng của nước

biển và xâm nhập mặn.

Các vùng kết cấu bê tông ít bị ảnh hưởng do ăn mòn cốt thép là các

vùng thường xuyên nằm dưới mực nước thấp nhất của thủy triều, do thiếu oxy

cung cấp cho phản ứng ăn mòn ñiện hóa. Các kết cấu nằm trên mực nước thấp

nhất của thủy triều và các kết cấu ven bờ biển sẽ bị ảnh hưởng mạnh do ăn

mòn cốt thép. Dạng hư hại của các kết cấu này là cốt thép trong bê tông bị ăn

mòn ñiện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông. Khi

hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép ñạt ñến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn

cốt thép, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ ñộng trên bề mặt cốt thép và ăn mòn sẽ

xảy ra. Khi ăn mòn xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước

sẽ trương nở thể tích dẫn ñến nứt, vỡ bê tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép còn

làm giảm dính bám giữa bê tông và cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép

dẫn tới giảm sức kháng uốn, sức kháng nén và sức kháng cắt.

2

Tuổi thọ sử dụng (service life) của kết cấu bê tông cốt thép do xâm

nhập clo là thời gian từ khi xây dựng ñến khi ăn mòn (do clorua) gây ra các

hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không còn an toàn

nữa. Thời gian này gồm hai giai ñoạn kê tiếp nhau: Giai ñoạn khởi ñầu ăn

mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn. Giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn là thời gian

cần thiết ñể các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép

ñạt ñến “ngưỡng nồng ñộ gây ăn mòn”. Giai ñoạn lan truyền ăn mòn là thời

gian từ khi khởi ñầu ăn mòn cho tới khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông

bảo vệ hoặc tới khi diện tích tiết diện cốt thép bị giảm do ăn mòn dẫn ñến kết

cấu không còn thỏa mãn trạng thái giới hạn chịu lực.

Dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo một cách

ñáng tin cậy là cơ sở ñể ñưa ra phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi

thọ sử dụng và giảm các chi phí vòng ñời dự án cầu bê tông.

Hiện nay trên thế giới ñã có các nghiên cứu về tuổi thọ sử dụng của các

kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. Tuy nhiên, với Việt Nam do có các

ñặc thù riêng vì vậy cần thiết có một mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho

các cầu bê tông cốt thép phơi nhiễm clo. ðây là lý do ñể ñề tài này nghiên

cứu sự xâm nhập clo và gây ra ăn mòn cốt thép ñể dự báo tuổi thọ sử dụng

của các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Mô hình dự báo này sẽ trợ

giúp các kỹ sư xây dựng phương án thiết kế, bảo trì hợp lý các công trình

cầu bê tông cốt thép ở ven biển.

Với mục ñích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt

Nam do xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon ñề tài:

“Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam

do xâm nhập clo”

2. Mục ñích nghiên cứu

Mục ñích của luận án là nghiên cứu về sự xâm nhập clo gây ra ăn mòn cốt

thép ñối với các cầu bê tông cốt thép ven biển.

3

Các nội dung chính của luận án:

1) Xác ñịnh các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông

như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng ñộ clo trên bề mặt bê tông Cs;

Ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép Cth.

2) Xây dựng phương pháp và mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cho

các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam theo sự

xâm nhập clo.

3) ðề ra biện pháp tăng cường kéo dài tuổi thọ sử dụng. Áp dụng mô

hình “dự báo tuổi thọ sử dụng cho các công trình cầu bê tông cốt

thép ở ven biển Việt Nam theo sự xâm nhập clo” tính cho thí dụ

nghiên cứu.

3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu

ðối tượng nghiên cứu là các công trình cầu bê tông cốt thép ñã và sẽ

ñựơc xây dựng ở ven biển Việt Nam.

Hư hại của Cầu BTCT nói riêng và của kết cấu BTCT nói chung chịu

ảnh hưởng của các yếu tố như môi trường và ñiều kiện khai thác như tải

trọng. Trong các yếu tố môi trường, bên cạnh nguyên nhân ăn mòn cốt thép

gây hư hại còn có nguyên nhân nữa là sự suy giảm của bê tông do tác ñộng

trực tiếp của môi trường gây ra các hiện tượng như phản ứng kiềm cốt liệu,

xâm nhập của Sun phát, của a xít… Các tải trọng trong thời gian sử dụng

gây ra tích lũy hư hại trong kết cấu BTCT và dẫn ñến các phá hủy. Một

nguyên nhân nữa có thể gây hư hại kết cấu BTCT là các sự cố bất thường

ngoài dự tính của thiết kế như ñộng ñất cấp lớn hơn cấp thiết kế, va xô

nghiêm trọng hơn dự tính của thiết kế hoặc cháy nổ. Các kết cấu cầu BTCT

tùy theo ñiều kiện tác ñộng có thể bị phá hoại do một hoặc tổng hợp của một

nhóm nguyên nhân.

Luận án ñược tiến hành trong phạm vi giới hạn như sau: