Mục lục Chương mở đầu: Giới thiệu tổng quan Chương 1: Một số nguyên nhân gây hư hỏng phương pháp thu thập thông tin cầu bê tông cốt thép khai thác 1.1 Một số nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép khai thác 1.1.1 Các hư hỏng trình phá hủy vật liệu 1.1.1.1 Sự phá hủy lý hóa bê tông 1.1.1.2 Sự hư hỏng tượng ăn mòn cốt thép bê tông 11 1.1.1.3 Sự hư hỏng nứt co ngót bê tơng 15 1.1.2 Những hư hỏng khảo sát, thiết kế có sai sót 15 1.1.2.1 Những hư hỏng tính tốn kết cấu 16 1.1.2.2 Những hư hỏng xảy lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt 18 1.1.3 Những hư hỏng liên quan đến thi công chế tạo 19 1.1.3.1 Bê tông 19 1.1.3.2 Cốt thép bê tông 19 1.1.3.3 Bố trí cốt thép ván khuôn thi công căng kéo 20 1.1.3.4 Những sai sót q trình thi công 20 1.1.4 Những hư hỏng trình khai thác sử dụng 21 1.1.4.1 Nứt cấu kiện chịu nhiệt tải 21 1.1.4.2 Trạng thái nứt lún không cơng trình 22 1.1.4.3 Trạng thái nứt mỏi 22 1.2 Các phương pháp thu thập thông tin cầu bê tông cốt thép khai thác 23 1.2.1 Mục tiêu thu thập thông tin 23 1.2.2 Nguyên tắc thu thập thông tin 23 1.2.3 Các hình thức mức độ kiểm tra thu thập thông tin 23 1.2.3.1 Kiểm tra thường xuyên 23 1.2.3.2 Kiểm tra định kỳ 24 1.2.3.3 Kiểm tra đặc biệt 24 1.2.4 Các phương pháp kiểm tra vật liệu 24 1.2.4.1 Phương pháp phá hoại mẫu 24 1.2.4.2 Phương pháp không phá hoại mẫu NDT 25 1.2.4.3 Sử dụng kết hợp phương pháp 28 1.2.5 Các phương pháp đo đạc hiệu ứng kết cấu 30 1.2.5.1 Thử tải tĩnh 30 1.2.5.2 Thử tải động 31 1.2.5.3 Đo đạc thời gian dài 31 1.2.6 Trang thiết bị sử dụng 31 -1- Chương 2: Phương pháp xác định suy giảm chất lượng cầu BTCT khai thác 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình xây dựng 2.1.2 Quy trình chẩn đốn kỹ thuật 2.1.3 Phương pháp đánh giá suy giảm chất lượng cơng trình cầu 2.1.3.1 Phương pháp thống kê 2.1.3.2 Phương pháp học 2.1.4 Các mức độ việc chẩn đoán đánh giá cầu 2.1.5 Ưu nhược điểm hai phương pháp chẩn đoán cầu 2.2 Xây dựng toán chẩn đoán kỹ thuật cầu BTCT 2.2.1 Mục tiêu toán 2.2.2 Sơ đồ giải toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu BTCT 2.2.2.1 Theo quan điểm nhận dạng học hệ thống 2.2.2.2 Theo quan điểm thống kê 2.2.3 Giải toán chẩn đoán, đánh giá cầu BTCT 2.2.3.1 Theo quan điểm nhận dạng học hệ thống 2.2.3.2 Theo quan điểm thống kê 33 34 34 35 35 36 38 39 40 40 40 40 41 42 42 50 Chương 3: Các biện pháp sửa chữa khắc phục hư hỏng cầu BTCT 3.1 Nguyên tắc xử lý hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép 3.1.1 Đối với vết nứt bê tông 3.1.2 Xử lý vết nứt 3.1.3 Đối với hư hỏng bong vỡ bê tông 3.1.4 Đối với cốt thép khu vực quanh cốt thép 3.2 Các loại vật liệu chuyên dùng cho công tác sửa chữa cầu BTCT 3.2.1 Yêu cầu vật liệu chuyên dùng cho công tác sửa chữa cầu BTCT 3.2.2 Chuẩn bị bề mặt liên kết làm khu vực sửa chữa 3.3 Giới thiệu vài biện pháp sửa chữa điển hình áp dụng Việt nam 3.3.1 Biện pháp sửa chữa vật liệu truyền thống 3.3.2 Biện pháp phun bê tông 3.3.3 Phun keo êpôxy 3.3.4 Thêm cốt thép 3.3.5 Sử dụng vật liệu bê tông polyme cốt sợi 3.4 Các biện pháp sửa chữa dầm cầu Viện KHCN GTVT nghiên cứu áp dụng 3.4.1 Vật liệu bê tông polyme PEX Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo 3.4.2 Sửa chữa phục hồi dầm tăng cường thêm dự ứng lực 3.4.3 Sửa chữa tăng cường dầm phương pháp dán thép 3.4.4 Áp dụng thực tế sửa chữa phục hồi cầu Muối 3.4.5 Áp dụng thực tế sửa chữa phục hồi cầu Đa Phúc Kết luận Tài liệu tham khảo 58 58 59 60 61 61 62 63 64 64 64 66 67 68 69 69 74 76 79 84 88 90 -2- Chương mở đầu GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Trong hệ thống đường Việt nam có khối lượng cầu bê tơng cốt thép lớn với nhiều chủng loại khác Khi công trình cầu bê tơng cốt thép xây dựng, chưa qua thử thách với môi trường thời gian, khơng người nghĩ bê tơng cốt thép loại vật liệu vĩnh cửu Song sau qua thời gian sử dụng thực tế, người ta nhận vật liệu có nhược điểm như: - Khối lượng nặng nề thông qua tỷ số trọng lượng thể tích với cường độ vật liệu, gây tốn cho móng - Bê tông dù với độ đặc theo công nghệ thi cơng hành mang tính rỗng, đễ bị thấm nước bị mao dẫn - Trong trình rắn kết bê tơng bị co ngót, tạo trạng thái nứt, làm tính tồn khối khả chống thấm kết cấu - Bê tông dễ bị nứt nhỏ cường độ chịu kéo q thấp Đây nguyên nhân chung trạng thái nứt khác - Bê tông loại vật liệu bị biến đổi q trình lão hố Q trình suy thối xảy ba phương diện học, hố học vật lý - Khả dính bám bê tông với bê tông cũ thi công thời điểm khác kém, chịu tải trọng động - Nhược điểm dầm cầu bê tông cốt thép chịu tải trọng, ứng suất cốt thép đạt tới 500 kg/cm2 bê tơng bị nứt độ dãn bê tông chịu kéo vượt 0,15-0,20% Chính nhược điểm nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu bê tơng cốt thép nói chung cầu bê tơng cốt thép nói riêng, làm giảm độ tin cậy tuổi thọ cơng trình Do phát triển kinh tế đất nước, đa phần cầu phải gánh lượng vận tải lớn, nhiều vượt tải trọng cho phép Mặt khác, cơng trình cầu cũ nước ta cịn chịu ảnh hưởng môi trường, chiến tranh công tác tu -3- bảo dưỡng khơng thường xun Chính nên có nhiều cầu cũ tình trạng hư hỏng xuống cấp nghiêm trọng Việc xây dựng cầu để thay cầu cũ khó thực thiếu vốn, việc gia cố, sửa chữa, tăng cường cầu giải pháp nhất, thực cấp bách Để tiếp tục tận dụng, khai thác phát huy khả làm việc cơng trình cần phải đánh giá, phân loại trạng nguyên nhân gây hư hỏng, từ nghiên cứu giải pháp xử lý Hiện giới, cầu BTCT thực loại sửa chữa : Công nghệ phun sơn êpôxy bề mặt bê tông nhằm hạn chế thâm nhập môi trường vào bê tông làm gỉ cốt thép Công nghệ phun vữa-keo để xử lý vết nứt kết cấu BTCT, trám vá mảng vỡ Công nghệ sửa chữa gỉ cốt thép kết cấu BTCT Công nghệ sửa chữa cầu BTCT dự ứng lực ngồi Cơng nghệ dán thép, vải sợi bon Ở Việt Nam việc sửa chữa cầu BTCT theo phương hướng thực giới Chúng ta nghiên cứu loại vật liệu để trám vá vỡ bê tông, phun vào vết nứt Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo thiết bị để phun keo vào sâu vết nứt; áp dụng công nghệ sửa chữa cầu BTCT dự ứng lực hãng Fressinet (Pháp) chuyển giao sửa chữa cầu Niệm; cầu chữ Y: sửa chữa đứt cáp ngang dự ứng lực ngoài; sửa chữa tăng cường nhiều cầu DƯL (cầu Đa Phúc, Châu ổ, Tân Thuận, Chữ Y, An Dương, Sài Gịn ); ngồi cịn nghiên cứu sửa chữa tăng cường cầu công nghệ dán thép Với mục đích nâng cao hiệu trình khai thác, phát huy khả làm việc nâng cao độ tin cậy cơng trình cầu bê tơng cốt thép điều kiện Việt nam Trong luận án tác giả giải việc tìm hiểu nguyên nhân gây nên hư hỏng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép; Xác định phương pháp thu thập thông tin từ chọn phương pháp tính tốn đánh giá suy giảm chất lượng để đề xuất biện pháp khắc phục có hiệu hư hỏng Trên sở áp dụng kết nghiên cứu sửa chữa cầu bê tông cốt thép cũ khai thác hệ thống mạng giao thông đường nước ta Tên luận án là: Một vài nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép khai thác, biện pháp khắc phục -4- Nội dung luận án gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu số nguyên nhân gây hư hỏng phương pháp thu thập thông tin dầm cầu BTCT khai thác Chương 2: Phương pháp xác định suy giảm chất lượng dầm cầu BTCT khai thác Chương 3: Các biện pháp sửa chữa khắc phục hư hỏng dầm cầu BTCT Qua thực tế cơng trình cầu BTCT cũ tham gia sửa chữa tham khảo kết đề tài nghiên cứu ngồi nước số cơng trình cầu sửa chữa khác, mục tiêu mà luận văn muốn đạt nghiên cứu đề xuất biện pháp sửa chữa cầu BTCT cách có hiệu xuất phát từ việc xác định rõ nguyên nhân gây hư hỏng chữa bệnh Luận văn giới thiệu loại vật liệu sửa chữa cầu BTCT cũ có nhiều ưu điểm Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo dùng cho số cơng trình vật liệu bê tông polyme PEX Đồng thời giới thiệu hai biện pháp sửa chữa tăng cường cầu BTCT cũ : Tăng cường thêm dự ứng lực dán thép tăng cường cho dầm BTCT Các kết nghiên cứu thí nghiệm phịng Cơng nghệ Vật liệu – Viện KHCN GTVT áp dụng vào sửa chữa cơng trình cầu BTCT khai thác Viện KHCN GTVT triển khai -5- Chương MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG VÀ PHƢƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN ĐỐI VỚI DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC 1.1 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC Sự hư hỏng cầu bê tơng cốt thép ngun nhân sau: - Q trình phá hủy vật liệu tác động môi trường, bão, lũ lụt - Khảo sát thiết kế có sai sót - Sai sót q trình thi cơng - Trong trình sử dụng, thiếu tu sửa chữa, khai thác tải 1.1.1 Các hƣ hỏng trình phá hủy vật liệu tác động mơi trƣờng 1.1.1.1 Sự phá hủy lý hóa bê tơng Dạng hư hỏng xảy tác động bên thành phần thân bê tơng Phản ứng hóa học phổ biến xảy tác dụng ngậm nước thẩm thấu nước Khi kết cấu thay đổi liên tục ẩm khô, nước thấm qua bê tơng hịa tan vài thành phần, làm tăng độ rỗng Hiện tượng kéo theo xuất sùi mặt thành mụn vỡ mủn Các phá hủy thường số tác động sau: a Sự hƣ hỏng tác dụng cacbonat hóa bê tơng Chúng ta biết rằng, khơng khí chứa chất dioxit cacbon (CO2) với tỷ lệ trung bình 0,03% theo thể tích, hàm lượng khí CO2 tùy thuộc vào áp suất nhiệt độ Tỉ lệ thay đổi theo điều kiện địa lý Ở khu vực đô thị hay trung tâm dân cư, cơng nghiệp, hàm lượng khí tăng lớn khu vực khác Khí CO2 khí tác động trở lại vùng chứa vôi vữa xi măng để tạo cacbonat canxi (CaCO3), dẫn đến sụt giảm tính kiềm (pH) dung dịch nội bao xuống cịn khoảng 9, thường khơng đủ để bảo vệ cốt thép chống lại ăn mòn Phản ứng viết sau: nước + gốc alcali Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O -6- Cơ chế phản ứng phụ thuộc vào mối quan hệ phức tạp Sự cacbonat hóa thực điơxít cacbon tan nước phản ứng với vơi thơng qua hịa tan Trong hịa tan dung dịch bão hịa vơi nhiệt độ 250 C theo quy định 1,2g/l giảm nằm khu vực giàu tính kiềm Phản ứng tăng trưởng dần từ vào theo tốc độ thay đổi lớn xảy theo nhiều giai đoạn: CO2( khơng khí) + 2OH - CO32- + H2O Vì pH thấp xuống, vơi bắt đầu hịa tan Ca(OH)2(rắn) Ca2+ + 2OH- Ca2+ + CO32- CaCO3 Cho đến đây, độ pH giữ cố định Khi Ca(OH)2 rắn tan hết, độ pH giảm xuống nhanh, nồng độ CO32- tăng, pH gần 9,5 dung dịch xuất HCO3- đưa đến cân CO32- HCO3- pH gần 8,3 CO32- + H2 O CaCO3 + OH - Nhiều thành phần vữa ximăng pooclăng phản ứng (C – S – H, C – A – H) hình thành CaCO3 Cuối bê tơng cacbonat hóa, người ta phân biệt vùng: - Bê tơng hồn tồn bị cacbonat hóa (pH gần 8,3) - Bê tơng bị cacbonat hóa phần (pH gần 10) - Bê tông nguyên, pH gần 13,5 –12,5 (kiềm bị khuyếch tán) Để theo dõi tiến triển tượng cacbonat hóa, cần phải xác định chiều sâu cacbonat hóa theo hai phương pháp sau: - Phương pháp xác định trọng lượng thành phần vữa - Phương pháp kiểm tra phenonlphtalin (tương đương với pH = 9,1) Về mặt tính thụ động cốt thép, định nghĩa vùng giới hạn cacbonat hóa pH = 11 Những kết thí nghiệm khẳng định có quan hệ độ sâu cacbonat hóa tỉ lệ với bậc hai thời gian: x = D t đó: x - độ sâu cacbonat hóa; t - thời gian; D - hệ số biến thiên khuyếch tán CO2 -7- Phương trình cho thấy chế việc khuyếch tán CO2 điều khiển tác động cacbonat hóa Các sản phẩm cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc xốp bê tơng cách làm giảm độ chống thấm Người ta xác định có giá trị giới hạn cacbonat hóa xlim qua cacbonat hóa khơng tiến triển Với cơng trình sử dụng, xác định D khơng dễ dàng Nó đụng chạm đến tất khả không chắn mơ hình lịch sử cơng trình Có hai phương pháp xác định hệ số khuyếch tán D, là: - Phương pháp thực nghiệm cách đo độ sâu cacbonat hóa thời điểm khác để thu D = x / t Đồng thời người ta chứng minh phụ thuộc D với thẩm thấu khơng khí bề mặt bê tông đo máy bơm chân không - Phương pháp bán thực nghiệm cách xác định thơng số ảnh hưởng đến D tổ hợp kết thí nghiệm Các thơng số độ ẩm thành phần bê tông Với thông số độ ẩm, ngườig ta rút nhận xét bê tơng bão hịa khơng có cacbonat hóa đáng kể (sự khuyếch tán CO2 khó) Sự cacbonat hóa xảy bê tơng khô (sự khuyếch tán CO2 dễ dàng phản ứng hóa học khơng có nước) Với thành phần bê tơng có nhiều thông số: nước/xi măng (N/X), loại lượng xi măng, loại lượng phụ gia, lượng nước, có mặt chất làm lỏng, làm dẻo, có mặt chất tạo khí, độ bền học, chất lượng trộn có thơng số lượng vơi phản ứng thẩm thấu nguyên liệu b Sự hƣ hỏng nguyên nhân kiềm hóa Hiện tượng ăn mịn có đá xi măng xảy lịng khối bê tơng phần tử với Bản thân clinke chứa lượng chất kiềm Trong cốt liệu bê tông, đặc biệt cát, lại hay gặp hợp chất silic vơ định hình (opan, chanxeđơn, thủy tinh núi lửa) Chúng tác dụng với kiềm xi măng nhiệt độ thường làm cho bề mặt hạt cốt liệu nở ra, bê tông phồng lên theo hướng, sau tạo thành hệ thống vết nứt theo ô lưới khoảng 30 cm chiều kết cấu bị phá hủy hồn tồn Do phồng rộp bê tơng, mà khí CO2 thâm nhập vào đưa đến hình thành CaCO3 tạo sụt giảm pH dung dịch nội bao, khởi điểm tượng cacbonat hóa mà -8- biết Hiện tượng hư hỏng ăn mòn kiềm hóa diễn chậm kéo dài hàng năm, hạn chế chúng cách lựa chọn thành phần bê tơng thích hợp c Sự hƣ hỏng ngun nhân tác dụng clorua sunfat Nguyên nhân tính chất xâm thực mơi trường ven biển có chứa muối sản phẩm phản ứng axit bazơ Các dung dịch muối axit mạnh bazơ mạnh có pH trung tính (pH = 7) Ngược lại thủy phân muối bazơ mạnh với axit yếu axit mạnh với bazơ yếu dẫn đến dung dịch có tính kiềm axit Q trình cơng dung dịch muối phức tạp, khơng phụ thuộc vào tính chất axit gốc muối mà vào áp lực chúng với ion canxi ion OH - Tác dụng muối phụ thuộc vào độ hòa tan sản phẩm, vào phản ứng thủy phân chất dính kết vào tính chất giãn nở tức thời Các clorua, tác dụng xấu lên cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép, cịn ngun nhân gây nên hư hỏng chất dính kết chúng có nồng độ cao (như mơi trường kiềm nhiễm mặn), nồng độ thấp (< 1000mg/l) Q trình xuống cấp, trường hợp có nồng độ ion Cl – tương đối thấp, tương ứng chủ yếu với canxi chất dính kết tạo thành CaCl2 tan thường kéo theo dần canxi, gắn liền vào hệ số tốc độ khuyếch tán bê tông ion Cl – với cation kết hợp Các ion Cl – xâm nhập nhanh vào sâu vữa xi măng, tác dụng màng bám thấm Chúng trao đổi với ion OH– khuyếch tán ngược chiều tạo với Ca(OH)2 C – S – H, chất clorua canxi tan thấm ngược Các cation kiềm thổ di động kết tủa bề mặt bê tơng dạng hydroxit (thí dụ: Ca(OH)2, Mg(OH)2) Hơn phần clorua gắn silicat canxi ngậm nước dạng mono cloro aluminat canxi 3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O; chất sau phản ứng với aluminat canxi tạo ximăng Các ảnh hưởng sunfat nguồn quan trọng xuống cấp bê tơng, thể dạng rắn, lỏng khí Nhưng nguyên nhân nữa, tác dụng trạng thái rắn khí cần tới có mặt nước dạng chất lỏng -9- Các sunfat có nguồn gốc tự nhiên, sinh học từ chất bẩn sinh hoạt công nghiệp Nước mưa, đặc biệt mưa axit có chứa sufat dạng axit sunfuric, đáng sợ cho bê tông cứng rắn Nước biển Việt Nam có chứa số muối mang tính xâm thực bê tơng cốt thép NaCl (2,7%), MgCl2 (0,32%), MgSO4 (0,22%), KHCO3 (0,02%) Khơng khí vùng biển khác so với khơng khí nội địa, có chứa hàm lượng ion clorua cao Kết điều tra sơ nồng độ ion clorua khí số địa phương ven biển Việt Nam cho thấy hàm lượng muối dần theo chiều sâu vào đất liền theo chiều cao cách mặt biển Ảnh hưởng khí hậu biển vào sâu đất liền tới km Nét đặc trưng khí hậu Việt nam độ ẩm cao (>80%) Nhiệt độ trung bình tương đối lớn Miền Nam có nhiệt độ cao miền Bắc Tuy nhiên miền bắc lại có biên độ dao động lớn miền Nam kèm theo nhiều ngày sương mù gây ẩm ướt trực tiếp lên bề mặt kết cấu Một yếu tố cần phải kể tới tượng mưa rào đột ngột Việt Nam tạo nên chu kỳ khô - ẩm làm tăng q trình thẩm thấu chất xâm thực vào bê tơng Các đợt gió mùa giơng bão góp phần đưa lượng muối lớn vào đất liền Tổng hợp tất yếu tố khí hậu nói kết hợp với nồng độ muối cao khơng khí cho thấy khí ven biển Việt Nam mơi trường xâm thực mạnh kết cấu bê tông cốt thép có đặc thù riêng so với vùng biển khác giới: Tùy theo tính chất xâm thực vùng (vùng ngập nước, vùng nước lên xuống, vùng khí hậu ven biển) mà q trình ăn mịn bê tơng cốt thép có khác d Sự xuống cấp bê tơng có nguồn gốc sinh học Các loại nước bẩn nhỏ xuống xảy phản ứng vi sinh vật khí yếm khí, có khả làm hư hỏng bê tơng Các vùng dễ bị hư hỏng vùng nơi có nồng độ chất thải lớn, tốc độ chảy thấp nhiệt độ cao Trong vùng bay lên khí hydro sunfua (H2S) tác động ơxy hóa vi sinh vật sunfo kỵ khí lên lớp chất hữu hay vơ lưu huỳnh có chứa nước Bản thân H2S tính xâm thực bê tơng Nhưng trở thành axit -10- ... cốt thép khai thác, biện pháp khắc phục -4- Nội dung luận án gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu số nguyên nhân gây hư hỏng phương pháp thu thập thông tin dầm cầu BTCT khai thác Chương 2: Phương pháp. .. SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG VÀ PHƢƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN ĐỐI VỚI DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC 1.1 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC Sự hư hỏng cầu bê tơng cốt thép. .. hiệu hư hỏng Trên sở áp dụng kết nghiên cứu sửa chữa cầu bê tông cốt thép cũ khai thác hệ thống mạng giao thông đường nước ta Tên luận án là: Một vài nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu dầm cầu bê tông