Tiểu luận môn VLXD mới ĐỀ TÀI MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM 1. Giới thiệu chung. Ở các nước công nghiệp, nhiều cầu thép đã được xây dựng bằng những công nghệ cao liên quan đến các phương pháp xây dựng mới, vật liệu thép mới và phương pháp quản lý mới. Cầu làm bằng loại thép chịu thời tiết sẽ có ưu điểm, thép cầu là thép chống gỉ trên thời tiết kiềm chế ăn mòn. Việc sử dụng thép này còn giúp giảm chi phí bảo trì cầu. Thép chịu thời tiết được áp dụng tương đối nhiều ở các nước có nền công nghiệp sản xuất thép tiên tiến. Với khả năng tự bảo vệ gỉ, tính bền, mầu sắc đặc trưng thì thép chịu thời tiết là lựa chọn tốt đối với các kết cấu ngoài trời mang tính chất trưng bày như các tác phẩm nghệ thuật điêu khắc, kết cấu cầu đường, dân dụng và các kết cấu thép khác. Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp, có cường độ cao, tự bảo vệ gỉ bằng cách tạo ra lớp ôxit trên bề mặt kết cấu thép, lớp ôxit này sau đó làm nhiệm vụ chống gỉ cho thép. Do đó khi dùng loại thép này chúng ta không cần sơn hoặc các biện pháp chống gỉ khác, tiết kiệm được kinh phí bảo dưỡng khi sử dụng kết cấu. Qua khảo sát bề mặt thép đang khai thác đã cho thấy hiện tượng gỉ rất ít ngay cả khi kết cấu thép không được sơn hoặc mạ kẽm. Thép có thể được khai thác trong một thời gian dài mà hầu như không tốn phí chi phí bảo dưỡng. Việc áp dụng phổ biến thép chịu thời tiết để làm cầu thép đã bắt đầu vào những năm 1960 tại Nhật Bản. Tại nước này, cầu thép chịu thời tiết hiện chiếm trên 30% khối lượng thép tiêu thụ để xây dựng cầu thép trong năm 2006. Một số địa phương có đến 80% số cầu thép mới xây dựng gần đây dùng loại thép này. Do tính chất độc đáo ức chế sự phát triển ăn mòn bởi một lớp gỉ tốt mịn được hình thành trên bề mặt thép, loại vật liệu thép chịu thời tiết cũng đã được sử dụng rộng rãi cho các kết cấu thép khác trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Một sự hiểu biết đúng đắn về tính chất độc đáo này và cách sử dụng của thép phù hợp với mỗi điều kiện môi trường cụ thể có thể cho phép tạo ra những kết cấu cầu thép không cần sơn, tuổi thọ dài với chi phí bảo trì tối thiểu, dẫn đến việc áp dụng ngày càng tăng của thép thời tiết để xây cầu. Ngoài ra, loại thép chịu thời tiết mới có thành phần Ni phù hợp để áp dụng trong các môi trường ăn mòn nghiêm trọng cũng đã được phát triển. Lịch sử phát triển thép chịu thời tiết: - Năm 1910: một loại thép được pha thêm đồng đỏ đã cho sức kháng gỉ bằng 2 lần thép thông thường. pg. 1 Tiểu luận môn VLXD mới - Những năm 1930: được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô. - Trong những năm 1940 - 1960: phát triển thép chịu thời tiết, pha thêm các chất như: crom, phốtpho, silic, niken. - Những năm 1960: được sử dụng phổ biến trong cầu đường và nhà cao tầng. - Cho đến nay: được sử dụng nhiều trong cả nghệ thuật điêu khắc. 2. Đặc điểm của thép chịu thời tiết. Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa một làm lượng nhỏ các thành phần chống ăn mòn như đồng (Cu), niken (Ni) và crom (Cr). Trong thời gian khai thác cấu kiện thép mà không sơn sẽ có một lớp gỉ mỏng bám dính tốt trên bề mặt thép xuất hiện dần dần, lớp gỉ này sẽ có tác dụng ngăn chặn sự tiến triển tiếp theo vào sâu hơn của quá trình gỉ. Đặc trưng vật liệu cũng như khả năng chống lại gỉ trong không khí đã tạo ra cho nó một số đặc điểm đặc biệt như sau: - Tốn ít công kiểm tra, bảo dưỡng kết cấu: Việc bảo dưỡng,kiểm tra và vệ sinh định kỳ là việc làm cần thiết để đảm bảo duy trì khả năng hoạt động tốt cho kết cấu. Thép chịu thời tiết áp dụng rất tốt cho cầu và các kết cấu khác tại những vị trí khó hoặc nguy hiểm khi tiếp cận và những vị trí mà khả năng hư hỏng trong tương lai cần được giảm đến mức tối thiểu. - Giá đầu tư ban đầu: Giá thành ban đầu của loại thép này lớn hơn thép thông thường, tuy nhiên cần phải đem so sánh với việc cộng thêm giá của hệ thống sơn chống gỉ trong nhiều năm khai thác của cầu vì thép chịu thời tiết cần ít công bảo dưỡng. - Giảm thời gian xây dựng: Toàn bộ thời gian xây dựng giảm do thời gian thi công trong xưởng và tại hiện trường. - Diện mạo bề mặt thép: Diện mạo bề mặt thép thường có mầu pha trộn thích hợp với môi trường. Mầu sắc thường thay đổi theo tuổi công trình. - Giảm các tác động vào môi trường: Giảm thiểu được các tác động đến các vấn đề môi trường do rơi vãi bụi từ công tác sơn bảo vệ và từ bụi bẩn do công việc bảo dưỡng trong tương lai. - An toàn đối với con người: Vấn đề sức khỏe và an toàn tùy thuộc vào việc loại trừ công tác sơn chống gỉ ban đầu và giảm tiểu những rủi ro trong việc bảo dưỡng sau này. - Khả năng chịu nhiệt độ cao: Có khả năng làm giảm mức độ ô xy hóa của thép ở nhiệt độ trên 400oC. Điều này phụ thuộc vào thời gian cấp nhiệt và điều kiện môi trường. Tuy nhiên, thép chịu thời tiết lại không phù hợp với các cấu kiện chịu tải trọng quan trọng như gối cầu khi nhiệt độ trên 450oC. pg. 2 Tiểu luận môn VLXD mới Lớp gỉ được hình thành trên hầu hết bề mặt thép thường sau một thời gian khai thác. Vì vậy, quá trình xác định tốc độ gỉ được thể hiện qua một họ các đường cong mà góc nghiêng phụ thuộc vào sự xâm hại của môi trường. Biểu đồ so sánh mất mát do gỉ giữa thép chịu thời tiết và các loại thép các bon Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ của thép được bắt đầu trong cùng thời gian, nhưng các phần tử hợp kim đặc trưng trong sản xuất thép tạo ra một lớp gỉ bền bên ngoài để tham gia chống gỉ với thép phía trong. Lớp gỉ này phát triển dưới điều kiện ẩm ướt và khô xen kẽ nhau để tạo ra một lớp ôxit chống gỉ, ngăn chặn sự thâm nhập ô xy và hơi ẩm. Kết quả là đã làm giảm tốc độ gỉ của thép. 3. Phân loại Có bốn loại thép chịu thời tiết chính: Austenitic, Ferritic,Austenitic-Ferritic (Duplex), và Martensitic. - Austenitic là loại thép chịu thời tiết thông dụng nhất. Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 301, 304, 304L, 316, 316L, 321, 310s… Loại này có chứa tối thiểu 7% ni ken, 16% crôm, carbon (C) 0.08% max. Thành phần như vậy tạo ra cho loại thép này có khả năng chịu ăn mòn cao trong phạm vi nhiệt độ khá rộng, không pg. 3 Tiểu luận môn VLXD mới bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn, dễ hàn. Loai thép này được sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, các công trình xây dựng khác… - Ferritic là loại thép chịu thời tiết có tính chất cơ lý tương tự thép mềm, nhưng có khả năng chịu ăn mòn cao hơn thép mềm (thép carbon thấp). Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 430, 410, 409 Loại này có chứa khoảng 12% - 17% crôm. Loại này, với 12%Cr thường được ứng dụng nhiều trong kiến trúc. Loại có chứa khoảng 17%Cr được sử dụng để làm đồ gia dụng, nồi hơi, máy giặt, các kiến trúc trong nhà - Austenitic-Ferritic (Duplex) Đây là loại thép có tính chất “ở giữa” loại Ferritic và Austenitic có tên gọi chung là DUPLEX. Thuộc dòng này có thể kể ra LDX 2101, SAF 2304, 2205, 253MA. Loại thép duplex có chứa thành phần Ni ít hơn nhiều so với loại Austenitic. DUPLEX có đặc tính tiêu biểu là độ bền chịu lực cao và độ mềm dẻo được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp hoá dầu, sản xuất giấy, bột giấy, chế tạo tàu biển Trong tình hình giá thép không gỉ leo thang do ni ken khan hiếm thì dòng DUPLEX đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn để thay thế cho một số mác thép thuộc dòng thép Austenitic như SUS 304, 304L, 316, 316L, 310s… - Martensitic Loại này chứa khoảng 11% đến 13% Cr, có độ bền chịu lực và độ cứng tốt, chịu ăn mòn ở mức độ tương đối. Được sử dụng nhiều để chế tạo cánh tuabin, lưỡi dao 4. Đặc tính của thép chịu thời tiết Các đặc tính của nhóm thép chịu thời tiết có thể được nhìn dưới góc độ so sánh với họ thép carbon thấp. Về mặt chung nhất, thép không gỉ có: - Tốc độ hóa bền rèn cao - Độ dẻo cao hơn - Độ cứng và độ bền cao hơn - Độ bền nóng cao hơn - Chống chịu ăn mòn cao hơn - Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn - Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit) Các cơ tính đó thực ra đúng cho họ thép austenit và có thể thay đổi khá nhiều đối với các mác thép và họ thép khác. Các cơ tính đó liên quan đến các lĩnh vực ứng dụng thép chịu thời tiết, nhưng cũng chịu ảnh hưởng của thiết bị và phương pháp chế tạo. Bảng 1 (Phần A). Tính chất so sánh của họ thép chịu thời tiết. nhóm hợp kim Từ tính 1 Tốc độ hoá bền rèn Chịu ăn mòn 2 Khả năng hoá bền pg. 4 Tiểu luận môn VLXD mới Austenit Không Rất cao Cao Rèn nguội Duplex Có Trung bình Rất cao Không Ferrit Có Trung bình Trung bình Không Martensit Có Trung bình Trung bình Tôi và Ram Hoá bền tiết pha Có Trung bình Trung bình Hoá già (1)- Sức hút của nam châm đối với thép. Chú ý, một số mác thép bị nam châm hút khi đã qua rèn nguội. (2)- Biến động đáng kể giữa các mác thép trong mỗi nhóm, ví dụ, các mác không gia được có tính chịu ăn mòn thấp hơn, và khi có Mo cao hơn sẽ có tính kháng cao hơn. Bảng 1 (Phàn B). Cơ tính so sánh của họ thép không gỉ. Nhóm hợp kim Tính dẻo Làm việc ở nhiệt độ cao Làm việc ở nhiệt độ thấp3 Tính hàn Austenit Rất cao Rất cao Rât tốt Rất cao Duplex Trung bình Thấp Trung bình Cao Ferrit Trung bình Cao Thấp Thấp Martensit Thấp Thấp Thấp Thấp Hoá bền tiết pha Trung bình Thấp Thấp Cao 6. Khả năng áp dụng tại Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam có 4 nhịp cầu giàn đường sắt đã sử dụng thép chịu thời tiết trên tuyến đường sắt Bắc – Nam, các nhịp cầu này đã có hơn 10 năm khai thác bình thường với chi phí bảo dưỡng tối thiểu (không cần sơn lại). Trong quá trình nghiên cứu xem xét hiệu quả việc áp dụng thép chịu thời tiết tại VN, tình trạng gỉ các cấu kiện thép giàn cũng như liên kết bulong cường độ cao sau 10 năm sử dụng cầu đã được khảo sát tỉ mỉ theo định kỳ 2 năm. Một số mẫu thử các loại thép chịu thời tiết có thành phần hóa học khác nhau cũng đã được đặt trên một số cầu ở miền Bắc (Hà Nội), miền Trung (Hà Tĩnh, Đà Nẵng) và miền Nam (TP.Hồ Chí Minh) để theo dõi qua các năm về tình trạng gỉ của chúng. GS.TS. Nguyễn Viết Trung (Đại học GTVT), đại diện nhóm nghiên cứu về những phát triển gần đây của các xu hướng kỹ thuật của cầu thép liên hợp – bê tông pg. 5 Tiểu luận môn VLXD mới cốt thép và các ứng dụng của thép chịu thời tiết ở Việt Nam cho biết: Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể đánh giá bước đầu về kết quả áp dụng thép chịu thời tiết và các ưu điểm của vật liệu này để làm cầu thép ở VN như sau: Thứ nhất, việc định hướng ứng dụng vật liệu thép tính năng cao BHS và thép chịu thời tiết là rất khả thi trong điều kiện tuyến đường chạy dọc bờ biển VN; Thứ hai, việc sử dụng các khả năng kiềm chế sự ăn mòn của vật liệu thép này có triển vọng rất tốt trong các khu vực dân cư thưa thớt và các điều kiện bảo dưỡng ít hơn; Thứ ba, hàm lượng muối trong không khí không phải là quá lớn (hầu hết dưới 4mmd ở ven biển và nội địa tại VN) cho phép ứng dụng rộng rãi hơn các kết cấu cầu thép bằng thép chịu thời tiết tại VN. Trong tháng 11/2006, Liên đoàn thép Nhật Bản (ông Sakata – Trưởng phòng vật liệu và kiến trúc, Công ty thép Nhật Bản) hợp tác với Bộ môn CTGTTP - ĐH GTVT điều tra hiện trạng thép cầu Chợ Thượng nằm trên tuyến đường sắt thống nhất Bắc - Nam sử dụng kết cấu giàn thép chịu thời tiết không sơn do Nhật Bản giúp đỡ xây dựng vào tháng 5 năm 2000. Cầu này nằm tại lý trình 338 từ Hà Nội trên địa phận tỉnh Hà Tĩnh. Đây là một cầu trong kế hoạch thay thế 44 cầu đường sắt trên tuyến đường sắt thống nhất Bắc - Nam. Cầu Chợ Thượng gồm 4 nhịp giàn thép Lnhịp =61m, chiều dài toàn cầu L=250m, được chế tạo tại công ty Mitsui Thăng Long. Vật liệu thép của công ty Nippon Steel – Nhật Bản. Giàn thép sử dụng thép chịu thời tiết SMA400AW, SMA400AP, BP. Tổng trọng lượng thép toàn cầu là 680 tấn. Dưới đây là một vài số liệu của một số vị trí đã được điều tra ở Cầu Chợ Thượng: Độ gỉ cấp 1 Chiều dày gỉ Đo 9 lần một vị trí (µm) 60.3 109 152 92.0 58.4 90.0 68.7 71.6 109 pg. 6 Tiểu luận môn VLXD mới Trung bình　(µm)　　 90.1 Độ gỉ cấp 2 Chiều dày gỉ Đo 9 lần một vị trí (µm) 125 143 89.4 145 118 113 132 120 130 Trung bình　(µm)　　 124 pg. 7 Tiểu luận môn VLXD mới Độ gỉ cấp 3 Chiều dày gỉ Đo 9 lần một vị trí (µm) 175 186 78.6 219 88.4 229 87.0 93.9 98.8 Trung bình　(µm)　　 140 pg. 8 Tiểu luận môn VLXD mới Độ gỉ cấp 4 Chiều dày gỉ Đo 9 lần một vị trí (µm) 248 88.4 87.7 172 198 93.7 304 167 329 Trung bình　(µm)　　 188 Nhận xét: Qua quan sát thép tại cầu Chợ Thượng sau 5 năm khai thác thấy khả năng chống gỉ của phần thép chịu thời tiết không sơn là rất tốt, hầu hết các cấu kiện đều có độ gỉ cấp 3, một số vị trí chịu tác động trực tiếp của hướng gió, mưa và bề mặt ẩm ướt thì có độ gỉ là cấp 4 (Độ gỉ được đánh giá theo tiêu chí của Liên đoàn thép Nhật Bản). Theo đánh giá chung thì độ gỉ cấp 3 và 4 là tương đối giống nhau. Chiều dày gỉ trung bình cho các cấu kiện khoảng 80µm đến 140µm trong trường hợp độ gỉ cấp 3 và 110µm đến 190µm trong trường hợp độ gỉ cấp 4. Theo số liệu được đo ở Nhật Bản thì chiều dày thép mất khoảng 30% do gỉ của thép. Vì vậy, quy ước coi khoảng 20µm đến 40µm trong trường hợp độ gỉ cấp 3 và 30µm đến 60µm trong trường hợp độ gỉ cấp 4. pg. 9 Tiểu luận môn VLXD mới 7. Ưu nhược điểm về giá thành. a) Bảng so sánh chi phí của sản xuất và hoạt động / tấn kết cấu kim loại được làm từ carbon đồng bằng và phong thép (USD) Mục chi phí Thép Cacbon Thép chịu thời tiết Giá cho 1 tấn thép 131 184 Giá sản xuất và sự tăng giá 240 264 Giá sơn phủ và xử lý bề mặt ngoài 60 0 Tổng giá của kết cấu kim loại 431 448 Giá sơn phủ lại trong suốt quá trình sử dụng 60 60 b) Ưu nhược điểm về giá. Tỷ lệ giá cho 1 tấn thép của thép chịu thời tiết so với thép Carbon là 184/131 = 1.4 lần. Tỷ lệ giá sản xuất và sự tăng giá của thép chịu thời tiết so với thép Carbon là 264/240 = 1.4 lần. Vậy giá cho 1 tấn thép, giá sản xuất và sự tăng giá là nhược điểm về chi phi của thép chịu thời tiết so với thép Carbon. Giá sơn phủ và sử lý bề mặt ngoài của thép Carbon là 60 USD, thép chịu thời tiết không cần sơn phủ và sử lý bề mặt ngoài nên không có loại chi phí này. Tỷ lệ tổng giá của kết cấu kim loại của thép chịu thời tiết so với thép Carbon là 448/431 = 1.04 lần. Điều này cho thấy về tổng giá của kết cấu kim loại thì thép chịu thời tiết chỉ tốn hơn hơn một chút so với thép Carbon. Tỷ lệ giá sơn phủ lại trong suốt quá trình sử dụng của thép chịu thời tiết so với thép Carbon là 60/60 = 1 lần. Vậy không có sự khác biệt về giá sơn phủ lại trong suốt quá trình sử dụng của hai loại thép trên. 8. Kết luận. Với các đặc điểm của thép chịu thời tiết, các số liệu điều tra về gỉ của thép cầu Chợ Thượng như ở trên và ưu nhược điểm về giá thì có thể thấy rằng: khả năng áp dụng thép chịu thời tiết là rất phù hợp với điều kiện khó bảo dưỡng thường xuyên và tiết kiệm chi phí để sơn chống gỉ cho các kết cấu thép,đặc biệt là cầu thép đường sắt. Loại thép này nên được nghiên cứu áp dụng rộng trong điều kiện khí hậu nước ta, nhất là những nơi khó có điều kiện bảo dưỡng thường xuyên như tuyến đường sắt, cầu và đường bộ qua những nơi xa, hẻo lánh. Bên cạnh đó, mặc dù các ứng dụng hiện nay đã có kết quả tốt nhưng trong tương lai cần nghiên cứu thêm về công nghệ, chi phí xây dựng và đặc biệt là cần biên soạn một Tiêu chuẩn thiết kế mới phù hợp các vật liệu mới. pg. 10 [...].. .Tiểu luận môn VLXD mới pg 11 . Tiểu luận môn VLXD mới ĐỀ TÀI MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA THÉP CHỊU THỜI TIẾT VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM 1. Giới thiệu chung. Ở các nước công nghiệp, nhiều cầu thép đã được xây. khắc. 2. Đặc điểm của thép chịu thời tiết. Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa một làm lượng nhỏ các thành phần chống ăn mòn như đồng (Cu), niken (Ni) và crom (Cr). Trong thời gian. gỉ giữa thép chịu thời tiết và các loại thép các bon Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ của thép được bắt đầu trong cùng thời gian, nhưng các phần tử hợp kim đặc trưng trong sản xuất thép tạo