Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển việt nam do xâm nhập clo luận án tiến sĩ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014 TÁC GIẢ ĐÀO VĂN DINH LỜI CẢM ƠN Luận án được 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 đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để 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, đặc biệt là GS.TS Nguyễn Viết Trung đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh đã đóng góp các ý kiến cho luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Giao Thông Vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Công Trình đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. HÀ NỘI NGÀY 4 THÁNG 9 NĂM 2014 TÁC GIẢ ĐÀO VĂN DINH MỤC LỤC Lời cam đoan 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 ĐẦU 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 đầu 6 1.2 Các nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới 8 1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết độ 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 đầu 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 ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG 39 2.1 Giới thiệu chung 39 2.2 Thí nghiệm và xác định 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 2.2.3 Xây dựng công thức xác định 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 độ đến hệ số khuếch tán 52 2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến hệ số khuếch tán 53 2.3.4 Ảnh hưởng của muội silic đến hệ số khuếch tán 55 2.3.5 Ảnh hưởng của độ ẩm đến hệ số khuếch tán 57 2.3.6 Ảnh hưởng của nứt đến 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 động của sự xâm nhập clo trong môi trường biển 67 3.2 Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu 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 đầu ăn mòn 80 3.2.4 Xây dựng chương trình tính thời gian khởi đầu 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 đề chung 88 3.3.2 Xem xét các mô hình hiện có 89 3.3.3 Mô hình đề xuất 94 3.4 Sơ đồ 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 đề 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 Đặc điểm khí hậu vùng ven biển Việt Nam và biến đổi 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 Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối 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 độ 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 độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt 73 Bảng 3.2 Tóm tắt các tiêu chuẩn xác định giới hạn tối đa 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 đầu ăn mòn H=100% 111 Bảng 3.5 Kết quả tinh thời gian khởi đầu 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 đầu ăn mòn theo các tham số 113 Bảng 3.8 Kết quả tính thời gian lan truyền ăn mòn theo các tham số (quan điểm 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 điểm 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 130 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) 7 Hình 1.2: Biểu đồ Pourbaix quan hệ thế điện cực và độ pH của hệ FeH2O 15 Hình 1.3 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) 18 Hình 1.4 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt 20 Hình 1.5 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp 20 Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) 21 Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối Bulk Diffusion Test (NordTest NTBuild 443) 22 Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) 23 Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di 25 Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm điện di của Tang và Nilsson 26 Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm điện di nhanh (NordTest NTBuild 492) 27 Hình 1.12 Thiết bị đo điện trở suất một chiều 29 Hình 1.13 Sơ đồ phương pháp 4 điểm đo của Wenner 29 Hình 1.14: Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai đoạn của Tuuti 1980 33 Hình 2.1 Sơ đồ bơm hút chân không mẫu thử C1202 43 Hình 2.2 Sơ đồ đo điện tích 44 Hình 2.3 Các ảnh thí nghiệm thấm nhanh clo theo ASTM C1202 47 Hình 2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ WC trên hệ số khuếch tán Clo trong bê tông ở nhiệt độ 20oC 52 Hình 2.5 Ảnh hưởng của tro bay và xỉ đối với hệ số khuếch tán 55 Hình 2.6 Ảnh hưởng của silica fum đối với hệ số khuếch tán Hình 2.7 Biểu đồ các kết quả tính D 62 Hình 3.1: Định 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 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 đầu ăn mòn thép đến nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực 96 Hình 3.8: Sơ đồ ước lượng cho mất mát bán kính thép rs2 102 Hình 3.9: Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và độ ẩm tương đối với bê tông tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl là 1.8kgm3 ở nhiệt độ 23oC 105 Hình 3.10. Mật độ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kgm3, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=75% theo Liu và Weyers 107 Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán tính tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo 110 Hình 3.12: Mức tăng nhiệt độ trung bình năm (oC) vào giữa thế kỷ 21 theo kịch bản phát thải trung bình 116 Hình 3.13: Mức tăng nhiệt độ 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: Định tính về phân bố nồng độ clo bề mặt 120 Hình 4.1: Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với thời gian khởi đầu ăn mòn khi wc=0.35, nhiệt độ 20oC, độ 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 đầu ăn mòn đến nứt cho bê tông f’c=40MPa,đường kính cốt thép d=16mm, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=80% cho vùng khí quyển biển 123 Hình 4.3: Quan hệ giữa tỷ lệ nước trên xi măng wc với thời gian khởi đầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=70mm, nhiệt độ 20oC, độ 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 đầu ăn mòn (chiều dày lớp bê tông bảo vệ L=75mm, nhiệt độ 25oC, độ ẩm H=75% cho vùng khí quyển biển) 125 Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu Lượng giảm bán kính của cốt thép tại thời điểm bắt đầu nứt Lượng giảm bán kính của cốt thép do gỉ chèn vào vết nứt Mô đun đàn hồi có hiệu (xét đến từ biến);  Hệ số từ biến của bê tông; d0 Chiều dày vùng xốp bao quanh cốt thép; c Hệ số poisson của bê tông c=0,180,20; dcon Chuyển vị hướng tâm của bê tông; d Sự thay đổi đường kính của cốt thép r Hệ số poisson của gỉ sắt; drust Chuyển vị nén hướng tâm của gỉ (các sản phẩm ăn mòn) T là mức tăng nhiệt độ 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 độ clo C(x,t) Nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t C0¬ Nồng độ clo ban đầu trong bê tông CNI Canxi nitrit Cs Nồng độ clo tại bề mặt bê tông Cs(t) Nồng độ clo tại bề mặt bê tông tại thời điểm t d Đường kính cốt thép D Hệ số khuếch tán clo trong bê tông D(t) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở thời điểm t D(T) Hệ số khuếch tán clo trong bê tông ở nhiệt độ 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 Điện thế áp dụng Ec Mô đun đàn hồi của bê tông; Er Mô đun đàn hồi của gỉ sắt; F Hằng số Faraday FA Phần trăm tro bay fr Cường độ chịu kéo của bê tông; H Độ ẩm tương đối của môi trường i Mật độ dòng điện I Cường độ dòng điện icorr Mật độ dòng điện ăn mòn J Dòng của ion (hay thông lượng) K Tốc độ di trú clo k Hệ số biểu thị mức độ lấp đầy 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 đầu (trên một đơn 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 Điện tích chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm thấm nhanh clo C1202 Q0 Điện tích điều 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 R Hằng số khí r0=0,50d+0; 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 độ tuyệt đối V Thế tích của dung dịch NaCl sử dụng trong thí nghiệm C1202 wc 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 đầu Ms trên một đơn 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. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống mạng lưới đường giao thông của Việt nam trong những thập kỷ qua đã được nhà nước đầu tư rất lớn. Việc đảm bảo an toàn và độ bền cho các cầu cũ và các cầu mới là một nhiệm vụ phải được đặt ra. Trong số các cầu trên mạng lưới giao thông của Việt Nam có rất nhiều cầu đi 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 độ bền và giảm tuổi thọ sử dụng. Việt Nam là quốc gia biển có bờ biển dài, khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ khá cao, độ ẩm lớn. Đây chính là yếu tố thúc đẩy nhanh ăn mòn cốt thép trong các cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Hơn nữa theo kịch bản biến đổi khí hậu thì nhiệt độ sẽ tăng, nước biển dâng cao. Nước mặn sẽ xâm nhập sâu vào các sông do đó 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 điện 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 điện hóa do các ion clo trong môi trường khuếch tán vào bê tông. Khi hàm lượng ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng hàm lượng gây ăn mòn cốt thép, ion clo sẽ gây phá vỡ lớp thụ động 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 đến 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. Tuổi thọ sử dụng (service life) của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ khi xây dựng đến 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 đoạn kê tiếp nhau: Giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Giai đoạn khởi đầu ăn mòn là thời gian cần thiết để các ion clo xâm nhập vào bê tông tập trung trên bề mặt cốt thép đạt đến “ngưỡng nồng độ gây ăn mòn”. Giai đoạn lan truyền ăn mòn là thời gian từ khi khởi đầu 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 đến 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 đáng tin cậy là cơ sở để đưa ra phương án thiết kế hợp lý nhằm kéo dài tuổi thọ sử dụng và giảm các chi phí vòng đời dự án cầu bê tông. Hiện nay trên thế giới đã 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 đặc 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. Đây là lý do để đề tài này nghiên cứu sự xâm nhập clo và gây ra ăn mòn cốt thép để 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 đích dự báo tuổi thọ của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo, nghiên cứu sinh lựa chon đề tài: “Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo” 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu về sự xâm nhập clo gây ra ăn mòn cốt thép đối với các cầu bê tông cốt thép ven biển. Các nội dung chính của luận án: 1) Xác định các tham số của quá trình xâm nhập clo vào trong bê tông như: Hệ số khuếch tán clo D; Nồng độ clo trên bề mặt bê tông Cs; Ngưỡng nồng độ 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) Đề 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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các công trình cầu bê tông cốt thép đã và sẽ đựơc 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 điều 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 động 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 đến 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 động đất 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 điều kiện tác động có thể bị phá hoại do một hoặc tổng hợp của một nhóm nguyên nhân. Luận án được tiến hành trong phạm vi giới hạn như sau: Nghiên cứu về sự thâm nhập của các các ion clo gây ra ăn mòn cốt thép trong các kết cấu cầu bê tông cốt thép để xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam theo sự xâm nhập của ion clo. Chỉ giới hạn đối với các công trình cầu bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam. Tuy nhiên cũng có thể áp dụng cho các kết cấu khác như công trình cầu cảng, công trình gần các sông có xâm nhập mặn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án. Xây dựng được mô hình tính toán dự báo tuổi thọ theo sự xâm nhập của clo, từ đó làm sáng tỏ tác động cơ lý hóa đến quá trình suy giảm chất lượng dẫn tới hư hại rồi phá hủy kết cấu bê tông cốt thép, góp phần xây dựng phương pháp nghiên cứu dự báo tuổi thọ kết cấu,công trình. Ý nghĩa thực tiễn của luận án. Luận án cung cấp một tổng quan tốt, một mô hình và phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu và thiết kế sử dụng trong quá trình phát triển các kết cấu cầu hiện đại. 5. Nội dung luận án Luận án gồm 4 chương, nội dung được toám tắt như sau: Mở đầu: giới thiệu lý do chon đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1 “Tổng quan về các nghiên cứu tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo” chương này phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài luận án; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề mà đề tài luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2 “Nghiên cứu xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông”. Chương này trình bày: (1) Thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1202, (2) xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông ASTM C1202,(3) áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo C1202, (3) dự báo hệ số khuếch tán clo trong bê tông. Chương 3 “ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo”. Chương này trình bày các khái niệm tuổi thọ, tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo. Xây dựng mô hình và phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo theo hai giai đoạn: giai đoạn khởi đầu ăn mòn và giai đoạn lan truyền ăn mòn. Đặc điểm khí hậu, và biến đổi khí hậu ở Việt Nam. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam. Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính toán”. Chương này sẽ sử dụng phần mềm lập trong chương 3 khảo sát đưa ra các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng, các giải pháp đưa ra là: giải pháp kết cấu là tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, giải pháp vật liệu với hai mục tiêu cơ bản là giảm hệ số khuếch tán D và tăng ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép. Giải pháp kết hợp kết cấu và vật liệu đưa ra khuyến cáo chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thành phần bê tông để đảm bảo được tuổi thọ sử dụng như mục tiêu yêu cầu. Áp dụng mô hình xây dựng dự báo tuổi thọ sử dụng của các bộ phận kết cấu cầu ven biển. Phần “ Kết luận và kiến nghị” phần này sẽ trình bày các kết luận của luận án, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo. 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 1.1 Mở đầu Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập 1. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu phải được thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và độ bền. Các tài liệu về thiết kế và thi công cầu bê tông cốt thép hiện hành khá đầy đủ và chi tiết để đảm bảo mục tiêu thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và độ bền 8,12,15,16,17,18. Các tài liệu về thiết kế vật liệu bê tông để đảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu đã được biên soạn 6,10. Vấn đề đảm bảo độ bền của cầu bê tông cốt thép cũng đã được đặt ra. Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất. Xâm nhập của clo và CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại và làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng. Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO2 ¬vào trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông. Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông được GS Mutsuyoshi, (năm 2001) đưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản (hình 1.1) 44. Qua số liệu thống kê chúng ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn đến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%. Hình 1.1: Số lượng các hư hại quan sát được ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) 44 Việt nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 Km, có rất nhiều công trình cầu bê tông cốt thép nằm gần sát với biển. Trên thực tế các công trình cầu bê tông cốt thép nằm ven biển chịu tác động mạnh của xâm nhập clo vào bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn đến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện thép do đó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng. Trình tự chung của hầu hết các nghiên cứu đều đi theo hướng: độ bền của bê tông, xâm nhập clo vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép. Các hướng này có liên hệ mật thiết với nhau như bê tông có độ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo xâm nhập clo là thời gian từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc đến khi ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. Để dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên cứu: (1) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian khởi đầu ăn mòn thường được ký hiệu là t1; (2) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai đoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường được ký hiệu là t2. Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép hầu hết đều được dự báo dựa trên định luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Giai đoạn này phụ thuộc vào đặc tính xâm nhập của ion clo vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các đặc điểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng clo gây ăn mòn thép. Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, đường kính cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và các tính chất cơ học của bê tông, cũng như các yếu tố môi trường, khí hậu. Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng đã và đang được các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm. 1.2 Các nghiên cứu về độ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về lý thuyết độ bền của bê tông M.S. Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice” xuất bản năm 200543, đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau: Trong một thời gian dài, bê tông được coi là vật liệu có độ bền với yêu cầu ít hoặc không cần điều kiện bảo trì. Giả thiết này tương đối đúng trong đa số trường hơp, ngoại trừ khi bê tông được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt: khu vực đô thị và khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề; môi trường biển, môi trường có các ion clo. Trong các môi trường trên bê tông bị suy thoái, kém bền do như xâm nhập của các hóa chất như axit, sun phát, phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập của clo, các bon nát hóa. Độ bền của bê tông xi măng được Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R01 định nghĩa là khả năng chống các tác động của thời tiết, xâm nhập của hóa chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác của sự hư hại. Bê tông bền sẽ giữ được hình thức ban đầu của nó. Bê tông bền cũng sẽ duy trì được chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực. Trước đây, các nghiên cứu đều tập trung vào cường độ nén bê tông. Thực tế, tiến bộ trong công nghệ bê tông đều liên quan đến cường độ của bê tông. Hiện nay do mức độ khắc nghiêt của điều kiện môi trường, nên cả cường độ và độ bền của bê tông cần phải được xem xét. Mối quan hệ giữa cường độ và độ bền cũng là vấn đề đáng được quan tâm và nghiên cứu. Khi thiết kế hỗn hợp bê tông hoặc thiết kế kết cấu bê tông, điều kiện tiếp xúc mà bê tông phải chịu sẽ được đánh giá ngay từ đầu. Nhiều báo cáo cho rằng ở các nước công nghiệp phát triển, hơn 40% tổng số nguồn lực của các ngành công nghiệp xây dựng được chi cho việc sửa chữa và bảo trì. Hiện nay, bê tông được sử dụng ở tất cả những nơi có điều kiện thuận lợi và đã được mở rộng đến những môi trường rất khắc nghiêt, nên việc xem xét yếu tố độ bền của công trình xây dựng hiện đại đã trở nên quan trọng hơn nhiều so với trước đây. Số lượng lớn các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp, tác động của nước biển trên bê tông cần được quan tâm đặc biệt. Các kết cấu ở vùng ven biển và kết cấu ngoài khơi chịu tác động đồng thời của một số quá trình suy thoái vật lý và hóa học. Bê tông trong nước biển sẽ phải chịu sự ăn mòn thép do clo gây ra, phong hóa muối, mài mòn bằng cát,.. vv 43. Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng lượng, nồng độ ion của Na+ và là cao nhất, tương ứng là 1,1% và 2%. Nó cũng chứa Mg2+ và SO42, tương ứng là 1,4% và 2,7%. Độ PH của nước biển thay đổi từ 7,5 và 8,4. Giá trị trung bình là 8.2 43. Kinh nghiệm cho thấy những sự xâm nhập gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của nước biển xảy ra trong bê tông ở vùng lên xuống của thủy triều và vùng bắn tóe. Các bộ phận bên dưới mực nước thấp nhất, chúng bị ngâm liên tục sẽ chịu ảnh hưởng ít nhất 43. Bê tông không phải là vật liệu 100% không thấm nước. Nước thấm vào bê tông mang theo các tác nhân gây ăn mòn thép. Các sản phẩm ăn mòn có thể tích cao hơn vật liệu mà chúng thay thế và có thể gây ứng suất kéo trong bê tông làm giảm đô bền bê tông cốt thép. Hiện tượng độ bền suy giảm thường gặp trong trường hợp bê tông cốt thép hơn là trong bê tông 43. Thiết kế thành phần để cải thiện độ bền bê tông trong nước biển là một nhiệm vụ phải được đặt ra. Ngoài loại xi măng với hàm lượng C3A thấp, một yếu tố khác nên được xem xét là việc sử dụng bê tông có tỷ lệ WC thấp. Bê tông với tỷ lệ WC thấp sẽ làm cho bê tông không thấm nước để tránh xâm nhập của nước biển. Bê tông với các phụ gia như muội silic làm giảm hệ số khuếch tán nên được lựa chọn. Thiết kế lớp bê tông bảo vệ đủ dày là bước quan trọng để tăng độ bền của bê tông cốt thép. Các mối nối phải được làm từ bê tông đặc chắc tốt vv cũng giúp nâng cao độ bền của bê tông trong nước biển 43. 1.2.2 Các nghiên cứu về cơ chế xâm nhập clo vào trong bê tông Tốc độ xâm nhập của các chất vào bê tông là yếu tố chính để dự báo độ bền của bê tông, các cơ chế hư hại chẳng hạn như ăn mòn, rửa trôi hoặc cacbonat đều liên quan đến tốc độ xâm nhập của các tác nhân xâm thực vào bê tông. Tính xâm nhập được xem như là mức độ mà vật liệu cho phép các khí, chất lỏng, hoặc ion đi vào trong vật liệu. Một kết cấu bê tông cốt thép bền vững, hạn chế sự xâm nhập của chất lỏng là một yêu cầu cần phải đáp ứng. Các cơ chế khuếch tán, di trú, đối lưu và thấm là các cơ chế chuyên chở các chất vào bê tông. Chúng được đề cập như sau. 1.2.2.1 Khuếch tán Khuếch tán là sự chuyển động của chất khí, các ion hoặc các phân tử khi có chênh lệch nồng độ, từ một khu vực có nồng độ cao đến một khu vực với một nồng độ thấp. Khuếch tán khí được biết đến nhiều trong bê tông không bão hòa trong khi khuếch tán ion xảy ra trong điều kiện bão hòa và bão hòa một phần. Khuếch tán phân tử xảy ra nếu các lỗ rỗng của bê tông là tương đối lớn (Sharif và cộng sự, 1999) 52. Định luật rất cơ bản về khuếch tán là định luật của Adolf Fick phát minh năm 1855. Định luật Fick thứ nhất Các mô hình của khuếch tán khí và ion trong chất rắn thường được thực hiện bằng cách sử dụng định luật thứ nhất của Fick về khuếch tán, khuếch tán trạng thái ổn định. Định luật này có thể được dùng để mô tả tỷ lệ khuếch tán của một khí hoặc ion thông qua một vật liệu có thể khuếch tán: (1.1) Trong đó: : mật độ dòng khuếch tán hay tốc độ xâm nhập (molm2s hoặc g m2s) :hệ số khuếch tán (m2s) : gradient nồng độ C : nồng độ của chất lỏng (ion hoặc khí) (mol m3 hoặc gm3) x : vị trí hay khoảng cách (m) Định luật Fick thứ hai Tốc độ biến thiên nồng độ theo thời gian tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ. Quá trình khuếch tán được mô tả đầy đủ, nếu nồng độ được cho là một hàm của không gian và thời gian t. (1.2) Khuếch tán ion clo vào bê tông là do trong bê tông có hệ thống lỗ rỗng rất nhỏ thường được lấp đầy bởi nước. Các ion clo sẽ khuếch tán trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông khi có chênh lệch nồng độ. Vậy bản chất của C trong các phương trình về khuếch tán áp dụng cho bê tông là nồng độ ion clo trong dung dịch lỗ rỗng. 1.2.2.2 Sự di trú (Migration) Sự di trú là sự chuyển động của các ion trong một dung dịch dưới một điện trường. Đó chính là cơ chế xâm nhập chính trong các thí nghiệm nhanh clo trong phòng thí nghiệm, và được quy định bởi các phương trình: (1.3) Trong đó: J là vận tốc của ion là hệ số khuếch tán của ion (m2s) C là nồng độ ion là điện tích (số hóa trị) của ion khuếch tán F là hằng số Faraday (9,6485.104 JVmol) T là nhiệt độ tuyệt đối là điện thế chênh lệch qua mẫu x là biến khoảng cách R là hằng số khí (R = 8,314 Jmol1K1) Trong nhiều thí nghiệm, khuếch tán và di trú có thể xảy ra hầu như là đồng thời (Stanish et al., 2004). Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, di trú chiếm phần lớn nhất của dòng này. 1.2.2.3 Sự đối lưu (Convection) Đối lưu là sự trao đổi nhiệt bằng các dòng vật chất chuyển động (chất lỏng, chất khí hay plasma), xảy ra khi có chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng của chất lưu. Dòng đối lưu có thể chảy nhờ lực đẩy Ácsimét, khi chênh lệch nhiệt độ kéo theo chênh lệch mật độ của chất lưu trong trường lực hấp dẫn. Đối lưu là quá trình mô tả sự xâm nhập của một chất tan (ví dụ như ion clo hoặc ion sulfat) do kết quả của nước di chuyển (Boddy và cộng sự 1999). Quá trình này được mô tả bởi: (1.4) Trong đó: là nồng độ của chất tan ở độ sâu x sau thời gian t là vector vận tốc trung bình của dòng chất lỏng Đối lưu (cùng với sự khuếch tán) là cơ chế xâm nhập chính cho xâm nhập clo trong bê tông bị nứt (Paulsson, và Johan, 2002). Nó cũng có một vai trò quan trọng trong sự di chuyển của các ion clo khi bê tông tiếp xúc với điều kiện khôướt. 1.2.2.4 Độ thấm Độ thấm của bê tông được định nghĩa là một thước đo của khả năng bê tông truyền chất lỏng qua cấu trúc lỗ rỗng của nó dưới một áp lực bên ngoài trong khi các lỗ rỗng được bão hòa với chất lỏng. Động lực để các chất lỏng và khí đi qua các khoảng trống lỗ rỗng hoặc hệ thống vết nứt là do một chênh lệch áp suất (Samaha và Hover, 1992). Đối với thấm, định luật Darcy được sử dụng để tính toán vận tốc trung bình của dòng chảy của chất lỏng ( ): (1.5) Trong đó: là hệ số thấm là trạng thái xốp là cột áp thủy tĩnh x là khoảng cách Thấm đóng vai trò quan trọng trong kết cấu duy trì nước nơi mà xâm nhập nước qua kết cấu là có hại 1.2.3 Các nghiên cứu cơ chế ăn mòn cốt thép 1.2.3.1 Khái quát Ăn mòn được Fontana, M. G. (1971) 34 và Uhlig, H. H. (1971) 61 định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường. Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành trạng thái năng lượng thấp. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn. a) Ăn mòn điện hóa Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao diện kim loại và chất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở cực dương (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở cực âm. Một loại pin ăn mòn cơ bản có bốn thành phần thiết yếu bao gồm: Cực dương(anode). Cực dương thường ăn mòn do mất điện tử từ các nguyên tử kim loại trung hòa về điện để hình thành các ion rời rạc. Những ion này có thể vẫn còn trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo thành các sản phẩm ăn mòn không hòa tan. Phản ứng ăn mòn của kim loại Fe thường được biểu diễn bởi phương trình đơn giản: Cực âm (cathode). Phản ứng cực âm phải tiêu thụ các điện tử được sản ra bởi phản ứng ở cực dương. Có hai phản ứng cơ bản xảy ra ở cực âm tùy thuộc vào pH của dung dịch: Chất điện ly: Đây là dung dịch điện ly nó có thể cho phép các ion dương di chuyển từ cực dương tới cực âm và các ion âm di chuyển theo hướng ngược lại. Kết nối điện: Cực dương và cực âm phải được nối với nhau ở mạch ngoài của pin ăn mòn bằng dây dẫn điện. Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra. b) Biểu đồ Pourbaix Dựa trên dữ liệu nhiệt động học về phản ứng giữa kim loại và nước, Pourbaix phát triển biểu đồ giữa điện thế với độ pH cho thấy các pha ổn định nhiệt động học như là một hàm của điện thế điện cực và độ pH. Biểu đồ Pourbaix đối với sắt, được thể hiện trong hình 1.2. Hình 1.2: Biểu đồ Pourbaix quan hệ thế điện cực và độ pH của hệ FeH2O (Chú thích: PotentialĐiện thế; IMMUNITY –không ăn mòn; CORROSION ăn mòn; PASSIVATION THỤ ĐỘNG) Có ba vùng được minh họa trong biểu đồ: vùng Corrosion sắt bị ăn mòn, vùng Passivation sắt bị thụ động, vùng Immunity sắt không bị ăn mòn. Từ giản đồ thế điện cực pH của hệ Fe H2O trình bày trên hình 1.2 cho phép rút ra một số nhận xét sau: − Biểu đồ Pourbaix cho phép dự đoán khả năng bị ăn mòn và không bị ăn mòn của sắt trong môi trường nước. − Rút ra nguyên tắc của phương pháp điện hoá bảo vệ chống ăn mòn sắt trong môi trường nước và cụ thể là:  Dịch chuyển thế điện cực sắt (thép) trong môi trường nước về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn của sắt thì sắt đi vào vùng an toàn không bị ăn mòn.  Dịch chuyển thế điện cực của sắt (thép) trong môi trường trường nước về phía dương so với điện thế ăn mòn sẽ làm cho kim loại bị thụ động gọi là bảo vệ cực dương.  Điều chỉnh tăng pH =12.513.5 của môi trường ăn mòn đưa kim loại thép vào vùng thụ động làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại. c) Tính thụ động Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn là không hòa tan, bám chặt trên bề mặt và đưa đến hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề mặt của kim loại. Việc duy trì thụ động cần điều kiện điện thế phù hợp. Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những thay đổi của điện thế. 1.2.3.2 Ăn mòn thép trong bê tông Nói chung, khi bê tông có chất lượng tốt, như cấp phối trộn thích hợp, đổ, đầm và bảo dưỡng tốt có thể bảo vệ cốt thép ít bị ăn mòn. Bảo vệ vật lý được tạo nên bởi lớp bê tông bảo vệ hoạt động như một rào cản vật lý việc tiếp cận của các chất xâm thực. Bảo vệ hóa học được cung cấp bởi độ kiềm cao bên trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông do sự hiện diện của hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng. Bê tông có độ pH từ 12.513.5, theo biểu đồ Pourbaix là vùng thụ động, hoạt động ăn mòn thép không xảy ra. Đáng tiếc là các rào cản vật lý của bê tông bảo vệ không phải là hoàn hảo, bởi vì cấu trúc xốp của bê tông và sự tồn tại của các vết nứt rất nhỏ trong bê tông đã cho phép các chất xâm thực xâm nhập vào phá vỡ màng thụ động. Hai nguyên nhân chính gây ra phá vỡ màng thụ động là do sự tích tụ các ion clo trên bề mặt màng thụ động và độ pH dung dịch lỗ rỗng giảm do các bon nát hóa. 1) Ăn mòn thép do Các bon nát hóa. Bê tông thường sử dụng xi măng có các khoáng C3S, C2S, C4AF, C3A khi nhào trộn với nước xảy ra các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng nên nó có độ kiềm cao pH=12.513.5. Với điều kiện pH >12,5 theo biểu đồ Pourbaix thép là trong vùng thụ động hay trên bề mặt cốt thép sẽ có màng thụ động thép không bị ăn mòn. Hiện tượng Các bon nát hóa là hiện tượng hydroxit canxi được sản xuất trong các phản ứng thủy hóa của các thành phần xi măng sẽ kết hợp với CO2 từ môi trường tạo ra CaCO3 và nước. Phản ứng này là giảm lượng ion OH trong dung dịch lỗ rỗng của bê tông do đó làm độ pH của dung dịch lỗ rỗng giảm dưới 12.5 và có thể độ pH giảm đến 8, phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt cốt thép và gây ăn mòn thép. Các bước của phản ứng như sau: 2) Ăn mòn thép do ion clo. Khi nồng độ ion Cl đạt tới ngưỡng nồng độ ăn mòn nó làm thay đổi môi trường điện hóa và gây ra phá vỡ màng thụ động. Một khi các lớp thụ động đã bị phá do hậu quả của sự xâm nhập ion Cl, cốt thép có thể bắt đầu bị ăn mòn nếu có sự cung cấp độ ẩm và oxy. Quá trình này là một quá trình điện hóa với các phản ứng điện hóa diễn ra trong hai vùng cực dương và cực âm. Điều này được Beeby thể hiện trong hình 1.3 26, cốt thép sẽ có một sự khác biệt điện thế giữa các vùng đã bị phá vỡ màng thụ động (cực dương) và vùng màng thụ động chưa bị phá vỡ (cực âm). Kết quả của hiệu điện thế này sẽ làm xuất hiện dòng điện. Các điện tử sẽ dịch chuyển từ cực dương sang cực âm. Đồng thời sẽ có một dòng điện trong chất điện phân (dung dịch lỗ rỗng) từ cực âm để trung hòa các ion kim loại thoát ra từ cực dương. Điều này sẽ cho phép các ion kim loại thoát khỏi từ cực dương nhiều hơn. Kết quả là cực dương hòa tan làm giảm tiết diện của cốt thép. Hình 1.3 Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) 26 Nếu thép chỉ tan trong dung dịch nước lỗ rỗng thì bê tông không thể nứt và vỡ. Một vài quá trình tiếp theo phải xảy ra để hình thành gỉ. Có nhiều cách biểu diễn một trong số đó là: Từ Fe(OH)2 tác dụng với ô xi và nước thành Fe(OH)3, Hydroxit sắt ba này chuyển thành ô xít sắt ngậm nước đây chính là gỉ sắt. Mark G. Richardson năm 2002 40 đã mô tả các phản ứng ở cực dương và cực âm như sau: Phản ứng cực dương (Anodic) 40 Phản ứng cực âm (Cathodic) 40 Khi có mặt của ion clo phản ứng xảy ra như sau 40: Điều quan trọng cần chú ý rằng cần phải cung cấp oxy và nước cho các phản ứng cực âm. Nếu các phản ứng cực âm không thể diễn ra thì các điện tử tạo ra trong các phản ứng cực dương có thể không được tiêu thụ bởi các phản ứng cực âm. Chúng phải được tiêu thụ ở những nơi khác trên bề mặt thép để giữ tính trung hòa điện, vì nó không thể cho một lượng lớn điện tích tích tụ ở một địa điểm trên thép. Các tác động thực tế là nếu bê tông là khô ăn mòn sẽ không tiếp tục vì không có đủ độ ẩm cho các phản ứng cực âm. Nếu bê tông là ướt, thì oxy sẽ gặp khó khăn trong việc xâm nhập các cấu trúc lỗ rỗng và ăn mòn cũng sẽ không tiếp tục vì không có đủ oxy cho phản ứng cực âm (ví dụ bê tông ngập nước). Điều này cho thấy rằng có một phạm vi trung gian của độ ẩm tương đối mà tại đó sự ăn mòn có thể xảy ra. Sự hình thành hydrôxít sắt khi 2 ion Fe2+ ở cực dương kết hợp với 4 ion hydroxit từ cực âm. Với sự có mặt của oxy và độ ẩm, các (2Fe(OH)2) chuyển đổi thành gỉ oxit sắt tức là (Fe2O3H2O). Số lượng sắt phản ứng (gỉ) là tỷ lệ thuận với dòng điện ăn mòn và thời gian, nó phù hợp với Định luật Faraday. Khi không thủy hóa, oxit sắt (Fe2O3) có thể tích khoảng gấp đôi so với thể tích của thép tương ứng. Khi nó ngậm nước nó trương nở và trở nên xốp. Sự trương nở này có thể dẫn đến một sự gia tăng thể tích từ 24 lần, tại giao diện thép bê tông 46. Điều này cho phép các gỉ màu đỏ nâu dễ bong trên thanh thép và có thể gây nứt (và vỡ) của bê tông bảo vệ. Ăn mòn là sự mất sắt ở cực dương, đồng thời gỉ là sản phẩm được hình thành ở cực dương. Các tham số ảnh hưởng đến quá trình ăn mong như bảng 1.1. Theo Nielsen A. (1985) Ô xít sắt không ngậm nước Fe2O3 có thể tích gấp 2 lần thép mà nó thay thế 46. Nhưng khi ngậm nước nó nở thể tích gấp đến 6.5 lần, hình 1.4. Vì vậy nó gây ra nứt và vỡ bê tông bảo vệ. Hình 1.4 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt 46 Thể tích của gỉ tăng sẽ tác động lực đẩy vào lớp bê tông bảo vệ kết quả bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt, vỡ hoặc tách lớp bê tông hình 1.5. Với các tình huống trên, bê tông sẽ mất đi tính toàn khối của nó, dính bám giữa bê tông và cốt thép bị suy giảm. Các mặt cắt ngang của cốt thép giảm dần và kết cấu chắc chắn dần dần sụp đổ. Hình 1.5 Biểu đồ thể hiện các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp43 Bảng 1.1 Ảnh hưởng của các tham số khác nhau đối với quá trình ăn mòn Tham số Ảnh hưởng Độ ẩm Độ ẩm cần thiết ban đầu cho phản ứng cực âm, hình thành gỉ ở cực dương. Nếu không có đủ độ ẩm, tốc độ ăn mòn sẽ là không đáng kể. Oxy Oxy phải được cung cấp cho phản ứng cực âm và sau đó hình thành gỉ ở cực dương. Oxy cung cấp không đủ, tỷ lệ ăn mòn sẽ là không đáng kể. Điện trở suất của bê tông Điện trở suất càng cao, dòng điện ăn mòn sẽ thấp. Điện trở suất tăng theo nhiệt độ, và giảm với sự gia tăng hàm lượng ẩm. 1.2.4 Các thí nghiệm về sức kháng xâm nhập clo của bê tông Theo thời gian thí nghiệm người ta phân thành các phương pháp để xác định hệ số khuếch tán D. 1.2.4.1 Thí nghiệm dài hạn 1 Thí nghiệm (Salt Ponding test) Thí nghiệm cầu muối AASHTO T259: Phương pháp tiêu chuẩn thử nghiệm sức kháng của bê tông vớixâm nhập ion clo (Thí nghiện cầu muối: Salt Ponding Test). Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm theo AASHTO T259 (salt ponding) Thí nghiệm AASHTO T259 (thường được gọi là thí nghiệm cầu muối) là một thí nghiệm dài hạn để đo sự xâm nhập của clo vào bê tông. Thí nghiệm yêu cầu ba tấm bê tông dày ít nhất 75 mm và có một diện tích bề mặt là 300 mm2. Các tấm trên được bảo dưỡng ẩm trong vòng 14 ngày sau đó được lưu trữ trong một phòng làm khô độ ẩm tương đối là 50% trong 28 ngày. Các cạnh bên của tấm được làm kín. Sau đó cho một dung dịch 3% NaCl trên mặt trên trong 90 ngày, trong khi mặt phía dưới tiếp xúc với môi trường khô (xem hình 1.6). Sau đó các tấm được lấy ra và xác định nồng độ clo của từng lát dày 15mm, ta có được hàm lượng clo theo chiều sâu của tấm. 2 Thí nghiệm khuếch tán khối Bulk Diffusion Test (NordTest NTBuild 443) NordTest là phiên bản chính thức tiêu chuẩn đầu tiên của thử nghiệm khuếch tán khối. Mẫu thử được bão hòa với nước vôi, điều này ngăn cản bất kỳ tác dụng hấp thụ ban đầu khi các dung dịch clo được áp dụng. Ngoài ra, lớp phủ 5 mặt của mẫu và chỉ để lại một mặt tiếp xúc với dung dịch NaCl 2.8 M, (hình 1.7). Nó được giữ trong vòng ít nhất 35 ngày trước khi đánh giá (NordTest, NTBuild 44394). Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối Bulk Diffusion Test (NordTest NTBuild 443) Để đánh giá hàm lượng clo của bê tông theo chiều sâu mẫu, người ta dùng máy khoan nghiền bột, và lấy bột theo chiều các độ sâu. Hàm lượng clo của bột sau đó được xác định theo AASHTO T260. 1.2.4.2 Thí nghiệm nhanh 1 AASHTO T277 Thí nghiệm thấm nhanh clo (Rapid Chloride Permeability Test ASTM C1202) Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) Trong thí nghiệm này một mẫu bê tông có đường kính 100mm dày 50 mm, bão hòa nước chịu dòng điện có điện áp một chiều 60 V trong 6 giờ bằng cách sử dụng thiết bị như trong hình 1.8. Trong một bể chứa là một dung dịch 3.0% NaCl và trong bể chứa khác là dung dịch NaOH nồng độ 0.3 N (1.2% NaOH). Tổng điện tích thông qua được xác định và điều này được sử dụng để đánh giá mức độ bê tông theo các tiêu chí như trong bảng. Thử nghiệm này, ban đầu được phát triển bởi Whiting 64, thường được gọi là Thí nghiệm thấm nhanh clo (RCPT). Tên này là không chính xác vì nó không phải là tính thấm mà là đo chuyển động của ion. Ngoài ra, sự chuyển động của tất cả các ion, không chỉ các ion clo, ảnh hưởng đến kết quả xét nghiệm (tổng điện tích thông qua). 2 Kỹ thuật điện di Thường thì sự di chuyển của clo được tăng tốc thông qua việc sử dụng một điện trường có cường độ thấp hơn so với sử dụng trong RCPT. Các dữ liệu cũng có thể được thu thập khác nhau để đánh giá tốt hơn các chuyển động thực tế của các ion clo (như trái ngược với chỉ đơn giản là đo điện tích thông qua). Sự chuyển động của các ion trong dung dịch dưới một điện trường bị chi phối bởi phương trình NernstPlanck Andrade, 199323: Trong đó: Ji là dòng của ion i Di là hệ số khuếch tán của ion i, Ci (x) là nồng độ của ion i là một hàm của vị trí x, zi là hóa trị của ion i, F là hằng số Faraday, R là hằng số khí, T là nhiệt độ (K), E (x) là điện thế áp dụng là một hàm của x và vi (x) là vận tốc đối lưu của i. Dòng = khuếch tán thuần túy+ Di trú điện+ Đối lưu Trong thí nghiệm di trú điện không có gradient hơi ẩm nên không có đối lưu và khuếch tán trong chất rắn là một quá trình rất chậm nên với khoảng thời gian ngắn khuếch tán thuần túy là không đáng kể so với tác động của di trú điện, điều này là hợp lý cho một điện áp đủ mạnh (ít nhất là 1015 V) Andrade, 1993, phương trình 1.6 trở thành: Một phương pháp xác định D là để áp dụng các phương trình NernstEinstein (Lu, 1997) 37. Trong đó i là độ dẫn điện, khi biết i ta sẽ tính được hệ số khuếch tán D. Độ dẫn điện được tính như sau: Ở đây  là tổng độ dẫn điện: i được gọi là tỉ phần chuyển dịch của ion i. Người ta đã đề xuất giá trị của i bằng 1 như một cách tiếp cận đơn giản và thích hợp, mặc dù cũng phải thừa nhận rằng đây không phải là chính xác. Kiểm tra di trú điện được thực hiện trong một bình hai ngăn có mẫu bê tông phân chia giữa hai ngăn, như thể hiện trong hình 1.9. Các mẫu bê tông có thể có kích cỡ bất kỳ, mà thường là một đĩa đường kính 100 mm và chiều dày khoảng 15 đến 50 mm. Độ dày của đĩa sẽ ảnh hưởng đến thời gian thử nghiệm, Để tránh sai khác giữa mẫu thử và kết cấu thực, độ dày của mẫu phải lớn hơn kích thước cốt liệu tối đa. Các dung dịch chính thường là nước cất hoặc nước vôi. Một điện áp sau đó được áp dụng để đưa ion clo qua bê tông và nồng độ clo của dung dịch ở ngăn cực dương được theo dõi. Sự thay đổi của nồng độ clo với thời gian cho phép tính toán hệ số khuếch tán. Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di 3 Thí nghiệm điện di nhanh Clo (The Rapid Chloride Migration Test) (AASHTO TP6303) (NordTest NTBuild 492) Tang và Nilsson năm 1992 55 đề xuất một sự biến đổi của pin di trú truyền thống. Một pin di trú được thiết lập với một mẫu cao 50 mm, đường kính 100 mm, và một điện áp 30 V, như thể hiện trong hình 1.10. Thí nghiệm tiến hành như bình thường như một thí nghiệm di trú điện, ngoại trừ nồng độ clo của dung dịch hạ nguồn là không được theo dõi. Thay vào đó, sau một thời gian xác định (Tang và Nilsson đã sử dụng 8 giờ) các mẫu được lấy ra và tách đôi, và xác định độ sâu của sự xâm nhập clo trong mẫu. sử dụng kỹ thuật đo màu bằng dung dịch nitrat bạc. Khi dung dịch nitrat bạc được phun trên mặt bê tông có chứa ion clo, một phản ứng hóa học xảy ra. Các clo liên kết với bạc để tạo ra clo bạc kết tủa trắng. Trong trường hợp không có clo, bạc dính bám với các hydroxit hiện diện trong bê tông, tạo ra một màu nâu. Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm điện di của Tang và Nilsson Chiều sâu xâm nhập có thể được sử dụng để xác định hệ số khuếch tán clo. Bằng cách sử dụng phương trình sau đây có nguồn gốc từ phương trình NernstEinstein (Tang và Nilsson, 1992) 55: Trong đó: xd là chiều sâu xâm nhập clo (m) R là hằng số khí, 8,314 JmolK T là nhiệt độ trung bình trong dung dịch điện phân(oC), U là điện áp (V); z là hóa trị của ion clo,z=1 F là hằng số Faraday, (9,6485x104 c mol culôngmol) L là chiều dài mẫu thử (m); t là thời gian thí nghiệm (s) C0 là nồng độ clo mà tại đó thay đổi màu sắc (0.07N) Cd là nồng độ clo trong dung dịch điện phân cực âm (2N) Thay vào ta được: Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm điện di nhanh (NordTest NTBuild 492) (AASHTO TP6303) 4 Thí nghiệm kỹ thuật đo điện trở suất Kỹ thuật điện trở suất là một phương pháp đánh giá khả năng clo xâm nhập vào bê tông. Độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất. Tính dẫn điện của môi trường xốp bão hòa chủ yếu được xác định bởi độ dẫn của các dung dịch lỗ rỗng (Kyi và Batchelor, 1994; STREICHER và Alexander, 1995). Một hệ số hình thành (EF) có thể được xây dựng đó là: Trong đó  là độ dẫn điện của vật liệu xốp và 0 là độ dẫn của