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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014


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
iv
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 D
tính hệ số khuếch tán clo từ kết
quả thí nghiệm C1202 50
C1202
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 (D
) 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

1. Lý do chọn đề tài
MỞ ĐẦU
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.