BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐÀO VĂN DINH

TÓM TẮT LUẬN VĂN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

DỰ BÁO TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA

CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VEN BIỂN
VIỆT NAM DO XÂM NHẬP CLO
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt
Mã số: 62.58.02.06

HỒ CHÍ MINH - 2014


Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
Người hướng dẫn khoa học : 1. GS.TS PHẠM DUY HỮU

2. PGS.TS BÙI TRỌNG CẦU

Phản biện 1: ......................................................................................................
Phản biện 2: ......................................................................................................
Phản biện 3: ......................................................................................................

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

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 của kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clo là thời gian từ

khi xây dựng đến khi ăn mòn 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


35

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.


- 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.

- 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.

- 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.


36

3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án

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


+ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt

Nam do xâm nhập clo dựa trên định luật 2 của Fick và định luật Faraday.

+ Sử dụng mô hình thiết lập khảo sát các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng do

xâm nhập clo.


37

4.2. Phương pháp nghiên cứu

+ Lý thuyết kết hợp với thí nghiệm. Mô hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng

của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam theo tác động của sự xâm nhập clo. Lập

trình dự báo tuổi thọ sử dụng trên phần mềm MATLAB, kỹ thuật sử dụng là bán thực
nghiệm.

5. Đóng góp mới về khoa học của luận án

- Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu thực nghiệm thấm nhanh clo theo tiêu chuẩn

ASTM C1202 cho các mẫu bê tông phổ biến trong xây dựng cầu tại Việt Nam. Kết

quả thí nghiệm cho thấy bê tông cấp C30-C40-C50 có điện lượng truyền qua từ 2577
cu lông đến 1799 cu lông thuộc loại có mức độ thấm ion clo trung bình và thấp.


chương, 21 tiết.


38

Chương 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ

SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO
1.1. Mở đầu

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo

tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập. 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. Các tài liệu về thiết kế

vật liệu bê tông để đảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu đã được biên soạn. 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 CO 2 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 CO 2 vào
trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê

bản năm 2005, 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 hợp, 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 201.2R-01 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.

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 nghiệt, 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. Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng
lượng, nồng độ ion của Na+ và − Cl là cao nhất, tương ứng là 1,1% và 2%. Nó cũng



khuếch tán ion Cl- trong bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình
này” . TS Nguyễn Mạnh Phát xuất bản cuốn sách “Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn

bê tông- bê tông cốt thép trong xây dựng” năm 2007. Ha Minh, Hiroshi Mutsuyoshi
năm 2010 với bài báo “ Sự hư hại của cầu bê tông dự ứng lực kéo sau trong điều kiện

môi trường đặc biệt”. ThS Tô Minh Tuấn, TS Nguyễn Ngọc Nam, TS Vũ Ngọc Anh,

năm 2010 với nghiên cứu “ Tính toán tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn
mòn” Theo các tác giả tác nhân gây ăn mòn hóa học chính là ion Cl-. Tính toán được
thời gian cốt thép bị án trong bê tông và gây ra nứt cho kết cấu sẽ hạn chế ñược rủi ro
cho công trình.

Chương 2.

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO TRONG BÊ TÔNG
2.1. Giới thiệu chung

Hệ số khuếch tán ion clo trong bê tông là thông số quan trọng để dự báo thời

gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông. Hệ số khuếch tán clo trong bê tông được
xác định từ các thí nghiệm hoặc có thể dự báo theo thành phần bê tông. Trên thế giới

hệ số khuếch tán clo trong bê tông thường được xác định từ thí nghiệm di trú nhanh
(Rapid Migration Test). Việt Nam hầu như chỉ có thí nghiệm thấm nhanh clo (Rapid

Chloride Permeability Test-ASTM C1202), thí nghiệm này đưa ra số điện lượng

chuyển qua trong 6 giờ thí nghiệm, từ kết quả này đưa ra mức độ định tính về thấm


+ Mục tiêu thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ w/c =0,30-0,40 của các

mẫu đến điện lượng chuyển qua mẫu Q(Culông) trong thí nghiêm ASTM C1202. Từ
kết quả điện lượng chuyển qua của các thí nghiệm, kiểm chứng hệ số khuếch tán D
theo công thức lập và so sánh với các công thức dự báo của các tác giả khác.

+ Mẫu thử được chế tạo tạo phòng thí nghiệm trường đại học Giao thông với 6

tổ mẫu mỗi tổ 3 mẫu.

3/Mô tả thí nghiệm
a) Chuẩn bị mẫu

Đúc 6 tổ mẫu thí nghiệm mỗi tổ 3 mẫu, các mẫu trụ tròn kích thước dài 200m,

đường kính 100mm, diện tích mặt cắt ngang A=πd2/4=7854mm2

Các mẫu 200m cắt bỏ hai ñầu mỗi đầu 20mm cắt thành ba mẫu mỗi mẫu dài

L=50mm.

- Để khô bề mặt mẫu thử trong không khí ít nhất sau 1 giờ.
- Dùng chổi hay khăn làm sạch bề mặt mẫu thử.


42

- Phủ kín sơn lên diện tích xung quanh mẫu thử bằng chổi quét sơn. Bảo dưỡng



dung dịch NaOH 0,3N và đầu khoang kia đổ dung dịch NaCl 3% đậy kín hai đầu
khoang bằng nút cao su để tránh bay hơi các dung dịch.

- Lắp đặt mạch điện gồm nguồn điện, vôn kế, ampe kế với khoang chứa mẫu

thử theo sơ đồ hình 2.2


43

Hình 2.2. sơ đồ đo điện tích

- Nối cực âm của nguồn điện với đầu khoang chứa dung dịch NaCl, cực dương

của nguồn điện với đầu khoang chứa dung dịch NaOH.

- Đóng mạch điện và duy trì tại điện thế một chiều 60V.

- Theo dõi và ghi lại các thông số về cường độ dòng điện, nhiệt độ khoang chứa

dung dịch NaCl trong 6 giờ.

- Đối với thiết bị đo tự động, toàn bộ quá trình đo, ghi và tính toán tổng điện

lượng truyền qua mẫu được tự động hóa.

- Đối với các thiết bị bán tự động, người thí nghiệm phải đo và ghi cường độ

dòng điện 30 phút một lần.

Bảng 1. Mức độ thấm ion clo

Kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo ASTM C1202

Kết quả thí nghiệm thấm nhanh ASTM C1202 tại viện vật liệu xây dựng tại

LAS XD 1133- Trung tâm xi măng và bê tông được kết quả như bảng 2:


45

Bảng 2. Kết quả thí nghiệm theo ASTM C1202

C1202

- Xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo từ kết quả thí nghiệm
Trong điều kiện trạng thái ổn định, thông lượng ion clo tổng cộng bao gồm ba

thành phần, đó là khuếch tán, di trú và đối lưu như thể hiện trong phương trình 2.2.
(2.2)

Sự di trú điện của các ion clo thông qua khuếch tán và phương trình 2.2 có thể

được rút thành phương trình 2.3.

(2.3)

Hệ số khuếch tán trong trạng thái ổn định được xác định theo công thức sau:




Baghabra: đối với bê tông C30-C40 DC1202 thấp hơn từ 55% đến 346%; đối với bê

tông C50 DC1202 cao hơn từ 19% đến 22%; đối với bê tông có 8% muội silic
DC1202 thấp hơn hơn từ 14% đến 23%; đối với bê tông có 15% tro bay DC1202 cao
hơn khoảng 80%.

• Hệ số khuếch tán DC1202 so với tính theo Zhang và Gjorv thấp hơn từ 60%

đến 68%.

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

3.1. Giới thiệu chung

Tuổi thọ sử dụng trong thực tế khái niệm tuổi thọ thiết kế là khá trìu tượng.

Vòng đời của một kết cấu có thể nhỏ hơn tuổi thọ thiết kế nhưng đó là một quyết định

của chủ đầu tư dựa trên cơ sở kinh tế và chức năng. Thời gian thực sự một kết cấu giữ
nguyên trong sử dụng có thể là nhiều hơn hoặc ít hơn tuổi thọ thiết kế và điều này đưa
ra nguồn gốc tuổi thọ sử dụng.

Vài định nghĩa về tuổi thọ sử dụng đã được phát triển. Một định nghĩa đơn giản

nhất đã được Ủy ban 365 của ACI chấp nhận là: Tuổi thọ sử dụng là thời gian mà kết
cấu thực hiện chức năng đã định của nó.



phơi nhiễm. Bê tông thường xuyên ẩm ướt thì khuếch tán là cơ chế chủ đạo. Định luật

Fick 2 thường được sử dụng để mô tả điều này. Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu dựa

trên định luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Theo định luật thứ hai của Fick ta có
phương trình vi phân biểu diễn nồng độ và građien nồng độ thay đổi theo thời gian,
giải phương trình vi phân ta có được thời gian khởi đầu ăn mòn.

 Bài toán một chiều: (khuếch tán một chiều- dùng cho bản và tường)

Trong đó:

(3.1)

C(x,t) là nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t
D là hệ số khuyếch tán clo trong bê tông
x là chiều sâu tính từ bề mặt của bê tông

t là thời gian trường hợp D không ñổi theo thời gian và nồng độ clo bề mặt là

hằng số. Ta có:

Trong đó:

(3.2)

Cs là nồng độ clo tại bề mặt bê tông

C0 là nồng độ clo ban đầu trong bê tông.


Trong bài toán thực tế thì cả hai hệ số khuếch tán và nồng độ clo bề mặt đều

thay đổi theo thời gian. Do vậy để giải quyết bài toán ta sử dụng một phép sai phân
hữu hạn của định luật hai của Fick. Mô hình có các giả định sau:
• Vật liệu được xem xét là đồng nhất;

• Nồng độ bề mặt của clo xung quanh cấu kiện bê tông là không đổi tại mỗi

bước thời gian;

• Các đặc tính của các phần tử không đổi trong mỗi bước thời gian;

• Hằng số khuếch tán là không đổi theo chiều sâu của phần tử và không đổi

trong mỗi bước thời gian;

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

Để dự báo thời gian ăn mòn gây nứt bê tông bảo vệ có nhiều tác giả đã đi theo

các cách khác nhau. Trong số đó phải kể tới mô hình toán của Bazant đề xuất năm
1979; mô hình toán của Youping Liu năm 1996; mô hình thực nghiệm của Morinaga
năm 1989.


50

- Mô hình toán của Bazant



+ ρcor là một hàm của mật độ khối lượng của thép và gỉ.

Theo mô hình Bazant, thời gian tcr là một hàm của tốc độ ăn mòn, chiều dày lớp

bê tông bảo vệ, khoảng cách giữa các cốt thép và tính chất cơ học của bê tông như

cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và hệ số từ biến. Nhiều tác giả đã
kiểm chứng mô hình của Bazant và đã kết luận rằng thời gian dự đoán nứt tính toán từ
mô hình Bazant là ngắn hơn nhiều so với quan sát.
 Mô hình toán của Liu

Năm 1996 Youping Liu đã ñề xuất phương pháp xác định khoảng thời gian từ

khi khởi đầu ăn mòn tới nứt bê tông bảo vệ do ăn mòn, hình 3.1. Các sản phẩm ăn mòn

gây ra áp lực đồng đều cho bê tông xung quanh cốt thép. Không phải tất cả các sản

phẩm ăn mòn đều gây ra áp lực, một số trong chúng có thể lấp vào các khoảng trống
xung quanh giao diện thép-bê tông hoặc di chuyển ra khỏi giao diện thép - bê tông. Do


51

tính phức tạp của vấn đề, nứt do ăn mòn gây ra chỉ giới hạn do các ứng suất do việc
sản phẩm ăn mòn nở thể tích.

Hình 3.1. Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn

sau:



52

Trong đó:

ρrust là tỷ trọng của sản phẩm ăn mòn
ρst là tỷ trọng của thép

d0 là chiều dày của vùng xốp

ds là chiều dày của sản phẩm ăn mòn gây ra ứng suất kéo
d là đường kính cốt thép

L là chiều dày lớp bê tông bảo vệ
a=(d+2d0)/2; b = L + (d+2d0)/2

Wst là khối lượng của thép ăn mòn (Wst=αWcrit)

α=0.523 (Gỉ là Fe(OH)3) và α=0.622 cho Fe(OH)2
fct cường độ chịu kéo của bê tông
νc là hệ số Poisson của bê tông

Ecef là một mô đun đàn hồi có hiệu của bê tông
Tốc độ tạo gỉ có thể được viết như sau,

(3.9)

Ở đây Wrust là số lượng sản phẩm gỉ, t là thời gian ăn mòn (năm) và kp là tốc độ



xuất hiện của bề rộng vết nứt 0,05 mm. Beaton và Stratfull đề xuất công thức đầu tiên

dựa trên quan sát hiện trường và các thí nghiệm trong phòng để tính gần đúng t2. Clear
đơn giản hóa mô hình này, sau đó được sửa đổi bởi Purvis et al, bao gồm thời gian phụ
thuộc của hàm lượng clo bề mặt.

Trong đó:

(3.13)

t2 là thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn tới khi nứt bê tông bảo vệ tính bằng năm;
L là chiều dày lớp bê tông bảo vệ;

t là tuổi của bê tông khi đo nồng độ clo bề mặt(năm);

Cs là nồng độ clo bề mặt (tính bằng % khối lượng bê tông);
w/c là tỷ lệ nước trên xi măng;

Morinaga giả định rằng các vết nứt trên bê tông đầu tiên sẽ xảy ra khi có một số

lượng nhất định các sản phẩm ăn mòn hình thành trên cốt thép. Ông đã dựa trên các dữ
liệu các thí nghiệm hiện trường và trong phòng đưa ra dự đoán thời gian tới nứt như
sau:

Trong đó:

Wcr là số lượng tới hạn của các sản phẩm ăn mòn (g/mm2)
jr tốc độ ăn mòn (g/cm2 ngày)



1/ Ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế kết cấu và vật liệu: độ dài của giai đoạn

khởi đầu ăn mòn thay đổi mạnh theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ L.

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới độ dài của thời gian khởi đầu ăn mòn là hệ số

khuếch tán clo thông qua ảnh hưởng của tỷ lệ nước trên xi măng (w/c) và ảnh hưởng
của muội silic.

Độ dài của giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm 1 tăng khi chiều dày lớp

bê tông bảo vệ tăng và giảm khi tăng đường kính cốt thép.

Độ dài của giai đoạn lan truyền ăn mòn theo quan điểm 2 tỷ lệ thuận với ρth và

đường kính cốt thép tỷ lệ nghịch với mật độ dòng điện ăn mòn.

2/ Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: Ảnh hưởng mạnh nhất của môi

trường đến độ dài của giai đoạn khởi đầu ăn mòn là nồng độ clo bề mặt và độ ẩm, tiếp
đến là ảnh hưởng của nhiệt độ.

Chương 4. CÁC BIỆN PHÁP KÉO DÀI TUỔI THỌ SỬ DỤNG
VÀ THÍ DỤ TÍNH TOÁN

4.1. Các biện pháp dài tuổi thọ sử dụng
- Với các kết cấu mới

Các giải pháp về kết cấu: chiều dày lớp bê tông bảo vệ là tham số quan trọng