Phương pháp tính khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn

trong kết cấu bê tông cốt thép, dẫn đến cấu kiện bong tróc lớp bê tông bảo vệ, làm giảm diện tích cốt thép chịu lực, mất mát lực bám dính giữa bê tông và cốt thép ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cấu kiện. Bài báo này giới thiệu một phương pháp tính khả năng chịu lực còn lại của kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn bởi sự xâm nhập của chất Clorua có từ nước biển, khi xuất hiện vết nứt. Từ khoá Tính khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn. 1. Đặt vấn đề Dự báo khả năng chịu lực còn lại của công trình bị xuống cấp là việc làm cần thiết, là cơ sở quan trọng giúp nhà quản lý đưa ra những khuyến cáo về tải trọng sử dụng, từ đó có các giải pháp gia cố, sửa chữa nhằm kéo dài tuổi thọ công trình đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Trong số các nguyên nhân gây hư hỏng các công trình Bê tông cốt thép (BTCT) thì sự xâm nhập của chất Clorua có từ nước biển, nước mưa, nước ngầm, hơi nước, v.v... gây ăn mòn trong kết cấu BTCT đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất trên toàn thế giới. Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ công trình đã được tiến hành từ những năm 1970 cho đến nay các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tế còn hạn chế, dẫn đến tuổi thọ của nhiều công trình xây dựng trong môi trường biển còn thấp so với yêu cầu. 2. Một số hình ảnh cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn Với những cấu kiện BTCT bị ăn mòn dễ phát hiện vì chúng luôn xuất hiện vết nứt chạy dọc thanh thép chủ, khi gõ vào bê tông nghe có tiếng bộp hoặc xuất hiện lớp rỉ sét màu vàng chạy dọc theo vết nứt khi đục vị trí bị nứt lớp bê tông có thể vỡ từng mảng lộ cốt thép dọc bị rỉ sét ra ngoài (hình 1). KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 114 a) Cầu thang nhà dân dụng bị ăn mòn b) Sàn nhà dân dụng vỡ lớp bê tông bảo vệ c) Bong tróc lớp bê tông bảo vệ trụ cầu d) Vết nứt móng cọc do ăn mòn cốt thép Hình 1. Cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn 3. Quá trình thấm ion Cl- vào bê tông gây ăn mòn cốt thép Cốt thép trong BTCT được bảo vệ chóng lại sự ăn mòn là nhờ có tính kiềm cao của vật liệu sử dụng. Trong môi trường có tính kiềm cao cốt thép bị ôxy hóa tạo thành một lớp màng mỏng thụ động bền chắc trên bề mặt cốt thép thì cốt thép trong bê tông được bảo vệ không bị ăn mòn. Thông thường vật liệu dùng chế tạo bê tông không bị nhiễm mặn có hàm lượng ion Cl¯ ban đầu vào khoảng 0,1÷0,4 kG/m3 bê tông (thấp hơn giới hạn có thể gây ăn mòn cốt thép là 0,6 kG/m3). Nếu không có tích tụ thêm ion Cl¯ từ môi trường bên ngoài vào và độ pH của bê tông luôn được duy trì ở giá trị không thấp hơn 11,5 thì cốt thép trong bê tông được bảo vệ ở trạng thái thụ động, chúng không bị phá hủy và ăn mòn. Trên thực tế bê tông không hoàn toàn đặc chắc, cấu trúc bê tông tồn tại các lỗ rỗng mao quản có thể cho các chất khí, nước và hơi ẩm thấm vào. Đó chính là đường thấm ion Cl¯, O2, H2O và chất xâm thực khác từ môi trường bên ngoài vào bê tông. Theo thời gian độ pH của bêtông có thể bị giảm do bị cacbonat hóa là một hiện tượng chung với mọi công trình BTCT. Khi bê tông tiếp xúc với môi trường không khí hoặc nước chứa khí CO2. Các sản phẩm của quá trình cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc của bê tông, làm giảm độ chống thấm dẫn tới sự ăn mòn cốt thép. Sản phẩm ăn mòn lần lượt được hình thành dưới các dạng Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3.3H2O, Kèm theo quá trình này là sự tích tụ sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại có thể tích gấp 5 đến 7 lần so với ban đầu. Chính sự trương nở thể tích này đã gây ra nội ứng suất phá vỡ lớp bê tông bảo vệ và làm giảm tiết diện cốt thép[3]. Quá trình ăn mòn cốt thép diễn ra theo hai giai đoạn[6] (hình 2): Trong giai đoạn mồi (I) và Điểm A tương ứng với thời điểm cốt thép bị mất lớp màng bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ bởi Cl- hoặc CO2. Trong giai đoạn phát tán (II). Phản ứng điện – hóa xảy ra với sự có mặt của ôxy, nước và nhiệt độ thích hợp, khi tỷ lệ ăn mòn đạt ngưỡng dẫn đến sự hình thành các vết nứt, sau đó bắt đầu Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 115 phá huỷ lớp bê tông điểm B. Ở cuối giai đoạn B, nếu ăn mòn không bị phát hiện và kết cấu không được tiến hành sửa chữa nó có thể sụp đổ do giảm khả năng chịu tải. Hình 2. Sơ đồ phát triển ăn mòn của cốt thép theo thời gian 4. Xác định các tham số tính toán Việc xác định các tham số tính toán khá phức tạp nó phụ thuộc vào loại kết cấu, cấp độ bền, loại xi măng, các loại phụ gia được sử dụng, loại cốt thép, điều kiện tự nhiên nơi xây dựng công trình, v.v... Mối quan hệ giữa các nhân tố kể trên với các tham số tính toán, được xây dựng dựa trên các kết quả khảo sát, thí nghiệm thực tế từ đó tìm ra được các số thiệu cụ thể để đưa vào tính toán. 4.1. Tính diện tích cốt thép bị ăn mòn 4.1.1. Quan hệ giữa diện tích cốt thép mất mát do ăn mòn và dạng ăn mòn Hình 3. Diện tích thép bị ăn mòn đều (hình a) và ăn mòn điểm (hình b) Ăn mòn cốt thép trong bê tông có thể là ăn mòn đều (uniform) hoặc ăn mòn điểm (pick)[5] (Hình 3). Công thức (1) mô tả mối liên hệ giữa diện tích đường kính cốt thép ban đầu (o), đường kính cốt thép còn lại () và độ sâu do ăn mòn cốt thép (x):  = o – α.x (1) Trong đó: α - là hệ số tập trung của ăn mòn điểm [4]; α = 2 khi cốt thép ăn mòn đều do ion clo; α = 4 ÷ 8 khi cốt thép ăn mòn điểm do ion clo. Từ công thức (1) xác định được diện tích cốt thép bị mất do ăn mòn (ΔAs): ΔAs = (π/4)(2α.x.o – α2.x2) (2) 4.1.2. Quan hệ giữa mở rộng vết nứt và độ sâu do ăn mòn Khi cốt thép mới bắt đầu ăn mòn phần rỉ sét chưa đủ tạo áp lực gây nứt bê tông, vậy phần diện tích cốt thép bị ăn mòn đủ tạo áp lực gây nứt bê tông được gọi là ΔAs0 tương ứng với độ sâu ăn mòn ban đầu là xo [4] và [5]: xo = 7,53 + 9,32 (c/o) (3) Trong đó: c - là chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm). Mối quan hệ giữa độ mở rộng vết nứt (w) và độ sâu ăn mòn (x) bằng phương trình thực nghiệm [5] : w = 0,05 + (x - xo) (4) Trong đó:  - hệ số phụ thuộc vị trí đặt cốt thép trong dầm;  = 0,01 nếu cốt thép đặt phía trên so với hướng đổ bê tông;  = 0,0125 nếu cốt thép đặt phía dưới so với hướng đổ bê tông. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 116 4.1.3. Quan hệ giữa diện tích cốt thép mất mát do ăn mòn và mở rộng vết nứt Bề rộng vết nứt trên bề mặt bê tông do ăn mòn và lượng cốt thép bị ăn mòn[7]: w = k(ΔAs – ΔAs0) (5) Trong đó: k - là hệ số thực nghiệm lấy k = 0,0575 Từ (5) xác định được phần diện tích cốt thép bị giảm do ăn mòn ΔAs: w 0,0575s so A A    (6) Trong đó: sA - Tổng diện tích cốt thép bị ăn mòn (mm2); w - Độ mở rộng của vết nứt do ăn mòn (mm); soA - Diện tích ăn mòn cốt thép cần thiết để tạo vết nứt (mm2). 2 31 1 7,53 9,32 10so s o o cA A                      (7) Từ (6) và (7) ta có công thức tính diện tích cốt thép còn lại As(còn lại): As(còn lại) s sA A   (8) Trong đó: sA - tổng diện tích cốt thép ban đầu (mm2). 4.2. Tính suy giảm lực bám dính do ăn mòn Ăn mòn cốt thép luôn gây ra ảnh hưởng bất lợi kép đối với kết cấu BTCT. Làm giảm tiết diện cốt thép và làm mất (hoặc giảm) khả năng bám dính giữa cốt thép và bê tông làm cho lực kéo từ cốt thép không chuyền sang được bê tông và ngược lại [7]: τăn mòn = τo ăn mòn (1- D) (9) - Trường hợp không bị ăn mòn thì D = 0, khi đó không có mất mát lực dính do ăn mòn và τăn mòn = τo ăn mòn - Trường hợp ăn mòn quá mức thì D=1, khi đó lực dính bị mất toàn bộ do ăn mòn và τăn mòn = 0 Giữa D và giá trị giảm diện tích tiết diện cốt thép (ΔAs) có mối quan hệ như sau: s s 1 n s so A AD A A           (10) D - hệ số phụ thuộc vào quá trình ăn mòn; với: D = 0 ÷ 1 n - hệ số thực nghiệm; chọn n = 5 Khi tính khả năng chịu lực của cấu kiện bị ăn mòn, phải kể đến sự giảm yếu do vết nứt xuất hiện ở lớp bê tông bảo vệ. Đặc biệt vết nứt ở trong vùng nén của cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu nén. Để tính diện tích còn lại của lớp bê tông bảo vệ tham gia vào khả năng chịu lực của tiết diện[8]: (1 )a ob v b vA D A  (11) Trong đó: o bvA - là diện tích lớp bê tông bảo vệ ban đầu (mm2); a bvA - là diện tích lớp bê tông bảo vệ còn lại (mm2); D - là hệ số được xác định theo công thức (10). Trong trường hợp ăn mòn quá mạnh làm bong tróc lớp bê tông bảo vệ. Thì diện tích tiết diện tính theo diện tích thực tế (Att) qua kết quả khảo sát ở hiện trường. 5. Ví dụ tính toán 5.1. Bài toán 1 (cấu kiện chịu uốn): Dầm có kích thước tiết diện như hình 4: Hình 4. Tiết diện mặt cắt ngang dầm Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 117 Bê tông B20; cốt thép CII; c=30mm. Dầm ăn mòn điểm do môi trường nước biển và bị nứt. Kết quả khảo sát đo được các vết nứt (w): - Vị trí thép số 1: w1= 0,5mm; w2= 1mm; - Vị trí thép số 3: w3= 1mm; - Cường độ bê tông đo được ở hiện trường (số liệu đã được xử lý đưa vào tính toán) Rb(còn lại)= 11,5Mpa; Tiết diện bê tông thay đổi không đáng kể do vết nứt còn bé. Tính khả năng chịu lực giới hạn của dầm chưa ăn mòn (Mgh) và khả năng chịu lực giới hạn còn lại của dầm bị ăn mòn (Mgh(còn lại)).  Kết quả tính toán: a. Số liệu - Tra bảng [2]: B20 có Rb= 11,5MPa; CII có Rs = 280MPa 0,662R  - Tổng các vết nứt: w= w1+w2+w3 = 0,5+1+1 = 2,5mm Trong đó: w1; w2; w3 : Kích thước các vết nứt đo được tại hiện trường. b. Tính khả năng chịu lực giới hạn của dầm chưa ăn mòn[1] - Tổng diện tích cốt thép: As = 3ϕ28 =3×615,7= 1847mm2 - Tính: 2830 44 2 a mm   0 600 - 44 = 556mmh h a    - Từ công thức: s s b o R A R bh   280 1847 0,324 0,622 11,5 250 556 R          phá hoại dẻo - Tính hệ số:  1 0,5 =(1 - 0,5. 0,324)=0,838   - Tính khả năng chịu lực giới hạn: 280×1847×0,838×556=240959324Nmm=241KNm gh s s oM R A h  c. Kiểm tra khả năng chịu lực giới hạn còn lại của dầm bị ăn mòn - Tính diện tích cốt thép ăn mòn cần thiết để tạo vết nứt: 2 2 3 3 28 301 1 7, 53 9, 32 10 1847 1 1 7, 53 9, 32 10 18, 44 28 28so s o o cA A mm                                        - Tính diện tích cốt thép bị giảm do ăn mòn điểm: 22,518,44 61,92 0,0575 0,0575s so wA A mm       - Tính diện tích cốt thép còn lại: As(còn lại) 21847 61,92 1785,1s sA A mm     - Tính suy giảm lực bám dính do ăn mòn điểm: 5 s s 1785,11 1 0,113 1847 18,44 n s so A AD A A                 - Tính diện tích lớp bê tông bảo vệ còn lại tham gia chịu lực: 2(1 ) (1 0,113).7500 6652,5a obv bvA D A mm     Trong đó: o bvA - Diện tích lớp bê tông bảo vệ ban đầu: 2. 250 30 7500obvA b c mm    b - Bề rộng tiết diện chữ nhật; c – bề dày lớp bê tông bảo vệ - Tiết diện dầm còn lại khi xuất hiện vết nứt: (Vết nứt còn bé, kích thước tiết diện dầm không thay đổi) Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 118 b(còn lại)= b=250; h(còn lại)= h = 600mm - Tính hệ số: ( òn lai) ( òn lai) . 280 1785,1 0,312 0,622 . . 11,5 250 556 s s c R b c o R A R b h           - Tính hệ số:  1 0,5. (1 - 0,5×0,199)=0,84    - Tính khả năng chịu giới hạn của dầm bị ăn mòn: ( òn lai) ( òn lai) 280×1785,1×0,9×556=233439669Nmm=233KNmgh c s s c oM R A h  5.2. Bài toán 2 (cấu kiện chịu nén): Cột có tiết diện chữ nhật nén đúng tâm, cấu tạo cốt thép như hình 5 (Giả thiết bỏ qua sự lệch tâm sau khi cốt thép bị ăn mòn). Hình 5. Tiết diện mặt cắt ngang Cột Bê tông B20; cốt thép CII; c = 30mm. Chiều dài tính toán cột l0 = 3,6m. Cột ăn mòn điểm do môi trường nước biển và bị nứt. Kết quả khảo sát đo được vết nứt (w): - Vị trí thép số 1 và 3: w1= 0,5mm; w3= 1,5mm; - Vị trí thép số 6 và số 7: w6= 1mm; w7= 1,5mm. - Cường độ bê tông đo được ở hiện trường (số liệu đã được xử lý đưa vào tính toán) Rb(còn lại)= 11,5Mpa; Tiết diện bê tông thay đổi không đáng kể do vết nứt còn bé. Tính khả năng chịu lực giới hạn của cột chưa ăn mòn (Ngh) và khả năng chịu lực giới hạn còn lại của cột bị ăn mòn (Ngh(còn lại)).  Kết quả tính toán a. Số liệu - Tra bảng phụ lục [2]: B20 có Rb= 11,5MPa; CII có Rsc = 280MPa; - Tổng các vết nứt: w = w1+w3+w6 +w7 = 0,5+1,5+1+1,5 = 4,5mm; Trong đó: w1; w3; w6; w7 – Kích thước các vết nứt đo được tại hiện trường. b. Tính khả năng chịu lực giới hạn cột chưa ăn mòn [1] - Tổng diện tích cốt thép: Ast = 4ϕ18 = 4×254,5 = 1018mm2 - Diện tích cột ban đầu: A = b.h = 200×300 = 60000mm2 - Diện tích bê tông: Ab= A-Ast = 60000–1018 = 58982mm2 - Xét uốn dọc: + Tính bán kính quán tính: 3 3 min min 300 200 57, 74 12 12 200 300 J hbr mm A bh        + Tính độ mảnh: 0 min 3600 62,35 120; 62,35 28 57,74 gh l r          + Tính hệ số: 21,028 0,0000288. 0,0016. =0,82     Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 119 , - Tính khả năng chịu lực giới hạn của cột:   0,82(11,5×58982+280×1018)=789933N=790KNgh b b sc stN R A R A   c. Kiểm tra khả năng chịu lực giới hạn còn lại của cột bị ăn mòn - Tính diện tích cốt thép ăn mòn cần thiết để tạo vết nứt: 2 2 3 3 28 301 1 7,53 9,32 10 1018 1 1 7,53 9,32 10 20, 76 18 18so s o o cA A mm                                        - Tính diện tích cốt thép bị giảm do ăn mòn điểm: 24,520,76 99,02 0,0575 0,0575s so wA A mm      - Tính diện tích cốt thép còn lại: Ast(còn lại) s sA A  21018 99,02 919mm   - Tính suy giảm lực bám dính do ăn mòn điểm: 5 s s 9191 1 0,335 1018 20,76 n s so A AD A A                - Tính diện tích lớp bê tông bảo vệ còn lại tham gia vào khả năng chịu lực: 2(1 ) (1 0,335).12000 7980a obv bvA D A mm     Trong đó: Bê tông bảo vệ ban đầu: 22. . 2(200 30) 12000obvA b c mm    - Diện tích tiết diện còn lại: A(còn lại))= 260000 12000 7980 55980o abv bvA A A mm      - Diện tích bê tông còn lại: Ab(còn lại) = A(còn lại) - Ast(còn lại) = 55980 – 919 = 55061mm2 - Kích thước cột còn lại khi xuất hiện vết nứt (Vết nứt còn bé kích thước không thay đổi): h(còn lại)= h = 300mm; b(còn lại) = b= 200 - Xét uốn dọc: + Tính bán kính quán tính: 3 3 ( òn lai) ( òn lai)min min ( òn lai) ( òn lai) ( òn lai) . 300 200 57,74 12. . 12 200 300 c c c c c h bJr mm A b h        + Tính độ mảnh: 0 min 3600 62,35 120; 62,35 28 57,74 gh l r          + Tính hệ số: 2 21,028 0,0000288 0,0016 = 1,028- 0,0000288×62,35 -0,0016×62,35 = 0,82      - Tính khả năng chịu lực giới hạn còn lại của cột bị ăn mòn:  ( òn ) ( òn lai) ( òn lai) ( òn lai) = 0,82(11,5×55061+280×919)=730227N=730KNgh c lai b c b c sc st cN R A R A  6. Kết luận Ăn mòn là một hiện tượng phổ biến trong kết cấu BTCT. Ăn mòn làm giảm tiết diện cốt thép, bong lớp bê tông bảo vệ dẫn đến quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn làm giảm khả năng chịu lực của cấu kiện. Những công trình xây dựng trong môi trường xâm thực biển, tuổi thọ phụ thuộc vào thời gian thẩm thấu ion Cl- , khi lượng ion Cl- đạt ngưỡng ăn mòn thì có thể coi đó là giới hạn tuổi thọ của cấu kiện. Phương pháp tính mà chúng tôi giới thiệu trong bài báo này, hoàn toàn có thể áp dụng tính toán khả năng chịu lực còn lại của các công trình bị ăn mòn từ đó đưa ra những khuyến cáo về tải trọng sử Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 120 dụng còn lại giúp nhà quản lý có biện pháp cải tạo, sữa chữa nhằm hạn chế sự rủi ro cho người và công trình. Để áp dụng thành công phương pháp tính cần phải thực hiện phân loại bê tông, phân loại cốt thép tuỳ theo đặc tính của vật liệu và phân vùng xây dựng, dựa vào điều kiện tự nhiên khảo sát hiện trường theo dõi, quan trắc, thí nghiệm, đo đạc các số liệu nhằm thiết lập các bảng tra các tham số tính toán cho mỗi loại bê tông sử dụng ở các khu vực khác nhau. Đây là cơ sở quan trọng để đưa vào kiểm tra tính toán lại khả năng chịu lực của cấu kiện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ Xây Dựng, 2006. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (TCXD 356:2005), Hà Nội. [2]. GS.TS. Nguyễn Đình Cống, 2013. Tính toán thực hành cấu kiện bê tông cốt thép, NXB Xây dựng, Hà Nội. [3]. TS.Nguyễn Mạnh Phát. 2007. Lý thuyết ăn mòn và chống ăn mòn bê tông cốt thép trong xây dựng, NXB Xây dựng, Hà Nội. [4]. Ngoc Anh VU, 2007. Requalification du Comportement Mécanique de Poutres en Béton Précontraint Dégradées par Corrosion des Armatures passives et actives, Thèse de Doctorat, INSA de Toulose. [5]. Alonso C., Andrade C., Rodriguez J., Diez J.M. 199.) “ Factors controlling cracking of concrete afected by reinforcement corosion ”, Materials and Structures, 31, pp 435-441. [6]. Rodriguez J., Ortega L.M., Casal J., Diez J.M., 1996a. “Corrosion of reinforcementand service life of concrete structures”, Seventh Conference on Durability of Building Materials and Components, vol.1, Stockholm, esditespar C. Sjostrom, pp 117-126. [7]. Tuutti K., 1982. Corrosion of steel in concrete, Swedish Cement and Concrete Researche Institute, Ed., Stockholm. [8]. Therry VIDAL, 2003. Requalification des structures dégradées par corosion desarmatures, Thèse de Doctorat, INSA de Toulouse.