Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép" do nghiên cứu sinh Võ Văn Nam thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải (Hà Nội, năm 2024), thuộc ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông (Mã số: 9580205), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Thế Truyền và TS. Hoàng Việt Hải.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam có bờ biển dài trên 3000 km, nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mang theo không khí biển chứa hàm lượng muối natriclorua đậm đặc. Hệ thống cầu dầm bê tông cốt thép (BTCT) trên các tuyến huyết mạch Bắc - Nam và các vùng kinh tế ven biển phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu tác động trực tiếp của các tác nhân xâm thực mạnh như $CO_2$, $Cl^-$, $O_2$ (Cao Duy Tiến và cộng sự, 2003). Trong đó, sự khuếch tán của ion clo ($Cl^-$) vào bê tông là nguyên nhân phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ bề mặt cốt thép, gây ra quá trình ăn mòn điện hóa.

Sản phẩm sinh ra từ quá trình oxy hóa cốt thép là gỉ sắt ($Fe_2O_3 \cdot H_2O$), có đặc tính trương nở thể tích gấp 2 đến 6 lần (thậm chí 6 đến 10 lần khi ngậm nước đầy đủ) so với thể tích thép ban đầu. Áp lực trương nở này sinh ra ứng suất kéo trong bê tông bảo vệ, dẫn tới hiện tượng nứt, vỡ, bong tróc lớp bảo vệ, suy giảm lực dính bám giữa bê tông và cốt thép, giảm diện tích tiết diện cốt thép chịu lực và làm suy giảm nghiêm trọng sức kháng uốn, kháng nén và kháng cắt của cấu kiện (Vũ Ngọc Anh, 2009). Thực tế khảo sát cho thấy sau 10 đến 30 năm khai thác trong môi trường biển, các công trình BTCT bị phá hủy trầm trọng, chi phí sửa chữa và khắc phục chiếm từ 40% đến 70% giá thành xây dựng (Phạm Văn Khoan và cộng sự, 2010; Đồng Kim Hạnh và cộng sự, 2014).

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Phần lớn các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ tập trung vào khảo sát hiện trạng hư hỏng, đo đạc điện thế ăn mòn hoặc đánh giá các dầm thí nghiệm trong trạng thái tĩnh mà chưa xét đến ảnh hưởng đồng thời của trạng thái ứng suất do tải trọng khai thác tác dụng trực tiếp lên dầm trong quá trình cốt thép bị ăn mòn. Ứng suất do tải trọng làm xuất hiện và phát triển các vết nứt vi mô, đẩy nhanh tốc độ xâm nhập của ion $Cl^-$ và làm thay đổi quy luật suy giảm sức kháng uốn của dầm BTCT.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép trong các kết cấu dầm bê tông cốt thép ở môi trường ăn mòn chứa tác nhân ion $Cl^-$.
  2. Đánh giá ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông đến mức độ ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm bê tông cốt thép thường.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép trong các kết cấu dầm bê tông cốt thép đến sức kháng uốn của dầm.
  4. Đánh giá sự suy giảm sức kháng uốn của một số kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép thường, nhịp giản đơn trong thực tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong kết cấu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các kết cấu dầm bê tông cốt thép thường chịu đồng thời tác động của tải trọng và ăn mòn cốt thép từ môi trường chứa ion $Cl^-$; một số kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến trạng thái ăn mòn cốt thép do ion $Cl^-$.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về môi trường: Sức kháng uốn và mức độ ăn mòn của các kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép thường trong môi trường xâm thực chứa ion $Cl^-$.
    • Về thực nghiệm: Thí nghiệm thực hiện trên mẫu dầm BTCT thường, nhịp đơn giản trong phòng thí nghiệm.
    • Về mô phỏng và tính toán: Mô hình hóa dầm thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mở rộng tính toán cho kết cấu dầm cầu BTCT nhịp giản đơn thực tế (mặt cắt chữ T) chịu tác dụng của tải trọng và môi trường ăn mòn do ion $Cl^-$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu trên thế giới về ăn mòn kim loại và cơ chế điện hóa trong bê tông đã được triển khai từ sớm với các công trình nền tảng của Fontana (1971) về nhiệt động học ăn mòn, Pourbaix (1966) với biểu đồ vùng thụ động của thép ở độ pH từ 12 đến 13, và Beeby (1983) về các phản ứng anốt và catốt tại mặt tiếp xúc cốt thép - chất điện phân dung dịch lỗ rỗng. Về mô hình phát triển ăn mòn, Tuutti (1980, 1982) đề xuất mô hình hai giai đoạn kinh điển gồm giai đoạn mồi (khởi đầu) và giai đoạn phát tán (lan truyền), xác định mốc cốt thép mất tính thụ động và thời điểm hình thành vết nứt làm vỡ lớp bê tông bảo vệ.

Về nguyên nhân gây hư hại kết cấu, số liệu thống kê của GS. Mutsuyoshi (2001) đối với các cầu BTCT tại Nhật Bản cho thấy hư hỏng do ion clo xâm nhập chiếm 66%, trong khi hư hại do cacbonat hóa chỉ chiếm 5%. Luận án điểm lại các sự cố sập cầu nghiêm trọng trên thế giới do ăn mòn kết hợp ứng suất và mỏi: Cầu Silver trên Quốc lộ 35 tại Mỹ sụp đổ năm 1967 (văn bản ghi mốc 1965 theo Chris LeRose, 2001) làm 37 ô tô rơi xuống sông và 47 người tử vong; cầu Mianus River Bridge tại bang Connecticut (Mỹ) sập ngày 28/6/1983 làm 3 người chết và 7 người bị thương; cầu qua sông Mississippi sập ngày 01/8/2007 làm 13 người chết và 147 người bị thương (Stachura, 2000).

Về cơ chế khuếch tán và mô hình hóa lan truyền:

  • Stachura (2000) và Thomas (1999) xây dựng mô hình dự báo hệ số khuếch tán clorua dựa trên tỷ lệ hỗn hợp, vật liệu xi măng, tro bay, xỉ lò cao và muội silic. Tang (1992) nghiên cứu sự khuếch tán clorua trong bê tông cường độ cao ở các độ tuổi khác nhau. Al-Kutti Walid chỉ ra rằng khi ứng suất vượt quá ngưỡng đàn hồi của bê tông, các vết nứt vi mô xuất hiện làm hệ số khuếch tán ion clo tăng nhanh so với bê tông nguyên vẹn.
  • Weyers (1998, 2001) xây dựng mô hình tuổi thọ kết cấu bê tông trong môi trường clorua gồm các giai đoạn nối tiếp: khuếch tán clorua, ăn mòn gây nứt vỡ và ăn mòn đến mức nguy hiểm chịu lực.
  • Castel và cộng sự (2000) tại phòng thí nghiệm LMDC (Đại học Paul Sabatier Toulouse, Pháp) tiến hành thí nghiệm trên các dầm BTCT kích thước 150x280x3000 mm theo tiêu chuẩn BAEL trong suốt gần 20 năm, chứng minh ăn mòn cốt thép gây suy giảm diện tích tiết diện, giảm độ cứng, suy giảm lực dính bám và giảm độ võng giới hạn khi dầm bị phá hoại.
  • Mohamed Moawad và cộng sự (2015, Đại học Cairo) so sánh dầm BTCT thường và dầm BTCT dự ứng lực, chỉ ra dầm dự ứng lực ít bị giảm khả năng kháng uốn hơn do ít vết nứt và có vữa, ống gen bảo vệ cốt thép cường độ cao. Hussain (2018, Đại học Công nghệ Chalmers) đánh giá dầm BTCT bị ăn mòn bằng mô hình 3D phần tử hữu hạn. V. Stepanova (2013) ghi nhận tại Nga có 15% đến 75% kết cấu chịu môi trường ăn mòn và 5% đến 10% hư hại hàng năm. Lundgren (2007) phân tích sự thay đổi ứng xử kết cấu theo sự suy giảm đường kính thanh thép.
  • Về dính bám và mô phỏng số: A. Narayan và cộng sự (2015, Ấn Độ) dùng phần mềm ANSYS kết hợp thí nghiệm dầm NBS RC (bê tông mác M30, thép Fe-415) với kỹ thuật ăn mòn gia tốc ở các mức 2,5%, 5%, 7,5% và 10%, kết luận độ bền liên kết giảm 2,6% khi bắt đầu trượt và 2,1% ở cuối quá trình trượt cho mỗi 1% mức độ ăn mòn tăng thêm (mô phỏng số ANSYS ghi nhận mức giảm tương ứng là 3% và 2,4%).
  • Các nhóm mô hình lý thuyết: Mô hình cơ học môi trường liên tục (Grassl và TrevorDavies, 2011; Anna Emilie và cộng sự, 2006; Zhen Cui và Alice Alipour, 2018) mô tả gỉ trương nở đều và không đều; mô hình cơ học môi trường rỗng dựa trên định luật thứ hai của Fick (Samson và cộng sự, 2005; Baroghel-Bouny và cộng sự, 2011; Friedmann và cộng sự, 2008; mô hình Duracrete, 2000; phần mềm Life 365). ACI 365 (2000) phân chia môi trường biển thành 4 vùng tiếp xúc: vùng thủy triều, vùng sóng đánh, vùng khí quyển biển cách mép nước $\le 800$ m và vùng không khí biển từ 800 m đến 1500 m. Saria Appeleton (1999) và Emerson M. nêu các ngưỡng nồng độ ion clo bề mặt từ 0,3% đến 0,4% khối lượng bê tông (hoặc dưới 0,4% khối lượng xi măng theo tiêu chuẩn Anh cho BTCT thường và 0,1% cho BTCT dự ứng lực).

Các hướng nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các tác giả đã tiếp cận vấn đề ăn mòn từ nhiều góc độ:

  • Khảo sát hiện trạng và cảnh báo: Cao Duy Tiến và cộng sự (2003) thuộc Viện KHCN Xây dựng tổng kết dự án chống ăn mòn công trình vùng biển; Trương Hoài Chính và cộng sự (2007, 2008) khảo sát ăn mòn tại các công trình ven biển và hệ thống cảng Đà Nẵng bằng phương pháp đo điện thế nửa pin theo tiêu chuẩn ASTM C876.
  • Nghiên cứu phụ gia ức chế: Nguyễn Nam Thắng (2007) và Phạm Văn Khoan, Nguyễn Nam Thắng (2010) nghiên cứu phụ gia canxi nitrit nhằm nâng cao ngưỡng nồng độ ion clo gây ăn mòn cốt thép.
  • Nghiên cứu độ thấm và cơ học phá hủy: Trần Thế Truyền (2010) phân tích cơ chế thấm thấu của nước và khí qua bê tông, xây dựng mô hình cơ - thủy - nhiệt về tương tác tải trọng và môi trường; Vũ Ngọc Anh (2009, 2014) khảo sát dầm BTCT bị ăn mòn, chỉ ra khả năng chịu tải của dầm giảm tới 22%, tỷ lệ suy giảm sức kháng bằng đúng tỷ lệ giảm diện tích cốt thép vùng kéo tại vị trí có mô men lớn nhất; Đồng Kim Hạnh và cộng sự (2014) đề xuất giải pháp bê tông cốt sợi thép và sợi polypropylen; Phạm Thanh Tùng và cộng sự (2018) nghiên cứu mở rộng khe nứt dầm theo SP 63.2012; Võ Mạnh Tùng (2021) phân tích chiều rộng khe nứt giới hạn trong môi trường ven biển.
  • Ứng dụng mô hình hóa số: Đào Văn Dinh (2014, 2021) lập trình phần mềm Matlab ứng dụng mô hình Lifecon Bridge dự báo tuổi thọ kết cấu; Nguyễn Công Luyến (2018) dùng mô hình 3D-RBSM mô phỏng sự suy giảm lực dính bám do nứt dọc thanh thép; Đào Ngọc Thế Lực và cộng sự (2015) tính toán độ tin cậy kết cấu; Thanh Hung Nguyen và cộng sự (2020) xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn phân tích dầm ăn mòn; Phạm Đức Thọ và cộng sự (2019, 2020) nghiên cứu mô hình lưới định luật Fick và hàm bậc ba của hệ số thấm theo độ mở rộng vết nứt; Nguyễn Xuân Tùng và cộng sự (2017) khảo sát sự tăng nhanh hệ số khuếch tán khi ứng suất nén đạt $\sigma/\sigma_{max} = 0,8$; T. Tran và cộng sự (2021) thực nghiệm khuếch tán clorua dưới tác dụng của ứng suất.
  • Khung tiêu chuẩn quản lý: TCXDVN 327:2004, TCVN 9346:2012, TCVN 12041:2017 và TCVN 12251:2020 về bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu xây dựng và công trình bê tông cốt thép vùng biển.
Mức độ xâm thực Bê tông Bê tông cốt thép
Vùng khí quyển gần bờ (1 - 20 km) - Trung bình
Vùng ven bờ (0,25 - 1 km) Nhẹ Mạnh
Vùng sát mép nước (0 - 0,25 km) Trung bình Mạnh
Vùng nước lên xuống và sóng đánh Mạnh Rất mạnh
Vùng ngập nước biển hoàn toàn Mạnh Mạnh

Bảng 1: Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu theo Phạm Văn Khoan và cộng sự (2010)

Công trình cảng Điện thế so với điện thế Ag/AgCl Khả năng ăn mòn cốt thép Phương pháp đánh giá
Cảng Tiên Sa -436 đến -516 mV > 95% ASTM C876
Cảng Thuận Phước -409 đến -450 mV > 90% ASTM C876
Cảng Liên Chiểu -320 đến -460 mV > 90% ASTM C876
Cảng Nguyễn Văn Trỗi -306 đến -325 mV > 90% Giản đồ E-pH hệ Fe-$H_2O$

Bảng 2: Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép tại các công trình cảng biển Đà Nẵng theo Trương Hoài Chính và cộng sự (2008)

Tên công trình Địa điểm Quy mô kết cấu Năm xây dựng / khảo sát Tình trạng hư hỏng do ăn mòn ghi nhận
Cầu Kênh K13 Dương Minh Châu, Tây Ninh Nhịp bản đặc đổ tại chỗ dài 12 m Khảo sát năm 2018 Bản bị hư hỏng nặng, bong vỡ bê tông lộ cốt thép, cốt thép gỉ sét nhiều vị trí.
Cầu Cảng Bến Đầm Côn Đảo, Bà Rịa – Vũng Tàu Dài 180 m, rộng 14 m, kết cấu BTCT Xây dựng 1997 / khảo sát 2017 Bê tông ăn mòn nghiêm trọng, bong tróc lớp bảo vệ, cốt thép hoen gỉ nặng.
Cầu Diễn Kim Diễn Châu, Nghệ An Dài 100 m, rộng 3 m, kết cấu BTCT Xây dựng 1994 / sửa chữa 2016 Sau 20 năm khai thác, bê tông bong tróc, cốt thép hoen gỉ và đứt gãy.
Cầu Bình Long Vân Canh, Bình Định Dài 180 m, 20 nhịp bắc qua sông Hà Thanh Xây dựng 2002 / khảo sát 2020 Hư hỏng gia tăng sau lũ 2016; bê tông bong vỡ, cốt thép gỉ sét, đứt gãy.
Cầu Phước Lộc Nhà Bè, TP. Hồ Chí Minh Kết cấu dầm BTCT Khảo sát thực tế Bê tông vỡ vụn, bong tróc, xuất hiện vết nứt phá hoại trên thân dầm.
Cầu Thạnh Đức Đức Phổ, Quảng Ngãi Kết cấu dầm BTCT Hoàn thành 1997 / khảo sát 2021 Sau 26 năm chịu mặn, bê tông cốt thép ăn mòn nặng, dầm rạn nứt nguy cơ gãy đổ.

Bảng 3: Hiện trạng ăn mòn tại một số công trình cầu BTCT thực tế tại Việt Nam theo số liệu tổng hợp trong luận án

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết vấn đề đánh giá sức kháng uốn của dầm BTCT có xét đến tác động đồng thời của tải trọng tác dụng (trạng thái ứng suất duy trì) và quá trình ăn mòn cốt thép do ion $Cl^-$ bằng phương pháp thực nghiệm ăn mòn gia tốc trong phòng thí nghiệm kết hợp mô phỏng số cơ học phá hủy phi tuyến trên phần mềm ATENA.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán

Quá trình phá hủy màng thụ động và ăn mòn cốt thép được luận án phân tích qua hai cơ chế:

  1. Ăn mòn do cacbonat hóa: Xảy ra khi khí $CO_2$ trong khí quyển xâm nhập phản ứng với $Ca(OH)_2$ trong dung dịch lỗ rỗng của vữa xi măng: $$\text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$ Phản ứng làm suy giảm nồng độ ion $OH^-$, đưa độ pH từ vùng kiềm cao (12,5 đến 13) xuống dưới 12,5 (thậm chí giảm xuống mức pH = 8), triệt tiêu màng thụ động bảo vệ thép.
  2. Ăn mòn điện hóa do ion $Cl^-$: Khi nồng độ ion clo tại bề mặt thép vượt ngưỡng nồng độ tới hạn $C_{cr}$, màng thụ động bị phá hủy cục bộ tạo thành pin điện hóa:
    • Phản ứng cực dương (anốt - hòa tan kim loại): $$\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-$$
    • Phản ứng cực âm (catốt - tiêu thụ điện tử có mặt oxy và nước): $$4e^- + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{OH}^-$$
    • Quá trình kết hợp tạo sản phẩm gỉ: $\text{Fe}^{2+}$ kết hợp với $\text{OH}^-$ tạo thành $\text{Fe(OH)}_2$, sau đó oxy hóa thành $\text{Fe(OH)}_3$ và chuyển thành oxit sắt ngậm nước $\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot \text{H}_2\text{O}$.
Tham số môi trường Ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn điện hóa cốt thép
Độ ẩm (RH) Cần thiết ban đầu cho phản ứng catốt và hình thành gỉ ở anốt; thiếu độ ẩm thì tốc độ ăn mòn không đáng kể.
Oxy ($O_2$) Cần thiết cho phản ứng catốt; nếu nồng độ oxy hòa tan thấp, tốc độ ăn mòn điện hóa bị kiểm soát và hạn chế.
Điện trở suất bê tông Điện trở suất càng cao thì dòng điện ăn mòn ($i_{corr}$) càng thấp; điện trở tăng theo nhiệt độ và giảm khi độ ẩm tăng.

Bảng 4: Ảnh hưởng của các tham số môi trường đến quá trình ăn mòn cốt thép theo văn bản luận án

  • Cơ chế suy giảm cơ học do gỉ trương nở: Thể tích sản phẩm gỉ sắt không ngậm nước $Fe_2O_3$ gấp khoảng 2 lần thể tích kim loại bị mất, nhưng khi ngậm nước thể tích tăng từ 2 đến 4 lần hoặc 6 đến 10 lần. Lớp gỉ hình thành trong vùng xốp quanh cốt thép, sau khi lấp đầy vùng rỗng sẽ tác dụng áp lực hướng tâm $p$ (hoặc $q_r$) lên thành bê tông bao quanh (lý tưởng hóa mô hình hình trụ thành dày). Khi áp lực đạt giá trị tới hạn $q_{r,c}$ (phụ thuộc cường độ chịu kéo của bê tông $f_r$, chiều dày lớp bảo vệ $c$, đường kính cốt thép $d$), vết nứt hướng tâm và vết nứt dọc xuất hiện, làm bong vỡ lớp bê tông bảo vệ và suy giảm lực dính bám tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông.
  • Mô hình ứng xử vật liệu:
    • Bê tông: Sử dụng mô hình ứng xử đàn - giòn - dẻo phi tuyến dựa trên cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (LEFM) và tiêu chuẩn phá hủy đa trục trong không gian ứng suất, mô tả biến dạng nén dẻo và suy giảm độ bền kéo khi nứt.
    • Cốt thép: Mô hình ứng suất - biến dạng đàn hồi - dẻo có củng cố (elastoplastic with hardening).
    • Tương tác tiếp xúc: Mô hình phần tử dính bám trượt (bond-slip) phi tuyến biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất dính bám và độ trượt tương đối, có xét đến sự suy giảm liên kết do lượng gỉ ăn mòn tích tụ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp lý thuyết: Phân tích cơ chế ăn mòn điện hóa, cơ học phá hủy môi trường liên tục và môi trường rỗng.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Kiểm tra chỉ tiêu cơ lý vật liệu chế tạo mẫu: Xi măng Bỉm Sơn PC40, cát vàng, đá dăm, nước và cốt thép theo tiêu chuẩn.
    • Thiết kế cấp phối và đúc mẫu bê tông cấp độ bền 30 MPa; nén mẫu trụ xác định cường độ nén $f'_c$ và đo mô đun đàn hồi $E_c$.
    • Chế tạo dầm BTCT kích thước thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; thí nghiệm uốn tĩnh 4 điểm trên 02 mẫu dầm nguyên vẹn để xác định tải trọng phá hoại ban đầu $P_{max}$.
    • Thiết kế hệ thống gông dầm chuyên dụng tạo ứng suất uốn duy trì (mô phỏng tải trọng làm việc) và thực hiện ăn mòn gia tốc bằng phương pháp điện cực hóa trong bể dung dịch NaCl.
    • Đo đạc độ hao mòn khối lượng cốt thép sau khi tẩy gỉ, xác định tỷ lệ tổn hao tiết diện; thí nghiệm kéo uốn 4 điểm đến phá hoại các dầm đã ăn mòn để đo chuyển vị, tải trọng và vẽ đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị ($P - \Delta$).
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn phi tuyến ATENA để mô phỏng dầm thực nghiệm và dầm cầu mặt cắt chữ T thực tế; phân tích ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép và cấp ứng suất đến sức kháng uốn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép; thực trạng, tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở bản chất của hiện tượng ăn mòn kim loại trong bê tông, phân biệt cơ chế ăn mòn do cacbonat hóa và cơ chế ăn mòn điện hóa do ion $Cl^-$. Phân tích thực tế chỉ ra xâm nhập clo là nguyên nhân nguy hiểm và phổ biến nhất (chiếm 66% hư hại theo thống kê của GS. Mutsuyoshi tại Nhật Bản). Quá trình ăn mòn diễn ra qua hai giai đoạn theo mô hình Tuutti: giai đoạn khởi đầu (ion clo khuếch tán đến ngưỡng gây phá vỡ màng thụ động) và giai đoạn lan truyền (sinh gỉ trương nở, gây nứt vỡ bê tông bảo vệ và suy giảm tiết diện thanh thép).

Chương này trình bày chi tiết kết quả khảo sát thực tế tại các công trình ven biển Việt Nam: Cầu Kênh K13 (Tây Ninh), cầu cảng Bến Đầm (Bà Rịa - Vũng Tàu), cầu Diễn Kim (Nghệ An), cầu Bình Long (Bình Định), cầu Phước Lộc (TP.HCM), cầu Thạnh Đức (Quảng Ngãi). Kết quả khảo sát cho thấy cốt thép trong dầm bị gỉ sét nghiêm trọng, tiết diện giảm từ 40% đến 60%, cốt thép đai bị hoen gỉ nặng và đứt gãy; đo điện thế ăn mòn bằng thiết bị CANIN đạt mức -900 mV. Tại Đà Nẵng, đo đạc điện thế nửa pin theo tiêu chuẩn ASTM C876 tại các cảng Tiên Sa, Thuận Phước, Liên Chiểu, Nguyễn Văn Trỗi cho thấy xác suất ăn mòn cốt thép đều vượt 90% đến 95%.

Tổng quan các nghiên cứu trong nước (Cao Duy Tiến, Trần Thế Truyền, Phạm Văn Khoan, Vũ Ngọc Anh, Đào Văn Dinh, Phạm Đức Thọ...) và quốc tế (Fontana, Pourbaix, Thomas, Castel, Moawad, Narayan, Grassl...) cho thấy phần lớn chưa kết hợp thí nghiệm ăn mòn gia tốc với việc đặt tải trọng duy trì (gây ứng suất trong dầm) để đánh giá sự suy giảm sức kháng uốn. Đây là cơ sở thực tiễn để nghiên cứu sinh xác lập hướng tiếp cận của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của cấu kiện dầm BTCT

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết về cơ chế ăn mòn và mô hình tương tác cơ học:

  • Phân tích phản ứng hóa học chi tiết: Phản ứng cacbonat hóa làm suy giảm pH từ vùng kiềm 12,5 xuống 8. Phản ứng điện hóa do clorua diễn ra tại anốt ($\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-$) và catốt ($4e^- + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{OH}^-$), hình thành $\text{Fe(OH)}_2$, sau đó chuyển thành oxit sắt ngậm nước $\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot \text{H}_2\text{O}$.
  • Phân tích cơ chế trương nở: Sản phẩm gỉ sắt ngậm nước có thể tích gấp 2-4 lần hoặc 6-10 lần thể tích kim loại ban đầu. Sử dụng mô hình hình trụ thành dày để mô phỏng lớp bê tông bảo vệ chịu áp lực hướng tâm $q_r$. Xác định áp lực tới hạn $q_{r,c}$ gây nứt bề mặt bảo vệ dựa trên cường độ chịu kéo của bê tông $f_r$ và hệ số biến dạng từ biến.
  • Đánh giá định lượng mất mát hình học cốt thép: Xác định mất mát bán kính thanh thép $r_{s2}$ và tỷ lệ tổn hao khối lượng $\rho = M_{loss} / M_s$. Khi diện tích cốt thép suy giảm, sức kháng uốn của mặt cắt dầm giảm theo quy luật cơ học uốn cấu kiện BTCT.
  • Thiết lập các mô hình ứng xử vật liệu: Mô hình bê tông phi tuyến kết hợp cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (LEFM) và lý thuyết dẻo mô tả ứng xử đàn hồi - giòn - dẻo; mô hình ứng suất - biến dạng của cốt thép đàn dẻo có củng cố; mô hình tương tác dính bám trượt giữa cốt thép bị ăn mòn và bê tông xung quanh.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu dầm BTCT có xét đến tải trọng tác dụng

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm:

  • Chuẩn bị vật liệu và mẫu thử: Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cát, đá dăm, xi măng Bỉm Sơn PC40 và cốt thép. Thiết kế cấp phối bê tông cấp 30 MPa. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông $E_c$ và cường độ chịu nén mẫu trụ $f'_c$. Chế tạo các mẫu dầm BTCT nhịp giản đơn có kích thước và bố trí cốt thép dọc, cốt đai đồng nhất.
  • Thí nghiệm xác định tải trọng chuẩn $P_{max}$: Tiến hành uốn tĩnh 4 điểm trên 02 mẫu dầm đối chứng không bị ăn mòn để xác định giá trị lực phá hoại cực hạn $P_{max}$.
  • Thí nghiệm ăn mòn gia tốc có xét đến tải trọng: Chế tạo thiết bị gông dầm chuyên dụng bằng thép hình và bu lông cường độ cao để tạo và duy trì ứng suất uốn trong dầm ở các cấp tải trọng định trước. Đưa các dầm vào bể chứa dung dịch NaCl và áp dụng phương pháp ăn mòn điện hóa gia tốc bằng nguồn điện một chiều cưỡng bức:
    • Nhóm 01: Mẫu dầm ngâm ăn mòn gia tốc không gia tải (tải trọng duy trì $0 \cdot P_{max}$).
    • Nhóm 02: Mẫu dầm ngâm ăn mòn gia tốc có gia tải duy trì các cấp ứng suất.
  • Đo đạc và đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép: Sau thời gian ngâm ăn mòn (30 ngày), các dầm được lấy ra, dỡ tải, đập lấy cốt thép, tẩy sạch gỉ và cân khối lượng để xác định tỷ lệ hao hụt khối lượng $M_{loss}$ (%). Kết quả thực nghiệm xác lập rõ: Ở cùng thời gian và điều kiện môi trường, các dầm có gia tải uốn (chịu ứng suất duy trì) có mức độ hao mòn cốt thép cao hơn rõ rệt so với dầm không chịu tải do tác động của các vết nứt vi mô hình thành dưới tải trọng làm tăng tốc độ khuếch tán ion clo.
  • Thí nghiệm uốn phá hoại xác định sức kháng uốn còn lại: Thực hiện uốn tĩnh 4 điểm trên các nhóm dầm đã ăn mòn cho đến khi phá hoại hoàn toàn. Ghi nhận tải trọng phá hoại, đo độ võng chuyển vị tại giữa nhịp, xây dựng đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị ($P - \Delta$). Kết quả chỉ ra rằng khi mức độ ăn mòn cốt thép tăng (khảo sát tới mức hao mòn 25% tiết diện), sức kháng uốn của dầm giảm đáng kể, độ cứng uốn suy giảm và độ võng cực hạn khi phá hoại giảm mạnh.

Chương 4: Tính toán giải tích và mô phỏng số đánh giá ảnh hưởng của tải trọng tác dụng đến sức kháng của dầm cầu BTCT có xét đến sự ăn mòn của cốt thép

Chương 4 thực hiện việc mô hình hóa số và giải tích:

  • Mô phỏng số dầm thực nghiệm trên phần mềm ATENA: Khai báo đặc trưng cơ học phi tuyến của vật liệu bê tông (chịu nén dẻo, chịu kéo nứt theo năng lượng phá hủy $G_f$), cốt thép đàn dẻo có củng cố, phần tử tiếp xúc dính bám trượt phi tuyến giữa bê tông và cốt thép có xét đến tỷ lệ ăn mòn. Chia lưới phần tử hữu hạn, thiết lập các bước gia tải từng nấc tương tự thí nghiệm thực tế.
  • Kiểm chứng mô hình số với thực nghiệm: So sánh đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị ($P - \Delta$) giữa mô phỏng số ATENA và số liệu đo đạc thực nghiệm tại các cấp ăn mòn (đặc biệt tại mức ăn mòn 25% tiết diện ở các cấp tải trọng duy trì). Kết quả cho thấy đường cong mô phỏng bám sát kết quả thí nghiệm về độ dốc đàn hồi, điểm chảy dẻo và tải trọng phá hoại, chứng minh độ chính xác của mô hình phần tử hữu hạn đã thiết lập.
  • Tính toán giải tích dầm cầu BTCT: Sử dụng công thức lý thuyết giải tích theo tiêu chuẩn thiết kế để tính toán diện tích cốt thép còn lại theo thời gian ăn mòn, sự dịch chuyển trục trung hòa của vùng nén bê tông và sức kháng uốn danh định còn lại của dầm.
  • Mô phỏng số dầm cầu mặt cắt chữ T thực tế: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn dầm cầu chữ T BTCT nhịp giản đơn trong phần mềm ATENA. Thực hiện phân tích tham số khảo sát ảnh hưởng của:
    • Tỷ lệ mất mát diện tích cốt thép do ăn mòn (%) đến sức kháng uốn còn lại của dầm cầu.
    • Cấp ứng suất duy trì trong bê tông do tải trọng khai thác đến tốc độ suy giảm khả năng chịu lực.
    • Cường độ chịu nén của bê tông ($f'_c$) đến khả năng kháng uốn và làm chậm tốc độ phá hủy kết cấu dầm cầu bị ăn mòn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án làm rõ quy luật ảnh hưởng đồng thời của trạng thái ứng suất do tải trọng duy trì và môi trường xâm thực ion $Cl^-$ đến tốc độ ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm BTCT. Chứng minh bằng thực nghiệm và lý thuyết rằng ứng suất kéo do tải trọng thúc đẩy sự mở rộng các vết nứt vi mô trong lớp bê tông bảo vệ, làm gia tăng hệ số khuếch tán ion clo và đẩy nhanh quá trình tổn hao diện tích cốt thép.
  2. Thiết lập và kiểm chứng mô hình mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến trên phần mềm ATENA có tích hợp mô hình dính bám trượt (bond-slip) phi tuyến, cho phép mô phỏng chính xác ứng xử cơ học, sự suy giảm độ cứng và sức kháng uốn của dầm BTCT bị ăn mòn cốt thép dưới tác dụng của tải trọng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị gông dầm tạo tải trọng uốn duy trì phục vụ thí nghiệm ăn mòn gia tốc điện cực hóa trong điều kiện phòng thí nghiệm, cung cấp phương pháp thực nghiệm tin cậy để đánh giá ăn mòn kết cấu dưới tải.
  2. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm định lượng về mức độ hao hụt khối lượng cốt thép, sự suy giảm tải trọng phá hoại và đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị của dầm BTCT ở các mức độ ăn mòn khác nhau (khảo sát đến mức ăn mòn 25% diện tích cốt thép).
  3. Đưa ra ví dụ tính toán giải tích và mô phỏng số trên dầm cầu thực tế mặt cắt chữ T, hỗ trợ các kỹ sư và cơ quan quản lý giao thông trong việc đánh giá sức kháng uốn còn lại, dự báo tuổi thọ khai thác và lập kế hoạch sửa chữa, bảo trì công trình cầu BTCT vùng biển.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khi tính toán thiết kế độ bền lâu và đánh giá tuổi thọ kết cấu cầu BTCT vùng biển, cần đưa yếu tố ứng suất do tải trọng khai thác vào các mô hình dự báo lan truyền ăn mòn thay vì chỉ tính toán trên kết cấu ở trạng thái không tải.
  • Cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo TCVN 9346:2012, TCVN 12041:2017 và TCVN 12251:2020; nâng cao cấp độ bền bê tông và độ đặc chắc của hỗn hợp để hạn chế tốc độ thấm ion clo; kiểm soát chặt chẽ bề rộng khe nứt trong giai đoạn khai thác công trình cầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên các mẫu dầm BTCT thường nhịp giản đơn ở quy mô phòng thí nghiệm; chưa thực hiện thực nghiệm uốn trên dầm có kích thước thật do hạn chế về thiết bị thí nghiệm và điều kiện buồng ngâm ăn mòn gia tốc.
  • Thí nghiệm ăn mòn gia tốc sử dụng dòng điện cưỡng bức một chiều trong bể dung dịch muối NaCl giúp rút ngắn thời gian nhưng chưa phản ánh hoàn toàn chu kỳ khô - ẩm tự nhiên, tác động bào mòn cơ học của sóng biển và sự biến thiên nhiệt độ thực tế ngoài hiện trường.
  • Đối tượng tính toán mô phỏng dầm cầu thực tế mới tập trung vào dầm mặt cắt chữ T nhịp giản đơn chịu uốn thuần túy, chưa xét đến các dạng kết cấu phức tạp hơn (như dầm liên tục, dầm hộp, dầm dự ứng lực) hoặc trạng thái chịu lực kết hợp uốn - cắt.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số đối với dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (cáp dính bám và không dính bám) chịu tác động đồng thời của tải trọng và môi trường ăn mòn ion clo.
  • Nghiên cứu ứng xử của kết cấu dầm cầu BTCT bị ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng lặp, tải trọng mỏi kết hợp tác động ăn mòn hóa học và cơ học.
  • Xây dựng mô hình tính toán tích hợp đa tác nhân xâm thực (đồng thời ion clo và cacbonat hóa) và hiệu chỉnh các thông số mô phỏng dựa trên dữ liệu quan trắc dài hạn tại các công trình cầu khai thác ven biển Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo phục vụ các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông, Công trình thủy, Vật liệu xây dựng; cung cấp phương pháp luận nghiên cứu kết hợp giữa thí nghiệm ăn mòn điện cực gia tốc có gông tải trọng và phân tích cơ học phá hủy phi tuyến bằng phần mềm ATENA.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và kiểm định cầu: Tham khảo phương pháp tính toán sức kháng uốn danh định còn lại của mặt cắt dầm BTCT bị hao mòn cốt thép; sử dụng các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và mức độ hao hụt tiết diện để đánh giá khả năng chịu tải thực tế của công trình cầu cũ đang khai thác.
  • Các cơ quan quản lý hạ tầng giao thông (Khu Quản lý đường bộ, Sở Giao thông Vận tải các tỉnh ven biển): Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng kế hoạch kiểm tra, duy tu, bảo dưỡng định kỳ, đánh giá nguy cơ sập đổ và đưa ra quyết định gia cường, sửa chữa các công trình cầu BTCT vùng xâm thực mặn.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình thiết kế thiết bị gông tạo ứng suất dầm kết hợp bể ăn mòn điện hóa gia tốc trong Chương 3; quy trình thiết lập tham số vật liệu dính bám trượt và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn dầm chữ T trên phần mềm ATENA trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác nhân chính gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu cầu BTCT tại Việt Nam là gì?

Tác nhân nguy hiểm và phổ biến nhất là ion clo ($Cl^-$) từ môi trường biển. Theo số liệu thống kê của GS. Mutsuyoshi được luận án trích dẫn, hư hỏng do xâm nhập clo chiếm tới 66% tổng các hư hại ở kết cấu BTCT, trong khi ăn mòn do cacbonat hóa chỉ chiếm 5%. Khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm tại Việt Nam kết hợp với hơn 3000 km bờ biển tạo điều kiện cho ion clo khuếch tán nhanh qua lớp bê tông bảo vệ, phá vỡ màng thụ động bề mặt thép và gây ăn mòn điện hóa.

2. Tải trọng tác dụng (trạng thái ứng suất duy trì) ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ ăn mòn cốt thép?

Tải trọng khai thác gây ra ứng suất uốn trong dầm. Khi ứng suất vượt qua ngưỡng đàn hồi của bê tông, các vết nứt vi mô hình thành và mở rộng trong vùng chịu kéo của lớp bê tông bảo vệ. Các vết nứt này đóng vai trò như đường dẫn thuận lợi làm tăng đột biến hệ số khuếch tán của ion clo, nước và oxy vào cốt thép. Kết quả thực nghiệm tại Chương 3 chỉ ra rằng các mẫu dầm Nhóm 02 (chịu ứng suất duy trì) có tỷ lệ hao hụt khối lượng cốt thép cao hơn rõ rệt so với các mẫu dầm Nhóm 01 (không chịu tải) ở cùng điều kiện và thời gian ngâm ăn mòn.

3. Những cơ chế nào làm suy giảm sức kháng uốn của dầm BTCT khi cốt thép bị ăn mòn?

Theo luận án, sức kháng uốn của dầm BTCT bị suy giảm bởi ba cơ chế đồng thời:

  1. Sự suy giảm diện tích mặt cắt ngang chịu lực của các thanh cốt thép dọc do quá trình oxy hóa hòa tan sắt ở anốt.
  2. Sản phẩm gỉ sắt trương nở thể tích (gấp 2-4 lần hoặc 6-10 lần) tạo áp lực hướng tâm gây nứt dọc, tách lớp và làm vỡ lớp bê tông bảo vệ, làm mất tính toàn khối của mặt cắt.
  3. Lớp gỉ hình thành tại mặt tiếp xúc làm suy giảm nghiêm trọng lực dính bám giữa cốt thép và bê tông, cản trở sự truyền ứng suất kéo giữa hai vật liệu.

4. Luận án sử dụng phần mềm nào để mô phỏng số và mô hình vật liệu được thiết lập ra sao?

Tác giả sử dụng chương trình phần tử hữu hạn phi tuyến ATENA. Trong mô hình số:

  • Bê tông được mô phỏng theo luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - giòn - dẻo dựa trên cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (LEFM) và tiêu chuẩn phá hoại đa trục, xét đến hiện tượng nứt dẻo chịu kéo và suy giảm độ bền.
  • Cốt thép được mô hình hóa theo quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi - dẻo có củng cố.
  • Tương tác giữa bê tông và cốt thép được khai báo thông qua phần tử dính bám trượt (bond-slip) phi tuyến, cho phép mô phỏng sự trượt tương đối và suy giảm dính bám khi cốt thép bị ăn mòn.

5. Kết quả khảo sát thực tế tại các công trình cầu ven biển Việt Nam ghi nhận tình trạng hư hỏng ra sao?

Khảo sát tại các cầu Kênh K13 (Tây Ninh), cảng Bến Đầm (Bà Rịa - Vũng Tàu), Diễn Kim (Nghệ An), Bình Long (Bình Định), Phước Lộc (TP.HCM), Thạnh Đức (Quảng Ngãi) ghi nhận bê tông bảo vệ bị nứt rạn, vỡ vụn và bong tróc trơ cốt thép; cốt thép hoen gỉ nặng, mặt cắt ngang suy giảm từ 40% đến 60%, nhiều thanh cốt thép đai bị đứt gãy hoàn toàn. Đo điện thế ăn mòn bằng máy CANIN đạt mức -900 mV. Khảo sát tại các cảng Tiên Sa, Thuận Phước, Liên Chiểu, Nguyễn Văn Trỗi (Đà Nẵng) theo tiêu chuẩn ASTM C876 ghi nhận xác suất ăn mòn cốt thép đều vượt 90% đến 95%.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Võ Văn Nam đã giải quyết vấn đề đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép có xét đến tác dụng đồng thời của tải trọng khai thác. Thông qua việc kết hợp giữa thí nghiệm ăn mòn điện hóa gia tốc trên mẫu dầm có gông duy trì ứng suất và mô phỏng số phi tuyến bằng phần mềm ATENA, công trình đã xác lập mối quan hệ định lượng giữa tải trọng tác dụng, độ hao mòn cốt thép và sự suy giảm khả năng chịu lực của dầm. Các kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác thiết kế độ bền lâu, kiểm định, đánh giá an toàn và lập quy trình bảo trì cho các công trình cầu bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam.