Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mở rộng vết nứt tới tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Nghiên cứu ảnh hưởng độ mở rộng vết nứt đến tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép, ứng dụng trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Bảo Việt
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Độ Mở Rộng Vết Nứt Đến Tuổi Thọ Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về độ bền công trình BTCT
• 1.2. Các khái niệm về độ bền
• 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền
• 1.4. Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT
• 1.5. Giới hạn bề rộng vết nứt trong TCVN
• 1.6. Ảnh hưởng bề rộng và chiều sâu của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua
• 1.7. So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể
• 1.8. Nhận xét và hướng nghiên cứu của luận văn
• 1.9. Mục tiêu của luận văn
• 1.10. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ VẾT NỨT KẾT CẤU BÊ TÔNG
• 2.1. Các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT
• 2.2. Nứt do thiết kế
• 2.3. Các quá trình liên quan đến nhiệt độ môi trường
• 2.4. Các quá trình liên quan đến tải trọng
• 2.5. Các quá trình liên quan lún
• 2.6. Các quá trình liên quan đến phản ứng vật liệu
• 2.7. Các biện pháp hạn chế
• 2.8. Các biện pháp liên quan đến thiết kế
• 2.9. Các biện pháp liên quan đến môi trường
• 2.10. Các biện pháp liên quan đến tải trọng
• 2.11. Các biện pháp liên quan đến lún
• 2.12. Các biện pháp liên quan đến vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƢỞNG VẾT NỨT TỚI HỆ SỐ KHUẾCH TÁN ION CLORUA CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG
• 3.1. Nghiên cứu thực nghiệm
• 3.2. Tổng hợp các nghiên cứu về ảnh hưởng vết nứt tới hệ số khuếch tán ion clorua của kết cấu bê tông
• 3.3. Đề xuất thực nghiệm xác định ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua của bê tông
• 3.4. Đề xuất mô hình lý thuyết
• 3.5. Tổng hợp các nghiên cứu về mô hình lý thuyết
• 3.6. Đề xuất mô hình lý thuyết
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ẢNH HƢỞNG CỦA VẾT NỨT TỚI TUỔI THỌ CỦA DẦM BTCT
• 4.1. Mô tả ví dụ tính toán
• 4.2. Tuổi thọ sử dụng của dầm BTCT theo tác động của sự xâm nhập clo trong môi trường ven biển
• 4.3. Phương trình tính toán tuổi thọ của dầm BTCT
• 4.4. Các thông số của dầm BTCT ví dụ tính toán
• 4.5. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT không nứt
• 4.6. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt
• 4.7. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt theo kết quả thí nghiệm (chương 3)
• 4.8. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt theo mô hình đề xuất (chương 3)
• 4.9. So sánh và thảo luận
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về độ bền công trình bê tông cốt thép

Chương này tập trung vào việc phân tích độ bền kết cấu của các công trình sử dụng bê tông cốt thép (BTCT). Các khái niệm về độ bền được định nghĩa từ nhiều góc độ, bao gồm khả năng chống lại các tác động bên ngoài như thời tiết, hóa chất, và ăn mòn. Tuổi thọ công trình được xác định là thời gian từ khi tiếp xúc với môi trường ion clorua đến khi xảy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép, dẫn đến nứt lớp bê tông bảo vệ. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền bao gồm cấu trúc bê tông, tỷ lệ nước/xi măng, và các yếu tố thiết kế khác.

1.1. Các khái niệm về độ bền

Độ bền của bê tông được hiểu là khả năng chống lại các tác động bên ngoài như thời tiết, hóa chất, và ăn mòn. Theo TS Phạm Duy Hữu, độ bền của bê tông còn liên quan đến khả năng chống lại các phản ứng kiềm - cốt liệu, tính thấm nước, và thấm clo. Các khái niệm này được củng cố bởi các nghiên cứu quốc tế, như M. Richardson và ASTM E 632, nhấn mạnh độ bền là khả năng duy trì hiệu suất của kết cấu trong thời gian dài.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền bao gồm cấu trúc bê tông, tỷ lệ nước/xi măng, và quá trình thiết kế. Cấu trúc bê tông đặc chắc với lỗ rỗng thấp giúp giảm khả năng thấm, từ đó tăng độ bền. Tỷ lệ nước/xi măng hợp lý cũng đóng vai trò quan trọng, vì tỷ lệ quá cao có thể gây phân tầng và giảm cường độ bê tông.

II. Các cơ chế hình thành và biện pháp hạn chế vết nứt

Chương này đi sâu vào các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép, bao gồm nứt do thiết kế, nhiệt độ, tải trọng, lún, và phản ứng vật liệu. Các biện pháp hạn chế vết nứt được đề xuất, tập trung vào thiết kế, môi trường, tải trọng, lún, và vật liệu. Các biện pháp này nhằm giảm thiểu tác động của vết nứt đến tuổi thọ kết cấu.

2.1. Các cơ chế hình thành vết nứt

Vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép có thể hình thành do nhiều nguyên nhân, bao gồm thiết kế không hợp lý, thay đổi nhiệt độ môi trường, tải trọng tác động, lún không đều, và phản ứng hóa học trong vật liệu. Mỗi nguyên nhân đều có cơ chế riêng, nhưng đều dẫn đến sự suy giảm độ bền kết cấu.

2.2. Các biện pháp hạn chế vết nứt

Các biện pháp hạn chế vết nứt bao gồm cải thiện thiết kế, kiểm soát môi trường, giảm tải trọng, xử lý lún, và sử dụng vật liệu chất lượng cao. Ví dụ, việc sử dụng phụ gia để giảm co ngót và tăng cường độ bê tông có thể giúp hạn chế vết nứt do co dẻo và co khô.

III. Ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua

Chương này tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua trong kết cấu bê tông. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa độ mở rộng vết nứt và hệ số khuếch tán ion clorua, từ đó đề xuất mô hình lý thuyết để dự đoán tuổi thọ kết cấu.

3.1. Nghiên cứu thực nghiệm

Các thí nghiệm được thực hiện để đo lường hệ số khuếch tán ion clorua trong các mẫu bê tông có vết nứt với các kích thước khác nhau. Kết quả cho thấy độ mở rộng vết nứt có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số khuếch tán ion clorua, làm tăng tốc độ xâm nhập của ion clorua vào bê tông.

3.2. Đề xuất mô hình lý thuyết

Dựa trên kết quả thí nghiệm, một mô hình lý thuyết được đề xuất để dự đoán hệ số khuếch tán ion clorua trong kết cấu bê tông có vết nứt. Mô hình này giúp đánh giá tuổi thọ kết cấu dựa trên độ mở rộng vết nứt và các yếu tố môi trường.

IV. Ví dụ tính toán ảnh hưởng của vết nứt đến tuổi thọ dầm BTCT

Chương này trình bày ví dụ tính toán tuổi thọ của dầm bê tông cốt thép chịu ảnh hưởng của vết nứt. Các phương trình tính toán được sử dụng để dự đoán tuổi thọ dựa trên độ mở rộng vết nứt và hệ số khuếch tán ion clorua. Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình.

4.1. Mô tả ví dụ tính toán

Ví dụ tính toán tập trung vào một dầm bê tông cốt thép trong môi trường ven biển, nơi ion clorua có thể xâm nhập và gây ăn mòn cốt thép. Các thông số của dầm, bao gồm kích thước, cường độ bê tông, và độ mở rộng vết nứt, được sử dụng để tính toán tuổi thọ.

4.2. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT

Phương trình tính toán tuổi thọ dựa trên hệ số khuếch tán ion clorua và độ mở rộng vết nứt được áp dụng. Kết quả cho thấy vết nứt làm giảm đáng kể tuổi thọ của dầm, đặc biệt khi độ mở rộng vết nứt lớn hơn 0.3 mm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến nhất toàn cầu với gần 2 tỷ tấn tiêu thụ hàng năm. Tuy nhiên, vấn đề suy giảm tuổi thọ các công trình sử dụng bê tông cốt thép (BTCT) đang trở nên nghiêm trọng. Theo báo cáo của các chuyên gia quốc tế, tại Hoa Kỳ, khoảng 15% trong số gần 586.000 cầu đường bộ đã suy giảm chất lượng, chủ yếu do lớp bê tông bảo vệ không đủ ngăn chặn hiện tượng ăn mòn cốt thép, gây thiệt hại hàng tỷ đô la mỗi năm. Tại Canada, chỉ khoảng 40% cầu đường bộ có tuổi thọ trên 40 năm, trong khi tại Pháp, 28% cầu bê tông trên mạng lưới quốc lộ có vấn đề về độ bền do ăn mòn cốt thép. Ở Việt Nam, với bờ biển dài và khí hậu nhiệt đới gió mùa, các công trình ven biển chịu tác động mạnh của ion clorua, thúc đẩy quá trình ăn mòn và giảm tuổi thọ kết cấu.

Vết nứt trong kết cấu BTCT là hiện tượng phổ biến, dù kết cấu vẫn có thể chịu lực bình thường khi có vết nứt nhỏ. Tuy nhiên, vết nứt làm tăng khả năng xâm nhập của các tác nhân ăn mòn như ion clorua, từ đó làm giảm tuổi thọ và độ bền công trình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định ảnh hưởng của độ mở rộng vết nứt tới tuổi thọ kết cấu BTCT, tập trung vào các cơ chế hình thành vết nứt, biện pháp hạn chế và mô hình tính toán tuổi thọ dựa trên kích thước vết nứt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào kết cấu BTCT bị nứt trong môi trường ven biển Việt Nam, với phương pháp kết hợp thực nghiệm, lý thuyết và mô hình hóa số.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Khái niệm độ bền và tuổi thọ kết cấu BTCT: Độ bền được hiểu là khả năng chống lại sự phá hoại do tải trọng và các tác nhân môi trường, trong khi tuổi thọ là thời gian kết cấu duy trì chức năng sử dụng hiệu quả. Độ bền và tuổi thọ có mối liên hệ chặt chẽ nhưng khác biệt về bản chất.

• Cơ chế hình thành vết nứt trong BTCT: Bao gồm nứt do thiết kế, thay đổi nhiệt độ môi trường, tải trọng, lún nền, phản ứng vật liệu (co dẻo, co khô, phản ứng kiềm-cốt liệu), và ăn mòn cốt thép. Mỗi cơ chế đều ảnh hưởng đến hình thái và kích thước vết nứt.

• Ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua: Vết nứt làm tăng hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông, đặc biệt khi bề rộng vết nứt vượt quá 30μm, làm tăng nhanh quá trình ăn mòn cốt thép. Mô hình lý thuyết đề xuất tính toán hệ số khuếch tán dựa trên bề rộng và chiều sâu vết nứt.

• Mô hình tính toán tuổi thọ kết cấu BTCT: Tuổi thọ được xác định dựa trên thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clorua qua lớp bê tông bảo vệ, có tính đến ảnh hưởng của vết nứt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu thực nghiệm thấm ion clorua trên các mẫu bê tông có vết nứt với các cường độ khác nhau, kết hợp với số liệu từ các nghiên cứu quốc tế và tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam.

• Phương pháp phân tích: Phân tích thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán ion clorua qua bê tông bị nứt, xây dựng mô hình lý thuyết mô phỏng ảnh hưởng của vết nứt đến hệ số khuếch tán. Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt và không nứt dựa trên mô hình hai giai đoạn ăn mòn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu bê tông được tạo vết nứt bằng các phương pháp cơ học như uốn ba điểm, ép chẻ, đảm bảo đa dạng về kích thước vết nứt để đánh giá ảnh hưởng toàn diện.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2017, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, thực nghiệm, mô hình hóa và tính toán tuổi thọ kết cấu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của bề rộng vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua: Khi bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30μm, hệ số khuếch tán ion clorua gần như không tăng so với bê tông không nứt. Tuy nhiên, khi bề rộng vượt 80μm, hệ số khuếch tán tăng nhanh, gấp khoảng 2-3 lần so với bê tông không nứt, làm tăng nguy cơ ăn mòn cốt thép.

2. Chiều sâu vết nứt cũng ảnh hưởng đáng kể: Vết nứt sâu hơn làm tăng diện tích tiếp xúc giữa ion clorua và cốt thép, từ đó rút ngắn thời gian khởi đầu ăn mòn. Ví dụ, chiều sâu vết nứt tăng từ 10mm lên 50mm làm giảm tuổi thọ kết cấu khoảng 20-30%.

3. Tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt giảm rõ rệt so với dầm không nứt: Tính toán cho thấy tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt giảm từ khoảng 50 năm xuống còn 30-35 năm tùy thuộc vào kích thước vết nứt và cường độ bê tông.

4. Mô hình lý thuyết đề xuất phù hợp với kết quả thực nghiệm: So sánh tuổi thọ tính toán theo mô hình với kết quả thực nghiệm cho thấy sai số dưới 10%, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao trong dự báo tuổi thọ kết cấu BTCT chịu ảnh hưởng vết nứt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng hệ số khuếch tán ion clorua là do vết nứt tạo ra các kênh dẫn thuận lợi cho ion xâm nhập sâu vào bê tông, phá vỡ lớp bảo vệ thụ động của cốt thép. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của vết nứt đến quá trình ăn mòn cốt thép. Việc giảm tuổi thọ kết cấu BTCT chịu nứt phản ánh rõ ràng tác động tiêu cực của vết nứt đến độ bền công trình, đặc biệt trong môi trường ven biển có nồng độ ion clorua cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa bề rộng vết nứt và hệ số khuếch tán ion clorua, cũng như bảng so sánh tuổi thọ dầm BTCT không nứt và chịu nứt theo các kích thước vết nứt khác nhau. Điều này giúp minh họa trực quan tác động của vết nứt đến tuổi thọ kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm soát bề rộng vết nứt trong thiết kế và thi công: Áp dụng các tiêu chuẩn giới hạn bề rộng vết nứt theo TCVN 5574:2012, ưu tiên sử dụng kết cấu ứng lực trước để hạn chế nứt, nhằm giảm hệ số khuếch tán ion clorua và kéo dài tuổi thọ kết cấu. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thiết kế và thi công; Chủ thể: các đơn vị thiết kế, thi công.

2. Sử dụng vật liệu bê tông chất lượng cao, tỷ lệ nước/xi măng hợp lý: Giảm tỷ lệ nước/xi măng để tăng cường độ bê tông, giảm lỗ rỗng và khả năng thấm ion clorua. Thời gian thực hiện: trong quá trình chuẩn bị vật liệu; Chủ thể: nhà thầu cung cấp vật liệu, nhà thầu thi công.

3. Áp dụng biện pháp bảo dưỡng bê tông nghiêm ngặt: Đảm bảo độ ẩm và nhiệt độ thích hợp trong giai đoạn bảo dưỡng để hạn chế hình thành vết nứt do co ngót và nhiệt thủy hóa. Thời gian thực hiện: ngay sau khi đổ bê tông; Chủ thể: nhà thầu thi công, giám sát công trình.

4. Thường xuyên kiểm tra, giám sát và xử lý vết nứt trong quá trình khai thác: Thiết lập kế hoạch kiểm tra định kỳ, sử dụng các phương pháp sửa chữa và gia cường phù hợp khi phát hiện vết nứt vượt giới hạn cho phép nhằm ngăn chặn sự phát triển của ăn mòn cốt thép. Thời gian thực hiện: trong suốt vòng đời công trình; Chủ thể: chủ đầu tư, đơn vị quản lý vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt cơ chế hình thành vết nứt và ảnh hưởng của chúng đến tuổi thọ kết cấu, từ đó áp dụng các tiêu chuẩn và biện pháp thiết kế phù hợp nhằm nâng cao độ bền công trình.

2. Nhà thầu thi công và giám sát: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến vết nứt trong quá trình thi công, áp dụng các biện pháp thi công và bảo dưỡng đúng kỹ thuật để hạn chế vết nứt và tăng tuổi thọ công trình.

3. Chuyên gia bảo trì và quản lý công trình: Sử dụng mô hình tính toán tuổi thọ và các kết quả thực nghiệm để lập kế hoạch kiểm tra, bảo trì và sửa chữa kịp thời, đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng công trình.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tham khảo các cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô hình hóa trong nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến tuổi thọ kết cấu BTCT, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

1. Vết nứt nhỏ có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ kết cấu không?
   Vết nứt nhỏ dưới 30μm gần như không làm tăng hệ số khuếch tán ion clorua đáng kể, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu là rất hạn chế. Tuy nhiên, khi vết nứt mở rộng trên 80μm, ảnh hưởng trở nên nghiêm trọng, làm giảm tuổi thọ kết cấu đáng kể.

2. Tại sao ion clorua lại gây ăn mòn cốt thép trong bê tông?
   Ion clorua phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép ngay cả khi môi trường bê tông còn kiềm, thúc đẩy quá trình ăn mòn điện hóa, làm giảm tiết diện cốt thép và gây nứt vỡ bê tông bảo vệ.

3. Phương pháp nào hiệu quả để hạn chế vết nứt trong thi công bê tông?
   Kiểm soát tỷ lệ nước/xi măng hợp lý, bảo dưỡng đúng kỹ thuật, sử dụng vật liệu chất lượng cao và áp dụng kết cấu ứng lực trước là các biện pháp hiệu quả để hạn chế vết nứt.

4. Mô hình tính toán tuổi thọ kết cấu BTCT dựa trên những yếu tố nào?
   Mô hình dựa trên thời gian xâm nhập ion clorua qua lớp bê tông bảo vệ, ảnh hưởng của bề rộng và chiều sâu vết nứt đến hệ số khuếch tán ion clorua, cùng các đặc tính vật liệu và điều kiện môi trường.

5. Làm thế nào để kiểm tra và xử lý vết nứt trong quá trình khai thác công trình?
   Thường xuyên kiểm tra bằng các phương pháp không phá hủy, đánh giá kích thước và mức độ ảnh hưởng của vết nứt, áp dụng sửa chữa như bơm keo epoxy, gia cường bằng thép dự ứng lực hoặc phủ lớp bảo vệ chống ăn mòn.

Kết luận

• Vết nứt trong kết cấu BTCT làm tăng hệ số khuếch tán ion clorua, thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép và giảm tuổi thọ công trình.
• Bề rộng và chiều sâu vết nứt là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xâm nhập ion clorua và tuổi thọ kết cấu.
• Mô hình lý thuyết đề xuất phù hợp với kết quả thực nghiệm, có thể ứng dụng trong tính toán và dự báo tuổi thọ kết cấu BTCT chịu ảnh hưởng vết nứt.
• Các biện pháp thiết kế, thi công và bảo dưỡng hợp lý có thể hạn chế sự hình thành và phát triển vết nứt, kéo dài tuổi thọ công trình.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải pháp kỹ thuật và vật liệu mới nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ kết cấu BTCT trong môi trường ven biển.

Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và quản lý công trình, đồng thời phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu tự lành vết nứt và công nghệ bảo vệ cốt thép. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Chƣơng 1: Tổng quan.1 Tổng quan về độ bền công trình BTCT 1.2 Vai trò vết nứt ảnh hưởng tới độ bền của công trình BTCT 1.3 So sánh, kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể. Chƣơng 2: Các cơ chế hình thành và các biện pháp hạn chế vết nứt kết cấu bê tông 2.1 Các cơ chế hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT.2 Các biện pháp hạn chế. Chƣơng 3: Ảnh hƣởng vết nứt tới hệ số khuếch tán ion clorua của kết cấu bê tông 3.1 Nghiên cứu thực nghiệm 3.2 Đề xuất mô hình lý thuyết 3 Chƣơng 4: Ví dụ tính toán ảnh hƣởng của vết nứt tới tuổi thọ của dầm BTCT 4.1 Mô tả ví dụ tính toán 4.2 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT không nứt 4.3 Tính toán tuổi thọ dầm BTCT chịu nứt 4.4 So sánh và thảo luận Kết luận và kiến nghị 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Tổng quan về độ bền công trình BTCT 1. Các khái niệm về độ bền 1. Các khái niệm về độ bền ở Việt Nam Viện sĩ. Bạch Đình Thiên và TS.

Trần Ngọc Tính xuất bản cuốn sách ― Công nghệ bê tông‖ năm 2004 [10]. Đã đề cập đến độ bền của bê tông như sau: Chất lượng của bê tông và sự làm việc của nó trong kết cấu và công trình được xác định bằng các tính chất của chúng. Tính chất quan trọng nhất của vật liệu là độ bền. Độ bền được gọi là khả năng chống lại sự phá hoại từ các tác dụng của nội ứng suất, xảy ra do kết quả của tải trọng hoặc các yếu tố khác.

Vật liệu nằm trong các công trình có thể chịu các nội ứng suất khác nhau: nén, kéo, uốn, cắt và xoắn. Bê tông là vật liệu chiụ nén tốt, chịu cắt kém và chịu kéo rất kém (khoảng 5-50 lần kém hơn khi nén). Vì vậy, các kết cấu xây dựng có thể được thiết kế sao cho bê tông trong chúng nhận các tải trọng nén. Khi cần thiết kế nhận các ứng suất kéo kết cấu cần có cốt.

Trong các kết cấu bê tông cốt thép ứng suất kéo và cắt do cốt thép chịu, chúng có sức bền cao đối với các loại ứng suất này. Vì vậy, một trong các tính chất quan trọng của bê tông là cường độ khi nén của chúng. Tuy nhiên có một số dạng riêng của kết cấu ( mặt đường, nền,.), trong đó bê tông cần nhận tải trọng kéo khi uốn. Trong trường hợp này, khi thiết kế các thành phần của bê tông xuất phát từ yêu cầu sự cần thiết nhận được cường độ định trước của bê tông khi uốn hoặc kéo.TS Phạm Duy Hữu và các công sự xuất bản cuốn sách ―Bê tông cường độ cao và chất lượng cao‖ năm 2008 [2].

Đã đề cập đến độ bền của bê tông như sau: Bê tông là vật liệu composit rất không đồng nhất mà độ bền của nó được hiểu là khả năng chống lại các tác động bên ngoài. Đặc biệt là phản ứng kiềm - cốt liệu, tính thấm nước, phản ứng cácbonát và thấm clo. Các khái niệm về độ bền trên thế giới M. Richardson ―Fundamentals of durable reinforced concrete‖ [13] đã đưa ra khái niệm độ bền của bê tông như sau: Độ bền được định nghĩa là khả năng để chống lại tác động thời tiết, tác nhân hóa học và ăn mòn trong khi vẫn duy trì các đặc tính kỹ thuật của nó mong muốn.

Nó thường dùng để chỉ thời gian làm việc hiệu quả của cấu kiện. Bê tông khác nhau đòi hỏi mức độ khác nhau về độ bền phụ thuộc vào môi trường tiếp xúc và đặc tính mong muốn. Theo ASTM E 632 [15] độ bền được định nghĩa là: Khả năng duy trì khả năng sử dụng của một sản phẩm, cấu kiện, bộ phận, lắp ráp, hoặc xây dựng trong thời gian xác định. Khả năng sử dụng được xem là khả năng của các cấu kiện để thực hiện chức năng mà chúng được thiết kế và xây dựng.

Shetty trong tài liệu ― Concrete Technology: Theory and Practice‖ xuất bản năm 2005 [12], đã đưa ra lý thuyết độ bền của bê tông như sau: Độ bền của bê tông được coi là khả năng làm việc bình thường của kết cấu bê tông, trong khoảng thời gian dài với yêu cầu ít hoặc không cần điều kiện bảo trì. 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, duy trì được chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực. Như vậy độ bền là một đại lượng đặc trưng cho tuổi thọ công trình.

Tuổi thọ của công trình được kéo dài hay không, phụ thuộc vào độ bền của kết cấu có được đảm bảo hay không. Tuy nhiên độ bền và tuổi thọ là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau. Trong luận văn này tuổi thọ của kết cấu BTCT phơi nhiễm clo được định nghĩa như sau: Tuổi thọ của kết cấu BTCT do xâm nhập ion clorua là thời gian bắt đầu tiếp xúc với môi trường ion clorua tới khi ion clorua gây ra ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt lớp bê tông bảo vệ hoặc giảm diện tích cốt thép làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu tới mức nguy hiểm. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền 1.

Các yếu tố trong quá trình thiết kế Cấu trúc bê tông: Bê tông có cấu trúc đặc chắc, lỗ rỗng thấp sẽ giảm khả năng thấm của bê tông, từ đó làm tăng độ bền. hỗn hợp cứng b. hỗn hợp dẻo Hình 1.1 Cấu trúc của bê tông Hình 1.1 chỉ ra rằng, với cấu trúc bê tông đặc chắc (hình 1.1a) thì lỗ rỗng thấp hơn hẳn so với cấu trúc bê tông ở hình 1. Tỷ lệ nước/xi măng: Tỷ lệ nước/xi măng phải hợp lý, vì nếu quá cao sẽ gây ra hiện tượng phân tầng, làm giảm cường độ của bê tông.2 Quan hệ giữa cường độ bê tông và tỷ lệ N/X [2] Ghi chú: S1: Biểu đồ Suzuki 1.

7 Ha: Công thức Hatori. ACI: Đường biểu diễn trên theo tra bảng ACI. Nhận xét: Tỷ lệ nước/xi măng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ của bê tông. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ N/X thực chất phụ thuộc vào thể tích lỗ rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa.

Từ biểu đồ trên,ncó thể thấy cường độ của bê tông tăng lên khi tỷ lệ N/X giảm đi. Lớp bê tông bảo vệ: Lớp bê tông bảo vệ có tác dụng bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn, nó ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân gây hại như ion clorua từ môi trường bên ngoài. Sau đây là biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đếnquá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông. Ghi chú: 5, 6, 7: ký hiệu các loại cốt thép có vị trí khác nhau.

a, b, c, d: ký hiệu các mặt của tiết diện bê tông.3 Bố trí cốt thép theo mặt cắt ngang mẫu bê tông [9] 8 Hình 1.4 Sự biến thiên dòng ăn mòn của các cốt thép 5, 6, 7 theo thời gian [9] Ta thấy dòng ăn mòn của các cốt thép là ổn định theo thời gian, điều này chứng tỏ các yếu tố của môi trường bê tông ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép là ít thay đổi. Tốc độ ăn mòn cốt thép thay đổi theo chiều dày lớp bê tông. Cốt thép số 7 ở sát ngoài cùng có dòng ăn mòn trung bình khoảng 0,8 A / cm 2 , tương đương tốc độ ăn mòn khoảng 8 m / năm. Cốt thép số 5 có dòng ăn mòn bé nhất, chỉ tương ứng với 3 m / năm.

Như vậy, tốc độ ăn mòn cốt thép giảm khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng, hay nói cách khác chiều dày lớp bê tông bảo vệ có tác dụng ngăn cản quá trình ăn mòn cốt thép [9]. Các yếu tố trong quá trình thi công Vận chuyển: Việc vận chuyển bê tông tươi không được để dẫn tới các hiện tượng sau [3]: - Phân tầng. - Mất các vật liệu thành phần trong hỗn hợp bê tông. - Làm giảm đi tính công tác.

- Tăng đáng kể nhiệt độ hỗn hợp bê tông. Giới hạn thời gian vận chuyển hỗn hợp bê tông cần được quy định về thời gian ninh kết của xi măng và bê tông.5 Vận chuyển bê tông bằng xe chuyên dụng (nguồn internet) Như vậy, quá trình vận chuyển bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của bê tông. Đổ bê tông: Bê tông cần phải được đổ sao cho giữ được tính đồng nhất, đầy hết ván khuôn, đảm bảo tính toàn khối, không xuất hiện vết nứt [3]. - Cần chú ý khi đổ bê tông sao cho không làm dịch chuyển các cốt thép ra khỏi vị trí đã quy định.

- Chiều cao đổ tự do của hỗ hợp không được cao hơn mức quy định. - Để đầm có hiệu quả thì chiều dày mỗi lớp đổ bê tông phải không được cao hơn mức quy định. - Cần phải có giải pháp đặc biệt khi đổ bê tông trong điều kiện thời tiết nóng để tránh bị mất nước nhanh. Biện pháp chủ yếu là giảm nhiệt độ bê tông và bảo dưỡng hợp lý.6 Hình ảnh đổ bê tông (nguồn internet) Đầm nén bê tông: Đầm nén bê tông để loại bỏ không khí ra khỏi bê tông.

Trong quá trình nhào trộn, vận chuyển, đổ khuôn bê tông, không khí sẽ cuốn vào 10 trong bê tông. Bê tông có tính công tác càng thấp thì lỗ rỗng cuốn khí vào càng nhiều, do đó cần công đầm nén nhiều hơn. Đầm nén cũng để đảm bảo độ đặc chắc và tính đồng nhất của bê tông. Thời gian đầm nén phải thích hợp vì thời gian đầm nén quá ngắn làm cho bê tông không đủ chặt, thời gian đầm nén quá dài sẽ gây ra phân tầng.7 Hình ảnh đầm cóc Hình 1.8 Hình ảnh đầm dùi (nguồn internet) (nguồn internet) Bảo dưỡng: Bảo dưỡng cần phải được tiến hành ngay sau khi đổ bê tông nhằm đảm bảo độ ẩm trong bê tông để bề mặt và chất lượng bê tông đạt được tiêu chuẩn thiết kế.

Thời gian bảo dưỡng phải đủ để bê tông đạt được cường độ yêu cầu. Việc bảo dưỡng bê tông cũng để làm tăng quá trình đóng rắn và độ bền, đồng thời cũng ngăn ngừa sự hình thành và phát triển của các vết nứt trong bê tông.9 Bảo dưỡng bê tông cột Hình 1.10 Bảo dưỡng bê tông sàn (nguồn internet) (nguồn internet) 11 1.