CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ------------------------ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Sắt, thép là kim loại rất dễ bị gỉ. Từ các đồ vật bằng sắt, thép bày trong viện bảo tàng đến các vật dụng như dao thái rau…đều bị gỉ theo thời gian. Hàng năm, trên toàn thế giới có đến hàng triệu tấn thép biến thành sắt gỉ do quá trình ăn mòn [1]. Cũng như vậy trong các nguyên nhân chính gây hư hỏng,làm giảm tuổi thọ cầu có một nguyên nhân liên quan tới các điều kiện môi trường hay nói cách khác đó là gỉ sắt.
Gỉ là các sản phẩm của quá trình ăn mòn hình thành do nhiều nhân tố: như các muối hòa tan trong nước, bề mặt trên các sản phẩm bằng sắt không sạch, độ thô ráp, thành phần cacbon trong thép v.v…có cơ chế chung là phản ứng của thép với hơi nước, oxy và tạp chất khác trong không khí. Các hình thái ăn mòn của thép [1] [2]. - Ăn mòn khô: hình thành do phản ứng của sắt với các chất khác trong môi trường ở điều kiện nhiệt độ cao. - Ăn mòn ướt: là quá trình được hình thành do phản ứng điện hóa của sắt với nước và oxy có trong môi trường ở nhiệt độ bình thường.
Đây là quá trình ăn mòn chủ yếu. -13- Ăn mòn tổng thể (ăn mòn đều): Dạng ăn mòn này rất phổ biến với những đặc điểm sau: tốc độ ăn mòn mọi chỗ trên bề mặt gần như đều nhau. Tốc độ ăn mòn dạng này thường chậm nên ở giai đoạn đầu ít gây tổn hại đến kết cấu. Ăn mòn cục bộ: Dạng ăn mòn này xảy ra tại một số phần diện tích bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn.
Hiện tượng này rất phổ biến và rất đa dạng, có thể chia thành các loại sau: Ăn mòn do tiếp xúc: Khi có 2 kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau hoặc hợp kim có thành phần khác khác nhau tiếp xúc với môi trường chất điện li sinh ra hiện tượng ăn mòn tiếp xúc. Quá trình ăn mòn diễn ra như là sự hoạt động của một pin điện khép kín mạch. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào hiệu số điện thế ăn mòn của 2 kim loại trong dung dịch chất điện li, điện trở của dung dịch điện li, pH, nhiệt độ môi trường. Ăn mòn khe: Tại những khe giữa các mặt bích có lớp đệm của các chỗ nối 2 tấm kim loại, hoặc các vị trí đinh tán, bu lông có thể sinh ra ăn mòn cục bộ.
Ăn mòn lỗ (ăn mòn điểm): là một dạng ăn mòn tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ, độ sâu lỗ có thể lớn hơn đường kính của nó. Dạng ăn mòn này xảy ra trên các kim loại, hợp kim có màng thụ động hoặc có lớp phủ bảo vệ bị xuyên thủng. Phản ứng ăn mòn sinh ra từ môi trường có nước và oxi hiện diện. Trong bầu khí quyển thì oxi được cung cấp, nước có được do mưa hoặc do quá trình ngưng tụ ẩm.
Vì vậy, khi tiếp xúc trực tiếp với sắt thép thì phản ứng ăn mòn sẽ xảy ra. Tuy nhiên, tốc độ ăn mòn, mức độ ăn mòn và phạm vi ăn mòn phụ thuộc vào các điều kiện môi trường như nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, lượng muối có trong không khí (từ biển), khí thải xe cộ, khói thải từ các nhà máy khu công nghiệp…Đối với khu vực biển, thép dễ dàng bị gỉ do lượng muối thổi vào từ biển bám trên bề mặt thép gây ra các phản ứng ăn mòn. Do đó, so với các khu vực khác, khu vực biển là nơi có mức độ ăn mòn nghiêm trọng nhất.1: Quá trình ăn mòn bề mặt thép. Gỉ sắt vừa xốp, vừa mềm giống như bọt biển nên sẽ dễ dàng hấp thụ nước và nhanh chóng bị rã nát.
Gỉ thép trong quá trình bảo quản, gia công lắp dựng trước khi sử dụng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng công trình xây dựng. Vì gỉ thép không những làm suy giảm lực liên kết giữa thép với lớp bảo vệ bên ngoài làmmất khả năng bảo vệ của các lớp phủ mà hơn nữa nó còn là nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn, sớm phá hủy kết cấu đặc biệt là đối với công trình xây dựng vùng biển. Người ta đã nghĩ ra nhiều biện pháp để chống sắt thép bị gỉ như phương pháp cơ học, điện hóa, hóa học, thay đổi môi trường. Phương pháp thông dụng nhất là khoác cho các đồ vật bằng sắt thép một bộ “áo khoác”.
Và sơn và mạ là các biện pháp đơn giản để chống gỉ sắt. Bên cạnh đó có một biện pháp triệt để nhất để chống sắt gỉ là sử dụng chất biến đổi gỉ là giải pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam bước đầu cho thấy sử dụng chất biến đổi gỉ xử lý gỉ thép an toàn, đảm bảo khả năng chống ăn mòn, không độc hại, dễ sử dụng và chi phí thấp. Ở các nước công nghiệp, nhiều cầu thép đã được xây dựng bằng những công nghệ cao liên quan đến các phương pháp xây dựng mới, vật liệu thép mới và phương pháp quản lý mới.
Và thép chịu thời tiết được biết đến là vật liệu chịu được ăn mòn trong một số điều kiện môi trường nhất định mà không cần sơn bảo vệ trong thời gian khai thác.2: Các phương pháp bảo vệ ăn mòn cầu thép. Như vậy có thể thấy việc sử dụng vật liệu thép chịu thời tiết trong ngành xây dựng là một trong các biện pháp bảo vệ ăn mòn. Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa hàm lượng cacbon dưới 0,2% vàmột hàm lượng nhỏ khoảng2%các nguyên tố chống ăn mòn như đồng (Cu), niken (Ni), crom (Cr), Mangan (Mn), Silic (Si) và Photpho (P) [3].3: Các thành phần thép chịu thời tiết [3]. -16- Trong thời gian khai thác cấu kiện thép sẽ có một lớp gỉ mỏng bám dính tốt trên bề mặt thép xuất hiện dần dần, lớp gỉ này sẽ có tác dụng kháng ăn mòn, ngăn chặn sự tiến triển tiếp theo vào sâu hơn của quá trình gỉ và được gọi là lớp gỉ bảo vệ.
Vì vậy, các cầu thép làm bằng loại thép chịu thời tiết có ưu điểm vượt trội là hạn chế ăn mòn.4: So sánh lượng ăn mòn của thép thường với thép chịu thời tiết [4]. Do vậy, tỷ lệ sử dụng thép thời tiết trong cầu thép ở Nhật Bản đã tăng lên nhanh chóng, khoảng gấp ba lần trong 10 năm qua, và bây giờ vượt quá 15%. Các nền tảng để gia tăng đáng kể này bao gồm [5]: Tiết kiệm chi phí vật liệu, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng trong suốt thời gian sử dụng công trình cầu (Life cycle cost – LCC) hay chi phí duy tu bảo dưỡng cầu là thấp nhất, đáp ứng với tình trạng thiếu lao động dự kiến trong tương lai do tỷ lệ sinh thấp. Tiến bộ trong công nghệ liên quan tới thép thời tiết, chẳng hạn như sự xuất hiện của thép thời tiết gia thêm Ni chống ăn mòn cao có thể được áp dụng trong môi trường không khí có nồng độ muối cao và sử dụng các phương pháp xử lý gỉ sắt ổn định mà duy trì diện mạo ban đầu của cây cầu đồng thời ngăn gỉ sắt chảy.
Qua thời gian sử dụng và khai thác các công trình sử dụng thép chịu thời tiết trên thế giới người ta đã nhận ra những ưu điểm vượt trội của loại vật liệu này [5]: Chi phí bảo trì, bảo dưỡng là thấp nhất. -17- Đối với công trình xây dựng thông thường thì việc bảo trì, bảo dưỡngđịnh kỳ là cần thiết để đảm bảo kết cấu hoạt động tốt. Do đó, thép chịu thời tiết là vật liệu lý tưởng cho những nơi tiếp cận khó khăn hoặc nguy hiểm và những vị trí mà sự hư hỏng cần được giảm đến mức tối thiểu. Tiết kiệm chi phí đầu tư.
Giá thành xây dựng ban đầu của cầu thép chịu thời tiết cao hơn so với cầu thép thông thường nhưng ta cần xét đến chi phí sơn bảo vệ chiếm khoảng 5-15% chi phí xây dựng ban đầu của kết cấu phần trên, mà đối với thép chịu thời thiết thì viêc sơn là không cần thiết. Do vậy cầu thép chịu thời tiết có giá thành thấp hơn so với cầu thép thông thường. Giảm thiểu chi phí vòng đời. Chi phí vòng đời của cầu (Life cycle cost – LCC) là tổng tất cả các chi phí bao gồm chi phí xây dựng cầu ban đầu, chi phí bảo trì trong suốt tuổi thọ hoạt động của cầu.
Loại vật liệunàysở hữumộtđặc tính riêng biệt là ức chếsự phát triển củaviệc ăn mònbởimột lớpgỉmịn và kín khíthình thànhtrênbề mặtthépcủa chính nó: Khi lớp gỉ phát triển, mức độăn mòn giảmdần đếnmứchầu nhưkhônggâythiệt hạitheoquan điểmkỹ thuật. Vì vậy,việc sơn chống gỉ trong suốt thời gian hoạt động làkhông cần thiết đối vớinhữngcây cầuthép chịu thời tiết nên đã tiết kiệm khá lớn chi phí vòng đời. Diện mạo hấp dẫn Trong thời gian đầu khoảng 1-2 năm sau khi đưa vào sử dụng bề mặt của cầu thép chịu thời tiết sẽ gỉ rất nhiều không được đẹp mắt nhưng sau đó lớp gỉ sẽ trở nên ổn định có màu sắc đẹp mắt hơn theo thời gian. Giảm thiểu ô nhiểm môi trường Việc không sơn đã giảm được đáng kể các tác động xấu đến môi trường do sự rơi vãi bụi từ công tác sơn, lượng khí thải sơn và bụi bẩn do việc bảo dưỡng trong tương lai.
Giảm thiểu tác động xấu đến con người -18- Loại trừ công tác sơn bảo vệ đã giảm thiểu những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người.2 NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VỀ CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT Sự ra đời của thép chịu thời tiết xuất phát từ sự phát triển của thép có chứa đồng gọi là thép đồng [3]. Năm 1910, Buck nhận thấy rằng khi cho thép tấm với 0,07% Cu do US Steel sản xuất tiếp xúc với môi trường ăn mòn khí quyển thì có khả năng kháng ăn mòn cao hơn 1,5-2% so với thép cacbon thông thường. Năm 1911, US Steel bắt đầu sản xuất thép tấm có chứa một lượng đồng nhất định. Vào những năm 1920, US Steel nghiên cứu phát triển một loại thép có khả năng kháng ăn mòn thời tiết mới là thép hợp kim thấp cường độ cao HSLA, loại thép này chủ yếu dành cho ngành công nghiệp đường sắt.
Năm 1933, US Steel ra mắt sản phẩm thép chịu thời tiết đầu tiên có tên gọi USS Cor-ten có 2 loại: Thép USS Cor-ten A: chứa hàm lượng photpho 0,07-0,15%. Thép USS Cor-ten B: chứa hàm lượng photpho ≤ 0,04%. Trong năm 1941, thép chịu thời tiết đầu tiên đã được chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM A-242; thép này là tương đương với loại thép USS Cor-Ten A.