Đặt vấn đề Albert K. Kwan and Henry H. Wong [73] cho rằng, ngoại trừ những hư hỏng cơ học, tất cả các ảnh hưởng bất lợi đến độ bền của bê tông liên quan đến sự vận chuyển chất lỏng hoặc ion qua bê tông. Có bốn hoạt chất chủ yếu có tác động đến độ bền bê tông cốt thép trong thực tế, bao gồm: nước, oxy, cacbon đioxit và ion clorua.
Chúng có thể di chuyển qua bê tông theo những cách khác nhau: + Sự thẩm thấu (dòng chảy chịu tác động dưới một gradien áp lực) + Sự khuếch tán (dòng chảy chịu tác động dưới một gradien nồng độ) + Sự hút thấm bề mặt (dòng chảy chịu tác động dưới một sức hút mao dẫn) Trong thực tế sự hút thấm bề mặt thường không đáng kể, các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền là độ thấm của bê tông. Đây chính là 2 yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền của các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép nói chung và các công trình cầu nói riêng. Trong thực tế khai thác các công trình xây dựng, bê tông luôn chịu tác động của tải trọng. Thấm của nước và khuếch tán ion clorua qua bê tông lúc này sẽ khác so với trường hợp bê tông không chịu tải.
Đánh giá đặc điểm thấm của nước và ion clorua qua bê tông có ứng suất trong bê tông là một xu hướng nghiên cứu mới trong thời gian gần đây. Để có cơ sở cho việc đánh giá độ bền của bê tông và dự báo tuổi thọ dài hạn của các công trình bằng bê tông cốt thép, chương này sẽ trình bày các nội dung: + Tổng quan về độ bền của bê tông. + Các nghiên cứu về độ thấm nước và khuếch tán ion clorua của bê tông trên thế giới. + Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clorua.
+ Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn và thời gian lan truyền ăn mòn, tuổi thọ sử dụng. + Các nghiên cứu liên quan ở Việt Nam. Độ bền của bê tông 1. Khái niệm về độ bền của bê tông Độ bền của bê tông xi măng theo ACI 201.2R-08 [21] định nghĩa là "khả năng chống lại hoạt động thời tiết, ăn mòn hóa chất, mài mòn, hoặc bất kỳ quá trình suy thoái nào khác", có nghĩa là bê tông bền sẽ giữ lại hình thức ban đầu của nó, chất lượng, và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường.
Adam Neville [23] giải thích độ bền của bê tông là "Bê tông phù hợp cho các mục đích mà nó được dự định dưới các điều kiện mà bê tông dự kiến sẽ được tiếp xúc và với tuổi thọ dự kiến trong suốt thời gian đó bê tông vẫn tiếp tục phục vụ". Tuy nhiên, mặc dù độ bền của kết cấu được dự kiến, kết cấu sẽ phục vụ mà không có những hư hỏng đáng kể nào đến mức cần thiết phải có những sửa chữa lớn trước khi hết thời gian tuổi thọ thiết kế, nhưng không thể coi thiết kế độ bền là một giải pháp thay thế cho công tác bảo trì được. Ngay cả đối với một kết cấu được thiết kế và xây dựng với một tiêu chuẩn độ bền cao, cũng vẫn cần phải kiểm tra và bảo trì thường xuyên để khôi phục năng lực cho mục đích của kết cấu cần đáp ứng. Kết cấu bê tông cốt thép có thể bị hư hỏng do sự suy yếu của bê tông hoặc do quá trình ăn mòn các thanh cốt thép ở trong bê tông.
Nguyên nhân dẫn đến sự suy yếu của bê tông bao gồm phản ứng kiềm – cốt liệu, tác động hóa học, đóng băng và tan băng, mài mòn và cháy. Thường có sự hiểu lầm rằng tác động cacbonat và ion clorua sẽ gây ra sự phá hủy kết cấu bê tông. Tuy nhiên, trong thực tế, tác động cacbonat và ion clorua sẽ không gây ra bất kỳ thiệt hại riêng nào cho bản thân bê tông mà chúng chủ yếu là nguyên nhân phá hủy lớp màng bảo vệ cốt thép trong bê tông, dẫn tới quá trình ăn mòn cốt thép. Sự suy giảm của bê tông không phải là vấn đề thường gặp.
Trong hầu hết các trường hợp, nếu có bất kì vấn đề về độ bền của kết cấu bê tông, thì sự ăn mòn của các thanh cốt thép là nguyên nhân chính. Các chỉ tiêu về độ bền của bê tông Theo các định nghĩa ở trên, sự suy giảm độ bền kết cấu bê tông cốt thép khi tiếp xúc với môi trường có rất nhiều cơ chế. Trong phạm vi nghiên cứu ở luận án này, cùng với điều kiện, đặc điểm khí hậu Việt Nam, đặc biệt là ở các vùng ven biển thì cơ chế dẫn đến suy giảm được đánh giá chủ yếu thông qua các chỉ tiêu về độ bền như khả năng chống thấm của chất lỏng và sức kháng khuếch tán ion clorua qua bê tông. Ngoài ra, có thể kể đến hiện tượng cacbonat hóa, ăn mòn sunfat, ăn mòn hóa học do axit và nước biển.
Khả năng chống thấm chất lỏng qua bê tông Khả năng chống thấm của bê tông theo Mark G. Richardson [66] định nghĩa là 7 khả năng chống lại quá trình các chất lỏng thấm thấu qua một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng. Sự chênh lệch về độ ẩm, áp lực thủy tĩnh, ứng suất, nhiệt độ, và nồng độ các hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của các chất lỏng trong vật liệu rỗng; do vậy, sự di chuyển của dòng chất lỏng xảy ra để thiết lập lại sự cân bằng mới. Khả năng chống thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng, phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng.
Scrivener [80] cho rằng, khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống; và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh. Dưới các tác động cơ học như co ngót, từ biến hay nhiệt độ,., sẽ dẫn đến sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh. Sơ đồ thấm được minh họa trong Hình 1.1 - Ảnh hưởng của độ rỗng, dạng, kích thước đường rỗng và tính liên thông của các lỗ rỗng đến độ thấm của bê tông (Scrivener (2001) [80]) Năm 2000, Abbas nghiên cứu ảnh hưởng của không gian rỗng đến cường độ và độ thấm của bê tông [18], cho rằng cường độ bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên, độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông giữa các lỗ rỗng. Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ học, nhiệt độ cao, ăn mòn.) trong quá trình khai thác, thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh.
Thuật ngữ "tính thấm – permeability” thường được sử dụng phổ biến, tuy nhiên, theo cách bao trùm tất cả để chỉ các tính chất có ảnh hưởng đến sự xâm nhập. Quan hệ quan trọng giữa khả năng chống thấm chất lỏng và các cơ chế tác động tới độ bền của bê tông bao gồm hiện tượng cacbonat hóa, khuếch tán ion clorua gây ăn mòn cốt thép, ăn mòn sunfat, ăn mòn hóa học do axit và nước biển đã được thực 8 nghiệm qua nhiều nghiên cứu, đặc biệt là các nghiên cứu xem xét ảnh hưởng đồng thời của tải trọng và môi trường đến độ thấm của bê tông. Sức kháng khuếch tán ion clorua của bê tông Ăn mòn cốt thép trong bê tông là vấn đề phổ biến ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu bê tông cốt thép. Trong đó ăn mòn do ion clorua gây ra là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm, ảnh hưởng đến độ bền lâu dài của các kết cấu công trình [42].
Bê tông bảo vệ cốt thép từ các tác động vật lí và hóa học. Quá trình khuếch tán ion clorua chính là nguyên nhân dẫn đến sự tích tụ ion clorua trên thép, làm tăng nguy cơ ăn mòn cốt thép. Sau rất nhiều nghiên cứu, Viện khoa học CCAA (Cement Concrete & Aggregates Australia) của ÚC [41] cho rằng, sức kháng khuếch tán ion clorua phụ thuộc vào độ thẩm thấu của bê tông và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Trạng thái nguyên vẹn của lớp bê tông bảo vệ dưới tải trọng khai thác, điều kiện của sự rạn nứt và bề rộng vết nứt cũng ảnh hưởng đến sức kháng khuếch tán ion clorua của bê tông.
Ăn mòn cốt thép là một quá trình điện hóa. Do đó tính chất điện hóa của bê tông như điện trở suất là những thuộc tính quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép. Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông bảo vệ đặc chắc, thì môi trường kiềm trong bê tông đủ cao để tạo ra một lớp màng bảo vệ các cốt thép. Nếu màng bảo vệ này bị phá hủy, quá trình ăn mòn cốt thép sẽ xảy ra dẫn đến sự suy giảm diện tích mặt cắt ngang và khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu bê tông cốt thép.2R-01 [20], dạng ăn mòn điển hình nhất của cốt thép là ăn mòn điện hóa xảy ra do tác động xâm thực của các ion clorua qua bê tông.
Mặc dù còn tồn tại nhiều quan điểm về cơ chế xuyên thủng màng thụ động này, song về nguyên tắc hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất là khi độ pH của môi trường bê tông bị giảm đến một giới hạn nào đó thì hiện tượng xuyên thủng màng thụ động xảy ra. Trong cuốn sách “Các thuộc tính của bê tông” của Neville A.M xuất bản năm 2003 (trang 503) [71] có ghi, giới hạn của độ pH đủ để làm mất trạng thái thụ động, dao động trong khoảng từ 9 đến 11,5. Nguyên nhân dẫn đến độ pH của bê tông bị giảm có một số lý do: + Quá trình cacbonat hóa bê tông dưới tác dụng của CO2 có trong môi trường theo phản ứng: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (1.1) 9 Quá trình này diễn ra từ ngoài vào trong bê tông, theo thời gian. Tuy nhiên để quá trình cacbonat hóa diễn ra hoàn toàn (khi đó pH của bê tông chỉ còn khoảng 9) ngay cả khi có chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng cũng cần một khoảng thời gian dài (20 ÷ 30 năm trở lên).
Mặt khác kết quả khảo sát nhiều công trình thực tế chứng minh thậm chí những kết cấu bê tông có độ pH còn rất cao (lớn hơn 11,5) nhưng hiện tượng ăn mòn vẫn diễn ra.