Chương 1 “Tổng quan về các nghiên cứu tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo” chương này phân tích, ñánh giá các công trình nghiên cứu ñã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật 5 thiết ñến ñề tài luận án; nêu những vấn ñề còn tồn tại; chỉ ra những vấn ñề mà ñề tài luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2 “Nghiên cứu xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông”. Chương này trình bày: (1) Thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1202, (2) xây dựng công thức xác ñịnh hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo trong bê tông ASTM C1202,(3) áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán clo trong bê tông từ kết quả thí nghiệm thấm nhanh clo C1202, (3) dự báo hệ số khuếch tán clo trong bê tông. Chương 3 “ Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do xâm nhập clo”.
Chương này trình bày các khái niệm tuổi thọ, tuổi thọ sử dụng do xâm nhập clo. Xây dựng mô hình và phần mềm dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo theo hai giai ñoạn: giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn và giai ñoạn lan truyền ăn mòn. ðặc ñiểm khí hậu, và biến ñổi khí hậu ở Việt Nam. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam.
Chương 4 “Các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng và thí dụ tính toán”. Chương này sẽ sử dụng phần mềm lập trong chương 3 khảo sát ñưa ra các biện pháp kéo dài tuổi thọ sử dụng, các giải pháp ñưa ra là: giải pháp kết cấu là tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, giải pháp vật liệu với hai mục tiêu cơ bản là giảm hệ số khuếch tán D và tăng ngưỡng nồng ñộ clo gây ăn mòn thép. Giải pháp kết hợp kết cấu và vật liệu ñưa ra khuyến cáo chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thành phần bê tông ñể ñảm bảo ñược tuổi thọ sử dụng như mục tiêu yêu cầu. Áp dụng mô hình xây dựng dự báo tuổi thọ sử dụng của các bộ phận kết cấu cầu ven biển.
Phần “ Kết luận và kiến nghị” phần này sẽ trình bày các kết luận của luận án, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TUỔI THỌ SỬ DỤNG CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DO XÂM NHẬP CLO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Mở ñầu Các công trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam hiện ñang ñược thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập [1]. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là cầu phải ñược thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với các cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và ñộ bền. Các tài liệu về thiết kế và thi công cầu bê tông cốt thép hiện hành khá ñầy ñủ và chi tiết ñể ñảm bảo mục tiêu thi công ñược, an toàn và sử dụng ñược, có xét ñến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và ñộ bền [8,12,15,16,17,18].
Các tài liệu về thiết kế vật liệu bê tông ñể ñảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu ñã ñược biên soạn [6,10]. Vấn ñề ñảm bảo ñộ bền của cầu bê tông cốt thép cũng ñã ñược ñặt ra. Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất. Xâm nhập của clo và CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại và làm giảm ñộ bền, giảm tuổi thọ sử dụng.
Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO2 vào trong bê tông ñược hy vọng là nâng cao ñáng kể ñộ bền và tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông. Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông ñược GS Mutsuyoshi, (năm 2001) ñưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản (hình 1. Qua số liệu thống kê chúng ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn ñến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5%.1: Số lượng các hư hại quan sát ñược ở Nhật bản (nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001) [44] Việt nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 Km, có rất nhiều công trình cầu bê tông cốt thép nằm gần sát với biển. Trên thực tế các công trình cầu bê tông cốt thép nằm ven biển chịu tác ñộng mạnh của xâm nhập clo vào bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn ñến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện thép do ñó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng.
Trình tự chung của hầu hết các nghiên cứu ñều ñi theo hướng: ñộ bền của bê tông, xâm nhập clo vào bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông, tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép. Các hướng này có liên hệ mật thiết với nhau như bê tông có ñộ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt. Tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép theo xâm nhập clo là thời gian từ khi kết cấu bắt ñầu tiếp xúc với môi trường có ion clo ñến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc ñến khi ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện cốt thép làm giảm sức kháng xuống tới mức gây nguy hiểm cho trạng thái giới hạn chịu lực. ðể dự báo tuổi thọ sử dụng cần các nghiên cứu: (1) Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn khởi ñầu ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian khởi ñầu ăn mòn thường ñược ký hiệu là t1; (2) 8 Nghiên cứu dự báo thời gian của giai ñoạn lan truyền ăn mòn cốt thép trong bê tông, thời gian truyền ăn mòn thường ñược ký hiệu là t2.
Thời gian khởi ñầu ăn mòn cốt thép hầu hết ñều ñược dự báo dựa trên ñịnh luật thứ hai của Fick về khuếch tán. Giai ñoạn này phụ thuộc vào ñặc tính xâm nhập của ion clo vào trong bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, các ñặc ñiểm của môi trường và ngưỡng hàm lượng clo gây ăn mòn thép. Thời gian lan truyền ăn mòn phụ thuộc vào tốc ñộ ăn mòn, ñường kính cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và các tính chất cơ học của bê tông, cũng như các yếu tố môi trường, khí hậu. Hiện nay, việc nghiên cứu dự báo tuổi thọ sử dụng ñã và ñang ñược các hiệp hội khoa học xây dựng và vật liệu trên toàn thế giới rất quan tâm.2 Các nghiên cứu về ñộ bền và tuổi thọ sử dụng trên thế giới 1.1 Các nghiên cứu về lý thuyết ñộ bền của bê tông M.
Shetty trong tài liệu “ Concrete Technology: Theory and Practice” xuất bản năm 2005[43], ñã ñưa ra lý thuyết ñộ bền của bê tông như sau: Trong một thời gian dài, bê tông ñược coi là vật liệu có ñộ bền với yêu cầu ít hoặc không cần ñiều kiện bảo trì. Giả thiết này tương ñối ñúng trong ña số trường hơp, ngoại trừ khi bê tông ñược sử dụng trong môi trường khắc nghiệt: khu vực ñô thị và khu công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề; môi trường biển, môi trường có các ion clo. Trong các môi trường trên bê tông bị suy thoái, kém bền do như xâm nhập của các hóa chất như axit, sun phát, phản ứng kiềm cốt liệu, xâm nhập của clo, các bon nát hóa. ðộ bền của bê tông xi măng ñược Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-01 ñịnh nghĩa là khả năng chống các tác ñộng 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 ñược hình thức ban ñầu của nó. Bê tông bền cũng sẽ duy trì ñược chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực. 9 Trước ñây, các nghiên cứu ñều tập trung vào cường ñộ nén bê tông. Thực tế, tiến bộ trong công nghệ bê tông ñều liên quan ñến cường ñộ của bê tông.
Hiện nay do mức ñộ khắc nghiêt của ñiều kiện môi trường, nên cả cường ñộ và ñộ bền của bê tông cần phải ñược xem xét. Mối quan hệ giữa cường ñộ và ñộ bền cũng là vấn ñề ñáng ñược quan tâm và nghiên cứu. Khi thiết kế hỗn hợp bê tông hoặc thiết kế kết cấu bê tông, ñiều kiện tiếp xúc mà bê tông phải chịu sẽ ñược ñánh giá ngay từ ñầu. Nhiều báo cáo cho rằng ở các nước công nghiệp phát triển, hơn 40% tổng số nguồn lực của các ngành công nghiệp xây dựng ñược chi cho việc sửa chữa và bảo trì.
Hiện nay, bê tông ñược sử dụng ở tất cả những nơi có ñiều kiện thuận lợi và ñã ñược mở rộng ñến những môi trường rất khắc nghiêt, nên việc xem xét yếu tố ñộ bền của công trình xây dựng hiện ñại ñã trở nên quan trọng hơn nhiều so với trước ñây. Số lượng lớn các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp, tác ñộng của nước biển trên bê tông cần ñược quan tâm ñặc biệt. Các kết cấu ở vùng ven biển và kết cấu ngoài khơi chịu tác ñộng ñồng thời của một số quá trình suy thoái vật lý và hóa học. Bê tông trong nước biển sẽ phải chịu sự ăn mòn thép do clo gây ra, phong hóa muối, mài mòn bằng cát,.
Nước biển thường có 3,5 % muối theo trọng lượng, nồng ñộ ion của Na+ và Cl − là cao nhất, tương ứng là 1,1% và 2%. Nó cũng chứa Mg2+ và SO42-, tương ứng là 1,4% và 2,7%. ðộ PH của nước biển thay ñổi từ 7,5 và 8,4. Giá trị trung bình là 8.
Kinh nghiệm cho thấy những sự xâm nhập gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của nước biển xảy ra trong bê tông ở vùng lên xuống của thủy triều và vùng bắn tóe. Các bộ phận bên dưới mực nước thấp nhất, chúng bị ngâm liên tục sẽ chịu ảnh hưởng ít nhất [43]. Bê tông không phải là vật liệu 100% không thấm nước. Nước thấm vào bê tông mang theo các tác nhân gây ăn mòn thép.
Các sản phẩm ăn mòn có thể tích cao hơn vật liệu mà chúng thay thế và có thể gây ứng suất kéo trong 10 bê tông làm giảm ñô bền bê tông cốt thép. Hiện tượng ñộ bền suy giảm thường gặp trong trường hợp bê tông cốt thép hơn là trong bê tông [43]. Thiết kế thành phần ñể cải thiện ñộ bền bê tông trong nước biển là một nhiệm vụ phải ñược ñặt ra.