CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Ở nước ta hiện nay các công trình xây dựng sau một thời gian đưa vào sử dụng một số công trình đã xuống cấp, hư hỏng và ảnh hưởng đến chất lượng công trình nên chúng ta cần phải đưa ra các biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng cấp công trình. Trước thực trạng xuống cấp, hư hỏng của các công trình xây dựng hiện nay như: Công trình dân dụng và công nghiệp, cầu đường, thủy lợi, điện lực,…ở Việt Nam hiện nay nói riêng cũng như trên thế giới nói chung có những nguyên nhân xuống cấp sau: Như chúng ta đã biết, các công trình xây dựng trong quá trình thiết kế đều có tuổi thọ nhất định. Trong một thời gian đưa vào sử dụng dưới tác dụng của các yếu tố tải trọng công trình, ngoại lực tác dụng vào như: Động đất, mưa, gió, bão,.
Sẽ ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp lên công trình làm chất lượng công trình chúng ta suy giảm về khả năng chịu lực, tuổi thọ công trình trong quá trình sử dụng. Chính vì vậy, để khắc phục những nhược điểm đó người ta nghĩ đến cách để tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu để đảm bảo sự ổn định, tính an toàn cho công trình bằng cách gia cường cho kết cấu. Gia cường là công tác khắc phục những vị trí hư hỏng, suy yếu, khuyết tật, xuống cấp trong bản thân kết cấu làm suy giảm khả năng chịu lực hay tính ổn định của công trình. Giúp cho công trình khôi phục lại và tăng khả năng chịu lực hoặc chịu thêm tải lớn hơn so với tải trọng thiết kế ban đầu.
Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây độ bền của các kết cấu BTCT lão hóa đã trở thành một trong những chủ đề quan trọng trong thiết kế các kết cấu mới để tiến hành bảo trì sửa chữa các kết cấu bê tông hiện có. Ứng xử của kết cấu BTCT có thể thể hiện qua (Hình 1.Theo thời gian sử dụng ứng xử của kết cấu dầm như độ võng bị tăng lên và chất lượng của bê tông kết cấu giảm xuống. Điều này là do tính chất phức tạp của môi trường tác động nên kết cấu BTCT và sự phản ứng của kết cấu BTCT. Độ võng của kết cấu tăng có thể do nguyên nhân đến từ thiết kế hoặc tải trọng khai thác tăng mạnh về số lượng và tải trọng.
Trong khi đó, chất lượng bê tông giảm có thể đến từ rất nhiều nguyên nhân như : do các yếu tố cơ học, vật lý, hóa học, sinh học, do các yếu tố kết cấu như vượt tải, lún và đặc biệt là do ăn mòn cốt thép. Sự xuống cấp của các kết cấu BTCT do ăn mòn đã trở thành mối quan tâm chính của độ bền kết cấu. Ăn mòn cốt thép do sự cacbonat hóa của bê tông, alkali – silica, sự tấn công của clo trong môi trường nước ven biển. Sự ăn mòn cốt thép dẫn đến hiện tượng trương nở cốt thép, làm bong bật lớp bê tông bảo vệ, phá vỡ bê tông, mất cường độ chịu kéo, giảm tiết diện cốt thép.
Nghiêm trọng hơn là dẫn đến tình trạng đứt cốt thép và gây nguy hại cho công trình ( Hình 1. Mối quan hệ ứng xử của kết cấu với thời gian [1] 8 Luan van Hình 1. Hư hỏng của kết cấu BTCT do ăn mòn [1] Hơn nữa ăn mòn cốt thép gây ra sự hư hỏng làm tăng chi phí rất lớn cho việc bảo trì và sữa chữa các kết cấu BTCT.1) cho thấy các ví dụ chi phí liên quan đến kết cấu BTCT xuống cấp do ăn mòn cốt thép. Ăn mòn cốt thép trong bê tông là một hiện tượng rất phức tạp.
Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông xảy ra bởi một quá trình điện hóa và gây ra sự tăng thể tích do hình thành các sản phẩm ăn mòn và sau đó gây ra ứng suất tách trong bê tông ( Hình 1. Cơ chế điện hóa ăn mòn cốt thép trong bê tông[1] 9 Luan van Bảng 1. Ví dụ chi phí liên quan đến thiệt hại của kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép (Source: http://www.htm) Country/ Structure type/ Cost Year of City Damage type reference United States Reinforced concrete bridges and $325 million – 2000 car parks due to deicing salts $1 billion per year. United States The estimated total cost to $78 billion – 1988 address bridge deficiencies in the United States depending on $112 billion time taken to meet the objective.
United Estimate of annual costs £550 million. Kingdom attributable to corrosion of reinforced concrete Toronto $110 million is to be spent by $110 million 2005 (Canada) this city on the repair of roads, sidewalks and bridges in 2005 .with a backlog of $235 million deferred due to budget constraints. Sự hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép thường được chia thành bốn giai đoạn chính như trong (Hình 1. Giai đoạn khởi đầu được định nghĩa là thời gian từ khi bắt đầu ăn mòn cốt thép cho đến khi ăn mòn cốt thép gây ra ứng suất trong bê tông vượt quá cường độ kéo bê tông và các vết nứt ban đầu được hình thành trong bê tông.
Giai đoạn lan truyền và giai đoạn tăng tốc được xác định khi vết nứt lan truyền và liên kết với nhau khi lượng ăn mòn cốt thép tăng. Cuối cùng là giai đoạn hư hỏng được xác định khi các vết nứt trở nên lớn và chúng gây ra sự bong tróc hoặc nứt vỡ lớp vỏ bê tông. Trong giai đoạn này, ăn mòn gây ra các vết nứt làm suy giảm đáng kể khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu bê tông. 10 Luan van Hình 1.
Các giai đoạn hư hỏng của kết cấu bê tông do ăn mòn cốt thép[1] Ngày nay, khi các cấu kiện và kết cấu xuống cấp do một vài nguyên nhân nào đó ảnh hưởng đến cốt thép chịu lực thì có rất nhiều phương pháp sửa chữa và gia cường. Đối với dầm BTCT, khi cốt thép bị rỉ, bê tông bị bong vỡ thì phương pháp đầu tiên là thay thế các cốt thép cũ hoặc gia cường thêm các thanh cốt thép mới. Khi đó, lớp bê tông bảo vệ phía ngoài sẽ được đục bỏ. Lớp cốt thép bị rỉ sẽ bị đánh sạch, thay thế hoặc gia cường thêm trước khi trám bê tông hoặc vữa để bảo vệ.
Ưu điểm của phương pháp này là không thay đổi tĩnh tải của kết cấu, do đó không ảnh hưởng đáng kể đến kết cấu phần dưới. Việc áp dụng phương pháp này kết hợp với các công nghệ vật liệu tiên tiến như vữa hay bê tông cường độ cao, có độ co ngót nhỏ, sức kháng ăn mòn cao vào để sửa chữa các kết cấu nói chung và kết cấu cầu nói riêng có thể mang lại hiệu quả cho công tác sửa chữa và gia cường. Tuy nhiên, công nghệ này chỉ áp dụng khi tỷ lệ cốt thép bị rỉ, hư hỏng nhỏ, biến dạng của kết cấu nhỏ và không ảnh hưởng nhiều đến kết cấu. Hơn nữa, phương pháp sửa chữa gia cường này có thể hạn chế trong việc tăng khả năng sức kháng của kết cấu.
11 Luan van Khi mức độ hư hỏng của cốt thép lớn và yêu cầu tăng cường thêm khả năng chịu tải của kết cấu, ngoài biện pháp gia cường sửa chữa thanh cốt thép thường còn phải sức kháng của kết cấu bằng các phương pháp như sửa chữa và gia cường bằng bản thép bằng epoxy được thực hiện năm 1975 ; sửa chữa gia cường kết cấu bằng phương pháp căng cáp dự ứng lực ngoài; sửa chữa và gia cường kết cấu tấm sợi carbon (CFRP) và tấm sợi thủy tinh (GFRP) ; sửa chữa và gia cường bằng tấm bê tông cường độ siêu cao (UFC). Các công trình BTCT tại Việt Nam hiện đang được thiết kế theo tiêu chuẩn tiên tiến và hội nhập. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn là phải được thiết kế thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn với tính cân nhắc tính kinh tế, mỹ quan và độ bền. Các tài liệu về thiết kế BTCT hiện hành khá đầy đủ và chi tiết để đảm bảo mục tiêu thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các yếu tố : khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan và độ bền.
Các tài liệu về thiết kế vật liệu bê tông để đảm bảo các mục tiêu thiết kế kết cấu đã được biên soạn. Vấn đề đảm bảo độ bền của bê tông của BTCT cũng đã được đặt ra. Trong lĩnh vực này, hiện tượng ăn mòn cốt thép là mối quan tâm lớn nhất. Xâm nhập của Clo và CO 2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại và làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng.
Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO 2 vào trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT. Các nguyên nhân gây hư hại bê tông được GS Musuyoshi ( năm 2001 ) đưa ra thống kê các kết cấu BTCT ở Nhật Bản ( Hình 1. Qua số liệu thống kê chúng ta có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu nhất dẫn đến các hư hại của các kết cấu BTCT là do xâm nhập Clo chiếm tới 66% các hư hại, trong khi do cacbonat hóa chỉ chiếm 5%. 12 Luan van Hình 1.
Số lượng hư hại quan sát được ở Nhật Bản ( nguồn dữ liệu Prof Hiroshi Mutsuyoshi 2001 ) [2] Việt Nam là một nước có bờ biển dài trên 3000km, có rất nhiều công trình BTCT nằm gần sát với biển. Trên thực tế các công trình nằm gần sát với biển chịu tác động mạnh của xâm thực clo vào bê tông gây ra ăn mòn thép dẫn đến nứt bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiết diện do đó giảm sức kháng lại các tải trọng sử dụng. Trình tự chung của các nghiên cứu đều đi theo hướng : độ 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 độ bền cao thường chống xâm nhập clo tốt.
Tuổi thọ sử dụng của bê tông cốt thép theo xâm nhập clo là thời gian từ khi kết cấu bắt đầu tiếp xúc với môi trường có ion clo đến khi cốt thép bị ăn mòn gây nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc đến 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.