Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất liên kết giữa bê tông và thép bị ăn mòn

• Tác giả: Doan Dinh Thien Vuong
• Người hướng dẫn: PhD. Nguyen Thanh Hung
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Civil Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Ứng Suất Liên Kết Giữa Bê Tông Và Thép Bị Ăn Mòn
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• 1. CHAPTER 1: APPROACH, RESEARCH METHOD
• 1.1. THEORETICAL BASIS OF THE STUDY
• 1.1.1. CORROSION PROCESS OF REINFORCEMENT IN CONCRETE
• 1.1.1.1. Environmental Severity Factors Influencing Corrosion
• 1.1.1.2. Identifying And Recognizing Common Forms Of Corrosion
• 1.1.1.3. Electrochemical cell and corrosion in concrete
• 1.1.1.4. Theoretical and practical corrosion levels
• 1.1.2. BOND STRESS OF CONCRETE AND REINFORCEMENT
• 1.1.2.1. Bonding between concrete and reinforcement
• 1.1.2.2. Factors that contribute to bonded – stress
• 1.1.2.3. Factors affecting bonded – stress
• 1.1.2.4. Determine bonded – stress
• 1.1.2.5. The purpose of the experiment is to determine the properties of concrete and reinforcement when it is corroded
• 2. SIMULATE THE PULL OUT EXPERIMENT BY THE FINITE ELEMENT METHOD
• 2.1. Research purpose and object
• 2.2. Introduction to ANSYS software
• 2.3. Finite element simulation
• 2.4. Modeling geometry and meshing
• 2.5. PROCESS AND EVALUATION OF EXPERIMENTAL RESULTS
• 2.5.1. Number of specimens tested
• 2.5.2. Electrolymification corrosion time calculation
• 2.6. CONCRETE MIX DESIGN
• 2.7. THE EXPERIMENT TO DETERMINE BOND STRESS OF REINFORCEMENT TO CONCRETE WHEN CORRODED
• 2.7.1. Results and discussion
• 2.7.2. Results of bond strength with further corroded specimens
• 2.7.3. Crack opening after artificial corrosion
• 2.7.4. Bond stress-slip relationships
• 3. THE EXPERIMENT TO EVALUATE THE CHARACTERISTICS AND TENSILE STRENGTH OF REINFORCEMENT WHEN BEING CORRODED
• 3.1. Coefficient of corrosion grade rating is based on d and r
• 3.2. Coefficient of corrosion mass rating is based on w
• 3.3. Bearing capacity of reinforcement when corrosive
• 3.4. SIMULATE ANALYSIS OF EXPERIMENT RESULTS BY ANSYS
• 3.5. SIMULATION OF TENSILE TEST
• 3.6. FE bond-slip model using Cohesive Zone Model (CZM)
• 3.6.1. Modeling of concrete
• 3.6.2. Reinforcing bar model
• 3.6.3. Reinforcing bar element
• 3.6.4. Cohesive Zone Model (CZM)
• 3.6.4.1. Deriving Basic FEM Equations
• 3.6.4.2. Discretisation of the Variational Statements of the Interface
• 3.6.4.3. Deriving the Cohesive Element Stiffness Matrix
• 3.7. Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M1 group specimens
• 3.8. Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M2 group specimens
• 3.9. Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M3 group specimens
• 3.10. Results of simulation of bond stress when corroded and ultra – high perfomance concrete (UHPC)
• 4. CONCLUSION AND FUTURE PLAN
• MỞ ĐẦU
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ứng suất liên kết giữa bê tông và thép bị ăn mòn. Các kết cấu bê tông cốt thép thường gặp phải tình trạng xuống cấp do sự xâm nhập của nước và ion clorua, dẫn đến sự ăn mòn của các thanh thép. Điều này làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của công trình. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất liên kết, bao gồm đường kính thanh thép, cường độ nén của bê tông và mức độ ăn mòn. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và bảo trì các công trình xây dựng.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Việc hiểu rõ về ứng suất liên kết giữa bê tông và thép giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả hơn, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của các công trình. Hơn nữa, việc khảo sát các yếu tố như cường độ nén và mức độ ăn mòn sẽ giúp xác định các biện pháp bảo trì phù hợp, giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho các kết cấu bê tông cốt thép.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm kéo ra để khảo sát ứng suất liên kết giữa bê tông và thép. Các mẫu thử nghiệm được chế tạo với các đường kính thanh thép khác nhau (12mm, 16mm, 20mm) và cường độ nén của bê tông được điều chỉnh ở các mức 25MPa, 35MPa và 45MPa. Mẫu thử nghiệm được đặt trong môi trường ăn mòn với nồng độ NaCl 3.5% để mô phỏng điều kiện thực tế. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ứng suất liên kết tăng khi cường độ nén của bê tông tăng, trong khi mức độ ăn mòn làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của các thanh thép.

2.1. Thiết kế thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc xác định các thông số như đường kính thanh thép, cường độ nén của bê tông và mức độ ăn mòn. Các mẫu bê tông được đúc với kích thước 20x20x20cm, trong đó các thanh thép được nhúng vào. Thí nghiệm kéo ra được thực hiện để đo lường ứng suất liên kết. Kết quả cho thấy rằng cường độ nén cao hơn dẫn đến ứng suất liên kết lớn hơn, trong khi mức độ ăn mòn cao làm giảm đáng kể độ bền của mẫu thử.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ứng suất liên kết giữa bê tông và thép bị ăn mòn có sự thay đổi rõ rệt theo các yếu tố như đường kính thanh thép và cường độ nén của bê tông. Cụ thể, các mẫu có đường kính lớn hơn và cường độ nén cao hơn cho thấy ứng suất liên kết tốt hơn. Mức độ ăn mòn được phân loại thành ba mức: thấp, trung bình và nghiêm trọng, với sự giảm sút ứng suất liên kết tương ứng. Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) cũng được áp dụng để mô phỏng và xác nhận các kết quả thí nghiệm, cho thấy sự phù hợp tốt giữa mô hình và thực nghiệm.

3.1. Phân tích kết quả

Kết quả cho thấy rằng ứng suất liên kết giảm theo tỷ lệ tuyến tính khi mức độ ăn mòn tăng lên. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện thực tế. Các mô hình FEM cho thấy rằng các yếu tố như đường kính thanh thép và cường độ nén của bê tông có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu. Kết quả này có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế và bảo trì các công trình xây dựng, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sử dụng.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng suất liên kết giữa bê tông và thép bị ăn mòn chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố như đường kính thanh thép, cường độ nén của bê tông và mức độ ăn mòn. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng FEM cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi của các thanh thép bị ăn mòn trong môi trường bê tông. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong việc thiết kế kết cấu mà còn trong việc bảo trì và nâng cấp các công trình hiện có.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để mở rộng nghiên cứu, cần thực hiện thêm các thí nghiệm với các loại bê tông khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau. Việc áp dụng các công nghệ mới trong việc bảo vệ bê tông và thép khỏi ăn mòn cũng nên được xem xét. Các nghiên cứu tiếp theo có thể giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu chi phí bảo trì.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sau nhiều năm sử dụng, các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường bị xuống cấp do nhiều nguyên nhân, trong đó ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chính. Quá trình ăn mòn xảy ra khi nước (H2O), oxy (O2) và ion clorua (Cl-) xâm nhập qua lớp bảo vệ bê tông, phá hủy màng thụ động bảo vệ thép, dẫn đến giảm ứng suất bám dính giữa cốt thép và bê tông. Tại Việt Nam, do điều kiện khí hậu nóng ẩm, hàm lượng ion clorua cao, các công trình BTCT bị ăn mòn nhanh hơn so với nhiều quốc gia khác, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và độ an toàn của công trình. Ví dụ, tại cảng Cửa Cấm (Hải Phòng) sau 30 năm sử dụng, mức độ ăn mòn cốt thép lên đến 45%, gây bong tróc lớp bê tông bảo vệ và phá hủy kết cấu.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như đường kính cốt thép, cường độ nén bê tông và mức độ ăn mòn đến ứng suất bám dính giữa bê tông và cốt thép bị ăn mòn. Nghiên cứu thực nghiệm kéo ra được thực hiện trên các mẫu bê tông có cường độ nén 25MPa, 35MPa và 45MPa, với các thanh thép đường kính 12mm, 16mm và 20mm, bị ăn mòn nhân tạo trong môi trường NaCl 3,5% với các mức độ 0%, 5%, 15% và 25%. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá độ bền và tuổi thọ của các công trình BTCT, đặc biệt trong môi trường biển và vùng có điều kiện ăn mòn cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông và cơ chế bám dính giữa bê tông và cốt thép. Quá trình ăn mòn được mô tả là hiện tượng điện hóa, trong đó lớp màng thụ động bảo vệ thép bị phá hủy khi ion clorua vượt ngưỡng tới hạn, dẫn đến hình thành oxit sắt có thể chiếm thể tích lớn hơn 2-6 lần so với thép gốc, gây ứng suất kéo trong bê tông và làm nứt, bong tróc lớp bảo vệ.

Mô hình ứng suất bám dính giữa bê tông và cốt thép được xây dựng dựa trên mối quan hệ ứng suất - trượt (bond stress-slip) theo tiêu chuẩn CEB-FIP MC2010, đồng thời áp dụng mô hình vùng kết dính (Cohesive Zone Model - CZM) để mô phỏng liên kết giao diện giữa thép và bê tông trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS. Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất bám dính, mức độ ăn mòn, cường độ nén bê tông, đường kính cốt thép và mô hình hóa phi tuyến của vật liệu bê tông và thép.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng số. Tổng cộng 324 mẫu thử được chế tạo với các biến số: đường kính cốt thép (12mm, 16mm, 20mm), cường độ nén bê tông (25MPa, 35MPa, 45MPa) và mức độ ăn mòn (0%, 5%, 15%, 25%) được tạo ra bằng phương pháp điện hóa trong dung dịch NaCl 3,5%. Mẫu bê tông có kích thước 20x20x20 cm, thanh thép được đặt trong khối bê tông và tiến hành thử nghiệm kéo ra để xác định ứng suất bám dính.

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) được thực hiện trên phần mềm ANSYS, sử dụng phần tử SOLID65 cho bê tông và LINK180 cho thép, kết hợp mô hình CZM để mô phỏng liên kết giao diện. Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện thực tế. Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2020 đến tháng 2/2021, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thử nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của cường độ nén bê tông: Ứng suất bám dính giữa bê tông và cốt thép tăng khi cường độ nén tăng. Cụ thể, mẫu bê tông 45MPa có ứng suất bám dính cao hơn khoảng 15-20% so với mẫu 25MPa trong cùng điều kiện ăn mòn.

2. Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn: Ứng suất bám dính giảm tuyến tính khi mức độ ăn mòn tăng. Mức độ ăn mòn được phân loại thành thấp (0-5%), trung bình (5-15%) và nghiêm trọng (15-25%). Ở mức ăn mòn nghiêm trọng, ứng suất bám dính giảm hơn 50% so với mẫu không ăn mòn.

3. Ảnh hưởng của đường kính cốt thép: Các mẫu có đường kính 12mm và 16mm không ăn mòn chủ yếu hỏng ở chế độ kéo ra, trong khi các mẫu 16mm và 20mm bị ăn mòn hỏng chủ yếu ở chế độ nứt tách. Đường kính lớn hơn làm tăng khả năng chịu lực nhưng cũng làm tăng nguy cơ hư hỏng dạng nứt tách khi ăn mòn.

4. Độ bền kéo của cốt thép: Sau thử nghiệm kéo ra, độ bền kéo của cốt thép giảm rõ rệt khi mức độ ăn mòn tăng. Mức độ ăn mòn 25% làm giảm độ bền kéo của thép khoảng 30% so với thép không ăn mòn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm ứng suất bám dính khi ăn mòn là do lớp oxit gỉ chiếm thể tích lớn, gây nứt vỡ bê tông bảo vệ và làm giảm diện tích tiếp xúc giữa bê tông và thép. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy sự giảm ứng suất bám dính có tính tuyến tính theo mức độ ăn mòn. So với dự đoán của tiêu chuẩn CEB-FIP, ứng suất bám dính thực nghiệm cao hơn, có thể do điều kiện thử nghiệm và vật liệu bê tông được sử dụng có chất lượng tốt hơn.

Mô hình FEM cho thấy sự phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm, minh chứng cho tính khả thi của mô hình CZM trong mô phỏng liên kết bê tông - thép bị ăn mòn. Biểu đồ ứng suất bám dính theo trượt và mức độ ăn mòn thể hiện rõ xu hướng giảm ứng suất bám dính tuyến tính, giúp dự báo tuổi thọ và khả năng chịu lực của kết cấu BTCT trong điều kiện ăn mòn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường cường độ nén bê tông: Khuyến nghị sử dụng bê tông có cường độ nén từ 35MPa trở lên để giảm thiểu ảnh hưởng của ăn mòn đến ứng suất bám dính, áp dụng trong vòng 1-2 năm cho các công trình ven biển.

2. Kiểm soát mức độ ăn mòn: Áp dụng biện pháp chống ăn mòn như phủ lớp bảo vệ, sử dụng vật liệu chống thấm và bảo dưỡng định kỳ nhằm duy trì mức độ ăn mòn dưới 5% trong suốt vòng đời công trình.

3. Lựa chọn đường kính cốt thép phù hợp: Sử dụng đường kính cốt thép vừa phải (12-16mm) cho các kết cấu chịu lực trung bình, hạn chế sử dụng cốt thép lớn ở môi trường ăn mòn cao để tránh hư hỏng dạng nứt tách.

4. Áp dụng mô hình FEM trong thiết kế: Khuyến khích các kỹ sư sử dụng mô hình phân tích phần tử hữu hạn với mô hình CZM để dự báo chính xác ứng suất bám dính và tuổi thọ công trình, triển khai trong giai đoạn thiết kế và đánh giá hiện trạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt ảnh hưởng của ăn mòn đến ứng suất bám dính để lựa chọn vật liệu và thiết kế phù hợp, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

2. Chuyên gia bảo trì và sửa chữa công trình: Áp dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá mức độ hư hỏng và đề xuất biện pháp bảo dưỡng, sửa chữa hiệu quả.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm và mô hình FEM làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu và kết cấu BTCT trong môi trường ăn mòn.

4. Chính quyền và cơ quan quản lý xây dựng: Định hướng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật về bảo vệ kết cấu BTCT, đặc biệt trong các khu vực ven biển và môi trường ăn mòn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Ăn mòn cốt thép ảnh hưởng thế nào đến kết cấu BTCT?
   Ăn mòn làm giảm diện tích tiết diện cốt thép, phá hủy lớp bảo vệ bê tông, giảm ứng suất bám dính và khả năng chịu lực của kết cấu, dẫn đến nguy cơ hư hỏng và giảm tuổi thọ công trình.

2. Mức độ ăn mòn được xác định như thế nào trong nghiên cứu?
   Mức độ ăn mòn được xác định bằng tỷ lệ phần trăm mất khối lượng thép do ăn mòn, phân loại thành thấp (0-5%), trung bình (5-15%) và nghiêm trọng (15-25%) dựa trên thử nghiệm điện hóa trong dung dịch NaCl 3,5%.

3. Tại sao cường độ nén bê tông lại ảnh hưởng đến ứng suất bám dính?
   Bê tông có cường độ nén cao hơn có cấu trúc chắc chắn, ít rỗng hơn, giúp tăng khả năng bám dính với cốt thép và giảm sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn.

4. Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) giúp gì trong nghiên cứu này?
   FEM mô phỏng chính xác cơ chế hư hỏng và ứng suất bám dính giữa bê tông và cốt thép bị ăn mòn, giúp dự báo hiệu quả và hỗ trợ thiết kế, bảo trì công trình.

5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của ăn mòn trong thực tế?
   Sử dụng bê tông chất lượng cao, bảo dưỡng định kỳ, áp dụng lớp phủ chống thấm, sử dụng vật liệu chống ăn mòn và thiết kế hợp lý để hạn chế sự xâm nhập của ion clorua và nước.

Kết luận

• Ứng suất bám dính giữa bê tông và cốt thép giảm rõ rệt khi mức độ ăn mòn tăng và cường độ nén bê tông giảm.
• Cường độ nén bê tông cao giúp giảm mức độ ăn mòn và tăng ứng suất bám dính.
• Đường kính cốt thép ảnh hưởng đến cơ chế hư hỏng và khả năng chịu lực của kết cấu.
• Mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEM) với mô hình CZM phù hợp với kết quả thực nghiệm, hỗ trợ dự báo và thiết kế.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá, thiết kế và bảo trì các công trình BTCT trong môi trường ăn mòn.

Tiếp theo, cần mở rộng nghiên cứu với các loại bê tông đặc biệt và vật liệu composite để nâng cao khả năng chống ăn mòn. Các kỹ sư và nhà quản lý công trình được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình. Hãy liên hệ chuyên gia để được tư vấn chi tiết và hỗ trợ triển khai các giải pháp kỹ thuật phù hợp.