Nghiên cứu độ bền thấm nước và ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Lê Quang Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thế Truyền
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Xây dựng Cầu Hầm
• Đề tài: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ - Ứng dụng dự đoán tuổi thọ cầu
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
• 1.1. BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG
• 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
• 1.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO ĐỘ BỀN
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
• 2.1. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM
• 2.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG
• 2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG
• 2.4. QUAN HỆ GIỮA HỆ SỐ THẤM NƯỚC VÀ HỆ SỐ KHUẾCH TÁN ION CLO CỦA BÊ TÔNG
• 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG II
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ
• 3.1. GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ
• 3.3. MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN LÍ THUYẾT XÁC SUẤT
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG III
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG
• 4.1. KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ĐỀ XUẤT DÙNG THAY THẾ CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN CẦU ĐƯỜNG SẮT
• 4.2. TÍNH TOÁN DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ THAY THẾ CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN MẶT CẦU ĐƯỜNG SẮT
• 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ và các nghiên cứu liên quan

Chương này trình bày tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ, bao gồm đặc điểm chung, các đặc trưng cơ lý, và ứng dụng trong xây dựng. Bê tông cốt liệu nhẹ được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt trong các công trình cầu như Cầu New Eidsvoll Sund (Na Uy) và Cầu Lewis & Clark (Mỹ). Ở Việt Nam, bê tông nhẹ đã được ứng dụng trong các công trình dân dụng như Khách sạn Fortuna Hà Nội và Trung tâm thể thao Long Biên. Tuy nhiên, việc ứng dụng trong xây dựng giao thông vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu về độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ đã được thực hiện, nhưng kết quả còn phân tán do sự khác biệt về thành phần cốt liệu và phương pháp thí nghiệm.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của bê tông cốt liệu nhẹ

Bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích thấp hơn so với bê tông thường, giúp giảm trọng lượng kết cấu và chi phí vận chuyển. Các ưu điểm nổi bật bao gồm khả năng chống thấm tốt, giảm hiệu ứng tập trung ứng suất, và hạn chế các vết nứt vi mô. Ứng dụng của bê tông nhẹ trong xây dựng cầu đã được chứng minh qua các công trình như Cầu Grenland (Na Uy) và Cầu Woodrow Wilson (Mỹ).

1.2. Nghiên cứu về độ bền của bê tông cốt liệu nhẹ

Các nghiên cứu về độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ đã chỉ ra rằng, khả năng chống thấm của bê tông nhẹ phụ thuộc vào thành phần cốt liệu và điều kiện môi trường. Tuy nhiên, các kết quả thí nghiệm còn phân tán do sự khác biệt về phương pháp thí nghiệm và tuổi của bê tông.

II. Thí nghiệm đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ

Chương này tập trung vào các thí nghiệm đánh giá độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. Các thí nghiệm được thực hiện trên mẫu bê tông C30, sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit. Kết quả cho thấy, khi tăng cấp tải trọng nén, độ thấm nước của bê tông tăng đáng kể. Điều này cho thấy tải trọng có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống thấm của bê tông nhẹ. Các thí nghiệm về thấm ion clo cũng được thực hiện, với kết quả cho thấy sự gia tăng hệ số khuếch tán ion clo khi tăng ứng suất nén.

2.1. Thí nghiệm độ thấm nước

Thí nghiệm độ thấm nước được thực hiện trên mẫu bê tông C30 chịu tải trọng nén. Kết quả cho thấy, khi tăng cấp tải trọng, hệ số thấm nước tăng đáng kể. Điều này chứng tỏ tải trọng có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống thấm của bê tông nhẹ.

2.2. Thí nghiệm thấm ion clo

Thí nghiệm thấm ion clo được thực hiện để đánh giá khả năng chống thấm của bê tông nhẹ đối với ion clo. Kết quả cho thấy, hệ số khuếch tán ion clo tăng khi tăng ứng suất nén, điều này cho thấy tải trọng có ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông.

III. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ

Chương này trình bày việc xây dựng các mô hình dự báo tuổi thọ cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. Mô hình được xây dựng dựa trên các tiêu chí ăn mòn cốt thép và xét đến ảnh hưởng của tải trọng. Các tham số của mô hình bao gồm hệ số khuếch tán ion clo, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, và nồng độ clo tới hạn. Mô hình cũng xét đến tính bất định của các tham số đầu vào bằng cách áp dụng lý thuyết xác suất.

3.1. Mô hình dự báo tuổi thọ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép

Mô hình dự báo tuổi thọ cầu được xây dựng dựa trên tiêu chí ăn mòn cốt thép. Các tham số chính bao gồm hệ số khuếch tán ion clo và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Mô hình này giúp dự đoán thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép trong kết cấu.

3.2. Mô hình dự báo tuổi thọ có xét đến tính bất định

Mô hình dự báo tuổi thọ cầu cũng xét đến tính bất định của các tham số đầu vào bằng cách áp dụng lý thuyết xác suất. Điều này giúp tăng độ chính xác của mô hình trong việc dự đoán tuổi thọ kết cấu.

IV. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ

Chương này trình bày việc tính toán dự báo tuổi thọ cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng đồng thời của tải trọng và môi trường. Kết quả tính toán cho thấy, tuổi thọ cầu bị ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng và nồng độ ion clo trong môi trường. Các kết quả này cung cấp cơ sở quan trọng cho việc thiết kế và bảo trì các công trình cầu sử dụng bê tông nhẹ.

4.1. Tính toán tuổi thọ kết cấu mặt cầu

Tính toán tuổi thọ cầu được thực hiện trên kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. Kết quả cho thấy, tuổi thọ kết cấu bị ảnh hưởng bởi tải trọng và nồng độ ion clo trong môi trường.

4.2. Ảnh hưởng của tải trọng và môi trường

Kết quả tính toán cho thấy, tải trọng và môi trường có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ cầu. Đặc biệt, nồng độ ion clo trong môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1. BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG 1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [41] bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [25] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1.920kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa.

Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m3 trong bê tông truyền thống xuống còn 1.900kg/m3 đối với bê tông cốt liệu nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng.1 - Vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ Nếu sử dụng trong công trình cầu, tĩnh tải bản thân của kết cấu giảm cho phép vượt khẩu độ dài hơn, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản và giảm tiết diện bề mặt của cấu kiện dầm. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa chữa và cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu cầu cũ. Ví dụ cầu Greenland được xây dựng bằng bê tông cốt liệu nhẹ từ năm 1996. 6 Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2000 kg/m3.

Việc giảm khối lượng thể tích của bê tông được thực hiện bằng cách thay thế một lượng vật liệu rắn trong bê tông bằng không khí. Việc tăng hàm lượng khí (lỗ rỗng) trong bê tông sẽ song hành với việc giảm cường độ của vật liệu. Có 3 cách để đưa không khí vào bê tông: - Trong vữa (bê tông khí hay bê tông bọt) - Giữa các hạt cốt liệu lớn (bê tông cấu tạo hốc hoặc bê tông không có cát) - Bên trong cốt liệu (bê tông cốt liệu nhẹ). Bê tông nhẹ có thể phân loại theo mục đích sử dụng như sau: - Bê tông nhẹ chịu lực: có khối lượng thể tích từ 1400 - 1800 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 15 - 40 MPa - Bê tông nhẹ chịu lực - cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 500 - 1400 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 3,5-10 MPa - Bê tông nhẹ cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 300 - 500 kg/m3 Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [30] bê tông nhẹ có thể được phân loại theo khối lượng thể tích (Bảng 1.1) hay theo cấp cường độ chịu nén (Bảng 1.1 - Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013 7 Bảng 1.2 - Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013 (a) Các giá trị khác có thể được sử dụng nếu quan hệ giữa chúng và cường độ mẫu hình trụ chuẩn được thiết lập với đủ tài liệu và độ chính xác.

Theo ACI 213R-03, bê tông nhẹ được phân loại như bảng 1.3 - Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-03 Tuy nhiên, ACI 213R-03 chỉ đưa ra khái niệm về bê tông nhẹ chịu lực hay bê tông nhẹ kết cấu mà không phân loại vật liệu này. Theo đó, bê tông nhẹ chịu lực được định nghĩa là bê tông có KLTT từ 1120 - 1920 kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 tối thiểu là 17 MPa, sản xuất từ cốt liệu nhẹ hoặc từ hỗn hợp cốt liệu nhẹ và cốt liệu thường. Các đặc trưng cơ lý của bê tông cốt liệu nhẹ 8 1. Khối lượng thể tích Việc sử dụng cốt liệu nhẹ là yếu tố cơ bản để đạt được một KLTT nhỏ.

Ngoài KLTT của cốt liệu, KLTT của bê tông còn phụ thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ ẩm cốt liệu, hàm lượng khí, hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia hóa học và phụ gia khoáng… Bên cạnh vật liệu, KLTT của bê tông cũng phụ thuộc vào phương pháp đầm nén, điều kiện bảo dưỡng… KLTT của BTCLN chịu lực biến đổi từ 1200 - 2000 kg/m3 so với 2300 - 2400 kg/m3 của bê tông nặng. Đa số các tính chất của BTCLN đều liên quan đến KLTT, đặc biệt là cường độ nén. Cường độ nén BTCLN có thể đạt được cường độ chịu nén cao tương đương bê tông nặng thông thường hoặc thậm chí bê tông cường độ cao thông qua một trong hai cách sau: - Sử dụng cốt liệu nhẹ chất lượng cao - Sử dụng vật liệu hoạt tính puzolan như muội silic với xi măng và sử dụng phụ gia giảm nước cao Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng tồn tại một quan hệ giữa KLTT cốt liệu với cường độ nén của bê tông khi tất cả các biến khác không đổi. Với mỗi một cốt liệu lớn chỉ chế tạo được bê tông cốt liệu nhẹ đến một cường độ nhất định.

Khi đã đạt đến giới hạn này, dù tiếp tục tăng cường độ của nền vữa (tăng lượng dùng xi măng), giảm tỷ lệ nước/xi măng thì cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ tăng không đáng kể. Do đó, chất lượng của cốt liệu được xem như yếu tố chính giới hạn cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ. Tiếp đó là chất lượng của vữa và sự tương thích giữa độ cứng của cốt liệu và vữa trong bê tông. Cường độ nén của BTCLN tăng theo thời gian với cùng một qui luật như bê tông nặng.

Tuy vậy, mức độ tăng ít bị ảnh hưởng bởi môi trường khô và bảo dưỡng kém. Việc dự trữ nước trong lỗ rỗng của các hạt CLN xảy ra trong suốt quá trình dưỡng hộ trong. Việc sử dụng muội silic và phụ gia siêu dẻo trong hỗn hợp cải thiện cường độ của vữa xi măng và có thể tạo ra cường độ nén lên tới hơn 100 MPa. Ảnh hưởng của cốt liệu nhẹ đến cường độ bê tông Chất lượng của cốt liệu nhẹ liên quan trực tiếp đến KLTT hạt của cốt liệu - yếu tố quyết định cường độ và độ cứng, đến qui trình sản xuất cũng như nguyên liệu đầu vào của cốt liệu.

Cốt liệu có KLTT càng lớn, như đá phiến, sét, xỉ, đá bọt cho cường độ bê tông càng cao. ACI 213-03 ghi rõ cùng một hàm lượng xi măng, cường độ lớn nhất có thể tăng khi giảm kích thước cốt liệu lớn. Cường độ của cốt liệu nhẹ nhân tạo phụ thuộc vào kích 9 thước của cốt liệu về bản chất là phụ thuộc vào độ đặc và độ rỗng trong quá trình nung. Các hạt lớn ít đặc hơn ở lớp ngoài và có các lỗ rỗng lớn hơn.

Hơn nữa, kích thước các hạt càng lớn, KLTT càng nhỏ và quan trọng hơn cường độ càng thấp. Độ hút nước của cốt liệu nhẹ cũng ảnh hưởng đến cường độ bê tông khi sử dụng cốt liệu khô. Đó là do có sự trao đổi nước và không khí giữa cốt liệu và hồ xi măng trong quá trình ninh kết. Nghiên cứu vi cấu trúc của bê tông đông cứng cho thấy các bọt khí hình thành một dải bao quanh vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu nhẹ và hồ.

Sự thoát khí từ cốt liệu nhẹ là nguyên nhân làm giảm cường độ. Ảnh hưởng của chất lượng vữa đến cường độ bê tông Việc thay cát tự nhiên bằng cát nhẹ làm giảm cường độ của vữa (Hình 1. Sự mất mát cường độ nhận thấy rõ hơn khi giảm KLTT của vữa. Tiếp đó, ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD trở nên rõ nét hơn trong trường hợp vữa KLTT thấp.

Cường độ tăng lên khi tỉ lệ N/CKD giảm và KLTT của cốt liệu mịn giảm. Do đó, cốt liệu nhẹ hơn hay yếu hơn làm giảm hiệu quả của vữa xi măng cường độ cao. Phát hiện này có thể so sánh với mối quan hệ đã biết giữa cường độ nén của vữa và BTCLN. Ảnh hưởng của mác xi măng với cường độ của vữa giảm khi giảm KLTT của cốt liệu mịn.

Cuối cùng, liên kết xi măng - cốt liệu tốt và sự tương thích giữa độ cứng của cốt liệu và vữa trong BTCLN tạo ra một hỗn hợp hữu hiệu với cường độ xấp xỉ cường độ lớn nhất lý thuyết.2 - Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] (Leca, Liapor, Ulopor, Embra, Liaver là tên các loại sỏi nhẹ thương mại hiện có trên thị trường, chủ yếu ở châu Âu) 10 Hình 1.3 - Quan hệ giữa KLTT sau khi tháo khuôn và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] Liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng Liên kết giữa cốt liệu và vữa trong BTCLN mạnh hơn trong bê tông thường. Vữa xi măng thấm nhập vào bên trong cốt liệu do có nhiều lỗ rỗng. Do đó, có rất ít hoặc không có vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và vữa, vùng yếu nhất trong bê tông. Cấu trúc của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và đá xi măng thường có chất lượng tốt hơn so với bê tông thường.

Cơ chế liên kết lý hóa học được xác định, không tính đến ảnh hưởng của mô dun đàn hồi thấp của cốt liệu đến các vi lỗ rỗng vùng tiếp xúc.4 - Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu theo Zhang và Gjørv [65] Cốt liệu nhẹ tạo hình trước được phủ một lớp mỏng có độ cứng nhất định nhằm cách ly các lỗ rỗng trong cốt liệu. Khi lớp này quá dày, có thể tạo ra cốt liệu bán nhẹ, vi cấu trúc của vùng tiếp xúc do đó tương tự như quan sát được trong bê tông thường, nghĩa là cấu trúc rỗng hơn và có thể chứa các tinh thể canxi hydroxyt lớn và các sợi 11 ettringit. Nếu lớp bảo vệ cốt liệu cứng hơn, hoặc trường hợp cốt liệu nghiền, quan sát thấy cấu trúc vùng tiếp xúc chặt hơn và đồng nhất hơn. Độ chặt của vữa có quan hệ với quá trình hấp phụ nước của cốt liệu, làm giảm tỉ lệ N/X của đá xi măng (Fagerlund).

Tuy vậy, độ hút nước nhào trộn phụ thuộc vào độ bão hòa ban đầu của cốt liệu. Vữa xi măng có thể chui vào giữa các vết nhám ráp và lỗ rỗng trên bề mặt cốt liệu nhẹ. Loại neo cơ học này, cải thiện độ dính bám của đá xi măng vào cốt liệu, phụ thuộc bề mặt cốt liệu, kích thước hạt xi măng và độ nhớt của vữa. Sự vắng mặt của hydroxyt canxi cũng làm cải thiện cường độ vùng tiếp xúc (Zhang & Gjørv) [65].

Mô đun đàn hồi Bê tông cốt liệu nhẹ có mô đun đàn hồi nhỏ hơn so với bê tông truyền thống do mô đun đàn hồi của cốt liệu nhẹ thấp hơn của cốt liệu nặng thông thường.