Chương I. Tổng quan về nghiên cứu bảo vệ cốt thép trong bê tông nhiễm clorua cao tại vùng biên Chương 2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm Chương 3. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng khả năng bảo vệ cốt thép trong bê tông nhiễm clorua cao Chương 4.
Nghiên cứu hiệu quả sơn phủ bảo vệ cốt thép trên công trình thực, hiệu quả kinh tế và phương án lựa chọn Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ Lục Luận án có 56 bảng, 64 hình vẽ và đồ thị với 120 tài liệu tham khảo được trình bày trên 126 trang giấy khô A4. TONG QUAN VE NGHIEN CUU BAO VE CÓT THÉP TRONG BE TONG NHIEM CLORUA CAO TAI VUNG BIEN 1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1. Một số kết quả nghiên cứu Từ đầu thế kỷ XIX vấn đề nghiên cứu ăn mòn cốt thép trong BT đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Tác giả Porter [87] đã công bố kết quả khảo sát tình trạng BTCT ở quần đảo Bermuda được xây dựng trong thời kỳ xảy ra chiến tranh thế giới lần thứ II.
Kết quả cho thấy hàm lượng clorua của BT cao là do sử dụng cốt liệu nhiễm mặn. Tuy nhiên nhờ có lớp BT bảo vệ dày mà cho đến thời điểm khảo sát, chất lượng công trình vẫn ở trạng thái bình thường. Fukute [74] đã nghiên cứu tỷ lệ ăn mòn và độ sâu ăn mòn tối đa của cốt thép trong BT chịu tác động của môi trường thủy triều bằng phương pháp trực quan, sau đó được tác giả Otsuki [84] nghiên cứu phát triển. Các mẫu BTCT được phơi 5 năm, 10 năm, 20 năm.
Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng BT đến ăn mòn cốt thép bằng cách sử dụng các chất kết dính khác nhau, đó là xi măng pooc lăng thông thường, xi măng pooc lăng thường trộn thêm SO›, XM pooc lăng cường độ cao tuôi sớm ngày, XM pooc lăng nhiệt trung bình, XM xỉ lò cao, XM xỉ lò cao trộn thêm SOa và xi măng alumin. Tỷ lệ N/X là 0,52 và 0,55. Trong nghiên cứu thay đổi chiều dày bảo vệ là 20, 40, 70 mm. Hàm lượng clorua của BT thay đôi bằng cách trộn nước biển và nước sạch.
Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên Hình 1.1, theo đó tác giả cho rằng tốc độ ăn mòn sau 5 năm, 10 năm là rất nhỏ nhưng sau 20 năm tốc độ ăn mòn là rất cao, BT sử dụng nước biển có chiều sâu ăn mòn lớn nhất và độ sâu ăn mòn tối đa trên thanh thép. | | | Mm Red Rust Co Black Rust High Early S Blast Furna W= nuéc sạch, S= nước biển, OPC= XM pooc lăngthông thudng, OPC+ SO3= XM pooc lăng thường trộn thém SO3, HPC= XM pooc lăng cường độ cao tuổi sớm ngày, MHC=XM pooc lăng nhiệt trung bình, BFS=XM xi lò cao, BFS+SOz=XM xỉ lò cao trộn thêm SOs, ALC= XM alumin, Cov= chiều dày BT, Corroded area=diệnt tích bị ăn mòn, Red rust= gỉ đỏ, Black rust= gỉ đen Hình 1. Ăn mòn cốt thép theo thời gian với chiều dày BT bảo vệ khác nhau [84] Sau 20 năm vùng bị ăn mòn phát triển rất lớn và cốt thép đều xuất hiện gỉ đỏ, gỉ đen ngoại trừ BT su dung XM xi lo cao, XM xi lo cao tron thém SOs, xi măng alumin. Chiều dày lớp BT bảo vệ có ảnh hưởng lớn đến ăn mòn cốt thép, theo đó khi tăng chiều dày từ 20 đến 70 mm thì sự xuất hiện gỉ đen giảm dần.
Các tác giả Akira [50] và Yonamine [116] đã nghiên cứu ăn mòn cốt thép bằng trực quan trong BT sau 26 năm phơi nhiễm trong vùng thuỷ triều. Nghiên cứu đã thay đổi CKD bằng cách sử dụng 5 loại xi măng (xi măng portland thông thường, xi măng xỉ loại A, loại B, loại C, xi măng tro bay loại B), thay đổi hàm lượng clorua bằng cách trộn nước biển và nước ngọt. Tỷ lệ N/X là 45% và 55%. Chiều dày lớp BT bảo vệ là 20, 40 và 70 mm.
Vị trí thử nghiệm phơi mẫu dài hạn (hồ thủy triều) tại cảng Kagoshima. Hàm lượng clorua lớn nhất sau 15 năm tại thử nghiệm tại Pari từ 2 đến 4 kg/m”BT, sau 26 năm thử nghiệm tại cảng Kagoshima lên đến 10 kg/m”BT. Kết qua cho thấy tỷ lệ diện tích vùng ăn mòn có xu hướng tăng khi hàm lượng CT tăng ở bề mặt thép và mức độ ăn mòn của BT trộn với nước biển lớn hơn so với nước ngọt. Với cùng chiều dày BT bảo vệ, mức độ ăn mòn sẽ khác nhau nếu BT có hảm lượng clorua khác nhau từ ban đầu và chiều dày BT càng cao thì mức độ ăn mòn cốt thép càng thấp.
Các tác giả Mohammed, Hamada và Yamaji [104] đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng clorua trong BT (tính theo khối lượng xi măng là 0,95% và 0,75% bằng cách trộn với nước biển) đến ăn mòn cốt thép trong môi trường thủy triều. Tỷ lệ N/X nghiên cứu là 0,55 và 0,45. Thành phần hóa của nước biển như trong Bảng 1. Thành phần hóa học của nước biến sử dụng trong nghiên cứu [104] Trọng Thành phần hóa, ppm lượng | pH riêng Na K Ca Mg Cl SO, CO; 1,022 7,77 | 9290 346 356 1167 |17087| 2378 110 Sau 15 năm phơi mẫu trong môi trường thủy triều, kiểm tra mức độ ăn mòn cốt thép ở vị trí có chiều dày BT là 20, 40, và 70 mm.
Kết quả nghiên cứu thấy rằng trên bề mặt cốt thép ở các vị trí lớp BT bảo vệ khác nhau hình thành các vết lõm ăn mòn có số lượng và độ sâu khác nhau. Bê tông có hàm lượng clorua lớn hơn thì cốt thép có nhiều vết lõm ăn mòn và sâu hơn và quá trình ăn mòn xảy ra ngay sau khi đô BT. Vết lõm và độ sâu ăn mòn ở vị trí chiều dày lớp BT bảo vệ 2 em sau 15 năm phơi mẫu trong vùng thúy triều [104] Tác giả Nishida và cộng công sự [102] đã làm tăng chất lượng BT bị nhiễm mặn bằng cách sử dụng xỉ lò cao (BFS) để nghiên cứu khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho cốt thép khi BT sử dụng nước biển nhân tạo (Bang 1.Thành phần hóa nước biển nhân tạo sử dụng trong nghiên cứu [102] Thành phần hóa |NaCl |MgCl;6H;O | Na;SO¿ CaCl | KCI | NaHCO; Khối lượng, g/l 24,54 11,1 4,09 116 | 0,69 0,2 BES được thay thế 40% va 55% thé tích xi măng, tỷ lệ N/X =0,5. Mẫu BT chế tạo có đường kính 100 mm, cao 200 mm, thanh thép ®13 được đặt sâu cách đáy 10 mm.
Mẫu được gia tốc ăn mòn trong môi trường nhân tạo phun NaCl 3%, nhiệt độ 50C, đo ăn mòn cốt thép bằng phương pháp điện trở phân cực. Kết quá cho thay việc thay thế xi măng bằng BFS với hàm lượng 40% là hiệu quả nhất giảm thiểu sự ăn mòn thép trong BT trộn với nước biển. Tác giả Kanato và cộng sự [79] đã nghiên cứu hệ số thấm và ăn mòn cốt thép trong BT. Bê tông được chế tạo từ nước biển và cát biển có hàm lượng clorua là 4,7 kg/mẺ.
Trong nghiên cứu này, xi măng được thay thế 50% bằng tro bay, silicafume, xỉ lò cao. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số thấm của BT sử dụng nước ngọt có 50% OPC+50% GGBES là 3,3 x 10” m/sec, trong khi đó sử dụng nước trộn là nước biển, nước biên+CN và nước biên+CN+SF thì hệ số thắm giảm còn 1/2, 1/4 và 1/70 tương ứng. Điều này được giải thích qua hình ảnh chụp SEM cho thấy có nhiều tỉnh thể ettrigite hình kim tạo ra trong hệ (nước biên+CN+SF) do đó làm tăng độ đặc chắc cấu trúc vi mô của đá xi măng dẫn đến làm giảm tính thắm nước (Hình 1. , L xà x3 Mếa‹ _ Ấn (a) Tap Water (b) Sea Water + CN + SF Tap Water= nước ngọt, Sea Water +CN+SF= nuéc bién+ Canxinitorit+ silicafume Hình 1.
Kết quả chụp SEM mẫu BT [79] Về vấn đề ăn mòn cốt thép, các tác giả đã sử đụng thép sợi các bon, cốt thép phủ epoxy và cốt thép thường để nghiên cứu. Môi trường thử nghiệm kiểm tra chu kỳ gia tốc ở điều kiện chưng áp và điều kiện thường, kết thúc 33 chu kỳ. Kết quả cho thấy các cốt thép thường đã bị ăn mòn hoàn toàn, thép được sơn phủ epoxy và thép các bon chưa bị ăn mòn (Hình 1. 7—ANe 4-3 Fe ee tol 5394) rau a, Cốt thép phủ epoxy b, Thép các bon c, Cốt thép thường Hình 1.
Kết quả kiểm tra ăn mòn cốt thép ở điều kiện chưng áp [79] Các tác giả cũng cho rằng nếu sử dụng trực tiếp cát biển và nước biển ở những công trình cách đất liền hàng trăm km, nơi mà nước sạch và cát sạch khan hiểm sẽ làm giảm chi phí xây dựng. Nghiên cứu đã tính toán trên mô hình công trình có 1000 m” BTCT, tuổi thọ thiết kế 100 năm với 2 phương án: - Phương án A: BT được chế tạo bằng nước ngọt vả cát sạch sau đó vận chuyên lên chiếc thuyền mang ra đảo; - Phương án B: BT được chế tạo nước biến và cát biển trên đảo; Kết quả nghiên cứu chỉ phí xây dựng công trình phương án B thấp hơn (6+10)% so với phương án A. Nghiên cứu cũng khuyến nghị nên sử dụng các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn cho cốt thép như sơn phủ cốt thép thường trước khi đỗ bê tông, hoặc sử dụng thép các bon, thép không gỉ thay cho cốt thép thường trong trường hợp hàm lượng clorua trong BT cao. Do-Gyeum Kim và cộng sự [80] đã thực hiện nghiên cứu độ bền lâu sau 1, 5, 10, 15, 20, 25 và 30 năm đối với BT có hàm lượng clorua ở mức 0%, 0,01%, 0,04%, 0,1%, 0,2% và 0,5% theo khối lượng của cát biển trong cấp phối.
Mẫu BT kích thước 200x200x300 mm với tỷ lệ N/X là 0,62 và 0,56 sử dụng xi măng OPC và phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép. Kết quả nghiên cứu sau 15 năm cho thấy các mẫu BT hàm lượng clorua không lớn hơn 0,04% chưa quan sát thấy bị ăn mòn, trong khi mức độ ăn mòn tăng với các mẫu có hàm lượng clorua lớn hơn 0,2%. Nhóm nghiên cứu của Yi Jiang [52] nghiên cứu khả năng sử dụng cát biển chế tạo BT. Mẫu cát biển nghiên cứu có hàm lượng CT là 0,054%.
Các cấp phối BT nghiên cứu gồm mẫu cát sông, cát biển đã rửa và cát biển chưa rửa, có và không có 20% tro bay thay thế xi măng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, BT bị nhiễm mặn do sử dụng cát biển nếu sử dụng tro bay thì có khả năng cải thiện tính chống thấm của BT do cải thiện hệ thống lỗ rỗng cấu trúc, do đó giảm khả năng dịch chuyên của CÍ và do đó làm giảm ăn mòn cốt thép.