Chương 1 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG VÀ PHƢƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN ĐỐI VỚI DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC 1. MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN GÂY HƢ HỎNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC Sự hư hỏng của cầu bê tông cốt thép có thể do những nguyên nhân chính sau: - Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường, bão, lũ lụt. - Khảo sát và thiết kế có sai sót. - Sai sót trong quá trình thi công.
- Trong quá trình sử dụng, thiếu duy tu sửa chữa, khai thác quá tải. Các hƣ hỏng do quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trƣờng 1.1 Sự phá hủy lý hóa của bê tông Dạng hư hỏng này có thể xảy ra do các tác động bên ngoài hoặc do thành phần của bản thân bê tông. Phản ứng hóa học phổ biến nhất xảy ra dưới tác dụng của sự ngậm nước và thẩm thấu của nước. Khi kết cấu thay đổi liên tục giữa ẩm và khô, nước thấm qua bê tông sẽ hòa tan một vài thành phần, khi đó làm tăng độ rỗng.
Hiện tượng này sẽ kéo theo sự xuất hiện của sùi mặt thành mụn và vỡ mủn. Các phá hủy này thường do một số các tác động sau: a. Sự hƣ hỏng do tác dụng cacbonat hóa bê tông Chúng ta biết rằng, không khí luôn chứa chất dioxit cacbon (CO2) với một tỷ lệ trung bình là 0,03% theo thể tích, hàm lượng khí CO2 này tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Tỉ lệ đó thay đổi theo điều kiện địa lý.
Ở khu vực đô thị hay trung tâm dân cư, công nghiệp, hàm lượng khí này tăng lớn hơn các khu vực khác. Khí CO2 trong khí quyển tác động trở lại trên các vùng chứa vôi ở vữa xi măng để tạo ra cacbonat canxi (CaCO3), và dẫn đến sự sụt giảm tính kiềm (pH) của dung dịch nội bao xuống còn khoảng 9, thường là không đủ để bảo vệ cốt thép chống lại sự ăn mòn. Phản ứng được viết như sau: nước + gốc alcali Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cơ chế phản ứng phụ thuộc vào mối quan hệ phức tạp. Sự cacbonat hóa thực hiện bắt đầu từ điôxít cacbon tan trong nước phản ứng với vôi thông qua sự hòa tan.
Trong khi đó sự hòa tan của dung dịch bão hòa vôi ở nhiệt độ 250 C theo quy định là 1,2g/l và nó giảm khi nằm ở khu vực giàu tính kiềm. Phản ứng này tăng trưởng dần từ ngoài vào trong theo tốc độ thay đổi rất lớn và xảy ra theo nhiều giai đoạn: CO2( không khí) + 2OH - CO32- + H2O Vì pH thấp xuống, vôi bắt đầu hòa tan Ca(OH)2(rắn) Ca2+ + 2OH- Ca2+ + CO32- CaCO3 Cho đến đây, vì độ pH giữ cố định. Khi Ca(OH)2 rắn tan hết, độ pH giảm xuống nhanh, nồng độ CO32- tăng, ở pH gần 9,5 của dung dịch xuất hiện HCO3- và đưa đến cân bằng CO32- và HCO3- ở pH gần 8,3. CO32- + H2 O CaCO3 + OH - Nhiều thành phần của vữa ximăng pooclăng có thể phản ứng (C – S – H, C – A – H) và có thể hình thành CaCO3.
Cuối cùng trong bê tông đã cacbonat hóa, người ta có thể phân biệt 3 vùng: - Bê tông hoàn toàn bị cacbonat hóa (pH gần 8,3) - Bê tông bị cacbonat hóa từng phần (pH gần 10) - Bê tông nguyên, pH gần 13,5 –12,5 (kiềm bị khuyếch tán) Để theo dõi sự tiến triển của hiện tượng cacbonat hóa, cần phải xác định chiều sâu cacbonat hóa theo một trong hai phương pháp sau: - Phương pháp xác định sự mất trọng lượng của các thành phần trong vữa. - Phương pháp kiểm tra bằng phenonlphtalin (tương đương với pH = 9,1). Về mặt tính thụ động của cốt thép, có thể định nghĩa vùng giới hạn cacbonat hóa bắt đầu từ pH = 11. Những kết quả thí nghiệm đã khẳng định có sự quan hệ giữa độ sâu cacbonat hóa tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian: x = D.
t trong đó: x - độ sâu của sự cacbonat hóa; t - thời gian; D - hệ số biến thiên sự khuyếch tán CO2 -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương trình trên cho thấy cơ chế của việc khuyếch tán CO2 điều khiển sự tác động của cacbonat hóa. Các sản phẩm của sự cacbonat hóa làm thay đổi cấu trúc xốp của bê tông bằng cách làm giảm độ chống thấm của nó. Người ta cũng xác định có giá trị giới hạn của sự cacbonat hóa xlim qua đó sự cacbonat hóa không tiến triển nữa. Với một công trình đang sử dụng, xác định D không dễ dàng.
Nó đụng chạm đến tất cả các khả năng không chắc chắn của mô hình và lịch sử công trình. Có hai phương pháp xác định hệ số khuyếch tán D, đó là: - Phương pháp thực nghiệm bằng cách đo độ sâu của sự cacbonat hóa ở từng thời điểm khác nhau để thu được D = x / t. Đồng thời người ta cũng chứng minh sự phụ thuộc của D với sự thẩm thấu của không khí trên bề mặt của bê tông đo bằng máy bơm chân không. - Phương pháp bán thực nghiệm bằng cách xác định các thông số chính ảnh hưởng đến D và tổ hợp các kết quả thí nghiệm.
Các thông số đó là độ ẩm và thành phần bê tông. Với thông số độ ẩm, ngườig ta rút ra nhận xét rằng các bê tông bão hòa không có sự cacbonat hóa đáng kể (sự khuyếch tán của CO2 rất khó). Sự cacbonat hóa cũng ít xảy ra khi bê tông rất khô (sự khuyếch tán của CO2 dễ dàng nhưng không có phản ứng hóa học khi không có nước). Với thành phần bê tông nào đó có rất nhiều các thông số: nước/xi măng (N/X), loại và lượng xi măng, loại và lượng phụ gia, lượng nước, sự có mặt của chất làm lỏng, làm dẻo, sự có mặt của các chất tạo khí, độ bền cơ học, chất lượng trộn.
trong đó có 2 thông số chính là lượng vôi có thể phản ứng và sự thẩm thấu của nguyên liệu. Sự hƣ hỏng nguyên nhân do kiềm hóa Hiện tượng ăn mòn có trong đá xi măng xảy ra ngay trong lòng khối bê tông giữa các phần tử với nhau. Bản thân clinke luôn chứa một lượng các chất kiềm. Trong khi đó trong cốt liệu bê tông, đặc biệt là trong cát, lại hay gặp hợp chất silic vô định hình (opan, chanxeđôn, thủy tinh núi lửa).
Chúng có thể tác dụng với kiềm của xi măng ở ngay nhiệt độ thường làm cho bề mặt của hạt cốt liệu nở ra, bê tông sẽ phồng lên theo mọi hướng, sau đó tạo thành một hệ thống vết nứt theo ô lưới khoảng 30 cm mỗi chiều cho đến khi kết cấu bị phá hủy hoàn toàn. Do sự phồng rộp của bê tông, mà khí CO2 thâm nhập vào đưa đến sự hình thành CaCO3 và tạo ra một sự sụt giảm pH của dung dịch nội bao, đây chính là khởi điểm của hiện tượng cacbonat hóa mà chúng ta -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đã biết ở trên. Hiện tượng hư hỏng do ăn mòn kiềm hóa diễn ra chậm và kéo dài hàng năm, có thể hạn chế chúng bằng cách lựa chọn thành phần bê tông thích hợp. Sự hƣ hỏng nguyên nhân do tác dụng của clorua và sunfat Nguyên nhân này chính là do tính chất xâm thực của môi trường ven biển có chứa các muối là sản phẩm của phản ứng giữa axit và bazơ.
Các dung dịch của các muối axit mạnh và bazơ mạnh có pH trung tính (pH = 7). Ngược lại sự thủy phân các muối của bazơ mạnh với axit yếu và của axit mạnh với bazơ yếu dẫn đến các dung dịch có thể có tính kiềm hoặc axit. Quá trình tấn công của các dung dịch muối rất phức tạp, nó không phụ thuộc vào tính chất các axit gốc của muối mà còn vào áp lực của chúng với các ion canxi và các ion OH -. Tác dụng của một muối cũng phụ thuộc vào độ hòa tan của sản phẩm, vào phản ứng thủy phân của chất dính kết và vào tính chất giãn nở tức thời.
Các clorua, ngoài tác dụng xấu lên cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép, còn có thể là nguyên nhân gây nên sự hư hỏng của chất dính kết nếu chúng có nồng độ cao (như môi trường kiềm nhiễm mặn), hoặc ngay cả nồng độ thấp (< 1000mg/l). Quá trình xuống cấp, trong trường hợp có nồng độ ion Cl – tương đối thấp, tương ứng chủ yếu với sự mất canxi của các chất dính kết do sự tạo thành CaCl2 tan thường kéo theo sự mất dần canxi, nó được gắn liền vào hệ số tốc độ khuyếch tán trong bê tông của các ion Cl – với các cation kết hợp. Các ion Cl – xâm nhập rất nhanh vào sâu trong vữa xi măng, tác dụng như một màng bám thấm. Chúng trao đổi với các ion OH– khuyếch tán ngược chiều và tạo ra với Ca(OH)2 và các C – S – H, chất clorua canxi tan và thấm ngược.
Các cation kiềm thổ ít di động hơn sẽ kết tủa trên bề mặt của bê tông dưới dạng hydroxit (thí dụ: Ca(OH)2, Mg(OH)2). Hơn nữa một phần các clorua được gắn bởi silicat canxi ngậm nước và dưới dạng mono cloro aluminat canxi 3CaO.10H2O; chất sau này phản ứng với aluminat canxi và tạo ra ximăng. Các ảnh hưởng của sunfat cũng là một trong những nguồn quan trọng của sự xuống cấp của bê tông, nó có thể được thể hiện dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí. Nhưng do nguyên nhân gì đi nữa, tác dụng của nó ở trạng thái rắn và khí đều cần tới sự có mặt của nước dưới dạng chất lỏng hoặc hơi.
-9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các sunfat có thể có nguồn gốc tự nhiên, sinh học hoặc từ các chất bẩn sinh hoạt hoặc công nghiệp. Nước mưa, đặc biệt mưa axit có thể có chứa sufat dưới dạng axit sunfuric, rất đáng sợ cho bê tông mới cứng rắn. Nước biển Việt Nam có chứa một số muối mang tính xâm thực bê tông và cốt thép như NaCl (2,7%), MgCl2 (0,32%), MgSO4 (0,22%), KHCO3 (0,02%). Không khí vùng biển khác so với không khí trong nội địa, có chứa hàm lượng ion clorua cao.
Kết quả điều tra sơ bộ về nồng độ ion clorua trong khí quyển ở một số địa phương ven biển Việt Nam cho thấy hàm lượng muối dần theo chiều sâu vào đất liền và theo chiều cao cách mặt biển. Ảnh hưởng của khí hậu biển có thể vào sâu trong đất liền tới trên 5 km. Nét đặc trưng cơ bản của khí hậu Việt nam là độ ẩm rất cao (>80%). Nhiệt độ trung bình tương đối lớn.
Miền Nam có nhiệt độ cao hơn miền Bắc.