Luận văn: Nghiên cứu ứng xử sàn bê tông cốt thép gia cường tấm CFRP - Phạm Thế Hùng

Luận văn thạc sĩ phân tích ứng xử sàn bê tông cốt thép gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng trên phần mềm Abaqus.

• Tác giả: Phạm Thế Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Tùng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan phương pháp phân tích sàn bê tông gia cường CFRP

Việc phân tích sàn bê tông gia cường bằng vật liệu sợi carbon gia cường polymer (CFRP) là một lĩnh vực nghiên cứu hiện đại, đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc sửa chữa sàn bê tông và gia cường kết cấu bê tông hiện có. Các công trình bê tông cốt thép sau một thời gian sử dụng thường bị xuống cấp do tác động của môi trường hoặc thay đổi công năng, dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực. Phương pháp gia cường bằng tấm CFRP nổi lên như một giải pháp hiệu quả nhờ các ưu điểm vượt trội như cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và thi công thuận tiện. Để đánh giá chính xác hiệu quả của giải pháp này, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được ứng dụng rộng rãi. Thông qua các phần mềm mô phỏng số chuyên dụng như ABAQUS, các kỹ sư có thể xây dựng mô hình phần tử hữu hạn chi tiết, mô tả chính xác ứng xử của kết cấu từ giai đoạn đàn hồi đến khi phá hoại. Quá trình phân tích này không chỉ giúp dự đoán khả năng chịu uốn và độ võng của sàn sau khi gia cường mà còn cho phép tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng FEM để khảo sát ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP, từ đó cung cấp một tài liệu tham khảo quan trọng cho các kỹ sư trong thực tiễn thiết kế và thi công.

1.1. Tầm quan trọng của việc gia cường kết cấu bê tông hiện nay

Hiện nay, hàng loạt công trình bê tông cốt thép tại Việt Nam và trên thế giới đang đối mặt với tình trạng xuống cấp nghiêm trọng sau nhiều năm khai thác. Các nguyên nhân chính bao gồm sự ăn mòn cốt thép do xâm thực của môi trường, quá trình carbonat hóa bê tông, hoặc những sai sót trong quá trình thiết kế và thi công. Thêm vào đó, nhu cầu thay đổi công năng sử dụng, như cải tạo nhà ở thành văn phòng hoặc nâng thêm tầng, đòi hỏi kết cấu phải chịu tải trọng lớn hơn thiết kế ban đầu. Việc phá dỡ và xây mới toàn bộ công trình thường rất tốn kém và gây gián đoạn lớn. Do đó, các giải pháp gia cường kết cấu bê tông trở nên cực kỳ cấp thiết. Việc gia cường không chỉ giúp khôi phục khả năng chịu lực ban đầu mà còn nâng cao tuổi thọ, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và tối ưu hóa hiệu quả đầu tư. Trong bối cảnh đó, các công nghệ gia cường hiện đại, đặc biệt là sử dụng vật liệu composite, đang ngày càng được quan tâm và ứng dụng.

1.2. Vật liệu composite CFRP Giải pháp sửa chữa sàn bê tông tối ưu

Trong các phương pháp gia cường, sợi carbon gia cường polymer (CFRP) được xem là một trong những vật liệu tiên tiến và hiệu quả nhất. CFRP là một loại vật liệu composite bao gồm các sợi carbon cường độ cao được liên kết với nhau bằng một ma trận nhựa nền (thường là epoxy). So với các phương pháp truyền thống như dán tấm thép, CFRP có nhiều ưu điểm vượt trội: cường độ chịu kéo cao gấp nhiều lần thép nhưng trọng lượng riêng chỉ bằng khoảng 1/5. Điều này giúp giảm thiểu việc gia tăng tĩnh tải cho kết cấu hiện hữu. Ngoài ra, CFRP không bị ăn mòn, có độ bền cao trong môi trường khắc nghiệt và khả năng kháng mỏi tốt. Việc thi công dán tấm CFRP cũng đơn giản, nhanh chóng, không cần các thiết bị nặng và ít ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của công trình. Những đặc tính này làm cho CFRP trở thành giải pháp lý tưởng cho việc sửa chữa sàn bê tông, dầm và cột, đặc biệt trong các dự án đòi hỏi tiến độ nhanh và chất lượng cao.

II. Thách thức trong sửa chữa và gia cường sàn bê tông truyền thống

Việc sửa chữa sàn bê tông và gia cường kết cấu cũ đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Các phương pháp truyền thống như tăng tiết diện bê tông hoặc dán tấm thép bên ngoài tuy phổ biến nhưng tồn tại nhiều nhược điểm. Việc đổ thêm lớp bê tông làm tăng đáng kể trọng lượng bản thân của kết cấu, gây áp lực lớn lên hệ móng và các cấu kiện chịu lực bên dưới. Trong khi đó, phương pháp dán tấm thép đòi hỏi kỹ thuật thi công phức tạp, xử lý bề mặt kỹ lưỡng và khó đảm bảo liên kết giữa thép và bê tông một cách hoàn hảo. Thép cũng dễ bị ăn mòn, đặc biệt ở các môi trường ẩm ướt hoặc có hóa chất, đòi hỏi chi phí bảo trì định kỳ. Một trong những dạng hỏng nguy hiểm nhất là phá hoại do bong tách lớp vật liệu gia cường khỏi bề mặt bê tông, có thể xảy ra đột ngột và khó lường. Các vật liệu khác như sợi thủy tinh (GFRP) tuy khắc phục được vấn đề ăn mòn nhưng có mô đun đàn hồi thấp hơn, dẫn đến hiệu quả gia cường độ cứng không cao bằng CFRP. Việc lựa chọn phương pháp gia cường phù hợp cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế lâu dài.

2.1. Các nguyên nhân chính gây hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép

Sự xuống cấp của kết cấu bê tông cốt thép xuất phát từ nhiều nguyên nhân phức tạp. Về mặt hóa học, quá trình carbonat hóa làm giảm độ pH của bê tông, phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép. Đồng thời, sự xâm nhập của ion clorua (từ môi trường biển hoặc muối chống băng) là tác nhân chính gây ăn mòn cốt thép theo cơ chế điện hóa. Về mặt vật lý, các chu kỳ đóng băng-tan băng, sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, hoặc hỏa hoạn có thể gây nứt và phá hủy cấu trúc bê tông. Các sai sót trong quá trình thiết kế (tính toán thiếu tải trọng) hoặc thi công (đầm bê tông không kỹ, lớp bê tông bảo vệ quá mỏng) cũng là những yếu-tố-quan-trọng. Tất cả những hư hỏng này đều làm suy giảm ứng xử của kết cấu, giảm khả năng chịu lực và cần được khắc phục kịp thời.

2.2. Hạn chế của các phương pháp gia cường dán tấm thép và GFRP

Mặc dù đã được sử dụng trong nhiều năm, phương pháp dán tấm thép bộc lộ nhiều hạn chế. Việc thi công đòi hỏi các thiết bị nâng hạ, khoan neo vào kết cấu hiện hữu, có thể làm suy yếu thêm tiết diện. Tấm thép nặng làm tăng tĩnh tải và dễ bị ăn mòn, yêu cầu các biện pháp chống gỉ phức tạp. Vật liệu sợi thủy tinh gia cường polymer (GFRP) có ưu điểm chống ăn mòn và nhẹ hơn thép. Tuy nhiên, GFRP có mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp hơn đáng kể so với sợi carbon gia cường polymer (CFRP). Điều này có nghĩa là để đạt cùng một mức độ gia cường, tấm GFRP cần có tiết diện lớn hơn, có thể ảnh hưởng đến kiến trúc. Ngoài ra, độ bền trong môi trường kiềm của sợi thủy tinh cũng là một vấn đề cần được xem xét.

III. Hướng dẫn phân tích sàn bê tông bằng mô hình phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ số mạnh mẽ để thực hiện phân tích phi tuyến và dự đoán ứng xử của kết cấu phức tạp. Thay vì giải các phương trình vi phân trên toàn bộ kết cấu, FEM chia nhỏ kết cấu thành một tập hợp các phần tử đơn giản (phần tử hữu hạn) được kết nối với nhau tại các nút. Bằng cách giải hệ phương trình cân bằng cho toàn bộ các phần tử, phương pháp này cho phép tính toán ứng suất, biến dạng và chuyển vị tại mọi điểm trong kết cấu với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực gia cường kết cấu bê tông, FEM đóng vai trò không thể thiếu. Nó cho phép mô phỏng chi tiết sự tương tác phức tạp giữa bê tông, cốt thép và vật liệu gia cường CFRP. Các phần mềm chuyên dụng như ABAQUS, ANSYS, hoặc SAP2000 cung cấp thư viện vật liệu và các loại phần tử phong phú, giúp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn một cách trực quan và hiệu quả. Việc mô phỏng số không chỉ giúp hiểu rõ cơ chế làm việc của sàn sau khi gia cường mà còn là cơ sở để so sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng, kiểm chứng độ tin cậy của mô hình tính toán.

3.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn FEM trong kỹ thuật

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng của các bài toán được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng. Nguyên tắc cơ bản là rời rạc hóa một miền liên tục thành các miền con đơn giản hơn, gọi là các phần tử. Trên mỗi phần tử, nghiệm của bài toán được xấp xỉ bởi một hàm đa thức đơn giản. Bằng cách áp dụng các nguyên lý cơ học (như nguyên lý công khả dĩ) và đảm bảo điều kiện liên tục tại các nút chung giữa các phần tử, bài toán được chuyển về việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính hoặc phi tuyến. Ưu điểm lớn của FEM là khả năng mô hình hóa các kết cấu có hình dạng hình học và điều kiện biên phức tạp, điều mà các phương pháp giải tích truyền thống khó thực hiện được.

3.2. Vai trò của phần mềm ABAQUS trong mô phỏng số kết cấu

Trong số các phần mềm PTHH, ABAQUS nổi bật với khả năng phân tích phi tuyến mạnh mẽ, đặc biệt phù hợp cho các bài toán liên quan đến vật liệu bê tông và composite. ABAQUS cung cấp một thư viện mô hình vật liệu tiên tiến, bao gồm mô hình Concrete Damaged Plasticity (CDP) để mô phỏng ứng xử nứt, phá hoại của bê tông. Phần mềm cũng cho phép định nghĩa các tương tác phức tạp như liên kết giữa CFRP và bê tông thông qua các ràng buộc (Tie constraint) hoặc mô hình lớp keo dính (Cohesive elements). Khả năng xử lý các bài toán tiếp xúc và phi tuyến hình học lớn giúp mô phỏng số bằng ABAQUS phản ánh gần đúng với thực tế, cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự phân bố lại nội lực và cơ chế phá hoại của kết cấu sau khi gia cường.

IV. Cách mô phỏng sàn bê tông gia cường CFRP chi tiết trên ABAQUS

Quy trình mô phỏng số sàn bê tông gia cường CFRP trên phần mềm ABAQUS bao gồm nhiều bước chi tiết, đòi hỏi sự hiểu biết sâu về cơ học vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn. Đầu tiên, các cấu kiện hình học như sàn bê tông, cốt thép và tấm CFRP được xây dựng. Bê tông và CFRP thường được mô hình hóa bằng phần tử khối (solid elements), trong khi cốt thép có thể được mô hình bằng phần tử thanh (truss hoặc beam elements). Bước tiếp theo và quan trọng nhất là định nghĩa mô hình vật liệu bê tông, cốt thép và sợi carbon gia cường polymer. Đối với bê tông, mô hình Concrete Damaged Plasticity (CDP) được sử dụng để mô tả cả ứng xử chịu nén dẻo và chịu kéo nứt. Cốt thép được mô hình hóa theo quan hệ đàn hồi - dẻo lý tưởng. Vật liệu CFRP, với tính chất trực hướng, được khai báo là vật liệu đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại. Cuối cùng, việc thiết lập các tương tác, điều kiện biên và tải trọng là yếu tố quyết định độ chính xác của mô hình. Cốt thép được nhúng vào bê tông (Embedded region), và liên kết giữa CFRP và bê tông được giả định là hoàn hảo thông qua ràng buộc 'Tie'.

4.1. Xây dựng mô hình vật liệu bê tông Concrete Damaged Plasticity

Mô hình Concrete Damaged Plasticity (CDP) trong ABAQUS là một công cụ mạnh để mô phỏng ứng xử phi tuyến của bê tông. Mô hình này kết hợp lý thuyết đàn hồi, dẻo và phá hoại để mô tả hai cơ chế hỏng chính: nứt do kéo và nghiền vỡ do nén. Người dùng cần định nghĩa các đường cong ứng suất-biến dạng cho cả khi chịu nén và chịu kéo. Quan trọng hơn, mô hình yêu cầu khai báo các tham số phá hoại (damage parameters) tương ứng với sự suy giảm độ cứng của vật liệu khi biến dạng vượt qua giới hạn đàn hồi. Theo tài liệu của Phạm Thế Hùng (2019), các tham số dẻo như góc nở (dilation angle), độ lệch tâm (eccentricity), và tỷ số cường độ chịu nén hai trục/một trục (fb0/fc0) cần được xác định cẩn thận để mô hình phản ánh đúng thực tế. Việc sử dụng mô hình CDP cho phép theo dõi sự hình thành và phát triển của vết nứt trong quá trình chịu tải.

4.2. Mô hình hóa cốt thép và vật liệu sợi carbon gia cường polymer

Cốt thép trong sàn bê tông thường được mô hình hóa bằng phần tử thanh (truss element T3D2), chỉ có khả năng chịu kéo/nén dọc trục. Vật liệu thép được định nghĩa là đàn hồi - dẻo, với mô đun đàn hồi Es ≈ 2.1x10^5 MPa và giới hạn chảy được xác định theo mác thép sử dụng. Đối với vật liệu composite CFRP, do có dạng tấm mỏng, nó được mô hình hóa bằng phần tử vỏ (shell element). Đặc tính vật liệu của CFRP là đàn hồi tuyến tính và trực hướng (orthotropic). Các thông số cơ học như mô đun đàn hồi theo các phương, hệ số Poisson và cường độ chịu kéo cần được lấy từ thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Trong nhiều nghiên cứu, để đơn giản hóa, CFRP có thể được xem là vật liệu đẳng hướng (isotropic) trong mặt phẳng tấm dán với ứng xử đàn hồi tuyến tính cho tới khi phá hoại.

4.3. Thiết lập tương tác và liên kết giữa CFRP và bê tông

Mô phỏng chính xác sự truyền lực giữa các cấu kiện là yếu tố sống còn của một mô hình phần tử hữu hạn. Trong ABAQUS, có nhiều cách để định nghĩa liên kết. Tương tác giữa cốt thép và bê tông thường được mô hình hóa bằng ràng buộc nhúng (Embedded Region), giả thiết một liên kết hoàn hảo, không có sự trượt tương đối. Đối với liên kết giữa CFRP và bê tông, phương pháp đơn giản và phổ biến nhất là sử dụng ràng buộc 'Tie'. Ràng buộc này gắn chặt bề mặt của tấm CFRP vào bề mặt của sàn bê tông, đảm bảo chúng cùng biến dạng tại lớp tiếp xúc. Giả thiết này hợp lý khi lớp keo epoxy đủ tốt và phá hoại không xảy ra do bong tách. Đối với các phân tích chi tiết hơn về nguy cơ phá hoại do bong tách, các kỹ sư có thể sử dụng phần tử lớp keo dính (cohesive elements) để mô hình hóa ứng xử của lớp keo.

V. So sánh kết quả mô phỏng ứng xử của kết cấu trước và sau gia cố

Kết quả từ mô phỏng số trên ABAQUS cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu quả của việc gia cường sàn bằng tấm CFRP. Bằng cách so sánh ứng xử của kết cấu giữa hai mô hình (trước và sau khi gia cường), có thể lượng hóa được mức độ cải thiện về khả năng chịu lực. Phân tích cho thấy, sau khi dán tấm CFRP, ứng suất trong cốt thép chịu kéo giảm đi đáng kể ở cùng một mức tải trọng. Điều này chứng tỏ tấm CFRP đã tham gia chịu lực hiệu quả, giúp giảm tải cho cốt thép hiện hữu và làm chậm quá trình chảy dẻo của thép. Đồng thời, độ võng của sàn cũng giảm rõ rệt, cho thấy độ cứng tổng thể của kết cấu được tăng cường. Những kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm. Việc so sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng là bước cần thiết để kiểm chứng mô hình, đảm bảo các giả thiết và thông số đầu vào là hợp lý. Sự tương đồng giữa hai kết quả sẽ khẳng định độ tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn trong việc dự đoán và thiết kế.

5.1. Phân tích khả năng chịu uốn và độ võng của sàn sau gia cường

Sau khi gia cường bằng tấm CFRP, khả năng chịu uốn của sàn bê tông được cải thiện một cách đáng kể. Tấm CFRP dán ở vùng chịu kéo hoạt động như một lớp cốt thép cường độ siêu cao bên ngoài, làm tăng mô men kháng uốn của tiết diện. Biểu đồ quan hệ tải trọng-chuyển vị từ kết quả mô phỏng cho thấy sàn gia cường có thể chịu được tải trọng lớn hơn trước khi đạt đến trạng thái giới hạn. Bên cạnh việc tăng khả năng chịu lực, một trong những lợi ích quan trọng nhất là giảm độ võng của sàn. Độ cứng uốn của tiết diện (EI) tăng lên sau khi gia cường, dẫn đến chuyển vị tại giữa nhịp giảm đi rõ rệt dưới cùng một mức tải trọng. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường cho công trình, tránh các hư hỏng cho các cấu kiện phi kết cấu như tường ngăn, vách kính.

5.2. Đánh giá sự tương quan giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng số

Để xác thực tính chính xác của mô hình phần tử hữu hạn, việc so sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng là không thể thiếu. Các đại lượng chính thường được so sánh bao gồm: đường cong quan hệ tải trọng-chuyển vị, dạng và tải trọng phá hoại, sự phân bố biến dạng trên bề mặt bê tông và trong cốt thép. Một mô hình được coi là đáng tin cậy khi các đường cong từ mô phỏng và thí nghiệm có hình dạng và giá trị tương đồng, đặc biệt là ở giai đoạn đàn hồi và giai đoạn chảy dẻo. Sự sai khác nhỏ có thể chấp nhận được do các yếu tố không chắc chắn trong thí nghiệm (tính chất vật liệu, sai số đo lường) và các giả thiết trong mô hình (liên kết hoàn hảo, mô hình vật liệu). Kết quả so sánh tốt sẽ chứng minh rằng mô hình mô phỏng số có thể được sử dụng như một công cụ hiệu quả để phân tích và mở rộng phạm vi nghiên cứu cho các trường hợp khác mà không cần thực hiện thí nghiệm tốn kém.

VI. Tương lai của việc phân tích sàn bê tông gia cường CFRP tại Việt Nam

Việc ứng dụng vật liệu CFRP và phương pháp phân tích sàn bê tông gia cường CFRP bằng phần tử hữu hạn đang mở ra một hướng đi đầy tiềm năng cho ngành xây dựng Việt Nam. Trong bối cảnh hàng ngàn công trình cũ cần được cải tạo, nâng cấp, giải pháp này mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật, kinh tế và tiến độ thi công. Để công nghệ này được áp dụng rộng rãi và an toàn, việc xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế và chỉ dẫn thi công dựa trên các quy định quốc tế như tiêu chuẩn ACI 440 là vô cùng cần thiết. Các nghiên cứu trong nước cần tiếp tục tập trung vào phân tích phi tuyến chi tiết hơn, xem xét các yếu tố như ảnh hưởng của môi trường, độ bền dài hạn của vật liệu composite và các dạng phá hoại phức tạp như phá hoại do bong tách. Sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm sẽ giúp hoàn thiện công nghệ, tạo ra các giải pháp gia cường kết cấu bê tông tối ưu, góp phần vào sự phát triển bền vững của hạ tầng xây dựng quốc gia.

6.1. Tiềm năng ứng dụng và các tiêu chuẩn thiết kế ACI 440

Tiềm năng ứng dụng của CFRP trong việc gia cường kết cấu tại Việt Nam là rất lớn, từ các tòa nhà chung cư cũ, trụ sở cơ quan, đến các công trình cầu và hạ tầng giao thông. Để đảm bảo chất lượng và an toàn, việc thiết kế cần tuân thủ các tiêu chuẩn uy tín. Tiêu chuẩn ACI 440.2R-17, do Viện Bê tông Hoa Kỳ ban hành, là một trong những chỉ dẫn toàn diện nhất về thiết kế và thi công hệ thống gia cường CFRP dán ngoài. Tiêu chuẩn này cung cấp các công thức tính toán khả năng chịu uốn, chịu cắt, đồng thời đưa ra các giới hạn về biến dạng để ngăn ngừa các dạng phá hoại giòn, đặc biệt là phá hoại do bong tách lớp CFRP. Việc nghiên cứu và áp dụng các hướng dẫn từ tiêu chuẩn ACI 440 vào điều kiện Việt Nam là bước đi quan trọng để chuẩn hóa và phổ biến công nghệ này.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo về phân tích phi tuyến vật liệu composite

Mặc dù các mô hình hiện tại đã đạt độ chính xác cao, vẫn còn nhiều lĩnh vực cần được nghiên cứu sâu hơn. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình phân tích phi tuyến chi tiết hơn cho lớp keo dính, mô phỏng chính xác quá trình bắt đầu và lan truyền của hiện tượng bong tách. Ngoài ra, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) và tải trọng lặp (mỏi) đến ứng xử của kết cấu gia cường là rất cần thiết để đánh giá độ bền dài hạn. Các nghiên cứu về dầm bê tông gia cường CFRP có thể được mở rộng cho các cấu kiện phức tạp hơn như nút khung, sàn không dầm, hoặc các kết cấu vỏ mỏng, tận dụng tối đa khả năng của các công cụ mô phỏng số tiên tiến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, thực trạng xuống cấp của các công trình bê tông cốt thép đang trở thành thách thức lớn về an toàn và hiệu quả kinh tế. Theo thống kê của ngành xây dựng, các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi trường xâm thực có thể bắt đầu suy giảm chất lượng, xuất hiện hiện tượng ăn mòn và nứt vỡ chỉ sau 10 đến 30 năm vận hành. Chi phí phá dỡ để xây dựng mới thường đòi hỏi nguồn ngân sách rất lớn, trong khi chi phí sửa chữa và gia cường chỉ tiêu tốn khoảng 40% đến 70% giá thành xây mới. Đơn cử tại Hà Nội vào cuối năm 2017, cơ quan quản lý xây dựng đã thống kê 603 công trình xuống cấp cần can thiệp kỹ thuật kịp thời; đồng thời trên toàn quốc hiện có gần 1.690 tòa chung cư và trụ sở cũ xây dựng trước năm 1990 cần được cải tạo khẩn cấp.

Vấn đề cốt lõi của các công trình này là sự suy giảm khả năng chịu uốn và nứt võng sàn do thay đổi công năng sử dụng, gia tăng tải trọng hoặc tác động xâm thực của môi trường. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng (năm 2019) tập trung nghiên cứu ứng xử cơ học của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm sợi carbon (CFRP) bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình số trên phần mềm Abaqus nhằm khảo sát sự biến thiên của trường ứng suất, biến dạng và chuyển vị của ô sàn kích thước 3,0 m x 3,0 m khi chịu tải trọng thẳng đứng. Kết quả nghiên cứu khẳng định giải pháp dán tấm CFRP giúp tăng cường khả năng chịu lực của sàn trên 30%, giảm chuyển vị võng đáng kể mà không làm tăng tải trọng bản thân nhờ khối lượng riêng vật liệu siêu nhẹ từ 1,5 đến 1,6 g/cm3 (nhẹ hơn thép 4 đến 6 lần), mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác cải tạo công trình hiện hữu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học phá hoại phi tuyến và lý thuyết vật liệu composite nhiều pha. Trọng tâm lý thuyết bao gồm mô hình phá hoại dẻo của bê tông (Concrete Damaged Plasticity - CDP) nhằm mô tả chính xác quá trình xuất hiện vết nứt do kéo và hiện tượng vỡ nát khi chịu nén dưới trạng thái ứng suất đa trục. Bên cạnh đó, mô hình đàn - dẻo khái quát hóa của cốt thép mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến qua bốn giai đoạn từ đàn hồi, chảy dẻo (với giới hạn chảy 280 MPa) đến tái bền, kết hợp với cơ học vật liệu trực giao đàn hồi tuyến tính của tấm sợi carbon CFRP sở hữu cường độ chịu kéo lên tới 3.400 MPa và mô đun đàn hồi xấp xỉ 240 GPa.

Các khái niệm cơ bản được phân tích chuyên sâu gồm: cơ chế ăn mòn điện hóa và tác động khử kiềm của phản ứng carbonat hóa (làm giảm độ pH từ ngưỡng an toàn 12-13 xuống mức gây gỉ cốt thép); quá trình xâm nhập của ion Cl- phá vỡ màng thụ động bề mặt; ứng xử truyền ứng suất tiếp xúc qua lớp keo dán epoxy liên kết bản composite và mặt đáy bê tông; cùng cơ chế tăng cường khả năng kháng uốn của hệ kết cấu liên hợp sau gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn ứng dụng phương pháp mô phỏng số thông qua phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus trong khung thời gian thực hiện năm 2018 - 2019. Mô hình kết cấu đại diện được thiết lập cho tấm sàn kích thước hình học 3,0 m x 3,0 m, chiều dày 0,09 m, sử dụng bê tông cấp độ bền B20 (mô đun đàn hồi ban đầu E0 = 27.000 MPa, hệ số Poisson 0,2) và lưới cốt thép phi 8 khoảng cách 200 mm đan ô vuông hai phương.

Cỡ mẫu mô hình hóa bao gồm hệ thống phần tử khối 3 chiều 8 nút C3D8R phân chia chi tiết cho bản bê tông, tấm gối tựa và tấm truyền tải cứng kích thước 0,2 m x 0,2 m dày 0,02 m. Cốt thép được mô hình hóa bằng phần tử thanh T3D2 dạng wire và liên kết vào khối bê tông thông qua ràng buộc nhúng (Embedded constraint) với giả thiết dính bám hoàn hảo. Hệ dải CFRP dày 1 mm, rộng 0,2 m được bố trí dán theo mạng lưới ô cờ khoảng cách 200 mm tại đáy sàn, liên kết bằng ràng buộc Tie mô phỏng tương tác mặt tiếp xúc. Phương pháp phân tích phi tuyến tĩnh từng bước được lựa chọn vì khả năng giải quyết các phương trình vi phân phức tạp, theo dõi liên tục tiến trình phát triển vết nứt và sự tái phân bố nội lực mà phương pháp giải tích truyền thống không thể thực hiện đầy đủ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng số trên phần mềm Abaqus đã chỉ ra những chuyển biến vượt trội về khả năng làm việc của sàn bê tông cốt thép sau khi dán gia cường mạng lưới tấm CFRP:

Thứ nhất, sức kháng uốn và khả năng chịu tải trọng giới hạn của sàn tăng khoảng 28% đến 35% so với mô hình đối chứng không gia cố khi chịu cùng một cấp tải trọng thẳng đứng. Tấm CFRP tiếp nhận ứng suất kéo tập trung tại vùng giữa nhịp, san sẻ hiệu quả áp lực tác động trực tiếp lên bê tông vùng đáy sàn.

Thứ hai, độ võng và chuyển vị thẳng đứng cực đại tại tâm sàn giảm rõ rệt từ 32% đến 40%. Điều này chứng minh độ cứng uốn tổng thể của kết cấu được cải thiện đáng kể, hạn chế tình trạng võng quá mức cho phép trong quá trình khai thác công trình.

Thứ ba, mức độ ứng suất và biến dạng kéo trong các thanh cốt thép phi 8 giảm trung bình 22% đến 27%. Nhờ sự phối hợp chịu lực của vật liệu composite có mô đun đàn hồi 240 GPa, cốt thép làm việc lâu hơn trong miền đàn hồi, làm chậm đáng kể thời điểm đạt giới hạn chảy dẻo.

Thứ tư, quá trình hình thành và mở rộng của các vết nứt bê tông trong vùng chịu kéo bị kìm hãm mạnh mẽ. Hệ số phá hoại do kéo trong mô hình CDP giảm rõ rệt, ngăn ngừa hiện tượng nứt toác bề mặt và bảo vệ liên kết bám dính.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự nâng cao hiệu năng chịu lực là nhờ cường độ chịu kéo cực cao của sợi carbon (đạt khoảng 3.400 MPa, gấp hơn 8 lần thép thông thường) kết hợp với liên kết truyền ứng suất hiệu quả của màng keo epoxy. Khi tải trọng truyền từ tấm nén cứng 0,2 m x 0,2 m xuống sàn, vùng kéo đáy sàn phát sinh biến dạng lớn, ngay lập tức kích hoạt ứng suất kéo trong các dải CFRP dán ô cờ.

So với phương pháp truyền thống như dán bản thép (tăng thêm 7.850 kg/m3 tĩnh tải và dễ bị gỉ sét bề mặt) hay dán tấm sợi thủy tinh GFRP (mô đun đàn hồi thấp hơn, chỉ đạt khoảng 70 đến 80 GPa), giải pháp CFRP thể hiện sự vượt trội về độ bền mỏi, tính chống ăn mòn hóa chất và hoàn toàn không làm thay đổi chiều cao thông thủy kiến trúc.

Trong phân tích chuyên môn, các tập dữ liệu được trực quan hóa thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị, phổ phân bố ứng suất von Mises trên bề mặt bê tông và bảng tổng hợp nội lực tại các nút phần tử điển hình (như nút số 19644 của phần tử bê tông 1465). Đồ thị đường cong ứng suất - biến dạng cho thấy sàn gia cường CFRP duy trì độ dốc tuyến tính cao hơn và kéo dài trạng thái ổn định trước khi bước vào giai đoạn biến dạng dẻo.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán và phân tích chuyên sâu, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

1. Chuẩn hóa quy trình xử lý bề mặt và thi công dán composite: Các đơn vị nhà thầu thi công cần thực hiện mài phẳng bề mặt bê tông, trám vá khuyết tật bằng vữa chuyên dụng và bơm keo epoxy xử lý toàn bộ vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,025 mm trước khi dán dải CFRP. Mục tiêu đạt cường độ dính bám mặt tiếp xúc tối thiểu 1,5 MPa, hoàn thành kiểm tra chất lượng trong lộ trình 3 đến 6 tháng trước khi đưa vào vận hành.
2. Tối ưu hóa sơ đồ dán tấm sợi carbon theo dạng lưới ô cờ: Các kỹ sư kết cấu cần áp dụng cấu hình dán dải CFRP bản rộng 0,2 m với khoảng cách mạng lưới 0,2 m nhằm phân phối đều ứng suất kéo hai phương, nâng cao khả năng chịu lực tổng thể thêm 30% mà vẫn tiết kiệm 20% đến 25% chi phí vật liệu so với dán phủ kín toàn bộ mặt đáy.
3. Thiết lập quy chuẩn kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ hệ thống dán ngoài: Ban quản lý tòa nhà và đơn vị vận hành cần tiến hành kiểm tra độ ẩm (giữ dưới 75%) và nhiệt độ môi trường làm việc (dưới ngưỡng nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh 60 độ C của keo dán) theo chu kỳ 6 tháng một lần nhằm bảo đảm tuổi thọ liên kết trên 20 năm.
4. Ban hành hướng dẫn tính toán thiết kế chi tiết cấp ngành: Các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý thuộc Bộ Xây dựng cần xây dựng bộ hướng dẫn tiêu chuẩn tính toán kết cấu sàn bê tông cốt thép gia cường CFRP bằng phương pháp số phi tuyến trong giai đoạn 2024 - 2026, tạo hành lang kỹ thuật đồng bộ cho các dự án cải tạo đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư kết cấu và chuyên viên tư vấn thiết kế: Ứng dụng quy trình thiết lập mô hình CDP và tham số vật liệu trong Abaqus để tính toán phương án gia cường sàn nhà dân dụng, sàn nhà xưởng công nghiệp khi có nhu cầu nâng tầng hoặc chuyển đổi công năng làm tăng tải trọng thiết kế từ 20% đến 30%.
2. Nhà thầu thi công và đơn vị sửa chữa công trình: Nắm vững quy trình kỹ thuật 6 bước của phương pháp dán khô và phương pháp dán ướt, từ khâu chuẩn bị bề mặt đến kỹ thuật lăn keo định vị, nhằm kiểm soát độ dính bám của tấm composite đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.
3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến, kỹ thuật nhúng cốt thép và mô hình hóa liên kết tiếp xúc phục vụ các đề tài nghiên cứu về kết cấu bê tông composite.
4. Chủ đầu tư và các cơ quan quản lý hạ tầng đô thị: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp dán CFRP, giúp tiết kiệm 30% đến 50% kinh phí so với phương án đập phá xây mới các khu chung cư cũ xuống cấp.

Câu hỏi thường gặp

Gia cường sàn bằng tấm CFRP có làm tăng tải trọng và thay đổi chiều cao thông thủy công trình không?

Phương pháp này hoàn toàn không ảnh hưởng đến kiến trúc công trình. Tấm sợi carbon CFRP có độ dày rất mỏng chỉ từ 0,333 mm đến 1,0 mm và khối lượng riêng khoảng 1,5 đến 1,6 g/cm3 (nhẹ hơn thép 4 đến 6 lần). Việc dán CFRP trực tiếp vào mặt đáy sàn không làm thay đổi kích thước hình học, giữ nguyên chiều cao thông thủy và gia tăng tĩnh tải không đáng kể so với phương pháp dán bản thép truyền thống.

Tấm CFRP hoạt động theo cơ chế nào để tăng khả năng chịu uốn cho sàn bê tông?

Khi bản sàn chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng đứng, vùng bê tông đáy chịu ứng suất kéo lớn nhất. Tấm CFRP liên kết chặt chẽ với bề mặt bê tông thông qua lớp keo epoxy sẽ cùng làm việc, tiếp nhận phần lớn lực kéo nhờ cường độ chịu kéo vượt trội lên tới 3.400 MPa, qua đó kìm hãm sự mở rộng vết nứt và giảm ứng suất trong cốt thép sàn đến 27%.

Mô hình phá hoại dẻo bê tông (CDP) trong phần mềm Abaqus có ưu điểm gì so với các mô hình khác?

Mô hình CDP mô tả toàn diện cả hai trạng thái phá hoại cơ bản của bê tông là nứt do kéo và vỡ nát do nén dưới tải trọng phi tuyến. Khác với mô hình vết nứt giòn tuyến tính, CDP cho phép người dùng khai báo độ suy giảm độ cứng và biến dạng dẻo không phục hồi thông qua các hệ số phá hoại cụ thể, phản ánh chính xác ứng xử thực tế của kết cấu bê tông cốt thép.

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến độ bền của liên kết dán CFRP?

Lớp keo epoxy kết dính có nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh trong khoảng 60 độ C đến 82 độ C. Khi nhiệt độ làm việc vượt quá ngưỡng này hoặc đạt mức trên 200 độ C, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của màng keo sẽ suy giảm trên 20%, làm mất khả năng truyền ứng suất tiếp xúc từ bê tông sang tấm sợi carbon. Do đó, công trình cần có lớp vữa trát chống cháy bảo vệ ngoài.

Nên lựa chọn phương pháp thi công dán khô hay dán ướt khi gia cường sàn bằng sợi carbon?

Phương pháp dán khô phù hợp với các diện tích sàn vừa và nhỏ sử dụng tấm định hình sẵn, giúp kiểm soát tốt độ dày lớp keo từ 1,5 mm đến 2,0 mm và thi công nhanh gọn. Phương pháp dán ướt tẩm nhựa trực tiếp tối ưu cho các cấu kiện diện tích lớn hoặc hình dạng phức tạp, tạo sự bão hòa keo tốt hơn và giảm thiểu nguy cơ bong tróc liên kết.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán mô phỏng và phân tích ứng xử cơ học của sàn bê tông cốt thép gia cường tấm sợi carbon:

• Thiết lập thành công quy trình mô phỏng phần tử hữu hạn 3D phi tuyến trên phần mềm Abaqus bằng mô hình phá hoại dẻo CDP kết hợp phần tử C3D8R và T3D2.
• Chứng minh hiệu quả nâng cao sức kháng uốn của bản sàn thêm 28% đến 35% và giảm độ võng thẳng đứng tại tâm sàn từ 32% đến 40%.
• Làm giảm ứng suất kéo trong cốt thép sàn khoảng 22% đến 27%, giúp kết cấu duy trì trạng thái làm việc đàn hồi ổn định và an toàn hơn.
• Khẳng định tính ưu việt của cấu hình dán lưới ô cờ CFRP về độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn và hiệu quả tiết kiệm chi phí vật liệu.
• Đóng góp cơ sở dữ liệu số quan trọng phục vụ trực tiếp công tác kiểm định, thiết kế và gia cường cho gần 1.690 chung cư cũ trên cả nước.

Về định hướng tiếp theo, nghiên cứu cần mở rộng kiểm chứng thực nghiệm trên các ô sàn quy mô lớn và khảo sát ứng xử kết cấu dưới tác động của tải trọng động đất trong giai đoạn 2025 - 2027. Hãy ứng dụng ngay công nghệ mô phỏng số và giải pháp gia cường tấm CFRP để tối ưu hóa độ an toàn và nâng cao tuổi thọ cho các dự án cải tạo công trình xây dựng hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA 1. Tổng quan sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép 1. Tình hình chung về sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép ở nước ta. Bê tông cốt thép (BTCT) được phát minh và ứng dụng từ đầu thế kỷ 19 và phát triển vượt bậc từ giữa và cuối thế kỷ 19 bởi những kỹ sư người Đức và các nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới.

Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người Pháp đưa vào sử dụng ngay từ những năm cuối của thế kỷ 19. Tuy nhiên phải sau năm 1960, khối lượng công trình BTCT xây dựng mới tăng lên đáng kể và phát triển vượt bậc đến thời điểm bấy giờ. Qua hơn một thế kỷ sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của các công trình bê tông cốt thép được các quốc gia trên thế giới đánh giá và tổng kết như sau: - Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm. - Trong môi trường bị xâm thực, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và BTCT có thể xuất hiện sau 10- 30 năm sử dụng.

Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình.) Hiện nay, bên cạnh các công trình bền vững sau 40-50 năm, hàng loạt các công trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 ¸ 15 năm đã bị ăn mòn và phá huỷ trầm trọng, đòi hỏi phải chi phí khoảng 40- 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa bảo vệ chúng. Nhiều công trình nhà dân dụng và công nghiệp trên cả nước nói riêng và trên toàn thế giới nói chung đang xuống cấp một cách nhanh chống. Nhiều công trình hư hỏng, suy giảm công năng sử sụng và hiệu quả đầu tư. Đơn cử tại thành phố Hà Nội, theo số liệu đánh giá tháng 11/2017 của Sở xây dựng Hà Nội có tới 603 danh mục công trình đã và đang xuống cấp gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống tinh thần và vật chất của dân cư nơi đây.

Cần có sự vào cuộc, đánh giá hiện trạng công trình và có các biện pháp gia cố, sửa chữa nhằm giảm kinh phí và tăng khả năng sử dụng công trình một các kịp thời và hiệu quả. Nhiều địa phương khác trên cả nước như thành phố Huế, Bà Rịa Vũng Tàu, TP. Hồ Chí Minh. cùng nhiều công trình đã suy giảm khả năng chịu lực có dấu hiệu hư hỏng, xuống cấp.

Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Hình 1. Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình 1. Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các công trình: Ở môi trường khí hậu nước ta hiện nay, các tác nhân chủ yếu của môi trường làm ăn mòn bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông làm hư hỏng và xuống cấp công trình là tác nhân về vật lý và hóa học. Tác nhân về cơ học (mài mòn bề mặt, phá vỡ, nổ.), vật lý (nhiệt độ, gió, đông cứng- tan chảy của nước, cháy.), hóa học (các tác nhân acid, nhiễm mặn.

), tải trọng thay đổi. Khi kết cấu bê tông cốt thép bị xâm thực bởi các yếu tố môi trường như gió, nhiệt độ, các axit trong môi trường xung quanh hay các tác nhân khác. thì mối liên kết giữa bê 5 tông và cốt thép quyết định đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép. Khi một trong hai thành phần của kết cấu bị hư hại thì ảnh hưởng tới phần còn lại và ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép nói chung.

Nguyên nhân ăn mòn trong bê tông - Ăn mòn diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hydroxyt canxi và aluminat canxi ngập nước) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi tan mạnh nhất, do đó loại ăn mòn này gọi là quá trình khử kiềm. - Ăn mòn do axit cabonic : Sự tập trung hàm lượng dung dịch canxi hydroxit hòa tan Ca(OH)2 trong các lỗ hỏng kết cấu BTCT là kết quả của quá trình thủy hóa xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13. Quá trình carbonat hóa với sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi cacbonat và trung hòa môi trường kiềm trong bêtông: CO2  H 2O  Ca OH 2  CaCO3  2H 2O. Sau quá trình trung hòa làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép (lớp màng dày 2-20 nanomét), đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, dẫn đến phá hủy kết cấu.

Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông, vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bêtông và cốt thép (Hình 1. Tốc độ của quá trình carbonat hóa phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường ngoài như: độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ lý của bêtông như độ kiềm và độ thẩm thấu, điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hóa hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60- 75%. Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hóa tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần, mặt khác hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hóa. Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtông và cốt thép - Ăn mòn của các axit khác: Trong số những axit vô cơ thường gặp (trừ axit cacbonic) tác dụng lên đá xi măng và bêtông như axit clohydric, axit sunfuric, axit nitơric và các axit hữu cơ như axit axctic, axit lactic.

khi bị tác dụng của axit này đá sẽ bị phân hủy. - Sự ăn mòn của dung dịch muối Magiê: Muối magiê cơ bản là hai loại muối MgCl2 và MgSO4. Sự ăn mòn của loại muối này chủ yếu do chúng tương tác với hydroxyt canxi 6 có trong đá xi măng. Phản ứng chính diễn ra giữa Ca(OH)2 có trong đá xi măng với muối Magiê như sau: MgSO4  Ca  OH 2  2 H 2O  CaSO4.

2 H 2O  Mg  OH 2 1 MgCl2  Ca  OH 2  CaCl2  Mg  OH 2 2 Khi bê tông càng bị thấm nhiều và hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng càng nhiều thì sẽ tạo ra chất vô định màu trắng càng nhiều và làm cho tính chất cơ học của kết cấu bêtông càng bị suy giảm. - Ăn mòn do dung dịch kiềm: Khi bê tông ở trong dung dịch kiềm loãng, sau đó tiếp xúc với không khí, trong bêtông sẽ bị cabonat hóa sinh ra các muối cabonat (Na2CO4) kết tinh phá vỡ kết cấu bêtông. Trong dung dịch kiềm đặc, tuy độ hòa tan Ca(OH)2 có giảm đi rõ rệt, nhưng lượng OH  sinh ra lại làm cho các oxit và silicat bị hòa tan, từ đó dẫn đến phá hoại bêtông. - Ăn mòn các muối sunfat: Quá trình thấm ion SO42 vào bêtông, tương tác với các sản phẩn thủy hóa của xi măng, gây trương nở thể tích và phá hủy kết cấu.

Quá trình ăn mòn diễn ra như sau: Đầu tiên là sự tương tác của MgSO4 và Ca(OH)2 theo phương trình (1). Khi môi trường chứa muối Na2SO4, thì đầu tiên là tương tác của sunfat Natri với hydroxyt canxi theo phương trình: Na2 SO4  Ca  OH 2  2H 2O  CaSO4. 2H 2O  NaOH  3 Sản phẩm CaSO4. 2H2O được tạo thành tăng thể tích lên 2,34 lần so với hydroxyt canxi.

Sau đó tạo ra CaSO4.2H2O lại tác dụng với 3CaO.6H2O tạo ra 3CaO.31H2O loại muối này nằm trong bêtông và làm tăng thể tích trong bêtông gây ra phá vỡ kết cấu bêtông. Nguyên nhân gây ra ăn mòn cốt thép trong bêtông - Ăn mòn cốt thép trong bêtông diễn ra dưới dạng ăn mòn điện hóa. Ở dạng ăn mòn này các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra khỏi mạng lưới tinh thế và trở thành ion mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OH  trong môi trường tạo ra các sản phẩm gỉ Fe2O4. Các sản phẩm này tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích gấp 4-6 lần so với thành phần ban đầu, chính vì vậy gây ra nội ứng xuất phá hoại cấu trúc bêtông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho tác nhân gây xâm thực và gây ra hiên tượng ăn mòn cốt thép trong bêtông tăng nhanh.

Quá trình gỉ chỉ có thể xảy ra nếu như bêtông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất định vì lúc này có sự phân cực cách biệt giữa catôt và anôt (Hình 1. Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa Sự xâm nhập của ion Cl  : Quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép (trừ trường hợp phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển), clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hóa ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13) (Hình 1. Có 4 cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bêtông: sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT, thẩm thấu dưới áp lực căng bề mặt và sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế.Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bêtông khi có mặt ion Cl  c.

Do sai sót trong quá trình khảo sát thiết kế, thi công và sử dụng: Trong quá trình khảo sát thiết kế. Người thực hiện việc khảo sát và thiết kế chưa tính toán đảm bảo đúng khả năng làm việc của kết cấu đến môi trường xung quanh như sai sót trong quá trình khảo sát địa chất, địa tầng gây sụt lún cục bộ. trong quá trình thiết kế có sai sót trong tải trọng tính toán, sai sót trong bố trí khả năng chịu lực của kết cấu. 8 Trong quá trình thi công và sử dụng.