CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT ------------ ------------ 1. VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 1. Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết Thép chịu thời tiết (weathering steel) hay thép kháng thời tiết (weather resistant steel) là những thuật ngữ thông thường được sử dụng để mô tả các loại thép với sức kháng ăn mòn khí quyển được cải thiện [5]. Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp, có cường độ cao, trong môi trường phù hợp sẽ hình thành lớp gỉ bảo vệ chắc chắn để kiềm chế ăn mòn thêm.
Tốc độ ăn mòn là rất chậm, cầu được chế tạo từ thép chịu thời tiết không sơn có thể đạt đến 120 năm tuổi thọ thiết kế với việc bảo trì chỉ mang tính danh nghĩa [5]. Do đó khi dùng loại thép này chúng ta không cần sơn hoặc các biện pháp chống gỉ khác, tiết kiệm được chi phí bảo dưỡng khi sử dụng kết cấu. Thép chịu thời tiết có được những thuộc tính đặc biệt này từ việc pha trộn cẩn thận của các thành phần hợp kim được thêm vào thép trong suốt quá trình sản xuất. Hàm lượng carbon thấp và thép ít giòn hơn và có khả năng chịu tải cao hơn trước.
Thép chịu thời tiết là sự kết hợp của crom, đồng, silic, và phốt pho, hàm lượng phụ thuộc vào thuộc tính được yêu cầu. Với sự hiện diện của độ ẩm và không khí, tất cả các thép hợp kim thấp có xu hướng gỉ, tốc độ của gỉ phụ thuộc vào sự tiếp xúc của oxi, độ ẩm và các tạp chất trong khí quyển đối với bề mặt kim loại. Với thép chịu thời tiết, khi quá trình này phát triển, lớp gỉ tạo thành lớp màng oxit để ngăn cản sự xâm nhập của oxi, độ ẩm và các tạp chất trong khí quyển, do đó tốc độ gỉ chậm lại. Sắt và thép cả hai đều gỉ khi có sự có mặt của không khí và nước, kết quả là sản phẩm của sự ăn mòn, gỉ và sắt oxit.
Thép không chịu thời tiết (Non-weather- resisting steel) có một lớp oxit tương đối xốp mà có thể dữ ẩm và thúc đẩy sự ăn mòn hơn nữa. Sau một thời gian nhất định (phụ thuộc vào điều kiện), lớp gỉ này sẽ tách khỏi bề mặt kim loại, làm bề mặt kim loại bị phơi bày ra và gây hư hại nhiều hơn nữa. Do đó, tốc độ gỉ phát triển như một loạt các đường cong và được xấp xỉ bởi một đường thẳng, độ dốc của nó phụ thuộc vào tính chất xâm thực của môi trường (biểu đồ 1. So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiết và thép carbon thông thường Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ được bắt đầu theo cùng một cách như các loại thép cacbon thông thường.
Khi phơi bày ngoài môi trường gỉ hình thành trong giai đoạn đầu với đặc điểm và tốc độ giống với thép cacbon thông thường, nhưng các thành phần hợp kim đặc biệt trong thép tạo nên một lớp gỉ ổn định, bám chặt vào kim loại cơ bản và ít xốp. Lớp gỉ “đồng” này phát triển dưới điều kiện ẩm và khô xen kẻ nhau và tạo nên một lớp oxit chống gỉ, ngăn chặn sự thâm nhập của oxi và hơi ẩm. Kết quả là làm giảm tốc độ gỉ của thép như được thể hiện ở biểu đồ 1. Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết Năm 1916, Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ đã bắt đầu một nghiên cứu về sự ăn mòn khí quyển của vật liệu.
Trong những năm 1930, tập đoàn thép Hoa Kỳ đã khám phá ra thép chịu thời tiết với sức kháng ăn mòn khí quyển lớn trong môi trường công nghiệp và nông thôn bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phần hợp kim khác. Thép chịu thời tiết được phát triển dưới tên gọi thương mại là cor- ten, chủ yếu được sử dụng cho các toa xe than đường sắt. Nhiều năm sau, Yamashita khảo sát sự ăn mòn khí quyển của thép chịu thời tiết có chứa một lượng nhất định Crôm được phơi bày trong khí quyển gần biển trong hơn 20 năm và đã nhận thấy rằng lớp gỉ tự nhiên bao gồm hai lớp, lớp bên trong được kết chặt và làm giàu với Crôm [16]. Tài liệu báo cáo rằng lớp gỉ bảo vệ này có phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH).
Thí nghiệm đo lường Ion đã chỉ ra rằng lớp gỉ chứa phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH) có thể ngăn chặn sự xâm hại của Cl-; điều này giúp đẩy nhanh sự hình thành của lớp gỉ chắc chắn. Thép chịu thời tiết ngày nay đang được sử dụng trong rất nhiều những ứng dụng bao gồm cho cầu, đường sắt, tháp truyền dẫn, ống khói và đóng tàu. Một số ví dụ việc ứng dụng của nó cho các kết cấu lớn như như cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ với vòm dài 518m được xây dựng năm 1974 và hoàn thành năm 1977; nhánh mới của cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ, nhánh này được xây dựng -7- vào năm 1972 nhằm giảm tải cho cầu cũ chỉ có hai làn xe; Trung tâm nghệ thuật đương đại Australia (ACCA) được hoàn thành năm 2002. Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ Hình 1.
Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ Ở Việt Nam, cầu thép chịu thời tiết đã được ứng dụng vào cầu Chợ Thượng, huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh. Cầu này nằm trên tuyến đường sắt Thống Nhất Bắc – Nam sử dụng kết cấu giàn thép chịu thời tiết không sơn do Nhật Bản giúp đỡ xây dựng vào tháng 5 năm 2000. Cầu Chợ Thượng làm bằng thép chịu thời tiết trên tuyến đường sắt Bắc – Nam 1. Lợi ích của thép chịu thời tiết Cầu thép thông thường tận dụng những tiến bộ mới nhất trong tự động hóa chế tạo và kỹ thuật xây dựng có thể cung cấp các giải pháp kinh tế đối với các yêu cầu về an toàn, xây dựng nhanh, diện mạo hấp dẫn, chiều cao kết cấu thấp, bảo trì tối thiểu và tính linh hoạt trong sử dụng sau này.
Cầu thép chịu thời tiết có tất cả những phẩm chất này, nhưng còn cung cấp nhiều lợi ích hơn nữa [5]. Qua kinh nghiệm sử dụng cầu thép chịu thời tiết trên thế giới đã chỉ ra một số lợi ích đối với loại cầu này bao gồm: Bảo trì tối thiểu. Việc bảo dưỡng, kiểm tra và vệ sinh định kỳ là việc bảo dưỡng duy nhất yêu cầu để đảm bảo cầu vẫn hoạt động thỏa đáng. Do đó, cầu thép chịu thời tiết là lý tưởng cho những nơi tiếp cận khó khăn hoặc nguy hiểm và những nơi mà sự gián đoạn cần được giảm tối thiểu sau này.
Lợi ích chi phí ban đầu. Tiết kiệm chi phí từ việc loại bỏ hệ thống sơn bảo vệ lớn hơn chi phí nguyên liệu bổ sung. Thông thường, chi phí cho cầu thép chịu thời tiết thấp hơn khoảng 5% so với việc lựa chọn thay thế cầu thép thông thường phải sơn bảo vệ. Điều này được minh họa trong một nghiên cứu gần đây cho 8 cầu ở Anh [4].
Lợi ích chi phí vòng đời. Chi phí vòng đời của cầu (Life cycle cost – LCC) là tổng tất cả các chi phí bao gồm chi phí xây dựng cầu ban đầu, chi phí bảo trì trong suốt tuổi đời hoạt động của cầu. Yêu cầu bảo trì tối thiểu trong tương lai đối với cầu thép chịu thời tiết làm giảm đáng kể cả chi phí trực tiếp trong hoạt động bảo trì và chi phí gián tiếp từ sự chậm trễ trong giao thông, điều này dẫn đến tiết kiệm được nhiều hơn nữa, vượt 5% chi phí vốn. Giảm thời gian xây dựng.
Toàn bộ thời gian xây dựng giảm do giảm thời gian thi công trong xưởng và tại hiện trường. -9- Diện mạo hấp dẫn. Diện mạo hấp dẫn của cầu thép chịu thời tiết thường hòa quyện đẹp mắt với môi trường và cải thiện theo tuổi của cầu. Lợi ích đối với môi trường.
Giảm thiểu được các tác động đến các vấn đề môi trường liên quan đến lượng khí thải sơn VOC, do rơi vãi bụi từ công tác sơn bảo vệ và từ bụi bẩn do công việc bảo dưỡng trong tương lai. An toàn đối với con người. Vấn đề sức khỏe và an toàn xuất phát từ việc loại trừ công tác sơn chống gỉ ban đầu và giảm thiểu những rủi ro trong việc bảo dưỡng sau này. Khả năng chịu nhiệt độ cao.
Có khả năng làm giảm mức độ oxi hóa của thép ở nhiệt độ trên 400oC. Điều này phụ thuộc vào thời gian cấp nhiệt và điều kiện môi trường. Tuy nhiên, thép chịu thời tiết lại không phù hợp với các cấu kiện chịu tải trọng quan trọng như gối cầu khi nhiệt độ trên 450oC. Tình hình nghiên cứu và sử dụng cầu thép chịu thời tiết ở các nước trên thế giới và Việt Nam Ở Châu Âu, tất cả các nước đã nhận thấy lợi ích kinh tế của việc sử dụng thép chịu thời tiết.
Các chính sách của chủ đầu tư thay đổi về việc khi nào và dưới những điều kiện nào thì thép chịu thời tiết có thể sử dụng. Tính đến năm 2001 theo số liệu của [13], Ở Ý, đến 90% số cầu thép làm bằng thép chịu thời tiết. Ở Vương Quốc Anh, tỷ lệ sử dụng cầu thép chịu thời tiết là 10%, tuy nhiên con số này có thể thay đổi vì số lượng sử dụng cầu thép đang tăng lên. Ở Đức đã từng có một lệnh tạm hoãn sử dụng thép chịu thời tiết tuy nhiên gần đây lệnh này cũng đã được hủy bỏ.
Ở Châu Á, ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu phát triển mạnh nhất ở Nhật Bản. Theo [10], tính đến thời điểm năm 2004 thì tỷ lệ sử dụng thép chịu thời tiết trong cầu thép đã vượt 15%, kết quả này thể hiện sự gia tăng đáng kể trong việc sử dụng thép chịu thời tiết, tăng gấp 3 lần trong vòng 10 năm. Vốn là một đất nước phát triển lâu đời, hệ thống giao thông phát triển mạnh và sỡ hữu những tập đoàn thép khổng lồ như Nippon Steel, JFE Steel… đã giúp Nhật Bản thành quốc gia đi đầu trong việc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các sản phẩm thép chịu thời tiết mới. Những sản phẩm thép chịu thời tiết mới được phát triển với thành phần hợp kim cao, cung cấp hiệu quả chống ăn mòn cao cho khu vực ven biển.
Các sản phẩm đã được giới thiệu như 3% Niken; 1.3% molyden và 1% đồng, 1% Niken. Các khu vực ven biển rộng lớn của Nhật cung cấp một thị trường lớn cho những loại thép hiệu quả cao này. Nhật Bản cũng đã phát triển các chất sơn lót thời tiết mà được áp dụng để ngăn chặn các vấn đề nhuộm màu ban đầu và có thể thúc đẩy sự hình thành của lớp gỉ giữ ổn định.