Luận án Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- VÕ VĂN NAM ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- VÕ VĂN NAM ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS. TRẦN THẾ TRUYỀN 2- TS. HOÀNG VIỆT HẢI Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Võ Văn Nam ii LỜI CẢM ƠN Tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Thế Truyền, TS Hoàng Việt Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu, học tập tại Trường. Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Trường Đại học Giao thông vận tải. Tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS. Trần Đức Nhiệm, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long, PGS.TS. Bùi Tiến Thành, TS. Phạm Đức Thọ đã góp ý, động viên và hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập. Tôi cũng không quên gửi lời cám ơn đến các Thầy, Cô, đồng nghiệp công tác tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh – nơi tôi công tác, đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi bày tỏ lời cảm ơn đến các bạn bè đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ, đồng hành cùng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày ... tháng 01 năm 2024 Nghiên cứu sinh Võ Văn Nam iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II MỤC LỤC ............................................................................................................... III DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... XII PHỤ LỤC ............................................................................................................. XIV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... XV MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 1 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 5 3. MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU.................................................................................... 5 4. PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU ...................................................................................... 5 5. PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU ........................................................................... 6 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ................................ 6 CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VİỆT NAM .................................................................. 7 1.1. TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP ...................................................................................................... 7 1.1.1. Khái niệm ăn mòn kim loại ................................................................ 7 1.1.2. Phân loại ăn mòn cốt thép trong cấu kiện BTCT ............................................... 7 1.2. THỰC TRẠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU TẠI VIỆT NAM............. ............................................................................................................ 13 1.2.1. Cầu Kênh K13 - tỉnh Tây Ninh ........................................................................ 14 1.2.2. Cầu Cảng Bến Đầm - tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu............................................. 14 1.2.3. Cầu Diễn Kim – Tỉnh Nghệ An ....................................................................... 14 1.2.4. Cầu Bình Long – tỉnh Bình Định .................................................................. 15 1.2.5. Cầu Phước Lộc - thành phố Hồ Chí Minh ....................................................... 16 iv 1.2.6. Cầu Thạnh Đức – tỉnh Quảng Ngãi .................................................................. 16 1.2.7. Đánh giá, nhận xét. ................................................................... 16 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC ............. 17 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................... 17 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................... 21 1.4. NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................ 26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẤU KİỆN DẦM BTCT ............ 27 2.1. ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG CẤU KİỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP .............. 27 2.1.1. Ăn mòn thép do quá trình các bo nát hóa ......................................................... 27 2.1.2. Ăn mòn do ion Clo (ăn mòn điện hóa) ............................................................. 28 2.1.3. Cơ chế ăn mòn cốt thép trong bê tông .............................................................. 30 2.1.4. Một số mô hình về lan truyền ăn mòn trong kết cấu BTCT ............................. 38 2.1.5. Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép trong bê tông .................................... 42 2.1.6. Cơ sở xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn ....................... 48 2.2. MỘT SỐ MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP .................. 59 2.2.1. Các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông ........................................................ 59 2.2.2. Các mô hình ứng xử của cốt thép .................................................................... 63 2.2.3. Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép ................................................. 64 2.3. NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................ 67 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT CÓ XÉT ĐẾN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ................................................................... 69 THÍ NGHİỆM ĐÁNH GİÁ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO MẪU............. ............................................................................................................ 69 3.1.1. Thành phần vật liệu ...................................................................... 69 3.1.2. Yêu cầu, tính toán các chỉ tiêu vật liệu ............................................................. 69 3.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI HỔN HỢP BÊ TÔNG THÍ NGHIỆM ........................................................................................................... 79 3.2.1. Các bước thiết kế cấp phối bê tông .................................................................. 79 3.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG ................. 81 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm.. ..................................................................... 81 v 3.3.2. Mẫu thử .................................................................... 81 3.3.3. Quy trình thử nghiệm.. ................................................................. 81 3.3.4. Tính toán mô đun đàn hồi. ................................................................ 82 3.4. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG (F’C) ............................. 82 3.4.1. Thiết bị thí nghiệm ............................................................... 82 3.4.2. Chuẩn bị thí nghiệm: ................................................................ 83 3.4.3. Tiến hành thử:................................................................... 83 3.4.4. Kết quả:. ................................................................... 83 3.5. CHẾ TẠO MẪU DẦM THÍ NGHIỆM ............................................................. 84 3.5.1. Thiết bị dùng trong quá trình chế tạo dầm thí nghiệm ..................................... 84 3.5.2. Chế tạo dầm thí nghiệm. ............................................................... 85 3.6. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LỰC PHÁ HOẠI PMAX ......................................... 85 3.6.1. Chuẩn bị mẫu. ........................................................................... 85 3.6.2. Thực hiện uốn mẫu ........................................................................... 86 3.7. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA ỨNG SUẤT DO TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ............................................... 87 3.7.1. Qui trình thực hiện thí nghiệm ......................................................................... 88 3.7.2. Thiết bị và công tác chuẩn bị thí nghiệm ......................................................... 88 3.7.3. Kết quả thí nghiệm: .......................................................................... 93 3.7.4. Quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn cốt thép ...................................... 94 3.8. THÍ NGHİỆM ĐÁNH GİÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẤU KİỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP............. ............................................................................................................ 96 3.8.1. Chế tạo dầm và thí nghiệm xác định Pmax ........................................................ 97 3.8.2. Thí nghiệm ăn mòn diễn tiến nhanh các nhóm mẫu dầm ................................. 98 3.8.3. Thí nghiệm xác định lực kháng uốn các nhóm mẫu dầm ............................... 100 3.8.4. Xác định mức độ ăn mòn cốt thép .................................................................. 102 3.8.5. Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm BTCT có xét đến ảnh hưởng của tải trọng.. ...................................................................... 105 3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................. 106 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN GIẢI TÍCH VÀ MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN SỨC KHÁNG CỦA DẦM CẦU BTCT CÓ XÉT ĐẾN SỰ ĂN MÒN CỦA CỐT THÉP ..................................... 108 vi 4.1. MÔ HÌNH HÓA DẦM THỰC NGHIỆM ....................................................... 108 4.1.1. Mô hình vật liệu bê tông. ................................................................ 108 4.1.2. Mô hình vật liệu cốt thép .................................................................... 111 4.1.3. Mô hình dính bám giữa bê tông và cốt thép ................................................... 111 4.1.4. Mô hình phần tử bê tông và cốt thép .............................................................. 111 4.1.5. Mô hình hóa kết cấu. .................................................................. 113 4.1.6. Thıết lập các bước tính toán.......... ................................................................. 114 4.1.7. Kết quả mô phỏng số ...................................................................... 114 4.1.8. So sánh đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng. ..................................................................... 115 4.2. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM CẦU CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG .......................... 116 4.2.1. Tính toán sức kháng uốn dầm bị ăn mòn cốt thép .......................................... 116 4.2.2. Tính toán sức kháng còn lại sau ăn mòn ........................................................ 119 4.3. MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ GIẢI TÍCH DẦM CẦU T - BTCT ................................................................................................................. 124 4.3.1. Mô hình hóa vật liệu bê tông và cốt thép ....................................................... 125 4.3.2. Mô hình hóa hình học ..................................................................... 125 4.3.3. Các bước thiết lập tính toán.. .............................................................. 126 4.3.4. Kết quả phân tích bằng phần mềm số ............................................................. 127 4.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến ứng xử của dầm cầu bị ăn mòn .... 128 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................. 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 132 1. KẾT LUẬN ........................................................................................................ 132 Khối lượng thực hiện được của luận án ............................................................ 132 Đóng góp mới của luận án ................................................................ 132 2. KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 133 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH ..... 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 136 TIẾNG VIỆT ........................................................................................................... 136 TIẾNG ANH ........................................................................................................... 138 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 144 vii PHỤ LỤC 01 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĂN MÒN GIA TỐC ........................... 144 PHỤ LỤC 02 - MÔ PHỎNG SỐ CHƯƠNG TRÌNH ATENA .............................. 145 PHỤ LỤC 03 - TÍNH TOÁN CHI TIẾT DẦM T - BTCT147 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Biểu đồ phát triển ăn mòn cốt thép theo thời gian ..................................... 8 Hình 1.2. Hình ảnh mô tả các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT ...................... 9 Hình 1.3. Quá trình phát triển của vết nứt do ăn mòn cốt thép theo Tuutti .............. 10 Hình 1.4. Gỉ trương nở đều Hình 1.5. Gỉ trương nở không đều ........... 11 Hình 1.6. Hiện trạng bản bị bong vỡ bê tông lộ cốt thép ở cầu Kênh K13 (thời điểm khảo sát năm 2018) ................................................................................................... 14 Hình 1.7. Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại cầu cảng Bến Đầm - Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (Tình trạng tại thời điểm khảo sát năm 2017).......................................................................................................................... 14 Hình 1.8. Hiện trạng ăn mòn gây hoen gỉ cốt thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ tại các bộ phận cầu BTCT (thời điểm khảo sát năm 2016) ............................................ 15 Hình 1.9. Ăn mòn cốt thép gây hư hỏng kết cấu dầm BTCT tại cầu Bình Long (thời điểm khảo sát năm 2020) .......................................................................................... 15 Hình 1.10. Ăn mòn bê tông gây nứt phá hoại trên thân dầm Cầu Phước Lộc .......... 16 Hình 1.11. Hình ảnh ăn mòn bê tông cốt thép trên kết cấu dầm cầu Thạnh Đức (thời điểm khảo sát năm 2021) .......................................................................................... 16 Hình 2.1. Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông do cacbonat hóa ....................... 28 Hình 2.2. Các phản ứng cực dương và cực âm (Beeby) ........................................... 28 Hình 2.3. Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn sắt ..................................... 30 Hình 2.4. Áp lực trên bê tông do hình thành các sản phẩm ăn mòn ......................... 39 Hình 2.5. Thiết bị sử dụng cho phương pháp điện thế nửa pin được mô tả trong ASTM C876 để đo điện thế bề mặt liên quan đến dòng điện ăn mòn .................................. 42 Hình 2.6. Sơ đồ minh họa đường cong phân cực tuyến tính ..................................... 43 Hình 2.7. Sơ đồ minh họa kết quả đo xung tĩnh điện................................................ 45 Hình 2.8. Biểu diễn giản đồ của phép đo điện trở suất. (a) Điện trở suất lớn,.......... 48 Hình 2.9. Lý tưởng hóa của bê tông bảo vệ như là một hình trụ thành dày: (a) mẫu bê tông ban đầu; (b) sự biến dạng của bê tông, (c) sự biến dạng của các sản phẩm ăn mòn (d) gỉ chèn vào trong các vết nứt mở. ............................................................... 49 ix Hình 2.10. Khoảng thời gian từ khởi đầu ăn mòn thép đến nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ và tới nguy hiểm chịu lực ..................................................................................... 50 Hình 2.11. Sơ đồ ước lượng cho mất mát bán kính thép rs2 .................................. 56 Hình 2.12. Mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và độ ẩm tương đối với bê tông tuổi 1 năm có hàm lượng ion Cl- là 1.8kg/m3 ở nhiệt độ 23oC .......................................... 57 Hình 2.13. Mật độ dòng ăn mòn với thời gian khi Ccl=1.25kg/m3, nhiệt độ 20oC, độ ẩm H=75% theo Liu và Weyers ................................................................................ 59 Hình 2.14. Luật ứng xử đàn hồi của bê tông ........................................................... 59 Hình 2.15.Trường ứng suất đầu vết nứt theo LEFM .............................................. 60 Hình 2.16. Tiêu chuẩn phá huỷ được biểu diễn trong các mặt phẳng khác nhau .. 61 Hình 2.17. Luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - giòn - dẻo ............................................. 63 Hình 2.18. Quan hệ ứng suất biến dạng khái quát hóa của thép. ............................ 64 Hình 2.19. Mô hình đàn hồi – dẻo có củng cố ........................................................ 64 Hình 2.20. Biểu diễn sự có mặt của cốt thép trong bê tông .................................... 65 Hình 2.21. Dạng tương tác giữa cốt thép với bê tông. ............................................ 67 Hình 3.1. Biểu đồ bao cấp phối hạt vật liệu cát ........................................................ 72 Hình 3.2. Biểu đồ bao cốt liệu – đá dăm ................................................................... 73 Hình 3.3. Thí nghiệm kiểm tra chỉ tiêu cơ lý của xi măng ....................................... 77 Hình 3.4. Thí nghiệm xác định giới hạn kháng uốn của thép ................................... 79 Hình 3.5. Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông ................................. 82 Hình 3.6. Công tác chuẩn bị đúc mẫu trụ .................................................................. 83 Hình 3.7. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ................................................... 84 Hình 3.8. Kích thước và cấu tạo dầm thực nghiệm ................................................... 85 Hình 3.9. Mẫu dầm sau quá trình trình chế tạo ......................................................... 85 Hình 3.10. Sơ đồ uốn 4 điểm trong thí nghiệm phá hoại mẫu .................................. 86 Hình 3.11. Thí nghiệm phá hoại trên 02 mẫu xác định PMax ..................................... 86 Hình 3.12. Sơ đồ các bước thực hiện thí nghiệm ........