Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép ở trạng thái chịu tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VŨ ĐỨC MINH
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHÔNG THẤM
CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở TRẠNG THÁI CHỊU TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM
MÃ SỐ: 60.58.02.05

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. TRẦN THẾ TRUYỀN

HÀ NỘI, 2017


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ đóng góp
ý kiến của thầy, cô ở Khoa Công trình Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải, các bạn
đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn

thành luận văn.
Đặc biệt tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn
PGS.TS Trần Thế Truyền – Bộ môn Cầu hầm, Trƣờng Đại học Giao thông Vận
tải, là ngƣời thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn
thiện luận văn này.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và những ngƣời thân của tôi, những
ngƣời luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn cho tôi vƣợt qua mọi khó
khăn để hoàn thành khóa học này.
Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chƣa
đáp ứng đƣợc một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra. Tôi xin chân thành cảm ơn
và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn
đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Tác giả

VŨ ĐỨC MINH


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2
3. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
CHƢƠNG 1............................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG ......................... 3
1.1. Khái niệm về tính thấm của bê tông .................................................................. 3
1.1.1. Cấu trúc rỗng của bê tông ...................................................................................... 3
1.1.2. Các định nghĩa cơ bản ........................................................................................... 4
1.1.2.1. Độ rỗng của bê tông ........................................................................................... 4
1.1.2.2. Tính thấm của bê tông ........................................................................................ 5
1.1.2.3. Sự khuếch tán ..................................................................................................... 5
1.1.2.4. Sự hút bám .......................................................................................................... 5
1.1.2.5. Sự hấp thụ ........................................................................................................... 5
1.1.2.6. Độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng ........................................................................ 5
1.1.2.7. Tính liên thông giữa các lỗ rỗng......................................................................... 6
1.1.3. Ảnh hƣởng của tải trọng đến cấu trúc vi mô của bê tông...................................... 6
1.1.4. Thấm của chất lƣu qua bê tông.............................................................................. 7


1.1.4.1. Khái niệm ........................................................................................................... 7
1.1.4.2. Cơ chế thấm của chất lƣu qua môi trƣờng rỗng ................................................. 9

1.2. Ảnh hƣởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết
cấu bê tông cốt thép............................................................................................. 11
1.2.1. Hiện tƣợng các công trình bằng bê tông cốt thép bị ăn mòn ............................... 11
1.2.2. Đặc điểm và cơ chế ăn mòn bê tông .................................................................... 14
1.2.3. Đặc điểm và cơ chế ăn mòn cốt thép ................................................................... 16
1.2.4. Ảnh hƣởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu lực của kết
cấu bê tông cốt thép ....................................................................................................... 20

1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng chống thấm của bê tông ......................... 25
1.3.1. Ảnh hƣởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông.............................................. 25


1.3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ thấm của bê tông .............................................. 25
1.3.3. Ảnh hƣởng cơ – nhiệt đồng thời đến độ thấm của bê tông ................................. 25

1.4. Các phƣơng pháp đo thấm trong bê tông cốt thép ........................................... 25
1.4.1. Phƣơng pháo đo thấm nƣớc trong bê tông .......................................................... 25
1.4.1.1. Xác định mác chống thấm hay độ chống thấm (Water Permeability Grade) ... 26
1.4.1.2. Xác định hệ số thấm theo phƣơng pháp duy trì dòng thấm ổn định (Constant
Flow Method) ................................................................................................................ 27
1.4.1.3. Xác định hệ số thấm theo phƣơng pháp đo độ thấm xuyên sâu (Penetration
Method) ......................................................................................................................... 28
1.4.2. Phƣơng pháo đo thấm khí trong bê tông ............................................................. 29
1.4.2.1. Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi ............................................ 29
1.4.2.2. Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột giảm áp .................................................... 30

1.5. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 30
CHƢƠNG 2............................................................................................................. 31
ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM ............. 31
CỦA BÊ TÔNG ...................................................................................................... 31
2.1. Ảnh hƣởng của tải trọng đến độ thấm khí và thấm nƣớc của bê tông ............. 31
2.1.1. Ảnh hƣởng của tải trọng đến độ thấm khí của bê tông ....................................... 31
2.1.2. Ảnh hƣởng của tải trọng đến độ thấm nƣớc của bê tông .................................... 32
2.1.3. Mô hình hóa quá trình gia tăng độ thấm của bê tông theo trạng thái phá hủy .... 33
2.1.3.1. Mô hình không liên tục..................................................................................... 33
2.1.3.2. Các mô hình liên tục ......................................................................................... 33
2.1.3.3. Mô hình liên tục áp dụng cho toàn bộ quá trình phá hủy của bê tông (D = 0÷1)
....................................................................................................................................... 36

2.2. Các thí nghiệm đo đạc độ thấm khí và thấm nƣớc của bê tông ....................... 39
2.2.1. Đo độ thấm khí qua bê tông ................................................................................ 40
2.2.1.1. Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................... 40
2.2.1.2. Mẫu thí nghiệm................................................................................................. 42
2.2.1.3. Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột áp không đổi ............................................ 42
2.2.1.4. Thí nghiệm đo độ thấm khí với cột giảm áp .................................................... 43
2.2.2. Đo độ thấm nƣớc qua bê tông ............................................................................. 48
2.2.2.1. Thí nghiệm dòng nƣớc ổn định ........................................................................ 48
2.2.2.2. Thí nghiệm dòng nƣớc không ổn định ............................................................. 51
2.2.2.3. Các thí nghiệm đo mức độ ngấm nƣớc............................................................. 55
2.2.2.3.1. Chiều sâu nƣớc thấm nhập là một chỉ số ....................................................... 55


2.2.2.3.2. Xác định hệ số độ thấm từ chiều sâu ngấm nƣớc .......................................... 56

2.3. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 57
CHƢƠNG 3............................................................................................................. 58
TÍNH TOÁN ĐỘ THẤM NƢỚC CỦA BÊ TÔNG ............................................... 58
Ở TRẠNG THÁI CHỊU TẢI .................................................................................. 58
3.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 58
3.2. Mô hình kết cấu ................................................................................................ 58
3.2.1. Mẫu thử................................................................................................................ 58
3.2.2. Mô hình tính toán ................................................................................................ 59

3.3. Kết quả mô hình ............................................................................................... 61
3.4. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 70
1. Kết luận ............................................................................................................... 70
2. Kiến nghị ............................................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 71


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các chi tiết của các thí nghiệm độ thấm khí với cột giảm áp ........................... 44
Bảng 2.2. Mối quan hệ giữa chất lƣợng bảo vệ bê tông và chỉ số độ thấm khí Figg........ 45
Bảng 2.3. Chất lƣợng bảo vệ dựa theo chỉ số độ thấm khí Autoclam .............................. 48
Bảng 2.4. Chất lƣợng bảo vệ dựa vào chỉ số độ thấm nƣớc Autoclam............................. 54
Bảng 3.1. Các cấp tải trọng tác dụng vào đĩa bê tông ....................................................... 59
Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả từ mô hình tính toán ............................................................ 64
Bảng 3.3. Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.2qmax ..................................................... 65
Bảng 3.4. Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.4qmax ..................................................... 66
Bảng 3.5. Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.6qmax ..................................................... 66
Bảng 3.6. Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=0.8qmax ..................................................... 66
Bảng 3.7. Kết quả tính Ki của cấp tải trọng q=qmax .......................................................... 67
Bảng 3.8. Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.2qmax..................................................... 67
Bảng 3.9. Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.4qmax..................................................... 68
Bảng 3.10. Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.6qmax................................................... 68
Bảng 3.11. Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=0.8qmax................................................... 68
Bảng 3.12. Kết quả tính KT của cấp tải trọng q=qmax........................................................ 69


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của bê tông ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2. Các giai đoạn ứng xử của bê tông dƣới tác động của tải trọng ................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.3.Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trƣờng chất rỗng .......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.4. Lan can cầu bị ăn mòn (nguồn internet) ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Ăn mòn bê tông và các cốt thép ở xà mũ trụ .... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6: Bê tông bị nứt,bong tróc do cốt thép bị ăn mòn Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7: Ăn mòn bê tông và các cốt thép trong môi trƣờng nƣớc biển Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.8: Ăn mòn bê tông và các cốt thép ở lan can cầu . Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9: Cốt thép bị ăn mòn trong kết cấu bê tông cốt thép (nguồn internet) ......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.10: Quá trình ăn mòn cốt thép .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11: Quá trình thâm nhập của ion clorua ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.12: Ảnh hƣởng của độ thấm đến chiều sâu cacbonat hóa bê tông............................
(Dhir và cộng sự 1989) ...................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.13: Quan hệ giữa chỉ số thấm khí Autoclam và chiều sâu .......................................
cacbonat hóa (Basheer 1991)............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.14: Quan hệ giữa chỉ số độ thấm nƣớc Autoclam và chiều sâu ...............................
cacbonat hóa (Long, Basheer và Montgomery 1997) ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.15: Mối quan hệ giữa chỉ số độ hấp thụ Autoclam và lƣợng clo đi vào (Basheer
1994) .................................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.16: Sự phụ thuộc của sự cacbonat hóa vào độ thấm khí của các..............................
cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.17: Sự phụ thuộc của sự thấm nhập clorua vào độ thấm khí của các .......................
cầu bê tông (Long, Basheer và Montgomery 1997) .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.18: Máy thí nghiệm xác định mác chống thấm với 6 khoang chứa mẫu....... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.19: Máy thí nghiệm xác định hệ số thấm với 4 khoang chứa mẫu của Matest
........................................................................................... Error! Bookmark not defined.


Hình 2.1. Gia tăng độ thấm khí của bê tông theo ứng suất tác dụng ..... Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.2. Gia tăng độ thấm khí của bê tông khi chất tải và khi dỡ tải .................................
(Choinska 2006) ................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3. Gia tăng độ thấm khí của bê tông khi chất tải và khi dỡ tải .................................
(Chatzigeorgiou 2005) ....................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Gia tăng độ thấm của bê tông theo độ phá hủy của bê tông .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.5. Gia tăng độ thấm của bê tông theo quá trình phá hủy của bê tông ............ Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.6. Một máy đo thấm khí điển hình ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7. Thiết bị đo thấm Cembureau và mẫu thí nghiệm dạng đĩa .... Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.8. Hai dạng mẫu bê tông đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm đo đạc độ thấm khí
........................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9. Thiết bị đo thấm nƣớc điển hình ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10. Bố trí thí nghiệm ISO/DIS 7032 ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1. Mẫu thử ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2. Đĩa bê tông dƣới tác dụng của tải trọng q=0.2qmax .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.3. Đĩa bê tông dƣới tác dụng của tải trọng q=0.4qmax .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.4. Đĩa bê tông dƣới tác dụng của tải trọng q=0.6qmax .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.5. Đĩa bê tông dƣới tác dụng của tải trọng q=0.8qmax .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.6. Đĩa bê tông dƣới tác dụng của tải trọng q=qmax Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7. Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông ............................................................
dƣới tác dụng của tải trọng q=0.2qmax ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8. Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông ............................................................


dƣới tác dụng của tải trọng q=0.4qmax ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.9. Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông ............................................................
dƣới tác dụng của tải trọng q=0.6qmax ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10. Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông ..........................................................
dƣới tác dụng của tải trọng q=0.8qmax ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11. Biểu đồ phần bố ứng suất của đĩa bê tông ..........................................................
dƣới tác dụng của tải trọng q=qmax .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.12. Quan hệ giữa độ thấm K và hệ số σ/σmax ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.13. Gia tăng độ thấm K theo cấp tải trọng q/qmax . Error! Bookmark not defined.


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-1-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thấm nƣớc và không khí qua bê tông là vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều trên
thế giới với các mục đích khác nhau bao gồm ngăn cản sự rò rỉ khí độc của lò phản
ứng hạt nhân, hầm chứa chất thải hạt nhân, hay tìm biện pháp chống sự thẩm thấu
nƣớc qua bề mặt các công trình thủy lợi...Thấm khí và nƣớc qua bê tông cũng đƣợc
nghiên cứu với mục đích quan trọng là khống chế sớm quá trình ăn mòn các kết
cấu công trình xây dựng.
Vật liệu bê tông vốn có một độ thấm nhất định khi ở trạng thái nguyên vẹn,
gọi là độ thấm ban đầu. Tuy nhiên, sự thấm nƣớc hay không khí qua bê tông thực
sự thay đổi đáng kể từ khi vật liệu này chịu tải trọng và bắt đầu xuất hiện các vùng
phá hủy, các vết nứt nhỏ cho đến khi xuất hiện đƣờng nứt lớn. Các nghiên cứu cho
thấy độ thấm của bê tông tăng nhanh theo quy luật hàm mũ khi bê tông bị nứt so
với độ thấm ban đầu.
Việt Nam là một nƣớc nhiệt đới, lƣợng mƣa lớn, khí hậu thay đổi thất thƣờng,
địa hình tiếp giáp với bờ biển dài. Tuổi thọ công trình xây dựng, giao thông và
thủy lợi bị giảm đáng kể nếu khả năng chống thấm trong quá trình khai thác của
các công trình này bị ảnh hƣởng do các tác động của tải trọng gây phá hủy, nứt vỡ
bê tông. Các vết nứt không mong muốn xuất hiện ở hầu hết các công trình xây
dựng, giao thông hay thủy lợi của Việt Nam đã tạo điều kiện cho nƣớc và không
khí (hay gọi tắt là chất lƣu) có hại thấm nhập vào bên trong kết cấu. Và chắc chắn
rằng với lý do này độ bền của các công trình sẽ bị ảnh hƣởng rất nhiều trong quá
trình khai thác.
Việc dự báo ảnh hƣởng của các tác động bên ngoài vào công trình là cơ sở
quan trọng nhất để duy trì và thiết kế tối ƣu các công trình xây dựng nhằm kéo dài
tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì duy tu sửa chữa trọn đời cho công trình. Một trong
số các nguyên nhân dẫn đến hƣ hỏng cho các kết cấu và công trình bê tông cốt thép
là sự thâm nhập của các chất lƣu từ nƣớc biển, nƣớc ngầm, nƣớc mƣa, hơi nƣớc
.v.v. Ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép đã đƣợc xác định là

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-2-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nguyên nhân phổ biến nhất gây hƣ hỏng cho các kết cấu và công trình bê tông cốt
thép trên toàn thế giới.
Đánh giá tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép do
thấm các chất lƣu vào bê tông là một trong những phƣơng pháp đánh giá độ bền
dài hạn của công trình. Việc Xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng và khả năng
chống thấm của kết cấu bê tông cốt thép sẽ giúp kiểm soát quá trình thấm nhập của
các chất lƣu vào bê tông ở những công trình thƣờng xuyên có tải trọng tác dụng, nó
góp phần đánh giá chính xác tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép nói chung và
các công trình cầu nói riêng. Hiện nay, trên thế giới, việc xác định quan hệ này là
yêu cầu bắt buộc khi xem xét khả năng chống thấm và chống ăn mòn của các loại
bê tông sử dụng trong xây dựng các công trình thƣờng xuyên chịu tác dụng của tải
trọng. Tuy nhiên, ở Việt Nam, đây vẫn là vấn đề mới mẻ, cần thiết phải có các
nghiên cứu để làm rõ vấn đề này với một số loại bê tông thƣờng dùng trong xây
dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng.
Nhƣ vậy đề tài“Nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt thép
ở trạng thái chịu tải” là thực sự cần thiết.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng và khả năng chống thấm của bản bê tông
cốt thép.
Trên cơ sở các tiêu chuẩn hiện hành, thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài,
các tính chất của bê tông để nghiên cứu khả năng chống thấm của bản bê tông cốt
thép ở trạng thái chịu tải.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong phạm vi hạn hẹp về thời gian nên đề tài chỉ nghiên cứu theo hƣớng
thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài:
- Các tiêu chuẩn, tài liệu, sách, báo, tạp chí đã công bố trong và ngoài nƣớc;
- Các tài liệu, số liệu trong các Website chuyên ngành trên Internet.

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-3-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG
1.1. Khái niệm về tính thấm của bê tông
1.1.1. Cấu trúc rỗng của bê tông
Sau khi tạo hình, các thành phần của hỗn hợp bê tông đƣợc sắp xếp chặt chẽ,
kết hợp với sự thủy hóa của xi măng hình thành nên cấu trúc bê tông. Khoảng thời
gian hình thành cấu trúc, cũng nhƣ cƣờng độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào
thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học.
Cấu trúc vi mô của bê tông có thể đƣợc biểu diễn nhƣ trên hình 1.1 gồm 3 pha
cơ bản là: pha hơi, pha nƣớc và pha rắn.

Hình 1.1. Cấu trúc của bê tông [nguồn internet]
Pha rắn gồm đá xi măng, khung cốt liệu và các liên kết giữa đá xi măng và
khung cốt liệu. Đá xi măng đƣợc cấu thành bởi các hạt xi măng thủy hóa chứa
khoảng 50% gel C-S-H, 20% vôi liên kết Ca(OH)2, 10 % aluminates và sunfo –
aluminates của canxi hydrat hóa và 20% các thành phần khác (CA2SH8, CA3,…).
Liên kết đá xi măng – khung cốt liệu tồn tại xung quanh khung cốt liệu và phụ
thuộc vào hình dạng cũng nhƣ thành phần hóa học các hạt cốt liệu. Các kết quả thí
nghiệm cho thấy, các hạt cốt liệu đá canxi khá rỗng và có liên kết chống thấm tốt
hơn trong khi các cốt liệu đá silic cho liên kết chống thấm kém hơn.

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-4-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Pha lỏng bao gồm các dạng nƣớc khác nhau cùng tồn tại trong bê tông: nƣớc
lỗ rỗng, nƣớc hấp phụ và nƣớc có liên kết hóa học. Nƣớc lỗ rỗng lấp đầy thể tích
rỗng nếu bê tông hoàn toàn bão hòa. Khi bê tông không bão hòa, nƣớc lỗ rỗng
phân cách với pha hơi bởi các mặt cong mao dẫn (menisque). Nƣớc hấp phụ có
mặt trên thành của các lỗ rỗng, nhất là trên gel C-S-H và chịu tác động của các lực
mặt qua trung gian các lực liên phân tử Van der Waals và các lực tĩnh điện; có đến
6 lớp phân tử nƣớc có thể bị giữ lại trên bề mặt, tuy nhiên lực hấp dẫn giảm khi mà
khoảng cách giữa lớp phân tử với bề mặt rắn tăng lên. Việc mất nƣớc hút bám là
nguyên nhân chủ yếu của sự co ngót của đá xi măng khi bị làm khô. Nƣớc có liên
kết hóa học là nƣớc cần thiết cho các phản ứng hydrat hóa của xi măng, loại nƣớc
này chỉ bị bay hơi khi nhiệt độ lên tới trên 4000C.
Pha lỏng bao gồm khí và hơi nƣớc cùng tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông.
Với bê tông bão hòa hoàn toàn, pha hơi bị chiếm chỗ bởi nƣớc lỗ rỗng.
Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu
và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu. Độ rỗng đƣợc định nghĩa là
tỷ số giữa thể tích các lỗ rỗng của bê tông và thể tích tổng. Đối với bê tông thƣờng,
độ rỗng có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông (Baroghel – Bouny: 1994). Trong
khi với bê tông chất lƣợng cao, độ rỗng có thể giảm xuống dƣới 3%.
1.1.2. Các định nghĩa cơ bản
1.1.2.1. Độ rỗng của bê tông
Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu
và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu. Độ rỗng đƣợc xác định bởi
công thức:

Trong đó:
Vp: thể tích các lỗ rỗng của bê tông
Vt: thể tích tổng cộng

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-5-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đối với bê tông thƣờng, độ rỗng có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông.
Trong khi đó với bê tông chất lƣợng cao độ rỗng có thể giảm xuống dƣới 3%.
Các lỗ rỗng trong bê tông có kích thƣớc khác nhau từ vài nm đến vài chục
nm. Các lỗ rỗng do lỗi quá trình đầm bê tông có kích thƣớc lớn hơn 1 mm. Các bọt
khí có kích thƣớc từ 10µm đến 1mm. Các lỗ rỗng mao dẫn có kích thƣớc từ 0.01
đến 5µm. Các lỗ rỗng trong xi măng có kích thƣớc nhỏ hơn 4nm.
1.1.2.2. Tính thấm của bê tông
Tính thấm của bê tông có thể đƣợc định nghĩa là tính dễ cho chất lỏng đi vào
và xuyên qua khối bê tông dƣới sự chênh lệch về áp lực. Mặc dù thuật ngữ tính
thấm liên quan chặt chẽ đến dòng chảy xảy ra dƣới sự chênh lệch về áp lực; tuy
nhiên, nó cũng thƣờng đƣợc sử dụng một cách tổng quát để bao hàm các cơ chế
truyền khác nhau nhƣ là sự hấp thụ và sự khuếch tán.
1.1.2.3. Sự khuếch tán
Sự khuếch tán là quá trình trong đó một chất lỏng, khí hoặc ion có thể truyền
qua bê tông dƣới hoạt động của một gradient tập trung. Sự truyền khối lƣợng là kết
quả của chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử hoặc các ion tự do trong dung
dịch.
1.1.2.4. Sự hút bám
Sự hút bám là một quá trình trong đó các phần tử dính kết với các bề mặt rắn
trong bê tông (các gel C–S–H) bởi các lực dính kết vật lý hoặc bởi sự dính bám
hóa học. Thuật ngữ khác đƣợc dùng phổ biến cùng với sự hút bám là sự nhả
(desorption), là sự giải phóng các phân tử bị hấp thụ khỏi các bề mặt rắn trong bê
tông.
1.1.2.5. Sự hấp thụ
Sự hấp thụ là quá trình trong đó bê tông giữ một chất lỏng do sự hút mao dẫn
trong các lỗ rỗng để lấp đầy không gian bên trong vật liệu.
1.1.2.6. Độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng
Độ ngoằn ngoèo của đƣờng di chuyển của chất lƣu trong bê tông đƣợc định
nghĩa (Carma – 1996).

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-6-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong đó:
Le: chiều dài dòng chảy thực tế;
L: chiều dài phần chiếu của Le trên đƣờng thẳng.
1.1.2.7. Tính liên thông giữa các lỗ rỗng
Tính liên thông giữa các lỗ rỗng là một tham số hình dạng đặc trƣng cho độ
thông nhau giữa các lỗ rỗng, đƣợc định nghĩa:
C=b–n+1

(1.3)

Trong đó:
b: Số lƣợng nhánh liên thông;
n: Số lƣợng nút rỗng.
Trong một môi trƣờng giả thiết là đồng nhất, C tỷ lệ với kích thƣớc của kết
cấu.
1.1.3. Ảnh hưởng của tải trọng đến cấu trúc vi mô của bê tông
Ứng xử của bê tông dƣới tác động của tải trọng ở cấp độ vĩ mô đã đƣợc nhiều
nghiên cứu đề cập đến.
Pha ph¸ hñy ph©n t¸n


max

Pha ph¸ hñy tËp trung

Do
Pha øng xö ®µn håi
Pha nøt

0

0

 Do

0

c

i



0.25

1

D

Hình 1.2. Các giai đoạn ứng xử của bê tông dưới tác động của tải trọng [1]

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-7-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong phạm vi luận văn, trình bày tóm lƣợc các pha ứng xử cơ bản của cấu
trúc vi mô của bê tông khi chịu kéo và chịu nén có xét đến giai đoạn xuất hiện và
lan truyền các đƣờng nứt trong bê tông (hình 1.2).

~
Giai đoạn đàn hồi hoặc tựa đàn hồi ( ≤ 0.7max,    Do ):
Bê tông đƣợc xem nhƣ còn nguyên vẹn nghĩa là chƣa xuất hiện hay lan truyền
nứt cơ học. Ma trận các lỗ rỗng trong bê tông không đổi hoặc giảm nhẹ do ứng suất
nén trong bê tông.
Giai đoạn không đàn hồi trước giới hạn phá hoại (0.7max<  ≤ max,
 Do  ~   C ):
Các đƣờng nứt nhỏ xuất hiện và lan truyền trong cấu trúc bê tông, các đƣờng
nứt này thƣờng xuất phát từ phần liên kết giữa các cốt liệu và đá xi măng. Đây
cũng là thời điểm của hiện tƣợng phá hủy đồng nhất hay phá hủy phân tán trong bê
tông. Độ rỗng của bê tông và tính thông nhau giữa các đƣờng nứt tăng nhanh, khả
năng chống thấm của bê tông giảm rõ rệt.

~
Giai đoạn ứng xử mềm của bê tông sau giới hạn phá hoại ( >max,    C ):
Các đƣờng nứt nhỏ tập trung lại và tạo ra các đƣờng nứt lớn có thể quan sát
đƣợc bằng mắt thƣờng, môi trƣờng bê tông trở nên không liên tục, độ rỗng của bê
tông và đặc biệt độ thông nhau của các lỗ rỗng tăng rất nhanh.
1.1.4. Thấm của chất lưu qua bê tông
1.1.4.1. Khái niệm
Độ thấm đƣợc định nghĩa là khả năng cho phép các chất lƣu thẩm thấu qua
của một môi trƣờng rỗng do sự chênh lệch thế năng. Độ thấm của bê tông, một loại
vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trƣờng bê tông nhƣ độ rỗng,
độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng. Khi độ rỗng
và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của
bê tông bị giảm xuống; và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ
càng nhanh. Dƣới tác động cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-8-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

kèm theo các đƣờng nứt làm gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy
cũng sẽ tăng nhanh.
Độ thấm của bê tông phụ thuộc vào các thành phần cấu thành nên bê tông
(dạng, tỷ lệ) bao gồm:
- Nƣớc / xi măng: liên quan trực tiếp đến độ rỗng mao dẫn.
- Bản chất và tỷ lệ các loại cốt liệu sử dụng: liên quan đến việc hình thành các
vùng liên kết giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu cũng nhƣ thay đổi tính ngoằn
ngoèo của các đƣờng rỗng.
Cƣờng độ và độ thấm của bê tông cho thấy, cƣờng độ bê tông phụ thuộc vào
tỷ lệ rỗng của vật liệu; tuy nhiên, độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông
giữa các lỗ rỗng. Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đƣờng nứt
xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác động cơ học, nhiệt độ cao, ăn
mòn…) trong quá trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh.
Sự chênh lệch về độ ẩm, của áp lực thủy tĩnh, của ứng suất, nhiệt độ và của
nồng độ các hóa chất làm xáo trộn trạng thái cân bằng của chất lƣu trong vật liệu
rỗng; vì vậy sự di chuyển của dòng lƣu chất xảy ra để thiết lập lại sự cân bằng mới.
Quá trình di chuyển của dòng lƣu chất này thông thƣờng đƣợc mô tả ở các phƣơng
diện nhƣ hút bám, khuếch tán, hấp thụ và thấm. Trong bê tông, cả cấu trúc vật lý
của bê tông và trạng thái của nƣớc trong lỗ rỗng ảnh hƣởng đến những quá trình
này. Thủy động học của các vật liệu rỗng xem xét phần rỗng nhƣ là một thể liên
tục với mục đích thiết lập các phƣơng trình mô tả các quá trình di chuyển của dòng
chất lƣu. Các mô tả lý thuyết của các quá trình dịch chuyển của chất lƣu thƣờng là
cơ sở để đo đạc các tính chất của dòng chảy trong bê tông. Tuy vậy, các quy luật
thực nghiệm về dòng chảy của chất lƣu nhƣ luật thấm Darcy, phƣơng trình
Poiseuille hay các luật thấm liên tục thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi để mô tả quá
trình thấm của chất lƣu qua bê tông.

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-9-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.1.4.2. Cơ chế thấm của chất lưu qua môi trường rỗng
Lớp hút bám

Giai đoạn (a) – Hút bám

Giai đoạn (b) – Khuếch tán hơi nƣớc

Giai đoạn (c) – Di chuyển hơi lẫn nƣớc

Giai đoạn (d) – Mặt từ biến có
nhiều di chuyển hơi chứa nƣớc

Giai đoạn (e) – Dòng nƣớc không đảm bảo

Giai đoạn (f) – Dòng chất bão hòa

Giai đoạn (g) –Khuếch tán của các ion qua

Giai đoạn (h) – Các ion khuếch tán qua

các lỗ rỗng không bão hòa

các lỗ rỗng bão hòa

Hình 1.3.Các giai đoạn chuyển dịch của chất lỏng qua môi trường chất rỗng [1]
Có 6 giai đoạn trong quá trình dịch chuyển của dòng chất lỏng qua một môi
trƣờng rỗng nhƣ trên hình 1.3. Các giai đoạn khác nhau đƣợc giải thích nhƣ sau:
Giai đoạn a:
Là giai đoạn của sự hút bám và đến khi nó kết thúc, dòng hơi nƣớc không thể
truyền qua vật liệu mặc dù dòng này sẽ di chuyển đến những vùng hút bám ở dạng
hơi nƣớc.
Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-10-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Giai đoạn b:
Là giai đoạn của sự di chuyển bị cản trở của hơi nƣớc khi mà hơi nƣớc ứng
xử nhƣ là một khí lý tƣởng. Điều này đƣợc trình bày trong định luật thứ nhất về
khuếch tán của Fick:

Trong đó:
JX : lƣu lƣợng dòng chảy tại vị trí x theo phƣơng x tính từ gốc;
DX : hệ số khuếch tán tại vị trí x;
cC/cX : gradient nồng độ tại vị trí x.
(Định luật thứ hai về khuếch tán của Fick liên quan đến tốc độ thay đổi
gradient nồng độ bằng cách giả sử rằng hệ số khuếch tán là độc lập với vị trí).
Giai đoạn c, d:
Các giai đoạn c và d xảy ra khi các chỗ co hẹp mặt cắt chứa chất lỏng, có thể
có một màng mỏng hoặc không, với chiều dày đáng kể trên thành khoang.
Trong giai đoạn c, hệ thống không thấm đối với khí trơ và thấm đối với chất
lỏng chỉ bởi quá trình chƣng cất, trong đó các chỗ co hẹp mặt cắt có vai trò ngăn
cản dòng di chuyển của hơi nƣớc. Quá trình này đƣợc giải thích là do chất lỏng
đƣợc hỗ trợ bởi sự truyền hơi nƣớc, sự hỗ trợ tăng lên bởi vì các chất lỏng làm
ngắn chiều dài đƣờng đi hữu hiệu của hơi nƣớc khuếch tán.
Trong giai đoạn d, điều kiện là sự từ biến bề mặt (nghĩa là dòng chảy bên
trong các màng chất lỏng) trong đó có hơi nƣớc đƣợc hỗ trợ bởi sự truyền chất
lỏng. Sự khác nhau quan trọng giữa giai đoạn d và e trong hình 1.3 là việc bỏ qua
các mũi tên và xem hình vẽ nhƣ là mô tả một sự cân bằng động.
Giai đoạn e:
Trong giai đoạn e, mặt tiếp xúc giữa chất khí và nƣớc sẽ có cùng độ cong ở
mọi nơi, nhƣng ở giai đoạn d, độ cong ở xa các chỗ co hẹp đƣợc xác định chủ yếu
bởi hình dạng của bề mặt.

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-11-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Do dòng chảy xảy ra trong lỗ rỗng do chênh lệch áp suất ngang qua mặt tiếp
xúc ở giai đoạn e, lƣu lƣợng dòng chảy đƣợc cho bởi phƣơng trình Washburn:

Trong đó:
: lƣu lƣợng dòng chảy;
r: bán kính của lỗ mao dẫn;
: sức căng bề mặt;
d: chiều sâu xuyên của chất lỏng;
µ: độ nhớt của chất lỏng;
: góc tiếp xúc.
Giai đoạn f:
Dòng chảy trong giai đoạn f, nghĩa là trong điều kiện bão hòa, là do một cột
áp lực cao tồn tại trong lỗ rỗng, do đó lƣu lƣợng bị khống chế bởi luật thấm Darcy.
Thêm vào các giai đoạn từ a đến f, sự khuếch tán ion có thể xảy ra trong các
giai đoạn e và f giống nhƣ minh họa trong các giai đoạn g và h. Sự khuếch tán ion
cũng bị khống chế bởi định luật thứ nhất của Fick.
1.2. Ảnh hƣởng của thấm bê tông đến tốc độ ăn mòn và khả năng chịu
lực của kết cấu bê tông cốt thép
1.2.1. Hiện tượng các công trình bằng bê tông cốt thép bị ăn mòn
Độ bền của công trình đƣợc quyết định bởi nhiều yếu tố, nhƣ thiết kế, thi
công, vật liệu sử dụng, khai thác...Trong đó vật liệu là yếu tố có thể nói là quan
trọng nhất. Đối với các công trình xây dựng nói chung và các công trình giao thông
nói riêng thì bê tông cốt thép là hai loại vật liệu chính đƣợc sử dụng thƣờng xuyên,
cấu thành nên kết cấu bê tông cốt thép có độ bền cao, giá thành rẻ và có tính linh
hoạt. Một vật liệu chịu nén tốt và rẻ là bê tông kết hợp với một vật liệu chịu kéo –
nén tốt là thép cho phép các nhà thiết kế có đƣợc các công trình xây dựng, giao
thông, thủy lợi đạt hầu hết các yêu cầu xây dựng hiện đại ngày nay. Thực tế cho

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-12-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

thấy, nếu sử dụng bê tông cốt thép thì sẽ tiết kiệm đƣợc đáng kể chi phí dành cho
việc xây dựng, duy tu, bảo dƣỡng so với việc sử dụng vật liệu thép đơn thuần.

Hình 1.4. Lan can cầu bị ăn mòn [nguồn internet]
Trong lĩnh vực xây dựng nói chung,vật liệu bê tông cốt thép đƣợc sử dụng
rộng rãi để làm các công trình cầu, cống, hầm, tƣờng chắn…Để duy trì các lợi thế
của bê tông cốt thép trong các công trình này trong suốt quá trình vận hành, khai
thác, thì một yếu tố quan trọng là phải đảm bảo độ bền của bê tông và cốt thép
trƣớc ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng gây ra. Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân
liên quan đến qua trình thiết kế, thi công, bảo dƣỡng mà cả bê tông và cốt thép đều
bị suy giảm độ bền theo thời gian, nhất là khi làm việc trong các môi trƣờng có
tính xâm thực cao. Trong đó, sự suy giảm độ bền của các kết cấu công trình do ăn
mòn bê tông và cốt thép là nguyên nhân chủ yếu.
Hiện tƣợng ăn mòn các kết cấu bê tông cốt thép có thể dễ dàng bắt gặp ở các
môi trƣờng xâm thực nặng. Dễ nhận thấy nhất là hiện tƣợng bê tông bị nứt vỡ, bóc
tách, rửa trôi; các cốt thép bị han gỉ, đứt gãy. Các bộ phận kết cấu có tiếp xúc với
môi trƣờng ẩm ƣớt, khô – ƣớt liên tục dễ bị phá hoại do ăn mòn nhất. Sự ăn mòn
bê tông và cốt thép có thể gây phá hoại các công trình giao thông nếu không đƣợc
sửa chữa kịp thời. Đã có nhiều công trình cầu trên thế giới bị phá hoại do tác động
ăn mòn nhƣ cầu đi bộ bắc Carolina, cầu Point Pleasant (Mỹ) bị sập do bị ăn mòn,
Cầu Dickson (Canada) bị tạm ngừng khai thác do bị ăn mòn, cầu Melle (Bỉ) bị sập

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-13-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

do các cốt thép dự ứng lực bị ăn mòn từ sự phát triển của các vết nứt quá lớn… Ở
Việt Nam, cầu Rào (Hải Phòng) đã bị sập năm 1987 cũng xuất phát từ sự ăn mòn
và đứt các bó thép dự ứng lực. Các công trình cầu bị xuống cấp do bị ăn mòn bê
tông và cốt thép thì rất nhiều, chúng ta có thể quan sát thấy các bộ phận kết cấu cầu
bị ăn mòn ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các vùng ven biển.
Sự ăn mòn bê tông và các cốt thép gây suy giảm chất lƣợng công trình có thể
sảy ra với nhiều bộ phận kết cấu khác nhau. Thông thƣờng các bộ phận thƣờng
xuyên tiếp xúc với không khí ẩm và các vùng khô ƣớt liên tục nhƣ mố, trụ cầu thì
bị ăn mòn nhiều nhất. Tuy nhiên các bộ phận lan can hay đáy dầm, bản mặt cầu
cũng có thể bị ăn mòn nếu môi trƣờng có tính xâm thực mạnh hoặc chất lƣợng bê
tông kém.

Hình 1.5: Ăn mòn bê tông và các cốt
thép ở xà mũ trụ [nguồn internet]

Hình 1.6: Bê tông bị nứt,bong tróc do
cốt thép bị ăn mòn [nguồn internet]

Hình 1.7: Ăn mòn bê tông cốt thép trong
môi trường nước biển [nguồn internet]

Hình 1.8: Ăn mòn bê tông và các cốt
thép ở lan can cầu [nguồn internet]

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-14-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.2.2. Đặc điểm và cơ chế ăn mòn bê tông
Nhƣ đã phân tích, bê tông là loại vật liệu rỗng đƣợc cấu thành bởi đá, cát, xi
măng và khung cốt liệu. Trong môi trƣờng có tác động xâm thực, bê tông dễ bị
thấm bởi các chất lƣu làm cho tốc độ ăn mòn diễn ra nhanh hơn. Đá, xi măng là
phần bị ăn mòn đầu tiên,tiếp đó là phần liên kết giữa đá, cát, xi măng và khung cốt
liệu. Khi đá, cát, xi măng bị ăn mòn thì cấu trúc của bê tông cũng phá hủy theo.
Tốc độ ăn mòn của bê tông diễn ra nhanh hơn khi tiếp xúc với chất lỏng hoặc
khí có chứa các chất ăn mòn. Nƣớc biển, nƣớc phèn chua, nƣớc khoáng, nƣớc thải
công nghiệp là những chất lỏng gây ăn mòn bê tông mạnh nhất. Các loại khí thải
của các nhà máy hóa chất hoặc khí hậu ven biển là các tác nhân khí gây ăn mòn bê
tông. Tốc độ của quá trình ăn mòn bê tông phụ thuộc vào đặc tính của xi măng sử
dụng, hàm lƣợng, loại phụ gia bê tông sử dụng và đặc biệt là nồng độ của các chất
hóa học gây ăn mòn có trong nƣớc hay không khí mà bê tông tiếp xúc trực tiếp.
Đặc biệt khi bê tông chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ cao hoặc có tác dụng của tải
trọng lớn làm phá vỡ cấu trúc rỗng của bê tông, tạo điều kiện cho không khí ẩm,
nƣớc có chứa các chất ăn mòn xâm thực thì quá trình ăn mòn của bê tông diễn ra
càng nhanh làm ảnh hƣởng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của bê tông.
Có thể phân rahai dạng ăn mòn chính của bê tông là ăn mòn hóa học và ăn
mòn vật lý. Ăn mòn hóa học là kết quả tƣơng tác hóa học của môi trƣờng bên ngoài
với các khoáng của đá xi măng và cốt liệu; do các phản ứng hóa học, sự phá hủy
của cấu trúc bê tông dần dần sảy ra làm giảm độ bền của bê tông và cuối cùng là
phá hủy cả kết cấu công trình. Ăn mòn vật lý bê tông diễn ra dƣới ảnh hƣởng của
nội lực và ngoại lực do tác dụng của tải trọng sử dụng, do giãn nở thể tích của
nƣớc đóng băng trong các lỗ của bê tông.
 Ăn mòn hóa học của bê tông:
Do tính đa khoáng của xi măng, sự tƣơng tác của nó trƣớc các muối khác
nhau trong môi trƣờng là rất khác nhau.

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-15-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- Ăn mòn bê tông do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng:
Quá trình ăn mòn này diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi
măng (chủ yếu là hydroxit canxi (Ca(OH)2) và aluminat canxi ngậm nƣớc
(CaO.Al2O3.nH2O)) bị hòa tan, đặc biệt hydroxit can xi tan mạnh nhất. Dạng ăn
mòn này diễn ra khi có sự tác động của nƣớc tƣơng đối tinh khiết.
- Ăn mòn bê tông do các phản ứng của đá xi măng và môi trường:
Là do các phản ứng trao đổi giữa nƣớc có chứa các chất hóa học xâm thực
(axit, muối) và các thành phần của đá xi măng gây ra. Những sản phẩm phản ứng
tạo thành bị hòa tan và bị nƣớc mang đi, hoặc bị tách ra dạng khối vô định hình
dạng xốp.
Ăn mòn do axit cacbonic đƣợc biểu thị bằng tƣơng tác của CO2 trong nƣớc
với Ca(OH)2.
CO2 + H2O + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
Ban đầu đá vôi CaCO3 đƣợc sinh ra bám ở mặt ngoài bê tông tạm thời làm
tăng độ bền của bê tông. Tuy nhiên, đá vôi lại tƣơng tác tiếp với khí cacbonic và
nƣớc để tạo thành Ca(HCO3)2, là chất có độ hòa tan mạnh.
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2
Ăn mòn axit khác nhƣ HCl, H2SO4, HNO3 và các axit hữu cơ nhƣ axit lactic,
axit axetic cũng diễn ta tƣơng tự.
Ca(OH)2 + HCL → CaCl2 + H2O
Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + H2O
Ca(OH)2 + HNO3 → Ca(NO3)2 +H2O
Ăn mòn do các hợp chất chứa magie nhƣ MgSO4 và MgCl2.
- Ăn mòn bê tông do sự trương nở của đá xi măng:
Là sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối ở bên trong kết cấu đá xi măng
gây ra, do sự tƣơng tác giữa các sản phẩm thủy hóa xi măng với các hợp chất của
môi trƣờng bên ngoài xâm thực vào, làm tăng thể tích, gây nội ứng suất phá hoại
kết cấu đá xi măng và mở đƣờng cho tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


-------- Trƣờng Đại học giao thông vận tải

-16-

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

trong bê tông và nhanh chóng phá hoại bê tông. Phổ biến là sự tƣơng tác của nƣớc
sunfat gây phá hủy kết cấu do tạo thành các tinh thể thạch cao.
Ăn mòn này là dạng ăn mòn nguy hiểm nhất. Ở giai đoạn đầu tiên, những tinh
thể tạo thành và phát triển, chất đầy các lỗ, các mao quản của xi măng, làm đặc
chắc bê tông, làm tăng độ bền của nó. Nhƣng sau đó, các tinh thể phát triển, làm
tăng kích thƣớc, bắt đầu đè nén lên thành lỗ mao quản, gây ra lực căng trong mối
liên kết cấu trúc xi măng. Vì những liên kết này chính là các ái lực tinh thể, các ái
lực này có khả năng biến dạng nhỏ, không phá hủy nhƣng có thể tạo thành các vết
nứt. Những vết nứt xuyên qua các khối bê tông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bê tông.
 Ăn mòn vật lý của bê tông:
Độ bền của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đƣợc xác định không chỉ
bơi tính chất của tƣơng tác hóa học và môi trƣờng ngoài mà còn bởi trạng thái ứng
suất của bê tông, các tác động gây ra của ngoại và nội lực
Những tải trọng lặp đi lặp lại gây mỏi, làm yếu liên kết mạng lƣới kết cấu vật
liệu và càng có khả năng phát triển các vết nứt nhỏ trong đá xi măng.
Tóm lại ăn mòn hóa học cũng nhƣ ăn mòn vật lý phụ thuộc trực tiếp vào độ
xốp và độ thấm của nó. Khi bê tông càng đặc chắc, độ thấm của nó càng nhỏ thì sự
ăn mòn phát triển càng chậm. Quá trình ăn mòn của bê tông là một quá trình tổng
hợp do tác động của nhiều yếu tố gây nên. Xong quá trình ăn mòn của bê tông diễn
ra chậm trong một thời gian dài (20-30 năm). Trong khi đó các dạng ăn mòn khác,
đặc biệt là ăn mòn cốt thép, diễn ra nhanh chóng dẫn đến phá hủy kết cấu trƣớc khi
bê tông bị ăn mòn.
1.2.3. Đặc điểm và cơ chế ăn mòn cốt thép
Bê tông vốn là môi trƣờng kiềm cao (pH>12). Chính môi trƣờng kiềm này tồn
tại xung quanh các cốt thép đã tạo nên một lớp màng bảo vệ thụ động, cho nên nếu
không có tác động có tính a xít mạnh từ môi trƣờng bên ngoài thì về mặt lý thuyết,
các cốt thép trong bê tông không dễ bị ăn mòn. Tuy nhiên, lớp màng bảo vệ kiềm
này không phải luôn bền vững, hiện tƣợng cacbonat hóa bê tông đã làm cho độ
kiềm bê tông bị giảm gây phá hủy lớp bảo vệ thụ động, cộng với khi bê tông bị

Học viên: Vũ Đức Minh - MHV: 4141135

-

Lớp Cao học xây dựng Cầu hầm – K22.1


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×