MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Th.S. ĐÀO VĂN DINH Bộ môn Cơ học kết cấu TS. BÙI TRỌNG CẦU Bộ môn Xây dựng Cơ sở hạ tầng Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước vv ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu BTCT trên phạm vi toàn thế giới. Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trong các môi trường có clorua nhằm xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. Bài báo này giới thiệu một mô hình dự báo tuổi thọ công trình trên cơ sở hệ số khuếch tán ion clorua có tên là Life – 365. Đây là mô hình hiện đang đuợc ứng dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ. Summary: The corrosion of embedded steel reinforcement in reinforced – concrete structures due to the penetration of chlorides from groundwater, seawater, rainfall, steam etc. is the most prevalent form of premature concrete deterioration worldwide. A number of models for predicting the service life of concrete structures exposed to chloride environments have been developed to propose measures for increasing the service life and determine the optimum strategy for maintaining reinforced- concrete structures. This paper presents a predicting model named Life – 365. The model is being widely used in the North America. I. MỞ ĐẦU Việc dự báo tuổi thọ một cách đáng tin cậy là cơ sở quan trọng nhất để xây dựng chiến lược bảo trì và thiết kế tối ưu các công trình xây dựng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm các chi phí cho cả đời dự án. Trong số các nguyên nhân gây hư hỏng các kết cấu và công trình BTCT, sự thâm nhập của các chất clorua từ nước biển, nước ngầm, nước mưa, hơi nước v.v ăn mòn cốt thép trong các kết cấu BTCT đã được xác định là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng các kết cấu và công trình BTCT trên phạm vi toàn thế giới. Đã có nhiều mô hình dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trong các môi trường có Clorua nhằm xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì và thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. Mỗi mô hình đều có các ưu và nhược điểm riêng. Bài báo này giới thiệu một mô hình dự báo có tên là Life – 365. Đây là mô hình đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ. II. CƠ CHẾ ĂN MÒN CỐT THÉP CỦA CLORUA Cốt thép trong bê - tông được bảo vệ chống lại sự ăn mòn là nhờ bởi tính kiềm cao của môi trường xi - măng. Độ pH của nước trong các lỗ rỗng trong bê tông lành mạnh là lớn hơn 12,5. Trong môi trường có tính kiềm cao này, cốt thép bị oxy hoá, tạo ra một lớp màng mỏng thụ động và bền chắc trên bề mặt cốt thép và bảo vệ cốt thép. Tuy nhiên, quá trình cac - bon hoá của bê tông hay sự thâm nhập của clorua sẽ phá vỡ lớp màng mỏng bảo vệ thụ động này và kích hoạt các phản ứng điện – hoá, sinh ra các sản phẩm của quá trình ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ nước, trương nở và gây ra một áp lực đối với bê tông bao quanh. Kết quả là, bê tông bị nứt, phá vỡ, hoặc bong ra và cuối cùng kết cấu bị hư hỏng. Quá trình ăn mòn cốt thép ở trên diễn ra theo hai giai đoạn: giai đoạn khởi đầu và giai đoạn lan truyền. Trong giai đoạn khởi đầu, lớp màng bảo vệ thụ động trên bề mặt cốt thép bị phá vỡ bởi Cl - hoặc CO 2 còn trong giai đoạn lan truyền, phản ứng điện – hoá xảy ra với sự có mặt của O-xy, nước và nhiệt độ thích hợp. Cần chú ý rằng, mức độ lan truyền của ăn mòn không thống nhất, có thể tăng lên hay giảm đi phụ thuộc vào sự thay đổi của các điều kiện môi trường. III. DỰ BÁO THỜI KỲ KHỞI ĐẦU Thời kỳ khởi đầu được định nghĩa là thời gian cần thiết để các ion clorua tập trung trên bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập trung tới hạn”. Độ dài của thời kỳ này phụ thuộc chủ yếu vào: 1) mức tập trung clorua trên bề mặt bê tông, 2) chiều dày lớp bảo vệ, 3) mức tập trung clorua tới hạn trong bê tông và 4) tốc độ thâm nhập của clorua. Mặc dù tốc độ thâm nhập của clorua vào bê tông là một quá trình rất phức tạp, là tổng hợp của nhiều cơ chế thâm nhập khác nhau chẳng hạn như cơ chế lan truyền khuyếch tán (diffusion), cơ chế hút thấm bề mặt, cơ chế thẩm thấu v.v nhưng cơ chế lan truyền khuếch tán được chứng minh là cơ chế quyết định, nhất là đối với các kết cấu kiểu bản như mặt cầu. Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu giả thiết rằng, sự lan truyền khuếch tán của clorua hoạt động theo cơ chế Đô - mi - nô. Theo Định luật thứ hai của Fick ta có phương trình vi phân sau: 2 2 dx Cd .D dt dC = (1) Trong đó: C là hàm lượng clorua D là hệ số lan truyền khuếch tán x là chiều dày lớp bê tông bảo vệ t là biến số thời gian của giai đoạn khởi đầu Hệ số lan truyền khuếch tán clorua là một hàm số của thời gian và nhiệt độ. Quan hệ giữa hệ số lan truyền khuyếch tán clorua với thời gian được mô tả bằng phương trình sau: m i ti t t .D)t( ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = D (2) Trong đó: D(t) là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời điểm t D ti là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời điểm t i . Life - 365 lấy t i = 28 ngày m là hằng số Các giá trị D i và m được lấy phụ thuộc vào loại bê tông, tỷ lệ Nước/Xi măng, cấp phối và chất lượng của cốt liệu. Để tránh hệ số lan truyền khuếch tán giảm vô hạn theo thời gian, quan hệ trong phương trình (2) chỉ có giá trị với thời gian 25 năm. Quá thời gian này, giá trị tại thời điểm 25 năm được cho là không đổi trong suốt thời gian phân tích còn lại. Quan hệ giữa hệ số lan truyền khuếch tán clorua với nhiệt độ được mô tả bằng phương trình sau: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= tdi ti T 1 T 1 R U exp.D)T(D (3) Trong đó: D(T) là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời điểm t ở nhiệt độ T. D ti là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời điểm t i ở nhiệt độ T i . U là năng lượng kích hoạt quá trình khuếch tán (= 35.000 J/mol) R là hằng số khí (= 8,314472 JK −1 mol −1 ) T td là nhiệt độ tuyệt đối Thông thường người ta tính với ti = 28 ngày và T i = 20 0 C, nhiệt độ T của bê tông sẽ được tính tuỳ khí hậu từng khu vực. Thay các giá trị D(t) và D(T) vào phương trình (1) và biết giá trị mức tập trung clorua tới hạn trong bê tông, ta sẽ xác định được thời kỳ khởi đầu (t 1 ) là thời gian các ion clorua tập trung trên bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập trung tới hạn”. 2 th 1- 2 1 C C 1fD4 x t ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = (4) Trong đó: f là hàm sai số C th là mức tập trung clorua tới hạn IV. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TÍNH TOÁN Việc xác định các tham số tính toán phụ thuộc vào loại kết cấu, loại bê tông, cấp phối, thành phần bê tông, loại xi măng, các phụ gia được sử dụng, loại cốt thép, điều kiện địa phương nơi công trình được xây dựng, các biện pháp áp dụng để chống lại sự ăn mòn v.v Mối quan hệ giữa các nhân tố đã kể với các tham số tính toán đã được xây dựng thành hàm số hoặc bảng tính cho khu vực Bắc Mỹ. Thí dụ, đối với bê tông thông thường sử dụng xi măng Portland không phụ gia, ta có: D 28 = 1x10 (-12,06 +2,4 N/XM) m 2 /s m = 0,20 (5) Ở đây: D 28 là hệ số lan truyền khuếch tán tại thời điểm 28 ngày tuổi và ở nhiệt độ T = 20 o C. m là hằng số (lấy bằng 0,2 theo dữ liệu của trường đại học Toronto và các dữ liệu đã được công bố khác). Tuy vậy, cần hết sức lưu ý khi xác định các tham số, nhất là khi áp dụng các biện pháp bảo vệ hoặc các biện pháp cải thiện chất lượng của bê tông và cốt thép. Chẳng hạn, khi áp dụng biện pháp quét keo epoxy lên các thanh cốt thép sẽ không ảnh hưởng gì tới thời gian khởi đầu là thời gian các ion clorua tập trung trên bề mặt cốt thép đạt tới “mức tập trung tới hạn” mà chỉ ảnh hưởng tới thời gian lan truyền. V. DỰ BÁO THỜI KỲ LAN TRUYỀN VÀ LẬP KẾ HOẠCH SỬA CHỮA Theo kinh nghiệm ở Bắc Mỹ, thời gian lan truyền là 6 năm tính cho tất cả các loại bê tông. Nếu sử dụng keo Epoxy phủ chống gỉ các thanh thép, thời gian này đựơc lấy là 20 năm. Gọi thời kỳ lan truyền là t 2 , thời gian một chu kỳ sửa chữa (t sc ) sẽ đơn giản là : t sc = t 1 + t 2 (6) Trong đó: t sc là thời gian một chu kỳ sửa chữa t 1 là thời gian của thời kỳ khởi đầu t 2 là thời gian của thời kỳ lan truyền t 2 = 6 năm với BTCT thông thường và t 2 = 20 năm khi cốt thép được quét keo Epoxy. VI. PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY VÀ THIẾT KẾ CÁC KẾT CẤU BTCT TỐI ƯU Việc xác định chính xác các tham số rõ ràng là điều kiện quan trọng nhất để dự báo chính xác tuổi thọ của các kết cấu BTCT. Tuy nhiên, đây là công việc khó khăn và vì thế, việc phân tích độ nhạy là hết sức cần thiết. Phổ biến nhất khi phân tích độ nhạy, người ta thực hiện các tính toán sau đây: - Xác định các tham số trong các điều kiện thuận lợi nhất và bất lợi nhất để tính ra tuổi thọ tối đa và tuổi thọ tối thiểu - Thay đổi các tham số theo các kịch bản khác nhau, thường là cộng/trừ 10% giá trị các tham số để xác định các tuổi thọ tương ứng với các kịch bản khác nhau. - Xác định tuổi thọ của kết cấu khi chỉ xét tới một hoặc một vài tham số có ảnh hưởng lớn nhất. Trên cơ sở các phân tích này, người quản lý sẽ phân tích và ra quyết định cuối cùng về kế hoạch theo dõi, bảo trì và sửa chữa. Hiện nay, có nhiều biện pháp nhằm nâng cao tuổi thọ của các kết cấu và công trình bằng BTCT. Phổ biến nhất là các biện pháp sau: - Sử dụng bê tông có tính chống thấm cao (Bê tông chất lượng cao HPC) - Sử dụng các phụ gia ngăn cản quá trình ăn mòn cốt thép - Bảo vệ cốt thép chống lại ăn mòn (như quét keo epoxy) - Sử dụng thép không gỉ - Sử dụng cốt không chứa sắt - Tạo các màng chống thấm phủ bề mặt bê tông - Tổng hợp hai hay nhiều biện pháp trên v.v Tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có ưu nhược điểm riêng và đòi hỏi các chi phí khác nhau. Thông thường, các biện pháp đòi hỏi chi phí xây dựng ban đầu lớn sẽ tiết kiệm được các chi phí bảo trì, sửa chữa sau này và ngược lại. Vì vậy, việc phân tích chi phí cho cả đời kết cấu và cả đời công trình là công cụ then chốt nhằm lựa chọn giải pháp thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. VII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bài báo đã giới thiệu mô hình Life – 365 dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trên cơ sở độ thấm Clorua là nhân tố quan trọng nhất gây ra sự phá hoại của các kết cấu bê tông cốt thép. Mô hình này cho phép xác định tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép để từ đó xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo trì, sửa chữa và thiết kế tối ưu các kết cấu bê tông cốt thép. Để có thể áp dụng thành công mô hình này ở Việt Nam, cần thiết phải thực hiện các công việc phân loại bê tông, phân loại cốt thép tuỳ theo theo đặc tính của vật liệu và phân vùng xây dựng căn cứ vào các điều kiện tự nhiên để theo dõi, quan trắc, thí nghiệm nhằm thiết lập bảng tra các tham số tính toán cho mỗi loại bê tông sử dụng ở các khu vực khác nhau. Đây sẽ là cơ sở để dự báo tuổi thọ còn lại của các công trình hiện cũng như tuổi thọ của các công trình xây dựng mới và lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa tối ưu các công trình BTCT. Nó cũng giúp cho người thiết kế lựa chọn được giải pháp thiết kế tối ưu các kết cấu BTCT cho từng công trình. Chắc chắn rằng việc áp dụng mô hình này cùng với kỹ thuật phân tích chi phí cho cả đời dự án sẽ mang lại những kết quả thiết thực. Tài liệu tham khảo [1]. Lacasse, M. A. and Vanier, D. J., "A Review of Service Life Durability Issues", Proceedings of the 7th International Conference of the Durability of Building Materials and Components, Stockholm, Sweden, Vol. 2, May 1996, 867-866. [2]. Morcous, G., Rivard, H. and Hanna, A. M., “Predicting the Condition of Bridge”. [3]. Decks Using Case-Based Reasoning, Proceedings of the CSCE 29th Annual. [4]. Conference, D. Noakes (editor), Victoria, BC, Canada, June 2001. [5]. Enright, M. P., and Frangopol, D. M., “Service - life prediction of deterioration concrete bridges”, J. of Structural Engineering, ASCE, 124 (3) (1998), 309-317 [6]. Amleh, L., “Bond deterioration of reinforcing steel in concrete due to corrosion”, Ph.D. thesis, McGill University, Montreal, Canada, 2000 [7]. Page, C. L., Short, N. R., and El Tarros, A., “Diffusion of chloride ions in hardened cement pastes”, Cement and Concrete Research, 11 (1981), 395-406. [8]. Cady, P.D. and Weyers R. E., ”Deterioration Rates of Concrete Bridge Decks”, Journal of Transportation Engineering, ASCE, 110 (1) (1983), 34-44♦ . gây ra sự phá hoại của các kết cấu bê tông cốt thép. Mô hình này cho phép xác định tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép để từ đó xác định các biện pháp kéo dài tuổi thọ, chiến lược bảo. MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Th.S. ĐÀO VĂN DINH Bộ môn Cơ học kết cấu TS. BÙI TRỌNG CẦU Bộ môn Xây dựng Cơ sở hạ tầng Trường Đại. nhằm lựa chọn giải pháp thiết kế các kết cấu BTCT tối ưu. VII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bài báo đã giới thiệu mô hình Life – 365 dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCT trên cơ sở độ thấm Clorua