1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Các cơng trình cầu phải làm việc trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt đó là
mơi trường xâm thực mạnh bởi mơi trường biển chứa nhiều tác nhân gây ăn
mịn kết cấu bê tơng cốt thép, phải kể đến như: CO2-, Cl, O2- theo tác giả
Cao Duy Tiến cùng cộng sự (2003), [17], trong “Báo cáo tổng kết dự án KT
- KT chống ăn mịn và bảo vệ các cơng trình bê tơng và BTCT vùng biển”.
Khi ăn mòn cốt thép xảy ra, sản phẩm của ăn mòn là gỉ sắt. Gỉ sắt hấp thụ
nước sẽ trương nở thể tích dẫn đến nứt, vỡ bê tơng bảo vệ.
Trong mơi trường biển khí hậu các vùng ven Việt Nam do đặc thù điều kiện
khí hậu nóng ẩm, trong khơng khí chứa hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu
bê tông cốt thép thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt nghiêm trọng
là vùng nước lên xuống do chế độ thủy triều, khí quyển biển và ven biển theo
Trương Hồi Chính cùng cộng sự (2007) [3], và Cao Duy Tiến cùng cộng sự
(2003), [17].
Cần thiết phải khảo sát rõ thực trạng và nghiên cứu ăn mòn thép và các ảnh
hưởng của ăn mòn thép đến sức kháng của cơng trình hạ tầng giao thơng
bằng bê tơng cốt thép, trong đó có các cơng trình cầu bê tông cốt thép ở các
vùng biển và ven biển. Đây là lý do đề tài “ Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn
cốt thép đến sức kháng uốn của kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép” được
đề xuất lựa chọn làm nội dung luận án nghiên cứu.
2. Đốı tượng nghıên cứu
Các kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu đồng thời tác động của tải trọng và ăn
mịn cốt thép từ mơi trường chứa ion Clorua.
Một số kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp giản đơn có xét đến
trạng thái ăn mịn cốt thép do ion Clorua.
3. Phạm vi nghiên cứu
Sức kháng uốn và mức độ ăn mòn của của các kết cấu dầm cầu bê tơng cốt
thép thường trong mơi trường ăn mịn do Ion Clorua xâm nhập.

Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ thực hiện với mẫu dầm BTCT thường, nhịp
đơn giản trong phịng thí nghiệm.
Các nghiên cứu mơ phỏng ngồi áp dụng cho các kết cấu BTCT quy mơ
phịng thí nghiệm thì còn áp dụng cho các kết cấu dầm cầu BTCT thực tế
trong mơi trường ăn mịn do ion Clorua.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu dựa vào phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp
với phương pháp điều tra, khảo sát để đánh giá vấn đề nghiên cứu.


2

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết
hợp phương pháp tính tốn mơ phỏng số để dự báo sức kháng của các kết
cấu bê tông cốt thép có xét đến mức độ ăn mịn của cốt thép trong bê tông.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đã có những tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước về các vấn đề liên quan đến cơ chế ăn mòn cốt thép; ảnh hưởng
của mức độ ăn mòn cốt thép tới trạng thái chất lượng và sự làm việc chịu tải
của kết cấu…, để từ đó xác lập được phương pháp luận nghiên cứu phù hợp
để đạt được các mục tiêu nghiêm cứu của luận án.
Các kết quả nghiên cứu mới của luận án là những đóng góp có ý nghĩa về
mặt khoa học và có giá trị thực tiễn. Nội dung và kết quả của luận án có thể
được coi là một tài liệu tham khảo hữu ích cho những người quan tâm đến
cơng tác thiết kế và đánh giá kết cấu cầu BTCT.
Giá trị khoa học: Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của ứng suất trong bê tơng
đến mức độ ăn mịn của các cốt thép. Từ đó đánh giá được ảnh hưởng của
mức độ ăn mòn đến sức kháng của các dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn.
Giá trị thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng cho các tính
tốn dự báo tuổi thọ và sức kháng của các kết cấu bê tơng cốt thép trong thực

tế có xét đến mức độ ăn mòn của các cốt thép trong bê tông.
CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN VỀ MỨC ĐỘ ĂN MỊN CỐT THÉP
TRONG CẤU KİỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP; THỰC TRẠNG, TÌNH
HÌNH NGHİÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VİỆT NAM
1.1.Tổng quan về mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tơng cốt
thép
1.1.1. Khái niệm ăn mịn kim loại
Ăn mòn được Fontana, M. G. (1971) [59] và Uhlig, H. H. (1971) [100] định
nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với mơi
trường. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện
trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mịn.
a. Q trình cacbonat hóa
b. Q trình xâm thực của ion ClCác hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập Clo chiếm tới
66% các hư hại, trong khi do các bon nát hóa chỉ chiếm 5% [76].


3

Hình 1.1.Các nguyên nhân gây hư hại kết cấu BTCT [76]

Hình 1.2.Vết nứt phát triển do ăn mịn cốt thép[99]

Với các loại cốt thép xác định được sử dụng trong các cơng trình bằng bê
tơng cốt thép; mức độ ăn mòn các cốt thép chịu ảnh hưởng lớn bởi trạng thái
ứng xử và cấu trúc vật liệu của lớp bê tông bảo vệ [99].
1.2. Thực trạng ảnh hưởng của mức độ ăn mịn cốt thép đến kết cấu dầm
bê tơng cốt thép ở một số cơng trình cầu tại Việt Nam
Đặc điểm khá chung của các cơng trình cầu bê tông cốt thép tại Việt Nam là
làm việc dưới tác động của khí hậu nhiệt đới gió mùa, điều kiện mơi trường
nóng ẩm, cộng với đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn

kết cấu bê tơng cốt thép.
Đánh giá 11 cầu bê tông cốt thép trên các tuyến giao thông ở các địa phương
ở Việt Nam.
Đánh giá, nhận xét
- Tình trạng ăn mịn cốt thép trên các cơng trình hạ tầng sử dụng kết cấu bê
tơng cốt thép là đáng báo động; Vấn đề này trở nên đặc biệt nghiêm trọng
hơn đối với các địa phương ven biển, là nơi có mơi trường xâm thực, chứa
các tác nhân ăn mòn mạnh.
- Kết cấu dầm, bản, tấm bê tơng cốt thép có xu hướng bị ăn mịn do môi
trường xâm thực, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc mất khả năng bảo vệ cốt
thép bên trong; khi cốt thép bị phơi trần hoặc tăng khả năng tiếp xúc với tác


4

nhân gây ăn mịn, nó nhanh chóng bị ăn mịn, dẫn đến mất tiết diện chịu lực,
trương nở thể tích, gây phát triển vết nứt thêm nghiêm trọng.
- Tình trạng ăn mịn kết cấu bê tơng cốt thép diễn biến phức tạp gây ảnh
hưởng đến công tác duy tu bảo dưỡng hạ tầng có sữ dụng kết cấu bê tơng cốt
thép. Độ bền và tuổi thọ cơng trình qua đó bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh
hưởng đến quá trình khai thác vận hành cơng trình. Cần thiết có thêm nhiều
nghiên cứu nhằm đánh giá các ảnh hưởng của quá trình ăn mòn cốt thép đến
khả năng làm việc của kết cấu bê tơng cốt thép.
1.3.Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
Khi cốt thép bị ăn mịn thì sản phẩm của sự ăn mòn là rỉ sét. rỉ sét hút nước
và sẽ nở ra về thể tích, dẫn đến nứt, vỡ bê tơng bảo vệ. ăn mịn cốt thép cịn
làm giảm độ bám dính giữa bê tơng và cốt thép, làm giảm diện tích mặt cắt
ngang của cốt thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
Nhiều nghiên cứu gần đây trong và ngồi nước có liên quan đến ăn mòn cốt
thép trong kết cấu bê tơng cốt thép và ảnh hưởng của nó; có thể kể đến: V.

F. Stepanova (2013) [92], Vũ Ngọc Anh (2014) [1], Trần Thế Truyền (2010)
[28], (2018) [30]; Đồng Kim Hạnh và cộng sự (2014) [11], Mohamed
Moawad & nkk (2015) [73], A. Shetty, K. Venkataramana, K.s.b. Narayan
(2015) [87], Xuân Tùng và cộng sự (2017) [31], Nguyễn Công Luyến (2018)
[9], Hussain, H., & Miteva, D. (2018) [64], Phạm Đức Thọ và al (2019) [26],
(2020) [27], Thanh Hung Nguyen và cộng sự (2020) [13].
Nghiên cứu của các tác giả trên đã chỉ ra ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến
khả năng chống chịu và tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép thông qua khảo
sát hiện trạng hoặc xây dựng mô hình lý thuyết.
Hầu hết các nghiên cứu đề cập trên chưa xét đến tác dụng đồng thời ảnh
hưởng của của tải trọng trong quá trình đánh giá ảnh hưởng của ăn mịn cốt
thép đến kết cấu bê tơng cốt thép.
Nhận thấy, các nghiên cứu trên còn các vấn đề cần phải giải quyết như sau:
- Hầu hết các nghiên cứu chưa nghiên cứu đến vấn đề ăn mòn cốt thép trong
các dầm BTCT có xét đến ứng suất trong bê tơng, từ đó đánh giá sức kháng
uốn của các kết cấu dầm có xét đến mức độ ăn mịn cốt thép trong bê tông.
Luận án sẽ giải quyết các nội dung trên cơ sở xây dựng mơ hình thực nghiệm
ăn mòn gia tốc trên các mẫu dầm thực tế với các điều kiện ăn mịn được xác
lập trong phịng thí nghiệm, có xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên
kết cấu dầm.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA AN MON CỐT
THEP DẾN SỨC KHANG UỐN CỦA DẦM BTCT
2.1. Ăn mòn cốt thép trong cấu kiện bê tơng cốt thép
2.1.1. Ăn mịn thép do q trình các bo nát hóa


5

2.1.2. Ăn mịn do ion Clo (ăn mịn điện hóa)
2.1.3. Cơ chế ăn mịn cốt thép trong bê tơng

2.1.3.1. Ăn mòn cốt thép do Clorua gây ra
2.1.3.2. Hệ số khuếch tán clorua trong bê tông
2.1.3.3. Dự báo hệ số khuếch tán
2.1.3.4. Ngưỡng nồng độ clorua gây ăn mòn thép trong bê tơng
2.1.4. Một số mơ hình về lan truyền ăn mịn trong kết cấu BTCT
2.1.4.1. Mơ hình tốn của Bazant
2.1.4.2. Mơ hình tốn của Youping Liu
2.1.4.3. Mơ hình thực nghiệm của Morinaga
2.1.4.4. Thời gian lan truyền ăn mòn theo Life 365
2.1.5. Các phương pháp đánh giá ăn mòn thép trong bê tông
2.1.5.1. Kỹ thuật điện thế nửa pin
2.1.5.2. Điện trở phân cực tuyến tính (LPR)
2.1.5.3. Kỹ thuật xung tĩnh điện
2.1.5.4. Kỹ thuật đo điện trở suất của bê tông
2.1.6. Cơ sở xác định mất mát diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn
2.1.6.1. Một số giả thiết:
1) Các ứng suất và biến dạng trong bê tông được gây ra chỉ bởi sự nở thể tích
của các sản phẩm ăn mịn. Bê tơng bảo vệ là vật liệu đàn hồi tuyến tính.
2) Có một vùng xốp xung quanh giao diện thép - bê tông gây ra bởi sự chuyển
tiếp từ vữa xi măng với thép là có các khoảng trống khơng khí bị cuốn vào
và kẹt tại đây, các sản phẩm ăn mòn sẽ khuếch tán vào các khoảng trống này.
Trong sự phát triển của vết nứt, một phần của các sản phẩm ăn mòn sẽ chèn
vào bên trong các vết nứt.
2.1.6.2. Mơ hình xác định mất mát
diện tích tiết diện cốt thép do ăn mòn
a) Mối quan hệ giữa mất mát trọng
lượng của thép và áp lực xuyên tâm.
b) Số lượng các sản phẩm ăn mòn xâm
nhập vào các vết nứt
2.1.6.3. Các thơng số của phương

trình mất mát diện tích tiết diện cốt Hình 2.1. Sơ đồ ước lượng cho mất
mát bán kính thép rs2
thép do ăn mịn
a) Diện tích cốt thép
Sử dụng định luật Faraday mơ tả mất mát khối lượng thép do ăn mòn.


6

b) Dự báo mật độ dòng điện i
Mật độ dòng điện ăn mòn i biểu thị tốc độ ăn mòn.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng tốc độ ăn mòn là rất thấp
ở mức độ ẩm tương đối H nhỏ hơn 50% và
ăn mòn dừng lại khi độ
ẩm tương đối dưới 35%. Tốc độ ăn mòn
tăng theo cấp số nhân khi H= 50% đến
70%, nó vẫn gần như không đổi từ
H=70% đến 90% và giảm từ 90% đến bão
hịa hồn tồn do hạn chế ơxy ở cực âm.
2.2. Một số mơ hính ứng xử của bê tơng Hình 2.2. Mối quan hệ giữa tốc
độ ăn mịn và độ ẩm tương đối
và cốt thép
2.2.1. Các mơ hình ứng xử của vật liệu bê
tông
2.2.1.1. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi
2.2.1.2. Ứng xử của bê tơng tn theo lí thuyết cơ học rạn nứt bê tông
2.2.1.3. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi - dẻo
2.2.1.4. Ứng xử của bê tông tuân theo luật đàn hồi - giịn
2.2.1.5. Ứng xử của bê tơng tn theo luật kết hợpCác mơ hình ứng xử
của cốt thép

2.2.2. Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép
2.2.2.1. Biểu diễn hình học sự có mặt của các cốt thép
2.2.2.2. Biểu diễn liên kết bê tông – cốt thép
2.3. Nhận xét, kết luận chương 2
- Cơ sở lý thuyết về tính tốn và đánh giá ăn mịn thép trong cấu kiện bê
tơng cốt thép khá hồn chỉnh và phổ biến; điều này phù hợp cho tính khả thi
về việc tiến hành thực nghiệm với điều kiện phịng thí nghiệm - nội dung
chương 3, nhằm đánh giá cụ thể hơn q trình ăn mịn cốt thép và ảnh hưởng
của nó đến sức kháng uốn của cấu kiện dầm.
- Mơ hình tương tác giữa 2 vật liệu thép và bê tông trong cấu kiện bê tông
cốt thép là rất phức tạp. Sự tương tác giữa các thành phần thép và bê tông
ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử thực của mẫu và ứng xử mô phỏng của mẫu.
Việc mô phỏng lại tương tác giống với thực tế là khó do có nhiều yếu tố ảnh
hưởng đến mối quan hệ giữa các thành phần. Thực tế, giữa bê tông và cốt
thép ln có sự trượt tương đối song trong phạm vi luận án này, để đơn giản


7

hố tính tốn, tác giả sử dụng giả thiết liên kết tuyệt đối giữa bê tông và cốt
thép, bỏ qua các hiệu ứng tách rời của hai vật liệu này trong q trình tính
tốn. Mơ hình tương tác giữa bê tơng và cốt thép được sử dụng là mơ hình
mơ hình rời rạc và mơ hình phân tán trong phần mềm chuyên dụng ATENA
tại nội dung Chương 4.
CHƯƠNG 3. CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH
HƯỞNG ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA KẾT
CẤU DẦM BTCT CÓ XÉT ĐẾN TẢİ TRỌNG TÁC DỤNG
Thí nghiệm đánh giá chỉ tıêu cơ lý của vật lıệu chế tạo mẫu
3.1.1. Thành phần vật liệu
3.2. Tính tốn thiết kế thành phần cấp phối hổn hợp bê tơng thí nghiệm

3.2.1. Thiết kế cấp phối bê tơng
Bê tơng C30 có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày dự kiến là fc’ = 30 MPa.
Thành phần cấp phối của hổn hợp bê tông được thiết kế theo tiêu chuẩn
ACI211.1-91
Bảng 3.1. Khối lượng thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông C30
Loại vật liệu

Đá

Cát

Xi măng

Nước

Khối

1060

848

395

170

lượng

(Kg) xác định mơ đun đàn hồi của bê tơng
3.3. Thí nghiệm


3.3.1. Thiết bị thí nghiệm
3.3.2. Mẫu thử
3.3.3. Quy trình thử nghiệm
Bảng 3.2. Kết quả đo mô đun đàn hồi của bê tơng
STT
mẫu

Ứng suất
1

Ứng
suất 2

Mơ đun
đàn hồi

σ2
(MPa)
17,6

E
(MPa)

0,00046

σ1
(MPa)
2,4

0,00005


0,00051

1,7

18,4

36304

0,00005

0,00049

2,1

19,4

39318

Biến
dạng 1

Biến
dạng 2

ε1

ε2

1


0,00005

2
3

3.4. Thí nghiệm xác định cường độ bê tơng (f’c)
3.4.1. Thiết bị thí nghiệm

Mơ đun
đàn hồi
trung bình
Etb
(MPa)

37073
37565


8

3.4.2. Chuẩn bị thí nghiệm:
3.4.3. Tiến hành thử:
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của của bê tơng
Lực nén
Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén trung
(kN)
(MPa)
bình (MPa)

302,1
38,5
38.6
308,3
39,3
297,3
37,9

3.5. Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm
3.5.1. Thiết bị dùng trong q trình chế tạo dầm thí nghiệm
Bê tơng C30 có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày dự kiến là fc’ = 30 MPa
Thành phần cấp phối của bê tông (mẻ trộn 500l) được thiết kế theo tiêu chuẩn
ACI211.1-91. Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông theo Bảng 3.1.
Thép được sử dụng chế tạo dầm: D10, tròn trơn, fy = 240 Mpa.
3.5.2. Chế tạo dầm thí nghiệm
Dầm thực nghiệm có kích thước 500x100x100mm, với 2 thanh cốt thép,
đường kính D10; khơng bố trí cốt thép cấu tạo chống cắt.

Hình 3.1. Kích thước và cấu tạo dầm thực nghiệm
3.6. Thí nghiệm xác định lực phá hoại Pmax
3.6.1. Chuẩn bị mẫu
Thí nghiệm tiến hành trên 02 mẫu dầm ứng với thí nghiệm uốn 4 điểm nhằm
xác định lực Pmax (Đảm bảo kết cấu chỉ chịu uốn thuần túy).

Hình 3.2. Sơ đồ uốn 4 điểm trong thí nghiệm phá hoại mẫu
Bảng 3.4. Số lượng mẫu dầm xác định Pmax


9


Thí nghiệm

SL dầm

Uốn xác định Pmax 02

Ký hiệu

Lực tác dụng

M01 M02

Pmax

3.6.2. Thực hiện uốn mẫu
Bảng 3.5. Bảng thống kê giá trị Pmax
Mẫu

Pmax (KN)

σ (Mpa)

M01

Pmax1 = 28

σ1 = 150

M02


Pmax2 = 27,66

σ2 = 148,2

TB

Pmaxtb = 27,83

σtb = 149,09

3.7. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của ứng suất do tải trọng tác dụng
đến mức độ ăn mịn cốt thép
3.7.1. Qui trình thực hiện thí nghiệm

Hình 3.3. Sơ đồ các bước thực hiện thí nghiệm

3.7.2. Thiết bị và cơng tác chuẩn bị thí nghiệm
Thiết lập mơi trường, điều kiện diễn tiến nhanh q trình ăn mịn cốt thép
bằng cách ngâm mẫu dầm trong mơi trường dung dịch NaCl (3% - 5%); kết
hợp tạo điện cực kích hoạt mơi trường ăn mịn điện ly.
Thời gian ngâm mẫu là 30 ngày kể từ ngày bắt đầu ngâm.
Trường hợp đặt dầm làm việc trong điều kiện thí nghiệm diễn tiến nhanh q
trình ăn mịn cốt thép, chịu các cấp tải trọng khác nhau lần lượt: 0.2 Pmax; 0,4
Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax.
Cấp tải
trọng
0%

Bảng 3.6. Các mẫu dầm thí nghiệm
Tên

Ghi chú
mẫu
Mẫu 1
Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 khơng đặt
trong bộ giá gia tải
Mẫu 2


10

20%
40%
60%
80%

Mẫu 3
Mẫu 4
Mẫu 5
Mẫu 6
Mẫu 7
Mẫu 8
Mẫu 9
Mẫu 10

Dầm chế tạo ngày 28/12/2019 đặt theo
cặp trong bộ giá gia tải
Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp
trong bộ giá gia tải
Dầm chế tạo ngày 20/8/2020 đặt theo cặp
trong bộ giá gia tải

Dầm chế tạo ngày 03/12/2019 đặt theo
cặp trong bộ giá gia tải

Các cặp mẫu dầm sau khi gông gia tải theo các cấp tải trọng như đề xuất,
được ngâm trong mơi trường diễn tiến ăn mịn nhanh.

Hình 3.4. Hình ảnh thí nghiệm dầm ăn mịn gia tốc

Các mẫu dầm sau khi ngâm đủ 30 ngày sẽ được trục vớt, uốn 4 điểm đến phá
hoại nhằm xác định lực kháng uốn cực đại (số liệu lực kháng uốn này được
lưu trữ nhằm phục vụ cho việc xác định quan hệ ăn mịn và sức kháng), sau
đó tiến hành đập bỏ lớp bê tông bảo vệ, các thanh thép được lấy ra và làm
sạch phần gỉ thép bao quanh, bê tông bám vào thanh rồi tiến hành cân xác
định khối lượng. Khối lượng thép hao mịn được tính bằng chênh lệch khối
lượng giữa các thanh thép trước và sau khi ngâm.


11

Hình 3.5. Hình ảnh bề mặt dầm và cốt thép bị ăn mịn

3.7.3. Kết quả thí nghiệm:
Bảng 3.7. Tổng hợp độ hao mòn cốt thép các mẫu dầm (%)
Ứng suất
Giá trị
KL thép KL thép KL thép Thép
Ký hiệu duy trì
hao mòn
ban đầu sau ngâm hao mòn hao mòn
mẫu

TB
TB
(g)
(g)
(g)
(%)
(Mpa)
(%)
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
M10

0

35,8

58,63

90,85

122,8

560


417

143

25.5

555

413

142

25.6

562

420

142

25.3

560

418.5

141.5

25.2


551.0

407.5

143.5

26.1

553.5

406.5

147.0

26,6

556.5

402

154.5

27.8

550.5

395.5

155


28.2

554.5

386.5

168

30.2

552.5

385

167.5

30.3

25,55

25,25

26,35

28

30,25

Qua kết quả thí nghiệm ngâm các mẫu dầm trong 30 ngày với các cấp ứng

suất khác nhau: không gia tải; 0.2 Pmax; 0,4 Pmax; 0,6 Pmax; 0,8 Pmax, dưới tác
dụng của môi trường ăn mịn diễn tiến nhanh NaCl (3-5%) và kích hoạt mơi
trường ăn mịn điện ly, có thể thấy tốc độ ăn mòn cốt thép gia tăng khi ứng
suất duy trì trong dầm tăng.
3.7.4. Quan hệ ứng suất duy trì và mức độ ăn mòn cốt thép


12

Dựa trên kết quả thống kê tại Bảng 3.7. tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ giữa
ứng suất duy trì trong dầm và mức độ ăn mòn cốt thép. Trên cơ sở dữ liệu
thu thập được từ kết quả thực nghiệm, tác giả chọn biểu đồ cột nhằm thể hiện
từ tổng quát đến chi tiết mối quan hệ giữa ứng suất và mức độ ăn mòn cốt
thép, đồng thời so sánh mức độ gia tăng tốc độ ăn mòn cốt thép giữa các cấp
ứng suất trong dầm.

Hình 3.6. Quan hệ ứng suất - mức độ ăn mòn – sức kháng uốn

 Qua phân tích đánh giá kết quả, nghiên cứu sinh có một số kết luận như
sau:
- Cốt thép trong các mẫu dầm có ứng suất uốn duy trì ăn mịn nhanh hơn so
với mẫu dầm khơng có ứng suất (đặc biệt rỗ rệt ở mức 0.8Pmax)
- Khi tạo ra ứng suất duy trì trong dầm bằng cách gơng các cặp dầm; ta thấy
từ mức 0 lên mức tương ứng 0.2Pmax, có hiện tượng khối lượng ăn mịn giảm
xuống, tuy nhiên khơng đáng kể (chênh lệch 0.3%). Điều này có thể do dầm
ở trạng thái ứng suất thấp 0.2Pmax chưa đủ để vết nứt xuất hiện qua đó thúc
đẩy quá trình xâm nhập của các tác nhân gây ăn mịn; ngược lại ứng suất này
cịn giúp lớp bê tơng bảo vệ trở nên đặc chắc hơn, gia cường khả năng bảo
vệ cốt thép ngăn cản các tác nhân gây ăn mịn có thể tiếp cận cốt thép. Nhưng
nếu ứng suất tiếp tục tăng, ta thấy mức độ ăn mòn bắt đầu tăng, sự chênh

lệch tăng nhanh hơn thể hiện rõ nét hơn ở mức 0.4Pmax (1,1%), 0.6Pmax
(2,75%), mức 0.8Pmax (5%);
- Qua đó có thể thấy mức độ ăn mịn cốt thép tỉ lệ thuận với ứng suất uốn
duy trì trong dầm. Như vậy, dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên cộng
với điều kiện môi trường chứa các tác nhân xâm thực, kết cấu BTCT sẽ dễ
bị tổn thương qua q trình ăn mịn.
3.8. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến
sức kháng uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép
Nghiên cứu được tiến hành trên 02 nhóm dầm;
- Nhóm 01 – với số lượng 04 mẫu dầm không gông gia tải và ngâm ăn mòn
diễn tiến nhanh;


13

- Nhóm 02 - với số lượng 04 mẫu dầm gơng gia tải mức 0,8.Pmax. và ngâm
ăn mịn diễn tiến nhanh.
3.8.1. Thí nghiệm xác định lực kháng uốn các nhóm mẫu dầm
Sau khi ngâm đủ 30 ngày các mẫu dầm thuộc nhóm 01 và 02 được trục vớt;
tiến hành đánh giá bề mặt dầm sau ngâm sau đó dỡ tải bằng cách tháo dỡ bộ
gá gông gia tải;
Đánh giá bề mặt và hiện trạng các nhóm dầm sau khi thí nghiệm
 Đối với nhóm dầm 01:
- Bề mặt dầm xuất hiện vết nứt dọc theo vị trí bố trí cốt thép, tuy nhiên vết
nứt nhỏ và số lượng vết nứt ít.
 Đối với nhóm dầm 02:
- Bề mặt dầm xù xì do bê tơng bị ăn mịn, xuất hiện nhiều mảng màu xẩm
đỏ do gỉ thép loang ra;
- Các vết nứt dọc theo thân dầm xuất hiện với mật độ dày hơn so với nhóm
dầm 01, đặc biệt vị trí giữa nhịp dầm xuất hiện các vết nứt theo phương

vuông góc với chiều dài bố trí cốt thép.
Các mẫu dầm sau khi được đánh giá bề mặt được tiến hành, xác định lực
kháng uốn lớn nhất với từng nhóm mẫu dầm thí nghiệm.
Bảng 3.8. Thống kê kết quả lực uốn phá hoại các nhóm mẫu dầm (KN)
Mơi trường
Giá trị lực
Lực gia Lực
uốn
ăn mịn diễn
kháng uốn
Tên
tải ban phá hoại
STT
tiến nhanh
trung bình
mẫu
đầu
sau ngâm
(dd NaCl 3Max
(KN)
(KN)
5%)
(KN)
1
M1.1
Ngâm
30
22.10
ngày
trong

2
M1.2
19.96
0
mơi trường ăn
21.17
3
M1.3
20.68
mịn điện li
4
M1.4
21.95
5
M2.1
Ngâm
30
14.40
ngày
trong
6
M2.2
12.20
0,8.Pmax
mơi trường ăn
12.41
7
M2.3
10.10
mịn điện li

8
M2.4
12.95

3.8.2. Xác định mức độ ăn mòn cốt thép
Khối lượng thép hao mịn sau q trình ăn mịn được xác định.
Bảng 3.9. Độ hao mịn cốt thép các nhóm mẫu dầm(%)


14

STT Tên
mẫu

Lực
gia tải
ban
đầu
(KN)

1
2
5

Nhóm
mẫu 0
01

Mơi trường KL
ăn mịn

thép
diễn tiến
ban
nhanh
đầu
(dd NaCl 3- m1 (g)
5%)
562.0
Ngâm mẫu
đủ 30 ngày

6
7
8
9
10

Nhóm
0,8.Pmax
mẫu
02

Ngâm mẫu
đủ 30 ngày

KL
thép
sau
ngâm
m2 ( g)


KL
Hao
thép
mịn
hao
Ctt
mịn
(%)
Δm (g)

412.2 149.8

26.7

560.0 418.5 141.5

25.2

551.0 407.5 143.5

26.1

553.5 406.5 147.0

26,6

556.5 390.7 165.8

29.8


550.5 395.5 155.0

28.2

554.5 386.5 168

30.2

552.5 389,8 162.7

29.5

Hao
mòn
TB
Ctb
(%)

26.15

29.41

3.8.3. Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sức kháng uốn của dầm BTCT có
xét đến ảnh hưởng của tải trọng
Trên cơ sở kết quả thống kê tại và biểu đồ thể hiện quan hệ giữa mức độ ăn
mòn và khả năng kháng uốn của dầm.
Dữ liệu độ võng của các nhóm dầm chịu các mức ứng suất: 0.2Pmax, 0.4Pmax,
0.6Pmax , 0.8Pmax tại thí nghiệm mục 3.6, mục 3.7 được sử dụng để thiết lập
quan hệ tải trọng và chuyển vị có xét đến mức độ ăn mòn tại 25% để thiết

lập biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của dầm bị ăn mịn mức 25%.
Nhận xét kết quả thí nghiệm:
- Khối lượng cốt thép hao mịn ở các Nhóm mẫu dầm 02 lớn hơn ở các nhóm
mẫu dầm 01. Như vậy một lần nữa có thể thấy tải trọng tác dụng kết hợp
cùng môi trường xâm thực chứa các tác nhân gây ăn mịn tác động mạnh mẽ
đến q trình gây ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm BTCT.
- Tại thí nghiệm này một lần nữa cho thấy hiện tượng các nhóm dầm khơng
chịu tải có tốc độ ăn mịn nhanh hơn nhóm dầm chịu tải thấp - mức 0,2.Pmax.
Cụ thể: Nhóm dầm 01 tuy khơng được gia tải xong mức độ ăn mòn cho thấy
nhanh hơn mức gia tải 0,2.Pmax (so sánh với kết quả tại Bảng 3.35. mục 3.7),
điều này có thể thấy việc dầm chịu mức ứng suất uốn thấp sẽ chỉ góp phần
làm cho lớp bê tông bảo vệ bị nén và trở nên đặc chặt hơn, qua đó nâng cao
khả năng bảo vệ cốt thép bên trong;


15

- Giá trị lực kháng uốn thực tế các mẫu dầm thực nghiệm tại thời điểm phá
hoại của nhóm mẫu dầm 02 (có gia tải ở mức cao - 0,8.Pmax và ngâm trong
mơi trường ăn mịn điện li) nhỏ hơn so với các mẫu dầm 01 (ngâm trong môi
trường ăn mịn điện li nhưng khơng gia tải), 12,41Mpa so với 21,17Mpa; như
vậy có thể thấy khi cốt thép trong dầm BTCT bị ăn mòn sẽ làm giảm sức
kháng uốn của dầm BTCT, mức độ ăn mịn càng lớn thì sức kháng uốn càng
giảm; nguyên nhân có thể nêu ở đây là do tiết diện làm việc của cốt thép bị
suy giảm, khả năng dính bám giữa cốt thép và bê tông giảm dẫn đến khả
năng làm việc chung suy giảm.
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG SỐ ĐÁNH
GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TÁC DỤNG ĐẾN SỨC
KHÁNG CỦA DẦM CẦU BTCT CĨ XÉT ĐẾN SỰ ĂN MỊN CỦA
CỐT THÉP

Dựa trên kết quả các thí nghiệm thực hiện tại Chương 3 - thuộc nội dung của
luận án, một mô hình phần tử hữu hạn trên nền tảng phần mềm ATENA được
đề xuất để mơ hình hóa dầm BTCT giản đơn khi xét đến sự ăn mòn cốt thép
bên trong và mối quan hệ của chúng đối với khả năng chịu tải của dầm BTCT
khi chịu ứng suất. Kết quả đồng thời được so sánh với thực nghiệm nhằm
đánh giá phân tích ảnh hưởng của ăn mịn cốt thép trong kết cấu dầm bê tơng
cốt thép có xét đến yếu tố tải trọng tác dụng.
4.1. Kết quả mơ hình hóa dầm thực nghiệm
Sau khi thực hiện mơ phỏng và tính tốn đối với tất cả các mẫu có kích thước
như nhau theo các mức độ ăn mòn cốt thép: 0%, 5%, 10%, 20%, 25%, quan
hệ giữa tải trọng và chuyển vị tương ứng với các trường hợp ăn mòn được
thể hiện ở Hình 4.1.
So sánh trường hợp ăn mịn 25% tại các cấp tải trọng 0%  Pmax giữa mô
phỏng số với thực nghiệm được thực hiện ở trên. Biểu đồ quan hệ tải trọng
và chuyển vị của mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% tại cấp tại trọng 0%  Pmax
với thí nghiệm thực tế được thể hiện nhằm giúp nghiên cứu sinh phân tích và
đánh giá kết quả nghiên cứu Hình 4.2.


16

Hình 4.1.Quan hệ giữa tải trọng và
chuyển vị tương ứng với các mức ăn mịn

Hình 4.2.Quan hệ tải trọng và chuyển vị của
mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% tại cấp tại
trọng 0  Pmax với thí nghiệm thực tế

Kết quả mơ phỏng cho thấy khi mức độ ăn mịn tăng lên mặc dù cùng một
cấp tải trọng tác dụng thì độ võng tương ứng cũng tăng lên. Đồng thời, khi

cốt thép bị ăn mịn dẫn tới diện tích cốt thép tăng lên do q trình trương nở
thể tích của gỉ cốt thép, gây nứt bê tông xung quanh cốt thép làm cho cường
độ chịu kéo, mô đun (module) đàn hồi của bê tông giảm xuống.
Qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị của mẫu dầm BTCT ăn mòn mức
25% tại cấp tại trọng 0  Pmax với thí nghiệm thực tế tại hình 4.13 cho thấy
sự tương đối đồng nhất về đường biểu diễn xu hướng với độ võng tại tải trọng
xấp xỉ 13 KN là 2.5 mm. Tại thời điểm này, dầm bắt đầu bị phá hoại và khơng
thể tiếp tục làm việc bình thường. Ta thấy mơ hình phù hợp cho việc áp dụng
để xét đến ứng xử các cấu kiện BTCT có cốt thép chịu lực bị gỉ. Đường cong
quan hệ thực tế thực nghiệm và mơ phỏng số có sự sai khác nhất định, do
thực tế bê tơng khơng hồn tồn đồng nhất (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngồi
ra bê tơng thí nghiệm có các đặc trưng cơ học khơng hồn tồn giống với mơ
hình.
4.2. Ví dụ tính tốn ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến sức kháng uốn của
dầm cầu chịu tác dụng của tảı trọng
Thiết kế một dầm cầu bê tông cốt thép chữ T cho cầu đường ôtô nhịp giản
đơn. Theo quy trình thiết kế cầu TCVN 11823 – 2017.
Kết quả tính tốn dầm điển hình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành
tại Việt Nam -TCVN11823-2017 được thống kê thành bảng, phục vụ cho
việc đánh giá, phân tích và nhận xét các tham số ảnh hưởng đến bài toán
ăn mòn cốt thép trong kết cấu dầm cầu.


17

Hình 4.3.Quan hệ mơ men uốn theo
thời gian ăn mịn

Hình 4.4.Quan hệ diện tích cốt thép và
thời gian ăn mịn


 Nhận xét, đánh giá:
- Qua kết quả bài tốn tính tốn dầm bị ăn mịn trong 25 năm, có thể thấy
kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép trong quá trình vận hành trong điều kiện
mơi trường chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn, cùng với tác dụng của các loại
tải trọng khai thác theo thời gian sẽ bị ăn mịn cốt thép, điều đó thể hiện qua
diện tích cốt thép bị ăn mòn gia tăng theo thời gian: sau 05 năm đầu tiết diện
các thanh cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế là 1%, tuy nhiên, cùng
điều kiện môi trường và khai thác ở năm thứ 10 mức độ ăn mòn cốt thép là
2,5% sau đó nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% ở năm thứ 20 và
11,8% ở năm thứ 25;
- Dưới tác dụng của tải trọng bản thân và các tổ hợp tải trọng trong quá trình
vận hành khai thác, các vết nứt mồi có thể đã sớm xuất hiện, các tác nhân
gây ăn mịn qua đó mà xâm nhập, tiếp xúc cốt thép và gây ăn mòn cốt thép
làm giảm tiết diện cốt thép chịu lực, theo kết quả tính tốn khoảng 8mm2
thép bị hao mịn trong 5 năm đầu, 5 năm tiếp theo lượng thép bị hao mòn
khoảng 12mm2, sau đó lượng cốt thép hao mịn tăng nhanh chạm mức 25mm2
ở năm thứ 20 và 35mm2 ở năm thứ 25.
- Thép trong cấu kiện dầm cầu bê tông cốt thép bị ăn mòn làm mất mát tiết
diện thép tham gia chịu lực dẫn đến việc suy giảm sức kháng uốn của dầm,
sức kháng uốn suy giảm tỉ lệ thuận với q trình dầm bị ăn mịn cụ thể: giai
đoạn 5 năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1% so với sức kháng tính tốn
thiết kế, sự suy giảm này ở mức 2,5% ở năm thứ 10, 8% ở năm thứ 20 và
12% ở năm thứ 25.
4.3. Mô phỏng số đánh giá và so sánh kết quả giải tích dầm cầu t - btct
Dầm chữ T có các thơng số, và kết quả về ăn mịn cốt thép tại phần tính tốn
giải tích tại mục 4.2 sẽ được mơ phỏng số nhằm đánh giá so sánh.


18


Hình 4.5.Quan hệ sức kháng uốn và

Hình 4.6.Quan hệ sức kháng uốn và

chuyển vị theo mô phỏng số

chuyển vị theo mơ phỏng số và thực
nghiệm tại mức ăn mịn 25%

So sánh sức kháng uốn mô phỏng số với kết quả tính tốn theo phương pháp
giải tích (741,81 KN.m), ta thấy lực kháng uốn theo mô phỏng (755,7 KN.m)
chênh lệch 13,89 KN.m tương đương 1,87%; lượng sai khác này là chấp nhận
được; nguyên nhân có sự sai khác nhất định là do thực tế bê tơng khơng hồn
tồn đồng nhất (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngồi ra bê tơng thí nghiệm có
các đặc trưng cơ học khơng hồn tồn giống với mơ hình.

Hình 4.7.Ảnh hưởng của tiết diện thép
ăn mịn đến sức kháng uốn

Hình 4.8.Ảnh hưởng của thời gian ăn
mịn đến mức độ ăn mòn (%)


19

Hình 4.9.Ảnh hưởng ứng suất trong bê
tơng đến sức kháng uốn của dầm

Hình 4.10. Ảnh hưởng của cường độ

bê tơng đến mức độ ăn mòn

4.4. Kết luận Chương 4
 Phần mềm ATENA có thể mơ hình hóa chính xác trạng thái làm việc
của dầm giản đơn, bao gồm dầm bản ở thí nghiệm ăn mịn gia tốc và
dầm T ở mục giải tích đối sánh; Thơng qua mơ phỏng số có thể kết luận
rằng:
- Sức kháng uốn của dầm BTCT giảm khi cốt thép trong dầm bị ăn mòn.
Nguyên nhân là do tiết diện chịu lực của thép bị ăn mòn suy giảm so với tiết
diện thiết kế yêu cầu ban đầu, gây ảnh hưởng đến khả năng kháng uốn của
dầm;
- Mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm gia tăng khi ứng suất trong bê
tông gia tăng; do dưới tác dụng của tải trọng, vùng chịu kéo của dầm xuất
hiện nhiều vết nứt, các tác nhân gây ăn mịn xâm nhập qua đó tiếp xúc cốt
thép và gây ăn mịn. Tải trọng tăng thì độ mở rộng vết nứt tăng lên, điều này
càng xúc tiến quá trình xâm nhập của tác nhân gây ăn mòn cốt thép, dẫn đến
q trình ăn mịn diễn ra nhanh hơn.
- Kết quả mô phỏng bằng phần mềm phản ánh tương tự kết quả thực nghiệm
trong điều kiện phịng thí nghiệm; cho thấy việc ứng dụng mơ hình số là rất
phù hợp trong việc đánh giá ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến ứng xử của
dầm bị ăn mòn.
 Qua việc thực hiện giải bài tốn ăn mịn cốt thép theo phương pháp
giải tích đối với trường hợp dầm cầu bê tơng cốt thép – chữ T chịu tải
trọng có thể thấy các kết quả tính tốn phù hợp với kết quả ghi nhận từ
mô phỏng số.
- Dưới tác dụng của tải trọng khai thác, cùng với tác động của môi trường
gây ăn mòn, cốt thép trong dầm cầu bị ăn mịn; q trình ăn mịn diễn tiến


20


phức tạp làm giảm tiết diện chịu lực của cốt thép trong dầm cầu: sau 05 năm
đầu tiết diện các thanh cốt thép bị ăn mòn so với cốt thép thiết kế là 1%, tuy
nhiên, cùng điều kiện môi trường và khai thác ở năm thứ 10 mức độ ăn mịn
cốt thép là 2,5% sau đó nhanh chóng chạm mốc 5,1% năm thứ 16, 8% ở năm
thứ 20, 11,8% ở năm thứ 25 và 25% ở năm thứ 35;
- Mức độ suy giảm tiết diện cốt thép và sức kháng uốn của dầm cầu tỉ lệ
thuận với mức độ cốt thép trong dầm bị ăn mòn bởi các tác nhân gây ăn mịn
từ mơi trường xâm thực: giai đoạn 5 năm đầu sức kháng giảm khoảng 1,1%
so với sức kháng tính tốn thiết kế, sự suy giảm này ở mức 2,5% ở năm thứ
10, 7,8% ở năm thứ 20, 12% ở năm thứ 25 và 23,5% ở năm thứ 35. Điều này
phù hợp với các đánh giá nghiên cứu thực nghiệm tại chương 3, và phần mô
phỏng bằng phần mềm ATENA.
- Sức kháng uốn mô phỏng số (755,7 KN.m) với kết quả tính tốn theo
phương pháp giải tích (741,81 KN.m), chênh lệch 1,87% đối với dầm T –
BTCT ăn mòn 25%, cho thấy sự tương đồng về việc suy giảm sức kháng uốn
đối với dầm ăn mòn cốt thép. Điều này cho thấy phần mềm ATENA phù hợp
trong việc mô phỏng đánh giá ứng xử của dầm bị ăn mòn có xét đến tải trọng
tác dụng.
 Qua việc khảo sát đánh giá ảnh hưởng các tham số đến mức độ ăn
mòn của cốt thép trong kết cấu dầm cầu BTCT
- Lực kháng uốn của dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với tiết diện thép bị ăn
mòn, điều này được giải thích: khi mức độ ăn mịn của cốt thép (vùng chịu
kéo – theo thí nghiệm) tăng lên, tiết diện thép chịu lực bị giảm, cùng với khả
năng làm việc chung của bê tơng và cốt thép suy giảm do tính dính bám giảm,
dẫn đến sức kháng uốn của dầm suy giảm;
- Thời gian cấu kiện dầm cầu BTCT làm việc trong mơi trường ăn mịn càng
lâu thì mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện càng nghiêm trọng; tại nội
dung luận án nghiên cứu sinh chỉ dừng lại tại thời gian 35 năm sau khởi đầu
ăn mịn thì mức độ ăn mòn của dầm BTCT – M30 tăng dần theo thời gian

khảo sát, tại năm thứ 35 thì mức độ ăn mịn đặt 25%;
- Ứng suất trong bê tơng tăng lên làm cho khả năng kháng uốn của dầm cầu
BTCT giảm theo thời gian làm việc của cấu kiến dầm trong điều kiện mơi
trường có nhiều tác nhân gây ăn mòn thép;
- Mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện dầm cầu BTCT tỉ lệ nghịch với
cường độ bê tông chế tạo dầm, khi cường độ bê tông tăng lên thì mức độ ăn