Ảnh hưởng của tải trọng lặp đến tuổi thọ của kết cấu bê tông
I f
sử dụng bê tông tính năng cao ở môi truờng biển
■ TS. HỔ VĂN QUÂN
Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nỗng
■ TS. NGUYỄN VÃN TỨƠI
Trường Cao đẳng Giao thông vận tài Trung ương V
TÓM TẮT: Bài báo trình bày ảnh hưởng của tải trọng lặp đến tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông (KCBT) tính năng cao (HPC). Ba loại bê tông tính năng cao gồm OPC (bê tông 100% xi măng poóc lăng), HPC1 (bê tông chứa 35% xỉ lò cao), HPC2 (bê tông chứa 35% xỉ lò cao + 20% tro bay) cỏ cùng ti lệ nước - chất kết dính là 0,30. Tuổi thọ của các kết cấu bê tông (KCBT) được dự báo khi bê tông chịu tác dụng của 1, 3 và 5 chu kỳ tải trọng nén lặp ở các mức 55%, 70% và 85% cường độ nén ở 28 ngày (R28). Kết quả cho thấy, tuổi thọ của KCBT giảm tỉ lệ thuận với độ lớn của tải trọng nén và số chu kì lặp. Tuổi thọ của KCBT sủ dụng bê tông HPC1 tăng khoảng 3,7 - 4,2 lần so với bê tông OPC, tuổi thọ của KCBT sủ dụng bê tông HPC2 tăng khoảng 13,0 - 14,8 lần so với bê tông OPC và tăng khoảng 3,5 lần so với bê tông HPC1.
TỪ KHÓA: Két cấu bê tông, hệ số khuếch tán clorua, bê tông tính năng cao, tuổi thọ, tải trọng lặp.
ABSTRACT: The paper presents the effect of repeating loads on the service life of high-performance concrete structures. Three types of high performance concrete (HPC) are including OPC (portland cement concrete), HPC1 (concrete containing 35% ground granulated blast furnace slag) and HPC2 (concrete containing 35% ground granulated blast furnace slag and 20% fly ash) with the same water-binder ratio of 0.30. Service life of concrete structures is predicted when the concrete is subjected to load at 55%, 70% and 85% of final compressive strength at 28 days (R28) and repeated 1, 3 and 5 cycles each load level. The results showed that the service life of concrete structures proportionally reduces with the compressive stress magnitude and the number of the numbers of repetition of the load. The service life of concrete structures using HPC1 increases by about 3.7 - 4.2 times compared to that of OPC concrete.
The service life of concrete structures using HPC2 increases about 13.0 - 14.8 times compared to that of OPC concrete and about 3.5 times compared to that of HPC1 concrete.
KEYWORDS: Concrete structures, chloride diffusion coefficient, high performance concrete, service life, repeated loading.
1. ĐẶTVẤNĐỂ
Ở môi trường biển, các KCBT phải thường xuyên tiếp xúc với các ion clorua và các chất xâm thực có hại khác nên chúng thường bị hư hỏng sớm và có tuổi thọ ngắn hơn so với các điều kiện bình thường. Để cải thiện độ bền lâu và kéo dài tuổi thọ của các KCBT ở môi trường biển, hiện nay người ta thường dùng các loại bê tông HPC.
Tuổi thọ sử dụng của KCBT được đo bằng một khoảng thời gian nhất định cần thiết mà KCBT vẫn duy trì được hình dạng ban đẩu, chất lượng và khả năng phục vụ của nó khi tiếp xúc với môi trường [1], Hầu hết các mô hình dự báo tuổi thọ hiện nay không xét đến ảnh hưởng của tải trọng hoặc vết nứt trong KCBT, điển hình như Life-365 [2], Fib [3], DuraCrete [4],TCVN 12041:2017 [5]... Do đó, việc dự báo tuổi thọ của KCBT có thể không đáng tin cậy và thường cho kết quả cao hơn so với tuổi thọ thực tế. Khảo sát của Meletious [6] cho thấy, các KCBT bị ăn mòn sau 10 -15 năm xây dựng, Trương Hoài Chính và cộng sự [7] cũng cho biết các KCBT bị ăn mòn sau 5 -10 năm đưa vào sử dụng, điều này có nghĩa là các KCBT bị ăn mòn sớm hơn nhiều so với dự báo.
Các công trình ven biển như cẩu, cảng... thường xuyên phải chịu tải trọng và sựxâm nhập clorua.TCVN 12041:2017 [5] vàTCVN 9346:2012 [8] qui định tuổi thọ thiết kế của các KCBT tối thiểu là 50- 100 năm. Như vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng lặp đến tuổi thọ của các KCBT ở môi trường biển sẽ có độ tin cậy cao hơn, tiếp cận gần hơn với điểu kiện thực tế.
Bài báo trình bày ảnh hưởng của tải trọng nén lặp đến tuổi thọ của các KCBT sử dụng bê tông HPC chịu tác dụng của 1,3 và 5 chu kỳ ở các mức 55%, 70% và 85% cường độ nén cuối cùng (R28).
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1. Vật liệu
Các vật liệu chế tạo bê tông như đá dăm (Đ), cát (C), xi măng (X): xỉ lò cao (XLC), tro bay (TB) và phụ gia siêu dẻo (SD) phù hợp với cácTCVN hiện hành.
Thành phẩn của các bê tông HPC được ghi trong Bảng 2.1. Độ sụt và cường độ nén (mẫu trụ 100x200 mm) ở 28
ngày được ghi trong Bảng 2.2.
Bảng 2.1. Thành phẩn của các loại bê tông HPC iệu bê tông X
(kg) N (lit)
XLC (kg)
TB (kg)
c (kg)
Đ (kg)
N/
CKD SD (%X)
OPC 500 150 0 0 710 1120 0,30 1,35
HPC1 325 150 175 0 697 1120 0,30 1,35
HPC2 225 150 175 100 662 1120 0,30 1,35
Báng 2.2. Độ sụt và cuông độ nén của HPC
Kí hiệu bê tông Độ sụt (cm) cường độ nén R„ (MPa)
OPC 8,0 81,89
HPC1 12,0 82,82
HPC2 15,0 76,57
2.2. Thí nghiệm xác định độ thấm dorua của các bê tông tính năng cao
Độ thấm clorua được thí nghiệm theo ASTM 0202.
Các mẫu trụ bê tông 100x200 mm được bảo dưỡng ẩm đến 28 ngày, sau đó chịu các mức tải trọng nén 55%, 70%
và 85%R28 tương ứng với 1, 3 và 5 chu kì. Kết quả độ thấm clorua Q (Culong) được ghi trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Độ thấm và hệ số khuếch tán clorua của HPC Loại
bẻ tông
Tải trọng nén và số
chu kì lặp (Culong) (1012 mm2/
năm)
kLo
OPC
0R?S 1943 5,96 1,000
55R?r, 1 ck 2087 6,33 1,062
55R,8, 3 ck 2112 6,39 1,073
55R,„, 5 ck 2149 6,48 1,088
70R28,1 ck 2228 6,68 1,122
70R*”, 3 ck
2273 6,80 1,141
70R,8, 5 ck 2298 6,86 1,151
85R,8,1 ck 3034 8,66 1,454
85 R,”, 3 ck
3087 8,79 1,475
85R28, 5 ck 3187 9,03 1,515
HPC1
0R,r 979 3,35 1,000
55R28,1 ck 1012 3,45 1,029
55R,8, 3 ck 1024 3,48 1,038
55R,", 5 ck
1033 3,51 1,047
70R28,1 ck 1077 3,63 1,084
70R28, 3 ck 1093 3,68 1,097
70R,8, 5 ck 1104 3,71 1,106
85R,8,1 ck 1171 3,89 1,163
85R,8, 3 ck 1193 3,96 1,181
85R,„, 5 ck 1203 3,98 1,190
HPC2
869 3,03 1,000
55R,S, 1 ck 899 3,12 1,029
55R,” 3 ck
892 3,10 1,022
55R28, 5 ck 916 3,17 1,046
70R28,1 ck 944 3,25 1,071
70R,8, 3 ck 958 3,29 1,086
70R28, 5 ck 969 3,32 1,096
85R„, 1 ck 1026 3,49 1,150
85R,„, 3 ck 1044 3,54 1,166
85 R," 5 ck
1060 3,58 1,182
tkq _ (x-Ax)2
40^0,1^^ crf |-
nl7?,u
X. 1 ) \ J I
-Ở vùng thủy triều:
Kết quả trên cho thấy tải trọng nén càng lớn thì độ thấm clorua càng cao, vì trong bê tông tạo ra các vết nứt làm tăng độ rỗng và dẫn đến tăng độ thấm clorua [9,10],
3. Dự BÁO TUỔI THỌ CỦA CÁC KCBT sử DỤNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG caoởmôitrườngbiển
3.1. Mô hình dự báo tuổi thọ
Tốc độ thâm nhập clorua vào bê tông được mô hình hóa bằng phương trình (1) trong trường hợp nóng độ clorua ban đầu Co=O như sau [2,3,4]:
C(x,t) = cs
l-erf x-AxV4D(t)t (1)
Trong đó: C(x, t) - Nồng độ clorua ở khoảng cách X (mm) tính từ bể mặt bê tông sau thời gian tiếp xúc t (năm), (%
khối lượng bê tông); Ax - Dung sai lớp bê tông bào vệ (mm);
Cs- Nóng độ clorua bể mặt của bê tông (% khối lượng bê tông); D(t) - Hệ số khuyếch tán dorua ở thời điểm t (mm2/
năm); erf - Hàm sai số.
Theo [2,3,4], hệ số D(t) phụ thuộc vào thời gian, điều kiện tiếp xúc (kEn) và điểu kiện bảo dưỡng bê tông (kCu).
z \m
D(t) = D^kEnkCupJ (2)
Khi thi công bê tông ngoài hiện trường khác với trong phòng thí nghiệm nên phải kể đến hệ số thi công kCo [11],
Khi chịu tác dụng của tải trọng, hệ số khuech tán clorua của bê tông sẽ tăng lên nên phải kể đến hệ số kLo:
(3)
Ư28
Phương trình (2) được viết lại như sau:
D(t) = D°akEn.kCu.kC0.kU).pJ (4)
Trong đó: D°28và DLo28 là hệ số khuyếch tán clorua của bê tông ở 28 ngày khi không chịu tải trọng và khi chịu tác dụng của tải trọng (mm2/năm); m là hệ số suy giảm khuếch tán clorua.
Theo [2], trong công thức (4), t chỉ có giá trị tối đa là 25 năm. Khi t > 25 năm, hệ số D(t) được xem là không đổi, tức là D(t > 25) = const.
Hố Văn Quân và cộng sự [12] đã xác định được nổng độ clorua bể mặt của bê tông có cường độ 25 - 30 MPa theo thời gian như sau:
- Ở vùng khí quyển biển:
c (t) = 0,128.í0’476 (5)
- ở vùng thủy triều:
Cs(t) = 0,291. t0’426 (6)
Cs(t) chủ yếu phụ thuộc vào môi trường và thời gian tiếp xúc, phụ thuộc không đáng kể vào loại bê tông [13,14], Do vậy, có thể lấy gẩn đúng phương trình (5) và (6) để áp dụng cho các loại bê tông HPC.
Cốt thép sẽ bắt đẩu bị ăn mòn khi C(x, t) bằng nồng độ clorua tới hạn gây ăn mòn CCr, tức là:
C^cLerfU^J (7)
Thay các phương trình (4), (5), (6) vào (7) và rút ra được thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép tM như sau:
- Ở vùng khí quyển:
88
tS=--- (X~AZX)2 --- (10)
M r, w ,r c, Y)
4D2gkFj,k(11k(hkb).[-pj J erf ự " 0 29 B0,426 J]
Lấy thời gian lan truyển ăn mòn là 6 năm [2]. Tuổi thọ sử dụng (Tsd) của các KCBT ở môi trường biển như sau:
Tsd = tZ+6(nă^ , <11)
3.2. Dự báo tuổi thọ của các KCBT 3.2.1. Các thông số đầu vào
t28 = 28 ngày (0,0767 năm); Ax = 10 mm; = 0,68 với vùng khí quyển, = 0,92 với vùng thủy triều [4]; kCu = 1,0 ứng với bảo dưỡng bê tông 7 ngày [4]; kCũ =1,15 với bê tông được chế tạo trong phòng thí nghiệm [11]; k^ xác định theo (3) và được ghi trong Bảng 2.3.
Nồng độ clorua tới hạn CCR: CCR= 0,45%CKD [5], tương đương CCR = 0,094% bê tông (ybt = 2400 kg/m3).
Hệ số m: m = 0,19 đối với bê tông OPC; m = 0,384 đối với HPC1; m = 0,617 đối với HPC2 [15],
Hệ số D28: D28 có thể tính gán đúng theo còng thức thực nghiệm (12) của Berke và Hicks [16]:
D28= 1,03x1 0'4<Q28)0,84 (m2/s) (12) Hẹ số D28của các HPC được ghi trong Bảng 2.3.
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ: Lấy xmin = 50 mm [5,8].
ở đây, chọn X = 50 - 90 mm.
3.2.2. Dự báo tuổi thọ các KCBT
Kết quả tính toán tuổi thọ sử dụng Tsd của các KCBT được thể hiện trên các Hình 3.1 đến Hình 3.6.
Hình 3.1: Tuổi thọ của KCBT sử dụng OPC chịu tác dụng của tải trọng nén lặp ở vùng khí quyển
Hình 3.3: Tuổi thọ của KCBT sử dụng HPC1 chịu tác dụng của tải trọng nén lặp ở vùng khí quyển
50 60 70 80 90
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm) Hình 3.4: Tuổi thọ của KCBT sử dụng HPC1 chịu tác dụng
của tái trọng nén lặp ở vùng thủy triều
50 60 70 80 90
Hình 3.2: Tuổi thọ của KCBT sử dụng OPC chịu tác dụng của tải trọng nén lặp ở vùng thủy triều
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (nim) Hình 3.5: Tuổi thọ của KCBT sử dụng HPC2 chịu tác dụng
của tải trọng nén lặp ở vùng khí quyển
Hình 3.6: Tuổi thọ của KCBT sử dụng HPC2 chịu tác dụng của tải trọng nén lặp ở vùng thủy triều
Kết quả trên cho thấy,Tsd của KCBT bị suy giảm dưới tác dụng của tải trọng lặp, mức độ suy giảm của T d tỉ lệ thuận với độ lớn của tải trọng và số chu kì lặp.
Ở vùng khí quyển, Tsd của KCBT lớn hơn đáng kể so với vùng thủy triều. Do ở vùng thủy triều Cs lớn hơn so với vùng khí quyển, Cs càng lớn thì chênh lệch nổng độ clorua bề mặt và phẩn bên trong của bê tông càng lớn dẫn đến di chuyển clorua vào bê tông càng nhanh, kết quả là nóng độ clorua đạt đến CCrdiễn ra nhanh hơn và tuổi thọ của KCBT bị rút ngan [11],
Đối với OPC, khi không chịu tải trọng, Xmax = 90 mm,Td đạt khoảng 36,70 năm với vùng khí quyển và 25,56 năm với vùng thủy triều. Như vậy, bê tông OPC không phù hợp để thiết kế cho KCBT ở môi trường biển với Tsd > 50 năm. Giả sử X = 70 mm và không chịu tải trọng, T d đạt 24,42 năm và 16,73 năm tương ứng với vùng khí quyển và thủy triều; Tsd trung bình của KCBT khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng nén lặp ở mức 55%, 70% và 85%Rn giảm lán lượt là 1,28 năm, 2,24 năm; 5,98 năm với vùng khí quyển và 0,77 năm, 1,35 năm, 3,6 năm với vùng thủy triểu.
Đối với HPC1, khi không chịu tải trọng, ở vùng khí quyển chỉ cẩn xmin = 50 mm để Tsd đạt gần 50 năm (46,39 năm), cẩn x = 80 mm đểTsd đạt trên 100 năm (115,21 năm);
ở vùng thủy triều, cần X = 60 mm để Tsd đạt gần 50 năm (45,31 năm), và cần X = 90 mm để Tsd đạt 100 năm (99,36 năm). Khi X = 70 mm và không chịu tải trọng, T d đạt 88,92 năm và 60,96 năm tương ứng với vùng khí quyển và thủy triều;Tsd trung bình của KCBT khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng nén lặp ở mức 55%, 70% và 85%R28 giảm lần lượt là 2,69 năm, 6,48 năm, 11,24 năm với vùng khí quyển và 1,84 năm, 4,43 năm, 7,67 năm với vùng thủy triều;Tsd của KCBT tăng khoảng 3,7 - 4,2 lần so với OPC.
Đối với HPC2, khi không chịu tải trọng, với xmjn = 50 mm, Td đạt trên 150 năm (152,70 năm) ở vùng khí quyển và đạt trên 100 năm (104,83 năm) ở vùng thủy triều. Khi X
= 70 mm và khi không chịu tải trọng, Tsd đạt 311,39 năm và 215,29 năm tương ứng với vùng khí quyển và thủy triều;
tuổi thọ trung bình của KCBT khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng nén lặp ở mức 55%, 70% và 85%R28 giảm lẩn lượt là 8,62 năm, 21,63 năm, 39,73 năm với vùng khí quyển và 6,03 năm, 14,58 năm, 27,76 năm với vùng thủy triều; T của KCBT tăng khoảng 13,0 -14,8 lần so với bê tông OPC và tăng khoảng 3,5 lần so với bê tông HPC1.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Các kết luận được rút ra từ nghiên cứu này như sau:
-Tuổi thọ sử dụng của KCBT bị suy giảm khi bê tông chịu tác dụng của tải trọng lặp, mức độ suy giảm tuổi thọ của KCBT càng lớn khi độ lớn tải trọng và số chu kì lặp càng lớn.
- Khi thiết kế chiểu dày lớp bê tông bảo vệ là X = 70 mm, tuổi thọ trung bình của KCBT sử dụng bê tông HPC1 tăng khoảng 3,7 - 4,2 lần so với bê tông OPC, tuổi thọ trung bình của KCBT sử dụng bê tông HPC2 tăng khoảng 13,0 - 14,8 lần so với bê tông OPC và tăng khoảng 3,5 lần so với bê tông HPC1 khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng nén lặp.
- Bê tông OPC không phù hợp để thiết kế cho KCBT ở môi trường biển với tuổi thọ là 50 năm. Bê tông HPC1 và HPC2 có thể sử dụng để thiết kế cho các KCBT ở môi trường biển có tuổi thọ lên đến 100 năm và trên 200 năm.
- Khi dự báo tuổi thọ của KCBT ở môi trường biển cần phải xét đến tác dụng của tải trọng trong quá trình khai thác. Nếu lấy mức tải trọng tối đa là 70%Rn, có thể lấy hệ số ảnh hưởng của tải trọng kLo= 1,20 đối với OPC và ktũ= 1,10 đối với HPC1 và HPC2.
Tài liệu tham khảo
[1] . ACI Committee 201, ACI 201.2R (June 2008), Guide to Durable Concrete.
[2] . ACI Committe 365, Life-365 (2018), Service Life Prediction Model and Computer Program for Predicting the Service Life and Life-Cycle Cost of Reinforced Concrete Exposed to Chlorides., Version 2.2.3.
[3] . International Federation for Structural Concrete (Fib) (2006), Model code for service life design, Fib Bulletin 34.
[4] . DuraCrete (2000), General Guidelines for Durability Design and Redesign, The European Union - Brite EuRam III, Project No. BE95-1347: Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures, Document R15.
[5] . Bộ Khoa học và Công nghệ (2017), TCVN 12041:
KCBT và bê tông cốt thép - Yêu câu chung vể thiết kế độ bền lâu và tuổi thọ trong môi trường xâm thực.
[6] . c. Meletious (1991), Development of a field permeability test for assessing the durability of concrete in marine structures. PhD. Thesis, University of Florida, p.185.
[7] , Trương Hoài Chính, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan Phú (2008), Nghiên cứu khảo sát hiện trạng ăn mòn phá hủy của các công trình bê tông cốt thép và khả nàng xâm thực của môi trường vùng ven biển TP. Đà Năng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nâng, số 6, tr.1 -7.
[8], Bộ Khoa học và Công nghệ (2012), TCVN 9346: KCBT và bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển.
90
[9] . Hó Văn Quân, Nguyễn Văn Tươi (2020), Ảnh hưởng của tải trọng lặp đến độ thấm clorua và độ chống thấm nước của bê tông tính năng cao,Tạp chí GTVT, tháng 12, tr.77-82.
[10], P.K. Mehta, PJ.M. Monteiro (2006), Concrete:
Microstructure, Properties and Materials, 3rd ed., McGraw- Hill, New York, p.659.
[11 ]. Hổ Văn Quân (10/2019), Thiết kế độ bền của KCBT ở vùng khí quyển biển dựa trên xác suất, Tạp chí Khoa học GTVT, tập 70, số 4, tr.299-308.
[12] . Hồ Văn Quân, Nguyễn Vàn Tươi, Phạm Thái Uyết, Trần Thế Truyền (2016), Thực nghiệm phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt các công trình bê tông cốt thép theo thời gian ở môi trường biển, Tạp chí GTVT, tháng 1+2, tr.91-94.
[13] . A. Costa, J. Appleton (1999), Chloride penetration into concrete in marine environment- Part (2): Prediction of long term chloride penetration, Materials & Structures, vol.32rpp 354 359.
[14] . Jun Liu, Kaifeng Tang, Dong Pan, Zongru Lei, Weilun Wang and Feng Xing. (2014), Surface Chloride Concentration of Concrete under Shallow Immersion Conditions, Materials, 7,6620-6631.
[15] . Hổ Văn Quân (12/2020), Ảnh hưởng của chất kết dính đến độ rỗng và hệ số suy giảm khuếch tán clorua của HPC, Tạp chí Khoa học GTVT, tập 71, số 9, tr.1120-1129.
[16] . N. Berke and M. Hicks, Estimating the Life Cycle of Reinforced Concrete Decks and Marine Piles Using Laboratory Diffusion and Corrosion Data, in Corrosion Forms and Control for Infrastructure, ed. V. Chaker (West Conshohocken, PA:
ASTM International, 1992), 207-231.
Ngày nhận bài: 15/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 19/01/2021
Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Văn Hướng
