Luận án độ bền thấm nước và clo bê tông cốt liệu nhẹ dự đoán tuổi thọ

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông nhẹ (Light Weight Concrete - LWC) trong xây dựng nói chung, xây dựng cầu đường và cầu đường sắt nói riêng đã được ứng dụng tương đối nhiều trên thế giới, đặc biệt là tại Mỹ và châu Âu. Mỹ và châu Âu đã có tiêu chuẩn tính toán cho LWC. Các công trình cầu sử dụng bê tông nhẹ có thể kể đến là Cầu New Eidsvoll Sund ở Nauy (1992), cầu Grenland (1996), cầu Lewis & Clark (1996) Mỹ… Việc sử dụng bê tông nhẹ làm kết cấu mặt cầu trong thiết kế mới hay sửa chữa nâng cấp các cầu cũ đã được thực hiện tương đối nhiều ở Mỹ, có thể kể đến cầu Coleman, cầu Jame River, cầu Woodrow Wilson. Thực tế áp ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình ở các nước trên thế giới cho thấy các ưu điểm nổi bật như: Giảm trọng lượng bản thân của kết cấu cầu, do đó nâng cao năng lực khai thác của hoạt tải; Giảm chi phí cẩu lắp và vận chuyển các cấu kiện đúc sẵn do trọng lượng kết cấu được giảm bớt.

Điều này thuận tiện cho thi công lao lắp và giảm giá thành xây dựng. Tăng độ bền của kết cấu do dính kết giữa cốt liệu và đá xi măng tốt; Giảm được hiệu ứng tập trung ứng suất thường được tạo ra xung quanh các hạt cốt liệu đối với bê tông thường. Giảm các đường nứt vi mô do co ngót và từ biến gây ra. Tăng độ bền của bê tông do giảm được các đường nứt vi mô; Cải thiện khả năng chống thấm nhập của các ion clo.

Minh chứng về hàm lượng ion Cl- sau 23 năm khai thác của các nhà nghiên cứu của Mỹ cho thấy: Theo khi chiều dày lớp bê tông tăng lên hàm lượng ion Cl- giảm đi so với bê tông thường Hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình nhà cửa đã được thực hiện tương đối nhiều; bước đầu đã có các nghiên cứu ứng dụng trong xây dựng giao thông, đặc biệt là xây dựng các bộ phận kết cấu cầu. Một số công trình điển hình như Khách sạn Fortuna Hà nội, Trung thâm thể thao Long Biên hay Hà nội Club do công ty Cổ phần sản xuất bê tông nhẹ Thiên Giang thực hiện. Công trình nhà 7 tầng nhà số 132 Khuất Duy Tiến; nhà 6 tầng số 130 phố Giảng Võ; khách sạn 11 tầng phố Hàng Thùng; sàn 200 m2 nhà hàng Xanh Plat số 10 Phạm Ngọc Thạch… do Công ty Xây dụng và Phát triển hạ tầng Đô thị Hà Nội (CiCo) thực hiện. Các kết quả thu được rất khả quan và được Bộ Xây dựng đánh giá rất cao.

Tuy nhiên trong ngành xây dựng giao thông nói chung, xây dựng kết cấu công trình cầu nói riêng thì đây còn là vấn đề cần được nghiên cứu áp dụng. Thiết kế thành phần cấp phối của bê tông nhẹ và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông nhẹ đã được nhiều nghiên cứu đề cập. Các kết quả đã cho thấy nhưng điểm giống và khác biệt của bê tông nhẹ so với bê tông thường cùng cấp cường độ chịu 2 nén. Tuy vậy, độ bền lâu của bê tông nhẹ, của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ vẫn là câu hỏi cần được trả lời, đặc biệt là với các loại bê tông nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam và các kết cấu sử dụng bê tông nhẹ khai thác trong điều kiện khí hậu thời tiết ở Việt Nam.

Đánh giá độ bền của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ đã được một số nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Về nguyên tắc, các phương pháp đo đạc đánh giá tính thấm nước, thấm clo của bê tông nhẹ cũng như dự đoán tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ được thực hiện giống như đối với bê tông thường. Tuy vậy, các kết quả thu được độ phân tán lớn, nguyên nhân chính là do thành phần cốt liệu khác nhau, tuổi bê tông khác nhau, dạng mẫu và phương pháp thí nghiệm khác nhau. Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ hiện là một vấn đề rất mới ở Việt Nam; đặc biệt là có xét đến ảnh hưởng của yếu tố tải trọng.

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào thực hiện về vấn đề này. Cần thiết phải có các nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của kết cấu bê tông nhẹ nhằm bổ sung cơ sở dữ liệu cho công tác thiết kế của các kết cấu bê tông nhẹ sử dụng trong xây dựng dân dụng và xây dựng giao thông. Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ, có thể xây dựng các mô hình dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép. Từ những đòi hỏi cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất được mô hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông cốt liệu nhẹ và ứng dụng trong dự báo tuổi thọ công trình bằng bê tông cốt thép nói chung và các công trình cầu nói riêng, đặc biệt là phù hợp với triết lý thiết kế cầu theo xác suất của tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu” được lựa chọn làm đề tài luận án.

Nội dung luận án gồm 4 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ, các nghiên cứu liên quan đến độ bền của bê tông cốt liệu nhẹ và các kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 3: Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ của kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 4: Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng đồng thời của hiệu ứng tải trọng và tác động của môi trường.

3 - Kết luận và kiến nghị 2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu của luận án là: - Xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. - Xây dựng các mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ.

ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit và các kết cấu sử dụng loại bê tông cốt liệu nhẹ này. Các đặc tính bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ và tuổi thọ kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ. Phạm vi nghiên cứu Luận án chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề tác động ăn mòn thép của ion clo, không đề cập đến ăn mòn bê tông của sunphat.

Nghiên cứu các đặc tính bền của bê tông cốt liệu nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam: khả năng chống thấm nước, thấm ion clo trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và thời gian theo quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm. Dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp tổng hợp, phân tích và so sánh. - Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.

Sử dụng các lý thuyết tiên tiến về độ bền của bê tông để xác định các tương quan (công thức) thực nghiệm và triển khai nghiên cứu thực nghiệm với vật liệu và kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ để kiểm chứng. - Mô hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚİ CỦA LUẬN ÁN - Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước và thấm ion clo qua bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ảnh hưởng của tải trọng. - Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng nén thì độ thấm nước của bê tông tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tông bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng do 4 tác động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp.

Một mô hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế tải trọng và ghi nhận số liệu hoàn toàn tự động. - Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của tải trọng nén đến độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. Một mô hình thí nghiệm thấm ion clo có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình kiểm soát lực nén trong bê tông cốt liệu nhẹ. - Luận án đã đề xuất được mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clo và hệ số thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ.

Xác định được hệ số Ck để tính toán hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước của cùng loại bê tông cốt liệu nhẹ. Từ đó đề xuất công thức tính toán quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông cho loại bê tông cốt liệu nhẹ xem xét. - Luận án xây dựng được mô hình tính toán dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu công trình bê tông cốt liệu nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng của tải trọng thường xuyên và tải trọng khai thác. 5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1.

BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG 1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [41] bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.