Mô hình lưới dự báo ảnh hưởng của ứng suất nén đến sự gia tăng hệ số khuếch tán ion Cl-

Chuẩn hóa hệ số khuếch tán theo cấp ứng suất

Đối với kết cấu bê tông cố thép trong môi trường ven biển, ăn mòn cốt thép do ion Cl- được xem là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm độ bền và tuổi thọ. Tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường ven biển được định nghĩa là khoảng thời gian tính từ lúc đưa công trình vào khai thác đến lúc không còn sử dụng bình thường được. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ như cấu trúc rỗng của vật liệu, hệ số khuếch tán, tính xâm thực của môi trường…, trong đó hệ số khuếch tán ion Cl- là một thông số quan trọng để đánh giá và dự báo độ bền và tuổi thọ. Trên thực tế, khi ứng suất trong bê tông vượt giới hạn đàn hồi của bê tông, các vi vết nứt xuất hiện và phát triển trong bê tông, hệ thống nứt này sẽ liên kết với nhau và liên kết với hệ thống lỗ rỗng, dễ dàng cho chất lỏng di chuyển, càng nhiều vết nứt, hệ số khuếch tán càng tăng dẫn đến sự suy giảm độ bền và tuổi thọ của kết cấu trong môi trường xâm thực.

Theo Tuutti [1], ăn mòn cốt thép trải qua theo hai giai đoạn riêng biệt, giai đoạn khởi đầu và giai đoạn lan truyền. Giai đoạn đầu là thời gian các ion Cl- khuếch tán vào trong bê tông, cuối giai đoạn này tương ứng nồng độ ion Cl- trên bề mặt cốt thép đã đạt tới ngưỡng gây ăn mòn, khi đó cốt thép bị mất tính thụ động hóa chống gỉ (depassivation) và bắt đầu bị ăn mòn (gỉ). Sau giai đoạn mồi là giai đoạn lan truyền, sản phẩm ăn mòn sinh ra có thể tích lớn hơn các chất ban đầu nên gây ứng suất kéo trong bê tông, khi ứng suất này vượt qua giới hạn cho phép dẫn đến sự hình thành các vết nứt, sau đó bắt đầu phá hủy lớp bê tông bảo vệ. Nếu ăn mòn không được phát hiện và có các biện pháp khắc phục có thể gây mất khả năng làm việc của cả kết cấu.

Việc xác định sự thay đổi nồng độ ion Cl- theo thời gian cho phép xác định thời gian bắt đầu ăn mòn, tương ứng với thời điểm nồng độ ion clo vượt qua hàm lượng clo tới hạn. Sự thay đổi nồng độ ion clo trong bê tông được thực hiển bởi cơ chế khuếch tán và được miêu tả thông qua định luật thứ hai Fick, 1855 [8]:

     (1)

Trong đó: t - Thời gian; x - Chiều sâu lớp bê tông; Dt - Hệ số khuếch tán ion Cl- tại thời điểm t; C (x, t) - Nồng độ ion Cl- theo chiều sâu x và tại thời điểm t.

Dự báo tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép được xây dựng từ phương trình tính toán nồng độ ion Cl- trên bề mặt cốt thép được các tác giả đề xuất bằng phương pháp gần đúng, trong đó có sử dụng hàm sai số (erf) [3-5], có dạng:

  (2)

Với: Cs - Nồng độ ion Cl- tích tụ trên bề mặt bê tông, tăng theo thời gian.

Việc xác định chính xác hệ số khuếch tán ion Cl- có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán thời gian khởi đầu ăn mòn của cốt thép, tương ứng với thời điểm nồng độ ion Cl- trên bề mặt cốt thép đạt tới trạng thái giới hạn C = Ccr.

Trên thực tế, việc xác định hệ số khuếch tán Dt thường rất khó khăn, ngoài phụ thuộc vào các yếu tố như thời gian và tọa độ thì trạng thái ứng suất có ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc lỗ rỗng cũng như hình thành vi khe nứt trong vật liệu, do đó làm thay đổi hệ số khuếch tán. Việc xem xét đồng thời yếu tố xâm thực và ứng suất đến độ bền và tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép là xu hướng nghiên cứu mới trong những năm gần đây. Nhiều phương pháp đã phát triển để xác định hệ số khuếch tán ion Cl-. Các kết quả thí nghiệm mô tả ảnh hưởng của trạng thái ứng xử cơ học của bê tông đến hệ số khuếch tán Cl- và độ bền của kết cấu bê tông cốt thép [2,3,4] rất đa dạng và có nhiều mô hình thí nghiệm khác nhau nhưng các kết luận vẫn chưa được thống nhất. Nguyên nhân là do có nhiều phương pháp đánh giá mức độ thấm ion Cl- của bê tông cũng như biện pháp gia tải trực tiếp hay gián tiếp và kích thước mẫu thí nghiệm. Thí nghiệm nén trước mẫu rồi dỡ tải và đo độ thấm Cl- là một phương pháp thường đã được sử dụng trên thế giới vì tính đơn giản [2,5] và cũng đã được nhóm tác giả nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, phương pháp này không phản ảnh đúng trạng thái ứng suất thực tế của kết cấu khi làm việc. Nghiên cứu tác động đồng thời của tải trọng và độ thấm ion Cl- được xem là phù hợp và đang được quan tâm hiện nay. Các kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng, việc xác định hệ số khuếch tán ion Cl- khá biến động khi cấp ứng suất vượt quá 70% cường độ chịu nén [3,7].

Mô hình sự thay đổi hệ số khuếch tán ion Cl- trong bê tông nguyên trạng và nứt cũng đã được nghiên cứu. Một số tác giả đề xuất trực tiếp hệ số khuếch tán thay đổi theo cấp ứng suất dựa trên kết quả thí nghiệm [12,13]. Phụ thuộc vào độ mở rộng vết nứt, Djerbi et al [14] xây dựng hệ số khuếch tán ion Cl- theo một hàm vết nứt. Hạn chế của các mô hình này là chưa xây dựng được một mô hình tổng quát, trong đó hiện tượng gia tăng ứng suất gây ra hình thành và phát triển nứt được mô tả đầy đủ, từ đó xác định hệ số khuếch tán tương ứng với mỗi cấp ứng suất.

Trong nghiên cứu này, ứng suất nén trong bê tông khi vượt qua giới hạn đàn hồi gây xuất hiện các vết nứt và thay đổi hệ số khuếch tán. Do đó, hệ số khuếch tán là một hàm số của độ mở rộng vết nứt. Trong mô hình này, bê tông thường được xem là vật liệu không đồng nhất gồm nhiều pha (hồ xi măng, cốt liệu, vùng chuyển tiếp ITZ). Cốt liệu được xem là hình tròn (2D) được phân bố ngẫu nhiên, mô tả gần như chính xác kết cấu thực tế của bê tông. Tác giả: TS. PHẠM ĐỨC THỌ - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, TS. NGUYỄN ĐÌNH HẢI; TS. THÁI KHẮC CHIẾN; PGS. TS. TRẦN THẾ TRUYỀN; KS. NGUYỄN VĂN TOÀN - Trường Đại học Giao thông vận tải

Nội dung bài khoa học tại đây.