Luận án Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP

kN) Rn (MPa) m (MPa) s (MPa) cv (%) B30 M1 878,0 39,0 38,5 1,0 2,7 M2 852,8 37,9 M3 899,5 40,0 B40 M1 1097,2 48,8 50,4 1,6 3,3 M2 1169,5 52,0 M3 1147,6 51,0 B50 M1 1519,0 67,5 61,8 7,6 12,4 M2 1264,0 56,2 M3 1191,3 52,9 Cường độ chịu nén trung bình lần lượt là 38,5 MPa, 50,4 MPa và 61,8 MPa đối với bê tông B30, B40 và B50. Các kết quả thí nghiệm nén thu được cho phép kết luận rằng cường độ chịu nén của các loại bê tông sử dụng đều đạt yêu cầu thiết kế. Hệ số biến động về cường độ bê tông tương đối nhỏ giữa các mẫu thử trong cùng một tổ mẫu. (b) Cốt thép Cốt thép sử dụng là thép thanh vằn có đường kính danh nghĩa là d12 mm thuộc nhóm thép CB300-V theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2:2008 [18]. Tất cả các thanh cốt thép sử dụng đều có cùng một nguồn gốc xuất xứ như nhà máy sản xuất, lô sản xuất, chủng loại thép. Đối với mỗi loại bê tông, các mẫu thép đều được cắt từ cùng một thanh thép để tránh sự biến động về tính chất cơ lý của thép giữa các mẫu thí nghiệm. Trước khi tiến hành đổ bê tông, các mẫu cốt thép được tiến hành gia công, kiểm tra 58 và lắp đặt vào khuôn theo các bước cơ bản như sau: (i) Các mẫu cốt thép được cắt với cùng một chiều dài lựa chọn trước; (ii) Xác định khối lượng ban đầu của từng mẫu cốt thép bằng cân điện tử có độ chính xác đến 0,1 gram; (iii) Xác định chiều dài thực tế của từng mẫu cốt thép bằng thước kim loại có độ chính xác đến 0,1 mm; (iv) Lắp đặt cốt thép vào khuôn, cố định chặt để vị trí thanh cốt thép không bị xê dịch trong quá trình đầm mẫu bê tông. 2.2.2. Mẫu thử Các mẫu thử có kích thước 150x150x150 mm được chế tạo bằng các loại vật liệu được trình bày trong mục 2.2.1. Đối với mỗi loại bê tông, 9 mẫu thử đã được chế tạo để thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép. Mỗi mẫu thử được đặt một thanh cốt thép vào chính giữa tâm của mẫu. Tại mép trên và mép dưới của mẫu thử, cốt thép được bọc trong hai đoạn ống nhựa PVC có chiều dài 45 mm. Hai đoạn ống này có tác dụng tạo ra giảm chiều dài bám dính giữa bê tông và cốt thép, tránh gây ra hiện tượng ăn mòn cục bộ xảy ra tại điểm thanh thép nhô ra bên ngoài mẫu. Do đó, đối với từng mẫu thử, chiều dài bám dính giữa cốt thép và bê tông là 60 mm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 69 mm. Hình 2.4 giới thiệu chi tiết các kích thước hình học của mẫu thử điển hình và hình ảnh thực tế của khuôn đúc trước khi đổ bê tông. Hình 2.5 giới thiệu một số hình ảnh thực tế trong quá trình chế tạo các mẫu thử trong phòng thí nghiệm. Ở các vị trí cốt thép bắt đầu nhô ra ngoài lớp bê tông bảo vệ, một lớp vật liệu cách nước được bọc lên mẫu (keo và băng tan) với mục đích tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa dung dịch chất điện ly và cốt thép. Việc này nhằm đảm bảo rằng quá trình ăn mòn chỉ xảy ra trên chiều dài đoạn cốt thép tiếp xúc trực tiếp với bê tông. Hình 2.4. Kích thước hình học và khuôn chế tạo mẫu thử 59 Hình 2.5. Quá trình chế tạo các mẫu thử 2.2.3. Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép Trong phòng thí nghiệm, các mẫu thử đã được tiến hành gia tốc ăn mòn cốt thép theo quy trình thí nghiệm được trình bày trong mục 2.1.4. Tất cả mẫu thử của mỗi loại bê tông được kết nối song song với nhau trên cùng một máy biến áp. Giá trị cường độ dòng điện tác dụng lên các mẫu thử được duy trì không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm. Đối với mỗi loại bê tông, 9 mẫu thử được dự kiến chia làm ba tổ mẫu, mỗi tổ mẫu gồm ba mẫu, được thực hiện ăn mòn trong các thời gian khác nhau nhằm thu được các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau. Đối với các mẫu thử của bê tông B30, tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn là 312 giờ. Đối các mẫu thử của bê tông B40, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt là 195, 290 và 366 giờ. Đối với các mẫu thử của bê tông B50, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt là 239, 334 và 413 giờ. Hình 2.6 giới thiệu một số hình ảnh thực tế trong quá trình lắp đặt và thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép. (a) Lắp đặt máy biến áp (b) Quá trình ăn mòn Hình 2.6. Lắp đặt và thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 60 Trong quá trình thí nghiệm, quan sát trên bề mặt dung dịch chất điện ly trong bể ăn mòn thấy xuất hiện nhiều sản phẩm ăn mòn có màu nâu đỏ. Tốc độ ăn mòn cốt thép diễn ra nhanh trên các mẫu thử của bê tông B30 và chậm hơn trên các mẫu thử của bê tông B40 và B50. Sau khi hoàn thành thí nghiệm, các mẫu cốt thép được tiến hành tẩy sạch gỉ sắt trong dung dịch HCl loãng tuân theo tiêu chuẩn ASTM G1-03 (2017) [36], lau khô và tiến hành xác định khối lượng kim loại còn lại sau khi ăn mòn, cũng như chiều dài cốt thép bị ăn mòn thực tế. Hình 2.7 giới thiệu hình ảnh của mẫu thử trước khi và sau khi được tẩy rửa để xác định mức độ ăn mòn. (a) Trước khi tẩy rửa (b) Sau khi tẩy rửa Hình 2.7. Mẫu thử sau khi bị ăn mòn bằng phương pháp điện hóa 2.2.4. Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử Đối với mỗi mẫu thử, chiều dài cốt thép bị ăn mòn thực tế đã được đo đạc và ký hiệu là L (mm). Mức độ ăn mòn cốt thép thực tế của từng mẫu thử, ký hiệu ctt (%), được xác định theo công thức (2.2), dựa trên khối lượng kim loại mất mát do ăn mòn Δm (g) và khối lượng kim loại ban đầu mo (g) của từng mẫu cốt thép. Các giá trị khối lượng được tính toán cho chiều dài đoạn thép bị ăn mòn. (a) Mẫu thử của bê tông B30 Sau tổng thời gian hoàn thành thí nghiệm, quan sát trên tất cả các mẫu thử của bê tông B30 đều thấy xuất hiện một vết nứt dọc theo chiều dài của cốt thép, tuy nhiên lớp bê tông bảo vệ chưa bị nứt tách ra khỏi cốt thép. Điều này chứng tỏ rẳng thể tích các sản phẩm ăn mòn đã tạo ra rất nhiều, gây ra hiện tượng trương nở thể tích và ứng suất trong bê tông, dẫn đến lớp bê tông bảo vệ bị nứt. Các kết quả đo đạc và tính toán mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 được trình bày trong Bảng 2.3 và Hình 2.8. 61 Bảng 2.3. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 Mẫu thử T (giờ) L (mm) mo (g) ∆m (g) ctt (%) M30-1 312 75 62,14 14,08 22,7 M30-2 75 63,17 19,90 31,5 M30-3 60 50,53 13,33 26,4 M30-4 75 63,56 16,00 25,2 M30-5 74 61,12 5,14 8,4 M30-6 87 71,78 13,20 18,4 M30-7 75 62,14 44,15 71,0 M30-8 60 49,55 10,29 20,8 M30-9 82 67,76 20,81 30,7 Với tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn là 312 giờ và cường độ dòng điện tác dụng trên mỗi mẫu thử được xác định là I = 0,092 A, các mẫu thử của bê tông B30 có mức độ ăn mòn dao động trong khoảng từ 18,4% đến 30,7%, ngoại trừ kết quả của các mẫu thử M30-5 và M30-7 tương đối khác biệt so với các mẫu còn lại với mức độ ăn mòn cốt thép lần lượt là 8,4% và 71,0%. Giá trị trung bình của mức độ ăn mòn cốt thép là 28,3% với một hệ số biến động khá lớn là 61,6% giữa các mẫu thử. Mức độ ăn mòn thực tế bằng khoảng 50% so với mức độ ăn mòn dự báo bởi định luật Faraday. Các kết quả thực nghiệm thu được chỉ ra rằng, đối với các kết cấu BTCT được chế tạo bằng bê tông B30, có chiều dày lớp bê tông bảo vệ khá lớn (69 mm), thì cốt thép vẫn có thể dễ dàng bị ăn mòn đến mức độ nghiêm trọng khi tác dụng một dòng điện một chiều có giá trị xấp xỉ 0,1 A. Hình 2.8. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M ức đ ộ ăn m òn , c (% ) Mẫu thí nghiệm Bê tông B30 62 (b) Mẫu thử của bê tông B40 Khi tăng cấp độ bền của bê tông từ B30 lên B40, các tính chất cơ lý của bê tông được cải thiện (cường độ chịu nén, độ rỗng, độ thấm). Như một hệ quả, cường độ dòng điện tác dụng trên mỗi mẫu thử của bê tông B40 được xác định bằng I = 0,027 A, giá trị này bằng khoảng 30% cường độ dòng điện thu được trên các mẫu thử của bê tông B30. Do đó, tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép được kéo dài hơn trên các mẫu thử của bê tông B40. Ba tổ mẫu, mỗi tổ mẫu gồm ba mẫu thử, đã được gia tốc ăn mòn cốt thép trong khoảng thời gian lần lượt là 195, 290 và 366 giờ. Các kết quả đo đạc và tính toán mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 được trình bày trong Bảng 2.4 và Hình 2.9. Với thời gian thí nghiệm khác nhau, thu được ba tổ mẫu với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau. Tổ mẫu thứ nhất có mức độ ăn mòn cốt thép dao động từ 0,3% đến 0,9%, với giá trị trung bình bằng 0,6%. Tổ mẫu thứ hai có mức độ ăn mòn cốt thép trong khoảng 2,2% - 2,5% với giá trị trung bình bằng 2,3%. Tổ mẫu thứ ba có mức độ ăn mòn cốt thép trong khoảng 6,4% - 6,6% với giá trị trung bình 6,5%. Các kết quả thực nghiệm thu được cho thấy mặc dù thời gian thí nghiệm lớn hơn so với bê tông B30, nhưng mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 thấp hơn đáng kể. Mức độ ăn mòn thực tế lớn nhất thu được có giá trị trung bình bằng 6,5%, chỉ bằng khoảng 30% so với giá trị ăn mòn dự báo bởi định luật Faraday. Bảng 2.4. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 Mẫu thử T (giờ) L (mm) mo (g) ∆m (g) ctt (%) c (%) M40-1 195 60 49,34 0,24 0,5 0,6 M40-2 60 49,77 0,17 0,3 M40-3 60 49,57 0,42 0,9 M40-4 290 60 49,49 1,23 2,5 2,3 M40-5 60 50,71 1,14 2,2 M40-6 60 49,56 1,13 2,3 M40-7 366 60 49,29 3,27 6,6 6,5 M40-8 60 49,55 3,27 6,6 M40-9 60 49,75 3,17 6,4 63 Hình 2.9. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 Như vậy, các tính chất liên quan đến cấu trúc vi mô của bê tông B40 đã làm hạn chế quá trình ăn mòn cốt thép do xâm thực của ion clorua (cường độ chịu nén bằng 50,4 MPa, tỷ lệ N/X = 0,33). Hơn nữa, trong thành phần cấp phối của bê tông này đã sử dụng một hàm lượng tro bay 60 kg/m3, chiếm tỷ lệ 11,1% tổng khối lượng chất kết dính (xem mục 2.2.1). Việc sử dụng thêm phụ gia tro bay làm hạn chế tốc độ xâm thực của ion clorua vào trong bê tông, dẫn đến hạn chế tốc độ ăn mòn cốt thép. Kết quả thực nghiệm này là phù hợp với các kết quả nghiên cứu tổng quan được trình bày trong Chương 1 của luận án (xem mục 1.1.3). (c) Mẫu thử của bê tông B50 Các mẫu thử của bê tông B50 được chia làm ba tổ mẫu, mỗi tổ mẫu gồm ba mẫu, đã được thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong thời gian lần lượt là 239, 334 và 413 giờ. Cường độ dòng điện trên mỗi mẫu thử được xác định bằng I = 0,028 A, tương đương giá trị đo được trên các mẫu thử của bê tông B40. Sau khi hoàn thành thí nghiệm, quan sát bằng mắt thường thấy rằng các sản phẩm ăn mòn xuất hiện trên bề mặt các mẫu thử của bê tông B50 ít hơn nhiều so với các mẫu thử của bê tông B30 và B40. Các mẫu thử không bị nứt bê tông. Các kết quả đo đạc và tính toán mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 được trình bày trong Bảng 2.5 và Hình 2.10. Tổ mẫu thứ nhất có mức độ ăn mòn cốt thép dao động trong khoảng 0,2% - 0,7%, với giá trị trung bình bằng 0,4%. Tổ mẫu thứ hai có mức độ ăn mòn cốt thép từ 1,0% đến 1,5%, với giá trị trung bình bằng 1,3%. Tổ mẫu thứ ba có mức độ ăn mòn cốt thép từ 1,8% đến 2,1%, với giá trị trung bình bằng 1,9%. Mức độ ăn mòn lớn nhất 0 1 2 3 4 5 6 7 8 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M ức đ ộ ăn m òn , c (% ) Mẫu thí nghiệm Bê tông 40 64 thu được trên tổ mẫu thứ ba với tổng thời gian thí nghiệm 413 giờ chỉ bằng khoảng 10% so với giá trị tính toán theo định luật Faraday. Bảng 2.5. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 Mẫu thử T (giờ) L (mm) mo (g) ∆m (g) ctt (%) c (%) M50-1 239 60 49,74 0,13 0,3 0,4 M50-2 60 50,77 0,34 0,7 M50-3 60 49,67 0,08 0,2 M50-4 334 60 49,66 0,50 1,0 1,3 M50-5 60 49,44 0,74 1,5 M50-6 60 49,53 0,62 1,3 M50-7 413 60 49,63 0,88 1,8 1,9 M50-8 60 49,33 1,01 2,1 M50-9 60 - - - Hình 2.10. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 Các kết quả thực nghiệm thu được chỉ ra rằng, khi các tính chất cơ lý của bê tông tiếp tục được cải thiện (cường độ nén, tỷ lệ N/X, hàm lượng tro bay tăng) sẽ làm hạn chế sự khuếch tán của ion clorua tự do từ dung dịch chất điện ly vào trong môi trường vật liệu bê tông. Do đó, nồng độ ion clorua tại vị trí cốt thép giảm đi đáng kể, dẫn đến mức độ ăn mòn thực tế nhỏ hơn nhiều so với dự đoán. 2.2.5. Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử BTCT Theo nguyên lý ăn mòn điện hóa, khối lượng kim loại mất mát do ăn mòn dự báo bởi định luật Faraday chỉ chính xác khi kim loại được ngâm trực tiếp trong dung dịch 0 1 1 2 2 3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M ức đ ộ ăn m òn , c (% ) Mẫu thí nghiệm Bê tông B50 65 chất điện ly. Đối với cốt thép trong kết cấu bê tông, quá trình ăn mòn cốt thép do sự xâm thực của ion clorua phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô của vật liệu bê tông và các phụ gia khoáng có trong thành phần xi măng hoặc thành phần cấp phối vật liệu (xem mục 1.1.3). Khi cường độ bê tông tăng lên thì môi trường vật liệu càng đặc chắc, độ rỗng giảm, làm hạn chế sự khuếch tán của ion clorua tự do từ dung dịch chất điện ly vào trong bê tông. Hơn nữa, việc sử dụng tro bay như một thành phần phụ gia khoáng trong cấp phối của bê tông B40 và B50 cũng góp phần tạo ra nhiều các ion clorua liên kết và giảm các ion clorua tự do. Những kết quả thực nghiệm thu được trên các mẫu thử của ba loại bê tông có cấp độ bền nén tăng từ B30 đến B50 chỉ ra rằng mức độ ăn mòn cốt thép thực tế nhỏ hơn nhiều so với giá trị dự báo bởi định luật Faraday. Bảng 2.6. So sánh mức độ ăn mòn cốt thép thực tế và dự báo Bê tông I (A) Tmax (giờ) clt (%) ctt (%) K = ctt/clt B30 0,092 312 56,0 28,0 0,500 B40 0,027 366 19,1 6,5 0,340 B50 0,028 413 22,5 1,9 0,084 Hình 2.11. Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh và cường độ chịu nén của bê tông Bảng 2.6 tổng hợp các giá trị mức độ ăn mòn cốt thép xác định bởi thực nghiệm ctt (%) và lý thuyết bởi định luật Faraday clt (%) cho ba loại bê tông B30, B40 và B50. Hệ số hiệu chỉnh, ký hiệu K, được xác định bằng tỷ số giữa ctt và clt. Hệ số K không phải là một hằng số mà giảm từ 0,50 đối với bê tông B30 xuống 0,084 đối với bê tông B50. Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh K và cường độ chịu nén của bê tông có thể được biểu diễn bằng một hàm tuyến tính như minh họa trên biểu đồ Hình 2.11. Các y = -0.0178x + 1.2033 R² = 0.9792 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 30 35 40 45 50 55 60 65 H ệ số h iệ u ch ỉn h K Cường độ chịu nén (MPa) 66 giá trị hệ số hiệu chỉnh thu được trong nghiên cứu này giúp việc lựa chọn chính xác hơn thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn để đạt được mức độ ăn mòn cốt thép mong muốn trong các kết cấu BTCT thí nghiệm. 2.3. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 2.3.1. Vật liệu sử dụng (a) Bê tông Trong chương này, các mẫu dầm thí nghiệm được chế tạo bằng bê tông có cấp độ bền nén B30, với thành phần cấp phối như trong Bảng 2.1. Trong quá trình chế tạo các mẫu dầm thí nghiệm, một tổ mẫu hình lập phương có kích thước 150x150x150 mm cũng được đúc và bảo dưỡng trong cùng điều kiện môi trường, để xác định cường độ chịu nén thực tế của bê tông ở 28 ngày tuổi tuân theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 [19]. Các kết quả thí nghiệm nén bê tông được trình bày trong Bảng 2.7, đặc trưng bởi các tham số như sau: tải trọng phá hoại mẫu Pph (kN), cường độ chịu nén của mẫu thử Rn (MPa), cường độ chịu nén trung bình m (MPa), độ lệch chuẩn s (MPa) và hệ số biến động cv (%). Các kết quả thu được chỉ ra rằng cường độ chịu nén thực tế của bê tông có giá trị trung bình bằng 40,9 MPa, đạt yêu cầu về cường độ của bê tông B30. Bảng 2.7. Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi Mẫu thử P (kN) Rn (MPa) m (MPa) s (MPa) cv (%) M1 925,3 41,1 40,9 2,4 1,6 M2 865,7 38,5 M3 971,9 43,2 (b) Cốt thép Cốt thép dọc của các mẫu dầm thí nghiệm là thép thanh vằn có đường kính danh nghĩa d12 mm và thuộc nhóm thép CB300-V theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2:2008 [18]. Trong khi đó, cốt thép đai được sử dụng là thép tròn trơn, có đường kính danh nghĩa d6 mm, thuộc nhóm thép CB240-T. Thí nghiệm kéo thép đã được tiến hành trên một tổ mẫu thép theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 [17] trên máy kéo 100 tấn tại Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, để xác định các tính nhất cơ học của thép. Các kết quả thí nghiệm kéo thép được trình bày trong Bảng 2.8, đặc trưng bởi các tham số đó là: lực kéo chảy dẻo Pc (daN), ứng 67 suất chảy Rc (MPa), lực kéo tới hạn Pb (daN) và ứng suất bền Rb (MPa). Các mẫu thử đều có giới hạn chảy lớn hơn 300 MPa và giới hạn bền lớn hơn 450 MPa, đạt yêu cầu về cường độ của nhóm thép CB300-V. Ứng suất chảy của cốt thép dọc có giá trị trung bình bằng 374,3 MPa, với hệ số biến động cv = 4,9%. Ứng suất bền của cốt thép dọc có giá trị trung bình là bằng 543,2 MPa, với hệ số biến động cv = 6,3%. Trước khi tiến hành đổ bê tông, tất cả các thanh cốt thép dọc đều được đo chiều dài và cân khối lượng ban đầu trước khi bị ăn mòn. Bảng 2.8. Các tính chất cơ học của cốt thép dọc Mẫu thử Pc (daN) Rc (MPa) Pb (daN) Rb (MPa) M1 4150 366,9 6050 534,9 M2 4300 380,2 6250 552,6 M3 4250 375,8 6130 542,0 2.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm Các mẫu dầm thí nghiệm được chế tạo bằng BTCT với các kích thước BxHxL = 150x200x2200 mm. Cấu tạo chi tiết của các dầm thí nghiệm được minh họa như trên Hình 2.12. Mỗi dầm thí nghiệm được cấu tạo với 4 thanh cốt thép dọc d12 mm và cốt đai d6 mm với khoảng cách đều 150 mm. Lớp bê tông bảo vệ có chiều dày a = 46 mm đến bề mặt của cốt thép dọc, nhằm đảm bảo yêu cầu cấu tạo đối với kết cấu BTCT trong môi trường biển theo tiêu chuẩn TCVN 9346:2012 [23]. Hình 2.12. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu dầm thí nghiệm Trong nghiên cứu này, 8 mẫu dầm thí nghiệm đã được chế tạo và bảo dưỡng trong cùng điều kiện môi trường của phòng thí nghiệm. Hai thanh cốt thép dọc lớp dưới 2200 12Ø12 12Ø12 2Ø6a150 2Ø6a150 40 12 0 40 40 70 40 20 0 150 12Ø12 12Ø12 68 được nối sẵn dây điện và để chờ ra bên ngoài để có thể thực hiện các thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép theo mô hình thí nghiệm được trình bày trong mục 2.1. Khi bê tông đạt 28 ngày tuổi, thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép được tiến hành trên các mẫu dầm trong thời gian khác nhau nhằm thu được các mẫu dầm thí nghiệm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc như trong thực tế. 2.3.3. Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép Trong phòng nghiệm, một bể chứa có kích thước 4000 x 2000 x 800 mm đã được xây dựng bằng khối xây gạch. Bên trong của bể chứa này được ốp bằng gạch lát để tránh hiện tượng thấm nước ra bên ngoài. Bể chứa dùng để đựng dung dịch nước muối bằng cách pha muối tinh khiết NaCl 99% với nước để tạo thành dung dịch chất điện ly có nồng độ clorua 3,5% tương đương với độ mặn của nước biển trong vùng biển Việt Nam. Mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép như minh họa trên Hình 2.2 đã được thực hiện trên 6 dầm trong tổng số 8 mẫu dầm BTCT. Các mẫu dầm được ngâm gần như ngập hoàn toàn trong dung dịch nước muối biển, bề mặt trên của dầm cách mép nước khoảng 2 cm. Đối với mỗi dầm ăn mòn, hai thanh cốt thép dọc ở lớp dưới được nối với cực dương của máy biến áp. Cực âm của máy biến áp nối với thanh đồng ngâm trong dung dịch nước muối. Quy trình thí nghiệm được thực hiện tuân theo các bước cơ bản như mô tả trong mục 2.1.4. Thực tế, cường độ dòng điện tác dụng lên mỗi thanh cốt thép dọc ở lớp dưới là I = 1,0 A. Cường độ dòng điện này được duy trì không đổi trong suốt quá trình ăn mòn điện hóa. Ba tổ mẫu, mỗi tổ gồm hai mẫu dầm, đã được tiến hành gia tốc ăn mòn cốt thép trong thời gian lần lượt là 388, 575 và 865 giờ. Thời gian thí nghiệm được dự bảo bởi định luật Faraday, hệ số điều chỉnh K xác định trong mục 2.3.4 và mức độ ăn mòn cốt thép mục tiêu. Hình 2.13 giới thiệu một hình ảnh thực tế trong quá trình thực hiện thí nghiệm trên các mẫu dầm BTCT. Sau khi hoàn thành thí nghiệm, thu được bốn tổ mẫu, mỗi tổ gồm hai mẫu dầm, cụ thể như sau:  Tổ mẫu I: gồm hai mẫu dầm đối chứng, không bị ăn mòn cốt thép, ký hiệu là dầm D1-NC và D2-NC;  Tổ mẫu II: gồm hai mẫu dầm ăn mòn có mức độ ăn mòn cốt thép dọc dự kiến trong khoảng 5 – 6%, ký hiệu là dầm D3-C và D4-C;  Tổ mẫu III: gồm hai mẫu dầm ăn mòn có mức độ ăn mòn cốt thép dọc dự kiến trong khoảng 9 – 10%, ký hiệu là dầm D5-C và D6-C;  Tổ mẫu IV: gồm hai mẫu ăn mòn có mức độ ăn mòn cốt thép dọc dự kiến khoảng 69 13 – 15%, ký hiệu là dầm D7-C và D8-C. Hình 2.13. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 2.3.4. Xác định mức độ ăn mòn cốt thép Sau khi hoàn thành thí nghiệm, các mẫu dầm ăn mòn được vớt ra khỏi bể chứa, chờ cho dầm khô ráo rồi tiến hành vệ sinh sạch sẽ các bề mặt của dầm. Các mẫu dầm này sẽ được tiến hành vẽ sơ đồ nứt và đo đạc các thông số vết nứt do ăn mòn (bề rộng, chiều dài, khoảng cách). Từng mẫu dầm được tiến hành thí nghiệm uốn bốn điểm cho đến khi phá hủy. Sau đó, tiến hành đập vỡ bê tông để lấy các thanh cốt thép dọc. Các thanh thép bị ăn mòn được vệ sinh sạch sẽ vữa xi măng bám trên bề mặt và ngâm vào dung dịch HCl loãng theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ASTM G1-03 (2017) [36] để tẩy sạch gỉ sắt. Các thanh thép sau khi được tẩy rửa sẽ được tiến hành kiểm tra lại chiều dài và cân khối lượng từng thanh sau khi bị ăn mòn. Mức độ ăn mòn của từng thanh thép ký hiệu ci (%) được xác định theo công thức (2.2). Đối với mỗi dầm ăn mòn, các thanh thép số 1 và 2 là cốt thép lớp dưới, các thanh thép số 3 và 4 là cốt thép lớp trên. Mức độ ăn mòn cốt thép của từng dầm ăn mòn ký hiệu c (%) được xác định bằng giá trị trung bình của bốn thanh cốt thép dọc. Nghiên cứu này chỉ xem xét ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của dầm BTCT mà bỏ qua ăn mòn của cốt thép đai. 70 (a) Trước ăn mòn (b) Sau ăn mòn Hình 2.14. Cân xác định khối lượng thanh thép trước và sau khi bị ăn mòn Hình 2.14 giới thiệu các hình ảnh cân khối lượng từng thanh thép trước khi ăn mòn và sau khi ăn mòn. Các kết quả xác định mức độ ăn mòn cốt thép của các dầm thí nghiệm được trình bày chi tiết trong các Bảng 2.9, 2.10 và 2.11. Những kết quả thu được chỉ ra rằng các thanh cốt thép dọc lớp trên cũng bị ăn mòn với mức độ tương đương với các thanh cốt thép lớp dưới. Mặc dù chỉ có hai thanh cốt thép lớp dưới được nối điện trực tiếp với máy biến áp và các thanh thép dọc được nối cách điện với các cốt thép đai bằng băng dính cách điện. Điều này có thể được giải thích do các dầm thí nghiệm được ngâm ngập gần như hoàn toàn trong dung dịch chất điện ly, môi trường vật liệu bê tông bão hòa nước hoàn toàn nên có tính dẫn điện, do đó tồn tại dòng điện chạy trong tất cả các thanh thép. Như vậy, thí nghiệm gia tốc ăn mòn bằng phương pháp điện hóa đã thu được các mẫu dầm BTCT bị ăn mòn với có các mức độ ăn mòn cốt thép như dự kiến đặt ra. Cụ thể như sau: - Tổ mẫu II: gồm hai dầm D3-C và D4-C với các mức độ ăn mòn cốt thép trung bình lần lượt là 5,40% và 5,66%; - Tổ mẫu III: gồm hai dầm D5-C và D6-C với các mức độ ăn mòn cốt thép trung bình lần lượt là 9,37% và 9,48%; - Tổ mẫu IV: gồm hai dầm D7-C và D8-C có các mức độ ăn mòn cốt thép trung bình lần lượt là 13,69% và 14,84%. Các mẫu dầm ăn mòn được tiến hành thí nghiệm uốn bốn điểm để phân tích ứng xử uốn, đồng thời xác định ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến khả năng chịu lực và biến dạng của kết cấu dầm BTCT. 71 Bảng 2.9. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu II Dầm TN Mẫu thép mo (g) m (g) ∆m (g) ci (%) c (%) D3-C D3-1 1822,4 1724,0 98,4 5,40 5,40 D3-2 1819,9 1720,9 99,0 5,44 D3-3 1820,5 1727,5 93,0 5,11 D3-4 1816,1 1713,5 102,6 5,65 D4-C D4-1 1817,3 1706,5 110,8 6,10 5,66 D4-2 1814,0 1689,5 115,5 6,36 D4-3 1819,0 1746,5 72,5 3,99 D4-4 1821,6 1709,0 112,6 6,18 Bảng 2.10. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu III Dầm TN Mẫu thép mo (g) m (g) ∆m (g) ci (%) c (%) D5-C D5-1 1807,2 1647,5 159,7 8,84 9,48 D5-2 1809,7 1717,5 92,2 5,10 D5-3 1814,0 1592,0 222,0 12,24 D5-4 1814,0 1642,0 172,0 9,48 D6-C D6-1 1818,2 1694 124,2 6,83 9,37 D6-2 1819,9 1615,5 204,4 11,23 D6-3 1805,5 1615,0 190,5 10,55 D6-4 1823,2 1661,5 161,7 8,87 Bảng 2.11. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu IV Dầm TN Mẫu thép mo (g) m (g) ∆m (g) ci (%) c (%) D7-C D7-1 1819,0 1580,5 238,5 13,11 13,69 D7-2 1819,0 1532,5 286,5 15,75 D7-3 1817,3 1600,0 217,3 11,96 D7-4 1815,6 1562,5 253,1 13,94 D8-C D8-1 1814,8 1434,5 380,3 20,96 14,84 D8-2 1819,9 1508,5 311,4 17,11 D8-3 1818,2 1601,5 216,7 11,92 D8-4 1812,3 1642 170,3 9,40 72 2.4. Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 2.4.1. Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm sử dụng hai tải trọng tập trung, đã được thực hiện trên từng mẫu dầm thí nghiệm, nhằm xác định các đặc trưng của ứng xử uốn như biểu đồ tải trọng – độ võng, tải trọng gây nứt Pn (kN), tải trọng phá hoại (lớn nhất) Pph (kN), độ võng khi nứt fn (mm), độ võng khi phá hoại fph (mm), sơ đồ vết nứt do tải trọng và dạng phá hoại của dầm. Ngoài ra, các đặc điểm của vết nứt do tải trọng xuất hiện trên dầm thí nghiệm cũng được xem xét và phân tích, như số lượng, bề rộng nứt, khoảng cách giữa các