Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến độ bền của kết cấu bê tông cốt thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến độ bền của kết cấu bê tông cốt thép giới thiệu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà cụ thể là việc tăng nồng độ trong không khí đến độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến độ bền của kết cấu bê tông cốt thép

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Đào Văn Dinh Trường Đại học Giao thông vận tải Tóm tắt Kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường theo thời gian sẽ bị suy thoái dần do xâm nhập ion Clo và CO2 vào bê tông và gây ra ăn mòn thép. Hiện nay biến đổi khí hậu đang diễn ra mạnh mẽ kết quả là nước biển dâng cao và nồng độ CO2 trong không khí tăng rất nhanh. Đây là các yếu tố làm thúc đẩy nhanh tốc độ suy thoái của các kết cấu BTCT và giảm độ bền của chúng. Bài báo này giới thiệu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà cụ thể là việc tăng nồng độ trong không khí đến độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép. Từ khóa: Bê tông cốt thép; Thời gian khởi đầu ăn mòn; Cacbonat hóa; Biến đổi khí hậu. Abstract Research of climate change impacts on the durability of reinforced concrete structures Reinforced concrete structures under the influence of the environment over time will gradually degrade due to the penetration of Chloride and CO2 into the concrete and cause steel corrosion. At present, climate change is taking place strongly, resulting in sea level rise and the concentration of CO2 in the air increasing very rapidly. These are factors that accelerate the degradation rate of reinforced concrete structures and reduce their durability. This paper introduces the influence of climate change, namely the increase of concentration CO2 in the air on the durability of reinforced concrete structures. Keywords: Reinforced concrete; Initiation of corrosion; Carbonated induced steel corroson; Climate change. 1. Đặt vấn đề Các kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường sẽ bị suy thoái dần. Cơ chế hư hỏng thường gặp bao gồm sự ăn mòn cốt thép, tấn công sulfate, phản ứng kiềm cốt liệu, từ biến và co ngót và các hiệu ứng nhiệt độ. Trong các yếu tố trên, cacbonat hóa gây ra ăn mòn cốt thép là một nguyên nhân gây suy giảm của các kết cấu bê tông. Ăn mòn cốt thép dẫn đến nứt, vỡ và tách lớp bê tông bảo vệ. Ăn mòn cốt thép cũng làm giảm diện tích tiết diện cốt thép, mất dính bám giữa các cốt thép và bê tông và sau đó giảm sức kháng của kết cấu. Kết quả là giảm sự an toàn và khả năng phục vụ của kết cấu bê tông và rút ngắn tuổi thọ sử dụng của chúng. Cacbonat hóa đề cập đến một loạt các quá trình liên quan đến sự khuếch tán của khí cacbon dioxide trong khí quyển vào bê tông, sau đó phản ứng với các sản phẩm có tính kiềm của xi măng thuỷ hoá dẫn đến việc giảm độ pH của nước trong lỗ rỗng từ một giá trị lớn hơn 12,6 (13,5 trong trường hợp OPC) đến một mức độ dưới 9.0 và do đó dẫn đến phá vỡ màng thụ động của cốt thép và gây ra ăn mòn cốt thép [2]. Quá trình cacbonat hóa không những phụ thuộc vào thành phần bê tông, nhiệt độ và độ ẩm mà nó còn phụ thuộc vào nồng độ CO2 trong không khí. Các kịch bản biến đổi khí hậu đều dự báo nồng độ CO2 trong không khí tăng theo các năm. Bài báo này giới thiệu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà cụ thể là việc tăng nồng độ trong không khí đến độ bền của các kết cấu bê tông cốt thép. Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 385 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
2. Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép do cacbonat hóa gây ra Mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép do cacbonnat hóa gây ra sẽ dựa trên định luật thứ nhất của Fick về khuếch tán. Khối lượng CO2 xâm nhập vào bê tông do chênh lệch nồng độ CO2 giữa không khí bên ngoài và bê tông được thể hiện như sau: ∆CCO2 dQ = DCO2 A dt (1) x Trong đó: dQ là khối lượng khuếch tán cacbon dioxide (kg); A - là diện tích xâm nhập (m2); ∆CCO chênh lệch nồng độ cacbon dioxide (kg/m3); x là khoảng cách (m); dt là bước thời gian (x); 2 DCO2 hệ số khuếch tán cacbon dioxide (m2/s). Carbon dioxide khuếch tán vào phản ứng với các hydroxit canxi, hydroxit kali và hydroxit natri ở trong bê tông. Theo hình thức đơn giản, quá trình này được mô phỏng bởi phương trình 2. dQ=a.A.dx (2) Trong đó: a là khả năng liên kết CO2 của bê tông (kg/m3); Từ phương trình 1 và phương trình 2 ta được: DCO2 .dx x= ∆CCO2 dt (3) a Trường hợp DCO2 ; ∆CCO2 là hằng số đối với t, lấy tích phân hai vế phương trình 3 ta được: 2 DCO2 =Xc ∆CCO2 . t (4) a Xc là chiều sâu cacbonnat hóa; a là khả năng liên kết CO2 của bê tông; 2.1. Các tham số để xác định thời gian khởi đầu ăn mòn do cacbonat 2.1.1. Hệ số khuếch tán CO2 trong bê tông Hệ số khuếch tán CO2 trong bê tông được xác định bằng các thí nghiệm chuẩn như thí nghiệm tăng tốc cacbonat. Hệ số khuếch tán cũng có thể dự báo theo thành phần bê tông như đề xuất bởi Papadakis như sau [4] 3     2.2 ec  H  De,CO2 6.1×10−6  =  . 1 −  (5)  wc w p w w   100   + +   rc r p r w  Trong đó: ec là độ xốp của bê tông ,wc, wp, ww là hàm lượng của xi măng, vật liệu phụ gia và nước; rc, rp, rw là tỷ trọng của xi măng, phụ gia và nước tương ứng; H = 65 là độ ẩm của môi trường khi thí nghiệm chuẩn, tính bằng %. a. Ảnh hưởng của bảo dưỡng Thời gian bảo dưỡng ảnh hưởng tới khuếch tán CO2 vào trong bê tông. Hệ số ảnh hưởng của bảo dưỡng kí hiệu là kc và sẽ lấy theo FiB 2006 [1] như sau: bc t  kc =  c  (6) 7 386 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
tc là số ngày bảo dưỡng bê tông (ngày); bc là số mũ của hồi quy, bc=-0,567; b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của môi trường ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán, nhiệt độ càng cao thì khuếch tán càng nhanh. Phương trình Arrhenius là một công thức đơn giản, nhưng khá chính xác, cho sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng. Phương trình được đề xuất bởi Svante Arrhenius vào năm 1889. Dựa trên phương trình Arrhenius quan hệ giữa hệ số khuyếch tán clo với nhiệt độ được mô tả bằng phương trình sau: U  1 1  D(T ) Dt0 .exp   = = −   Dt0 . f (T ) (7)  R  Tref Ttd   U  1 1  =f (T ) exp   −  (8)  R  Tref Ttd   Trong đó: D(T) là hệ số khuyếch tán tại thời điểm t ở nhiệt độ T. Dt0 là hệ số khuyếch tán tại thời điểm t0 ở nhiệt độ Ti = 293.15K (20 0C). U là năng lượng kích hoạt quá trình khuyếch tán (= 35.000 J/mol) R là hằng số khí (= 8,314 JK−1mol−1) Ttd là nhiệt độ tuyệt đối (K) c. Ảnh hưởng của độ ẩm Định lượng các hệ số độ ẩm tương đối có thể được thực hiện bằng cách so sánh dữ liệu thu được trong điều kiện khí hậu thực H với một khí hậu thí nghiệm (thường T = 20 0C và độ ẩm tương đối tham khảo Href = 65 %). Hệ số độ ẩm được lấy theo như sau [1]: 2.5  1− H 5  f (H ) =  5  (9)  1 − H ref  Trong đó H là độ ẩm tương đối của lớp cacbonat hóa (%) và Href là độ ẩm tham khảo Href = 65 %. Như vậy hệ số khuếch tán ở nhiệt độ T và độ ẩm H của môi trường là: De,CO2 (T , H = ) De,CO2 × kc × f (T ) × f ( H ) (10) 2.1.2. Khả năng liên kết CO2 của bê tông Khả năng liên kết CO2 của bê tông, đó là một tham số trong phương trình 8, theo Yoon và các cộng sự [5] được xác định bởi phương trình 11 như sau: mCO2 a = 0.75.CCaO .Cc .α h (11) mCaO CCaO là hàm lượng của oxit canxi trong xi măng; Cc là khối lượng xi măng trong bê tông; ah là mức độ thủy hóa; mCO là khối lượng phân tử của carbon dioxide; mCaO là khối lượng phân tử 2 của oxit canxi. Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 387 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
2.1.3. Nồng độ CO2 của môi trường Nghiên cứu lịch sử của nồng độ khí CO2 của IPCC (Ủy ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu) chỉ ra rằng trong suốt thời gian trước năm 1750, nồng độ khí CO2 đã tương đối ổn định từ 260 đến 280 ppm, nhưng từ năm 1750 đến năm 2005, nồng độ khí CO2 tăng từ 280 ppm lên 380 ppm [3]. Theo kịch bản phát thải trung bình A1B thì lượng CO2 như Hình 1. Hình 1: Nồng độ CO2 tăng theo thời gian (IPCC, 2007)[3] Giả định rằng nồng độ CO2 tại năm 2021 là 400 ppm và tăng tuyến tính theo thời gian ta có: CO2 (t ) = (400 + p.t ) × 0.0019 ×10−3 (kg / m3 ) (12) ρ là tốc độ tăng CO2 trung bình năm (ppm/năm) (0.0019x103) là đổi từ ppm sang kg/m3 2.2. Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn thép Thay các phương trình 10 và 12 vào phương trình 3 và lấy tích phân rồi biến đổi ta được: x 2 De ,CO2 kc f (T ) f ( H )  p 2 = × 0.0019 ×10−3  400t + .t  (13) 2 a  2  Giải phương trình 23 với x=Lc, ta có t tính bằng năm như sau: − B1 + B12 − 4 A1C1 t= (14) 2 A1 Trong đó: p De ,CO2 kc f (T ) f ( H ) −6 =A1 1.9 ×10 × 365 × 24 × 3600 (m2/năm) (15) 2 a De ,CO2 kc f (T ) f ( H ) −3 =B1 0.76 ×10 × 365 × 24 × 3600 (m2/năm) (16) a L2c C1 = − (m2) (17) 2 Lc là chiều dày lớp bê tông bảo vệ (m) Với các kết cấu nằm ngoài trời chịu ảnh hưởng của chu kỳ khô ướt thời gian khởi đầu ăn mòn sẽ kéo dài thêm bằng hệ số ảnh hưởng do chu kỳ khô ướt. Hệ số này sẽ lấy theo FIB [1] như sau: 388 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
1 k= (18) w (t ) ( psRToW ) bw t  2 W (t ) =  0   t  t0 là thời gian tham chiếu ( t0= 28 ngày = 0.0767 năm); t là tuổi thọ sử dụng (năm); w là số mũ thời tiết; psR là xác suất mưa bw là giá trị thiết kế của số mũ hồi quy (bw -0,446) ToW là thời gian ướt tính theo phương trình sau: Sè ngµy ma h Nd ≥ 2.5mm trong n¨m ToW= 365 * Ví dụ tính toán Sử dụng công thức 14,15,16,17 tính toán cho ví dụ sau: Thành phần bê tông: Lượng xi măng 380 kg/m3; lượng nước: 100 lít/m3; Tỷ trọng của xi măng: 3100 kg/m3; thời gian bảo dưỡng: 2 ngày; D= e ,CO2 1, 059 ×10−8 m 2 / s Điều liện môi trường: Nhiệt độ trung bình năm: 26 0C; độ ẩm môi trường: 75 %; Loại kết cấu: Được che chắn; Thời gian khởi đầu ăn mòn được tính theo p=2;3;4 ppm/năm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ Lc=25,30,35,40,45mm. Kết quả được thể hiện trong Hình 2: p = 2 ppm/năm p = 3 ppm/năm p = 4 ppm/năm Hình 2: Ảnh hưởng của các kịnh bản tăng CO2 và chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, 389 bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
3. Kết luận Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép do cacbonat hóa gây ra phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: Tính chất của bê tông được đặc trưng bởi hai tham số là hệ số khuếch tán CO2 ( DCO2 ) và khả năng liên kết CO2 của bê tông (a); chiều dày lớp bê tông bảo vệ (Lc); Nồng độ CO2 trong không khí. - Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ, ảnh hưởng của sự tăng nồng độ CO2 trong không khí là không nhiều (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; 4 ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T = 32, 14; 31,1; 30,17 năm). - Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ khá dày, ảnh hưởng của sự tăng nồng độ CO2 trong không khí là đáng kể (ví dụ Lc = 25 mm: p = 2; 3; 4 ppm/năm, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T = 109,12; 100,8; 94,37 năm). - Thời gian khởi đầu ăn mòn tăng mạnh khi tỷ lệ nược trên xi măng giảm (ví dụ Lc = 30 mm: p = 3 ppm/năm, w/c = 0,35; 0,45; 0,50; 0,55, thời gian khởi đầu ăn mòn lần lượt là T = 257,07; 108,23; 58,54; 36,70; 25,4 năm). - Khuyến nghị khi thiết kế kết cấu nên có chiều dày lớp bê tông bảo lớn hơn hoặc bằng 30 mm, sử dụng tỷ lệ nước trên xi măng từ 0,30 - 0,40. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. FIP (2006). Model code for service life design. The International Federation for Structural Concrete (fib). [2]. Mark G. Richardson (2004). Fundamentals of durable reinforced concrete. Published in the Taylor & Francis e-Library, simultaneously published in the USA and Canada. [3]. IPCC (2007). Fourth Assessment Report of the Intergovernmental panel in climate change. Cambridge University Press, UK. [4]. V.G. Papadakis (2000). Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress. Cement and Concrete Research. 30, tr. 291 - 299. [5]. I.S. Yoon, Copuroglu, O., and Park, K.B (2007). Effect of global climatic change on carbonation progress of concrete. Atmospheric Environment. 41, tr. 7274 - 7285. Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021. Phản biện: TS. Thái Thị Thanh Minh 390 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững