Sức kháng còn lại sau ăn mòn của các thanh giàn cầu thép

phần tiếp theo. 1/ Chiều dài hữu hiệu của cột Bài toán mất ổn định đã được giải quyết bởi Euler là đối với một cột lý tưởng không có liên kết chịu mô men ở hai đầu. Đối với cột có chiều dài L mà các đầu của nó không chuyển vị ngang, sự ràng buộc ở đầu cấu kiện bởi liên kết với các cấu kiện khác sẽ làm cho vị trí của các điểm có mô men bằng không dịch xa khỏi các đầu cột. Khoảng cách giữa các điểm có mô men bằng không là chiều dài cột hữu hiệu hai đầu chốt, trong trường hợp này K < 1. Nếu liên kết ở đầu là chốt hoặc ngàm thì các giá trị tiêu biểu của K trường hợp không có chuyển vị ngang được biểu diễn trong ba sơ đồ đầu tiên của hình 3.6. Nếu một đầu cột có chuyển vị ngang so với đầu kia thì chiều dài cột hữu hiệu có thể lớn hơn chiều dài hình học, khi đó K > 1. Ứng xử này được thể hiện trong hai sơ đồ sau của hình 3.6 với một đầu tự do và đầu kia là ngàm hoặc chốt. Tổng quát, ứng suất oằn tới hạn cho cột có chiều dài hữu hiệu KL có thể được tính bằng công thức sau khi viết lại biểu thức (3.2.2): (3.2.3) với K là hệ số chiều dài hữu hiệu. Các ràng buộc đầu cột trong thực tế nằm đâu đó trong khoảng giữa chốt và ngàm, phụ thuộc vào độ cứng của các liên kết đầu cột. Đối với các liên kết bằng bu lông hoặc hàn ở cả hai đầu của cấu kiện chịu nén bị cản trở chuyển vị ngang, K có thể được lấy bằng 0,75. Do đó, chiều dài hữu hiệu của các cấu kiện chịu nén trong các khung ngang và giằng ngang có thể được lấy bằng 0,75L với L là chiều dài không được đỡ ngang của cấu kiện. Hình 3.6 Liên kết ở đầu và chiều dài hữu hiệu của cột. (a) chốt-chốt, (b) ngàm-ngàm, (c) ngàm-chốt, (d) ngàm-tự do, (e) chốt-tự do 2/ Ứng suất dư Ứng suất dư sinh ra bởi sự nguội không đều của cấu kiện trong quá trình gia công hay chế tạo ở nhà máy. Nguyên tắc cơ bản của ứng suất dư có thể được tóm tắt như sau: Các thớ lạnh đầu tiên chịu ứng suất dư nén, các thớ lạnh sau cùng chịu ứng suất dư kéo (Bjorhovde, 1992). Độ lớn của ứng suất dư thực tế có thể bằng ứng suất chảy của vật liệu. Ứng suất nén dọc trục tác động thêm khi khai thác có thể gây chảy trong mặt cắt ngang ở mức tải trọng thấp hơn so với dự kiến FyAs. Ứng suất tổ hợp này được biểu diễn trên hình 3.7, trong đó scr là ứng suất dư nén, srt là ứng suất dư kéo và sa là ứng suất nén dọc trục tác dụng thêm. Các phần đầu của cấu kiện đã bị chảy dẻo trong khi phần bên trong vẫn còn làm việc đàn hồi. Hình 3.7 (a) ứng suất dư, (b) ứng suất nén tác dụng và (c) ứng suất tổ hợp (Bjorhovde, 1992) 3/ Độ cong ban đầu Ứng suất dư phát triển trên chiều dài cấu kiện và mỗi mặt cắt ngang được giả thiết là chịu một phân bố ứng suất tương tự như trong hình 3.7. Phân bố ứng suất không đều trên chiều dài cấu kiện sẽ chỉ xảy ra khi quá trình làm lạnh là không đều. Điều thường gặp là một cấu kiện sau khi được cán ở trong xưởng thép sẽ được cắt theo chiều dài và được đặt sang một bên để làm nguội. Các cấu kiện khác nằm cạnh nó trên giá làm lạnh sẽ ảnh hưởng đến mức độ nguội đi của cấu kiện này. Nếu một cấu kiện nóng nằm ở một bên và một cấu kiện ấm nằm ở bên kia thì sự nguội sẽ là không đều trên mặt cắt. Ngoài ra, các đầu bị cắt sẽ nguội nhanh hơn phần thanh còn lại và sự nguội sẽ không đều trên chiều dài cấu kiện. Sau khi thanh nguội đi, phân bố ứng suất dư không đều sẽ làm cho thanh bị vênh, cong, thậm chí bị vặn. Nếu thanh được dùng làm cột thì có thể không còn thoả mãn giả thiết là thẳng tuyệt đối mà phải được xem là có độ cong ban đầu. Một cột có độ cong ban đầu sẽ chịu mô men uốn khi có lực dọc trục tác dụng. Một phần sức kháng của cột được sử dụng để chịu mô men uốn này và sức kháng lực dọc sẽ giảm đi. Do vậy, cột không hoàn hảo có khả năng chịu lực nhỏ hơn so với cột lý tưởng. Độ cong ban đầu trong thép cán I cánh rộng, theo thống kê, được biểu diễn trên hình 3.8 ở dạng phân số so với chiều dài cấu kiện. Giá trị trung bình của độ lệch tâm ngẫu nhiên e1 là L/1500, trong khi giá trị lớn nhất vào khoảng L/1000 (Bjorhovde, 1992). Hình 3.8 Sự biến thiên của độ cong ban đầu theo thống kê (Bjorhovde, 1992). Khái niệm về mất ổn định quá đàn hồi. Tải trọng gây mất ổn định theo Euler trong công thức (3.2.1) được đưa ra dựa trên giả thiết vật liệu làm việc đàn hồi. Đối với các cột dài, mảnh, giả thiết này là hợp lý vì sự oằn xảy ra ở mức tải trọng tương đối thấp và ứng suất được sinh ra là thấp hơn cường độ chảy của vật liệu. Tuy nhiên, với những cột ngắn, thấp, tải trọng gây oằn lại cao hơn và sự chảy xảy ra trên một phần mặt cắt ngang. Đối với các cột ngắn, không phải tất cả các thớ của mặt cắt ngang đều bắt đầu chảy ở cùng một thời điểm. Điều này là hợp lý vì các vùng có ứng suất dư nén sẽ chảy đầu tiên như được minh hoạ trên hình 3.7. Do đó, khi tải trọng nén dọc trục tăng lên, phần mặt cắt còn làm việc đàn hồi sẽ giảm đi cho tới khi toàn bộ mặt cắt ngang trở nên dẻo. Sự chuyển từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử dẻo xảy ra từ từ như được biểu diễn bằng đường cong ứng suất-biến dạng trên hình 3.9 cho một cột ngắn. Quan hệ ứng suất-biến dạng này khác nhau do sự thay đổi khá đột ngột khi chuyển từ đàn hồi sang dẻo thường xảy ra trong các thí nghiệm thanh hoặc mẫu thép công trình (hình 3.9). Hình 3.9 Đường cong ứng suất biến dạng của cột công son ngắn Đường cong ứng suất biến dạng của cột công son ngắn trong hình 3.9 lệch đi so với ứng xử đàn hồi ở giới hạn tỷ lệ sprop (Proportional limit) và chuyển dần sang ứng xử dẻo khi đạt tới Fy. Mô đun đàn hồi E đặc trưng cho ứng xử đàn hồi cho tới khi tổng các ứng suất nén tác dụng và ứng suất dư trong hình 3.7 bằng ứng suất chảy, tức là khi hay (3.2.4) Trong sự chuyển tiếp giữa ứng xử đàn hồi và ứng xử dẻo, mức độ thay đổi ứng suất so với biến dạng được biểu thị bằng mô đun tiếp tuyến ET như trong hình 3.9. Vùng đường cong mà ở đó mặt cắt ngang có ứng suất hỗn hợp cả đàn hồi và dẻo được gọi là vùng quá đàn hồi. Mô đun tiếp tuyến hay mô đun quá đàn hồi của tải trọng gây oằn cột được định nghĩa khi thay ET cho E trong công thức 3.2.3 đối với ứng xử đàn hồi (3.2.5) Đường cong oằn tổ hợp đàn hồi và quá đàn hồi (theo Euler và mô đun tiếp tuyến) được biểu diễn trên hình 3.10. Điểm chuyển tiếp thể hiện sự thay đổi từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử dẻo là giới hạn tỷ lệ sprop của của công thức (3.2.4) và tỷ số độ mảnh tương ứng . Hình 3.10 Mô đun tiếp tuyến liên hợp và đường cong cột theo Euler Tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm. Sức kháng nén danh định. Sức kháng nén dọc trục của cột ngắn đạt giá trị lớn nhất khi sự oằn không xảy ra và toàn bộ mặt cắt ngang có ứng suất suất chảy Fy. Tải trọng chảy dẻo hoàn toàn Py là tải trọng lớn nhất mà cột có thể chịu được và có thể được sử dụng để chuẩn hoá những đường cong cột sao cho chúng không phụ thuộc vào cấp thép công trình. Tải trọng chảy dọc trục là (3.2.6) Đối với cột dài, tải trọng gây oằn tới hạn Euler Pcr thu được khi nhân công thức 3.2.3 với As (3.2.7) Khi chia biểu thức 3.2.7 cho biểu thức 3.2.6, ta có công thức xác định đường cong cột đàn hồi Euler chuẩn (3.2.8) với lc là giới hạn độ mảnh của cột (3.2.9) Đường cong cột Euler và thềm chảy chuẩn được biểu diễn bằng đường trên cùng trong hình 3.11. Đường cong chuyển tiếp quá đàn hồi cũng được thể hiện. Đường cong cột có xét đến sự giảm hơn nữa tải trọng mất ổn định tới hạn do độ cong ban đầu là đường dưới cùng trong hình 3.11. Đường dưới cùng này là đường cong cường độ của cột được sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế. Hình 3.11 Đường cong cột chuẩn với các ảnh hưởng của sự không hoàn hảo Đường cong cường độ của cột phản ánh sự tổ hợp ứng xử quá đàn hồi và đàn hồi. Sự oằn quá đàn hồi xảy ra đối với cột có chiều dài trung bình từ lc = 0 tới lc = lprop , với lprop là giới hạn độ mảnh cho một ứng suất tới hạn Euler sprop (công thức 3.2.4). Sự oằn đàn hồi xảy ra cho cột dài với lc lớn hơn so với lprop. Khi thay biểu thức 3.2.4 và các định nghĩa này vào 3.2.8, ta thu được hay (3.2.10) Giá trị của lprop phụ thuộc vào tương quan độ lớn của ứng suất dư nén src và ứng suất chảy Fy. Ví dụ, nếu Fy = 345 MPa và src = 190 MPa thì công thức 3.2.10 cho kết quả và lprop = 1,49. Ứng suất dư càng lớn thì giới hạn độ mảnh mà tại đó xảy ra sự chuyển sang mất ổn định đàn hồi càng lớn. Gần như tất cả các cột được thiết kế trong thực tế đều làm việc như cột có chiều dài trung bình quá đàn hồi. Ít khi gặp các cột có độ mảnh đủ để nó làm việc như các cột dài đàn hồi, bị oằn ở tải trọng tới hạn Euler. Sức kháng nén danh định Để tránh căn thức trong công thức 3.2.9, giới hạn độ mảnh cột được định nghĩa lại như sau (3.2.11) Điểm chuyển tiếp giữa oằn quá đàn hồi và oằn đàn hồi hay giữa cột có chiều dài trung bình và cột dài được xác định ứng với l = 2,25. Đối với cột dài (l ≥ 2,25), cường độ danh định của cột Pn được cho bởi (3.2.12) là tải trọng oằn tới hạn Euler của công thức 3.2.7 nhân với hệ số giảm 0,88 để xét đến độ cong ban đầu bằng L/1500. Đối với cột dài trung gian (l < 2,25), cường độ danh định của cột Pn được xác định từ đường cong mô đun tiếp tuyến có chuyển tiếp êm thuận giữa Pn = Py và đường cong oằn Euler. Công thức cho đường cong chuyển tiếp là (3.2.13) Các đường cong mô tả các công thức 3.2.12 và 3.2.13 được biểu diễn trong hình 3.12 ứng với lc chứ không phải l để giữa nguyên hình dạng của đường cong như đã được biểu diễn trước đây trong các hình 3.10 và 3.11. Bước cuối cùng để xác định sức kháng nén của cột là nhân sức kháng danh định Pn với hệ số sức kháng đối với nén fc được lấy từ bảng 1.1, tức là (3.2.14) Hình 3.12 Đường cong cột thiết kế Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn Cường độ chịu nén của cột dài trung bình có cơ sở là đường cong mô đun tiếp tuyến thu được từ thí nghiệm cột công son. Một đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của cột công son được cho trên hình 3.9. Vì cột công son là khá ngắn nên nó sẽ không bị mất ổn định uốn. Tuy nhiên, có thể xảy ra sự mất ổn định cục bộ với hậu quả là sự giảm khả năng chịu tải nếu tỷ số bề rộng/bề dày của các chi tiết cột quá lớn. Do vậy, độ mảnh của các tấm phải thoả mãn (3.2.15) trong đó, k là kệ số oằn của tấm được lấy từ bảng 3.2, b là bề rộng của tấm được cho trong bảng 3.2 (mm) và t là bề dày tấm (mm). Các quy định cho trong bảng 3.2 đối với các tấm được đỡ dọc trên một cạnh và các tấm được đỡ dọc trên hai cạnh được minh hoạ trên hình 3.13. Tỷ số độ mảnh giới hạn. Nếu các cột quá mảnh, chúng sẽ có cường độ rất nhỏ và không kinh tế. Giới hạn được kiến nghị cho các cấu kiện chịu lực chính là và cho các thanh cấu tạo là . Hình 3.13 Các tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn Bảng 3.2 Các tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn Các tấm được đỡ dọc theo một cạnh k B Các bản biên và cạnh chìa ra của tấm 0,56 Bề rộng nửa cánh của mặt cắt I Bề rộng toàn bộ cánh của mặt cắt U Khoảng cách giữa mép tự do và đường bu lông hoặc đường hàn đầu tiên trong tấm Chiều rộng toàn bộ của một cánh thép góc chìa ra đối với một cặp thép góc đặt áp sát nhau Thân của thép cán T 0,75 Chiều cao toàn bộ của thép T Các chi tiết chìa ra khác 0,45 Chiều rộng toàn bộ của một cánh thép góc chìa ra đối với thanh chống thép góc đơn hoặc thanh chống thép góc kép đặt không áp sát Chiều rộng toàn bộ của phần chìa ra cho các trường hợp khác Các tấm được đỡ dọc theo hai cạnh k B Các bản biên của hình hộp và các tấm đậy 1,4 Khoảng cách trống giữa các vách trừ đi bán kính góc trong ở mỗi bên đối với các bản biên của mặt cắt hình hộp Khoảng cách trống giữa các đường hàn hoặc bu lông đối với các tấm đậy cánh Các vách và các cấu kiện tấm khác 1,49 Khoảng cách trống giữa các bản biên trừ đi bán kính cong đối với vách của dầm thép cán Khoảng cách trống giữa các gối đỡ mép cho các trường hợp khác Các tấm đậy có lỗ 1,86 Khoảng cách trống giữa các gối đỡ mép Bảng 3.3 Quan hệ gần đúng giữa bán kính quán tính và kích thước mặt cắt ngang cấu kiện chịu nén Mất mát tiết diện do ăn mòn, dự báo sức kháng còn lại sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm… Từ quan điểm của cấu trúc thì xem mất mát độ dày của vật liệu là do ăn mòn tấn công dẫn đến mất khả năng chịu lực của một bộ phận kết cấu làm giảm độ cứng, cường độ và độ dẻo. Trong một số trường hợp sự phá hoại cục bộ của một số thành phần trong kết cấu sẽ làm ảnh hưởng đến toàn bộ cấu trúc kết cấu. Ngoài ra trong trường hợp của tải trọng lặp, hiện tượng ăn mòn có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu mỏi của kết cấu dẫn đến phá hoại kết cấu. Một số mô hình liên quan đến việc đánh giá thiệt hại do ăn mòn đã được đưa ra. Chúng được tạo thành theo phương pháp tiếp cận khác nhau, phụ thuộc vào các mục tiêu của mô hình chính đó. Mô hình này có thể được phân loại như: mô hình cấp độ đầu tiên và mô hình cấp độ thứ hai. Những mô hình cấp độ đầu tiên được dựa trên những nguyên tắc của vật lý và hóa học. Trong trường hợp, sự hoà tan của kim loại và sự hình thành của các sản phẩm ăn mòn được đánh giá ở cấp hiển vi trong ý nghĩa của hiện tại. Các mô hình cấp độ thứ hai là hữu ích cho các ứng dụng kỹ thuật và cho phép đánh giá tốc độ ăn mòn như là một chức năng đánh giá về khối lượng còn lại hoặc sự mất mát độ dày theo thời gian, thu được từ các quan sát và các dữ liệu thực nghiệm. Trong phần sau đây, một đánh giá của các mô hình cấp độ thứ hai của ăn mòn cho các ứng dụng cấu trúc được trình bày. Trong trường hợp này, mối quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và mức độ các chất ô nhiễm thể hiện trong sự kết hợp với các thông số khác nhau về khí hậu. Biến số được coi là ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn theo thời gian là thời gian làm ướt; tần số và thời gian khô; độ ẩm tương đối; nhiệt độ và sự thay đổi nhiệt độ và thành phần của khí quyển. Tốc độ ăn mòn thường được biểu diễn như là sự mất mát khối lượng trên đơn vị diện tích hay trên một đơn vị thời gian hoặc là tỷ lệ thâm nhập thông qua sự mất mát độ dày. Điều quan trọng cần lưu ý rằng việc mất mát độ dày được báo cáo trong các nghiên cứu ăn mòn thường là mức trung bình của các tổn thất về độ dày của các bề mặt tiếp xúc của mẫu vật. Các mô hình ăn mòn thường mô tả độ sâu ăn mòn như là một hàm của thời gian trong các hình thức của một mô hình đại diện: d(t) = A× tB (3.3.1) trong đó: d(t) = độ sâu ăn mòn [µm, g/m2], t = thời gian tiếp xúc [năm], A = tỷ lệ ăn mòn trong năm đầu tiên tiếp xúc, B = độ giảm tỷ lệ ăn mòn dài hạn. Do sự hình thành của các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt kim loại nên tốc độ ăn mòn ban đầu thường giảm trong một thời gian lâu dài. Nếu B là nhỏ hơn 0,5, các sản phẩm ăn mòn cho thấy đặc tính bảo vệ, nếu không B là lớn hơn 0,5 thì ngược lại. Một số mô hình đơn giản hóa đã được đề xuất, trong đó có tính đến các tác động môi trường ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn bằng cách thông qua các giá trị không đổi của hệ số A và B. Mô hình như vậy thể hiện sự mất mát độ dày chỉ như là một hàm của thời gian và thường được hiệu chuẩn trên các dữ liệu thu được từ việc thử nghiệm tiếp xúc ngắn hạn và dài hạn. Kết quả là nếu chúng được sử dụng cho các môi trường khác nhau từ một trong những mô hình đã được hiệu chuẩn, giá trị dự đoán tốc độ ăn mòn thường là không chính xác. Một nỗ lực đầu tiên để phát triển các mô hình chung đã được cung cấp bởi các tiêu chuẩn quốc tế ISO 9224, trong đó xác định mức độ ăn mòn cho cấu trúc vật liệu trong tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn, tốc độ ăn mòn trung bình của mỗi loại vật liệu là một hàm tuyến tính. Trong 10 năm đầu tiên, độ sâu ăn mòn được cho bởi công thức: d1(t) = rav × t t < 10 years (3.3.2) d1(t) = độ sâu ăn mòn trong 10 năm tiếp xúc (micromet); rav= tốc độ ăn mòn trung bình (micromet/ năm); t = thời gian từ khi tiếp xúc đến kết thúc (năm). Sau 10 năm tiếp xúc, tốc độ ăn mòn được giả định là không đổi với thời gian và độ sâu ăn mòn được cho bởi công thức: d(t) = rav∙10 + rlin(t – 10) t >= 10 years (3.3.3) trong đó: d(t) = độ sâu ăn mòn cho các khoảng thời gian xem xét (micromet); rlin = trạng thái ổn định ăn mòn (micromet/năm); t = thời gian trong khu vực tuyến tính của đường cong ăn mòn (năm). Tiêu chuẩn này cung cấp các giá trị hướng dẫn của cả hai rav và rlin cho thép cacbon, thép vỏ phong hóa. Trong hình 3.14, một đặc trưng của ăn mòn cho thép cacbon và thép vỏ phong hóa được hiển thị. Hình 3.14. Độ sâu ăn mòn theo thời gian cho thép cacbon (a) và thép vỏ phong hóa (b) cho các lớp ăn mòn khác nhau. Trong đó: C1, C2, C3, C4, C5 là các phân loại ăn mòn. C1: ăn mòn rất chậm; C2: ăn mòn chậm; C3: ăn mòn trung bình; C4: ăn mòn nhanh; C5: ăn mòn rất nhanh. Một số điều chỉnh để các quy luật ăn mòn này được báo cáo trong Albrecht và Hall, nơi mà các tác giả đề xuất một mô hình phi tuyến mới chiếm một tốc độ ăn mòn sửa đổi trong năm đầu tiên tiếp xúc và một mô hình ổn định trong những năm tiếp theo. Hình 3.15 Độ sâu ăn mòn theo thời gian cho thép cacbon (a) và thép vỏ phong hóa (b) cho lớp ăn mòn C3. Gần đây, các mô hình khác nhau đã được phát triển với mục tiêu tổng quát về sự mất mát ăn mòn theo thời gian cho các môi trường khác nhau, khí hậu và các chất gây ô nhiễm như các yếu tố của biến số độc lập. Trong phần sau đây, hai trong số các mô hình này được trình bày. Một số đáp ứng về chức năng đã được phát triển trong Chương trình Hợp tác Quốc tế (ICP) trong khuôn khổ của Công ước ECE của Liên Hợp Quốc về ô nhiễm xuyên biên giới trong thời gian dài. Các chức năng này đã được xây dựng cho các vật liệu kim loại khác nhau và được dựa trên thời gian tiếp xúc và phân tích xu hướng dựa trên sự lặp đi lặp lại trong 1 năm, đồng thời cũng tính đến phương trình không có ẩn tiếp xúc. Sự xuống cấp của kim loại theo thời gian được thể hiện bởi sự mất mát khối lượng như là một chức năng của các thông số khí hậu, các chất gây ô nhiễm không khí (SO2, O3) và các thông số lượng mưa (H+, Cl-). Klinesmith đã phát triển một mô hình cho sự ăn mòn của thép cacbon có tính đến các tác động của bốn biến số của môi trường (thời gian ướt, SO2, độ mặn và nhiệt độ). Hình thức chung của các mô hình suy thoái như sau: y = A. tB (TOWC)D . (1+SO2E)F .(1+ClG)H . eJ(T+T0) (10) y = độ sâu lỗ ăn mòn (mm); t = thời gian tiếp xúc (năm); TOW = thời gian ướt (h/ năm); SO2 = nồng độ sulfur dioxide (μg/m3), Cl là tốc độ lắng đọng clorua (mg/m2/ ngày); T = nhiệt độ không khí (°C) và A, B, C, D, E, F, G, H, J, T0 = hệ số thực nghiệm có số giá trị có thể được tìm thấy trong Klinesmith. Ví dụ 1: Tính toán một thanh kéo mặt cắt W460x235 liên kết bu lông, đường kính 20mm, U=1, bố trí song song, thép thanh dùng loại A709 cấp 345. Tính sức kháng kéo chảy và kéo đứt sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm và xem sức kháng của thanh kéo giảm bao nhiêu phần trăm nếu U không thay đổi. Bài làm: Thép kết cấu A709 cấp 345 có Fy= 345 MPa, Fu= 450 MPa Thép W460x235 có Ag= 29871 mm2. Đường kính lỗ thực tế: h= 20+2=22 mm. Diện tích mặt cắt thực của cấu kiện: An=Ag - 4*h*tf - 4*h*tw = 29871 – 4*22*36,6 – 4*22*20,6 = 24837,4 mm2. Do hệ số chiết giảm U=1 nên Ae=An= 25743,8 mm2. Sức kháng chảy có hệ số: Pry= = 0,95*345*29871*10-3= 9790,22 KN Sức kháng đứt có hệ số: Pru= = 0,8*450*24837,4*10-3= 8941,46 KN Tính sức kháng kéo sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm (giả sử với ăn mòn trung bình C3). Sức kháng kéo sau 10 năm: Độ sâu ăn mòn sau 10 năm là: Tra hình 3.14 ta có độ sâu ăn mòn là: d1(10)= 120 µm= 0,12 mm. Ta có: Ag1= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,12) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,12)= 29700,86 mm2. An1= 2*(bf –2h)*(tf –d(t)) + (d–2tf–4h)*(tw–d(t)) = 2*(287 – 2*22)*(36,6 – 0,12) + (501 – 2*36,6 – 4*22)*(20,6 – 0,12) = 24688,38 mm2. Do hệ số chiết giảm không đổi vẫn bằng 1 nên Ae=An= 24688,38 mm2. Sức kháng chảy có hệ số sau 10 năm: Pry= = 0,95*345*29700,86*10-3= 9734,46 KN Sức kháng đứt có hệ số sau 10 năm: Pru= = 0,8*450*24688,38*10-3= 8887,82 KN Vậy sau 10 năm: Sức kháng chảy giảm: 9790,22-9734,469790,22 .100%= 0,570%. Sức kháng đứt giảm: 8941,46-8887,828941,46 .100%= 0,600%. Sức kháng kéo sau 20 năm: Độ sâu ăn mòn sau 20 năm là: Tra hình 3.14 ta có độ sâu ăn mòn là: d1(20)= 170 µm= 0,17 mm. Ta có: Ag2= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,17) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,17)= 29650,77 mm2. An2= 2*(bf –2h)*(tf –d(t)) + (d–2tf–4h)*(tw–d(t)) = 2*(287 – 2*22)*(36,6 – 0,17) + (501 – 2*36,6 – 4*22)*(20,6 – 0,17) = 24647,09 mm2. Do hệ số chiết giảm không đổi vẫn bằng 1 nên Ae=An= 24647,09 mm2. Sức kháng chảy có hệ số sau 20 năm: Pry= = 0,95*345*29650,77*10-3= 9718,04 KN Sức kháng đứt có hệ số sau 20 năm: Pru= = 0,8*450*24647,09*10-3= 8872,95 KN Vậy sau 20 năm: Sức kháng chảy giảm: 9790,22-9718,049790,22 .100%= 0,737%. Sức kháng đứt giảm: 8941,46-8872,958941,46 .100%= 0,766%. Sức kháng kéo sau 50 năm: Độ sâu ăn mòn sau 50 năm là: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(50)= 320 µm= 0,32 mm. Ta có: Ag3= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,32) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,32)= 29500,50 mm2. An3= 2*(bf –2h)*(tf –d(t)) + (d–2tf–4h)*(tw–d(t)) = 2*(287 – 2*22)*(36,6 – 0,32) + (501 – 2*36,6 – 4*22)*(20,6 – 0,32) = 24523,22 mm2. Do hệ số chiết giảm không đổi vẫn bằng 1 nên Ae=An= 24523,22 mm2. Sức kháng chảy có hệ số sau 50 năm: Pry= = 0,95*345*29500,50*10-3= 9668,79 KN Sức kháng đứt có hệ số sau 50 năm: Pru= = 0,8*450*24523,22*10-3= 8828,36 KN Vậy sau 50 năm: Sức kháng chảy giảm: 9790,22-9668,799790,22 .100%= 1,240%. Sức kháng đứt giảm: 8941,46-8828,368941,46 .100%= 1,265%. Sức kháng kéo sau 75 năm: Độ sâu ăn mòn sau 75 năm là: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(75)= 445 µm= 0,445 mm. Ta có: Ag4= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,445) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,445)= 29375,28 mm2. An4= 2*(bf –2h)*(tf –d(t)) + (d–2tf–4h)*(tw–d(t)) = 2*(287 – 2*22)*(36,6 – 0,445) + (501 – 2*36,6 – 4*22)*(20,6 – 0,445) = 24419,99 mm2. Do hệ số chiết giảm không đổi vẫn bằng 1 nên Ae=An= 24419,99 mm2. Sức kháng chảy có hệ số sau 75 năm: Pry= = 0,95*345*29375,28*10-3= 9627,75 KN Sức kháng đứt có hệ số sau 75 năm: Pru= = 0,8*450*24419,99*10-3= 8791,19 KN Vậy sau 75 năm: Sức kháng chảy giảm: 9790,22-9627,759790,22 .100%= 1,660%. Sức kháng đứt giảm: 8941,46-8791,198941,46 .100%= 1,681%. Sức kháng kéo sau 100 năm: Độ sâu ăn mòn sau 100 năm là: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(100)= 570 µm= 0,57 mm. Ta có: Ag5= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,57) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,57)= 29250,05 mm2. An5= 2*(bf –2h)*(tf –d(t)) + (d–2tf–4h)*(tw–d(t)) = 2*(287 – 2*22)*(36,6 – 0,57) + (501 – 2*36,6 – 4*22)*(20,6 – 0,57) = 24316,77 mm2. Do hệ số chiết giảm không đổi vẫn bằng 1 nên Ae=An= 24316,77 mm2. Sức kháng chảy có hệ số sau 100 năm: Pry= = 0,95*345*29250,05*10-3= 9586,70 KN Sức kháng đứt có hệ số sau 100 năm: Pru= = 0,8*450*24316,77*10-3= 8754,04 KN Vậy sau 100 năm: Sức kháng chảy giảm: 9790,22-9586,709790,22 .100%= 2,079%. Sức kháng đứt giảm: 8941,46-8754,048941,46 .100%= 2,096%. Đồ thị giảm sức kháng kéo theo thời gian: Ví dụ 2: Tính toán một thanh nén mặt cắt W460x235 chiều dài L=5m, K=1, thép thanh dùng loại A709 cấp 345. Tính sức kháng nén sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm và xem sức kháng của thanh nén giảm bao nhiêu phần trăm. Bài làm: Tra bảng : As = 29871 mm2, d = 501 mm, tw = 20,6 mm, bf = 287 mm, tf = 36,6 mm, hc/tw = 19,1, rx = 206 mm, ry = 70 mm. Tỷ số độ mảnh: max KLr = 1.500070 = 71,43 < 120 à Đạt bề rộngbề dày : b2t = 2872.36,6 = 3,92 < k(E/Fy) =0,56(200000/345) =13,48 à Đạt ht = 19,1 < k(E/Fy) =1,49(200000/345) =35,87 à Đạt Giới hạn độ mảnh của cột: λ= (KL/πr)2.(Fy/E) =(71,43/π)2.(345/200000) =0,892 < 2,25. à cột có chiều dài trung gian Pn= 0,66λ.Fy.As= 0,660,892.345.29871.10-3= 7113,81 KN. Sức kháng nén thiết kế: Pr= φc.Pn= 0,9.7113,81= 6402,43 KN. Tính sức kháng nén sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm (giả sử với ăn mòn trung bình C3). Do độ sâu ăn mòn thay đổi không đáng kể nên độ mảnh sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm cũng thay đổi không đáng kể và bằng độ mảnh ban đầu 0,892. Sức kháng nén sau 10 năm: Độ sâu ăn mòn sau 10 năm: Tra hình 3.14 ta có độ sâu ăn mòn là: d1(10)= 120 µm= 0,12 mm. Diện tích còn lại sau ăn mòn: As1= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,12) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,12)= 29700,86 mm2. Sức kháng nén sau 10 năm là: Pr1= φc.Pn1= φc.0,66λ.Fy.As1= 0,9.0,660,892.345.29700,86.10-3= 6365,96 KN. Vậy sau 10 năm sức kháng nén giảm: 6402,43-6365,966402,43 .100%= 0,570%. Sức kháng nén sau 20 năm: Độ sâu ăn mòn sau 20 năm: Tra hình 3.14 ta có độ sâu ăn mòn là: d1(20)= 170 µm= 0,17 mm. Diện tích còn lại sau ăn mòn: As2= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,17) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,17)= 29650,77 mm2. Sức kháng nén sau 20 năm là: Pr2= φc.Pn2= φc.0,66λ.Fy.As2= 0,9.0,660,892.345. 29650,77.10-3= 6355,22 KN. Vậy sau 20 năm sức kháng nén giảm: 6402,43-6355,226402,43 .100%= 0,737%. Sức kháng nén sau 50 năm: Độ sâu ăn mòn sau 50 năm: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(50)= 320 µm= 0,32 mm. Diện tích còn lại sau ăn mòn: As3= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,32) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,32)= 29500,50 mm2. Sức kháng nén sau 50 năm là: Pr3= φc.Pn3= φc.0,66λ.Fy.As3= 0,9.0,660,892.345. 29500,50.10-3= 6323,01 KN. Vậy sau 50 năm sức kháng nén giảm: 6402,43-6323,016402,43 .100%= 1,240%. Sức kháng nén sau 75 năm: Độ sâu ăn mòn sau 75 năm: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(75)= 445 µm= 0,445 mm. Diện tích còn lại sau ăn mòn: As4= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,445) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,445)= 29375,28 mm2. Sức kháng nén sau 75 năm là: Pr4= φc.Pn4= φc.0,66λ.Fy.As4= 0,9.0,660,892.345. 29375,28.10-3= 6296,18 KN. Vậy sau 75 năm sức kháng nén giảm: 6402,43-6296,186402,43 .100%= 1,660%. Sức kháng nén sau 100 năm: Độ sâu ăn mòn sau 100 năm: Tra hình 3.14, ngoại suy ta có độ sâu ăn mòn là: d1(100)= 570 µm= 0,57 mm. Diện tích còn lại sau ăn mòn: As5= 2*bf*(tf – d(t)) + (d – 2tf)*(tw – d(t)) = 2*287*(36,6 – 0,57) + (501 – 2*36,6)*(20,6 – 0,57)= 29250,05 mm2. Sức kháng nén sau 100 năm là: Pr5= φc.Pn5= φc.0,66λ.Fy.As5= 0,9.0,660,892.345. 29250,05.10-3= 6269,33 KN. Vậy sau 100 năm sức kháng nén giảm: 6402,43-6269,336402,43 .100%= 2,079%. Chương 4: Các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thép kết cấu Tại Việt Nam và Thế giới. 4.1.1. Vật liệu chống ăn mòn. Vật liệu chống ăn mòn bao gồm vật liệu phi kim và các hợp kim chống ăn mòn. 4.1.1.1. Vật liệu phi kim. Vật liệu phi kim được sử dụng nhiều do hoàn toàn không bị ăn mòn, tuy nhiên ứng dụng còn hạn chế do những nhược điểm về khoảng nhiệt độ và áp suất hoạt động, khả năng chịu va chạm và rung động kém. Một loại vật liệu phi kim trước đây thường được sử dụng là: GRE (Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin Rebar) là một dạng của plastic được gia cường bằng sợi thuỷ tinh. 4.1.1.2. Hợp kim chống ăn mòn (CRAs). CRAs được sử dụng khi thép carbon mangan không phù hợp để sử dụng, lý do chính là do lưu chất vận chuyển ăn mòn quá lớn đối với thép carbon thường cho dù đã có những biện pháp chống ăn mòn khác như sử dụng chất ức chế hay lớp phủ thông thường. Các CRAs được sử dụng thay thế hoàn toàn hoặc chỉ bao phủ bề mặt kết cấu. Các loại CRAs thông dụng gồm có: thép không rỉ duplex, hợp kim nickel, ống thép carbon mangan được phủ thép không rỉ austenic và một số loại vật liệu khác như titan và hợp kim của nó. Thép không rỉ được sản xuất trên cơ bản thép carbon bằng cách giảm bớt lượng carbon, thêm vào các nguyên tố không rỉ như nickel, chromium. 4.1.1.3. Thép không rỉ martansiric. Vật liệu này được sản xuất từ thép carbon mangan thêm 13% chromium, hàm lượng Carbon khoảng 0,15%, khả năng chống ăn mòn ngọt tốt, giá thành gấp 3 lần thép carbon thông thường, độ bền ở nhiệt độ thấp kém và rất khó hàn. Loại thép này thường được xử lý bằng nhiệt trước khi sử dụng để nâng cao cơ tính, được Kawasaki cải thiện bằng cách thêm vào một lượng nhỏ nickel, mangan và molipden, tính chống ăn mòn và khả năng hàn tăng lên rõ rệt. 4.1.1.4. Thép không rỉ Austenic. Đây là loại thép không nhiễm từ có hàm lượng những nguyên tố không rỉ khá cao từ 18%Cr, 8%nickel đến 27%Cr, 30%nickel và 3% molipden, khả năng chống ăn mòn cao, tuy nhiên dễ bị nứt gãy khi chịu ứng suất ăn mòn nếu có mặt chlorine (nồng độ giới hạn của chlorine là khoảng 50-100ppm ở nhiệt độ 600C). Nó được sử dụng chủ yếu làm lớp phủ bề mặt trong cho những đường ống, bể chứa hay những chi tiết nhỏ bằng vật liệu thép carbon. Thép không rỉ austenic nhạy cảm với nứt gãy, rất dễ hư hỏng trên diện rộng khi khả năng chống ăn mòn suy giảm. Giá thành gấp 4 lần thép carbon thông thường, khá dễ hàn. Tuy nhiên cần tránh hiện tượng carbon hoá ở mối hàn và vùng xung quanh do nhiệt độ cao làm giảm khả năng chống ăn mòn, tăng cường khả năng ổn định bằng cách giảm hàm lượng carbon xuống khoảng 0,05% và thêm một số nguyên tố ổn định như titan hay niobi. 4.1.1.5. Thép không rỉ Duplex. Thành phần C: 0,03-0,05%; Cr:22-25%; Ni:5-6%; Mo:3-6%, giá thành gấp 6 lần thép carbon thông thường, dạng thép này gần như là một hỗn hợp của ferrite và austenic, khả năng chống gỉ tốt, khả năng hàn và độ bền cao hơn thép austenic. 4.1.1.6. Thép hợp kim cao nickel. Chi phí loại vật liệu này tương đối cao so với những loại khác, chủ yếu do hàm lượng của những nguyên tố chống rỉ cao. Hàm lượng như sau: Ni: 28-56%; Cr: 21-22%; Fe: 5-22%; Mo: 3-9%; Cu 2%; Nb 4%; Ti 1%. Khả năng chống ăn mòn rất tốt, thường thấy sử dụng trong việc sản xuất các acid mạnh. Nó thường được phủ một lớp thép hợp kim cao, giá thành giảm tương đối, khoảng từ 7-10% thép carbon thông thường. 4.1.2. Sử dụng sơn chống ăn mòn. Ăn mòn kim loại là một quá trình điện hoá. Có thể ngăn cản quá trình ăn mòn kim loại bằng cách ngăn chặn các phản ứng anot hoặc catot, hoặc bằng cách ngăn cản dòng ăn mòn trong chất điện phân. Ba phương pháp này được gọi là: ức chế catot, ức chế anot và ức chế điện trở. Ức chế catot: Trong phản ứng catot tác nhân phản ứng là oxy và nước. Thực nghiệm cho thấy các màng sơn có độ dày bình thường không thể ngăn cản oxy và nước thấm qua màng, có nghĩa màng sơn không thể hiện tác dụng ức chế catot. Ức chế anot: Tại các miền anot, phản ứng bao gồm sự chuyển ion kim loại vào trong chất điện phân kèm theo việc giải phóng điện tử lưu lại trong kim loại. Do đó có thể ức chế anot theo hai cách: - Cung cấp đầy đủ điện tử cho kim loại để ngăn cản các ion kim loại đi ra khỏi bề mặt kim loại. Điều này có thể được thực hiện bằng việc sử dụng các màng sơn bảo vệ catot chứa các bột màu kim loại có thế ăn mòn thấp hơn thế ăn mòn của kim loại cần bảo vệ, như sơn giàu kẽm. - Sắt ở ngoài không khí thường bị oxy hoá tạo ra màng oxit, tuy nhiên do tính không đồng nhất về thành phần và cấu trúc cho nên ăn mòn kim loại vẫn tiếp tục xảy ra. Có hai nhóm bột màu có tác dụng ức chế ăn mòn làm dày thêm và hoàn thiện hơn màng oxit này ngăn cản ăn mòn kim loại. + Nhóm thứ nhất là các bột màu bazơ, có khả năng tạo xà phòng không tan với các loại dầu thảo mộc như: oxit chì, oxit kẽm... + Nhóm thứ hai là các bột màu thụ động, như các bột màu cromat kẽm, photphat kẽm... Ức chế điện trở: Đây là cơ chế bảo vệ chung nhất được thực hiện bởi màng sơn. Khi phủ sơn trên bề mặt kim loại, có nghĩa là đặt một điện trở vào mạch điện hoá, sự di chuyển ion kim loại từ bề mặt kim loại vào dung dịch chất điện ly bị ngăn cản. Do đó ăn mòn kim loại được ngăn cản hoặc ít nhất cũng giảm xuống giá trị thấp. Các yếu tố sau ảnh hưởng đến tác dụng ức chế điện trở của màng sơn: + Độ dày của màng sơn. + Hàm lượng tạp chất trong nước của bột màu + Mức độ sạch của bề mặt kim loại trước khi sơn. + Khả năng ngăn cản sự thấm nước và chất điện phân qua màng sơn. Các tính chất bảo vệ của màng sơn được xác định bởi khả năng hoạt động điện hoá của nó, mà khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc màng, bản chất nhóm chức, độ dẫn ion, sự chuyển điện thẩm chất lỏng và khả năng thụ động của bột màu. Theo tác giả Rosenfeld và các cộng sự, bản thân các màng sơn và các phương pháp sơn phủ hiện nay không ngăn cản nghiêm ngặt được các tác nhân ăn mòn xâm thực đến bề mặt kim loại. Màng sơn bảo vệ chống ăn mòn không phải tuân theo quy tắc tạo ra một hàng rào che chắn tuyệt đối, mà theo nguyên tắc tự điều chỉnh trong quá trình xâm nhập chất điện phân đến bề mặt kim loại, như hiện tượng thụ động bề mặt kim loại của các màng sơn chứa bột màu cromat và các chất ức chế ăn mòn kim loại, như hiện tượng tạo với kim loại cần bảo vệ những hợp chất khó tan (bột màu photphat), cũng như bảo vệ điện hoá (bảo vệ catot). Thông thường hệ sơn phủ bảo vệ kim loại bao gồm 3 lớp: lớp sơn lót (primer), lớp sơn trung gian (undercoat) và lớp sơn phủ bên ngoài (finishing coat). Mỗi lớp sơn có những yêu cầu kỹ thuật khác nhau tuỳ theo môi trường ăn mòn. Trong thực tế, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng lớp sơn có thể tăng lên hoặc giảm xuống. Chức năng chính của lớp sơn lót là ngăn cản ăn mòn kim loại. Một sơn lót lý tưởng có các tính chất sau: - Thích hợp với phương pháp sơn và điều kiện sơn. - Tốc độ bay hơi dung môi thích hợp, đảm bảo màng sơn khô trong thời gian cho phép. - Bám dính tốt với bề mặt kim loại. - Độ bền cào xước và va đập cao. - Đủ mềm dẻo để thích hợp với sự thay đổi kích thước kim loại. - Phải có bề mặt tốt cho việc sơn các lớp sơn tiếp theo. - Khi sử dụng các bột màu ức chế ăn mòn, các bột màu này phải không độc và hàm lượng bột màu phải đủ. - Mức độ thẩm thấu nước và oxy thấp. Sơn trung gian là loại sơn chứa lượng bột màu, chất độn cao, chúng được sơn trực tiếp trên sơn lót và cung cấp “ nền ” cần thiết cho lớp phủ bên ngoài. Sơn trung gian cần có các tính chất sau: - Bám dính tốt với sơn lót. - Độ che phủ thích hợp. - Tính chất chảy và san phẳng tốt tránh không để lại vết chổi sau khi màng sơn khô. - Khả năng se kết tương đối nhanh để tránh hiện tượng “lún” và tràn đầy ở các mép cạnh, song vẫn đảm bảo quét sơn dễ dàng. - Màu sắc phải tương tự và nhạt màu hơn màu sắc lớp sơn phủ bên ngoài. Lớp sơn phủ chịu tác dụng trực tiếp của môi trường ăn mòn. Tuỳ theo bản chất môi trường ăn mòn và loại sơn lót hoặc loại sơn trung gian sử dụng, người ta lựa chọn loại sơn phủ thích hợp. Màng sơn phủ phải bám dính tốt với sơn lót hoặc sơn trung gian, bền trong môi trường ăn mòn. Bên cạnh tính chất bảo vệ chống ăn mòn, màng sơn phủ còn có chức năng trang trí bên ngoài cho kết cấu kim loại. 4.1.3. Lớp phủ chống ăn mòn: Là phương pháp chống ăn mòn hữu hiệu nhất hiện nay, thông thường sử dụng kết hợp với biện pháp bảo vệ catot. Những đặc tính cần xem xét của vật liệu làm lớp phủ là: Khả năng bám dính, mềm dẻo, điện trở, khả năng cách nhiệt, chống chịu các tác động cơ học, tính chất vật lý hoá học ổn định, dễ sử dụng và bền trong môi trường. Lớp phủ cho bề mặt ngoài: Vật liệu làm lớp phủ: Những loại vật liệu quan trọng dùng bao phủ bên ngoài như: - Nhựa đường nóng - PE và PP - FBE - Bằng plastic - Asphal mastic - Epikote (một loại nhựa xuất phát từ than đá) Giới hạn nhiệt độ sử dụng của những loại vật liệu trên theo bảng 4.1: Bảng 4.1. Giới hạn nhiệt độ sử dụng của các loại vật liệu Loại vật liệu Nhiệt độ tối đa Nhựa đường 60 PE 65 PP * FBE 100** Băng plastic 60 Asphalt mastic 60 Epikote 80 *: Nhiệt độ giới hạn trên chưa được shell thiết lập, nhưng có thể lấy khoảng 1000C **: Chỉ đúng trong điều kiện môi trường khô ráo. Trong điều kiện ẩm ướt, nhiệt độ nên chỉ lấy ở 750C Nhựa đường (hoặc nhựa than đá): Được sử dụng khá lâu trước đây, lớp phủ được tạo thành bằng cách cho nhựa đường nóng chảy tự do, không cần lọc tạp chất kỹ càng, bề dày cần đạt được ít nhất là 2,5mm cho cầu thép trên bờ và ít nhất 5mm cho cầu thép gần biển. Bên ngoài được phủ bằng lớp vải sợi thuỷ tinh để hạn chế tác động cơ học của đất đá và quá trình lắp đặt. Gần đây ứng dụng khuynh hướng sử dụng lớp phủ nhẹ và mỏng hơn như PE, FBE cho kết cấu thép thay thế cho lớp phủ nặng nề bằng nhựa đường. PolyEtylen: là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, được coi là loại vật liệu bảo vệ bên ngoài tốt nhất khoảng 10-15 năm trở lại đây. Quá trình phủ PE được tiến hành theo hai cách: Bột PE được phủ lên bề ngoài của ống đã được làm sạch và gia nhiệt trước đến khoảng 3000C hay lớp PE nóng được kéo phủ lên bề mặt đã được làm sạch và gia nhiệt khoảng 120-1800C. Trong phương pháp này cần phải sử dụng chất bám dính ban đầu ví dụ (cao su butyl) do PE không dính vào thép. Trong cả hai phương pháp, để tăng cường sự gắn kết và khả năng chống bong tróc, một lóp mỏng FBE được phủ lên trước lớp PE. Lớp PE bền, chống tác động cơ học trong quá trình vận chuyển, lắp đặt tốt, điện trở cao, nên làm giảm dòng bảo vệ cathod. FBE (Fusion Boned Epoxy): Lớp băng epoxy mỏng hoặc bột epoxy đã được sử dụng nhiều trong hệ thống kết cấu thép, đặc biệt là những hệ thống giao thông đô thị, hoạt động ở nhiệt độ đến 1000C và có nhiều tính chất vượt trội so với những vật liệu khác. Lớp phủ epoxy được tạo ra bằng cách dùng súng phun tĩnh điện, phun bột nhựa lên bề mặt thép đã được làm sạch và gia nhiệt trước đến khoảng 230-2400C. Lớp phủ tạo thành rất mỏng, từ 350-450µm, nhưng rất bền, bám dính tốt vào thép, độ bền hoá học rất cao, tuy nhiên trong môi trường ẩm ướt, khả năng chịu nhiệt giảm sút, chỉ hoạt động tốt ở 750C. Lớp phủ dễ bị hỏng bởi các va chạm với vật sắc nhọn, cần phải cẩn thận trước khi vận chuyển lắp đặt. Nhưng những va chạm như vậy không làm bong tróc khu vực xung quanh và có thể trám lại bằng nhựa epoxy tại hiện trường. Bọc bằng băng plastic: Kỹ thuật này đã được thực hiện từ năm 1950. Có rất nhiều loại vật liệu plastic dưới dạng băng bao gồm PVC, PE… có độ dày khác nhau, có thể tự bám dính vào bề mặt hoặc cần phải có một lớp trợ dính. Phương pháp này có nhiều ưu điểm và dễ thực hiện, tuy nhiên có một nhược điểm lớn là dễ bong tróc, đặc biệt là tại những điểm chồng lên nhau. Khi được sử dụng cùng với hệ thống bảo vệ catot, nhược điểm trên làm giảm hiệu quả của dòng bảo vệ. Lớp phủ asphalt mastic: Asphalt plastic, như Somatic là một hỗn hợp của asphalt, cát, bột đá vôi, bột đá và sợi amiăng. Lớp asphalt được thực hiện tại nhà máy với những thiết bị phức tạp. Hỗn hợp asphalt được nung nóng và phủ lên bề mặt thép đã được làm sạch, làm thường rất dày, khoảng từ 12mm trở lên, nhằm điều khiển bề dày của kết cấu thép. Sau khi phủ xong, asphalt không cần có lớp bọc bên ngoài như những trường hợp trên. Lớp phủ asphalt thường rất chắc, nặng và chống mòn tốt, do đó nó chủ yếu được áp dụng cho các kết cấu cầu thép, giàn khoan ngoài khơi, nơi luôn cần tăng thêm trọng lượng. Epikote: Nhựa Epikote là một loại nhựa có nguồn gốc từ than đá, được sử dụng trong một số trường hợp đối với kết cấu cầu thép ngoài khơi. Nó được phủ làm nhiều lớp lên bề mặt thép đã được làm sạch, lớp phủ có bề dày ít nhất 400µm và có thể chịu nhiệt độ đến 800C, tuy nhiên ngày nay người ta sử dụng lớp FBE có nhiều ưu điểm hơn. Lớp phủ tại điểm nối: Trong các kết cấu cầu thép thì thường những thanh thép được ghép vào nhau nên không liên tục. Và những vị trí này thường được bảo vệ kỹ hơn để đảm bảo an toàn cho hệ thống. Những loại vật liệu sau đây thường được sử dụng: - PolyEtylen: Loại băng PE có khả năng co lại khi bị đốt nóng, có thể chịu được nhiệt độ đến khoảng 900C, đàn hồi tốt, ít bị cứng và lão hoá. Nó được phủ bằng cách quấn xung quanh, sau đó sử dụng ngọn đuốc hơ nóng để co lại và bám chắt vào bề mặt cần bao phủ. Loại băng này thường được dùng để che phủ bên ngoài lớp FBE hoặc bao phủ bằng bột PE. - Phủ bằng bột FBE hoặc bột PE: Thực hiện bằng cách làm sạch bề mặt bên ngoài, gia nhiệt cho thép, sau đó phun lớp bột FBE, PE hoặc sử dụng dung dịch của chúng, cuối cùng được bọc bên ngoài bởi lớp băng PE như đã nói trên. - Băng cold-applied: Chủ yếu được sử dụng cho cầu thép ngoài khơi, quấn quanh các mối hàn, sau đó được phủ lên bằng một lớp asphalt mastic nóng. 4.1.4. Sử dụng chất ức chế. Chất ức chế hoá học được sử dụng để giảm tốc độ ăn mòn. Nó được cho vào lưu chất vận chuyển hoặc là phụ gia trong lớp sơn phủ thép. Chất ức chế được chia làm 2 loại: - Chất ức chế chủ động: nó phản ứng với kim loại, tạo thành một lớp film bảo vệ chống ăn mòn. - Chất ức chế thụ động: Được hấp phụ vào bề mặt kim loại và tạo thành một bề mặt ngăn cản sự tiếp xúc của kim loại với những tác nhân ăn mòn. Chất ức chế được đưa vào hệ thống theo từng đợt hoặc liên tục. Biện pháp sử dụng chất ức chế không đảm bảo việc bảo vệ an toàn kết cấu thép nên phải sử dụng cùng với các biện pháp bảo vệ khác. 4.1.4.1. Chất ức chế chủ động. Chất ức chế loại này được thêm vào hệ thống với nồng độ thấp và thường là loại chất rắn có thể tan hoàn toàn trong lưu chất vận chuyển. Chúng phản ứng với kim loại và tạo thành một lớp film bảo vệ kim loại không bị ăn mòn. Thông thường loại chất này chứa các gốc nitrat, cromat và photphat. Các chất ức chế không được sử dụng riêng lẽ mà thường phối hợp nhiều loại với nhau, kết hợp với việc sử dụng chất diệt khuẩn, biện pháp hiệu chỉnh pH làm tăng hiệu quả của chất ức chế. Chi phí cho việc sử dụng chất ức chế thường khá cao. 4.1.4.2. Chất ức chế thụ động. Chất ức chế loại này tạo thành lớp film bao phủ trên bề mặt kim loại, ngăn chặn các phản ứng catot và anot, qua đó ngăn chặn khả năng ăn mòn. Chất ức chế loại này thường là những hợp chất cao phân tử, cấu tạo gồm hai phần: phần đầu mang những nhóm hoạt động có khả năng hấp phụ vào bề mặt kim loại, phần đuôi mang những nhóm hữu cơ làm thành một lớp ngăn cảng sự khuyếch tán của những tác nhân ăn mòn vào bề mặt kim loại. Phần đầu thường là những gốc amin, anlin, axit vòng mang N2, sunphua hoặc photphat. Phần đuôi thường là vòng thơm hoặc gốc axit béo. Loại chất ức chế này thường không hiệu quả khi có mặt oxy, tuy nhiên hoạt động ngăn cản CO2 và H2S rất tốt. Chất ức chế thụ động hấp thụ vào bề mặt kim loại và tạo thành những lớp film liên kết với nhau bằng những liên kết vật lý, số lượng lớp film đôi khi đủ dày để có thể thấy được. Những lớp film thường bị bóc và tạo thành liên tục. Khi lựa chọn chất ức chế thụ động, người ta thường quan tâm đến những yếu tố sau: - Ổn định nhiệt. - Tạo kết tủa bám dính. - Không gây ô nhiễm môi trường: tất cả những chất ức chế sau khi được sử dụng điều được thảy ra môi trường, do đó yêu cầu về khả năng phân huỷ nhanh và không gây ô nhiễm môi trường là rất cần thiết. - Giá cả và khả năng cung cấp. 4.1.5. Phương pháp bảo vệ Catot. Phương pháp bảo vệ catot được sử dụng bảo vệ bề mặt phía ngoài của kết cấu thép, chủ yếu để đảm bảo ngăn chặn quá trình ăn mòn điện hoá xảy ra tại những điểm lớp bọc bị hư hỏng. Quá trình bảo vệ này được thực hiện bằng cách cung cấp một dòng điện một chiều chạy dọc theo kết cấu thép với một kim loại khác tạo thành một cặp pin điện. Hình 4.1. Sơ đồ nguyên tắc bảo vệ ống bằng Catot 1: Anot 2: Catot 3: Dây dẫn có bọc cách điện 4: Nguồn điện * Nguyên lý của phương pháp bảo vệ Catot Khi một kim loại nằm trong môi trường điện ly (nước, đất…) nó dễ dàng bị ăn mòn theo cơ chế ăn mòn điện hoá. Ăn mòn điện hoá xảy ra khi phản ứng diễn ra trên bề mặt kim loại bởi các tác nhân làm di chuyển electron từ kim loại vào môi trường điện ly. Ví dụ: O2 + 4e+ H2O → 4OH- Để tạo ra electron, nguyên tử kim loại tạo thành ion dương tan vào môi trường điện ly. Ví dụ: Fe – 2e → Fe2+ Từ đó, quá trình ăn mòn diễn ra. Hệ thống bảo vệ catot cung cấp một nguồn electron thay thế, ngăn chặn phản ứng tạo electron của kim loại và quá trình ăn mòn. Nguồn cung cấp electron có thể là một nguồn ngoài hoặc nguồn tạo thành từ cặp pin galvanic giữa thép và một kim loại khác mạnh hơn thép như Mg, Zn… Sự phức tạp của phương pháp là ở chỗ phải cung cấp đủ electron, không dư, tại tất cả những khu vực cần bảo vệ. Thế điện cực của kim loại sẽ cung cấp thông tin về mức độ bão hoà của kim loại với electron khi lượng electron tăng lên vượt mức bão hoà, thế điện cực của kim loại tạo nên âm hơn và có tính khử mạnh hơn. Hệ thống bảo vệ catot có thể áp dụng đối với thép kết cấu không có lớp bọc, tuy nhiên chi phí rất đắt. Hệ thống thép trong thực tế được bao phủ hoàn toàn, hệ thống bảo vệ catot chỉ đảm bảo không bị ăn mòn tại những chỗ hư hỏng lớp bọc. Đối với một hệ thống, lớp bọc tuyệt đối tốt, cường độ dòng bảo vệ bằng 0. Tuy nhiên trong thực tế thép mới cần cường độ dòng bảo vệ khoảng 100-200mA và có thể lên 50A cho hệ thống đã hoạt động lâu năm. Đối với một số cầu thép trên bờ hoặc vượt sông, dòng điện thường cung cấp bởi một máy phát hoặc từ lưới điện, qua một bộ chuyển đổi thành dòng một chiều qua một thiết bị gọi là T/R. Đối với cầu thép ngoài khơi, không thể cung cấp dòng điện, do đó thép được bảo vệ bằng anot hy sinh. Những anot này được chôn ở những khoảng cách cố định với nhau và được nối với đường ống bằng dây dẫn. Vật liệu làm anot thường là Mg và Zn… nhưng gần đây nhôm được sử dụng nhiều nhất. Đánh giá và đề xuất phương án mới nhằm hạn chế hiện tượng gỉ. Các biện pháp chống rỉ và ăn mòn phổ biến hiện nay là sử dụng các vật liệu ít bị ăn mòn. Các vật liệu này thường có giá thành cao, chỉ lắp đặt ở những nơi không bị ngập nước và biện pháp phổ biến nhất là dùng sơn phủ bảo vệ. Lớp sơn phủ bảo vệ nhằm tạo một lớp màn chắn (barrier) cách ly kim loại với môi trường. Nhưng khi lớp bảo vệ này bị hỏng thì hơi ẩm thâm nhập và ăn mòn tấn công vào bên dưới lớp sơn. Vì thế, lớp sơn này chỉ phát huy tác dụng trong vài năm. Đối với các công trình bị ngập nước hay chôn trong đất thì kết hợp thêm biện pháp chống ăn mòn catốt. Biện pháp này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho các giàn khoan biển, cầu cảng, hệ thống bồn bể đường ống... Chống ăn mòn catot là sử dụng bản chất của quá trình ăn mòn điện hóa để xây dựng thành một hệ gồm: Catot (kim loại cần bảo vệ) và anot. Anot được chọn như Mg, Al, Zn làm vật liệu hy sinh thay thế cho sắt thép cần bảo vệ vì các kim loại này đều đứng trước Fe trong bảng tuần hoàn hóa học. Trong hệ luôn tồn tại dòng điện một chiều đi qua giữa anot và catot, xuất phát từ sự chênh lệch điện thế giữa hai kim loại khác nhau trong môi trường tồn tại dung dịch điện phân là nước hoặc do bị áp đặt từ nguồn điện một chiều bên ngoài. Phương pháp mạ kẽm lạnh: Hơn một thế kỷ qua, kẽm đã được chứng minh là lớp bảo vệ chống rỉ sét và ăn mòn rất hiệu quả cho kim loại. Ngày nay, kẽm được sử dụng ở mọi nơi trên thế giới dùng để bảo vệ kim loại như mạ điện phân, mạ nhúng nóng hay phun kẽm. Mạ kẽm lạnh là phủ lên bề mặt kim loại một lớp kẽm lỏng tương tự như sơn ở nhiệt độ môi trường bình thường, bằng cách dùng áp lực khí nén thổi dung dịch kẽm lỏng thành chùm các hạt kẽm bắn vào bề mặt kim loại đã vệ sinh sạch bề mặt. Trong dung dịch kẽm có chất gắn liên kết cùng các phụ gia giúp cho kẽm bám chặt vào bề mặt kim loại và khô cứng trong vài giờ, tương tự như các loại sơn truyền thống. Lớp phủ kẽm sau khi khô có hai chức năng bảo vệ: Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động với lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại sơn truyền thống; chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động tức chức năng chống ăn mòn catot, chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng . Dung dịch giàu kẽm trên 92% Zn là một hỗn hợp dẫn điện rất tốt sau khi khô, do đó cho phép dòng điện chạy liên tục về mọi hướng trên lớp mạ. Đây là điều kiện tiên quyết để lớp phủ có chức năng chống ăn mòn catot. Khi trong lớp mạ có sự xuất hiện của ẩm ướt hình thành dung dịch điện phân thì sẽ xảy ra phản ứng hóa học, kẽm có điện thế chuyển dịch electron cao hơn sắt thép nên tham gia ngay vào quá trình phản ứng, phân tán và giải phóng các electron tạo ra dòng điện chạy qua sắt thép làm cản trở sự phân tán của các ion thép và bắt đầu chu kỳ điện hóa. Kẽm trở thành một đối tượng hy sinh để bảo vệ cho sắt thép là catot. Quá trình phản ứng tạo ra hydro các-bô-nát kẽm và các muối kẽm khác hình thành một lớp màng mỏng che kín bề mặt lớp mạ kẽm. Lớp màng mới này không thấm nước, ngăn cản nước và thời tiết tấn công làm dừng quá trình ăn mòn điện hóa. Lúc này, lớp màng đóng vai trò như lớp bảo vệ thụ động.  Khi lớp màng bảo vệ này bị hư hỏng thì các phân tử kẽm lại sẵn sàng tham gia vào quá trình chống ăn mòn điện hóa mới. Cứ như thế, kẽm sẽ “hy sinh”, ngay cả khi lớp mạ kẽm bị trầy xước thì ăn mòn cũng không thể thực hiện được “ý đồ” tạo rỉ của mình và tấn công vào bên dưới lớp mạ. Quá trình này giúp bảo vệ cho kim loại không bị ăn mòn và tự hàn gắn “vết thương” tại các điểm trầy xước. Các loại sơn truyền thống hay sơn kẽm khác với hàm lượng kẽm (không phải độ tinh khiết của kẽm) dưới 92% không thể có được những ưu điểm trên. Do vậy, khi bị một lỗ thủng rất nhỏ, dù chỉ bằng dấu chấm cũng đủ để các tác nhân xâm thực có thể “đột nhập” vào sắt, làm cho sắt bị rỉ nhanh chóng. Mạ kẽm đã chứng minh tính năng bảo vệ ưu việt cho các công trình nên hầu như tất cả công trình của ngành Điện hiện nay đều sử dụng sắt thép được mạ kẽm nhúng nóng. Lớp mạ này theo thời gian cũng bị mòn dần, mức độ nhanh hay chậm tùy vào chất lượng mạ và môi trường ăn mòn. Khi đó, việc bảo trì bằng sơn phủ mạ kẽm lạnh thật sự là một giải pháp tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế vì lớp mạ kẽm mới sẽ liên kết phân tử với lớp mạ kẽm hiện hữu, duy trì chức năng chống ăn mòn catốt. Ngoài ra, phương pháp này cho phép thi công dễ dàng tại công trường với cách phun, quét hay lăn như các loại sơn truyền thống khác. Chương 5: Kết luận Tác hại của ăn mòn trong kết cấu là một vấn đề khá phức tạp, việc bảo vệ cho kết cấu tránh những thiệt hại đáng tiếc xảy ra là rất cần thiết, vì khi để xảy ra sự cố không những gây thiệt hại về kinh tế, môi trường mà còn gây ra thiệt hại về người và nó là vô cùng lớn. Trong nghiên cứu này nhóm chỉ giới hạn trong việc tìm nguyên nhân, xác định sức kháng còn lại sau ăn mòn và cách chống ăn mòn đặc trưng. Rất mong có sự đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy, đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, Thạc sĩ Đào Văn Dinh người đã hướng dẫn nhóm rất tận tình để hoàn thành bài nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS - TS Nguyễn Văn Tư , Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB khoa học kĩ thuật. [2]. ThS. Đào Văn Dinh, Giáo trình kết cấu thép, Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội. [3]. Báo cáo khoa học: Mô hình của kết cấu kim loại bị ăn mòn. [4]. Th.S Nguyễn Thị Thanh Châu, Ăn mòn và bảo vệ kim loại, Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh.