Phân tích đánh giá trạng thái ăn mòn thép chịu thời tiết tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng

KS. Mạc Văn Hà PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh  Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Bùi Đức Chính PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy

Tóm tắt: Cầu thép chịu thời tiết đầu tiên ở Việt Nam là cầu Chợ Thượng (Hà Tĩnh). Sau 15 năm đưa vào khai thác, công tác đánh giá trạng thái ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu này chưa được tiến hành. Bài báo trình bày tóm tắt kết quả phân tích, đánh giá trạng thái ăn mòn thép chịu thời tiết tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng để đánh giá được hiệu quả thực tế và khả năng áp dụng loại thép này ở Việt Nam. 

Từ khóa: Cầu Chợ Thượng, thép chịu thời tiết, chống ăn mòn.

Abstract: The first weathering steel bridge in Viet Nam is Cho Thuong bridge, Ha Tinh province. After 15 years of putting into operation, assessment work of corrosion state at connection positions of this bridge has not been conducted. This article presents a summary of analysis and assessment results of weathering steel corrosion state at connection positions of Cho Thuong bridge to assess actual effect and applicability of this steel in Vietnam.

Keywords: Cho Thuong bridge, weathering steel, anti-corrosion.

1. Giới thiệu

Trong cầu giàn thép, các vị trí liên kết thường có đặc điểm bị đọng nước, chứa rác thải và tập trung ứng suất... tạo ra môi trường ăn mòn thuận lợi gây ra tình trạng giảm khả năng chịu lực của cầu, tăng chi phí duy tu bảo dưỡng và làm giảm tuổi thọ công trình ^[1]. Tại các vị trí liên kết này công tác sơn bảo dưỡng hết sức khó khăn hoặc không triệt để do phạm vi chật hẹp. Hiện nay ở Việt Nam, các vị trí liên kết ở nhiều cầu thép thông thường, đặc biệt là cầu giàn, hiện tượng ăn mòn xảy ra rất khốc liệt. Trong khi đó, tại các vị trí liên kết cầu thép sử dụng thép chịu thời tiết lại chưa hề được khảo sát và đánh giá tình trạng ăn mòn.  

Trong điều kiện môi trường thích hợp, thép chịu thời tiết có thể không cần sơn, trên bề mặt thép sẽ hình thành lớp gỉ ngăn chặn sự phát triển quá trình ăn mòn. Để có thể đánh giá được tình trạng ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu thép chịu thời tiết trong điều kiện môi trường thực tế của Việt Nam, từ đó đánh giá được khả năng áp dụng rộng rãi loại thép này cho các công trình cầu thép ở Việt Nam, bài báo tiến hành phân tích, đánh giá trạng thái ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng, đây là vị trí chịu các tác nhân gây ăn mòn mạnh nhất trên cầu.

2. Khảo sát tình trạng ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng

2.1. Giới thiệu chung về cầu Chợ Thượng

Cầu Chợ Thượng nằm ở huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh trên tuyến đường sắt Bắc Nam, cách Hà Nội khoảng 338km, cách bờ biển khoảng 25km. Đây là cầu thép chịu thời tiết đầu tiên ở Việt Nam, cầu sử dụng vật liệu thép chịu thời tiết có ký hiệu SMA-W^[6] chế tạo theo Tiêu chuẩn JIS của Nhật Bản^[6]. Cầu được xây dựng xong vào năm 1999 bằng vốn hỗ trợ phát triển của Nhật Bản (ODA). Đặc trưng các loại thép chịu thời tiết sử dụng trên cầu Chợ Thượng được thể hiện trong Bảng 2.1. Toàn bộ phần cầu tính từ ray trở lên không sơn phủ, phần cầu tính từ ray trở xuống được sơn phủ do xét đến ảnh hưởng của nước thải trên cầu. Tới nay, sau 15 năm khai thác, cầu này mới được đánh giá tình trạng ăn mòn cho hệ thanh giàn, các vị trí liên kết chưa được đánh giá.

Hình 2.1: Cầu Chợ Thượng

Hà Tĩnh nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới có hai mùa khí hậu rõ ràng: Mùa mưa và mùa khô. Đây là khu vực thuộc vành đai nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng của khí hậu chuyển tiếp của miền Nam và miền Bắc, nên có các đặc điểm của khu vực khí hậu nhiệt đới điển hình của miền Nam và mùa đông lạnh khô của miền Bắc. Hàm lượng muối trong không khí trong khu vực nhỏ hơn 0,04mg/dm²/ngày^[1]. Theo khuyến cáo trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu trên đường cao tốc của Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản năm 2012^[5], cầu thép chịu thời tiết không sơn nên được áp dụng trong các vùng có hàm lượng muối không khí lắng đọng dưới 0,05mg/dm²/ngày^[5]. Do đó, cầu thép chịu thời tiết Chợ Thượng được áp dụng tại vị trí phù hợp theo Tiêu chuẩn thiết kế này^[5].

Bảng 2.1. Thành phần hóa học của các loại thép chịu thời tiết áp dụng trên cầu Chợ Thượng (Theo JIS G3114)^[5,2]

 

2.2. Phương pháp đánh giá

Phương pháp đánh giá ăn mòn được thể hiện trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Phương pháp đánh giá

 

2.3. Khảo sát tình trạng ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng

Nút giàn điển hình ở phía trên và phía dưới được thể hiện trong Hình 2.2.

hinh2

 

2.3.1. Kết quả khảo sát sử dụng phương pháp quan sát bằng mắt thường

Tiêu chuẩn đánh giá mức độ gỉ sắt bằng mắt thường được đề xuất như ở Bảng 2.2^[5,2]. Tiêu chuẩn này được sử dụng để quan sát bằng mắt thường tình trạng gỉ sắt của thép chịu thời tiết và thực hiện phân loại mức độ gỉ sắt dựa trên cấu trúc của các hạt gỉ sắt (kích thước, độ dày...). Mức độ gỉ sắt “5”, “4”, “3” là những trạng thái có tính năng chống ăn mòn. Mức độ gỉ sắt “2” có tính năng đẩy nhanh ăn mòn hơn dự kiến, do đó, đây là trạng thái cần chú ý tiến hành quan sát liên tục. Mức độ gỉ sắt “1” có tính năng đẩy nhanh ăn mòn nhanh chóng, cần đưa ra biện pháp xử lý^[2].

Bảng 2.3. Tiêu chuẩn đánh giá mức độ gỉ sắt bằng mắt thường^[5,2]

 

Theo kết quả khảo sát bằng mắt thường cho thấy, hầu hết các vị trí liên kết của cầu có trạng thái gỉ thông thường (mức độ gỉ “3”,“4”, “5”), thép phát huy tốt hiệu quả chống ăn mòn, các vị trí liên kết của nhịp 2 bị ăn mòn mạnh hơn cả so với các nhịp khác của cầu. Mặc dù cường độ nắng và gió ở phía Đông và phía Tây của cầu chịu ảnh hưởng khác nhau, tuy nhiên gỉ của các nút giàn đối xứng phía Đông và phía Tây về cơ bản tương đương nhau.

Mức độ gỉ của hầu hết các bộ phận kết cấu không sơn tại các nút giàn của nhịp 2 ở mức độ “4”, chỉ có phần kết cấu tiếp giáp liên kết bu lông nút giàn TJ5, TJ6, BJ5, BJ6, BJ7 của các thanh chéo có mức độ gỉ “3”. Ngoài hai thanh xiên, các kết cấu của nút giàn phía dưới đều được sơn 6 lớp có chất lượng tốt, chưa thấy xuất hiện các dấu hiệu hư hỏng sơn và ăn mòn kết cấu. Ký hiệu và vị trí của các nút giàn này được thể hiện trên Hình 2.3. Mức độ gỉ sắt của các nút giàn TJ5, TJ6, BJ5, BJ6, BJ7 của nhịp 2 sau 15 năm khai thác được thể hiện trong Bảng 2.3.

Ngoài các nút giàn phía dưới, các vị trí liên kết được sơn khác xuất hiện một vài điểm gỉ cục bộ, sơn bị bong tróc, bụi bẩn bám ở mức độ khá nhỏ.

Hình 2.3: Ký hiệu nút giàn của nhịp 2

 

Bảng 2.4. Kết quả đánh giá mức độ gỉ sắt của nhịp 2

 

2.3.2. Kết quả khảo sát sử dụng phương pháp đánh giá bằng siêu âm

Tiến hành đo chiều dày sau khi bị ăn mòn của các bộ phận kết cấu tại ba nút giàn có mức độ gỉ sắt mạnh hơn cả là nút giàn BJ5, BJ6, BJ7 ở phía Đông (ký hiệu lần lượt là BJ5-Đ, BJ6-Đ, BJ7-Đ).  Kết quả đo chiều dày trung bình sau khi bị ăn mòn của các bộ phận kết cấu tại ba nút giàn này được thể hiện ở Bảng 2.5.

Hình 2.4: Vị trí các nút giàn được khảo sát

 

Hình 2.5: Cấu tạo nút giàn BJ5-Đ

 

Hình 2.6: Cấu tạo điển hình nút giàn BJ6-Đ, BJ7-Đ

 

2.5. Kết quả đo chiều dày thép sau khi bị ăn mòn tại các nút giàn

Bảng 2.5. Kết quả đo chiều dày thép sau khi bị ăn món tại các nút giàn

 

Ghi chú: *) Chiều dày các kết cấu đã được sơn trong nút giàn, chiều dày trung bình sau khi bị ăn mòn được coi bằng chiều dày ban đầu

3. Phân tích trạng thái ăn mòn thép chịu thời tiết tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng

Từ kết quả khảo sát ở mục 2.3 cho thấy, sau 15 năm được đưa vào khai thác, hầu hết các vị trí liên kết của cầu có trạng thái gỉ thông thường, mức độ gỉ “3”,“4”,“5”, đây là mức độ thể hiện thép có tính năng chống ăn mòn tốt. Mất mát ăn mòn trung bình ở các kết cấu không sơn tại các nút giàn bị ăn mòn mạnh nhất là từ 0,05mm đến 0,08mm mỗi phía, trong khi đó, nếu tính toán lượng mất mát ăn mòn này theo lý thuyết là 0,087 mm mối phía (sau 15 năm). Mặt khác, lượng mất mát do bị ăn mòn sau 100 năm cho thép chịu thời tiết trong điều kiện môi trường khu vực cầu Chợ Thượng tính theo lý thuyết sẽ là 0,298mm. Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ của Nhật Bản^[3] đã đưa ra giá trị mất mát ăn mòn giới hạn của thép chịu thời tiết sau 100 năm cho mỗi phía là 0,5 mm. Điều này cho thấy thép chịu thời tiết của cầu này đang có xu hướng ăn mòn theo ăn mòn cho phép của thép chịu thời tiết.

Sau khi bị ăn mòn, ứng suất trong các thanh giàn tăng lên, đặc biệt là xung quanh vị trí liên kết, đồng thời khả năng chịu lực của vị trí các liên kết bị giảm xuống. Để đánh giá chi tiết trạng thái ăn mòn tại các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng, bài báo tiến hành kiểm tra về cường độ, về mỏi, về ổn định các thanh xiên nút giàn, đánh giá cường độ của bản nút giàn sau khi bị ăn mòn. Kết quả tính toán được thể hiện trên Bảng 3.1, Bảng 3.2 và Hình 3.1 trong đó các giá trị có đơn vị % là kết quả so sánh giá trị tính toán được tại trạng thái sau khi bị ăn mòn và tại trạng thái ban đầu.

Bảng 3.1. Kết quả đánh giá về cường độ, về mỏi, về ổn định của thanh giàn sau khi bị ăn mòn

 

Bảng 3.2. Kết quả đánh giá cường độ của bản nút giàn sau khi bị ăn mòn

 

 

Hình 3.1: Biểu đồ kiểm toán cường độ bản nút giàn

 

Từ kết quả tính toán có thể thấy, mức độ tăng ứng suất lớn nhất ở thanh chịu kéo nút giàn BJ7-Đ với giá trị lần lượt của ứng suất bền và ứng suất mỏi kiểm toán là +1,241% và +1,244%, nhỏ nhất ở thanh chịu nén nút giàn BJ5-Đ với các giá trị lần lượt của ứng suất bền, ứng suất mỏi và ứng suất ổn định kiểm toán tương ứng là +0,285%, +0,248% và 0,302%. Mức độ giảm khả năng chịu xé rách khi tính theo kết quả ăn mòn thực tế lớn nhất ở liên kết thanh chịu kéo nút giàn BJ7-Đ với giá trị là -1,276%, nhỏ nhất ở liên kết thanh chịu kéo nút giàn BJ5-Đ với giá trị là -0,336%.

Mức độ tăng ứng suất trong thanh xiên nút giàn, khả năng chịu xé rách liên kết giữa thanh giàn và bản nút giàn tính theo kết quả ăn mòn thực tế đều lớn hơn khi tính theo kết quả ăn mòn lý thuyết.

Sau khi bị ăn mòn, khả năng chịu lực của thanh giàn và bản nút giàn đều lớn hơn giá trị cường độ vật liệu và nội lực của thanh. Do đó có thể thấy, sau 15 năm khai thác, các vị trí liên kết của cầu Chợ Thượng hoàn toàn đảm bảo mức độ an toàn cao về mặt chịu lực.

4. Kết luận

Như xu thế ăn mòn của cầu thép thông thường, trên cầu thép sử dụng thép chịu thời tiết, vị trí liên kết sẽ chịu các tác động ăn mòn lớn, do đó chúng sẽ bị ăn mòn mạnh hơn so với hầu hết các vị trí khác trên cầu. Tại các vị trí nút giàn ở giữa cầu đối với cầu vượt sông, mức độ ăn mòn cũng xảy ra mạnh hơn ở các vị trí nút giàn phía đầu cầu.

Lượng mất mát do ăn mòn thực tế thấp hơn lượng mất mát do ăn mòn tính toán theo lý thuyết. Lượng mất mát do ăn mòn có xu hướng theo ăn mòn cho phép của thép chịu thời tiết^[3],[5].

Tỷ lệ mất mát khả năng chịu lực của liên kết khi xét đến mất mát do ăn mòn đo thực tế nhỏ hơn khi tính toán xét đến mất mát do ăn mòn theo lý thuyết. Tỷ lệ mất mát khả năng chịu lực của thanh và liên kết thanh chịu nén khi xét đến ăn mòn thường nhỏ hơn so với các thanh và liên kết thanh chịu kéo, điều này là do các thanh chịu nén thường có mặt cắt dạng kín, còn các thanh chịu kéo thường có mặt cắt dạng hở. Mặt cắt dạng kín chịu tác động của các tác nhân gây ăn mòn nhẹ hơn mặt cắt dạng hở.

Tuy nhiên, để có thể đánh giá một cách đúng đắn và hiệu quả thép chịu thời tiết tại các vị trí liên kết trên cầu thép ở Việt Nam, cần phải có kết quả nghiên cứu trong thời gian dài. Do đó, cần tiếp tục điều tra ăn mòn thường xuyên trong tương lai tại các vị trí liên kết trên cầu thép chịu thời tiết ở Việt Nam.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Nguyễn Viết Trung và cộng sự (2012), Nghiên cứu ứng dụng thép chịu thời tiết áp dụng cho xây dựng cầu ở Việt Nam, Đề tài NCKH cấp Bộ GD&ĐT.

[2]. PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2014), Kết quả điều tra tình trạng của thép chịu thời tiết áp dụng ở cầu Chợ Thượng, Tạp chí GTVT.

[3]. PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh, TS. Masahide Takagi (2013), Đánh giá khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết qua kết quả thử nghiệm ban đầu ở Việt Nam, Tạp chí GTVT.

[4]. Trường Đại học GTVT, Tập đoàn thép Nippon Steel & Sumitomo Metal (2012), Hướng dẫn sử dụng thép chịu thời tiết cho công trình cầu ở Việt Nam, NXB. Khoa học Công nghệ.

[5]. Japan Road Association (2012), Specifications for Highway Bridges - Part II - Steel Bridges, Tokyo, Japan.

[6]. Japan Road Association (2014), JIS 3114 - Steel.

[7]. T. Murata (2000), “Weathering steel” in Uhlig’s Corrosion Handbook, J. Wiley & Sons, New York.