THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN Ở VIỆT NAM

CẦU – HẦM 44 Th«ng tin Quý 2 2013 Tóm tắt Việt Nam là 1 trong 10 nước có chỉ số cao nhất về chiều dài bờ biển, bên cạnh đó môi trường biển của Việt Nam xâm thực mạnh hơn môi trường biển nhiều nước trê. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN Ở VIỆT NAM

CẦU – HẦM THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN Ở VIỆT NAM KS ĐẶNG VŨ TUẤN TS LÊ HỒNG HÀ Cơng ty CP Tư vấn thiết kế Đường Tóm tắt: Việt Nam 10 nước có số cao chiều dài bờ biển, bên cạnh mơi trường biển Việt Nam xâm thực mạnh môi trường biển nhiều nước giới, việc chống ăn mịn bảo vệ cơng trình cầu cần thực sở công nghệ giới gắn với điều kiện thực tế Việt Nam Hiện nước ta, giải pháp chủ yếu chống xâm thực cho kết cấu bê tông kết cấu BTCT môi trường biển quy định TCXDVN 327:2004, giải pháp chống ăn mòn với kết cấu thép chưa quy định cụ thể quy trình quy phạm Dựa phân tích nghiên cứu dạng hư hỏng xâm thực, nhận thấy nguyên nhân chủ quan từ trình thiết kế, thi cơng, tu bảo dưỡng cơng trình từ nhiều nguyên nhân khách quan điều kiện khắc nghiệt mơi trường, hạn chế quy trình quy phạm hành công nghiệp sản xuất, chế tạo, lắp dựng … Qua đó, cần thiết phải xây dựng chiến lược có tính lâu dài cho viêc chống xâm thực cho kết cấu BTCT thép vùng biển Việt Nam từ công tác thiết kế, thi công, quản lý tu cơng trình kết cấu nói chung, kết cấu cầu nói riêng Trong thời gian chưa có hệ thống đầy đủ này, dự án cụ thể cần ý vấn đề bảo vệ cho kết cấu BTCT thép điều kiện kinh tế-xã hội Việt Nam, kết hợp tham khảo nước khác giới GIỚI THIỆU CHUNG Thế kỷ XXI giới coi “thế kỷ đại dương” Các quốc gia có biển quan tâm đến biển coi trọng việc xây dựng chiến lược biển Nước ta có bờ biển dài 3444km từ Móng Cái (tỉnh Quảng Ninh) đến Hà Tiên (tỉnh Kiên Giang), với vùng biển rộng triệu km2, có 30 cảng biển, 112 cửa sơng, 47 vũng, vịnh khoảng 3.000 đảo lớn, nhỏ; vùng biển nước ta tiếp giáp với nước: Trung Quốc, Philippin, Malaixia, Indonexia, Brunây, Thái Lan Campuchia Là quốc gia nằm số 10 nước giới có số cao chiều dài bờ biển, mở hướng Đơng, Nam Tây; có vùng biển thềm lục địa rộng lớn, diện tích vượt triệu km2, lớn gấp lần diện tích đất liền; có 3000 hịn đảo lớn, nhỏ, gần bờ xa bờ, chạy suốt từ vịnh Bắc Bộ tới vịnh Thái Lan Những vị thế, địa lý tự nhiên tiềm kinh tế vùng biển 44 Th«ng tin nước ta có tầm quan trọng chiến lược xây dựng bảo vệ Tổ quốc Thực chủ trương phát triển kinh tế biển Chính phủ, năm gần đây, nhiều cơng trình hạ tầng ven biển triển khai hệ thống cảng biển, khu kinh tế ven biển, tuyến đường ven biển v.v… Một công trình thuộc cơng trình hạ tầng cơng trình cầu vùng ven biển vùng biển Trên giới có nhiều cơng trình cầu dạng cầu Giao Châu (Trung Quốc) dài 42,58km, cầu Hàng Châu (Trung Quốc) dài 32,5km, cầu Inchoen (Hàn Quốc) dài 12km, cầu Stretto di Messina (Ý) dài 4km, cầu Harilaos Trikoupis (Hy Lạp) dài 2,5km, cầu Oresund (Thụy Điển Đan Mạch) dài 16km, cầu Vasco DeGama (Brasil) dài 17,2km… Ở Việt Nam, có nhiều cơng trình cầu bị ảnh hưởng môi Quý 2.2013 trường biển cầu Cửa Lấp (Vũng Tầu), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh), cầu Bính (Hải Phịng), cầu Thị Nại (Bình Định)… Quan điểm chung bảo vệ cho kết cấu bê tông & thép môi trường biển bảo vệ bê tông thép Ở Việt nam, vấn đề nghiên cứu biện pháp bảo vệ cơng trình tiến hành từ năm 1970 với nhiều đơn vị nghiên cứu Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Thuỷ Lợi, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học vật liệu - TTKHTN&CNQG, Viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Tổng công ty TVTK GTVT Tuy nhiên kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế xây dựng chưa phổ biến, chủ yếu riêng lẻ số công CẦU – HẦM trình người thiết kế cơng trình cụ thể nghiên cứu áp dụng kết cấu, vật liệu phương pháp chống ăn mịn Nhiều cơng trình chịu ảnh hưởng môi trường biển xây dựng từ năm 1960 đến áp dụng theo quy phạm xây dựng thơng thường, ý đến vấn đề bảo vệ cơng trình mơi trường biển nhằm đảm bảo độ bền vững cho cơng trình, dẫn đến kết tuổi thọ nhiều cơng trình cịn chưa cao Đến năm 2005, Bộ Xây dựng đưa tiêu chuẩn TCXDVN327:2004 yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn môi trường nước biển cho kết cấu bê tông BTCT ĐẶC ĐIỂM MƠI TRƯỜNG (KHÍ QUYỂN VÀ NƯỚC) VÙNG BIỂN Ở VIỆT NAM 2.1 Mơi trường khí vùng biển Khí biển ven biển thường chứa nồng độ cao chất xâm thực điều kiện khô ướt thay đổi mưa gió mùa Ảnh hưởng khí biển ven biển lên kết cấu bê tông cốt thép thép chủ yếu thể qua tính chất xâm thực ion Cl- có khơng khí điều kiện nóng ẩm mang tính đặc thù khí hậu vùng biển Việt Nam [5,12] Các đặc điểm chung khí hậu sau: - Bức xạ mặt trời: Việt Nam nằm vành đai nội chí tuyến nên xạ mặt trời nhận vùng ven biển lớn từ 100 ¸150 kcal/cm2 Lượng nhiệt xạ tăng dần từ Bắc vào Nam đạt cao cực Nam Trung Với lượng xạ cao thúc đẩy trình bốc nước biển đem theo ion Cl- vào khí - Nhiệt độ khơng khí: Vùng biển nước ta có nhiệt độ khơng khí tương đối cao, trung bình từ 22,5~22,7oC, tăng dần từ Bắc vào Nam Miền Bắc có 2, tháng mùa đông, nhiệt độ 20oC Miền Nam nhiệt độ cao quanh năm, biên độ dao động 3-7oC - Độ ẩm khơng khí: Độ ẩm tương đối khơng khí mức cao so với vùng biển khác giới, dao động trung bình từ 75~80% Cụ thể: + Vùng ven biển Bắc Bắc Trung : 83~86%; + Vùng ven biển Trung Nam Trung bộ: 75~82%; + Vùng ven biển Nam bộ: 80~84% Theo TCVN 3994: 198, với độ ẩm tương đối cao vậy, mơi trường khơng khí biển ven biển Việt Nam có ảnh hưởng mạnh tới trình ăn mịn kết cấu thép vật liệu thép bê tơng cốt thép - Chế độ mưa có số đặc điểm sau đây: + Lượng mưa trung bình năm từ 600-5000 mm tồn quốc + Mùa mưa biến đổi mạnh mẽ từ năm qua năm khác, thời gian bắt đầu, tháng cao điểm thời gian kết thúc Nói chung, mùa mưa dao động phạm vi 3-4 tháng tuỳ thuộc vào khu vực + Lượng mưa năm khu vực Trung Bộ không ổn định Bắc Bộ Nam Bộ Việt Nam - Thời gian ẩm ướt bề mặt: Đây đặc điểm riêng khí hậu ven biển Việt Nam có ảnh hưởng lớn tới q trình ăn mịn thép bê tông cốt thép Thời gian gây Quý 2.2013 ướt bề mặt kết cấu vùng ven biển tỉnh Miền Bắc tập trung vào mùa xuân, tỉnh Miền Nam tập trung vào tháng mưa mùa hạ khoảng 50% so với Miền Bắc - Tốc độ gió: Gió Việt Nam thường có tốc độ gió trung bình vùng ven biển từ 4,5~6m/s, đảo xa tốc độ gió đạt tới 6~8m/s Có thể thấy vận tốc gió trung bình vùng biển khơng lớn hàng năm thường có đợt gió lớn bão, lốc, gió mùa Đơng Bắc, gió mùa Tây Nam Tốc độ cực đại đạt tới 140km/h (tương đương 38,8 m/s) Hướng gió thịnh hành Đơng Bắc, Đơng Nam Tây Nam Các hướng gió thổi từ biển vào mang theo chất xâm thực gây ảnh hưởng sâu vào đất liền tới 20~30 km - Hàm lượng ion Cl- khơng khí: hàm lượng muối phân tán khơng khí sát mép nước trạm đo tỉnh miền Bắc dao động từ 0,4~1,3 mgCl-/m3 miền Nam giá trị từ 1,3~2,0 mgCl-/m3 [12] Nồng độ ion Cl- giảm mạnh cự ly 200~250 m tính từ mép nước biển, sau tiếp tục giảm dần sâu vào đất liền - Theo số liệu khảo sát ảnh hưởng khí ven biển tới q trình ăn mịn thép bê tơng cốt thép [11], nhận thấy phạm vi ảnh hưởng khí hậu Việt Nam tới q trình ăn mịn kết cấu cơng trình sau: Th«ng tin 45 CẦU – HẦM + Vùng ven biển Miền Bắc ảnh hưởng khí biển vào sâu đất liền trung bình 20 km tới 30 km + Vùng ven biển Miền Nam Miền Trung ảnh hưởng khí biển trung bình 20 km, sâu tới 50 km - Do ảnh hưởng vậy, kết cấu BTCT thép vùng khí biển ven biển chịu mức độ xâm thực nhẹ¸ trung bình mạnh Tại vùng ven biển từ 0~0,25km kết cấu cơng trình trực diện với gió biển bị xâm thực từ mạnh đến mạnh 2.2 Môi trường nước biển Vùng biển Việt Nam nằm trải dài 3200km từ 8~24o vĩ bắc Theo tính chất xâm thực mức độ tác động lên kết cấu phân mơi trường biển Việt Nam thành vùng có ranh giới rõ sau - Vùng hoàn toàn ngập nước biển; - Vùng nước lên xuống (bao gồm phần sóng đánh); - Vùng khí ven biển, gần bờ Nước biển đại dương giới thường chứa khoảng 3,5% muối hoà tan: 2,73% NaCl ; 0,32% MgCl2 ; 0,22% MgSO4 ; 0,13% CaSO4; 0,02% KHCO3 lượng nhỏ CO2 O2 hoà tan, pH ≈ 8,0 Do vậy, nước biển đại dương mang tính xâm thực mạnh tới dạng kết cấu BTCT thép Theo tài liệu [1,5], nước biển Việt Nam có thành phần hố học, độ mặn tính xâm thực tương đương đại dương khác giới, riêng vùng gần bờ có suy giảm chút ảnh hưởng sơng chảy biển (xem bảng bảng 2) Trong vùng nước lên xuống sóng đánh tính chất xâm thực môi trường tăng cường thêm yếu tố sau: - Q trình khơ ướt xảy thường xuyên liên tục theo thời gian, tác động từ ngày qua ngày khác lên bề mặt kết cấu làm tăng nhanh mức tích tụ ion Cl-, H2O O2 từ nước biển khơng khí vào bê tơng thơng qua q trình khuyếch tán nồng độ lực hút mao quản - Ngồi q trình ăn mịn hóa học điện hóa, bề mặt kết cấu xảy ăn mòn sinh vật gây nên loại hà sò biển, bị bào mịn học sóng biển vào ngày dơng bão mùa gió lớn - Do đặc điểm nên vùng nước lên xuống sóng đánh xem vùng xâm thực mạnh BTCT, xâm thực mạnh bê tông Bảng 1.Thành phần hóa học nước biển Việt nam giới Chỉ tiêu Đơn vị pH ClNa+ SO42Mg2+ g/l g/l g/l g/l Vùng biển Hòn gai 7,8 - 8,4 6,5 - 18,0 1,4 - 2,5 0,2 - 1,2 Vùng biển Hải phòng 7,5 - 8,3 9,0 - 18,0 0,002 - 2,2 0,002 - 1,1 Biển Bắc Mỹ Biển Bantíc 7,5 18,0 12,0 2,6 1,4 8,0 19,0 10,5 2,6 1,3 Bảng Độ mặn nước biển tầng mặt vùng biển Việt nam, % Tháng Trạm Cửa Ông Hòn Gai Hòn Dấu Văn Lý Cửa Tùng Sơn Trà Vũng Tàu Bạch Long Vĩ Trường Sa 46 Th«ng tin XII 29,2 30,8 26,3 25,9 22,8 8,7 30,4 32,7 32,9 Mùa đông I 30,0 31,5 28,1 18,3 27,2 17,6 33,1 33,3 33,1 II 30,4 31,6 28,1 29,5 29,3 22,8 34,7 33,6 33,0 Quý 2.2013 VI 25,3 31,2 17,1 25,4 31,8 29,8 33,5 33,4 Mùa hè VII 23,4 30,8 11,9 20,1 31,3 21,2 29,8 32,6 33,0 Trung bình năm VIII 21,3 29,3 10,9 19,0 31,7 26,9 27,6 32,0 32,8 26,6 30,9 21,2 24,4 17,4 30,1 33,0 33,1 CẦU – HẦM Căn vào cách phân loại môi trường xâm thực đề cập TCVN 3994: 1985, số nghiên cứu [1~4] tiêu chuẩn nước liên quan hành, phân loại mức độ tác động mơi trường biển đến kết cấu bê tông & BTCT bảng Bảng Phân loại mức độ xâm thực môi trường biển loại kết cấu Mức độ tác động ăn mịn mơi trường kết cấu Môi trường STT Bê tông BTCT Vùng ngập nước biển Mạnh Mạnh Thép Rất mạnh Vùng nước lên xuống sóng đánh Mạnh Rất mạnh Rất mạnh Vùng khí ven biển Nhẹ Trung bình Mạnh Hình Hư hỏng kết cấu BTCT a) tỉnh Bà Rịa-Vũng Tầu b) thành phố Hải Phòng CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG KẾT CẤU CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 3.1 Hư hỏng tác động xâm thực môi trường biển 3.1.1 Cầu BTCT Tình trạng ăn mịn thép kết cấu bê tông vùng biển Việt Nam mức báo động, đặc biệt vùng ven biển có thủy triều lên xuống vùng khí biển Theo ước tính có 50% số lượng kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép vùng biển Việt Nam bị ăn mòn bị phá hủy nghiêm trọng [3,5] Qua khảo sát, nhiều cơng trình xây dựng vùng ven biển vùng có khí hậu biển nước ta cảng biển, giàn khoan dầu khí sau từ 10 đến 20 năm sử dụng xuất hiện tượng ăn mòn thép, làm nảy sinh vết nứt bề mặt bê tông, nhiều trường hợp bê tông bảo vệ bị vỡ lớp gỉ cốt thép dày Điều làm thay đổi kết cấu, giảm khả chịu lực thép giảm tuổi thọ cơng trình xây dựng Tư liệu kết khảo sát độ bền thực tế công trình bê tơng cốt thép xây dựng vùng biển nước ta [6] cho phép khẳng định môi trường biển Việt Nam có tác động xâm thực mạnh dẫn tới ăn mịn phá huỷ cơng trình bê tông & BTCT Mức độ xâm thực phụ thuộc vào vị trí điều kiện làm việc cụ thể kết cấu cơng trình So với nước khác, mơi trường biển Việt Nam có đặc thù khí hậu nóng ẩm, mưa bão nhiều tạo ăn mòn mạnh kết cấu BTCT Quý 2.2013 Bằng chứng rõ nét tác động ảnh hưởng mơi trường biển tới độ bền cơng trình bê tơng & BTCT tạo q trình sau: - Q trình thấm ion Cl- vào bê tơng gây ăn mòn phá huỷ cốt thép; - Quá trình thấm ion SO42vào bê tơng, tương tác với sản phẩm thuỷ hoá đá xi măng tạo khống ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (ăn mịn sunfat); - Q trình cacbonat hố làm giảm độ pH bê tông theo thời gian làm phá vỡ màng thụ động bảo vệ cốt thép, góp phần đẩy nhanh q trình ăn mịn cốt thép làm phá huỷ kết cấu; - Quá trình khuếch tán oxy ẩm clo vào bê tông điều kiện mơi trường nhiệt độ khơng khí cao điều kiện làm cho Th«ng tin 47 CẦU – HẦM q trình ăn mịn cốt thép xảy mạnh; - Các tượng xâm thực khác: ăn mòn rửa trơi, ăn mịn vi sinh loại hà, sị biển gây ra, ăn mịn học sóng biển 3.1.2 Cầu thép Hiện năm tới nhu cầu đầu tư xây sửa chữa cơng trình vùng biển tăng mạnh, cơng trình thép chiếm tỷ trọng lớn So với BTCT kết cấu thép có ưu điểm gọn nhẹ tốc độ thi công lắp dựng nhanh hơn, phải trực tiếp chịu tác động môi trường biển nên loại kết cấu không bảo vệ tốt bị ăn mòn nhanh Ăn mòn làm cho tiết diện kết cấu thép giảm đi, làm giảm độ tin cậy khả chịu lực kết cấu, làm tăng khả phá hoại giòn kết cấu thép Ăn mòn làm cho cấu kiện sớm bị phá hoại phải sửa chữa nhiều Q trình ăn mịn phá hủy kết cấu thép diễn nhanh Tại số cơng trình có tượng gỉ thép cục bộ, đốm gỉ, bong tróc Mức độ xâm thực có khác biệt vùng miền Ví dụ: khu vực Nha Trang tốc độ ăn mịn thép CT3 52,3µm/năm, Kiên Giang: 41,4µm/năm, Nghệ An: 39,3µm/năm, Hải Phịng: 31,46µm/năm [7] Ăn mịn kết cấu thép vùng biển gây thiệt hại kinh tế lớn, chi phí cho sửa chữa, khắc phục chiếm tới 30~70% mức đầu tư xây dựng công trình Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình ăn mòn kết cấu thép như: + Sử dụng vật liệu kết cấu thép chưa hợp lý + Hiệu phương pháp chống ăn mòn kết cấu thép chưa cao Vật liệu kết cấu thép phong phú thay đổi qua thời kỳ Nhiều kết khảo sát trạng làm việc kết cấu thép cho thấy vật liệu thép kết cấu có ảnh hưởng lớn dến tuổi thọ cầu thép Tuy nhiên, chưa có nhiều tài liệu độ bền ăn mịn thép kết cấu cầu thép mơi trường biển Việt Nam Vì việc nghiên cứu làm việc thép kết cấu môi trường biển để phục vụ công tác thiết kế, thi công tu bảo dưỡng cầu thép cần thiết có ý nghĩa thực tiễn 3.2 Hư hỏng thiết kế, thi công, quản lý tu cơng trình Độ bền (tuổi thọ) kết cấu cơng trình BTCT mơi trường biển kết tổng hợp công đoạn thiết kế, thi công, giám sát chất lượng quản lý sử dụng cơng trình Vấn đề liên quan đến trình độ khoa học - cơng nghệ xây dựng nước ta Vì để Hình Hư hỏng kết cấu thép a) tổng thể kết cấu cầu thép 48 Th«ng tin Quý 2.2013 nâng cao độ bền cơng trình mơi trường biển Việt Nam cần sâu xem xét nhìn nhận nguyên nhân dẫn đến ăn mòn phá huỷ kết cấu thể rõ mặt thiết kế, thi công quản lý sử dụng công trình 3.2.1 Hư hỏng thiết kế cơng trình Trong trình thiết kế, nhiều nguyên nhân khác nên nhiều trường hợp, loại kết cấu vật liệu chọn lựa kiến nghị sử dụng chưa đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn, đảm bảo độ bền lâu dài cho cơng trình mơi trường biển Việt Nam… Bên cạnh đó, việc lựa chọn hình dạng kiến trúc kiểu dáng cơng trình quan trọng, cần thiết phải phân tích, nghiên cứu thiết kế hợp lý cho phù hợp với môi trường vùng biển Với dạng kết cấu cầu khác (cọc, móng mố trụ, dầm, lan can …) môi trường biển khác (ven biển, xa bờ …) cần phải có ý dẫn cụ thể công tác thiết kế Trong số trường hợp, với phận kết cấu khác nằm vị trí chịu ảnh hưởng xâm thực mạnh môi trường, công tác thiết kế chưa ý tăng cường biện pháp bảo vệ chống ăn mòn b) chi tiết thép CẦU – HẦM 3.2.2 Hư hỏng thi cơng cơng trình Chất lượng thi cơng giám sát xây dựng cơng trình cịn nhiều hạn chế, nhiều cơng đoạn cịn chưa giới hóa nên khó đảm bảo chất lượng xây lắp Lớp bê tông bảo vệ nhiều kết cấu thi công chưa đảm bảo, nhiều chỗ thi công thực tế nhỏ yêu cầu thiết kế nên khơng thể đảm bảo khả chống ăn mịn cho kết cấu thời gian khai thác yêu cầu Công tác giám sát thi công, quản lý chất lượng nghiệm thu cơng trình chưa trì chặt chẽ, thường xuyên Việc đảm bảo chiều dày bảo vệ thiết kế kết cấu BTCT thực tế chưa quan ý Sử dụng vật liệu (nước, cát, đá …) khu vực thi công tác nhân gây hư hỏng cơng trình Một số cơng trình sử dụng cát biển nước biển để chế tạo bê tơng sau thời gian ngắn (khoảng 5~10 năm) cơng trình có nhiều hư hỏng, cần sửa chữa bổ sung lớn 3.2.3 Hư hỏng quản lý, tu trình khai thác sử dụng cơng trình Trong nhiều cơng trình cầu, sau xây dựng xong đưa vào khai thác sử dụng, đơn vị quản lý chưa quy định cụ thể, đặc thù cho cơng trình môi trường biển kiểm tra định kỳ, đánh giá chất lượng cơng trình … nhằm phát nguyên nhân mầm mống gây hư hỏng kết cấu cơng trình để sớm có biện pháp tu sửa chữa kịp thời Tại nhiều cơng trình cịn chưa áp dụng biện pháp cơng nghệ bảo trì khắc phục hư hỏng cục ăn mịn mơi trường xâm thực mạnh Mặc dù nhiều cơng trình có quy định riêng tu bảo dưỡng, nhiều nguyên nhân khác nên việc thực cịn nhiều thiếu sót, dẫn đến hư hỏng cơng trình có báo cáo nhận thiếu sót CÁC VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÁC CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 4.1 Các biện pháp nâng cao khả chống ăn mòn xâm thực 4.1.1 Các biện pháp nâng cao với cầu BTCT Các biện pháp chủ yếu nhằm nâng cao khả chống ăn mịn cầu BTCT mơi trường biển chủ yếu gồm biện pháp sau: - Tăng cường khả chống thấm bê tơng đặc tính quan trọng định thời gian khai thác sử dụng cơng trình Các biện pháp tăng cường tính chống thấm bêtông gồm [1,3]: + Tăng hàm lượng ximăng có xét đến ảnh hưởng nhiệt thủy hóa gây nứt bêtơng bêtơng khối lớn, đồng thời qui định dùng ximăng bền sulphat + Giảm tỷ lệ nước/ximăng qua biện pháp dùng phụ gia dẻo hóa siêu dẻo - Tăng chiều dày bê tông bảo vệ: việc giúp tăng khoảng thời gian để nồng độ ion clorua (tác nhân gây ăn mịn cốt thép) từ mơi trường biển xâm thực đến bề mặt cốt thép - Dùng loại vật liệu chống thấm cho bề mặt bê tông phun dung dịch, sử dụng màng chống thấm… - Bảo vệ điện hóa (phương pháp catốt) áp dụng rộng rãi để tăng cường khả chống ăn mòn cốt thép cơng trình BTCT Q 2.2013 vùng biển Sự có mặt ion clorua bêtơng làm tăng tính dẫn điện giảm điện yêu cầu để cung cấp bảo vệ catôt cần thiết cho cốt thép, giảm khả ăn mòn cốt thép bê tông - Sử dụng cốt thép phủ (epoxy, sơn…) sử dụng nhiều nước phát triển sử dụng hiệu quả, công tác bảo dưỡng giảm nhiều so với dùng màng chống thấm hay phụ gia bề mặt khác - Sử dụng cốt thép không gỉ, thép thời tiết… kết cấu BTCT làm việc môi trường khắc nghiệt, chưa phổ biến giá thành ban đầu cao (thường gấp 7-12 lần thép cacbon bình thường) Để giảm giá thành, dùng thép khơng rỉ vùng quan trọng thép cacbon vùng lại, cần phải ý tượng ăn mịn điện hóa gây ăn mịn thép cacbon - Sử dụng phụ gia chống ăn mòn nhằm tăng cường khả chống xâm thực bê tông môi trường biển Có thể sử dụng loại phụ gia phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép (trộn nitrat canxi bê tông), phụ gia lấp lỗ rỗng bề mặt, màng chống thấm bề mặt, phụ gia tăng tính chống thấm … 4.1.2 Các biện pháp nâng cao với cầu thép Để chống ăn mòn cho kết cấu cầu thép vùng biển thường lựa chọn áp dụng biện pháp sau: - Tăng cường chiều dày kết cấu thép biện pháp thông dụng để bảo vệ ăn mịn Th«ng tin 49 CẦU – HẦM kết cấu thép Theo đó, chiều dày kết cầu thép tăng lên dự trữ cho phần mát ăn mòn gây - Sử dụng kim loại, hợp kim bị ăn mịn mơi trường xâm thực Phổ biến loại vật liệu thép dạng sử dụng vật liệu titan, hợp kim thấp loại thép thời tiết… - Phương pháp bảo vệ catơt biện pháp điện hóa khác Trong hệ thống bảo vệ ca-tơt, dịng trực tiếp lớn dịng ăn mịn từ sản phẩm thép vào mơi trường điện phân (nước biển) dòng liên tục từ nguồn bên vào sản phẩm thép để chống ion hóa (ăn mịn) sản phẩm thép Có hai dạng bảo vệ catơt hệ nguồn dịng ngồi hệ anốt hy sinh (protector) + Dạng bảo vệ dịng ngồi cơng trình (kim loại cần bảo vệ) đóng vai trị catốt với dịng điện bên ngồi để phân cực Dịng điện ngồi lấy từ điện lưới, qua hạ chỉnh lưu để trở thành nguồn chiều Hệ thống chống ăn mòn cọc thép cầu Bến Thủy áp dụng phương pháp bảo vệ + Trong hệ anôt hysinh, vật liệu kim loại có xu hướng ion hóa lớn/nhỏ và/hoặc cao/thấp nhôm, kẽm, magia, v.v… sử dụng để gắn vào thép bị ion hóa (ăn mịn dần) thay cho thép để bảo vệ sản phẩm thép khơng bị ăn mịn mơi trường xâm thực mạnh - Sử dụng lớp phủ (kim loại, sơn …) chống ăn mịn cho kết cấu thép, bền với mơi trường Trong biện pháp nêu sử dụng hệ sơn phủ tạo lớp ngăn cách môi trường với bề mặt thép biện pháp 50 Th«ng tin bảo vệ hiệu thơng dụng có ưu điểm thi công đơn giản, áp dụng cho kết cấu có kích thước hình dạng khác Mặt khác dùng biện pháp sơn phủ cơng tác bảo trì dễ dàng Vì thế, có tới 80% bề mặt kim loại bảo vệ sơn với chủng loại sơn phong phú [6,7] Ngày nay, với phát triển nhanh ngành kỹ thuật hợp chất cao phân tử nói chung ngành sơn nói riêng, loại chất tạo màng có khả bám dính tốt thép chống ăn mòn cao epoxy, polyuretan, furan, silicon, khả nâng cao hàm lượng chất rắn việc sử dụng dung mơi hoạt tính, chất hoạt động bề mặt phụ gia nâng cao độ bền nước màng sơn, tạo khả sơn có độ ẩm cao, tạo nên hệ sơn có khả bảo vệ cao đáng tin cậy, chống ăn mòn cho kết cấu thép Phương pháp bảo vệ catốt ban hành phương pháp bảo vệ ăn mịn tiêu chuẩn cho kết cấu thép có vùng ngập nước ngập bùn bảo vệ lớp phủ/sơn phủ phương pháp bảo vệ ăn mòn tiêu chuẩn cho kết cấu thép có vùng thủy triều, vùng bắn nước vùng khí 4.2 Các yêu cầu thiết kế Trong trình thiết kế cơng trình, cần phải lựa chọn giải pháp thiết kế hợp lý đảm bảo tiêu kinh tế kỹ thuật, đồng thời thuận lợi cho việc kiểm sốt chất lượng, bảo trì bảo dưỡng cơng trình nhằm đảm bảo tuổi thọ cơng trình Việc lựa chọn hình dạng cảnh quan cơng trình tiêu chí quan trọng chi phối việc lựa chọn phương án kết cấu, đồng thời Quý 2.2013 phải cân nhắc có giải pháp bổ sung bảo vệ kết cấu môi trường xâm thực mạnh vùng biển Về mặt thiết kế việc tuân thủ theo tiêu chuẩn thiết kế hành kết cấu BTCT thép cơng trình xây dựng vùng biển Việt Nam để đảm bảo độ bền lâu dài cần đáp ứng thêm kiến nghị nêu quy phạm hành, kết hợp với tham khảo vận dụng phù hợp quy trình quy phạm nước khác Nhật Bản (JS), Mỹ (AASHTO), Nga (SNIP) Cơng tác thiết kế cho cơng trình có nguy ăn mịn phải trọng đặc biệt từ chọn loại vật liệu kết cấu, vật liệu sử dụng, phương pháp bảo vệ bổ sung … Qua việc phân tích kiến nghị biện pháp nâng cao khả chống ăn mịn xâm thực mơi trường biển với cầu BTCT thép, thiết kế cần ý vấn đề bảo vệ chống ăn mòn với kết cấu BTCT thép với nói phần 4.1 Việc lựa chọn vật liệu xây dựng (VLXD) đề cập đến phần 4.1, nhiên thành phần VLXD chi tiết phải xem xét kỹ lưỡng để dự báo phản ứng phụ gây nguy hại cho cơng trình sau Các loại vật tư, vật liệu đặc chủng yêu cầu phải nhập ngoại cần phải chọn lọc kiểm soát chất lượng nhằm đảm bảo chịu lực tuổi thọ kết cấu cơng trình Sau thiết kế nhiều cơng trình, cần tổng hợp ngun nhân hư hỏng (mặc dù tuân thủ quy trình quy phạm hành thời điểm thiết kế) để đề xuất quy định thiết kế nhằm đảm bảo chất lượng tuổi thọ kết cấu cơng trình CẦU – HẦM Bảng Các yêu cầu tối thiểu thiết kế bảo vệ kết cấu BTCT chống ăn mịn mơi trường biển Tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 đưa yêu cầu kỹ thuật về: thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả chống ăn mịn cho kết cấu bê tơng bê tông cốt thép Yêu cầu thiết kế tiêu chuẩn rõ bảng 4, quy định yêu cầu tối thiểu thiết kế áp dụng cho cơng trình có tuổi thọ tới 50 năm (xem bảng 4) Ví dụ cơng trình yêu cầu có niên hạn sử dụng cao tới 100 năm (như với quy trình cầu) cần áp dụng biện pháp bảo vệ hỗ trợ sau: - Tăng mác bê tông thêm 10 MPa độ chống thấm thêm cấp tăng chiều dày lớp bê tông (BT) bảo vệ thêm 20 mm; - Tăng cường bảo vệ mặt kết cấu lớp bê tơng phun khơ có mác bê tơng kết cấu dày tối thiểu 15mm; - Tăng cường thêm lớp sơn chống ăn mòn phủ mặt cốt thép trước đổ bê tông; - Nên quét sơn chống thấm bề mặt kết cấu, dùng chất ức chế ăn mòn cốt thép bảo vệ trực tiếp cốt thép phương pháp bảo vệ catốt Kết cấu thép phải thiết kế đạt yêu cầu định Quy chuẩn Xây dựng tiêu chuẩn hành đảm bảo an toàn chịu lực đảm bảo khả sử dụng bình thường suốt thời hạn sử dụng cơng trình Khi thiết kế kết cấu cầu thép cịn cần tuân thủ tiêu chuẩn liên quan Việt Nam nước bảo vệ chống ăn mòn 4.3 Các u cầu thi cơng Thi cơng giai đoạn thể hồ sơ thiết kế thành cơng trình thực tế Đây bước quan trọng để đảm bảo chất lượng cơng trình Do phải tuân thủ nghiêm ngặt qui phạm thi cơng, nghiệm thu giám sát chất lượng cơng trình ban hành Qui trình thi cơng bê tơng mơi trường ven biển nói chung tương tự vùng nội địa TCVN 4453:1995, vùng nước thuỷ triều lên xuống vùng ngập nước cần áp dụng công nghệ thi công đặc biệt nhằm đảm bảo bê tông không bị nhiễm mặn Với kết cấu cầu thép môi trường Quý 2.2013 biển, thường áp dụng theo quy trình Nhật Bản Thực tế chứng minh rằng, trình độ cơng nghệ thi công chưa cao, tổ chức thi công không chặt chẽ, tay nghề ý thức công nhân kém, giám sát kỹ thuật lỏng lẻo nguyên nhân dẫn đến chất lượng bê tơng thép cơng trình xây dựng vùng biển Việt Nam không đồng đều, nhiều kết cấu không đạt chất lượng dẫn đến ăn mịn cục kết cấu cơng trình Trong trình vận chuyển tập kết VLXD, tác nhân môi trường biển xâm thực mạnh vào vật liệu này, góp phần hư hỏng vật liệu từ chưa lắp dựng vào kết cấu công trình Vì vậy, VLXD phải đảm bảo chịu ảnh hưởng q trình vận chuyển, lắp dựng, phải có kho bãi để lưu giữ vật liệu … Trong trường hợp bất khả kháng việc tập kết vật liệu rời (cát, đá, …) bị ảnh hưởng trước thi cơng đổ bê tơng cấu kiện BTCT cần phải rửa bẳng nước thí nghiệm cho dùng Th«ng tin 51 CẦU – HẦM Cần lưu ý sử dụng bê tông thương phẩm, điều kiện bất khả kháng phải lắp dựng trạm trộn bê tơng trường phải lựa chọn vị trí cho việc tập kết vật liệu quy trình chế tạo bê tơng bị ảnh hưởng xâm thực môi trường biển Công tác thi công cần ý giám sát nghiêm ngặt, công tác đầm nén, dưỡng hộ hoàn tất bề mặt (kết cấu BTCT) hay hàn, ghép nối thép … (kết cấu thép) Giai đoạn thi công chi tiết đảm bảo chất lượng giảm thiểu việc ăn mịn kết cấu, góp phần tăng chất lượng cơng trình Phát xử lý triệt để cố cơng trình dù nhỏ nhất, khơng bỏ qua sai sót để đảm bảo chất lượng tuổi thọ cơng trình 4.4 Các u cầu quản lý, sử dụng tu bảo dưỡng cơng trình Cơng tác quản lý sử dụng tu bảo dưỡng cơng trình có tầm quan trọng đặc biệt việc đảm bảo trì độ bền cơng trình Đây cơng việc lâu dài, bàn giao đưa cơng trình vào sử dụng đến hết thời hạn sử dụng công trình Thực tế cho thấy, nhiều cơng trình xây dựng nước ta không quản lý sử dụng tốt, cơng mục đích sử dụng bị thay đổi nguyên nhân dẫn đến ăn mòn phá huỷ kết cấu, làm cơng trình hư hỏng sớm Bên cạnh đó, chế độ tu bảo dưỡng cơng trình chưa thể chế hoá văn Nhà nước, thường thấy hỏng tới mức nghiêm trọng tiến hành khảo sát, đánh giá nguyên 52 Th«ng tin nhân hư hỏng tìm kiếm phương án khắc phục Việc làm gây tốn hiệu sử dụng công trình khơng cao * Về quản lý sử dụng: - Cơng trình phải sử dụng mục đích, cơng theo yêu cầu thiết kế - Nhà nước cần có qui định cụ thể trách nhiệm bảo hành độ bền cơng trình cho nhà thiết kế thi cơng, người sử dụng cơng trình - Mỗi cơng trình phải lập hồ sơ theo dõi chất lượng cơng trình, tình trạng sử dụng, hư hỏng, xuống cấp, trình tu, sửa chữa v.v - Định kỳ kiểm tra, khảo sát kiểm định chất lượng cơng trình, chi phí cho lần khảo sát nên tính vào đầu tư cơng trình * Về tu, bảo dưỡng cơng trình: - Duy tu bảo dưỡng cơng trình vấn đề chúng ta, có ý nghĩa tác dụng bão dưỡng máy móc, thiết bị sau thời gian làm việc - Đối với cơng trình xây dựng vùng biển nước ta, Duy tu bảo dưỡng cơng trình đồng nghĩa với việc áp dụng kỹ thuật công nghệ nhằm khắc phục nguy gây ăn mịn kết cấu mơi trường xâm thực biển gây Như vấn đề tu bảo dưỡng công trình có ý nghĩa việc bảo vệ trì độ bền cho cơng trình với chi phí thấp nhiều so với để cơng trình hư hỏng trầm trọng đầu tư sửa chữa Quý 2.2013 KẾT LUẬN Qua việc phân tích điều kiện mơi trường vùng biển, nghiên cứu dạng hư hỏng với dạng kết cấu thực trạng thiết kế, thi công, tu bảo dưỡng cơng trình cầu Việt Nam, đưa số kết luận sau: - Mơi trường biển Việt Nam có tính xâm thực mạnh dạng cầu cầu BTCT cầu thép Môi trường biển xâm thực mạnh môi trường biển nhiều nước giới nhiệt độ, độ ẩm khơng khí cao, thời gian ẩm ướt lớn , nồng độ muối Cl- cao, nước cốt liệu có nhiễm mặn Do việc chống ăn mịn bảo vệ cơng trình cần thực sở công nghệ giới gắn với điều kiện thực tế Việt Nam - Dựa phân tích nghiên cứu dạng hư hỏng xâm thực, nhận thấy nguyên nhân chủ quan từ q trình thiết kế, thi cơng, tu bảo dưỡng cơng trình từ nhiều ngun nhân khách quan điều kiện khắc nghiệt môi trường, hạn chế quy trình quy phạm hành cơng nghiệp sản xuất, chế tạo, lắp dựng… - Các giải pháp chủ yếu chống xâm thực cho kết cấu bê tông kết cấu BTCT môi trường biển cụ thể hoá TCXDVN 327:2004 Tuy nhiên, giải pháp chống ăn mòn với kết cấu thép chưa quy định cụ thể quy trình quy phạm Do thời gian tới CẦU – HẦM yêu cầu cấp thiết cần có quy trình cụ thể để đưa giải pháp chống xâm thực cho kết cấu thép - Trên sở nghiên cứu, phân tích phương pháp chống xâm thực cho kết cấu BTCT thép giới Việt Nam, kết hợp với việc tham khảo quy trình quy phạm Việt Nam nhiều nước khác, nhận thấy nhiều phương án để đảm bảo chống xâm thực hữu ích cho kết cấu việc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tối thiểu cường độ, độ chống thấm chiều dày lớp bê tông bảo vệ … (với kết cấu bê tông) hay phương pháp sơn phủ, bảo vệ catốt …(với kết cấu thép) - Cần thiết phải xây dựng chiến lược có tính lâu dài cho viêc chống xâm thực cho kết cấu BTCT thép vùng biển Việt Nam từ công tác thiết kế, thi công, quản lý tu cơng trình kết cấu nói chung, kết cấu cầu nói riêng Trong thời gian chưa có hệ thống này, dự án cụ thể cần ý vấn đề bảo vệ cho kết cấu BTCT thép điều kiện kinh tếxã hội Việt Nam, kết hợp tham khảo nước khác giới TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số 40-94ĐTĐL "Nghiên cứu điều kiện kỹ thuật đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông bê tông cốt thép xây dựng vùng ven biển Việt Nam"- Viện Khoa Công nghệ Xây dựng, 1999 Báo cáo tổng kết đề tài 34C.01.06: "Đặc điểm phá huỷ kết cấu cơng trình giao thơng vùng biển nước ta" - Viện KHKT GTVT Hà Nội 1989 Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng Báo cáo tổng kết dự án Chống ăn mòn bảo vệ cơng trình bê tơng bê tơng cốt thép vùng biển Viện KHCN Xây dựng, 11/2003 Đào Ngọc Thế Vinh, Peter Dux, Alan Carse Ăn mòn cốt thép kết cấu bê tông vùng biển – Nguyển nhân biện pháp khắc phục Hội nghị khoa học toàn quốc lần cố hư hỏng cơng trình xây dựng Viện KHCN XD, 11/2005 Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Mạnh Trường Thực trạng ăn mòn phá hủy cơng trình bê tơng cốt thép bảo vệ bờ biển nước ta Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 08/2010 Hồ sơ thiết kế cầu Cửa Lấp (Vũng Tầu), cầu Bính (Hải Phịng), cầu Bến Thủy (Nghệ An), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh), cầu Nhật Tân (Hà Nội), cầu Đình Vũ-Cát Hải (Hải Phịng) … Nguyễn Nam Thắng, Nguyễn Mạnh Hồng, Phan Văn Chương Đánh giá chất lượng hệ sơn phủ chống ăn mòn kết cấu thép vùng biển Việt Nam Viện KHCN Steel Construction today & tomorrow Ấn phẩm chung Liên đoàn thép Nhật Bản Hiệp hội Kết cấu thép Nhật Bản Số 33, 7/2011 TCVN 3994-1985 Chống ăn mòn xây dựng- kết cấu bê tông bê tông cốt thép- Phân loại môi trường xâm thực 10 TCVN 4116-1985 Thiết kế KCBTCT cơng trình thủy cơng 11 TCXDVN 327: 2004 - Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn môi trường biển 12 Trần Việt Liễn Báo cáo tổng kết đề mục "Ăn mịn khí bê tông bê tông cốt thép vùng ven biển Việt Nam" Viện Khí tượng Thủy văn Hà Nội, 1996 Quý 2.2013 Th«ng tin 53