Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh HòaNghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ: 958.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: 1 GS.TS Phạm Duy Hữu 2 PSG.TS Nguyễn Thị Bạch Dương Hà Nội, 03/2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các kết quả nghiên cứu nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nghiên cứu khác Hà Nội, Ngày 20 tháng 03 năm 2024 Tác giả Đặng Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Nguyễn Thị Bạch Dương đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi, định hướng và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình thực hiện Luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Khoa công trình, Bộ môn công trình giao thông thành phố và công trình thủy, Bộ môn vật liệu xây dựng, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu xây dựng và các Thầy Cô giáo trường Đại học giao thông vận tải đã hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu tại trường Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tôi tới Ban chỉ huy Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Ban chủ nhiệm và thầy cô bộ môn Cầu Đường Sân bay và các đồng nghiệp Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm hiện trường, lấy mẫu tại thực địa và vận chuyển mẫu tới khu vực vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình của tôi là nguồn động viên và hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện Luận án Tác giả iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng .vii Danh mục các hình x MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 5 1.1 Tổng quan về công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển 5 1.1.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam 5 1.1.2 Đặc điểm môi trường biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 9 1.1.3 Các công trình biển Việt Nam 12 1.1.4 Hiện trạng các công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 13 1.2 Tổng quan về độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển 14 1.2.1 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT 14 1.2.2 Độ bền và tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT .16 1.2.3 Các nghiên cứu về độ bền bê tông 19 1.2.4 Tiêu chuẩn độ bền bê tông trong môi trường biển 23 1.3 Tổng quan về bê tông HPC 27 1.3.1 Tính năng và cấu trúc vi mô của bê tông HPC .27 1.3.2 Các ứng dụng của bê tông HPC 31 1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án 35 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT, HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH BTCT ĐÃ XÂY DỰNG Ở VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA 36 2.1 Xâm nhập ion clo gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT 36 2.1.1 Cơ chế vận chuyển trong bê tông 36 2.1.2 Cơ chế hóa học ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo 38 iv 2.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cơ chế khuếch tán .40 2.2 Thực nghiệm xác định nồng độ ion clo theo chiều sâu và hệ số khuếch tán clo kết cấu BTCT đã xây dựng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa .47 2.2.1 Kế hoạch lấy mẫu tại hiện trường 47 2.2.2 Trình tự lấy mẫu 48 2.2.3 Tiến hành thử tại phòng thí nghiệm 50 2.3 Phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian 54 2.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng .57 2.4.1 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo 57 2.4.2 Các mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT 60 2.4.3 Mô hình hóa xác định sự xâm nhập ion clo trong bê tông bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 62 2.4.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng .69 2.5 Kết luận chương 2 74 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HPC ĐẢM BẢO ĐỘ BỀN TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA 75 3.1 Nguyên lý thiết kế thành phần bê tông theo độ bền .75 3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông HPC 78 3.2.1 Yêu cầu vật liệu chế tạo bê tông HPC 78 3.2.2 Vật liệu chế tạo bê tông HPC trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 83 3.3 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền kết cấu BTCT vùng biển xa bờ Khánh Hòa .87 3.3.1 Yêu cầu về bê tông bền trong môi trường biển .87 3.3.2 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền 88 3.3.3 Xác định cường độ chịu nén theo độ bền yêu cầu 90 3.4 Thiết kế thành phần bê tông HPC kiến nghị theo độ bền 93 3.5 Thí nghiệm xác định đặc tính của bê tông HPC-TS trong phòng thí nghiệm .97 3.5.1 Thí nghiệm xác định tính công tác 97 3.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn 97 3.5.3 Thí nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo 103 3.6 Thực nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo HPC-TS tại hiện trường 106 v 3.6.1 Thực nghiệm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và Vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh .106 3.6.2 Phân tích kết quả thí nghiệm 108 3.7 Kết luận chương 3 111 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỀN VỮNG CÔNG TRÌNH BTCT VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA SỬ DỤNG BÊ TÔNG HPC 112 4.1 Thiết kế đảm bảo độ bền công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 112 4.1.1 Tải trọng môi trường 113 4.1.2 Yêu cầu chất lượng bê tông đảm bảo độ bền 115 4.1.3 Vật liệu sử dụng bê tông bền trong môi trường biển 118 4.2 Xác định chiều dày lớp bê tông HPC-TS bảo vệ cốt thép đảm bảo độ bền 119 4.2.1 Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ âu tàu vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 119 4.2.2 Điều kiện môi trường tiếp xúc và đặc tính của bê tông sử dụng 122 4.2.3 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu .124 4.2.4 Chiều dày lớp HPC-TS đảm bảo độ bền âu tàu khi Ccr=0,4% 126 4.3 Kiến nghị một số biện pháp phòng, chống ăn mòn công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 128 4.3.1 Bê tông chất lượng cao (HPC) 128 4.3.2 Sử dụng phụ gia chống ăn mòn cốt thép (chất ức chế ăn mòn) 129 4.3.3 Bảo vệ bề mặt bê tông 130 4.3.4 Sử dụng cốt thép chống ăn mòn 131 4.3.5 Sử dụng cốt phi kim loại .131 4.3.6 Cấu tạo đảm bảo độ bền 132 4.3.7 Sử dụng cấu kiện đúc sẵn 134 4.4 Kết luận chương 4 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC 148 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh Hiệp hội xây dựng đường và American Association of State AASHTO vận tải Hoa Kỳ Highway and Transportation Officials Viện bê tông Hoa Kỳ American Concrete Institute ACI Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu American Society for Testing and Hoa Kỳ Materials ASTM Bê tông cốt thép Chất kết dính Fly Ash BTCT Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm The Finite Element Method CKD 365 ngày Federal Highway Administration Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm Fiber Reinforced Polymer D365 365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại High Performance Concrete tỉnh Khánh Hòa D365TS Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm Silica fume 365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại D365QN Quảng Ninh Portland cement Tro bay Relative Humidity FA Phương pháp phần tử hữu hạn FEM Đường cao tốc liên bang quản lý FHWA Cốt sợi tổng hợp polyme FRP Xỉ hạt lò cao nghiền mịn GGBS Bê tông chất lượng cao HPC Bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa HPC-TS Khối lượng bê tông Muội silic KLBT Tỉ lệ nước trên chất kết dính MS Tỉ lệ nước trên xi măng Xi măng Poóc lăng N/CKD Điện lượng thấm ion clo N/X Độ ẩm tương đối PC Tiêu chuẩn Việt Nam Q Tuổi thọ sử dụng RH Thời gian khởi đầu ăn mòn TCVN Thời gian lan truyền ăn mòn tsd Vật liệu xây dựng t1 Xi măng t2 VLXD X vii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1 Thành phần hóa nước biển một số vùng biển Việt Nam [19] 6 Bảng 1.2 Thành phần hóa nước biển của một số vùng trên thế giới [19] 6 Bảng 1.3 Độ mặn nước biển theo mùa trong vùng biển Việt Nam [19] 7 Bảng 1.4 Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu BTCT [6] 8 Bảng 1.5 Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa mưa) .11 Bảng 1.6 Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa khô) .11 Bảng 1.7 Tuổi thọ sử dụng yêu cầu (năm) của một số kết cấu BTCT [91] 19 Bảng 1.8 Các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển với tuổi thọ 50 năm [8] 24 Bảng 1.9 Các loại tiếp xúc của kết cấu BTCT với môi trường [6] 25 Bảng 1.10 Các yêu cầu về chất lượng bê tông trong môi trường xâm thực [6] .25 Bảng 1.11 Giới hạn hàm lượng ion clo trong bê tông [6] 26 Bảng 1.12 Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường [6] 26 Bảng 1.13 Xác định cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ [6] 26 Bảng 1.14 Phân loại bê tông HPC theo cường độ chịu nén [43] 28 Bảng 2.1 Bảng xác định giá trị m theo hàm lượng phụ gia khoáng [89] .42 Bảng 2.2 Tốc độ tích lũy và nồng độ clo bề mặt lớn nhất theo Life-365TM [89] 43 Bảng 2.3 Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt trong môi trường biển [98] .44 Bảng 2.4 Nồng độ clo bề mặt của kết cấu bê tông trong môi trường khắc nghiệt [74] 44 Bảng 2.5 Ngưỡng nồng độ clo giới hạn theo Browne [61] 45 Bảng 2.6 Tổng hợp ngưỡng nồng độ clo giới hạn (Pettersson [108] , Glass [75]) .46 Bảng 2.7 Chi tiết các mẫu bột tại công trình 49 Bảng 2.8 Chi tiết mẫu trụ tại công trình 50 Bảng 2.9 Kết quả thí nghiệm nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu 51 Bảng 2.10 Đánh giá mức độ mức độ xâm nhập ion clo [46] 52 Bảng 2.11 Điện lượng Q chuyển qua mẫu thí nghiệm 52 Bảng 2.12 Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng [24] 53 Bảng 2.13 Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường [24] 53 viii Bảng 2.14 Giá trị Cs và  kết cấu BTCT khu vực thủy tiều vùng nghiên cứu 55 Bảng 2.15 Giá trị Cs theo thời gian t (phương trình 2.24) 57 Bảng 2.16 So sánh kết quả giữa phương pháp FEM và thực nghiệm 70 Bảng 2.17 Các thông số đầu vào xác định C(x, t) theo phương pháp FEM 73 Bảng 2.18 Kết quả số phương pháp FEM với điều kiện biên Bảng 2.17 .73 Bảng 3.1 Tỉ lệ phần trăm hỗn hợp chất kết dính của bê tông HPC [94] 79 Bảng 3.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu chế tạo bê tông HPC .83 Bảng 3.3 Thành phần hóa học của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên .83 Bảng 3.4 Thành phần khoáng vật của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên 83 Bảng 3.5 Các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên .83 Bảng 3.6 Thành phần hóa học và một số chỉ tiêu của muội silic 84 Bảng 3.7 Thành phần hạt cốt liệu thô đá 5x10mm 85 Bảng 3.8 Một số chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô .85 Bảng 3.9 Thành phần hạt của cốt liệu mịn 86 Bảng 3.10 Một số chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mịn 87 Bảng 3.11 Bảng giá trị tương quan giữa Q và D0 yêu cầu [57] 87 Bảng 3.12 Yêu cầu về độ thấm ion clo của bê tông trong vùng phơi nhiễm theo Tiêu chuẩn Canada CSA A23.1/A23.2:2014 [63] 88 Bảng 3.13 Các tham số đầu vào để xác định hệ số khuyếch tán clo (Do) 88 Bảng 3.14 Bảng xác định N/CKD theo độ bền 89 Bảng 3.15 Hệ số khuếch tán clo lớn nhất đảm bảo độ bền yêu cầu .90 Bảng 3.16 Giá trị tối đa N/CKD đối với bê tông được có phụ gia siêu dẻo [37] .90 Bảng 3.17 Bảng xác định cường độ thiết kế từ điều kiện độ bền 91 Bảng 3.18 Quan hệ giữa hệ số khuếch tán clo, cường độ chịu nén và tỉ lệ N/CKD .92 Bảng 3.19 Đề xuất độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu 93 Bảng 3.21 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông 94 Bảng 3.22 Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của hỗn hợp bê tông trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% 94 Bảng 3.23 Khối lượng chất kết dính .95 Bảng 3.24 Khối lượng xi măng và muội silic (MS) 95