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 Hòa

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

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

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO Hiệp hội xây dựng đường và

vận tải Hoa Kỳ

American Association of State Highway and Transportation Officials ACI Viện bê tông Hoa Kỳ American Concrete Institute

ASTM Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu

Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm

365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại tỉnh Khánh Hòa

D365QN

Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm

365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại Quảng Ninh

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn The Finite Element Method

FHWA Đường cao tốc liên bang quản lý Federal Highway Administration FRP Cốt sợi tổng hợp polyme Fiber Reinforced Polymer

GGBS Xỉ hạt lò cao nghiền mịn

HPC Bê tông chất lượng cao High Performance Concrete

HPC-TS Bê tông chất lượng cao trong

vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa KLBT Khối lượng bê tông

N/CKD Tỉ lệ nước trên chất kết dính

N/X Tỉ lệ nước trên xi măng

PC Xi măng Poóc lăng Portland cement

Q Điện lượng thấm ion clo

RH Độ ẩm tương đối Relative Humidity

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

tsd Tuổi thọ sử dụng

t1 Thời gian khởi đầu ăn mòn

t2 Thời gian lan truyền ăn mòn

VLXD Vật liệu xây dựng

DANH MỤC CÁC BẢNG

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

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

Bảng 3.25 Khối lượng cốt liệu mịn 96

Bảng 3.26 Thành phần bê tông HPC-TS 96

Bảng 3.27 Kết quả độ sụt của hỗn hợp bê tông 97

Bảng 3.28 Các tiêu chuẩn sử dụng trong nghiên cứu 97

Bảng 3.29 Số lượng mẫu thí nghiệm 98

Bảng 3.30 Cường độ chịu nén trung bình ở các ngày tuổi bê tông HPC-TS 99

Bảng 3.31 Hệ số quy đổi cường độ chịu kéo khi uốn 101

Bảng 3.32 Cường độ chịu kéo khi uốn ở các ngày tuổi 102

Bảng 3.33 Kết quả thí nghiệm mức độ xâm nhập ion clo bê tông HPC-TS trong phòng 104

Bảng 3.34 Mức độ xâm nhập ion clo tại Khánh Hòa sau 365 ngày 107

Bảng 3.35 Mức độ xâm nhập ion clo bê tông HPC-TS tại Quảng Ninh ở 365 ngày 107

Bảng 3.36 Điện lượng Q chuyển qua các mẫu bê tông HPC-TS 108

Bảng 3.37 Hệ số khuếch tán clo ở phòng thí nghiệm và tại hiện trường 109

Bảng 3.38 Lựa chọn loại bê tông HPC-TS cho vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 110

Bảng 3.39 Bê tông HPC-TS đảm bảo độ bền 111

Bảng 3.40 Thành phần HPC-TS đảm bảo độ bền 111

Bảng 4.1 Hệ số khuếch tán clo lớn nhất bê tông vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 116

Bảng 4.2 Phân chia tuyến kè bảo vệ âu tàu 119

Bảng 4.3 Đặc tính bê tông C40-W10 sử dụng trong kết cấu kè bảo vệ âu tàu 123

Bảng 4.4 Đặc tính HPC-TS kiến nghị sử dụng cho kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu 124

Bảng 4.5 Tải trọng môi trường vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và cấu tạo kết cấu 124

Bảng 4.6 Đặc tính bê tông sử dụng trong cấu tạo kè bảo vệ âu tàu 124

Bảng 4.7 Dự báo tuổi thọ sử dụng kè bảo vệ âu tàu 125

Bảng 4.8 Tải trọng môi trường và đặc tính bê tông HPC-TS 126

Bảng 4.9 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép kết cấu kè đảm bảo độ bền 127

Bảng 4.10 Các tính chất cơ học của sợi tổng hợp tiên tiến 132

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phân vùng môi trường biển 5

Hình 1.2 Nhiệt độ trung bình tháng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa [35] 10

Hình 1.3 Nhiệt độ trung bình năm vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa [35] 10

Hình 1.4 Hiện trạng một số công trình dân dụng trên đảo [2] 13

Hình 1.5 Hiện trạng ăn mòn một số công trình cầu cảng 14

Hình 1.6 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT [91] 15

Hình 1.7 Hậu quả của quá trình ăn mòn cốt thép kết cấu BTCT [91] 15

Hình 1.8 Các nguyên nhân hư hỏng kết cấu BTCT quan sát được ở Nhật Bản [24] 16

Hình 1.9 Tuổi thọ sử dụng theo Duracrete 2000 [68] 18

Hình 1.10: Cấu trúc của hồ và đá xi măng với các tỉ lệ N/X khác nhau [43] 29

Hình 1.11 Ảnh chụp qua kính hiển vi cấu trúc vi mô của hai loại bê tông 30

Hình 1.12 Kết cấu MSF 32

Hình 1.13 Hình ảnh một số công trình nổi tiếng sử dụng bê tông HPC [43] 33

Hình 2.1 Sơ đồ ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo 39

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi giữa nồng độ ion clo theo phần trăm khối lượng xi măng dựa trên % khối lượng bê tông có hàm lượng xi măng khác nhau [74] 47

Hình 2.3 Khoan lấy mẫu bột công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 49

Hình 2.4 Thí nghiệm xác định điện lượng Q chuyển qua mẫu tại viện VLXD IBST 52

Hình 2.5 Nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu BTCT đã xây dựng 55

Hình 2.6 Phương trình nồng độ clo bề mặt kết cấu BTCT C30 ở khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 56

Hình 2.7 Các giai đoạn của quá trình ăn mòn do xâm nhập ion clo [127] 58

Hình 2.8 Mô hình điểm cuối của giai đoạn lan truyền ăn mòn [127] 59

Hình 2.9 Chia lưới và nút 1 hướng theo phương pháp FEM 65

Hình 2.10 Sơ đồ khối của chương trình Program Solve_eqs_FEM 68

Hình 2.11 So sánh kết quả của phương pháp FEM và lời giải giải tích 69

Hình 2.12 So sánh kết quả FEM và thực nghiệm 72

Hình 2.13 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng ở vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 73

Hình 3.1 Quan hệ giữa hàm lượng xi măng, nước/xi măng (N/X), cường độ bê

tông và độ bền qua các thập kỉ [95] 76

Hình 3.2 Quan niệm về thiết kế bê tông theo cấp độ bền [95] 76

Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế thành phần bê tông theo độ bền 77

Hình 3.4 Các phụ gia khoáng siêu mịn sử dụng trong bê tông HPC [95] 80

Hình 3.5 Thành phần vật liệu cấu tạo thường dùng cho bê tông HPC [94] 82

Hình 3.6 Muội silic loại sikacrete PP1 84

Hình 3.7 Hình ảnh đá 5×10mm 84

Hình 3.8 Thành phần đá 5x10 theo ASTM C33 [44] 85

Hình 3.9 Cát Diên Khánh 86

Hình 3.10 Thành phần hạt cốt liệu mịn theo ASTM C33 [44] 86

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa Do và tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền 91

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa f’ cr và N/CKD đảm bảo độ bền 92

Hình 3.13 Dụng cụ xác định độ sụt của hỗn hợp bê tông 97

Hình 3.14 Hình ảnh quá trình đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu 98

Hình 3.15 Máy nén ADR-2000 và kết quả thí nghiệm 99

Hình 3.16 Hình ảnh thí nghiệm cường độ chịu nén 99

Hình 3.17 Biểu đồ cường độ chịu nén mẫu bê tông C50, C60 và C70 ở các ngày tuổi 100 Hình 3.18 Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn (tại phòng VILAS 047- Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông Vận tải) 101

Hình 3.19 Dạng phá hoại mẫu sau khi thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn 102

Hình 3.20 Sự phát triển cường độ chịu kéo khi uốn ở các ngày tuổi 102

Hình 3.21 Chuẩn bị mẫu thử và hút chân không các mẫu thử 103

Hình 3.22 Xác định độ mức độ xâm nhập ion clo tại PTN VLXD- ĐH GTVT 104

Hình 3.23 Mức độ xâm nhập ion clo các mẫu bê tông HPC-TS ở các ngày tuổi 105

Hình 3.24 Hình ảnh mẫu tại khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 106

Hình 3.25 Hình ảnh mẫu HPC-TS sau 365 ngày tại Khánh Hòa 106

Hình 3.26 Mẫu HPC-TS tại Vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh ở 365 ngày 107

Hình 3.27 Mức độ xâm nhập ion clo ở 365 ngày tại Khánh Hòa và Quảng Ninh 107

Hình 3.28 Biểu đồ so sánh điện lượng Q các mẫu HPC-TS ở 365 ngày tuổi 109

Hình 4.1 Cách xác định nồng độ clo bề mặt (Cs) dựa trên phương pháp phân tích

hồi quy dữ liệu về sự xâm nhập ion clo theo chiều sâu kết cấu [74] 114

Hình 4.2 Quan hệ giữa ngưỡng nồng độ clo giới hạn, điều kiện môi trường và chất lượng của bê tông [74] 115

Hình 4.3 Sơ họa tuyến kè bảo vệ âu 119

Hình 4.4 Mặt cắt điển hình kết cấu kè bảo vệ âu loại 1 120

Hình 4.5 Mặt cắt điển hình kết cấu phần trên kè bảo vệ âu loại 1 121

Hình 4.6 Mặt cắt ngang kết cấu kè tường đứng sử dụng thùng chìm 122

Hình 4.7 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu (C40-W10) 125

Hình 4.8 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu (HPC-TS) 125

Hình 4.9 Chiều dày lớp bê tông HPC-TS bảo vệ cốt thép kết cấu kè 127

Hình 4.10 Sơ đồ đại diện của các loại bảo vệ bề mặt bê tông khác nhau 130

Hình 4.11 Các ví dụ về sai sót trong thiết kế và đề xuất giải pháp sửa đổi 133

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8○37’ đến 21○32’ Bắc Sau năm 1960 số lượng các công trình xây dựng trong môi trường biển tăng đáng kể Theo một số kết quả nghiên cứu và khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Khoa học vật liệu, Viện khoa học thuỷ lợi, Viện Khoa học công nghệ giao thông vận tải, Trường đại học Bách khoa

Đà Nẵng, v.v… thì tình trạng giảm tuổi thọ sử dụng công trình BTCT làm việc trong môi trường biển đáng để quan tâm Thực tế, có hơn 50% bộ phận kết cấu BTCT bị

ăn mòn, hư hỏng nặng hoặc bị phá huỷ chỉ sau từ 10-30 năm sử dụng Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc chịu sự tác động trực tiếp của môi trường biển

Trong môi trường biển, cốt thép bị ăn mòn chủ yếu do sự xâm nhập của ion clo, làm cho kết cấu BTCT không đảm bảo độ bền thiết kế Tốc độ ăn mòn gây hư hỏng công trình diễn ra khá nhanh, một số công trình có tuổi thọ thiết kế trên 50 năm

đã bị hư hỏng nặng sau 20-25 năm sử dụng, thậm chí sau 10-15 năm Chi phí cho việc sửa chữa khắc phục chiếm 30-70% mức đầu tư xây dựng của công trình [24] Trong môi trường khắc nghiệt, có tính xâm thực cao như môi trường biển, hiện tượng

ăn mòn cốt thép trong bê tông dẫn đến làm rạn nứt và phá hủy kết cấu BTCT, làm cho kết cấu BTCT sớm bị hư hỏng Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào chất lượng bê tông và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Do đó, đòi hỏi phải có các biện pháp chống ăn mòn và hạn chế sự ăn mòn cốt thép của các kết cấu BTCT với mục tiêu là bảo vệ bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép

Hiện nay trên thế giới, hầu hết các công trình biển của các quốc gia có nền kinh tế phát triển đã được ứng dụng các công nghệ chống ăn mòn phù hợp Nhiều ứng dụng bê tông chất lượng cao (HPC) cho các công trình cầu cảng đã chỉ ra rằng:

bê tông HPC được sử dụng một cách kinh tế, tăng độ bền và cường độ, tiết kiệm chi phí thi công ban đầu và chi phí bảo dưỡng lâu dài [74] Ở Việt Nam, vấn đề độ bền của bê tông trong môi trường biển được nghiên cứu vào đầu thế kỉ XXI Nhiều nhà khoa học đã và đang tiến hành nghiên cứu về chống ăn mòn cho kết cấu BTCT xây dựng trong môi trường biển Các nghiên cứu tiêu biểu gồm: sử dụng vật liệu bê tông cốt sợi (GFRP) chống ăn mòn cho công trình nhà dàn DK của GS.TS Đinh Quang Cường Viện xây dựng công trình biển, đại học Xây dựng Hà Nội [2]và ứng dụng bê tông tính năng siêu cao cốt sợi thép (UHPFRC) có cường độ chịu nén lên tới 180Mpa cho các kết cấu bê tông lắp ghép cho các công trình trên đảo xa bờ của viện

khoa học công nghệ xây dựng Các nghiên cứu đang tập trung chủ yếu vào phát triển cường độ bê tông trong môi trường biển

Đối với vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa, hiện có nhiều công trình đã xây dựng ở đây như cầu cảng, âu tàu, sân bay, bến đứng, bến nghiêng, công trình quân

sự, v.v… Các công trình đóng một vai trò rất quan trọng trong đảm bảo an ninh Quốc phòng của đất nước Do vậy, việc dự báo tuổi thọ sử dụng công trình BTCT là

cơ sở để đưa ra giải pháp về vật liệu và biện pháp chống ăn mòn và duy tu bảo dưỡng phù hợp đảm bảo độ bền công trình BTCT

Từ những phân tích trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu độ bền

của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu độ bền của kết cấu BTCT trong vùng biển

xa bờ tỉnh Khánh Hòa Để thực hiện mục tiêu trên cần thực hiện các nội dung sau:

- Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông, hệ số khuếch tán clo bê tông C30 đã xây dựng tại khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Từ

đó xây dựng phương trình nồng độ clo bề mặt theo thời gian và dự báo tuổi thọ sử dụng công trình BTCT đã xây dựng ở đây

- Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC theo độ bền Kết quả của phương pháp là thành phần bê tông HPC ở các cấp cường độ C50, C60 và C70 đảm bảo độ bền trong khu vực này

- Thực nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo bê tông HPC ở 28, 180 và

365 ngày tuổi ở trong phòng thí nghiệm và 365 ngày tuổi ở vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và Vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Từ đó đánh giá độ bền bê tông HPC trong các môi trường biển khác nhau

- Ứng dụng bê tông HPC đã nghiên cứu cho công trình âu tàu xây dựng trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa, từ đó chọn loại bê tông HPC đảm bảo độ bền công trình

3 Phạm vi nghiên cứu

- Kết cấu bê tông cốt thép gồm hai vật liệu chính là bê tông và cốt thép thường không bao gồm cốt thép dự ứng lực Như vậy kết cấu BTCT là bê tông cốt thép thường

- Bê tông là bê tông chất lượng cao có thành phần là chất kết dính xi măng poóc lăng nhóm 1, không sử dụng hỗn hợp xi măng hỗn hợp khác Chất kết dính

phụ: chỉ sử dụng muội silic, không sử dụng tro bay hoặc xỉ lò cao Các loại cốt liệu phù hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tham khảo và nghiên cứu các tài liệu trong nước và thế giới về bê tông HPC sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, các tiêu chuẩn

kỹ thuật xác định thành phần bê tông HPC, đặc điểm môi trường biển Việt Nam và các

mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do sự xâm nhập ion clo trong môi trường biển

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông và hệ số khuếch tán clo bê tông C30 đã xây dựng ở khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa; chế tạo mẫu bê tông HPC các cấp C50, C60, C70 với hàm lượng muội silic tương ứng là 5%, 10% và 15% ở mỗi cấp bê tông; xác định tính công tác, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và điện lượng Q chuyển qua mẫu (các mẫu bê tông trong phòng thí nghiệm và mẫu đặt tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và vịnh Hạ Long) Từ đó, chọn thành phần bê tông HPC ứng dụng trong các công trình BTCT sẽ xây dựng tại khu vực này

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Xây dựng phương trình nồng độ clo bề mặt bê tông C30 thay đổi theo thời gian khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Từ đó, xác định được nồng độ ion clo xâm nhập vào kết cấu bê tông ở độ sâu (x) và thời gian (t) bằng phương pháp phần

tử hữu hạn Kết quả này cho phép dự đoán được mức độ khuếch tán ion clo theo thời gian và dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT dưới góc độ xâm thực clo

- Luận án đã xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC theo độ bền xâm nhập ion clo thay cho phương pháp truyền thống (từ điều kiện cường độ)

Từ đó, đề xuất hệ số khuếch clo lớn nhất cho bê tông HPC đảm bảo tuổi thọ sử dụng tối thiểu là 100 năm trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Kết quả của phương pháp

là thành phần bê tông HPC C50, C60 và C70 với hàm lượng muội silic ở mỗi cấp cường độ là 5%, 10% và 15%

- Từ kết quả thực nghiệm, xác định được mức độ xâm nhập ion clo, cường độ chịu nén bê tông HPC, lựa chọn được thành phần bê tông HPC ứng dụng trong xây dựng các

công trình như: công trình âu tàu, cầu cảng, bến đứng, các công trình quân sự, v.v đảm bảo tuổi thọ sử dụng tối thiểu là 100 năm trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa với đặc điểm địa lý có bờ biển bao quanh, nhiều loại công trình BTCT đã được xây dựng ở đây như công trình dân dụng, công trình thủy, công trình chiến đấu, v.v… Các công trình này đóng một vai trò rất quan trọng, góp phần vào đảm bảo an ninh quốc phòng của khu vực Tuy nhiên, cho đến nay, phần lớn các công trình BTCT chưa được ứng dụng những biện pháp chống xâm nhập ion clo một cách hiệu quả Vì vậy, việc xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo độ bền và đề xuất giải pháp ứng dụng bê tông HPC cho các công trình Dân sự và Quân sự trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa sẽ góp phần đảm bảo tính bền vững, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng và đảm bảo an ninh, quốc phòng

6 Bố cục của luận án

Chương 1 Tổng quan về độ bền và ứng dụng của bê tông HPC trong môi trường biển Chương 2 Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt, hệ số khuếch tán clo một số

công trình BTCT đã xây dựng trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Chương 3 Thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền kết cấu BTCT

Chương 4 Thiết kế bền vững công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa sử

dụng bê tông HPC

Kết luận - Kiến nghị

Danh mục công trình của tác giả

Tài liệu tham khảo

1 CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG

CAO TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN

1.1 Tổng quan về công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển

1.1.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam

Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và môi trường không khí biển, Hình 1.1 Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với

khí hậu nóng ẩm và thay đổi theo mùa [19] Dựa theo tính chất xâm thực của môi

trường biển và vị trí làm việc của kết cấu có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới sau:

- Vùng ngập nước: vị trí kết cấu nằm ngập hoàn toàn trong nước biển

- Vùng nước biển lên xuống và sóng đánh: vị trí kết cấu nằm giữa mực nước cao nhất và thấp nhất của thủy triều, kể cả khu vực bị sóng táp

- Vùng khí quyển biển: vị trí kết cấu nằm trong không khí biển, chia thành các tiểu vùng:

+ Khí quyển trên mặt biển: khí quyển sát mép nước, vị trí kết cấu so với khoảng cách mép nước nhỏ hơn 0,25km

+ Khí quyển trên bờ: vị trí các kết cấu nằm trong bờ phạm vi nhỏ hơn hoặc bằng 1km cách mép nước

+ Khí quyển gần bờ: vị trí nằm trên bờ cách mép nước 1-20km

Hình 1.1 Phân vùng môi trường biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các lượng muối hòa tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4; 0,02% KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hòa tan Độ pH của nước biển đạt trung bình 8,0 Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm thực mạnh đối với kết cấu BTCT

Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học, độ mặn và tính xâm thực tương đương nước biển của vùng khác trên thế giới Riêng vùng gần bờ, độ mặn có suy giảm

do ảnh hưởng của các con sông chảy ra biển Thành phần hóa học và độ mặn của nước biển Việt Nam và Thế giới được thể hiện theo Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3

Bảng 1.1 Thành phần hóa nước biển của một số vùng biển Việt Nam [19]

Bảng 1.3 Độ mặn nước biển theo mùa của vùng biển Việt Nam [19]

Trạm

Tháng

Trung bình năm (‰)

Cửa Ông (‰) 29,2 30,0 30,4 25,3 23,4 21,3 26,6 Hòn Gai (‰) 30,8 31,5 31,6 32,2 30,8 29,3 30,9 Hòn Dấu (‰) 26,3 28,1 28,1 17,1 11,9 10,9 21,2 Văn Lý (‰) 25,9 18,3 29,5 25,4 20,1 19,0 24,4 Cửa Tùng (‰) 22,8 27,2 29,3 31,8 31,3 31,7 17,4 Sơn Trà (‰) 8,7 17,6 22,8 - 21,2 26,9 -

Vũng Tàu (‰) 30,4 33,1 34,7 29,8 29,8 27,6 30,0

1.1.1.1 Đặc điểm vùng khí quyển trên biển và ven biển [19]

Trong vùng khí quyển trên biển và ven biển Việt Nam có các đặc trưng sau đây:

c) Độ ẩm không khí

Độ ẩm không khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế giới, dao động trung bình từ 75% đến 80% Cụ thể, độ ẩm vùng ven biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ là 83%÷86%, vùng ven biển Trung và Nam Trung Bộ là 75%÷82% và vùng ven biển Nam bộ là 80%÷84%

d) Thời gian ẩm ướt bề mặt

Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt của kết cấu trung bình trong năm dao động từ 1.300 đến 1.850 giờ/năm đối với vùng ven biển các tỉnh phía Bắc, tập trung chủ yếu vào mùa xuân và giảm xuống còn 450 đến 950 giờ/năm đối với các tỉnh miền Nam,

tập trung vào các tháng mùa hạ Đây là đặc điểm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam, có ảnh hưởng lớn đến ăn mòn kết cấu BTCT do tác động của khí quyển biển

e) Hàm lượng ion clo trong không khí

Khí quyển biển và ven biển có chứa hàm lượng ion clo phân tán cao, dao động

từ 0,4 đến 1,3 mgCl-/m2 tại trạm đo sát mép nước ở các tỉnh miền Bắc và từ 1,3 đến 2,0 mgCl-/m2 ở các tỉnh miền Nam Hàm lượng này giảm mạnh ở cự li 200m đến 250m tính đến sát mép nước, sau đó tiếp tục giảm dần khi đi sâu vào trong đất liền Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiều đợt gió mùa thổi từ biển vào lục địa nên hàm lượng có thể cao hơn

1.1.1.2 Đặc điểm vùng nước lên xuống và sóng đánh

Trong vùng nước lên xuống và sóng đánh, tính chất xâm thực của môi trường được tăng cường thêm bởi các yếu tố sau:

- Quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên và liên tục theo thời gian, tác động

từ ngày này qua ngày khác lên bề mặt kết cấu đã làm tăng nhanh mức tích tụ ion clo, H2O và O2 từ nước biển và không khí biển vào trong bê tông thông qua quá trình khuếch tán nồng độ và lực hút mao quản

- Ngoài các quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa, trên bề mặt các kết cấu còn xảy ra ăn mòn sinh vật gây nên bởi các loại hà và sò biển hoặc bị bào mòn cơ học do sóng biển, nhất là vào những ngày giông bão và mùa gió lớn

Do đặc điểm như vậy nên vùng nước lên xuống và sóng đánh được xem là

vùng xâm thực rất mạnh đối với kết cấu bê tông và BTCT Căn cứ vào cách phân

loại môi trường xâm thực theo TCVN 12041:2017 [6], các mức độ xâm thực phụ thuộc vào vị trí kết cấu, chi tiết trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu BTCT [6]

Mức độ tác động ăn mòn của môi trường đối với kết cấu

1 Vùng ngập nước biển Mạnh Mạnh

2 Vùng nước lên xuống và sóng đánh mạnh Rất mạnh

3 Vùng khí quyển trên biển 0-0,25 km sát mép nước Trung bình Mạnh (1)

4 Vùng khí quyển ven bờ (cách mép nước 0,25-1 km) Nhẹ Mạnh

5 Vùng khí quyển gần bờ (cách mép nước 1-20 km ) - Trung bình (2)

Ghi chú: (1): Trực diện mưa và gió biển - rất mạnh; (2): Trực diện mưa và gió biển - mạnh

1.1.2 Đặc điểm môi trường biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

1.1.2.2 Điều kiện khí hậu [35]

Vùng biển xa bờ Khánh Hòa nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới với hai mùa Gió mùa đông nam thổi qua khu vực là từ tháng 12 đến tháng 4, trong khi gió mùa tây nam thổi từ tháng 5 đến tháng 11 Theo số liệu của McManus, Shao & Lin, nhiệt

độ không khí trung bình trong năm của khu vực khoảng 27°C Kết quả đo nhiệt độ trung bình tại trạm khí tượng khu vực biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa là 28,2°C về mùa

hè (tháng 5 đến tháng 10), trong đó giá trị cực đại là 29,3°C vào tháng 9, là 28,8°C

về mùa đông (tháng 10 đến tháng 4), trong đó giá trị cực tiểu là 26,4°C vào tháng 2, nhiệt độ trung bình tháng 4 (tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè) là 28,8°C, còn nhiệt độ trung bình tháng 10 (tháng chuyển tiếp từ mùa hè sang mùa đông) là 27,8°C, gần xấp xỉ với nhiệt độ trung bình năm Nhìn chung, biên độ dao động của nhiệt độ không khí không quá 4°C

Nhiệt độ nước biển bị ảnh hưởng rất lớn bởi yếu tố thời tiết Do nằm trong vùng nhiệt đới nên nhiệt độ nước biển cao Đây là đặc điểm đặc trưng cho nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa Vào mùa đông, nhiệt độ trung bình là 26-28°C và đạt cực tiểu 25-26°C vào tháng 12 và tháng 1 Vào mùa hè, nhiệt độ trung bình tầng mặt là 29-31°C và đạt cực đại là 31-32°C vào tháng 5 Hình 1.2 và Hình 1.3 biểu thị nhiệt độ trung bình theo từng tháng trong năm và nhiệt độ trung bình các năm từ năm 1987 đến năm 2020 [35]

Hình 1.2 Nhiệt độ trung bình tháng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa [35]

Hình 1.3 Nhiệt độ trung bình năm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa [35]

Mùa khô kéo dài từ tháng 2 đến tháng 4, còn mùa mưa từ tháng 5 đến tháng

1 năm sau Lượng mưa dao động từ 1.800 mm đến 2.200 mm

1.1.2.3 Thủy văn tại khu vực xây dựng [35]

a Thủy triều

Thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa là chế độ nhật triều không đều

Đa phần các ngày trong tháng đều có một lần nước lớn, một lần nước ròng Biên độ

triều tại khu vực trong khoảng 0,8 - 1,8m, lớn nhất có thể lên hơn 2m

b Sóng

Sóng là một nhân tố ngoại sinh có ảnh hưởng trực tiếp đến quy mô và cường

độ của quá trình bồi - xói bờ biển cửa sông Dựa trên số liệu sóng thực đo tại trạm hải văn khu vực biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (1986 - 2020), chế độ sóng ở đây phù hợp với chế độ gió khu vực biển Đông và được chia làm hai mùa chính:

- Mùa gió Đông Bắc: thường bắt đầu từ tháng 10 và kéo dài đến tháng 3 năm sau Trong thời kỳ này, hướng sóng chủ yếu là Đông Bắc và Bắc, độ cao sóng trung bình 0,7 - 0,8 m Độ cao sóng lớn nhất thường là tháng 12, tháng 1 và tháng 2, khi đó,

độ cao sóng trung bình khoảng 1m và lớn nhất dao động trong khoảng 2,0 - 2,5 m

- Mùa gió Tây Nam: thường bắt đầu từ tháng 6 và kéo dài đến tháng 9 Hướng sóng thịnh hành là hướng Tây và Tây Nam Độ cao sóng chủ yếu dao động trong khoảng từ 0,25m đến 1,0m

=> Vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới với mùa khô và mùa mưa rõ rệt Nhiệt độ trung bình khá cao (trung bình 28○C) Chế độ nhật triều không đều, biên độ triều dao động lớn khoảng 0,8-1,8 m

1.1.2.4 Đặc trưng lý hóa của nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Phương pháp lấy mẫu nước được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 5998:1995 [4] Các mẫu nước được lấy vào mùa mưa và mùa khô Toàn bộ mẫu được vận chuyển về phòng thí nghiệm của trường

Kết quả phân tích thành phần lý hóa theo thể hiện trong Bảng 1.5 và 1.6

Bảng 1.5 Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa mưa)

Ngày lấy mẫu: 03/12/2020

Bảng 1.6 Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa khô)

Ngày lấy mẫu: 26/4/2021

Kết quả thành phần nước biển ở vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa cho thấy hàm lượng ion clo vào mùa khô tương đương với vùng biển Arabian Gulf và có hàm lượng cao gấp 2 lần so với khu vực biển Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Nha Trang, Hải Phòng, Hòn Gai, v.v Vào mùa mưa, hàm lượng ion clo giảm nhiều so với mùa khô

1.1.3 Các công trình biển Việt Nam

1.1.3.1 Khái niệm [30]

Diện tích biển và đại dương chiếm 7/10 diện tích trái đất, nhu cầu hoạt động của con người trên biển ngày càng tăng Vì vậy, cần thiết phải xây dựng những công trình biển Những công trình này nhằm mục đích đáp ứng các mục tiêu cơ bản sau:

- Phục vụ thăm dò, khai thác và vận chuyển dầu khí vào bờ (giàn khoan biển)

- Phục vụ cho nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như: khai thác tài nguyên, du lịch, nghiên cứu khoa học

- Phục vụ cho các hoạt động trên biển:

+ Các cảng biển;

+ Trạm chuyển tải;

+ Công trình bảo đảm Hàng hải;

+ Trạm trục vớt cứu hộ

1.1.3.2 Phân loại công trình biển [30]

+ Phân loại theo vị trí công trình biển so với bờ

- Công trình biển ven bờ;

- Công trình biển ngoài khơi;

- Công trình biển ngoài hải đảo;

+ Phân loại theo tính chất cố định của công trình

- Công trình biển cố định: là công trình được xây dựng cố định tại vị trí nào

đó trong suốt thời gian sử dụng như cảng biển, các công trình cầu, âu tàu, v.v

- Công trình biển di động: là công trình không cố định một cách thường xuyên tại một vị trí nào đó như dàn khoan di động, công trình biển bán chìm

+ Phân loại theo vật liệu

- Công trình biển cố định bằng thép

- Công trình biển cố định bằng bê tông

Việt Nam là quốc gia biển với đường bờ biển dài Suốt chiều dài bờ biển có rất nhiều công trình biển: các cảng biển, kè chắn sóng, đê chắn sóng biển, âu tàu, công

trình cầu, v.v Trong đó có những cảng biển nước sâu đảm bảo cho các tàu trọng tải lớn cập bến như cảng Đình Vũ, cảng Dung Quất, cảng Sa Huỳnh, cảng Sài Gòn, v.v

Về lĩnh vực an ninh Quốc phòng, Việt Nam có những cảng quân sự lớn mà nhiều quốc gia không có được như cảng Cam Ranh, quân cảng Sài Gòn, cảng Tiên Sa (Đà Nẵng), v.v Các công trình đã đóng vai trò to lớn trong việc giữ vững an ninh trên biển, đảm bảo chủ quyền, quyền chủ quyền của Việt Nam trên biển Đông

1.1.4 Hiện trạng các công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.

1.1.4.1 Phân loại công trình [2]

Các công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa có thể phân nhóm như sau:

Nhóm 1: các công trình trên mặt đất bao gồm công trình dân dụng, công trình

giao thông và công trình chiến đấu;

Nhóm 2: các công trình dưới mặt đất, bao gồm kho bảo quản, bể nước, v.v… Nhóm 3: các công trình ven đảo bao gồm: cầu cảng, công trình cầu, âu tàu,

kè biển, công trình chiến đấu, v.v…

Nhóm 4: các công trình biển bao gồm các công trình DKI, các công trình đèn

biển trên các đảo chìm, v.v…

1.1.4.2 Hiện trạng các công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

Một số công trình dân dụng và giao thông xuất hiện nhiều vết nứt bê tông, gỉ cốt thép, thậm chí nứt mảng lớn để lộ cốt thép bị han gỉ Nhiều bộ kết cấu chịu lực chính bằng BTCT đã bị nứt nghiêm trọng

Hình 1.4 Hiện trạng một số công trình dân dụng trên đảo [2]

- Hiện trạng các công trình đã được xây dựng tại khu vực khảo sát:

+ Cầu cảng đã được xây dựng khoảng 20 năm, đây là công trình bê tông khối

lớn, đã xuất hiện nhiều vết nứt tại các dầm BTCT (dầm bản mặt cầu, dầm tựa tàu và lan can) Các vết nứt đều lộ cốt thép bị gỉ khá nặng Năm 2009, cầu cảng đã được duy

tu bảo dưỡng, các vết nứt đã được làm sạch và trám xi măng

+ Kè bờ đảo đã xây dựng bằng bê tông C30 Trên bề mặt kè xuất hiện các

vết nứt nhỏ và chưa để lộ gỉ cốt thép

- Bến cập xuồng đã xuất hiện các vết nứt bê tông, để lộ thép bị gỉ, một số vị trí

bề mặt bê tông đã bị vỡ

Hình 1.5 Hiện trạng ăn mòn một số công trình cầu cảng

Như vậy, hầu hết các công trình BTCT đã xây dựng trong khu vực này sau 10-20 năm sử dụng đã xuất hiện những hư hỏng điển hình như bê tông bị nứt hoặc

vỡ Vết nứt từ nhỏ đến lớn, thậm chí bê tông bề mặt còn bị vỡ từng mảng để lộ cốt thép đã bị han gỉ

1.2 Tổng quan về độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển

1.2.1 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT

Quá trình xuống cấp của bê tông có thể do các nguyên nhân sau: vật lý (do

sự thay đổi nhiệt), cơ học (mài mòn, xói mòn, va đập, nổ), hóa học (sự tấn công của axit, sun phát, ion amoni và magie hoặc phản ứng cốt liệu kiềm), sinh học (bám bẩn, tấn công sinh học) và kết cấu (quá tải, lún, chu kỳ tải trọng) được thể hiện ở Hình 1.6 Trong thực tế, các nguyên nhân này hay xảy ra đồng thời và thường tạo ra tác động cộng hưởng

Hình 1.6 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT [91]

Trong vòng vài giờ đầu tiên tới vài tháng sau khi đúc bê tông, những hiện tượng như biến dạng dẻo, co ngót dẻo, co ngót khô, co ngót nhiệt và từ biến đã bắt đầu xảy ra trong bê tông Những hiện tượng này thường không được coi là hiện tượng hư hỏng, mặc dù chúng ảnh hưởng tới độ bền của kết cấu Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép liên kết chặt chẽ với nhau Các yếu tố dẫn đến

sự phá hủy lớp bê tông bảo vệ hoặc gây ra các vết nứt nhỏ làm ảnh hưởng tới các khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông Mặt khác, ăn mòn tấn công tạo ra vết nứt hoặc tách lớp bê tông và dẫn đến làm giảm độ dính bám của bê tông với cốt thép

Hậu quả của ăn mòn cốt thép trong bê tông được thể hiện ở Hình 1.7

Hình 1.7 Hậu quả của quá trình ăn mòn cốt thép [91]

Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu BTCT được GS Mutsuyoshi [24] tổng hợp dựa trên các nguyên nhân gây hư hỏng của các cầu BTCT ở Nhật Bản, Hình 1.8

Hình 1.8 Các nguyên nhân hư hỏng kết cấu BTCT ở Nhật Bản [24]

Qua số liệu thống kê cho thấy, nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các hư hại các kết cấu BTCT là do sự xâm nhập ion clo, chiếm tới 66% Trong khi đó cacbonat hóa chỉ chiếm 5% Vì vậy trong luận án, tác giả tập trung nghiên cứu cơ chế gây ăn mòn cốt thép, thiết kế kết cấu BTCT đảm bảo độ bền do sự xâm nhập của ion clo

1.2.2 Độ bền và tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

1.2.2.1 Độ bền kết cấu BTCT

Hiện nay, độ bền của bê tông là một chủ đề nhận được nhiều sự quan tâm của các nước trên thế giới Rất nhiều các hội thảo quốc tế về chủ đề độ bền bê tông được tổ chức Nhiều nghiên cứu về hư hỏng các kết cấu BTCT được đưa ra thảo luận và cập nhật thường xuyên trong các báo cáo mới nhất Các tiêu chuẩn Châu

Âu, Mỹ, Nhật bản, Nga và Việt Nam đã đề cập đến vấn đề độ bền của bê tông và đưa ra các hướng dẫn lựa chọn thành phần vật liệu và loại kết cấu để đảm bảo độ bền của công trình BTCT dưới tác động xâm thực của môi trường

Theo NAHB Research Center [107], độ bền là khả năng của vật liệu, sản

phẩm hoặc công trình để duy trì chức năng đã xác định cho tuổi thọ sử dụng dự kiến với mức độ bảo trì ở điều kiện đã được dự trù trước

Theo Neville [99], độ bền của bê tông là bê tông phù hợp cho các mục đích

mà nó được dự định, dưới các điều kiện môi trường bê tông dự kiến sẽ được tiếp xúc

và với tuổi thọ dự kiến trong suốt thời gian đó bê tông vẫn tiếp tục phục vụ

Theo Bryant Mather [62], bê tông bền là bê tông có khả năng chống lại các

chất xâm thực trong môi trường mà có xu hướng làm cho bê tông suy thoái sớm mà không yêu cầu chi phí quá mức để bảo trì

Theo Shetty M.S [112], bê tông bền là bê tông mà trong một thời gian dài, bê

tông được coi là vật liệu có độ bền với yêu cầu ít hoặc không cần điều kiện bảo trì Giả thiết này đúng trong đa số trường hợp, ngoại trừ khi bê tông được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, bê tông bị suy thoái, kém bền do bị xâm nhập của các tác nhân: axit, sun phát, ion clo, cacbonat hóa

Theo Viện bê tông Mỹ ACI 201.2R-08 [36], độ bền là khả năng chống lại

các tác động của thời tiết, xâm nhập của hóa chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác của sự hư hại Bê tông bền sẽ giữ lại được hình dạng ban đầu của nó Bê tông bền cũng sẽ duy trì được chất lượng và khả năng phục vụ khi tiếp xúc với môi trường xâm thực

Theo phương pháp thiết kế đảm bảo độ bền, độ bền được xác định là tuổi thọ sử dụng yêu cầu Theo phương pháp này, quan niệm định tính về độ bền được chuyển thành những yêu cầu có căn cứ là số năm sử dụng của công trình mà kết cấu của nó phải đảm bảo yêu cầu (tuổi thọ sử dụng) (Fagerlund [107])

1.2.2.2 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

Dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT là vấn đề khá mới nhưng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới và trong nước quan tâm Khái niệm tuổi thọ sử dụng đã được đưa vào trong các tiêu chuẩn hiện hành như:

Theo Eurocode, 1994 [72], tuổi thọ sử dụng của kết cấu là kết cấu sẽ

được thiết kế và hoạt động theo yêu cầu thiết kế, trong suốt tuổi thọ sử dụng dự kiến với mức độ tin cậy phù hợp và đảm bảo kinh tế:

+ Duy trì sự phù hợp theo mục đích sử dụng đã được yêu cầu;

+ Duy trì tất cả các hoạt động và những ảnh hưởng có thể xảy ra trong quá

trình hoạt động và sử dụng

Theo Duracrete 2000 [68], có 3 khái niệm khác nhau về tuổi thọ sử dụng:

+ Tuổi thọ sử dụng kỹ thuật: là thời gian phục vụ của kết cấu cho tới khi

một trạng thái giới hạn nào đó không thỏa mãn đạt tới

+ Tuổi thọ sử dụng chức năng: là thời gian sử dụng cho tới khi tính năng

hoạt động của kết cấu trở lên lỗi thời, do sự thay đổi yêu cầu từ chính quyền và chủ sở hữu

+ Tuổi thọ sử dụng kinh tế: là thời gian sử dụng cho đến khi việc thay thế

kết cấu mới mang lại hiệu quả kinh tế hơn là duy trì nó

Hình 1.9 Tuổi thọ sử dụng theo Duracrete 2000 [68]

Theo Ủy ban ACI 365 [41]: tuổi thọ sử dụng là thời gian mà kết cấu thực

hiện chức năng đã định của nó

Theo TCVN 11823-2017 [16]: tuổi thọ sử dụng là khoảng thời gian cầu

được dự kiến khai thác an toàn Tuổi thọ sử dụng (của công trình, kết cấu, hoặc vật

liệu) là khoảng thời gian từ khi xây dựng tới khi một trạng thái giới hạn nào đó bị vi phạm, người ta có thể bảo trì, thay thế để kéo dài tuổi thọ sử dụng

Tuổi thọ sử dụng của một kết cấu có thể được mô tả như là sự kết hợp tuổi thọ sử dụng đối với các bộ phận khác nhau của kết cấu Bộ phận có tuổi thọ sử dụng ngắn nhất sẽ quyết định đến tuổi thọ sử dụng của kết cấu Với phương pháp này, có thể xác định được bộ phận kết cấu được sử dụng để xác định tuổi thọ sử dụng [97]

Các ví dụ điển hình về tuổi thọ sử dụng dự kiến hoặc được chỉ định cho các kết cấu bê tông cốt thép [91] như sau:

+ 35 năm: Công trình ngoài khơi;

+ 50 năm: Công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn Quốc tế và Quốc gia; + 100 năm: Công trình cầu, đường hầm, bến cảng (Ở Anh là 120 năm) + 200 năm: Công trình hàng rào chống bão;

+ 300 năm: Công trình cầu eo biển Messina

Những kết cấu BTCT quan trọng thì yêu cầu tuổi thọ sử dụng là 50, 80,

100 năm hoặc nhiều hơn với độ tin cậy được thể hiện bởi các nhà thiết kế và chủ đầu tư Tuổi thọ sử dụng của một số loại công trình như trong Bảng 1.7

Bảng 1.7 Tuổi thọ sử dụng yêu cầu của một số công trình [91]

yêu cầu (năm)

2 Đường đê King Fahd (Ả Rập Xê Út - Bahrain) 75

12 Hàng rào chắn bão Eastern Scheldt (Hà Lan) 200

Việc bảo trì để kéo dài tuổi thọ sử dụng công trình BTCT là khá phức tạp và khó khăn Do vậy, ngay từ bước thiết kế kết cấu BTCT làm việc trong môi trường khắc nghiệt phải tính toán đảm bảo độ bền công trình

1.2.3 Các nghiên cứu về độ bền bê tông

1.2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về độ bền bê tông

Trong suốt 150 năm qua, các chuyên gia, các Ủy ban và chính quyền Quốc gia đã tham gia vào vấn đề đảm bảo độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển Nhiều bài viết đã được trình bày trong các hội nghị Quốc tế như hội nghị Quốc tế về Thử nghiệm vật liệu tại Copenhagen 1909, New York 1912 và Amsterdam 1927, hiệp hội Quốc tế Hàng hải thường niên (PIANC) ở Lon Don 1923, Cairo 1926, Venice 1931 và Lisbon 1949, hiệp hội Quốc tế Thử nghiệm và phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu và cấu trúc (RILEM) ở Prague vào năm 1961 và 1969, RILEM-PIANC ở Palermo vào năm 1965 và liên đoàn Internationale dela Precontrainte (FIP) ở Tibilisi vào năm 1972 Ngay từ năm 1923, Atwood và Johnson (1924) đã tập hợp khoảng 3000 tài liệu tham khảo về vấn đề độ bền của bê tông làm việc trong

môi trường khắc nghiệt Chủ đề này tiếp tục được trình bày tại nghị quốc tế (Malhotra, 1980, 1988, 1996; Mehta, 1989, 1996; Sakai et al., 1995; Gjorv et al., 1998; Banthia et al., 2001; Oh et al., 2004; Toutlemonde et al., 2007) [74]

Vào đầu năm 1970, Viện bê tông Mỹ [115] đã đưa ra một dự báo công nghệ

bê tông sử dụng trong tương lai của các công trình xây dựng trong môi trường biển Trong một thời gian dài, số lượng lớn tiền của và tài nguyên thiên nhiên đã được sử dụng cho việc sửa chữa và phục hồi các kết cấu BTCT xây dựng trong môi trường này do cốt thép bị ăn mòn quá sớm dẫn đến công trình không đảm bảo thời gian sử dụng theo yêu cầu thiết kế [74] Dưới đây là các nghiên cứu điển hình về độ bền kết cấu BTCT làm việc trong môi trường biển

Cuối thế kỉ XX, các nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kết cấu BTCT làm việc trong môi trường biển như: hệ số khuếch tán clo, nồng độ clo bề mặt, ngưỡng nồng độ clo giới hạn và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Do

đó, dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do sự xâm nhập ion clo ở các vị trí tiếp xúc khác nhau như nghiên cứu của Costa A.và Appleton J [66], Hope, B.B.và cộng

sự [83], v.v…

Đầu thế kỉ XXI, các nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của phụ gia khoáng như tro bay, xỉ lò cao, muội silic, v.v… đến cường độ chịu nén và độ bền của bê tông Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: cường độ chịu nén của bê tông đạt cao nhất với sự kết hợp của chúng như 8% muội silic hoặc 70% xỉ lò cao hoặc hỗn hợp gồm 10% muội silic, 25% xỉ lò cao và 15% tro bay, v.v… Các nghiên cứu nghiên cứu điển hình là H Toutanji [126], Thomas và các cộng sự [124], Horsakulthai và Paopongpaiboon [85], Cheng và cộng sự [65], v.v…

Các nghiên cứu sau đó tập trung vào sự ảnh hưởng của muội silic đến cường

độ và khả năng chống xâm nhập ion clo của bê tông Từ đó cho thấy, bê tông sử dụng muội silic có sức kháng xâm nhập ion clo cao Điện lượng chuyển qua mẫu của loại

bê tông này là 296-690 cu lông nhỏ hơn nhiều so với mẫu bê tông OPC là 3.900 cu lông, tương ứng hệ số khuếch tán clo nhỏ hơn 10 lần Các nghiên cứu điển hình: Hooton R.D và các đồng nghiệp [84], Juan L.M và Lucio Guillermo L.Y [86], S Bhanj, B.Sengupta [58], v.v… Nghiên cứu của Juan L.M thực hiện trên các hỗn hợp

bê tông có thành phần muội silic thay thế xi măng lần lượt là 5%, 10%, 15% và so sánh với bê tông chỉ sử dụng xi măng poóc lăng Kết quả chỉ ra rằng bê tông có chứa

muội silic làm tăng cường độ chịu nén và tăng sức kháng xâm nhập ion clo Về mức

độ xâm nhập ion clo, điện lượng chuyển qua mẫu đều nhỏ hơn 1000 cu lông, đặc biệt

là mức thay thế 15% muội silic, mức độ xâm nhập ion clo không đáng kể, v.v…

Các nghiên cứu về độ bền bê tông chỉ ra rằng, bê tông sử dụng muội silic đảm bảo độ bền, cường độ và tính công tác Đặc biệt là đáp ứng được yêu cầu độ bền của công trình BTCT trong môi trường biển giàu ion clo

1.2.3.2 Các nghiên cứu trong nước về độ bền của bê tông

Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu độ bền của bê tông được nhiều nhà khoa học quan tâm, nhiều hội thảo và chuyên đề đã được tổ chức với các báo cáo nghiên cứu về giải pháp nâng cao độ bền công trình BTCT trong môi trường biển như cải thiện tính năng của bê tông, sử dụng các loại thép chống gỉ, cốt phi kim loại, v.v Các hướng nghiên cứu điển hình về nâng cao độ bền của bê tông làm việc trong môi trường biển gồm:

Các nghiên cứu về hiện trạng ăn mòn phá hủy sớm công trình và giải pháp

khắc phục như nghiên cứu của Trương Hoài Chính [17] “Khảo sát hiện trạng ăn

mòn thép và cảnh bảo nguy cơ ăn mòn thép của các công trình ven biển Đà Nẵng”,

Phạm Văn Khoan [28], Viện Khoa học công nghệ “Tình trạng ăn mòn BTCT ở vùng

biển Việt Nam và một số kinh nghiệm sử dụng chất ức chế ăn mòn Canxi nitrit”, Binh

chủng Công binh/Bộ Quốc phòng thực hiện dự án nhánh ĐTB 11.4 [2] “Nghiên cứu

cơ sở khoa học để xây dựng quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế; xây dựng quy trình khảo sát, duy tu bảo dưỡng các công trình Quốc phòng tại vùng DK I và Trường Sa” đã

nghiên cứu tác động ăn mòn môi trường biển đến các loại vật liệu và kết cấu công trình BTCT trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa, Nguyễn Thị Thu Hương [21]

“Nghiên cứu về giải pháp nâng cao độ bền cho BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và

bờ biển Việt Nam”, v.v…

Các nghiên cứu về giải pháp nâng cao độ bền chống xâm nhập ion clo khi sử dụng hỗn hợp gồm xi măng poóc lăng, tro bay, muội silic hoặc xỉ lò cao như nghiên cứu của Phạm Duy Hữu và các cộng sự [24], nghiên cứu bê tông kết hợp 15%TB và 7%MS hoặc 5-6% MS và 15-20% tro bay, Đào Văn Dinh [18] xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo và mô mình “LifeConBridge” dự báo tuổi thọ của cầu BTCT ven biển Việt Nam do xâm nhập ion clo có xét đến độ ẩm và điện trở suất của bê tông,

Nguyễn Quang Phú [31] đã nghiên cứu sử dụng muội silic với hàm lượng thay thế xi măng lần lượt là 0; 5%; 10%;15%; 20% và 25% và phụ gia siêu dẻo giúp tăng cường

độ chịu nén, Hồ Văn Quân [32] nghiên cứu bê tông sử dụng kết hợp tro bay và muội silic để tăng tuổi thọ sử dụng công trình vùng biển Đà Nẵng, Nguyễn Tấn Khoa [27] nghiên cứu bê tông cát biển sử dụng tro bay, xỉ lò cao để tăng tuổi thọ sử dụng công trình trong vùng biển miền trung, Lê Hồng Lam [29] sử dụng nano silic và tro bay để tăng cường tuổi thọ công trình trong môi trường biển, Nguyễn Long Khánh [26] sử dụng bê tông muội silic có độ bền cao trong môi trường biển Việt Nam, v.v…

Các nghiên cứu về giải pháp chống ăn mòn khác như: nghiên cứu của Đồng Kim Hạnh [20] về tình trạng ăn mòn và giải pháp sử dụng bê tông cốt sợi phân tán (gồm sợi thép và sợi polypropylen) trong quá trình sửa chữa kết cấu BTCT trong môi trường biển Việt Nam, Lâm Thanh Quang Khải [25] về giải pháp chống ăn mòn kết cấu BTCT miền chịu kéo khi sử dụng bê tông Polymer, Viện khoa học công nghệ giao thông vận tải đã đề ra những biện pháp bảo vệ chống ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT làm việc trong môi trường biển bằng cách sử dụng các chất phụ gia kị nước (dầu thảo mộc), tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bê tông bằng các lớp sơn bitum-cao su, sơn bitum-epoxy để chống thấm, Viện hoa học thủy lợi quốc gia đã nghiên cứu thành công phụ gia bentonit tăng chống thấm, giảm ăn mòn cho các công trình thủy lợi, Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan và Nguyễn Nam Thắng Viện khoa học công nghệ xây dựng [34] đã nghiên cứu các giải pháp chống ăn mòn cốt thép trong môi trường biển bằng các sử dụng bê tông cốt sợi, chất ức chế ăn mòn canxi nitrit hoặc sơn phủ bề mặt kết cấu, v.v Vũ Ngọc Anh, Viện khoa học công nghệ xây dựng [1] đã nghiên cứu sử dụng bê tông làm từ cát biển và nước biển có độ bền từ B15 đến B45, sử dụng cốt sợi thủy tinh thay cho cốt thép thường, v.v…

Các nghiên cứu trong nước đang tập trung vào cải thiện chất lượng bê tông trong môi trường biển bằng cách sử dụng các vật liệu khoáng và phụ gia hóa học để tăng cường sức kháng xâm nhập ion clo, đảm bảo tính công tác và cường độ chịu nén Các vật liệu khoáng được sử dụng phổ biến là muội silic, tro bay, xỉ lò cao, v.v hoặc kết hợp các loại trên Các nghiên cứu tập trung chính các giải pháp nâng cao cường độ chịu nén của bê tông từ đó tìm các biện pháp nâng cao tuổi thọ sử

dụng mà chưa ưu tiên tiêu chí thiết kế đảm bảo độ bền của kết cấu khi thiết kế thành phần bê tông

1.2.4 Tiêu chuẩn độ bền bê tông trong môi trường biển

1.2.4.1 Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1 [70]

Năm 1975 Ủy ban Châu Âu [72] ban hành các tiêu chuẩn xây dựng cho các kết cấu công trình bằng bê tông, có 3 tiêu chuẩn cơ bản gồm:

- EN 1990 - Eurocode 0: Cơ sở thiết kế kết cấu

- EN 1991 - Eurocode 1: Những tác động lên kết cấu

- EN 1992 - Eurocode 2: Thiết kế kết cấu bê tông

Tháng 6 năm 2000 tiêu chuẩn Châu Âu kí hiệu là EN 206-1 [70] “Bê tông - Phần 1: đặc điểm kỹ thuật, chất lượng, chế tạo và tính công tác” đã được công bố Trong đó, quy định giới hạn về hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia khoáng siêu mịn và yêu cầu về chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép đảm bảo độ bền kết cấu BTCT

EN 206-1 [70] bao gồm hai phần: một phần theo tiêu chuẩn quy định của Châu

Âu và một phần là quy định riêng của quốc gia áp dụng Đó là các quy định phụ thuộc vào địa lý và truyền thống quốc gia đã được thiết lập từ trước và kinh nghiệm về đặc điểm của khu vực đó Trong tiêu chuẩn EN 206-1 chỉ rõ những yêu cầu đảm bảo độ bền kết cấu BTCT và phân loại mức độ tác động của môi trường tới kết cấu

Tiêu chuẩn EN 1992 [71] chỉ ra các yêu cầu về cấp cường độ của bê tông theo yêu cầu độ bền, sự lựa chọn loại bê tông và thành phần bê tông để đảm bảo độ bền yêu cầu Điều này có thể làm cho cường độ chịu nén cao hơn so với cường độ thiết kế yêu cầu Cường độ này có thể được tìm thấy trong phụ lục của mỗi Quốc gia Tiêu chuẩn EN 206-1 [70] cung cấp các khuyến nghị về sự lựa chọn giá trị giới hạn về thành phần và đặc tính của bê tông trong các điều kiện tiếp xúc khác nhau

1.2.4.2 Tiêu chuẩn Việt Nam

a) TCVN 9346:2012

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9346:2012 [8] “Kết cấu bê tông và BTCT, yêu

cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển” Trong đó, các yêu cầu về mác bê

tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, lượng xi măng tối thiểu và bề rộng khe nứt của các loại kết cấu BTCT ở các vị trí tiếp xúc khác nhau với tuổi thọ sử dụng là

50 năm được quy định, Bảng 1.8

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]

STT Yêu cầu thiết kế

Kết cấu làm việc trong vùng Ngập

nước

Nước lên xuống Trên mặt nước

Trên bờ, 0-1 km cách mép nước

Gần bờ, 1-30 km cách mép nước

1 Mác bê tông, Mpa 30 40 40 50 30 40 50 25 30 40 25 30 40

- Nước lợ cửa sông 40 30 60 50 50 40 30

4 Lượng xi măng tối

6 Cấu tạo kiến trúc - Bề mặt kết cấu phẳng, không gây đọng nước, tích tụ ẩm và bụi

- Hạn chế sử dụng kết cấu dạng thanh mảnh (chớp, lan can, chắn nắng)

- Có khả năng tiếp cận tới mọi vị trí để kiểm tra, sửa chữa

(1) Đối với kết cấu bê tông không có cốt thép ở vùng khí quyển biển không bắt buộc thực hiện yêu cầu về mác bê tông theo bảng 1

(2) Đối với kết cấu bê tông không có cốt thép ở vùng khí quyển biển không bắt buộc thực hiện yêu cầu về độ chống mức độ xâm nhập nước theo bảng 1

(3) Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép được tính bằng khoảng cách gần nhất từ mặt ngoài kết cấu tới mặt ngoài cốt thép đai

(4) Kết cấu trong đất ở vùng ngập nước và vùng nước lên xuống được bảo vệ tương tự như kết cấu trong vùng ngập nước

(5) Bề rộng khe nứt giới hạn cho trong bảng ứng với tác dụng của toàn bộ tải trọng, kể cả dài hạn và ngắn hạn Đối với kết cấu BTCT ứng suất trước không cho phép xuất hiện vết nứt Các kết cấu ở trong vùng ngập nước và nước lên xuống có yêu cầu tuổi thọ sử dụng trên 50 năm (tới 100 năm) thì ngoài việc đảm bảo quy định ở Bảng 1.8 phải áp dụng thêm một trong các biện pháp bảo vệ hỗ trợ với mức tối thiểu như sau:

- Tăng mác bê tông thêm 10 MPa, tăng độ chống thấm thêm một cấp (2 atm)

và tăng thêm 20 mm chiều dày lớp bê tông bảo vệ so với quy định ở Bảng 1.8;

- Tăng cường bảo vệ mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bê tông phun khô có mác bằng bê tông kết cấu dày 30 mm hoặc một lớp bê tông phun khô có mác cao hơn bê tông kết cấu 10 MPa với chiều dày tối thiểu 20 mm;

- Tăng cường bảo vệ trực tiếp cốt thép bằng phương pháp cathod

c) Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 12041:2017

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 12041:2017 [6] “Kết cấu bê tông và BTCT- yêu

cầu chung về thiết kế độ bền lâu và tuổi thọ trong môi trường xâm thực” Các Bảng

1.9, Bảng 1.10, Bảng 1.11 và Bảng 1.12 là phân loại các loại tiếp xúc của kết cấu với môi trường biển, các quy định về tỉ lệ N/CKD, cấp độ bền, giới hạn hàm lượng ion clo và chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ cốt thép của các kết cấu BTCT làm việc trong môi trường xâm thực

Bảng 1.9 Các loại tiếp xúc của kết cấu BTCT với môi trường [6]

Loại tiếp

Các mẫu thông tin nơi các loại tiếp xúc có thể xảy ra

1 Ăn mòn gây ra do clorua từ nước biển

Nơi BTCT chịu tiếp xúc với clo từ nước biển hoặc không khí mang theo muối có nguồn gốc từ nước biển, tiếp xúc được phân loại như sau:

XS1 Tiếp xúc với muối trong không khí nhưng

không tiếp xúc trực tiếp với nước biển

Công trình gần hoặc ven biển

XS2 Ngập nước vĩnh viễn Các bộ phận của công trình biển XS3 Vùng thủy triều, sóng đánh và phun bọt Các bộ phận của công trình biển

Bảng 1.10 Các yêu cầu về chất lượng bê tông trong môi trường xâm thực [6]

Tên chỉ tiêu

Loại môi trường xâm thực Không

ăn mòn

Ăn mòn do ion clo

từ môi trường biển

Tỉ lệ N/CKD lớn nhất 0,45 0,40 0,40 Cấp độ bền chịu nén nhỏ nhất B15 B35 B45 B45 Mác theo độ bền chịu nén nhỏ nhất (MPa) *

Bảng 1.11 Giới hạn hàm lượng ion clo trong bê tông [6]

Dạng kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép

Cấp hàm lượng ion clo 2)

Hàm lượng ion clo cho phép, %

so với khối lượng xi măng 3)

3) Khi sử dụng phụ gia thay thế xi măng và có tính đến hàm lượng xi măng, hàm lượng ion clo được tính theo tổng khối lượng xi măng và phụ gia

4) Các cấp hàm lượng ion clo khác có thể được chấp nhận đối với bê tông sử dụng xi măng pha xỉ

lò cao theo quy định trong thiết kế

Bảng 1.12 Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường [6]

Cấp cấu tạo, độ bền

lâu và tuổi thọ

Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ theo từng loại

môi trường và mức độ xâm thực, mm

Bảng 1.13 Xác định cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ [6]

Các tiêu chí để lựa chọn cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ

Cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ

Cấp độ bền chịu

nén của bê tông

Kết cấu dạng bản mỏng

Có sự kiểm soát đặc biệt trong quá trình sản xuất