Bê tông cho công trình biển - PGS. TS. Phạm Hữu Hanh

Nước ta có bờ biển dài, có nhiều hải đào và là một trong bốn nước trên thế giới chịu ánh hường nhiều nhất của biến đổi khí hậu, trong đó có hiện tượng nước biển dâng. Nhà nước ta đã có nhiều chủ trương phát triển kinh tế biển. Trong tương lai các công trình biển sẽ được xây dựng ngày càng nhiều, như càng biển, đê biển, công trình dầu khí, công trình dân sự và quân sự trên các hải đào. Các công trình này chủ yếu làm bằng bê tông, bê tông cốt thép và bằng thép. Bê tông công trình biển là một loại bê tông đặc biệt, phải chịu được tác động của môi trường biển như ăn mòn, xói mòn. . . để ổn định lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt. Hiện nay ở nước ta đã quan tâm nghiên cứu xây dựng công trình biển, trong đó có vấn để thiết kế, thi công và sử dụng vật liệu, và đã thành lập một số viện nghiên cứu về biển và xây dựng công trình biển. Ở một số trường đại học đã có ngành đào tạo xây dựng công trình biến với nhiều môn học, trong đó có môn bê tông cho công trình biển. Tuy nhiên cho đến nay hầu như chưa có môn bê tông biền bằng tiếng Việt được xuất bàn ở nước ta. Đây là tài liệu đầu tiên về vấn đề này do PGS. TS. Phạm Hữu Hanh - chù nhiệm Khoa Vật liệu xây dựng, trường Đại học Xây dựng biên soạn. Tài liệu đã đề cập đen các van đề cơ bản như ảnh hưởng của môi trường biển đối với bê tông và bê tông cắt thép trong công trình biển, đảm bảo chất lượng công trình, chế tạo bê tông cường độ cao cho công trình biển và một sổ vấn đề khác. Nội dung tài liệu khá phong phú, được viết dựa trên cơ sở tham khảo nhiều tài liệu của nước ngoài và kết quà nghiên cứu của chính tác giả và cộng sự. Cuốn sách này rất hữu ích đối với các nhà nghiên cứu, thiết kế, thi công và quản lý công trình biển, đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham kháo và giảng dạy, học tập cho giáo viên, sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành vật liệu xây dựng, ngành xây dựng nói chung và xây dựng công trình biển nói riêng ở các trường đại học.

c k " 0000069169 HẠM HỮU HANH (Chủ biên)

TS LE TRUNG THÀNH - TS NGUYÊN v ă n t u ấ n

BÊ TÔNG

CHO CÔNG TRÌNH BIẾN

Q

PG S TS PHẠM HỮU HANH (Chủ biên)

s LÊ TRUNG THÀNH - TS N GU YỄN v ă n t u ấ n

CHO CÔNG TRÌNH BIẾN

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

HÀ N Ộ I-2013

LÒI TỤ A

Nước ta có bờ biến dài, có nhiều hài đào và là một trong bốn nước trẽn thế giới chịu ành hưởng nhiều nhát của biến đổi khí hậu, trong đó có hiện tượng nước biển dăng Nhà nước ta đã có nhiều chù trương phát triền kinh tế biển Trong tương lai các công trình biến sẽ được xây dựng ngày càng nhiều, như càng biển, đê biển, công trình dầu khi, công trình dân sự và quân sự trên các hài đào Các công trình này chù yếu làm bằng bê tông, bẽ tông cốt thép và bằng thép Bẽ tông công trình biển là một loại bê tông đặc biệt, ph á i chịu được tác động cùa môi trường biển như ăn mòn, xói mòn đề ổn định lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt.

Hiện nay ở nước ta đã quan tâm nghiên cứu xây dựng công trình biến, trong đó có vắn đề thiết kế, thi công và sử dụng vật liệu, và đã thành lập một số viện nghiên cứu về biển và xâ y dựng công trình biển Ở một số trường đại học đã có ngành đào tạo xây dựng công trình biến với nhiều môn học, trong đó có môn bê tông cho công trình biển Tuy nhiên cho đến nay hầu nh u chưa có môn bê tông biền bằng tiếng Việt được xuất bản ở nước ta Đây là tài liệu đầu tiên về vân đề này do PGS TS Phạm Hữu Hanh - chù nhiệm Khoa Vật liệu xây dựng, trường Đại học X ây dựng biên soạn Tài liệu đã đề cập đến các vấn đề cơ bản như ành hướng cùa môi trường biển đổi với bê tông và bẽ tông cốt thép trong công trình biển, đảm bảo chắt lượng công trình, chế tạo bẽ tông cường độ cao cho cồng trình biển và một số vấn đề khác.

Nội dung tài liệu khá phong phú, được viết dựa trên cơ sở tham khảo nhiều tài liệu cùa nước ngoài và kết quà nghiên cứu của chính tác giả và cộng sự.

Cuốn sách này rất hữu ích đồi với các nhà nghiên cứu, thiết kế, thi công và quản lý công trình biển, đồng thòi có thế dùng làm tài liệu tham khào và giáng dạy, học tập cho giáo viên, sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành vật liệu xây dựng, ngành xây dựng nói chung và xây dựng công trình biến nói riêng ở các trường đại học.

Tôi hân hạnh được giới thiệu cuốn sách này cùng bạn đọc và hy vọng rằng sau này tác giả có dịp lái bản với nội dung phong phú đầy đủ hơn.

Ngày 01 tháng 06 năm 2012

GS TSKH Nguyễn Thúc Tuycn

MỞ ĐÀU

Cùng với đất liền, hàng nghìn năm nay biên phục vụ cho cuộc sống con người Với dân số trẽn thế giới tăng rất nhanh (hiện nay đã trên 7 tỳ người) cũng như trong lòng biên chứa rất nhiều tài nguyên quý giá, do đó vai trò cùa nó ngày càng quan trọng đối với sự phát triển cùa xã hội loài người Hầu hết các quốc gia có biên giới tiếp xúc với biến đểu có chiến lược riêng về biến đế có hướng p h á t triển và sử dụng hiệu quả nguồn lợi thiên nhiên do biển mang lại Nước ta với trên 3000km bờ biển và có rất nhiều quần đảo lớn nhó khác nhau, vì thế biến giữ một vai trò hét sức quan trọng trong sự phát triển cà về kinh tế, văn hóa, chính trị và quốc phòng của đất nước.

Cuốn B ê tô n g clio công trìnli biển được biên soạn nhằm phân tích và giới thiệu một loại vật liệu bền vững dùng cho công trình biến Nội dung cùa cuốn sách trình bày tổng quát về sử dụng bẽ tông, phân tích các nguyên nhân hư hỏng bê tông và các biện pháp nâng cao chất lượng cùa nó khi dùng cho công trình biến Cuốn sách cũng nêu ra hướng nhìn mới trong việc nghiên cứu vé bé tông nói riêng và vật liệu nói chung, xét một cách lổng hợp cả trên các khía cạnh kinh tế, chất lượng, môi trường Đặc biệt, cuốn sách cũng đưa ra p h ư ơ n g p h á p to i ƯU về th iế t k ế th ành p h ầ n bẽ tô n g c h ấ t lư ợ n g cao d ù n g cho công trình biền.

Cuốn sách có thề dùng làm tài liệu học tập cho học viên cao học ngành vật liệu, ngành công trình cũng như làm tài liệu tham kháo cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu về vật liệu và công trình.

Chúng tôi rất cảm ơn các thầy cô giáo ớ Khoa Vật liệu xây dựng cùng với các nhà khoa học vê vật liệu và xây dựng đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong khi biên soạn tài liệu này.

Đ ây là vấn đề khó liên quan đến nhiều ngành khác nhau, do đó chắc chắn còn những hạn chế cần trao đổi Chúng lôi rất mong muốn và xin cảm ơn sự góp ỷ cùa quý độc già Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi về: Phòng biên tập sách Khoa học kỹ thuật - Nhà xuất bản X ây dựng - 37 Lê Đại Hành - Hà Nội Điện thoại: 043.9760216.

T ác giả

Phạm Hữu Hanh

Chưong 1BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIÈN

Đại dương có diện tích bề mặt nhiều hơn hai lần tổng cộng của cả bẩy lục địa trên trái đất, trên đó con người hoạt động khai thác để phục vụ cho cuộc sống của mình Lịch sử của nhân loại đã ghi nhận, biển dùng để đánh bắt cá, buôn bán vượt đại dương và để chôn lấp phế thải Ngày nay, ngoài những khai thác truyền thống, việc xây dựng các công trình biển để phục vụ con người ngày càng quan trọng Đặc biệt, biển chứa hơn 25% hydrocacbon của thế giới dưới dạng gas và dầu, đây là nguồn năng lượng cực kỳ quan trọng phục vụ cho cuộc sống con người Mặt khác, dân số thế giới đã vượt 7 tỳ người, do đó đòi hỏi phải xây dụng các công trình trên biển để phục vụ khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên biển cũng như sinh hoạt, giải trí

1.1 PHÂN LOẠI KÉT CÁU BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIÊN

Kết cấu bê tông cho công trình biển có thể được phân loại theo nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào các tiêu chí:

1 Dựa vào công dụng, công trình biển gồm các công trình như: neo tầu, thuyền; đê chán sóng, thủy triều; ụ tầu và thùy phi cơ; thiết bị chứa; ụ tầu nổi và giàn khoan

2 Dựa trên nét đặc biệt cùa thiết kế, Buslov [15] đã chia các kết cấu của công ưình biền ra 5 nhóm chính: cọc, buồng mềm, trọng lực, ụ cao su và kết cấu nổi Mỗi nhóm lại gồm một số loại kết cấu khác nhau về cách chịu tải trọng (xem hình 1.1) Tuy nhiên, phân loại cùa Buslov chỉ xác định cho những kết cấu cơ bàn; ngoài ra còn các loại liên hợp, tồng hợp như tường neo cứng, mạng cọc, kết cấu liên hợp bê tông - thép

3 Dựa vào vị trí chế tạo kết cấu: sản xuất tại nhà máy - đúc sẵn, đổ tại chỗ

4 Dựa vào vật liệu chế tạo: kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất trước

5 Dựa theo đặc điểm làm việc cùa công trình: ngập nước, nước thay đổi, tiếp xúc với không khí biển

Dây neo

1.2 SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIẺN

Để xây dựng các công trinh biển, dùng 3 loại vật liệu cơ bản: đó là gỗ, thép và bê tông, trong đó bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến nhất trong công trình biển Bê tông cốt thép đã được sử dụng gần 200 nãm qua và trờ thành một trong những vật liệu công nghiệp phổ biến nhất trên thế giới N hững lý do để loại vật liệu này có ưu thế lớn mà những người xây dựng lựa chọn như: có độ bền trong nước, rất dễ dàng tạo hình các kết cấu với hình dáng kích thước khác nhau, giá thành thấp, và có thể sản xuất ờ mọi nơi trên thế giới 1

So với các vật liệu xây dụng khác, bê tông còn chịu tác động tốt hơn của nước chứa muối khoáng Do đó, bê tông là vật liệu được cho là loại sử dụng phù hợp nhất đối với các kết cấu dùng cho công trình biển Trong xây dựng ờ những thập ký gần đây có rất nhiều dự án về công trinh biển sử dụng bê tông Nhiều tác giả còn dự đoán thế ký 21 là thế kỷ của vật liệu bê tôtig dùng cho công trình biền Thực tế cũng dễ thấy ràng bê tông được sử dụng ngày càng tăng cả ở công trình ven bờ và ngoài khơi

Lịch sử về sứ dụng bê tông trong công trình biển chi ra rằng bê tông là loại vật liệu rất bền Nhiều công trình trên các đảo ờ châu Âu được xây dựng từ thời La Mã cổ đại bằng chất kết dính vôi-puzơlan đã chống được sự phá hoại trong thời gian vài nghìn

năm, hay một số kết cấu rất cồ vẫn tồn tại được trên các bãi biển Tuy nhiên, thực tế cũng chứng minh ràng không có một loại vật liệu nào bền tuyệt đối với môi trường biển- một trong những môi trường ăn mòn phả biến nhất trên thế giới Bên cạnh những công trình bê tông bền vững với thời gian, chúng ta cũng không thể thống kê được số lượng kết cấu mà không thể chịu được sự phá hoại cùa đại dương.

Các tài liệu lịch sừ về sừ dụng bê tông trong công trinh biển luôn gắn liền với sự phát triển công nghệ bê tông và xi mãng

Vào năm 1756, John Smeaton, một kỹ sư người Anh, được giao nhiệm vụ xây dựng ngọn đèn biển Eddyston Rock ờ cửa phía Tày cùa kênh đào ở nước Anh Do tác động khắc nghiệt cùa sóng và ăn mòn của nước biển, ông muốn chất kết dính phải cứng rắn và bền vững hơn so với hỗn hợp truyền thống là vôi tôi puzơlan - một loại vật liệu có từ thời La Mã và đang được sừ dụng trong thời gian đó ờ châu Ẩu Theo đó, chất kết dính để tạo ra vữa bền nước gồm 2 phần cùa vôi tôi phối hợp với một phần của puzolan zeolit (tuff núi lứa ờ vùng Andemach - Tây Đức) được trộn với nước để tạo ra hồ Smeaton nhận thấy loại chất kết dính này không phù hợp cho công trình biển nên đă tiến hành một số thí nghiệm các mẫu chất kết dính khác với nguyên mẫu ô n g cũng tìm ra loại vôi để sản xuất vữa tốt nhất là loại được nung từ các đá vôi có lẫn sét Theo Lea, đây có lẽ là lần đầu tiên tính chất cùa vôi thủy (tiền thân của xi măng pooclăng) được giới thiệu Ngọn đèn biển Eddystone (hình 1.2) là mốc quan trọng trong lịch sử phát triển xi măng pooclăng cũng như của giao thông đường biển Ngọn đèn biển tồn tại đến 120 năm khi phần móng cùa nó bị phá huỷ

m u h 1.2 Ngọn đèn bién Eddystone (nguồn ảnh: http://www.antique-prints.de)

Năm 1918, Vicat đã chế tạo ờ Pháp loại vôi thùy nhân tạo bằng cách canxi hoá hỗn hợp nhân tạo từ đá vôi và đất sét có độ tinh khiết cao Kỹ thuật này là sơ khai của kỹ thuật sàn xuất xi măng hiện đại được cấp bằng sáng chế năm 1824 ờ Anh cho Joseph

Asdin Sau đó các kết cấu ở bãi biển và bến cảng làm bàng gỗ, đá thiên nhiên đã được thay thế dần bằng bê tông xi măng pooclăng là loại vật liệu đa chức năng và dễ thi công hơn Việc tìm ra bê tông cốt thép cuối thế ký 18 là một điều kiện thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng kết cấu cho công trinh biển trên toàn thế giới và đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển công nghiệp bê tông và xi mãng trong tương lai.

Các quốc gia châu Âu vào thế kỷ thử 18, đặc biệt Anh và Pháp, là các nước dẫn đầu về công nghiệp phát triển công nghệ bê tông, xi măng cũng như kỹ thuật biền, vì phát triển nghề hàng hải dã đáp úng cuộc cách mạng công nghiệp ở trong nước và các nước thuộc địa của họ

Hiện nay, theo công dụng, bê tông sử dụng trong công trình biển có rất nhiều loại nhưng được quan tâm nhiều nhất là 5 dạng kết cấu chính: bê tông dùng cho các giàn khoan dầu, bê tông cho các cầu siêu nhịp, bê tông cho các đường hầm dưới đáy biển và bê tông cho các đê chắn sóng, chán bão

1.2.1 Bê tông sử dụng cho các giàn khoan dầu

Khi dùng bê tông làm các kết cấu trọng lực cho công trình giàn khoan dầu ờ biển có rất nhiều ưu điểm:

- Dung lượng chứa nhiên liệu lớn và dễ dàng đỡ kết cấu ở trên;- Có độ bền tốt hon trong môi trường biển;

- Giá thành thấp;- Dễ dàng thay đổi hình dáng kích thước;- Có độ bền rất tốt với nhiệt độ thấp;- Có độ bền mòi tốt hơn;

- Có độ bền tốt hơn khi bị va chạm của tầu bè, cháy nổ Chính vì vậy, bê tông đă được nghiên cứu và sử dụng, trong đó được dùng nhiều nhất là ở vùng OSPAR gồm toàn bộ Đông Bắc biển Atlantic và vùng biển Băc Ở đây có tới 27 giàn khoan bê tông trọng lực đã được xây dựng Trong đó ở N a Uy cỏ 12 giàn khoan với chiều sâu từ 70-330m, công trinh được xây dụng sớm nhất là giàn Ekofist năm 1973 và lớn nhất là “Troll Gas” năm 1995; Anh đã xây dụng được 12 giàn khoan phần lớn vào những năm 1970; Hà Lan có 2 giàn khoan và Đan Mạch có 1 giàn khoan được xây dựng vào năm 1999, đó là công trình gần đây nhất ờ vùng biển này [28],

Ở Philipines, công trình biển với kết cấu bê tông trọng lực được xây dựng đầu tiên vào cuối năm 2001 Công trình này được xây dựng ở chiều sâu gần 43m, cách đào Palawan 50km về phía Tây; nó gồm các kết cấu caisson chữ nhật 112x70m, cao 16m Kết cấu này gồm có 4 trục đỡ cao trên mặt nước 15m với trọng tài công trình phía trên

là 30.000 tấn, toàn bộ móng và trục nâng là kết cấu bê tông trọng lực với khối lượng bê tông 660.000 tấn, cốt thép 7.100 tấn và 600 tấn thép ứng suất trước.

Ở Nga, giàn khoan Luskoye (LUN-A) được xây dụng ngoài khơi đào Sakhalin Ket cấu bê tông trọng lực được thiết kế vào năm 2004 và thi công hai khối kết cấu bê tông trọng lực lớn nhất đã cần tới khoảng 2000 công nhân lao động

Trên hình 1.3, 1.4 và bàng 1.1 là một số kiểu giàn khoan bê tông trọng lực

in n li 1.4 Một só kiếu giàn khoan trọng lực [19]: a) Kết cấu kiếu Condeep; b) Kết cấu kiếu Andoc; c) Kết cáu kiểu See Tank;

d) Kết cấu kiếu Doris; e) Kiểu móng bé lông phần trên thép.

Bảng 1.1 M ột số giàn khoan kết cấu bc tông trọng lực

Giàn khoan ờ vùng nước nông ờ biển Beaufort, Alaska, đã được xây dựng vào năm 1984 Theo ghi nhận cùa Yee [43], ba tồ hợp cơ bàn cùa hệ thống vật liệu sừ dụng cho điều kiện môi trường thay đổi gồm có nền móng, pliần bẻ tông và kho chứa Phan móng hoàn toàn ngập nước và phan kho chứa không chịu tác động cùa băng giá, vi thế được cấu tạo bàng thép Kết cấu bê tông ứng suất trước (có kích thirớc 71x 7 1 x l3 m ) sử dụng ờ vùng nước lên xuống, thiết kế đề chịu được tài trọng uốn, kéo và xoắn từ các tàng băng trôi Giàn khoan được chế tạo ờ Nhật Bàn, sau đó được kéo và láp dựng ờ biển Beaufort C ường độ kết cấu và phần nồi đà được tối tru hóa bàng sừ dụng hai loại bẻ tòng theo môđun Lớp bên trong sir dụng bê tông cường độ cao (55M Pa) và khối lượng thề tích thông thường, trong khi đó phần đinh, đáy và phần tường ngoài sử dụng bê tông nhẹ cường độ cao (45M Pa) với cốt liệu nhẹ, lồ rỗng kín làm từ đất phiến sét.

1.2.2 C ầu nhịp lớn virọt biổn

Sừ dụng dầm cầu bê tông ứng suất trước có nhịp khoáng 120-200m kinh tế hơn các dầm cầu thép Ớ Na Uy 16 cây cầu dây văng nhịp 150m hoặc lớn hơn đã được xây dựng trong những năm 1973 - 1983 và ruột số cầu bê tông ứng suất trước với nhịp chính dài 100-150m cũng được xây dựng trong thời gian này Năm 1987, cầu Norddals Fjorden có nhịp chính dài 203m đã được xây dựng với chi phí chi 4 triệu USD với công nghệ xây dựng các nhịp cầu phảng dài Việc giảm tải trọng tĩnh cỏ thể đạt được băng cách sừ dụng bê tông nhẹ cường

độ cao như đã nói ở trên Đây là phương pháp có hiệu quả cao để giảm kích thước tiết diện kết cấu, trọng lượng và giá thành công trình, c ầ u đầu tiên dùng bê tông nhẹ cường độ cao là cầu Helgeland với nhịp chính 390m, xây năm 1990 Sau đó có thêm các cầu bê tông nhiều nhịp khác như cầu bấc qua sông Straits ờ Gibraltar và một cây cầu qua eo biển Bering

Theo Lin, cầu từ Alaska đến Siberia qua Bering Strait có the nối châu Âu và châu Mỹ, từ đó tạo sự gẳn bó giao lưu văn hóa, khuyến khích giao thương và sự hiểu biết lẫn nhau giữa người dân ờ các châu lục Với mục dich đó, cầu này được gọi là c ầ u hòa bình Quốc tế

Hình 1.5 cà u treo Akashi Kaiyko với trụ cầu được xâv dimg bang bê lông kiên co chống chọi với sóng lớn, gió mạnh và động đất

(nguỏn anh: http://www.khoalioc.coni.vn)

Bản vẽ giới thiệu bởi Lin bao gồm 220 nhịp, mỗi nhịp dài 200m và chiều cao thông thúy khoảng 23m Mỗi nhịp cần khoảng 20.000m3 bê tông thường và 2,6 triệu m3 bê tông nhẹ.

Cầu Akashi Kaikyo (hình 1.5), còn có tên tiếng Anh là Pearl Bridge, là một cầu treo kiều kết cấu dây võng ở Nhật Bản bắc qua vịnh Akashi; nối Maiko ờ Kobe với Iwaya của đảo Awaji và là một phần trong tuyến đường cao tốc Honshu - Shikoku Đây là cây cầu treo có nhịp dài nhất thế giới tại thời điểm đó c ầ u có tất cả 3 nhịp, nhịp chính dài 1991m, hai nhịp biên dài 960m Tổng chiều dài cầu là 391 lm

1.2.3 Đ ường hầm dưói đáy biển

Đường hầm dưới đáy biển là loại công trình có bề mặt xung quanh tiếp xúc trực tiếp với nước biển (ví dụ như đường hầm Kanmon giữa đảo Honshu và Kyushu ở Nhật Bàn, đường hầm Suez) hoặc năm sâu dưới đáy biển Bê tông chất lượng cao cần được sử dụng cho kết cấu đường hầm này vì chịu ăn mòn mạnh cùa nước biển Hình 1.6 là mặt cắt dọc của đường hầm lớn nhất thế giới (đường ngầm xe lửa Seikan ờ Nhật Bản) Đường hầm này dài tổng cộng là 54km, trong đó có 23km ngầm dưới biển với ba phần: hầm có hai đường ray xe lửa, đường hầm dịch vụ song song và một đường hầm nhỏ thoát nước bẩn Công trình này bắt đầu được xây dựng năm 1964 và hoàn thành năm 1988 Kết cấu bê tông của đường hầm ở độ sâu 100m dưới đáy biển có phần giữa được mờ rộng hai đường ray để tránh tàu, còn phần hẹp có một đường ray cho tàu chạy Từ khi đưa vào sử dụng công trình này đã giúp cho giao thông thuận tiện hơn giữa toàn bộ dân ưên đảo Honshu và đảo Hokaido, mặt khác nó có vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển kinh tế vùng Hokaido - nơi giàu tài nguyên thiên nhiên

Hình 1.6 Đường ngầm Seikan ớ Nhật Bàn (nguồn ành: hlìp://www.gconnecl in)

Đường hầm ờ châu Âu qua eo biển Manche (hình 1.7) có 50,5km ngầm dưới đáy biển nối liền Pháp và Anh được cho là kết cấu hạ tầng lớn nhất do nguồn tài chính của tư nhân đầu tư ở thế ký 20 Công trình được thiết kể sừ dụng trong 120 năm và hoàn

thành năm 1992 với kinh phí 9,2 tý USD, bao gồm 2 đường ray rộng 7,6m và một đường hầm phục vụ rộng 4,8m Do chất lượng đá ờ khu vực xây dựng thấp nên các đường hầm được xây dựng bằng các kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép với loại bê tông chất lượng cao và chống thấm tốt Năm 1987 có 2 đường hầm dưới biển dài khoảng 4km đã được xây dựng ờ Aelesund vùng bờ biển phía Tây N a Uy Ket cấu công trinh đã sử dụng bê tông phun bắn chứa silicafume và cốt sợi thép.

1.2.4 Tường chắn sóng và bão

Tường chắn sóng và bão thường được dùng để bào vệ các kết cấu công trình quan trọng ở bờ biển và ngoài khơi, noi có sóng biển cao

Hình 1.8 Tường chán bão Oosterschelde (nguồn ành: http://netspirit.dk)

Hình 1.9 Đập Dworshak bang Idaho, Mỹ (nguồn ảnh: http://maps.pomocnik.com)

Đê Ekofist bàng bê tông được xây dựng năm ] 973 với chiều sâu 70m ờ khoảng cách 170km từ bờ biển Na Uy, được dùng để báo vệ chống sóng biển có áp lực tới 60T/m 2 (sóng cao nhất trong 100 năm) Đê chán sóng này gồm các khối tường bê tông được thiết kế để ngăn sóng nước bàng các cấu kiện bê tông đúc sẵn không có cốt thép với cường độ nén 60-70M Pa và có khả năng chống ăn mòn.

Với rất nhiều kết cấu công trình biển được sừ dụng trong những thế ký qua, bê tông ngày càng chứng tò là vật liệu kinh tế và bền vững trong xây dựng Trong hai thập kỳ gần đày, rất nhiều công nghệ đã tạo bước nhày vọt trong việc chế tạo vật liệu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất trước trong các giàn khoan dầu, cầu nhịp lớn và đường ngầm dưới biển Chính điều này đòi hòi cần có sự nghiên cứu kỹ càng để tạo ra các loại bê tông có chất lượng cao hơn nữa, đáp ứng yêu cầu xây dựng kết cấu công trình biển trong thế kỷ mới Với khá năng ứng dụng rộng rãi, bê tông công trình biển đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và thu được nhiều thành công trong thực tế

1.2.5 Sử dụng bc tông chát lirọng cao trong công trình biển ở Việt Nam

Ờ nước ta, bê tông dùng cho kết cấu công trình biển là một loại bê tông mới Trong quy phạm Việt Nam hiện nay chưa có các quy định về loại bê tông này Với lợi thế có phần bờ biển dài, sự lớn mạnh không ngừng cùa các công trình trên biển đang đặt ra một nhu cầu rất lớn về loại bê tông có độ bền cao trong môi trường biển Việt Nam

Trong thực tế, những loại vật liệu sứ dụng Irong các công trình chịu tác động xâm thực cùa nước biển thông thường là kim loại (thép và các hợp kim cùa thép), vữa, bê tông và bê tông cốt thép Trong đó, vật liệu vữa, bê tông và bê tông cốt thép cần phải được tăng cường khả năng bền vững trong môi trường xâm thực cùa nước biển Nhiều nhà khoa học đã tìm cách cải thiện cấu trúc của nó nhàm tăng độ đặc chắc cùa kết cấu Các kết quả thu được từ những nghiên cứu ban đầu này đã cho thấy lợi thế vượt trội khi sử dụng loại bê tông chất lượng cao trong xây dựng các công trình trên biền

Ở Việt Nam, cường độ bê tông thông thường là 15-40MPa, do đó bê tông có cường độ từ 50MPa trờ lên được coi là bê tông cường độ cao Một số nhà khoa học đã thực hiện các đề tài nghiên cứu về bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao Tuy nhiên, những đề tài nghiên cứu về bê tông chất lượng cao dùng trong công trình biển còn hạn chế, các vấn đề khoa học vẫn chưa được giải quyết một cách thòa đáng Việc ứng dụng triển khai các kết quả nghiên cứu cùa đề tài còn nhiều hạn chế do công nghệ thi công tại các công trình cliưa đáp ứng được đay đù các yêu cầu về vật liệu, công nghệ chế tạo

Trong những năm tới đây, nhiều công trinh hiện đại sẽ được xây dựng ờ nước ta, đặc biệt là càng ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường biển Các công trình biển như các kết cấu cọc, móng, tường chắn sóng, các công trinh an ninh quốc phòng, các công trinh cho hoạt động sán xuất và bào quản dưới đáy biển đề khai thác các nguồn năng lượng và vật liệu khoáng, các công trình phục vụ dầu khí như các giàn khoan, bề chứa dầu có thể làm bàng bê tông xi măng pooclăng Tuy nhiên, với những yêu cầu chặt chẽ hơn về kỹ thuật đề đàm bào sự an toàn và tuồi thọ dài, các công trinh này đòi hòi các loại bê tông vừa có cường độ cao và đặc biệt phái bền vững trong môi trường xâm thực Vì vậy, sừ dụng bê tông chất lượng cao cho các công trinh biển sẽ là xu thế tất yếu trong ngành xây dụng (hình 1.10).

a) Kè bê tông xi mãng chống xói lớb) Công trình nhà ở và bến cập thuyền

c) Cầu càng 1000 lấn d) Đường băng sân bay trên đáo

Hình 1.10 Một số công trình trên biến đào cần sử dụng bê tông chắt hrợng cao ớ Việt Nam [5]

Càng Cái Lân ở miền Bắc nước ta đã được thiết kế theo bến trọng lực thùng chìm (caisson) Thùng chìm có kết cấu bê tông cốt thép kích thước I l x2 0x l6m3 nặng 1770 tấn, công trinh được thiết kế và sàn xuất theo công nghệ Nhật Bàn [3],

Chương 2MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ

ĐẾN CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG

Diện tích mặt biển chiếm trên 70% bề mặt trái đất, với hơn 60% dân số thế giới sống trong vùng đất cách bờ biển lOOkm Vì vậy, môi trường biển có ảnh hường rất nhiều đến các công trình xây dựng phục vụ nhu cầu sống của con người Nội dung chương này nhằm giới thiệu về các yểu tố đặc trung của môi trường biển và những tác động của chúng đến các công trình sử dụng vật liệu bê tông

2.1 ĐIÈU KIỆN MÔI TRƯỜNG BIẺN

Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và môi trường không khí trên mặt biển Môi trường biển bao gồm các yếu tố đặc trưng sau đây:

2.1.1 Không khí biển

Không khí biển bao gồm khí quyển mặt biển và phạm vi chịu ảnh hưởng cùa khí quyển biển trên đất liền Các yếu tổ xâm thực trong không khí biển bao gồm: c r , CƠ2, N 0 3', N H3, SO3, SO2, HC1, H2S, HF Theó nhiều nghiên cứu, sự phá hoại các công trình bê tông cốt thép và thép do không khí biển chủ yếu là c r N ồng độ cùa các chất trong không khí biển phụ thuộc vào vị trí, điều kiện khí hậu: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió Theo các tác giả N hật Bản, với điều kiện biển tại Okinawa có thể chia khí hậu biển làm 3 vùng:

Vùng 1: từ mép nước tới 250m có hàm lượng muối sa lắng tính theo NaCl khoảng 0,3mg NaCl/dm2/ngày đêm

Vùng 2: từ 250m đến lOOOm trung bình 0,02mg NaCl/dm2/ngày đêm.Vùng 3: từ 1000m đến lOkm hàm lượng muối còn rất ít

Phân loại này cũng gần như phân loại của ú c (AS 3600): 0-1 km là vùng ven biển; l-50km là cận ven biển, trên 50km là nội địa

V iệt Nam nằm trong vành nội chí tuyến, bức xạ mặt trời khá lớn khoảng 100- 150kCal/cm2, nhiệt độ trung bình 22,5-27,5°C Các yếu tố này thúc đẩy việc bốc hơi

nước, làm tăng nồng độ c r trong khí quyển Không khí biển sát mép nước ở miền Bắc Việt Nam trung bình 0,67mg c r/m 3 và ờ miền Nam là l,2 m g c r/m 3 Nồng độ giảm m ạnh ờ khoảng 200m đầu (chi còn khoảng 50% ) và đến lOOOm chi còn khoảng 30% Tuy nhiên, cũng phụ thuộc vào tốc độ gió, địa hình có những khu vực cách biển đến 2 0km hoặc cao hơn vẫn chịu tác động cùa không khí biển.

2.1.2 Thành phần hóa học của nước biển

Nước biển thông thường chứa 3,5% tính theo khối lượng là các loại muối tan (tức là cứ lkg nước biển thì có 35gam các loại muối tan) Thành phần hóa học cùa các muối có trong nước biển bao gồm chủ yếu là các ion N a+, K+, Mg2+, Ca2+, c r và S 0 42’ với hàm lượng trung bình được giới thiệu trong bảng 2.1 Thành phần nước biển ờ Việt Nam và một số quốc gia khác như ở bảng 2.2

Bảng 2.1 Thành phần các ion hóa học chủ yếu có trong nước biển (32]

Bàng 2.2 Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và thế giói [6]

Chi tiêu Đơn vị Vùng biển Hòn Gai Vùng biển Hải Phòng Biền Băc Mỹ Biển Bantic

2.1.3 Áp lực thủy tĩnh

Một đặc điểm cần chú ý của nước biển là áp lực thủy tĩnh M ột m ét nước biển tạo một áp lực thủy tĩnh khoảng hơn 1 tấn/m2 vì khối lượng thể tích trung bình của nước biển khoảng 1,026 tấn/m3 Khối lượng thể tích của nước biển tăng m ột chút theo chiều sâu, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và các thành phần tạp chất rắn Áp lực thủy tĩnh của nước biển được tính theo công thức:

p = p.Hừong đó: p - áp lực thúy tĩnh (T/m2);

p - khối lượng thể tích của nước biển (T/m3);H - độ sâu nước biển (m)

Áp lực thủy tĩnh tác dụng theo cả 3 phương: hướng xuống dưới, theo phương ngang và hướng lên trên Tuy nhiên, áp lực thùy tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc cùa sóng biển, vì nó làm thay đổi độ sâu của nước biển Áp lực thủy tĩnh gây ra các dòng chảy trong hệ thống các lỗ rỗng hở của bê tông bị ngập trong nước biển, đồng thời nó cũng tạo ra sự thấm nước biển vào trong lòng đất có thể sâu tới 3-4m và gây phá hủy các kết cấu móng công trình bê tông cốt thép [11, 32],

2.1.4 Nhiệt độ

Nhiệt độ bề mặt nước biển dao động khá lớn, từ -2° c (ở các vùng khí hậu lạnh) đến 32°c (thường là ờ khu vực nhiệt đới) Nhiệt độ nước biển giảm dần theo độ sâu; nước biển có nhiệt độ bề m ặt 32°c thì ờ độ sâu 1.000m nhiệt độ sẽ ổn định ở khoảng 2 °c [11, 22, 32] Nước biển lạnh thường chứa nhiều ôxy tan hơn trong nước biển ấm Nhiệt độ nước biển có tính quyết định đến sự sống và phát triển của sinh vật và động vật biển Đồng thời nhiệt độ nưỏc biển cũng ảnh hưởng lớn đến lớp không khí trên bề mặt biển Ở nước ta và các nước trong khu vực khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ không khí có lúc lên đến 40°c cộng với độ ẩm lớn làm cho tốc độ bay hơi nước biển nhanh, nên có thể tạo ra hiện tượng sương muối vào buổi sáng, làm rtgưng tụ hơi nước muối trên bề mặt các kết cấu ờ môi trường biển này Nước biển cỏ nhiệt độ cao và chứa nhiều ôxy thường đẩy nhanh tốc độ các quá trình phản ứng hóa học và điện hóa với các thành phần của kết cấu bê tông cốt thép, làm gia tăng sự phá hủy các kết cấu đó

Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình khoảng 22,6% tăng dần từ Bắc vào Nam Miền Bắc các tháng mùa đông nhiệt độ thuờng thấp dưới 20°c, trong khi đó m ùa hè có thời gian nhiệt độ cao hơn 40°C; ở miền Nam nhiệt độ cao quanh năm V iệt Nam là nước có độ ẩm cao, đặc biệt, miền Bắc có độ ẩm 83-86%, môi trường ẩm ướt đẩy nhanh quá trình ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép Đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian ẩm ướt lên bề m ặt của các cấu k iệ n ĩề tông và bê tông cốt thép, vì hàm lượng nước

ảnh hường rất lớn đến quá trình ăn mòn Trong đó thời gian ầm ướt cấu kiện được tính bàng tổng của thời gian mưa, sương mù, nồm và thời gian kéo dài ẩm Đây cũng là cơ sờ để nghiên cứu đặc điểm ăn m òn cùa môi trường biển ở Việt Nam.

2.1.5 Sinh vật biển

Các sinh vật biển có liên quan đến các công trình bê tông trong môi trường biển thường được đề cập đến là trai biển, lươn biển, đia, rong tảo, nhím biển Các sinh vật biền này thường xuất hiện ở nước biển tới độ sâu 60m, nhưng hoạt động mạnh ở khoảng 20m kể từ m ặt nước biển do khu vực này có nhiều ánh sáng m ặt trời Hầu hết các sinh vật biển có khối lượng riêng bằng hoặc cao hơn m ột chút so với khối lượng riêng của nước biển Các sinh vật biển bám vào kết cấu có thề bị sóng to của các cơn bão đánh bật ra và cuốn đi Các hoạt động sống của sinh vật biển chịu nhiều tác động từ nhiệt độ, hàm lượng ôxy trong nước biển, độ pH, độ m ặn cùa nước biền, dòng chảy và ánh sáng [11, 22, 32],

2.1.6 Thủy triều

Thùy triều bao gồm hai hiện tượng chính là việc dâng và hạ mực nước biền diễn ra định kỳ hàng ngày T hủy triều lên và xuống thường cách nhau khoảng 6 giờ 13 phút Do vậy, hai lần thủy triều cao nhất (hoặc thấp nhất) cách nhau khoảng 12 giờ 25 phút Hiện tượng thủy triều là do lực hút của m ặt trăng đối với trái đất, phần nước biển của trái đất ờ phía gần m ặt trăng sẽ bị kéo cao lên m ột chút, đồng thời lại đẩy phần đặc cùa trái đất ra xa một chút Do vậy, các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển luôn chịu tác động cùa chu kỳ ướt-khô, lạnh-nóng hàng ngày Sự chênh lệch mực nước biển giữa lúc thủy triều lên và xuống rất đa dạng, từ 0,5m cho đến 15m, tuỳ vào địa hình các vùng biển khác nhau [32], Thông thường thì các cừa biển và các vịnh hình phễu có độ chênh lệch mực nước thủy triều lóm Kích thuớc, độ sâu và độ m ở của biển cũng ảnh huởng đến mực nước thủy triều Đại Tây D ương và Thái Bình Dương thường có thủy triều thay đổi nhiều, nhưng biển Đ ịa Trung Hải thì rất ít thủy triều Độ chênh lệch mực nước biển thủy triều ở các đại dương thường không lớn, thường là dưới lm , nhưng khi gần bờ thì độ chênh lệch này cỏ thể lên đến 4-5m Địa hình và độ sâu ở khu vực gần bờ cũng làm cho thủy triều chia ra thành các dòng chảy với các hướng đi và vận tốc chuyển động khác nhau, dẫn đến hiện tượng tạo ra các vùng nước xoáy

2.1.7 Sóng biển và dòng chảy

Sóng biển thường được hình thành do tác động của gió lên bề mặt nước biển, năng lượng gió được truyền sang sóng biển do lực ma sát của gió lên bề mặt nước biển Bên cạnh đó, sóng biển còn được tạo ra do các hiện tượng thiên nhiên khác nhu là chuyển động dòng chảy, lở đất, nổ và động đất [11, 32], Sóng biển gây tác động nhiều đến các công trình nổi trên biển, làm cho các kết cấu này chịu lực phức tạp theo các phương

khác nhau Sóng biển tác động lên bề mặt các kết cấu bê tông theo chu kỳ sẽ làm gia tăng tốc độ ăn mòn, phá hủy kết cấu bê tông.

Dòng chảy ờ biển có thể được hình thành do sự lưu thông đại dương, dịch chuyển địa chất dưới đáy đại dương, thủy triều, gió, hoặc có thể đirợc tạo ra do sự thoát nước từ các sông ra biển Dòng chảy mạnh nhất thường xuất hiện ở các chỗ có địa hình cong, khúc khuỷu Dòng chảy có thể bị phân lóp và chuyển động theo các hướng khác nhau, chẳng hạn như ờ các khu vực cửa sông đổ ra biển thì khi thủy triều lên, lớp nước mặt chuyển động hướng vào bờ trong khi lớp nước phía dưới lại chuyển động hướng ra biển Các hiện tượng như vậy cũng dễ tạo xoáy Dòng chảy gây áp lực lên các kết cấu cùa công trinh xây dụng trên biển, đóng góp đáng kể vào việc gây ra dịch chuyển của các kết cấu này Đối với các kết cấu bê tông cốt thép, dòng chảy ờ biển xói mòn, bào bề mặt bê tông, làm giảm tiết diện kết cấu và làm nước biển xâm nhập vào cốt thép để gây ăn mòn cốt thép [11, 32]

2.1.8 Gió và bão biển

Phần lớn gió biển là do sự lưu thông xung quanh các khu vực có lực hút trái đất lớn, theo chiều kim đồng hồ ở bán cực Bắc và ngược chiều kim đồng hồ ở bán cực Nam Ở các nước thuộc vùng nhiệt đới (trong đó có nước ta), nhiệt độ cao cộng với bề mặt phân giới giữa khí quyển và đại dương dễ tạo ra bão nhiệt đới kèm theo gió xoáy Các cơn bão này thường xảy ra vào cuối m ùa hè tới đầu mùa thu, nhưng cũng có lúc chúng không xảy ra theo chu kỳ năm Mặc dù các cơn bão này thưòng dễ dàng được phát hiện ra bằng các vệ tinh, nhưng dự báo hướng đi của chúng rất khó chính xác Các com bão này thường kèm theo gió lốc xoáy và hoạt động chính trong 1 dải bán kính khoảng 75 đến 150km, các cơn bão lớn có đường kính ảnh hưởng lên đến 1500km Tốc độ dịch chuyển cùa chúng luôn lớn hơn 30km/giờ Hình 2.1 minh họa các hướng đi cùa các cơn bão nhiệt đới kèm gió xoáy lớn xảy ra ở khu vực Thái Bình D ương và Ả n Độ Dương

Hình 2.1 Hướng đi cùa các cơn bão lớn kèm gió xoáy ớ Thái Bình Dtnmg và Ẩn Độ Dương [11]

2.1.9 Mưa và sương muối

Ớ môi trường biển, mưa có thề xảy ra kèm với bão biển Mưa ở biển nhiệt đới thường có lưu lượng lớn, xảy ra nhanh với cường độ cao

Sương muối có thể được tạo ra theo hai cơ chế khác nhau Vào m ùa hè, sương muối thường được hình thành do không khí ấm từ đất liền đi ra mặt biển có nhiệt độ thấp hơn Vào mùa đông, sưong muối lại được tạo ra do có không khí lạnh từ đất liền đi ra biển và tiếp xúc với bề mặt nước biển ấm và có độ ẩm cao [11, 32] Trong cả hai trường hợp này, sự ngưng tụ ẩm dẫn đến hình thành suơng muối Gió to và bão thường đẩy hơi nước biển vào sâu trong đất liền và gây ảnh hưởng đến các công trình xây dựng ờ khu vực gần biền

2.1.10 Đ ộng đ ấ t và sóng th ần

Động đất nguy hiềm nhất thường xảy ra ờ các vùng đứt gẫy cùa vỏ trái đất, chẳng hạn các vành đai đứt gãy ở biển Thái Bình Dương [11] Động đất cũng xảy ra trong vò trái đất, nhưng thường là không đáng kể do chu kỳ xảy ra giữa hai lần kế tiếp thường dài Động đất lớn có thể gây ra hiện tượng lờ đất dưới đáy biển và tạo ra các cột sóng cao đến 2 0 0m, còn gọi là sóng thần

2.2 ẢNH HƯ ỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG BIÊN DẾN CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG

Môi trường biển vói các đặc điểm nêu ở phần trên cho thấy đó là môi trường rất khắc nghiệt và tiềm ẩn nhiều yếu tố phá hoại kết cấu bê tông cốt thép xây dựng trong khu vực chịu ảnh hường cùa nó Các nguyên nhân chính phá hoại kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển có thể phân loại theo các cơ chế vật lý, hóa học, ăn mòn điện hóa cốt thép và cả do các sinh vật biển Các nguyên nhân phá hoại thường xảy ra cùng lúc và đan xen nhau làm cho kết cấu bê tông bị phá hủy nhanh hơn Sự phá hoại kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển bời nhiều nguyên nhân khác nhau được minh họa ở hình 2.2

Căn cứ vào tính chất và mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, môi trường biển được phân thành các vùng xâm thực theo vị trí kết cấu như sau:

- Vùng ngập nước: Vị tri kết cấu nằm ngập hoàn toàn trong nước biển, nước lợ.- Vùng nước lên xuống: Vị trí kết cấu nằm giữa mức nước lên cao nhắt và xuống thấp nhất của thúy triều, kể cả các khu vực bị sóng táp

- V ùng khí quyển: Vị trí kết cấu nằm trong không khí, chia thành các tiểu vùng:+ Khí quyển trên mặt biển hay nước lợ;

+ Khí quyển trên bờ: Vị trí các kết cấu nằm trên bờ trong phạm vi nhò hơn hoặc bằng1 km cách mép nước

+ Khí quyển gần bờ: Vị trí nằm trên bờ cách mép nước l-30km

Cốt

thép -Nút bé tó ỉig d o cố t thép bị ảii inòiiN ứt b é tô n g d o d ó n g và t.ui b.ĩiig

Bào mòi) bè tó n g d o áp lực s ó n g biéii cá t, sỏi và đ á b ă i g trôi

mR; E.:

Đ á xi m àn g bị ãii m òn h ó a học

Hình 2.2 Các nguyên nhân chinh phá húy két cấu bê lông cốt thép

trong môi trường biển [32, 33]

2.2.1 Phá hoại kết cấu bê tông trong môi trường biển theo cơ chế vật lỷ

Theo cơ chế vật lý, các phá hoại kết cấu bê tông trong môi trường biển có thể kể đến là: phá hoại bề m ặt bê tông do tác dụng của áp lực sóng biển (tải trọng lặp của

sóng biển còn có thể dẫn đến gây nứt bê tông), ứng suất gây ra bởi các chu kỳ nóng-

lạnh, khô-ướt đối với khu vực khí hậu nóng hoặc chu kỳ đóng băng-tan băng đối với khu vực khí hậu lạnh

Bản thân bê tông bình thường là một loại vật liệu không đặc chắc, có nhiều lỗ rỗng thông ra bề mặt và cả ở trong cấu trúc bên trong Do vậy, khi áp lực thủy tĩnh của nước biển tăng lên, thi độ ẩm ừong các lỗ rỗng gần bề mặt bê tông bị nén lại, gián tiếp tạo ra các ứng suất kéo tại bề m ặt bê tông dẫn đến sự bong tróc bề mặt bê tông và đẩy nhanh sự phá hoại bào m òn bề m ặt do sóng biển tác động [32,42],

Các kết cấu bê tông cũng thường có các liên kết với nhau Tại các vị trí này, bê tông thường yếu hơn và nhiều lỗ rỗng hom các vị trí liên tục khác nên thường bị phá hoại trước Khi các vị tri này bị phá hoại sẽ dẫn đến bề mặt xung quanh các vị trí đó có nhiều cạnh và viền, bề mặt không bằng phẳng Nước biển chuyển động theo dòng chảy, cộng vói sóng, mạnh hơn với tác động của gió sẽ dễ dàng.gây ra hiện tượng xói mòn các vị trí đó của các kết cấu bê tông

Sóng biển chứa bọt khí tác dụng lên bề mặt các kết cấu bê tông cũng thường thúc đẩy quá trinh bào mòn bề mặt bê tông Hiện tượng này là do các bọt khí lẫn trong nước biển khi va đập vào bề mặt bê tông và bị vỡ ra trên bề mặt bê tông hoặc chui vào các lỗ rỗng hớ trên bề m ặt bê tông, tạo sóng xung kích làm cho bề mặt bê tông dễ bị bong tróc.

Ở các vùng biển có băng giá, các lỗ rỗng trong bê tông hút nước và hơi nước này bị đóng băng khi nhiệt độ môi trường xuống thấp hơn 0°c và thể tích cùa nó sẽ nở ra tới 9% Nếu như thể tích của nước nở ra khi bị đóng băng lớn hơn thể tích của' lỗ rỗng, thì nó sẽ gây nên các ứng suất kéo ở bề mặt bên trong các lỗ rỗng và dẫn đến làm cho bề mặt kết cấu bê tông bị nứt Thêm vào đó, sự tác động cùa nước biển lên các kết cấu bê tông lại luôn xảy ra theo chu kỳ Cơ chế tác động này càng làm cho lượng nước biển xâm nhập vào bê tông nhanh hon và dẫn đến sự phá hoại bề mặt do hơi nước đóng băng và nở thổ tích càng nhanh

Nước biển còn gây ra tác động vật lý lên bề mặt bê tông thông qua việc đưa nước muối vào các lỗ rỗng hở ờ bề mặt kết cấu bê tông Đây là các muối tan, nên khi độ ẩm

trong các lỗ rỗng bị giảm đi, thì các muối tan này sẽ tái kết tinh và nở thể tích gây nên

các ứng suất kéo tại bề m ặt bê tông làm tróc màng bề mặt bê tông Nguy hiểm hơn khi các muối tan này xâm nhập sâu vào các lỗ rỗng mao quản cùa kết cấu bê tông và gây ra sự tái kết tinh và nở thể tích ờ sâu bên trong lòng kết cấu bê tông; thêm vào đó, nếu là các kết cấu bê tông cốt thép, thì thép sẽ bị ăn mòn do sự tác động của các muối tan này (chủ yếu là các muối gốc c r , xem bảng 2.3) Có thể dễ nhận thấy sự nờ thể tích ở đây; chẳng hạn 2160g muối NaCl có thể tan trong 1 lít nước, nhung thể tích của 2160g muối kết tinh NaCl sẽ lớn hơn 1 lít

Báng 2.3 Độ tan và khối lượng thể tích của các dung dịch muối tan [42]

Tuỳ thuộc vào vị trí địa lý, cốc điều kiện môi truờng biển khác nhau có thề gây phá hoại kết cấu bê tông theo các tốc độ khác nhau Các vùng khí hậu trên thế giới có thể phân làm 4 kiểu điển hình [21, 32] như sau: lạnh (nước bị đóng băng); nhiệt độ vừa phải (nhiệt độ trung bình hàng năm khoàng 10-20°c, thinh thoảng có băng giá, lượng mưa trung bình); nóng và khô (kiểu như khí hậu vùng sa mạc với nhiệt độ mùa hè hơn 45°c và ít mưa); nóng và ẩm (điển hình là vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam, với nhiệt độ trung binh hàng năm không quá 30°C) Dựa trên sự phân loại khí hậu như vậy, mức độ

phá hủy kết cấu bê tông trong môi trường biền ờ các vùng khí hậu tương ứng có thề được biểu diễn trên các biếu đồ ờ hình 2.3 Các môi trường biền ờ vùng khí hậu nóng (khô hoặc ẩm) đều phá hoại kết cấu bê tông nhanh hơn ở vùng khí hậu mát hoặc lạnh Các kết cấu năm ờ khu vực thủy triều lên xuống, có sóng vỗ vào và có hơi nước biển bám vào đều bị phá hoại nhanh hon là các kết cấu bê tông năm ngập trong nước biển.

ífínlt 2.3 Mức độ phá hoọi két cấu bê lông phụ thuộc vào vị tri két cấu và môi tnrờìig biển [21, 32]:a) Khu vực thúy triều lên xuống, sóng vỗ, không khí có mrớc biến; b) Khu vục ngập nước biến

2.2.2 Phá hoại kết cấu bc tông trong môi truòng biển theo CO' chế hóa học

Phá hoại kết cấu bê tông trong môi trường biến theo cơ chế hóa học có thể xảy ra dưới các hình thức như: các phản ứng hòa tan sản phẩm thùy hóa cùa xi măng trong bê tông, các phản ứng trao đổi giữa nước biển và các thành phần của xi măng thủy hóa, và các phản ứng hóa học xảy ra trong các lỗ rỗng cùa kết cấu bê tông rồi tạo ra các sàn phẩm nờ thể tích gây nứt vỡ bề mặt kết cấu bê tông Sơ đồ phá hoại cùa các ion trong nước biển đến kết cấu bê tông được mô tả trên hình 2.4 và hình ảnh thực tế được thể hiện trên hình 2.5

ỉlìn h 2.4 Sơ đồ các vùng bè lông bị lẳn cóng bới nước biên

Hình 2.5 MỘI số hình ánh bê lông bị phá hoại trong công trinh biên

Bản thân bê tông trong môi trường nước biển đã tiềm ẩn nguyên nhân bị phá hoại hoá học, vì phần xi măng thủy hóa trong bê tông có tính kiềm cao (độ pH khoáng 12- 13) trong khi môi trường nước biển lại có nhiều ion có tính axit và độ pH thấp hơn (khoảng 7-8) N hư vậy, đá xi măng trong bê tông chính là phần yếu nhất để cho nước biền hoặc không khí biển xâm thực gây phá hủy kết cấu bê tông Thành phần hóa học của đá xi măng bao gồm các khoáng chù yếu là 3CaO.2S1O2.3H2O, Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 3Ca0.Al203.3CaS04.32H 20 , 3Ca0.Al203.CaS0 4.12H20>CaO.Fe2O3.mH2O, 6Ca0.Al203.Fe203.12H2 0, trong đó Ca(OH>2 chiếm khoảng 24% tính theo khối lượng của đá xi mãng Đây chính là thành phần dễ bị phá hùy nhất trong nước biển (chứa CO2, M gC h, M gSO Ạ

Sự hòa tan đá xi măng trong bê tông tiếp xúc với môi trường biển chủ yếu xảy ra khi thành phần Ca(OH)2 bị nước biển có chứa CO2 tấn công, phản ứng có thể xảy ra như sau:

C 02 + Ca(OH)2 -» CaCOj + H20 Ở đây, sản phẩm CaCC>3 - aragonite là sàn phẩm không tan, khi hình thành ban đầu sẽ có tác dụng làm tăng khả năng chống thấm cho bê tông do nó bịt các lỗ rỗng trong đá xi măng, nhất là ở lớp bề m ặt tiếp xúc với nước biển Tuy nhiên, nếu vị trí cùa các kết cấu bê tông nằm ờ khu vực có sóng biển thì sản phẩm aragonite này lại bị tách ra khỏi bê tông do lực cơ học cùa nước biển tác động và bị cuốn trôi, vì vậy kết cấu bê tông sẽ bị bào mòn đi Nếu các kết cấu bê tông nàm ờ cửa sông đả ra biển hay ở trong các vịnh, nơi mà cỏ chứa nhiều khí CO2 hòa tan trong nước, thì sản phầm aragonite đễ bị nước chứa CO2 hòa tan theo phản ứng hóa học sau:

C aCO j + H20 + C 0 2 -» C a(H C 03)2 Đối với nước biển chứa hàm lượng CO2 tan lớn, đá xi măng còn có thề bị hòa tan thông qua các phản ứng hóa học như sau:

C0 2+Ca(0H)2+3Ca0.Al20 3.CaS0 4.12H20 -> 3CaO.Al2O3.CaCO3.xH2O1-CaSO4.2H2O

Thậm chí cà thành phần CaO SiO HO bền của đá xi măng cũng có thể bị hòa tan theo phản ứng hóa học sau:

3 C 0 2 + 3CaO.2SiO2.3H2O -» 3 C aC 0 3 + 2 S i0 2.H20 Sự hòa tan đá xi măng làm tăng độ rỗng trong kết cấu bê tông và dẫn đến suy giảm cường độ

Sự phá hoại bê tông trong môi trường biển còn diễn ra do các phản ứng trao đồi giữa chủ yếu là các muối tan M gCh và MgSŨ4 có trong nước biển và các thành phần Ca(OH)2 cùa đá xi măng thủy hóa Các phản ứng trao đổi có thể xảy ra như sau:

MgCl2 + Ca(OH)2 -> M g(OH)2 + CaCl2

M g S 04 + Ca(OH)2 -» Mg(OH)2 + C a S 04.2H20 Các sản phẩm sinh ra từ các phản ứng hóa học này thường là chất dễ hòa tan như CaClì, gây biến đổi thể tích như Ca(OH)2 hay liên kết yếu nên ít bám dính vào kết cấu bê tông chưa bị ăn mòn, dẫn đến kết cấu bê tông bị ăn mòn

Bên cạnh việc tham gia vào các phản ứng trao đổi với Ca(OH)2, thành phần M gS 04 trong nước biển còn có các phàn ứng với 3Ca0.Al20 3.CaS0 4.12H20 và 3CaO.2SiO2.3H2O trong đá xi măng và tạo ra các sản phấm ngậm nhiều phân tử nước có thể tích lớn hơn so vói các thành phần tham gia phàn úng Nếu các phản ứng này xảy ra bên trong kết cấu bê tông, thì sẽ dẫn đến hiện tượng gãy nứt hoặc làm bong tróc bề mặt kết cấu bê tông Các phản ứng tạo ra sản phẩm nở thể tích có thể diễn ra như sau:

2M gS04 + 2Ca(OH)2 + 3Ca0.Al20 3.CaS0 4.12H20 + 2OH2O ->

-> 2Mg(OH)2 + 3CaO.Al20 3.3CaS0 4.3 2H20

4M gS 04 + Ca(OH)2 + 3 C a0 2 S i02.3H20 -> 4 M g 0 S i02.8H20 + C aS 04.2H20

Tuy nhiên, sự phá hoại bê tông gây ra do phản ứng nở thể tích của M g S 04 với đá xi măng trong môi trường biển thường ít hơn nhiều so với các môi trường có MgSOj khác, chẳng hạn như là nước ngầm Điều này được lý giải là do sự có mặt cùa ion c r trong nước biển đã làm thay đổi tốc độ của các phản ứng giữa M g S 04 và các sản phẩm thủy hóa của đá xi măng trong bê tông Sự hình thành hợp chất ettringite 3Ca0.Al2C>3.3CaS0 4.3 2H2 0 trong môi trường biển chứa c r (axit) sẽ chậm hơn rất nhiều so với trong môi trường kiềm, nơi mà sự hấp thụ các phân tử nước diễn ra nhanh hơn [32, 33, 42],

Như đã nêu trên, sự phá hoại bê tông gây ra bời môi trường biển chủ yếu xảy ra đối với đá xi măng Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi bê tông dùng cốt liệu có chứa silic hoạt tính, sự phá hoại bê tông còn xảy ra đổi với thành phần cốt liệu Các ion Na+ và Cl" trong môi trường biển sẽ thúc đẩy phản ứng kiềm - silic diễn ra nhanh hơn trên bề

mặt các hạt cốt liệu Hậu quà cùa các phàn ứng này dẫn đến sự nở thể tích tạo ra các nội ứng suất lên đến 10-15MPa (lớn hơn cường độ chịu kéo cùa các loại bê tông thông thường) làm cho các kết cấu bê tông bị nứt Các phản ứng kiềm - silic này diễn ra mạnh hcm khi có ành hường cùa nhiệt độ, độ ẩm cao và độ mặn của nước biển như các vùng biển nhiệt đới trong đó có Việt Nam.

2.2.3 Phá hoại kết cáu bê tông trong môi trưòìig biển do ăn mòn điện hóa cốt thép

Đối với các kết cấu bê tông có cốt thép, sự phá hoại xảy ra còn có nguyên nhân từ việc cốt thép bị ãn mòn điện hóa Sự phá hoại này chủ yếu được quyết định bời điện trờ cùa bê tông, độ pH cùa đá xi măng tiếp xúc với cốt thép, khả năng thấm clo và ôxy vào trong kết cấu bê tông Khi điện trờ cùa bê tông cao hơn 50x103í ì thì tốc độ ăn mòn điện hóa cốt thép bắt đầu diễn ra nhanh Khi độ pH của đá xi măng xung quanh bê tông thấp hơn 11 và cộng thêm sự có mặt cùa ion c r thì lớp màng mỏng FeO.OH bảo vệ bề mặt cốt thép sẽ bị phá vỡ và dẫn đến sự ăn mòn điện hóa Ăn mòn điện hóa cốt thép đối với các kết cấu bê tông cốt thép nằm ờ khu vực có thủy triều lên xuống và nằm gần bờ biền thường xảy ra mạnh hom so với các kết cấu bê tông cốt thép nằm ngập trong nước biển V iệc này là do nước biển thuờng chi chứa một lượng ôxy khoảng 10ml//, trong khi đó thì không khí trên bề mật nước biển có thể chứa lượng ôxy lên đến 210m l//

Cơ chế ăn m òn điện hóa đối với cốt thép [32, 42], khi có mặt cùa các ion clo c r và hydroxyl OH', diễn ra như sau:

- Trên bề m ặt cốt thép xảy ra các phản ứng ôxy hóa gây gi thép, đóng vai trò như một điện cực âm - anode và giải phóng các electron như sau:

Fe + 3(O H)' -> 0,5Fe2O3.3H2O + 3e

Fe + 2 C Ï -> FeCl2 -> F e ~ + 2C1' +2e'

- ô x y trong nước biển thấm vào bề mặt cốt thép xảy ra phản ứng khi có sự đóng góp cùa các electron e' giài phóng ra từ các phản úng ở điện cực âm - anode để tạo ra nhỏm hydroxyl OH', đóng vai trò như là m ột điện cực dương - cathode, như sau:

02 + 2H 20 + 4e' ->

4(OH)-Quá trình ăn m òn điện hóa cốt thép này sẽ diễn ra không ngừng, khi OH' và c r tiếp tục thấm qua lớp bê tông bảo vệ và tiếp xúc vói cốt thép Giữa anode và cathode hình thành dòng điện Tùy thuộc vào mức độ ôxy hóa cốt thép mà các sản phẩm gỉ thép có thành phần hóa học cũng như mức độ nở thể tích khác nhau Hình 2.6 minh họa quá trình ăn mòn điện hóa trên bề mặt cốt thép cùa kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển và mức độ nờ thể tích cùa các sản phẩm từ các phản úng ôxy hóa cùa thép

0 2 + 2H20 + 4e >40H' F e - » F e ” + 2e'

Bê tòng ẩmdo nước biển ngấm vào Lớp Fe20 3 phủ bé mặt thép Thép

0 1 2 3 4 5 6 7Thể Hch, cm3

b)Hình 2.6 Ăn mòn điện hóa đối với cốt thép cùa kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biến [32]: a) Các phàn úng ở điện cực âm anode và điện cực dưcmg cathodelàm gi cốt thép trong kết cấu bê lông cốt thép trong môi triKmg biến; b) Mức độ nà thế tích cùa

các sàn phẩm từ các phàn ứng ôxy hóa làm gi cốt thép.

Sự hình thành các sản phẩm ôxy hóa, nờ thể tích trên bề mặt cốt thép tạo ra các nội ứng suất trong kết cấu bê tông cổt thép, dẫn đến nứt và bong tróc bẻ tông Một số kết quả nghiên cứu cho rằng khi lớp bề mặt cốt thép bị xâm thực vào sâu đến hơn 15(im, thì sản phẩm từ sự ăn mòn điện hỏa đã có thể gây nứt bê tông vói lớp bảo vệ dầy gấp 2 đến 4 lần đường kính của cốt thép đó [40, 42] Một số hình ảnh phá hoại bê tông cốt thép được thể hiện trên hình 2.7

a) Tiếp xúc với nước biến b) Tiếp xúc với không khi biếnHình 2.7 MỘI số hình ánh phá hoại bê lóng cốt thép [4, 6]

2.2.4 Phá hoại kết cấu bê tông trong môi trurờng biển do các vi sinh vật biển gây ra

Một nguyên nhân nữa dẫn đến sự phá hủy của kết cấu bê tông trong mỏi trường biển cũng cần phải kể đến, đó là các vi sinh vật biển Trai và lươn biển thường tìm thấy ờ các cửa ra vào của các đường ống duới mực nước biển, chúng dễ gây tẳc các đường ống và hệ thống thoát nước Đia và nhím biển bám vào bề mặt bê tông và có thể tiết ra axit gây ăn mòn bê tông (làm rỗ đá xi măng và cốt liệu đá vôi) và thậm chí là cả cốt thép Các

sinh vật biển còn bám vào các kết cấu bê tông nằm trong nước biển và làm cho thề tích cùa các cấu kiện này tăng lên đáng kể, từ đó dẫn đến gia tăng áp lực thùy động lên các kết cấu [11] Đặc biệt, các vi sinh vật biển nhóm Thiobacilli được đề cập đến nhiều vì chúng có khả năng ôxy hóa nguyên tố lưu huỳnh - sunphua (S) để hình thành sunphat (SO4') và sản phẩm cuối cùng là axit sunphuaric (H2SO4) gây ăn mòn mạnh cho cà bê tông và cốt thép [11, 32] Các vi sinh vật này thông thường hoạt động mạnh trong môi trường có các thành phần s , S2O3'2, H2S và Fe+2 (chẳng hạn như ờ các ống chứa dầu hoặc nước thải) M ôi trường biển càng có nhiều ôxy và CO2, thì các vi sinh vật loại này càng được sinh sôi này nở nhanh hơn Tuy nhiên, các vi sinh vật nhóm Thiobacilli chi hoạt động trong môi trường axit với độ pH < 7 Có 3 loại vi sinh vật nhóm Thiobađlli

được sinh ra ờ ba môi trường với độ pH khác nhau: Thiobacillus neapolitanus (pH = 7,0-4.0), Thiobacillus ferrooxidans (pH = 5,8-1,3); Thiobacillus thiooxidans (pH = 4,5- <1,0) Trong đó, loại Thiobaàllus ferrooxidans có khả năng phá hủy trực tiếp cốt thép

Vì vậy, kết cấu bê tông trong môi trường biển chi bị phá hùy bời các vi sinh vật biển này, khi mà một lượng lớn đá xi măng bị rừa trôi, làm giảm đáng kề độ pH thông thường của bê tông từ 13 xuống dưới 7

2.2.5 Nghiên cứu sự phá hoại công trình biển

Sự phá hoại bê tông trong công trình biển là tổng hợp các nguyên nhân trên Đã eó nhiều nghiên cứu trên thế giới đề cập đến vấn đề này

Vicat là người đầu tiên tìm ra sự ăn mòn hoá học của nuớc biển; đó là do kết quả chủ yếu cùa phản ứng giữa Ca(OH)2 không được phối hợp ở trong vữa với MgSC>4 trong nước biển N hững nghiên cứu ban đầu của Vicat được đưa ra vào năm 1812, trong đó có nhiều quan điềm chưa thống nhất Những kết quả nghiên cứu đầu tiên này của ông được

xuất bản vào năm 1818, tuy nhiên toàn bộ công trinh "Nghiên cứu nguyên nhân phá

hoại vật lý của nước biển đến chất kết dính thủy lực" đến năm 1857 mới được xuất bàn

Trong công việc nghiên cứu cùa mình Vicat đã nhận được 2 giải thưởng do ủ y ban khen thường công nghiệp quốc gia tặng cho sản phẩm tốt nhất từ vữa xi màng dùng cho công trình biển Trong lĩnh vực này, ông đã có những nhận xét như sau: "Phần hư hỏng (của vữa) nhìn thấy ít vôi hơn phần khác, sở dĩ có sự khác biệt đó là do có sự hoà tan và rửa trôi Ca(OH)2 c ấ p phổi đạt đuợc trong phòng thí nghiệm là chính xác và mức độ đúng hay sai ở đây chl là khía cạnh về sự hợp thức của thành phần tự nhiên" Như vậy, ảnh hưởng mô tả trong các trường hợp nói đến trờ nên đáng lưu ý trong tương lai, vì thành phần có thể bị sai khác so với thành phần chính xác này Trong một số trường hợp khác nguyên nhân xảy ra hư hỏng bê tông trong nước biển như ở miền Nam nước Pháp và Angeri là do các vết bẩn sunphat Sự thay thế hỗn họp vôi-puzơlan bàng xi măng pooclăng do có phản ứng thùy hóa, nên cũng không giảm được sự tách ra đáng kể Ca(OH)2 tự do Kỹ sư người Pháp khác là Bied theo ý tưởng cùa Vicat đã sản xuất ra xi

măng silicat không th ứ a canxi, nên trong quá trình thủy hoá không tách ra sán phẩm Ca(OH)2 Tên thông dụng cùa loại xi măng này là xi măng cao alumin hay xi măng fondu, nguyên tẳc tổ hợp xi măng này là thành phần khoáng monoaluminat.

Vào năm 1880, Plazier đã phát hiện ra nguyên nhân phá hoại bê tông ở cảng Aberdeen Scotland đúng như nguyên nhân mà Vicat đã tìm ra Plazier kết luận do xi măng thủy lực sử dụng trong bê tông dùng trong công trình biển mất vôi và manhe hấp phụ từ nước biển bàng phản ứng trao đổi ion là nguyên nhân làm giảm chất luợng bê tông Vào năm 1924, dựa trên khảo sát toàn diện các thực nghiệm rộng khắp với bê tông trong nước biển của 100 năm trước, Atwood và Johnson đã xác nhận về bàn chất điều mà Vicat tìm ra 100 năm trước đó Vật liệu kết dính lâu đời nhất được các tác già viện dẫn là AD 60 vữa vôi-puzơlan So sánh với năm mẫu vữa gần đấy (1886-1889) chi ra rằng sau khi hoạt động trong nước biển (có nghĩa sau khi rửa trôi 1 phần vôi tự do), thì phần vôi còn lại trong 6 mẫu là như nhau

Những phát hiện gần đây hơn khi khảo sát các kết cấu công trình biển chi ra rằng bê tông thấm được sẽ có sự thâm nhập cùa sunphat manhe và axit cacbonic (do CO2 hoà tan trong nước) cũng là yếu tố quan trọng gây ăn mòn Vào năm 1955, các cọc bê tông trụ sau 21 năm phục vụ cùa cầu sông Theme ở Newport News, Virgina ờ Mỹ cần tới bốn triệu đôla để sửa chữa 70% của 2500 cọc Tương tự sau 25 năm phục vụ, vào năm 1957, gần 750 cọc ứng suất trước cạnh Ocean City, New Jersey, cần phải sừa chữa do một số mất khối lượng, một số cọc giảm từ đường kính ban đầu là 550mm xuống còn 300mm Trong cả hai trường hợp, sự rửa trôi và mất khối lượng cùa vật liệu là do sự tập trong bất thường của CO2 hòa tan trong nước biển với độ pH của nước biển rất thấp (gần 7 thay vì 8,2-8,4 là độ pH bình thường cùa nuớc biền)

Field mô tả các truờng hợp phá hoại bê tông khác để nêu bật tầm quan trọng cùa hiện tượng thấm Hai trong số 10 cầu tầu ở cầu sông Shrewberry, New Jersey, xây dựng vào năm 1913 đã hỏng đáng kể chỉ sau có 1 năm phục vụ Vùng phá hùy của bê tông tại vị trí nằm xen kẽ giữa bê tông tốt và lóp bị rỗng xốp (tựa như lớp vật liệu chứa các tinh thề muối) Tích luỹ của các lớp xi măng lẫn nước chiều dày 50-75mm bố trí ở chiều sâu 5m của lớp đổ Điều đó chứng tỏ sự phá hủy khi rửa trôi hoàn toàn xi măng ờ vị trí lớp ngăn cách trong bê tông, nơi dễ bị xâm nhập của nước biển

Mehta và Heynes đã mô tả 18 blốc bê tông không cốt thép có kích thirớc 1,8x 1,8x 1,1 m được thi nghiệm vào năm 1905 bằng cách ngâm trong nước biển ở cảng San Pedro cạnh Los Angeles, California Thí nghiệm tiến hành vào năm 1972 sau 67 năm ngâm trong nước biển đã ghi nhận là các blốc bê tông đặc (xi măng : c á t : sỏi = 1 : 2 : 4) vẫn giữ được chất lượng rất tốt, dù một số mẫu đa chế tạo với hàm lượng C3A trong xi măng cao (14%) Các blốc của bê tông dùng ít xi măng (xi măng : c á t : sỏi = 1 : 3 : 6) có mất một phần khối lượng và bề mặt bị rỗng xốp phù hợp với sự phát triển ăn mòn cùa môi trường biển (hình 2.8)

Phân tích thạch học của mẫu bê tông thí nghiệm cho thấy có một số lượng đáng kể của các khoáng hydroxit manhe, thạch cao, ettringit, cacbonat canxi, hydro aluminat Sản phẩm thùy hoá của xi măng pooclăng là hydrosilicat canxi và hydroxit canxi sẽ bị mất đi do bị manhe sunphat và CO2 ăn mòn Các thí nghiệm dài ngày cùa các nhà nghiên cứu khác như Regourd và Gjov cũng cho kết quả tương tự Từ những trường hợp mô tả ờ trên có thể kết luận bê tông bị thấm sẽ bị ăn mòn do tác động hoá học cùa nước biển Nhu vậy tính thấm của bê tông quan trọng hơn so với sự khác biệt về thành phần cùa xi măng pooclăng trong việc xác định độ bền lâu dài.

Hình 2.8 Blóc bê tông dùng ít xi măng sau 67 năm chịu tác động cùa môi trường biến

Trong thực tế chỉ ra rằng ăn mòn hoá học không phài là yếu tố duy nhất ảnh hường đến độ bền của bê tông dùng cho công trình biển Bê tông ở các đê chán sóng, cầu tầu, đê biển, cừ và các công trinh biển khác cũng cần phải bền với các tác động của sóng, đặc biệt ờ thời gian bão Sự hư hỏng cùa các đê chắn sóng có thể liệt kê: Antalya ở Thổ Nhĩ Kỳ (1971), A izew el Djedid ở Angeri (1979), Tripoli ở Lybia (1977, 1980), Sines ở Bồ Đào Nha (1978), Bilbao và San Ciprian ở Tây Ban Nha (1980) ứ n g suất và cirờng độ uốn thấp cùa bê tông khối lớn không có cốt thép là nguyên nhân phá hủy chúng dưới tác động của sóng Ngày nay hầu hết các kết cấu đều có cốt thép, tuy nhiên nó lại thêm phức tạp khác về độ bền, vì thép bị ăn mòn trong nước chứa muối Hơn nữa nhiều kết cấu được xây dựng ờ vùng khí hậu lạnh nơi chịu tác động của các chu kỳ đóng và tan băng

Vào năm 1912, ở cảng Los Angeles đã sừ dụng cọc bê tông ứng suất trước gia cố cầu tầu dài 800 m Sau 12 năm làm việc, một số cọc đã bị nút theo chiều dọc ờ mức giữa cùa thủy triều Bê tông ở phía dưới của mức thùy triều còn nguyên vẹn Các tác giả suy luận là các vi vết nứt do ăn mòn sunphat có thể là nguyên nhân ngấm nước biển sau đó gây ra ăn mòn cốt thép Dựa trên kinh nghiệm có thể thấy còn có các nguồn khác tạo ra các vết nứt tế vi trong bê tông như gradien nhiệt, hoặc cọc chống lại độ bền cao, có thể phải được nghiên cứu kỹ hcm

Fluss và G orm an tổng kết chất lượng cùa cọc và dầm với tuổi bê tông cốt thép là 46 năm sau khi xây dựng vào nãm 1912, đã nhận ra là bê tông dùng xi măng có hàm lượng C3A lớn (14-17% ) và lượng dùng xi m ăng cao (gần 400kg/m 3) Phần lớn các cọc ở trạng thái tốt, m ột số cọc và dầm ờ 2 trụ cầu bị hòng Các tác giả cho rằng ờ những nơi thi công kém và độ võng vượt quá dưới tác dụng cùa tải trọng có thể là nguyên nhân tạo nên vết nứt trong bê tông, tạo ra sự phơi lộ của cốt thép và bị tác động ăn m òn cùa nước biển.

Kết quà nghiên cứu từ năm 1953-1955 đối với 400 công trình ven biển ở Đan Mạch sau 20-50 năm làm việc đã được Idom công bố vào năm 1967 Trong đó có khoảng 40% kết cấu đã có một số hư hỏng Các công trình bị hư hỏng nặng là cầu tầu N07 của cầu Oddesund ờ đường phía Bắc và tường chắn bằng bê tông ờ Lim Fjord Bê tông ờ cầu tầu N07 cùa cầu O ddesund đã bị hư hỏng là do giảm cirờng độ kết hợp với tác động của chu kỳ đóng và tan băng, phản ứng alkali và ăn m òn sunphat Theo ghi nhận, hư hỏng đầu tiên cùa caisson là ứng suất nhiệt làm tăng thấm nước biển vào bê tông và dẫn đến ăn mòn hoá học Các mố cầu đã được sửa chữa sau 8 năm làm việc Kết cấu thứ 2 ờ đường phía Bắc Jutland đã có vết nút và hư hỏng ờ m ố cầu M ất khối lượng lớn nhất là tại mức giữa của thủy triều, tạo ra các đinh đồng hồ cát đặc trung Ăn mòn phát triển mạnh dọc theo mố cầu Phân tích của mẫu bê tông thí nghiệm chi ra nguyên nhân là bê tông nghèo xi măng (tỷ lệ N /X cao) và các hiện tượng phá hoại khác làm tàng thêm ăn mòn cốt thép như đóng, tan băng, phản ứng kiềm Kết cấu thứ 3 Groi 72 cùa Lim Fjord đã bị thấm nhiều và cường độ bê tông thấp (với lượng xi măng sử dụng là 220kg/m3), do đó không thể chịu được chu kỳ của khô ẩm và cộng thêm tác động mạnh cùa sóng Một số blốc bê tông đã bị phá hủy sau 20 năm làm việc trong môi trường nước biển

Trong các năm 1962-1964, ở vùng biển N a Uy đã xây dựng hơn 700 công trình biển Có đến 60% kết cấu là bê tông cốt thép, đa số các cọc mảnh và được chế tạo theo phương pháp đúc sẵn Các thí nghiệm sau khi kiểm tra khoảng 2/3 số kết cấu đã làm việc từ 20-50 năm chì ra rằng: các cọc bê tông ở trạng thái tốt, khi ờ duới hay trên mực thủy triều N hưng ờ vùng nước thủy triều lên xuống thì nhiều cọc đà có dấu hiệu nguy hiểm, gần 14% có tiết diện giảm 30% và lớn hơn, còn 24% bị giảm tiết diện từ 10-30% Sự phá hoại của bê tông ở vùng nước thủy triều lên xuống được cho là do đóng và tan băng ở bê tông không có phụ gia cuốn khí Băng chứng ăn mòn mạnh cùa cốt thép đã tìm thấy ở 20% số dầm đỡ M ehta và Gerwick đã thông báo là vào năm 1980 có một số dầm spin ở cầu San M ateo H ayward cạnh San Francisco, California đã phải sửa chữa với chi phí rất lớn do hư hỏng bê tông vì ăn mòn cốt thép (hình 2.9) Trước đó 17 năm, hỗn hợp bê tông chất lượng cao (sử dụng 370kg xi măng cho lm3 và tỳ lệ N/X là 0,35) đã được sử dụng để chế tạo các dầm này M ột số dầm được đúc sẵn dưỡng hộ bằng hơi

nước và một số đổ tại chỗ dưỡng hộ tự nhiên Kết quả là không phát hiện được dầm đúc sãn bị hỏng dù chịu tác động trực tiếp cùa nước biển ờ phía hướng gió Các tác giả đã già thuyết nguyên nhân là với dầm có kích thước dạng khối (gần 8 x 3 ,7 x l,8 m 3) tồ hợp với lượng cốt thép rất nặng và tốc độ làm nguội khác nhau trong quá trình sản xuất (thường chịu các chu kỳ làm nóng trong dưỡng hộ hơi nước) có thể gây ra các vết nứt tế vi không thế nhìn thấy được.

Sau n à y v ì c ấ u trú c c ó th ể tiếp tụ c ờ p h ầ n k ết c ấ u tiếp XÚC- v ớ i tác đ ộ n g k h ắ c n g h iệ t

cùa thời tiết Thực tế chứng tỏ là dưới điều kiện môi trường biển, bê tông bình thường không thấm có thể bị thấm và trờ thành điểm yếu với chu kỳ ăn mòn-nứt-ăn mòn dẫn tới kết cấu bị phá hùy nghiêm trọng

//ỉn/í 2.9 Bê tông bị phá hoại do cốt thép bị ăn mòn

ở dầm đúc sẵn cùa cầu San Maleo - Hayvvard Bridge

Gần đây Gjorv và K ashino đã thiết lập chi tiết về độ bền bê tông từ những cầu tầu 60 năm tuồi trước khi các kết cấu bị phá hủy Bê tông được khảo sát là loại bê tông không có phụ gia cuốn khí với hàm lượng xi măng 350kg/m 3 bê tông, và tỳ lệ N/X là 0,53 (cường độ thiết kế 30MPa) Thí nghiệm lõi bê tông lấy từ sàn chỉ ra không có sự ăn mòn hoá học, cường độ tốt, không có hiện tượng thấm sau 60 năm tiếp xúc với nước biển (cường độ nén 42-45M Pa, hệ số thấm (2,5-8)xlO 'n kg/Pa.m s) Trong dó xi măng có hàm lượng C3A cao đã được dùng để chế tạo bê tông này N hư vậy tính thấm là thông số quan trọng hơn quyết định đến ăn mòn bê tông trong nước biển Ví dụ ăn mòn sunphat với việc tạo ra ettringit trên bề mặt bê tông có chiều sâu 5mm Các tác giả còn quan sát thấy các vết nứt sâu 10-35mm, nhung đóng vai trò là ứng suất nhiệt Chiều sâu cacbonat hoá thấp (l-7m m ) ờ vùng ngập nước và ờ vùng thủy triều, nhưng khá cao (tới 24mm) ờ phần trên cùa cọc

Gjcrv và Kashino đã tổng kết rằng ờ phần thấp hơn cùa mặt cầu, ion clo có thể ngấm sâu vào hơn 80mm và hàm lượng muối clo đọng trên bề mặt thép chiếm 0,05-0,1% khối lượng của bê tông Ở phần ngập nước hoàn toàn cùa kết cấu, hàm luợng muối clo chiếm 0,3-0,35% Trụ cầu thường phài sửa chữa trong thời gian làm việc do sự hư hòng khi chịu tác động của sương giá và ăn mòn cốt thép, cái đầu tiên phát hiện phải sửa chữa là sau 10 năm làm việc, tiếp theo là 16 năm Tác giả đã quan sát sự làm sạch và đúc lại bê tông bị nứt là không chấm dứt được ăn mòn, vì chỉ sau vài năm những vết nút mới lại xuất hiện ngay ở vùng bên cạnh Tuy nhiên, kết cấu bê tông ờ vùng trong và phần lớn vùng bào vệ của mố cầu có chất lượng vẫn còn tốt Ở vùng xa hơn, do tiếp xúc nhiều hơn với các tác động thời tiết biển, toàn bộ mặt trụ bằng bê tông đã bị ăn mòn M ột số cọc phát hiện thấy có ăn mòn ở vùng trên của kết cấu (ở trên mực thùy triều) và cũng có sự phá hoại cả ở phần ngập nước.

Như vậy bê tông cốt thép với tính thấm thấp sẽ có tính bền thỏa mân với nước biển, trong điều kiện khí hậu lạnh, bê tông không bảo vệ (không có phụ gia cuốn khí) đã bị nứt do tác động của'sương giá, rồi sau đỏ bị hư hỏng; thêm vào đó là do ăn mòn cốt thép Kết luận này gần đây đã được xác nhận từ các kết quả nghiên cứu phát hiện sự hư hỏng các cọc bê tông cốt thép ở Rodney Terminal ở Saint John N ew Brunswick, Canada

Phát hiện vết nút nhiệt của các cọc sản xuất là bước đầu dẫn đến vết nứt do chu kỳ đóng và tan băng (do không đủ lượng bọt khí trong bê tông) N hư vậy, nứt do ăn m òn là nguyên nhân thứ 2 phá hủy bê tông N hiều nghiên cứu của các chuyên gia giàu kinh nghiệm về độ bền kết cấu bê tông trong môi trường biển ở khí hậu nóng cho thấy ăn mòn điện hoá với cốt thép là lớn đáng kể N hư vậy kết quả nghiên cứu bê tông được chế tạo ưong thời tiết lạnh có thể không phù hợp với then tiết nóng Đường hầm tunen ờ Dubai xây dựng năm 1973-1975 đã sửa chữa toàn bộ vào năm 1986 với giá gấp 2 lần bê tông thường Môi trường ở Trung Đông rất cách biệt (ngày nóng, đêm lạnh) Âu tầu khô ở Abu Dhabi được ghi nhận bị phá hoại nghiêm trọng với chu kỳ khô ấm xen kẽ và trong thời tiết nóng toả ra đặc biệt nguy hại cho bê tông Các kết quả nghiên cứu về các kết cấu vùng ven biển ở G ulf từ năm 1974-1986 đã phát hiện nhiều kết cấu bê tông cốt thép bị phá hủy nghiêm trọng ờ bề m ặt đo thời tiết và cả do ăn m òn cốt thép Sự nguy hiểm xuất hiện trong khoảng thòi gian làm việc ngắn từ 3-10 năm So với tiêu chuần hiện hành, những kết cấu này được xây dựng từ bê tông chất lượng không cao (<30MPa) và chiều dày lóp bảo vệ 50mm Trong m ột sổ trường hợp, đặc biệt khi các vết rỗ đã rõ ràng, cốt thép sẽ bị giảm kích thước tiết diện một cách rõ rệt M ột số các nghiên cứu khác đã phát hiện ra sự phá hoại của bê tông không có cốt thép, với chất lượng như nhau, thấp hơn rất nhiều Các kết cấu biển có khả năng dùng bê tông khối lớn nên thử nghiệm trước khi phải sử dụng bê tông cốt thép Các kết luận cùa các nghiên

cứu khác cũng đã xác nhận trong thực tế là bê tông dùng cho các giàn khoan ờ biển Bắc là loại bê tông chất lượng cao (40-60M Pa được xác định theo mẫu hình trụ) Các kết cấu này còn chịu tác động khẳc nghiệt cùa nhiệt độ gồm khô nóng, nóng ẩm ờ vùng vịnh Mêhicô và điều kiện lạnh ờ biển Bắc Giàn khoan bê tông lâu đời nhất ờ biển Bắc là Ekoíìst đâ làm việc hom 20 năm và chi có 7-20 giàn khoan bê tông làm việc hơn 10 năm Các nghiên cứu kháo sát về các giàn khoan bê tông ờ biển Bắc có lưu ý về tác động cùa đóng băng và tan bàng, ăn mòn cốt thép, ăn mòn hoá học và sinh vật biển, cũng như tác động cùa tải trọng.

Như vậy, từ lý thuyết và các khảo sát thực tế, ãn mòn trong môi trường biển là dạng ăn mòn tổng hợp cả vật lý, hóa học, cơ học, sinh vật Trong đó ăn mòn cốt thép nguy hiểm hơn so với ăn mòn bê tông Ăn mòn vùng nước thay đồi nhanh hơn các vùng còn lại Hiện tượng rỗng hay nứt bê tông làm tăng tính thấm là nguyên nhân trước tiên gây ra ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép

37

Chương 3THÀNH PHẦN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG

Từ các yếu tố: vật liệu chế tạo, thiết kế thành phần và công nghệ sản xuất đã tạo nên sự tăng trường nhanh chóng các kết cấu hiện đại dùng cho công trình biển trong những thập kỷ gần đây Do đó rất cần thiết phải nghiên cứu thành phần và cấu trúc của bê tông thông thường, bởi vì, những yếu tố này quyết định đến tính chất bê tông dùng cho công trinh biển nói riêng và công trình bê tông nói chung Hiểu biết về các yếu tố liên quan đến tính chất của bê tông thường không chỉ giúp tìm hiểu về phá hủy của bê tông công trình biển, mà còn có hướng tổng quát về phát triển kỹ thuật của loại bê tông này gần đây

Bê tông thông thường được sản xuất bằng cách trộn chung 4 cấu tử: xi măng, nước, cát (cốt liệu bé kích thước 0,14 đến 5mm) và sỏi hoặc đá dăm (cốt liệu lớn kích thước lớn hơn 5mm) Với những lý do khác nhau, hiện nay nhiều loại bê tông chứa một hoặc một số phụ gia như loại vật liệu thứ 5 Kích thước lớn nhất của cốt liệu lớn thường thay đổi 20-40mm phụ thuộc vào kích thước của phân tố cấu trúc, chiều dày của lớp bảo vệ cốt thép, chiều dày cốt thép, loại và thiết bị đổ bê tông phù hợp Hỗn hợp bê tông có cấp phối để có được độ đồng nhất, độ sụt và có cuờng độ nén tối thiểu ở điều kiện tiêu chuẩn (độ ẩm, thời gian 28 ngày ở nhiệt độ 23°C) Hỗn hợp bê tông cốt thép thông thường, nói chung có độ sụt 10-15cm (4-6in) và cường độ nén 20-30MPa, xi măng từ 270-350kg/m3 (450-6001b/yd3), tỳ lệ N /X từ 0,5 đến 0,7 c ấ p phối cho 2 loại bê tông 20MPa (3000psi) và 30MPa (4500psi) đưa ra ở bàng 3.1 Hỗn hợp bê tông đạt được độ sụt hay độ nhót khi còn dẻo và cuòmg độ nén tối thiểu mong muốn khi cứng rắn ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn

Bàng 3.1 Thành phần vật liệu cbo bê tông thông thường [32]

Trong chương này mô tả vật liệu chế tạo bê tông, phản ứng thủy hoá của xi măng và thành phần tạo nên cấu trúc bê tông và các tính chất kỹ thuật của bê tông Quy trình lựa chọn và thiết kế thành phần bê tông được mô tả ớ chương 4.

3.1 VẬT L IỆ U C H É TẠ O BÊ TÔN G

Nước, xi măng, cốt liệu và phụ gia là vật liệu thông thường dùng để chế tạo bê tông

3.1.1 N ướcLượng nước là yếu tố quan trọng trong việc chế tạo bê tông Khi lượng nước thừa có thề ảnh hường bất lợi đến thời gian đông kết, cường độ và tính ổn định thể tích của sản phẩm Mức độ trong sạch cùa nước sử dụng để trộn bê tông được quy định chứa ít hơn 2000ppm (phần triệu) của chất rắn hoà tan là phù hợp dùng cho chế tạo bê tông Lượng nước thông thường có hàm lượng chất rắn ít hơn Nước - khi chưa biết chất lượng - có thể được sử dụng nếu không ành hưởng có hại đến thời gian đông kết, cường độ và tuổi thọ của bê tông Theo quy định cùa Cục kỹ thuật cùa quân đội Mỹ thì: nếu cường độ nén cùa mẫu (hình hộp) dùng nguồn nước đang xem xét để sử dụng ờ tuổi 7 và 28 ngày đạt ít nhất 90% cường độ của mẫu đối chứng dùng nước sạch thì nguồn nước đó có thể dùng đề chế tạo bê tông và không cần thí nghiệm riêng về chất lượng nước dùng để trộn bê tông cho các trường hợp chung Tuy nhiên, về yêu cầu độ trong sạch của nước có chú ý đặc biệt dưới đây:

- Nước biến: Chứa thấp hơn 35000ppm của muối tan là phù hợp cho bê tông không

cỏ cốt thép Khi đó tốc độ phát triển cường độ ban đầu có thể không bị ảnh hưởng thậm chí tàng chút ít, nhưng khi sử dụng nước biển làm nước trộn bê tông có thể giảm nhẹ cường độ cuối cùng

- Nước chứa tảo: Khi sử dụng loại nước này để trộn bê tông sẽ ảnh hưởng đến luợng

khí cuốn vào, kéo theo sự giảm cường độ Ví dụ việc tăng lượng tảo từ 0,09% lên 0,23% làm không khí bị cuốn vào 10-6% và làm giảm 50% cường độ nén

- Nước chứa dầu khoảng với lượng nhỏ có thể không ảnh hưởng có hại, nhưng khi

với hàm lượng lớn có thể bát đầu ảnh hường đến thời gian đông kết và làm giảm cường độ bê tông

Tiêu chuẩn Xây dựng V iệt Nam (TCXDVN) cũng quy định nước trộn bê tông và vữa cần có chất lượng thoả mãn các yêu cầu sau:

+ Không chứa váng dầu hoặc váng mỡ.+ Lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15mg//.+ Độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5.+ Theo mục đích sừ dụng, hàm lượng muối hoà tan, lượng ion sunphat, lượng ion clo và cặn không tan không được lớn hơn các giá trị quy định trong bảng 3.2

Bàng 3.2 Nuớc cho bê tông và vữa xây dựng

Mục đích sừ dụng

Mức cho phép

Muối hòa tan

lon sunphat (SO.I )

lon clo (CO

Cặn không tan

1 Nước trộn bê tông và nước trộn vữa bơm bào vệ cốt thép cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

2 Nước trộn bê tông và nước trộn vữa chèn mối

3 Nước trộn bè tông cho các kết cấu bê tông

3.1.2 Xỉ măng

Xi măng p o o đ ăn g là chất kết dinh rắn trong nước quan trọng nhất trong xây dựng các công trình hiện nay Xi măng pooclăng được phát minh và đưa vào sử dụng trong

xây dựng từ đầu thế kỷ thứ 19, khoảng năm 1824 Xi măng pooclăng chứa khoảng 70-

80% silicat canxi, nên cũng có thể gọi là xi măng silicat.Xi m ăng pooclăng là chất bột mịn mà bàn thân nó không phải là chất kết dính, nhưng nó có khả năng liên kết phát triển do phàn ứng hydrat (có nghĩa phản ứng hoá học giữa xi m ăng và nước) Xi măng là sàn phẩm nghiền của clanhke với một lượng nhỏ sunphat canxi (vào khoáng 4-6% thạch cao) Trong đó clanhke là hỗn hợp đa khoáng được tạo thành ở nhiệt độ cao do phàn ứng giữa các ôxyt canxi, silic, nhôm và sắt Mô tả chi tiết về quá trình sản xuất xi măng pooclãng có thể tham khảo các sách riêng về xi m ăng và bê tông

Hình 3.1 ơa n h ke xi măng Hình 3.2 Xi măng

Xi măng pooclăng được sàn xuất từ hai nguyên liệu chinh là đá vôi và đất sét Sau khi gia công cơ học và nung đến nhiệt độ cần thiết được clanhke xi măng (hình 3.1) Nghiền chung clanhke xi măng với một lượng thạch cao (phụ gia điều chinh thời gian

đông kết) sẽ được xi măng pooclăng (PC); nếu hỗn hợp này nghiền chung với phụ gia khoáng (hàm lượng không được vượt quá 40%) được xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB) (hình 3.2).

Đối với bê tông xây dựng, xi măng pooclăng và các dạng khác cùa nó theo tiêu chuẩn ASTM c 150 là các loại xi mãng được dùng phổ biến nhất hiện nay

3.1.2.1 Tltànli ph ầ n khoáng

Thành phần khoáng vật cùa xi măng được hình thành do phàn ứng hóa học giữa các chất trong đá vôi và đất sét khi nung ờ nhiệt độ cao, nó quyết định đến inọi tính chất cùa vật liệu dùng xi măng

Bảng 3.3 Thành phần khoáng và nhữ ng tính chất đặc trirng của xi măng pooclăng

Thành phần khoáng gần đúng 3Cao.SiOj P2Ca0.Si02 3Ca0.AI203 4 C a 0 A l 2 0 3 F e 2 0 j

Hàm lượng C3S và C2S trong clanhke xi măng pooclăng thường chiếm từ 70-80% Ngoài bốn thành phần khoáng chính như bảng 3.3, các loại xi màng này còn chứa một lượng không lớn các khoáng vật khác như:

Aluminat canxi: 5Ca0.Al203Alumoferit canxi: 8Ca0.3Al203.Fe203

Cấu trúc vi mô của clanhke xi măng thường được quan sát bằng các dụng cụ quang học và hình 3.3 thể hiện hình ảnh cấu trúc vi mô này được quan sát bàng kính hiển vi điện tử quét