nghiên cứu sử dụng phụ gia nhằm tăng khả năng chống xâm thực, ăn mòn bê tông công trình bảo vệ bờ biển ở việt nam

Đê biển và các công trình bê tông trong vùng biển là loại công trình ven bờ biển và trong môi trường biển, bị nước biển ăn mòn theo thời gian, phá hỏng các kết cấu bê tông, bê tông cốt t

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Những vấn đề cần giải quyết của luận văn 1

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG CÔNG TRÌNH ĐÊ BIỂN VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 2

1.1 Thực trạng công trình đê biển Việt Nam 2

1.1.1 Đê biển Bắc Bộ (từ Quảng Ninh đến Thanh Hoá) 2

1.1.2 Đê biển miền Trung 6

1.1.3 Nguyên nhân hư hỏng của hệ thống đê biển 8

1.1.4 Các cơ chế phá hoại đê biển 9

1.2 Thực trạng công trình đê biển trên Thế giới 9

1.2.1 Đê Afsluitdijk và hệ thống công trình Delta Works 10

1.2.2 Đánh giá mức độ an toàn của hệ thống đê 11

1.2.3 Hà Lan thách thức của biến đổi khí hậu và nước biển dâng 11

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 13

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM 14

2.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam 14

2.1.1 Vùng ngập nước biển 15

2.1.2 Vùng khí quyển trên biển và ven biển 16

2.1.3 Vùng nước lên xuống và sóng đánh 17

2.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép ở Việt Nam 18

2.3.2 Giới thiệu về xi măng 27

2.3.3 Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng 31

2.3.4 Tác động ăn mòn xi măng của nước biển 38

2.3.5 Hiện tượng mềm hóa bê tông do nước biển gây ra 40

2.4 Cơ chế ăn mòn cốt thép của nước biển 45

2.5 Tuổi thọ công trình và quá trình suy giảm độ bền trong môi trường nước biển 52

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 56

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VẬT VÀ PHỤ GIA ỨC CHẾ ĂN MÒN ĐỂ KHẮC PHỤC TÌNH TRẠNG XÂM THỰC ĂN MÒN BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ VÙNG BIỂN 56

3.1 Tác dụng của phụ gia khoáng, phụ gia ức chế ăn mòn 56

3.1.1 Tro bay 56

3.1.2 Muội silic (Silica fume, SF) 58

3.1.3 Phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép 59

3.2 Tính toán cấp phối bê tông có sử dụng phụ gia khoáng, phụ gia ức chế ăn mòn 60

3.2.1 Thiết kế cấp phối bê tông 61

3.2.2 Quy trình cấp phối bê tông 62

3.2.3 Các bước thiết kế 62

3.3 Thí nghiệm để đánh giá những tác dụng mà phụ gia đem lại 66

3.3.1 Thí nghiệm xác định độ lưu động 66

3.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ 68

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 69

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO ĐÊ BIỂN HUYỆN NGHĨA HƯNG - TỈNH NAM ĐỊNH 70

4.1 Giới thiệu về đê biển huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định 70

4.1.1 Vị trí địa lý 70

4.1.2 Hiện trạng đê kè biển huyện Nghĩa Hưng 70

4.2 Tính toán cấp phối bê tông, tỷ lệ sử dụng phụ gia khoáng, ức chế ăn mòn cho kè Nghĩa Hưng 72

4.2.1 Thiết kế cấp phối bê tông dùng cho kè Nghĩa Hưng 72

4.2.2 Tính toán cấp phối cho 1mP 3 P bê tông 72

4.2.3 Cấp phối thí nghiệm 73

4.2.4 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm 75

4.2.5 Thí nghiệm ngâm mẫu bê tông trong nước biển 78

4.2.6 Lựa chọn cấp phối bê tông, tỷ lệ sử dụng phụ gia khoáng, phụ gia ức chế ăn mòn cho kè Nghĩa Hưng 78

4.3 So sánh kết quả thí nghiệm bê tông đối chứng và bê tông có sử dụng phụ gia khoáng, phụ gia ức chế ăn mòn 79

KẾT LUẬN CHƯƠNG IV 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

1 Kết luận 80

2 Những vấn đề còn tồn tại 80

3 Kiến nghị 80

Hình 1.2 Đê Afsluitdijk và hệ thống công trình Delta Works 10

Hình 2.1 Cảng Thương vụ - Vũng Tầu sau 15 năm sử dụng 20

Hình 2.2 Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng cách biển 25km, sau 30 năm sử dụng 21 Hình 2.3 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy thủy điện Hòa Bình (Nguồn tin internet) 21

Hình 2.4 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 - Hải Phòng 21

Hình 2.5 Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn cốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (Nguồn tininternet) 22

Hình 2.6 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè biển Cát Hải – Hải Phòng (Nguồn tin internet) 22

Hình 2.7 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn – Bến Tre 22

Hình 2.8 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển 23

Hình 2.9 Sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian 42

Hình 2.10 Phát triển cường độ trong môi trường mặn 45

Hình 2.11 Cốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép 46

Hình 2.12 Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông 47

Hình 2.13 Sơ đồ mô tả lý thuyết ăn mòn cốt thép 50

Hình 2.14 Giản đồ Pourbaix đơn giản 51

Hình 2.15 Sơ đồ mô tả cốt thép bị ăn mòn 52

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả quá trình suy giảm chất lượng công trình theo thời gian 53

Hình 3.1 Nón cụt tiêu chuẩn dùng để xác định độ sụt của bê tông 68

Hình 4.1 Hệ số thấm của bê tông có và không có phụ gia trong 3 ngày 76 Hình 4.2 Hệ số thấm của bê tông có và không có phụ gia trong 7 ngày 77 Hình 4.3 K thấm của bê tông có và không có phụ gia trong 28 ngày 77

Bảng 2.2 Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới [4] 15

Bảng 2.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam [4] 16

Bảng 2.4 Bảng phân loại mác xi măng 28

Bảng 2.5 Thành phần khoáng vật của xi măng [3] 29

Bảng 2.6 Bảng thống kê sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông 42

các công trình trong môi trường biển [5] 42

Bảng 4.1 Cấp phối bê tông thường 74

Bảng 4.2 Cấp phối bê tông có 30%F, 0,5%P 74

Bảng 4.3 Cấp phối bê tông có 25%F, 0,5%P, 5%S 74

Bảng 4.4 Cấp phối bê tông có 20%F, 10%S, 0,5%P 75

Bảng 4.5 Tổng hợp kết quả cường độ nén thí nghiệm (Mpa) 75

Bảng 4.6 Bảng xác định hệ số thấm 76

Bảng 4.7 Mối quan hệ giữa Kt~B trong 28 ngày 77

Bảng 4.8 Bảng kết quả độ mài mòn 78

VKHCNXD: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

VKHCNGTVT: Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải BMVLXD: Bộ môn vật liệu xây dựng

MỞ ĐẦU

1 T ính cấp thiết của đề tài

Bờ biển nước ta có chiều dài hơn 3600 km trải dài từ Móng Cái đến Hà Tiên Bên cạnh việc đem lại cho con người những giá trị tích cực về kinh tế, tinh thần, biển còn có thể mang đến sự tàn phá, huỷ hoại ghê gớm Từ bao đời nay, những công trình trong môi trường biển, bảo vệ bờ biển đã và đang hình thành ngày càng nhiều với sự đóng góp đáng kể của những tiến bộ khoa học

kỹ thuật với mục đích lợi dụng tối đa những lợi ích và giảm tối thiểu những tác động tiêu cực từ nước biển

Đê biển và các công trình bê tông trong vùng biển là loại công trình ven

bờ biển và trong môi trường biển, bị nước biển ăn mòn theo thời gian, phá hỏng các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép không những về mặt cơ học mà còn gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học Nó gây hư hỏng và giảm tuổi thọ công trình Một khi đê biển và các công trình bê tông và bê tông cốt thép bị phá hoại thì hậu quả tác động tới kinh tế và kinh tế xã hội rất lớn Vì vậy việc nghiên cứu cơ chế xâm thực, ăn mòn hóa học của bê tông trong môi trường biển và đưa ra một số giải pháp giảm thiểu ăn mòn, tăng tuổi thọ công trình trở thành vấn đề vô cùng cấp thiết với nước ta hiện nay

2 Những vấn đề cần giải quyết của luận văn

- Nghiên cứu cơ chế xâm thực, ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam

- Các giải pháp khắc phục tình trạng xâm thực, ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép vùng biển

- Nghiên cứu sử dụng phụ gia chống xâm thực và ức chế ăn mòn để khắc phục tình trạng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG CÔNG TRÌNH ĐÊ BIỂN

VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Thực trạng công trình đê biển Việt Nam

Hệ thống đê biển và cửa sông của chúng ta được xây dựng, bồi trúc và phát triển theo thời gian và do nhiều thế hệ người Việt Nam thực hiện Đê chủ yếu là đê đất, vật liệu lấy tại chỗ và người địa phương tự đắp bằng những phương pháp thủ công Hệ thống đê hình thành là kết quả của quá trình đấu tranh với thiên nhiên, mở đất của ông cha chúng ta Chính vì vậy đê không thành tuyến mà là các đoạn nằm giữa các cửa sông Có địa phương chỉ trong vòng một thế kỷ đã có nhiều lần đê phát triển ra ngoài, mà cho đến nay vẫn tồn tại các tuyến đó như đê huyện Tiên Lãng - Vĩnh Bảo - Hải Phòng; đê Thái Thuỵ - Tiền Hải - Thái Bình; đê Kim Sơn - Ninh Bình v.v…

Thân đê chủ yếu được đắp bằng đất cát pha, một số tuyến đê như Hải Hậu (Nam Định), Hậu Lộc (Thanh Hoá) và các tuyến đê biển miền trung được đắp bằng cát và phủ lớp chống xói phía ngoài; mái đê phía đồng, mặt đê

dễ bị xói sạt khi mưa lớn, sóng leo trong bão Mặt đê nhỏ tải trọng cho phép phục vụ giao thông yếu, hầu hết các phương tiện cơ giới không thể đi lại được trên mặt đê gây cản trở giao thông, khó khăn trong việc ứng cứu, hộ đê trong mùa bão Các cống dưới đê nhiều về số lượng nhưng do được xây dựng từ hàng chục năm trước đây, nhiều cống đã bị xuống cấp nghiêm trọng chưa được tu sửa, rất nhiều cống phải hoành triệt để đảm bảo an toàn trong mùa mưa bão

1.1.1 Đê biển Bắc Bộ (từ Quảng Ninh đến Thanh Hoá)

Vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ là nơi có địa hình thấp trũng là một trung tâm kinh tế của cả nước - đặc biệt là sản xuất nông nghiệp, tập trung dân cư đông đúc Về mặt hình học, đê biển miền Bắc thuộc loại lớn nhất cả

nước tập trung chủ yếu ở các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định Đây là vùng biển có biên độ thuỷ triều cao (khoảng 4m) và nước dâng do bão cũng rất lớn Để bảo vệ sản xuất và sinh hoạt của nhân dân, các tuyến đê biển, đê cửa sông ở khu vực này được hình thành từ rất sớm và cơ bản được khép kín Tổng chiều dài các tuyến đê biển, đê cửa sông khoảng 484km, trong đó có trên 350km đê trực tiếp biển

Đê biển Bắc Bộ có bề rộng mặt đê nhỏ khoảng từ 3,0m – 4,0m, nhiều đoạn đê có chiều rộng mặt đê < 2,0m như một số đoạn đê thuộc đê Hà Nam,

đê Bắc cửa Lục, đê Hoàng Tân (tỉnh Quảng Ninh), đê biển số 5, số 6, số 7, số

8 (tỉnh Thái Bình), đê Cát Hải (Hải Phòng) Sau khi được đầu tư khôi phục, nâng cấp thông qua dự án PAM 5325 và quá trình tu bổ hàng năm, các tuyến

đê biển nhìn chung chống được mức nước triều cao tần suất 5% có gió bão cấp 9 Tuy nhiên tổng chiều dài các tuyến đê biển rất lớn, dự án PAM mới chỉ tập trung khôi phục, nâng cấp các đoạn đê xung yếu Mặt khác do tác động thường xuyên của mưa, bão, sóng lớn nên đến nay hệ thống đê biển Bắc Bộ vẫn còn nhiều tồn tại, trong đó những tồn tại chính như:

- Nhiều đoạn thuộc tuyến đê biển Hải Hậu, Giao Thuỷ thuộc tỉnh Nam Định đang đứng trước nguy cơ bị vỡ do bãi biển liên tục bị bào mòn, hạ thấp gây sạt lở chân, mái kè bảo vệ mái đê biển, đe doạ trực tiếp đến an toàn của

đê biển Một số đoạn trước đây có rừng cây chắn sóng nên mái đê phía biển được bảo vệ nhưng đến nay cây chắn sóng bị phá huỷ, đê trở thành trực tiếp chịu tác động của sóng, thuỷ triều nên nếu không được bảo vệ sẽ có nguy cơ

vỡ bất cứ lúc nào

Hình 1.1 Hiện trạng đê Giao Thuỷ - Nam Định

- Đến nay mới xây dựng được khoảng gần 90km kè bảo vệ mái trên 484km đê biển, nên những nơi mái đê phía biển chưa có kè bảo vệ hoặc không còn cây chắn sóng vẫn thường xuyên bị sạt lở hoặc có nguy cơ sạt lở

đe doạ đến an toàn của đê biển, đặc biệt trong mùa mưa bão

- Kết cấu của kè đá đang được sử dụng: một lớp đá hộc dày 30cm xếp khan trên một lớp đá dăm dày 10cm, phía dưới là lớp vải lọc hoặc là cát Đá lát từ chân đê phía biển lên đến đỉnh đê Đối với mốt số đoạn xây dựng trong thời gian gần đây được thi công khung bêtông, trong đổ đá hộc; hoặc sử dụng cấu kiện bê tông đúc sẵn có ngàm khoá với nhau; hoặc một số đoạn thử nghiệm sử dụng kết cấu mảng bê tông

- Một số nơi bãi biển bị bào xói, ngoài việc lát mái nhiều đoạn được làm thêm một số mỏ hàn dọc và ngang để bảo vệ Ngoài hình thức đê kè ở trên, một số đoạn đê được kết hợp giữa đê đất và tường kè để tạo cảnh quan và giảm chi phí

Đê biển ổn định trong điều kiện khí tượng thuỷ văn bình thường Trong điều kiện bình thường đối với đoạn đê biển Bắc Bộ là gió dưới cấp 7 và mực nước triều trung bình Trong điều kiện bình thường có thể xảy ra những hư hỏng nhỏ cục bộ đối với mái đê phía biển dưới tác dụng của sóng làm dịch chuyển các hòn đá kè lát mái Xói mặt và mái đê ở hai phía tạo thành các rãnh sâu, nguyên nhân do không có đầy đủ các rãnh xương cá để gom nước và do thân những đoạn đê này đắp bằng đất có thành phần hạt cát nhiều Ngoài ra còn hay bị sạt trượt mái đê phía đồng hoặc hiện tượng rò rỉ đối với đê cửa sông khi có lũ hay triều cường

Đê mất ổn định trong điều kiện khí tượng thuỷ văn không bình thường: mực nước triều cao hoặc trung bình, gió cấp 8 trở lên Trường hợp đê biển phải làm việc trong bão cấp 8, cấp 9 gặp triều cường hoặc có gió cấp 10, cấp

11 gặp triều trung bình Khi đó các dạng hư hỏng thường gặp là:

Sạt sập mái đê phía biển những đoạn có mái đá lát hoặc mái cỏ dọc theo tuyến đê, nhất là các đoạn đê trực tiếp sóng gió và có độ dốc bãi lớn Có trường hợp mái sạt sập và sóng nước cuốn mất 1/2 - 1/3 thân đê Sự sạt mái

đê biển là hiện tượng phổ biến nhất về hư hỏng đê biển Bắc Bộ không phải chỉ với các tuyến đê được đắp bằng cát có bọc lớp chống thấm mà đối với những đoạn đê có lát đá kè bảo vệ mái

So với các tuyến đê biển thì trực tiếp với biển thì các tuyến đê vùng cửa sông ít bị hư hỏng lớn về mái Các tuyến đê này phần lớn bãi có cây chống sóng và chất đất đắp đê cũng tốt hơn

Sập mái đê phía biển và phía đồng trên phạm vi dài dọc theo tuyến đê trực tiếp sóng gió Hiện tượng xảy ra khi đê làm việc gặp triều cường và có gió bão trên cấp 9, cấp 10 Đối với những đoạn đê có kết cấu bảo vệ yếu, sóng

sẽ làm sập mái phía biển Đối với những đoạn đê bảo vệ cứng, sóng tràn qua mái đê phía đồng và làm sập mái phía đồng

1.1.2 Đê biển miền Trung

Khác với vùng cửa sông đồng bằng Bắc Bộ với cơ chế chủ yếu là bồi, còn các cửa sông miền Trung có thể thay đổi vị trí hoặc bồi hoặc xói tuỳ theo tính chất của từng cơn lũ Do đó, đê biển và cửa sông miền Trung có một tuyến đê ngoài phạm vi biến đổi của cửa sông, không có tuyến đê quai lấn biển và không có tuyến đê dự phòng như đồng bằng Bắc Bộ

Mùa bão nước biển tràn vào làm nhiễm mặn đồng ruộng Mặt khác do đặc điểm địa hình, khí hậu, mùa kiệt thiếu nước cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt Do vậy đê biển miền Trung trở thành yêu cầu cấp bách để bảo vệ sản xuất và đời sống nhân dân

Các tỉnh từ Thanh Hoá đến Hà Tĩnh, theo thống kê chiều dài các tuyến

đê biển, đê cửa sông khu vực Bắc Trung Bộ khoảng 406km Vùng ven biển Bắc Trung Bộ là vùng đồng bằng nhỏ hẹp của hệ thống sông Mã, sông Cả

cũng là một trong những vùng trọng tâm về phát triển kinh tế, địa hình ven biển thấp trũng và cao dần về phía Tây Đây là vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới) biên độ thuỷ triều nhỏ hơn vùng biển Bắc Bộ, vùng ven biển đã bắt đầu xuất hiện các cồn cát có thể tận dụng được như các đoạn đê ngăn mặn tự nhiên

Vùng ven biển Trung Trung Bộ từ Quảng bình đến Quảng Nam là vùng

có diện tích nhỏ hẹp, phần lớn các tuyến đê biển đều ngắn, bị chia cắt bởi các sông, rạch, địa hình đồi cát ven biển Một số tuyến bao diện tích canh tác nhỏ hẹp dọc theo đầm phá Đây là vùng có biên độ thuỷ triều thấp nhất, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai

Phần lớn các tuyến đê được đắp bằng đất thịt nhẹ pha cát, một số tuyến nằm sâu so với cửa sông và đầm phá đất thân đê là đất sét pha cát như đê tả Gianh (Quảng Bình), đê Vĩnh Thái (Quảng Trị) Một số đoạn đê được bảo vệ

3 mặt hoặc 2 mặt bằng tấm bê tông để cho lũ tràn qua như tuyến đê phá Tam Giang (Thừa Thiên Huế), đê hữu Nhật Lệ (Quảng Bình) Ngoài các đoạn đê trực tiếp chịu tác động của sóng, gió được xây dựng kè bảo vệ, hầu hết mái đê được bảo vệ bằng cỏ, đê vùng cửa sông được bảo vệ bằng cây chắn sóng với các loại cây sú, vẹt, đước Một số tồn tại của tuyến đê biển Trung Trung Bộ như sau:

Còn 238,8km đê biển, đê cửa sông chưa được đầu tư tu bổ, nâng cấp nên còn thấp nhỏ chưa đảm bảo cao độ thiết kế

Toàn bộ mặt đê chưa được gia cố cứng hoá, về mùa mưa bão mặt đê thường bị lầy lội nhiều đoạn không thể đi lại được

Đến nay mới có khoảng 165km được xây dựng kè bảo vệ mái, phần lớn mái đê phía biển chưa được bảo vệ, một số nơi đã được bảo vệ nhưng chưa đồng bộ hoặc chưa đủ kiên cố nên vẫn thường xuyên bị sạt lở đe doạ đến an toàn các tuyến đê biển

Chất lượng đê: Thân đê phần lớn được đắp bằng đất thịt nhẹ pha cát, cơ tuyến đắp bằng đất sét pha cát, đất cát Một số tuyến nằm sâu so với các cửa sông và ven đầm phá, đất thân đê ven biển là đất cát như các tuyến đê của huyện Quảng Xương, Tĩnh Gia (Thanh Hóa), Diễn Châu (Nghệ An), Kỳ Anh (Hà Tĩnh), Vĩnh Hài, Vĩnh Trinh(Quảng Trị)…

Mái đê các tỉnh miền Trung hầu hết được bảo vệ bằng cỏ Một số đoạn

đê trực tiếp chịu sóng, gió được kè đá hoặc lát tấm bêtông Một số đoạn đê nằm ở phía Tây Đầm Phá thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế được lát tấm bêtông 3 mặt cách đây gần 20 năm, tuyến đê biển Nhật Lệ thuộc Quảng Bình được lát tấm bê tông 2 mặt [2]

Ngoài các đoạn đê trực tiếp sóng gió được kè đá, còn lại mái đê được bảo vệ bằng cơ Hầu hết các tuyến cửa sông được bảo vệ bằng cây chống sóng với các cây như sú, vẹt, đước

1.1.3 Nguyên nhân hư hỏng của hệ thống đê biển

- Nguyên nhân do lũ sông:

Đoạn trực tiếp với biển chịu ảnh hưởng của biển và hư hỏng xuất phát từ các yếu tố tự nhiên, địa mạo, địa chất và các yếu tố thuỷ động lực của biển là chủ yếu

Đoạn đê cửa sông nơi chịu tổ hợp của lũ sông và các yếu tố biển: tổ hợp này thường gây ra mực nước lớn cho đoạn cửa sông gây nước tràn qua mặt

đê, ngoài ra lưu tốc dòng chảy từ trong sông ra cũng cần phải quan tâm vì đây

có thể là nguyên nhân trực tiếp gây xói chân công trình gây trượt mái phía sông dẫn đến đổ vỡ toàn bộ con đê

- Nguyên nhân từ phía biển:

Nguyên nhân từ phía biển được xem là nguy hiểm nhất bao gồm bão, nước dâng kết hợp với thuỷ triều cao hay gió mùa dài ngày kết hợp với triều cao gây nước tràn qua đê phá hoại mái trong vốn ít được gia cố Mặt khác tải

trọng sóng lớn đánh vào mái đê phía biển, làm bong bật các tấm lát mái vốn

có trọng lượng không đủ lớn hoặc được thi công không đúng kỹ thuật sẽ bị phá hoại, tiến tới phá hỏng hoàn toàn tuyến đê Khi nước thấp, bãi thấp thì sóng tác động thường xuyên vào chân đê gây xói chân dẫn đến sạt trượt mái

- Ngoài ra còn rất nhiều nguyên nhân khác gây hư hỏng công trình biển…

1.1.4 Các cơ chế phá hoại đê biển

- Cơ chế phá hỏng do sóng hoặc mực nước lớn hơn cao trình đỉnh đê gây nước tràn qua đỉnh gây hỏng mái

- Xói chân đê, kè

- Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, đỉnh đê và xói thân đê

- Lún công trình do nền mềm

1.2 Thực trạng công trình đê biển trên Thế giới

Quan điểm thiết kế đê biển là bảo vệ vùng đất thấp không cho nước biển tràn vào hoặc làm nhiệm vụ lấn biển (quai đê lấn biển) Một tuyến đê sau khi được xây dựng có tác động lớn đến môi trường xung quanh, có thể làm thay đổi diễn biến xói bồi của bờ biển, làm biến đổi môi trường đất, nước ở vùng đất được bảo vệ, làm thay đổi môi trường sinh thái….Hà Lan là một lãnh thổ

mà phần lớn là vùng đất thấp, được hình thành từ bốn châu thổ của các sông Rhine (Rhin), Maas (Meuse), Sheslde và Ijssel Lịch sử Hà Lan là lịch sử chiến đấu không ngừng và kiên cường với biển và ngập nước để tồn tại từ trên

2000 năm nay

Hà Lan được thế giới biết đến như là đất nước của các polder (pôn-đơ)

và hiện có trên 3000 polder ở các quy mô khác nhau Polder là một vùng đất thấp được đê bao bọc, là một thực thể thuỷ văn theo nghĩa là nó không có trao đổi nước bên ngoài ngoại trừ những công trình do con người xây dựng nên và vận hành Cối xay gió, biểu tượng của Hà Lan là một công trình sử dụng năng lượng gió để bơm và tháo nước cho các polder, kết hợp làm cối xay

1.2.1 Đê Afsluitdijk và hệ thống công trình Delta Works

Nói đến polder là nói đến khả năng đê bị vỡ Từ 1700 đến năm 1926 đã

có 490 lần vỡ đê Sau thiên tai năm 1961, đê Afsluidijk được xây dựng, ngăn Ijselmeer với Biển Bắc Polder Weringmmer được cải tạo và ba polder mới rộng lớn Noordoost, Oostelijk Fleveland và Zuidelịk Flevoland được hình thành

Đê Afsluidijk dài 32km, bề mặt rộng 90m, chiều cao thiết kế ban đầu 7,25m trên mực nước biển Ở đầu tây nam, Den Oever có âu thuyền Stevin và

ba dãy mỗi dãy năm cửa cống Ở đầu đông bắc Kornwerderzand có âu thuyền Lorent và hai dãy mỗi dãy năm cửa cống Do nước từ các sông liên tục đổ vào

và nước từ các polder mới được hình thành tháo ra, nên định kỳ Ijsselmeer được thay nước

Hình 1.2 Đê Afsluitdijk và hệ thống công trình Delta Works

Sau trận vỡ đê ngày 01.01.1953 đề án Delta Plan đề xuất một hệ thống công trình rất quy mô cho vùng Zeeland và Nam Holland

1.2.2 Đánh giá mức độ an toàn của hệ thống đê

Có 3 nguyên nhàn được đưa ra để giải thích trận vỡ đê ngày 01.02.1953

- Đê thấp và mái đê rất dốc

- Cơn bão phát sinh từ hai áp thấp đến từ Scotland hội tụ lại làm cho nước biển dâng cao, tràn qua đê và xói móc thân đê từ bên trong, làm cho đê yếu và vỡ

- Cơn bão trùng với lúc có triều xuân phân

Đó là chưa kể đến tình trạng sụt lún đất trước đó làm tăng khả năng đê bị

vỡ Cũng may là vào ngày vỡ đê không có lũ đổ về từ thượng nguồn các sông, nếu không thảm hoạ còn lớn hơn rất nhiều

Chính vì lẽ đó, sau khi các công trình Delta Works đi vào hoạt động năm

1978 thì Luật về an toàn đê đã được Nghị viện Hà Lan ban hành Trước những thách thức của biến đổi khí hậu, năm 1996 Luật mới về an toàn đê đã được Nghị viện Hà Lan ban hành Theo luật này, mỗi con đê và rồng cát, đặc biệt ở ven biển phải được khảo sát một lần mỗi năm theo các tiêu chuẩn được Chính phủ ban hành để đánh giá khả năng xảy ra các tình huống:

- Chảy tràn và mực nước cao hơn đỉnh đê

- Trượt đất ở mái trong và mái ngoài của đê

- Xói mòn của lớp phủ thân đê (cỏ, asphalt hoặc khối basalt) có thể dẫn đến đê bị vỡ

- Có mạch rò rỉ nước dưới chân đê và xói mòn thân đê từ bên trong

1.2.3 Hà Lan thách thức của biến đổi khí hậu và nước biển dâng

Theo các số liệu được công bố, nhiệt độ hà Lan từ năm 1990 đến nay đã tăng +1,7P

0

P

C, gần gấp đôi mức tăng trung bình trên thế giới (+0,8P

0 PC) Nước biển dâng ở Hà Lan bình quân trong thời gian qua là 24cm/100năm, lớn hơn trung bình của thế giới (khoảng 20cm/100năm)

Ở Hà Lan các uỷ ban về nước đã có từ 700 năm nay Đây là một thể chế bao gồm chính quyền địa phương, các cơ quan chuyên môn và các tổ chức đại diện cho người dân trên địa bàn cả về quyền lợi và nghĩa vụ

Trong phạm vi trách nhiệm của mình uỷ ban về nước có trách nhiệm:

- Quản lý và bảo trì các công trình có tác động đối với dòng chảy như đê, rồng, bến cảng

- Quản lý và bảo trì các thuỷ lộ, bảo trì một mực nước thích hợp trong các polder và các thuỷ lộ

- Bảo trì chất lượng nước mặt thông qua việc xử lý nước thải

Tháng 12/2007 Chính phủ Hà Lan thành lập uỷ ban Châu thổ với chức năng tư vấn, trên phạm vi cả nước, với tầm nhìn dài hạn cho Chính phủ trong việc bảo vệ và phát triển bền vững cùng ven biển và các vùng đất thấp

Trước thời tiết bất thường Hà Lan đã có sự chuyển biến quan trọng: từ chinh phục thiên nhiên chuyển sang thích nghi với thiên nhiên để tồn tại và phát tiển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng

Sự chuyển hướng này không chỉ có ở Hà Lan mà cũng đang diễn ra tại Anh, Pháp, Đức, Bỉ…[7]

Hiện nay ở Việt Nam cũng có rất nhiều cơ quan, đơn vị và cá nhân đã nghiên cứu về vấn đề xâm thực, ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép trong môi trường biển cụ thể như:

- Viện Khoa học Công nghệ xây dựng năm 2003: Nâng cao độ bền lâu cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển bằng sử dụng phụ gia khoáng vật hoạt tính [11]

- Đề tài nghiên cứu khoa học (2009): Hoàng Phó Uyên, Nguyễn Quang

Phú, Nguyễn Quang Bình: “Xác định mối quan hệ giữa hệ số thấm và mác

chống thấm của bê tông các công trình thủy lợi” [10]

- Cao Duy Tiến & nnk (1999): Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu các

điều kiện kỹ thuật nhằm đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép ở vùng biển Việt Nam - Viện khoa học Công nghệ Xây dựng [8]

- Cao Duy Tiến: Hiện tượng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép dưới tác

động khí hậu ven biển Việt Nam Hội thảo quốc tế bê tông bền biển 1994 [9]

- Tạ Duy Long: Đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu cơ chế

ăn mòn hóa học của bê tông trong môi trường biển và một số giải pháp giảm thiểu ăn mòn, tăng tuổi thọ công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam” [7]

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Qua nghiên cứu thực trạng công trình biển ở Việt Nam và trên Thế giới

ta thấy:

- Các công trình bảo vệ bờ biển bị xâm thực, ăn mòn rất nhanh chóng

và có tác hại xấu đến môi trường, sinh hoạt xung quanh

- Xuất phát từ những hư hỏng đó, các công trình bảo vệ bờ phải thường xuyên duy tu, sửa chữa gây tốn kém và thiệt hại về kinh tế rất nhiều

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG, BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM 2.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với đặc tính cơ bản là nóng ẩm và phân bố theo mùa Vùng biển Việt Nam nằm trải dài trên

3600Km, từ 8P

0 P-24P 0

P vĩ bắc Môi trường biển 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 hưởng của 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

Căn cứ theo 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 trí kết cấu nằm ngập hoàn toàn trong nước biển

- Vùng nước lên xuống: Vị trí kết cấu nằm giữa mức nước lên cao nhất

và xuống thấp nhất của thủy triều, kể cả các khu vực bị sóng táp

- Vùng 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 kết cấu nằm trên bờ trong phạm vi nhỏ hơn hoặc bằng 1km cách mép nước

+ Khí quyển gần bờ: Vị trí nằm trên bờ cách mép nước 1-30km

2.1.1 Vùng ngập nước biển

Nước biển thong thường chứa 3,5% tính theo khối lượng là các loại muối tan (tức là cứ 1kg nước biển thì có 35gam các loại muối tan) Thành phần hóa học của các muối có trong nước biển bao gồm chủ yếu là các ion

P, ClP - P, SOR 4 RP 2-

P với hàm lượng trung bình được giới thiệu trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần các ion hóa học chủ yếu có trong nước biển [4]

Bảng 2.2 Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới [4]

Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển

Hòn Gai

Vùng biển Hải Phòng

Biển Bắc Mỹ

Biển Ban Tích

Bảng 2.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam [4]

Trạm

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 31.0 Hòn Dấu 26.3 28.1 28.1 17.1 11.9 10.9 20.4 Văn Lý 25.9 18.3 29.5 25.4 20.1 19.0 23.0 Cửa Tùng 22.8 27.2 29.3 31.8 31.3 31.7 29.0

Vũng Tàu 30.4 33.1 34.7 29.8 29.8 27.6 30.9

2.1.2 Vùng khí quyển trên biển và ven biển

Khí quyển trên biển và ven biển Việt Nam có một số đặc trưng sau đây: + Nhiệt độ không khí

Vùng biển Việt Nam có nhiệt độ không khí tương đối cao, trung bình từ 22,5-22,7P

C Miền Nam cao đều nhiệt độ quanh năm, biên độ dao động từ 3 đến 7P

0 P

Pvào khí quyển

-+ Độ ẩm không khí

Độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế giới, dao động trung bình từ 75-80% Cụ thể là:

- Vùng ven biển Băc Bộ và Bắc Trung Bộ: 83-86%

- Vùng ven biển Trung và Nam Trung Bộ: 75-82%

- Vùng ven biển Nam Bộ: 80-84%

+ Thời gian ẩm ướt bề mặt

Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu trung bình trong năm ở vùng ven biển các tỉnh phía bắc dao động từ 1300-1850 giờ/ năm tập trung chủ yếu vào mùa xuân, còn các tỉnh miền Nam từ 450-950 giờ/năm, tập trung vào các tháng mưa mùa hạ Đây là đặc điểm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam,

có ảnh hưởng đến ăn mòn khí quyển biển

+ Hàm lượng ion ClP

- Ptrong không khí Khí quyển trên biển và ven biển có chứa hàm lượng ion ClP

- Pphân tán cao, tại trạm đo sát mép nước ở các tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4-1,3 mg ClP

Pgiảm mạnh ở cự ly 200-250m tính từ 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 nồng độ ion ClP

-

Pcó thể cao hơn

2.1.3 Vùng nước lên xuống và sóng đánh

Đây là vùng giao thoa giữa vùng ngập nước và vùng khí quyển trên biển Do nước biển lên xuống thường xuyên dẫn tới quá trình khô ướt xảy ra liên tục theo thời gian, tác động từ ngày này qua ngày khác lên trên bề mặt kết cấu cùng với nhiệt độ môi trường cao làm tăng khả năng tích tụ ion ClP

- P, HR 2 RO

và OR 2 R từ nước biển và không khí vào trong bê tông thông qua quá trình khuếch tán nồng độ và lực hút mao dẫn

Ngoài ra vùng này còn chịu ảnh hưởng xâm thực của hà, sò biển, tác động cơ học của sóng biển Vì vậy vùng này được xem là có tính chất và mức

độ xâm thực mạnh nhất

2.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép ở Việt Nam

Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép ở nước ta sau một thời gian khai thác đã bị ăn mòn và phá hoại trong các môi trường có tính chất ăn mòn Điều đó đòi hỏi phải có các biện pháp phòng ngừa để hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Nhà nước ta đã ban hành các tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 3993:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - nguyên tắc cơ bản để thiết kế”, TCVN 3994:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng - kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - phân loại ăn mòn”, TCXD 149-86 “ Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi

bị ăn mòn” Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này chưa đề cập đến tất cả các loại ăn mòn, các môi trường ăn mòn, do đó việc áp dụng cũng bị hạn chế và chưa phát huy được tác dụng trong thực tế

Nhận thức được tính cấp bách của việc chống ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép, ở nước ta có nhiều cơ quan khoa học đã nghiên cứu vấn đề này Các

đề tài nghiên cứu chưa quan tâm nghiên cứu về lý thuyết, mà chủ yếu đi vào các biện pháp cụ thể chống ăn mòn cho công trình kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Các nghiên cứu tập trung vào việc chống ăn mòn của môi trường lỏng, chủ yếu là môi trường biển, vì nước ta có hơn 2000km bờ biển và ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường biển Không có nhiều công trình nghiên cứu chống ăn mòn cho bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường

Trong những năm cuối của thập kỷ 60 có một số nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép ở cảng Hòn Gai, Hải Phòng được xây dựng từ năm 1914 và cũng đã đưa ra nhận xét là cần phải có

quy định riêng cho các công tác thiết kế và thi công bê tông, bê tông cốt thép vùng biển, khác với kết cấu nằm sâu trong nội địa những nghiên cứu đầu tiên nhằm tìm ra biện pháp bảo vệ công trình biển cũng đã được tiến hành từ những năm đầu của thập kỷ 80 Đáng tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế Một mặt là do chưa tạo được hành lang pháp lý thông qua hệ thống quy phạm, tiêu chuẩn để áp dụng Mặt khác phần lớn các giải pháp đều chưa đạt được tính toàn diện, chủ yếu mới thiên về một số giải pháp cục bộ như bảo vệ bằng sơn phủ kết cấu, sử dụng chất ức chế ăn mòn, tăng cường độ chống thấm của bê tông bằng phụ gia… Hậu quả là hàng loạt các công trình ven biển được xây dựng ồ ạt trong những năm 80 và 90 vẫn áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường nên

có tuổi thọ rất thấp Trung bình sau 10 ÷ 15 năm sử dụng đã có dấu hiệu hư hỏng nghiêm trọng

Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (VKHCNXD) - Bộ Xây dựng từ những năm đầu của thập kỷ 80 đã triển khai nghiên cứu lĩnh vực chống ăn mòn bê tông bảo vệ cốt thép, đã đạt được một số thành quả nhất định theo hướng sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn và sơn phủ bề mặt kết cấu đối với công trình biển Năm 1994, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường đã giao cho VKHCNXD [9] nghiên cứu tổng thể các điều kiện kỹ thuật cần thiết để bảo

vệ chống ăn mòn và đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép xây dựng ở vùng biển phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội ở Việt Nam (đề tài mã số ĐTĐL-40/94) Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu này,

đã biên soạn những chỉ dẫn kỹ thuật cần thiết cho công tác xây dựng và sửa chữa công trình làm bằng bê tông và bê tông cốt thép vùng biển nước ta VKHCNXD cũng đã xây dựng tiêu chuẩn ngành về vấn đề này

Liên tục trong các năm từ 1995 đến năm 2003 đã có nhiều hội nghị khoa học về chống ăn mòn cho các công trình xây dựng được tổ chức ở các cơ

quan như VKHCNXD [11] , VKHCNGTVT, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Tuy nhiên các đề tài đều tập trung vào công tác chống ăn mòn cho các công trình biển, chưa có một hội nghị chính thức nào nói về ăn mòn của công trình xây dựng dân dụng công nghiệp và công trình trong môi trường nước ngọt

Ngoài những đề tài trên, còn có một số nghiên cứu khác về chống ăn

mòn và tăng tuổi thọ cho công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ở vùng ven biển Trước đây nhà nước ta đã cử một số cán bộ khoa học sang học ở các nước bạn (Liên Xô, Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani…) làm nghiên cứu sinh, nghiên cứu các đề tài về ăn mòn bê tông trong nước biển

Tuy đã có một số kết quả nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển ở nước ta nhưng cho đến nay vẫn chưa triển khai áp dụng được nhiều vào sản xuất Chúng ta đã nghiên cứu sản xuất được một số loại xi măng bền trong môi trường nước biển như: Xi măng chống sunphat, xi măng bari và đã được sử dụng một số công trình bê tông cốt thép trong nước mặn hoặc chịu ảnh hưởng của nước mặn

Hình 2.1 Cảng Thương vụ - Vũng Tầu sau 15 năm sử dụng

Hình 2.2 Cảng Cửa Cấm - Hải Phòng cách biển 25km, sau 30 năm sử dụng

Hình 2.3 Th ẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy thủy

điện Hòa Bình (Nguồn tin internet)

Hình 2.4 Xâm th ực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2

– H ải Phòng(Nguồn tin internet)

Hình 2.5 Xâm th ực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn c ốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (Nguồn tininternet)

Hình 2.6 Hi ện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê

tông kè bi ển Cát Hải – Hải Phòng (Nguồn tin internet)

Hình 2.7 Xâm th ực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn – Bến Tre

(Nguồn tin internet)

2.3 Cơ chế phá hủy bê tông trong nước biển

2.3 1 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển

Trong môi trường biển và các vùng ven biển, bê tông trong các công trình xây dựng, giao thông, nhất là công trình thủy lợi có nguy cơ bị ăn mòn lớn nhất Ở những vùng này hiện tượng ăn mòn và phá hủy bê tông thường xảy ra mạnh đối với kết cấu nằm ở vị trí tiếp xúc với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khô ẩm phía mặt ngoài công trình Với những kết cấu nằm ở vị trí khác, khô ráo và không bị ẩm ướt thường ít bị hư hỏng do

ăn mòn hơn

Hình 2.8 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng lượng các muối hoà tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgClR 2 R; 0,22% MgSOR 4 R; 0,13% CaSOR 4 R; 0,02 KHCOR 3 R và một lượng nhỏ COR 2 R và OR 2 R hoà tan Ngoài ra trong nước biển còn có các hợp chất hoá học như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit, cũng như các loại muối bromua, iodua … Độ pH của nước biển đạt 8,0 Nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn tương tự với nước biển ở các nước khác trên thế giới, riêng ở vùng bờ thì độ mặn có suy giảm ít nhiều do ảnh hưởng của nước ở một số con sông lớn chảy ra biển

Trong nước biển có ion clo Clˉ Như vậy có thể sinh phản ứng hoá học với Ca(OH)R 2 R trong đá xi măng và bê tông để tạo ra CaClR 2 R như phản ứng hoá học giữa HCl và Ca(OH)R 2

Ca(OH)R 2 R + 2HCl = CaClR 2 R + 2HR 2 RO (2.1) MgClR 2 R + Ca(OH)R 2 R = CaClR 2 R + Mg(OH)R 2 R (2.2) Trong nước biển có ion SOR 4 RP

2 - Pnhư vậy nó có thể phản ứng hoá học với Ca(OH)R 2 R trong bê ông để tạo ra CaSO4 sau đó lại tương tác với 3CaOAlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO và nước để tạo ra 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.3CaSOR 4 R.31HR 2 RO gây trương

nở đá xi măng và phá hủy cấu trúc bê tông

MgSOR 4 R+Ca(OH)R 2 R+HR 2 RO=CaSOR 4 R.2HR 2 RO+Mg(OH)R 2 R (2.3)

NaR 2 RSOR 4 R+Ca(OH)R 2 R+2HR 2 RO=CaSOR 4 R.2HR 2 RO+2NaOH (2.4) 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO+3(CaSOR 4 R.2HR 2 RO)+19HR 2 R=CaO.AlR 2 ROR 3 R.3CaSOR 4 R.31HR 2 RO (2.5)

Trong nước biển có MgP

P, lại có Clˉ, SOR 4 RP

22 Pnhư vậy có thể chứa muối manhe (manhê clorua, manhê sunphat …) và sẽ tương tác với Ca(OH)R 2 R để tạo

-ra Mg(OH)R 2 R là một chất rời rạc không keo kết, làm suy giảm cấu trúc của bê tông

MgSOR 4 R+Ca(OH)R 2 R+2HR 2 RO=CaSOR 4 R.2HR 2 RO+Mg(OH)R 2 R (2.6) MgClR 2 R+Ca(OH)R 2 R = CaClR 2 R + Mg(OH)R 2 R (2.7) Trong nước biển có ion NaP

+ P, như vậy có thể xảy ra phản ứng của Na với

COR 2 Rvà nước để tạo ra NaR 2 RCOR 3 R

2NaOH + COR 2 R + HR 2 RO = NaR 2 RCOR 3 R + 2HR 2 RO (2.8) Thực tế cho thấy, trên các kết cấu công trình bê tông cốt thép có sử dụng cát hoặc nước bị nhiễm mặn để chế tạo bê tông thì sau khoảng thời gian từ

5 đến 7 năm đã xuất hiện hiện tượng ăn mòn rõ ràng Trên bề mặt lớp bê tông bảo vệ thường xuất hiện các vết nứt bề rộng từ 5 đến 7 mm chạy dọc theo cốt

thép chịu lực; nhiều chỗ lớp bê tông bảo vệ bong tách hẳn do lớp gỉ thép quá dày; tiết diên cốt thép có thể bị giảm tới 20 ÷ 60% so với ban đầu; các cốt đai nằm ở phía ngoài thường bị gỉ nặng hơn và bị đứt nhiều; các cốt thép bị lộ ra ngoài Còn trên các kết cấu bê tông cốt thép khác thì thời gian xảy ra sự ăn mòn chậm hơn, thường là sau khoảng 15 ÷ 20 năm sử dụng

Các công trình thủy lợi bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép được xây dựng trong nước biển hoặc vùng ven biển chịu tác động trực tiếp của các yếu

tố xâm thực của môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố sau:

+ Các yếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại

muối

+ Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thủy triều lên

xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

+ Các yếu tố vật lý: Nhiệt độ biến đổi

+ Các yếu tố cơ học: Tác động của sóng xói mòn trên bề mặt bê tông

Tác động phối hợp của các yếu tố này làm cho các công trình thủy lợi bằng bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ven biển bị ăn mòn mạnh Xét về bản chất có một số dạng ăn mòn chính sau đây:

+ Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển

+ Ăn mòn cốt thép trong vùng không khí biển và vùng thủy triều lên xuống

+ Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển Các vi sinh vật trong nước biển có khả năng tiết ra một số hợp chất hóa học tác dụng với thành phần đá xi măng gây ăn mòn bê tông theo cơ chế hóa học Trong các dạng ăn mòn này thì ăn mòn hóa học của bê tông và cốt thép trong môi trường thủy triều lên xuống là phổ biến và nghiêm trọng nhất, ảnh hưởng đáng kể chất đến tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép

Đối với các công trình vượt biển như cầu hay cảng, kè, cống vùng triều, quá trình ăn mòn kết cấu có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau:

+ Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu xảy ra ăn mòn hóa học và ăn

mòn vi sinh ở mức độ nhỏ đối với bê tông

+ Vùng thủy triều lên xuống: Ở đây xảy ra quá trình ăn mòn hóa học và

ăn mòn vi sinh đối với bê tông, ăn mòn cốt thép, tác động phá hủy vật lý và va đập, mài mòn cơ học

+ Vùng không khí biển (không khí chứa các muối phân tán): Chủ yếu là

ăn mòn cốt thép, dẫn tới làm nứt nẻ, phá hoại lớp bê tông bảo vệ

Môi trường biển là môi trường hoá học, vì vậy quá trình ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển có thể được mô tả tóm tắt như sau:

+ Trong xi măng có chứa khoáng 3CaO.AlR 2 ROR 3 R, khi thuỷ hoá tạo ra khoáng hyđro aluminat canxi dạng: 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO (CR 3 RAHR 6 R) Khi nước biển thấm vào khối bê tông sẽ xảy ra phản ứng :

CR 3 RAHR 6 R + 3CaP

2+

P + 3SOR 4 RP

P + 26HR 2 RO → CR 3 RA3CaSOR 4 R.32HR 2 RO (2.9)

2-Sản phẩm của phản ứng (ettringit) có thể tích tăng gấp 4,76 lần so với các chất tham gia phản ứng tạo ra ứng suất phá vỡ cấu trúc đá xi măng

Khoáng CR 3 RS trong xi măng khi thuỷ hoá giải phóng ra Ca(OH)R 2 R và trong khi nước biển thấm vào bê tông sẽ xảy ra các phản ứng :

Ca(OH)R 2 R + MgP

+2 P + 3SOR 4 RP

-2 P+ 2HR 2 RO → CaSOR 4 R.2HR 2 RO + Mg(OH)R 2

do muối sunfat ăn mòn đá xi măng và tác động Và ion Clo có mặt trong lớp

bê tông bảo vệ là nguyên nhân trực tiếp gây ăn mòn cốt thép

Mặt khác theo lý thuyết các công trình bê tông có tính chất ngày càng tốt hơn do sự phát triển cường độ đá xi măng theo thời gian Tuy nhiên, thực

tế không phải như vậy mà các công trình bê tông bị hư hỏng theo thời gian mà nguyên nhân chính là đá xi măng bị ăn mòn Ăn mòn đá xi măng có thể là do bản thân đá xi măng có chứa các chất khoáng gây ăn mòn hoặc các tác nhân của môi trường tác dụng với khoáng của xi măng tạo ra các khoáng mới gây

ăn mòn

2.3.2 Giới thiệu về xi măng

Xi măng pooc lăng là chất kết dính rắn trong nước quan trọng nhất trong xây dựng các công trình hiện nay Xi măng pooc lăng được phát minh

và đưa vào sử dụng trong xây dựng từ đầu thế kỷ XIX khoảng năm 1824 Xi măng pooc lăng chứa khoảng 70 - 80% silicat canxi nên cũng có thể gọi là xi măng silicat

Trong công nghiệp xi măng pooc lăng được sản xuất từ 2 nguyên liệu chính là đá vôi và đất sét sau khi gia công cơ học và nung đến nhiệt độ cần thiết để được clanhke xi măng Từ clanhke xi măng nghiền chung với một lượng thạch cao (điều chỉnh thời gian đông kết) sẽ được xi măng pooc lăng

(PC), nếu hỗn hợp này nghiền chung với phụ gia khoáng (hàm lượng không vượt quá 40%) được gọi là xi măng pooc lăng hỗn hợp (PCB)

Thành phần khoáng vật của xi măng pooc lăng quyết định đến mọi tính chất của vật liệu dùng xi măng

Phân loại các xi măng chính ở Việt Nam đưa ra ở bảng 2.4 [4]

Bảng 2.4 Bảng phân loại mác xi măng

Bảng 2.5 Thành phần khoáng vật của xi măng [3]

Tỷ lệ % trong clanhke

Silicat tricanxit

Silicat đi canxit

Aluminat tri canxit

Fero-aluminat tetra canxit

3CaO.SiOR 2 2CaO.SiOR 2 3CaO.AlR 2 ROR 3 4CaO.AlR 2 ROR 3 R.FeR 2 ROR 3

Hàm luợng CR 3 RS và CR 2 RS trong clanhke xi măng pooc lăng thường chiếm

từ 70-80% Ngoài các thành phần chính trong chúng còn chứa một lượng không lớn các khoáng vật khác như:

Aluminat canxi: 5CaO.AlR 2 ROR 3

Alumôferit canxi: 8CaO.AlR 2 ROR 3 R.FeR 2 ROR 3

Ferit canxi: 2CaO FeR 2 ROR 3

Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu như sau:

CR 3 RS – Thành phần quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất, có cường độ cao, răn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt Trong xi măng tỷ lệ CR 3 RS chiếm càng

nhiều, chất lượng của xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit Tuy nhiên hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường

CR 2 RS – Có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường

độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau Nếu tỷ lệ CR 2 RS chiếm nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit Loại xi măng này cho tính bền trong môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng CR 3 RS

CR 3 RA – thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường

độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ Nếu hàm lượng CR 3 RA chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminat Loại xi măng này rất kém bền trong các môi trường đặc biệt là môi trường Sunphát

CR 4 RAF – rắn tương đôi nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát triển rõ rệt trong thời kỳ sau Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất trong xi măng khoảng 3,77 g/cmP

3 P Quá trình rắn chắc của xi măng là quá trình từ hồ xi măng biến thành đá

xi măng, là quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp Quá trình này được chia làm 3 thời kỳ:

Giai đoạn đông kết là giai đoạn hồ xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ

Giai đoạn rắc chắc là giai đoạn hồ xi măng mất hoàn toàn tính dẻo và cường độ phát triển dần

Theo sự nghiên cứu của nhiều nhà bác học thì quá trình rắn chắc của xi măng chủ yếu là quá trình biến đổi của các sản phẩm thủy hóa được tạo thành khi các khoáng vật của xi măng phản ứng với nước

Khi tác dụng với nước, thành phần khoáng vật chủ yếu của xi măng sẽ thủy hóa và thủy phân Khoáng vật CR 3 RS sẽ thủy phân trong quá trình tác dụng với nước theo phản ứng sau:

3CaO.SiOR 2 R+ nHR 2 RO  3CaO.2SiOR 2 R.3HR 2 RO + Ca(OH)R 2 R

ra với lượng nước hạn chế đặc biệt là phản ứng (2.13) Do đó phản ứng (2.13) không có mặt của Ca(OH)R 2 R và sản phẩm chính mới tạo thành của hydrat silicat canxi có hệ số thay đổi (xu hướng lượng kiềm giảm) Nên được viết dưới dạng tổng quát nCaO.mSiOR 2 R.pHR 2 RO (viết tắt CSH)

Thành phần CR 3 RA kết hợp với nước tạo thành sản phẩm bền cuối cùng

3CaO.AlR 2 ROR 3 R + 6HR 2 RO  3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO (2.14) Nếu không có thạch cao, do CR 3 RA rất hoạt tính nên nó nhanh chóng tác dụng với nước tạo ra hai sản phẩm không bền 4CaO.AlR 2 ROR 3 R.9HR 2 R0 và 2CaO.AlR 2 ROR 3 R.8HR 2 RO Nhưng khi có thạch cao sẽ tham gia phản ứng với

CR 3 RA và nước tạo nên một sản phẩm mới khó hòa tan và nở thể tích (ettringit), theo phương trình sau:

3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO+3(CaSOR 4 R.2HR 2 RO)+26HR 2 RO3CaO.AlR 2 ROR 3 R.3CaSOR 4 R.32HR 2 RO (2.15)

Thành phần C4AF phản ứng với nước như sau:

4CaO.AlR 2 ROR 3 R.FeR 2 ROR 3 R+ nHR 2 RO → 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO+CaO.FeR 2 ROR 3 R.(n-6)HR 2 RO (2.16)

Như vậy là sau quá trình thủy hóa, trong đá xi măng bao gồm các hợp chất sau: Ca(OH)R 2 R, CHS, 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO, ettringit, CaO.FeR 2 ROR 3 R.nHR 2 RO

2.3.3 Cấu trúc của đá xi măng và nguyên nhân ăn mòn xi măng

2.3.3.1 Cấu trúc của đá xi măng

Hồ xi măng được tạo thành sau khi xi măng phản ứng với nước, là hệ

có cường độ, độ nhớt, độ dẻo cấu trúc và tính xúc biến Sau khi trộn, hồ xi măng có cấu trúc ngưng tụ liên kết với nhau bằng lực hút phân tử và lớp vỏ hydrat Cấu trúc này bị phá hủy dưới tác dụng của lực cơ học (nhào trộn, rung…) Do ứng suất trượt giảm đột ngột, nó trở thành chất lỏng nhớt Ở trạng thái này hồ xi măng mang tính chất xúc biến, có nghĩa khi loại bỏ tác dụng cơ học độ nhớt kết cấu lại được khôi phục lại

Tính chất cơ học cấu trúc tăng theo mức độ thủy hóa của xi măng Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau: Các phân tố cấu trúc ban đầu hình thành sau khi trộn xi măng với nước là ettringit được hình thành sau vài phút, hydro canxit xuất hiện trong khoảng vài giờ, và CSH đầu tiên là tinh thể dạng sợi, sau đó dạng nhánh, rồi dạng không gian

“bó”

Về mặt cấu trúc, đá xi măng bao gồm các hat clanhke chưa phản ứng, thành phần dạng gel, các tinh thể, lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng lớn Các hạt chưa phản ứng giảm dần theo thời gian phụ thuộc vào loại clanhke xi măng,

độ nghiền mịn và thời gian đông kết Các gel gồm các chất mới tạo thành có kích thước 50-200 AP

0

P và lỗ rỗng gel đường kính từ 10-1000 AP

0 P Ngoài ra trong đá xi măng còn có các chất mới tạo thành có kích thước lớn và không có tính chất keo Hàm lượng các thành phần dạng gel và tinh thể phụ thuộc vào loại clanhke xi măng, điều kiện đóng rắn Lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng

có kích thước từ 0,1-10µm, còn các lỗ rỗng chứa khí có kích thước từ 50µm đến 2mm Lỗ rỗng chứa khí thường chiếm từ 2-5% thể tích đá xi măng

Khi nhào trộn xi măng với nước để chế tạo sản phẩm, lượng nước nhào trộn thường lớn hơn rất nhiều so với lượng nước cần thiết để hydrat hóa hoàn toàn các khoáng xi măng, do đó trong đá xi măng còn có một lượng nước dư

được phân bố trong lỗ rỗng gel hay nằm giữa các hạt chưa phản ứng tạo thành

lỗ rỗng mao quản Khi tăng thời gian đóng rắn của sản phẩm thì độ rỗng mao quản giảm đi do chúng được lấp đầy bởi các sản phẩm hydrat Tùy thuộc vào lượng nước nhào trộn mà độ rỗng mao quản có thể thay đổi trong khoảng rộng và có thể đạt tới 40% Khi giảm lượng nước nhào trộn, độ rỗng của sản phẩm giảm, tính chống thấm tăng lên Thực tế cho thấy khi tỷ lệ N/X là 0,4-0,45 thì tính chống thấm của đá xi măng tương đương với đá tự nhiên có độ rỗng 2-3%, nhưng nếu tỷ lệ N/X = 0,6 thì tính chống thấm giảm mạnh Khi nhào trộn xi măng với nước còn tạo thành các lỗ rỗng hình cầu hay lỗ rỗng thông nhau chứa khí, chúng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của đá

x

ρ

ρ α

1

29 , 0

+

R RĐộR Rrỗng mao quản tính theo lượng nước bay hơi và độ rỗng khí thường

nhỏ hơn 5%

Có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình rắn chắc của xi măng và

đã đưa ra nhiều lý thuyết khác nhau, nhưng lý thuyết của A.A.Baicoops và sau được viện sỹ P.A.Rebinder bổ sung là tương đối hoàn thiện Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia ra làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn hòa tan: khi trộn xi măng với nước,phản ứng hóa học giữa xi măng và nước sẽ được tiến hành trên bề mặt hạt xi măng Những chất mới sinh ra hòa tan được trong nước như: Ca(OH)R 2 R vàR R3CaO.AlR 2 ROR 3 R6HR 2 RO sẽ lập