Lựa chọn mác bê tông cho bê tông công trình trong môi trường chua phèn ở Đồng Bằng sông Cửu Long

Các công trình bê tông cốt thép có mác M200 được xây dựng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long trước đây, sau vài chục năm đã có nhiều dấu hiệu bị ăn mòn như lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, bề mặt bê tông bị trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ và cường độ bê tông bị giảm đáng kể.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 LỰA CHỌN MÁC BÊ TÔNG CHO BÊ TÔNG CƠNG TRÌNH TRONG MƠI TRƯỜNG CHUA PHÈN Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG SELECTION GRADE CONCRETE USE FOR REINFORCED CONCRETE CONSTRUCTIONIN THE ACID ENVIRONMENT AT THE MEKONG DELTA TS Khương Văn Hn Trường Đại hoc Cơng Nghệ Sài Gịn TĨM TẮT Các cơng trình bê tơng cốt thép có mác M200 xây dựng khu vực Đồng sông Cửu Long trước đây, sau vài chục năm có nhiều dấu hiệu bị ăn mịn lớp bê tơng bảo vệ bị bong tróc, bề mặt bê tơng bị trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ cường độ bê tông bị giảm đáng kể Qua kết thử nghiệm cho thấy bê tơng mác M350 có suy giảm cường độ thấp hệ số thấm nhỏ nhiều lần so với bê tông M200 sử dụng trước Để đảm bảo tuổi thọ cho cơng trình vùng chua phèn Đồng sơng Cửu Long có mức trung hạn khoảng 50 năm, nên sử dụng bê tơng có mác tối thiểu M350 để xây dựng cơng trình ABSTRACT The grade concrete M200 for reinforced concrete building was built in the Mekong Delta after somes years, there have been many signs of corrosion such as loss of concret cover, rusted reinforced and reduced concrete strength Based on the test results, the grade concrete on the M350 has a low intensity degradation and the permeability coefficient is much smaller than the M200 used previously In order to ensure a medium life span of about 50 years, in the acid environment at the Mekong Delta, we should use M350 grade concrete to build the works ĐẶT VẤN ĐỀ Cơng trình bê tơng cốt thép xây dựng khu vực Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) sau vài chục năm có nhiều dấu hiệu bị ăn mịn lớp bê tơng bảo vệ bị bong tróc, bề mặt bê tơng (BT) bị trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ cường độ bê tông bị giảm đáng kể [4] Để nâng cao độ bền cho kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) môi trường chua phèn ĐBSCL cần xác định mác bê tông cần thiết tối thiểu để xây dựng công trình nhằm đảm bảo tuổi thọ mức trung hạn khoảng 50 năm ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở xác định mác bê tông tối thiểu cần thiết để xây dựng cơng trình BTCT vùng chua phèn ĐBSCL dựa suy giảm cường độ nén bê tơng cơng trình thủy lợi ĐBSCL xây dựng trước đây, đồng thời xác định biến đổi cường độ nén, hệ số thấm mẫu bê tông ngâm môi trường nước chua 446 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 phèn ĐBSCL số mác bê tơng nghiên cứu, sau tiến hành phân tích đánh giá lựa chọn mác bê tông hợp lý nhằm đảm bảo tuổi thọ cơng trình mức khoảng 50 năm Mác bê tông sử dụng nghiên cứu M200; M300; M400 Vật liệu sử dụng chế tạo mẫu đạt yêu cầu kỹ thuật cho bê tông thủy công gồm xi măng Holcim PCB40; Cát Đồng Nai; Đá dăm Biên Hòa Bảng Thành phần cấp phối bê tông nghiên cứu Ký hiệu M200 M300 M400 N/X 0,69 0,58 0,47 Xi măng (kg) 295 350 430 Cát (kg) 710 690 620 Dăm (kg) 1191 1177 1166 Nước (lit) 204 204 204 Chỉ tiêu cường độ bê tơng thí nghiệm tuổi ngày 1; 3; 9; 21 tháng, nén mẫu theo TCVN 3118:2012 [5] Hệ số thấm bê tơng thí nghiệm tuổi tương tự, sử dụng mẫu Φ150 H300 mm có lỗ rỗng đường kính 10 mm mẫu Dùng sơn epoxy biến tính sơn phủ để hai đầu mẫu bê tơng khơng bị ăn mịn Tiến hành tạo áp lực nước xung quanh bề mặt mẫu Dưới áp lực làm cho nước thấm dần vào tâm mẫu, sau chảy thu hồi Hệ số thấm K tính theo định luật Darcy với thiết bị thấm Nhật Model TC-235B (Concrete permeability apparatus external pressure type) Sử dụng tiêu chuẩn CRA-C48-92 - Standard Test method for water permeability of concrete [3] Môi trường chua phèn điển hình ĐBSCL chủ yếu tiểu vùng Đồng Tháp Mười, Tứ Giác Long Xuyên Bán Đảo Cà Mau Vùng ngâm mẫu thử nghiệm lựa chọn có độ chua đại diện cho mơi trường chua phèn điển hình khu vực ĐBSCL Đặc trưng mơi trường chua phèn giá trị pH Vị trí ngâm mẫu chọn khu vực cống Rạch Chanh thị xã Tân An - Long An Kết độ chua pH trung bình biểu thị Bảng Mơi trường nước đối chứng nước sinh hoạt nhà máy nước Thủ Đức, đại diện cho mơi trường khơng có yếu tố gây ăn mịn bê tơng (Bảng 3) Bảng Giá trị pH môi trường nước số thời điểm khu vực cống Rạch Chanh - Tân An - Long An 5,48 5,12 Tháng năm 2007 10 4,76 4,12 3,45 3,52 3,14 3,56 4,02 5,52 Giá trị trung bình pH = 4,59 < giới hạn ăn mòn [pH] = 6,5 11 12 6,21 6,21 Bảng Kết phân tích nguồn nước sử dụng ngâm mẫu Chỉ tiêu pH Nước sinh hoạt Nước Rạch Chanh - Long An Giới hạn BT bị ăn mòn theo TCVN 3994:1985 6,53 3,52 < 6,5 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIEÀN NAM SO42(mg/l) 205 102 ≥ 250 Cl-(mg/l) 221 97 Mg2+ (mg/l) 105 112 ≥ 1000 447 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Gia cơng mẫu bê tơng thí nghiệm Hình Địa điểm ngâm mẫu bê tông môi trường chua phèn KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Cường độ nén bê tông (MPa) Theo số liệu khảo sát cường độ bê 40 tơng 34 cơng trình vùng chua phèn sau 35 số năm khai thác [4], biến đổi 30 cường độ nén trung bình bê tơng 25 vùng chua phèn vùng nước theo 20 thời gian thể Hình Do 15 y = -0,1402x + 22,795 10 tác động bất lợi nên cường độ bê tông Môi trường Chua phèn môi trường chua phèn ĐBSCL Môi trường nước Ngọt thấp so với bê tông vùng nước 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Cường độ bê tông giảm dần theo thời gian Tuổi bê tông (năm) sau khoảng 20 năm, thấp mác thiết kế M200, điều chứng tỏ bê tơng Hình Diễn biến cường độ bê tông môi mác M200 sử dụng không đủ bền vững trường nước chua phèn môi trường nước đảm bảo tuổi thọ lâu dài môi trường chua phèn khu vực ĐBSCL Đối với kết thí nghiệm cường độ nén mẫu thử, ngâm môi trường nước chua phèn điển hình thể Hình Kết cho thấy cường độ nén mẫu môi trường nước chua phèn (ký hiệu chữ C) phát triển môi trường nước (ký hiệu chữ N) Sau khoảng tháng, cường độ số mác bê tông môi trường chua phèn bắt đầu giảm Như xu hướng biến đổi cường độ mẫu thử nghiệm phù hợp với kết khảo sát cơng trình mơi trường chua phèn ĐBSCL Tương quan hệ số thấm tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) bê tơng thể Hình Ở môi trường chua phèn, thời gian thử nghiệm 21 tháng, hệ số thấm bê tơng có N/X = 0,7 (tương ứng bê tông M200) thay đổi khoảng rộng từ 6.10-9 xuống 1.10-9(cm/s) Còn loại bê tơng có tỷ lệ N/X nhỏ 0,57 (mác M300 cao hơn) hệ số thấm thay đổi phạm vi hẹp từ 1,3.10-9 xuống 1.1010 (cm/s) Bê tơng có N/X nhỏ 0,57 có hệ số thấm nhỏ khoảng biến đổi hẹp nên bị ăn mịn bền vững mơi trường ăn mịn 448 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 60 6,0E-09 )a 50 P M ( 40 n én ? 30 đ g n 20 ? C 10 5,0E-09 ) s/ m 4,0E-09 c( K m 3,0E-09 ? h t ? 2,0E-09 s ? H 1,0E-09 M200-N M300-N M400-N 0 M200-C M300-C M400-C 12 15 Tu?i (tháng) 18 21 tháng tháng tháng 21 tháng G -P 0 M 0 M 0 M 0 M 0,0E+00 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 24 &l &N/X Hình So sánh phát triển Cường độ mẫu bê tông môi trường nước mơi trường chua phèn Hình Tương quan phát triển hệ số thấm bê tông Tỷ lệ (N/X) môi trường nước chua phèn Tương quan cường độ hệ số thấm bê tông môi trường chua phèn thể Hình Giữa hệ số thấm cường độ bê tơng có quan hệ thuận nghịch: Cường độ tăng, hệ số thấm giảm Ứng với bê tông có cường độ khoảng 20 MPa, hệ số thấm K = (5 - 6).10-9 (cm/s); ứng với cường độ khoảng 35 MPa, hệ số thấm K = (3 – 5).10-10 (cm/s); ứng với cường độ khoảng 50 MPa, hệ số thấm K = (7 10).10-11 (cm/s) Như với BT có cường độ mức 35 MPa, hệ số thấm giảm hàng chục lần so với BT mác M200 )s / m c( K m ? h t ?s ? H 5E-09 4E-09 25 y = 0,00038x-3,80444 R² = 0,79286 y = -2,0E-10x + 7,2E-09 3E-09 2E-09 y = -1,0E-11x + 6,6E-10 1E-09 0E+00 Mức giảm cường độ (%) 6E-09 20 -1,5084 y = 1821,9x 15 R = 0,9014 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Cư?ng đ? nén (MPa) Hình Tương quan Cường độ Hệ số thấm bê tông môi trường nước chua phèn 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Cường độ nén 28 ngày (MPa) Hình Tương quan mức suy giảm cường độ mác BT mẫu thử nghiệm môi trường chua phèn 21 tháng Tương quan cường độ nén bê tông tuổi 28 ngày (tương ứng mác thiết kế) mức suy giảm cường độ mẫu ngâm môi trường chua phèn so sánh với mẫu ngâm nước thể Hình 7, mức suy giảm S tính sau: S= ( Rchp − Rng ) x100 Rng (%) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM (1) 449 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Rchp Cường độ bê tơng môi trường chua phèn Rng Cường độ bê tông môi trường nước tuổi tương ứng Dựa vào kết nghiên cứu trên, để nâng cao tuổi thọ cho cơng trình mức trung hạn (50 ÷ 60 năm) thay khoảng 20 năm so với bê tông M200 sử dụng trước đây, tác giả đề xuất hướng nâng cao chất lượng bê tông việc tăng mác bê tông khả chống thấm bê tông sau: Biện pháp nâng cao chất lượng bê tơng đầu vào để giảm tốc ăn mịn: Các kết nghiên cứu trước [8] cho thấy sử dụng xi măng portland, BT tránh khỏi bị ăn mịn mơi trường chua phèn, kể BT mác cao Tuy nhiên BT mác cao có tốc độ ăn mịn Biện pháp chọn mác bê tơng có hệ số thấm nhỏ ổn định hạn chế tác động môi trường ăn mịn, tăng tuổi thọ cho cơng trình Việc tính tốn xác định cường độ bê tông cần thiết để sử dụng cho việc xây dựng cơng trình ĐBSCL sau: Theo hướng hạn chế tốc độ ăn mòn bê tơng: Từ kết thí nghiệm (Hình 7), với bê tơng có cường độ 20 MPa (nén tuổi 28 ngày tương đương M200) có mức suy giảm cường độ 18,79% Từ kết khảo sát cơng trình thực tế (Hình 1), với BT có mác M200 đáp ứng tuổi thọ cơng trình khoảng 20 năm Để BT tồn 50 năm (gấp 2,5 lần tuổi thọ bê tông thực tế sử dụng môi trường ĐBSCL) mác BT lựa chọn có mức giảm cường độ khoảng 7,5% (18,8% : 2,5) Bê tơng có mức suy giảm cường độ 7,5% tương ứng với bê tơng có cường độ 37Mpa Theo u cầu ổn định hệ số thấm: Đối với cơng trình thủy, u cầu độ chống thấm quan trọng, đặc biệt cơng trình mơi trường ăn mịn chua phèn ĐBSCL Dựa vào tương quan hệ số thấm cường độ bê tơng (Hình 6) nhận thấy bê tơng có cường độ mức 35 Mpa ranh giới khác biệt miền thấm bê tông Khi cường độ cao 35 Mpa bê tơng có hệ số thấm nhỏ khoảng đến 10 lần so với giải bê tơng có mác thấp Tổng hợp chung từ yêu cầu việc hạn chế tốc độ ăn mòn, ổn định hệ số thấm BT bền vững mơi trường chua phèn nên chọn BT có cường độ thiết kế không nhỏ mức 35 Mpa có tỷ lệ Nước Xi măng khơng lớn 0,52 KẾT LUẬN 450 - Trong môi trường chua phèn Đồng sông Cửu Long, sử dụng bê tông mác M200 không đảm bảo độ bền lâu dài cho cơng trình thủy cơng - Bê tơng với tỷ lệ N/X bé 0,52 (Tương ứng mác M350) có hệ số thấm nhỏ mức biến động hàng chục lần so với bê tông mác M200 Khi sử dụng loại bê tơng có tỷ lệ N/X khơng lớn 0,52 có tác dụng tốt việc ngăn chặn ăn mịn bê tơng cốt thép - Đề nghị nên sử dụng bê tông mác ≥ M350 cho bê tơng cơng trình vùng chua phèn Đồng sông Cửu Long tiếp tục theo dõi diễn biến chất lượng cơng trình sử dụng bê tông mác bê tông lớn M200 đặc điểm mơi VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 trường thực tế nhằm đảm bảo chắn tuổi thọ lâu dài, bền vững cho cơng trình khu vực xây dựng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ACI 318-89 Building Code Requirements For Reinforced Concrete [2] Bộ Xây dựng Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông loại NXBXD, Hà Nội 2008 [3] CRA-C 48-92 Standard Test Method for Water Permeability of concrete [4] Khương Văn Huân nnk (2001) Điều tra thóai hóa độ bền bê tơng cơng trình thủy lợi xây dựng vùng chua mặn Đồng sông Cửu Long Báo cáo tổng kết dự án, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam [5] TCVN 3118:2012 Bê tông - Phương pháp xác định cường độ nén [6] TCVN 3994:1985 Chống ăn mòn xây dựng kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Phân loại môi trường xâm thực [7] TCXD 149:1986 Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mịn [8] TCVN 9139:2012 Cơng trình Thủy lợi- Kết cấu bê tông cốt thép vùng ven biển- Yêu cầu Kỹ thuật [9] V.Moskvin, F.Ivanov, S Alekseyes, E Guzeyev, 1983 Concrete and reinforced Concrete Deterioration and Protection, Mir Publishers, Moscow Phản biện: PGS TS Nguyễn Thanh Hải VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 451 ... mẫu bê tông môi trường nước mơi trường chua phèn Hình Tương quan phát triển hệ số thấm bê tông Tỷ lệ (N/X) môi trường nước chua phèn Tương quan cường độ hệ số thấm bê tông môi trường chua phèn. .. mịn bê tơng cốt thép - Đề nghị nên sử dụng bê tông mác ≥ M350 cho bê tơng cơng trình vùng chua phèn Đồng sông Cửu Long tiếp tục theo dõi diễn biến chất lượng cơng trình sử dụng bê tông mác bê tông. .. độ bê tông Môi trường Chua phèn môi trường chua phèn ĐBSCL Môi trường nước Ngọt thấp so với bê tông vùng nước 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Cường độ bê tông giảm dần theo thời gian Tuổi bê tông