1.1 .Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.1. 2 Một số cơng trình BTCT nhiễm clorua cao
Theo báo cáo [115] khảo sát ba ngọn hải đăng BTCT (hai ngọn hải đăng ở Nagasaki và một ở Yamaguchi), bê tông nhiễm clorua cao do phải dùng nước biển chế tạo BT. Trong số đó, ngọn hải đăng Uku Nagasakibana ở Nagasaki được xây dựng từ tháng 8 đến tháng 10 năm 1959 ở nơi có sóng cao và khơng có nước ngọt sử dụng trong quá trình trộn BT. Kết quả khảo sát cho thấy BT kết cấu có cường độ nén là 28,0 MPa, hàm lượng clorua là 3,4 kg/m3 BT. Chiều dày lớp BT bảo vệ trung bình từ 120 mm đến 140 mm. Mặc dù cơng trình đã được xây dựng hơn 60 năm, nhưng đến thời điểm hiện tại sự hư hỏng là khơng đáng kể (Hình 1.5).
Hình 1.5. Ngọn hải đăng Uku Nagasakibana[115]
Nhóm tác giả M. Kusinoki [82] đã kiểm tra các cơng trình BTCT ở đảo Gimkanjima, Nhật Bản được xây dựng từ năm 1916 [118], các kết cấu phức tạp này được coi như là một di sản văn hóa, tuy nhiên nó bị xuống cấp kể từ khi đảo khơng có người ở (Hình 1.6).
12
Hình 1.6. Cơng trình trên đảo Gimkanjima [82]
Các tịa nhà chủ yếu được kiểm tra về tình trạng ăn mịn cốt thép trong cấu kiện cột và dầm. Phương pháp kiểm tra chiều dày lớp BT bảo vệ và phân tích hàm lượng clorua đã được sử dụng.
Kết quả kiểm tra đều có chung nhận định là các cơng trình sử dụng cát biển hoặc sỏi biển để làm cốt liệu, nước biển được trộn nên BT bị nhiễm mặn ngay từ đầu. Một số vị trí kiểm tra cho thấy cốt thép chỉ bị ăn mòn ở mức độ nhẹ mặc dù BT có hàm lượng Cl- cao (trên 3 kg/m3), nguyên nhân được xác định là do lớp BT bảo vệ có chiều dày trên 60 mm. Một số cấu kiện tòa nhà số 31 (xây dựng 1957) thường xuyên bị ẩm ướt thì mức độ ăn mịn lớn hơn so với cấu kiện ở nơi khô ráo.
Cơng trình bờ kè đảo Gunkanjima nằm trong môi trường rất khắc nghiệt, thường bị ảnh hưởng bởi các đợt thủy triều cao do bão và do điều kiện địa lý. Hệ thống kè bao gồm kè số 1, số 2 và số 3. Trong đó kè số 2 được gia cố bằng BTCT đã được 81 năm [117]. Kết quả khảo sát đưa ra nhận định nhiều khả năng BT bị nhiễm mặn ngay từ đầu do sử dụng nước biển (hoặc sử dụng kết hợp với cát biển chưa rửa) để trộn với BT khi xây dựng bờ kè trên đảo. Hàm lượng clorua ban đầu trong BT được xác định từ (3,1÷4,6) kg/m3, chiều dày lớp BT bảo vệ (400÷600) mm.
13
Hình 1.7. Cơng trình bờ kè đảo Gunkanjima [117]
Bằng cách xác định hệ số khuếch tán, các tác giả đã cho rằng chất lượng BT tương đối tốt đã có tác dụng ngăn cản sự thâm nhập thêm ion Cl- từ bên ngoài vào sau nhiều năm dài tồn tại. Rất tiếc rằng hồ sơ thiết kế khơng cịn nhưng qua các kết quả khảo sát có thể đánh giá chất lượng BT tốt là yếu tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại của kết cấu trong suốt thời gian dài mà khơng bị phá hủy do ăn mịn cốt thép (Hình 1.7).
Hàm lượng clorua trong BT ngay từ đầu do sử dụng cát biển đã được sử dụng trong những năm 1960 và 1970 ở Okinawa. Điều này vơ tình đã gây ra hiện tượng nứt kết cấu và bong tróc lớp phủ BT do sự ăn mịn của cốt thép ở các vị trí có chiều dày lớp BT bảo vệ mỏng. Koichi Kishitani [81] đã nghiên cứu sự xuống cấp do ăn mòn BTCT ở trường tiểu học Wakasa, thành phố Naha. Hàm lượng clorua được xác định khoảng (2,1÷15,3) kg/m3. Trường trung học Kammoyama hàm lượng clorua khoảng (2,97÷3,92) kg/m3, nguyên nhân ăn mòn cốt thép được cho là BT nhiễm mặn cao do sử dụng cát biển. Kết quả nghiên cứu đã nhận định rằng khi sử dụng cát biển với hàm lượng clorua lớn, nếu khơng có biện pháp bảo vệ cốt thép thì ăn mịn cốt thép xảy ra nhanh và mạnh khi chiều dày BT bảo vệ mỏng. Thậm chí điều này vẫn xảy ra tại những vị trí đã được tiến hành sửa chữa, sự hư hỏng tương tự cũng được nhận thấy tiếp tục xảy ra sau một vài năm.
Yamakawa và các cộng sự [94] đã phân tích hàm lượng Cl- tại các vị trí BT bảo vệ bị bong tróc, cốt thép bị ăn mịn của 15 khu phức hợp ở Okinawavà chỉ ra rằng BT có hàm lượng clorua gần 3 kg/m3 là do sử dụng cát biển chưa rửa ngay từ đầu. Các vị trí ăn mịn cốt thép, bong tróc lớp BT bảo vệ xảy ra khi chiều dày lớp BT bảo vệ nhỏ hơn 20 mm.
Tác giả Rick A Emert [71] đã nghiên cứu các tài liệu xây dựng cơng trình trên các đảo tại Thái Bình Dương và nhận thấy các kết cấu BTCT được chế tạo bằng cách sử dụng san hơ và nước biển ở đảo Bikini. Có 3 cơng trình được kiểm tra là nhà truyền
14 thống, nhà phát điện và nhà chờ. Chiều dày lớp BT bảo vệ trung bình của 3 nhà tương ứng là 100 mm, 120 mm, 120 mm, rất tiếc là khơng có số liệu về hàm lượng clorua trong BT. Tuy nhiên, tác giả đã so sánh tình trạng hư hỏng trong cả ba nhà và nhận thấy rằng chiều dày BT có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ ăn mòn cốt thép do hàm lượng clorua ban đầu gây ra. Tác giả cũng nhận định có thể đảm bảo độ bền lâu của BTCT khi nhiễm mặn từ đầu nếu hạn chế được các tác động về môi trường, biện pháp thi công tốt và phương pháp bảo vệ cốt thép được sử dụng ngay từ đầu.
Báo cáo của Viện BT Nhật Bản về vấn đề nhiễm mặn của BT do sử dụng vật liệu nhiễm mặn (nước biển) cho BT và BTCT [105] cũng đã nhận định rằng nếu BT đảm bảo các điều kiện đầy đủ như chống thấm nước, chất lượng BT, chiều dày lớp BT bảo vệ, thi cơng đảm bảo thì có thể hạn chế ăn mòn cốt thép do nhiễm mặn gây ra. Tác giả Neville và Akatsuka trong báo cáo cũng chỉ rõ các kết cấu BTCT bị nhiễm mặn từ đầu nên giữ ở trạng thái khơ hồn tồn hoặc ngập trong nước (có nghĩa là cách ly kết cấu khỏi mơi trường O2 và H2O). Đây là kết luận quan trọng dựa trên các kết quả nghiên
cứu và khảo sát của các nhóm kỹ sư thuộc Viện.
Rất nhiều nghiên cứu đã thực hiện và đăng trên các tạp chí khoa học về hàm lượng clorua trong BT do sử dụng vật liệu chứa nhiều ion clo như cát biển để chế tạo BT và ảnh hưởng của chúng đến ăn mòn cốt thép. Sự tấn cơng của Cl- là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền lâu BTCT đã được thừa nhận rộng rãi trên thế giới. Một số kết cấu BT làm việc trong mơi trường có hàm lượng clorua cao trong thời gian dài nhưng khơng hoặc ít bị ăn mịn. Cơng trình ngọn hải đăng Huntington Light house tại Mỹ (xây dựng năm 1912) và đền Murudeshwara (ở Ấn độ) là ví dụ về sử dụng cát biển để chế tạo BTCT [90], hiện nay vẫn cịn tồn tại (Hình 1.8).
a, Ngọn hải đăng Huntington, Mỹ b, Đền Murudeshwara, Ấn độ
15 Hệ thống lỗ rỗng và vi cấu trúc của BT có ảnh hưởng lớn đến ăn mịn. Ngồi ra, sự có mặt của oxy và độ ẩm trong BT là điều kiện cần cho sự ăn mòn cốt thép xảy ra. Ăn mòn cốt thép hiếm khi xảy ra trong các vùng sa mạc, bởi vì BT khơng chứa đủ độ ẩm, mặc dù các yếu tố khác cho sự ăn mịn có đủ.
Tóm lại, kết quả nghiên cứu, khảo sát một số cơng trình BTCT trên thế giới có hàm lượng clorua cao do sử dụng cát biển, nước biển hoặc xâm nhập từ môi trường, nhưng nếu bê tơng bảo vệ có chất lượng tốt (ví dụ: chiều dày bê tơng bảo vệ 60 ÷ 100 mm, cường độ bê tông hay khả năng chống thấm của bê tơng tương đối cao) thì các cơng trình này vẫn có thể sử dụng bình thường tới trên 50 năm. Đây là minh chứng thực tiễn cần được quan tâm nghiên cứu khi triển khai biện pháp bảo vệ cốt thép trong bê tông vùng biển.