NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO BÊ TÔNG CÁC CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN VIỆT NAM

Các công trình bảo vệ bờ biển như đê biển phải chịu các tác động hóa học, tác động cơ học từ nước biển, sóng biển gây nên hư hỏng, xâm thực, ăn mòn bê tông kết cấu bảo vệ mái đê.. Khiđiề

được sự giúp đỡ của đề tài KC08-03/11-15 do GS TS Ngô Trí Viềng làm chủ nhi ệm đề tài, các thầy, cô giáo đặc biệt là thầy giáo TS Vũ Quốc Vương, cô giáo ThS Nguy ễn Thị Thu Hương cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành luận văn

Các k ết quả đạt được trong luận văn thạc sỹ của tôi là những đóng góp

nh ỏ bé về mặt khoa học trong quá trình nghiên cứu nâng cao độ bền cho bê tông dùng cho các k ết cấu bảo vệ mái đê biển Tuy nhiên trong khuôn khổ

lu ận văn do điều kiện thời gian và trình độ có hạn cũng như các phương tiện máy móc còn thi ếu thốn nên không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo, đóng góp của các thầy, cô và đồng nghiệp

Tác gi ả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn: TS Vũ

Qu ốc Vương đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn đề tài KC08-03/11-15 do GS TS Ngô Trí Vi ềng làm chủ nhiệm, các thầy, cô Bộ môn V ật Liệu Xây Dựng, Khoa Công Trình, Phòng đào tạo đại học & sau đại

h ọc- Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ của mình

Hà N ội, ngày……tháng……năm 2014

Tác gi ả

Đỗ Đoàn Dũng

Thủy lợi

Tôi là tác giả của luận văn này, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà N ội, ngày……tháng……năm 2014

Tác gi ả

Đỗ Đoàn Dũng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I THỰC TRẠNG CÔNG TRÌNH ĐÊ BIỂN VIỆT NAM VÀ TỈNH NAM ĐỊNH 3

1.1 Thực trạng công trình đê biển Việt Nam 3

1.2 Thực trạng đê biển tỉnh Nam Định và các công trình liên quan 6

1.2.1 Thực trạng đê biển tỉnh Nam Định 6

1.2.2 Thực trạng các công trình liên quan 8

1.2.3 Những tồn tại của tuyến đê biển Tỉnh Nam Định 11

1.2.4 Giới thiệu về đê biển Ang Giao Phong, huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định 11

1.3 Nguyên nhân hư hỏng các công trình bê tông trong môi trường biển Việt Nam 14

1.3.1 Tác động xâm thực của môi trường 14

1.3.2 Thiết kế, thi công, quản lý sử dụng công trình 16

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 19

2.1 Đặc trưng của môi trường biển và nước biển 19

2.1.1 Đặc trưng của môi trường biển 19

2.1.2 Thành phần nước biển 23

2.2 Cơ chế phá hủy bê tông trong môi trường nước biển 26

2.2.1 Xi măng và đá xi măng 26

2.2.2 Ăn mòn xi măng 30

2.2.3 Tác động ăn mòn xi măng của nước biển 32

2.3 Các giải pháp nâng cao độ bền cho bê tông trong môi trường biển Việt Nam 37

2.3.1 Các giải pháp liên quan đến vật liệu 37

NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

ANG GIAO PHONG, NAM ĐỊNH 47

3.1 Vật liệu thí nghiệm 47

3.1.1 Chất kết dính 47

3.1.2 Cốt liệu 51

3.1.3 Phụ gia hóa học 53

3.1.4 Nước 54

3.2 Tính toán thành phần cấp phối bê tông và tỷ lệ sử dụng phụ gia 54

3.2.1 Phương pháp tính toán cấp phối 54

3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật 57

3.2.3 Các bước tính toán cấp phối 57

3.2.4 Kết quả tính toán cấp phối, 58

3.3 Thí nghiệm trong phòng 61

3.3.1 Quá trình thí nghiệm 61

3.3.2 Các kết quả thí nghiệm 69

3.4 Đúc tấm lát bảo vệ mái đê biển ở hiện trường cho tuyến đê biển Ang Giao Phong, Giao Thủy, Nam Định 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

Bảng 2.1 Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới 21

Bảng 2.2 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam 21

Bảng 2.3 Thành phần nước các hồ, biển và đại dương 24

Bảng 2.4 Thành phần nước biển đo tại một số địa điểm ở Việt Nam 25

Bảng 2.5 Tính chất xâm thực của khí quyển biển ở một số vùng ven biển Việt Nam 25

Bảng 2.6 Thành phần khoáng vật của xi măng 26

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của xi măng PC40 Vicem Bút Sơn 47

Bảng 3.2 Tính chất vật lý của tro bay nhiệt điện Phả Lại 49

Bảng 3.3 Tính chất vật lý của muội silic 50

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu vật lý của cát 51

Bảng 3.5 Thành phần hạt của cát 52

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý của đá dăm 52

Bảng 3.7 Thành phần hạt của đá dăm 53

Bảng 3.8 Thành phần bê tông M30 theo lý thuyết 59

Bảng 3.9 Kết quả điều chỉnh thành phần bê tông 70

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông 71

Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm độ hút nước của bê tông 72

Bảng 3.12 Độ thấm ion clo (%) sau 3 tháng tại các điểm đo khác nhau 73

Hình 1.1 Đê biển Giao Thủy – Nam Định 13

Hình 1.2 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè biển Cát Hải 15

Hình 1.3 Hiện trạng ăn mòn và phá hủy kết cấu bê tông cốt thép cống qua đê biển Hải Phòng 15

Hình 2.1 Phân vùng môi trường biển Việt Nam 20

Hình 2.2 Sơ đồ cơ chế ăn mòn điện hoá thép trong bê tông có ion Cl 35

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình xói mòn vật liệu trong môi trường nước 36

Hình 2.4 Hình ảnh mô tả hai loại phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép 43

Hình 3.1 Côn thử độ sụt của bê tông 62

Hình 3.2 Thí nghiệm kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông 62

Hình 3.3 Đúc mẫu bê tông kích thước 15x15x15cm 65

Hình 3.4 Thí nghiệm nén mẫu bê tông 66

Hình 3.5 Mẫu bê tông sau khi bị phá hủy 66

Hình 3.6 Máy thí nghiệm xác định nồng độ ion clo 69

Hình 3.7 Phụ gia sử dụng để trộn bê tông tại hiện trường 75

Hình 3.8 Công tác chuẩn bị khuôn đúc mẫu bê tông tại hiện trường 75

Hình 3.9 Công tác trộn bê tông tại hiện trường 76

Hình 3.10 Công tác đầm hỗn hợp bê tông tại hiện trường 76

Hình 3.11 Mẫu bê tông khối lát bảo vệ mái đê biển 77

X Khối lượng xi măng

HHBT Hỗn hợp bê tông

M Ở ĐẦU

Tính c ấp thiết của đề tài

Việt Nam là đất nước có đường bờ biển dài thứ 32 trên Thế giới trong

số 156 nước có biển (theo công bố của Bộ Khoa học và Công nghệ là 3350km) Biển mang đến cho Việt Nam rất nhiều những giá trị tích cực về tinh thần cũng như kinh tế, song cũng có sức tàn phá ghê gớm, để lại những

hậu quả không thể đo đếm được Chính vì vậy, việc xây dựng những công trình bảo vệ bờ biển, chắn sóng, … mang một ý nghĩa rất to lớn Những công trình này giúp chúng ta chống lại những tác động tiêu cực tới từ biển, phòng chống lụt bão và có đóng góp rất quan trọng trong chiến lược phát triển kinh

tế - xã hội của các xã vùng ven biển

Các công trình bảo vệ bờ biển như đê biển phải chịu các tác động hóa

học, tác động cơ học từ nước biển, sóng biển gây nên hư hỏng, xâm thực, ăn mòn bê tông kết cấu bảo vệ mái đê Việc chịu tác động từ nước biển, sóng biển trong một thời gian dài khiến cho tuổi thọ của công trình giảm, phá hủy các công trình Ngoài ra, đặc điểm khí hậu của nước ta cũng gây ra những tác động tiêu cực lên các kết cấu bê tông làm việc trong môi trường biển Khiđiều này xảy ra, thì những tác động tiêu cực tới từ biển không được kiểm soát, hậu quả tác động đến an ninh - kinh tế - xã hội của các xã vùng ven biển là rất

lớn.Vì vậy, việc nghiên cứu các nguyên nhân gây ra hư hỏng cho bê tông đê

biển và tìm ra được các giải pháp nhằm tăng độ bền cho bê tông của kết cấu

bảo vệ mái đê biển, tăng khả năng chống lại những tác động của biển là vô cùng cấp thiết đối với Việt Nam nói chung và tỉnh Nam Định nói riêng

Những vấn đề cần giải quyết của luận văn:

- Nghiên cứu cơ chế phá hủy bê tông trong môi trường nước biển

- Các giải pháp nâng cao độ bền cho bê tông trong môi trường biển Việt Nam

- Nghiên cứu sử dụng một số loại phụ gia nhằm nâng cao độ bền cho kết cấu bê tông bảo vệ mái đê biển Ang Giao Phong, Nam Định

M ục đích của đề tài

Phân tích nguyên nhân gây hư hỏng bê tông kết cấu bảo vệ mái đê biển

và giải pháp khắc phục bằng cách sử dụng các loại phụ gia để tăng độ bền cho

bê tông, tăng khả năng chống lại các tác động tiêu cực tới từ biển

Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

- Thu thập, phân tích tài liệu về hư hỏng đê biển

CHƯƠNG I

TH ỰC TRẠNG CÔNG TRÌNH ĐÊ BIỂN VIỆT NAM

VÀ T ỈNH NAM ĐỊNH

1.1 Th ực trạng công trình đê biển Việt Nam

Tuyến đê biển của Việt Nam hiện nay đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mùa màng, tài sản và hơn hết là tính mạng con người Chính vì

vậy, việc xây dựng các công trình trên tuyến đê biển cũng như chất lượng của các công trình này mang ý nghĩa rất to lớn, giúp chúng ta chống lại những tác động tiêu cực từ biển Nếu không làm tốt công tác này, thì sẽ không kiểm soát được những tác động tiêu cực từ biển với sức tàn phá ghê gớm và để lại

những hậu quả không đo đếm được Chính vì vậy, Nhà nước ta đã có những chương trình, dự án nhằm củng cố, nâng cao hơn nữa chất lượng tuyến đê

biển và các công trình liên quan

Thực trạng đê biển Việt Nam đã được trình bày rất cụ thể trong các tài liệu [2][3] Các trọng điểm xung yếu trên các tuyến đê biển như: khu vực đê trước đây quá xung yếu, thường xuyên bị sạt lở, hư hỏng, khu vực trước đê bị xói lở hạ thấp làm ảnh hưởng đến an toàn đê… cơ bản đã được đầu tư cũng

cố, nâng cấp đảm bảo an toàn với mức tiêu chuẩn thiết kế, đã đáp ứng được mục tiêu đặt ra Đối với các khu vực có thổ nhưỡng, bùn cát và sóng gió, thủy triều không thuận lợi cho việc trồng cây chắn sóng cũng đã có những nghiên

cứu, áp dụng các biện pháp khoa học công nghệ cho trồng cây đạt hiệu quả

nhất định, góp phần từng bước hoàn thiện hệ thống đê biển đồng bộ, bền vững, ổn định, kết hợp đa mục tiêu

Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt được, thì vẫn tồn tại một số

mặt hạn chế, bất cập như sau:

Do thân đê chủ yếu đắp bằng đất tại chỗ, lại thường xuyên chịu tác động của gió bão, thủy triều và các hoạt động dân sinh , nên mặc dù được đầu tư tu bổ thường xuyên nhưng do hạn chế về kinh phí, đê nhanh bị xuống

cấp và thường xuyên hư hỏng khi có mưa bão, phải xử lý rất vất vả tốn kém

Một số khu vực biển tiến, rừng phòng hộ trước đê bị xâm hại, đê biển thường xuyên bị sạt lở, hư hỏng như đê Hà Nam - Quảng Ninh; đê biển Cát Hải, Đồ Sơn, Vinh Quang, Cầm Cập - Hải Phòng; đê biển Hải Hậu, Giao Thủy - Nam Định; đê biển Y Vích, Hậu Lộc - Thanh Hóa, Đặc biệt, trong năm 2005, vùng ven biển nước ta liên tiếp chịu ảnh hưởng trực tiếp của các cơn bão số 2,

số 6 và số 7 với sức gió mạnh cấp 11, cấp 12, giật trên cấp 12 vượt mức thiết kế của đê biển, bão số 7 lại đổ bộ vào đúng thời kỳ triều cường (là tổ hợp bất lợi

ít gặp) làm những nơi trước đê không có cây chắn sóng, những nơi biển tiến, nơi đê trực diện biển đã bị nước biển tràn qua làm sạt lở trên 54 km đê thuộc

Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình, Thanh Hóa, làm vỡ một số đoạn thuộc các tuyến đê biển Cát Hải (Hải Phòng), đê biển Hải Hậu, Giao Thủy (Nam Định) với tổng chiều dài 1.465m, làm thiệt hại nghiêm trọng về sản xuất, ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế của nhân dân

Do chưa qui hoạch kết hợp đê với đường giao thông, nên quy mô, kích thước đê không thống nhất, mặt đê gia cố chưa liên tục hoặc tuyến đê chưa chú ý vi chỉnh, cắt cong theo tiêu chuẩn thiết kế đường giao thông, nên đê còn nhiều khúc cua gấp khúc; chưa đề cập đến khoảng cách tối thiểu giữa đường giao thông và đê biển trong trường hợp ở gần nhau và điều kiện kết hợp vừa đường giao thông vừa là đê biển Mặt đê được gia cố chủ yếu phục vụ công tác kiểm tra, ứng cứu, hộ đê kết hợp giao thông đi lại của nhân dân, nên tải trọng của các phương tiện giao thông còn bị hạn chế…

Do chưa có một quy hoạch thống nhất với nhiều ngành và sử dụng đa

mục tiêu, nên diện tích trồng cây chắn gió, trồng cây ngập mặn chắn sóng bảo

vệ đê trong những năm qua đạt hiệu quả thấp Mặt khác, các địa phương không gắn được việc bảo vệ, phát triển cây ngập mặn chắn sóng, cây trên cát

chắn gió ven biển với chuyển đổi cơ cấu sản xuất, phát triển kinh tế - xã hội, phát triển nguồn lợi thủy sản, cải thiện môi trường ven biển gắn với phát triển

du lịch sinh thái , nên diện tích cây trồng bảo vệ đê biển nhiều nơi không những không phát triển, mà còn bị suy giảm theo thời gian

Do chưa có sự thống nhất và chuẩn hóa việc sử dụng các cấu kiện bảo

vệ mái đê phía biển, kết cấu chân khay cả về hình thức và kích thước cơ bản,

dẫn đến việc nhiều công trình xây dựng trước năm 2010 áp dụng các loại cấu kiện bảo vệ mái, kết cấu chân khay khác nhau và chưa phù hợp với thực tế từng đoạn bờ biển, nên hiệu quả còn thấp hoặc còn gây lãng phí không đáng có

Các tuyến đê biển, đê cửa sông chưa khép kín, nhiều đọan đê còn thiếu

cầu, cống, do đó chưa chủ động trong tiêu úng, tiêu phèn, hạn chế hiệu quả ngăn mặn, giữ ngọt, chưa đáp ứng yêu cầu nuôi trồng thủy sản, chưa đảm bảo yêu cầu kết hợp giao thông ven biển

Công tác củng cố và nâng cấp đê biển trong giai đoạn vừa qua chưa tính đến yếu tố biến đổi khí hậu, mực nước biển dâng (Theo công bố của Bộ tài nguyên và Môi trường, đến năm 2050, thì mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu có thể dâng cao là 0.33m và trong điều kiện BĐKH bão, lũ có xu thế ngày càng gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ), ảnh hưởng trực tiếp tới tính toán kết cấu hệ thống đê về cao trình, cũng như kết cấu của từng đoạn đê được rừng ngập mặn bảo vệ, chưa chuẩn hóa được cấu kiện bảo vệ mái đê phía biển cả về hình thức và kích thước cơ bản, dẫn đến việc các địa phương

áp dụng nhiều loại cấu kiện khác nhau Chưa nghiên cứu chi tiết khi đầu tư các công trình chống sóng gây bồi

Đê nằm sâu trong khu dân cư, trong khi dân ra ngoài sinh sống, sản xuất từ nhiều năm nay nhưng không được bảo vệ như đoạn qua thị trấn Diêm Điền của đê biển 8 (Thái Bình)

Đê nằm sâu trong khu vực được bồi đắp nhiều năm rất rộng lớn, cần có tuyến đê quai phía ngoài phục vụ phát triển kinh tế, giao thông đi lại, cũng như mở mang diện tích cho tỉnh như đoạn từ K26+700 (cống Thụy Xuân 1) đến K31+700 (tại cống Quang Lang, tiếp giáp với cảng cá Tân Sơn), đoạn qua

xã Điện Biên, Giao Thủy (Nam Định), tuyến đê Nga Sơn, tỉnh Thanh Hóa…

1.2 Th ực trạng đê biển tỉnh Nam Định và các công trình liên quan

1.2.1 Th ực trạng đê biển tỉnh Nam Định

Thực trạng để biển tỉnh Nam Định đã được trình bày rất cụ thể trong các tài liệu [2][3] Nam Định có 91 km đê biển, đê cửa sông Đã thực hiện nâng cấp được 45 km Mặt đê rộng 4-5 m kết cấu BT M250 dày 20 cm đối

với các đoạn đã nâng cấp, tường chắn sóng cao trình từ +5.2 đến +5.5, kết cấu BTCT hoặc đá xây Mái phía biển được gia cố bằng CKBT, tấm BT…Đối với những khu vực xung yếu có làm kè mỏ hàn giữ bãi, bảo vệ bờ (Cống Thanh Niên:14 kè mỏ hàn, kè Kiên Chính:9 kè mỏ hàn, Hải Thịnh:5 kè mỏ hàn; Nghĩa Phúc:18 kè mỏ hàn) Khu vực Cồn Lu, Cồn Ngạn, Cồn Xanh đều trồng cây chắn sóng

Nhiều đoạn thuộc tuyến đê huyện Hải Hậu, Giao Thuỷ thuộc tỉnh Nam Định đang đứng trước nguy cơ bị vỡ (nếu xảy ra bão vượt tần suất thiết kế) 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 bị phá huỷ, nay 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 Nhiều đoạn trước đây có 2 tuyến khi tuyến đê ngoài được nâng cấp tạo tâm lý chủ quan, tuyến 2 không được chú ý đầu tư thích đáng nên nay đang bị xuống cấp

nghiêm trọng và hiện chỉ là bờ bao nhỏ có cao độ rất thấp.Nếu tuyến đê ngoài

bị vỡ, tuyến 2 không còn khả năng bảo vệ sản xuất, tính mạng và tài sản nhân dân vùng bảo vệ

Hệ thống đê tuyến 2 huyện Giao thuỷ được đắp năm 1986 -:- 1987 Từ

đó đến nay tuyên đê này không được tu bổ củng cố nên bị bào mòn, hạ thấp không đảm bảo chống bão khi tuyến 1 không giữ được

Tại những vị trí xung yếu đê biển Nam Định hình thành 2 tuyến, tuyến

1 đang được củng cố nâng cấp, tuyến 2 chưa được củng cố

Tuy ến 2 đê biển Huyện Giao Thủy: Tổng chiều dài: 8.900m gồm

Hệ thống đê tuyến 2 huyện Giao thuỷ được đắp năm 1986 -:- 1987 Từ

đó đến nay tuyến đê này không được tu bổ củng cố, nên bị bào mòn, hạ thấp không đảm bảo chống bão khi tuyến 1 không giữ được

Đoạn tuyến 2 Giao Hải- Giao Long dài 4.900 m Bề rộng mặt đê B= 3

m Cao trình mặt đê +2.50, Mái phía biển m = 2 và mái phía đồng m=2 Sau khi đắp không có điều kiện xây dựng đập Giao Long để tiêu nước ra sông Nguyễn Văn Bé từ đó tiêu qua các cống Cai Đề và Cống số 9 Vì vậy tuyến 2 không khép tuyến không có tác dụng ngăn chặn nước biển tràn vào khi vỡ tuyến 1

Đoạn đê tuyến 2 CổVạy đắp năm 1986 dài 2.000m, đến năm 1996 được tu bổ nâng cao với chỉ tiêu thiết kế : Bề rộng mặt đê B = 5m, cao trình

mặt đê + 4.50, mái phía biển m= 3 và mái phía đồng m= 2 Đây là đoạn đê phát huy tác dụng tốt trong bão số 7.Nếu không có đoạn đê này nước biên đã tràn sâu vào đất liền trong bão số 7

Đê tuyến 2 Bạch Long đắp năm 1986 dài 2.000m với các chỉ tiêu thiết

kế : Bề rộng mặt đê B= 3 m, Cao trình mặt đê +2.50, Mái phía biển m= 2 và mái phía đồng m=2 Đến nay vẫn giữ nguyên hiện trạng chưa được tu bổ củng

cố

Tuy ến 2 đê biển Huyện Hải Hậu: Tổng chiều dài 9.100m gồm:

1 Đê tuyến 2 Táo Khoai: K17+150-:- K18+850 dài 1900 m xã Hải Hoà: Đắp năm 1996 -:- 1997 ( Chủ yếu là đất tại chỗ và đất cát) Trong bão số

7 sau khi vỡ tuyến 1, tuyến 2 Táo Khoai cũng bị thủng và bị sạt lở nghiêm

trọng Sau bão số 7 huyện đã huy động hàng ngàn lao động củng cố lại tuyến

2 Táo khoai Đến nay tuyến 2 mới chỉ đạt cao trình + 3.5, mặt đê B= 3 m và mái m=2

2 Đê tuyến 2 Cồn tròn: K19+750-:- K21+650 dài 1700m xã Hải Hòa được đắp từ lâu đời Tuyến đê này không được tu bổ củng cố nên bị bào mòn,

hạ thấp không đảm bảo chống bão khi tuyến 1 bị vỡ trong bão số 7, tuyến 2 cũng bị tràn và vỡ nhiều đoạn

3 Đê Tuyến 2 Hải Thịnh: K24-K27+200:dài 1500m xã Hải Thịnh

Được đắp từ lâu, nhưng thấp và bị huỷhoại nhiều đoạn, đê không đủ cao trình và mặt cắt chống lụt bão Do đó đoạn đê Hải Thịnh III (Thị trấn Thịnh Long) bị vỡ trên chiều dài 174m, nước tràn vào, kéo theo vỡ luôn đê tuyến 2

Đê tuyến 2 Hải Triều K16+ 600-:- K17 +100 Xã Hải Triều, dài 1000m

Tuy ến 2 đê biển huyện Nghĩa Hưng: Dài 1500 m xã Nghĩa Phúc đắp

năm 1986 với các chỉ tiêu thiết kế : Bề rộng mặt đê B= 3 m Cao trình mặt đê +2.50 Mái phía biển m= 2 và mái phía đồng m=2, đến nay vẫn giữ nguyên

hiện trạng chưa được tu bổ củng cố

1.2.2 Th ực trạng các công trình liên quan

Các cống được xây dựng trước đây đều ngắn so với mặt cắt đê hiện tại, thân cống, mang cống, dàn van đều cần được tu bổ Đặc biệt, các hệ thống van đóng mở, cánh cống, thân cống cốt thép đều bị ăn mòn nhanh, làm giảm

khả năng hoạt động của cống Về lâu dài sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến đê,

nhất là trong điều kiện bão, lũ lớn xảy ra

Trong điều kiện hiện nay biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang thể hiện ngày càng rõ rệt Nó ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến bờ biển, các công trình bảo vệ bờ biển qua thời gian, đặc biệt là sau mỗi trận bão đổ bộ Việc tính toán thiết kế từ trước đến nay mới chỉ xác định theo nhu cầu tưới, tiêu nước cũng chưa có công trình nào được tính toán cụ thể với các ảnh hưởng do

ngập lụt, biến đổi khí hậu, nước biển dâng bằng các công cụ, phương pháp tính hiện đại do kinh phí lớn

1.2.2.2 V ề kè bảo vệ đê

- Kè phía biển hầu hết đều có mái dốc từ m= 3-4.Hình thức kè chủ yếu

là gia cố tấm bê tông đúc sẵn đối với những tuyến đê trực diện với biển, đá lát khan với những tuyến đê cửa sông hoặc đê có rừng ngập mặn bảo vệ Kè phía đồng chủ yếu là trồng cỏ, hoặc để cỏ mọc tự nhiên, với m=2-3 Hầu hết các kè đều ổn định, đảm bảo chống chịu được các ảnh hưởng trực tiếp từ biển

- Một số tuyến kè thường xuyên chịu ảnh hưởng của các trận bão đổ bộ vào hàng năm Vì vậy, bản thân kết cấu bảo vệ chân kè phải đảm bảo độ an toàn chịu xói qua cơn bão Tuy nhiên khi đoạn bờ biển bị xói lở mạnh do vận chuyển bùn cát ven bờ gây ra (do xói ác tính) thì kết cấu bảo vệ chân sẽ phải

rất kiên cố và cực kỳ tốn kém Ngoài ra còn cần có đầu tư duy tu bảo dưỡng chân kè thường xuyên nếu không thì sớm hay muộn đê cũng sẽ bị sụp do bị mất chân

- Cần có các biện pháp khác để tạo và giữ bãi trước cùng với việc bảo

vệ chân kè Tài liệu diễn biến hình thái xói lở bãi trước đê là cơ sở cho việc đánh giá phân tích về nguyên nhân và mức độ xói từ đó nghiên cứu đề xuất các giải pháp giữ bãi trước đê cụ thể và phù hợp cho điều kiện của từng vùng.Tuy nhiên, qua điều tra hiện trạng đê biển ở 13 tỉnh, các tài liệu liên quan đến theo dõi diễn biến hình thái xói lở bãi trước đê hầu như không có

Vì vậy quá trình thủy động lực học dòng ven bờ và các tác động gây ra sự chênh lệch và thiếu hụt bùn cát ở các vùng biển chỉ được phân tích mang tính định tính Cần có những nghiên cứu sâu và cụ thể hơn, trên cơ sở đó đề xuất

giải pháp đối với từng đoạn kè cụ thể

1.2.2.3 Các công trình ngăn cát, giảm sóng gây bồi, tạo bãi

Công trình bẫy cát (BCB): Loại công trình này xuất hiện ở Nam Định, bắt đầu ở khu vực Cống Thanh Niên, huyện Giao Thủy, do Công ty Tư Vấn xây dựng NN và PTNT Nam Định thiết kế Đây là 1 loại công trình "lai tạo"

giữa ĐGS, MCT và thêm tường dọc chân kè Trong thời gian gần đây, công trình tổ hợp này đang được triển khai xây dựng cho đoạn Kiên Chính, Hải Hậu và đoạn Nghĩa Phúc III

Tổ hợp này ngoài kè mái bình thường ra, gồm 3 bộ phận: chủ thể là ĐGS; đoạn nối giữa ĐGS và bờ (gọi là đê nối); Tường dọc chân kè Vì đê nối cao trình rất thấp, không có tác dụng ngăn cát, chỉ là đường thi công, không

thể tạo thành MCT, tường dọc chân kè có chức năng chống đá bay lên mặt kè (đá lưu vong) phá hủy cấu kiện mái kè Tạm đặt tên cho hệ thống này là bẫy cát biển (BCB)

1.2.3 Nh ững tồn tại của tuyến đê biển Tỉnh Nam Định

- Tại các vị trí xung yếu, cần phải bổ sung, nâng cấp thêm đê tuyến 2

- Đê được xây dựng qua nhiều thời kỳ, với nhiều chủ đầu tư, vì thế không có sự thống nhất trên toàn tuyến, chất lượng chưa cao

- Cần nâng cấp sửa chữa 1 số Cống qua đê đã xây dựng từ lâu

- Cần xây dựng thêm các đường cứu hộ cứu nạn kết hợp đê

1.2.4 Gi ới thiệu về đê biển Ang Giao Phong, huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định

Tuyến đê biển Giao Thuỷ dài 32,333 Km, có 9 kè dài 6829 m, có14 cống

Từ năm 1962 ÷ 2000 tại K15,5 – K20,5 đê phải di dời 3 lần

Từ Đông sang Tây, trực diện với biển có các kè sau[3]:

- Kè Cai Đê số 9 (từ K15+111 đến K17+965);

- Kè Kè Đông cống 8B (từ K19+463 đến 19+632);

- Kè Đông cống Thanh Niên (từ K20+213 đến K21+593);

- Kè Tây cống Thanh Niên (từ K21+593 đến K23+560);

- Kè Ang Giao Phong (từ K23+764 đến K24+134);

- Kè Đồng Hiệu (từ K29+510 đến K30+162)

Đoạn kè Đông Tây cống Thanh Niên (Từ K20+213 đến K23+560) thuộc Nông Trường Bạch Long, nằm giữa Giao Long và Giao Phong.Đây là đoạn trọng điểm của đê Giao Thủy Ngoài công trình gia cố mái theo PAM, đã xây

dựng hệ thống 13 công trình ngăn cát giảm sóng (NCGS) dạng bẫy cát (BCB)

Tuyến đê biển huyện Giao Thuỷ được hình thành cách đây đã rất lâu trên nền đất yếu, đất bồi tụ phù sa của hệ thống sông Hồng Tuyến đê chạy dài trên địa hình phức tạp, có điều kiện địa hình, địa chất thay đổi thường xuyên

Chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều, gió bão, từ biển Đông, chịu ảnh hưởng dòng chảy lũ đổ vào biển Đông của các sông ngòi nội địa, nên những năm qua tuyến bờ biển huyện Giao Thuỷ diễn biến phức tạp, đoạn giữa tuyến

trực diện với biển, xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến tuyến đê, nhiều khu

vực biển đã ăn sâu vào đất liền phá vỡ đê, gây thiệt hại lớn cho nhân dân trong vùng Đặc biệt khi gặp bão lớn trực tiếp đổ bộ kết hợp với triều cường tuyến đê biển huyện Giao Thuỷ thường xuyên xảy ra các sự cố vỡ đê, sạt, trượt, gây nhiều thiệt hại đến tính mạng tài sản của nhân dân trong khu vực

Do nguồn vốn đầu tư hạn hẹp, nên tuyến đê biển Giao Thuỷ xây dựng còn chắp vá, không đồng bộ, các giải pháp kỹ thuật còn hạn chế, do vậy tuyến

đê biển không đủ sức chống đỡ, các sự cố hư hỏng, sạt lở, vỡ đê hoàn toàn có thể xảy ra.Nhiều đoạn đê chất lượng đất đắp thân đê và nền đê rất kém, chủ yếu là đất cát và đất cát pha, dễ sạt lở do mưa và sóng Những đoạn đê trực diện với biển; những vị trí xung yếu tuy đã được kè lát mái bảo vệ, nhưng vẫn thường xuyên bị phá hoại, do kết cấu mái kè bằng các cấu kiện chưa hợp lý Một số cống qua đê xây dựng cách đây trên 40 năm, cống ngắn so với thân

đê, hình thức, kết cấu lạc hậu, đã bị hư hỏng và xuống cấp, không đáp ứng được yêu cầu chống lụt bão hiện nay

Vì vậy, việc đầu tư nâng cấp và xây dựng mới tuyến đê, kè biển Giao Thuỷ

là vô cùng quan trọng, đem lại hiệu quả to lớn về mặt kinh tế - xã hội như:

- Bảo đảm an toàn tính mạng, tài sản cho người và 23.206 ha diện tích đất tự nhiên, trong đó có 11.245,16 ha diện tích đất Nông nghiệp (nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, làm muối) của 22 xã của huyện Giao Thuỷ

- Chống ngập lụt, nhiễm mặn đất, tạo điều kiện cho các địa phương thực hiện thau chua rửa mặn cải tạo đất, thực hiện thâm canh tăng vụ, mở rộng diện tích, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế nông nghiệp và kinh tế biển trong giai đoạn hiện nay và các năm tiếp theo của

các địa phương trong vùng dự án

- Bảo vệ cho 559 ha diện tích trồng muối và 1.195 ha diện tích đất nuôi trồng thuỷ sản nằm trong tuyến đê biển bảo vệ

- Tạo điều kiện thuận lợi cho công tác bảo vệ, phòng thủ an ninh biên giới, an ninh chính trị, trật tự an toàn xã hội vùng ven biển

- Bảo vệ môi trường sinh thái, cảnh quan thiên nhiên, tạo điều kiện phát triển ngành du lịch của địa phương vùng ven biển

Hình 1.1 Đê biển Giao Thủy – Nam Định

1.3 Nguyên nhân hư hỏng các công trình bê tông trong môi trường biển

Vi ệt Nam

1.3.1 Tác động xâm thực của môi trường

Kết quả khảo sát độ bền thực tế trên các công trình bê tông cốt thép đã xây dựng ở vùng biển nước ta, cho phép khẳng định rằng trong môi trường biển Việt Nam có tác động xâm thực mạnh, dẫn tới ăn mòn và phá hủy các công trình bê tông cốt thép Mức độ xâm thực phụ thuộc vào vị trí và điều

kiện làm việc cụ thể của từng kết cấu trong công trình Môi trường biển Việt Nam có đặc thù khí hậu nóng ẩm mưa nhiều tạo ra sự ăn mòn khí quyển biển rất mạnh đối với các kết cấu bê tông cốt thép

Bê tông và bê tông cốt thép làm việc trong nước biển hoặc vùng ven

biển chịu tác dụng trực tiếp của các yếu tố xâm thực từ môi trường biển mà đặc trưng là bốn loại yếu tố xâm thực sau[13]:

- Các y ếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các

loại muối, trong đó phải kể đến ảnh hưởng của ion Clo và sunfat

- Các y ếu 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 y ếu tố sinh học: Do các sinh vật biển nhỏ trong nước biển

- Các y ếu tố cơ học: Tác động của sóng, dòng chảy xói mòn trên bề

- Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển;

- Ăn mòn cốt thép trong khí quyển biển và vùng có mực nước

lên xuống;

Xâm th ực hóa h ọc

- Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển (xâm thực sinh học);

- Mài mòn cơ học do tác động của sóng, dòng chảy (xâm thực cơ học)

Hình 1.2 Hi ện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của

bê tông kè bi ển Cát Hải

Hình 1.3 Hi ện trạng ăn mòn và phá hủy kết cấu bê tông cốt thép

cống qua đê biển Hải Phòng

1.3.2 Thi ết kế, thi công, quản lý sử dụng công trình

Độ bền (tuổi thọ) của kết cấu công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển là kết quả tổng hợp của các công đoạn thiết kế, thi công, giám sát chất lượng và quản lý sử dụng công trình Vấn đề này liên quan đến trình độ khoa học – công nghệ xây dựng của nước ta Vì vậy, để nâng cao độ bền công trình trong môi trường biển Việt Nam, cần đi sâu xem xét và nhìn nhận các nguyên nhân đã dẫn đến ăn mòn và phá hủy kết cấu thể

hiện rõ sau đây[13]:

1.3.2.1 V ề thiết kế

Chưa lựa chọn được vật liệu đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn, đảm bảo

độ bền lâu dài cho công trình trong môi trường biển Việt Nam:

Tuổi thọ công trình xây dựng từ bê tông và bê tông cốt thép theo yêu

cầu thiết kế trung bình là 50 đến 60 năm, công trình đặc biệt là 80 đến 100 năm Vấn đề đặt ra là khi thiết kế thì vật liệu đã được lựa chọn như thế nào,

có đảm bảo khả năng chống ăn mòn nhằm duy trì độ bền lâu dài cho kết cấu trong môi trường xâm thực hay không

Như ta đã biết, độ bền trung bình thực tế của nhiều kết cấu bê tông và

bê tông cốt thép chỉ đạt 30 đến 50% tuổi thọ theo yêu cầu thiết kế Nguyên nhân sâu xa là do khi thiết kế các công trình xây dựng chúng ta chưa lường hết được tác động ăn mòn và phá hủy kết cấu trong môi trường biển nước ta; thường chỉ chú ý đến khả năng chịu tải, tính toán sao cho an toàn về tải trọng, còn rất xem nhẹ khâu thiết kế lựa chọn vật liệu có khả năng chống ăn mòn lâu dài cho kết cấu công trình

Trong một thời gian rất dài chúng ta đã sử dụng bê tông mác thấp M20 đến M25 với chiều dầy bảo vệ trung bình là 2cm để thiết kế độ bền trung hạn

50 đến 60 năm cho công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường

biển Thực tế đã chứng minh rằng, về mặt chịu lực được tính toán đảm bảo;

nhưng về khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển, thì với công nghệ thi công và vật liệu đã sử dụng cho các công trình tốt nhất cũng chỉ có khả năng đảm bảo độ bền cho kết cấu trong khoảng 30 đến 40 năm

Thực chất vấn đề là chúng ta chưa xây dựng được tiêu chuẩn, quy

phạm xây dựng riêng cho môi trường biển mang tính đặc thù của Việt Nam Đặc biệt thiếu các tiêu chuẩn thử nghiệm đánh giá nhanh độ bền kết cấu bê tông và bê tông cốt thép làm việc trong môi trường xâm thực vùng biển, nên

đã không có đủ cơ sở để lựa chọn và kiểm tra khả năng chống ăn mòn của vật

liệu, kết cấu trước khi đưa vào công trình Do vậy từ khâu thiết kế đã không thể lựa chọn vật liệu phù hợp với độ bền kết cấu công trình trong môi trường xâm thực

Về kiến trúc: Mặt ngoài công trình chưa thiết kế được hình thái phù

hợp với môi trường vùng biển, tất cả các kết cấu nằm ở vị trí chịu ảnh hưởng xâm thực mạnh của môi trường, chưa được tăng cường các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn

1.3.2.2 V ề thi công

Chất lượng thi công xây dựng công trình chưa cao, nhiều công đoạn còn làm thủ công, nên khó đảm bảo chất lượng xây lắp Cường độ bê tông được kiểm tra tại nhiều kết cấu công trình sau 10 đến 20 năm vẫn còn thấp hơn so với yêu cầu thiết kế ban đầu Lớp bê tông bảo vệ của nhiều kết cấu bê tông chưa đảm bảo, nhiều chỗ mỏng hơn 10cm, nên không thể đủ khả năng

chống ăn mòn cho kết cấu trong khoảng thời gian từ 50 đến 60 năm

Công tác giám sát thi công, quản lý chất lượng và nghiệm thu công trình chưa được duy trì chặt chẽ, thường xuyên Đặc biệt là trong một số công trình đã sử dụng cát biển và nước biển để chế tạo bê tông, thì chỉ sau 5 đến 7 năm công trình đã bị hư hỏng nặng tới mức phải sửa chữa lớn

1.3.2.3 V ề quản lý sử dụng

Chưa có các quy định pháp lý về kiểm tra định kỳ công trình, nhằm phát hiện các nguyên nhân và mầm mống gây hư hỏng kết cấu công trình để

có biện pháp duy tu sửa chữa kịp thời

Chưa áp dụng các biện pháp công nghệ bảo trì và khắc phục hư hỏng

cục bộ do ăn mòn cho các công trình đã xây dựng

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĂN MÒN BÊ TÔNG

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN

2.1 Đặc trưng của môi trường biển và nước biển

2.1.1 Đặc trưng của môi trường biển

Việt Nam nằm trong vùng nội chí tuyến Bắc bán cầu, có khí hậu thuộc

loại hình nhiệt đới gió mùa với những thuộc tính cơ bản là nóng ẩm và phân hóa theo mùa rõ rệt Do đặc điểm đất nước nằm dài từ Bắc đến Nam, nên khí hậu cũng thay đổi theo từng vùng: các tỉnh phía Bắc thuộc loại hình nhiệt đới gió mùa, có mùa hè nóng và mùa đông lạnh Còn các tỉnh phía Nam mang đặc tính khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, mà đặc trưng là nền nhiệt độ cao, ít thay đổi trong năm và một chế độ mưa ẩm phân hóa rõ rệt theo mùa Các yếu

tố khí hậu (bao gồm: Độ ẩm và nhiệt độ không khí, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, lượng mưa) ở mỗi vùng và mỗi mùa cũng rất khác nhau

Khí hậu vùng ven biển Việt Nam ngoài những đặc thù của khí hậu nóng

ẩm phân chia theo các miền Bắc, Trung, Nam còn có thêm điều kiện tác động

của muối biển, tác động của ion Cl

- Các yếu tố khí hậu đã thúc đẩy quá trình xâm nhập Cl- vào bê tông làm tăng nhanh quá trình ăn mòn kết cấu bê tông Đặc điểm của vùng khí hậu biển Việt Nam là: Lượng muối trong nước biển tăng dần từ Bắc vào Nam, nên tác động của các yếu tố khí hậu đối với quá trình xâm nhập Cl-

vào kết cấu bê tông cũng thay đổi Tuy nhiên theo nghiên cứu của Viện KHCN xây dựng thì do tác động cân bằng của các yếu tố khí hậu nóng ẩm giữa các vùng và các mùa đối với quá trình xâm nhập Cl-

nên quá trình này có thể được xem là không thay đổi từ Bắc vào Nam

Dựa theo tính chất xâm thực của môi trường biển, vị trí làm việc của

kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), có thể phân chia ảnh hưởng của môi trường

biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới khá rõ như hình 2.1 theo tài liệu [8]

Hình 2.1 Phân vùng môi trường biển Việt Nam

1 Vùng ng ập nước: Bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong nước biển

2 Vùng nước lên xuống (gồm cả phần sóng đánh): Bao gồm các bộ

ph ận kết cấu làm việc ở vị trí giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất

và cao nh ất, tính cả phần bị sóng đánh vào

3 Vùng khí quy ển trên biển và ven biển: Bao gồm các bộ phận kết cấu làm vi ệc trong vùng không khí trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền tới 20km

Sau đây là một số đặc điểm của từng vùng:

2.1.1.1 Vùng ngập nước biển

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các lượng muối hòa tan: cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4, 0,02%KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hòa tan Độ pH

của nước biển đạt 8,0 Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm thực mạnh đối với các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

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

giảm ít nhiều do ảnh hưởng của các con sóng chảy ra biển Thành phần hóa học và độ mặn của nước biển Việt Nam được thể hiện ở bảng 2.1 và bảng 2.2

B ảng 2.1 Thành phần hóa nước biển Việt Nam và trên thế giới[8]

2.1.1.2 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 22,5-22,70C, tăng dần từ Bắc vào Nam Miền Bắc có từ 2 đến 3 tháng mùa đông, nhiệt độ dưới 200C Miền Nam cao đều nhiệt độ quanh năm, biên độ dao động từ 3 đến 70

C

+ Bức xạ mặt trời

Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận được trên vùng ven biển khá lớn từ 100-150 kcal/cm2 Lượng nhiệt bức xạ tăng dần từ Bắc vào Nam và đạt cao nhất tại cực Nam Trung Bộ Với lượng

bức xạ cao như vậy, đã thúc đẩy quá trình bốc hơi nước biển mang theo ion

Cl- vào 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 Cl-

trong không khí

Khí quyển trên biển và ven biển có chứa hàm lượng ion Cl-

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

/m3, ở các tỉnh Miền Nam khoảng từ 1,3-2,0 mg Cl

-/m3 Nồng độ ion Cl-

giảm

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 Cl- có thể cao hơn

2.1.1.3 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 Cl-

Bảng 2.3 Thành phần nước các hồ, biển và đại dương

STT Tên bi ển, đại dương Hàm lượng

mu ối (g/l)

Thành ph ần trung bình các ion c ủa nước ở Đại Tây Dương

2-chiếm 7,7% bằng khoảng 1/7 lượng ion Cl

- Từ các số liệu trên ta thấy trong

1 lít nước biển trung bình có 19,4g Cl

Bảng 2.4 Thành phần nước biển đo tại một số địa điểm ở Việt Nam

Thành ph ần nước biển Đơn vị C ửa Lò Hòn Gai

SO4 2-

Nhi ệt độ bình quân ( o C)

T ốc độ

ăn mòn thép (g/m2

năm)

Hàm lượng hóa chất xâm th ực chính (mg/m3)

Lo ại môi trường xâm

Như vậy, nước biển có tính xâm thực do tác động của trước hết là ion

Cl - , r ồi đến ion SO 4 2- và các ion khác Ngoài ra, môi trường biển, không khí

biển (gió mặn) cũng có tính chất xâm thực do độ ẩm cao và có chứa các ion

2.2.1.1 Gi ới 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

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

B ảng 2.6 Thành phần khoáng vật của xi măng[5]

clanhke Silicat tricanxit

Silicat đi canxit

Aluminat tri canxit

Fero-aluminat tetra canxit

3CaO.SiO2

2CaO.SiO2

3CaO.Al2O34CaO.Al2O3.Fe2O3

từ 70-80% Ngoài các thành phần chính trong chúng còn chứa một lượng

không lớn các khoáng vật khác như: C8A3F và C2F Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu như sau:

C3S – Thành phần quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất, có cường độ cao, rắn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt Trong xi măng tỷ lệ C3S 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

C2S – 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 C2S 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 C3S

C3A – 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 C3A 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 sun phát

C4AF – 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/cm3

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 2 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

Khi tác dụng với nước, thành phần khoáng vật chủ yếu của xi măng sẽ

thủy hóa và thủy phân Khoáng vật C3S sẽ thủy phân trong quá trình tác dụng

với nước theo phản ứng sau[5]:

2(3CaO.SiO2)+ 6H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.1) Khi tác dụng với một lượng nước C2S được thủy hóa theo phương trình sau:

2(2CaO.SiO2)+ 4H2O  3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2(2.2)

Các phản ứng trên là đơn khoáng và với lượng nước thích hợp, tuy nhiên trong thực tế C3S hoạt tính hơn C2S rất nhiều, nên nó nhanh chóng tác dụng với nước và ngăn cản C2S phản ứng với nước Mặt khác phản ứng xảy

ra với lượng nước hạn chế đặc biệt là phản ứng (2.2) Do đó phản ứng (2.2) không có mặt của Ca(OH)2 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.mSiO2.pH2O (viết tắt CSH)

Thành phần C3A kết hợp với nước, tạo thành sản phẩm bền cuối cùng

3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O (2.3)

Nếu không có thạch cao, do C3A rất hoạt tính nên nó nhanh chóng tác dụng với nước tạo ra hai sản phẩm không bền 4CaO.Al2O3.9H20 và 2CaO.Al2O3.8H2O Nhưng khi có thạch cao sẽ tham gia phản ứng với

C3A và nước tạo nên một sản phẩm mới khó hòa tan và nở thể tích (ettringit), theo phương trình sau:

3CaO.Al2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+26H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O(2.4)

Thành phần C4AF phản ứng với nước như sau:

4CaO.Al2O3.Fe2O3+ nH2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.(n-6)H2O (2.5)

Như vậy là sau quá trình thủy hóa, trong đá xi măng bao gồm các hợp

chất sau: Ca(OH)2, CHS, 3CaO.Al2O3.6H2O, ettringit, CaO.Fe2O3.nH2O

2.2.1.2 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, hydroxit canxi 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 hạt 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 A0 và lỗ rỗng gel đường kính từ 10-1000 A0

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

xi măng

2.2.2 Ăn mòn xi măng

Cơ chế ăn mòn xi măng được trình bày cụ thể trong tài liệu [8] Bê tông

xi măng sau khi đã cứng rắn bao gồm hai thành phần: Đá xi măng và bộ khung cốt liệu Hai thành phần này liên kết với nhau tạo thành một khối vững

chắc và có khả năng chịu lực Khi bê tông sử dụng trong môi trường có tác động xâm thực, nếu không có những biện pháp bảo vệ, nó sẽ bị ăn mòn Trước hết thành phần đá xi măng bị phá hoại, vì nó dễ bị ăn mòn hơn cốt liệu Khi đá xi măng bị ăn mòn, thì liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu cũng bị phá hoại và cuối cùng bê tông bị phá hủy Do vậy, có thể nói ăn mòn đá xi măng cũng có nghĩa là ăn mòn đối với bê tông

Bê tông có thể bị ăn mòn hóa học ở cả ba môi trường sử dụng: Lỏng, rắn và khí

- Ăn mòn trong môi trường lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước

biển, nước chua phèn, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải của các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp Các loại nước này thường chứa các nhân tố có tính chất gây ăn mòn Ăn mòn trong môi trường lỏng là loại ăn mòn rất phổ biến đối với các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình xây dựng ở môi trường biển, các công trình làm việc trong nước, dưới đất có nước ngầm; các nhà máy, xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa chất

- Ăn mòn trong môi trường khí xảy ra khi bê tông tiếp xúc với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mòn, thường gặp ở các khu vực xung quanh các nhà máy có sử dụng và chế biến hóa chất hoặc các công trình có tiếp xúc với không khí biển và trong môi trường khí hậu ven biển

- Ăn mòn trong môi trường rắn xảy ra khi bê tông tiếp xúc với một số loại hóa chất như phân khoáng, thuốc trừ sâu Nhưng ăn mòn trong điều kiện này cũng chỉ diễn ra khi các hóa chất bị ẩm

Ăn mòn bê tông sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền của kết cấu công trình bê tông Sự phá hoại công trình xây dựng do bị ăn mòn gây nên tổn thất rất lớn

về kinh tế Chính vì vậy, đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu và đề cập đến các vấn đề có liên quan đến ăn mòn bê tông trong nhiều tài liệu khoa học

Tùy theo tác dụng của các tác nhân ăn mòn nhiều hay ít, sự ăn mòn được phân ra ba mức độ: Ăn mòn mạnh, ăn mòn trung bình và ăn mòn yếu

Sự ăn mòn bê tông rất đa dạng và diễn ra rất phức tạp, các quá trình ăn mòn này xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Sự ăn mòn có thể do tác động xói mòn của dòng chảy, ăn mòn do vi sinh vật bám trên bề mặt kết cấu bê tông, do thay đổi các điều kiện vật lí hoặc có sự tác động của hiện tượng điện hóa Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu gây ăn mòn bê tông là do có sự thay đổi

về mặt hóa học trong thành phần của đá xi măng dưới tác động của các hợp

chất hóa học có trong môi trường Trong thành phần của đá xi măng có các

sản phẩm thủy hóa như Ca(OH)2 và C3AH6 dễ hòa tan, chúng tan vào nước, làm cho cấu trúc bê tông bị rỗng, do đó cường độ bê tông giảm và có thể bị phá hủy Mặt khác, chúng có tính hoạt động hóa học mạnh, dễ tương tác với một số hợp chất hóa học của môi trường (các axit và muối…), tạo thành các

sản phẩm mới dễ tan trong nước hơn hoặc nở thể tích nhiều, gây nội ứng suất

phá hoại kết cấu bê tông, hoặc tạo thành các chất vô định hình, rời rạc, không

có tính chất kết dính

Quá trình ăn mòn diễn ra mạnh hay yếu tùy thuộc vào đặc tính của xi măng, loại và lượng dùng phụ gia trong xi măng, nồng độ của các tác nhân hóa học trong môi trường ảnh hưởng đáng kể đến quá trình ăn mòn Các yếu

tố như trạng thái và nhiệt độ môi trường, mức tải trọng làm việc của các kết cấu… cũng có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ ăn mòn

Trong các yếu tố kể trên thì đặc tính của xi măng và độ đặc của bê tông

là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến sự ăn mòn Khi bê tông bị rỗng, sự thầm thấu của nước tăng lên, dẫn đến sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, do đó

có điều kiện tiếp xúc và tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng Các sản phẩm thủy hóa càng dễ bị ăn mòn, thì ăn mòn bê tông càng mạnh hơn

2.2.3 Tác động ăn mòn xi măng của nước biển

Tác động phá hoại của các loại xâm thực đã được nêu ở Chương I sẽ được giải thích chi tiết tiếp sau đây với 3 loại phá hoại thường gặp đã nêu là:

Phá hoại do ăn mòn bê tông

Phá hoại do ăn mòn cốt thép

Phá hoại do mài mòn bề mặt bê tông

2.2.3.1 Phá ho ại do ăn mòn bê tông

Quá trình ăn mòn bê tông trong nước biển do nhiều phản ứng đồng thời

và phụ thuộc lẫn nhau, tạo ra các cơ chế khác nhau: Hoà tan - ngâm chiết;

phản ứng trao đổi; kết tủa của các hợp chất không tan; kết tinh các muối giãn

nở Dựa vào các thành phần muối hoà tan chủ yếu trong nước biển, các phản ứng chính có khả năng phá huỷ bê tông là:

a Ph ản ứng do ion Clo