Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm tìm ra giải pháp khoa học, kinh tế và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam, nhằm nâng cao độ bền cho BT-BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO
BÊ TÔNG – BÊ TÔNG CỐT THÉP CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN VIỆT NAM
Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số : 62.58.40.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2016
Trang 2Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Vũ Quốc Vương
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Ngô Trí Viềng
Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên, Hội Thủy lợi Việt Nam
Phản biện 2: PGS.TS Lương Đức Long, Viện Vật liệu Xây dựng – Bộ XD Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Thủy Lợi
Vào hồi 8h30 ngày 16 tháng 9 năm 2016
Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài hơn 3260km và hiện đang chịu những ảnh hưởng nặng nề do tác động của biến đổi khí hậu, nhất là nước biển dâng gây ra Các công trình biển nói chung và đê biển nói riêng hiện nay thường dùng đến vật liệu bê tông và bê tông cốt thép (BT-BTCT) Do làm việc trong môi trường biển phải chịu những tác nhân gây ăn mòn phá hủy mạnh đồng thời chịu tác động tổ hợp của nhiều yếu tố nên công trình biển bằng BT-BTCT có độ bền và tuổi thọ thực tế thấp hơn nhiều so với các công trình tương
tự trong sông Thiệt hại do những hư hỏng của các công trình này gây ra là rất đáng kể và nghiêm trọng
Để giảm bớt những tổn thất nặng nề cả về người và của, đẩy mạnh việc phát triển nền kinh tế biển và đảm bảo an ninh quốc phòng, việc tạo ra được các hệ thống đê và công trình bảo vệ bờ biển vững chắc, có độ bền cao và tuổi thọ dài
là một vấn đề rất cần được quan tâm và chú trọng Với ý nghĩa đó, tác giả chọn
đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ bền cho bê tông-bê tông cốt thép của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển Việt Nam”
2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Tìm ra giải pháp khoa học, kinh tế và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam, nhằm nâng cao độ bền cho BT-BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu đối với bê tông và bê tông cốt thép các kết cấu bảo vệ mái đê và
bờ biển thường xuyên chịu tác động của nước biển, sóng và bão;
- Tập trung vào nghiên cứu nâng cao độ bền cho bê tông và lấy bê tông để bảo
vệ cốt thép, từ đó tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ cho cả bê tông và bê tông cốt thép các kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển Việt Nam
5 Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, bao gồm cả phần thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường
Trang 46 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Phân tích, đánh giá được những tác động gây nên sự phá
hoại kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT, từ đó lựa chọn giải pháp thích hợp là sử dụng kết hợp các loại phụ gia để tạo ra một loại bê tông mới có
độ bền cao dùng cho các công trình này
- Ý nghĩa thực tiễn: Lựa chọn được tỷ lệ phụ gia hợp lý, góp phần tạo ra kết cấu
BT–BTCT có độ bền cao và hiệu quả kinh tế, từ đó đáp ứng yêu cầu to lớn trong xây dựng hệ thống đê và công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam
7 Những đóng góp mới của luận án
(1) Trên cơ sở phân tích khoa học đã lựa chọn được tổ hợp phụ gia gồm tro bay,
silica fume và phụ gia hóa dẻo để chế tạo bê tông có độ bền cao dùng cho các kết cấu bê tông – bê tông cốt thép bảo vệ mái đê và bờ biển Việt Nam
(2) Bằng nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được tỷ lệ phụ gia hợp lý đáp
ứng các yêu cầu kỹ thuật và cải thiện độ bền dưới tác động của các yếu tố hóa học, cơ học của bê tông dùng cho kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển Đã chế tạo được tấm lát mái theo cấp phối đề xuất và thử nghiệm thành công cho mái đê biển Giao Thủy – Nam Định
(3) Xây dựng được “Phần mềm tính toán thành phần bê tông có sử dụng phụ
gia” tiện dụng, đơn giản giúp cho việc xác định thành phần vật liệu thí nghiệm
bê tông nhanh chóng và đảm bảo chính xác
8 Cấu trúc của luận án: Gồm 4 chương chính
Chương 1: Tổng quan về kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT; Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu;
Chương 3: Xác định tổ hợp phụ gia để nâng cao độ bền cho BT-BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển;
Chương 4: Ứng dụng bê tông có độ bền cao cho cấu kiện bảo vệ mái đê biển Giao Thủy – Nam Định
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN BẰNG BÊ TÔNG – BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1 Hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT
Dựa vào hình thức mặt cắt ngang đặc trưng, đê biển có thể được phân thành 3 loại: Đê tường đứng; Đê mái nghiêng, có hoặc không có cơ đê ở hai phía; Đê hỗn hợp, trên nghiêng dưới đứng, hoặc trên đứng dưới nghiêng
Trong những bộ phận cấu tạo nên đê biển, phần trực tiếp chịu tác động của sóng, dòng chảy và thủy triều là những điểm xung yếu, dễ bị phá hoại, có ảnh hưởng nhiều đến sự an toàn của mỗi tuyến đê và chiếm tỷ lệ kinh phí đáng kể trong các dự án đê điều hiện nay thường được chế tạo bằng vật liệu BT-BTCT
Kết quả khảo sát hiện trạng cho thấy hầu hết các công trình bằng BT-BTCT đều nằm trong tình trạng ăn mòn phá hủy dẫn đến giảm độ bền, tuổi thọ, mặc dù ở mức độ khác nhau Tình trạng ăn mòn phá hủy các công trình phụ thuộc vào điều kiện môi trường, vị trí của kết cấu công trình nằm chìm trong nước biển, vùng nước lên xuống, sóng đánh hay trên môi trường không khí biển
- Các công trình được xây dựng ở vùng biển hoặc ven biển chịu tác động trực tiếp của những thành phần của môi trường khí hậu biển gồm: Thành phần hóa học của nước biển; Nhiệt độ; Áp lực thủy tĩnh; Thủy triều; Sóng; Sương mù và bụi nước; Băng nổi và sinh vật biển
- Các kết cấu BT-BTCT làm việc trong môi trường biển có thể bị phá hoại dưới các hình thức: Phá hoại bê tông do tác động vật lý và cơ học; Phá hoại bê tông
do tác động hóa học và sinh học; Phá hoại cốt thép do tác động hóa học
- Kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển là đối tượng nghiên cứu chính của luận án thuộc vùng nước lên xuống là vùng chịu tác động nguy hiểm nhất của môi trường biển do phải chịu ảnh hưởng đồng thời của cả quá trình ăn mòn cốt thép, tác động mài mòn cơ học va đập và ăn mòn hóa học, vi sinh đối với bê tông, vì vậy sức phá hoại là rất lớn
Trang 61.2 Tình hình nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT làm việc trong môi trường biển
Vấn đề nghiên cứu ăn mòn, phá hủy và biện pháp tăng độ bền cho các công trình BT-BTCT nói chung đã được các nước phát triển trên Thế giới quan tâm
từ năm 1920 Nhiều nước đã hình thành các trung tâm nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ công trình qui mô lớn, đã có nhiều nhà khoa học Quốc tế chuyên sâu nghiên cứu về vấn đề này, nhiều sách chuyên ngành được phát hành và rất nhiều bài báo khoa học được đăng trên các tạp chí
Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ công trình biển đã được tiến hành từ năm 1970 Một số đơn vị đã có bề dày trong lĩnh vực nghiên cứu này Một số hội thảo chuyên đề đã được tổ chức với các báo cáo nghiên cứu chuyên sâu có giá trị Nhiều đề tài thực hiện ở các cấp, luận án tiến sĩ, thạc sĩ đã tiến hành nghiên cứu về giải pháp nâng cao độ bền cho công trình BT-BTCT trong môi trường biển, hay nghiên cứu cải thiện tính năng của BT-BTCT thường thành loại bê tông chất lượng cao, siêu cao cũng là loại bê tông có khả năng ứng dụng tốt cho các công trình biển
Nhận xét về các kết quả NC đã công bố được tóm tắt như sau:
(1) Chưa có NC nào ứng dụng cụ thể cho BT-BTCT kết cấu bảo vệ mái đê và
bờ biển; (2) Số giải pháp NC đã được triển khai áp dụng vào thực tế còn ít; (3)
Có NC sử dụng loại XM đặc chủng thay thế XMPo thông thường Tuy nhiên, các loại XM này thường có giá thành cao hoặc không sẵn trên thị trường dẫn đến công trình có chi phí cao và đôi khi không chủ động được nguồn cung cấp;
(4) Có NC chỉ sử dụng một loại PG nên giải pháp đưa ra chưa được toàn diện; (5) Số NC thí nghiệm chỉ tiêu độ mài mòn còn ít, hoặc dùng phương pháp thí
nghiệm chưa phù hợp với điều kiện tác động của sóng và dòng chảy biển nên
chưa đánh giá đúng tính hiệu quả của giải pháp được chọn; (6) Các thí nghiệm
đánh giá độ thấm ion Cl
đều dùng phương pháp gián tiếp mà không đánh giá
Trang 7trực tiếp lượng ion Cl có trong BT; (7) Hầu hết các NC tiến hành thí nghiệm
trong thời đoạn ngắn như 7, 28, 90 ngày; như vậy kết quả đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phụ gia đối với các tác động của môi trường biển chưa được chính
xác; (8) Một số NC chế tạo BT cường độ cao hay siêu cao với mác thiết kế lên
đến 60-:-100MPa Các NC này không phù hợp cho BT công trình bảo vệ mái đê
và bờ biển vì thực tế các kết cấu này thường chỉ yêu cầu mác 25-:-30MPa
(1) Quan điểm về giải pháp chống ăn mòn cho kết cấu BT-BTCT thực hiện
trong đề tài là “nâng cao độ bền cho bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép”;
(2) Nghiên cứu nâng cao độ bền cho BT cả về mặt cơ học và hóa học;
(3) Thí nghiệm chỉ tiêu mài mòn theo đúng điều kiện tác động thực vào kết cấu; (4) Xác định trực tiếp lượng ion Cl- xâm nhập vào BT ở những vị trí khác nhau, sau những khoảng thời gian khác nhau để có cơ sở đánh giá chính xác hơn khả năng bảo vệ cốt thép của BT;
(5) NC theo hướng sử dụng nguồn vật liệu sẵn có trong điều kiện Việt Nam, có
sự kết hợp của một số loại với nhau nhằm đưa ra một giải pháp toàn diện về mặt kỹ thuật mà vẫn đảm bảo tính kinh tế và khả thi khi áp dụng thực tế
1.3 Cơ sở khoa học lựa chọn giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển trong điều kiện Việt Nam
1.3.1.1 Giải pháp nâng cao độ bền ăn mòn
(1) Thay đổi thành phần khoáng của xi măng; (2) Biến đổi sản phẩm thủy hóa của xi măng; (3) Tăng độ đặc cấu trúc bê tông; (4) Ngăn cách bê tông với môi trường ăn mòn; (5) Ngăn chặn sự xâm nhập ion Cl-
vào trong BT
1.3.1.2 Giải pháp nâng cao độ bền mài mòn
(1) Tăng cường độ đá xi măng; (2) Tăng cường độ vùng chuyển tiếp giữa cốt
liệu và đá xi măng
mái đê và bờ biển
Sau khi xem xét các giải pháp, LA chọn cách dùng kết hợp một số loại phụ gia
để thỏa mãn: (1) Biến đổi sản phẩm thủy hóa xi măng để vô hiệu hóa các thành
Trang 8phần gây hại bê tông; (2) Tạo nên những sản phẩm thủy hóa có mức độ kết tinh cao, sắp xếp chặt chẽ; (3) Hạn chế sự khuyếch tán ion Cl-
; (4) Nâng cao độ đặc
chắc của bê tông, đặc biệt là vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi măng
Sau khi phân tích LA lựa chọn tổ hợp phụ gia cuối cùng dùng cho nghiên cứu gồm: Tro bay+ Silica fume+Phụ gia hóa dẻo giảm nước
Hình 1-26 Sơ đồ tóm tắt vai trò, tác dụng của các loại PG dùng trong NC
1.4 Kết luận chương 1
(1) Làm rõ nguyên nhân , cơ chế phá hủy các kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển
là do tác động đồng thời của nhiều tác nhân từ môi trường biển mà hai yếu tố
chính là tác động hóa học và tác động cơ học;
(2) Chọn được giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT kết cấu bảo vệ mái đê
và bờ biển là biến đổi các sản phẩm thủy hóa của xi măng, nâng cao độ đặc chắc, giảm độ thấm và khuếch tán ion Cl- vào trong bê tông và dùng bê tông để bảo vệ cốt thép;
(3) Làm rõ cơ sở khoa học để đưa ra phương án sử dụng tổ hợp phụ gia gồm tro
bay, silica fume và phụ gia hóa dẻo để nâng cao cường độ, độ bền cho BTCT kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển, đảm bảo mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật, kinh tế và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam
Trang 9BT-CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
Xi măng Bút Sơn PC40 (TCVN 2682:2009); Tro tuyển Phả Lại (TCVN 10302:2014); Silica fume của hãng Castech (TCVN 8827:2011); Cát Sông Lô (TCVN 7570:2006); Cát tiêu chuẩn:của Viện VLXD (TCVN 6227:1996); Đá dăm Kiện Khê (TCVN7570:2006); Phụ gia hóa dẻo HWR100 của Castech; Dùng nước từ nguồn cấp nước sinh hoạt (TCVN 4506:2012)
2.2 Các phương pháp thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu
2.2.1 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu:
TCVN 4030, TCVN 6016, TCVN 6017, TCVN 8827, TCVN 7131, TCVN7572
Đề xuất thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính bằng vữa tươi với độ lưu động được cố định dựa trên độ dẻo của vữa đối chứng chỉ có xi măng
- TCVN3105, TCVN3106, TCVN3108, TCVN3113, TCVN 3115, TCVN3118;
- Đề xuất dùng 3 phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn nước ngoài gồm: + Xác định tính thấm nước theo phương pháp đo độ thấm xuyên sâu theo EN 12390-8, sau đó dựa vào phương trình Valenta xác định hệ số thấm;
+ Xác định độ mài mòn theo ASTM C1138 đảm bảo đánh giá đúng thực trạng tác động mài mòn của sóng, dòng chảy và thủy triều có lẫn các hạt rắn;
+ Xác định độ thấm ion Cl- bằng máy CL-3000 phù hợp với ASTM C1152
- Thí nghiệm phân tích tia rơnghen X-Ray
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA
- Thí nghiệm chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét SEM
2.3 Phương pháp tính toán thành phần bê tông dùng trong nghiên cứu
Tính toán thành phần bê tông theo hướng dẫn của Bộ Xây dựng trong cuốn
“Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại” có bổ sung thêm phần xét đến đặc thù của bê tông có sử dụng phụ gia để đảm bảo tính chính xác cho kết quả tính toán được cho phần thực nghiệm
Trang 10Ảnh chụp thí nghiệm thấm theo phương pháp đo độ thấm xuyên sâu như trên hình 2-8 Ảnh chụp thí nghiệm mài mòn bê tông trong nước như trên hình 2-9
Hình 2-8 Mẫu bê tông sau khi ép bửa và đo độ thấm xuyên sâu
Hình 2-9 Máy và mẫu thí nghiệm độ mài mòn BT theo tiêu chuẩn ASTM
C1138
2.4 Kết luận chương 2
(1) LA sử dụng các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn
để xác định những chỉ tiêu cần thiết cho các loại vật liệu sử dụng trong NC;
(2) Từ những kết quả phân tích về hạn chế của một số phương pháp thí nghiệm
nếu áp dụng cho đối tượng và nội dung nghiên cứu của luận án, tác giả đề xuất: + Điều chỉnh phương pháp thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính, phương pháp tính toán thành phần BT khi có sử dụng phụ gia;
+ Áp dụng 3 tiêu chuẩn nước ngoài mà các nghiên cứu trước đây về bê tông công trình biển chưa sử dụng;
Các phương pháp thí nghiệm và tính toán theo đề xuất giúp đánh giá chính xác các chỉ tiêu, thành phần của BT và đảm bảo phù hợp với điều kiện làm việc thực của đối tượng nghiên cứu trong LA là kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển
Trang 11CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH TỔ HỢP PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO BT-BTCT CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN
3.1 Tổng quát
- Tiến hành thí nghiệm từ tổ hợp vật liệu nhỏ là xi măng và hỗn hợp chất kết dính, đến tổ hợp vật liệu lớn hơn là vữa, rồi cuối cùng đến tổ hợp vật liệu lớn nhất cũng chính là đối tượng nghiên cứu chính của luận án là bê tông;
- Dùng bốn tỷ lệ PGK thay thế xi măng là: 30% tro bay+0% silica fume-T30S0, 25% tro bay+5% silica fume-T25S5, 20% tro bay+10% silica fume-T20S10, 15% tro bay+15% silica fume-T15S15 và bốn tỷ lệ phụ gia hóa dẻo so với lượng dùng chất kết dính để nghiên cứu là 0,3%-P0,3; 0,35%-P0,35; 0,4%-P0,4; và 0,45%-P0,45
3.2 Xác định các chỉ tiêu của xi măng và chất kết dính
- Về vai trò của phụ gia hóa dẻo giảm nước: Các mẫu có sử dụng phụ gia hóa
dẻo thì lượng nước tiêu chuẩn đều nhỏ hơn so với các mẫu không pha phụ gia
- Về ảnh hưởng của lượng tro bay và silica fume: Với cùng tỷ lệ phụ gia hóa
dẻo, các mẫu có sử dụng phụ gia khoáng đều tuân theo một qui luật chung, đó là: mẫu chỉ dùng tro bay X-T30S0, thì lượng nước tiêu chuẩn giảm đi; trong khi các mẫu có sử dụng cả tro bay và silica fume, thì với tỷ lệ tro bay giảm dần và silica fume tăng dần thì lượng nước tiêu chuẩn dần tăng lên
3.2.2.1 Xác định hàm lượng ion Cl - và lượng SO 3 : Kết quả cho thấy
- Lượng thấm ion Cl- và hàm lượng SO3 của các tổ mẫu có pha phụ gia đều giảm so với mẫu đối chứng không pha phụ gia
- Xét về khả năng chống lại sự phá hoại do xâm thực của ion Cl- và sunphat trên các mẫu đá xi măng, thì cấp phối X-T20S10P0,4 được xem là tốt nhất, tiếp sau là cấp phối X-T25S5P0,4
3.2.2.2 Các thí nghiệm phân tích hiện đại: Thể hiện trên các hình 3-4-:-3-9
Kết quả thí nghiệm trên các mẫu đá xi măng đã phần nào cho thấy hiệu quả sử dụng tổ hợp phụ gia để biến đổi sản phẩm thủy hóa, hạn chế các thành phần gây hại đối với BT-BTCT, đồng thời hạn chế sự xuất hiện các vết nứt do tác động
ăn mòn gây ra, là cơ sở để tiếp tục tiến hành các thí nghiệm với vữa
Trang 12Hình 3-4 X-Ray mẫu X-T 0 S 0 P 0 , 28 ngày Hình 3-5 X-Ray mẫu X-T 20 S 10 P 0 , 4 28 ngày
Hình 3-6 TGA mẫu X-T 0 S 0 P 0 , 28 ngày Hình 3-7 TGA mẫu X-T 20 S 10 P 0,4 , 28 ngày
Hình 3-8 SEM của mẫu X-T 0 S 0 P 0 , 28 và 60 ngày
Hình 3-9 SEM của mẫu X-T 20 S 10 P 0,4 , 28 và 60 ngày
Trang 133.3 Xác định các chỉ tiêu của vữa
- Khi sử dụng tro bay thay thế xi măng lượng nước yêu cầu tạo hỗn hợp vữa có
độ dẻo tiêu chuẩn giảm đi một chút Khi sử dụng silica fume thay thế xi măng
thì lượng nước tiêu chuẩn tăng lên so với mẫu không có phụ gia khoáng và mẫu chỉ dùng tro bay thay thế xi măng
- Kết quả thí nghiệm xác định LNTC của xi măng và vữa phù hợp với lý thuyết
đề cập về ảnh hưởng của hình dạng hạt tro bay và kích thước hạt silica fume đối với lượng nước yêu cầu khi dùng trong thành phần bê tông
Dùng LNTC của hỗn hợp vữa để trộn, đúc mẫu xác định cường độ chất kết dính Kết quả xác định được như ở bảng 3-6 và hình 3-11
Bảng 3-6 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính