Sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tông_unprotected

65 3.3.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến tính chống thấm của bê tông sử dụng trong công trình biển .... Theo đánh giá về độ bền tuổi thọ của các c

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trích dẫn,

kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2016

Tác giả luận văn

Đồng Quang Đức

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên nghành vật liệu xây dựng với Đề tài “Sử dụng

v ật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tông cống vùng tri ều” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Phó Uyên -

Viện Thủy Công

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường Đại học Thủy

Lợi, các thầy cô giáo Khoa Công trình, bộ môn Vật liệu xây dựng nhà trường, tác

giả các bài báo, tạp chí chuyên nghành, …và đặc biệt là tập thể thầy giáo hướng dẫn

đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả chân thành cảm ơn Công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Khai thác công trình thủy lợi Đa Độ, Hải Phòng- nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập và làm thí nghiệm hoàn thành luận văn

Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đối với sự động viên to lớn của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp Đó là nguồn động lực mạnh mẽ giúp tôi hoàn thành luận văn này

Với khả năng có hạn, luận văn khó tránh khỏi những thiếu xót, tác giả rất mong

nhận được những chỉ bảo, góp ý chân tình của các nhà khoa học, chuyên gia trong

và ngoài nghành cùng các đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2016

Tác giả luận văn

Đồng Quang Đức

MỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

M ỤC LỤC iii

DANH M ỤC HÌNH ẢNH vi

DANH M ỤC BẢNG BIỂU viii

DANH M ỤC CHỮ VIẾT TẮT x

PH ẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH BIỂN, CÁC DẠNG XÂM TH ỰC BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH BIỂN VÀ VẬT LIỆU THẨM THẤU K ẾT TINH GỐC XI MĂNG 4

1.1 Tổng quan về bê tông và bê tông công trình biển 4

1.2 Thực trạng các công trình ven biển sử dụng bê tông 5

1.3 Phân loại môi trường xâm thực BT và BTCT 7

1.4 Các vùng làm việc và mức độ xâm thực kết cấu bê tông công trình biển 8

1.5 Các dạng hư hỏng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép do quá trình xâm thực 10

1.5.1 Hư hỏng tại các vùng hoàn toàn ngập nước 13

1.5.2 Hư hỏng tại các vùng nước lên xuống và sóng đánh 14

1.5.3 Hư hỏng tại các vùng khí quyển trên biển và ven biển 15

1.6 Các nguyên nhân gây xâm thực và phá hủy các công trình BT và BTCT trong môi trường biển Việt Nam 16

1.7 Một số giải pháp nâng cao tuổi thọ cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường nước mặn và chua phèn 17

1.7.1 Các giải pháp cơ bản 17

1.7.2 Phân tích về ưu nhược điểm và tính khả thi của các giải pháp 18

1.7.3 Giải pháp đề xuất 19

1.8 Tổng quan về công nghệ vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng 19

1.8.1 Khái niệm vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng 20

1.8.2 Một số kết quả nghiên cứu và sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng trên thế giới và tại Việt Nam 20

Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C ỨU 25

2.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao một số tính chất của bê tông 25

2.1.1 Cấu trúc lỗ rỗng và hiện tượng thấm nước của bê tông 25

2.1.2 Giải pháp chống thấm theo cơ chế thẩm thấu kết tinh 27

2.2 Vật liệu sử dụng 30

2.2.1 Xi măng 30

2.2.2 Cốt liệu nhỏ 31

2.2.3 Cốt liệu lớn 32

2.2.4 Vật liệu TKX HyCI-CT09 32

2.2.5 Vật liệu TKX Aquafin IC 38

2.3 Tiêu chuẩn áp dụng 40

2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng trong nghiên cứu 40

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 42

- Đề tài tiến hành thí nghiệm kiểm tra các tính chất cơ lý của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu 42

2.4 Một số quy trình áp dụng trong nghiên cứu 42

2.4.1 Quy trình trộn bê tông trong phòng thí nghiệm 42

2.4.2 Phương pháp chế tạo mẫu bê tông 43

2.4.3 Phương pháp thi công vật liệu TKX lên bề mặt bê tông 46

2.4.4 Thí nghiệm độ mài mòn bê tông 49

2.4.5 Cường độ bám dính với bề mặt bê tông 55

Kết luận chương 2 56

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG SỬ D ỤNG VẬT LIỆU THẨM THẤU KẾT TINH GỐC XI MĂNG 57

3.1 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông M200 57

3.1.1 Bước 1 - Chọn độ sụt 57

3.1.2 Bước 2 - Chọn lượng nước trộn bê tông 57

3.1.3 Bước 3 - Tính tỷ lệ xi măng/nước (X/N) 58

3.1.4 Bước 4 - Tính lượng dùng xi măng (X) 60

3.1.5 Bước 5 - Tính hoặc tra bảng cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi) 60

3.1.6 Bước 6 - Lượng cốt liệu nhỏ cho 1 m3 bê tông (C) 62

3.2 Một số tính chất của bê tông M200 và bê tông M250 63

3.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến một số tính chất của bê tông sử dụng trong công trình biển 65

3.3.1 Điều kiện thử nghiệm sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến một số tính chất của bê tông 65

3.3.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến tính chống thấm của bê tông sử dụng trong công trình biển 68

3.3.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến tính chống mài mòn của bê tông sử dụng trong công trình biển 76

3.3.4 Nghiên cứu cường độ bám dính của vật liệu TKX với bê tông 80

Kết luận chương 3 81

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

1 Kết luận 83

2 Kiến nghị 84

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 85

PH Ụ LỤC 1 QUY TRÌNH THI CÔNG VẬT LIỆU TKX 86

1 Chuẩn bị bề mặt thi công 86

2 Chuẩn bị hỗn hợp CT-09 86

3 Quy trình thi công 87

4 Nghiệm thu 88

PH Ụ LỤC 2 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 89

PH Ụ LỤC 3 MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆMs 93

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lớp bê tông bảo vệ cốt thép thi công không đảm bảo 7

Hình 1.2 Thân cống nằm trong vùng mực nước dao động bị mài mòn trơ cốt liệu lớn 7

Hình 1.3 Các vùng làm việc của kết cấu bê tông công trình biển 9

Hình 1.4 Phần thân cống bị mài mòn 11

Hình 1.5 Trương nở cốt thép 11

Hình 1.6 Xâm thực do mực nước dao động (ăn mòn khí quyển) 12

Hình 1.7 Dàn công tác bị ăn mòn trơ cốt thép 12

Hình 1.8 Bê tông thân cống bị ảnh hưởng do quá trình ăn mòn 12

Hình 1.9 Trương nở cốt thép làm bong lớp bê tông bảo vệ 12

Hình 2.1 Bề mặt bê tông dưới kính hiển vi có rất nhiều kẽ nứt 28

Hình 2.2 Một kẽ nứt được phóng đại lên 2.000 lần 28

Hình 2.3 Phun vật lệu TKX lên bề mặt bê tông 29

Hình 2.4 Sau khi phun vật liệu TKX lên bề mặt bê tông 29

Hình 2.5 Sau khi vật liệu TKX cứng rắn trong lỗ rỗng bê tông 30

Hình 2.6 Ảnh chụp vi cấu trúc 30

Hình 2.7 Chuẩn bị vật liệu trộn BT 43

Hình 2.8 Trộn bê tông đúc mẫu 43

Hình 2.9 Chuẩn bị khuôn đúc mẫu và quét dầu chống dính khuôn 44

Hình 2.10 Đầm và đúc mẫu bê tông 45

Hình 2.11 Mẫu bê tông sau khi đúc 45

Hình 2.12 Bảo quản mẫu trong điều kiện phòng thí nghiệm 45

Hình 2.13 Vệ sinh bề mặt mẫu đảm bảo yêu cầu 47

Hình 2.14 Quá trình trộn vật liệu HYCI - CT09B 48

Hình 2.15 Quét vật liệu TKX lên bề mặt bê tông 49

Hình 2.16 Thiết bị thí nghiệm mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM C1138 53

Hình 2.17 Mẫu trước khi thí nghiệm mài mòn 54

Hình 2.18 Mẫu sau khi thí nghiệm mài mòn 54

Hình 2.19 Đầu kéo và thiết bị đo cường độ bám dính 55

Hình 3.1 Bản đồ hệ thống thủy lợi Đa Độ 67

Hình 3.2 Cống Cổ Tiểu III nhìn từ phía hạ lưu 67

Hình 3.3 Kết quả thí nghiệm độ chống thấm 75

Hình PL1.1 Máy phụt nước cao áp dùng để vệ sinh bề mặt bê tông xử lý thấm 86

Hình PL1.2 Trộn hỗn hợp bằng máy khoan tay có cánh khuấy 87

Hình PL1.3 Máy phun hỗn hợp CT-09 88

Hình PL1.4 Thi công phun hỗn hợp lên bề mặt xử lý thấm 88

Hình PL2.1 Chuẩn bị cốt liệu trộn bê tông 89

Hình PL2.2 Trộn bê tông 90

Hình PL2.3 Thử tính công tác hỗn hợp bê tông 91

Hình PL2.4 Đúc mẫu bê tông 91

Hình PL2.5 Mẫu bê tông sau khi đúc 91

Hình PL2.6 Ngâm mẫu thí nghiệm tại cống Cổ Tiểu III – Hải Phòng 92

Hình PL2.7 Vớt mẫu thí nghiệm sau khi ngâm tại cống Cổ Tiểu III – Hải Phòng 93

Hình PL2.8 Thí nghiệm độ chống thấm của mẫu bê tông 93

Hình PL2.9 Thí nghiệm độ mài mòn của mẫu bê tông 93

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mức độ xâm thực tại các vùng 9

Bảng 1.2 Thành phần nước biển của Việt Nam và trên thế giới 13

Bảng 1.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam, o /oo 14

Bảng 1.4 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công trình 15

Bảng 1.5 Một số công trình bê tông lớn trên thế giới áp dụng công nghệ chống thấm TKX 20

Bảng 1.6 Một số công trình sử dụng vật liệu TKX tại Việt Nam 22

Bảng 2.1 Các tính chất cơ lí của xi măng PCB40 Chinfon 30

Bảng 2.2 Các tính chất cơ lí của cốt liệu nhỏ 31

Bảng 2.3 Kết quả thành phần hạt của cát 31

Bảng 2.4.Tính chất cơ lí của cốt liệu lớn 32

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của vật liệu TKX 34

Bảng 2.6 Thành phần khoáng của vật liệu TKX 35

Bảng 2.7 Thành phần hạt của cát thạch anh 36

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu và mức chất lượng 37

Bảng 2.9 Thành phần hóa học của chống thấm IC 39

Bảng 2.10 Thành phần khoáng của chống thấm IC 40

Bảng 2.11 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu 40

Bảng 2.12 Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tông 41

Bảng 2.13 Chỉ tiêu cần xác định và hình dáng, kích thước viên mẫu 43

Bảng 3.1 Độ sụt bê tông cho các dạng kết cấu 57

Bảng 3.2 Lượng dùng nước cho 1 m3 bê tông (vật liệu khô hoàn toàn) 58

Bảng 3.3 Hệ số tra A và A' 60

Bảng 3.4 Bảng tra hệ số dư vữa Kd 62

Bảng 3.5 Thành phần cấp phối tính toán của bê tông M200 63

Bảng 3.6 Thành phần cấp phối tính toán của bê tông M250 63

Bảng 3.7 Thành phần cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu 63

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm cường độ nén 63

Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm độ chống thấm 64

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm độ chống thấm bê tông M200 68

Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm độ chống thấm bê tông M250 71

Bảng 3.12 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm độ chống thấm 74

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn bê tông M200 76

Bảng 3.14 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn bê tông M250 78

Bảng 3.15 Cường độ bám dính của vật liệu TKX lên bê tông 81

QPTL Quy phạm Thuỷ lợi

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TKX Vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8037’ đến 21032’ vĩ độ Bắc Sau năm 1960 số lượng các công trình làm việc trong môi trường biển tăng đáng kể Theo kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học công nghệ Xây dựng, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học thuỷ lợi, Viện Khoa

học công nghệ Giao thông vận tải, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, v.v… thì tình trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông (BT) và bê tông cốt thép (BTCT) làm việc trong môi trường biển đáng để quan tâm

Theo đánh giá về độ bền (tuổi thọ) của các công trình BTCT của các quốc gia trên

thế giới qua hơn một thế kỷ sử dụng cho thấy trong môi trường không có tính xâm

thực, kết cấu BT có thể làm việc bền vững trên 100 năm; trong môi trường xâm

thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và BT dẫn đến làm nứt vỡ và phá hủy

kết cấu BT, BTCT có thể xuất hiện sau 10 ÷ 30 năm sử dụng Độ bền của các kết

cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu

sử dụng (cường độ BT, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử

dụng công trình …)

Thực tế, có hơn 50% bộ phận kết cấu BT và BTCT bị ăn mòn, hư hỏng nặng hoặc

bị phá huỷ chỉ sau từ 10 ÷ 30 năm sử dụng Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc với môi trường không khí và nước biển Giữa vật liệu và môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân BT luôn thay đổi trạng thái cấu trúc Tác động xâm thực của môi trường biển tới độ bền công trình BT và BTCT

chủ yếu do các quá trình sau:

- Quá trình cacbonat hoá làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép

dẫn đến phá huỷ kết cấu

- Quá trình thấm ion SO42-vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng tạo ra khoáng ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (ăn mòn sunfat)

- Quá trình khuếch tán ôxy, ion Cl- và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ không khí cao

- Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ học do sóng, ăn mòn rửa trôi

Ngoài ra, với đặc thù khí hậu nóng, ẩm, mưa bão nhiều thì tốc độ và mức độ ảnh hưởng của quá trình xâm thực tới công trình BT và BTCT sẽ nhanh hơn, tuổi thọ công trình sẽ giảm đi đáng kể

Có nhiều biện pháp để nâng cao tuổi thọ cho bê tông, trong đó việc sử dụng vật liệu

thẩm thấu kết tinh gốc xi măng được xem là một giải pháp hiệu quả và thực hiện thuận lợi trong điều kiện Việt Nam

Trong Báo cáo dự án sản xuất thử nghiệm cấp Bộ “Hoàn thiện công nghệ sản xuất

v ật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng (chống thấm, mài mòn, ăn mòn) và thi công cho k ết cấu bê tông công trình thủy công” do Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam

chủ trì cũng đã nghiên cứu nâng cao khả năng chống thấm, chống mài mòn bê tông

của vật liệu thẩm thấu kết gốc xi măng Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng

lại ở việc nghiên cứu độ bền chống thấm, chống mài mòn của bê tông M200, M250

sử dụng trong môi trường nước bình thường (công trình hồ chứa nước Nước Trong,

tỉnh Quãng Ngãi) và nghiên cứu độ bền chống thấm, chống mài mòn của bê tông M300, M350 sử dụng trong môi trường nước mặn và chua phèn (nước mặn lấy tại

Hải Phòng, nước chua phèn lấy tại Cà Mau) Còn trên thực tế ở nước ta, các công trình ven biển đã xây dựng từ lâu với mác bê tông chỉ từ 200 ÷ 250 kG/cm2 và chưa quan tâm đến yếu tố xâm thực Điều đó cho thấy cần phải tiếp tục nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của quá trình xâm thực đến kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Xuất phát từ đó, đề tài đã tiến hành nghiên cứu: “Sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh g ốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tông cống vùng triều”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến bê tông

M200, M250 đã và đang được sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình ven

biển nói chung và cống vùng triều nói riêng Từ đó, chỉ ra các hiệu quả để đề xuất

sử dụng tại các công trình cống vùng triều và các công trình tương tự nhằm nâng

cao chất lượng và tuổi thọ công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu bê tông M200, M250 khi có sử dụng và không sử dụng vật liệu thẩm

thấu kết tinh gốc xi măng ở điều kiện bình thường và điều kiện môi trường vùng

triều với các tính chất sau:

- Khả năng chống thấm

- Khả năng chống mài mòn

- Cường độ bám dính của vật liệu TKX với bê tông

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách ti ếp cận

- Tiếp cận thực tiễn

- Tiếp cận lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên c ứu phân tích lý thuyết: Thu thập, tìm hiểu, tổng hợp kinh nghiệm và kết

quả nghiên cứu một số tài liệu trong nước cũng như trên Thế giới về hiện trạng xâm

thực bê tông công trình biển, từ đó đưa ra mục đích nghiên cứu của Luận văn

- Nghiên c ứu thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm một số tính chất (tính công tác,

cường độ nén, độ chống thấm, độ mài mòn, cường độ bám dính của vật liệu TKX

với bê tông) của BT trong phòng thí nghiệm

- L ấy ý kiến chuyên gia: Thông qua trao đổi chuyên môn với các nhà khoa học và

chuyên gia, tác giả đã đúc rút kinh nghiệm từ đó hoàn thiện được Luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH BIỂN, CÁC DẠNG XÂM THỰC BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH BIỂN VÀ VẬT LIỆU THẨM THẤU KẾT TINH GỐC XI MĂNG

1.1 Tổng quan về bê tông và bê tông công trình biển

Bê tông (gốc từ béton trong tiếng Pháp) là một loại đá nhân tạo, được hình thành

bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính, v.v theo một

tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tông) sau quá trình thuỷ hoá và đóng rắn

Kỹ thuật chế tạo và sử dụng bê tông xuất hiện từ thời La Mã cổ đại và được sử dụng

rộng rãi trong suốt giai đoạn tồn tại của Đế quốc La Mã Sau khi đế quốc La Mã sụp

đổ, kỹ thuật sử dụng bê tông cũng bị mai một cho đến khi được tái khám phá vào

giữa thế kỷ XVIII, xong phải đến cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX bê tông mới được ứng dụng trong xây dựng các công trình biển và ven biển

Hiện nay một số quốc gia phát triển trên thế giới đã xây dựng nhiều cống ngăn triều

với quy mô lớn với kiến trúc kỳ diệu trong lĩnh vực công trình thủy Đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến các nước như Anh, Phần Lan, Hà Lan… Một số công trình điển hình như công trình ngăn sông Thames (của Anh); công trình chắn sóng bão, nước biển dâng hạ lưu đông Schede (của Hà Lan); tổ hợp công trình ngăn triều ở Saint Petersburg (của Nga); công trình chắn sóng Maeslandt (của Hà Lan) Các công trình này ngoài tác dụng ngăn triều, chống xâm nhập mặn, chống ngập lụt còn

có tác dụng ngăn mối đe dọa của sóng biển khi có bão Một số công trình cống ngăn triều thi công trực tiếp trên lòng sông lớn với các giải pháp công nghệ xây dựng

chống ăn mòn, phá hủy bê tông được các nước tiên tiến xây dựng phát huy hiệu quả cao; đảm bảo tính bền vững, an toàn và thẩm mĩ, thu hút sự chiêm ngưỡng của các

du khách trên thế giới

Hiện tại và trong tương lai bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi, thuỷ điện, thậm chí trong xây dựng các nhà máy điện nguyên tử (bê tông cản xạ), v.v Theo đánh giá của Hiệp hội bê tông thế giới, thế kỷ XXI là thế kỷ của vật liệu bê tông

Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc phức tạp được tạo nên từ các thành phần: cốt liệu

với hình dạng, kích thước, độ đặc chắc, cường độ, v.v ,khác nhau, chất kết dính chưa thuỷ hoá, nước và phụ gia hoá học, hệ thống các lỗ gel, hệ thống mao quản lớn

và bé, các lỗ rỗng trong đó chứa không khí, hơi nước hoặc nước, các vết

nứt…Trong thành phần đá xi măng bê tông gồm các khoáng chính 2CaO.SiO2.mH2O, 3CaO.Al2O3.6H2O, CaO.Fe2O3.mH2O Ngoài ra còn một số thành phần khác như Ca(OH)2, Mg(OH)2, v.v

Bản thân bê tông có cấu trúc rỗng mao quản (kể cả bê tông đặc chắc), nên cho phép nước di chuyển và lan toả vào trong bê tông, sự thẩm thấu của các chất lỏng và khí

từ bên ngoài Các tác động này dẫn đến sự rửa trôi các chất không có cường độ hoặc

những thay đổi lí hoá khác nhau làm giảm chất lượng và độ bền của bê tông Hiện tượng này xảy ra nhiều với bê tông mác thấp và xi măng có hàm lượng vôi thừa cao Đối với bê tông các công trình thuỷ lợi cường độ nén thường thấp, nên khả năng

chống thấm không cao, trong khi đó yêu cầu về khả năng giữ nước là hàng đầu nên

bê tông cần có độ chống thấm cao Vì vậy việc tăng khả năng chống thấm cho các công trình bê tông là cấp thiết, có thể nói là tất cả các công trình thủy lợi đều nên tăng khả năng chống thấm

Đồng thời độ bền lâu của công trình bê tông được xem xét ở mức độ thấm nước và khí của vật liệu này Do vậy việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp và vật liệu sử

dụng chống thấm cho bê tông, nhất là bê tông cốt thép luôn được quan tâm từ hàng

thế kỷ nay

Với các công trình thủy lợi vùng ven biển thường chịu ảnh hưởng trực tiếp của yếu

tố thủy triều Do vậy, các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển luôn chịu tác động

của chu kỳ ướt- khô, lạnh- nóng hàng ngày Ngoài khả năng chịu lực thì việc chống

thấm, chống ăn mòn và mài mòn cơ học cho kết cấu bê tông là một tính chất quan

trọng, liên quan đến an toàn và ổn định của công trình

1.2 Thực trạng các công trình ven biển sử dụng bê tông

Theo đánh giá về độ bền (tuổi thọ), thực tế của các công trình BT và BTCT của các

quốc gia trên thế giới qua hơn một thế kỷ sử dụng cho thấy trong môi trường không

có tính xâm thực, kết cấu BT và BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm; trong môi trường xâm thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và BT dẫn đến làm nứt vỡ và phá hủy kết cấu BT, BTCT có thể xuất hiện sau 10 ÷ 30 năm sử

dụng Độ bền thực tế của các kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ BT, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình …)

Ở Việt Nam, BTCT đã được người Pháp đưa vào sử dụng từ những năm cuối thế kỷ

19 Tuy nhiên phải sau năm 1960 khối lượng công trình BTCT xây dựng trong môi trường biển mới tăng đáng kể Song trên thực tế bên cạnh các công trình bền vững sau 40 ÷ 50 năm thì hàng loạt các công trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử

dụng 10 ÷ 15 năm đã bị xâm thực và phá hủy trầm trọng, đòi hỏi phải chi phí 40 ÷ 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa và bảo vệ chúng Điển hình là công trình

cống Cổ Tiểu III thuộc hệ thống công trình thuỷ lợi Đa Độ (hệ thống công trình thuỷ lợi lớn nhất Hải Phòng)

Cống Cổ Tiểu III được đưa vào sử dụng từ năm 2001 Qua 15 năm vận hành, phần

bê tông cống đã xuất hiện những dấu hiệu xâm thực do thấm, ăn mòn khí quyển và mài mòn cơ học bởi ảnh hưởng của các ion chính : pH, SO42- và Cl- Ngoài ra, chất lượng bê tông cống ở thời kỳ xây dựng thực hiện theo tiêu chuẩn cũ chưa tính toán nhiều đến ảnh hưởng của quá trình xâm thực, thi công bê tông áp dụng: QPTL-D6-

78, TCVN 445 Bên cạnh đó còn kể đến đơn vị thi công phần bê tông không đảm

bảo độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Một số hình ảnh kết cấu bê tông cống Cổ

Tiểu III bị xâm thực như hình 1.1 và 1.2:

Hình 1.1 L ớp bê tông bảo vệ cốt thép

thi công không đảm bảo

1.3 Phân loại môi trường xâm thực BT và BTCT

Căn cứ TCVN 9139:2012 “Công trình thủy lợi - kết cấu bê tông, bê tông cốt thép vùng ven biển - yêu cầu kỹ thuật” thì môi trường làm việc của các công trình thủy

lợi vùng ven biển, các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được chia làm 2 loại là môi trường xâm thực nước mặn và môi trường xâm thực nước chua phèn

* Các kết cấu làm việc ở vùng nước mặn:

- Các k ết cấu làm việc ở vùng nước ngập mặn: các kết cấu bê tông và bê tông cốt

thép nằm ngập hoàn toàn trong nước biển

- Các k ết cấu làm việc trong vùng nước mặn thay đổi: các kết cấu bê tông và bê

tông cốt thép nằm ở giữa mực nước lên xuống của thủy triều, kể cả vùng sóng leo

- Các k ết cấu làm việc trong vùng khí quyển biển: các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

nằm trong không khí (bao gồm các vùng khí quyển trên mặt biển, gần bờ và xa bờ)

* Các kết cấu làm việc trong vùng chua phèn:

- Các k ết cấu nằm trong vùng ngập nước chua phèn: các kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép nằm ngập hoàn toàn trong nước chua phèn

- Các k ết cấu nằm trong vùng mực nước chua phèn thay đổi: các kết cấu bê tông và

bê tông cốt thép nằm giữa mực nước chua phèn lên xuống

- Các k ết cấu nằm trong không khí vùng nước chua phèn: các kết cấu bê tông và bê

tông cốt thép nằm trong không khí tại vùng nước có chua phèn

1.4 Các vùng làm việc và mức độ xâm thực kết cấu bê tông công trình biển

Căn cứ theo tính chất xâm thực và mức độ tác động của môi trường biển lên kết cấu

BT và BTCT có thể phân làm ba vùng như sau:

- Vùng hoàn toàn ng ập nước: bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong

nước biển

- V ùng nước lên xuống và sóng đánh: bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc ở vị trí

giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất và cao nhất, tính cả phần bị sóng đánh vào

- Vùng khí quy ển trên biển và ven biển, gồm các tiểu vùng: bao gồm các bộ phận kết

cấu làm việc trong vùng không khí trên biển và ven biển tính sâu vào đất liền tới 20km; sát mép nước từ 0 ÷ 0,25km; ven bờ từ 0,25 ÷ 1km; gần bờ 20km

Hình 1.3 Các vùng làm vi ệc của kết cấu bê tông công trình biển

Có thể phân loại mức độ xâm thực tại các vùng như Bảng 1.1

B ảng 1.1 Mức độ xâm thực tại các vùng

M ức độ xâm thực của môi trường

đối với kết cấu

Bê tông Bê tông c ốt thép

1.5 Các dạng hư hỏng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép do quá trình xâm thực

Vùng biển là môi trường có tính xâm thực mạnh đối với bê tông và bê tông cốt thép Môi trường biển Việt Nam xâm thực mạnh hơn môi trường biển nhiều nước trên thế

giới do nhiệt độ, độ ẩm không khí cao, thời gian ẩm ướt lớn, nồng độ muối cao, nước và cốt liệu có nhiễm mặn

Các kết cấu BT được xác định bị hư hỏng do quá trình xâm thực khi quan sát thấy

một trong những dấu hiệu sau:

- Bề mặt BT bị ăn mòn để lộ cốt liệu lớn trên diện rộng

- Bề mặt BT bị nứt nẻ, phồng rộp hoặc bong tróc cục bộ từng mảng

- Các dấu hiệu hư hỏng cốt thép:

+ Gỉ sắt màu vàng đỏ tiết ra từ trong lòng khối BT

+ Xuất hiện các vết nứt lớp BT dọc theo các thanh cốt thép

+ Bong rộp lớp BT bảo vệ để lộ cốt thép bị gỉ

* Một số hình ảnh về xâm thực tại cống Đa Ngư (sửa chữa năm 2010), trên đê tả Văn Úc Vị trí cống cách cửa sông Văn Úc 3km về phía thượng lưu

Hình 1.4 Ph ần thân cống bị mài mòn Hình 1.5.T rương nở cốt thép

* Một số hình ảnh về sự ảnh hưởng của xâm thực bê tông và bê tông cốt thép tại

cống Họng (xây dựng từ năm 1960) trên đê biển II, Đồ Sơn, Hải Phòng

Hình 1.6 Xâm th ực bê tông trong

vùng m ực nước dao động

Hình 1.7 Dàn công tác b ị ăn mòn trơ

c ốt thép (ăn mòn khí quyển)

Hình 1.8 Bê tông thân c ống bị ảnh

hưởng do quá trình ăn mòn

Hình 1.9.T rương nở cốt thép làm bong

l ớp bê tông bảo vệ

1.5.1 Hư hỏng tại các vùng hoàn toàn ngập nước

Nước biển của các đại dương trên thế giới thường chứa khoảng 3,5% các muối hòa tan: 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4; 0,02% KHCO3 và

một lượng nhỏ CO2, O2 hòa tan; độ pH ≥8,0 Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm thực mạnh tới bê tông và bê tông cốt thép [1]

Nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm thực tương đương

với các vùng biển khác trên thế giới Riêng vùng gần bờ, do ảnh hưởng của các sông chảy ra biển nên khác chút ít (vùng ảnh hưởng của thủy triều) [2] Kết quả phân tích như trong bảng 1.2

B ảng 1.2 Thành phần nước biển của Việt Nam và trên thế giới

phẩm tạo ra có thể tích gấp 2,86 lần gây ứng suất phá vỡ bê tông

Độ mặn của nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam được ghi lại như bảng 1.3

B ảng 1.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam, o / oo

Tr ạm

Tháng

Trung bình năm

1.5.2 Hư hỏng tại các vùng nước lên xuống và sóng đánh

Cùng với quá trình ăn mòn hoá học, điện hoá thì trên bề mặt các kết cấu bê tông và BTCT còn bị bào mòn cơ học do áp lực sóng, đặc biệt là sóng có cường độ mạnh do gió bão gây ra Trên bề mặt kết cấu, quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên làm tăng nhanh quá trình tích tụ ion Cl-

, O2- Nước biển cũng thâm nhập vào bê tông thông qua quá trình khuyếch tán và lực hút mao quản Khảo sát kết cấu bên trong công trình khi đục kiểm tra tại các vết nứt thấy cốt thép bị gỉ rất nặng, mặt cắt ngang cốt thép có thể giảm từ 40% ÷ 60%, cốt thép đai nằm bên ngoài thường bị gỉ nặng hơn

và đứt nhiều Kiểm tra điện thế ăn mòn bằng máy đo điện thế CANIN cho thấy:

điện thế đạt -900 mV, chứng tỏ cốt thép bị ăn mòn rất mạnh Khi sử dụng phương pháp điện cực so sánh Ag/AgCl, kết quả đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C876 và giản đồ E-pH của hệ Fe-H2O như Bảng 1.4

Khi kiểm tra thành phần hoá học của bê tông theo chiều từ ngoài vào trong cho thấy:

tại vị trí xuất hiện vết nứt, cách mép vết nứt từ 15 ÷ 20 cm, miền bê tông cận cốt thép,

độ pH thường có giá trị nhỏ hơn 11,6; hàm lượng ion Cl-

rất cao, thường nằm trong khoảng (1,5÷13,5) kg/m3 bê tông, hàm lượng SO42- nhỏ hơn 4% khối lượng xi măng

B ảng 1.4 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các

công trình

Công trình

Điện thế so với điện thế Ag/AgCl

Cảng Thuận Phước -409 đến -450 ≥ 90% ASTM C876

Cảng Liên Chiểu -320 đến -460 ≥ 90% ASTM C876

Cảng Nguyễn Văn Trỗi -306 đến -325 ≥ 90% Giản đồ E-pH hệ

Fe-H2O

1.5.3 Hư hỏng tại các vùng khí quyển trên biển và ven biển

Tại mặt ngoài, hiện tượng ăn mòn và phá huỷ kết cấu thường xảy ra mạnh với

những vị trí trực diện với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khí hậu khô, ẩm Dạng ăn mòn thường gặp là trên bề mặt lớp bê tông bảo vệ xuất hiện các

vết nứt có bề rộng trung bình từ (5÷25) mm chạy dọc theo các thanh thép chịu lực

Với kết cấu dạng bản, sàn thường bị bong tách thành từng mảng lớn, lớp bê tông

bảo vệ cốt thép lộ ra ngoài và bị gỉ rất nặng

Phía bên trong kết cấu, khi đục mở rộng các vết nứt thì thấy cốt thép bị gỉ nặng, thiết diện giảm từ (20÷60)%, nhiều thanh bị đứt rời hẳn, nhất là thép đai Khi kiểm

tra khả năng chịu tải theo tiêu chuẩn Việt Nam có tính đến độ suy giảm thiết diện bê tông cốt thép do ăn mòn thì thấy nhiều kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực 1.6 Các nguyên nhân gây xâm thực và phá hủy các công trình BT và BTCT trong môi trường biển Việt Nam

Theo tài liệu [1,4] cho thấy: Môi trường biển là môi trường rất khắc nghiệt và tiềm

ẩn nhiều yếu tố phá hoại kết cấu bê tông và 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 Bên

cạnh các nguyên nhân trên còn phải kể đến các nguyên nhân liên quan đến thiết kế, thi công và quản lý sử dụng chưa được thực hiện tốt cũng làm cho các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bị giảm tuổi thọ đáng kể

Kết quả khảo sát độ bền thực tế trên các công trình bê tông và bê tông cốt thép đã xây dựng ở vùng biển nước ta cho phép khẳng định rằng môi trường biển Việt Nam

có tác động xâm thực mạnh dẫn tới ăn mòn và phá hủy các kết cấu Mức độ xâm

thực phụ thuộc vào vị trí và điều kiện làm việc cụ thể của từng kết cấu trong công trình So với các nước khác, môi trường biển Việt Nam còn có đặc thù khí hậu nóng

ẩm, mưa bão nhiều tạo ra sự ăn mòn mạnh hơn đối với kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép

Bằng chứng rõ rệt nhất về tác động ảnh hưởng của môi trường biển tới độ bền công trình BT và BTCT tạo bởi các quá trình sau:

- Quá trình thấm ion Cl- vào BT gây ra ăn mòn và phá hủy cốt thép;

- Quá trình thấm ion SO42-vào BT, tương tác với các sản phẩm thủy hóa của đá xi măng tạo ra khoáng ettringit trương nở thể tích gây phá hủy kết cấu (ăn mòn sunfat);

- Quá trình cacbonat hóa làm giảm độ pH bê tông theo thời gian làm phá vỡ màng

thụ động bảo vệ cốt thép góp phần đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép gây phá

hủy kết cấu;

- Quá trình khuếch tán oxy, hơi ẩm và clo vào trong bê tông trong điều kiện môi trường nhiệt độ không khí cao là các điều kiện làm cho quá trình ăn mòn cốt thép

xảy ra rất mạnh;

- Các hiện tượng xâm thực khác, như: ăn mòn rửa trôi, ăn mòn vi sinh do các loại

hà, sò biển gây ra, ăn mòn cơ học do sóng biển

Như vậy các kết cấu BT và BTCT công trình ven biển nằm trong vùng chịu tác động của các yếu tố gây xâm đã bị xuống cấp, hư hỏng nhanh chóng dẫn đến làm

giảm tuổi thọ và khả năng làm việc của chúng

1.7 Một số giải pháp nâng cao tuổi thọ cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường nước mặn và chua phèn

1.7.1 Các g iải pháp cơ bản

Ngoài các giải pháp về thiết kế, thi công, quản lý sử dụng công trình (theo TCVN 9139:2012 hiện hành) thì để nâng cao độ bền và tuổi thọ cho các kết cấu bảo vệ BT vùng triều sẽ phải tập trung vào hướng tăng độ bền chống ăn mòn và độ bền chống mài mòn cho BT [3]

- Giải pháp tăng độ bền chống ăn mòn, gồm:

+ Thay đổi thành phần khoáng vật xi măng

+ Biến đổi các thành phần thủy hóa của xi măng

+ Tăng độ đặc cấu trúc BT

+ Ngăn cách BT với môi trường gây ăn mòn

- Giải pháp tăng độ bền chống mài mòn: Tăng độ đặc và độ cứng cho kết cấu BT

- Trong quá trình thi công mới và sửa chữa công trình đang hoạt động không làm được kết cấu BTCT hoặc chiều dày lớp bảo vệ cốt thép (theo TCVN 9139:2012, chiều dày lớp BT bảo vệ cốt thép≥ 50mm), có thể áp dụng các biện pháp chống

thấm bổ sung như sau:

+ Trát vữa chống thấm: Vữa xi măng có pha nhũ tương polime M250, M300

+ Sơn chống ăn mòn cốt thép: Sơn xi măng – polime, sơn hóa chất cao phân tử, các

loại sơn này phải đảm bảo khả năng dính kết giữa cốt thép được sơn với bê tông + Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit

+ Sử dụng vật liệu composit thay thế cho BT thông thường

1.7.2 Phân tích về ưu nhược điểm và tính khả thi của các giải pháp

Tài liệu [5], phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp như sau:

- Thay đổi thành phần khoáng vật xi măng: Việc thay đổi thành phần khoáng vật xi măng để tăng độ bền chống ăn mòn cho BT sẽ dẫn đến giảm cường độ của BT Ngoài ra để thay đổi thành phần khoáng vật đòi hỏi một công nghệ sản xuất đặc biệt

từ việc tuyển nguyên liệu, tính toán tỷ lệ phối liệu và kiểm soát quá trình nung

Những hạn chế đó làm cho giải pháp này thực tế ít được khuyến cáo dùng

- Biến đổi sản phẩm thủy hóa của xi măng: Bằng cách dùng những chất pha trộn sẵn

có, tận dụng được từ phế thải công nghiệp để giảm thiểu hàm lượng tác nhân ăn mòn trong xi măng Nhược điểm giải pháp này là sử dụng vật liệu phế thải, cần phải

có những quy trình kiểm tra chặt chẽ trong chế tạo bê tông và các yếu tố liên quan đến môi trường xung quanh công trình

- Tăng độ đặc chắc của BT: Việc tăng độ đặc chắc sẽ hạn chế được khả năng xâm

nhập của nước vào trong BT do đó tăng được độ bền chống ăn mòn ngoài ra tăng độ đặc chắc cũng sẽ làm tăng cường độ, cũng như độ cứng do đó nâng cao được độ bền

chống mài mòn cho BT Bản thân bê tông đặc chắc vẫn có cấu trúc rỗng mao quản cho nên vẫn bị thẩm thấu khi kết cấu ngập trong nước Đặc biệt trong môi trường nước mặn thì quá trình thẩm thấu làm giảm tuổi thọ của BT

- Tăng độ cứng cho BT: Hiện tượng mài mòn bề mặt xảy ra khi độ cứng của BT kém Để cải thiện độ cứng cho BT, tăng được cường độ bằng cách tạo được nhiều

những liên kết hóa học bền vững trong kết cấu đá xi măng Nhược điểm giá thành chi phí cho xây dựng công trình cao

- Trát vữa chống thấm: Cần phải nghiên cứu thêm về khả năng bám dính giữa hai

lớp liên kết

- Sơn chống ăn mòn cốt thép: Giải pháp này chỉ chống được ăn mòn cốt thép

- Sơn phủ mặt ngoài kết cấu: Sử dụng sơn epoxy là gốc hữu cơ cho nên tuổi thọ không được cao

- Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit: Chỉ chống được ăn mòn cốt thép

- Sử dụng vật liệu composit thay thế cho BT thông thường: Giải pháp này có chi phí giá thành rất cao

1.7.3 Giải pháp đề xuất

Qua các phân tích trên, tác giả đề xuất giải pháp Ngăn cách BT với môi trường gây

ăn mòn Đây là giải pháp đáp ứng được cả với công trình xây mới và các công trình

đang làm việc Hiện nay ở Việt Nam đã nghiên cứu sản xuất và ứng dụng thử nghiệm thành công vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng HyCI - CT09A sử dụng cho các kết cấu bê tông trong môi trường nước ngọt và HyCI - CT09B sử dụng cho

bê tông trong môi trường nước mặn và chua phèn (Đề tài do Viện Thủy công thực

hiện và đã ứng dụng thử nghiệm thành công) đạt chất lượng tương đương so với vật

liệu tương tự của các nước trên thế giới, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật đặt ra mà giá thành chỉ bằng 75% các sản phẩm cùng loại trên thị trường Ngoài ra sản phẩm này còn có các ưu điểm khác, như:

- Sản phẩm có gốc vô cơ, khi làm việc có độ bền cao;

- Không làm thay đổi kích thước hình học của kết cấu

Như vậy, việc lựa chọn sử dụng vật liệu HYCI - CT09B sơn phủ lên bề mặt bê tông,

bê tông cốt thép trong môi trường nước mặn và chua phèn nhằm làm tăng khả năng

chống thấm, chống mài mòn và chống ăn mòn để nâng cao tuổi thọ cho các công trình BT vùng triều là một giải pháp hữu hiệu trong giai đoạn hiện nay

1.8 Tổng quan về công nghệ vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng

Vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng là công nghệ tiên tiến đã được sử dụng từ

những năm 1960 ở trên thế giới Tại Việt Nam hiện cũng đã sản xuất và thử nghiệm thành công loại vật liệu này với giá thành hạ và chất lượng tương đương với các sản

phẩm cùng loại Các sản phẩm hiện có trên thị trường đều có cơ chế làm việc giống

nhau, đáp ứng tốt việc nâng cao tuổi thọ cho các công trình bê tông và bê tông cốt thép hiện nay [6]

1.8.1 Khái niệm vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng

Vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng là một hỗn hợp khô, bao gồm các thành

phần: Xi măng, cát thạch anh, phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn, phụ gia hóa học,

phụ gia polime và các xúc tác dạng tinh thể giúp thẩm thấu vào bề mặt bê tông hoặc

vữa Sau khi thẩm thấu vào các mao dẫn, chúng tác dụng với muối trong xi măng

tạo thành các khoáng không tan lấp đầy các mao dẫn và lỗ rỗng tạo khả năng chống

thấm tốt và tăng độ bền cho bề mặt công trình

1.8.2 Một số kết quả nghiên cứu và sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng trên thế giới và tại Việt Nam

Trên th ế giới

Vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng ra đời từ những năm 60 thế kỉ trước Đây là

loại vật liệu có gốc vô cơ, làm việc rất linh hoạt Việc ứng dụng vật liệu này cho các công trình bê tông và bê tông cốt thép từ trước đến nay đều được đánh giá rất cao

Hiện nay trên thế giới có nhiều loại vật liệu chống thấm bê tông dạng thẩm thấu của nhiều hãng hóa chất xây dựng khác nhau như: Thụy Sỹ, Úc, Mỹ, Canada,…có sản

phẩm Penetron, Indoseal, … Các sản phẩm này được sử dụng rộng rãi cho các công trình bê tông và bê tông cốt thép tại một số nước trên thế giới như Mỹ, Nhật, Australia và Canada và hiện đang được phát triển sử dụng ra nhiều nước trên thế

giới

B ảng 1.5 Một số công trình bê tông lớn trên thế giới áp dụng công nghệ chống

th ấm TKX

TT Tên công trình Địa đểm Qu ốc gia

4 Badaling Donglaoyu Express Highway

Trung

Quốc

9 Wash ngton D.C Mero System Washington D.C Mỹ

10 Guang Xitian-Shen-Qiao

Trung

Quốc

T ại Việt Nam

Lĩnh vực chống thấm bằng vật liệu thẩm thấu kết tinh cho bê tông công trình thủy

lợi hiện nay tại Việt Nam còn hạn chế Mới có ít đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này Thông tin nghiên cứu chủ yếu do các hãng nước ngoài cung cấp thông qua một số

hội thảo Theo đó, có rất nhiều loại sản phẩm được các hãng hóa chất xây dựng bán

và ứng dụng cho các công trình BT như: SimonR Pene-Seal của hãng Vinkems; XypexR của hãng Xypex, IndosealR của Trung tâm xử lý kỹ thuật công trình Đông Dương- IndoChina Centepro

Các sản phẩm của các hãng đã được ứng dụng tại nhiều công trình ở Việt Nam, đặc

biệt sản phẩm XypexRđược ứng dụng tại rất nhiều công trình dân dụng công nghiệp

và thủy lợi (khoảng 100 công trình), như: nhà máy Kao Việt Nam – Biên Hòa, Nhà máy Sanyo Việt Nam – Biên Hòa, Nhà máy điện Phú Mỹ - Bà Rịa Vũng Tàu, Đập

Dầu Tiếng – Tây Ninh … Tại Việt Nam, tuy vật liệu TKX được biết đến muộn

nhưng cũng đã sử dụng các vật liệu này của nước ngoài để chống thấm cho các công trình bê tông lớn

B ảng 1.6 Một số công trình sử dụng vật liệu TKX tại Việt Nam

trình

2 Nhà máy Sanyo Việt nam Biên Hoà Công nghiệp

3 Nhà Máy Điện Phú Mỹ Bà Rịa - Vũng Tàu Công nghiệp

5 Nhà máy Canon Việt nam Hà Nội Công nghiệp

6 Bồn chứa hồ Nhà máy

American Standard Dĩ An- Sông Bé Công nghiệp

7 Nhà máy nước Long Thành Nhơn Trạch- Đồng

8 Nhà máy sản xuất xe Yamaha Hà Nội Công nghiệp

9 Nhà máy Uni-President Mỹ Tho- Tiền Giang Công nghiệp

Ngoài các công trình kể trên, hiện nay ở nước ta có nhiều công trình bê tông, bê tông cốt thép lớn và đặc biệt là các công trình làm việc trong vùng có tính xâm thực

mạnh rất cần thiết phải tiếp tục xử lý chống thấm nhằm đảm bảo tuổi thọ của chúng Ước tính mỗi năm tới hàng triệu m2 bề mặt kết cấu bê tông thủy công cần chống

thấm Điển hình nhất là các cống bằng bê tông được xây dựng ở các vùng cửa sông,

cửa biển có điều kiện làm việc khắc nghiệt Với khối lượng bê tông cần chống thấm

lớn như vậy, nhu cầu về thị trường sử dụng công nghệ chống thấm tiên tiến bằng vật

liệu TKX là rất lớn [8]

Việc chọn vật liệu TKX sản xuất trong nước (HyCI - CT09) để thử nghiệm là một

lựa chọn mang tính hiệu quả kinh tế Trên thị trường hiện nay HyCI - CT09 có giá thành thấp hơn so với các sản phẩm nhập ngoại, bởi vì: Nguyên liệu đầu vào rẻ do

chủ yếu sử dụng vật liệu trong nước, giá nhân công và năng lượng rẻ hơn so với nước ngoài, ngoài ra chi phí vận chuyển thấp hơn nhiều so với nhập khẩu Dự kiến giá sản phẩm vật liệu TKX có giá thành chỉ bằng khoảng 75% so với sản phẩm

nhập ngoại, chất lượng thì tương đương và phù hợp với điều kiện sử dụng đặc thù

của khí hậu nước ta Ngoài ra đề tài còn sử dụng một loại TKX nhập ngoại để nghiên cứu so sánh với loại trong nước, đó là Aquafin IC

Kết luận chương 1

1 Tác hại của môi trường biển và nước biển là gây xâm thực đến bê tông và bê tông

cốt thép trong xây dựng công trình biển làm suy giảm chất lượng và tuổi thọ công trình, vì vậy cần có giải pháp chống lại xâm thực của môi trường bằng cách tăng độ

3 Các giải pháp chống xâm thực để nâng cao tuổi thọ cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực là: Thay đổi thành phần khoáng vật xi măng; Biến đổi sản phẩm thủy hóa của xi măng; Tăng độ đặc chắc của BT; Tăng độ cứng cho BT; Trát vữa chống thấm; Sơn chống ăn mòn cốt thép; Sơn phủ mặt ngoài kết cấu;

Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit; Sử dụng vật liệu composit thay thế cho BT

thông thường Trong đó giải pháp lựa chọn là Ngăn cách BT với môi trường gây ăn mòn

4 Giải pháp sử dụng vật liệu thấm thấu kết tinh gốc xi măng để ngăn cách BT với môi trường gây ăn mòn làm tăng khả năng chống thấm, chống mài mòn nhằm nâng cao tuổi thọ cho các công trình BT vùng triều là một giải pháp hữu hiệu trong giai đoạn hiện nay và đây cũng là hướng nghiên cứu Luận văn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao một số tính chất của bê tông

2.1.1 Cấu trúc lỗ rỗng và hiện tượng thấm nước của bê tông

* Cấu trúc của bê tông

Đá xi măng, vữa và bê tông là các vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng Phân loại kích thước

lỗ rỗng của các vật liệu thành: lỗ rỗng gel (gel pores) có bán kính 15-30A0 và lỗ

rỗng mao quản (Capillary pores) có bán kính từ 30-10.000A0 (1µm) Trong lỗ rỗng mao quản lại chia ra vi xốp (Micropores) có bán kính 50A0, lỗ rỗng mao quản chuyển tiếp có bán kính từ 50-100A0 và lỗ rỗng mao quản lớn có bán kính từ 1000- 10.000A0 Loại lỗ rỗng thô không phải dạng mao quản có đường kính lớn hơn 10.000A0 Độ thấm nước của lỗ rỗng gel rất thấp cỡ 7.10-6(m/s) và thực tế lỗ rỗng mao quản có bán kính đến 500A0 cũng khó thấm nước qua Do vậy độ thấm nước

của bê tông phụ thuộc vào lỗ rỗng có bán kính mao quản lớn hơn 500A0 và kiểu

cấu tạo mao quản không liên tục hay gián đoạn

* Tính hút nước và bão hòa nước

Do bê tông có kết cấu mao quản và rỗng nên có thể bị hóa ẩm do hút một lượng hơi nước nhất định từ môi trường không khí xung quanh hoặc có thể hút nước đến bão hoà khi tiếp xúc trực tiếp với nước

Khi độ ẩm tương đối của môi trường không khí vượt quá trị số ẩm của bê tông, hay khi nhiệt độ bão hoà hơi nước môi trường xung quanh lớn hơn nhiệt độ bê tông, sẽ đưa đến sự hút ẩm Độ ẩm cân bằng của bê tông phụ thuộc vào độ rỗng và tính chất

phần rỗng của bê tông Với bê tông nhẹ cốt liệu rỗng, có cấu tạo toàn khối liên tục

độ hút ẩm có thể đạt tới 20 ÷ 25%

Sự hút nước và bão hoà nước của bê tông khi tiếp xúc trực tiếp với nước xảy ra do

sự hút ẩm mao dẫn trong bê tông hoặc qua các lỗ rỗng hở khi mặt ngoài của sản

phẩm hay công trình bị thấm ướt Sự hút ẩm mao dẫn hay sự dịch chuyển hơi nước trong mao quản nhỏ trong đá xi măng tương đối đặc chắc xảy ra khi có građien

nhiệt độ và độ ẩm Những mao quản có tiết diện bé hơn 1µm không cho nước lọt qua kể cả dưới áp lực đáng kể hoặc khi trên vách mao quản có chiều dày của màng nước hấp phụ bằng 0,5µm thì sự dẫn nước mao quản này hoàn toàn bị mất đi

Độ hút nước lớn nhất của bê tông xi măng, cốt liệu đặc chắc thường xuyên ở trạng thái bão hoà nước có thể đạt đến 4 ÷ 8% theo khối lượng (10 ÷ 20% theo thể tích)

Với bê tông nhẹ cốt liệu rỗng, độ hút nước lớn đáng kể và dao động trong giới hạn

lớn phụ thuộc vào độ rỗng và tính chất rỗng của cốt liệu cũng như cấu tạo của bê tông

Khi bão hoà nước, cường độ bê tông sẽ giảm Tỉ số cường độ bê tông ở trạng thái bão hoà nước và ở trạng thái khô gọi là hệ số mềm Với bê tông xi măng nặng, hệ số

mềm dao động trong phạm vi 0,85 ÷ 0,9; bê tông thạch cao có hệ số mềm 0,35 ÷ 0,45 Sự hút nước và bão hoà liên tiếp sẽ dẫn đến sự biến đổi thể tích bê tông và

biến dạng dài sản phẩm nhưng không lớn Nhưng cứ bão hoà nước rồi sấy khô liên

tiếp nhiều lần, sự biến dạng lắp đi lắp lại liên tục dẫn đến phá hoại mối liên kết và thay đổi kết cấu bê tông

* Tính thấm nước của bê tông

Bê tông có kết cấu rỗng mao quản (kể cả bê tông đặc chắc) nên có tính thấm nước

và các chất lỏng khác dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh Sự thấm lọc dưới áp lực thuỷ tĩnh của bê tông có độ đặc chắc trung bình không phải qua đá xi măng (với N/X > 0,5 ÷ 0,55) mà chủ yếu theo mao quản thô có tiết diện < 1µm thông nhau và

những hốc rỗng bé giữa miền tiếp xúc giữa đá xi măng và cốt liệu Những hốc rỗng này được tạo thành do sự tách nước bên trong khi các hạt xi măng lắng, hoặc do sự

xuất hiện kẽ nứt co ngót trong bê tông

Với một số kết cấu hoặc công trình bê tông cần sử dụng bê tông chống thấm với số

liệu khác nhau Độ bền chống thấm của bê tông là trị số áp lực thủy tĩnh mà với áp

lực này nước không thấm qua mẫu bê tông có kích thước tiêu chuẩn

* Nh ận xét

- Bê tông là loại vật liệu tương đối đặc chắc, nhưng cấu trúc vẫn là xốp rỗng với hệ

thống mao quản và lỗ rỗng thông hoặc không thông nhau Ngoài ra còn kèm theo

hiện tượng vi nứt trong bê tông cũng tham gia vào hệ thống này

- Bê tông có hiện tượng hút nước, chất lỏng thông qua hệ thống mao dẫn bởi lực hút mao quản, sự khuếch tán nồng độ dung dịch, sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên ngoài và bản thân bê tông Đây là cơ sở cho sự thẩm thấu của dung dịch sơn chứa các thành phần khoáng siêu mịn vào trong bê tông thông qua mạng lưới mao quản

- Bê tông là vật liệu bị thấm nước qua hệ thống mao quản và lỗ rỗng thông nhau, vì

vậy cần phải bịt kín các lỗ rỗng và mao quản để ngăn chặn nước thấm qua bê tông

2.1.2 Giải pháp chống thấm theo cơ chế thẩm thấu kết tinh

Các chất hoạt tính trong hỗn hợp chất chống thấm dạng này khi quét hoặc phun lên

bề mặt bê tông ẩm sẽ thẩm thấu vào trong và tạo nên một phản ứng xúc tác giữa phân tử nước và các muối vô cơ, oxit kim loại và các sản phẩm hydrat hoá có trong

bê tông tạo thành các sản phẩm tinh thể không hoà tan bên trong các lỗ mao quản, chèn kín và bịt chặt hệ thống mao quản thông nhau trong cấu trúc bê tông Đồng

thời liên kết các khe nứt nhỏ do co ngót của bê tông trong quá trình đóng rắn

Trên bề mặt bê tông là một mạng lưới các lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản (vi xốp và

xốp mao quản lớn), xốp thô Khi các chất lỏng tiếp xúc với bề mặt bê tông sẽ chịu

một lực hút do các lỗ rỗng thông nhau tạo ra gọi là lực hút mao quản Lực hút này

lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ thống lỗ rỗng (loại bê tông), bản chất của chất lỏng Ngoài ra dung dịch sơn có nồng độ chất tan cao được khuyếch tán thẩm thấu vào trong nước mao quản của bê tông

Trong thực tế thì các lỗ rỗng có bán kính nhỏ hơn 500A0 hầu như không cho nước

thấm qua, như vậy để nâng cao khả năng chống thấm thì chỉ cần quan tâm đến các

lỗ rỗng thông nhau có đường kính lớn hơn 500A0 Thực chất cơ chế hoạt động của các chất thẩm thấu là thâm nhập vào bê tông qua đường mao quản, các lỗ gel, phản ứng hoá học với Ca(OH)2 hình thành sản phẩm silicat có cường độ, liên kết với

nhau thành hệ thống gel bít kín các lỗ rỗng bê tông, làm cứng hoá bê tông và tăng

độ chống thấm nước

Có hai loại chống thấm thẩm thấu kết tinh cho bê tông :

Loại thứ nhất là sơn gốc xi măng, trong thành phần của sơn có xi măng kết hợp với

bột cát thạch anh mịn, chất hoạt tính siêu mịn và phụ gia hoá học có tác dụng: tăng

độ dẻo (độ chảy lỏng ) xi măng, độ bền chống thấm và độ liên kết bám dính của sơn

với bề mặt nền bê tông, vữa Simon Pene – seal của Đức, sơn của hãng Canada, sơn của công ty hoá phẩm xây dựng Trung Quốc, v.v… là các sản phẩm thuộc loại sơn này

Xypex-Loại thứ 2 là hợp chất có silic ở dạng lỏng điển hình là Certi-Vexpenseal 244 40%

của hãng Vexcon, radcon # 7 do Australia cung cấp, v.v

M ột số hình ảnh mô phỏng về quá trình tác dụng của vật liệu TKX lên kết cấu

dụng thúc đẩy khả năng thẩm thấu và thúc đẩy phản ứng Natri silicat thẩm thấu vào

trong BT và tạo phản ứng với caxihydroxit tạo thành các gel bít kín các lỗ mao quản không cho nước thấm qua

Với cơ chế thẩm thấu kết tinh, các chất hoạt tính trong hỗn hợp chất chống thấm khi quét hoặc phun lên bề mặt bê tông ẩm sẽ thẩm thấu vào trong và tạo nên một phản ứng xúc tác giữa phân tử nước và các muối vô cơ, oxit kim loại và các sản phẩm hydrat hoá có trong bê tông tạo thành các sản phẩm tinh thể không hoà tan bên trong các lỗ mao quản, chèn kín và bịt chặt hệ thống mao quản thông nhau trong

cấu trúc bê tông Đồng thời liên kết các khe nứt nhỏ do co ngót của bê tông trong quá trình đóng rắn

Ưu điểm của biện pháp này là không phụ thuộc vào điều kiện thi công mà còn thẩm

thấu đi sâu vào trong bản thân bê tông và trở thành một phần không thể tách rời của

bê tông, giúp ngăn chặn triệt để hiện tượng thấm từ mọi hướng

Hình 2.3 Phun v ật liệu TKX lên bề mặt

bê tông

Hình 2.4 Sau khi phun v ật liệu TKX

lên b ề mặt bê tông

Hình 2.5 Sau khi v ật liệu TKX cứng rắn trong lỗ rỗng bê tông

Hình 2.6 Ảnh chụp vi cấu trúc 2.2 Vật liệu sử dụng

2.2.1 Xi măng

Đề tài sử dụng ximăng PCB40 Chinfon

B ảng 2.1 Các tính chất cơ lí của xi măng PCB40 Chinfon