Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp chống ăn mòn, phá hủy các công trình bê tông ven biển thành phố nha trang

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM i LỜI MỞ ĐẦU ----------£¥£---------Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian khi bắt đầu ở giảng đường đại học còn khá nhiều bỡ ngỡ, rụt rè, ít nói. Những tháng đầu em sống không có hoài bão và muc đích gì cả. Để trở thành con người như hôm nay chín chắn hơn, tự tin và mạnh mẽ hơn thì không thể không cảm ơn công trời bể của các thầy cô, các bạn đã tận tình chỉ bảo và tiếp lửa cho em. Nhìn vào các bờ kè biển hiện nay ở một thành phố du lịch quả thật đáng buồn vì các công trình cứ xây dựng lên chưa đầy năm hai năm thì lại hư hỏng một cách nặng nề. Hầu như tất cả nguyên cứu chỉ chú ý đến phần phụ gia của bê tông còn phần lõi (thép) vẫn giữ nguyên, nhưng hầu hết hiện tượng công trình bị phá hủy là do cốt thép. Cho nên đề tài này em muốn tìm ra các giải pháp mới để giữ mỹ quan thành phố biển Nha Trang được đẹp và tiết kiệm kinh phí xây dựng hơn. Cảm ơn các Thầy cô Trường Đại học Nha Trang nói chung và các Thầy ở Khoa Xây Dựng nói riêng đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập tại trường. Cảm ơn Phòng Khoa học Công nghệ - Trung tâm thực thí nghiệm thực hành (Thầy Vũ Văn Duẩn) – Viện nguyên cứu chế tạo tàu thủy (Anh Vũ Văn Du) đã tạo điều kiện để em làm được đề tài như ngày hôm nay. Nhưng không thể không nhắc đến sự đặc biệt của một người thầy TS. Nguyễn Thắng Xiêm - Phó Khoa Xây Dựng là người giúp em học tập được rất nhiều điều và bước được trên con đường Nguyên cứu Khoa học. Khánh Hòa, Ngày 30 tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực hiện Bùi Thanh Lam SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM ii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU................... ................................................................................................ i MỤC LỤC ........................................................................................................................ ii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ ix GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...................................................................................................... x 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... x 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... xii 3. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................... xii 3.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................... xii 3.2 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... xii 3.3 Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................xiii 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .....................................................................................xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 1 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI .. 1 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 1 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 1 1.2 KHẢO SÁT THỰC TRẠNG CÁC NGUYÊN NHÂN CƠ BẢN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG CÁC BỜ KÈ ........................................................................................................ 2 1.2.1 Khái quát các nguyên nhân chung ..................................................................... 2 1.2.2 Trình bày các hình thức phá hủy đối với công trình bờ kè, đê biển .................. 4 1.2.3 Các nguyên nhân chính ...................................................................................... 8 1.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CỤ THỂ HIỆN NAY..................................................... 12 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................. 17 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 17 2.1.1 Giới thiệu sơ lược về thanh Composite tạo từ công nghệ pultrusion .............. 17 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM iii 2.1.2 Quy trình công nghệ ........................................................................................ 18 2.1.3 Bộ phận cấp sợi ................................................................................................ 18 2.1.4 Bộ phận tẩm nhựa (dip bath) ........................................................................... 19 2.1.5 Khuôn tạo hình (Injection pultrusion) ............................................................. 20 2.1.6 Khuôn định hình (preform) .............................................................................. 20 2.1.7 Khuôn gia nhiệt (heated die)............................................................................ 20 2.1.8 Bộ phận kéo ..................................................................................................... 22 2.1.9 Bộ phận cắt ...................................................................................................... 22 2.1.10 Phạm vi ứng dụng của công nghệ .................................................................. 23 2.1.11 Ưu nhược điểm của công nghệ ..................................................................... 23 2.1.12 Ưu và nhược điểm của cốt Composite so với cốt thép .................................. 24 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 25 2.2.1 Bê tông ............................................................................................................. 25 2.2.2 Phương pháp nguyên cứu ................................................................................ 28 2.2.3 Chế tạo mẫu ..................................................................................................... 28 2.2.4 Phương pháp mẫu nước ngâm ......................................................................... 38 2.2.5 Phương pháp đo độ dẻo ................................................................................... 38 2.2.6 Phương pháp tính ............................................................................................. 39 2.2.7 Kính hiển vi điển tử quét TESCAN VEGA 3XM ........................................... 41 2.2.8 Xác định độ hút nước của mẫu ........................................................................ 41 2.3 PHỤ GIA .................................................................................................................. 45 2.4 HỆ THỐNG THIẾT BỊ ............................................................................................ 49 2.4.1 Máy phổ plasma cảm ứng AGILENT 7700xLC- ICP-MS – Nhật Bản .......... 49 2.4.2 Máy nén xi măng tự động Matest E160-01 - Ý ............................................... 50 2.4.3 Máy lắc sàng A059-01-Ý................................................................................. 51 2.4.4 Bàn dằn tạo mẫu xi măng Xiyi ZS-15 – Trung Quốc ...................................... 51 2.4.5 Máy trộn vữa bằng tay Xiyi II-5 – Trung Quốc .............................................. 52 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM iv 2.4.6 Máy nén, uốn bê tông EL 36-3086/01-Anh ..................................................... 53 2.4.7 Cân kỹ thuật Ohau max 30kg .......................................................................... 54 2.4.8 Cân kỹ thuật Ohau max 150kg ........................................................................ 54 2.4.9 Máy thử vạn năng CHT-4- 200 tấn.................................................................. 54 2.4.10 Máy duỗi thép ................................................................................................ 55 2.4.11 Máy trộn hỗn hợp bê tông.............................................................................. 56 2.4.12 Tủ sấy............................................................................................................. 57 2.5 CÁC LOẠI KHUÔN MẪU ..................................................................................... 57 2.5.1 Khuôn đúc vữa và bê tông ............................................................................... 57 2.5.2 Khuôn thử độ sụt.............................................................................................. 58 2.5.3 Khuôn chế tạo bàn bằng thanh Composite ...................................................... 58 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 59 3.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN ................................................................................... 59 3.2 ĐỘ BÁM DÍNH ....................................................................................................... 68 3.2.1 Thí nghiệm FRP ............................................................................................... 69 3.2.2 Thí nghiệm thép ............................................................................................... 70 3.3 THÍ NGHIỆM KÉO CỦA COMPOSITE ................................................................ 71 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 73 4.1 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 73 4.2 KIẾN NGHỊ ............................................................................................................. 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 76 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 79 1. TÍNH CẤP PHỐI CÁT .............................................................................................. 79 2. TÍNH CẤP PHỐI ĐÁ ................................................................................................ 80 3. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA XI MĂNG PORTLAND .................................... 81 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1: Bờ kè trong công viên Yersin thành phố Nha Trang-Khánh Hòa .................. xi Hình 0.2: Bờ kè phía bãi tiên thành phố Nha Trang-Khánh Hòa .................................. xi Hình 0.3: Bờ kè đường Trần Phú – Nha Trang .............................................................. xi Hình 1.1: Quá trình phá hủy bê tông do cốt thép ............................................................ 1 Hình 1.2: Các sự cố phá hủy công trình ven biển............................................................ 3 Hình 1.3: Mái kè bị biến dạng và hư hỏng do áp ............................................................ 4 Hình 1.4: Mái kè bị đánh sập bóc hết cấu kiện và khoét hết đất đá ................................ 4 Hình 1.5: Hư hỏng chân và đỉnh bờ kè ............................................................................ 5 Hình 1.6: Phá hoại do nguyên nhân tác động của sóng và ăn mòn do nước mặn .......... 6 Hình 1.7: Các vi sinh vật góp phần đẩy nhanh quá trình ăn mòn ................................... 7 Hình 1.8: Lấy ximăng trám do thiếu đá rửa .................................................................... 7 Hình 1.9: Phá vỡ cấu trúc đá xi măng ............................................................................. 8 Hình 1.10: Bề mặt cấu trúc bị hòa tan, để lại bề mặt rổ cho cấu kiện ............................ 9 Hình 1.11: Bề mặt cấu trúc bị hòa tan, để lại bề mặt rổ cho cấu kiện ............................ 9 Hình 1.12: Mái kè Hàm Tiến – Mũi Né bị sụt lún .......................................................... 12 Hình 1.13: Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 – Hải Phòng ............................................................................................................................. 13 Hình 1.14: Hiện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT cống Bình Cát – Bến Tre.. 14 Hình 1.15: Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè biển Cát Hải – Hải Phòng .............................................................................................. 15 Hình 1.16: Nước biển xâm thực làng ven biển ở Trà Vinh ........................................... 15 Hình 1.17: Ăn mòn cốt thép dàn van cống – Nam Định ................................................ 16 Hình 2.1: Dây chuyền công nghệ máy pultrusion .......................................................... 17 Hình 2.2: Bộ phận cấp sợi và vải mat ............................................................................ 19 Hình 2.3: Bể nhựa .......................................................................................................... 19 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM vi Hình 2.4: Khuôn tạo hình............................................................................................... 20 Hình 2.5: Khuôn gia nhiệt .............................................................................................. 21 Hình 2.6: Lưỡi cắt .......................................................................................................... 23 Hình 2.7: Biểu đồ tiêu thụ .............................................................................................. 23 Hình 2.8: Cân mẫu, trộn mẫu và cho vào khuôn ........................................................... 29 Hình 2.9: Cho khuôn lên bàn dằn .................................................................................. 29 Hình 2.10: Quy trình tạo vữa Mac 400 .......................................................................... 30 Hình 2.11: Lấy khuôn xuống và đánh dấu mẫu ............................................................. 30 Hình 2.12: Thử uốn và nén mẫu sau khi bảo dưỡng ...................................................... 31 Hình 2.13: Các bước tiến hành tạo mẫu ........................................................................ 31 Hình 2.14: Ngâm nước biển ........................................................................................... 32 Hình 2.15: Quy trình chế tạo mẫu bê tông cốt thép kích thước 150 x 150 x 450 .......... 32 Hình 2.16: Cắt thép và trộn mẫu ................................................................................... 33 Hình 2.17: Đo độ dẻo của hỗn hợp ................................................................................ 33 Hình 2.18: Tạo khung của 2 mẫu ................................................................................... 33 Hình 2.19: Đổ bê tông vào khung .................................................................................. 34 Hình 2.20: Bảo dưỡng và ngâm nước biển ở 2 điều kiện khác nhau để so sánh ........... 34 Hình 2.21: Cân mẫu và trộn cấp phối ............................................................................ 34 Hình 2.22: Quy trình chế tạo mẫu bê tông kích thước (200 x 200 x 2000) ................... 35 Hình 2.23: Chuẩn bị khung thép và Composite ............................................................. 35 Hình 2.24: Đặt khung thép và trộn mẫu ........................................................................ 36 Hình 2.25: Đỗ mẫu dầm và tiến hành bảo dưỡng.......................................................... 36 Hình 2.26: Cắt thanh Composite buộc lại và đặt vào ván khuôn tạo sẵn ..................... 37 Hình 2.27: Gia cố và tiến hành đổ mẫu ......................................................................... 37 Hình 2.28: Tạo bề mặt và tiến hành trộn mẫu để trám đá rửa ...................................... 37 Hình 2.29: Sản phẩm cuối cùng ..................................................................................... 37 Hình 2.30: Xác định độ dẻo bê tông .............................................................................. 39 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM vii Hình 2.31: Thử uốn và nén mẫu vữa.............................................................................. 39 Hình 2.32: Sơ đồ đặt mẫu uốn và nén mẫu vữa ............................................................. 40 Hình 2.33: Kính hiển vi điển tử quét TESCAN VEGA 3XM .......................................... 41 Hình 2.34: Sơ đồ thể hiện độ hút nước .......................................................................... 43 Hình 2.35: Sấy mẫu ........................................................................................................ 43 Hình 2.36: Cân mẫu trước khi ngâm nước biển ............................................................ 44 Hình 2.37: Ngâm nước biển ........................................................................................... 44 Hình 2.38: Lau khô mẫu................................................................................................. 45 Hình 2.39: Cân mẫu sau khi ngâm nước biển ............................................................... 45 Hình 2.40: Muội silic thực tế và ảnh chụp phóng đại.................................................... 45 Hình 2.41: Hạt muội silic được chụp trên kính hiển vi truyền qua và kích thước hạt... 46 Hình 2.42: Cấu trúc của xi măng và muội ..................................................................... 48 Hình 2.43: Hệ thống khối phổ plasma cảm ứng AGILENT 7700 x LC- ICP-MS .......... 50 Hình 2.44: Máy lắc sàng A059-01 và máy nén xi măng tự động E160-01 .................... 51 Hình 2.45: Bàn dằn tạo mẫu xi măng Xiyi ZS-15 .......................................................... 52 Hình 2.46: Máy trộn vữa ................................................................................................ 52 Hình 2.47: Máy nén, uốn bê tông EL 36-3086/01 ......................................................... 53 Hình 2.48: Cân kỹ thuật Ohau max 30 kg và max 150kg .............................................. 54 Hình 2.49: Máy thử vạn năng CHT-4- 200 tấn .............................................................. 55 Hình 2.50: Khuôn duỗi thép ........................................................................................... 56 Hình 2.51: Máy trộn bê tông .......................................................................................... 56 Hình 2.52: Tủ sấy ........................................................................................................... 57 Hình 2.53: Khuôn vữa xi măng và khuôn bê tông ......................................................... 57 Hình 2.54: Khuôn thử độ sụt .......................................................................................... 58 Hình 2.55: Khuôn và cách chế tạo bàn đá bằng thanh Composite ............................... 58 Hình 3.1: Cường độ chịu uốn của SiO2 trong hỗn hợp vữa........................................... 60 Hình 3.2: Cường độ chịu nén của SiO2 trong hỗn hợp vữa .......................................... 61 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM viii Hình 3.3: Cường độ chịu uốn của SiO2 + sợi Glass trong hỗn hợp vữa ....................... 63 Hình 3.4: Cường độ chịu nén của SiO2 + sợi Glass trong hỗn hợp vữa ....................... 63 Hình 3.5: Cường độ chịu uốn của 2 tổ hợp trong hỗn hợp vữa..................................... 64 Hình 3.6: Cường độ chịu nén của 2 tổ hợp trong hỗn hợp vữa ..................................... 64 Hình 3.7: Cường độ chịu uốn của tổ hợp ngâm nước biển .......................................... 66 Hình 3.8: Cường độ chịu nén của tổ hợp ngâm nước biển ........................................... 67 Hình 3.9: Độ hút nước ................................................................................................... 68 Hình 3.10: Thí nghiệm độ bám dính .............................................................................. 68 Hình 3.11: Cường độ bám dính bê tông của cốt Composite .......................................... 69 Hình 3.12: Cường độ bám dính bê tông của cốt thép .................................................... 70 Hình 3.13: Thí nghiệm kéo của thanh Composite .......................................................... 71 Hình 3.14: Cường độ kéo của thanh Composite ............................................................ 72 Hình 4.1: Khối lượng và hình ảnh khối bê tông cốt thép (150 x 150 x 450) ................. 74 Hình 4.2: Khối lượng và hình ảnh khối bê tông cốt composite (150 x 150 x 450) ........ 74 Hình 4.3: Máy cắt sợi Model: VL1530S050 .................................................................. 75 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng so sánh giá quy đổi cốt sợi GFRP và cốt thép ........................................ 25 Bảng 2: Thành phần hóa học của muội silic .................................................................. 48 Bảng 3: So sánh thành phần hóa học của muội silic ...................................................... 49 Bảng 4: Thành phần của SiO2 trong hỗn hợp vữa ......................................................... 59 Bảng 5: Cường độ chịu uốn của SiO2 trong hỗn hợp vữa .............................................. 59 Bảng 6: Cường độ chịu nén của SiO2 trong hỗn hợp vữa .............................................. 60 Bảng 7: Thành phần của SiO2 + sợi Glass trong hỗn hợp vữa....................................... 61 Bảng 8: Cường độ chịu uốn của SiO2 + sợi Glass trong hỗn hợp vữa ........................... 62 Bảng 9: Cường độ chịu nén của SiO2 + sợi Glass trong hỗn hợp vữa ........................... 62 Bảng 10: Thành phần của các mẫu ngâm nước biển ..................................................... 65 Bảng 11: Cường độ chịu uốn của các mẫu ngâm nước biển.......................................... 65 Bảng 12: Cường độ chịu nén của các mẫu ngâm nước biển .......................................... 66 Bảng 13: Độ hút nước của mẫu ...................................................................................... 67 Bảng 14: Bảng thông số thử độ bám dính của FRP ....................................................... 69 Bảng 15: Bảng giá trị thử độ bám dính của FRP ........................................................... 69 Bảng 16: Bảng thông số thử độ bám dính của thép ....................................................... 70 Bảng 17: Bảng giá trị thử độ bám dính của thép ........................................................... 70 Bảng 18: Bảng thông số thí nghiệm kéo của FRP ......................................................... 71 Bảng 19: Bảng giá trị thí nghiệm kéo của FRP.............................................................. 72 SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM x GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ----------£¥£---------1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nha Trang là một thành phố ven biển và là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa, khoa học kỹ thuật và du lịch của tỉnh Khánh Hòa, Việt Nam [1]. Thành phố có nhiều sông suối tập trung ở 2 hệ thống sông chính là sông Cái Nha Trang và sông Quán Trường. Nha Trang đường bờ biển có chiều dài 75 km so với đường bờ biển dài 3.260 km của cả nước, đặc biệt với đường bờ biển dọc đường Trần Phú dài 7km. Nha Trang có tổng cộng 19 đảo và đảo Hòn Lớn (Hoàn Tre) là đảo lớn nhất ở Vịnh Nha Trang [2]. Ngoài ra,thủy triều vùng biển Nha Trang thuộc dạng nhật triều không đều, biên độ trung bình lớn nhất từ 1,4 ÷ 3,4 m. Độ mặn biến thiên theo mùa từ 1 ÷ 3,6%. Qua tài liệu khảo sát địa chất tại các công trình xây dựng dọc dải biển ven biển Nha Trang ta thấy cấu tạo địa chất của lớp đất bờ chủ yếu lớp cát mịn đến trung lẫn sỏi nhỏ, vỏ sò, vỏ ốc trạng thái rời rạc đến chặt vừa, xen kẽ một số điểm có các thấu kính sét mỏng nằm kẹp giữa lớp cát rời rạc và cát chặt, nguồn chủ yếu là trầm tích biển. Nha Trang có khí hậu nhiệt đới xavan chịu ảnh hưởng của khí hậu đại dương. Khí hậu Nha Trang tương đối ôn hòa, nhiệt độ trung bình năm là 250C ÷ 260C. Có mùa đông ít lạnh và mùa khô kéo dài. Mùa mưa lệch về mùa đông bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc vào tháng 12 dương lịch, lượng mưa chiếm gần 80% lượng mưa cả năm (1025 mm). Khoảng 10 đến 20% số năm mùa mưa bắt đầu từ tháng 7, 8 và kết thúc sớm vào tháng 11. So với các tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ, Nha Trang là vùng có điều kiện khí hậu thời tiết khá thuận lợi để khai thác du lịch hầu như quanh năm. Những đặc trưng chủ yếu của khí hậu Nha Trang là: nhiệt độ ôn hòa quanh năm, sự phân mùa khá rõ rệt (mùa mưa và mùa khô) và ít bị ảnh hưởng của bão. Tuy nhiên, hệ thống bờ biển bảo vệ lại chưa được đầu tư xây dựng nhiều, công nghệ sử dụng chưa được chú trọng và trong đó một số đã xuống cấp và hư hỏng nghiêm trọng. Những bờ kè cứ làm 1 ÷ 2 năm là hư hỏng nghiêm trọng. Vấn đề này đang cần được SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM xi quan tâm thảo luận. Vì vậy cần phải đánh giá được nguyên nhân hư hỏng và đưa ra được các vấn đề cần lưu ý trong công tác thiết kế, thi công và công tác quản lý khi xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển Nha Trang. Hình 0.1: Bờ kè trong công viên Yersin thành phố Nha Trang-Khánh Hòa Hình 0.2: Bờ kè phía bãi tiên thành phố Nha Trang-Khánh Hòa Hình 0.3: Bờ kè đường Trần Phú – Nha Trang SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM xii 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu giải pháp chống ăn mòn bê tông và thay thế vật liệu cốt kim loại (thép) bằng vật liệu phi kim loại (composite). 3. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Phương pháp tiếp cận các nội dung nghiên cứu của đề tài theo trình tự như sau: Bước 1: Khảo sát, nghiên cứu và phân tích đánh giá môi trường và các công trình BTCT tại vùng ven biển Nha Trang. Bước 2: Nghiên cứu và tìm hiểu các nguyên nhân ăn mòn, phá huỷ các công trình bê tông ven biển thành phố Nha Trang. Bước 3: Nghiên cứu cách chế tạo cốt Composite. Bước 4: Nghiên cứu chế tạo loại chất kết dính mới có tính năng chống ăn mòn cao trên cơ sở nguồn nguyên liệu phổ biến, công nghệ sản xuất đơn giản, giá thành hợp lý. Bước 5. Ưu và nhược điểm của đề tài. Bước 6. Khả năng ứng dụng của đề tài. 3.2 Phương pháp nghiên cứu Tìm ra giải pháp nâng cao độ chống thấm của bê tông, tăng khả năng chịu kéo, uốn, nén và va đập, làm giảm quá trình thấm cacbon và ức chế quá trình ăn mòn trong bê tông. Đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ cốt thép hoặc thay thế cốt thép bằng cốt sợi thủy tinh, bazan ... các cốt liệu gia cường Composite trong kết cấu bê tông sẽ làm tăng tính chất cơ lý, độ bền cũng như tuổi thọ của bê tông trong các công trình xây dựng. Cốt liệu gia cường Composite không chịu ăn mòn, không vón cục, không dẫn điện, không tạo từ trường, và thân thiện với môi trường. Quá trình nghiên cứu sử dụng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành như TCVN, TCXDVN, ASTM. SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM xiii Các kết quả thí nghiệm được tính toán theo phương pháp xác suất thống kê với độ tin cậy 95% (TCVN-1988). Xác định cường độ chịu nén của bê tông mẫu hình lập phương kích thước (150 x 150 x 150) mm theo TCVN 3118:1993 [3] Chế tạo và bảo dưỡng mẫu bê tông có mac phù hợp với TCVN 9139 : 2012 [4-6] và TCVN 5592 : 1991 [7] . 3.3 Phạm vi nghiên cứu Các cấu kiện bờ kè TP.Nha Trang. Kết quả nguyên cứu được triển khai ở quy mô thực nghiệm tại phòng TN vật liệu xây dựng Trường ĐH Nha Trang. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu các nguyên nhân ăn mòn, phá huỷ các công trình bê tông ven biển thành phố Nha Trang. Xác định cường độ chịu nén và uốn của mẫu 40x40x160 để tìm ra tối ưu. Xác định độ bám dính, cường độ chịu kéo của Composite. Xây dựng giải pháp kỹ thuật chống ăn mòn, phá huỷ các công trình bê tông ven biển thành phố Nha Trang. SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay, trên thế giới, hầu hết các công trình ven biển, trên biển của các quốc gia có nền kinh tế phát triển đều được ứng dụng các công nghệ chống ăn mòn phù hợp. Ở Indonesia, người ta đã sản xuất loại xi măng portland puzolan để chế tạo xi măng bền sunphat, qua thực tế cho thấy nó rất thích hợp để xây dựng các công trình ven biển. Tại Pháp, hãng CLFI đã sản xuất loại xi măng LFC (Lafarge Fordu Ciment) để xây dựng đường hầm xuyên biển Mandre. Tại Nhật Bản, Sh.Toyama và Y.Ishii đã công bố kết quả khảo sát 494 cấu kiện đơn lẻ trên các cảng biển ở Nhật Bản. Rất nhiều kết cấu bị ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt bê tông, hàm lượng Cl- trong bê tông rất cao [8]. Hầu như tất cả nguyên cứu chỉ chú ý đến phần phụ gia của bê tông còn phần lõi (thép) vẫn giữ nguyên, nhưng hầu hết hiện tượng công trình bị phá hủy là do: Khi cốt thép bị gỉ (nguyên tử sắt Fe thành xFeO.yFe2O3.zH2O), các chất này có tính xốp, tăng lớn gấp 4 ÷ 6 lần so với Fe ban đầu, gây áp lực làm nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ, mất liên kết giữa cốt thép và bê tông. Hình 1.1: Quá trình phá hủy bê tông do cốt thép 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Nhà nước đã ban hành các tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 3993 : 85 “Chống ăn mòn trong xây dựng, kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Nguyên tắc cơ bản để thuyết kế’’ [9]; TCVN 3994 : 85 “Chống ăn mòn trong xây dựng - Kết cấu bêtông và BTCT – Phân loại môi trường xâm thực’’ [10]. SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 2 Quan điểm chung về chống ăn mòn cho kết cấu BT & BTCT là: bảo vệ bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép. Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ công trình đã được tiến hành từ năm 1970. Các đơn vị có bề dày trong lĩnh vực bảo vệ công trình BTCT gồm: Viện Khoa học Thủy Lợi [8, 11], Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận Tải, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học vật liệu – TTKHTN&CNQG, Viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Xậy dựng Hà Nội, v.v.... Song rất tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế. Tất cả các công trình ven biển được xây dựng từ những năm 1960 đến nay đều áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường, ít chú ý đến vấn đề ăn mòn nhằm đảm bảo độ bền vững cho công trình, dẫn đến kết quả là tuổi thọ của nhiều công trình môi trường biển thấp. Ví dụ: Viện Khoa học Công nghệ GTVT là những đơn vị đi đầu đưa công nghệ bảo vệ catôt vào nước ta, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM đã nghiên cứu chế tạo protector nền Zn bằng phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh, nhằm nâng cao các tính chất điện hóa và hiệu quả bảo vệ của protector [12]. Bảo vệ catôt là phương pháp điện hoá làm giảm sự ăn mòn thép trong môi trường xâm thực như nước biển, bùn biển và môi trường gần biển. Một số công trình ở Việt Nam cũng áp dụng phương pháp này nhưng vẫn còn hạn chế. 1.2 KHẢO SÁT THỰC TRẠNG CÁC NGUYÊN NHÂN CƠ BẢN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG CÁC BỜ KÈ 1.2.1 Khái quát các nguyên nhân chung Hư hỏng công trình bảo vệ biển là vấn đề được sự quan tâm lớn của các nhà thiết kế xây dựng và khai thác sử dụng công trình hiện nay. Vấn đề là làm sao giảm thiểu tối đa các hư hỏng, bảo đảm ở mức độ cho phép, không có ảnh hưởng lớn đến sự hoạt động của công trình cũng như làm sao ngăn chặn các hư hỏng do sự kém hiểu biết và bất cập trong thiết kế, thi công xây dựng cũng như khâu duy tu bảo dưỡng khi sử dụng khai thác SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 3 công trình, vì ngăn cản hoàn toàn các hư hỏng đối với công trình bảo vệ bờ biển là điều không tưởng, đây là loại công trình có nhiều nguy cơ gặp rủi ro. Một công trình khi được xây dựng lên, nó tồn tại lâu hay không? Thì nó phụ thuộc vào rất nhiều nguyên nhân. Cho nên có nhiều hình thức phá hủy bờ kè, đê biển khác nhau bao gồm: - Chảy tràn/sóng tràn. - Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, đỉnh đê và xói thân đê. - Tác động hoá học của môi trường nước mặn. - Tác động của các sinh vật biển . - Các tác động tiêu cực từ việc khai thác cát sỏi, khoáng sản. - Do thiết kế và các lỗi người thi công. - Biện pháp thi công. Hư hỏng đê kè biển Mất ổn định đê Mất ổn định vĩ mô Mất ổn định vi mô Mất ổn định CT bảo vệ Xói chân công trình Sóng tràn qua đỉnh Hư hỏng công trình trên đê Lún toàn bộ công trình Thông số địa chất – Điều kiện sóng, gió, dòng chảy – thông số hình học Hình 1.2: Các sự cố phá hủy công trình ven biển SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 4 1.2.2 Trình bày các hình thức phá hủy đối với công trình bờ kè, đê biển 1.2.2.1 Sóng tràn Nguyên nhân gây ra cơ chế phá hỏng này là do lượng nước rất lớn chảy qua bề mặt đê do sóng hoặc mực nước lớn hơn cao trình đỉnh đê gây nước tràn (xem hình 1.3 ÷ 1.4 được chụp ở bờ kè đường Phạm Văn Đồng, Nha Trang). Khi nước tràn qua đỉnh, hiện tượng hỏng mái do 2 lý do sau [13]: + Lưu tốc dòng chảy trên mái rất lớn có khi lên tới trên 4 m/s phá hỏng các cấu kiện bảo vệ hoặc lớp cỏ bảo vệ trên mái gây sạt trượt cả mái phía biển cũng như mái trong . + Khi nước tràn qua mặt đê, nước thấm vào thân đê gây ra hiện tượng lỏng hoá đất đá trong thân đê. Nếu thi công không đủ độ chặt có thể hình thành dòng chảy trong thân đê phân rã dần dần đất đá trong thân đê gây trượt mái dẫn tới phá huỷ toàn bộ thân đê. Hình 1.3: Mái kè bị biến dạng và hư hỏng do áp Hình 1.4: Mái kè bị đánh sập bóc hết cấu kiện và khoét hết đất đá SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 5 1.2.2.2 Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, đỉnh đê và xói thân đê Dưới tác động của và dòng chảy tràn qua đỉnh đê quá trình hư hỏng diễn ra như sau [13]: - Do trọng lượng của viên đá nhỏ hơn so với lực tác động tuần hoàn của sóng tác động lên mái công trình nên tại “điểm yếu” một viên đá bị nhấc khỏi vị trí của nó và là điểm khởi đầu cho việc phá hoại (xem hình 1.5 bên trái – Bè kè đường Phạm Văn Đồng). - Sóng tiếp tục tác động sẽ tách các viên bảo vệ mái tiếp theo ra khỏi mái (xem hình 1.5 bên phải – Bè kè đường Phạm Văn Đồng). - Các lớp vật liệu tiếp dưới lớp bảo vệ mái cũng bị cuốn trôi theo dòng chảy tràn trên mái tạo các hố xói. Đồng thời khi đó nước thấm sâu vào thân đê làm quá trình bão hoà lớp đất đá trong thân và quá trình trượt bắt đầu xảy ra. Hình 1.5: Hư hỏng chân và đỉnh bờ kè 1.2.2.3 Tác động hoá học của môi trường nước mặn Đối với các vật liệu kim loại, quá trình ăn mòn ở những bộ phận như cửa cống xảy ra ở 3 phần riêng biệt khác nhau [14, 15]: - Phần không tiếp xúc với nước: Chịu tác động ăn mòn hoá học của nước biển, tuy nhiên tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào độ ẩm của không khí và hàm lượng các ion clo, sunphat có trong nước biển. SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 6 - Phần chịu ảnh hưởng của độ lớn triều có lúc hở ra ngoài không khí và có lúc lại chìm sâu trong nước: đoạn này chịu ăn mòn lớn nhất. Tốc độ ăn mòn có thể lớn hơn nhiều lần so với các đoạn khác. - Đoạn chìm hẳn trong nước chịu ăn mòn điện hoá và có tốc độ ăn mòn thứ 2 sau đoạn nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của thuỷ triều. Không chỉ kim loại mà các vật liệu khác cũng bị ăn mòn, chẳng hạn như đá lát mặt kè, ngoài tác động cơ học của sóng biển thì quá trình hoá học và sự phong hoá do ánh sáng mặt trời cũng làm cho các viên đá lát trở thành tròn và lăn trên mái vun thành đống dưới chân đê (xem hình 1.6 – Bè kè đường Phạm Văn Đồng). Hình 1.6: Phá hoại do nguyên nhân tác động của sóng và ăn mòn do nước mặn 1.2.2.4 Tác động của các sinh vật biển Trong môi trường nước biển có một số loài sinh vật, nấm bám vào bề mặt vật liệu có thể làm mục gỗ, bê tông, ăn mòn kim loại [16, 17]. Các yếu tố tự nhiên không tác động một cách đơn lẻ, riêng biệt. Các tác động của thuỷ triều, nước biển mặn, vi sinh vật, dòng chảy ven bờ diễn ra trong thời gian dài nhất định mới gây ra sự giảm cấp về độ bền, hư hỏng, sạt lở, phá hoại nào đó. Nhưng xung lực của sóng có thể nhanh chóng phá hoại từng phần, thậm chí làm sụp đổ bờ và các kết cấu công trình bảo vệ nó (xem hình 1.7 – Bè kè đường Phạm Văn Đồng). SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN THẮNG XIÊM 7 Hình 1.7: Các vi sinh vật góp phần đẩy nhanh quá trình ăn mòn 1.2.2.5 Các tác động tiêu cực từ việc khai thác cát sỏi, khoáng sản Khai thác cát sỏi, khoáng sản và san hô gần bờ làm giảm lượng bùn cát cung cấp cho biển gây nên xói lở bờ biển. do khai thác cát đen để làm muối và titan, bờ biển đã bị xói lở mạnh. Lấy cát làm vật liệu xây dựng góp phần đẩy nhanh quá trình thoái hoá bãi trước gây xói chân công trình dẫn tới làm hư hỏng mái kè và đổ vỡ con đê. 1.2.2.6 Các lỗi người thi công Do người thi công dùng biện pháp đá rửa mà hết giữa chừng nên đã dùng xi măng trám đỡ vào (xem hình 1.8 – Bè kè đường Bãi Tiên, Nha Trang). Hình 1.8: Lấy ximăng trám do thiếu đá rửa SVTH: BÙI THANH LAM MSSV: 54130676