Tài liệu 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 BỘ 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 thuỷ Mã số: 62 – 58 – 40 – 01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Vũ Quốc Vương GS.TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hương i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Ngô Trí Viềng và PGS.TS. Vũ Quốc Vương là hai thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ và cả sự hỗ trợ tài chính trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cám ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường đã có những đóng góp quí báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến chương trình NCKHCN phục vụ phòng chống thiên tai bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên (KC08) của Bộ KHCN đã đầu tư kinh phí cho tác giả thực hiện các thí nghiệm trong luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Vật liệu vô cơ – Viện Khoa học Vật liệu–Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Phòng nghiên cứu Vật liệu – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Vật liệu xây dựng Việt Nam đã tạo điều kiện cơ sở vật chất cho các thí nghiệm trong nghiên cứu của tác giả. Tác giả trân trọng cám ơn Vụ Đại học và Sau Đại học – Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ môn Thủy công, Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học – Trường Đại học Thủy lợi, Cục sở hữu trí tuệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã có những giúp đỡ quí báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp của tác giả tại Bộ môn Vật liệu xây dựng đã không quản khó khăn, vất vả cùng tác giả tiến hành các thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trường, cũng như gánh vác công việc để tác giả có thời gian hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. Tác giả Nguyễn Thị Thu Hương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu.......................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................................3 6. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN BẰNG BÊ TÔNG - BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................................................... 4 1.1 Hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT.....................................................................................................................4 1.1.1 Khái quát về các dạng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển............................ 4 1.1.2 Hiện trạng hư hỏng ....................................................................................11 1.1.3 Nguyên nhân hư hỏng ...............................................................................15 1.2 Tình hình nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT làm việc trong môi trường biển ................................................................................................ 24 1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới .....................................................................24 1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam ......................................................................26 1.2.3 Phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố............................ 28 1.2.4 Định hướng nghiên cứu trong luận án ......................................................29 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 ..........................................30 1.3.1 Các giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT công trình biển ................31 1.3.2 Phân tích lựa chọn giải pháp thích hợp cho BT-BTCT kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển..........................................................................................................33 iii 1.3.3 1.4 Phân tích lựa chọn tổ hợp phụ gia ............................................................. 34 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 38 CHƯƠNG 2 2.1 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 40 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ...................................................................40 2.1.1 Xi măng .....................................................................................................40 2.1.2 Tro bay ......................................................................................................41 2.1.3 Silica fume.................................................................................................41 2.1.4 Cát .............................................................................................................42 2.1.5 Cát tiêu chuẩn dùng cho thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính .....43 2.1.6 Đá ..............................................................................................................43 2.1.7 Phụ gia hóa học ......................................................................................... 43 2.1.8 Nước ..........................................................................................................44 2.2 Các phương pháp thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu .................................44 2.2.1 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu ............................................................ 44 2.2.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vữa ..................................................................44 2.2.3 Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tông ............................................................ 48 2.2.4 Các phương pháp thí nghiệm hiện đại phi tiêu chuẩn ............................... 55 2.3 Phương pháp tính toán thành phần bê tông dùng trong nghiên cứu ................57 2.3.1 Tính toán cấp phối lý thuyết......................................................................57 2.3.2 Thí nghiệm trong phòng và điều chỉnh theo vật liệu thực tế tại hiện trường ...................................................................................................................59 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 60 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 ................................ 61 3.1 Tổng quát .........................................................................................................61 3.2 Xác định các chỉ tiêu của xi măng và chất kết dính .........................................62 3.2.1 Lượng nước tiêu chuẩn .............................................................................62 3.2.2 Các chỉ tiêu của đá xi măng ......................................................................64 3.3 Xác định các chỉ tiêu của vữa ..........................................................................74 3.3.1 Lượng nước tiêu chuẩn của hỗn hợp vữa ..................................................74 3.3.2 Cường độ vữa chất kết dính ......................................................................76 3.3.3 Thí nghiệm chụp ảnh vi điện tử quét SEM ...............................................77 iv 3.4 Xác định các chỉ tiêu của bê tông ....................................................................79 3.4.1 Các yêu cầu của bê tông ............................................................................79 3.4.2 Xác định thành phần bê tông .....................................................................79 3.4.3 Cường độ nén, độ hút nước và khối lượng thể tích...................................87 3.4.4 Tính thấm nước ......................................................................................... 90 3.4.5 Độ mài mòn ............................................................................................... 92 3.4.6 Độ thấm ion Cl- ......................................................................................... 93 3.4.7 Chỉ số pH ...................................................................................................97 3.5 Tính toán hiệu quả kinh tế ...............................................................................99 3.5.1 Mục đích tính toán hiệu quả kinh tế .......................................................... 99 3.5.2 Tính chi phí vật liệu cho các cấp phối khác nhau ...................................100 3.6 Phân tích lựa chọn tỷ lệ phụ gia hợp lý..........................................................103 3.7 Kết luận chương 3 ..........................................................................................104 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CÓ ĐỘ BỀN CAO CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN GIAO THỦY – NAM ĐỊNH .......................................... 107 4.1 Điều kiện áp dụng kết quả nghiên cứu bê tông có độ bền cao ......................107 4.2 Giới thiệu công trình và các cấu kiện ứng dụng thử nghiệm .........................108 4.2.1 Giới thiệu về công trình ..........................................................................108 4.2.2 Giới thiệu về vị trí và cấu tạo các cấu kiện ứng dụng thử nghiệm .........109 4.3 Vật liệu và thành phần bê tông ứng dụng thử nghiệm ...................................111 4.3.1 Vật liệu sử dụng ......................................................................................111 4.3.2 Tính toán thành phần bê tông ..................................................................114 4.4 Kết quả thí nghiệm trong phòng và ứng dụng thử nghiệm tại hiện trường ...117 4.4.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng..............................................................117 4.4.2 Kết quả ứng dụng thử nghiệm tại hiện trường ........................................118 4.5 Kết luận chương 4 ..........................................................................................122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 123 I. Kết quả đạt được của luận án ...............................................................................123 II. Hướng phát triển của luận án ..............................................................................124 III. Kiến nghị ...........................................................................................................124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 127 v PHỤ LỤC ........................................................................................................... 133 PHỤ LỤC 1. CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM XI MĂNG, TRO BAY, MUỘI SILIC ...133 Phụ lục 1-1. Giấy chứng nhận kết quả thử nghiệm xi măng của nhà máy xi măng Bút Sơn ................................................................................................................134 Phụ lục 1-2 . Kết quả phân tích thành phần hóa học và khối lượng riêng của xi măng, tro bay và silica fume ...........................................................................135 Phụ lục 1-3. Kết quả phân tích thành phần hạt của xi măng Bút Sơn .................135 Phụ lục 1-4. Kết quả phân tích thành phần hạt của tro tuyển Phả Lại ................136 Phụ lục 1-5. Kết quả phân tích thành phần hạt của silica fume ..........................137 PHỤ LỤC 2. CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH HIỆN ĐẠI ĐỐI VỚI XI MĂNG VÀ VỮA ......................................................................................................138 Phụ lục 2-1. Kết quả phân tích tia rơnghen X-Ray của đá xi măng ....................138 Phụ lục 2-2. Kết quả phân tích nhiệt TGA của đá xi măng .................................143 Phụ lục 2-3. Kết quả chụp ảnh vi điện tử quét SEM của đá xi măng ..................148 Phụ lục 2-4. Kết quả chụp ảnh vi điện tử quét SEM của vữa..............................150 PHỤ LỤC 3. CODE PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG PHỤ GIA .......................................................................................................153 PHỤ LỤC 4. BIÊN BẢN XÁC NHẬN VỀ VIỆC ỨNG DỤNG SẢN PHẨM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ............................................................................................................167 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng tường đứng ...............................................5 Hình 1-2. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại có cơ đê ........................5 Hình 1-3. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại không có cơ đê .............5 Hình 1-4. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng hỗn hợp ....................................................6 Hình 1-5. Đê dạng tường đứng bằng BTCT ....................................................................7 Hình 1-6. Tường đỉnh kè bằng BTCT .............................................................................7 Hình 1-7. Mặt cắt ngang kết cấu gia cố mái đê điển hình ...............................................7 Hình 1-8. Kè bằng cấu kiện BT tấm bản mỏng ............................................................... 8 Hình 1-9. Kè bằng cấu kiện BT khối lập phương ........................................................... 8 Hình 1-10. Kè bằng cấu kiện BT Haro ............................................................................8 Hình 1-11. Kè bằng cấu kiện BT Holhquader .................................................................8 Hình 1-12. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 2 chiều loại không có mũ .............9 Hình 1-13. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 2 chiều loại có mũ ........................9 Hình 1-14. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 3 chiều TSC ................................ 10 Hình 1-15. Kè đê biển bằng thảm bê tông liên kết ........................................................ 11 Hình 1-16. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện liên kết 2 chiều loại không mũ ..................................................................................................................................12 Hình 1-17. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện liên kết 2 chiều loại có mũ .12 Hình 1-18. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện TSC.....................................12 Hình 1-19. Nguyên nhân phá hoại bê tông do tác động vật lý và cơ học .....................18 Hình 1-20. Sơ đồ quá trình xói mòn, mài mòn vật liệu trong môi trường nước ...........18 Hình 1-21. Nguyên nhân phá hoại bê tông do tác động ăn mòn ...................................19 Hình 1-22. Sơ đồ mô tả các thành phần hóa học tham gia vào quá trình ăn mòn kết cấu BTCT trong môi trường biển ......................................................................................... 21 Hình 1-23. Tổng hợp các dạng ăn mòn bê tông, cốt thép trong môi trường biển và định hướng giải pháp hạn chế ................................................................................................ 22 Hình 1-24. Sơ đồ phân vùng môi trường biển ............................................................... 23 Hình 1-25. Sơ đồ mô tả tác động phá hoại BTCT ở các vùng trong môi trường biển ..23 Hình 1-26. Sơ đồ tóm tắt vai trò, tác dụng của các loại phụ gia dùng trong nghiên cứu .......................................................................................................................................38 Hình 2-1. Ảnh chụp 3 thành phần vật liệu trong hỗn hợp chất kết dính ....................... 42 Hình 2-2. Đo đường kính đáy khối vữa của mẫu đối chứng 100%XM ........................ 46 Hình 2-3. Đo đường kính đáy khối vữa của mẫu thí nghiệm có dùng phụ gia trước khi hiệu chỉnh nước .............................................................................................................46 Hình 2-4. Thí nghiệm tạo mẫu trong khuôn 3 ngăn lăng trụ 40x40x160mm ...............46 Hình 2-5. Thí nghiệm trên mẫu vữa đã đông rắn .......................................................... 47 Hình 2-6. Sơ đồ các bước thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính ....................... 47 vii Hình 2-7. Máy thí nghiệm thấm với 4 khoang chứa mẫu của Matest ........................... 50 Hình 2-8. Mẫu bê tông sau khi ép bửa và đo độ thấm xuyên sâu .................................51 Hình 2-9. Máy và mẫu thí nghiệm độ mài mòn bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1138 .......................................................................................................................................53 Hình 2-10. Máy thí nghiệm đo nồng độ ion Cl- CL-3000 ............................................54 Hình 2-11. Thiết bị đo và bộ phận hiển thị nồng độ ion Cl- của máy CL-3000 ............55 Hình 3-1. Lượng nước tiêu chuẩn của các tổ mẫu với lượng phụ gia thay đổi .............63 Hình 3-2 . Các mẫu đá xi măng khi mới đúc và sau 6 tháng bảo dưỡng ......................65 Hình 3-3. Lượng ion Cl- và SO3 trong các mẫu đá xi măng .........................................67 Hình 3-4. X-Ray của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày ............................................................... 68 Hình 3-5. X-Ray của mẫu X-T20S10P0,4 28 ngày .......................................................... 69 Hình 3-6. TGA của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày .................................................................70 Hình 3-7. TGA của mẫu X-T20S10P0,4, 28 ngày............................................................. 71 Hình 3-8. SEM của mẫu X-T0S0P0, 28 và 60 ngày ......................................................73 Hình 3-9. SEM của mẫu X-T20S10P0,4, 28 và 60 ngày ..................................................73 Hình 3-10. Biểu đồ so sánh sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn của xi măng và vữa ...75 Hình 3-11. Sự phát triển cường độ của các tổ mẫu vữa theo thời gian ......................... 76 Hình 3-12. SEM của mẫu V-T0S0P0, 3 ngày và 28 ngày...............................................78 Hình 3-13. SEM của mẫu V-T20S10P0, 3 ngày và 28 ngày ............................................78 Hình 3-14. Sơ đồ các bước tính toán thành phần bê tông có sử dụng phụ gia ..............81 Hình 3-15. Giao diện giới thiệu phần mềm ...................................................................82 Hình 3-16. Giao diện nhập dữ liệu ................................................................................82 Hình 3-17. Giao diện kết quả tính các đại lượng trung gian .........................................83 Hình 3-18. Giao diện kết quả tính toán lượng vật liệu cho 1m3 bê tông ....................... 83 Hình 3-19. Sự thay đổi tỷ lệ N/CKD của các tổ mẫu khi lượng dùng phụ gia khác nhau .......................................................................................................................................86 Hình 3-20. Sự biến đổi cường độ bê tông theo thời gian khi tỷ lệ dùng phụ gia khoáng thay đổi .......................................................................................................................... 88 Hình 3-21. Sự biến đổi cường độ bê tông theo thời gian khi lượng dùng phụ gia hóa dẻo thay đổi ...................................................................................................................88 Hình 3-22. Cường độ bê tông của các tổ mẫu thí nghiệm .............................................89 Hình 3-23. Sự thay đổi mức hút nước của bê tông của các tổ mẫu ............................... 90 Hình 3-24. Biểu đồ hệ số thấm của các mẫu có và không có phụ gia .......................... 91 Hình 3-25. Độ mài mòn của các mẫu có và không có phụ gia ......................................92 Hình 3-26. Mẫu thí nghiệm và sơ đồ vị trí các điểm lấy mẫu xác định lượng ion Cl- ..93 Hình 3-27. Nồng độ ion Cl- đo được sau 6 tháng .......................................................... 94 Hình 3-28. Nồng độ ion Cl- đo được sau 12 tháng ........................................................ 94 Hình 3-29. Nồng độ ion Cl- đo được sau 24 tháng ........................................................ 95 Hình 3-30. Lượng ion Cl- đo tại bề mặt ........................................................................95 Hình 3-31. Lượng ion Cl- đo tại điểm sâu 2cm ............................................................. 95 viii Hình 3-32. Lượng ion Cl- đo tại điểm sâu 4cm ............................................................. 96 Hình 3-33. Các bể bảo dưỡng mẫu bê tông trong phòng ..............................................98 Hình 3-34. Các bước lắp mẫu thí nghiệm thấm ............................................................ 98 Hình 3-35. Chạy máy thí nghiệm và đo chiều sâu dòng thấm sau khi ép bửa mẫu ......99 Hình 3-36. Các bước thí nghiệm nồng độ ion Cl- trong bê tông ...................................99 Hình 3-37. Biểu đồ so sánh chi phí vật liệu giữa các phương án khác nhau ..............103 Hình 4-1. Đê biển Giao Thủy – Nam Định .................................................................108 Hình 4-2. Hiện trạng hư hỏng các cấu kiện bê tông loại liên kết 2 chiều ở tuyến đê biển Giao Thủy ....................................................................................................................109 Hình 4-3. Hiện trạng hư hỏng các cấu kiện bê tông TSC ở tuyến đê biển Giao Thủy109 Hình 4-4. Mặt cắt ngang, mặt bằng và vị trí cấu kiện BTĐS ứng dụng thử nghiệm trên kè bảo vệ mái đê biển Giao Thủy ................................................................................110 Hình 4-5. Cấu tạo, hình dạng, kích thước cấu kiện BTĐS loại I ................................111 Hình 4-6. Ảnh chụp 3 thành phần vật liệu trong hỗn hợp chất kết dính .....................112 Hình 4-7. Pha phụ gia hóa dẻo chuẩn bị cho thí nghiệm hiện trường .........................114 Hình 4-8. Giao diện nhập dữ liệu tính toán thành phần bê tông cho đê Giao Thủy....115 Hình 4-9. Giao diện kết quả tính toán lượng vật liệu cho 1m3 bê tông đê Giao Thủy 115 Hình 4-10. Giao diện kết quả tính toán lượng vật liệu cho 1 mẻ trộn bê tông đê Giao Thủy .............................................................................................................................116 Hình 4-11. Sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian của mẫu có và không có phụ gia ................................................................................................................................117 Hình 4-12. Trộn, đúc cấu kiện thử nghiệm tại hiện trường ........................................119 Hình 4-13. Các cấu kiện bê tông sau khi được hoàn thành .........................................119 Hình 4-14. Tháo các cấu kiện cũ để chuẩn bị thay cấu kiện mới ................................119 Hình 4-15. Lắp các cấu kiện mới vào vị trí thay thế cấu kiện cũ ...............................120 Hình 4-16. Các cấu kiện sau khi lắp đặt xong .............................................................120 Hình 4-17. Các cấu kiện sau 2 năm sử dụng ...............................................................120 Hình 4-18. Thí nghiệm kiểm tra cường độ tại hiện trường theo phương pháp không phá hoại ..............................................................................................................................121 Hình 1. X-Ray của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày ................................................................138 Hình 2. X-Ray của mẫu X-T0S0P0, 60 ngày ................................................................138 Hình 3. X-Ray của mẫu X-T30S0P0,4, 28 ngày .............................................................139 Hình 4. X-Ray của mẫu X-T30S0P0,4, 60 ngày .............................................................139 Hình 5. X-Ray của mẫu X-T25S5P0,4, 28 ngày .............................................................140 Hình 6. X-Ray của mẫu X-T25S5P0,4, 60 ngày .............................................................140 Hình 7. X-Ray của mẫu X-T20S10P0,4, 28 ngày...........................................................141 Hình 8. X-Ray của mẫu X-T20S10P0,4, 60 ngày............................................................141 Hình 9. X-Ray của mẫu X-T15S15P0,4, 28 ngày............................................................142 Hình 10. X-Ray của mẫu X-T15S15P0,4, 60 ngày..........................................................142 ix Hình 11. TGA của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày.................................................................143 Hình 12. TGA của mẫu X-T0S0P0, 60 ngày................................................................143 Hình 13. TGA của mẫu X-T30S0P0,4, 28 ngày .............................................................144 Hình 14. TGA của mẫu X-T30S0P0,4, 60 ngày .............................................................144 Hình 15. TGA của mẫu X-T25S5P0,4, 28 ngày .............................................................145 Hình 16. TGA của mẫu X-T25S5P0,4, 60 ngày .............................................................145 Hình 17. TGA của mẫu X-T20S10P0,4, 28 ngày ............................................................146 Hình 18. TGA của mẫu X-T20S10P0,4, 60 ngày ............................................................146 Hình 19. TGA của mẫu X-T15S15P0,4, 28 ngày ............................................................147 Hình 20. TGA của mẫu X-T15S15P0,4, 60 ngày ............................................................147 Hình 21. SEM của mẫu X-T0S0P0, 28 và 60 ngày ......................................................148 Hình 22. SEM của mẫu X-T30S0P0,4, 28 và 60 ngày ..................................................148 Hình 23. SEM của mẫu X-T25S5P0,4, 28 và 60 ngày ..................................................149 Hình 24. SEM của mẫu X-T20S10P0,4, 28 và 60 ngày .................................................149 Hình 25. SEM của mẫu X-T15S15P0,4, 28 và 60 ngày .................................................150 Hình 26. SEM của mẫu V-T0S0P0, 3 ngày và 28 ngày ................................................150 Hình 27. SEM của mẫu V-T30S0P0, 3 ngày và 28 ngày ...............................................151 Hình 28. SEM của mẫu V-T25S5P0, 3 ngày và 28 ngày ...............................................151 Hình 29. SEM của mẫu V-T20S10P0, 3 ngày và 28 ngày .............................................152 Hình 30. SEM của mẫu V-T15S15, 3 ngày và 28 ngày .................................................152 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Niên hạn hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép thường gặp trong môi trường biển Việt Nam ............................................................................................. 14 Bảng 1-2. Hàm lượng trung bình của các ion trong nước biển .....................................15 Bảng 2-1. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40 Bút Sơn..............................................40 Bảng 2-2. Các chỉ tiêu tính chất của tro tuyển Phả Lại .................................................41 Bảng 2-3. Các chỉ tiêu tính chất của silica fume Castech .............................................41 Bảng 2-4. Các chỉ tiêu vật lý của cát .............................................................................42 Bảng 2-5. Bảng thành phần hạt của cát .........................................................................42 Bảng 2-6. Các chỉ tiêu vật lý của đá dăm ......................................................................43 Bảng 2-7. Bảng thành phần hạt của đá dăm ..................................................................43 Bảng 2-8. Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu ............................................................... 44 Bảng 2-9. Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tông ............................................................... 48 Bảng 3-1. Cấp phối vật liệu và kết quả đo LNTC của xi măng và hỗn hợp CKD ........63 Bảng 3-2. Kết quả phân tích thành phần nước biển Giao Thủy – Nam Định ...............65 Bảng 3-3. Kết quả thí nghiệm lượng ion Cl- và SO3 trong đá xi măng ......................... 66 Bảng 3-4. Kết quả ước lượng các thành phần trong đá xi măng từ thí nghiệm TGA ...71 Bảng 3-5. Kết quả thí nghiệm xác định LNTC của vữa và xi măng, hỗn hợp CKD ....74 Bảng 3-6. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính ...................................76 Bảng 3-7. Các cấp phối và thành phần vật liệu trong bê tông theo tính toán ...............84 Bảng 3-8. Thành phần bê tông sau khi xác định lượng nước thỏa mãn độ lưu động yêu cầu ..................................................................................................................................85 Bảng 3-9. Kết quả thí nghiệm cường độ, độ hút nước và khối lượng thể tích của BT .87 Bảng 3-10. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm ...................................................................91 Bảng 3-11. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn .................................................................92 Bảng 3-12. Độ thấm ion Cl- sau 6, 12, 24 tháng tại các vị trí điểm đo khác nhau ........94 Bảng 3-13. Chỉ số pH đo được sau 6, 12, 24 tháng tại điểm sâu 4cm .......................... 97 Bảng 3-14. Đơn giá vật liệu chế tạo bê tông ...............................................................101 Bảng 3-15. Bảng tính chi phí vật liệu cho các cấp phối khác nhau.............................102 Bảng 4-1. Các chỉ tiêu của cát Sông Lô ......................................................................112 Bảng 4-2. Thành phần hạt của cát Sông Lô.................................................................113 Bảng 4-3. Các chỉ tiêu của đá dăm Ninh Bình ............................................................113 Bảng 4-4. Thành phần hạt của đá dăm Ninh Bình ......................................................113 Bảng 4-5. Các yêu cầu của bê tông và chỉ tiêu của vật liệu chế tạo bê tông đê Giao Thủy .............................................................................................................................114 Bảng 4-6. Thành phần vật liệu bê tông theo hai phương án có và không có phụ gia .116 Bảng 4-7. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu của hai loại bê tông có và không có phụ gia .....................................................................................................................................117 Bảng 4-8. Kết quả đo cường độ tại hiện trường thử nghiệm .......................................121 xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT B, BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép BT-BTCT Bê tông – Bê tông cốt thép V Vữa CSH(C-S-H) CaO.SiO2.H2O C3S 3CaO.SiO2 C2S 2CaO.SiO2 TGA Thermal Gravimetric Analysis - Phân tích nhiệt trọng lượng X-Ray Phân tích tia rơnghen SEM Scanning Electron Microscope-Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét X, XM Xi măng T, TB Tro bay S, SF Silica fume CKD Chất kết dính PGK Phụ gia khoáng PGH Phụ gia hóa P, PGHD Phụ gia hóa dẻo C Cát Đ Đá N Nước N/CKD Tỷ lệ nước/chất kết dính LNTC Lượng nước tiêu chuẩn KLTT Khối lượng thể tích BTĐS Bê tông đúc sẵn CK Cấu kiện TP Thành phần SP Sản phẩm MT Môi trường KH Ký hiệu xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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. Với đặc điểm như vậy, việc xây dựng, tu bổ, nâng cấp hệ thống đê và công trình bảo vệ bờ biển luôn được Đảng, nhà nước và chính phủ coi trọng, nhằm đảm bảo cho sự phát triển của chiến lược kinh tế, an ninh quốc phòng và giao thông hàng hải. Vai trò của hệ thống đê biển ngày càng được nâng cao, không chỉ dừng ở mức độ nhằm chống bão, ngăn mặn, mà còn có sự kết hợp đa mục tiêu để đảm bảo là cơ sở vững chắc, tạo đà phát triển kinh tế, phục vụ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Nghiên cứu về đê biển trên thế giới đã có từ lâu, nhiều nước có thể nói như là đã hoàn tất, như Hà Lan. Các thành tựu nghiên cứu về khoa học công nghệ đê biển trên thế giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào các tài liệu sổ tay, quy trình, quy phạm. Tuy nhiên do những biến động lớn về môi trường, tần suất và cường độ ngày càng gia tăng của thiên tai, nhất là sự biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho vấn đề an toàn bờ biển và công trình ven biển, nảy sinh nhiều vấn đề mới, phức tạp; vì vậy những nghiên cứu về lĩnh vực này vẫn tiếp tục được trọng thị trên toàn thế giới. Để xây dựng hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ biển, ngoài vật liệu đất để đắp thân đê thì vật liệu sử dụng cho các cấu kiện bảo vệ mái đê và các kết cấu công trình bảo vệ bờ biển hiện nay chủ yếu là bê tông và bê tông cốt thép (BT-BTCT). Vật liệu bê tông và bê tông cốt thép được ứng dụng trong xây dựng các công trình biển từ cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20. Với nhu cầu ứng dụng ngày càng nhiều và rộng rãi, vai trò của vật liệu BT-BTCT đối với các công trình biển nói chung và hệ thống đê biển nói riêng ngày càng trở nên quan trọng; vì vậy đến cuối thế kỷ 20, các chuyên gia vật liệu trên thế giới đã đưa ra một định hướng mang tính chiến lược:“Thế kỷ 21 sẽ được biết đến là thế kỷ của bê tông trong môi trường biển và đại dương”. Nhận định này của các tác giả P.K. Mehta [1] và B.C.Gerwick [2] từ những năm 1990 đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu xây dựng trên thế giới cũng như các quốc gia có đường biên giới giáp với biển, trong đó có Việt Nam. 1 Do làm việc trong môi trường biển là môi trường có tác nhân gây ăn mòn phá hủy mạnh đồng thời chịu tác động tổ hợp của nhiều yếu tố, nên các công trình biển bằng BT-BTCT thường 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; nó không chỉ là giá trị kinh tế về kinh phí để sửa chữa, phục hồi, mà nhiều công trình còn liên quan đến vấn đề bảo vệ tính mạng, đời sống cho hàng ngàn người dân vùng biển đảo. 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. Vì vậy, cần sớm triển khai các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ bền cho BT-BTCT, nhằm đảm bảo chất lượng và tuổi thọ lâu dài cho các công trình này. Những kết quả phân tích trên chính là cơ sở để xác định hướng nghiên cứu của 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 Mục đích nghiên cứu của luận án là tìm ra giải pháp khoa học, kinh tế và có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam, nhằm nâng cao độ bền cho bê tông và bê tông cốt thép 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; - Quan điểm trong hướng nghiên cứu của luận án là 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. 4. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu trong luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, bao gồm cả phần thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường. 2 - Nghiên cứu lý thuyết được tiến hành dựa theo các sách, tài liệu đã được phát hành và các kết quả nghiên cứu đã được công bố chính thức để phân tích tổng hợp đưa ra những luận cứ đúng đắn cho nội dung nghiên cứu đã đề ra. - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng dựa theo các tiêu chuẩn hiện hành trong nước và trên thế giới, đồng thời kết hợp với các phương pháp hiện đại phi tiêu chuẩn để có những kết quả chính xác là cơ sở chứng minh cho những nhận định, luận điểm mà lý thuyết đưa ra. - Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường dựa theo kết quả xác định được từ thí nghiệm trong phòng để đánh giá về tính khả thi và hiệu quả khi ứng dụng thực tế giải pháp được lựa chọn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài đã 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: Đề tài đã lựa chọn được tỷ lệ phụ gia hợp lý, góp phần tạo ra kết cấu bê tông – bê tông cốt thép 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. 6. 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 BTBTCT 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. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN BẰNG BÊ TÔNG - BÊ TÔNG CỐT THÉP Trong những năm gần đây việc xây dựng, tu bổ, nâng cấp hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ biển được Đảng, nhà nước và chính phủ rất coi trọng và đầu tư với nguồn kinh phí lớn. Chính vì vậy, để đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho các công trình này những vật liệu có chất lượng cao như bê tông và bê tông cốt thép (BT-BTCT) đang được nghiên cứu và sử dụng ngày càng rộng rãi thay cho các vật liệu truyền thống trước đây. Với lý do đó, nội dung phần tổng quan dưới đây sẽ tập trung phân tích vấn đề thực trạng, nguyên nhân hư hỏng và các giải pháp hạn chế đối với các kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển sử dụng vật liệu chế tạo là bê tông và bê tông cốt thép. Từ đó sẽ phân tích, đánh giá, định hướng giải pháp nghiên cứu trong luận án sao cho phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam. 1.1 Hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT Để tìm hiểu về hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng BT-BTCT kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển, cần xem xét các hình thức kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển thường dùng, thực trạng về khả năng làm việc của loại kết cấu này, sau đó phân tích nguyên nhân gây nên những phá hoại hư hỏng đối với kết cấu công trình. 1.1.1 Khái quát về các dạng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển Theo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển” do Bộ NN và PTNT ban hành năm 2012 [3], và tiêu chuẩn TCVN 9901:2014 [4], dựa vào hình thức mặt cắt ngang đặc trưng, đê biển có thể được phân thành 3 loại sau: - Đê tường đứng (hình 1-1) - Đê mái nghiêng, có hoặc không có cơ đê ở hai phía (hình 1-2, 1-3) - Đê hỗn hợp, trên nghiêng dưới đứng, hoặc trên đứng dưới nghiêng (hình 1-4) Một số ví dụ minh họa mặt cắt ngang đê biển có thể tham khảo trên các hình từ 1-1 đến 1-4. Việc lựa chọn loại mặt cắt phù hợp cần căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, vật liệu xây dựng, điều kiện thi công và yêu cầu sử dụng để phân tích và quyết định. 4 1. Mặt đê; 2. Nền đê được bóc lớp đất phong hóa; 3. Đất đắp thân đê; 4. Trồng cỏ mái đê; 5. Tường đứng; 6. Lăng thể chống xói; 7. Cây chắn sóng Hình 1-1. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng tường đứng 1. Mặt đê; 2. Cơ đê phía đồng; 3. Cơ đê phía biển; 4. Rãnh tiêu; 5. Chân khay; 6. Lăng thể chống xói; 7. Mái đê phía đồng; 8. Mái đê phía biển; 9. Nền đê được bóc phong hóa; 10. Đất đắp thân đê; 11. Cây chắn sóng Hình 1-2. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại có cơ đê 1. Mặt đê; 2. Nền đê được bóc phong hóa; 3. Đất đắp thân đê; 4. Trồng cỏ mái đê; 5. Gia cố mái phía biển; 6. Lớp lót; 7. Chân khay; 8. Lăng thể chống xói; 9. Mương tiêu nước; 10. Cây chắn sóng Hình 1-3. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại không có cơ đê 5 1. Mặt đê; 2. Nền đê được bóc phong hóa; 3. Đất đắp thân đê; 4. Trồng cỏ mái đê; 5. Gia cố mái phía biển; 6. Lớp lót; 7. Tường chân khay; 8. Khối tetrapod; 9. Lăng thể chống xói; 10. Cây chắn sóng Hình 1-4. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng hỗn hợp Nhìn vào các sơ đồ trên có thể thấy, mỗi bộ phận trong kết cấu đê đều có vai trò nhất định trong việc giữ ổn định và đảm bảo khả năng làm việc lâu dài cho toàn hệ thống khi chịu những tác động từ các yếu tố đặc trưng của môi trường biển. Tuy nhiên, những 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 hơn đến sự an toàn của mỗi tuyến đê, và chiếm một tỷ lệ kinh phí đáng kể trong các dự án đê điều, nên thường được sự quan tâm của các đơn vị thiết kế và thi công hơn. Những bộ phận quan trọng này phải kể đến như kết cấu tường của dạng đê tường đứng, đê hỗn hợp và kết cấu kè bảo vệ mái dốc phía biển của dạng đê mái nghiêng. Vật liệu sử dụng cho các bộ phận này có các loại sau đây: - Với kết cấu tường của dạng đê tường đứng và dạng đê hỗn hợp, có thể sử dụng vật liệu đá xây hoặc bê tông cốt thép. - Với kết cấu kè bảo vệ mái dốc của dạng đê mái nghiêng, có thể sử những vật liệu khác nhau được khái quát thành các loại sau đây: + Dùng đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung bằng đá xây; + Dùng bê tông đổ tại chỗ, dùng các cấu kiện bê tông theo hình thức lát độc lập, dạng ghép liên kết theo cơ chế mảng mềm, hay dùng dưới dạng mảng liên kết được ghép trước khi lắp đặt; + Một số hình thức khác: Bê tông atphan, trồng cỏ, vải địa kỹ thuật,…. Theo xu thế hiện nay, khi việc đầu tư xây dựng, nâng cấp các hệ thống đê biển đang được chú trọng để đảm bảo có một công trình ổn định và vững chắc, thì vật liệu BT- 6