Luận Án Tiến Sỹ Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Đặc Biệt Đề Tài Nghiên Cứu Bê Tông Có Độ Bền Ăn Mõn Cao Sử Dụng Muội Silic Cho Kết Cấu Công Trình Ở Môi Trƣờng Biển Việt Nam.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN LONG KHÁNH

NGHIÊN CỨU BÊ TƠNG CĨ ĐỘ BỀN ĂN MÕN CAO
SỬ DỤNG MUỘI SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
Ở MƠI TRƢỜNG BIỂN VIỆT NAM

NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Đặc biệt
MÃ SỐ: 958.02.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh
2. GS. TS. Phạm Duy Hữu

Hà Nội, 02/2023


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. vii
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………...1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 3
3.1. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................... 3
3.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................... 4
5.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................. 4
5.2. Ý nghĩa thực tiễn.............................................................................................. 4
6. Bố cục Luận án ........................................................................................................ 5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CĨ ĐỘ BỀN ĂN MÕN CAO
TRONG MƠI TRƢỜNG BIỂN ......................................................................... 6
1.1. Khái quát về ảnh hƣởng của môi trƣờng biển tới độ bền bê tông ..................... 7
1.1.1. Khái niệm về môi trường biển ..................................................................... 7
1.1.2. Các đặc trưng của môi trường biển trên thế giới và Việt Nam .................... 8
1.1.3. Ảnh hưởng của môi trường biển tới độ bền bê tông .................................. 11
1.1.4. Các biện pháp tăng cường độ bền bê tông sử dụng trong môi trường biển ... 14
1.2. Khái quát về độ bền của bê tông ......................................................................... 16
1.2.1. Độ bền bê tông ........................................................................................... 16
1.2.2. Nghiên cứu về cơ chế ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion Cl- .................... 28
1.2.3. Nghiên cứu về ảnh hưởng của lỗ rỗng tới độ bền của bê tông .................. 31
1.3. Bê tơng muội silic có độ bền ăn mịn cao ............................................................ 32
1.3.1. Khái niệm về bê tơng có độ bền ăn mòn cao ............................................. 33
1.3.2. Nghiên cứu về bê tơng muội silic .............................................................. 33
1.3.3. Tình hình nghiên cứu về bê tơng muội silic có độ bền ăn mịn cao .......... 35
1.3.4. Tuổi thọ của cơng trình bê tơng trong môi trường biển............................. 40
1.4. Định hƣớng nghiên cứu của Luận án .................................................................. 42
1.5. Kết luận Chƣơng 1 ................................................................................................ 43

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG
MUỘI SILIC ………………………………………………………………….44

2.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông ................. 44
2.1.1. Sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông................................................... 44
2.1.2. Các phương pháp thí nghiệm về sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông ... 49
2.2. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hƣởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền bê tông.. 56


2.2.1. Ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền của bê tông ............................. 56
2.2.2. Phương pháp xác định thể tích lỗ rỗng của bê tơng................................... 57
2.3. Thiết kế thí nghiệm theo phƣơng pháp Taguchi ................................................ 60
2.3.1. Phương pháp Taguchi ................................................................................ 60
2.3.2. Xây dựng mơ hình hồi quy ........................................................................ 63
2.4. Kết luận Chƣơng 2 ................................................................................................ 65

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ THÀNH
PHẦN TỚI ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG MUỘI SILIC.................................... 66
3.1. Thiết kế chế tạo bê tông muội silic ...................................................................... 67
3.1.1. Tiêu chuẩn áp dụng và cơ sở khoa học lựa chọn thành phần thiết kế bê
tông muội silic ........................................................................................... 67
3.1.2. Vật liệu chế tạo bê tơng xi măng muội silic .............................................. 68
3.1.3. Tính tốn thiết kế thành phần và chế tạo bê tông muội silic ..................... 73
3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới cƣờng độ chịu nén của
bê tông muội silic................................................................................................. 82
3.2.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tơng muội silic ............... 82
3.2.2. Phân tích ảnh hưởng yếu tố thành phần đến cường độ chịu nén của bê tông
muội silic .................................................................................................... 82
3.2.3. Xây dựng phương trình hồi quy mơ tả quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm
lượng muội silic và cường độ chịu nén của bê tông muội silic bằng
phương pháp Taguchi ................................................................................ 83
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới khả năng chống thấm
ion Cl- của bê tông muội silic ............................................................................. 91

3.3.1. Thí nghiệm xác định độ thấm ion Cl- ........................................................ 91
3.3.2. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới độ thấm ion Cl- của bê
tông muội silic ........................................................................................... 91
3.3.3. Xây dựng phương trình hồi quy mơ tả quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm
lượng muội silic và độ thấm ion Cl- của bê tông muội silic bằng phương
pháp Taguchi .............................................................................................. 92
3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới hệ số khuếch tán ion
Cl- của bê tông muội silic .......................................................................... 95
3.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền của bê tơng muội silic97
3.4.1. Xác định thể tích lỗ rỗng của bê tơng muội silic ....................................... 98
3.4.2. Phân tích ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng tới hệ số khuếch tán ion Cl- của
bê tông muội silic ..................................................................................... 100
3.4.3. Phân tích tương quan ảnh hưởng lẫn nhau của các yếu tố thành phần tới độ
bền và thể tích lỗ rỗng của bê tông muội silic ......................................... 107
3.5. Xây dựng phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông muội silic có xét đến độ
bền ...................................................................................................................... 108
3.5.1. Phương pháp thiết kế thành phần bê tơng muội silic có xét đến độ bền . 108
3.5.2. Phân bố xác suất của hàm mục tiêu thiết kế bê tông theo các yếu tố thành
phần .......................................................................................................... 112
3.5.3. Thiết kế bê tông muội silic theo yêu cầu cường độ chịu nén đặc trưng (f’c
= 60 MPa) ................................................................................................ 114


3.6. Kết luận Chƣơng 3 .............................................................................................. 116

CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG THIẾT KẾ BÊ TÔNG MUỘI SILIC CHO
KẾT CẤU TRỤ CẦU Ở KHU VỰC BIỂN HẢI PHÒNG .......................... 118
4.1. Giới thiệu về kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải Phòng ................................ 118
4.1.1. Bệ trụ ........................................................................................................ 118
4.1.2. Vật liệu sử dụng ....................................................................................... 119

4.1.3. Đặc điểm khu vực biển Hải Phòng ........................................................... 119
4.2. Thiết kế thành phần bê tông muội silic cho kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải
Phòng ...................................................................................................................... 121
4.3. Tính tốn thời gian khởi đầu ăn mịn của kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải
Phòng.................................................................................................................. 122
4.3.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn thời gian khởi đầu ăn mịn của kết cấu cơng trình
bằng phần mềm Life-365 ......................................................................... 122
4.3.2. Xác định thơng số mơ hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu
trụ cầu ở biển Hải Phịng ......................................................................... 129
4.3.3. Tính tốn thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu trụ cầu sử dụng bê tông
muội silic bằng phần mềm Life-365 ........................................................ 131
4.3.4. Tính tốn chiều dày lớp bê tơng bảo vệ của kết cấu trụ cầu sử dụng bê
tông muội silic ......................................................................................... 133
4.4. Kết luận Chƣơng 4 .............................................................................................. 134

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 136
1. Kết luận.................................................................................................................... 136
2. Những đóng góp mới của Luận án .......................................................................... 137
3. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................... 138

DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................. a
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. b


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi. Các kết
quả nghiên cứu nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong các
cơng trình nghiên cứu khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2023

Tác giả

Nguyễn Long Khánh

i


LỜI CẢM ƠN
Để có thể có được thành quả như ngày hôm nay, tôi không thể không nhắc tới
tới PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và GS.TS. Phạm Duy Hữu đã hướng dẫn, dạy
bảo tận tình và giúp đỡ tơi trong suốt quãng thời gian qua. Bên cạnh những ý kiến về
khoa học cịn là những ý kiến, góp ý về mặt phương pháp, tác phong làm việc của một
nghiên cứu sinh. Do đó, tơi xin được trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới các
thầy cơ đã giúp đỡ tơi có được kết quả này.
Về phía Trường Đại học GTVT, nơi thực hiện luận án này, lời đầu tiên tôi xin
được gửi lời cảm ơn các quý thầy cơ trong bộ mơn Cơng trình Giao thơng thành phố
và Cơng trình thủy, là đơn vị trực tiếp quản lý nghiên cứu sinh về mặt học thuật, đã tạo
điều kiện, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Phòng
Đào tạo sau Đại học, Khoa Cơng trình, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi trong q trình học tập, thí nghiệm và nghiên cứu.
Về phía cơ quan cơng tác, Trường Đại học Cơng nghệ GTVT, tôi xin trân trọng
cảm ơn các thầy trong Ban Giám hiệu Nhà trường; Viện Công nghệ GTVT, lãnh đạo
và các anh chị em trong Phòng KHCN – HTQT; Trung tâm Đào tạo và tư vấn du học,
việc làm quốc tế là đơn vị nơi tôi công tác đã tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc,
giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ và các con, cùng toàn thể

người thân trong gia đình đã ln ở bên cạnh, động viên, hỗ trợ tơi trong suốt q trình
thực hiện luận án này và có được thành quả như ngày hơm nay.
Một lần nữa, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả các quý thầy cô, các
cô, chú, anh, chị đồng nghiệp, người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
qua.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2023

Tác giả

Nguyễn Long Khánh

ii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ mơ tả tác động phá hủy bê tông ở các vùng khác nhau .......................7
Hình 1.2: Tổng thời gian ướt bề mặt kết cấu cơng trình vùng ven biển Việt Nam ......11
Hình 1.3: Phân bố nồng độ ion Cl- trong khơng khí theo cự ly cách mép nước ..........11
Hình 1.4: Thống kê nguyên nhân gây suy giảm tuổi thọ trên các cầu BTCT tại Nhật
Bản ................................................................................................................................ 17
Hình 2.1: Ảnh hưởng của điều kiện mơi trường tới hàm lượng tới hạn của ion Cltrong bê tơng .................................................................................................................44
Hình 2.2: Thí nghiệm cầu muối .....................................................................................50
Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối .................................................................51
Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) ......................................52
Hình 2.5: Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di .................................................................54
Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm điện di của Tang và Nilson (NordTest NTBuild 492) ......55

Hình 2.7: Phân bố vùng độ rỗng ở cấp độ micro trong bê tơng ....................................57
Hình 2.8: Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của
IUPAC ...........................................................................................................................58
Hình 2.9: Đồ thị xác định các thơng số của phương trình BET ....................................59
Hình 3.1: Cốt liệu đá dăm sử dụng trong luận án ..........................................................68
Hình 3.2: Xi măng PC40 Bút Sơn dùng để đúc mẫu bê tơng thí nghiệm .....................70
Hình 3.3: Phụ gia khống gốc Silicafume Sikacrete PP1 hãng Sika ............................. 71
Hình 3.4: Phụ gia siêu dẻo Sika viscocrete 3000-20 dùng để trộn bê tơng ...................72
Hình 3.5: Một số hình ảnh trong q trình thí nghiệm ..................................................81
Hình 3.6: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và cường độ chịu nén ....83
Hình 3.7: Thiết kế quy hoạch thực nghiệm Taguchi bằng phần mềm MINITAB ........84
Hình 3.8: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và cường độ chịu nén bằng
phần mềm MINITAB ....................................................................................................85
Hình 3.9: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và điện lượng truyền qua
từ kết quả thí nghiệm .....................................................................................................92
Hình 3.10: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, MS và độ thấm ion Cl- xây dựng bằng phần
mềm MINITAB .............................................................................................................93
Hình 3.11: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic ......................................96
Hình 3.12: Các mẫu bê tơng muội silic được nghiền mịn và thiết bị đo TRI START
3000 ............................................................................................................................... 98
Hình 3.13: Phân bố tỷ lệ các thể tích lỗ rỗng của các loại bê tơng và thời gian .........100
Hình 3.14: Một số hình ảnh xác định hệ số khuếch tán ion Cl-...................................103
Hình 3.15: Hệ số khuếch tán ion Cl- ở thời điểm 28 ngày và 6 tháng ........................106
Hình 3.16: Ma trận tương quan giữa các yếu tố thành phần và độ bền ion Cl-, thể tích
lỗ rỗng của bê tơng muội silic .....................................................................................107
Hình 3.17: Phân bố xác suất của độ thấm ion Cl- đối với các loại bê tơng. ...............113
Hình 3.18: Phân bố xác suất của cường độ đối với các loại bê tông. ..........................113
iii

Hình 3.19: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng
truyền qua bê tơng khi sử dụng 8% muội silic ............................................................114
Hình 3.20: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng
truyền qua bê tông khi sử dụng 10% muội silic ..........................................................115
Hình 3.21: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng
truyền qua bê tông khi sử dụng 12% muội silic ..........................................................115
Hình 4.1: Khai báo thơng tin chung về kết cấu ...........................................................127
Hình 4.2: Khai báo thơng tin về mơi trường ion Cl-, nhiệt độ hàng tháng ..................128
Hình 4.3: Khai báo thơng tin về cấp phối bê tơng .......................................................129
Hình 4.4: Tính tốn kết quả .........................................................................................129
Hình 4.5: Quan hệ giữa thời gian khởi đầu ăn mòn và chiều dày ...............................132

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số vùng biển trên thế giới .............................. 9
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của nước biển vùng phía Bắc Việt Nam .......................9
Bảng 1.3: Yêu cầu tối thiểu về bê tơng chống ăn mịn trong mơi trường biển theo
TCVN 12041:2017 .......................................................................................................14
Bảng 1.4: Giới hạn hàm lượng ion Cl- trong bê tông theo TCVN 12041:2017 ...........14
Bảng 1.5: Quy định về lớp bê tông bảo vệ cốt thép theo TCVN 12041:2017 .............15
Bảng 1.6: So sánh tốc độ ăn mòn với các loại xi măng khác nhau .............................. 28
Bảng 2.1: Hàm lượng clorua tới hạn thêm vào so với khối lượng của xi măng trong bê
tơng khơng cacbonat hóa – Trường hợp ion Cl- thêm vào trong quá trình trộn vật liệu
.......................................................................................................................................45
Bảng 2.2: Hàm lượng ion Cl- tới hạn so thẩu thấu vào so với khối lượng của xi măng
trong bê tông không cacbonat hóa – Trường hợp ion Cl- thẩm thấu vào bê tông cứng
.......................................................................................................................................45
Bảng 2.3: Mức độ thấm ion Cl- ...................................................................................52

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm cường độ nén của đá ....................................................69
Bảng 3.2: Tính chất cơ lý và thành phần hạt của đá Dmax 12.5 .....................................69
Bảng 3.3: Tính chất cơ lý và thành phần hạt của cát vàng ............................................70
Bảng 3.4: Tính chất cơ lý và thành phần xi măng .........................................................71
Bảng 3.5: Chỉ tiêu kỹ thuật Sikacrete PP1 ....................................................................72
Bảng 3.6: Chỉ tiêu kỹ thuật phụ gia Sika ViscoCrete 3000 – 20 ...................................72
Bảng 3.7: Các yếu tố và các mức sử dụng khảo sát ......................................................76
Bảng 3.8: Bố trí thí nghiệm theo phương pháp Taguchi ...............................................76
Bảng 3.9: Xác định độ sụt ban đầu cho hỗn hợp bê tơng ..............................................77
Bảng 3.10: Xác định kích thước Dmax của hạt cốt liệu lớn (f’c=60MPa) ......................77
Bảng 3.11: Xác định thể tích đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tơng m3/m3
(f’c=60MPa) ..................................................................................................................77
Bảng 3.12: Xác định lượng nước ban đầu cho hỗn hợp bê tông ...................................78
Bảng 3.13: Bảng tổng hợp thành phần BT muội silic sử dụng khảo sát nghiên cứu ....79
Bảng 3.14: Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm ............................................................ 80
Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông muội silic ....82
Bảng 3.16: Bảng giá trị các nhân tố trong thực nhiệm ..................................................84
Bảng 3.17: Bảng kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi .........................85
Bảng 3.18: Hệ số ảnh hưởng của các biến trong phương trình hồi quy ........................86
Bảng 3.19: Kết quả phân tích phương sai mơ hình tương quan ....................................87
Bảng 3.20: Hệ số tương quan của PTHQ cường độ chịu nén .......................................87
Bảng 3.21: So sánh cường độ chịu nén thí nghiệm và cường độ chịu nén dự đoán theo
QHTN Taguchi ..............................................................................................................88
Bảng 3.22: So sánh cường độ chịu nén theo QHTN Taguchi và kết quả của S.Kumar,
B.Rai .............................................................................................................................. 89
Bảng 3.23: Kết quả thí nghiệm xác định độ thấm ion Cl- của bê tông muội silic .........91
v


Bảng 3.24: Bảng kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả theo Taguchi .........................92

Bảng 3.25: Hệ số ảnh hưởng của các biến trong phương trình hồi quy ........................93
Bảng 3.26: Hệ số tương quan của PTHQ độ thấm ion Cl- ............................................94
Bảng 3.27: Kết quả phân tích phương sai mơ hình tương quan ....................................94
Bảng 3.28: So sánh độ thấm ion Cl- thí nghiệm và độ thấm ion Cl- dự đốn theo QHTN
Taguchi ..........................................................................................................................94
Bảng 3.29: Kết quả xác định hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông muội silic .............96
Bảng 3.30: Kết quả thí nghiệm đo thể tích lỗ rỗng của bê tơng ....................................98
Bảng 3.31: Khối lượng thể tích và thể tích lỗ rỗng của bê tơng....................................99
Bảng 3.32: Phân bố độ rỗng theo các cỡ khác nhau trong đá xi măng .......................100
Bảng 3.33: Hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông sau 6 tháng ....................................104
Bảng 3.34: Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion Cl- và phân bố lỗ rỗng................104
Bảng 3.35: Hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông sau 28 ngày và sau 6 tháng ...........105
Bảng 3.36: Các yếu tố liên quan đến độ bền thấm ion Cl- và thể tích lỗ rỗng ............107
Bảng 3.37: Yêu cầu tối thiểu về bê tơng chống ăn mịn trong mơi trường biển .........109
Bảng 3.38: Yêu cầu độ thấm ion Cl- của bê tông trong vùng phơi nhiễm theo Tiêu
chuẩn CSA A23.1/.2-2004 .........................................................................................110
Bảng 4.1: Các đặc trưng khí hậu chỉnh do tại các trạm khí tượng .............................119
Bảng 4.2: Thống kê đặc trung số liệu một số trạm khí tượng ....................................120
Bảng 4.3: So sánh đặc tính cường độ chịu nén, độ bền thấm ion Cl- của bê tông muội
silic với yêu cầu sử dụng của kết cấu ở vùng thủy triều .............................................121
Bảng 4.4: Kết quả tính hệ số khuếch tán ion Cl- (D28) ................................................130
Bảng 4.5: Yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu theo TCVN 12041:2017 ..130
Bảng 4.6: Nhiệt độ trung bình theo tháng trong năm ở khu vực Hải Phòng ...............131
Bảng 4.7: Dự báo thời gian khởi đầu ăn mịn của các loại bê tơng muội silic theo ....131
Bảng 4.8: Chiều dày lớp bê tông bảo vệ của các loại bê tông muội silic ứng với thiết kế
thời gian khởi đầu ăn mòn là 100 năm ........................................................................133
Bảng 4.9: Cấp phối bê tông muội silic đề xuất ứng với thiết kế thời gian khởi đầu ăn
mòn đạt 100 năm .........................................................................................................134

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

American Association of State
AASHTO

Highway and Transportation
Officials

ACI

American Concrete Institute

Adj MS

Adjusted mean squares

Adj SS

Adjusted sums of squares

Hiệp hội xây dựng đường và vận
tải Mỹ
Viện bê tơng Mỹ

Bình phương trung bình hiệu
chỉnh
Tổng bình phương hiệu chỉnh

BTCT

Bê tơng cốt thép

BT

Bê tơng

C

Cát
Nồng độ ion Cl- ban đầu trong

Co

bê tơng
Nồng độ ion Cl- tích lũy trên bề

Cs

mặt bê tông

C (x, t )

Nồng độ ion Cl- tại độ sâu x

CKDhq

Chất kết dính hiệu quả

CKD

Chất kết dinh

D

Hệ số khuếch tán ion ClHệ số khuếch tán ion Cl- của bê

D28

tông ở tuổi 28 ngày
Hệ số khuếch tán ion Cl- của bê

Dt

tông tại thời điểm t

Đ

Đá

F-Value

Đại lượng thông kê F-Value

L

Chiều dài mẫu thử

m

Hệ số ảnh hưởng của thời gian

MS

Hàm lượng muội silic

MShq

Hàm lượng muội silic hiệu quả

N

Lượng nước

N/X

Tỷ lệ nước trên xi măng

N/CKD

Tỷ lệ nước trên chất kết dính

p

Độ rỗng

vii


P

Áp suất

P-Value

Đại lượng thống kê P-Value

PC

Portland cement

Xi măng Pooc lăng

PTHQ

Phương trình hồi quy

Q

Điện lượng thấm ion Cl-

QHTN

Quy hoạch thực nghiệm

R-sq

Hệ số tương quan R2

R-sq(adj)

Hệ số tương quan R2 hiệu chỉnh

RCPT
SF
SE-Coef

Rapid Chloride Permeability
Test
Silica fume

Thí nghiệm thấm nhanh ion ClMuội silic

Standard error of the
coefficient

Sai số chuẩn của hệ số

T

Nhiệt độ

t

Thời gian

t1

Thời gian khởi đầu ăn mòn

t2

Thời gian lan truyền ăn mòn

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

V

Thể tích

X

Xi măng

W/N

Nước/Chất kết dính

Water/Binder

xd

Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ
Khối lượng riêng

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Độ bền của kết cấu bê tông trong môi trường biển là một vấn đề được quan tâm
trong nhiều thập kỷ qua, do nước biển có tính xâm thực khơng chỉ đối với cốt thép mà
cịn cả đối với bê tơng. Các cơ sở hạ tầng vùng ven biển như bến cảng, công trình cầu
và các cơng trình phịng thủ ven biển đều được thiết kế kết cấu với tuổi thọ lâu dài. Bề
mặt trái đất được bao phủ bởi khu vực nước tới hơn 71% diện tích, trong đó gần 96,5%
là nước biển. Do đó các cơng trình bê tơng được xây dựng trong khu vực ven biển sẽ
luôn tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nước biển, dẫn đến quá trình hư hỏng vật lý
và hóa học. Các thành phần của nước biển phản ứng hóa học với các thành phần của
bê tông, làm phá hủy kết cấu bê tông. Ngồi ra, bê tơng cũng bị hư hỏng do mài mòn,
nước biển mang theo cát và phù sa, đặc biệt là ở phần cạn của biển, tiếp xúc với kết
cấu và làm mài mịn bề mặt bê tơng.
Do tầm quan trọng của ngành vận tải biển, khai thác cơ sở hạ tầng trên biển và
công nghiệp dầu mỏ, việc xây dựng các cơng trình như cầu, cảng, sân bay,… gia tăng
đáng kể trong những năm gần đây. Mặc dù bê tơng là một vật liệu được cho là có độ
bền cao, nhưng vẫn có một số yếu tố làm hư hỏng kết cấu bê tông trong thời gian sử
dụng, làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơng trình.
Trên thế giới trong những năm 1970, các cơng trình xây dựng ngành cơng nghiệp
dầu khí ngồi khơi ngày càng tăng đã khởi đầu cho các nghiên cứu về độ bền ăn mòn
kết cấu bê tông. Tuy nhiên mãi đến năm 2005, Hà Lan mới bắt đầu một chương trình
nghiên cứu tập thể, thực hiện dưới sự giám sát của Ủy ban B23 của CUR. Nghiên cứu
này đã thực hiện khảo sát sáu mươi kết cấu ở nhiều độ tuổi khác nhau và năm trong số
đó được xem xét ở mức độ chi tiết hơn. Nguyên nhân lớn nhất ảnh hưởng tới độ bền
kết cấu bê tông được phát hiện là sự ăn mòn của cốt thép do xâm nhập ion Cl-, chủ yếu
trong các kết cấu cũ với lớp bê tông bảo vệ tương đối thấp đối [Wiebenga 1980]. Vào

những năm 1990, một nhóm các nhà nghiên cứu Châu Âu đã phát triển một phương
pháp luận để thiết kế tuổi thọ định lượng của kết cấu bê tông, mang tên ―DuraCrete‖,
dựa trên cách tiếp cận được đề xuất vào những năm 1980 [Siemes và các cộng sự
1983]. Báo cáo cuối cùng của DuraCrete bao gồm các mơ hình dự đốn sự bắt đầu ăn
mòn do sự xâm nhập của ion Cl- và do q trình cacbonat hóa cũng như các mơ hình
để lan truyền sự ăn mịn, nứt và bong tróc tiếp theo [DuraCrete R17, 2000]. Sử dụng
phương pháp DuraCrete có thể đo độ tin cậy của một cấu trúc đối với các trạng thái
giới hạn xác định trước liên quan đến độ bền [Vrouwenvelder & Schiessl 1999]. Cách
tiếp cận định lượng mới này và sự sẵn có của các kỹ thuật điều tra mới như phương
1


pháp điện hóa và sử dụng kính hiển vi điện tử quét cấu trúc của bê tông đã thúc đẩy
CUR và TNO bắt đầu điều tra độ bền trong môi trường biển vào năm 2000 với tiêu đề
―Độ bền của kết cấu bê tơng biển‖ (DuMaCon). Mục tiêu của nó là đo độ bền của các
cơng trình biển ở Hà Lan, cung cấp các mơ hình xuống cấp và xác suất hư hỏng liên
quan cho các cơng trình biển hiện có [113]. Nghiên cứu về độ bền bê tơng thực tế
trong mơi trường biển rất khó, địi hỏi nhiều cơng cụ, thiết bị,…Tuy nhiên, điều kiện
mơi trường biển có thể được mơ phỏng trong phịng thí nghiệm để thực hiện thí
nghiệm trên các mẫu thử. Độ bền ăn mịn trong môi trường biển của một số mẫu bê
tông trong điều kiện thủy triều ở các bờ biển Nhật Bản đã được báo cáo vào cuối thế
kỷ 20 [123]. Ngoài ra, ở I.R.Iran độ bền của các mẫu bê tông trong các điều kiện khác
nhau ở Vịnh Ba Tư đã được Trung tâm Nghiên cứu Xây dựng và Nhà ở (BHRC)
nghiên cứu vào năm 2006 [109].
Việt Nam là quốc gia có hơn 3.200 km bờ biển. Trước yêu cầu cấp thiết của công
cuộc xây dựng và bảo vệ biển đảo, Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm đến sự phát
triển kinh tế - xã hội các vùng ven biển, hải đảo với nhiều chính sách ưu tiên phát
triển, trong đó có cơ sở hạ tầng. Việc lựa chọn vật liệu, đặc biệt là vấn đề nâng cao
chất lượng và tuổi thọ cho các cơng trình xây dựng, ở vùng biển và khu vực ven biển
rất quan trọng và có ý nghĩa lớn. Sử dụng vật liệu phù hợp và chú trọng đến các biện

pháp bảo vệ thích hợp thì tuổi thọ của cơng trình sẽ được nâng lên đáng kể. Từ đó, có
thể giảm bớt các chi phí duy tu bảo dưỡng hàng năm, cho phép khai thác triệt để tính
năng sử dụng của vật liệu và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Thực tế cho thấy, vấn đề nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho các cơng trình xây
dựng ở vùng biển hoặc ven biển chủ yếu là giải quyết bài tốn nâng cao khả năng
chống ăn mịn cho bê tông trong các kết cấu xây dựng, thông qua việc sử dụng những
vật liệu mới, phụ gia mới góp phần tăng cường độ bền cho bê tơng.
Từ những phân tích trên, Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu bê tơng có
độ bền ăn mịn cao sử dụng muội silic cho kết cấu cơng trình ở mơi trường biển Việt
Nam” nhằm nghiên cứu, phân tích và thí nghiệm loại bê tông sử dụng phụ gia muội
silic để tăng cường độ bền chống thấm ion Cl- cho kết cấu bê tông ở khu vực biển.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế, chế tạo thành phần bê tông muội silic theo quy hoạch thực nghiệm,
qua đó xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic với cường độ
chịu nén, độ thấm ion Cl-. Từ đó xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông
muội silic có xét đến độ bền chống thấm ion Cl-.

2


- Xác định sự thay đổi thể tích lỗ rỗng của bê tơng theo thời gian và phân tích
ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền của bê tông muội silic.
- Đánh giá thời gian khởi đầu ăn mịn đối với kết cấu bê tơng muội silic và bê
tơng xi măng Pc lăng thường ở mơi trường biển. Ứng dụng thiết kế cấp phối bê tông
muội silic cho kết cấu cơng trình ở mơi trường biển Việt Nam nhằm đạt được thời gian
khởi đầu ăn mòn cao.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Bê tơng sử dụng phụ gia khống muội silic để xây dựng các cơng trình ở khu
vực biển (mơi trường xâm thực mạnh).

3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Bê tông sử dụng phụ gia muội silic đạt yêu cầu về cường độ cao (cường độ
đặc trưng >60 MPa) và độ thấm ion Cl- thấp (<1000 Cu lông) sử dụng ở khu vực biển..
- Thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu cơng trình chịu tác động của hiện
tượng ăn mịn do ion Cl- gây ra ở khu vực thủy triều lên xuống.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các tài liệu trong và
ngồi nước về độ bền bê tơng và ăn mịn bê tông; bê tông muội silic và ứng dụng trong
xây dựng các kết cấu, cơng trình trong khu vực biển. Phân tích các yếu tố của mơi
trường khu vực biển ảnh hưởng đến độ bền thấm ion Cl- của bê tông muội silic. Qua
đó phân tích, đánh giá sự hiệu quả về vấn đề kinh tế, kỹ thuật, môi trường để lựa chọn
cấp phối phù hợp.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu đã tiến hành thiết kế, lập
kế hoạch thí nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Thí nghiệm xác định
cường độ chịu nén, độ thấm ion Cl- và hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông. Qua đó
phân tích kết quả và xác định được mối liên hệ giữa hệ số khuếch tán ion Cl-, cường
độ chịu nén và các tham số (tỷ lệ N/CKD; hàm lượng muội silic thay thế) trong thành
phần bê tông muội silic. Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tơng muội silic
có xét đến độ bền thơng qua phương trình xác định tỷ lệ N/CKD và hàm lượng muội
silic từ độ thấm ion Cl-, cường độ chịu nén theo yêu cầu. Kết quả được sử dụng để
thiết kế, đề xuất cấp phối bê tông muội silic tối ưu sử dụng trong khu vực biển Hải
Phòng đáp ứng yêu cầu về cường độ và độ bền thấm ion Cl-. Thí nghiệm xác định hệ
số khuếch tán ion Cl- bằng phương pháp điện di ở thời điểm 6 tháng, từ đó đánh giá sự
thay đổi về hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tơng theo thời gian. Bên cạnh đó, luận án
sử dụng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET) và phân tích thể
3


tích, kích cỡ lỗ rỗng Barrett-Joyner-Halenda (BJH) để xác định thể tích lỗ rỗng của bê
tơng ở dải kích thước nanomet. Từ đó đánh giá được sự ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng

đến độ bền của bê tơng muội silic.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu được ảnh hưởng của các yếu tố thành phần (tỷ lệ N/CKD, hàm
lượng muội silic) tới độ bền của bê tông muội silic (cường độ chịu nén, độ thấm ion
Cl-, hệ số khuếch tán ion Cl-). Thiết lập được mối quan hệ giữa các yếu tố thành phần
và cường độ chịu nén, hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tơng muội silic. Qua đó đề xuất
xây dựng phương pháp thiết kế bê tông muội silic có xét đến độ bền thấm ion Cl-.
- Xác định được thể tích lỗ rỗng của bê tơng tới kích cỡ nanomet bằng phương
pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET) và phân tích thể tích, kích cỡ lỗ rỗng
Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Từ đó đánh giá được sự ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng
đến độ bền của bê tông muội silic.
- So sánh hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông muội silic ở thời điểm 28 ngày
và 6 tháng tuổi. Từ đó phân tích được ảnh hưởng của thời gian và sự thay đổi của thể
tích lỗ rỗng tới hệ số khuếch tán ion Cl-.
- Đề xuất 02 cấp phối bê tông muội silic đáp ứng thời gian khởi đầu ăn mòn là
100 năm cho kết cấu cơng trình ở mơi trường biển Việt Nam.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về hệ số khuếch tán ion Cl-, cường độ chịu
nén trong thiết kế thành phần bê tơng muội silic có thể được sử dụng làm tài liệu tham
khảo cho giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng rộng rãi bê tông muội silic.
- Thí nghiệm đo hệ số khuếch tán ion Cl- được thực hiện bằng 02 phương pháp,
trong đó có phương pháp điện di nhanh xác định trực tiếp hệ số khuếch tán ion Cl- và
phương pháp xác định thể tích lỗ rỗng của bê tơng là những phương pháp ít được sử
dụng đã được đưa vào nghiên cứu.
- Luận án đã đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tơng muội silic có xét
đến độ bền (chống xâm nhập ion Cl-). Qua đó góp phần hồn thiện phương pháp thiết
kế thành phần bê tông trong môi trường biển.
- Luận án với nhiều số liệu thí nghiệm, phương pháp thí nghiệm, góp phần
khẳng định hiệu quả trong việc tăng cường tính chất độ bền thấm ion Cl- và cường độ

chịu nén của bê tông sử dụng muội silic.
- Với việc tận dụng nguồn vật liệu muội silic từ sản phẩm công nghiệp, việc
nghiên cứu ứng dụng bê tông muội silic cịn góp phần giảm ơ nhiễm mơi trường, tăng
hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho việc xây dựng các cơng trình hạ tầng giao thơng khu vực
4


biển. Hơn nữa, góp phần giảm chi phí duy tu, sửa chữa, bảo trì các cơng trình bê tơng
cốt thép bị ăn mòn trong khu vực biển.
6. Bố cục Luận án
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan về bê tơng có độ bền ăn mịn cao trong mơi trường biển.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền của bê tông muội silic
Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới độ bền của bê tông
muội silic.
Chƣơng 4: Ứng dụng thiết kế bê tông muội silic cho kết cấu trụ cầu ở khu vực biển
Hải Phòng.
Kết luận – Kiến nghị
Danh mục cơng trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

5


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CĨ ĐỘ BỀN ĂN MÕN CAO
TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN
Việt Nam là quốc gia có hơn 3200 km bờ biển, trước yêu cầu cấp thiết của công
cuộc xây dựng và bảo vệ biển đảo, Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm đến sự phát
triển kinh tế - xã hội các vùng ven biển, hải đảo với nhiều chính sách ưu tiên phát
triển, trong đó có cơ sở hạ tầng. Việc lựa chọn vật liệu, vấn đề nâng cao chất lượng và

tuổi thọ cho các cơng trình xây dựng ở vùng biển và khu vực ven biển rất quan trọng
và có ý nghĩa lớn. Sử dụng vật liệu phù hợp có chú trọng đến các biện pháp bảo vệ
thích hợp thì tuổi thọ của cơng trình sẽ được nâng lên đáng kể. Từ đó, có thể giảm bớt
các chi phí tu bổ sửa chữa hàng năm, cho phép khai thác triệt để tính năng sử dụng của
vật liệu và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Thực tế cho thấy, vấn đề nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho các cơng trình xây
dựng, nhất là các cơng trình vùng biển hoặc ven biển, chủ yếu là giải quyết bài toán
nâng cao khả năng chống ăn mịn cho bê tơng trong các kết cấu xây dựng. Để có thể
làm được điều đó, trước hết phải nắm vững về các q trình ăn mịn, lựa chọn vật liệu
phù hợp (thành phần bê tông, phụ gia sử dụng). Ngồi ra trong q trình tính tốn,
thiết kế phải xét đến yếu tố độ bền của cơng trình trong điều kiện thực tế của Việt
Nam.
Trên thế giới cũng như ở nước ta đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về ăn mịn
bê tơng và bê tơng cốt thép trong môi trường biển. Tuy nhiên hiện tại vẫn tồn tại
những ý kiến khác nhau về bản chất của quá trình ăn mịn. Điều này có thể hiểu được
do q trình này diễn ra chậm và theo những cơ chế khác nhau. Các kết quả thí nghiệm
nhanh chưa diễn tả đúng bản chất của hiện tượng phá hủy kết cấu trong thực tế.
Theo K.Mehta , ăn mịn trong mơi trường biển được chia làm ba vùng chính [99]:
+ Vùng thường xuyên ngập nước: bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn
trong nước biển.
+ Vùng thủy triều lên xuống (gồm cả phần sóng đánh): bao gồm các bộ phận
kết cấu làm việc ở vị trí giữa mực nước thuỷ triều lên xuống thấp nhất và cao
nhất, tính cả phần bị sóng đánh vào.
+ Vùng khí quyển trên biển và ven biển: bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc
trong vùng khơng khí trên biển và ven biển vào sâu trong đất liền tới 20 km.
Ba vùng chính của mơi trường biển có ảnh hưởng tới ăn mịn kết cấu bê tơng cốt
thép được mơ tả dưới Hình 1.1 dưới đây.
Có thể thấy rằng, để bảo vệ cả ―kết cấu bê tơng cốt thép‖ thì chất lượng lớp bê
tơng bảo vệ có vai trị rất quan trọng. Trong điều kiện lý tưởng, nếu tạo ra được một
lớp bê tông đặc tuyệt đối, khơng có lỗ rỗng, các thành phần gây hại khơng có cơ hội

xâm nhập vào, thì q trình ăn mịn sẽ gần như khơng xuất hiện. Trên thực tế, nếu lớp
bê tơng bảo vệ có độ đặc chắc càng cao, thì hiện tượng ăn mịn sẽ càng được hạn chế
với cả bê tông và cốt thép.

6


Hình 1.1. Sơ đồ mơ tả tác động phá hủy bê tơng ở các vùng khác nhau [99]
Vì những lý do đó mà mục tiêu của Chương I là tập trung tìm hiểu về bản chất,
cơ chế ăn mịn bê tơng cốt thép trong mơi trường nước biển, tình hình nghiên cứu về
ăn mịn bê tơng cốt thép trên thế giới. Từ đó, đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu mới,
kết cấu mới để nâng cao tuổi thọ của các cơng trình sử dụng bê tơng cốt thép trong môi
trường xâm thực mạnh bởi nước biển.
1.1.

Khái quát về ảnh hƣởng của môi trƣờng biển tới độ bền bê tông

1.1.1. Khái niệm về môi trƣờng biển
Bê tông được xem là vật liệu đá nhân tạo, có tính bền vững cao, khơng bị phân
hủy hay cháy nổ. Các cơng trình bê tơng, bê tơng cốt thép trong những mơi trường có
tính xâm thực cao, chịu tác động của các yếu tố mơi trường (nắng, mưa, gió, bão, nhiệt
độ, axit, các chất hòa tan trong nước ngầm…). Theo thời gian xảy ra hiện tượng ăn
mịn, phá hủy bê tơng, gây suy giảm khả năng làm việc, tuổi thọ của cơng trình sử
dụng vật liệu bê tơng cốt thép. Mơi trường biển có chứa rất nhiều các yếu tố gây tác
động xấu đến chất lượng, độ bền của bê tông, gây suy giảm tuổi thọ của các cơng
trình. Theo kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện KHCN
Xây dựng [24] [40], Viện Khoa học Thủy lợi [2][41], Viện KHCN GTVT [43]…tình
trạng suy giảm tuổi thọ cơng trình bê tông, bê tông cốt thép làm việc trong môi trường
biển là rất đáng lo ngại. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông, bê tông cốt thép
bị ăn mòn, hư hỏng nặng hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-30 năm sử dụng. Hầu hết các kết

cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc với mơi trường khơng khí và nước biển
[17]. Giữa vật liệu và môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại. Tác động xâm thực
của môi trường biển tới độ bền cơng trình bê tơng, bê tơng cốt thép chủ yếu như sau:
7


- Q trình cacbonat hóa làm giảm độ pH của bê tơng 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 hủy kết cấu.
- Quá trình thấm ion SO42- vào bê tơng, tương tác với các sản phẩm thủy hóa
của xi măng tạo ra khống ettringit trương nở thể tích gây phá hủy kết cấu.
- Quá trình khuếch tán oxi, ion clo và hơi ẩm vào bê tơng trong điều kiện nhiệt
độ khơng khí cao gây ăn mịn cốt thép.
- Q trình ăn mịn vi sinh vật, ăn mịn cơ học do sóng, ăn mịn rửa trôi.
 Phân loại môi trƣờng biển
Tùy thuộc vào hướng tiếp cận mà chúng ta có thể phân loại mơi trường biển theo
nhiều cách khác nhau. Trong định hướng của luận án này, mơi trường biển có thể được
phân loại theo sự tương tác của chúng đối với các kết cấu bê tơng. Theo đó, mơi
trường biển có thể được phân loại thành ba loại như sau: khu vực ngập trong
nước biển; khu vực chịu sóng, thủy triều; khu vực trên mực nước biển.
 Khu vực ngập trong nước biển:
Đây là khu vực mà kết cấu ngập dưới mực nước thủy triều, ln chìm trong nước
biển, chủ yếu dễ bị xâm hại hóa học bởi các thành phần Mg2+ và SO42- trong nước
biển. Ở khu vực này thiếu oxi hòa tan, dẫn đến sự hạn chế của quá trình khuếch tán ion
Cl-, vì vậy mức độ ăn mịn của kết cấu tại khu vực này thường ít hơn so với các khu
vực khác. Tuy nhiên, các kết cấu trong khu vực này phải chịu ảnh hưởng bởi áp suất
thủy tĩnh của nước, sự phá hoại của vi sinh vật và đặc biệt là sự xâm thực của nước
biển.
 Khu vực chịu sóng, thủy triều:
Đây là khu vực giữa mực nước thủy triều thấp và cao. Tại khu vực này, kết cấu

bê tông liên tục trải qua các chu kỳ ướt và khô, kết hợp với lực hút mao dẫn làm gia
tăng việc khuếch tán ion clo vào kết cấu, từ đó gây ra sự ăn mịn với cốt thép trong kết
cấu. Khu vực này cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tác động của băng giá, sự mài
mòn cơ học từ mơi trường (sóng đánh, tác động của cát, đá, sỏi …) dẫn đến sự nứt vỡ,
ăn mòn và giảm khả năng làm việc của kết cấu.
 Khu vực trên mực nước biển:
Khu vực tiếp xúc với khơng khí trên mức thủy triều. Ở khu vực này, bê tông cốt
thép rất dễ bị ăn mòn cốt thép do ion Cl- gây ra dẫn đến sự xuất hiện của các vết nứt và
gây ra sự suy giảm khả năng làm việc của kết cấu. Các cơng trình, kết cấu bê tơng cốt
thép trong khu vực này chiếm 70% trong các kết cấu vùng biển đã xây dựng ở nước ta.
1.1.2. Các đặc trƣng của môi trƣờng biển trên thế giới và Việt Nam
 Trên thế giới

8


71% bề mặt trái đất được bao phủ bởi các vùng nước và trong đó gần 96,5%
được bao phủ bởi nước biển. Vì vậy, số lượng các kết cấu bê tông chịu tác động của bê
tông hoặc tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp bởi gió mang theo nước biển là rất lớn.
Nói chung, nước biển chứa 3,5% các thành phần hòa tan theo khối lượng. Hàm
lượng ion của Na+ và Cl- chiếm nhiều nhất trong nước biển, thông thường lần lượt là
11.000 và 20.000 mg/lít. Nước biển cũng chứa Mg2+ và SO42- tương ứng 1400 và 2700
mg/lít. Độ pH của nước biển dao động trong khoảng 7,5 đến 8,4; độ pH trung bình
khoảng 8,2. Nước biển cũng chứa một lượng CO2. Nếu nồng độ CO2 hòa tan trong
nước biển cao hơn thì độ pH có thể giảm xuống dưới 7,5 [154]. Nồng độ các ion chính
ở một số vùng biển nổi tiếng trên thế giới được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số vùng biển trên thế giới [154]
\

Na+

Mg2+

4900
8100

640
1035

Nồng độ ion (mg/l)
Tổng nồng
ClSO42độ hòa tan
9500
1362
17085
14390
2034
26409

12400

1500

21270

2596

38795

1,72

Biển Bắc

12200

1110

16550

2220

33060

2,02

Biển Atlantic

11100

1210

20000

2180

35370

1,88

Biển Baltic

Biển Arabian Gulf
Cơ sở nghiên cứu
Biển Đỏ

2190
20700
9740
11350

260
2300
1200
1867

3960
36900
18200
22660

580
5120
2600
3050

7110
66650
32540
40960

9,37

1,00
2,05
1,63

Tên vùng biển/Tên
loại ion
Biển đen
Biển Marmara
Biển
Mediterranean

Tỷ lệ
hòa tan
3,90
2,52

 Ở nƣớc ta
Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8o37’ đến 21o32’ Bắc với điều
kiện nóng ẩm mang tính đặc thù của khí hậu Việt Nam [41]:
*Thành phần của nước biển:
Nước biển Việt Nam có thành phần hố học, độ mặn và tính xâm thực tương
đương các đại dương khác trên thế giới, riêng vùng gần bờ có suy giảm chút ít do ảnh
hưởng của các con sơng chảy ra biển [27] . Được trình bày ở Bảng 1.2.
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của nƣớc biển vùng phía Bắc Việt Nam [27]
Chỉ tiêu
Đơn vị
Vùng biển Hịn Gai Vùng biển Hải phòng
pH
7,8 - 8,4
7,5 - 8,3

Cl
mg/l
6500 – 18000
9000 - 18000
+
Na
mg/l
2SO4
mg/l
1400 – 2500
2 - 2200
2+
Mg
mg/l
200 - 1200
2 - 1100
* Bức xạ mặt trời:
Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến nên bức xạ mặt trời nhận được trên
vùng ven biển khá lớn từ 100¸150 kcal/cm2. Lượng nhiệt bức xạ tăng dần từ Bắc vào
9


Nam và đạt cao nhất ở cực Nam Trung bộ. Với lượng bức xạ cao như vậy đã thúc đẩy
quá trình bốc hơi nước biển đem theo ion Cl- vào trong khí quyển [41].
* Nhiệt độ khơng khí:
Vùng biển nước ta có nhiệt độ khơng khí tương đối cao, trung bình từ 22,5 o
22,7 C, tăng dần từ Bắc vào Nam. Miền Bắc có 2, 3 tháng mùa đơng, nhiệt độ dưới
20oC. Miền Nam nhiệt độ cao đều quanh năm, biên độ dao động 3-7oC [41].
* Độ ẩm khơng khí:
Độ ẩm tương đối của khơng khí ở mức cao so với các vùng biển khác trên thế

giới, dao động trung bình từ 75% - 80%. Cụ thể:
Vùng ven biển Bắc bộ và Bắc Trung bộ: 83% - 86%;
Vùng ven biển Trung và Nam Trung bộ: 75% - 82%;
Vùng ven biển Nam bộ: 80% - 84%.
Theo TCVN 3994:1985, với độ ẩm tương đối cao như vậy, mơi trường khơng khí
trên biển và ven biển Việt Nam có ảnh hưởng mạnh tới q trình ăn mịn thép trong bê
tơng cốt thép.
* Thời gian ẩm ướt bề mặt ở ven biển:
Đây là đặc điểm riêng của khí hậu ven biển Việt Nam có ảnh hưởng rất lớn tới
q trình ăn mịn thép trong bê tông cốt thép. Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt kết cấu ở
một số địa phương vùng ven biển Việt Nam được xác định theo công thức (1.1):
Tướt = Tmưa + Tsương mù + Tnồm + Tkéo dài ẩm
(1.1)
Trong đó:
Tướt : Tổng thời gian ẩm ướt bề mặt, h
Tmưa : Thời gian mưa, h
Tsương mù : Thời gian sương mù, h
Tnồm : Thời gian nồm, h
Tkéo dài ẩm : Thời gian kéo dài ẩm tính từ sau khi mưa hoặc sương mù cho đến khi
màng nước còn đọng lại bay hơi hoàn toàn, h.
Thời gian gây ướt bề mặt kết cấu ở vùng ven biển các tỉnh Miền Bắc tập trung
vào mùa xuân, còn các tỉnh Miền Nam tập trung vào các tháng mưa mùa hạ và chỉ
bằng khoảng 50% so với Miền Bắc (Hình 1.2) [27].
* Vận tốc gió:
Vận tốc gió trung bình ở vùng biển khơng lớn nhưng hàng năm thường có các
đợt gió lớn như bão, lốc, gió mùa Đơng Bắc, gió mùa Tây Nam. Tốc độ cực đại có thể
đạt tới 140 km/h. Hướng gió thịnh hành là Đông Bắc, Đông Nam và Tây Nam.
Các hướng gió này đều thổi từ biển vào mang theo các chất xâm thực và có thể
gây ảnh hưởng sâu vào trong đất liền tới 20-30 km đối với vùng biển miền Bắc; 20-50
km đối với vùng biển miền Nam [27].

10


300

Thời gian (giờ)

250
200
150
100
50
0
1

2

3

Quảng Ninh

4

5 Tháng
6

7

Đà Nẵng

8

9

Thanh Hóa

10

11

12

Nha Trang

Hình 1.2: Tổng thời gian ƣớt bề mặt kết cấu cơng trình vùng ven biển Việt Nam [27]
* Hàm lượng ion Cl- trong khơng khí:
Hàm lượng muối phân tán trong khơng khí sát mép nước tại các Trạm đo ở các
tỉnh Miền Bắc dao động từ 0,4 - 1,3 mg/m3. Ở miền Nam, giá trị này là 1,3 - 2,0
mg/m3. Nồng độ ion Cl- giảm mạnh ở cự ly 200m - 250m tính từ mép nước biển, sau
đó tiếp tục giảm dần khi đi sâu vào trong đất liền (Hình 1.3) [27].
Ảnh hưởng của khí quyển ven biển tới q trình ăn mịn thép và bê tông cốt
thép lên tới 20 – 30 km đối với vùng biển miền Bắc; 20-50 km đối với vùng biển miền
Nam [27], [43].
2

Hàm lượng Cl- (mg/m3)

1.6
1.2

0.8
0.4
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Khoảng cách mép nước (m)
Đà Nẵng

Hải Phịng

Hình 1.3: Phân bố nồng độ ion Cl- trong khơng khí theo cự ly cách mép nƣớc [27]
1.1.3. Ảnh hƣởng của môi trƣờng biển tới độ bền bê tơng
Kết cấu bê tơng cốt thép có thể bị ảnh hưởng từ các thành phần trong nước biển
và điều kiện tự nhiên dẫn đến các biến đổi về mặt lý học và hóa học và gây ra sự suy
giảm khả năng làm việc của kết cấu. Bên cạnh những tác động vật lý như sói mịn, rửa
trơi…những tác động của mơi trường biển đến kết cấu BTCT có thể tóm lược như sau.

11


1.1.3.1. Hiện tƣợng ăn mòn cốt thép do ion Cl- gây ra
Trong môi trường biển Việt Nam, do đặc thù điều kiện khí hậu nóng ẩm chứa
hàm lượng ion Cl- cao nên kết cấu BTCT thường bị ăn mòn và phá huỷ nhanh, đặc biệt
nghiêm trọng ở khu vực chịu sóng và thủy triều, khu vực trên mực nước biển và khu
vực ven biển. Mức độ ăn mòn nhanh và mạnh nhất là vùng cách mặt nước biển khoảng
0,8 - 1,5 m. Kết quả khảo sát thực tế cho thấy các cơng trình BTCT sau một thời gian
sử dụng đều có dấu hiệu gỉ cốt thép ở mức độ khác nhau, dẫn đến khơng đảm bảo về
tuổi thọ cơng trình [35], [40].
Có thể khái qt thực trạng ăn mịn BTCT ở vùng biển Việt Nam như sau [25]:
Tình trạng ăn mịn và hư hỏng các cơng trình BTCT nghiêm trọng và đã tới mức
báo động. Tốc độ ăn mòn làm hư hỏng cơng trình diễn ra khá nhanh. Hiện nay bên
cạnh một số cơng trình có tuổi thọ trên 30 - 40 năm, có nhiều cơng trình đã bị ăn mòn
và hư hỏng nặng chỉ sau 20 - 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng
nề chỉ sau 10 - 15 năm sử dụng.
Thiệt hại do ăn mòn gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa
khắc phục hậu quả ăn mịn có thể chiếm tới 30% - 70% mức đầu tư xây dựng.
Dự báo trong giai đoạn tới, nhu cầu đầu tư xây mới và sửa chữa cơng trình ở
vùng biển sẽ rất lớn. Vì vậy, cần kịp thời triển khai công tác phổ biến các giải pháp kỹ
thuật chống ăn mòn nhằm đảm bảo chất lượng và tuổi thọ lâu dài cho cơng trình. Bên
cạnh đó cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp, tính tốn thiết kế có xét đến yếu tố độ bền
để giảm hiện tượng ăn mịn, đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho cơng trình.
1.1.3.2. Q trình hydrat hóa
Các sản phẩm chính của q trình hydrat hóa xi măng Pooc lăng dễ bị phân hủy
bởi các thành phần của nước biển như CO2, MgCl2 và MgSO4. Các sản phẩm này được
hình thành bằng cách hydrat hóa các hợp chất dicalcium silicate (C2S) và tricalcium
silicate (C3S) của xi măng Pooc lăng, phần sẽ tạo ra hai hydrat canxi hydroxit tinh thể,
Ca(OH)2 và tricalcium disilicate hydrate, 3CaO.2SiO2.3H2O hoặc C3S2H3.

Với sự có mặt của thạch cao, q trình hydrat hóa hợp chất tricalcium aluminate
(C3A) của xi măng Pooc lăng thông thường sẽ tạo ra một hydrat monosulphate tinh
thể, 3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O. Hợp chất này sẽ dẫn đến phản ứng giãn nở liên quan
đến sự hình thành ettringite khi xi măng Pooc lăng cứng tiếp xúc với nước có sulfat.
Dĩ nhiên, hydrat monosulphate khơng có trong các sản phẩm hydrat hóa của xi măng
Pooc lăng chống sulfat do hàm lượng C3A thấp dưới 3,5% của các loại xi măng đó.
Các loại xi măng chứa C3A hơn 10% trọng lượng sẽ rất dễ bị xâm hại bởi sulfat, chẳng
hạn như xi măng Pooc lăng thơng thường.
1.1.3.3.

Hiện tƣợng cacbonat hóa

12


Độ pH của nước biển thường là 8 và chỉ có một lượng rất ít CO2 hịa tan từ
khơng khí [98]. Tuy nhiên, khi có chất hữu cơ phân rã, nồng độ CO2 trở nên cao và
nước biển trở thành axit có độ pH ≤ 7. Trong các điều kiện này, các phản ứng cacbon
hóa với tất cả các sản phẩm xi măng ngậm nước có thể dẫn đến sự hư hỏng bê tơng.
Phản ứng cacbonat cũng có thể xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước ngầm hoặc nước
thấm qua nước với nồng độ CO2 cao và độ pH thấp. Ca(HCO3)2 và thạch cao được tạo
ra thông qua các phản ứng hóa học đều hịa tan trong nước và do đó có thể bị rửa trơi
khỏi kết cấu bê tơng. Từ đó dẫn đến sự thất thốt vật liệu và giảm độ bền của kết cấu.
1.1.3.4. Muối ma giê
Hàm lượng MgCl2 điển hình của nước biển là 3200 ppm, đủ để gây ra sự suy
giảm khả năng làm việc của xi măng Pooc lăng do sự xâm hại của ion Mg2+. Canxi
hydroxit sẽ theo phản ứng như sau tạo ra kết tủa đậm đặc của bruxit Mg(OH)2:

MgCl2  Ca(OH )2  Mg (OH )2  CaCl2

(1.2)

CaCl2 bị rửa trơi dẫn đến thất thốt vật liệu và giảm độ cứng của bê tông.
1.1.3.5. Xâm hại sulfat
Các nguồn nước ngầm tự nhiên, nước ơ nhiễm và nước biển đều có thể có thể
xuất hiện sự xâm hại sulfat cho cấu kiện bê tông. Các ion sulfat từ nước biển phản ứng
với các sản phẩm hydrat của xi măng Pooc lăng [98], [125] và gây ra sự hư hỏng của
cấu kiện bê tông. Nồng độ NaCl cao làm tăng khả năng hòa tan của thạch cao và cũng
ngăn chặn sự kết tủa nhanh trong nước biển. Ngoài ra, sự xâm hại sulfat cũng làm tăng
khả năng hòa tan của Ca(OH)2 và Mg(OH)2. Kết quả sẽ dẫn đến suy giảm khả năng
làm việc của bê tơng.
Sự hình thành của ettringite có thể gây ra sự giãn nở và nứt, đặc biệt là với bê
tơng trên đất liền và trong phịng thí nghiệm [125]. Tuy nhiên, trong môi trường biển,
sự giãn nở và nứt thường được ngăn chặn do khả năng hòa tan của ettringite trong
nước biển. Do đó, ettringite cùng với thạch cao có thể bị rửa trơi khỏi bê tơng. Một sự
khác biệt khác với sự xâm hại sulfat trên đất liền là sự hiện diện của magie sulfat trong
nước biển sẽ phá vỡ cấu trúc của xi măng Pooc lăng bằng cách phản ứng với
3CaO.2SiO2.3H2O của xi măng [97]. Kết quả là sự xâm hại sulfat trong môi trường
biển làm cho bê tông bị giảm cường độ và trở nên giịn hơn. Việc rửa trơi các hợp chất
và sự sụt giảm cường độ của bê tơng do q trình xâm hại sulfat càng trở nên trầm
trọng hơn vì có sự hiện diện của ion Cl- trong nước biển. Sự xâm hại sulfat trong vùng
ngập nước của bê tông biển sẽ chậm hơn so với các khu vực cao hơn, vì những vị trí
đó có chu kỳ làm ướt và khơ xen kẽ liên tục sẽ làm tăng tốc quá trình xuống cấp.
Một số phản ứng hóa học có xu hướng làm suy yếu bê tông trong môi trường
biển cũng đã được xem xét một cách thận trọng. Ion Mg2+ từ magie sulfat có thể thay
thế ion Ca2+ từ 3CaO.2SiO2.3H2O, cuối cùng tạo thành magie silicate làm tăng độ xốp
của bê tông. Một dạng ettringite biến đổi cũng đã được nhận thấy trong bê tông ở môi

13