Tóm tắt: Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

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

Đặng Thị Thu Hiền

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN
CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO
TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA

Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt
Mã số : 9 58 02 06

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2024

Cơng trình được hồn thành tại:
ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học:
HD1. GS.TS. Phạm Duy Hữu
HD2. PGS.TS. Nguyễn Thị Bạch Dương

Phản biện 1: GS.TSKH. Phùng Văn Lự
Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh
Phản biện 3: TS. Đỗ Hữu Thắng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
họp tại Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi .…. giờ ….. ngày
….. tháng ….. năm 2024.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Giao thông vận tải

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, khá nhiều cơng trình bê tông cốt thép (BTCT) được xây dựng trong
vùng biển Việt Nam đã bị hư hỏng sau một thời gian ngắn được đưa vào sử dụng
(dưới 20 năm). Trong khi đó, các nghiên cứu về lĩnh vực thiết kế kế công trình
BTCT mới đang tập trung chủ yếu theo hướng thiết kế vật liệu với hàm mục tiêu
là cường độ. Việc chưa quan tâm đến thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo độ
bền đã dẫn đến thực trạng các cơng trình bị xâm nhập ion clo nghiêm trọng, làm
giảm tuổi thọ sử dụng cơng trình. Nắm bắt được thực trạng đó tại Việt Nan nên
đề tài nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu độ bền của bê tông chất lượng cao
trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và ý
nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu độ bền của kết cấu bê tông cốt thép trong
vùng biển xa bờ của tỉnh Khánh Hòa. Để đạt được mục tiêu trên, luận án đã thiết
kế thành công thành phần bê tông HPC sử dụng muội silic đảm bảo độ bền chống
xâm nhập ion clo phù hợp với đặc thù khu vực và ứng dụng loại bê tông HPC đã
thiết kế trong xây dựng các cơng trình phục vụ kinh tế - quốc phòng với tuổi thọ
sử dụng đạt tối thiểu 100 năm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu: kết cấu bê tơng cốt thép với hai vật liệu chính là bê

tông và cốt thép thường không bao gồm cốt thép dự ứng lực. Như vậy kết cấu
BTCT là bê tông cốt thép thường.

Phạm vi nghiên cứu: bê tơng chất lượng cao có thành phần là chất kết dính xi
măng pc lăng nhóm 1, khơng sử dụng hỗn hợp xi măng hỗn hợp khác. Chất
kết dính phụ: chỉ sử dụng muội silic, không sử dụng tro bay hoặc xỉ lò cao. Các
loại cốt liệu phù hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu trong luận án

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết, mơ
hình tốn, kết hợp với thực nghiệm.
5. Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của luận án

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết và bố cục của luận án;
Chương 1. Tổng quan độ bền và các ứng dụng của bê tông chất lượng cao
trong môi trường biển.
Chương 2. Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông, hệ số khuếch
tán clo một số cơng trình BTCT đã xây dựng ở vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.
Chương 3. Thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền cho các cơng
trình BTCT trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa
Chương 4. Thiết kế bền vững cơng trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh
Hịa sử dụng bê tông HPC.

2

Kết luận và kiến nghị: tổng hợp các kết quả nghiên cứu, những đóng góp mới
của luận án và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

Danh mục cơng trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học của luận án: luận án đã đề xuất cơng thức dự đốn nồng độ
clo bề mặt bê tông theo thời gian. Đồng thời xây dựng được mô hình FEM xác
định nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu và thời gian. Từ đó đề xuất quy trình
và phương pháp thiết kế thành phần bê tơng HPC theo hàm mục tiêu độ bền và các
thành phần bê tơng HPC cụ thể áp dụng cho cơng trình xây dựng trong vùng biển
xa bờ tỉnh Khánh Hòa đảm bảo tuổi thọ sử dụng tối thiểu là 100 năm.
- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: phương pháp thiết kế thành phần bê tông với
mục tiêu đảm bảo độ bền cho các kết cấu bê tông cốt thép làm việc trong môi
trường biển đã được đề xuất; đã ứng dụng thành công bê tông muội silic, một
loại bê tông đảm bảo độ bền của kết cấu BTCT khi làm việc trong mơi trường
biển, giúp giảm chi phí duy tu bảo dưỡng, đáp ứng hiệu quả kinh tế dài hạn, giảm
ơ nhiễm mơi trường, góp phần bảo tồn các cơng trình lịch sử trong khu vực.

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT
LƯỢNG CAO TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN

1.1. Tổng qt về cơng trình bê tơng cốt thép trong môi trường biển
Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và mơi trường khơng

khí biển. Dựa theo tính chất xâm thực của mơi trường biển, vị trí làm việc của
kết cấu BTCT chia làm 3 vùng ranh giới sau: vùng ngập nước, vùng nước biển
lên xuống và sóng đánh và vùng khí quyển biển. Trong đó vùng nước biển lên
xuống và sóng đánh là vùng có mức độ ẩm đối với kết cấu là mạnh nhất.

Kết quả phân tích đặc điểm mơi trường vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa: khí
hậu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới với hai mùa; mùa khô kéo dài từ tháng 2 đến
tháng 4, còn mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 1 năm sau; nhiệt độ dao động không
quá 4oC, nhiệt độ trung bình là 28oC; lượng mưa dao động từ 1.800mm đến
2.200mm; biên độ sóng dao động khá lớn từ 0,8-1,8m, lớn nhất có thể tới hơn 2m.

Kết quả phân tích thành phần nước biển cho thấy hàm lượng ion clo vào mùa
khô tương đương với vùng biển Arabian Gulf và có hàm lượng cao gấp 2 lần so
với khu vực biển Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Nha Trang, Hải Phòng, Hòn
Gai, v.v... Vào mùa mưa hàm lượng ion clo giảm nhiều so với mùa khô.

Kết quả khảo sát hiện trạng các công trình đã xây dựng tại khu vực nghiên
cứu cho thấy hầu hết các cơng trình BTCT xây dựng tại các đảo của vùng biển
xa bờ tỉnh Khánh Hòa sau 10-20 năm sử dụng đã xuất hiện những hư hỏng điển
hình như bê tông bị nứt hoặc vỡ, vết nứt từ nhỏ đến lớn thậm chí cịn bị vỡ từng
mảng để lộ cốt thép đã bị han gỉ.
1.2. Tổng quan về độ bền cơng trình BTCT trong mơi trường biển
Q trình xuống cấp của cơng trình do các ngun nhân được thể hiện trên Hình 1.6

3

Hình 1.6. Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT
Theo nghiên cứu của Giáo sư Mutsuyoshi [24], nguyên nhân chủ yếu dẫn đến
các hư hại của các kết cấu BTCT là do xâm nhập ion clo, chiếm tới 66%. Trong khi
đó, cacbonat hóa chỉ chiếm 5%. Vì vậy, trong luận án, tác giả tập trung nghiên cứu
ảnh hưởng của sự xâm nhập ion clo đến sự suy giảm độ bền của kết cấu BTCT.
Theo phương pháp thiết kế đảm bảo độ bền, độ bền được xác định là tuổi thọ sử
dụng yêu cầu. Theo phương pháp này, quan niệm định tính về độ bền được chuyển
thành những yêu cầu có căn cứ là số năm sử dụng của cơng trình mà kết cấu của nó
phải đảm bảo yêu cầu (tuổi thọ sử dụng) (Fagerlund [107]).
Tuổi thọ sử dụng của một kết cấu có thể được mơ tả như là sự kết hợp tuổi thọ
sử dụng đối với các bộ phận khác nhau của kết cấu. Bộ phận có tuổi thọ sử dụng
ngắn nhất sẽ quyết định đến tuổi thọ sử dụng của kết cấu đó. Với phương pháp này,
có thể xác định được bộ phận kết cấu được sử dụng để xác định tuổi thọ sử dụng.
Những kết cấu BTCT quan trọng thì yêu cầu tuổi thọ sử dụng là 50, 80, 100 năm

hoặc nhiều hơn với độ tin cậy được thể hiện bởi các nhà thiết kế và chủ đầu tư.
Trong suốt 150 năm qua, các chuyên gia, các Ủy ban và chính quyền Quốc gia
đã tham gia vào vấn đề đảm bảo độ bền kết cấu BTCT trong mơi trường biển. Trong
đó các nghiên cứu điển hình bao gồm: cuối thế kỉ XX, các nghiên cứu tập trung vào
các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xâm nhập ion clo trong bê tơng như nồng độ clo
bề mặt bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép; đến đầu thế kỉ XXI, các nghiên
cứu tập trung vào sự ảnh hưởng của phụ gia khống như muội silic, tro bay, xỉ lị cao
và sự kết hợp giữa chúng; sau đó, các cơng trình tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng
của muội silic đến cường độ và mức độ chống xâm nhập ion clo của bê tông. Các
nghiên cứu về độ bền bê tông chỉ ra rằng, bê tông sử dụng muội silic đảm bảo độ
bền, cường độ và tính cơng tác của kết cấu BTCT trong môi biển.
Các nghiên cứu trong nước cũng đi theo hướng nghiên cứu của thế giới, đó là
cải thiện chất lượng bê tơng trong mơi trường biển bằng cách sử dụng các vật liệu
khoáng và phụ gia khoáng để tăng cường sức kháng xâm nhập ion clo và đảm bảo
tính cơng tác và cường độ chịu nén. Các phụ gia khoáng được sử dụng phổ biến là
muội silic, tro bay, xỉ lò cao, v.v... hoặc kết hợp các loại trên. Các nghiên cứu mới
chỉ tập trung xác định cường độ chịu nén của kết cấu, từ đó tìm ra các biện pháp
nâng cao tuổi thọ sử dụng mà chưa ưu tiên tiêu chí đảm bảo độ bền của kết cấu khi
thiết kế thành phần bê tông.

4

Các tiêu chuẩn độ bền của bê tông trong môi trường biển hiện đang được ứng
dụng tại Việt nam bao gồm: EN 206-1, TCVN 9346:2012 và TCVN 12-41-2017.
Những quy định trong các tiêu chuẩn của thế giới và Việt nam về độ bền kết cấu
BTCT trong môi trường biển đều quy định về phân loại vị trí tiếp xúc, tỉ lệ N/CKD
lớn nhất, cấp bê tông, hàm lượng xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép.
Đây là những giới hạn yêu cầu khi thiết kế kết cấu BTCT đảm bảo độ bền trong
môi trường biển.
1.3. Tổng quan về bê tông HPC

Bê tông HPC là một thế hệ bê tơng mới có thêm một số tính năng được cải thiện.
Xét về cường độ chịu nén, đây là bê tông cường độ cao; xét tổng thể các tính năng
thì gọi là bê tơng chất lượng cao. Tính năng của bê tơng chất lượng cao thể hiện ở
tính cơng tác, cường độ chịu nén (fc’≥ 55 , ACI PRC-363-10) và độ bền thể
hiện qua sức kháng xâm nhập ion clo cao, khả năng chống lại sự tấn công của các
yếu tố như yếu tố hóa học, vật lý, sinh học và ăn mịn. Do đó, bê tơng HPC có độ
bền cao và đảm bảo tuổi thọ sử dụng lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.

Hiện nay, bê tông HPC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có
một số lĩnh vực quan trọng như kết cấu nhà cao tầng, cầu, cơng trình ngồi khơi v.v...
1.4. Định hướng nghiên cứu của luận án

1) Thực nghiệm xác định nồng độ clo trên bề mặt bê tông khu vực thủy triều tại
vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa;

2) Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền
xâm nhập ion clo trong môi trường biển;

3) Sử dụng mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dự báo tuổi
thọ sử dụng kết cấu BTCT chịu ảnh hưởng của sự xâm nhập ion clo khi nồng độ
clo bề mặt và hệ số khuếch tán clo thay đổi theo thời gian trên cơ sở kết quả thực
nghiệm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa;

4) Từ nghiên cứu bê tơng HPC đảm bảo độ bền tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh
Hịa, đề xuất thành phần bê tơng HPC và chiều dày lớp kết cấu bê tông bảo vệ cốt
thép đảm bảo độ bền kết cấu kè bảo vệ âu tàu ở khu vực này.

Chương 2. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT, HỆ
SỐ KHUẾCH TÁN CLO MỘT SỐ CƠNG TRÌNH BTCT ĐÃ XÂY

DỰNG Ở VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HỊA

2.1. Sự ăn mịn cốt thép trong kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo
2.1.1. Cơ chế vận chuyển trong bê tông.

Khuếch tán, điện di, đối lưu là các cơ chế chuyên chở các chất trong bê tông.
Trong luận án, cơ chế khuếch tán được sử dụng để xác định sự xâm nhập của ion
clo vào trong bê tông. Đây là cơ chế đang được sử dụng phổ biến trong các nghiên
cứu trên thế giới và ở Việt Nam. Định luật cơ bản của khuếch tán là định luật thứ
hai của Adolf Fick [73].

Định luật Fick thứ hai: Tốc độ biến thiên nồng độ theo thời gian tỉ lệ thuận
với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ.

5

C 2C (2.2)
D 2

t  x

Khuếch tán ion clo trong bê tơng là do trong bê tơng có hệ thống lỗ rỗng rất nhỏ,

thường được lấp đầy bởi nước. Các ion clo sẽ khuếch tán trong dung dịch bên trong

hệ thống lỗ rỗng đó khi có chênh lệch nồng độ. Trong trường hợp hệ số khuếch tán

clo và nồng độ clo bề mặt là hằng số, trong khi nồng độ ion clo ban đầu trong bê

tông bằng 0, nghiệm của phương trình (2.2) được viết theo phương trình (2.3).

 x  (2.3)
C  x,t   Cs 1 erf

2 D0 t 


2.1.2. Cơ chế hóa học ăn mịn cốt thép do xâm nhập ion clo

Khi ion clo xâm nhập vào bê tông và nồng độ ion clo trên bề mặt cốt thép đạt

tới ngưỡng nồng độ clo giới hạn thì màng thụ động sẽ bị phá vỡ. Điều này sẽ dẫn

đến việc cốt thép có thể bị ăn mịn nếu có sự cung cấp độ ẩm và oxy. Đây là một

quá trình điện hóa với các phản ứng hóa học diễn ra trong hai vùng cực dương

và cực âm, Hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ ăn mịn cốt thép do xâm nhập ion clo
Theo Nielsen [100], oxit sắt Fe2O3 chưa ngậm nước có thể tích bằng với thể tích
của thép mà nó thay thế. Khi Fe2O3 ngậm nước, nó nở nhiều hơn, trở lên xốp. Do đó
thể tích tại giao diện bê tơng - thép tăng lên đến 6 lần dẫn đến nứt và tách tấm bê tơng.
2.1.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cơ chế khuếch tán
- Hệ số khuếch tán clo của bê tơng thường có giá trị thay đổi từ 10-13 m2/s
đến 10-11 m2/s. Hệ số đó có giá trị từ 10-12 m2/s đến 10-11 m2/s đối với bê tông
thường và từ 10-13 m2/s đến 10-12 m2/s đối với bê tơng HPC [68]. Nó phụ thuộc
vào tỉ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic, thời gian kết cấu tiếp xúc với môi
trường và nhiệt độ môi trường.
- Nồng độ clo bề mặt càng cao thì ion clo khuếch tán vào sâu bên trong bê

tông càng mạnh và tốc độ ăn mòn cốt thép càng tăng (Fick 2). Nó phụ thuộc vào
vị trí địa lý của vùng biển và vị trí tiếp xúc của kết cấu. Theo các nghiên cứu
hiện nay, nồng độ clo trên bề mặt bê tơng tiếp xúc với mơi trường biển được tích
tụ, sau đó tăng lên theo thời gian. Đến một thời điểm nhất định, nó đạt giá trị lớn
nhất (Cs,max) và không tăng nữa. Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt được tổng
hợp trong Bảng 2.3

6

Bảng 2.3. Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt trong môi trường biển [98]

TT Nguồn dữ liệu Thời gian Phương trình Các tác giả Năm

tiếp xúc (năm) Cs=a.t0,5 Uji et al. [129] 1990
Cs=a.tb Costa and Appleton [66] 1999
1 Japan 23-58 Cs=a(1-e-b.t) 2002
Kasir et al [87]
2 Portugal 0,5-5,5

3 United States of America 2-16

4 South Korea 0,7-48,7 Cs=a.Ln(b.t+1)+c Pack et al [106] 2010
0-3 Cs=a+b.t0,5 Zhou et al [134] 2016
5 Dữ liệu báo cáo 0-5 Cs=a(1-eb.t) Yang et al [133] 2017

6 Dữ liệu báo cáo

Theo số liệu từ các cuộc điều tra hiện trường rộng lớn của kết cấu BTCT dọc

theo bờ biển Na Uy được tổng hợp trong Bảng 2.4 [74], nồng độ clo bề mặt có

thể được mơ tả “cao” với giá trị trung bình là 5,5% và độ lệch chuẩn là 1,3% tính

theo khối lượng xi măng tương ứng.

Bảng 2.4. Nồng độ clo bề mặt kết cấu bê tông trong môi trường khắc nghiệt [74]

Mức nồng độ clo bề mặt Cs (% trọng lượng xi măng)

Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn

Cao 5,5 1,3

Trung bình 3,5 0,8

Thấp 1,5 0,3

- Ngưỡng nồng độ clo giới hạn gây ăn mòn cốt thép (Ccr) là hàm lượng ion clo cần

thiết tại bề mặt cốt thép để phá vỡ màng thụ động của thép và bắt đầu gây ăn mòn.

Giá trị này thường được biểu thị theo tỉ lệ phần trăm của khối lượng bê tông hoặc khối

lượng CKD. Theo các nghiên cứu [108], [75], ngưỡng nồng độ này có giá trị trong

khoảng 0,17% - 2%.

2.2. Thực nghiệm xác định nồng độ ion clo theo chiều sâu và hệ số khuếch tán clo

kết cấu BTCT đã xây dựng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.

2.2.1. Kế hoạch lấy mẫu tại hiện trường

Các mẫu thí nghiệm được lấy trên hệ thống cơng trình cầu cảng, kè biển và

âu tàu được xây dựng trong các năm 2000, 2004, 2010 và 2015. Có 02 loại mẫu

cần lấy làm thí nghiệm gồm: (1) mẫu bột xác định nồng ion clo theo chiều sâu

của kết cấu BTCT; (2) mẫu trụ xác định hệ số khuếch tán clo.

2.2.2. Trình tự lấy mẫu

Thông tin chi tiết của các mẫu bột và mẫu trụ được lấy ở khu vực thủy triều

được thể hiện trong bảng 2.7 và 2.8. Các bước lấy mẫu được thực hiện theo TCVN

7572-15:2006 [10].

Bảng 2.7. Chi tiết các mẫu bột tại công trình

TT Ký hiệu mẫu Tuổi mẫu (năm) Vị trí mặt cắt Độ sâu lấy mẫu tại các mặt cắt (cm) Số lượng (mẫu)

1 B11-7nam 07 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

2 B12-7nam 07 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm, 06

3 B21-12nam 12 Âu tàu 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

4 B22-12nam 12 Âu tàu 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

5 B31-18nam 18 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

6 B32-18nam 18 Kè biển 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

7 B41-22nam 22 Cầu cảng 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

8 B42-22nam 22 Cầu cảng 0-1cm; 1-2cm; 2-3cm; 3-4cm; 4-5cm; 5-6cm; 06

Tổng cộng 48

7

Bảng 2.8. Chi tiết các mẫu trụ tại cơng trình

STT Ký hiệu mẫu Tuổi mẫu (năm) Vị trí mặt cắt Số lượng mẫu (mẫu)

1 T11-07nam 07 Kè biển 01

2 T12-07nam 07 Kè biển 01

3 T21-12nam 12 Âu tàu 01

4 T22-12nam 12 Âu tàu 01

5 T31-18nam 18 Kè biển 01

6 T32-18nam 18 Kè biển 01

7 T41-22nam 22 Cầu cảng 01

8 T42-22nam 22 Cầu cảng 01

TỔNG CỘNG 08

2.2.3. Tiến hành thử tại phịng thí nghiệm

Nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu được xác định theo TCVN 7572-15:2006

[10] tại Phịng Hóa mơi trường, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Bảng 2.9.

Bảng 2.9. Kết quả thí nghiệm nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu

Tuổi Nồng độ ion clo ứng với chiều sâu mũi khoan (%)
TT Ký hiệu mẫu mẫu (% khối lượng bê tông)

(năm) 0-1cm 1-2cm 2-3cm 3-4cm 4-5cm 5-6cm

1 B11-7nam 7 0.6023 0.3985 0.2976 0.2124 0.1332 0.0887

2 B12-7nam 7 0.5981 0.4106 0.3076 0.2348 0.1657 0.1045

3 B21-12nam 12 0.8089 0.6202 0.4923 0.3732 0.2889 0.2112

4 B22-12nam 12 0.8223 0.5923 0.4478 0.3485 0.2845 0.1965

5 B31-18nam 18 0.9962 0.7979 0.6834 0.5123 0.4129 0.4389

6 B32-18nam 18 0.9201 0.7312 0.7012 0.5678 0.4121 0.3878

7 B41-22nam 22 1.0980 0.8623 0.7056 0.6021 0.5072 0.4324

8 B42-22nam 22 1.0623 0.8135 0.7292 0.6087 0.5624 0.4219

Hệ số khuếch tán clo được xác định trên mẫu thử hình trụ có kích thước 50x100

mm (theo tiêu chuẩn ASTM C1202 [46]). Trong thí nghiệm này, điện lượng Q

chuyển qua mẫu đã được xác định. Kết quả được thể hiện trong Bảng 2.11.

Bảng 2.11. Điện lượng Q chuyển qua mẫu thí nghiệm

Tuổi mẫu Qt Dt D28 Mức độ
STT Ký hiệu mẫu (Cu lông) (m2/s) (m2/s) xâm nhập
ASTM C1202
(năm) (PT. 2.21) (PT.2.22) Clo

1 T11-07nam 7 2212 6,6444E-12 11,9102E-12 Trung bình

2 T12-07nam 7 2353 6,9984E-12 12,5447E-12 Trung bình

3 T21-12nam 12 2150 6,4876E-12 12,9528E-12 Trung bình

4 T22-12nam 12 2042 6,2128E-12 12,4040E-12 Trung bình

5 T31-18nam 18 1723 5,3870E-12 11,6639E-12 Thấp

6 T32-18nam 18 1681 5,2766E-12 11,4249E-12 Thấp

7 T41-22nam 22 1666 5,2365E-12 11,8024E-12 Thấp

8 T42-22nam 22 1596 5,0511E-12 11,3844E-12 Thấp

Hệ số khuếch tán trung bình D28 12,0109E-12

Dt  1, 03 *1014 x Qt 0,84 (2.21); D28  0,2 Dt .kc,cl .ke,cl (2.22)

 t28 

 t 
 

(kc,cl và ke,cl là hệ số bảo dưỡng và hệ số môi trường, kc,cl =0,79; ke,cl=0,92)

2.3. Phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt bê tơng theo thời gian

Giả sử q trình khuếch tán ion clo vào bê tông theo chiều sâu tuân theo quy

luật hàm logarit tự nhiên. Khi đó, nồng độ ion clo giảm dần theo chiều sâu kết

8

cấu. Tức là quan hệ giữa nồng độ ion clo (% khối lượng bê tơng) theo chiều sâu

x được thể hiện theo phương trình (2.23).

CCl  x   C s .e .x (2.23)

Đồ thị mối quan hệ giữa CCl(x) và độ sâu x dựa trên kết quả thí nghiệm ở Bảng 2.9

được xây dựng bằng phương pháp phân tích hồi quy và được thể hiện trên Hình 2.5

a - Cơng trình B11-7nam b - Cơng trình B12-7nam

Hình 2.5. Mối quan hệ giữa nồng độ clo và độ sâu của kết cấu

Từ đồ thị Hình 2.5, các tham số Cs và  của các kết cấu BTCT tại các thời

gian tiếp xúc khác nhau (7, 12, 18 và 22 năm) được xác định (Bảng 2.14).

Bảng 2.14. Giá trị Cs và  kết cấu BTCT

Vị trí Tuổi (năm) Nồng độ bề mặt Cs Số mũ  Hệ số tương quan

B11-7nam 07 0.7363 -0.377 0.9953

B12-7nam 07 0.7090 -0.335 0.9926

B21-12nam 12 0.9345 -0.265 0.9983

B22-12nam 12 0.9170 -0.275 0.9943

B31-18nam 18 1.0487 -0.182 0.9379

B32-18nam 18 1.0107 -0.179 0.9632

B41-22nam 22 1.1558 -0.183 0.9934

B42-22nam 22 1.1126 -0.169 0.9748

Từ kết quả trong Bảng 2.14, các phương trình đường cong Cs phù hợp với kết

quả thực nghiệm tại hiện trường đã được xác định. Đồ thị của nó được thể hiện

trên (Hình 2.6).

Hình 2.6. Đồ thị của các
phương trình đường
cong Cs

9

Các phương trình nồng độ clo bề mặt vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa như sau:

Cs (t)  1,175.1 e0,134.t  (R2=0,966) (2.24)

Cs (t)  0, 3517.ln 1 4, 9622.t   0, 531 (R2=0,979) (2.25)

0,3828 (R2=0,977) (2.26)

Cs (t)  0,3469.t

Có thể nhận thấy rằng, đồ thị của phương trình (2.24) có hình dáng phù hợp với

quy luật thay đổi thực tế của nồng độ clo bề mặt theo thời gian. Cụ thể là, khi thời

gian tăng tới 42 năm, nồng độ clo bề mặt gần như đạt tới giá trị cực đại (khoảng

1,164%). Ngoài ra, tất cả các hàm số đều là hàm tăng, nhưng chỉ có hàm số 2.24

bị chặn trên khi thời gian tiến tới vơ cùng. Vì vậy, trong luận án này, phương trình

(2.24) đã được lựa chọn. Khi đó, nồng độ clo bề mặt lớn nhất bằng 1,164 % nếu

tính theo khối lượng bê tơng và bằng 5,5 % nếu tính theo khối lượng CKD (bằng
xi măng với khối lượng là 450kg/m3). Giá trị này tương ứng với mức nồng độ

clo “cao” theo nghiên cứu của Odd E.Gjorv, Bảng 2.4 [74].

2.4. Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT cơng trình đã xây dựng tại vùng

biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

2.4.1. Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo

Tuổi thọ sử dụng (tsd) do sự xâm nhập ion clo được tính theo công thức:

tsd = t1 + t2 (2.27)

trong đó: t1 là thời gian khởi đầu ăn mòn; t2 là thời gian lan truyền ăn mịn

Trong mơi trường biển, tốc độ ăn mịn do sự xâm nhập của ion clo thường rất

cao và giai đoạn lan truyền ăn mòn thường rất ngắn so với giai đoạn khởi đầu ăn

mịn. Do đó, trong luận án, khi cốt thép không được sơn phủ Epoxy, tuổi thọ sử

dụng có thể được coi như bằng thời gian khởi đầu ăn mịn, có nghĩa là:

tsd = t1 (2.28)

Theo yêu cầu của các tiêu chuẩn về tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT (mục

1.2.2), đối với cơng trình cầu cảng, cơng trình dân dụng, cơng trình qn sự,

v.v…, tuổi thọ sử dụng tối thiểu của cơng trình là 100 năm; tsd ≥ 100 năm.

2.4.2. Các mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

Hiện nay, có 04 mơ hình phổ biển để dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT
là: Life-365TM [89], CHLODIF [120], ClinConc [122] và DuraCrete [68]. Để dự

đoán tốc độ xâm nhập ion clo vào trong bê tông, Carslaw và Jaegebr [64] đưa ra

lời giải giải tích với các giả thiết sau:

- Bê tông là vật liệu bán vô hạn, xốp, đồng nhất và đẳng hướng;

- Khơng có phản ứng xảy ra giữa bê tông và loại chất khuếch tán

- C(x,t)=0 khi t=0 và x>0;

- C(x,t)=Cs khi x=0 và t>0;

Nghiệm của phương trình (2.2) dựa trên ba điều kiện biên như sau:

- Nồng độ clo bề mặt là hằng số, Cs(t)=C0;

- Nồng độ clo bề mặt là một hàm tuyến tính của thời gian, Cs(t)=k.t;

10

- Nồng độ clo bề mặt là một hàm căn bậc hai của thời gian, Cs (t)  k t

Trong luận án, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được sử dụng để dự

báo mức độ xâm nhập ion clo trong bê tông khi hệ số khuếch tán clo và nồng độ

clo bề mặt thay đổi theo thời gian theo kết quả thực nghiệm tại hiện trường.

2.4.3. Mơ hình hóa xác định sự xâm nhập ion clo trong bê tông bằng phương

pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương

pháp số gần đúng để giải các bài tốn được mơ

tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm

riêng trên miền xác định có hình dạng và điều

kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác khơng

thể tìm được bằng phương pháp giải tích.

- Điều kiện biên: Tại biên x* = 0, biên

Dirichlet được thiết đặt như sau:

C(x  0,t  ti )  Cs(i)  Cs (t)  1,175.1 e0,134.t  ( 2.36)

- Hệ số khuếch tán của ion clo D(t) của bê

tông theo thời gian:

m U  1 1  (2.37)

 ti 
D t   D28.  .exp    
t  R  T0 Tt 

Trên cơ sở phương pháp FEM, một chương

trình tên là Program Solve_eqs_FEM đã được

viết, sử dụng ngơn ngữ lập trình Fortran.

Chương trình này cho phép xác định nồng độ

ion clo theo chiều sâu kết cấu bê tông và theo

thời gian t, từ đó dự báo tuổi thọ sử dụng kết

cấu BTCT. Chương trình này cho kết quả Hình 2.10. Sơ đồ khối của
tương đồng với kết quả tính bằng phương pháp chương trình Program
giải tích. Solve_eqs_FEM
2.4.4. Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT

đã xây dựng theo phương pháp FEM

Sử dụng chương trình Program Solve_eqs_FEM xác định nồng độ ion clo tại các

độ sâu khác nhau của kết cấu BTCT theo thời gian với điều kiện biên như sau:

+ Nồng độ clo bề mặt bê tông: Cs  1,175.1 0,134.t  ;

e

+ Hệ số khuếch tán clo tại thời điểm 28 ngày: D28=12,01.10-12 (m2/s).

+ Hệ số phụ thuộc vào thời gian của hệ số khuếch tán clo m=0,2

Hình 2.11 thể hiện việc so sánh kết quả thu được bằng chương trình và kết

quả thu được bằng thực nghiệm.

11

(c) B12-12 năm (d) B22-12 năm

Hình 2.11. So sánh kết quả thu được bằng chương trình và bằng thực nghiệm

Sự sai khác giữa C(x,t) được xác định bằng thực nghiệm và C(x,t) được xác

định bằng phương pháp FEM dao động từ (0,41-16,7)%. Giá trị lớn nhất đạt được

khi kết cấu tiếp xúc với môi trường 12 năm. Sai số có thể chấp nhận được. Do

đó, mơ hình FEM cho phép dự đoán sự xâm nhập của ion clo và hỗ trợ một phần

thí nghiệm tại hiện trường, nơi thí nghiệm gặp nhiều khó khăn và có chi phí lớn.

Các thơng số đầu vào để dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã được xây

dựng được thể hiện trong Bảng 2.17.

Bảng 2.17. Các thông số đầu vào để xác định C(x, t)

a (mm) Ccr (% khối lượng bê tông) D28 (m2/s)

70 0,15% 12,01E-12

Kết quả của chương trình Program Solve_eqs_FEM được thể hiện trên Hình 2.13

Hình 2.13. Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng ở tỉnh Khánh Hòa
Hình 2.13 cho thấy, tuổi thọ sử dụng dự báo của kết cấu BTCT là 12 năm,

nhỏ hơn so với tuổi thọ thiết kế (50 năm). Do đó, để nâng cao tuổi thọ sử dụng
kết cấu BTCT, cần có giải pháp về vật liệu bê tông làm tăng khả năng chống xâm
nhập ion clo trong môi trường biển.
2.5. Kết luận chương 2

- Xây dựng thành công phương trình nồng độ clo bề mặt bê tơng của kết cấu
cơng trình BTCT trong khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

- Sử dụng mơ phỏng số trên cơ sở FEM, có thể xác định được nồng độ ion clo ở các
vị trí khác nhau của kết cấu bê tông theo thời gian kết cấu BTCT tiếp xúc với môi trường.

12

- Mơ hình số cho phép dự đốn, thay thế một phần thí nghiệm hiện trường ở
vùng biển xa bờ Việt Nam.

- Kết quả dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng tại vùng biển xa
bờ tỉnh Khánh Hòa là khoảng 18 năm (12+6=18 năm). Giá trị này rất thấp so với
tuổi thọ thiết kế (50 năm). Do đó, trong thiết kế, cần tính tốn đảm bảo độ bền.

Chương 3. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HPC ĐẢM BẢO ĐỘ
BỀN TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HỊA

3.1. Ngun lý thiết kế thành phần bê tơng theo độ bền
Những tác động nghiêm trọng của môi trường lên kết cấu làm giảm độ bền

công trình bê tơng cốt thép. Đến đầu những năm 1980, vấn đề này đã được
các nhà nghiên cứu giải quyết theo hướng phải đảm bảo độ bền của bê tông
trước tiên, Hình 3.2.

Trong thiết kế thành phần bê tông truyền thống, cường độ chịu nén thường
được chọn làm hàm mục tiêu. Thông số này được thiết kế theo 03 phương pháp
phổ biến là: 1-Tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 [15]; 2-Phương pháp của AΪTCIN [37]
và 3-Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10306:2014 [43].

Hàm mục tiêu độ bền được thể hiện bằng hệ số khuếch tán clo. Hệ số này được
sử dụng để xác định tỉ lệ N/CKD. Trong luận án này, các bước thiết kế bê tông
đảm bảo độ bền được đề xuất và được thể hiện trên Hình 3.3.

Trong đó: Dtn là hệ số khuếch tán clo từ thí

nghiệm

Hình 3.2. Thiết kế bê tơng theo độ Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế thành

bền [95] phần bê tông theo độ bền

3.2. Vật liệu chế tạo bê tông HPC

3.2.1. Yêu cầu vật liệu chế tạo bê tông HPC

a. Xi măng [95]

Theo TCVN 10306:2014 [15], lượng xi măng được sử dụng cho bê tông HPC là

13

từ 400 ÷ 593 kg/m3. Xi măng pc lăng PC40 hoặc PCB40 có thể được sử dụng
cho bê tơng đạt được cấp C70
b. Phụ gia hóa học

Phụ gia giảm nước và phụ gia siêu giảm nước được sử dụng trong bê tông
HPC để giúp giảm khối lượng nước tối đa cần thiết để sản xuất bê tơng với u
cầu đảm bảo tính dễ thi cơng.
c. Phụ gia khoáng siêu mịn

Các phụ gia khoáng siêu mịn bao gồm: tro bay, muội silic, xỉ lò cao nghiền mịn,
v.v… Theo kinh nghiệm, bê tơng HPC có cường độ chịu nén từ 50 → 100 Mpa có
thể được chế tạo bằng cách sử dụng đa dạng các tổ hợp chất kết dính như: xi măng
pc lăng và tro bay; xi măng poóc lăng và muội silic; xi măng poóc lăng, tro bay
và muội silic, v.v... Theo số liệu thống kê bởi Magee và Olek [94], sự kết hợp giữa
xi măng Poóc lăng và muội silic được sử dụng phổ biến nhất, khoảng 46%.

d. Cốt liệu mịn

Theo tiêu chuẩn ASTM C33 [44] hoặc EN 1992-1-1 [71], cốt liệu mịn phải có
hạt bền, cứng và sạch, không lẫn bụi, bùn sét, chất hữu cơ và những tạp chất khác.
e. Cốt liệu thô

Thành phần hạt của cốt liệu thô phải phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C33 [44].
Thể tích đã lèn chặt của đá được sử dụng để chế tạo bê tông HPC thường có giá trị
từ 0,65-0,72m3/m3. Cường độ chịu nén của đá để chế tạo bê tơng HPC ở phía bắc
và phía Nam Việt Nam đều đảm bảo có cường độ thích hợp cho việc chế tạo bê
tơng HPC (đá gốc có cường độ lớn hơn 100MPa).
f. Tỉ lệ hỗn hợp cho bê tông HPC

Theo số liệu thống kê của Magee và Olek [94], trong bê tông HPC, hàm lượng
nước thường có tỷ lệ tương đối thấp (150→ 175 (kg/m3)), cịn hàm lượng chất kết
dính thường có tỷ lệ cao (350 → 500 (kg/m3)). Hàm lượng cốt liệu thô và mịn thường
được sử dụng cho bê tông HPC tương ứng là 1000 → 1100 (kg/m3) và 700 → 800
(kg/m3). Thành phần bê tông HPC với hàm lượng nước thấp và phụ gia siêu dẻo
được sử dụng phổ biến.
3.2.1. Vật liệu chế tạo bê tông HPC trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

a) Xi măng: xi măng được sử dụng là loại xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên với
thành phần hóa học và khống theo TCVN 2682:2009 [11]. Khối lượng riêng của xi
măng là 3.125 kg/m3.

b) Muội silic: muội silic được sử dụng là loại sikacrete PP1 của hãng Sika.
c) Cốt liệu thô: cốt liệu thô được sử dụng là đá 5x10mm có nguồn gốc từ mỏ
Hịn Ngang, xã Diên Sơn, huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hịa. Nó có thành phần
hạt cốt liệu và chỉ tiêu cơ lý phù hợp với ASTM C33 [44].
d) Nước và phụ gia

Nước được sử dụng trong nghiên cứu là nước sinh hoạt, đạt yêu cầu theo tiêu
chuẩn nước dùng cho bê tông và vữa xây dựng theo TCVN 4506:2012 [14].

14

Phụ gia đươc sử dụng là loại GPS-5000 với thành phần chính là

polycarbonxylate. Đây là phụ gia siêu dẻo phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 [52].

3.3. Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền kết cấu BTCT

3.3.1. Yêu cầu đối với bê tông đảm bảo độ bền trong môi trường biển

Các yêu cầu cho bê tông đảm bảo độ bền trong môi trường biển được quy định

trong các tiêu chuẩn: TCVN 12041:2017 [6], EN 206-1 [70] và CSA A23.1/A23.2-

2014 [63], bao gồm:

- Tỉ lệ N/CKD ≤ 0,4;

- 400 (kg) ≤ Hàm lượng xi măng ≤ 593 (kg)

- Độ bền xâm nhập ion clo Q≤1000 (cu lông) hay D0 1,68.1012 (m2/s).

3.3.2. Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền

Hệ số khuếch tán clo và tỉ lệ N/CKD đảm bảo tuổi thọ sử dụng được xác định

theo công thức (2.3) và (3.3). Giá trị này phụ thuộc vào chiều dày lớp vỏ bê tông

bảo vệ cốt thép. Bảng 3.13 tổng hợp tải trọng môi trường, tuổi thọ sử dụng yêu cầu

và ngưỡng nồng độ clo giới hạn yêu cầu của vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.

Bảng 3.13. Các tham số xác định hệ số khuyếch tán clo (Do)

Các thông số đầu vào Cs, max Ccr tsd
(% khối lượng CKD) (% khối lượng CKD) (năm)

Giá trị 5,5 0,4 1,0 100

Bước 1: Xác định hệ số khuếch tán clo (Do)

2

 

 x 

 

 1  C(x, t)  
 2.erf 1   (2.3)
  x    Cs  

C(x, t)  Cs .1 erf     D0 
 2 D0tsd  tsd
  

Bước 2: Xác định tỉ lệ N/X

 N (3.3)
X  12 N  D0 
D0  0, 04.1166  x10   log1166 
X 12 
 0, 04x10 
 

Tỉ lệ N/X hay tỉ lệ N/CKD (đối với bê tơng sử dụng phụ gia khống siêu mịn)

được tính tốn theo cơng thức (3.3). Kết quả tính thể hiện trong Bảng 3.14.

Bảng 3.14. Bảng xác định N/CKD theo độ bền

x (mm) t (năm) Ccr=0,4% Ccr=1%

Do (m2/s) N/CKD Do (m2/s) N/CKD

60 100 0,177E-12 0,21 0,320E-12 0,29

65 100 0,208E-12 0,23 0,376E-12 0,32

70 100 0,241E-12 0,25 0,436E-12 0,34

75 100 0,277E-12 0,27 0,500E-12 0,36

80 100 0,315E-12 0,29 0,569E-12 0,38

85 100 0,356E-12 0,31 0,642E-12 0,39

90 100 0,399E-12 0,33 0,720E-12 0,41

95 100 0,444E-12 0,34 0,803E-12 0,42

100 100 0,492E-12 0,36 0,889E-12 0,44

15

Hệ số khuếch tán clo lớn nhất (D0max) có giá trị 0,492.10-12 (m2/s) và 0,889.10-
12 (m2/s) khi Ccr có giá trị 0,4% và 1% tương ứng. Giá trị này được xác định khi

chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép là 100mm. Hệ số này nhỏ hơn hệ số khuếch
tán clo u cầu (1,68.10-12 (m2/s)). Do đó, bê tơng có hệ số khuếch tán clo thoả

mãn điều kiện trong Bảng 3.17 đều đảm bảo yêu cầu độ bền trong vùng biển xa

bờ tỉnh Khánh Hòa.

3.3.3. Xác định cường độ chịu nén theo độ bền yêu cầu

Trong luận án, quan hệ giữa N/CKD và cường độ chịu nén thiết kế (f’cr) được

xác định theo phương pháp ACI 211.4R-08 [37]. Bảng 3.17 thể hiện giá trị của

f’cr đảm bảo độ bền kết cấu BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa khi đường

kính cốt liệu lớn của bê tông là 9,5 (mm).

Bảng 3.17. Bảng xác định cường độ thiết kế từ điều kiện độ bền

Ccr=0,4% Ccr=1%

x (mm) D0 N/CKD f’cr f’c D0 N/CKD f’cr f’c
(m2/s) (MPa) (MPa) (m2/s) (MPa) (MPa)

60 0,177E-12 0,21 94,6 85,0 0,320E-12 0,29 76,0 66,0

65 0,208E-12 0,23 90,0 80,0 0,376E-12 0,32 69,0 59,0

70 0,241E-12 0,25 85,3 75,0 0,436E-12 0,34 65,5 56,0

75 0,277E-12 0,27 80,6 71,0 0,500E-12 0,36 62,0 52,0

80 0,315E-12 0,29 76,0 66,0 0,569E-12 0,38 59,7 50,0

85 0,356E-12 0,31 71,3 61,0 0,642E-12 0,39 58,5 49,0

90 0,399E-12 0,33 67,3 57,0 0,720E-12 0,41 56,2 46,0

95 0,444E-12 0,34 65,5 56,0 0,803E-12 0,42 55,0 45,0

100 0,492E-12 0,36 62,0 52,0 0,889E-12 0,44 52,7 43,0

Dựa trên cường độ chịu nén thiết kế được xác định từ điều kiện độ bền cho

các cơng trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa, bê tơng HPC cấp C50, C60 và

C70 đã được chọn. Khi đó, các hệ số D0, N/CKD và f’cr tương ứng được tổng

hợp trong Bảng 3.18.

Bảng 3.18. Quan hệ giữa hệ số khuếch tán clo, cường độ chịu nén và tỉ lệ N/CKD

x (mm) Do (m2/s) N/CKD f’cr (MPa) f’c (MPa)

75 0,277E-12 0,27 80,6 70,0

85 0,356E-12 0,31 71,3 61,0

100 0,492E-12 0,36 62,0 52,0

Theo kinh nghiệm thiết kế bê tông bền trong mơi trường biển, hỗn hợp chất kết

dính “xi măng pc lăng + muội silic” được đánh giá là hỗn hợp mang lại hiệu quả

cao trong việc tăng sức kháng xâm nhập clo. Vì vậy, trong luận án, phụ gia khống

siêu mịn với hàm lượng là 5%, 10% và 15% (% khối lượng chất kết dính) ở mỗi cấp

cường độ đã được chọn để thiết kế thành phần bê tông đảm bảo độ bền tại vùng biển

xa bờ tỉnh Khánh Hòa.

3.4. Thiết kế thành phần bê tông HPC kiến nghị theo độ bền

Trình tự thiết kế thành phần bê tơng HPC kiến nghị theo độ bền:

- Bước 1: Xác định hệ số khuếch tán clo yêu cầu

- Bước 2: Xác định tỉ lệ N/CKD từ điều kiện độ bền

- Bước 3: Xác định cường độ chịu nén thiết kế

16

- Bước 4: Chọn độ sụt yêu cầu

- Bước 5: Chọn hàm lượng cốt liệu thô tối ưu

- Bước 6: Xác định lượng nước và hàm lượng khơng khí

- Bước 7: Xác định khối lượng chất kết dính (CKD)

- Bước 8: Xác định khối lượng xi măng và phụ gia khoáng siêu mịn

- Bước 9: Xác định khối lượng cốt liệu mịn

- Bước 10: Chọn tỉ lệ phụ gia siêu dẻo

- Bước 11: Thực nghiệm, hiệu chỉnh tỉ lệ thành phần thử nghiệm.

Thành phần bê tông HPC-TS (bê tông đảm bảo độ bền trong vùng biển xa bờ

tỉnh Khánh Hòa) được xác định theo 11 bước thiết kế ở trên. Kết quả thu được là

bê tông muội silic cấp C50, C60 và C70 với hàm lượng muội silic là 5%, 10% và

15% ở mỗi cấp cường độ, Bảng 3.25.

Bảng 3.25. Thành phần bê tông HPC-TS

Tỉ lệ MS CKD=X+MS Nước Xi măng Muội silic Đá 5x10 Cát GPS-
5000
TT Do x10-12 N/CKD (X) (MS) (Đ) (C) Cấp bê Kí hiệu mẫu
(l) tông
2
(m /s) (%)

(kg) (l) (kg) (kg) (kg) (kg)

1 0,492 0,36 431 155 409 22 1085 780 7,5 C50 C50-5MS

2 0,356 0,31 5% 500 155 475 25 1085 715 7,5 C60 C60-5MS

3 0,277 0,27 574 155 545 29 1085 650 7,5 C70 C70-5MS

4 0,492 0,36 431 155 388 43 1085 770 7 C50 C50-10MS

5 0,356 0,31 10% 500 155 450 50 1085 710 7 C60 C60-10MS

6 0,277 0,27 574 155 517 57 1085 640 7 C70 C70-10MS

7 0,492 0,36 431 155 366 65 1085 760 7,5 C50 C50-15MS

8 0,356 0,31 15% 500 155 425 75 1085 700 7,5 C60 C60-15MS

9 0,277 0,27 574 155 488 86 1085 630 7,5 C70 C70-15MS

3.5. Thí nghiệm xác định đặc tính bê tơng HPC-TS trong phịng thí nghiệm

3.5.1. Thí nghiệm xác định tính cơng tác

Tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi được xác định bằng phương pháp đo

độ sụt sử dụng côn Abram theo TCVN 3106:1993 [3].

Bảng 3.26. Kết quả độ sụt của hỗn hợp bê tông

Thành phần C70- C70- C70- C60- C60- C60- C50- C50- C50-
Độ sụt (cm) 15MS
5MS 10MS 15MS 5MS 10MS 15MS 5MS 10MS 10,0

10,3 10,2 9,5 12,4 11,0 11,0 11,5 11,2

Đối với mỗi cấp bê tông, khi hàm lượng muội silic thay thế xi măng tăng, độ

sụt của hỗn hợp bê tơng giảm.

3.5.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn

Cường độ chịu nén được xác định trên mẫu hình trụ kích thước 15cm x 30cm

và được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C39 [48].

Cường độ chịu kéo khi uốn được xác định trên mẫu dầm kích thước 10x10x40cm

ở các ngày tuổi 3, 7 và 28 ngày và được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C78 [50].

Hai thí nghiệm này được thực hiện tại phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng

củaTrường đại học Giao thông vận tải.

17

Hình 3.3. Sự phát triển cường độ chịu nén Hình 3.4. Sự phát triển cường độ chịu

mẫu C50, C60 và C70 ở các ngày tuổi kéo khi uốn ở các ngày tuổi

Theo các biểu đồ trên Hình 3.3, ở 28 ngày tuổi, cường độ chịu nén của tất cả

các mẫu bê tông đã đạt giá trị yêu cầu và tăng trung bình 2,5%. Bê tơng cấp C70

phát triển cường độ sớm hơn so với cấp C50 và C60. Khi hàm lượng MS tăng,

cường độ chịu nén của bê tông cũng tăng và đạt giá trị lớn nhất ở 10MS. Tuy nhiên,

nó giảm dần khi hàm lượng MS tăng đến 15% ở tất cả các cấp cường độ. Dựa vào

đặc tính này, các nhà thiết kế có thể điều chỉnh tăng tỉ lệ N/CKD hoặc điều chỉnh

tỉ lệ cốt liệu nhằm phát huy hiệu quả kinh tế và giảm độ khó khi thi cơng vì tận

dụng được sự phát triển mạnh về mặt cường độ của bê tông HPC-TS 10MS.

3.5.3. Thí nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo

Mức độ xâm nhập ion clo được

xác định trên mẫu thử hình trụ

kích thước 100mm x 50mm và

được thực hiện theo tiêu chuẩn

ASTM C1202 [46]. Điện lượng Q

chuyển qua mẫu bê tông HPC-TS

được đo ở các ngày tuổi 28, 180 và

365 ngày. Kết quả thí nghiệm

được thể hiện trên Hình 3.23.

Ở mỗi cấp cường độ, điện

lượng Q giảm dần theo thời gian. Hình 3.23. Mức độ xâm nhập ion clo

Ở thời điểm 180 ngày, điện lượng của các mẫu HPC-TS

Q chuyển qua mẫu ở tất cả các cấp

cường độ giảm đi gần một nửa so với ở thời điểm 28 ngày. Ở thời điểm 365 ngày,

giá trị này cũng giảm đi gần một nửa so với ở thời điểm 180 ngày.

Hàm lượng MS càng tăng, điện lượng Q càng giảm hay sức kháng xâm

nhập clo của bê tông càng tốt. Giá trị này ở mỗi cấp bê tông tăng theo mức độ

tăng của MS, từ 5% đến 15%. Bê tông cấp C60 và C70 15MS hầu như không bị

xâm nhập ion clo, điện lượng chuyển qua mẫu đo được nhỏ hơn 100 cu lông ở

các ngày tuổi bê tông.

18

3.6. Thực nghiệm xác định xâm nhập ion clo bê tông HPC-TS tại hiện trường
09 mẫu bê tông ở các cấp cường độ C50, C60 và C70 với hàm lượng muội

silic tương ứng là 5%, 10% và 15% được đặt tại khu vực thủy triều vùng biển xa
bờ tỉnh Khánh Hòa và Vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh trong thời gian 365 ngày.
Sau đó, các mẫu được chuyển về phịng thí nghiệm VLXD, trường Đại học Giao
thơng vận tải. Thí nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo được thực hiện trên
mẫu đã ngâm tại hiện trường và được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C1202
[46]. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 3.27 và 3.28.

Theo kết quả thí nghiệm, hệ số khuếch tán clo có xu hướng giảm dần và ổn
định sau thời gian một năm. Mức độ xâm nhập ion clo giảm dần từ vùng biển xa
bờ tỉnh Khánh Hòa đến Vịnh Hạ Long và cuối cùng là trong phịng thí nghiệm. Do
đó, tác giả đề nghị sử dụng D365 của vùng biển xa bờ Khánh Hòa là hệ số khuếch
tán clo cơ sở để đánh giá sức kháng clo của bê tơng HPC-TS tại khu vực này.

Hình 3.27. Mức độ xâm nhập ion clo ở 365 Hình 3.28. Biểu đồ so sánh điện lượng Q

ngày tại Khánh Hòa và Quảng Ninh các mẫu HPC-TS ở 365 ngày tuổi

Các loại bê tông HPC-TS được lựa chọn đảm bảo độ bền xâm nhập clo và đạt

hiệu quả kinh tế được tổng hợp ở Bảng 3.37.

Bảng 3.37. Lựa chọn loại bê tông HPC-TS cho vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa.

Kí hiệu mẫu bê C70-5MS C70- C70-15MS C60-5MS C60- C60-
C50-5MS C50-10MS C50-15MS
tông 10MS 10MS
15MS

Mẫu ngâm tại vùng biển xa bờ Trường Sa

Điều kiện độ bền Do ≤ 0,492.10-12 (m2/s)

D365TS x10-12 (m2/s) 0,447 0,345 0,179 0,514 0,413 0,223 0,712 0,473 0,291
Điều kiện bền Thỏa mãn Thỏa mãn
Tính kinh tế về Không Thỏa mãn Không thỏa Thỏa mãn Thỏa mãn
mặt cường độ Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn
Tổng hợp Không thỏa
thỏa mãn mãn mãn

Không Thỏa Không Không Không thỏa
Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn mãn

mãn thỏa mãn thỏa mãn

Không Thỏa Không Không Không thỏa
Thỏa mãn Thỏa mãn
thỏa mãn mãn
mãn thỏa mãn

Theo Bảng 3.37, có 04 loại bê tông đảm bảo độ bền xâm nhập ion clo và đạt
hiệu quả kinh tế là C50-10MS; C60-10MS, C70-5MS và C70-10MS. Các loại
bê tông này được khuyến nghị sử dụng cho các kết cấu BTCT được xây dựng ở
khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa.

Bảng 3.38. Đặc tính về độ bền của bê tơng HPC-TS khuyến nghị sử dụng

Kí hiệu mẫu bê tơng C70-5MS C70-10MS C60-10MS C50-10MS

Điện lượng Q (cu lông) 176 114 158 189

Do x10-12 (m2/s) 0,447 0,345 0,413 0,473