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 TƠNG CHẤT LƯỢNG CAO
TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH
HỊA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2024

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

ĐẶNG THỊ THU HIỀN

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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Phạm Duy Hữu

2. PSG.TS. Nguyễn Thị Bạch Dương

Hà Nội, 03/2024

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

Hà Nội, Ngày 20 tháng 03 năm 2024
Tác giả

Đặng Thị Thu Hiền

ii

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu
và PGS.TS Nguyễn Thị Bạch Dương đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ,
dành nhiều thời gian trao đổi, định hướng và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong
quá trình thực hiện Luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám hiệu, Phịng sau Đại
học, Khoa cơng trình, Bộ mơn cơng trình giao thơng thành phố và cơng trình thủy,
Bộ mơn vật liệu xây dựng, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu xây dựng và các Thầy Cô
giáo trường Đại học giao thông vận tải đã hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu tại trường.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành
cùng tơi tới Ban chỉ huy Viện Kỹ thuật cơng trình đặc biệt, Ban chủ nhiệm và thầy cô
bộ môn Cầu Đường Sân bay và các đồng nghiệp Viện Kỹ thuật cơng trình đặc biệt,

Học viện Kỹ thuật Qn sự đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình
thực nghiệm hiện trường, lấy mẫu tại thực địa và vận chuyển mẫu tới khu vực vùng
biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình của tơi là nguồn
động viên và hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện Luận án.

Tác giả

iii

MỤC LỤC
Trang

Lời cam đoan......................................................................................................i
Lời cảm ơn.........................................................................................................ii
Mục lục.............................................................................................................iii
Danh mục các chữ viết tắt................................................................................vi
Danh mục các bảng.........................................................................................vii
Danh mục các hình............................................................................................x
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN..................5
1.1 Tổng quan về cơng trình bê tơng cốt thép trong môi trường biển.............5

1.1.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam..................................................5
1.1.2 Đặc điểm môi trường biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa..............................9
1.1.3 Các cơng trình biển Việt Nam..........................................................12
1.1.4 Hiện trạng các cơng trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa............13
1.2 Tổng quan về độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển....................14
1.2.1 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT........................................14

1.2.2 Độ bền và tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT.......................................16
1.2.3 Các nghiên cứu về độ bền bê tông....................................................19
1.2.4 Tiêu chuẩn độ bền bê tông trong môi trường biển............................23
1.3 Tổng quan về bê tông HPC......................................................................27
1.3.1 Tính năng và cấu trúc vi mơ của bê tông HPC.................................27
1.3.2 Các ứng dụng của bê tông HPC........................................................31
1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án........................................................35
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 HÒA.............36
2.1 Xâm nhập ion clo gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT..................36
2.1.1 Cơ chế vận chuyển trong bê tơng.....................................................36
2.1.2 Cơ chế hóa học ăn mịn cốt thép do xâm nhập ion clo.....................38

iv

2.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cơ chế khuếch tán.........................40
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.........47

2.2.1 Kế hoạch lấy mẫu tại hiện trường.....................................................47
2.2.2 Trình tự lấy mẫu................................................................................48
2.2.3 Tiến hành thử tại phịng thí nghiệm..................................................50
2.3 Phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian............54
2.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng...............................57
2.4.1 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo......................57
2.4.2 Các mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT.....................60
2.4.3 Mơ hình hóa xác định sự xâm nhập ion clo trong bê tông bằng
phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)..........................................................62
2.4.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng.......................69

2.5 Kết luận chương 2....................................................................................74
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HPC ĐẢM
BẢO ĐỘ BỀN TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA.....75
3.1 Nguyên lý thiết kế thành phần bê tông theo độ bền.................................75
3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông HPC.....................................................78
3.2.1 Yêu cầu vật liệu chế tạo bê tông HPC..............................................78
3.2.2 Vật liệu chế tạo bê tông HPC trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 83
3.3 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền kết cấu BTCT vùng biển xa bờ
Khánh Hòa.......................................................................................................87
3.3.1 Yêu cầu về bê tông bền trong môi trường biển.................................87
3.3.2 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền.............................................88
3.3.3 Xác định cường độ chịu nén theo độ bền yêu cầu............................90
3.4 Thiết kế thành phần bê tơng HPC kiến nghị theo độ bền........................93
3.5 Thí nghiệm xác định đặc tính của bê tơng HPC-TS trong phịng thí nghiệm

.................................................................................................................97
3.5.1 Thí nghiệm xác định tính cơng tác....................................................97
3.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn. 97
3.5.3 Thí nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo..............................103
3.6 Thực nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo HPC-TS tại hiện trường

...............................................................................................................106

v

3.6.1 Thực nghiệm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và Vịnh Hạ
Long tỉnh Quảng Ninh...............................................................................106
3.6.2 Phân tích kết quả thí nghiệm...........................................................108
3.7 Kết luận chương 3..................................................................................111
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỀN VỮNG CƠNG TRÌNH BTCT VÙNG

BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HỊA SỬ DỤNG BÊ TƠNG HPC..........112
4.1 Thiết kế đảm bảo độ bền cơng trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa
112 4.1.1......................................................................................................Tải
trọng môi trường..........................................................................................113
4.1.2 Yêu cầu chất lượng bê tông đảm bảo độ bền.....................................115
4.1.3 Vật liệu sử dụng bê tông bền trong môi trường biển......................118
4.2 Xác định chiều dày lớp bê tông HPC-TS bảo vệ cốt thép đảm bảo độ bền 119
4.2.1 Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ âu tàu vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa..119
4.2.2 Điều kiện mơi trường tiếp xúc và đặc tính của bê tơng sử dụng....122
4.2.3 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu...............124
4.2.4 Chiều dày lớp HPC-TS đảm bảo độ bền âu tàu khi Ccr=0,4%........126
4.3 Kiến nghị một số biện pháp phòng, chống ăn mòn cơng trình BTCT
vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa...................................................................128
4.3.1 Bê tông chất lượng cao (HPC)........................................................128
4.3.2 Sử dụng phụ gia chống ăn mòn cốt thép (chất ức chế ăn mòn)......129
4.3.3 Bảo vệ bề mặt bê tơng.....................................................................130
4.3.4 Sử dụng cốt thép chống ăn mịn......................................................131
4.3.5 Sử dụng cốt phi kim loại.................................................................131
4.3.6 Cấu tạo đảm bảo độ bền..................................................................132
4.3.7 Sử dụng cấu kiện đúc sẵn................................................................134
4.4 Kết luận chương 4..................................................................................134
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................135
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ....................137
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................138
PHỤ LỤC.....................................................................................................148

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh
Hiệp hội xây dựng đường và American Association of State
AASHTO vận tải Hoa Kỳ Highway and Transportation Officials
Viện bê tông Hoa Kỳ American Concrete Institute
ACI Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu American Society for Testing and
Hoa Kỳ Materials
ASTM Bê tông cốt thép
Chất kết dính Fly Ash
BTCT Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm The Finite Element Method
CKD 365 ngày Federal Highway Administration
Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm Fiber Reinforced Polymer
D365 365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại High Performance Concrete
tỉnh Khánh Hòa
D365TS Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm Silica fume
365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại
D365QN Quảng Ninh Portland cement
Tro bay Relative Humidity
FA Phương pháp phần tử hữu hạn
FEM Đường cao tốc liên bang quản lý
FHWA Cốt sợi tổng hợp polyme
FRP Xỉ hạt lò cao nghiền mịn
GGBS Bê tông chất lượng cao
HPC Bê tông chất lượng cao trong
vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa
HPC-TS Khối lượng bê tông
Muội silic
KLBT Tỉ lệ nước trên chất kết dính
MS Tỉ lệ nước trên xi măng
Xi măng Poóc lăng
N/CKD Điện lượng thấm ion clo

N/X Độ ẩm tương đối
PC Tiêu chuẩn Việt Nam
Q Tuổi thọ sử dụng
RH Thời gian khởi đầu ăn mòn
TCVN Thời gian lan truyền ăn mòn
tsd Vật liệu xây dựng
t1 Xi măng
t2

VLXD
X

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

TT Tên bảng Trang

Bảng 1.1. Thành phần hóa nước biển một số vùng biển Việt Nam [19].....................6

Bảng 1.2. Thành phần hóa nước biển của một số vùng trên thế giới [19]..................6

Bảng 1.3. Độ mặn nước biển theo mùa trong vùng biển Việt Nam [19]....................7

Bảng 1.4. Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu BTCT [6]..8

Bảng 1.5. Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa mưa).......11

Bảng 1.6. Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa khô).......11

Bảng 1.7. Tuổi thọ sử dụng yêu cầu (năm) của một số kết cấu BTCT [91].............19

Bảng 1.8. Các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mịn trong

mơi trường biển với tuổi thọ 50 năm [8]................................................24

Bảng 1.9. Các loại tiếp xúc của kết cấu BTCT với môi trường [6]..........................25

Bảng 1.10. Các yêu cầu về chất lượng bê tông trong môi trường xâm thực [6].......25

Bảng 1.11. Giới hạn hàm lượng ion clo trong bê tông [6]........................................26

Bảng 1.12. Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường [6]..................26

Bảng 1.13. Xác định cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ [6].....................................26

Bảng 1.14. Phân loại bê tông HPC theo cường độ chịu nén [43].............................28

Bảng 2.1. Bảng xác định giá trị m theo hàm lượng phụ gia khoáng [89].................42

Bảng 2.2. Tốc độ tích lũy và nồng độ clo bề mặt lớn nhất theo Life-365TM [89]......43

Bảng 2.3. Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt trong môi trường biển [98].........44

Bảng 2.4. Nồng độ clo bề mặt của kết cấu bê tông trong môi trường khắc nghiệt [74]
................................................................................................................................. 44

Bảng 2.5. Ngưỡng nồng độ clo giới hạn theo Browne [61]......................................45

Bảng 2.6. Tổng hợp ngưỡng nồng độ clo giới hạn (Pettersson [108] , Glass [75]). .46

Bảng 2.7. Chi tiết các mẫu bột tại cơng trình...........................................................49

Bảng 2.8. Chi tiết mẫu trụ tại cơng trình..................................................................50

Bảng 2.9. Kết quả thí nghiệm nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu.....................51

Bảng 2.10. Đánh giá mức độ mức độ xâm nhập ion clo [46]...................................52

Bảng 2.11. Điện lượng Q chuyển qua mẫu thí nghiệm............................................52

Bảng 2.12. Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng [24]............................................53

Bảng 2.13. Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường [24]...........................................53

viii

Bảng 2.14. Giá trị Cs và  kết cấu BTCT khu vực thủy tiều vùng nghiên cứu........55
Bảng 2.15. Giá trị Cs theo thời gian t (phương trình 2.24)........................................57
Bảng 2.16. So sánh kết quả giữa phương pháp FEM và thực nghiệm......................70
Bảng 2.17. Các thông số đầu vào xác định C(x, t) theo phương pháp FEM.............73
Bảng 2.18. Kết quả số phương pháp FEM với điều kiện biên Bảng 2.17.................73
Bảng 3.1. Tỉ lệ phần trăm hỗn hợp chất kết dính của bê tơng HPC [94]..................79
Bảng 3.2. Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu chế tạo bê tơng HPC.........................83
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên.......................83
Bảng 3.4. Thành phần khoáng vật của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên..................83
Bảng 3.5. Các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 Vicem Hà Tiên.........................83
Bảng 3.6. Thành phần hóa học và một số chỉ tiêu của muội silic.............................84
Bảng 3.7. Thành phần hạt cốt liệu thô đá 5x10mm..................................................85
Bảng 3.8. Một số chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô.......................................................85

Bảng 3.9. Thành phần hạt của cốt liệu mịn..............................................................86
Bảng 3.10. Một số chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mịn....................................................87
Bảng 3.11. Bảng giá trị tương quan giữa Q và D0 yêu cầu [57]....................................87
Bảng 3.12. Yêu cầu về độ thấm ion clo của bê tông trong vùng phơi nhiễm theo

Tiêu chuẩn Canada CSA A23.1/A23.2:2014 [63]...................................88
Bảng 3.13. Các tham số đầu vào để xác định hệ số khuyếch tán clo (Do)................88
Bảng 3.14. Bảng xác định N/CKD theo độ bền........................................................89
Bảng 3.15. Hệ số khuếch tán clo lớn nhất đảm bảo độ bền yêu cầu.........................90
Bảng 3.16. Giá trị tối đa N/CKD đối với bê tơng được có phụ gia siêu dẻo [37].......90
Bảng 3.17. Bảng xác định cường độ thiết kế từ điều kiện độ bền............................91
Bảng 3.18. Quan hệ giữa hệ số khuếch tán clo, cường độ chịu nén và tỉ lệ N/CKD. .92
Bảng 3.19. Đề xuất độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu............................93
Bảng 3.21. Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tơng........94
Bảng 3.22. Lượng nước trộn và hàm lượng khơng khí của hỗn hợp bê tơng trên

cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35%..........................................................94
Bảng 3.23. Khối lượng chất kết dính.......................................................................95
Bảng 3.24. Khối lượng xi măng và muội silic (MS)................................................95

ix

Bảng 3.25. Khối lượng cốt liệu mịn.........................................................................96
Bảng 3.26. Thành phần bê tông HPC-TS.................................................................96
Bảng 3.27. Kết quả độ sụt của hỗn hợp bê tông.......................................................97
Bảng 3.28. Các tiêu chuẩn sử dụng trong nghiên cứu..............................................97
Bảng 3.29. Số lượng mẫu thí nghiệm.......................................................................98
Bảng 3.30. Cường độ chịu nén trung bình ở các ngày tuổi bê tơng HPC-TS..............99
Bảng 3.31. Hệ số quy đổi cường độ chịu kéo khi uốn............................................101
Bảng 3.32. Cường độ chịu kéo khi uốn ở các ngày tuổi.........................................102

Bảng 3.33. Kết quả thí nghiệm mức độ xâm nhập ion clo bê tơng HPC-TS trong phịng104
Bảng 3.34. Mức độ xâm nhập ion clo tại Khánh Hòa sau 365 ngày.........................107
Bảng 3.35. Mức độ xâm nhập ion clo bê tông HPC-TS tại Quảng Ninh ở 365 ngày 107
Bảng 3.36. Điện lượng Q chuyển qua các mẫu bê tông HPC-TS...........................108
Bảng 3.37. Hệ số khuếch tán clo ở phịng thí nghiệm và tại hiện trường...............109
Bảng 3.38. Lựa chọn loại bê tông HPC-TS cho vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa...110
Bảng 3.39. Bê tông HPC-TS đảm bảo độ bền..........................................................111
Bảng 3.40. Thành phần HPC-TS đảm bảo độ bền.................................................111
Bảng 4.1. Hệ số khuếch tán clo lớn nhất bê tông vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa...116
Bảng 4.2. Phân chia tuyến kè bảo vệ âu tàu...........................................................119
Bảng 4.3. Đặc tính bê tơng C40-W10 sử dụng trong kết cấu kè bảo vệ âu tàu......123
Bảng 4.4. Đặc tính HPC-TS kiến nghị sử dụng cho kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu 124
Bảng 4.5. Tải trọng môi trường vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và cấu tạo kết cấu124
Bảng 4.6. Đặc tính bê tơng sử dụng trong cấu tạo kè bảo vệ âu tàu.......................124
Bảng 4.7. Dự báo tuổi thọ sử dụng kè bảo vệ âu tàu..............................................125
Bảng 4.8. Tải trọng mơi trường và đặc tính bê tơng HPC-TS................................126
Bảng 4.9. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép kết cấu kè đảm bảo độ bền..........127
Bảng 4.10. Các tính chất cơ học của sợi tổng hợp tiên tiến....................................132

x

DANH MỤC CÁC HÌNH

TT Tên hình Trang

Hình 1.1. Phân vùng mơi trường biển........................................................................5

Hình 1.2 Nhiệt độ trung bình tháng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa [35].........10

Hình 1.3 Nhiệt độ trung bình năm vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa [35]...............10

Hình 1.4. Hiện trạng một số cơng trình dân dụng trên đảo [2].................................13

Hình 1.5. Hiện trạng ăn mịn một số cơng trình cầu cảng........................................14

Hình 1.6. Ngun nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT [91].........................................15

Hình 1.7. Hậu quả của quá trình ăn mịn cốt thép kết cấu BTCT [91].....................15

Hình 1.8. Các nguyên nhân hư hỏng kết cấu BTCT quan sát được ở Nhật Bản [24]. .16

Hình 1.9. Tuổi thọ sử dụng theo Duracrete 2000 [68]..............................................18

Hình 1.10: Cấu trúc của hồ và đá xi măng với các tỉ lệ N/X khác nhau [43].............29

Hình 1.11. Ảnh chụp qua kính hiển vi cấu trúc vi mơ của hai loại bê tơng..............30

Hình 1.12. Kết cấu MSF..........................................................................................32

Hình 1.13. Hình ảnh một số cơng trình nổi tiếng sử dụng bê tơng HPC [43]...........33

Hình 2.1. Sơ đồ ăn mịn cốt thép do xâm nhập ion clo.............................................39

Hình 2.2. Sơ đồ chuyển đổi giữa nồng độ ion clo theo phần trăm khối lượng xi măng

dựa trên % khối lượng bê tơng có hàm lượng xi măng khác nhau [74].....47

Hình 2.3. Khoan lấy mẫu bột cơng trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa.............49

Hình 2.4. Thí nghiệm xác định điện lượng Q chuyển qua mẫu tại viện VLXD IBST. .52

Hình 2.5. Nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu BTCT đã xây dựng.....................55

Hình 2.6. Phương trình nồng độ clo bề mặt kết cấu BTCT C30 ở khu vực thủy

triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa....................................................56

Hình 2.7. Các giai đoạn của q trình ăn mịn do xâm nhập ion clo [127]...............58

Hình 2.8. Mơ hình điểm cuối của giai đoạn lan truyền ăn mịn [127]......................59

Hình 2.9. Chia lưới và nút 1 hướng theo phương pháp FEM..................................65

Hình 2.10. Sơ đồ khối của chương trình Program Solve_eqs_FEM.........................68

Hình 2.11. So sánh kết quả của phương pháp FEM và lời giải giải tích...................69

Hình 2.12. So sánh kết quả FEM và thực nghiệm....................................................72

Hình 2.13. Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng ở vùng biển xa bờ tỉnh

Khánh Hòa..............................................................................................73

xi

Hình 3.1. Quan hệ giữa hàm lượng xi măng, nước/xi măng (N/X), cường độ bê
tông và độ bền qua các thập kỉ [95]........................................................76

Hình 3.2. Quan niệm về thiết kế bê tơng theo cấp độ bền [95]................................76
Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế thành phần bê tơng theo độ bền.........................................77

Hình 3.4. Các phụ gia khoáng siêu mịn sử dụng trong bê tơng HPC [95]................80
Hình 3.5. Thành phần vật liệu cấu tạo thường dùng cho bê tơng HPC [94].............82
Hình 3.6. Muội silic loại sikacrete PP1....................................................................84
Hình 3.7. Hình ảnh đá 5×10mm...............................................................................84
Hình 3.8. Thành phần đá 5x10 theo ASTM C33 [44]..............................................85
Hình 3.9. Cát Diên Khánh........................................................................................86
Hình 3.10. Thành phần hạt cốt liệu mịn theo ASTM C33 [44]................................86
Hình 3.11. Biểu đồ quan hệ giữa Do và tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền.....................91
Hình 3.12. Biểu đồ quan hệ giữa f’cr và N/CKD đảm bảo độ bền............................92
Hình 3.13. Dụng cụ xác định độ sụt của hỗn hợp bê tơng........................................97
Hình 3.14. Hình ảnh q trình đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu.....................................98
Hình 3.15. Máy nén ADR-2000 và kết quả thí nghiệm............................................99
Hình 3.16. Hình ảnh thí nghiệm cường độ chịu nén.................................................99
Hình 3 17. Biểu đồ cường độ chịu nén mẫu bê tông C50, C60 và C70 ở các ngày tuổi 100
Hình 3.18. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn (tại phòng VILAS 047- Trung

tâm Khoa học cơng nghệ Giao thơng Vận tải)......................................101
Hình 3.19. Dạng phá hoại mẫu sau khi thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn.....102
Hình 3.20. Sự phát triển cường độ chịu kéo khi uốn ở các ngày tuổi.....................102
Hình 3.21. Chuẩn bị mẫu thử và hút chân khơng các mẫu thử...............................103
Hình 3.22. Xác định độ mức độ xâm nhập ion clo tại PTN VLXD- ĐH GTVT....104
Hình 3.23. Mức độ xâm nhập ion clo các mẫu bê tơng HPC-TS ở các ngày tuổi. .105
Hình 3.24. Hình ảnh mẫu tại khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa. .106
Hình 3.25. Hình ảnh mẫu HPC-TS sau 365 ngày tại Khánh Hịa.............................106
Hình 3.26. Mẫu HPC-TS tại Vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh ở 365 ngày.............107
Hình 3.27. Mức độ xâm nhập ion clo ở 365 ngày tại Khánh Hịa và Quảng Ninh...107
Hình 3.28. Biểu đồ so sánh điện lượng Q các mẫu HPC-TS ở 365 ngày tuổi........109

xii

Hình 4.1. Cách xác định nồng độ clo bề mặt (Cs) dựa trên phương pháp phân tích
hồi quy dữ liệu về sự xâm nhập ion clo theo chiều sâu kết cấu [74]......114

Hình 4.2. Quan hệ giữa ngưỡng nồng độ clo giới hạn, điều kiện môi trường và
chất lượng của bê tơng [74]...................................................................115

Hình 4.3. Sơ họa tuyến kè bảo vệ âu......................................................................119
Hình 4.4. Mặt cắt điển hình kết cấu kè bảo vệ âu loại 1.........................................120
Hình 4.5. Mặt cắt điển hình kết cấu phần trên kè bảo vệ âu loại 1.........................121
Hình 4.6. Mặt cắt ngang kết cấu kè tường đứng sử dụng thùng chìm....................122
Hình 4.7. Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu (C40-W10)....125
Hình 4.8. Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu (HPC-TS)......125
Hình 4.9. Chiều dày lớp bê tông HPC-TS bảo vệ cốt thép kết cấu kè....................127
Hình 4.10. Sơ đồ đại diện của các loại bảo vệ bề mặt bê tơng khác nhau..............130
Hình 4.11. Các ví dụ về sai sót trong thiết kế và đề xuất giải pháp sửa đổi..........133

1

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8○37’ đến 21○32’ Bắc. Sau
năm 1960 số lượng các cơng trình xây dựng trong mơi trường biển tăng đáng kể.
Theo một số kết quả nghiên cứu và khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước
như Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Khoa học vật liệu, Viện khoa học
thuỷ lợi, Viện Khoa học công nghệ giao thông vận tải, Trường đại học Bách khoa
Đà Nẵng, v.v… thì tình trạng giảm tuổi thọ sử dụng cơng trình BTCT làm việc trong
mơi trường biển đáng để quan tâm. Thực tế, có hơn 50% bộ phận kết cấu BTCT bị
ăn mòn, hư hỏng nặng hoặc bị phá huỷ chỉ sau từ 10-30 năm sử dụng. Hầu hết các
kết cấu này trong quá trình làm việc chịu sự tác động trực tiếp của môi trường biển.

Trong môi trường biển, cốt thép bị ăn mòn chủ yếu do sự xâm nhập của ion
clo, làm cho kết cấu BTCT không đảm bảo độ bền thiết kế. Tốc độ ăn mòn gây hư
hỏng cơng trình diễn ra khá nhanh, một số cơng trình có tuổi thọ thiết kế trên 50
năm đã bị hư hỏng nặng sau 20-25 năm sử dụng, thậm chí sau 10-15 năm. Chi phí
cho việc sửa chữa khắc phục chiếm 30-70% mức đầu tư xây dựng của công trình
[24]. Trong mơi trường khắc nghiệt, có tính xâm thực cao như mơi trường biển, hiện
tượng ăn mịn cốt thép trong bê tông dẫn đến làm rạn nứt và phá hủy kết cấu BTCT,
làm cho kết cấu BTCT sớm bị hư hỏng. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc
vào chất lượng bê tông và chiều dày lớp bê tơng bảo vệ cốt thép. Do đó, địi hỏi phải
có các biện pháp chống ăn mịn và hạn chế sự ăn mòn cốt thép của các kết cấu
BTCT với mục tiêu là bảo vệ bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép.

Hiện nay trên thế giới, hầu hết các cơng trình biển của các quốc gia có nền
kinh tế phát triển đã được ứng dụng các cơng nghệ chống ăn mịn phù hợp. Nhiều
ứng dụng bê tông chất lượng cao (HPC) cho các cơng trình cầu cảng đã chỉ ra rằng:
bê tơng HPC được sử dụng một cách kinh tế, tăng độ bền và cường độ, tiết kiệm chi
phí thi cơng ban đầu và chi phí bảo dưỡng lâu dài [74]. Ở Việt Nam, vấn đề độ bền
của bê tông trong môi trường biển được nghiên cứu vào đầu thế kỉ XXI. Nhiều nhà
khoa học đã và đang tiến hành nghiên cứu về chống ăn mòn cho kết cấu BTCT xây
dựng trong môi trường biển. Các nghiên cứu tiêu biểu gồm: sử dụng vật liệu bê tơng
cốt sợi (GFRP) chống ăn mịn cho cơng trình nhà dàn DK của GS.TS Đinh Quang
Cường Viện xây dựng cơng trình biển, đại học Xây dựng Hà Nội [2]và ứng dụng bê
tơng tính năng siêu cao cốt sợi thép (UHPFRC) có cường độ chịu nén lên tới
180Mpa cho các kết cấu bê tông lắp ghép cho các cơng trình trên đảo xa bờ của viện

2

khoa học công nghệ xây dựng. Các nghiên cứu đang tập trung chủ yếu vào phát
triển cường độ bê tông trong môi trường biển.

Đối với vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa, hiện có nhiều cơng trình đã xây
dựng ở đây như cầu cảng, âu tàu, sân bay, bến đứng, bến nghiêng, cơng trình qn
sự, v.v… Các cơng trình đóng một vai trị rất quan trọng trong đảm bảo an ninh
Quốc phòng của đất nước. Do vậy, việc dự báo tuổi thọ sử dụng cơng trình BTCT là
cơ sở để đưa ra giải pháp về vật liệu và biện pháp chống ăn mòn và duy tu bảo
dưỡng phù hợp đảm bảo độ bền cơng trình BTCT.

Từ những phân tích trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu độ bền
của bê tông chất lượng cao trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa”
2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu độ bền của kết cấu BTCT trong vùng biển
xa bờ tỉnh Khánh Hòa. Để thực hiện mục tiêu trên cần thực hiện các nội dung sau:

- Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông, hệ số khuếch tán clo bê
tông C30 đã xây dựng tại khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa. Từ
đó xây dựng phương trình nồng độ clo bề mặt theo thời gian và dự báo tuổi thọ sử
dụng công trình BTCT đã xây dựng ở đây.

- Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC theo độ bền. Kết
quả của phương pháp là thành phần bê tông HPC ở các cấp cường độ C50, C60 và
C70 đảm bảo độ bền trong khu vực này.

- Thực nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo bê tông HPC ở 28, 180 và
365 ngày tuổi ở trong phịng thí nghiệm và 365 ngày tuổi ở vùng biển xa bờ tỉnh
Khánh Hòa và Vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh. Từ đó đánh giá độ bền bê tông
HPC trong các môi trường biển khác nhau.

- Ứng dụng bê tơng HPC đã nghiên cứu cho cơng trình âu tàu xây dựng trong

vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa, từ đó chọn loại bê tơng HPC đảm bảo độ bền
cơng trình.
3. Phạm vi nghiên cứu

- Kết cấu bê tông cốt thép gồm hai vật liệu chính là bê tơng và cốt thép
thường không bao gồm cốt thép dự ứng lực. Như vậy kết cấu BTCT là bê tông cốt
thép thường.

- Bê tông là 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

3

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

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tham khảo và nghiên cứu các tài liệu trong
nước và thế giới về bê tông HPC sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, các tiêu chuẩn
kỹ thuật xác định thành phần bê tông HPC, đặc điểm môi trường biển Việt Nam và các
mơ hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do sự xâm nhập ion clo trong môi
trường biển.

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm xác định nồng độ clo
bề mặt bê tông và hệ số khuếch tán clo bê tông C30 đã xây dựng ở khu vực thủy
triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa; chế tạo mẫu bê tông HPC các cấp C50, C60,
C70 với hàm lượng muội silic tương ứng là 5%, 10% và 15% ở mỗi cấp bê tơng;
xác định tính cơng tác, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và điện lượng
Q chuyển qua mẫu (các mẫu bê tông trong phịng thí nghiệm và mẫu đặt tại vùng
biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa và vịnh Hạ Long). Từ đó, chọn thành phần bê tông HPC

ứng dụng trong các công trình BTCT sẽ xây dựng tại khu vực này.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học

- Xây dựng phương trình nồng độ clo bề mặt bê tông C30 thay đổi theo thời gian
khu vực thủy triều vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hịa. Từ đó, xác định được nồng độ
ion clo xâm nhập vào kết cấu bê tông ở độ sâu (x) và thời gian (t) bằng phương pháp
phần tử hữu hạn. Kết quả này cho phép dự đoán được mức độ khuếch tán ion clo theo
thời gian và dự báo tuổi thọ sử dụng của kết cấu BTCT dưới góc độ xâm thực clo.

- Luận án đã xây dựng phương pháp thiết kế thành phần bê tông HPC theo độ
bền xâm nhập ion clo thay cho phương pháp truyền thống (từ điều kiện cường độ).
Từ đó, đề xuất hệ số khuếch clo lớn nhất cho bê tông HPC đảm bảo tuổi thọ sử dụng
tối thiểu là 100 năm trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa. Kết quả của phương pháp
là thành phần bê tông HPC C50, C60 và C70 với hàm lượng muội silic ở mỗi cấp
cường độ là 5%, 10% và 15%.

- Từ kết quả thực nghiệm, xác định được mức độ xâm nhập ion clo, cường độ
chịu nén bê tông HPC, lựa chọn được thành phần bê tông HPC ứng dụng trong xây
dựng các

4

cơng trình như: cơng trình âu tàu, cầu cảng, bến đứng, các cơng trình qn sự, v.v...
đảm bảo tuổi thọ sử dụng tối thiểu là 100 năm trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa với đặc điểm địa lý có bờ biển bao quanh,
nhiều loại cơng trình BTCT đã được xây dựng ở đây như cơng trình dân dụng, cơng
trình thủy, cơng trình chiến đấu, v.v… Các cơng trình này đóng một vai trị rất quan

trọng, góp phần vào đảm bảo an ninh quốc phịng của khu vực. Tuy nhiên, cho đến
nay, phần lớn các cơng trình BTCT chưa được ứng dụng những biện pháp chống
xâm nhập ion clo một cách hiệu quả. Vì vậy, việc xây dựng phương pháp thiết kế
thành phần bê tông theo độ bền và đề xuất giải pháp ứng dụng bê tơng HPC cho các
cơng trình Dân sự và Qn sự trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa sẽ góp phần
đảm bảo tính bền vững, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng và đảm bảo an ninh, quốc
phòng.
6. Bố cục của luận án
Chương 1. Tổng quan về độ bền và ứng dụng của bê tông HPC trong môi trường biển.
Chương 2. Thực nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt, hệ số khuếch tán clo một số

cơng trình BTCT đã xây dựng trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.
Chương 3. Thiết kế thành phần bê tông HPC đảm bảo độ bền kết cấu BTCT.
Chương 4. Thiết kế bền vững cơng trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa sử

dụng bê tơng HPC.
Kết luận - Kiến nghị
Danh mục cơng trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

5

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG

CAO TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN
1.1 Tổng quan về cơng trình bê tơng cốt thép trong mơi trường biển

1.1.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam.
Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và mơi trường

khơng khí biển, Hình 1.1. Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với
khí hậu nóng ẩm và thay đổi theo mùa [19]. Dựa theo tính chất xâm thực của mơi
trường biển và vị trí làm việc của kết cấu có thể phân chia ảnh hưởng của mơi
trường biển Việt Nam thành các vùng nhỏ có ranh giới sau:

- Vùng ngập nước: vị trí kết cấu nằm ngập hoàn toàn trong nước biển.
- Vùng nước biển lên xuống và sóng đánh: vị trí kết cấu nằm giữa mực nước
cao nhất và thấp nhất của thủy triều, kể cả khu vực bị sóng táp.
- Vùng khí quyển biển: vị trí kết cấu nằm trong khơng khí biển, chia thành
các tiểu vùng:
+ Khí quyển trên mặt biển: khí quyển sát mép nước, vị trí kết cấu so với
khoảng cách mép nước nhỏ hơn 0,25km.
+ Khí quyển trên bờ: vị trí các kết cấu nằm trong bờ phạm vi nhỏ hơn hoặc
bằng 1km cách mép nước.
+ Khí quyển gần bờ: vị trí nằm trên bờ cách mép nước 1-20km.

Hình 1.1. Phân vùng mơi trường biển

6

Nước biển của các đại dương trên thế giới chứa khoảng 3,5% tổng các lượng

muối hòa tan, cụ thể là 2,73% NaCl; 0,32% MgCl2; 0,22% MgSO4; 0,13% CaSO4;

0,02% KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hòa tan. Độ pH của nước biển đạt

trung bình 8,0. Do vậy, nước biển của các đại dương mang tính xâm thực mạnh đối

với kết cấu BTCT.

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

đương nước biển của vùng khác trên thế giới. Riêng vùng gần bờ, độ mặn có suy giảm

do ảnh hưởng của các con sơng chảy ra biển. Thành phần hóa học và độ mặn của nước

biển Việt Nam và Thế giới được thể hiện theo Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3.

Bảng 1.1. Thành phần hóa nước biển của một số vùng biển Việt Nam [19]

Tên vùng biển/ Độ PH Na+ Nồng độ ion
Tên loại ion (g/l)
Mg+ Cl- SO42-
(g/l)
(g/l) (g/l) 2,65

Biển Hà Tĩnh - - - 19,0

Biển Đà Nẵng - 10,67 1,28 19,2 2,7

Biển Quảng Ngãi 19,27 2,71

Biển Quảng Bình - - - 19,3 2,72

Biển Phú Yên - - - 20,1 2,75

Biển Nha Trang 7,68 - - 19,34 3,85

Biển Hịn Gai 7,8÷8,4 - 0,2÷1,2 6,5÷18,0 1,4÷2,5

Biển Hải Phịng 7,5÷8,3 - 0,002÷1,1 9,0÷18,0 0,002÷2,2

Bảng 1.2. Thành phần hóa nước biển của một số vùng bển trên thế giới [19]

Tên vùng biển/ Nồng độ ion
Tên loại ion
Na+ (g/l) Mg+ (g/l) Cl- (g/l) 2-
Biển Đen 4,90
Biển Marmara 8,10 0,64 9,50 SO4 (g/l)
Biển Maditerranean 12,40 1,36
Biển Bắc 12,20 1,04 14,39 2,03
Biển Atlantic 11,10 2,60
Biển Baltic 2,19 1,50 21,27 2,22
Biển Arabian Gulf 20,70 2,18
Biển đỏ 11,35 1,11 16,55 0,58
5,12
1,21 20,00 3,05

0,26 39,60

2,30 36,90

1,87 22,66