Sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tông cống vùng triều

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu trích dẫn,
kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn

Đồng Quang Đức

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên nghành vật liệu xây dựng với Đề tài “Sử dụng
vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tơng cống
vùng triều” được hồn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồng Phó Un Viện Thủy Cơng.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường Đại học Thủy
Lợi, các thầy cơ giáo Khoa Cơng trình, bộ mơn Vật liệu xây dựng nhà trường, tác
giả các bài báo, tạp chí chuyên nghành, …và đặc biệt là tập thể thầy giáo hướng dẫn
đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn Công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Khai thác
cơng trình thủy lợi Đa Độ, Hải Phịng- nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện tốt nhất cho
tơi trong q trình học tập và làm thí nghiệm hồn thành luận văn.
Tác giả cũng bày tỏ lịng biết ơn đối với sự động viên to lớn của gia đình, bạn bè và
các đồng nghiệp. Đó là nguồn động lực mạnh mẽ giúp tơi hồn thành luận văn này.
Với khả năng có hạn, luận văn khó tránh khỏi những thiếu xót, tác giả rất mong
nhận được những chỉ bảo, góp ý chân tình của các nhà khoa học, chun gia trong
và ngoài nghành cùng các đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn

Đồng Quang Đức

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... x
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết............................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................................. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH BIỂN, CÁC DẠNG
XÂM THỰC BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH BIỂN VÀ VẬT LIỆU THẨM THẤU
KẾT TINH GỐC XI MĂNG ........................................................................................ 4
1.1 Tổng quan về bê tơng và bê tơng cơng trình biển ..................................................... 4
1.2 Thực trạng các cơng trình ven biển sử dụng bê tông ................................................ 5
1.3 Phân loại môi trường xâm thực BT và BTCT........................................................... 7
1.4 Các vùng làm việc và mức độ xâm thực kết cấu bê tông công trình biển ................ 8
1.5 Các dạng hư hỏng kết cấu bê tơng và bê tơng cốt thép do q trình xâm thực ...... 10
1.5.1 Hư hỏng tại các vùng hoàn toàn ngập nước ......................................................... 13
1.5.2 Hư hỏng tại các vùng nước lên xuống và sóng đánh ........................................... 14
1.5.3 Hư hỏng tại các vùng khí quyển trên biển và ven biển ........................................ 15
1.6 Các nguyên nhân gây xâm thực và phá hủy các cơng trình BT và BTCT trong

mơi trường biển Việt Nam ............................................................................................ 16
1.7 Một số giải pháp nâng cao tuổi thọ cho bê tông và bê tông cốt thép trong môi
trường nước mặn và chua phèn ..................................................................................... 17
1.7.1 Các giải pháp cơ bản ............................................................................................ 17
1.7.2 Phân tích về ưu nhược điểm và tính khả thi của các giải pháp ........................... 18
1.7.3 Giải pháp đề xuất ................................................................................................. 19
1.8 Tổng quan về công nghệ vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng ......................... 19
1.8.1 Khái niệm vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng ............................................. 20
1.8.2 Một số kết quả nghiên cứu và sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng
trên thế giới và tại Việt Nam ......................................................................................... 20
iii


Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU.............................................................................................................. 25
2.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng để
nâng cao một số tính chất của bê tơng .......................................................................... 25
2.1.1 Cấu trúc lỗ rỗng và hiện tượng thấm nước của bê tông ....................................... 25
2.1.2 Giải pháp chống thấm theo cơ chế thẩm thấu kết tinh ......................................... 27
2.2 Vật liệu sử dụng ...................................................................................................... 30
2.2.1 Xi măng ................................................................................................................ 30
2.2.2 Cốt liệu nhỏ .......................................................................................................... 31
2.2.3 Cốt liệu lớn ........................................................................................................... 32
2.2.4 Vật liệu TKX HyCI-CT09 ................................................................................... 32
2.2.5 Vật liệu TKX Aquafin IC..................................................................................... 38
2.3. Tiêu chuẩn áp dụng ................................................................................................ 40
2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng trong nghiên cứu .................................................................. 40
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm ................................................................................... 42
- Đề tài tiến hành thí nghiệm kiểm tra các tính chất cơ lý của các vật liệu sử dụng

trong nghiên cứu............................................................................................................ 42
2.4 Một số quy trình áp dụng trong nghiên cứu ............................................................ 42
2.4.1 Quy trình trộn bê tơng trong phịng thí nghiệm .................................................. 42
2.4.2 Phương pháp chế tạo mẫu bê tông ....................................................................... 43
2.4.3 Phương pháp thi công vật liệu TKX lên bề mặt bê tơng ...................................... 46
2.4.4 Thí nghiệm độ mài mịn bê tơng......................................................................... 49
2.4.5 Cường độ bám dính với bề mặt bê tông ............................................................... 55
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 56
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG SỬ
DỤNG VẬT LIỆU THẨM THẤU KẾT TINH GỐC XI MĂNG ........................... 57
3.1 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông M200 ........................................................... 57
3.1.1 Bước 1 - Chọn độ sụt ........................................................................................... 57
3.1.2 Bước 2 - Chọn lượng nước trộn bê tông .............................................................. 57
3.1.3 Bước 3 - Tính tỷ lệ xi măng/nước (X/N) ............................................................. 58
3.1.4 Bước 4 - Tính lượng dùng xi măng (X) ............................................................... 60
3.1.5 Bước 5 - Tính hoặc tra bảng cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi) ....................................... 60
3.1.6 Bước 6 - Lượng cốt liệu nhỏ cho 1 m3 bê tông (C).............................................. 62
iv


3.2 Một số tính chất của bê tơng M200 và bê tông M250 ............................................ 63
3.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến một
số tính chất của bê tơng sử dụng trong cơng trình biển ................................................ 65
3.3.1 Điều kiện thử nghiệm sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi
măng đến một số tính chất của bê tơng ......................................................................... 65
3.3.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến tính
chống thấm của bê tơng sử dụng trong cơng trình biển ................................................ 68
3.3.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến tính
chống mài mịn của bê tơng sử dụng trong cơng trình biển .......................................... 76
3.3.4 Nghiên cứu cường độ bám dính của vật liệu TKX với bê tông. .......................... 80

Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 83
1. Kết luận ..................................................................................................................... 83
2. Kiến nghị ................................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 85
PHỤ LỤC 1. QUY TRÌNH THI CƠNG VẬT LIỆU TKX ..................................... 86
1. Chuẩn bị bề mặt thi công .......................................................................................... 86
2. Chuẩn bị hỗn hợp CT-09 ........................................................................................... 86
3. Quy trình thi cơng ..................................................................................................... 87
4. Nghiệm thu ................................................................................................................ 88
PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM ................................................ 89
PHỤ LỤC 3. MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆMs................................................. 93

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Lớp bê tơng bảo vệ cốt thép thi cơng khơng đảm bảo ................................7
Hình 1.2. Thân cống nằm trong vùng mực nước dao động bị mài mịn trơ cốt
liệu lớn .........................................................................................................................7
Hình 1.3. Các vùng làm việc của kết cấu bê tơng cơng trình biển..............................9
Hình 1.4. Phần thân cống bị mài mịn .......................................................................11
Hình 1.5. Trương nở cốt thép ....................................................................................11
Hình 1.6. Xâm thực do mực nước dao động (ăn mịn khí quyển). ...........................12
Hình 1.7. Dàn cơng tác bị ăn mịn trơ cốt thép. ........................................................12
Hình 1.8. Bê tơng thân cống bị ảnh hưởng do q trình ăn mịn ..............................12
Hình 1.9. Trương nở cốt thép làm bong lớp bê tông bảo vệ .....................................12
Hình 2.1. Bề mặt bê tơng dưới kính hiển vi có rất nhiều kẽ nứt ...............................28
Hình 2.2. Một kẽ nứt được phóng đại lên 2.000 lần .................................................28
Hình 2.3. Phun vật lệu TKX lên bề mặt bê tơng .......................................................29

Hình 2.4. Sau khi phun vật liệu TKX lên bề mặt bê tơng .........................................29
Hình 2.5. Sau khi vật liệu TKX cứng rắn trong lỗ rỗng bê tơng...............................30
Hình 2.6. Ảnh chụp vi cấu trúc .................................................................................30
Hình 2.7. Chuẩn bị vật liệu trộn BT ..........................................................................43
Hình 2.8. Trộn bê tơng đúc mẫu ...............................................................................43
Hình 2.9. Chuẩn bị khn đúc mẫu và qt dầu chống dính khn .........................44
Hình 2.10. Đầm và đúc mẫu bê tơng.........................................................................45
Hình 2.11. Mẫu bê tơng sau khi đúc .........................................................................45
Hình 2.12. Bảo quản mẫu trong điều kiện phịng thí nghiệm ...................................45
Hình 2.13. Vệ sinh bề mặt mẫu đảm bảo yêu cầu .....................................................47
Hình 2.14. Quá trình trộn vật liệu HYCI - CT09B ...................................................48
Hình 2.15. Quét vật liệu TKX lên bề mặt bê tơng ....................................................49
Hình 2.16. Thiết bị thí nghiệm mài mịn theo tiêu chuẩn ASTM C1138 .................53
Hình 2.17. Mẫu trước khi thí nghiệm mài mịn ........................................................54
vi


Hình 2.18. Mẫu sau khi thí nghiệm mài mịn............................................................54
Hình 2.19. Đầu kéo và thiết bị đo cường độ bám dính .............................................55
Hình 3.1. Bản đồ hệ thống thủy lợi Đa Độ ...............................................................67
Hình 3.2. Cống Cổ Tiểu III nhìn từ phía hạ lưu ........................................................67
Hình 3.3. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm ...........................................................75
Hình PL1.1. Máy phụt nước cao áp dùng để vệ sinh bề mặt bê tơng xử lý thấm .....86
Hình PL1.2. Trộn hỗn hợp bằng máy khoan tay có cánh khuấy...............................87
Hình PL1.3. Máy phun hỗn hợp CT-09 ....................................................................88
Hình PL1.4. Thi cơng phun hỗn hợp lên bề mặt xử lý thấm.....................................88
Hình PL2.1. Chuẩn bị cốt liệu trộn bê tơng ..............................................................89
Hình PL2.2. Trộn bê tơng .........................................................................................90
Hình PL2.3. Thử tính cơng tác hỗn hợp bê tơng .......................................................91
Hình PL2.4. Đúc mẫu bê tơng ...................................................................................91

Hình PL2.5. Mẫu bê tơng sau khi đúc.......................................................................91
Hình PL2.6. Ngâm mẫu thí nghiệm tại cống Cổ Tiểu III – Hải Phịng ....................92
Hình PL2.7. Vớt mẫu thí nghiệm sau khi ngâm tại cống Cổ Tiểu III – Hải
Phịng .........................................................................................................................93
Hình PL2.8. Thí nghiệm độ chống thấm của mẫu bê tơng .......................................93
Hình PL2.9. Thí nghiệm độ mài mịn của mẫu bê tơng ............................................93

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Mức độ xâm thực tại các vùng ....................................................................9
Bảng 1.2. Thành phần nước biển của Việt Nam và trên thế giới ..............................13
Bảng 1.3. Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam, o/ oo ...................14
Bảng 1.4. Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mịn tại các
cơng trình...................................................................................................................15
Bảng 1.5. Một số cơng trình bê tơng lớn trên thế giới áp dụng công nghệ
chống thấm TKX .......................................................................................................20
Bảng 1.6. Một số cơng trình sử dụng vật liệu TKX tại Việt Nam ............................22
Bảng 2.1. Các tính chất cơ lí của xi măng PCB40 Chinfon ......................................30
Bảng 2.2. Các tính chất cơ lí của cốt liệu nhỏ...........................................................31
Bảng 2.3. Kết quả thành phần hạt của cát .................................................................31
Bảng 2.4.Tính chất cơ lí của cốt liệu lớn. .................................................................32
Bảng 2.5. Thành phần hóa học của vật liệu TKX .....................................................34
Bảng 2.6. Thành phần khoáng của vật liệu TKX ......................................................35
Bảng 2.7. Thành phần hạt của cát thạch anh .............................................................36
Bảng 2.8. Các chỉ tiêu và mức chất lượng ................................................................37
Bảng 2.9. Thành phần hóa học của chống thấm IC ..................................................39
Bảng 2.10. Thành phần khoáng của chống thấm IC .................................................40
Bảng 2.11. Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu .........................................................40

Bảng 2.12. Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tơng .........................................................41
Bảng 2.13. Chỉ tiêu cần xác định và hình dáng, kích thước viên mẫu ......................43
Bảng 3.1. Độ sụt bê tông cho các dạng kết cấu ........................................................57
Bảng 3.2. Lượng dùng nước cho 1 m3 bê tông (vật liệu khơ hồn tồn) ..................58
Bảng 3.3. Hệ số tra A và A'.......................................................................................60
Bảng 3.4. Bảng tra hệ số dư vữa K d ..........................................................................62
Bảng 3.5. Thành phần cấp phối tính tốn của bê tông M200 ...................................63
Bảng 3.6. Thành phần cấp phối tính tốn của bê tơng M250 ...................................63
viii


Bảng 3.7. Thành phần cấp phối bê tông sử dụng trong nghiên cứu..........................63
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén .............................................................63
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm ...........................................................64
Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm bê tơng M200 .................................68
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm bê tông M250 .................................71
Bảng 3.12. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm độ chống thấm .................................74
Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm độ mài mịn bê tơng M200 ......................................76
Bảng 3.14. Kết quả thí nghiệm độ mài mịn bê tơng M250 ......................................78
Bảng 3.15. Cường độ bám dính của vật liệu TKX lên bê tông .................................81

ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO

Tiêu chuẩn thí nghiệm của Mỹ AASHTO

ASTM

Tiêu chuẩn thí nghiệm của Mỹ ASTM

BT

Bê tơng

BTCT

Bê tơng cốt thép

QPTL

Quy phạm Thuỷ lợi

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TKX

Vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng

x


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8037’ đến 21032’ vĩ độ Bắc. Sau

năm 1960 số lượng các cơng trình làm việc trong môi trường biển tăng đáng kể.
Theo kết quả 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 suy giảm tuổi thọ cơng trình bê tơng (BT) và bê tơng cốt thép (BTCT)
làm việc trong môi trường biển đáng để quan tâm.
Theo đánh giá về độ bền (tuổi thọ) của các cơng trình BTCT của các quốc gia trên
thế giới qua hơn một thế kỷ sử dụng cho thấy trong môi trường không có tính xâm
thực, kết cấu BT có thể làm việc bền vững trên 100 năm; trong môi trường xâm
thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và BT dẫn đến làm nứt vỡ và phá hủy
kết cấu BT, BTCT có thể xuất hiện sau 10 ÷ 30 năm sử dụng. Độ bền của các kết
cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu
sử dụng (cường độ BT, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi
măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử
dụng cơng trình …).
Thực tế, có hơn 50% bộ phận kết cấu BT và 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 đều tiếp xúc với mơi trường khơng khí và nước biển. Giữa vật liệu và môi
trường luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân BT luôn thay đổi trạng thái cấu
trúc. Tác động xâm thực của môi trường biển tới độ bền cơng trình BT và BTCT
chủ yếu do các q trình sau:
- Q trình cacbonat hố làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ
màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh q trình ăn mịn cốt thép
dẫn đến phá huỷ kết cấu.

1


- Quá trình thấm ion SO 4 2- vào bê tơng, tương tác với các sản phẩm thuỷ hố của xi
măng tạo ra khống ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (ăn mịn

sunfat).
- Q trình khuếch tán ôxy, ion Cl- và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ
khơng khí cao.
- Q trình ăn mịn vi sinh vật, ăn mịn cơ học do sóng, ăn mịn rửa trơi.
Ngồi ra, với đặc thù khí hậu nóng, ẩm, mưa bão nhiều thì tốc độ và mức độ ảnh
hưởng của q trình xâm thực tới cơng trình BT và BTCT sẽ nhanh hơn, tuổi thọ
cơng trình sẽ giảm đi đáng kể.
Có nhiều biện pháp để nâng cao tuổi thọ cho bê tơng, trong đó việc sử dụng vật liệu
thẩm thấu kết tinh gốc xi măng được xem là một giải pháp hiệu quả và thực hiện
thuận lợi trong điều kiện Việt Nam.
Trong Báo cáo dự án sản xuất thử nghiệm cấp Bộ “Hồn thiện cơng nghệ sản xuất
vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng (chống thấm, mài mịn, ăn mịn) và thi cơng
cho kết cấu bê tơng cơng trình thủy cơng” do Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam
chủ trì cũng đã nghiên cứu nâng cao khả năng chống thấm, chống mài mịn bê tơng
của vật liệu thẩm thấu kết gốc xi măng. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng
lại ở việc nghiên cứu độ bền chống thấm, chống mài mịn của bê tơng M200, M250
sử dụng trong mơi trường nước bình thường (cơng trình hồ chứa nước Nước Trong,
tỉnh Quãng Ngãi) và nghiên cứu độ bền chống thấm, chống mài mòn của bê tông
M300, M350 sử dụng trong môi trường nước mặn và chua phèn (nước mặn lấy tại
Hải Phòng, nước chua phèn lấy tại Cà Mau). Còn trên thực tế ở nước ta, các cơng
trình ven biển đã xây dựng từ lâu với mác bê tơng chỉ từ 200 ÷ 250 kG/cm2 và chưa
quan tâm đến yếu tố xâm thực. Điều đó cho thấy cần phải tiếp tục nghiên cứu, đánh
giá ảnh hưởng của quá trình xâm thực đến kết cấu bê tơng và bê tơng cốt thép.
Xuất phát từ đó, đề tài đã tiến hành nghiên cứu: “Sử dụng vật liệu thẩm thấu kết
tinh gốc xi măng để nâng cao chất lượng bê tông cống vùng triều”.

2


2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu thẩm thấu kết tinh gốc xi măng đến bê tông
M200, M250 đã và đang được sử dụng phổ biến trong xây dựng các cơng trình ven
biển nói chung và cống vùng triều nói riêng. Từ đó, chỉ ra các hiệu quả để đề xuất
sử dụng tại các cơng trình cống vùng triều và các cơng trình tương tự nhằm nâng
cao chất lượng và tuổi thọ cơng trình.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bê tông M200, M250 khi có sử dụng và khơng sử dụng vật liệu thẩm
thấu kết tinh gốc xi măng ở điều kiện bình thường và điều kiện mơi trường vùng
triều với các tính chất sau:
- Khả năng chống thấm.
- Khả năng chống mài mịn.
- Cường độ bám dính của vật liệu TKX với bê tông.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận
- Tiếp cận thực tiễn
- Tiếp cận lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập, tìm hiểu, tổng hợp kinh nghiệm và kết
quả nghiên cứu một số tài liệu trong nước cũng như trên Thế giới về hiện trạng xâm
thực bê tơng cơng trình biển, từ đó đưa ra mục đích nghiên cứu của Luận văn.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm một số tính chất (tính cơng tác,
cường độ nén, độ chống thấm, độ mài mịn, cường độ bám dính của vật liệu TKX
với bê tơng) của BT trong phịng thí nghiệm.
- Lấy ý kiến chuyên gia: Thông qua trao đổi chuyên môn với các nhà khoa học và
chuyên gia, tác giả đã đúc rút kinh nghiệm từ đó hồn thiện được Luận văn.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH BIỂN, CÁC DẠNG

XÂM THỰC BÊ TƠNG CƠNG TRÌNH BIỂN VÀ VẬT LIỆU THẨM THẤU
KẾT TINH GỐC XI MĂNG
1.1 Tổng quan về bê tơng và bê tơng cơng trình biển
Bê tơng (gốc từ béton trong tiếng Pháp) là một loại đá nhân tạo, được hình thành
bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thơ, cốt liệu mịn, chất kết dính, v.v... theo một
tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tơng) sau q trình thuỷ hố và đóng rắn.
Kỹ thuật chế tạo và sử dụng bê tông xuất hiện từ thời La Mã cổ đại và được sử dụng
rộng rãi trong suốt giai đoạn tồn tại của Đế quốc La Mã. Sau khi đế quốc La Mã sụp
đổ, kỹ thuật sử dụng bê tông cũng bị mai một cho đến khi được tái khám phá vào
giữa thế kỷ XVIII, xong phải đến cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX bê tông mới được
ứng dụng trong xây dựng các công trình biển và ven biển.
Hiện nay một số quốc gia phát triển trên thế giới đã xây dựng nhiều cống ngăn triều
với quy mô lớn với kiến trúc kỳ diệu trong lĩnh vực cơng trình thủy. Đi đầu trong
lĩnh vực này phải kể đến các nước như Anh, Phần Lan, Hà Lan… Một số cơng trình
điển hình như cơng trình ngăn sơng Thames (của Anh); cơng trình chắn sóng bão,
nước biển dâng hạ lưu đông Schede (của Hà Lan); tổ hợp cơng trình ngăn triều ở
Saint Petersburg (của Nga); cơng trình chắn sóng Maeslandt (của Hà Lan). Các
cơng trình này ngoài tác dụng ngăn triều, chống xâm nhập mặn, chống ngập lụt cịn
có tác dụng ngăn mối đe dọa của sóng biển khi có bão. Một số cơng trình cống ngăn
triều thi cơng trực tiếp trên lịng sơng lớn với các giải pháp cơng nghệ xây dựng
chống ăn mịn, phá hủy bê tông được các nước tiên tiến xây dựng phát huy hiệu quả
cao; đảm bảo tính bền vững, an toàn và thẩm mĩ, thu hút sự chiêm ngưỡng của các
du khách trên thế giới.
Hiện tại và trong tương lai bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong
xây dựng cơng trình dân dụng, cơng nghiệp, giao thơng, thuỷ lợi, thuỷ điện, thậm
chí trong xây dựng các nhà máy điện nguyên tử (bê tông cản xạ), v.v...Theo đánh
giá của Hiệp hội bê tông thế giới, thế kỷ XXI là thế kỷ của vật liệu bê tông.

4

Bê tơng là loại vật liệu có cấu trúc phức tạp được tạo nên từ các thành phần: cốt liệu
với hình dạng, kích thước, độ đặc chắc, cường độ, v.v...,khác nhau, chất kết dính
chưa thuỷ hố, nước và phụ gia hoá học, hệ thống các lỗ gel, hệ thống mao quản lớn
và bé, các lỗ rỗng trong đó chứa khơng khí, hơi nước hoặc nước, các vết
nứt…Trong thành phần đá xi măng bê tơng gồm các khống chính
2CaO.SiO2.mH2O, 3CaO.Al2O3.6H2O, CaO.Fe2O3.mH2O. Ngồi ra cịn một số
thành phần khác như Ca(OH)2, Mg(OH)2, v.v...
Bản thân bê tơng có cấu trúc rỗng mao quản (kể cả bê tông đặc chắc), nên cho phép
nước di chuyển và lan toả vào trong bê tông, sự thẩm thấu của các chất lỏng và khí
từ bên ngồi. Các tác động này dẫn đến sự rửa trôi các chất khơng có cường độ hoặc
những thay đổi lí hố khác nhau làm giảm chất lượng và độ bền của bê tông. Hiện
tượng này xảy ra nhiều với bê tông mác thấp và xi măng có hàm lượng vơi thừa cao.
Đối với bê tơng các cơng trình thuỷ lợi cường độ nén thường thấp, nên khả năng
chống thấm không cao, trong khi đó yêu cầu về khả năng giữ nước là hàng đầu nên
bê tơng cần có độ chống thấm cao. Vì vậy việc tăng khả năng chống thấm cho các
cơng trình bê tơng là cấp thiết, có thể nói là tất cả các cơng trình thủy lợi đều nên
tăng khả năng chống thấm.
Đồng thời độ bền lâu của cơng trình bê tông được xem xét ở mức độ thấm nước và
khí của vật liệu này. Do vậy việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp và vật liệu sử
dụng chống thấm cho bê tông, nhất là bê tông cốt thép luôn được quan tâm từ hàng
thế kỷ nay.
Với các công trình thủy lợi vùng ven biển thường chịu ảnh hưởng trực tiếp của yếu
tố thủy triều. Do vậy, các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển luôn chịu tác động
của chu kỳ ướt- khơ, lạnh- nóng hàng ngày. Ngồi khả năng chịu lực thì việc chống
thấm, chống ăn mòn và mài mòn cơ học cho kết cấu bê tơng là một tính chất quan
trọng, liên quan đến an tồn và ổn định của cơng trình.
1.2 Thực trạng các cơng trình ven biển sử dụng bê tơng
Theo đánh giá về độ bền (tuổi thọ), thực tế của các công trình BT và BTCT của các
quốc gia trên thế giới qua hơn một thế kỷ sử dụng cho thấy trong môi trường không

5


có tính xâm thực, kết cấu BT và BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm;
trong môi trường xâm thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và BT dẫn đến
làm nứt vỡ và phá hủy kết cấu BT, BTCT có thể xuất hiện sau 10 ÷ 30 năm sử
dụng. Độ bền thực tế của các kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của
môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ BT, mác chống thấm, khả
năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế,
thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình …)
Ở Việt Nam, BTCT đã được người Pháp đưa vào sử dụng từ những năm cuối thế kỷ
19. Tuy nhiên phải sau năm 1960 khối lượng cơng trình BTCT xây dựng trong môi
trường biển mới tăng đáng kể. Song trên thực tế bên cạnh các cơng trình bền vững
sau 40 ÷ 50 năm thì hàng loạt các cơng trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử
dụng 10 ÷ 15 năm đã bị xâm thực và phá hủy trầm trọng, địi hỏi phải chi phí 40 ÷
70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa và bảo vệ chúng. Điển hình là cơng trình
cống Cổ Tiểu III thuộc hệ thống cơng trình thuỷ lợi Đa Độ (hệ thống cơng trình
thuỷ lợi lớn nhất Hải Phịng).
Cống Cổ Tiểu III được đưa vào sử dụng từ năm 2001. Qua 15 năm vận hành, phần
bê tông cống đã xuất hiện những dấu hiệu xâm thực do thấm, ăn mịn khí quyển và
mài mịn cơ học bởi ảnh hưởng của các ion chính : pH, SO 4 2- và Cl-. Ngoài ra, chất
lượng bê tông cống ở thời kỳ xây dựng thực hiện theo tiêu chuẩn cũ chưa tính tốn
nhiều đến ảnh hưởng của q trình xâm thực, thi cơng bê tơng áp dụng: QPTL-D678, TCVN 445. Bên cạnh đó cịn kể đến đơn vị thi công phần bê tông không đảm
bảo độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép. Một số hình ảnh kết cấu bê tơng cống Cổ
Tiểu III bị xâm thực như hình 1.1 và 1.2:

6


Hình 1.1. Lớp bê tơng bảo vệ cốt thép

Hình 1.2. Thân cống nằm trong vùng

thi công không đảm bảo

mực nước dao động bị mài mịn trơ
cốt liệu lớn

Có thể thấy, tác động xâm thực do môi trường là rất mạnh dẫn đến phá hủy cơng
trình. Mức độ hư hỏng phụ thuộc vào vị trí và điều kiện làm việc của cơng trình.
Kết hợp với điều kiện khí hậu nóng, ẩm, mưa bão nhiều thì tốc độ và mức độ ảnh
hưởng của q trình xâm thực tới cơng trình BT và BTCT sẽ nhanh hơn, tuổi thọ
cơng trình sẽ giảm đi đáng kể.
1.3 Phân loại môi trường xâm thực BT và BTCT
Căn cứ TCVN 9139:2012 “Cơng trình thủy lợi - kết cấu bê tông, bê tông cốt thép
vùng ven biển - u cầu kỹ thuật” thì mơi trường làm việc của các cơng trình thủy
lợi vùng ven biển, các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được chia làm 2 loại là
môi trường xâm thực nước mặn và môi trường xâm thực nước chua phèn.
* Các kết cấu làm việc ở vùng nước mặn:
- Các kết cấu làm việc ở vùng nước ngập mặn: các kết cấu bê tông và bê tơng cốt
thép nằm ngập hồn tồn trong nước biển.
7


- Các kết cấu làm việc trong vùng nước mặn thay đổi: các kết cấu bê tông và bê
tông cốt thép nằm ở giữa mực nước lên xuống của thủy triều, kể cả vùng sóng leo.
- Các kết cấu làm việc trong vùng khí quyển biển: các kết cấu bê tơng và bê tơng cốt thép
nằm trong khơng khí (bao gồm các vùng khí quyển trên mặt biển, gần bờ và xa bờ).
* Các kết cấu làm việc trong vùng chua phèn:
- Các kết cấu nằm trong vùng ngập nước chua phèn: các kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép nằm ngập hoàn toàn trong nước chua phèn.
- Các kết cấu nằm trong vùng mực nước chua phèn thay đổi: các kết cấu bê tông và
bê tông cốt thép nằm giữa mực nước chua phèn lên xuống.
- Các kết cấu nằm trong khơng khí vùng nước chua phèn: các kết cấu bê tông và bê
tông cốt thép nằm trong khơng khí tại vùng nước có chua phèn.
1.4 Các vùng làm việc và mức độ xâm thực kết cấu bê tơng cơng trình biển
Căn cứ theo tính chất xâm thực và mức độ tác động của môi trường biển lên kết cấu
BT và BTCT có thể phân làm ba vùng như sau:
- Vùng hoàn toàn ngập nước: bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong
nước biển.
- Vùng nước lên xuống và sóng đánh: bao gồm các bộ phận kết cấu làm việc ở vị trí
giữa mực nước thủy triều lên xuống thấp nhất và cao nhất, tính cả phần bị sóng
đánh vào.
- Vùng khí quyển trên biển và ven biển, gồm các tiểu vùng: bao gồm các bộ phận kết
cấu làm việc trong vùng khơng khí trên biển và ven biển tính sâu vào đất liền tới
20km; sát mép nước từ 0 ÷ 0,25km; ven bờ từ 0,25 ÷ 1km; gần bờ 20km.

8


Hình 1.3. Các vùng làm việc của kết cấu bê tơng cơng trình biển
Có thể phân loại mức độ xâm thực tại các vùng như Bảng 1.1
Bảng 1.1 Mức độ xâm thực tại các vùng
Mức độ xâm thực của môi trường
đối với kết cấu

Mơi trường

TT

Bê tơng

Bê tơng cốt thép

-

Trung bình

Nhẹ

Mạnh

Trung bình

Mạnh

1

Vùng khí quyển gần bờ

1

Vùng ven bờ

3

Vùng sát mép nước

4

Vùng nước lên xuống và sóng đánh

Mạnh

Rất mạnh

5

Vùng ngập nước biển

Mạnh

Mạnh

9


1.5 Các dạng hư hỏng kết cấu bê tông và bê tơng cốt thép do q trình xâm
thực
Vùng biển là mơi trường có tính xâm thực mạnh đối với bê tông và bê tông cốt thép.
Môi trường biển Việt Nam xâm thực mạnh hơn môi trường biển nhiều nước trên thế
giới do nhiệt độ, độ ẩm khơng khí cao, thời gian ẩm ướt lớn, nồng độ muối cao,
nước và cốt liệu có nhiễm mặn.
Các kết cấu BT được xác định bị hư hỏng do quá trình xâm thực khi quan sát thấy
một trong những dấu hiệu sau:
- Bề mặt BT bị ăn mòn để lộ cốt liệu lớn trên diện rộng.
- Bề mặt BT bị nứt nẻ, phồng rộp hoặc bong tróc cục bộ từng mảng.
- Các dấu hiệu hư hỏng cốt thép:
+ Gỉ sắt màu vàng đỏ tiết ra từ trong lòng khối BT.
+ Xuất hiện các vết nứt lớp BT dọc theo các thanh cốt thép.

+ Bong rộp lớp BT bảo vệ để lộ cốt thép bị gỉ.
* Một số hình ảnh về xâm thực tại cống Đa Ngư (sửa chữa năm 2010), trên đê tả
Văn Úc. Vị trí cống cách cửa sơng Văn Úc 3km về phía thượng lưu.

10


Hình 1.5.Trương nở cốt thép

Hình 1.4. Phần thân cống bị mài mịn

* Một số hình ảnh về sự ảnh hưởng của xâm thực bê tông và bê tông cốt thép tại
cống Họng (xây dựng từ năm 1960) trên đê biển II, Đồ Sơn, Hải Phòng

11


Hình 1.6. Xâm thực bê tơng trong

Hình 1.7. Dàn cơng tác bị ăn mòn trơ

vùng mực nước dao động.

cốt thép (ăn mịn khí quyển).

Hình 1.8. Bê tơng thân cống bị ảnh

Hình 1.9.Trương nở cốt thép làm bong

hưởng do quá trình ăn mịn

lớp bê tơng bảo vệ

12


1.5.1 Hư hỏng tại các vùng hoàn toàn ngập nước
Nước biển của các đại dương trên thế giới thường chứa khoảng 3,5% các muối hòa
tan: 2,73% NaCl; 0,32% MgCl 2 ; 0,22% MgSO 4 ; 0,13% CaSO 4 ; 0,02% KHCO 3 và
một lượng nhỏ CO 2 , O 2 hòa tan; độ pH ≥8,0. Do vậy, nước biển của các đại dương
mang tính xâm thực mạnh tới bê tơng và bê tơng cốt thép [1].
Nước biển Việt Nam có thành phần hố học, độ mặn và tính xâm thực tương đương
với các vùng biển khác trên thế giới. Riêng vùng gần bờ, do ảnh hưởng của các
sông chảy ra biển nên khác chút ít (vùng ảnh hưởng của thủy triều) [2]. Kết quả
phân tích như trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thành phần nước biển của Việt Nam và trên thế giới

Chỉ tiêu

Đơn vị

Vùng biển

Vùng biển

Biển Bắc

Hịn Gai

Hải Phịng

Mỹ

pH

-

7,8 ÷ 8,4

7,5 ÷ 8,3

7,5

8,0

Cl-

g/l

6,5 ÷ 18,0

9,0 ÷ 18,0

18,0

19,0

Na+

g/l

-

-

12,0

10,5

SO 4 2-

g/l

1,4 ÷ 2,5

0,002 ÷ 2,2

2,6

2,6

Mg2+

g/l

0,2 ÷ 1,2

0,002 ÷ 1,1

1,4

1,3

Biển Bantic

Các cơng trình BT và BTCT trong vùng biển này chịu tác động của nước biển với
lượng muối hòa tan khá lớn, hàm lượng SO 4 2- vượt quá tiêu chuẩn. Hiện tượng ăn
mòn hóa lý sẽ xảy ra, các ion SO 4 2- sẽ phản ứng với các sản phẩm hydrat hóa bê
tơng tạo ra hợp chất khó tan. Khi nồng độ SO 4 2- lớn sẽ tạo ra CaSO 2 .2H 2 O. Sản
phẩm tạo ra có thể tích gấp 2,86 lần gây ứng suất phá vỡ bê tông.
Độ mặn của nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam được ghi lại như bảng
1.3.

13


Bảng 1.3. Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam, o/ oo
Tháng
Trung
Mùa đơng

Trạm

bình

Mùa hè

năm
XII

I

II

VI

VII

VIII

Cửa Ơng

29,2

30,0

30,4

25,3

23,4

21,3

26,6

Hịn Gai

30,8

31,5

31,6

31,2

30,8

29,3

30,9

Hịn Dáu

26,3

28,1

28,1

17,1

11,9

10,9

21,2

Văn Lý

25,9

18,3

29,5

25,4

20,1

19,0

24,4

Cửa Tùng

22,8

27,2

29,3

31,8

31,3

31,7

17,4

Sơn Trà

8,7

17,6

22,8

-

21,2

26,9

-

Vũng Tàu

30,4

33,1

34,7

29,8

29,8

27,6

30,1

Bạch Long Vĩ

32,7

33,3

33,6

33,5

32,6

32,0

33,0

Trường Sa

32,9

33,1

33,0

33,4

33,0

32,8

33,1

1.5.2 Hư hỏng tại các vùng nước lên xuống và sóng đánh
Cùng với quá trình ăn mịn hố học, điện hố thì trên bề mặt các kết cấu bê tơng và
BTCT cịn bị bào mịn cơ học do áp lực sóng, đặc biệt là sóng có cường độ mạnh do
gió bão gây ra. Trên bề mặt kết cấu, q trình khơ ướt xảy ra thường xun làm tăng
nhanh q trình tích tụ ion Cl- , O2-. Nước biển cũng thâm nhập vào bê tông thơng
qua q trình khuyếch tán và lực hút mao quản. Khảo sát kết cấu bên trong cơng
trình khi đục kiểm tra tại các vết nứt thấy cốt thép bị gỉ rất nặng, mặt cắt ngang cốt
thép có thể giảm từ 40% ÷ 60%, cốt thép đai nằm bên ngồi thường bị gỉ nặng hơn
và đứt nhiều. Kiểm tra điện thế ăn mòn bằng máy đo điện thế CANIN cho thấy:
14


điện thế đạt -900 mV, chứng tỏ cốt thép bị ăn mòn rất mạnh. Khi sử dụng phương
pháp điện cực so sánh Ag/AgCl, kết quả đo đạc được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn
ASTM C876 và giản đồ E-pH của hệ Fe-H 2 O như Bảng 1.4.
Khi kiểm tra thành phần hố học của bê tơng theo chiều từ ngồi vào trong cho thấy:
tại vị trí xuất hiện vết nứt, cách mép vết nứt từ 15 ÷ 20 cm, miền bê tơng cận cốt thép,
độ pH thường có giá trị nhỏ hơn 11,6; hàm lượng ion Cl- rất cao, thường nằm trong
khoảng (1,5÷13,5) kg/m3 bê tơng, hàm lượng SO 4 2- nhỏ hơn 4% khối lượng xi măng.
Bảng 1.4. Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mịn tại các
cơng trình.
Điện thế so với

Khả năng

điện thế

ăn mòn

Ag/AgCl

cốt thép

Cảng Tiên Sa

-436 đến -516

≥ 95%

ASTM C876

Cảng Thuận Phước

-409 đến -450

≥ 90%

ASTM C876

Cảng Liên Chiểu

-320 đến -460

≥ 90%

ASTM C876

Cảng Nguyễn Văn Trỗi

-306 đến -325

≥ 90%

Cơng trình

Phương pháp đánh giá

Giản đồ E-pH hệ FeH2O

1.5.3 Hư hỏng tại các vùng khí quyển trên biển và ven biển
Tại mặt ngồi, hiện tượng ăn mòn và phá huỷ kết cấu thường xảy ra mạnh với
những vị trí trực diện với gió biển hoặc thường xun hứng chịu mưa gió và khí hậu
khơ, ẩm. Dạng ăn mịn thường gặp là trên bề mặt lớp bê tông bảo vệ xuất hiện các
vết nứt có bề rộng trung bình từ (5÷25) mm chạy dọc theo các thanh thép chịu lực.
Với kết cấu dạng bản, sàn thường bị bong tách thành từng mảng lớn, lớp bê tơng
bảo vệ cốt thép lộ ra ngồi và bị gỉ rất nặng.
Phía bên trong kết cấu, khi đục mở rộng các vết nứt thì thấy cốt thép bị gỉ nặng,
thiết diện giảm từ (20÷60)%, nhiều thanh bị đứt rời hẳn, nhất là thép đai. Khi kiểm
15