Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3200 km, trong đó vùng biển Quảng Ninh có hơn 250 km bờ biển cùng hàng nghìn đảo lớn nhỏ, là khu vực phát triển mạnh về kinh tế và xây dựng công trình ven biển. Theo ước tính, hơn 50% kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) tại các công trình ven biển bị ăn mòn hoặc hư hỏng nghiêm trọng chỉ sau 10-30 năm sử dụng. Môi trường biển với đặc trưng khí hậu nóng ẩm, độ mặn cao, cùng tác động của ion Cl- và SO4 2- đã gây ra sự suy giảm tuổi thọ các công trình BTCT. Nghiên cứu nhằm khảo sát thực trạng một số kết cấu BTCT trong nhà và công trình tại vùng biển Quảng Ninh, tập trung vào hai công trình tiêu biểu: Nhà làm việc Bưu điện tỉnh Quảng Ninh và Cảng Cô Tô. Mục tiêu là đánh giá mức độ ảnh hưởng của môi trường biển đến kết cấu BTCT, từ đó cung cấp dữ liệu tham khảo cho công tác thiết kế, thi công, bảo trì và sửa chữa các công trình ven biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung trong khoảng thời gian hơn 30 năm xây dựng và khai thác các công trình tại Quảng Ninh, với ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về kết cấu bê tông cốt thép, cơ chế ăn mòn trong môi trường biển và phân vùng xâm thực theo tiêu chuẩn TCVN 9346:2012. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết kết cấu BTCT: BTCT là vật liệu phức hợp gồm bê tông chịu nén tốt và cốt thép chịu kéo, làm việc đồng bộ nhờ lực dính và tương tác cơ học. Các tính chất cơ lý của bê tông và cốt thép, cấp độ bền, mác bê tông, cũng như các loại thép xây dựng được phân tích để đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu.

  • Lý thuyết ăn mòn trong môi trường biển: Môi trường biển được phân thành các vùng xâm thực như vùng ngập nước, vùng nước lên xuống, vùng khí quyển ven biển với mức độ ăn mòn khác nhau. Cơ chế ăn mòn bao gồm quá trình carbonat hóa làm giảm pH bê tông, xâm nhập ion clorua phá vỡ lớp bảo vệ cốt thép, ăn mòn sunfat gây trương nở bê tông, và các tác động cơ học, sinh vật biển. Mối tương hỗ giữa carbonat hóa và ion clorua được xem là nguyên nhân chính gây phá hủy kết cấu BTCT.

Các khái niệm chính bao gồm: cấp độ bền bê tông (B), mác bê tông (M), lực dính bê tông-cốt thép, phân vùng xâm thực môi trường biển, quá trình carbonat hóa, ăn mòn ion clorua, và các loại ăn mòn khác như ăn mòn sinh vật và cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát thực nghiệm kết cấu BTCT tại hiện trường, kết hợp phân tích hồ sơ hoàn công và tài liệu liên quan. Cỡ mẫu khảo sát gồm hàng trăm cấu kiện tại hai công trình tiêu biểu vùng Quảng Ninh. Phương pháp chọn mẫu theo tiêu chí đại diện cho các vùng xâm thực khác nhau: vùng khí quyển ven bờ (Nhà làm việc Bưu điện Quảng Ninh) và vùng ngập nước (Cảng Cô Tô).

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Quan sát hình thái hư hỏng bằng mắt thường và thiết bị đo chuyên dụng như súng thử cường độ bê tông Schmidt, máy đo siêu âm, máy đo điện từ để đánh giá chất lượng bê tông và cốt thép.

  • Đo đạc kích thước, hình dạng, và các vết nứt trên kết cấu.

  • Phân tích hóa học và vật lý môi trường biển tại khu vực khảo sát, bao gồm độ mặn, nồng độ ion Cl-, SO4 2-, độ ẩm không khí, nhiệt độ và thời gian ẩm ướt bề mặt.

  • So sánh kết quả khảo sát với tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCVN 9346:2012 và các tiêu chuẩn quốc tế liên quan.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập hồ sơ, khảo sát hiện trường, phân tích dữ liệu và tổng hợp báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mức độ hư hỏng kết cấu BTCT tại Nhà làm việc Bưu điện Quảng Ninh: Trong tổng số 995 cấu kiện khảo sát, có khoảng 25-30% cấu kiện bị hư hỏng với các biểu hiện như nứt dọc cột, rạn nứt lớp bê tông bảo vệ, gỉ sét cốt thép, bong tróc bê tông bảo vệ. Ví dụ, tầng 1 có 13/46 cột xuất hiện vết nứt dọc và cốt thép han gỉ, dầm chính tầng 1 có 16/40 cấu kiện bị rạn nứt bê tông bảo vệ.

  2. Ảnh hưởng của môi trường biển đến kết cấu: Vùng khí quyển ven bờ với độ ẩm tương đối cao (trung bình 75-83%), nồng độ ion Cl- trong không khí từ 0,4 đến 1,3 mg/m3, cùng thời gian ẩm ướt bề mặt kéo dài đã làm tăng tốc độ ăn mòn cốt thép và phá hủy bê tông. Các vết nứt và bong tróc bê tông thường xuất hiện sau 15-25 năm sử dụng.

  3. Cơ chế ăn mòn chủ yếu: Carbonat hóa làm giảm pH bê tông dưới 9, phá vỡ lớp màng bảo vệ cốt thép; ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ, gây ăn mòn cục bộ cốt thép ngay cả khi pH còn cao. Ngoài ra, ăn mòn sunfat và tác động cơ học do sóng biển cũng góp phần phá hủy kết cấu.

  4. Thi công và quản lý chưa đảm bảo: Lớp bê tông bảo vệ cốt thép mỏng (1,5-2 cm), mác bê tông thấp (M200), sử dụng vật liệu không đạt chuẩn, thi công thủ công, giám sát yếu kém dẫn đến chất lượng kết cấu giảm sút nhanh chóng. Một số công trình sử dụng cát và nước biển trong bê tông, gây hư hỏng nghiêm trọng chỉ sau 5-7 năm.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát cho thấy mức độ hư hỏng kết cấu BTCT tại Quảng Ninh tương đồng với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ảnh hưởng của môi trường biển đến công trình xây dựng. Đặc biệt, vùng nước lên xuống và sóng táp được xác định là vùng xâm thực mạnh nhất, gây phá hủy nhanh chóng bê tông và cốt thép. Biểu đồ phân bố vết nứt và tỷ lệ cấu kiện hư hỏng theo tầng thể hiện xu hướng tăng dần từ tầng thấp lên tầng mái, phù hợp với mức độ tiếp xúc và ảnh hưởng của môi trường.

So với các công trình trong vùng nội địa, công trình ven biển Quảng Ninh chịu tác động ăn mòn mạnh hơn do đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, độ ẩm cao và nồng độ ion ăn mòn lớn. Việc áp dụng tiêu chuẩn xây dựng chưa nghiêm ngặt, cùng với quản lý và bảo trì yếu kém, làm giảm tuổi thọ công trình đáng kể.

Dữ liệu khảo sát có thể được trình bày qua bảng thống kê tỷ lệ cấu kiện hư hỏng theo loại và vị trí, biểu đồ phân bố vết nứt, hình ảnh minh họa các hiện tượng ăn mòn và phá hủy bê tông, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng của môi trường biển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường lớp bê tông bảo vệ cốt thép: Đề nghị tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu lên 2,5 cm cho các kết cấu trong vùng khí quyển ven biển, đồng thời nâng mác bê tông lên ít nhất M250 để tăng khả năng chống thấm và ăn mòn. Thời gian thực hiện: trong các dự án xây dựng mới và cải tạo trong 1-3 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế, nhà thầu xây dựng.

  2. Sử dụng vật liệu chống ăn mòn chuyên dụng: Áp dụng bê tông cường độ cao, phụ gia chống thấm, cốt thép mạ kẽm hoặc thép không gỉ cho các kết cấu chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường biển. Thời gian: áp dụng ngay trong các công trình mới và sửa chữa. Chủ thể: nhà sản xuất vật liệu, nhà thầu.

  3. Nâng cao chất lượng thi công và giám sát: Tăng cường đào tạo kỹ thuật viên, áp dụng công nghệ thi công hiện đại, kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng vật liệu và thi công, đặc biệt là lớp bê tông bảo vệ. Thời gian: liên tục, ưu tiên các công trình ven biển hiện hữu. Chủ thể: chủ đầu tư, nhà thầu, cơ quan quản lý xây dựng.

  4. Xây dựng quy trình bảo trì, kiểm tra định kỳ: Thiết lập quy trình kiểm tra, bảo trì định kỳ cho các công trình BTCT ven biển nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu ăn mòn, hư hỏng để kịp thời sửa chữa. Thời gian: triển khai trong 1-2 năm tới. Chủ thể: cơ quan quản lý công trình, chủ sở hữu công trình.

  5. Nghiên cứu và áp dụng công nghệ bảo vệ mới: Khuyến khích nghiên cứu các biện pháp bảo vệ kết cấu như phủ lớp chống ăn mòn, sử dụng màng bảo vệ, công nghệ cathodic protection. Thời gian: dài hạn, 3-5 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình ven biển: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực tế về ảnh hưởng môi trường biển đến kết cấu BTCT, giúp lựa chọn vật liệu, thiết kế và thi công phù hợp nhằm nâng cao độ bền công trình.

  2. Chủ đầu tư và quản lý công trình: Hiểu rõ các nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì, sửa chữa hiệu quả, giảm thiểu chi phí và kéo dài tuổi thọ công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về cơ chế ăn mòn, phân vùng xâm thực môi trường biển, phương pháp khảo sát và đánh giá kết cấu BTCT trong thực tế.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định quản lý chất lượng công trình ven biển, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao kết cấu BTCT ven biển dễ bị ăn mòn hơn so với vùng nội địa?
    Môi trường biển có độ mặn cao, nồng độ ion Cl- và SO4 2- lớn, cùng với độ ẩm không khí cao và thời gian ẩm ướt kéo dài tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép. Ion clorua phá vỡ lớp bảo vệ cốt thép, carbonat hóa làm giảm pH bê tông, thúc đẩy ăn mòn nhanh hơn so với vùng nội địa.

  2. Các biện pháp nào hiệu quả để chống ăn mòn kết cấu BTCT trong môi trường biển?
    Tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ, sử dụng bê tông cường độ cao, phụ gia chống thấm, cốt thép mạ kẽm hoặc thép không gỉ, thi công nghiêm ngặt và bảo trì định kỳ là các biện pháp hiệu quả. Ngoài ra, công nghệ bảo vệ bề mặt và cathodic protection cũng được áp dụng.

  3. Quá trình carbonat hóa ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ công trình?
    Carbonat hóa làm giảm độ pH bê tông dưới mức bảo vệ (pH < 9), phá vỡ lớp màng thụ động bảo vệ cốt thép, tạo điều kiện cho ăn mòn cốt thép phát triển. Quá trình này diễn ra chậm nhưng ảnh hưởng nghiêm trọng đến công trình có tuổi thọ trên 30 năm.

  4. Phương pháp khảo sát kết cấu BTCT không phá hủy gồm những gì?
    Sử dụng súng thử cường độ bê tông Schmidt, máy đo siêu âm để đánh giá chất lượng bê tông, máy đo điện từ để kiểm tra cốt thép, kết hợp quan sát hình thái bề mặt và đo đạc kích thước, vết nứt để đánh giá hiện trạng kết cấu.

  5. Tại sao việc quản lý và bảo trì công trình ven biển còn hạn chế?
    Thiếu quy định pháp lý cụ thể về kiểm tra định kỳ, kinh phí bảo trì hạn hẹp, chưa cập nhật công nghệ mới vào tiêu chuẩn và định mức, cùng với ý thức quản lý và sử dụng chưa cao dẫn đến việc bảo trì và khắc phục hư hỏng chưa hiệu quả.

Kết luận

  • Kết cấu BTCT tại vùng biển Quảng Ninh chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của môi trường biển với hơn 25% cấu kiện bị hư hỏng sau 30 năm sử dụng.
  • Cơ chế ăn mòn chủ yếu là sự phối hợp giữa quá trình carbonat hóa và xâm nhập ion clorua, cùng với tác động của ăn mòn sunfat và cơ học.
  • Thi công, thiết kế và quản lý chưa đáp ứng yêu cầu chống ăn mòn, làm giảm tuổi thọ công trình đáng kể.
  • Đề xuất các giải pháp tăng cường lớp bảo vệ, sử dụng vật liệu chống ăn mòn, nâng cao chất lượng thi công và xây dựng quy trình bảo trì định kỳ.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các nhà thiết kế, thi công, quản lý và nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình ven biển.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các khuyến nghị trong thiết kế và thi công công trình mới, đồng thời triển khai chương trình bảo trì và sửa chữa các công trình hiện hữu để nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình ven biển.