Tổng quan nghiên cứu

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng chủ lực, được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng, giao thông và thủy lợi. Tuy nhiên, các công trình tiếp xúc với môi trường nước biển thường gặp phải vấn đề ăn mòn nghiêm trọng, làm giảm tuổi thọ và chất lượng kết cấu. Theo ước tính, các công trình ven biển tại Việt Nam có tuổi thọ thực tế chỉ khoảng 10-15 năm, trong khi chi phí sửa chữa có thể chiếm từ 30-70% tổng mức đầu tư ban đầu. Môi trường nước biển với hàm lượng ion Cl- cao, nhiệt độ và độ ẩm lớn là nguyên nhân chính gây ra sự ăn mòn bê tông và cốt thép, đặc biệt tại vùng nước lên xuống và ven biển.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR trong môi trường nước biển. Mục tiêu cụ thể là đánh giá sự thay đổi cường độ chịu nén và khối lượng mẫu bê tông khi ngâm trong dung dịch nước biển 10% NaCl trong các khoảng thời gian 0, 60, 90 và 140 ngày. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2018-2019, với phạm vi áp dụng cho các công trình xây dựng ven biển và công trình thủy lợi.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu bê tông chất lượng cao, bền vững với môi trường xâm thực nước biển, góp phần nâng cao tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì cho các công trình xây dựng ven biển tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bê tông hạt mịn, cơ chế ăn mòn trong môi trường nước biển và tác dụng của phụ gia khoáng siêu mịn. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết bê tông hạt mịn (High Performance Concrete - HPC): Bê tông HPC có cường độ chịu nén trên 60 MPa, sử dụng tỷ lệ nước/xi măng thấp (khoảng 0,25) và phụ gia khoáng siêu mịn như tro bay và silicafume để cải thiện tính chất vật lý và cơ học, tăng độ đặc chắc và tuổi thọ công trình.

  2. Cơ chế ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển: Bao gồm ăn mòn vật lý (áp lực sóng, chu kỳ nóng lạnh, nở thể tích muối kết tinh) và ăn mòn hóa học (phản ứng hòa tan Ca(OH)2 trong xi măng với CO2, MgCl2, MgSO4 trong nước biển), dẫn đến phá hủy cấu trúc bê tông và ăn mòn cốt thép.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: tro bay (fly ash), silicafume (microsilica), phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR, cường độ chịu nén, khối lượng mẫu, và môi trường xâm thực nước biển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết. Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông hạt mịn được chế tạo với các tỷ lệ phối trộn khác nhau gồm tro bay (10-20%), silicafume (5-10%) và phụ gia PLACC-CR (2-3% theo khối lượng xi măng). Các mẫu được tạo hình, dưỡng hộ tự nhiên và ngâm trong dung dịch NaCl 10% trong các khoảng thời gian 0, 60, 90 và 140 ngày.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu bê tông hạt mịn với các thành phần phối trộn khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện. Phương pháp phân tích bao gồm đo cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn TCVN 3118-1993 và xác định sự thay đổi khối lượng mẫu theo thời gian ngâm. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, từ tháng 8/2018 đến tháng 2/2019.

Kết quả được xử lý thống kê, so sánh giữa các nhóm mẫu có và không có phụ gia PLACC-CR để đánh giá hiệu quả của phụ gia trong việc tăng cường khả năng chống ăn mòn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phụ gia PLACC-CR đến cường độ chịu nén: Mẫu bê tông hạt mịn phối trộn 10% silicafume, 10% tro bay và 2-3% PLACC-CR có cường độ chịu nén tăng lên đến 36,19% so với mẫu đối chứng khi ngâm trong dung dịch NaCl 10% sau 140 ngày. Cường độ chịu nén của mẫu có phụ gia PLACC-CR đạt khoảng 80 MPa, vượt trội so với mẫu không sử dụng phụ gia.

  2. Sự thay đổi khối lượng mẫu: Sau 140 ngày ngâm trong dung dịch nước biển, sự thay đổi khối lượng các mẫu bê tông hạt mịn có phụ gia PLACC-CR là không đáng kể, dao động dưới 0,5%, cho thấy khả năng chống thấm và chống ăn mòn tốt.

  3. Tác động của tro bay và silicafume: Tro bay có xu hướng làm giảm tính chất vật lý của bê tông nếu sử dụng quá nhiều, trong khi silicafume giúp cải thiện cường độ chịu nén nhờ khả năng phản ứng puzolan và làm tăng độ đặc chắc của bê tông.

  4. Tối ưu phối trộn: Thành phần phối trộn tối ưu là 10% silicafume, 10% tro bay kết hợp với 2,5% phụ gia PLACC-CR, mang lại hiệu quả cao nhất về cường độ và độ bền trong môi trường nước biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng cường cường độ chịu nén là do phụ gia PLACC-CR chứa các tác nhân chống ăn mòn gốc nitrit và canxit siêu mịn, giúp ức chế quá trình ăn mòn hóa học và tăng độ đặc chắc của bê tông. Silicafume với kích thước hạt siêu mịn tham gia phản ứng puzolan, chuyển hóa Ca(OH)2 thành C-S-H bền vững, làm tăng cường độ và giảm độ thấm nước.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của phụ gia khoáng siêu mịn và phụ gia chống ăn mòn trong việc nâng cao tuổi thọ bê tông trong môi trường biển. Việc duy trì khối lượng mẫu ổn định chứng tỏ khả năng chống thấm tốt, hạn chế sự xâm nhập của ion Cl- gây ăn mòn cốt thép.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ chịu nén theo thời gian ngâm và bảng so sánh khối lượng mẫu giữa các nhóm phối trộn, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phụ gia PLACC-CR.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phối trộn tối ưu: Khuyến nghị sử dụng bê tông hạt mịn với tỷ lệ 10% silicafume, 10% tro bay và 2,5% phụ gia PLACC-CR cho các công trình ven biển nhằm tăng cường khả năng chống ăn mòn, nâng cao cường độ chịu nén và tuổi thọ công trình. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu: Đảm bảo tro bay và silicafume đạt tiêu chuẩn ASTM 618 và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan, đồng thời kiểm soát hàm lượng phụ gia PLACC-CR theo đúng tỷ lệ để đạt hiệu quả tối ưu.

  3. Nghiên cứu mở rộng: Đề xuất tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia PLACC-CR trong các điều kiện môi trường biển khác nhau, như nước lợ, nước nhiễm phèn, nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và nhà thầu xây dựng về công nghệ bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia chống ăn mòn, đảm bảo áp dụng đúng quy trình và nâng cao chất lượng công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình ven biển: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp vật liệu giúp thiết kế các kết cấu bê tông bền vững trong môi trường nước biển.

  2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án: Tham khảo để lựa chọn vật liệu và công nghệ thi công phù hợp, giảm thiểu rủi ro ăn mòn và chi phí bảo trì.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng và công nghệ chống ăn mòn.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và ban hành tiêu chuẩn: Hỗ trợ xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật về bê tông chất lượng cao và chống ăn mòn trong xây dựng công trình ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia PLACC-CR là gì và có tác dụng như thế nào?
    PLACC-CR là phụ gia chống ăn mòn chứa các tác nhân gốc nitrit và canxit siêu mịn, giúp ức chế quá trình ăn mòn bê tông và cốt thép trong môi trường nước biển, đồng thời tăng cường độ đặc chắc và khả năng chống thấm của bê tông.

  2. Tại sao sử dụng tro bay và silicafume trong bê tông hạt mịn?
    Tro bay và silicafume là các khoáng siêu mịn có tính puzolan, phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành C-S-H bền vững, giúp tăng cường độ chịu nén, giảm độ thấm và nâng cao tuổi thọ bê tông trong môi trường ăn mòn.

  3. Hiệu quả của phụ gia PLACC-CR được đánh giá như thế nào?
    Hiệu quả được đánh giá qua sự tăng 36,19% cường độ chịu nén và sự ổn định khối lượng mẫu sau 140 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 10%, chứng tỏ khả năng chống ăn mòn và chống thấm tốt.

  4. Phương pháp thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng phương pháp tạo mẫu bê tông hạt mịn với các tỷ lệ phối trộn khác nhau, dưỡng hộ tự nhiên, ngâm mẫu trong dung dịch NaCl 10% theo các khoảng thời gian định trước, đo cường độ chịu nén và khối lượng mẫu theo tiêu chuẩn TCVN.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Kết quả có thể áp dụng cho các công trình xây dựng ven biển, công trình thủy lợi và các công trình chịu tác động của môi trường nước mặn, nước lợ hoặc nước nhiễm phèn, giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Kết luận

  • Bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia PLACC-CR có khả năng chống ăn mòn hiệu quả trong môi trường nước biển, tăng cường cường độ chịu nén lên đến 36,19% so với mẫu đối chứng.
  • Sự thay đổi khối lượng mẫu sau 140 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 10% là không đáng kể, chứng tỏ khả năng chống thấm và bền vững của vật liệu.
  • Phối trộn tối ưu gồm 10% silicafume, 10% tro bay và 2,5% PLACC-CR mang lại hiệu quả cao nhất về độ bền và tuổi thọ.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ bê tông chất lượng cao, phù hợp với điều kiện môi trường biển tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tiễn trong các công trình ven biển, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các bên liên quan.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng phối trộn tối ưu trong các dự án xây dựng ven biển và tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao nhận thức và năng lực thi công vật liệu bê tông chống ăn mòn.