Tổng quan luận án

Công nghệ bê tông đầm lăn (BTĐL) được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới từ những năm 1960 và bắt đầu triển khai tại Việt Nam từ những năm 1990. So với công nghệ bê tông truyền thống và đập đất đá, thi công đập bằng BTĐL có các ưu thế về tốc độ thi công nhanh, giảm lượng dùng xi măng, khả năng áp dụng cơ giới hóa cao, giá thành xây dựng giảm từ 25% đến 40%, đồng thời tiết giảm đáng kể chi phí cho các công trình phụ trợ, kênh xả lũ và hệ thống dẫn dòng thi công. Tại Việt Nam, công nghệ này đã được áp dụng cho hàng chục công trình đập thủy điện và thủy lợi lớn. Tuy nhiên, qua thực tế khai thác, các công trình đập BTĐL đang đối mặt với hai vấn đề kỹ thuật lớn: hiện tượng thấm nước qua thân đập và nguy cơ nứt do nhiệt thủy hóa của khối bê tông thể tích lớn.

Khảo sát thực tế tại các công trình đập BTĐL lớn ở Việt Nam cho thấy cấp phối BTĐL thường có lượng dùng xi măng thấp (60–80 kg/m³), lượng dùng phụ gia khoáng hoạt tính lớn để bù hạt mịn, nhưng lượng nước trộn còn cao dẫn đến tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) dao động từ 0,50 đến 0,73. Việc sử dụng các loại phụ gia dẻo hóa chậm đông kết thông thường làm cho cấu trúc vi mô của BTĐL có độ rỗng xốp lớn, độ đồng nhất về khả năng chống thấm không cao, dẫn đến tình trạng rò rỉ nước và thấm tiết vôi tại nhiều vị trí thân đập sau khi tích nước. Xuất phát từ thực trạng đó, luận án tiến hành nghiên cứu giải pháp sử dụng tổ hợp ba loại phụ gia gồm phụ gia siêu dẻo chậm đông kết thế hệ mới (S), tro bay tuyển (T) và phụ gia polyme (P) nhằm nâng cao khả năng chống thấm nước, cải thiện cường độ nén và kiểm soát nhiệt độ đoạn nhiệt của BTĐL trong điều kiện vật liệu và khí hậu Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P để cải thiện một số tính chất cơ bản của BTĐL (khả năng chống thấm nước, cường độ nén, nhiệt độ đoạn nhiệt) dùng cho xây dựng đập trọng lực trong điều kiện Việt Nam.

Các nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Khảo sát thực trạng, đánh giá hiện tượng và xác định các nguyên nhân gây thấm nước tại các công trình đập BTĐL đã vận hành ở Việt Nam.
  2. Phân tích cơ sở khoa học và cơ chế tác động của từng loại phụ gia (phụ gia siêu dẻo chậm đông kết gốc policacboxylat, tro bay hoạt tính, phụ gia polyme tan trong nước) và tương tác đồng thời của tổ hợp phụ gia S+T+P đến quá trình thủy hóa, cấu trúc lỗ xốp và trường nhiệt của BTĐL.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến để đánh giá ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến cường độ nén (tuổi 28 ngày và 90 ngày), hệ số thấm nước ($K_{th}$ tuổi 90 ngày), nhiệt độ đoạn nhiệt ($T_{max}$) và cấu trúc rỗng xốp của BTĐL.
  4. Thiết kế thành phần cấp phối và ứng dụng thử nghiệm BTĐL sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P tại hiện trường công trình đập thủy lợi Nước Trong (tỉnh Quảng Ngãi); kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý, độ thấm, tính toán nhiệt thủy hóa và đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế – kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bê tông đầm lăn sử dụng cho xây dựng đập trọng lực trong điều kiện Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: Đánh giá ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến cường độ nén ($R_{28}$, $R_{90}$), hệ số thấm ($K_{th}$), nhiệt độ đoạn nhiệt ($T_{max}$), cấu trúc rỗng xốp và tính đồng nhất của BTĐL tại Viện Chuyên ngành Bê tông – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.
  • Phạm vi nghiên cứu hiện trường: Ứng dụng kết quả cấp phối thử nghiệm cho công trình hồ chứa nước thủy lợi Nước Trong, tỉnh Quảng Ngãi.
  • Phạm vi thời gian và khảo sát: Đánh giá số liệu thực tế từ 5 công trình đập BTĐL xây dựng giai đoạn 2003–2012 và dữ liệu thi công công trình Nước Trong đến năm 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển BTĐL trên thế giới ghi nhận các nghiên cứu về bê tông nghèo xi măng từ năm 1960. Năm 1961, hỗn hợp bê tông không độ sụt rải bằng máy ủi được áp dụng cho đập Alpe Gera (Italia) và đập Manicongan (Canada); hỗn hợp cát đá trộn xi măng được lu lèn làm tường quây đập Thanh Môn (Đài Loan). Giai đoạn 1972–1974, Cannon R.W. công bố các kết quả thí nghiệm về bê tông nghèo xi măng vận chuyển bằng ô tô, san gạt bằng máy ủi và đầm bằng lu rung. Năm 1970, Dunstan nghiên cứu BTĐL trong phòng thí nghiệm; tiếp đó Hiệp hội CIRIA (Anh) thực hiện dự án nghiên cứu BTĐL sử dụng hàm lượng lớn tro bay, thử nghiệm tại trạm xử lý Tamara-Coruwall (1976) và đập Wimbledall (1979). Năm 1980, Mỹ lần đầu xây dựng đập BTĐL Willow Creek (bang Oregon, cao 52 m, dài 543 m, khối lượng 331.000 m³), sau đó Cục Khai hoang Mỹ (USBR) ứng dụng cấp phối hàm lượng tro bay cao cho đập Upper Stillwater (cao 90 m, dài 815 m, khối lượng hơn 1,1 triệu m³).

Về trường phái thiết kế và thi công đập BTĐL, thế giới hình thành hai xu hướng chính:

  • Trường phái RCD (Roller-Compacted Dams) của Nhật Bản (bắt đầu từ năm 1974 với đập Shimajigawa cao 89 m, dài 240 m; đến năm 1992 có 30 đập): Áp dụng kết cấu "vàng bọc bạc", trong đó lõi đập bằng BTĐL có cường độ và độ chống thấm thấp, phía ngoài được bọc bằng lớp bê tông thường cốt thép có khả năng chống thấm cao. Nhược điểm của giải pháp này là quy trình thi công phức tạp, không đồng thời, kéo dài tiến độ và liên kết tiếp giáp giữa hai loại bê tông không cao.
  • Trường phái RCCD (Roller Compacted Concrete Dams) của Trung Quốc (bắt đầu từ năm 1980, xây dựng đập Khanh Khẩu năm 1986): Phát triển kết cấu hoàn toàn bằng BTĐL, trong đó lớp BTĐL phía thượng lưu có chiều dày bằng 1/20 đến 1/12 cột nước được thiết kế chống thấm cao như bê tông thường. Thống kê các đập cao trên 60 m cho thấy Trung Quốc có 25 đập BTĐL trên tổng số 95 đập bê tông, Việt Nam có 9 đập BTĐL trên tổng số 17 đập, Nhật Bản có 5/40 đập, Iran có 3/48 đập, Thổ Nhĩ Kỳ có 2/51 đập, Tây Ban Nha có 2/10 đập, Ấn Độ có 1/10 đập.

Tại Việt Nam, nghiên cứu BTĐL bắt đầu từ những năm 1990 tại Viện Khoa học Thủy lợi với các nghiên cứu về phụ gia khoáng. Đập thủy điện Pleikrong khởi công năm 2003 là công trình BTĐL đầu tiên. Năm 2004, đề tài "Nghiên cứu chế tạo bê tông đầm lăn cho đập và mặt đường trong điều kiện Việt Nam" khẳng định tiềm năng nguyên liệu trong nước. Năm 2007, đề tài cấp Bộ do PGS. Lê Minh chủ trì đã nghiên cứu các biện pháp nâng cao khả năng chống thấm cho BTĐL bằng thiết kế cấp phối và phụ gia giảm nước, chậm đông kết. Hàng loạt đập BTĐL lớn đã được xây dựng như Bản Vẽ (cao 136 m), Sơn La (cao 139 m), Bản Chát (cao 130 m), Đồng Nai 3 (cao 108 m), Đồng Nai 4 (cao 128 m), Sông Tranh 2 (cao 95 m), A Vương (cao 82 m), Định Bình (cao 71 m), Sê San 4 (cao 71 m), Nước Trong (cao 69 m). Xu hướng thiết kế tại Việt Nam chuyển dịch dần từ kết cấu "vàng bọc bạc" ban đầu (Pleikrong, Định Bình, Sê San 4) sang kết cấu toàn BTĐL có tầng chống thấm thượng lưu (Bản Vẽ, Sơn La, Bản Chát, Nước Trong, Tân Mỹ).

Về vấn đề nứt nhiệt ở bê tông khối lớn, các nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt thủy hóa của xi măng tích tụ trong khối đổ không kịp thoát ra ngoài tạo chênh lệch nhiệt độ ($\Delta T$) giữa tâm khối bê tông và bề mặt ngoài tiếp giáp môi trường. Khi $\Delta T$ vượt quá 20 °C, ứng suất kéo phát sinh ở bề mặt ngoài vượt quá cường độ kéo của bê tông sẽ gây nứt. Quy định kiểm soát chênh lệch nhiệt độ cho phép móng đập BTĐL phụ thuộc khoảng cách từ mặt nền và chiều dài khối đổ ($L < 30$ m, $30–70$ m, $> 70$ m) với mức chênh lệch dao động từ 10,0 °C đến 19,0 °C.

Về phụ gia hóa học và vật liệu biến tính: Phụ gia dẻo hóa phát triển qua 3 thế hệ: thế hệ 1 (Lignosunfonat), thế hệ 2 (Melamin fomandehyt sunfonat MFS, Naphtalen fomandehyt sunfonat NFS) hoạt động theo cơ chế đẩy tĩnh điện; thế hệ 3 (Policacboxylat và Poliacrylat) hoạt động theo cơ chế cản trở không gian với cấu trúc mạch nhánh. Về phụ gia khoáng hoạt tính, tro bay chứa $\text{SiO}_2$ hoạt tính phản ứng với $\text{Ca(OH)}_2$ sinh ra do thủy hóa xi măng tạo thành gel $\text{CSH}$ theo phản ứng thu nhiệt ($\Delta H^\circ > 0$), giúp tăng độ đặc chắc dài ngày và giảm nhiệt độ khối đổ. Về phụ gia polyme, các nghiên cứu từ 1920–1930 chỉ ra các polyme tan trong nước chứa nhóm chức $-\text{OH}, -\text{CO}, -\text{COOH}, -\text{SO}_3^-$ có khả năng tương hợp cao với xi măng, tạo màng polyme liên tục bao bọc tinh thể gel và lấp kín lỗ xốp mao quản.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Mặc dù các đập BTĐL tại Việt Nam đã vận hành nhiều, song tình trạng thấm ẩm, rỉ nước kèm tiết vôi diễn ra phổ biến do tỷ lệ N/CKD cao, độ rỗng cấu trúc lớn và tính đồng nhất thấp. Trong khi đó, việc kết hợp đồng thời phụ gia siêu dẻo thế hệ 3 (gốc policacboxylat), tro bay tuyển và phụ gia polyme tan trong nước để tạo thành một tổ hợp phụ gia ba thành phần (S+T+P) nhằm xử lý đồng thời bài toán giảm nước sâu, bịt kín cấu trúc vi mô rỗng xốp, nâng cấp chống thấm và hạ nhiệt độ đoạn nhiệt cho BTĐL đập trọng lực chưa từng được nghiên cứu hệ thống tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên các nguyên lý hóa lý vật liệu xây dựng và cấu trúc học bê tông:

  • Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/X, độ đặc chắc và hệ số thấm: Theo quy tắc cường độ và thực nghiệm thấm, việc giảm tỷ lệ N/X và N/CKD làm tăng cường độ nén và giảm mạnh hệ số thấm nước của đá xi măng và bê tông.
  • Cơ chế tác dụng của phụ gia siêu dẻo thế hệ 3 (S): Phụ gia policacboxylat có cấu trúc mạch chính hấp phụ lên bề mặt hạt xi măng và các mạch nhánh polyme tạo ra hiệu ứng cản trở không gian, ngăn chặn sự keo kết của các hạt xi măng, mang lại hiệu quả dẻo hóa cao, duy trì tính công tác dài và giảm lượng nước nhào trộn.
  • Cơ chế tác dụng của phụ gia khoáng tro bay (T): Tro bay bù đắp lượng hạt mịn thiếu hụt theo các hệ số lấp đầy thể tích hồ $\alpha_c = V_h / V_{rc}$ và thể tích vữa $\alpha_d = V_v / V_{rd}$. Tro bay tham gia phản ứng puzolan: $$\text{Ca(OH)}_2 + \text{SiO}_2\text{ (hoạt tính)} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CSH}$$ Phản ứng này có hiệu ứng nhiệt thu năng lượng ($\Delta H^\circ > 0$), biến $\text{Ca(OH)}_2$ tự do dễ bị hòa tan thành khoáng $\text{CSH}$ bền vững, làm tăng tỷ lệ rắn/lỏng và làm đặc chắc vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu.
  • Cơ chế tác dụng của phụ gia Polyme (P): Quá trình hình thành pha nền hỗn hợp xi măng – polyme diễn ra qua 3 giai đoạn: hỗn hợp phân tán $\rightarrow$ các hạt polyme tích tụ trên bề mặt gel xi măng và hạt chưa thủy hóa $\rightarrow$ hình thành màng polyme bao bọc, đan xen với tinh thể $\text{CSH}$, lấp kín các lỗ xốp mao quản và chuyển cấu trúc xốp thông nhau thành cấu trúc kín không liên tục.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng mô hình quy hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến. Ba biến độc lập được khảo sát gồm:
    • $X_1$: Lượng dùng phụ gia siêu dẻo chậm đông kết thế hệ mới (S), tính bằng % khối lượng CKD.
    • $X_2$: Lượng dùng tro bay tuyển (T) thay thế xi măng, tính bằng % khối lượng CKD.
    • $X_3$: Lượng dùng phụ gia polyme (P), tính bằng % khối lượng xi măng.
  • Tiêu chuẩn và phương pháp thí nghiệm cơ lý:
    • Thí nghiệm xác định tính công tác của hỗn hợp BTĐL bằng thiết bị đo thời gian VeBe cải tiến ($V_c$).
    • Thí nghiệm xác định cường độ nén ở tuổi 28 ngày ($R_{28}$) và 90 ngày ($R_{90}$) trên máy nén thủy lực theo tiêu chuẩn ngành.
    • Thí nghiệm xác định hệ số thấm nước ($K_{th}$) và cấp chống thấm ($W$) trên thiết bị thí nghiệm thấm cao áp.
    • Thí nghiệm phân tích cấu trúc vi mô xốp bằng thiết bị ép thủy ngân cao áp Auto Pore (Mỹ) và thiết bị đo khối lượng riêng thực Accupyc.
    • Phương pháp tính toán nhiệt lý: Xác định nhiệt dung riêng, nhiệt độ tăng tối đa do thủy hóa ($\Delta t$) và nhiệt độ đoạn nhiệt ($T_{max}$).
    • Phương pháp kiểm tra hiện trường: Kiểm tra khối lượng thể tích bằng thiết bị đo phóng xạ tại hiện trường và khoan lấy mẫu lõi kiểm tra cường độ, độ thấm thực tế.

Nguồn vật liệu và tư liệu nghiên cứu:

  • Xi măng: Xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn (sử dụng trong phòng thí nghiệm) và PC40 Kim Đỉnh (sử dụng tại công trình hiện trường Nước Trong).
  • Phụ gia khoáng: Tro bay tuyển Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
  • Cốt liệu: Cát nghiền, cát tự nhiên, đá dăm cỡ hạt 5–20 mm và 20–40 mm đạt tiêu chuẩn thí nghiệm.
  • Phụ gia hóa học: Phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao chậm đông kết gốc policacboxylat (ký hiệu S).
  • Phụ gia Polyme: Polyme tan trong nước dạng bột biến tính (ký hiệu P).
  • Dữ liệu khảo sát hiện trường: Dữ liệu kỹ thuật, cấp phối và hiện trạng thấm của 5 công trình đập thủy điện Pleikrong, Bản Vẽ, Sê San 4, Sông Tranh 2, Bản Chát và đập thủy lợi Nước Trong.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông đầm lăn dùng cho xây dựng đập trọng lực

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, lịch sử phát triển, đặc điểm thi công và phân tích toàn diện thực trạng kỹ thuật của đập BTĐL tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả đã tiến hành khảo sát chi tiết hiện trạng thấm tại 5 công trình đập BTĐL lớn ở Việt Nam, tổng hợp các thông số thiết kế cấp phối như trong bảng sau:

TT Tên công trình – Chiều cao đập (m) Tuổi thiết kế (ngày) Mác bê tông (MPa) Yêu cầu chống thấm ($K_{th}$, cm/s) Xi măng X (kg) Phụ gia khoáng PGK (kg) Tổng CKD (kg) Phụ gia hóa học Nước N (lít) Tỷ lệ N/CKD
1 Pleikrong – 71 365 20 $10^{-8} \div 10^{-6}$ 80 210 290 Không 145 0,50
2 Bản Vẽ – 136 365 20 $10^{-8} \div 10^{-6}$ 80 120 200 Có 145 0,73
3 Sê San 4 – 71 365 20 $10^{-8} \div 10^{-6}$ 80 160 240 Có 145 0,66
4 Sông Tranh 2 – 95 365 20 $10^{-8} \div 10^{-6}$ 70 110 180 Có 130 0,72
5 Bản Chát – 130 365 20 $10^{-8} \div 10^{-6}$ 60 160 220 Có 140 0,64

Kết quả khảo sát thực địa cho thấy hai dạng thấm điển hình xảy ra phổ biến:

  • Thấm qua bản thân khối BTĐL: Biểu hiện rỉ nước, ẩm ướt bề mặt và tiết vôi diện rộng tại hạ lưu thân đập và hành lang kỹ thuật (xuất hiện ở cả 5 đập Pleikrong, Bản Vẽ, Sê San 4, Bản Chát, Sông Tranh 2). Nguyên nhân do tính đồng nhất về cấu trúc và khả năng chống thấm của khối BTĐL kém hơn bê tông thường, tỷ lệ N/CKD cao, các lớp đổ có độ rỗng lớn.
  • Thấm qua khe nhiệt: Biểu hiện rò rỉ mạnh hoặc chảy thành dòng tại các vị trí khe co giãn, nguyên nhân do chất lượng thi công gioăng cách nước và chất lượng BTĐL tại vùng lân cận gioăng chưa đạt yêu cầu.

Phân tích so sánh với số liệu 11 đập của Trung Quốc (Song Kê, Sơn Khẩu, Cao Bá Châu, Giang Á, Đại Triều Sơn, Miên Hoa Than, Phân Hà, Phổ Định, Ôn Tuyền Bảo, Sa Bài, Long Thủ) cho thấy BTĐL Trung Quốc đạt mác 20 MPa ở tuổi 90 hoặc 180 ngày với lượng nước trộn thấp (91–109 lít/m³) nhờ dùng phụ gia siêu dẻo giảm nước cao, trong khi Việt Nam dùng phụ gia dẻo hóa thường với lượng nước cao hơn (130–145 lít/m³), mác 20 MPa ở tuổi 365 ngày. Từ đó, chương 1 khẳng định sự cần thiết phải sử dụng tổ hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước cao thế hệ 3 kết hợp tro bay và polyme để nâng cao khả năng chống thấm và kiểm soát nứt nhiệt.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết các chỉ tiêu kỹ thuật của nguyên vật liệu chế tạo mẫu và quy trình thí nghiệm:

  • Vật liệu thí nghiệm: Xi măng PC40 Bút Sơn có các chỉ tiêu cơ lý đạt TCVN 2682:2009; tro tuyển Phả Lại có khối lượng thể tích xốp, hàm lượng mất khi nung và độ mịn đạt yêu cầu phụ gia khoáng hoạt tính; cát nghiền và đá dăm (5–20 mm, 20–40 mm) được kiểm tra thành phần hạt, độ rỗng, khối lượng thể tích theo tiêu chuẩn; phụ gia siêu dẻo S gốc policacboxylat và phụ gia polyme P dạng bột.
  • Thiết bị nghiên cứu: Máy trộn cưỡng bức dung tích 150 lít, máy rung VeBe cải tiến để đo độ cứng hỗn hợp BTĐL, khuôn đúc mẫu trụ và mẫu lập phương, máy nén thủy lực, thiết bị đo hệ số thấm áp lực cao, thiết bị phân tích độ rỗng thủy ngân Auto Pore và thiết bị đo khối lượng riêng Accupyc.
  • Thiết lập ma trận quy hoạch thực nghiệm: Áp dụng kế hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến gồm 20 điểm thí nghiệm (bao gồm các điểm nhân, điểm sao và điểm tâm lặp lại) nhằm mô hình hóa định lượng mối quan hệ giữa ba biến phụ gia ($X_1, X_2, X_3$) với các hàm mục tiêu: cường độ nén 90 ngày ($R_{90}$), hệ số thấm 90 ngày ($K_{th}$) và nhiệt độ đoạn nhiệt ($T_{max}$).

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia đến một số tính chất của bê tông đầm lăn

Chương 3 công bố các số liệu thực nghiệm thu được từ ma trận quy hoạch và phân tích các quy luật ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P:

  1. Ảnh hưởng đến cường độ nén ($R_{90}$):
  • Tăng lượng dùng phụ gia siêu dẻo S ($X_1$) làm giảm mạnh tỷ lệ N/CKD trong khi vẫn giữ nguyên tính công tác của hỗn hợp BTĐL, từ đó làm tăng mạnh cường độ nén $R_{90}$.
  • Phụ gia tro bay T ($X_2$) ở mức thay thế hợp lý giúp phản ứng puzolan phát triển, làm tăng cường độ ở tuổi dài ngày.
  • Phụ gia polyme P ($X_3$) có xu hướng làm tăng cường độ khi cấp phối có độ đặc chắc cao.
  1. Ảnh hưởng đến khả năng chống thấm nước ($K_{th}$):
  • Việc tăng hàm lượng phụ gia siêu dẻo S và tro bay T giúp giảm đáng kể hệ số thấm $K_{th}$.
  • Điểm phát hiện quan trọng nhất của luận án về biến phụ gia polyme P: Phụ gia polyme P chỉ phát huy tác dụng nâng cao khả năng chống thấm khi BTĐL có tỷ lệ $N/\text{CKD} \le 0,44$ và cường độ nén đạt từ 30 MPa trở lên. Đối với các cấp phối BTĐL có cường độ nén dưới 30 MPa hoặc tỷ lệ $N/\text{CKD} > 0,44$, phụ gia polyme P hầu như không thể hiện hiệu quả giảm thấm.
  1. Ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ xốp và tính đồng nhất:
  • Kết quả đo cấu trúc xốp bằng thiết bị Auto Pore cho thấy mẫu BTĐL sử dụng tổ hợp ba thành phần S+T+P có tổng thể tích lỗ xốp nhỏ hơn, bán kính lỗ xốp trung bình giảm rõ rệt và sự phân bố kích thước lỗ xốp tập trung ở vùng lỗ rỗng siêu mịn so với mẫu chỉ dùng hai thành phần S+T.
  • Màng polyme hình thành xen kẽ trong pha nền xi măng thủy hóa giúp chia cắt các kênh mao quản thông nhau, làm tăng độ đặc khít và nâng cao độ đồng nhất về khả năng chống thấm trong toàn bộ thể tích bê tông.
  1. Ảnh hưởng đến nhiệt độ đoạn nhiệt ($T_{max}$):
  • Tổ hợp phụ gia S+T+P cho phép giảm lượng dùng xi măng trên một đơn vị thể tích mà vẫn đảm bảo cường độ thiết kế.
  • Kết hợp với phản ứng thu nhiệt của tro bay Phả Lại, nhiệt độ đoạn nhiệt tối đa ($T_{max}$) của hỗn hợp BTĐL giảm đáng kể so với cấp phối bê tông truyền thống, giúp hạn chế nguy cơ nứt do nhiệt trong các khối đổ lớn.

Chương 4: Ứng dụng thử nghiệm bê tông đầm lăn sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P tại hiện trường

Chương 4 trình bày kết quả ứng dụng thử nghiệm cấp phối BTĐL chứa tổ hợp S+T+P vào công trình đập hồ chứa nước Nước Trong (tỉnh Quảng Ngãi):

  • Đặc điểm công trình: Đập hồ chứa nước Nước Trong là đập trọng lực toàn BTĐL, chiều cao đập 69 m. Cấp phối thiết kế ban đầu của công trình là BTĐL M20W6 có thành phần: xi măng PC40 Kim Đỉnh 125 kg/m³, tro bay Phả Lại 113 kg/m³, nước 115 lít/m³ ($N/\text{CKD} = 0,48$), sử dụng phụ gia CĐK+S thông thường.
  • Thiết kế cấp phối ứng dụng: Luận án thiết kế cấp phối BTĐL M20W8 sử dụng tổ hợp ba thành phần S+T+P.
  • Kết quả thi công và kiểm nghiệm thực tế:
    • Hỗn hợp BTĐL M20W8 ứng dụng có tính công tác tốt, thời gian duy trì tính dẻo phù hợp với công nghệ rải và lu lèn tại hiện trường.
    • Kiểm tra độ chặt bằng thiết bị đo phóng xạ và khoan lấy mẫu lõi tại thân đập cho thấy BTĐL đạt độ đồng nhất cao, khối lượng thể tích đạt yêu cầu thiết kế.
    • Cường độ nén ở tuổi 90 ngày ($R_{90}$) đạt tương đương với cấp phối ban đầu của đập Nước Trong, nhưng cấp chống thấm nước tăng từ W6 lên W8 (tăng 1 cấp chống thấm, tương đương tăng thêm 2 atm áp lực nước).
  • Tính toán nhiệt thủy hóa và hiệu quả kinh tế – kỹ thuật:
    • Tính toán nhiệt lý cho thấy BTĐL M20W8 ứng dụng tổ hợp S+T+P làm giảm nhiệt độ đoạn nhiệt tối đa do xi măng thủy hóa trên 8 °C so với cấp phối M20W6 ban đầu của đập Nước Trong.
    • Phân tích đơn giá và chi phí vật liệu cho 01 m³ BTĐL cho thấy giải pháp ứng dụng tổ hợp S+T+P mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật rõ rệt thông qua việc nâng cao độ bền chống thấm và an toàn nhiệt cho công trình đập.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  1. Luận án đã chứng minh một cách có hệ thống rằng phụ gia polyme (P) trong tổ hợp phụ gia S+T+P chỉ phát huy hiệu quả nâng cao khả năng chống thấm của BTĐL khi tỷ lệ $N/\text{CKD} \le 0,44$ và cường độ nén của bê tông đạt từ 30 MPa trở lên; phụ gia P ít mang lại hiệu quả đối với BTĐL có cường độ nén dưới 30 MPa hoặc tỷ lệ $N/\text{CKD} > 0,44$.
  2. Luận án đã chứng minh BTĐL sử dụng tổ hợp ba thành phần S+T+P có khả năng cải thiện rõ rệt cấu trúc rỗng xốp (giảm thể tích và bán kính lỗ rỗng mao quản) và nâng cao độ đồng nhất về khả năng chống thấm nước so với BTĐL chỉ sử dụng tổ hợp hai thành phần S+T.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:

  1. Ứng dụng thành công cấp phối BTĐL sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P vào thực tế thi công đập hồ chứa nước thủy lợi Nước Trong (tỉnh Quảng Ngãi), tạo ra loại BTĐL mác M20W8 có khả năng nâng cao khả năng chống thấm lên 1 cấp (tăng 2 atm từ W6 lên W8) và giảm nhiệt độ đoạn nhiệt của khối bê tông trên 8 °C so với cấp phối BTĐL M20W6 đang sử dụng tại công trình khi cường độ nén $R_{90}$ tương đương nhau.
  2. Đề xuất quy trình thiết kế thành phần cấp phối và lựa chọn tổ hợp phụ gia đa thành phần cho BTĐL đập trọng lực, đặc biệt là tầng BTĐL chống thấm phía thượng lưu, góp phần ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ nước và nứt do nhiệt ở các công trình thủy công tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, luận án tập trung khảo sát thực nghiệm hiện trường trên một công trình cụ thể là đập thủy lợi Nước Trong với nguồn nguyên vật liệu xác định (xi măng PC40 Kim Đỉnh, tro bay Phả Lại, cốt liệu khu vực miền Trung). Các tính toán trường nhiệt chủ yếu dựa trên mô hình lý thuyết nhiệt đoạn nhiệt kết hợp với điều kiện thi công tại chỗ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Mở rộng nghiên cứu tổ hợp phụ gia S+T+P với các nguồn phụ gia khoáng hoạt tính khác như xỉ hạt lò cao nghiền mịn, puzolan tự nhiên và các nguồn xi măng, cốt liệu ở các vùng miền khác nhau.
  • Tiến hành quan trắc dài hạn diễn biến độ thấm, sự suy giảm áp lực nước lỗ rỗng và trường nhiệt thực tế trong thân đập sau nhiều năm đưa công trình vào tích nước và vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên và các nhà nghiên cứu thuộc chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu, Kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện và công trình ngầm.
  • Các kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát, cán bộ kỹ thuật của các nhà thầu thi công đập bê tông khối lớn, giúp lựa chọn giải pháp phụ gia và thiết kế cấp phối BTĐL chống thấm cao.
  • Các cơ quan quản lý dự án, ban quản lý đầu tư và xây dựng thủy lợi – thủy điện trong công tác thẩm định thiết kế, kiểm soát chất lượng vật liệu và xử lý chống thấm cho các đập trọng lực.

Các nội dung đáng tham khảo bao gồm:

  • Số liệu khảo sát thực tế và phân tích nguyên nhân thấm tại 5 đập BTĐL lớn của Việt Nam (Pleikrong, Bản Vẽ, Sê San 4, Sông Tranh 2, Bản Chát).
  • Bộ số liệu quy hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến xác định quan hệ giữa ba loại phụ gia (S, T, P) với cường độ, hệ số thấm và cấu trúc xốp.
  • Phương pháp luận và số liệu kiểm nghiệm hiện trường công trình đập Nước Trong về kiểm soát độ thấm và nhiệt độ đoạn nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án chỉ ra những nguyên nhân chính nào gây ra hiện tượng thấm nước tại các đập BTĐL đã xây dựng ở Việt Nam?
Qua khảo sát tại 5 công trình đập (Pleikrong, Bản Vẽ, Sê San 4, Bản Chát, Sông Tranh 2), luận án xác định hai nguyên nhân chính: (1) Thấm ướt kèm tiết vôi qua thân đập do chênh lệch áp lực cột nước lớn, tính đồng nhất cấu trúc và khả năng chống thấm của khối BTĐL thấp do lượng nước trộn và tỷ lệ N/CKD cao; (2) Thấm qua khe nhiệt do chất lượng thi công, lắp đặt gioăng cách nước chưa đạt yêu cầu hoặc độ chống thấm của BTĐL vùng lân cận gioăng không đảm bảo.

2. Tổ hợp phụ gia S+T+P gồm những thành phần cụ thể nào?
Tổ hợp phụ gia S+T+P gồm ba thành phần: (S) Phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao chậm đông kết thế hệ mới trên cơ sở gốc policacboxylat; (T) Phụ gia khoáng hoạt tính tro bay tuyển (từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại); (P) Phụ gia polyme tan trong nước dạng bột biến tính.

3. Điều kiện để phụ gia polyme (P) phát huy tác dụng nâng cao khả năng chống thấm trong BTĐL là gì?
Phụ gia polyme P chỉ phát huy tác dụng nâng cao khả năng chống thấm khi tỷ lệ nước/chất kết dính đạt $N/\text{CKD} \le 0,44$ và cường độ nén của BTĐL đạt từ 30 MPa trở lên. Khi cường độ dưới 30 MPa hoặc $N/\text{CKD} > 0,44$, phụ gia P hầu như ít có hiệu quả nâng cao khả năng chống thấm.

4. Hiệu quả kỹ thuật thực tế khi ứng dụng cấp phối BTĐL sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P tại đập Nước Trong là gì?
Tại công trình đập thủy lợi Nước Trong, cấp phối ứng dụng M20W8 sử dụng tổ hợp S+T+P đã nâng cấp chống thấm nước của bê tông từ W6 lên W8 (tăng 1 cấp chống thấm, tương đương tăng 2 atm áp lực nước) và làm giảm nhiệt độ đoạn nhiệt tối đa do xi măng thủy hóa trên 8 °C so với cấp phối M20W6 ban đầu của công trình, trong khi cường độ nén ở tuổi 90 ngày ($R_{90}$) đạt mức tương đương.

5. Vì sao tổ hợp phụ gia S+T+P giúp giảm nhiệt độ đoạn nhiệt của khối BTĐL?
Nhờ hiệu quả giảm nước của phụ gia siêu dẻo S, cấp phối có thể giảm bớt lượng dùng xi măng sinh nhiệt cao mà vẫn đạt cường độ yêu cầu; đồng thời, phản ứng puzolan giữa tro bay T với $\text{Ca(OH)}_2$ là phản ứng thu nhiệt ($\Delta H^\circ > 0$), từ đó làm giảm lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình đóng rắn của khối bê tông.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Quang Bình đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật quan trọng trong công nghệ thi công đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam là nâng cao khả năng chống thấm nước và kiểm soát nhiệt độ khối lớn. Thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích cấu trúc vi mô, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế tác dụng tương hỗ của tổ hợp ba thành phần gồm phụ gia siêu dẻo policacboxylat, tro bay tuyển và phụ gia polyme. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng thử nghiệm thành công tại đập thủy lợi Nước Trong, chứng minh tính khả thi trong việc nâng cấp chống thấm lên W8 và hạ thấp nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông đầm lăn trong điều kiện thực tế Việt Nam.