CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về môi trường biển và các dạng công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển 1. Định nghĩa môi trường biển Tùy thuộc vào cách tiếp cận vấn đề mà môi trường biển được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Trong phần này, môi trường biển được định nghĩa theo sự tương tác của nó với các KCBT, KCBTCT tiếp xúc với biển hoặc chịu ảnh hưởng trực tiếp từ biển [31].
Theo định nghĩa này ta có thể phân môi trường biển thành các vùng sau (Hình 1.1): - Vùng ngập trong nước biển - Vùng thủy triều lên xuống và sóng táp - Vùng khí quyển biển Hình 1. 1 Phân vùng môi trường biển [14] Vùng ngập trong nước biển Vùng ngập nước là vùng kết cấu ngập hoàn toàn trong môi trường nước biển hay nước lợ. Các KCBT và KCBTCT trong vùng này chịu ảnh hưởng bởi áp suất thủy tĩnh của nước, sự phá hoại của vi sinh vật và đặc biệt là sự xâm thực của nước biển. Tác động xâm thực mạnh nhất trong vùng này là sự tấn công sunfat được gây ra bởi các thành phần Mg2+ và SO42-.
Vùng này có mức độ ăn mòn kết cấu thường ít hơn so với các vùng khác do sự hạn chế quá trình khuyếch tán ion clo trong môi trường ngập nước dẫn đến giảm nguy cơ ăn mòn cốt thép. 5 Vùng khí quyển biển Vùng khí quyển trên và ven biển gồm: vùng trên biển và mép nước (từ bờ biển ra 0,25 km hướng biển) và vùng ven biển (từ 0,25 km đến 20 km vào đất liền). Phần KCBTCT nằm ở vùng khí quyển trên biển và vùng ven biển chiếm khoảng 70% khối lượng công trình BTCT trong vùng biển đã xây dựng ở nước ta [15]. Trong vùng khí quyển biển, hiện tượng ăn mòn và phá huỷ kết cấu thường xảy ra mạnh với những vị trí trực diện với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió.
Vùng thủy triều lên xuống và sóng táp Có thể nói vùng thủy triều lên xuống và sóng táp là vùng có tính xâm thực mạnh nhất đối với các KCBT và KCBTCT [15]. Vùng này ngoài việc chịu tác động xâm thực của môi trường biển và khí quyển trên biển còn chịu tác động từ chu kỳ khô ướt xảy ra thường xuyên, liên tục kết hợp với lực hút mao dẫn làm tăng sự khuếch tán ion clo vào trong kết cấu gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép đối với KCBTCT. Sự bào mòn mạnh mẽ cơ học do sóng đánh, đặc biệt là mùa gió bão, ăn mòn do hà biển, sò biển,… cũng góp phần sự ăn mòn kết cấu. Đặc trưng môi trường biển Miền Trung Việt Nam Đặc trưng môi trường biển bao gồm các yếu tố như thành phần, nhiệt độ nước biển, áp lực thủy tĩnh, sóng biển, bão biển, các sinh vật biển, vv… Thành phần nước biển Nước biển với thành phần hóa học khác nhau sẽ tác động xâm thực khác nhau đối với kết cấu BT, BTCT.
Đặc biệt thành phần Cl- , SO42-, Mg2+ trong nước biển đóng vai trò quan trọng đối với mức độ ăn mòn của kết cấu. Thành phần nước biển ở một số tỉnh khu vực Miền Trung được trình bày ở Bảng 1. 1 Thành phần nước biển Việt Nam và thế giới [16, 24, 25, 27] Chỉ Đơn Biển Biển Biển Biển Biển Biển Biển Biển Biển Biển tiêu vị Bắc Ban Hòn Hải Hà Đà Quảng Bình Phú Nha Mỹ tic Gai Phòng Tĩnh Nẵng Ngãi Định Yên Trang PH - 7,5 8,0 8,4 8,3 - - - - - 7,68 Cl- g/l 18,0 19,0 18,0 18,0 19,0 19,20 19,27 19,3 20,1 19,34 Na+ g/l 12,0 10,5 - - 10,67 - - - SO42- g/l 2,6 2,6 2,5 2,2 2,65 2,70 2,71 2,72 2,75 3,85 Mg2+ g/l 1,4 1,3 1,2 1,1 1,28 - Kết quả phân tích thành phần nước biển ở khu vực Miền Trung cho thấy không có sự sai khác nhiều so với các vùng biển khác trên thế giới. 6 Nhiệt độ nước biển Nhiệt độ nước biển tầng mặt ở khu vực miền Trung dao động trong khoảng 26,1 – 28,7 C, trung bình 27,6oC.
Nhiệt độ của nước biển có ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng o của các sinh vật biển, từ đó tác động đến sự phá hoại của các KCBT do sinh vật biển gây ra. Ngoài ra nhiệt độ của nước biển có ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng hóa học và điện hóa trong bê tông. Thủy triều Thủy triều diễn ra gồm quá trình dâng lên và hạ xuống từ từ của nước đại dương theo một chu kỳ xác định hai lần trong một ngày. Những tác động này luôn là tác nhân thúc đẩy quá trình ăn mòn và phá hủy diễn ra nhanh chóng hơn.
Thủy triều ở khu vực Miền Trung có các đặc trưng như sau: - Vùng bờ biển Trung Bộ từ Nghệ An đến Cửa Gianh: nhật triều không đều, số ngày nhật triều chiếm hơn nửa tháng. Độ lớn triều khoảng 2,5 - 1,2 m. - Vùng biển phía nam Cửa Gianh đến cửa Thuận An: bán nhật triều không đều. Độ lớn triều khoảng 1,0 - 0,6 m.
- Vùng biển Thuận An và lân cận: bán nhật triều. - Nam Thuận An đến bắc Quảng Nam: bán nhật triều không đều, độ lớn triều khoảng 1,2 - 0,8 m. - Giữa Quảng Nam đến Bình Thuận: nhật triều không đều. Độ lớn triều khoảng 2,0 - 1,2 m.
Sóng biển, gió biển, bão biển Lực tạo bởi sóng biển là rất lớn và thường là mối quan tâm chính khi thiết kế các kết cấu công trình làm việc ở biển. So với các khu vực khác, vùng duyên hải Miền Trung chịu ảnh hưởng của bão nhiều nhất nước, hàng năm khu vực thường chịu ảnh hưởng của 4 đến 5 cơn bão, số lượng các cơn bão đổ bộ vào Miền Trung chiếm 43,6% tổng số cơn bão trong cả nước [32]. Các cơn sóng biển lớn nhất thường xảy ra trong điều kiện bão, thống kê độ cao sóng đối với một số cơn bão xảy ra ở khu vực ven biển Miền Trung được trình bày ở Bảng 1. Đối với các công trình ven biển, phần KCBT chịu tác động của sóng mạnh trong điều kiện bất thường như bão rất dễ bị hư hỏng do sự mài mòn gây ra bởi cát, sỏi và các vật rắn trôi nổi khác trong nước.
Ngoài ra, bụi nước từ sóng biển hay hơi nước biển được gió thổi được xem như là một phương tiện đưa nước biển vào sâu trong đất liền. Điều này làm phát sinh sự ăn mòn của nước biển, không khí biển đối với bê tông không chỉ giới hạn với các kết cấu ở bờ biển và vùng đại dương, mà cả những kết cấu trong đất liền nằm gần vùng biển. 2 Thống kê chiều cao sóng một số cơn bão ở khu vực biển miền Trung [23] STT Khu vực biển Chiều cao sóng (m) Bão Xangsane 2006 Bão Ketsana 2009 1 Nghệ An 2,7 2,6 2 Hà Tĩnh 3,1 2,2 3 Quảng Bình 4,6 3,5 4 Quảng Trị 5,0 4,0 5 Huế 6,2 4,8 6 Đà Nẵng 10,4 5,3 7 Quảng Nam 6,5 6,1 8 Quảng Ngãi 5,4 7,2 9 Bình Định 4,8 3,2 10 Phú Yên 3,9 2,0 1. Một số dạng công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển Bê tông là vật liệu có độ bền trong nước, rất dễ tạo hình các kết cấu với hình dáng kích thước khác nhau, giá thành thấp và có thể sản xuất ở mọi nơi trên thế giới.
Vì lý do đó nên các KCBT, KCBTCT đã được sử dụng gần 200 năm qua và trở thành một trong những vật liệu công nghiệp phổ biến nhất thế giới [31]. Hiện nay, bê tông và bê tông cốt thép đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng nhiều trong các công trình biển, một số dạng công trình chính như: công trình bảo vệ bờ, công trình cảng hay công trình giao thông. Công trình bảo vệ bờ gồm đê biển, kè bảo vệ biển, mỏ hàn biển, đê giảm sóng xa bờ có nhiệm vụ bảo vệ bờ biển chống lại các tác động trực tiếp của sóng và chuyển động bùn cát. Một số dạng công trình bảo vệ bờ biển ở Hải Hậu, Nam Định là một dạng công trình hỗn hợp gồm đê biển, đê giảm sóng xa bờ và mỏ hàn (Hình 1.2) Đê chắn sóng bể cảng có nhiệm vụ bảo vệ bể cảng đảm bảo yên tĩnh về sóng và hạn chế bồi lắng luồng tàu và bể cảng.
Theo kết cấu đê chắn sóng có mặt cắt ngang dạng đê mái nghiêng, đê tường đứng, đê hỗn hợp, đê bán nguyệt, đê bản nghiêng,. Đê chắn sóng cảng Dung Quất là một dạng đê mái nghiêng điển hình (Hình 1.3), đê chắn sóng cảng Tiên Sa, Đà Nẵng là một dạng đê hỗn hợp tường đứng và mái nghiêng (Hình 1. Cầu cảng là kết cấu cố định thuộc bến cảng, được sử dụng cho tàu biển neo đậu, bốc dỡ hàng hoá, đón, trả hành khách và thực hiện các dịch vụ khác. Cầu cảng có dạng tường cừ, thùng chìm, cầu tàu bằng hệ thống dầm bản trên nền cọc, .5 giới thiệu kết cấu cầu cảng dạng cầu tàu với nền cọc là cọc khoan nhồi và hệ thống dầm bản BTCT; Hình 1.6 giới thiệu kết cấu cầu cảng dạng thùng chìm.
2 Hệ thống công trình bảo vệ bờ biển Hải Hậu, Nam Định Hình 1. 3 Đê chắn sóng cảng Dung Quất, Quảng Ngãi Hình 1. 4 Đê chắn sóng cảng Tiên Sa, Đà Nẵng 9 Hình 1. 5 Kết cấu cầu cảng dạng cầu tàu Hình 1.
6 Kết cấu cầu cảng dạng thùng chìm Công trình giao thông: đây là dạng công trình đóng vai trò rất quan trọng trong việc di chuyển của con người, vận chuyển hàng hóa, trang thiết bị ở các địa phương ven biển, hay các đảo với nhau. Các dạng công trình giao thông được quan tâm nhiều nhất 10 như: cầu vượt biển, hệ thống đường ven biển và hải đảo hay đường hầm vượt biển. Các dạng công trình này được xây dựng chủ yếu bằng các KCBT, KCBTCT, kết cấu thép, do đó khi được xây dựng ở vùng có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp từ môi trường xâm thực do nước biển, sóng biển hay thậm chí không khí biển sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép, ăn mòn sunfat từ đó gây phá hủy kết cấu, làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình. Vì vậy vật liệu để xây dựng các loại công trình này cần có yêu cầu nghiêm ngặt hơn so với các công trình giao thông thông thường.
Sự phá hoại các kết cấu bê tông, kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển Điều kiện phơi nhiễm trong môi trường biển là một thách thức đối với vật liệu như bê tông.
