Luận án Tiến sĩ: Độ bền bê tông HPC tại biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ: 958.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: 1. Phạm Duy Hữu 2. Nguyễn Thị Bạch Dương Hà Nội, 03/2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nghiên cứu nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.

Hà Nội, Ngày 20 tháng 03 năm 2024 Tác giả Đặng Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Nguyễn Thị Bạch Dương đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi, định hướng và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình thực hiện Luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Khoa công trình, Bộ môn công trình giao thông thành phố và công trình thủy, Bộ môn vật liệu xây dựng, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu xây dựng và các Thầy Cô giáo trường Đại học giao thông vận tải đã hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu tại trường. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tôi tới Ban chỉ huy Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Ban chủ nhiệm và thầy cô bộ môn Cầu Đường Sân bay và các đồng nghiệp Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm hiện trường, lấy mẫu tại thực địa và vận chuyển mẫu tới khu vực vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình của tôi là nguồn động viên và hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện Luận án.

Tác giả iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan. ii Mục lục. iii Danh mục các chữ viết tắt. vi Danh mục các bảng.

vii Danh mục các hình. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN .1 Tổng quan về công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển.1 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam.2 Đặc điểm môi trường biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa .3 Các công trình biển Việt Nam .4 Hiện trạng các công trình vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.2 Tổng quan về độ bền kết cấu BTCT trong môi trường biển .1 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu BTCT .2 Độ bền và tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT.3 Các nghiên cứu về độ bền bê tông .4 Tiêu chuẩn độ bền bê tông trong môi trường biển .3 Tổng quan về bê tông HPC.1 Tính năng và cấu trúc vi mô của bê tông HPC .2 Các ứng dụng của bê tông HPC .4 Định hướng nghiên cứu của luận án. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT, HỆ SỐ KHUẾCH TÁN CLO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH BTCT ĐÃ XÂY DỰNG Ở VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA .1 Xâm nhập ion clo gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT.1 Cơ chế vận chuyển trong bê tông .2 Cơ chế hóa học ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion clo .3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cơ chế khuếch tán .2 Thực nghiệm xác định nồng độ ion clo theo chiều sâu và hệ số khuếch tán clo kết cấu BTCT đã xây dựng tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa.1 Kế hoạch lấy mẫu tại hiện trường .2 Trình tự lấy mẫu .3 Tiến hành thử tại phòng thí nghiệm .3 Phân tích sự thay đổi nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian.4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng.1 Tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT do xâm nhập ion clo .2 Các mô hình dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT .3 Mô hình hóa xác định sự xâm nhập ion clo trong bê tông bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) .4 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT đã xây dựng .5 Kết luận chương 2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HPC ĐẢM BẢO ĐỘ BỀN TRONG VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA .1 Nguyên lý thiết kế thành phần bê tông theo độ bền .2 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông HPC.1 Yêu cầu vật liệu chế tạo bê tông HPC.2 Vật liệu chế tạo bê tông HPC trong vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa .3 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền kết cấu BTCT vùng biển xa bờ Khánh Hòa .1 Yêu cầu về bê tông bền trong môi trường biển .2 Xác định tỉ lệ N/CKD đảm bảo độ bền .3 Xác định cường độ chịu nén theo độ bền yêu cầu .4 Thiết kế thành phần bê tông HPC kiến nghị theo độ bền .5 Thí nghiệm xác định đặc tính của bê tông HPC-TS trong phòng thí nghiệm .1 Thí nghiệm xác định tính công tác .2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn .3 Thí nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo .6 Thực nghiệm xác định mức độ xâm nhập ion clo HPC-TS tại hiện trường .1 Thực nghiệm tại vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa và Vịnh Hạ Long tỉnh Quảng Ninh .2 Phân tích kết quả thí nghiệm .7 Kết luận chương 3.

THIẾT KẾ BỀN VỮNG CÔNG TRÌNH BTCT VÙNG BIỂN XA BỜ TỈNH KHÁNH HÒA SỬ DỤNG BÊ TÔNG HPC .1 Thiết kế đảm bảo độ bền công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa 112 4.1 Tải trọng môi trường .2 Yêu cầu chất lượng bê tông đảm bảo độ bền.3 Vật liệu sử dụng bê tông bền trong môi trường biển .2 Xác định chiều dày lớp bê tông HPC-TS bảo vệ cốt thép đảm bảo độ bền 119 4.1 Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ âu tàu vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa .2 Điều kiện môi trường tiếp xúc và đặc tính của bê tông sử dụng .3 Dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT kè bảo vệ âu tàu .4 Chiều dày lớp HPC-TS đảm bảo độ bền âu tàu khi Ccr=0,4% .3 Kiến nghị một số biện pháp phòng, chống ăn mòn công trình BTCT vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa .1 Bê tông chất lượng cao (HPC) .2 Sử dụng phụ gia chống ăn mòn cốt thép (chất ức chế ăn mòn) .3 Bảo vệ bề mặt bê tông .4 Sử dụng cốt thép chống ăn mòn.5 Sử dụng cốt phi kim loại .6 Cấu tạo đảm bảo độ bền .7 Sử dụng cấu kiện đúc sẵn .4 Kết luận chương 4. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .148 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh Hiệp hội xây dựng đường và American Association of State AASHTO vận tải Hoa Kỳ Highway and Transportation Officials ACI Viện bê tông Hoa Kỳ American Concrete Institute Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu American Society for Testing and ASTM Hoa Kỳ Materials BTCT Bê tông cốt thép CKD Chất kết dính Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm D365 365 ngày Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm D365TS 365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại tỉnh Khánh Hòa Hệ số khuếch tán clo ở thời điểm D365QN 365 ngày mẫu HPC-TS đặt tại Quảng Ninh FA Tro bay Fly Ash FEM Phương pháp phần tử hữu hạn The Finite Element Method FHWA Đường cao tốc liên bang quản lý Federal Highway Administration FRP Cốt sợi tổng hợp polyme Fiber Reinforced Polymer GGBS Xỉ hạt lò cao nghiền mịn HPC Bê tông chất lượng cao High Performance Concrete Bê tông chất lượng cao trong HPC-TS vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa KLBT Khối lượng bê tông MS Muội silic Silica fume N/CKD Tỉ lệ nước trên chất kết dính N/X Tỉ lệ nước trên xi măng PC Xi măng Poóc lăng Portland cement Q Điện lượng thấm ion clo RH Độ ẩm tương đối Relative Humidity TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam tsd Tuổi thọ sử dụng t1 Thời gian khởi đầu ăn mòn t2 Thời gian lan truyền ăn mòn VLXD Vật liệu xây dựng X Xi măng vii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1. Thành phần hóa nước biển một số vùng biển Việt Nam [19]. Thành phần hóa nước biển của một số vùng trên thế giới [19].

Độ mặn nước biển theo mùa trong vùng biển Việt Nam [19]. Phân loại mức độ xâm thực của môi trường biển đối với kết cấu BTCT [6]. Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa mưa). Thành phần nước biển vùng biển xa bờ tỉnh Khánh Hòa (mùa khô).

Tuổi thọ sử dụng yêu cầu (năm) của một số kết cấu BTCT [91]. Các yêu cầu tối thiểu về thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển với tuổi thọ 50 năm [8]. Các loại tiếp xúc của kết cấu BTCT với môi trường [6]. Các yêu cầu về chất lượng bê tông trong môi trường xâm thực [6].

Giới hạn hàm lượng ion clo trong bê tông [6]. Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường [6]. Xác định cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ [6]. Phân loại bê tông HPC theo cường độ chịu nén [43].

Bảng xác định giá trị m theo hàm lượng phụ gia khoáng [89]. Tốc độ tích lũy và nồng độ clo bề mặt lớn nhất theo Life-365TM [89]. Các nghiên cứu về nồng độ clo bề mặt trong môi trường biển [98]. Nồng độ clo bề mặt của kết cấu bê tông trong môi trường khắc nghiệt [74].

Ngưỡng nồng độ clo giới hạn theo Browne [61]. Tổng hợp ngưỡng nồng độ clo giới hạn (Pettersson [108] , Glass [75]). Chi tiết các mẫu bột tại công trình. Chi tiết mẫu trụ tại công trình.

Kết quả thí nghiệm nồng độ ion clo theo chiều sâu kết cấu. Đánh giá mức độ mức độ xâm nhập ion clo [46]. Điện lượng Q chuyển qua mẫu thí nghiệm. Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng [24].

Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường [24]. Giá trị Cs và  kết cấu BTCT khu vực thủy tiều vùng nghiên cứu. Giá trị Cs theo thời gian t (phương trình 2. So sánh kết quả giữa phương pháp FEM và thực nghiệm.

Các thông số đầu vào xác định C(x, t) theo phương pháp FEM .