Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng lặp đến một số tính chất của bê tông tính năng cao và ứng dụng trong các kết cấu bê tông cốt thép ở vùng ven biển Việt Nam
Ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông do xâm nhập clorua ở môi trường biển là một trong những mối quan tâm lớn nhất về độ bền lâu dài và an toàn đối với kết cấu bê tông cốt thép trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào nghiên cứu xâm nhập clorua thông qua các mẫu bê tông không bị nứt hoặc không chịu tải trọng. Trong thực tế, các kết cấu bê tông phải chịu các loại tải trọng khác nhau dẫn đến các vết nứt vĩ mô và vi mô, sự hiện diện của vết nứt có thể làm thay đổi đáng kể các tính chất thấm của bê tông và do đó ảnh hưởng của các tải trọng đến sự xâm nhập clorua vào kết cấu bê tông là rất quan trọng. Mặc dù người ta công nhận rằng các vết nứt của kết cấu có ảnh hưởng đến quá trình xâm nhập clorua và ăn mòn cốt thép trong các kết cấu bê tông, nhưng hiện có rất ít nghiên cứu được công bố về ảnh hưởng của các vết nứt nhỏ do tải trọng phục vụ đối với các đặc tính này.
Trong thực tế, hầu hết các kết cấu bê tông thường phải chịu các loại tải trọng khác nhau, đặc biệt là đối với các công trình giao thông như cầu, cảng, mặt đường... thì chúng thường xuyên phải chịu tác dụng của tải trọng giao thông trùng phục (tải trọng lặp). Trong TCVN 12041:2017 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Yêu cầu chung về thiết kế độ bền lâu và tuổi thọ trong môi trường xâm thực” qui định tuổi thọ thiết kế của các kết cấu bê tông do xâm nhập clorua tối thiểu là 50-100 năm. 2 Như vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng nén lặp đến độ thấm clorua, độ chống thấm nước của bê tông tính năng cao, xây dựng mô hình và dự báo tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông tính năng cao ở vùng ven biển Việt Nam nhằm đánh giá một cách toàn diện về ứng xử của bê tông tính năng cao và xác định tuổi thọ sử dụng của các kết cấu bê tông là phù hợp với yêu cầu thực tế.
Từ đó, đề xuất giải pháp thiết kế tối ưu vật liệu bê tông xi măng, cải thiện khả năng thích ứng của các kết cấu bê tông cốt thép ven biển chịu ảnh hưởng đồng thời của tải trọng nén lặp và điều kiện xâm thực của môi trường biển, dự báo tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép do xâm nhập clorua ở môi trường biển có độ tin cậy cao hơn. Cho phép các chủ sở hữu công trình lập các kế hoạch bảo trì và sửa chữa công trình phù hợp với tình trạng của chúng trong khai thác và sử dụng.
Đối với kết cấu bê bê tông cốt thép ở vùng ven biển do phải thường xuyên tiếp xúc với muối clorua từ nước biển và các chất xâm thực khác, hiện nay các Tiêu chuẩn Quốc tế cũng như Tiêu chuẩn trong nước về thiết kế các công trình bê tông cốt thép ở vùng ven biển khuyến cáo sử dụng các loại bê tông có chất lượng cao để tăng khả năng kháng lại các chất xâm thực cũng như tăng độ bền lâu và tuổi thọ cho công trình.
Từ phân tích trên cho thấy Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng lặp đến một số tính chất của bê tông tính năng cao và ứng dụng trong các kết cấu bê tông cốt thép ở vùng ven biển Việt Nam” có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. TS. Hồ Văn Quân cùng nhóm nghiên cứu tại Trường Cao đẳng giao thông vận tải trung ương V thực hiện đề tài với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng lặp ở các mức ứng suất nén và các chu kỳ lặp khác nhau đến độ thấm clorua của các loại bê tông xi măng tính năng cao có cường độ nén 70 MPa; có độ chống thấm nước đạt trên cấp B16 và độ thấm clorua ở mức rất thấp nhỏ hơn 1000 culong; dự báo tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng các loại bê tông tính năng cao do xâm nhập clorua có xét đến tác dụng của tải trọng nén lặp ở vùng ven biển.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:
Đánh giá được ảnh hưởng của các phụ gia khoáng XLC và TB đến một số chỉ tiêu của bê tông tính năng cao:
- XLC và TB kéo dài thời gian đông kết và cải thiện đáng kể độ sụt của các hỗn hợp bê tông.
- Bê tông tính năng cao chứa 35%XLC 35XL0TB có cường độ tăng nhẹ so với bê tông đối chứng (0XL0TB), bê tông chứa 35%XLC + 20%TB (35XL20TB có cường độ thấp hơn bê tông đối chứng ở 28 ngày, nhưng có cường độ xấp xỉ với bê tông đối chứng ở 56 ngày.
- Các bê tông tính năng cao chứa XLC và TB làm giảm độ rỗng, tăng hệ số suy giảm khuếch tán clorua theo thời gian (m), cải thiện đáng kể độ chống thấm clorua. Trong đó, bê tông 35XL20TB có độ rỗng nhỏ nhất và sức kháng xâm nhập clorua lớn nhất ở mọi độ tuổi.
Đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng nén lặp đến một số tính chất của bê tông tính năng cao:
- Khả năng chống thấm nước của các loại bê tông HPC đều đạt trên cấp B16 khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng lặp (trừ bê tông 0XL0TB chịu các chu kì lặp ở mức tảı trọng 85%R28).
- Độ thấm clorua của các bê tông tăng lên tỉ lệ thuận với độ lớn ứng suất nén trong phạm vi 55-85%R28 và số chu kì lặp. Độ thấm clorua ở 28 ngày của bê tông 0XL0TB, 35XL0TB, 35XL20TB tăng trung bình khoảng 1,09, 1,17, 1,60 lần; 1,05, 1,09, 1,22 lần và 1,04, 1,08, 1,20 lần tương ứng với các mức tải trọng nén 55%, 70% và 85%R28 so với lúc không tải.
- Độ hư hỏng của các bê tông tính năng cao chứa XLC và TB giảm nhẹ khi chịu tác dụng của tải trọng, khả năng chịu tải trọng nén lặp của bê tông 35XL0TB và 35XL20TB tốt hơn so với bê tông 0XL0TB.
. Xây dựng được mô hình và dự báo được tuổi thọ sử dụng của các KCBT ở môi trường biển có xét đến sự thay đổi nồng độ clorua bề mặt bê tông theo thời gian và ảnh hưởng của tải trọng nén lặp.
- Tuổi thọ sử dụng của KCBT bị suy giảm khi bê tông chịu tác dụng của tải trọng nén lặp trong phạm vi 55-85%R28, mức độ suy giảm tuổi thọ của KCBT càng lớn khi độ lớn của tải trọng và số chu kì lặp càng lớn.
- Khi thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ x = 70 mm, tuổi thọ của KCBT sử dụng bê tông 35XL0TB tăng khoảng 3,2-3,5 lần so với bê tông 0XC0TB, tuổi thọ của KCBT sử dụng bê tông 35XL20TB tăng khoảng 9,0-10,0 lần so với bê tông 0XL0TB và tăng khoảng 2,90 lần so với bê tông 35XL0TB khi chịu tác dụng của các chu kì tải trọng nén lặp.
- Cần thận trọng khi sử dụng bê tông 0XL0TB để thiết kế các KCBT ở môi trường biển với tuổi thọ tối thiểu là 50 năm. Bê tông 35XL0TB có thể sử dụng để thiết kế cho các KCBT ở môi trường biển có tuổi thọ lên 30 đến trên 100 năm. Bê tông 35XL20TB có thể sử dụng để thiết kế cho các KCBT ở môi trường biển có tuổi thọ đến trên 200 năm.
Các bê tông tính năng cao chứa các phụ gia khoáng XLC và TB có độ chống thấm clorua và khả năng chịu tải trọng nén lặp tốt hơn so với bê tông ĐC không sử dụng các phụ gia khoáng, vì vậy hoàn toàn có thể sử dụng các loại bê tông tính năng cao này trong các bộ phận công trình giao thông chịu ứng suất nén như mố, trụ cầu, cảng ven biển.
Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20285/2022) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
