Lựa chọn mác bê tông cho bê tông công trình trong môi trường chua phèn ở đồng bằng sông Cửu Long

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 446 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM LỰA CHỌN MÁC BÊ TÔNG CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG CHUA PHÈN Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG SELECTION GRADE CONCRETE USE FOR REINFORCED CONCRETE CONSTRUCTIONIN THE ACID ENVIRONMENT AT THE MEKONG DELTA TS. Khương Văn Huân Trường Đại hoc Công Nghệ Sài Gòn TÓM TẮT Các công trình bê tông cốt thép có mác M200 được xây dựng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long trước đây, sau vài chục năm đã có nhiều dấu hiệu bị ăn mòn như lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, bề mặt bê tông bị trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ và cường độ bê tông bị giảm đáng kể. Qua kết quả thử nghiệm cho thấy bê tông mác trên M350 có sự suy giảm cường độ thấp và hệ số thấm nhỏ hơn nhiều lần so với bê tông M200 đã từng sử dụng trước đây. Để đảm bảo tuổi thọ cho công trình ở vùng chua phèn Đồng bằng sông Cửu Long có mức trung hạn khoảng 50 năm, nên sử dụng bê tông có mác tối thiểu M350 để xây dựng công trình. ABSTRACT The grade concrete M200 for reinforced concrete building was built in the Mekong Delta. after somes years, there have been many signs of corrosion such as loss of concret cover, rusted reinforced and reduced concrete strength. Based on the test results, the grade concrete on the M350 has a low intensity degradation and the permeability coefficient is much smaller than the M200 used previously. In order to ensure a medium life span of about 50 years, in the acid environment at the Mekong Delta, we should use M350 grade concrete to build the works. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công trình bê tông cốt thép được xây dựng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) sau vài chục năm đã có nhiều dấu hiệu bị ăn mòn như lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, bề mặt bê tông (BT) bị trơ đá dăm, cốt thép bị gỉ và cường độ bê tông bị giảm đáng kể [4]. Để nâng cao độ bền cho kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) trong môi trường chua phèn ở ĐBSCL chúng ta cần xác định mác bê tông cần thiết tối thiểu để xây dựng công trình nhằm đảm bảo tuổi thọ mức trung hạn khoảng 50 năm. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở xác định mác bê tông tối thiểu cần thiết để xây dựng công trình BTCT ở vùng chua phèn ở ĐBSCL được dựa trên sự suy giảm cường độ nén của bê tông tại các công trình thủy lợi ở ĐBSCL đã xây dựng trước đây, đồng thời xác định sự biến đổi cường độ nén, hệ số thấm của mẫu bê tông được ngâm trong môi trường nước chua TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 447 phèn ở ĐBSCL ở một số mác bê tông nghiên cứu, sau đó tiến hành phân tích đánh giá lựa chọn mác bê tông hợp lý nhằm đảm bảo tuổi thọ công trình ở mức khoảng 50 năm. Mác bê tông sử dụng nghiên cứu là M200; M300; M400. Vật liệu sử dụng chế tạo mẫu đạt yêu cầu kỹ thuật cho bê tông thủy công gồm xi măng Holcim PCB40; Cát Đồng Nai; Đá dăm Biên Hòa. Bảng 1. Thành phần cấp phối bê tông nghiên cứu Ký hiệu N/X Xi măng (kg) Cát (kg) Dăm (kg) Nước (lit) M200 0,69 295 710 1191 204 M300 0,58 350 690 1177 204 M400 0,47 430 620 1166 204 Chỉ tiêu cường độ bê tông được thí nghiệm ở tuổi 7 ngày và 1; 3; 9; 21 tháng, nén mẫu theo TCVN 3118:2012 [5]. Hệ số thấm của bê tông thí nghiệm ở tuổi tương tự, sử dụng mẫu Φ150 H300 mm có lỗ rỗng đường kính 10 mm ở giữa mẫu. Dùng sơn epoxy biến tính sơn phủ để hai đầu mẫu bê tông không bị ăn mòn. Tiến hành tạo áp lực nước xung quanh bề mặt ngoài của mẫu. Dưới áp lực làm cho nước sẽ thấm và đi dần vào tâm mẫu, sau đó sẽ chảy ra ngoài và được thu hồi. Hệ số thấm K sẽ được tính theo định luật Darcy với thiết bị thấm của Nhật Model TC-235B (Concrete permeability apparatus external pressure type). Sử dụng tiêu chuẩn CRA-C48-92 - Standard Test method for water permeability of concrete [3]. Môi trường chua phèn điển hình ở ĐBSCL chủ yếu ở các tiểu vùng Đồng Tháp Mười, Tứ Giác Long Xuyên và Bán Đảo Cà Mau. Vùng ngâm mẫu thử nghiệm được lựa chọn có độ chua đại diện cho môi trường chua phèn điển hình ở khu vực ĐBSCL. Đặc trưng môi trường chua phèn là giá trị pH. Vị trí ngâm mẫu được chọn tại khu vực cống Rạch Chanh thị xã Tân An - Long An. Kết quả độ chua pH trung bình biểu thị trong Bảng 2. Môi trường nước đối chứng là nước sinh hoạt của nhà máy nước Thủ Đức, đại diện cho môi trường không có yếu tố gây ăn mòn bê tông (Bảng 3). Bảng 2 Giá trị pH của môi trường nước ở một số thời điểm trong khu vực cống Rạch Chanh - Tân An - Long An Tháng trong năm 2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5,48 5,12 4,76 4,12 3,45 3,52 3,14 3,56 4,02 5,52 6,21 6,21 Giá trị trung bình pH = 4,59 < giới hạn ăn mòn [pH] = 6,5 Bảng 3 Kết quả phân tích nguồn nước sử dụng ngâm mẫu Chỉ tiêu pH SO4 2- (mg/l) Cl -(mg/l) Mg 2+ (mg/l) Nước sinh hoạt 6,53 205 221 105 Nước Rạch Chanh - Long An 3,52 102 97 112 Giới hạn BT bị ăn mòn theo TCVN 3994:1985 < 6,5 ≥ 250 ≥ 1000 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 448 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 3. Diễn biến cường độ bê tông trong môi trường nước chua phèn và môi trường nước ngọt y = -0,1402x + 22,795 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Tuổi bê tông (năm) Cư ờ n g đ ộ né n bê tô n g (M Pa ) Môi trường Chua phèn Môi trường nước Ngọt 3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Theo số liệu khảo sát cường độ bê tông của 34 công trình vùng chua phèn sau một số năm khai thác [4], sự biến đổi cường độ nén trung bình của bê tông ở vùng chua phèn và vùng nước ngọt theo thời gian được thể hiện trong Hình 3. Do tác động bất lợi nên cường độ bê tông trong môi trường chua phèn ở ĐBSCL thấp hơn so với bê tông vùng nước ngọt. Cường độ bê tông giảm dần theo thời gian và sau khoảng 20 năm, đã thấp hơn mác thiết kế M200, điều đó chứng tỏ bê tông mác M200 đã sử dụng không đủ bền vững đảm bảo tuổi thọ lâu dài trong môi trường chua phèn ở khu vực ĐBSCL. Đối với kết quả thí nghiệm cường độ nén trên mẫu thử, ngâm trong môi trường nước chua phèn điển hình được thể hiện trên Hình 4. Kết quả cho thấy cường độ nén của mẫu ở môi trường nước chua phèn (ký hiệu chữ C) phát triển kém hơn trong môi trường nước ngọt (ký hiệu chữ N). Sau khoảng 9 tháng, cường độ một số mác bê tông trong môi trường chua phèn bắt đầu giảm. Như vậy xu hướng biến đổi cường độ trên mẫu thử nghiệm phù hợp với kết quả khảo sát ở các công trình môi trường chua phèn ở ĐBSCL. Tương quan giữa hệ số thấm và tỷ lệ Nước/Xi măng (N/X) của bê tông thể hiện trên Hình 5. Ở môi trường chua phèn, trong thời gian thử nghiệm 21 tháng, hệ số thấm của bê tông có N/X = 0,7 (tương ứng bê tông M200) thay đổi trong khoảng khá rộng từ 6.10-9 xuống 1.10-9(cm/s). Còn các loại bê tông có tỷ lệ N/X nhỏ hơn 0,57 (mác M300 và cao hơn) thì hệ số thấm của nó thay đổi trong phạm vi hẹp từ 1,3.10-9 xuống 1.10- 10(cm/s). Bê tông có N/X nhỏ hơn 0,57 có hệ số thấm nhỏ và khoảng biến đổi hẹp nên sẽ ít bị ăn mòn và bền vững hơn trong môi trường ăn mòn. Hình 2. Địa điểm ngâm mẫu bê tông trong môi trường chua phèn Hình 1. Gia công mẫu bê tông thí nghiệm TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 449 Hình 5. Tương quan sự phát triển hệ số thấm của bê tông và Tỷ lệ (N/X) trong môi trường nước chua phèn M 20 0 M 30 0 M 40 0 M 40 0- PG 0,0E+00 1,0E-09 2,0E-09 3,0E-09 4,0E-09 5,0E-09 6,0E-09 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 H ? s? th ?m K (cm /s) &l &N/X 1 tháng 3 tháng 9 tháng 21 tháng Hình 4. So sánh sự phát triển Cường độ mẫu bê tông trong môi trường nước ngọt và môi trường chua phèn 0 10 20 30 40 50 60 0 3 6 9 12 15 18 21 24 C ư ?n g đ? n én (M Pa ) Tu?i (tháng) M200-N M200-C M300-N M300-C M400-N M400-C Hình 6. Tương quan Cường độ và Hệ số thấm của bê tông trong môi trường nước chua phèn y = 0,00038x-3,80444 R² = 0,79286 y = -2,0E-10x + 7,2E-09 y = -1,0E-11x + 6,6E-10 0E+00 1E-09 2E-09 3E-09 4E-09 5E-09 6E-09 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 H ? s? th ?m K (cm /s ) Cư?ng đ? nén (MPa) Tương quan giữa cường độ và hệ số thấm của bê tông trong các môi trường chua phèn được thể hiện trong Hình 6. Giữa hệ số thấm và cường độ bê tông có quan hệ thuận nghịch: Cường độ tăng, hệ số thấm giảm. Ứng với bê tông có cường độ khoảng 20 MPa, hệ số thấm K = (5 - 6).10-9 (cm/s); ứng với cường độ khoảng 35 MPa, hệ số thấm K = (3 – 5).10-10 (cm/s); ứng với cường độ khoảng 50 MPa, hệ số thấm K = (7 - 10).10-11 (cm/s). Như vậy với BT có cường độ mức 35 MPa, hệ số thấm đã giảm đi được hàng chục lần so với BT mác M200. Tương quan giữa cường độ nén bê tông tuổi 28 ngày (tương ứng mác thiết kế) và mức suy giảm cường độ mẫu ngâm trong môi trường chua phèn khi so sánh với mẫu ngâm trong nước ngọt được thể hiện trên Hình 7, trong đó mức suy giảm S này được tính như sau: 100)( x Rng RngRchpS −= (%) (1) Hình 7. Tương quan giữa mức suy giảm cường độ và mác BT trên mẫu thử nghiệm trong môi trường chua phèn ở 21 tháng y = 1821,9x-1,5084 R2 = 0,9014 0 5 10 15 20 25 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Cường độ nén 28 ngày (MPa) M ứ c gi ảm cư ờ n g độ (% ) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 450 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Rchp Cường độ bê tông ở môi trường chua phèn Rng Cường độ bê tông trong môi trường nước ngọt ở tuổi tương ứng Dựa vào những kết quả đã nghiên cứu trên, để nâng cao tuổi thọ cho công trình ở mức trung hạn (50 ÷ 60 năm) thay vì khoảng 20 năm so với bê tông M200 đã sử dụng trước đây, tác giả đề xuất hướng nâng cao chất lượng bê tông bằng việc tăng mác bê tông và khả năng chống thấm của bê tông như sau: Biện pháp nâng cao chất lượng bê tông đầu vào để giảm tốc ăn mòn: Các kết quả nghiên cứu trước đây [8] cho thấy khi sử dụng xi măng portland, BT không thể tránh khỏi bị ăn mòn trong môi trường chua phèn, kể cả BT mác cao. Tuy nhiên BT mác cao sẽ có tốc độ ăn mòn ít hơn. Biện pháp chọn mác bê tông có hệ số thấm nhỏ và ổn định sẽ hạn chế tác động của môi trường ăn mòn, tăng tuổi thọ cho công trình. Việc tính toán xác định cường độ bê tông cần thiết để sử dụng cho việc xây dựng công trình ở ĐBSCL như sau: Theo hướng hạn chế tốc độ ăn mòn bê tông: Từ kết quả thí nghiệm (Hình 7), với bê tông có cường độ 20 MPa (nén ở tuổi 28 ngày sẽ tương đương M200) có mức suy giảm cường độ là 18,79%. Từ kết quả khảo sát công trình thực tế (Hình 1), với BT có mác M200 chỉ đáp ứng tuổi thọ công trình khoảng 20 năm. Để BT tồn tại 50 năm (gấp 2,5 lần tuổi thọ của bê tông thực tế đã sử dụng ở môi trường ĐBSCL) thì mác BT lựa chọn có mức giảm cường độ khoảng 7,5% (18,8% : 2,5). Bê tông có mức suy giảm cường độ 7,5% tương ứng với bê tông có cường độ 37Mpa. Theo yêu cầu về ổn định hệ số thấm: Đối với công trình thủy, yêu cầu về độ chống thấm cực kỳ quan trọng, đặc biệt công trình trong môi trường ăn mòn chua phèn như ở ĐBSCL. Dựa vào tương quan giữa hệ số thấm và cường độ bê tông (Hình 6) nhận thấy bê tông có cường độ ở mức 35 Mpa như là một ranh giới khác biệt giữa 2 miền thấm của bê tông. Khi cường độ cao hơn 35 Mpa thì bê tông có hệ số thấm nhỏ hơn khoảng 5 đến 10 lần so với giải bê tông có mác thấp hơn. Tổng hợp chung từ các yêu cầu về việc hạn chế tốc độ ăn mòn, sự ổn định hệ số thấm để cho BT bền vững trong môi trường chua phèn thì nên chọn BT có cường độ thiết kế không nhỏ hơn mức 35 Mpa hoặc có tỷ lệ Nước và Xi măng không lớn hơn 0,52. 4. KẾT LUẬN - Trong môi trường chua phèn ở Đồng bằng sông Cửu Long, sử dụng bê tông mác M200 là không đảm bảo độ bền lâu dài cho công trình thủy công. - Bê tông với tỷ lệ N/X bé hơn 0,52 (Tương ứng mác M350) có hệ số thấm nhỏ và mức biến động ít hơn hàng chục lần so với bê tông mác M200. Khi sử dụng loại bê tông có tỷ lệ N/X không lớn hơn 0,52 sẽ có tác dụng tốt trong việc ngăn chặn ăn mòn bê tông cốt thép. - Đề nghị nên sử dụng bê tông mác ≥ M350 cho bê tông công trình vùng chua phèn ở Đồng bằng sông Cửu Long và tiếp tục theo dõi diễn biến chất lượng các công trình đã sử dụng bê tông mác bê tông lớn hơn M200 cùng đặc điểm môi TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 451 trường trong thực tế nhằm đảm bảo chắc chắn tuổi thọ lâu dài, bền vững cho công trình trong khu vực xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ACI 318-89. Building Code Requirements For Reinforced Concrete [2] Bộ Xây dựng. Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại. NXBXD, Hà Nội 2008. [3] CRA-C 48-92. Standard Test Method for Water Permeability of concrete. [4] Khương Văn Huân và nnk (2001). Điều tra sự thóai hóa độ bền bê tông các công trình thủy lợi đã xây dựng vùng chua mặn Đồng bằng sông Cửu Long. Báo cáo tổng kết dự án, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. [5] TCVN 3118:2012. Bê tông - Phương pháp xác định cường độ nén [6] TCVN 3994:1985. Chống ăn mòn trong xây dựng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Phân loại môi trường xâm thực. [7] TCXD 149:1986. Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi bị ăn mòn. [8] TCVN 9139:2012 Công trình Thủy lợi- Kết cấu bê tông cốt thép vùng ven biển- Yêu cầu Kỹ thuật [9] V.Moskvin, F.Ivanov, S. Alekseyes, E. Guzeyev, 1983. Concrete and reinforced Concrete Deterioration and Protection, Mir Publishers, Moscow. Phản biện: PGS. TS. Nguyễn Thanh Hải