Luận án Nghiên cứu bê tông có độ bền ăn mòn cao sử dụng muội silic cho kết cấu công trình ở môi trường biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN LONG KHÁNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CÓ ĐỘ BỀN ĂN MÕN CAO SỬ DỤNG MUỘI SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ở MÔI TRƢỜNG BIỂN VIỆT NAM NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ: 958.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh 2. GS. TS. Phạm Duy Hữu Hà Nội, 02/2023 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. vii MỞ ĐẦU ...1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................... 4 5.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................. 4 5.2. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................. 4 6. Bố cục Luận án ........................................................................................................ 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÓ ĐỘ BỀN ĂN MÕN CAO TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN ......................................................................... 6 1.1. Khái quát về ảnh hƣởng của môi trƣờng biển tới độ bền bê tông ..................... 7 1.1.1. Khái niệm về môi trường biển ..................................................................... 7 1.1.2. Các đặc trưng của môi trường biển trên thế giới và Việt Nam .................... 8 1.1.3. Ảnh hưởng của môi trường biển tới độ bền bê tông .................................. 11 1.1.4. Các biện pháp tăng cường độ bền bê tông sử dụng trong môi trường biển ... 14 1.2. Khái quát về độ bền của bê tông ......................................................................... 16 1.2.1. Độ bền bê tông ........................................................................................... 16 1.2.2. Nghiên cứu về cơ chế ăn mòn cốt thép do xâm nhập ion Cl- .................... 28 1.2.3. Nghiên cứu về ảnh hưởng của lỗ rỗng tới độ bền của bê tông .................. 31 1.3. Bê tông muội silic có độ bền ăn mòn cao ............................................................ 32 1.3.1. Khái niệm về bê tông có độ bền ăn mòn cao ............................................. 33 1.3.2. Nghiên cứu về bê tông muội silic .............................................................. 33 1.3.3. Tình hình nghiên cứu về bê tông muội silic có độ bền ăn mòn cao .......... 35 1.3.4. Tuổi thọ của công trình bê tông trong môi trường biển ............................. 40 1.4. Định hƣớng nghiên cứu của Luận án .................................................................. 42 1.5. Kết luận Chƣơng 1 ................................................................................................ 43 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG MUỘI SILIC .44 2.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông ................. 44 2.1.1. Sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông................................................... 44 2.1.2. Các phương pháp thí nghiệm về sức kháng xâm nhập ion Cl- của bê tông ... 49 2.2. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hƣởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền bê tông.. 56 2.2.1. Ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền của bê tông ............................. 56 2.2.2. Phương pháp xác định thể tích lỗ rỗng của bê tông ................................... 57 2.3. Thiết kế thí nghiệm theo phƣơng pháp Taguchi ................................................ 60 2.3.1. Phương pháp Taguchi ................................................................................ 60 2.3.2. Xây dựng mô hình hồi quy ........................................................................ 63 2.4. Kết luận Chƣơng 2 ................................................................................................ 65 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ THÀNH PHẦN TỚI ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG MUỘI SILIC .................................... 66 3.1. Thiết kế chế tạo bê tông muội silic ...................................................................... 67 3.1.1. Tiêu chuẩn áp dụng và cơ sở khoa học lựa chọn thành phần thiết kế bê tông muội silic ........................................................................................... 67 3.1.2. Vật liệu chế tạo bê tông xi măng muội silic .............................................. 68 3.1.3. Tính toán thiết kế thành phần và chế tạo bê tông muội silic ..................... 73 3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới cƣờng độ chịu nén của bê tông muội silic................................................................................................. 82 3.2.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông muội silic ............... 82 3.2.2. Phân tích ảnh hưởng yếu tố thành phần đến cường độ chịu nén của bê tông muội silic .................................................................................................... 82 3.2.3. Xây dựng phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và cường độ chịu nén của bê tông muội silic bằng phương pháp Taguchi ................................................................................ 83 3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần tới khả năng chống thấm ion Cl - của bê tông muội silic ............................................................................. 91 3.3.1. Thí nghiệm xác định độ thấm ion Cl- ........................................................ 91 3.3.2. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới độ thấm ion Cl- của bê tông muội silic ........................................................................................... 91 3.3.3. Xây dựng phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và độ thấm ion Cl- của bê tông muội silic bằng phương pháp Taguchi .............................................................................................. 92 3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới hệ số khuếch tán ion Cl - của bê tông muội silic .......................................................................... 95 3.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thể tích lỗ rỗng tới độ bền của bê tông muội silic97 3.4.1. Xác định thể tích lỗ rỗng của bê tông muội silic ....................................... 98 3.4.2. Phân tích ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng tới hệ số khuếch tán ion Cl- của bê tông muội silic ..................................................................................... 100 3.4.3. Phân tích tương quan ảnh hưởng lẫn nhau của các yếu tố thành phần tới độ bền và thể tích lỗ rỗng của bê tông muội silic ......................................... 107 3.5. Xây dựng phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông muội silic có xét đến độ bền ...................................................................................................................... 108 3.5.1. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông muội silic có xét đến độ bền . 108 3.5.2. Phân bố xác suất của hàm mục tiêu thiết kế bê tông theo các yếu tố thành phần .......................................................................................................... 112 3.5.3. Thiết kế bê tông muội silic theo yêu cầu cường độ chịu nén đặc trưng (f’c = 60 MPa) ................................................................................................ 114 3.6. Kết luận Chƣơng 3 .............................................................................................. 116 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG THIẾT KẾ BÊ TÔNG MUỘI SILIC CHO KẾT CẤU TRỤ CẦU Ở KHU VỰC BIỂN HẢI PHÒNG .......................... 118 4.1. Giới thiệu về kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải Phòng ................................ 118 4.1.1. Bệ trụ ........................................................................................................ 118 4.1.2. Vật liệu sử dụng ....................................................................................... 119 4.1.3. Đặc điểm khu vực biển Hải Phòng ........................................................... 119 4.2. Thiết kế thành phần bê tông muội silic cho kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải Phòng ...................................................................................................................... 121 4.3. Tính toán thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu trụ cầu ở khu vực biển Hải Phòng .................................................................................................................. 122 4.3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu công trình bằng phần mềm Life-365 ......................................................................... 122 4.3.2. Xác định thông số mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu trụ cầu ở biển Hải Phòng ......................................................................... 129 4.3.3. Tính toán thời gian khởi đầu ăn mòn của kết cấu trụ cầu sử dụng bê tông muội silic bằng phần mềm Life-365 ........................................................ 131 4.3.4. Tính toán chiều dày lớp bê tông bảo vệ của kết cấu trụ cầu sử dụng bê tông muội silic ......................................................................................... 133 4.4. Kết luận Chƣơng 4 .............................................................................................. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 136 1. Kết luận .................................................................................................................... 136 2. Những đóng góp mới của Luận án .......................................................................... 137 3. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................... 138 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................. a TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. b 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 tháng năm 2023 Tác giả Nguyễn Long Khánh ii LỜI CẢM ƠN Để có thể có được thành quả như ngày hôm nay, tôi không thể không nhắc tới tới PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và GS.TS. Phạm Duy Hữu đã hướng dẫn, dạy bảo tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quãng thời gian qua. Bên cạnh những ý kiến về khoa học còn là những ý kiến, góp ý về mặt phương pháp, tác phong làm việc của một nghiên cứu sinh. Do đó, tôi xin được trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới các thầy cô đã giúp đỡ tôi có được kết quả này. Về phía Trường Đại học GTVT, nơi thực hiện luận án này, lời đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Công trình Giao thông thành phố và Công trình thủy, là đơn vị trực tiếp quản lý nghiên cứu sinh về mặt học thuật, đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Công trình, Trung tâm thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thí nghiệm và nghiên cứu. Về phía cơ quan công tác, Trường Đại học Công nghệ GTVT, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy trong Ban Giám hiệu Nhà trường; Viện Công nghệ GTVT, lãnh đạo và các anh chị em trong Phòng KHCN – HTQT; Trung tâm Đào tạo và tư vấn du học, việc làm quốc tế là đơn vị nơi tôi công tác đã tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ và các con, cùng toàn thể người thân trong gia đình đã luôn ở bên cạnh, động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này và có được thành quả như ngày hôm nay. Một lần nữa, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả các quý thầy cô, các cô, chú, anh, chị đồng nghiệp, người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả Nguyễn Long Khánh iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ mô tả tác động phá hủy bê tông ở các vùng khác nhau ....................... 7 Hình 1.2: Tổng thời gian ướt bề mặt kết cấu công trình vùng ven biển Việt Nam ...... 11 Hình 1.3: Phân bố nồng độ ion Cl- trong không khí theo cự ly cách mép nước .......... 11 Hình 1.4: Thống kê nguyên nhân gây suy giảm tuổi thọ trên các cầu BTCT tại Nhật Bản ................................................................................................................................ 17 Hình 2.1: Ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới hàm lượng tới hạn của ion Cl- trong bê tông ................................................................................................................. 44 Hình 2.2: Thí nghiệm cầu muối ..................................................................................... 50 Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm khuếch tán khối ................................................................. 51 Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm AASHTO T277 (ASTM C1202) ...................................... 52 Hình 2.5: Sơ đồ thí nghiệm kỹ thuật điện di ................................................................. 54 Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm điện di của Tang và Nilson (NordTest NTBuild 492) ...... 55 Hình 2.7: Phân bố vùng độ rỗng ở cấp độ micro trong bê tông .................................... 57 Hình 2.8: Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của IUPAC ........................................................................................................................... 58 Hình 2.9: Đồ thị xác định các thông số của phương trình BET .................................... 59 Hình 3.1: Cốt liệu đá dăm sử dụng trong luận án .......................................................... 68 Hình 3.2: Xi măng PC40 Bút Sơn dùng để đúc mẫu bê tông thí nghiệm ..................... 70 Hình 3.3: Phụ gia khoáng gốc Silicafume Sikacrete PP1 hãng Sika ............................. 71 Hình 3.4: Phụ gia siêu dẻo Sika viscocrete 3000-20 dùng để trộn bê tông ................... 72 Hình 3.5: Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm .................................................. 81 Hình 3.6: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và cường độ chịu nén .... 83 Hình 3.7: Thiết kế quy hoạch thực nghiệm Taguchi bằng phần mềm MINITAB ........ 84 Hình 3.8: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và cường độ chịu nén bằng phần mềm MINITAB .................................................................................................... 85 Hình 3.9: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic và điện lượng truyền qua từ kết quả thí nghiệm ..................................................................................................... 92 Hình 3.10: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, MS và độ thấm ion Cl- xây dựng bằng phần mềm MINITAB ............................................................................................................. 93 Hình 3.11: Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng muội silic ...................................... 96 Hình 3.12: Các mẫu bê tông muội silic được nghiền mịn và thiết bị đo TRI START 3000 ............................................................................................................................... 98 Hình 3.13: Phân bố tỷ lệ các thể tích lỗ rỗng của các loại bê tông và thời gian ......... 100 Hình 3.14: Một số hình ảnh xác định hệ số khuếch tán ion Cl- ................................... 103 Hình 3.15: Hệ số khuếch tán ion Cl- ở thời điểm 28 ngày và 6 tháng ........................ 106 Hình 3.16: Ma trận tương quan giữa các yếu tố thành phần và độ bền ion Cl-, thể tích lỗ rỗng của bê tông muội silic ..................................................................................... 107 Hình 3.17: Phân bố xác suất của độ thấm ion Cl- đối với các loại bê tông. ............... 113 Hình 3.18: Phân bố xác suất của cường độ đối với các loại bê tông. .......................... 113 iv Hình 3.19: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng truyền qua bê tông khi sử dụng 8% muội silic ............................................................ 114 Hình 3.20: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng truyền qua bê tông khi sử dụng 10% muội silic .......................................................... 115 Hình 3.21: Mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và cường độ chịu nén đặc trưng, điện lượng truyền qua bê tông khi sử dụng 12% muội silic .......................................................... 115 Hình 4.1: Khai báo thông tin chung về kết cấu ........................................................... 127 Hình 4.2: Khai báo thông tin về môi trường ion Cl-, nhiệt độ hàng tháng .................. 128 Hình 4.3: Khai báo thông tin về cấp phối bê tông ....................................................... 129 Hình 4.4: Tính toán kết quả ......................................................................................... 129 Hình 4.5: Quan hệ giữa thời gian khởi đầu ăn mòn và chiều dày ............................... 132 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học của một số vùng biển trên thế giới .............................. 9 Bảng 1.2: Thành phần hóa học của nước biển vùng phía Bắc Việt Nam ....................... 9 Bảng 1.3: Yêu cầu tối thiểu về bê tông chống ăn mòn trong môi trường biển theo TCVN 12041:2017 ....................................................................................................... 14 Bảng 1.4: Giới hạn hàm lượng ion Cl- trong bê tông theo TCVN 12041:2017 ........... 14 Bảng 1.5: Quy định về lớp bê tông bảo vệ cốt thép theo TCVN 12041:2017 ............. 15 Bảng 1.6: So sánh tốc độ ăn mòn với các loại xi măng khác nhau .............................. 28 Bảng 2.1: Hàm lượng clorua tới hạn thêm vào so với khối lượng của xi măng trong bê tông không cacbonat hóa – Trường hợp ion Cl- thêm vào trong quá trình trộn vật liệu ....................................................................................................................................... 45 Bảng 2.2: Hàm lượng ion Cl- tới hạn so thẩu thấu vào so với khối lượng của xi măng trong bê tông không cacbonat hóa – Trường hợp ion Cl- thẩm thấu vào bê tông cứng ....................................................................................................................................... 45 Bảng 2.3: Mức độ thấm ion Cl- ................................................................................... 52 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệ