Luận án Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ bền cho bê tông - Bê tông cốt thép của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO BÊ TÔNG - BÊ TÔNG CỐT THÉP CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO BÊ TÔNG - BÊ TÔNG CỐT THÉP CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thuỷ Mã số: 62 – 58 – 40 – 01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Vũ Quốc Vương GS.TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hương ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Ngô Trí Viềng và PGS.TS. Vũ Quốc Vương là hai thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ và cả sự hỗ trợ tài chính trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cám ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường đã có những đóng góp quí báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến chương trình NCKHCN phục vụ phòng chống thiên tai bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên (KC08) của Bộ KHCN đã đầu tư kinh phí cho tác giả thực hiện các thí nghiệm trong luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Vật liệu vô cơ – Viện Khoa học Vật liệu–Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Phòng nghiên cứu Vật liệu – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Vật liệu xây dựng Việt Nam đã tạo điều kiện cơ sở vật chất cho các thí nghiệm trong nghiên cứu của tác giả. Tác giả trân trọng cám ơn Vụ Đại học và Sau Đại học – Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ môn Thủy công, Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học – Trường Đại học Thủy lợi, Cục sở hữu trí tuệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã có những giúp đỡ quí báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp của tác giả tại Bộ môn Vật liệu xây dựng đã không quản khó khăn, vất vả cùng tác giả tiến hành các thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trường, cũng như gánh vác công việc để tác giả có thời gian hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. Tác giả Nguyễn Thị Thu Hương iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................. xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 4. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu ....................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................. 3 6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN BẰNG BÊ TÔNG - BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................................................... 4 1.1 Hiện trạng và nguyên nhân hư hỏng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển bằng BT-BTCT..................................................................................................................... 4 1.1.1 Khái quát về các dạng kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển............................ 4 1.1.2 Hiện trạng hư hỏng .................................................................................... 11 1.1.3 Nguyên nhân hư hỏng ............................................................................... 15 1.2 Tình hình nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT làm việc trong môi trường biển ................................................................................................ 24 1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới ..................................................................... 24 1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam ...................................................................... 26 1.2.3 Phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố ............................ 28 1.2.4 Định hướng nghiên cứu trong luận án ...................................................... 29 1.3 Cơ sở khoa học lựa chọn giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT của kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển trong điều kiện Việt Nam .......................................... 30 1.3.1 Các giải pháp nâng cao độ bền cho BT-BTCT công trình biển ................ 31 1.3.2 Phân tích lựa chọn giải pháp thích hợp cho BT-BTCT kết cấu bảo vệ mái đê và bờ biển .......................................................................................................... 33 iv 1.3.3 Phân tích lựa chọn tổ hợp phụ gia ............................................................. 34 1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 38 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 40 2.1 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ................................................................... 40 2.1.1 Xi măng ..................................................................................................... 40 2.1.2 Tro bay ...................................................................................................... 41 2.1.3 Silica fume................................................................................................. 41 2.1.4 Cát ............................................................................................................. 42 2.1.5 Cát tiêu chuẩn dùng cho thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính ..... 43 2.1.6 Đá .............................................................................................................. 43 2.1.7 Phụ gia hóa học ......................................................................................... 43 2.1.8 Nước .......................................................................................................... 44 2.2 Các phương pháp thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu ................................. 44 2.2.1 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu ............................................................ 44 2.2.2 Các tiêu chuẩn thí nghiệm vữa .................................................................. 44 2.2.3 Các tiêu chuẩn thí nghiệm bê tông ............................................................ 48 2.2.4 Các phương pháp thí nghiệm hiện đại phi tiêu chuẩn ............................... 55 2.3 Phương pháp tính toán thành phần bê tông dùng trong nghiên cứu ................ 57 2.3.1 Tính toán cấp phối lý thuyết...................................................................... 57 2.3.2 Thí nghiệm trong phòng và điều chỉnh theo vật liệu thực tế tại hiện trường ................................................................................................................... 59 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 60 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH TỔ HỢP PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN CHO BT-BTCT CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ VÀ BỜ BIỂN ................................ 61 3.1 Tổng quát ......................................................................................................... 61 3.2 Xác định các chỉ tiêu của xi măng và chất kết dính ......................................... 62 3.2.1 Lượng nước tiêu chuẩn ............................................................................. 62 3.2.2 Các chỉ tiêu của đá xi măng ...................................................................... 64 3.3 Xác định các chỉ tiêu của vữa .......................................................................... 74 3.3.1 Lượng nước tiêu chuẩn của hỗn hợp vữa .................................................. 74 3.3.2 Cường độ vữa chất kết dính ...................................................................... 76 3.3.3 Thí nghiệm chụp ảnh vi điện tử quét SEM ............................................... 77 v 3.4 Xác định các chỉ tiêu của bê tông .................................................................... 79 3.4.1 Các yêu cầu của bê tông ............................................................................ 79 3.4.2 Xác định thành phần bê tông ..................................................................... 79 3.4.3 Cường độ nén, độ hút nước và khối lượng thể tích ................................... 87 3.4.4 Tính thấm nước ......................................................................................... 90 3.4.5 Độ mài mòn ............................................................................................... 92 3.4.6 Độ thấm ion Cl- ......................................................................................... 93 3.4.7 Chỉ số pH ................................................................................................... 97 3.5 Tính toán hiệu quả kinh tế ............................................................................... 99 3.5.1 Mục đích tính toán hiệu quả kinh tế .......................................................... 99 3.5.2 Tính chi phí vật liệu cho các cấp phối khác nhau ................................... 100 3.6 Phân tích lựa chọn tỷ lệ phụ gia hợp lý .......................................................... 103 3.7 Kết luận chương 3 .......................................................................................... 104 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CÓ ĐỘ BỀN CAO CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN GIAO THỦY – NAM ĐỊNH .......................................... 107 4.1 Điều kiện áp dụng kết quả nghiên cứu bê tông có độ bền cao ...................... 107 4.2 Giới thiệu công trình và các cấu kiện ứng dụng thử nghiệm ......................... 108 4.2.1 Giới thiệu về công trình .......................................................................... 108 4.2.2 Giới thiệu về vị trí và cấu tạo các cấu kiện ứng dụng thử nghiệm ......... 109 4.3 Vật liệu và thành phần bê tông ứng dụng thử nghiệm ................................... 111 4.3.1 Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 111 4.3.2 Tính toán thành phần bê tông .................................................................. 114 4.4 Kết quả thí nghiệm trong phòng và ứng dụng thử nghiệm tại hiện trường ... 117 4.4.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng.............................................................. 117 4.4.2 Kết quả ứng dụng thử nghiệm tại hiện trường ........................................ 118 4.5 Kết luận chương 4 .......................................................................................... 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 123 I. Kết quả đạt được của luận án ............................................................................... 123 II. Hướng phát triển của luận án .............................................................................. 124 III. Kiến nghị ........................................................................................................... 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 127 vi PHỤ LỤC ........................................................................................................... 133 PHỤ LỤC 1. CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM XI MĂNG, TRO BAY, MUỘI SILIC ... 133 Phụ lục 1-1. Giấy chứng nhận kết quả thử nghiệm xi măng của nhà máy xi măng Bút Sơn ................................................................................................................ 134 Phụ lục 1-2 . Kết quả phân tích thành phần hóa học và khối lượng riêng của xi măng, tro bay và silica fume ........................................................................... 135 Phụ lục 1-3. Kết quả phân tích thành phần hạt của xi măng Bút Sơn ................. 135 Phụ lục 1-4. Kết quả phân tích thành phần hạt của tro tuyển Phả Lại ................ 136 Phụ lục 1-5. Kết quả phân tích thành phần hạt của silica fume .......................... 137 PHỤ LỤC 2. CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH HIỆN ĐẠI ĐỐI VỚI XI MĂNG VÀ VỮA ...................................................................................................... 138 Phụ lục 2-1. Kết quả phân tích tia rơnghen X-Ray của đá xi măng .................... 138 Phụ lục 2-2. Kết quả phân tích nhiệt TGA của đá xi măng ................................. 143 Phụ lục 2-3. Kết quả chụp ảnh vi điện tử quét SEM của đá xi măng .................. 148 Phụ lục 2-4. Kết quả chụp ảnh vi điện tử quét SEM của vữa.............................. 150 PHỤ LỤC 3. CODE PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG PHỤ GIA ....................................................................................................... 153 PHỤ LỤC 4. BIÊN BẢN XÁC NHẬN VỀ VIỆC ỨNG DỤNG SẢN PHẨM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ............................................................................................................ 167 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng tường đứng ............................................... 5 Hình 1-2. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại có cơ đê ........................ 5 Hình 1-3. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng mái nghiêng loại không có cơ đê ............. 5 Hình 1-4. Sơ đồ mặt cắt ngang đê biển dạng hỗn hợp .................................................... 6 Hình 1-5. Đê dạng tường đứng bằng BTCT .................................................................... 7 Hình 1-6. Tường đỉnh kè bằng BTCT ............................................................................. 7 Hình 1-7. Mặt cắt ngang kết cấu gia cố mái đê điển hình ............................................... 7 Hình 1-8. Kè bằng cấu kiện BT tấm bản mỏng ............................................................... 8 Hình 1-9. Kè bằng cấu kiện BT khối lập phương ........................................................... 8 Hình 1-10. Kè bằng cấu kiện BT Haro ............................................................................ 8 Hình 1-11. Kè bằng cấu kiện BT Holhquader ................................................................. 8 Hình 1-12. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 2 chiều loại không có mũ ............. 9 Hình 1-13. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 2 chiều loại có mũ ........................ 9 Hình 1-14. Kè bằng cấu kiện bê tông liên kết ngàm 3 chiều TSC ................................ 10 Hình 1-15. Kè đê biển bằng thảm bê tông liên kết ........................................................ 11 Hình 1-16. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện liên kết 2 chiều loại không mũ .................................................................................................................................. 12 Hình 1-17. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện liên kết 2 chiều loại có mũ . 12 Hình 1-18. Ăn mòn rửa trôi và mài mòn cơ học cấu kiện TSC..................................... 12 Hình 1-19. Nguyên nhân phá hoại bê tông do tác động vật lý và cơ học ..................... 18 Hình 1-20. Sơ đồ quá trình xói mòn, mài mòn vật liệu trong môi trường nước ........... 18 Hình 1-21. Nguyên nhân phá hoại bê tông do tác động ăn mòn ................................... 19 Hình 1-22. Sơ đồ mô tả các thành phần hóa học tham gia vào quá trình ăn mòn kết cấu BTCT trong môi trường biển ......................................................................................... 21 Hình 1-23. Tổng hợp các dạng ăn mòn bê tông, cốt thép trong môi trường biển và định hướng giải pháp hạn chế ................................................................................................ 22 Hình 1-24. Sơ đồ phân vùng môi trường biển ............................................................... 23 Hình 1-25. Sơ đồ mô tả tác động phá hoại BTCT ở các vùng trong môi trường biển .. 23 Hình 1-26. Sơ đồ tóm tắt vai trò, tác dụng của các loại phụ gia dùng trong nghiên cứu ....................................................................................................................................... 38 Hình 2-1. Ảnh chụp 3 thành phần vật liệu trong hỗn hợp chất kết dính ....................... 42 Hình 2-2. Đo đường kính đáy khối vữa của mẫu đối chứng 100%XM ........................ 46 Hình 2-3. Đo đường kính đáy khối vữa của mẫu thí nghiệm có dùng phụ gia trước khi hiệu chỉnh nước ............................................................................................................. 46 Hình 2-4. Thí nghiệm tạo mẫu trong khuôn 3 ngăn lăng trụ 40x40x160mm ............... 46 Hình 2-5. Thí nghiệm trên mẫu vữa đã đông rắn .......................................................... 47 Hình 2-6. Sơ đồ các bước thí nghiệm xác định cường độ chất kết dính ....................... 47 viii Hình 2-7. Máy thí nghiệm thấm với 4 khoang chứa mẫu của Matest ........................... 50 Hình 2-8. Mẫu bê tông sau khi ép bửa và đo độ thấm xuyên sâu ................................. 51 Hình 2-9. Máy và mẫu thí nghiệm độ mài mòn bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C1138 ....................................................................................................................................... 53 Hình 2-10. Máy thí nghiệm đo nồng độ ion Cl- CL-3000 ............................................ 54 Hình 2-11. Thiết bị đo và bộ phận hiển thị nồng độ ion Cl- của máy CL-3000 ............ 55 Hình 3-1. Lượng nước tiêu chuẩn của các tổ mẫu với lượng phụ gia thay đổi ............. 63 Hình 3-2 . Các mẫu đá xi măng khi mới đúc và sau 6 tháng bảo dưỡng ...................... 65 Hình 3-3. Lượng ion Cl- và SO3 trong các mẫu đá xi măng ......................................... 67 Hình 3-4. X-Ray của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày ............................................................... 68 Hình 3-5. X-Ray của mẫu X-T20S10P0,4 28 ngày .......................................................... 69 Hình 3-6. TGA của mẫu X-T0S0P0, 28 ngày ................................................................. 70 Hình 3-7. TGA của mẫu X-T20S10P0,4, 28 ngày ............................................................. 71 Hình 3-8. SEM của mẫu X-T0S0P0, 28 và 60 ngày