Công nghệ bê tông cho các công trình biển: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Bê tông cho công trình biển" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Bê tông cho công trình biển, môi trường biển và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bê tông, thành phần cấu trúc và tính chất của bê tông. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ bê tông cho các công trình biển: Phần 1

c k " 0000069169 HẠM HỮU HANH (Chủ biên) TS. LE TRUNG THÀNH - TS. NGUYÊN v ă n tu ấn BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIẾN NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG
PG S. TS. PHẠM HỮU HANH (Chủ biên) s . LÊ TRUNG THÀNH - TS. NGUYỄN v ă n t u ấ n Q Q CHO CÔ TRÌNH BIẾN NG NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG HÀ N Ộ I-2013
LÒI TỤ A Nước ta có bờ biến dài, có nhiều hài đào và là một trong bốn nước trẽn thế giới chịu ành hưởng nhiều nhát của biến đổi khí hậu, trong đó có hiện tượng nước biển dăng. Nhà nước ta đã có nhiều chù trương phát triền kinh tế biển. Trong tương lai các công trình biến sẽ được xây dựng ngày càng nhiều, như càng biển, đê biển, công trình dầu khi, công trình dân sự và quân sự trên các hài đào. Các công trình này chù yếu làm bằng bê tông, bẽ tông cốt thép và bằng thép. Bẽ tông công trình biển là một loại bê tông đặc biệt, phái chịu được tác động cùa môi trường biển như ăn mòn, xói mòn... đề ổn định lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt. Hiện nay ở nước ta đã quan tâm nghiên cứu xây dựng công trình biến, trong đó có vắn đề thiết kế, thi công và sử dụng vật liệu, và đã thành lập một số viện nghiên cứu về biển và xây dựng công trình biển. Ở một số trường đại học đã có ngành đào tạo xây dựng công trình biến với nhiều môn học, trong đó có môn bê tông cho công trình biển. Tuy nhiên cho đến nay hầu nhu chưa có môn bê tông biền bằng tiếng Việt được xuất bản ở nước ta. Đây là tài liệu đầu tiên về vân đề này do PGS. TS. Phạm Hữu Hanh - chù nhiệm Khoa Vật liệu xây dựng, trường Đại học Xây dựng biên soạn. Tài liệu đã đề cập đến các vấn đề cơ bản như ành hướng cùa môi trường biển đổi với bê tông và bẽ tông cốt thép trong công trình biển, đảm bảo chắt lượng công trình, chế tạo bẽ tông cường độ cao cho cồng trình biển và một số vấn đề khác. Nội dung tài liệu khá phong phú, được viết dựa trên cơ sở tham khảo nhiều tài liệu cùa nước ngoài và kết quà nghiên cứu của chính tác giả và cộng sự. Cuốn sách này rất hữu ích đồi với các nhà nghiên cứu, thiết kế, thi công và quản lý công trình biển, đồng thòi có thế dùng làm tài liệu tham khào và giáng dạy, học tập cho giáo viên, sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành vật liệu xây dựng, ngành xây dựng nói chung và xây dựng công trình biến nói riêng ở các trường đại học. Tôi hân hạnh được giới thiệu cuốn sách này cùng bạn đọc và hy vọng rằng sau này tác giả có dịp lái bản với nội dung phong phú đầy đủ hơn. Ngày 01 tháng 06 năm 2012 GS. TSKH Nguyễn Thúc Tuycn 3
MỞ ĐÀU Cùng với đất liền, hàng nghìn năm nay biên phục vụ cho cuộc sống con người. Với dân số trẽn thế giới tăng rất nhanh (hiện nay đã trên 7 tỳ người) cũng như trong lòng biên chứa rất nhiều tài nguyên quý giá, do đó vai trò cùa nó ngày càng quan trọng đối với sự phát triển cùa xã hội loài người. Hầu hết các quốc gia có biên giới tiếp xúc với biến đểu có chiến lược riêng về biến đế có hướng phát triển và sử dụng hiệu quả nguồn lợi thiên nhiên do biển mang lại. Nước ta với trên 3000km bờ biển và có rất nhiều quần đảo lớn nhó khác nhau, vì thế biến giữ một vai trò hét sức quan trọng trong sự phát triển cà về kinh tế, văn hóa, chính trị và quốc phòng của đất nước. Cuốn B ê tô n g clio công trìnli biển được biên soạn nhằm phân tích và giới thiệu một loại vật liệu bền vững dùng cho công trình biến. Nội dung cùa cuốn sách trình bày tổng quát về sử dụng bẽ tông, phân tích các nguyên nhân hư hỏng bê tông và các biện pháp nâng cao chất lượng cùa nó khi dùng cho công trình biến. Cuốn sách cũng nêu ra hướng nhìn mới trong việc nghiên cứu vé bé tông nói riêng và vật liệu nói chung, xét một cách lổng hợp cả trên các khía cạnh kinh tế, chất lượng, môi trường. Đặc biệt, cuốn sách cũng đưa ra p h ư ơ n g p h á p toi ƯU về thiết k ế thành p h ầ n bẽ tông chất lư ợ ng cao dùng cho công trình biền. Cuốn sách có thề dùng làm tài liệu học tập cho học viên cao học ngành vật liệu, ngành công trình cũng như làm tài liệu tham kháo cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu về vật liệu và công trình. Chúng tôi rất cảm ơn các thầy cô giáo ớ Khoa Vật liệu xây dựng cùng với các nhà khoa học vê vật liệu và xây dựng đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong khi biên soạn tài liệu này. Đây là vấn đề khó liên quan đến nhiều ngành khác nhau, do đó chắc chắn còn những hạn chế cần trao đổi. Chúng lôi rất mong muốn và xin cảm ơn sự góp ỷ cùa quý độc già. Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi về: Phòng biên tập sách Khoa học kỹ thuật - Nhà xuất bản Xây dựng - 37 Lê Đại Hành - Hà Nội. Điện thoại: 043.9760216. T ác giả Phạm Hữu Hanh 5
Chưong 1 BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIÈN Đại dương có diện tích bề mặt nhiều hơn hai lần tổng cộng của cả bẩy lục địa trên trái đất, trên đó con người hoạt động khai thác để phục vụ cho cuộc sống của mình. Lịch sử của nhân loại đã ghi nhận, biển dùng để đánh bắt cá, buôn bán vượt đại dương và để chôn lấp phế thải. Ngày nay, ngoài những khai thác truyền thống, việc xây dựng các công trình biển để phục vụ con người ngày càng quan trọng. Đặc biệt, biển chứa hơn 25% hydrocacbon của thế giới dưới dạng gas và dầu, đây là nguồn năng lượng cực kỳ quan trọng phục vụ cho cuộc sống con người. Mặt khác, dân số thế giới đã vượt 7 tỳ người, do đó đòi hỏi phải xây dụng các công trình trên biển để phục vụ khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên biển cũng như sinh hoạt, giải trí... 1.1. PHÂN LOẠI KÉT CÁU BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIÊN Kết cấu bê tông cho công trình biển có thể được phân loại theo nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào các tiêu chí: 1. Dựa vào công dụng, công trình biển gồm các công trình như: neo tầu, thuyền; đê chán sóng, thủy triều; ụ tầu và thùy phi cơ; thiết bị chứa; ụ tầu nổi và giàn khoan. 2. Dựa trên nét đặc biệt cùa thiết kế, Buslov [15] đã chia các kết cấu của công ưình biền ra 5 nhóm chính: cọc, buồng mềm, trọng lực, ụ cao su và kết cấu nổi. Mỗi nhóm lại gồm một số loại kết cấu khác nhau về cách chịu tải trọng (xem hình 1.1). Tuy nhiên, phân loại cùa Buslov chỉ xác định cho những kết cấu cơ bàn; ngoài ra còn các loại liên hợp, tồng hợp như tường neo cứng, mạng cọc, kết cấu liên hợp bê tông - thép... 3. Dựa vào vị trí chế tạo kết cấu: sản xuất tại nhà máy - đúc sẵn, đổ tại chỗ. 4. Dựa vào vật liệu chế tạo: kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất trước. 5. Dựa theo đặc điểm làm việc cùa công trình: ngập nước, nước thay đổi, tiếp xúc với không khí biển. 7
Nghiêng Cứng Mèm Congxon Neo Nhièu neo a) Giàn cọc bẽ tông b) Vách ngăn mềm Tường cứng Tường khối Kho chứa Cpc Lớp Tổ hợp c) Giàn trọng lục d) Ụ vật liệu rời HUHB Cái choàng Khớp Dây neo e) Kết cấu noi Hình 1.1. Phân loại két cấu cùa công trình biến [15] 1.2. SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH BIẺN Để xây dựng các công trinh biển, dùng 3 loại vật liệu cơ bản: đó là gỗ, thép và bê tông, trong đó bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến nhất trong công trình biển. Bê tông cốt thép đã được sử dụng gần 200 nãm qua và trờ thành một trong những vật liệu công nghiệp phổ biến nhất trên thế giới. Những lý do để loại vật liệu này có ưu thế lớn mà những người xây dựng lựa chọn như: có độ bền trong nước, rất dễ dàng tạo hình các kết cấu với hình dáng kích thước khác nhau, giá thành thấp, và có thể sản xuất ờ mọi nơi trên thế giới. 1 So với các vật liệu xây dụng khác, bê tông còn chịu tác động tốt hơn của nước chứa muối khoáng. Do đó, bê tông là vật liệu được cho là loại sử dụng phù hợp nhất đối với các kết cấu dùng cho công trình biển. Trong xây dựng ờ những thập ký gần đây có rất nhiều dự án về công trinh biển sử dụng bê tông. Nhiều tác giả còn dự đoán thế ký 21 là thế kỷ của vật liệu bê tôtig dùng cho công trình biền. Thực tế cũng dễ thấy ràng bê tông được sử dụng ngày càng tăng cả ở công trình ven bờ và ngoài khơi. Lịch sử về sứ dụng bê tông trong công trình biển chi ra rằng bê tông là loại vật liệu rất bền. Nhiều công trình trên các đảo ờ châu Âu được xây dựng từ thời La Mã cổ đại bằng chất kết dính vôi-puzơlan đã chống được sự phá hoại trong thời gian vài nghìn
năm, hay một số kết cấu rất cồ vẫn tồn tại được trên các bãi biển. Tuy nhiên, thực tế cũng chứng minh ràng không có một loại vật liệu nào bền tuyệt đối với môi trường biển - một trong những môi trường ăn mòn phả biến nhất trên thế giới. Bên cạnh những công trình bê tông bền vững với thời gian, chúng ta cũng không thể thống kê được số lượng kết cấu mà không thể chịu được sự phá hoại cùa đại dương. Các tài liệu lịch sừ về sừ dụng bê tông trong công trinh biển luôn gắn liền với sự phát triển công nghệ bê tông và xi mãng. Vào năm 1756, John Smeaton, một kỹ sư người Anh, được giao nhiệm vụ xây dựng ngọn đèn biển Eddyston Rock ờ cửa phía Tày cùa kênh đào ở nước Anh. Do tác động khắc nghiệt cùa sóng và ăn mòn của nước biển, ông muốn chất kết dính phải cứng rắn và bền vững hơn so với hỗn hợp truyền thống là vôi tôi puzơlan - một loại vật liệu có từ thời La Mã và đang được sừ dụng trong thời gian đó ờ châu Ẩu. Theo đó, chất kết dính để tạo ra vữa bền nước gồm 2 phần cùa vôi tôi phối hợp với một phần của puzolan zeolit (tuff núi lứa ờ vùng Andemach - Tây Đức) được trộn với nước để tạo ra hồ. Smeaton nhận thấy loại chất kết dính này không phù hợp cho công trình biển nên đă tiến hành một số thí nghiệm các mẫu chất kết dính khác với nguyên mẫu. ô n g cũng tìm ra loại vôi để sản xuất vữa tốt nhất là loại được nung từ các đá vôi có lẫn sét. Theo Lea, đây có lẽ là lần đầu tiên tính chất cùa vôi thủy (tiền thân của xi măng pooclăng) được giới thiệu. Ngọn đèn biển Eddystone (hình 1.2) là mốc quan trọng trong lịch sử phát triển xi măng pooclăng cũng như của giao thông đường biển. Ngọn đèn biển tồn tại đến 120 năm khi phần móng cùa nó bị phá huỷ. m u h 1.2. Ngọn đèn bién Eddystone (nguồn ảnh: http://www.antique-prints.de) Năm 1918, Vicat đã chế tạo ờ Pháp loại vôi thùy nhân tạo bằng cách canxi hoá hỗn hợp nhân tạo từ đá vôi và đất sét có độ tinh khiết cao. Kỹ thuật này là sơ khai của kỹ thuật sàn xuất xi măng hiện đại được cấp bằng sáng chế năm 1824 ờ Anh cho Joseph 9
Asdin. Sau đó các kết cấu ở bãi biển và bến cảng làm bàng gỗ, đá thiên nhiên đã được thay thế dần bằng bê tông xi măng pooclăng là loại vật liệu đa chức năng và dễ thi công hơn. Việc tìm ra bê tông cốt thép cuối thế ký 18 là một điều kiện thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng kết cấu cho công trinh biển trên toàn thế giới và đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển công nghiệp bê tông và xi mãng trong tương lai. Các quốc gia châu Âu vào thế kỷ thử 18, đặc biệt Anh và Pháp, là các nước dẫn đầu về công nghiệp phát triển công nghệ bê tông, xi măng cũng như kỹ thuật biền, vì phát triển nghề hàng hải dã đáp úng cuộc cách mạng công nghiệp ở trong nước và các nước thuộc địa của họ. Hiện nay, theo công dụng, bê tông sử dụng trong công trình biển có rất nhiều loại nhưng được quan tâm nhiều nhất là 5 dạng kết cấu chính: bê tông dùng cho các giàn khoan dầu, bê tông cho các cầu siêu nhịp, bê tông cho các đường hầm dưới đáy biển và bê tông cho các đê chắn sóng, chán bão. 1.2.1. Bê tông sử dụng cho các giàn khoan dầu Khi dùng bê tông làm các kết cấu trọng lực cho công trình giàn khoan dầu ờ biển có rất nhiều ưu điểm: - Dung lượng chứa nhiên liệu lớn và dễ dàng đỡ kết cấu ở trên; - Có độ bền tốt hon trong môi trường biển; - Giá thành thấp; - Dễ dàng thay đổi hình dáng kích thước; - Có độ bền rất tốt với nhiệt độ thấp; - Có độ bền mòi tốt hơn; - Có độ bền tốt hơn khi bị va chạm của tầu bè, cháy nổ... Chính vì vậy, bê tông đă được nghiên cứu và sử dụng, trong đó được dùng nhiều nhất là ở vùng OSPAR gồm toàn bộ Đông Bắc biển Atlantic và vùng biển Băc. Ở đây có tới 27 giàn khoan bê tông trọng lực đã được xây dựng. Trong đó ở N a Uy cỏ 12 giàn khoan với chiều sâu từ 70-330m, công trinh được xây dụng sớm nhất là giàn Ekofist năm 1973 và lớn nhất là “Troll Gas” năm 1995; Anh đã xây dụng được 12 giàn khoan phần lớn vào những năm 1970; Hà Lan có 2 giàn khoan và Đan Mạch có 1 giàn khoan được xây dựng vào năm 1999, đó là công trình gần đây nhất ờ vùng biển này [28], Ở Philipines, công trình biển với kết cấu bê tông trọng lực được xây dựng đầu tiên vào cuối năm 2001. Công trình này được xây dựng ở chiều sâu gần 43m, cách đào Palawan 50km về phía Tây; nó gồm các kết cấu caisson chữ nhật 112x70m, cao 16m. Kết cấu này gồm có 4 trục đỡ cao trên mặt nước 15m với trọng tài công trình phía trên 10
là 30.000 tấn, toàn bộ móng và trục nâng là kết cấu bê tông trọng lực với khối lượng bê tông 660.000 tấn, cốt thép 7.100 tấn và 600 tấn thép ứng suất trước. Ở Nga, giàn khoan Luskoye (LUN-A) được xây dụng ngoài khơi đào Sakhalin. Ket cấu bê tông trọng lực được thiết kế vào năm 2004 và thi công hai khối kết cấu bê tông trọng lực lớn nhất đã cần tới khoảng 2000 công nhân lao động. Trên hình 1.3, 1.4 và bàng 1.1 là một số kiểu giàn khoan bê tông trọng lực. innli 1.4. Một só kiếu giàn khoan trọng lực [19]: a) Kết cấu kiếu Condeep; b) Kết cấu kiếu Andoc; c) Kết cáu kiểu See Tank; d) Kết cấu kiếu Doris; e) Kiểu móng bé lông phần trên thép. 11
Bảng 1.1. Một số giàn khoan kết cấu bc tông trọng lực Giàn khoan Loại kết cấu Hãng xây dựng Biển Chiều sâu (m) Năm Ekofist Tank Doris Phillip Na Uy Na Uy 70 1973 Frigg TCP2 Condeep TotalFinaElf Na Uy 103 1977 Statfjort A Condeep Statoil Na Uy 145 1977 Gullfaks A Condeep Statoil Na Uy 134 1986 Gullfaks B Condeep Statoil Na Uy 142 1987 Gullfaks c Condeep Statoil Na Uy 217 1989 Draugen Condeep Shell Na Uy Na Uy 250 1993 Osebert A Condeep Norsk Hydro Na Uy 109 1988 Statjort B Condeep Statoil Na Uy 145 1981 Statjort c Condeep Statoil Na Uy 145 1984 Sleipner A Condeep Statoil Na Uy 83 1992 Troll Gas Condeep Statoil Na Uy 330 1995 Frigg CDP] Doris TotalFinaEIf 98 1975 FriggTPl Sea Tank TotalFinaEIf 103 1976 Dunlin A Andoc Shell 151 1977 Ninian Sentral Doris Kert-McGree 135 1978 Comorant A See Tank Shell 150 1978 Brent B Condeep Shell Anh 139 1975 Brent c See Tank Shell 141 1978 Brent D Condeep Shell 142 1976 Noth Revertbum Arup BP 43 1989 Harding Technip BP 110 1995 Beryl A Condeep Exon mobil 117 1975 MC01 Doris TotalFinaElf 94 1976 F/3 Drilling NAM 42 1992 Hà Lan Halfweg Wellheat Unocal 30 1995 Bream Gippsland Exon mobil 61 1996 West Tuna Gippsland Exon mobil Úc 61 1996 Wandoo WA14-L Exon mobil 55 1996 Schewedeneck DCS RWEDEA Đức 16 1984 12
Giàn khoan ờ vùng nước nông ờ biển Beaufort, Alaska, đã được xây dựng vào năm 1984. Theo ghi nhận cùa Yee [43], ba tồ hợp cơ bàn cùa hệ thống vật liệu sừ dụng cho điều kiện môi trường thay đổi gồm có nền móng, pliần bẻ tông và kho chứa. Phan móng hoàn toàn ngập nước và phan kho chứa không chịu tác động cùa băng giá, vi thế được cấu tạo bàng thép. Kết cấu bê tông ứng suất trước (có kích thirớc 71x71xl3m ) sử dụng ờ vùng nước lên xuống, thiết kế đề chịu được tài trọng uốn, kéo và xoắn từ các tàng băng trôi. Giàn khoan được chế tạo ờ Nhật Bàn, sau đó được kéo và láp dựng ờ biển Beaufort. Cường độ kết cấu và phần nồi đà được tối tru hóa bàng sừ dụng hai loại bẻ tòng theo môđun. Lớp bên trong sir dụng bê tông cường độ cao (55M Pa) và khối lượng thề tích thông thường, trong khi đó phần đinh, đáy và phần tường ngoài sử dụng bê tông nhẹ cường độ cao (45MPa) với cốt liệu nhẹ, lồ rỗng kín làm từ đất phiến sét. 1.2.2. C ầu nhịp lớn virọt biổn Sừ dụng dầm cầu bê tông ứng suất trước có nhịp khoáng 120-200m kinh tế hơn các dầm cầu thép. Ớ Na Uy. 16 cây cầu dây văng nhịp 150m hoặc lớn hơn đã được xây dựng trong những năm 1973 - 1983 và ruột số cầu bê tông ứng suất trước với nhịp chính dài 100-150m cũng được xây dựng trong thời gian này. Năm 1987, cầu Norddals Fjorden có nhịp chính dài 203m đã được xây dựng với chi phí chi 4 triệu USD với công nghệ xây dựng các nhịp cầu phảng dài. Việc giảm tải trọng tĩnh cỏ thể đạt được băng cách sừ dụng bê tông nhẹ cường độ cao như đã nói ở trên. Đây là phương pháp có hiệu quả cao để giảm kích thước tiết diện kết cấu, trọng lượng và giá thành công trình, c ầ u đầu tiên dùng bê tông nhẹ cường độ cao là cầu Helgeland với nhịp chính 390m, xây năm 1990. Sau đó có thêm các cầu bê tông nhiều nhịp khác như cầu bấc qua sông Straits ờ Gibraltar và một cây cầu qua eo biển Bering. Hình 1.5. càu treo Akashi Kaiyko với trụ cầu Theo Lin, cầu từ Alaska đến được xâv dimg bang bê lông kiên co chống chọi với sóng lớn, gió mạnh và động đất Siberia qua Bering Strait có the (nguỏn anh: http://www.khoalioc.coni.vn) nối châu Âu và châu Mỹ, từ đó tạo sự gẳn bó giao lưu văn hóa, khuyến khích giao thương và sự hiểu biết lẫn nhau giữa người dân ờ các châu lục. Với mục dich đó, cầu này được gọi là c ầ u hòa bình Quốc tế. 13
Bản vẽ giới thiệu bởi Lin bao gồm 220 nhịp, mỗi nhịp dài 200m và chiều cao thông thúy khoảng 23m. Mỗi nhịp cần khoảng 20.000m 3 bê tông thường và 2,6 triệu m 3 bê tông nhẹ. Cầu Akashi Kaikyo (hình 1.5), còn có tên tiếng Anh là Pearl Bridge, là một cầu treo kiều kết cấu dây võng ở Nhật Bản bắc qua vịnh Akashi; nối Maiko ờ Kobe với Iwaya của đảo Awaji và là một phần trong tuyến đường cao tốc Honshu - Shikoku. Đây là cây cầu treo có nhịp dài nhất thế giới tại thời điểm đó. c ầ u có tất cả 3 nhịp, nhịp chính dài 1991m, hai nhịp biên dài 960m. Tổng chiều dài cầu là 391 lm . 1.2.3. Đường hầm dưói đáy biển Đường hầm dưới đáy biển là loại công trình có bề mặt xung quanh tiếp xúc trực tiếp với nước biển (ví dụ như đường hầm Kanmon giữa đảo Honshu và Kyushu ở Nhật Bàn, đường hầm Suez) hoặc năm sâu dưới đáy biển. Bê tông chất lượng cao cần được sử dụng cho kết cấu đường hầm này vì chịu ăn mòn mạnh cùa nước biển. Hình 1.6 là mặt cắt dọc của đường hầm lớn nhất thế giới (đường ngầm xe lửa Seikan ờ Nhật Bản). Đường hầm này dài tổng cộng là 54km, trong đó có 23km ngầm dưới biển với ba phần: hầm có hai đường ray xe lửa, đường hầm dịch vụ song song và một đường hầm nhỏ thoát nước bẩn. Công trình này bắt đầu được xây dựng năm 1964 và hoàn thành năm 1988. Kết cấu bê tông của đường hầm ở độ sâu 100m dưới đáy biển có phần giữa được mờ rộng hai đường ray để tránh tàu, còn phần hẹp có một đường ray cho tàu chạy. Từ khi đưa vào sử dụng công trình này đã giúp cho giao thông thuận tiện hơn giữa toàn bộ dân ưên đảo Honshu và đảo Hokaido, mặt khác nó có vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển kinh tế vùng Hokaido - nơi giàu tài nguyên thiên nhiên. Hình 1.6. Đường ngầm Seikan ớ Nhật Bàn (nguồn ành: hlìp://www.gconnecl. in) Đường hầm ờ châu Âu qua eo biển Manche (hình 1.7) có 50,5km ngầm dưới đáy biển nối liền Pháp và Anh được cho là kết cấu hạ tầng lớn nhất do nguồn tài chính của tư nhân đầu tư ở thế ký 20. Công trình được thiết kể sừ dụng trong 120 năm và hoàn 14
thành năm 1992 với kinh phí 9,2 tý USD, bao gồm 2 đường ray rộng 7,6m và một đường hầm phục vụ rộng 4,8m. Do chất lượng đá ờ khu vực xây dựng thấp nên các đường hầm được xây dựng bằng các kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép với loại bê tông chất lượng cao và chống thấm tốt. Năm 1987 có 2 đường hầm dưới biển dài khoảng 4km đã được xây dựng ờ Aelesund vùng bờ biển phía Tây N a Uy. Ket cấu công trinh đã sử dụng bê tông phun bắn chứa silicafume và cốt sợi thép. 1.2.4. Tường chắn sóng và bão Tường chắn sóng và bão thường được dùng để bào vệ các kết cấu công trình quan trọng ở bờ biển và ngoài khơi, noi có sóng biển cao (hình 1.8 và 1.9). Ví dụ điển hình là tường . J „ - _ , n o £ ' T " _ XT _ Hình 1.7. Đường hám cháu Au chăn bão được xây dựng năm 1986 ờ Tây Nam , , , (nguôn ánh: http://www.khoahoc.com.vn) Hà Lan. Công trinh này năm ờ đoạn bờ biên ngắn trong hàng trăm kilômet bờ biển của nước này, đã giúp ngăn nước mặn xâm nhập vào một vùng có diện tích lớn để xây dựng một nhà máy lọc nước. Tường rào chắn bão dài 3.000m được xây dựng với 3 mức thủy triều gồm 65 cấu kiện bê tông được lắp ghép vào giữa 62 tấm cổng thép. Trong đó, hai phần ba sổ cổng này có thể nâng lên hạ xuống khi mức thủy triều thay đổi cao thấp khác nhau. Các cổng này cũng có thể được đóng lại để đảm bảo an toàn cho dân cư trong khu vực khỏi bị nước tấn công từ phía biển Bắc khi m à mực nước dâng cao đến mức nguy hiểm. Hình 1.8. Tường chán bão Oosterschelde Hình 1.9. Đập Dworshak bang Idaho, Mỹ (nguồn ành: http://netspirit.dk) (nguồn ảnh: http://maps.pomocnik.com) 15
Đê Ekofist bàng bê tông được xây dựng năm ] 973 với chiều sâu 70m ờ khoảng cách 170km từ bờ biển Na Uy, được dùng để báo vệ chống sóng biển có áp lực tới 60T/m2 (sóng cao nhất trong 100 năm). Đê chán sóng này gồm các khối tường bê tông được thiết kế để ngăn sóng nước bàng các cấu kiện bê tông đúc sẵn không có cốt thép với cường độ nén 60-70MPa và có khả năng chống ăn mòn. Với rất nhiều kết cấu công trình biển được sừ dụng trong những thế ký qua, bê tông ngày càng chứng tò là vật liệu kinh tế và bền vững trong xây dựng. Trong hai thập kỳ gần đày, rất nhiều công nghệ đã tạo bước nhày vọt trong việc chế tạo vật liệu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất trước trong các giàn khoan dầu, cầu nhịp lớn và đường ngầm dưới biển. Chính điều này đòi hòi cần có sự nghiên cứu kỹ càng để tạo ra các loại bê tông có chất lượng cao hơn nữa, đáp ứng yêu cầu xây dựng kết cấu công trình biển trong thế kỷ mới. Với khá năng ứng dụng rộng rãi, bê tông công trình biển đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và thu được nhiều thành công trong thực tế. 1.2.5. Sử dụng bc tông chát lirọng cao trong công trình biển ở Việt Nam Ờ nước ta, bê tông dùng cho kết cấu công trình biển là một loại bê tông mới. Trong quy phạm Việt Nam hiện nay chưa có các quy định về loại bê tông này. Với lợi thế có phần bờ biển dài, sự lớn mạnh không ngừng cùa các công trình trên biển đang đặt ra một nhu cầu rất lớn về loại bê tông có độ bền cao trong môi trường biển Việt Nam. Trong thực tế, những loại vật liệu sứ dụng Irong các công trình chịu tác động xâm thực cùa nước biển thông thường là kim loại (thép và các hợp kim cùa thép), vữa, bê tông và bê tông cốt thép. Trong đó, vật liệu vữa, bê tông và bê tông cốt thép cần phải được tăng cường khả năng bền vững trong môi trường xâm thực cùa nước biển. Nhiều nhà khoa học đã tìm cách cải thiện cấu trúc của nó nhàm tăng độ đặc chắc cùa kết cấu. Các kết quả thu được từ những nghiên cứu ban đầu này đã cho thấy lợi thế vượt trội khi sử dụng loại bê tông chất lượng cao trong xây dựng các công trình trên biền. Ở Việt Nam, cường độ bê tông thông thường là 15-40MPa, do đó bê tông có cường độ từ 50MPa trờ lên được coi là bê tông cường độ cao. Một số nhà khoa học đã thực hiện các đề tài nghiên cứu về bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao. Tuy nhiên, những đề tài nghiên cứu về bê tông chất lượng cao dùng trong công trình biển còn hạn chế, các vấn đề khoa học vẫn chưa được giải quyết một cách thòa đáng. Việc ứng dụng triển khai các kết quả nghiên cứu cùa đề tài còn nhiều hạn chế do công nghệ thi công tại các công trình cliưa đáp ứng được đay đù các yêu cầu về vật liệu, công nghệ chế tạo. 16
Trong những năm tới đây, nhiều công trinh hiện đại sẽ được xây dựng ờ nước ta, đặc biệt là càng ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường biển. Các công trình biển như các kết cấu cọc, móng, tường chắn sóng, các công trinh an ninh quốc phòng, các công trinh cho hoạt động sán xuất và bào quản dưới đáy biển đề khai thác các nguồn năng lượng và vật liệu khoáng, các công trình phục vụ dầu khí như các giàn khoan, bề chứa dầu có thể làm bàng bê tông xi măng pooclăng. Tuy nhiên, với những yêu cầu chặt chẽ hơn về kỹ thuật đề đàm bào sự an toàn và tuồi thọ dài, các công trinh này đòi hòi các loại bê tông vừa có cường độ cao và đặc biệt phái bền vững trong môi trường xâm thực. Vì vậy, sừ dụng bê tông chất lượng cao cho các công trinh biển sẽ là xu thế tất yếu trong ngành xây dụng (hình 1. 10 ). a) Kè bê tông xi mãng chống xói lớ b) Công trình nhà ở và bến cập thuyền c) Cầu càng 1000 lấn d) Đường băng sân bay trên đáo Hình 1.10. Một số công trình trên biến đào cần sử dụng bê tông chắt hrợng cao ớ Việt Nam [5] Càng Cái Lân ở miền Bắc nước ta đã được thiết kế theo bến trọng lực thùng chìm (caisson). Thùng chìm có kết cấu bê tông cốt thép kích thước I l x 2 0 x l 6 m 3 nặng 1770 tấn, công trinh được thiết kế và sàn xuất theo công nghệ Nhật Bàn [3], 17
Chương 2 MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG Diện tích mặt biển chiếm trên 70% bề mặt trái đất, với hơn 60% dân số thế giới sống trong vùng đất cách bờ biển lOOkm. Vì vậy, môi trường biển có ảnh hường rất nhiều đến các công trình xây dựng phục vụ nhu cầu sống của con người. Nội dung chương này nhằm giới thiệu về các yểu tố đặc trung của môi trường biển và những tác động của chúng đến các công trình sử dụng vật liệu bê tông. 2.1. ĐIÈU KIỆN MÔI TRƯỜNG BIẺN Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường nước biển và môi trường không khí trên mặt biển. Môi trường biển bao gồm các yếu tố đặc trưng sau đây: 2.1.1. Không khí biển Không khí biển bao gồm khí quyển mặt biển và phạm vi chịu ảnh hưởng cùa khí quyển biển trên đất liền. Các yếu tổ xâm thực trong không khí biển bao gồm: c r , CƠ 2, N 0 3', N H 3, SO 3, SO 2, HC1, H 2S, HF... Theó nhiều nghiên cứu, sự phá hoại các công trình bê tông cốt thép và thép do không khí biển chủ yếu là c r . Nồng độ cùa các chất trong không khí biển phụ thuộc vào vị trí, điều kiện khí hậu: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió... Theo các tác giả N hật Bản, với điều kiện biển tại Okinawa có thể chia khí hậu biển làm 3 vùng: Vùng 1: từ mép nước tới 250m có hàm lượng muối sa lắng tính theo NaCl khoảng 0,3mg NaCl/dm2/ngày đêm. Vùng 2: từ 250m đến lOOOm trung bình 0,02mg NaCl/dm2/ngày đêm. Vùng 3: từ 1000m đến lOkm hàm lượng muối còn rất ít. Phân loại này cũng gần như phân loại của ú c (AS 3600): 0-1 km là vùng ven biển; l-50km là cận ven biển, trên 50km là nội địa. Việt Nam nằm trong vành nội chí tuyến, bức xạ mặt trời khá lớn khoảng 100- 150kCal/cm2, nhiệt độ trung bình 22,5-27,5°C. Các yếu tố này thúc đẩy việc bốc hơi 18
nước, làm tăng nồng độ c r trong khí quyển. Không khí biển sát mép nước ở miền Bắc Việt Nam trung bình 0,67mg c r/m 3 và ờ miền Nam là l,2 m g c r/m 3. Nồng độ giảm mạnh ờ khoảng 200m đầu (chi còn khoảng 50%) và đến lOOOm chi còn khoảng 30%. Tuy nhiên, cũng phụ thuộc vào tốc độ gió, địa hình có những khu vực cách biển đến 2 0 km hoặc cao hơn vẫn chịu tác động cùa không khí biển. 2.1.2. Thành phần hóa học của nước biển Nước biển thông thường chứa 3,5% tính theo khối lượng là các loại muối tan (tức là cứ lkg nước biển thì có 35gam các loại muối tan). Thành phần hóa học cùa các muối có trong nước biển bao gồm chủ yếu là các ion Na+, K+, Mg2+, Ca2+, c r và S 0 42’ với hàm lượng trung bình được giới thiệu trong bảng 2.1. Thành phần nước biển ờ Việt Nam và một số quốc gia khác như ở bảng 2 .2 . Bảng 2.1. Thành phần các ion hóa học chủ yếu có trong nước biển (32] Số lon Hàm lượng (g/1) 1 Na* 11,00 2 r 0,40 3 Mg2* 1,33 4 Ca2+ 0,43 5 cr 19,80 6 so 4' 2 2,76 Ngoài các muối tan, nước biển còn chứa một số khí như 0 2, CO 2, H 2S tuỳ thuộc vào vị trí địa lý và khí hậu cùa các vùng biền khác nhau. Những khí này hoặc là bi tan trong nước biển hoặc là bị cuốn vào nước biển gần bề mặt không khí, chủng có ảnh hường đáng kể đến các quá trình hóa học và điện hóa, gây ra ăn mòn kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Bàng 2.2. Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và thế giói [6] Chi tiêu Đơn vị Vùng biển Hòn Gai Vùng biển Hải Phòng Biền Băc Mỹ Biển Bantic pH - 7,8 - 8,4 7,5 - 8,3 7,5 8,0 cr gn 6,5-18,0 9,0 - 18,0 18,0 19,0 Na* gn - - 12,0 10,5 so / gn 1,4-2,5 0,002 - 2,2 2,6 2,6 Mg2* gn 0 ,2 - 1,2 0,002 - 1,1 1,4 1,3 19
2.1.3. Áp lực thủy tĩnh Một đặc điểm cần chú ý của nước biển là áp lực thủy tĩnh. M ột mét nước biển tạo một áp lực thủy tĩnh khoảng hơn 1 tấn/m 2 vì khối lượng thể tích trung bình của nước biển khoảng 1,026 tấn/m3. Khối lượng thể tích của nước biển tăng một chút theo chiều sâu, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và các thành phần tạp chất rắn. Áp lực thủy tĩnh của nước biển được tính theo công thức: p = p.H ừong đó: p - áp lực thúy tĩnh (T/m2); p - khối lượng thể tích của nước biển (T/m3); H - độ sâu nước biển (m). Áp lực thủy tĩnh tác dụng theo cả 3 phương: hướng xuống dưới, theo phương ngang và hướng lên trên. Tuy nhiên, áp lực thùy tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc cùa sóng biển, vì nó làm thay đổi độ sâu của nước biển. Áp lực thủy tĩnh gây ra các dòng chảy trong hệ thống các lỗ rỗng hở của bê tông bị ngập trong nước biển, đồng thời nó cũng tạo ra sự thấm nước biển vào trong lòng đất có thể sâu tới 3-4m và gây phá hủy các kết cấu móng công trình bê tông cốt thép [11, 32], 2.1.4. Nhiệt độ Nhiệt độ bề mặt nước biển dao động khá lớn, từ -2° c (ở các vùng khí hậu lạnh) đến 32°c (thường là ờ khu vực nhiệt đới). Nhiệt độ nước biển giảm dần theo độ sâu; nước biển có nhiệt độ bề mặt 32°c thì ờ độ sâu 1.000m nhiệt độ sẽ ổn định ở khoảng 2 °c [11, 22, 32]. Nước biển lạnh thường chứa nhiều ôxy tan hơn trong nước biển ấm. Nhiệt độ nước biển có tính quyết định đến sự sống và phát triển của sinh vật và động vật biển. Đồng thời nhiệt độ nưỏc biển cũng ảnh hưởng lớn đến lớp không khí trên bề mặt biển. Ở nước ta và các nước trong khu vực khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ không khí có lúc lên đến 40°c cộng với độ ẩm lớn làm cho tốc độ bay hơi nước biển nhanh, nên có thể tạo ra hiện tượng sương muối vào buổi sáng, làm rtgưng tụ hơi nước muối trên bề mặt các kết cấu ờ môi trường biển này. Nước biển cỏ nhiệt độ cao và chứa nhiều ôxy thường đẩy nhanh tốc độ các quá trình phản ứng hóa học và điện hóa với các thành phần của kết cấu bê tông cốt thép, làm gia tăng sự phá hủy các kết cấu đó. Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình khoảng 22,6% tăng dần từ Bắc vào Nam. Miền Bắc các tháng mùa đông nhiệt độ thuờng thấp dưới 20°c, trong khi đó mùa hè có thời gian nhiệt độ cao hơn 40°C; ở miền Nam nhiệt độ cao quanh năm. Việt Nam là nước có độ ẩm cao, đặc biệt, miền Bắc có độ ẩm 83-86%, môi trường ẩm ướt đẩy nhanh quá trình ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép. Đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian ẩm ướt lên bề mặt của các cấu k iệ n ĩề tông và bê tông cốt thép, vì hàm lượng nước 20
ảnh hường rất lớn đến quá trình ăn mòn. Trong đó thời gian ầm ướt cấu kiện được tính bàng tổng của thời gian mưa, sương mù, nồm và thời gian kéo dài ẩm. Đây cũng là cơ sờ để nghiên cứu đặc điểm ăn mòn cùa môi trường biển ở Việt Nam. 2.1.5. Sinh vật biển Các sinh vật biển có liên quan đến các công trình bê tông trong môi trường biển thường được đề cập đến là trai biển, lươn biển, đia, rong tảo, nhím biển. Các sinh vật biền này thường xuất hiện ở nước biển tới độ sâu 60m, nhưng hoạt động mạnh ở khoảng 20m kể từ m ặt nước biển do khu vực này có nhiều ánh sáng m ặt trời. Hầu hết các sinh vật biển có khối lượng riêng bằng hoặc cao hơn một chút so với khối lượng riêng của nước biển. Các sinh vật biển bám vào kết cấu có thề bị sóng to của các cơn bão đánh bật ra và cuốn đi. Các hoạt động sống của sinh vật biển chịu nhiều tác động từ nhiệt độ, hàm lượng ôxy trong nước biển, độ pH, độ mặn cùa nước biền, dòng chảy và ánh sáng [11, 22, 32], 2.1.6. Thủy triều Thùy triều bao gồm hai hiện tượng chính là việc dâng và hạ mực nước biền diễn ra định kỳ hàng ngày. Thủy triều lên và xuống thường cách nhau khoảng 6 giờ 13 phút. Do vậy, hai lần thủy triều cao nhất (hoặc thấp nhất) cách nhau khoảng 12 giờ 25 phút. Hiện tượng thủy triều là do lực hút của mặt trăng đối với trái đất, phần nước biển của trái đất ờ phía gần mặt trăng sẽ bị kéo cao lên một chút, đồng thời lại đẩy phần đặc cùa trái đất ra xa một chút. Do vậy, các kết cấu bê tông tiếp xúc với nước biển luôn chịu tác động cùa chu kỳ ướt-khô, lạnh-nóng hàng ngày. Sự chênh lệch mực nước biển giữa lúc thủy triều lên và xuống rất đa dạng, từ 0,5m cho đến 15m, tuỳ vào địa hình các vùng biển khác nhau [32], Thông thường thì các cừa biển và các vịnh hình phễu có độ chênh lệch mực nước thủy triều lóm. Kích thuớc, độ sâu và độ mở của biển cũng ảnh huởng đến mực nước thủy triều. Đại Tây Dương và Thái Bình Dương thường có thủy triều thay đổi nhiều, nhưng biển Đ ịa Trung Hải thì rất ít thủy triều. Độ chênh lệch mực nước biển thủy triều ở các đại dương thường không lớn, thường là dưới lm , nhưng khi gần bờ thì độ chênh lệch này cỏ thể lên đến 4-5m. Địa hình và độ sâu ở khu vực gần bờ cũng làm cho thủy triều chia ra thành các dòng chảy với các hướng đi và vận tốc chuyển động khác nhau, dẫn đến hiện tượng tạo ra các vùng nước xoáy. 2.1.7. Sóng biển và dòng chảy Sóng biển thường được hình thành do tác động của gió lên bề mặt nước biển, năng lượng gió được truyền sang sóng biển do lực ma sát của gió lên bề mặt nước biển. Bên cạnh đó, sóng biển còn được tạo ra do các hiện tượng thiên nhiên khác nhu là chuyển động dòng chảy, lở đất, nổ và động đất [11, 32], Sóng biển gây tác động nhiều đến các công trình nổi trên biển, làm cho các kết cấu này chịu lực phức tạp theo các phương 21