Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đường ở khu vực duyên hải Nam Trung bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm đề xuất biện pháp làm tăng độ bền cho bê tông xi măng mặt đường để kéo dài tuổi thọ đồng thời giảm được các chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ, đảm bảo an toàn trong quản lý và sử dụng là vấn đề mang tính khoa học, kinh tế và thực tiễn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đường ở khu vực duyên hải Nam Trung bộ

i LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Nguyễn Thanh Sang. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình, góp ý và định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu để giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Đường Bộ, Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng – Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Thế Truyền đã đóng góp các ý kiến cho luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại Học Giao Thông Vận Tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại Trường. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận Tải, lãnh đạo Khoa Công Trình đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải 2, Phòng Thí nghiệm & Kiểm định - Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3 - Cục Quản lý Đường bộ III đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2016 Tác giả Hồ Văn Quân
ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập –Tự do – Hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Hồ Văn Quân
iii MỤC LỤC Lời cảm ơn .............................................................................................................. i Lời cam đoan .......................................................................................................... ii Mục lục .................................................................................................................iii Danh mục các bảng ............................................................................................... ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị................................................................................ xii Danh mục các chữ viết tắt, các kí hiệu ................................................................. xiv MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN. ...................................................................................... 5 1.1 KHÁI QUÁT VỀ VÙNG DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ ............................. 5 1.1.1 Các đặc trưng khí hậu vùng duyên hải Nam Trung bộ .................................... 5 1.1.2 Tác động của biến đổi khí hậu ....................................................................... 5 1.1.3 Phân vùng môi trường biển Việt Nam ............................................................ 6 1.1.3.1 Vùng ngập nước.......................................................................................... 6 1.1.3.2 Vùng khí quyển trên và ven biển ................................................................. 7 1.1.3.3 Vùng thủy triều lên xuống và sóng đánh ..................................................... 7 1.2 CÁC TÍNH CHẤT THẤM, ĐỘ BỀN VÀ CÁC CƠ CHẾ SUY GIẢM ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG ........................................................................................ 7 1.2.1 Các vấn đề chung ........................................................................................... 7 1.2.1.1 Khái niệm bê tông xi măng ......................................................................... 7 1.2.1.2 Phân loại bê tông xi măng ........................................................................... 8 1.2.1.3 Cấu trúc của bê tông xi măng ...................................................................... 9 1.2.2 Các tính chất thấm của bê tông xi măng ....................................................... 13 1.2.2.1 Quá trình vận chuyển ................................................................................ 13 1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất thấm của bê tông xi măng ................. 15 1.2.3 Độ bền của bê tông xi măng và các cơ chế suy giảm độ bền ........................ 15 1.2.3.1 Khái niệm độ bền của bê tông xi măng ..................................................... 15 1.2.3.2 Các cơ chế suy giảm độ bền của bê tông xi măng...................................... 17
iv 1.3 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG .............. 24 1.3.1 Phân loại mặt đường ô tô có lớp mặt bằng bê tông xi măng ......................... 24 1.3.1.1 Mặt đường BTXM thường có khe nối (JPCP) ........................................... 24 1.3.1.2 Mặt đường BTCT có khe nối (JRCP) ........................................................ 24 1.3.1.3 Mặt đường BTCT liên tục (CRCP)............................................................ 25 1.3.2 Cấu tạo mặt đường bê tông xi măng ............................................................. 25 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC ........................................................................................ 27 1.4.1 Các nghiên về độ bền của bê tông xi măng trên thế giới ............................... 27 1.4.1.1 Các nghiên cứu về độ bền sun phát của bê tông xi măng ........................... 27 1.4.1.2 Các nghiên cứu về độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo của bê tông ....... 29 1.4.1.3 Các nghiên cứu về thời gian khởi đầu ăn mòn, thời gian lan truyền ăn mòn cốt thép và tuổi thọ của kết cấu bê tông..................................................................... 34 1.4.2 Các nghiên cứu về độ bền của bê tông xi măng trong nước .......................... 36 1.5 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................ 39 1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU............................................................................ 40 1.7 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 40 1.7.1 Nội dung nghiên cứu. ................................................................................... 40 1.7.2 Phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 41 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................... 41 Chương 2: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ TỐC ĐỘ CACBONAT HÓA, ĐỘ THẤM ION CLO VÀ NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT BÊ TÔNG CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU BÊ TÔNG Ở KHU VỰC QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG .................................................. 43 2.1 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CACBONAT HÓA VÀ ĐỘ THẤM ION CLO CỦA MỘT SỐ MẶT BTXM Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG .................................. 43 2.1.1 Xác định hệ số cacbonat hóa của một số mặt đường bê tông xi măng ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng ...................................................................................... 43 2.1.1.1 Khảo sát, lấy mẫu và thí nghiệm xác định chiều sâu cacbonat hóa ............ 43 2.1.1.2 Kết quả đo chiều sâu cacbonat hóa của các mặt đường BTXM ................. 44
v 2.1.1.3 Xác định hệ số cacbonat hóa của một số mặt đường BTXM ..................... 46 2.1.1.4 Đánh giá chất lượng mặt đường BTXM .................................................... 47 2.1.2 Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng ........................................................................................................ 47 2.1.2.1 Chuẩn bị mẫu ............................................................................................ 47 2.1.2.2 Tiến hành thí nghiệm ................................................................................ 48 2.1.2.3 Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 50 2.2 PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ CLO BỀ MẶT BÊ TÔNG THEO THỜI GIAN CÁC CÔNG TRÌNH BTCT VEN BIỂN Ở KHU VỰC ĐÀ NẴNG ..... 50 2.2.1 Phương pháp xác định nồng độ clo bề mặt của các công trình xây dựng. .... 51 2.2.2 Lấy mẫu bê tông thí nghiệm xác định nồng độ clo bề mặt bê tông ............... 52 2.2.3 Phân tích kết quả thí nghiệm ........................................................................ 53 2.2.4 Phân tích sự thay đổi của nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian ............ 54 2.3 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐANG KHAI THÁC Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG DO CACBONAT HÓA VÀ XÂM NHẬP ION CLO .................................................................................................................. 58 2.3.1 Dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM đang khai thác ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do cacbonat hóa ...................................................................................... 58 2.3.2 Dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM đang khai thác ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập ion clo ................................................................................ 59 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................... 63 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ, ĐỘ BỀN SUN PHÁT VÀ ĐỘ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG......65 3.1 CÁC YÊU CẦU CỦA XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG XI MĂNG DÙNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ .......................................................................... 65 3.1.1 Các yêu cầu đối với xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô................65 3.1.2 Các yêu cầu đối với BTXM dùng trong xây dựng mặt đường ô tô................ 65 3.2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG .............................. 67 3.2.1 Xi măng. ...................................................................................................... 67
vi 3.2.2 Phụ gia khoáng ............................................................................................ 69 3.2.2.1 Tro bay. .................................................................................................... 69 3.2.2.2 Muội silic.................................................................................................. 70 3.2.3 Cốt liệu lớn. ................................................................................................. 71 3.2.4 Cốt liệu nhỏ ................................................................................................. 73 3.2.5 Phụ gia siêu dẻo ........................................................................................... 75 3.3 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG .......................................................... 75 3.3.1 Phương pháp ACI 211 ................................................................................. 75 3.3.1.1 Tiêu chuẩn ACI 211.1-97 .......................................................................... 75 3.3.1.2 Tiêu chuẩn ACI 211.4R – 08..................................................................... 81 3.3.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông .......................................................... 84 3.3.2.1 Tính toán thành phần bê tông cấp 30 MPa................................................. 84 3.3.2.2 Tính toán thành phần bê tông cấp 40 MPa................................................. 86 3.3.2.3 Tính toán thành phần bê tông cấp 50 MPa................................................. 88 3.3.2.4 Thử độ sụt để xác định lượng phụ gia siêu dẻo.......... ................................ 90 3.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ KÉO UỐN VÀ CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA CÁC LOẠI BÊ TÔNG .................................................................................... 91 3.4.1 Số lượng mẫu thí nghiệm ............................................................................. 91 3.4.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông ................................................ 91 3.4.3 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của bê tông .......... 93 3.4.4 Xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén đặc trưng của bê tông ............ 94 3.4.5 So sánh với yêu cầu của BTXM dùng để xây dựng mặt đường ô tô............ 102 3.5 THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN SUN PHÁT CỦA CÁC LOẠI BTXM .................. 103 3.5.1 Số lượng mẫu thí nghiệm ........................................................................... 103 3.5.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông .............................................. 103 3.5.3 Công tác thí nghiệm ................................................................................... 103 3.5.3.1 Xác định chiều dài ban đầu của các mẫu bê tông. .................................... 103 3.5.3.2 Xác định độ thay đổi chiều dài của các mẫu bê tông. .............................. 104
vii 3.6 THÍ NGHIỆM ĐỘ THẤM ION CLO CỦA CÁC LOẠI BTXM .................. 108 3.6.1 Số lượng mẫu thí nghiệm, công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông. .... 108 3.6.2 Công tác thí nghiệm ................................................................................... 110 3.6.3 Kết quả thí nghiệm..................................................................................... 110 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................. 112 3.7.1 Về các đặc trưng cường độ của bê tông xi măng ........................................ 112 3.7.2 Về độ bền sun phát và độ chống thấm ion clo của bê tông xi măng ............ 112 Chương 4: DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁC LOẠI BÊ TÔNG MỚI Ở KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG DO XÂM NHẬP ION CLO .......................................................................................... 113 4.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ TUỔI THỌ ..................................................... 113 4.1.1 Khái niệm về thiết kế tuổi thọ .................................................................... 113 4.1.2 Cơ sở để thiết kế tuổi thọ ........................................................................... 114 4.1.2.1 Tuổi thọ .................................................................................................. 114 4.1.2.2 Các mô hình suy giảm độ bền ................................................................. 115 4.2 KHÁI QUÁT KHUNG THIẾT KẾ TUỔI THỌ............................................ 116 4.2.1 Thiết kế hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) ............................................ 116 4.2.1.1 Phương trình thiết kế ............................................................................... 116 4.2.1.2 Các biến sức kháng và tải trọng .............................................................. 117 4.2.1.3 Các giá trị đặc trưng ................................................................................ 117 4.2.1.4 Các giá trị thiết kế và các hệ số riêng phần .............................................. 117 4.3 XÂM NHẬP ION CLO, KHỞI ĐẦU ĂN MÒN CỐT THÉP ....................... 119 4.3.1 Phương trình thiết kế.................................................................................. 119 4.3.2 Các giá trị thiết kế ...................................................................................... 120 4.3.3 Giá trị đặc trưng ......................................................................................... 120 4.3.3.1 Hình học ................................................................................................. 120 4.3.3.2 Vật liệu ................................................................................................... 120 4.3.3.3 Thi công.................................................................................................. 120
viii 4.4.3.4 Các tính chất tùy thuộc vào vật liệu và môi trường.................................. 120 4.4 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM SỬ DỤNG CÁC LOẠI BÊ TÔNG MỚI DO XÂM NHẬP ION CLO Ở VÙNG KHÍ QUYỂN BIỂN ............... 121 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4. ............................................................................ 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 129 1. Kết luận .......................................................................................................... 129 2. Những tồn tại, hạn chế .................................................................................... 130 3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................ 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước biển ở khu vực Đà Nẵng........................... 6 Bảng 1.2 Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ học và độ bền của bê tông [72] ...... 33 Bảng 1.3 Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ học và độ bền của các mẫu bê tông đúc tại chỗ và khoan từ mặt đường [107] .................................................................. 34 Bảng 2.1 Thành phần BTXM xây dựng mặt đường ở khu vực QN– ĐN ............... 43 Bảng 2.2 Kết quả đo chiều sâu cacbonat hóa và xác định hệ số cacbonat hóa của mặt đường BTXM Quảng Nam – Đà Nẵng ............................................................... 45 Bảng 2.3 Kết quả tính toán hệ số cacbonat hóa đặc trưng của BTXM ................... 47 Bảng 2.4 Đánh giá mức độ thấm ion clo của bê tông ............................................ 49 Bảng 2.5 Độ thấm ion clo của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng. ................................................................................................................................. 50 Bảng 2.6 Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng khí quyển biển ...................................................................................... 53 Bảng 2.7 Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng clo theo chiều sâu của các công trình ở vùng thủy triều .............................................................................................. 54 Bảng 2.8 Giá trị các tham số CS và m của các kết cấu bê tông với các điều kiện tiếp xúc khác nhau ........................................................................................................... 56 Bảng 2.9 Tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do cacbonat hóa ............................................................................................................. 58 Bảng 2.10 Giá trị đặc trưng nồng độ clo tới hạn.................................................... 59 Bảng 2.11 Độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng ............................................................................ 61 Bảng 2.12 Tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập clo ............................................................................................................ 62 Bảng 3.1 Cường độ nén và cường độ kéo uốn yêu cầu của xi măng dùng trong xây dựng mặt đường BTXM............................................................................................ 66 Bảng 3.2 Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng trong xây dựng mặt đường BTXM ................................................................................................................................. 66
x Bảng 3.3 Các chỉ tiêu yêu cầu của bê tông dùng trong xây dựng mặt đường ô tô .. 67 Bảng 3.4 Thành phần khoáng vật của các loại xi măng sản xuất tại Việt Nam ...... 68 Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ, lí của xi măng Nghi Sơn PCB40 ................................... 68 Bảng 3.6 Kết quả xác định lượng nước yêu cầu và độ hoạt tính của TB ................ 69 Bảng 3.7 Các tính chất của tro bay theo ASTM C618:05 và TCVN 10302:2014 .. 69 Bảng 3.8 Kết quả xác định độ hoạt tính của muội silic .......................................... 70 Bảng 3.9 Các chỉ tiêu của muội silic theo ASTM C1240 ...................................... 70 Bảng 3.10 Yêu cầu đối với bê tông tiếp xúc với các môi trường xâm thực nặng ... 71 Bảng 3.11 Các chỉ tiêu cơ, lí yêu cầu của cốt liệu lớn dùng làm mặt đường BTXM. ................................................................................................................................. 72 Bảng 3.12 Các chỉ tiêu cơ, lí của đá gốc Granit ở mỏ đá Phước Tường- Đà Nẵng..72 Bảng 3.13 Các chỉ tiêu cơ, lí của đá Dmax = 19 mm ở mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng ......................................................................................................................... 73 Bảng 3.14 Thành phần hạt của đá dăm ở mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng .............73 Bảng 3.15 Các chỉ tiêu cơ, lý yêu cầu của cát dùng làm mặt đường BTXM .......... 74 Bảng 3.16 Các chỉ tiêu cơ, lí của cát vàng Túy Loan – Đà Nẵng ........................... 74 Bảng 3.17 Thành phần hạt của cát vàng Túy Loan – Đà Nẵng........................... .... 74 Bảng 3.18 Các chỉ tiêu của phụ gia siêu dẻo Glinium 113..................................... 75 Bảng 3.19 Độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu ....................................... 76 Bảng 3.20 Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của bê tông tươi ................. 76 Bảng 3.21 Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén .................................. 78 Bảng 3.22 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông ....... 78 Bảng 3.23 Đề xuất độ sụt cho bê tông có và không có phụ gia siêu dẻo ................ 81 Bảng 3.24 Đề xuất độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu ........................... 81 Bảng 3.25 Kích thước lớn nhất của cốt liệu lớn............................... ...................... 82 Bảng 3.26 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông ....... 82 Bảng 3.27 Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của bê tông tươi trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% .......................................................................................... 83
xi Bảng 3.28 Gía trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất không có phụ gia siêu dẻo ................................................................................................... 83 Bảng 3.29 Gía trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất có phụ gia siêu dẻo............................... ................................................................................. 83 Bảng 3.30 Thành phần bê tông cấp 30, 40 và 50 MPa........................................... 90 Bảng 3.31 Số lượng các mẫu bê tông để thí nghiệm cường độ kéo uốn và nén...... 91 Bảng 3.32 Gía trị của kn cho giá trị đặc trưng 5% ................................................. 94 Bảng 3.33 Cường độ kéo uốn và cường nén đặc trưng của các loại bê tông ......... 95 Bảng 3.34 Tỉ số f’c/ f’c28, f’c/f’c0MS0TB và f’cn/f’cku của các loại bê tông ................... 98 Bảng 3.35 So sánh với cường độ kéo uốn yêu cầu của BTXM làm mặt đường ... 102 Bảng 3.36 Chiều dài ban đầu các mẫu bê tông sau khi bảo dưỡng ẩm 28 ngày ... 104 Bảng 3.37 Độ thay đổi chiều dài các mẫu bê tông theo thời gian ngâm ............... 105 Bảng 3.38 Độ thay đổi chiều dài trung bình các mẫu bê tông theo thời gian ngâm ............................................................................................................................... 106 Bảng 3.39 Tỉ số độ giãn nở của bê tông 7MS0TB, 5MS15TB so với bê tông 0MS0TB ................................................................................................................. 107 Bảng 3.40 Số lượng các mẫu bê tông để thí nghiệm độ thấm ion clo .................. 109 Bảng 3.41 Độ thấm ion clo của các loại bê tông xi măng .................................... 109 Bảng 3.42 Tỉ số Q28/Q280MS0TB, Q56/Q560MS0TB và Q56/Q28 của các loại BTXM ..... 110 Bảng 4.1 Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng bê tông ..................................... 120 Bảng 4.2 Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường với bê tông thường .................. 121 Bảng 4.3 Giá trị đặc trưng hệ số tuổi của bê tông ................................................ 121 Bảng 4.4 Độ thấm và hệ số khuyếch tán ion clo của các loại BTXM ở 28 ngày .. 123 Bảng 4.5 Tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển......................................................................................................................... 125 Bảng 4.6 Tỉ số tbđ/tyc, tbđ/tbđ0MS0TB và tbđ/tbđMĐ của các loại mặt đường BTXM..... 126
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân vùng môi trường biển Việt Nam [9]................................................. 6 Hình 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của bê tông [91]. ........................... 15 Hình 1.3 Suy giảm độ bền theo thời gian của bê tông xi măng [96] .. ................... 16 Hình 1.4 Vùng xâm nhập cacbonat hóa đạt đến cốt thép [77]................................ 21 Hình 1.5 Sơ đồ biểu diễn clo gây ăn mòn cốt thép [99]. ........................................ 22 Hình 1.6 Thể tích tương đối của các sản phẩm ăn mòn so với thể tích sắt [88]...... 24 Hình 1.7 Các hư hại do ăn mòn gây ra nứt, vỡ, tách lớp bê tông [86] .................... 24 Hình 1.8 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường ở mép tấm BTXM ......................... 25 Hình 1.9 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại góc tấm BTXM ......................... 26 Hình 1.10 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại vị trí cống hộp (cống chui) ...... 26 Hình 1.11 Cấu tạo và bố trí cốt thép gia cường tại vị trí cống tròn ........................ 27 Hình 1.12 Ảnh hưởng của MS và TB đến sức kháng sun phát của bê tông [102] .. 28 Hình 1.13 Ảnh hưởng của hàm lượng MS, TB và tỉ lệ N/CKD vào độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 28 ngày [79].. ............................................................. 32 Hình 1.14 Tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình của Tuuti [103] ..... 35 Hình 2.1 Xác định chiều sâu cacbonat hóa của mặt đường BTXM........................ 44 Hình 2.2 Thí nghiệm độ thấm ion clo của các mẫu bê tông.. ................................. 49 Hình 2.3 Công tác khoan lấy mẫu bê tông để xác định hàm lượng clo theo chiều sâu ................................................................................................................................. 52 Hình 2.4 Đường cong hồi qui của công trình mặt đường BTXM 4 tuổi ở vùng khí quyển biển. ............................................................................................................... 55 Hình 2.5 Đường cong hồi qui của công trình trụ cầu 19 tuổi ở vùng thủy triều.. ... 55 Hình 2.6 Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các kết cấu bê tông ở vùng khí quyển biển ............................................................................ 57 Hình 2.7 Đường cong thể hiện nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các kết cấu bê tông ở vùng thủy triều. ................................................................................... 57 Hình 2.8 Hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng ............................................................................................. 61
xiii Hình 2.9 Quan hệ giữa tuổi thọ của mặt đường BTXM ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập ion clo và chiều dày lớp bê tông bảo vệ ...................................... 62 Hình 3.1 Thử độ sụt của các hỗn hợp bê tông ....................................................... 92 Hình 3.2 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông .......................................... 92 Hình 3.3 Thí nghiệm kéo uốn và nén các mẫu bê tông. ......................................... 93 Hình 3.4 Biểu đồ phát triển cường độ kéo uốn của các loại BTXM ...................... 99 Hình 3.5 Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và tỉ lệ N/CKD của các loại BTXM ..... 99 Hình 3.6 Biểu đồ phát triển cường độ nén của các loại BTXM ............................. 99 Hình 3.7 Quan hệ giữa cường độ nén và tỉ lệ N/CKD của các loại BTXM .......... 100 Hình 3.8 Đo độ giãn nở của các mẫu bê tông theo thời gian ngâm trong dung dịch Natri sun phát 10% ................................................................................................. 106 Hình 3.9 Độ giãn nở của các loại BTXM khi ngâm trong dung dịch sun phát ..... 107 Hình 3.10 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và độ giãn nở sun phát ở 28 tuần ngâm của các loại BTXM ............................................................................................................. 107 Hình 3.11 Tỉ số  L/  L0MS0TB của các loại BTXM ............................................. 108 Hình 3.12 Độ thấm ion clo ở 28 và 56 ngày của các loại bê tông xi măng........... 110 Hình 3.13 Tỉ số Qtb/QtbĐC ở 28 và 56 ngày của các loại bê tông xi măng ............. 111 Hình 4.1 Các biến cố liên quan đến tuổi thọ của công trình [58] ......................... 114 Hình 4.2 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và hệ số khuyếch tán ion clo D28 của bê tông ............................................................................................................................... 123 Hình 4.3 Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển ................................................................................. 126 Hình 4.4 Tuổi thọ của mặt đường BTXM do xâm nhập ion clo ở vùng khí quyển biển......................................................................................................................... 127
xiv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU A Hệ số phụ thuộc nồng độ clo bề mặt bê tông CS và nồng độ clo tới hạn gây ăn mòn cốt thép CCR, điều kiện thi công và môi trường. AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội những người làm vận tải và đường bộ Hoa Kỳ) ACI American concrete institute (Viện bê tông Hoa Kỳ) ASTM American society of testing materials (Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ) B Khối lượng 1 m3 bê tông tươi BS British standards (Tiêu chuẩn Anh Quốc) BTCT Bê tông cốt thép BTXM Bê tông xi măng C Cát vàng CCL Nồng độ clo CS Nồng độ clo bề mặt CCR Nồng độ clo tới hạn gây ăn mòn cốt thép CKD Chất kết dính Dt Hệ số khuyếch tán ion clo ở thời điểm t D28 Hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày Đ Đá dăm f’cku Cường độ kéo uốn đặc trưng f’cn Cường độ nén đặc trưng h Chiều dày tấm bê tông xi măng hc Chiều sâu cacbonat hóa của bê tông xi măng kc Hệ số kể đến điều kiện bảo dưỡng của bê tông ke Hệ số kể đến điều kiện môi trường tiếp xúc kn Hệ số cho giá trị đặc trưng 5%
xv Kca Hệ số cacbonat hóa KK Không khí Lc Chiều dài của thanh chuẩn Lt Chiều dài của mẫu ở độ tuổi t L0 Chiều dài ban đầu của mẫu LRFD Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design) m Hệ số tuổi của bê tông MK Metakaolanh MS Muội silic N Nước N/CKD Tỉ lệ nước-chất kết dính N/X Tỉ lệ nước-xi măng PGSD Phụ gia siêu dẻo Q Độ thấm ion clo Rku Cường độ kéo uốn Rn Cường độ nén S Độ lệch chuẩn t Thời gian TB Tro bay tbđ Thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TT Tro trấu x Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép xc Số đọc trên đồng hồ khi đo chiều dài của thanh chuẩn xm Số đọc trên đồng hồ khi đo chiều dài của mẫu bê tông X Xi măng XLC Xỉ lò cao
xvi c Khối lượng riêng của cát đ Khối lượng riêng của đá  MS Khối lượng riêng của muội silic N Khối lượng riêng của nước  TB Khối lượng riêng của tro bay x Khối lượng riêng của xi măng L Độ thay đổi chiều dài các mẫu bê tông x Dung sai lớp bê tông bảo vệ cốt thép
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được xây dựng đầu tiên tại Bellefontaine, Ohio vào năm 1891 bởi George Bartholomew, hơn 100 năm sau đó, một phần mặt đường của Ông vẫn còn được sử dụng. Tuy nhiên, thời đó loại mặt đường này chưa có tên gọi là bê tông xi măng. Đến năm 1913, 37 km (23 dặm) của mặt đường bê tông chỉ với chiều rộng 2,70 m (9,0 foot), dày 125 mm (5 inch) được xây dựng gần Pine Bluff, Arkansas với chi phí một đô la mỗi foot (0,305 m), đây được xem là mặt đường bê tông xi măng đúng nghĩa đầu tiên trên thế giới [90]. Sau khoảng hơn 100 năm phát triển cho đến nay, mặt đường bê tông đã có những phát triển vượt bậc và trở thành mặt đường quan trọng trong hệ thống đường giao thông ở các nước trên thế giới, đặc biệt là đường cao tốc. Ở một số nước khu vực Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan mặt đường BTXM chiếm từ 30-40% tổng chiều dài các đường cao tốc và trục chính. Tại Hàn Quốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 65% tổng chiều dài các đường cao tốc. Tại Nhật Bản, khoảng 50-60% là mặt đường BTXM, những năm gần đây tỉ lệ mặt đường BTXM ở Nhật Bản đã giảm đáng kể vì những lí do khác nhau, trong đó có lý do nâng cấp hệ thống đường bê tông cũ. Tại Mỹ, khoảng 60% hệ thống đường Liên Bang là BTXM, đặc biệt là khu vực đô thị nơi được dự báo về một lưu lượng giao thông rất lớn, BTXM được lựa chọn là giải pháp chính cho mặt đường. Tại Bỉ, đối với đường cao tốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 40%; đối với đường tỉnh lộ, mặt đường BTXM chiếm khoảng 37% [17]. Ở Việt Nam, ở thập niên 80 của thế kỉ 20, một số đoạn đường được xây dựng bằng mặt đường BTXM như Quốc Lộ 3 (đoạn Thái Nguyên – Bắc Cạn), Quốc Lộ 14 (đoạn Tiên Yên – Móng Cái) và mãi đến đầu thế kỉ 21 loại mặt đường này mới thực sự có điều kiện để xây dựng. Tuy nhiên, cho đến nay mặt đường BTXM vẫn chiếm một tỉ lệ khá nhỏ, khoảng 3% mạng lưới đường và 5% hệ thống đường Quốc Lộ [17]. Hiện nay, Việt Nam đã và đang thực hiện một loạt các dự án đường BTXM kể cả các đường cao tốc và tương lai gần tỉ lệ mặt đường BTXM sẽ tăng lên đáng kể. Mặt đường BTXM là loại mặt đường có những ưu việt đặc biệt về tuổi thọ (gấp 2-4 lần so với bê tông nhựa), về khả năng chịu lực, về tính thích ứng (với điều kiện khí hậu
2 và các loại xe), tiết kiệm nhiên liệu xe chạy, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến môi trường, ít biến động giá cả so với nhựa, tận dụng được các nguồn vật liệu địa phương, ít duy tu bảo dưỡng. Về mặt giá thành chi phí xây dựng ban đầu mặt đường BTXM thường cao hơn mặt đường bê tông nhựa nhưng giá thành qui đổi lại rẻ hơn 15-25% [17, 63]. Gjørv nhận định rằng, những vấn đề liên quan đến độ bền đã được đánh giá thấp trong nhiều năm. Trọng tâm chính được xác định là tính chất cơ học và khả năng chịu lực của kết cấu, trong khi thiết kế độ bền, chất lượng thi công và quản lý vòng đời đã bị lãng quên. Ít khi chủ đầu tư của các kết cấu bê tông đưa ra yêu cầu đặc biệt với độ bền và chất lượng lâu dài với công trình của họ [59]. Trên thế giới, vấn đề thiết kế tuổi thọ của các công trình bê tông và bê tông cốt thép đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu thập kỉ 80 của thế kỉ 20 và đến nay vấn đề này cũng vẫn đang tiếp tục nghiên cứu. Ở Việt Nam, vấn đề này gần đây cũng đã có một số tác giả nghiên cứu, tuy nhiên vẫn chưa được nghiên cứu sâu và còn nhiều hạn chế. Khu vực duyên hải Nam Trung bộ chiếm một diện tích rất lớn của Việt Nam và là nơi có bờ biển trải dài từ thành phố Đà Nẵng đến Bình Thuận. Nơi đây thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng - ẩm ướt và chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu biển, khu vực duyên hải Nam Trung bộ cũng là nơi chịu ảnh hưởng nặng nề của tác động biến đổi khí hậu như: sự gia tăng nhiệt độ, sự xâm nhập mặn do mực nước biển dâng, bão, lũ [4, 5]. Việc nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đường trong môi trường khí hậu khắc nghiệt khu vực duyên hải Nam Trung bộ, từ đó đề xuất biện pháp làm tăng độ bền cho bê tông xi măng mặt đường để kéo dài tuổi thọ đồng thời giảm được các chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ, đảm bảo an toàn trong quản lý và sử dụng là vấn đề mang tính khoa học, kinh tế và thực tiễn. Do vậy đề tài "Nghiên cứu độ bền sun phát và ion clo của bê tông xi măng mặt đường ở khu vực duyên hải Nam Trung bộ " có tính thời sự và cấp thiết. 2. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau: - Khảo sát, đánh giá độ bền (cacbonat hóa, độ thấm ion clo) của một số mặt đường BTXM đã xây dựng ở khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng. - Xác định nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của một số công trình bê tông cốt thép (BTCT) đã xây dựng ở khu vực Đà Nẵng.
3 - Ảnh hưởng của các phụ gia khoáng tro bay (TB) và muội silic (MS) đến các đặc trưng cường độ, độ bền sun phát và độ thấm ion clo của các loại bê tông cấp 30, 40 và 50 MPa. - Dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM sử dụng các loại bê tông mới (có phụ gia khoáng TB và MS) do xâm nhập ion clo ở môi trường khí quyển biển. 3. Cấu trúc của luận án Gồm có phần Mở đầu, tiếp theo là 4 Chương, phần Kết luận và Kiến nghị, Danh mục các công trình của tác giả đã công bố, Danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể là: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Khảo sát đánh giá tốc độ cacbonat hóa, độ thấm ion clo và nồng độ clo bề mặt của một số kết cấu bê tông khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng. - Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc trưng cường độ, độ bền sun phát và độ thấm ion clo của bê tông. - Chương 4: Dự báo tuổi thọ của mặt đường bê tông xi măng sử dụng các loại bê tông mới ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do xâm nhập ion clo. - Kết luận và kiến nghị. - Danh mục các công trình của tác giả đã công bố. - Tài liệu tham khảo. 4. Những đóng góp mới của đề tài - Đánh giá độ bền và tuổi thọ (cacbonat hóa và xâm nhập ion clo) của mặt đường BTXM đã xây dựng ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng do tác động của khí hậu biển. - Xây dựng công thức xác định nồng độ clo bề mặt bê tông theo thời gian của các công trình BTCT ven biển khu vực Đà Nẵng. - Thiết kế thành phần bê tông xi măng cấp 30, 40 và 50 MPa sử dụng phụ gia khoáng TB và MS theo yêu cầu cường độ và độ bền. - Thực nghiệm đánh giá độ bền sun phát, độ chống thấm ion clo của các cấp bê tông xi măng 30, 40 và 50 MPa sử dụng phụ gia khoáng TB và MS.
4 - Dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM sử dụng các loại bê tông mới (có phụ gia khoáng TB và MS) do xâm nhập ion clo ở môi trường khí quyển biển. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên nghiên cứu tính toán, dự báo tuổi thọ của mặt đường BTXM có cốt thép trong các điều kiện môi trường biển khu vực duyên hải Nam Trung bộ có xét đến ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ clo bề mặt bê tông. Luận án đã xác định được ảnh hưởng có lợi của các phụ gia khoáng MS và TB đến các đặc trưng cường độ cũng như độ bền sun phát và độ chống thấm ion clo của bê tông. Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của MS và TB trong bê tông xi măng chống lại sự xâm nhập của ion clo, làm tăng tuổi thọ của các công trình ven biển khu vực duyên hải Nam Trung bộ do xâm nhập ion clo. Luận án cung cấp một tổng quan, các thông số để dự báo tuổi thọ (thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép) của mặt đường BTXM trong các điều kiện môi trường biển khu vực Duyên hải Nam Trung bộ, là tài liệu tham khảo cho những nhà nghiên cứu về độ bền của kết cấu bê tông ở môi trường biển.