Bê tông cát biển chịu lực cho công trình xây dựng chịu xâm thực nước biển

Các nhà khoa học nghiên cứu thực nghiệm tại trường Đại học Xây dựng Miền Trung

Từ nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả đề xuất chế tạo các loại bê tông có cấp độ bền từ B15 đến B45 từ cát biển, nước biển, nhưng thay thế cốt thép thông thường bằng cốt sợi thủy tinh GFRP.

Nhóm nghiên cứu đã thí nghiệm, quan sát độ ăn mòn, xác định đặc trưng cơ học của thép và GFRP khi ngâm chúng trong môi trường xâm thực nước biển. Đồng thời, thí nghiệm dầm bê tông cát biển đặt cốt thép và cốt GFRP trong môi trường xâm thực nước biển, đánh giá khả năng chịu uốn ở những thời điểm ăn mòn khác nhau.

Cụ thể, tại phòng thí nghiệm trường Đại học xây dựng Miền Trung, những thanh thép và thanh cốt sợi thuỷ tinh GFRP đường kính f10 được cắt có chiều dài 60cm rồi ngâm vào nước biển theo kiểu nửa khô nửa ướt (30cm ngâm dưới nước, 30cm còn lại trên mực nước).

Quan sát bằng mắt thường thấy sau 2 đến 3 ngày các thanh thép bắt đầu có màu đỏ của gỉ sắt xuất hiện ở vài vị trí gần phần tiếp giáp mực nước, những thanh GFRP không có biểu hiện gì đặc biệt.

Sau thời gian 3 tháng, phần phía trên thanh thép trong vùng 15cm đến 20cm chuyển hoàn toàn sang màu đỏ. Nhiều vị trí xuất hiện các vảy cứng có kích thước 0,5mm đến 1mm. Phần vảy cứng này do thép bị ăn mòn vào sâu nên lớp gỉ dày tạo thành vảy cứng.

Sau 6 tháng, trên bề mặt cốt thép ở phần tiếp giáp mực nước hiện tưởng gỉ phát triển mạnh, phần thép ngập nước có một lớp màng mỏng màu nâu đỏ bám kín bề mặt, khi rửa sạch và quan sát thấy có các lỗ nhỏ do ăn mòn bởi ion clo. Các thanh cốt GFRP vẫn không thay đổi màu.

Sau mỗi chu kỳ 3 tháng, 6 tháng, 12 tháng, nhóm nghiên cứu lấy 3 thanh thép và 3 thanh GFRP làm thí nghiệm chịu kéo.

Thí nghiệm uốn dầm

Thí nghiệm cho thấy: Sau 3 tháng ngâm trong nước biển, các chỉ tiêu cơ học của thép và GFRP khi kéo không có gì thay đổi. Sau 6 tháng thí nghiệm ăn mòn giới hạn chảy của thép thí nghiệm giảm khoảng 2%, nhưng giới hạn bền giảm 6,1%. Sau 12 tháng, giới hạn chảy giảm 4,9%, nhưng giới hạn bền giảm 15,3%. Ngược lại, với GFRP khi ngâm trong môi trường xâm thực thì dấu hiệu suy giảm cường độ kéo không rõ ràng.

Để xác định hao hụt đường kính thép, nhóm đã cắt 10mm dài tại vị trí ăn mòn mạnh nhất và rửa sạch, sau đó cân rối so sánh với thời điểm trước khi ăn mòn. Kết quả cho thấy cho thấy sau 3 tháng không ghi nhận được sự sụt giảm trọng lượng, sau 6 tháng trọng lượng giảm 4,9% tương đương giảm 0,25% đường kính. Sau 12 tháng trọng lượng giảm 14%, tương đương giảm 0,81% đường kính.

Kết quả nghiên cứu trên cũng phù hợp với nghiên cứu đã công bố trước đây cho biết thép CT3 có thể bị ăn mòn khoảng 52,3μm/năm tại vùng biển Khánh Hoà, 41,4μm/năm tại Kiên Giang, 39,3μm/năm tại Vinh, 31,46μm/năm tại Hải Phòng. Ngược lại với thép thì với GFRP không có hiện tượng hư hại bề mặt do xâm thực nước biển.

Thí nghiệm trên có thể khẳng định đặc tính ưu việt của GFRP là không bị suy giảm cường độ và suy giảm diện tích tiết diện trong môi trường xâm thực mặn.

Từ kết quả nghiên cứu trên, nhóm tác giả tiếp tục chế tạo dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt GFRP từ cát biển, với thành phần cấp phối B30.

Theo đó, 6 cặp dầm (3 cặp bê tông cốt thép và 3 cặp GFRP) được gia tải và thí nghiệm ngâm trong bể nước biển. Các dầm này được đặt trong môi trường xâm thực nước biển theo hai chế độ, chế độ ngâm chìm trong nước biển và chế độ khô ướt.

Sau 6 tháng (dự kiến sẽ nghiên cứu tiếp sau 12 tháng và 18 tháng) dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt GFRP được mang ra thí nghiệm uốn để đánh giá khả năng chịu lực, sau đó quan sát cốt thép cũng như GFRP bị ăn mòn.

Kết quả cho thấy, về mặt chịu lực, dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt GFRP sau 6 tháng thí nghiệm trong môi trường xâm thực nước biển vẫn chưa có dấu hiệu suy giảm khả năng chịu lực.

Với dầm bê tông cốt GFRP khi ngâm trong nước biển dường như cho khả năng chịu lực cao hơn dầm ở môi trường khô và khô – ướt. Lý do có thể là bê tông ngâm nước cho phát triển cường độ cao hơn khi bê tông không ngâm.

Sau khi thí nghiệm, dầm tiếp tục được phá bỏ bê tông để quan sát bề mặt cốt thép. Đối với thép của dầm ngâm trong nước biển và dầm đặt phía trên trên mực nước chịu tác dụng của môi trường khô – ướt thì đều xuất hiện sự ăn mòn cốt thép tại vị trí vết nứt của dầm.

Cốt GFRP và cốt thép sau khi được phá bỏ bê tông

Riêng đối với các thanh GFRP trong hai dầm ngâm trong nước biển và môi trường ướt khô vẫn giữ được màu trắng như ban đầu.

Qua thí nghiệm hai loại dầm cho thấy với dầm bê tông cốt thép, mặc dù ăn mòn chưa đủ để làm suy giảm khả năng chịu lực nhưng qua quan sát sự hình thành và phát triển của ăn mòn trên bề mặt cốt thép, có thể khẳng định là với chiều dày lớp bê tông bảo vệ 50mm theo tiêu chuẩn TCVN 9346-2012 thì cốt thép chịu lực trong dầm vẫn nhanh chóng bị ăn mòn bởi các vết nứt do co ngót, do ngoại lực gây ra… Ngược lại với dầm bê tông cốt sợi GFRP thì hoàn toàn không bị ăn mòn.

Từ nghiên cứu trên, nhóm tác giả nhận định: Trong những trường hợp đặc biệt như ở nơi đảo xa, khan hiếm vật liệu không nhiễm mặn hay vì lý do kinh tế, chúng ta có thể dùng cát biển và nước biển để chế tạo bê tông và dùng cốt phi kim loại như GFRP để tăng cường trong vùng bê tông chịu kéo là hoàn toàn khả thi.

PGS.TS Vũ Ngọc Anh cho biết thêm, trong thời gian tới, các dầm thí nghiệm còn lại sẽ tiếp tục được đánh giá khả năng chịu lực ở tháng thứ 12 và 18, đồng thời các thí nghiệm trên cấu kiện chịu nén đặt cốt GFRP cũng sẽ được tiến hành. Khi đó, các số liệu sẽ khẳng định tính đúng đắn của nhận định trên.