Nguyên nhân gây xâm thực bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi - Giải pháp khắc phục phòng ngừa

Môi trường xung quanh các công trình bê tông (BT) và bê tông cốt thép (BTCT) luôn tồn tại các tác nhân gây xâm thực. Xâm thực bê tông và cốt thép là một trong những nguyên nhân chính gây phá hủy kết cấu công trình. Bài viết giới thiệu một số kết quả kiểm tra, nghiên cứu đánh giá thực trạng xâm thực BT và BTCT một số công trình thủy lợi, từ đó phân tích đánh giá các nguyên nhân gây xâm thực BT, BTCT. Trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng xâm thực trên.

I. Đặt vấn đề

Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình thủy lợi bằng BT và BTCT như đập tràn, mố tiêu năng, cống ngầm, cống dưới đê, cống ngăn mặn, kè sông, kè biển, v,v… cho thấy, hầu hết những công trình chịu tác động của các tác nhân xâm thực chỉ sau một thời gian đưa vào sử dụng đã thấy dấu hiệu của xâm thực bê tông và cốt thép, (bề mặt bê tông bị thấm tiết vôi, bị rỗ, bê tông dọc theo các thanh cốt thép bị nứt do cốt thép bị xâm thực nở thể tích, v,v…). Có những công trình chỉ sau khoảng 10 năm đi vào hoạt động BT và BTCT đã bị xâm thực nghiêm trọng, cường độ bê tông bị suy giảm đáng kể. Vấn đề đặt ra là: cần phải phân tích đâu là những nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng xâm thực nói trên, trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp hữu hiệu, phù hợp để khắc phục hiện tượng xâm thực BT và BTCT đối với công trình thủy lợi đang hoạt động, hạn chế, phòng ngừa xâm thực đối với các công trình chuẩn bị đầu tư xây dựng.

II. Một số dạng xâm thực thường gặp

Qua nghiên cứu, kiểm tra đánh giá chất lượng BT và BTCT một số công trình thủy lợi, thủy điện cho thấy, BT và BTCT các công trình thủy lợi, thủy điện bị xâm thực dưới nhiều hình thức khác nhau và do nhiều nguyên nhân khác nhau. Để người đọc có thể hình dung một cách có hệ thống, tác giả ra phân ra thành một số nguyên nhân chủ yếu sau:

1. Xâm thực BT do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng: Đối với BT và BTCT các công trình thủy lợi làm việc trong môi trường nước, đặc biệt điều kiện có chênh lệch mực nước, khi khả năng chống thấm của bê tông không đảm bảo, nước thấm qua bê tông sẽ hòa tan vôi trong thành phần của đá xi măng và cuốn theo dòng thấm ra ngoài dưới dạng Ca(OH)2, quá trình tiếp diễn lâu dài sẽ làm cho khối BT dần bị rỗng rỗ, suy giảm cường độ. Qua kiểm tra đánh giá chất lượng bê tông các công trình thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Cống dưới đê An Thổ - Tứ kỳ - Hải Dương, Cống Trung Lương – Hà Tĩnh, v.v… cường độ bê tông tại những khu vực bị thấm tiết vôi, cường độ bê tông giảm từ 10-40% so với những vị trí bê tông đặc chắc [5,6,7,8].   

2. Xâm thực do BT và BTCT làm việc trong điều kiện mực nước thường xuyên thay đổi.

Đây là một trong những dạng xâm thực rất thường gặp đối với BT và BTCT công trình thủy lợi, đặc biệt là các cống vùng triều, bê tông lát mái đê biển, v,v… Nguyên nhân là do, khi mực nước thường xuyên thay đổi, làm cho bề mặt bê tông thường xuyên lặp lại các chu kỳ bị làm ướt rồi lại khô, tức là làm cho BT luôn trong trạng thái trương nở-co ngót, hiện tượng này đặc biệt nguy hiểm trong điều kiện nhiệt độ, và bức xạ mặt trời cao vào mùa hè và khi nắng chiếu trực diện vào bề mặt BT khu vực chịu ảnh hưởng của mực nước thay đổi. Hiện tượng trương nở-co ngót liên tục sẽ làm xuất hiện nội ứng suất trong BT và gây nên các vi nứt trên bề mặt BT, cứ như thế xâm thực càng tiến sâu vào trong khối bê tông do nước qua vết nứt thấm sâu vào trong BT, dẫn đến phạm vi chịu ảnh hưởng của hiện tượng ướt-khô sâu hơn vào trong khối BT. BT bị nứt sẽ suy giảm cường độ, và dưới các tác động của ngoại lực như sóng, bê tông sẽ dần bị ăn mòn, cường độ suy giảm. Kết quả nghiên cứu trong phòng về ảnh hưởng của chu kỳ ướt-khô trong điều kiện nhiệt độ tăng từ 20-70oC, sau 240 chu kỳ, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông giảm tới 15-26% [1], bê tông có cường độ và độ chống thấm thấp thì mức độ suy giảm cường độ càng lớn.

3. Xâm thực do BT và BTCT công trình thủy lợi do tạo thành các chất tích tụ, nở thể tích từ phản ứng của các chất tan trong nước với sản phẩm thủy hóa của xi măng trong BT hoặc BTCT (Thường gặp nhất là ở các công trình thủy lợi khu vực ven biển, công trình thủy lợi trong vùng nước chua phèn, v,v…).

Nước biển của các đại dương trên thế giới thường chứa khoảng 3,5% các muối hoà tan: 2,73% NaCl ; 0,32% MgCl2 ; 0,22% MgSO­4 ; 0,13% CaSO­4; 0,02% KHCO3 và một lượng nhỏ CO2 và O2 hoà tan, pH » 8,0.

Theo tài liệu [3], nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm thực tương đương các đại dương khác trên thế giới, riêng vùng gần bờ có suy giảm chút ít do ảnh hưởng của các con sông chảy ra biển ( xem bảng 1 và bảng 2).

Bảng 1.Thành phần hóa của nước biển Việt nam và trên thế giới

Bảng 2. Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt nam, %

Môi trường không khí ven biển, môi trường nước chua, phèn cũng chứa rất nhiều tác nhân gây xâm thực BT và BTCT như ion SO42-, ion Cl-, ion Mg2+, v,v…

-Trong môi trường nước hàm lượng ion SO42- > 250mg/l xâm thực bê tông xảy ra đáng kể [4], đối chiếu với số liệu tại bảng 1 thì nước biển là môi trường gây xâm thực rất mạnh đối BT, nguyên nhân là ion SO42- tác dụng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng (Ca(OH)2) tạo ra các chất tích tụ như CaSO4.2H2O, tăng thể tích gấp 2,34 lần so với thể tích của Ca(OH)2. ngoài ra CaSO4.2H2O lại có thể tiếp tục tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O để tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringit) nở thể tích lên 4,8 lần. Hiện tượng tăng thể tích của các chất tích tụ làm xuất hiện nội ứng, gây nứt bê tông, cứ tiếp tục như thế, nước chứa ion SO42- tiếp tục thấm sâu vào trong khối BT thông qua các vết nứt làm cho quá trình xâm thực diễn ra liên tục và sâu rộng.

- Xâm thực cốt thép trong môi trường nước có chứa ion Cl- cũng là nguyên nhân chính gây phá hủy các công trình BTCT khu vực ven biển. Theo tài liệu [2] cho thấy quá trình xâm thực cốt thép có thể bắt đầu ngay từ khi hàm lượng ion clorua xâm nhập vào miền bê tông sát cốt thép không lớn (khoảng 0,60 ÷ 0,80 kg/m3 bê tông). Do sản phẩm xâm thực (gỉ sắt) nở thể tích 4 ÷ 6 lần sẽ gây ứng suất làm nứt bê tông bảo vệ dọc theo các thanh cốt thép bị xâm thực, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập ngày càng nhanh ion clorua vào bên trong khối bê tông, dẫn đến tốc độ xâm thực cốt thép phát triển mạnh hơn và công trình xây dựng nhanh chóng bị phá hủy.

4. Xâm thực do mài mòn cơ học (mài mòn do dòng nước chảy xiết, sóng, v.v…). Đây là một dạng xâm thực bê tông xảy ra khá phổ biến ở các công trình thủy lợi như tràn xả lũ, các loại cống, bê tông gia cố kè sông, kè biển. Dưới tác động mài mòn của dòng nước chảy xiết và sóng, đá xi măng trên bề mặt bê tông sẽ bị dòng nước bào mòn, sau đó các hạt có kích thước lớn hơn (hạt cốt liệu nhỏ, cốt liệu lớn) sẽ bị rửa trôi do không còn liên kết làm cho bê tông dần bị xâm thực.

5. Xâm thực do khí thực. Một số hạng mục công trình thủy lợi như tường cánh, tường bên tràn, cống, mố tiêu năng, v.v... làm việc trong điều kiện tiếp xúc với dòng nước có lưu tốc lớn thường xuất hiện những khu vực tách dòng gây lên hiện tượng khí thực, áp suất âm. Tại những khu vực này bê tông bị xâm thực rất mãnh liệt. Kết quả kiểm tra bê tông mố tiêu năng và tường cánh 12 cửa xả đáy nhà máy Thủy điện Hòa Bình năm 2000 - 2002 cho thấy, tại các mố tiêu năng, có chỗ bê tông bị xâm thực sâu tới 70-80cm, rộng 4-6m2, tại tường cánh bê tông bị xâm thực sâu tới 30cm, rộng từ 2-3m3. Nguyên nhân là do áp suất khí thực đã thắng được khả năng chịu kéo của bê tông (thường rất nhỏ), làm cho từng phần bê tông dần bị tách ra khỏi khối bê tông.

6. Một số dạng xâm thực khác: như xâm thực do vi sinh vật gây ra (các loại hà, sò biển, v.v..), xâm thực do sự tương tác của các dạng axit, muối trong môi trường nước với các sản phẩm thủy hóa trong xi măng tạo ra các hợp chất tan mạnh, hoặc không có cường độ, v.v... cũng thường xảy ra đối với một số công trình thủy lợi bằng BT và BTCT.

Một số hạng mục công trình BT và BTCT có thể cùng một lúc chịu ảnh hưởng của nhiều dạng xâm thực khác nhau.

III. Những nguyên phân cơ bản gây xâm thực bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi

Thông qua phân tích các dạng xâm thực của BT và BTCT có thể thấy rõ một số nguyên nhân cơ bản gây xâm thực cho bê tông, đó là:

1. Đối với môi trường làm việc của BT và BTCT

- Có sự chênh lệch cột nước gây thấm cho bê tông;

- Có sự dao động của mực nước;

- Bê tông tiếp xúc với dòng chảy có lưu tốc lớn;

- Môi trường làm việc của BT và BTCT có chứa các tác nhân gây xâm thực như các ion SO42-, Cl-, Mg2+, CO22-, v.v...;

- Trong môi trường có những loại vi sinh vật gây hại cho BT.

2. Đối với bản thân kết cấu công trình bằng BT và BTCT

- Khả năng chống thấm của BT không đảm bảo;

- Chất lượng thi công bê tông không tốt, bê tông bị mất nước nhiều do cốp pha không kín khít, rỗng rỗ nhiều, không đặc chắc, lớp bảo vệ cốt thép không đảm bảo về chiều dày và độ đặc chắc;

- Trong thiết kế thành phần BT chưa quan tâm đến các giải pháp làm tăng khả năng chịu kéo, khả năng chịu mài mòn, va đập của bề mặt BT, độ đặc chắc, chống xâm thực, khả năng ức chế ăn mòn cho BT và cốt thép đối với các hạng mục cho phù hợp;

- Trong quá trình thi công cốt thép bị rỉ vẫn đổ bê tông mà không có biện pháp làm sạch;

- Không có các biện pháp bảo vệ bề mặt bê tông khu vực dễ bị xâm thực.

IV. Một số giải pháp khắc phục phòng ngừa

1. Đối với các công trình xây dựng mới.

1. Trong quá trình thiết kế: cần phải nghiên cứu, phân tích đánh giá kỹ lưỡng điều kiện làm việc của công trình, các tác nhân có thể gây xâm thực cho BT và BTCT.

2. Trong thiết kế thành phần bê tông.

- Dùng xi măng bền sunphát có hàm lượng C3A, C3S thấp, tức là tìm cách giảm hàm lượng Ca(OH)2;

- Sử dụng một số loại phụ gia để làm đặc chắc cấu trúc bê tông, giảm hàm lượng Ca(OH)2 trong bê tông (phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia dẻo hóa, siêu dẻo, v.v..), sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn làm giảm gradient nồng độ ion xâm thực của môi trường so với bê tông;

- Nâng cao khả năng chống thấm cho BT;

- Nâng cao cường độ, khả năng chịu kéo, khả năng chịu mài mòn, va đập cho bê tông các hạng mục công trình thường xuyên làm việc trong môi trường mực nước thường xuyên thay đổi, môi trường có dòng chảy xiết, chịu tác động của sóng.

3. Trong quá trình thi công.

- Quản lý chặt chẽ các khâu trong quy trình thi công bê tông.

+ Bảo quản vật liệu (xi măng, phụ gia, cốt thép).

+ Công tác cốp pha: đảm bảo cốp pha kín khít, chống, neo chắc chắn để bê tông được đầm chặt, không bị mất nước xi măng, rỗng rỗ, giảm cường độ, độ chống thấm, đồng thời nâng cao thẩm mỹ công trình.

+ Công tác cốt thép: đảm bảo cốt thép phải được làm sạch, không có gỉ, dầu mỡ dính vào cốt thép, chiều dày lớp bảo vệ đúng quy định.

+ Công tác trộn, đổ, đầm bê tông, bảo dưỡng bê tông đảm bảo theo đúng quy trình trong các tiêu chuẩn thi công BT hiện hành.

- Tạo lớp màng bảo vệ BT và BTCT phía mặt ngoài kết cấu BT bằng các loại vật liệu kỵ nước, vật liệu chống thấm, vật liệu chịu va đập, mài mòn như: Epoxy, Urethan, Neopren, sơn tạo màng chống thấm, sơn thẩm thấu, bitum, vữa trộn sẵn chịu mài mòn va đập v.v…

2. Đối với các công trình đang sử dụng:

-  Cần có quy trình kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên, đặc biệt là phải phát hiện sớm các vị trí thấm, nứt và sửa chữa kịp thời.

Việc sửa chữa các công trình BT, BTCT bị thấm, nứt, xâm thực là rất khó khăn, phức tạp, do vậy muốn sửa chữa một cách triệt để, đảm bảo chất lượng, mỹ quan cần phải tìm đến các nhà thầu chuyên nghiệp, sử dụng các loại vật liệu sửa chữa đặc chủng, công nghệ cao.

Tài liệu tham khảo.

[1]. Nguyễn Thanh Bằng – Nâng cao khả năng chống thấm cho đập bê tông trong điều kiện nóng ẩm Việt Nam, luận văn tiến sỹ kỹ thuật, Matxcơva – 2006.

[2]. Phạm Văn Khoan, Trần Nam: Chất ức chế ăn mòn và hướng nghiên cứu, ứng dụng chất ức chế ăn mòn cho các công trình cầu, cảng bê tông cốt thép cùng biển Việt Nam – Tập san khoa học công nghệ chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường.

[3]. Trần Việt Liễn và các cộng tác viên: Báo cáo tổng kết đề mục "Ăn mòn khí quyển đối với bê tông và bê tông cốt thép vùng ven biển Việt Nam". Viện Khí tượng Thủy văn. Hà Nội, 1996

[4].  Nguyễn Tiến Trung: Ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép do tác động của môi trường.

[5]. Báo cáo kết quả kiểm tra chất lượng bê tông nhà máy Thủy điện Hòa Bình – 2002.

[6]. Báo cáo kết quả kiểm tra chất lượng bê tông nhà máy Thủy điện Thác Bà – 2001.

[8]. Báo cáo kết quả kiểm tra chất lượng bê tông Cống An Thổ - Tứ Kỳ - Hải Dương – 1999.

[9]. Báo cáo kết quả kiểm tra chất lượng bê tông cống Trung Lương – Đức Thọ - Hà Tĩnh – 1999.

Tác giả: TS. Nguyễn Thanh Bằng
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi