Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu phương pháp dự đoán thời hạn khai thác còn lại của kết cấu bê tông cốt thép công trình cảng biển khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh (25/04/2024)

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, đánh giá quá trình suy thoái của các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) trên mặt nước trong các công trình cảng biển khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh, để từ đó đưa ra phương pháp dự đoán tuổi thọ còn lại của các kết cấu BTCT của cả công trình. Nếu như sự suy thoái của cấu kiện thép có thể quan sát, đo đếm được và không quá khó khăn để tính thời hạn sử dụng còn lại thì sự suy thoái của cấu kiện BTCT lại không quan sát được trong thời gian dài do sự suy thoái phát triển từ trong ra. Đến khi sự suy thoái có biểu hiện nhìn thấy được thì cấu kiện đó đã trong tình trạng tương đối nghiêm trọng rồi. Theo nhiều nghiên cứu và báo cáo từ những khảo sát thực tế của nước ngoài thì kết cấu BTCT dưới mặt nước ít bị hư hỏng hơn phía trên do chúng luôn bị bão hòa nước nên sự trao đổi ôxy trong bê tông rất thấp. Yếu tố chính ảnh hưởng chi phối đến sự suy thoái của bê tông cốt thép là chất lượng của vật liệu bê tông và cốt thép trong bê tông. Tác nhân chủ yếu ảnh hưởng đến sự xuống cấp của vật liệu bê tông và cốt thép chôn trong bê tông trong công trình cảng biển là ion clo trong môi trường biển. Sự nguy hiểm của tác nhân này là chúng phát triển trong bê tông không quan sát được cho đến khi gây ra nứt bê tông dẫn đến suy thoái công trình làm giảm tuổi thọ khai thác, sử dụng. Tuổi thọ còn lại của công trình cảng biển còn phụ thuộc vào đặc trưng kết cấu của nó thể hiện qua tiến trình xuống cấp của từng bộ phận công trình và của toàn bộ kết cấu công trình khi xem xét như một hệ thống liên quan chặt chẽ với nhau.

Kết cấu công trình bến cảng bê tông cốt thép rất phổ biến trong khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh cũng như trên cả nước. Hiện rất nhiều công trình bến đã được xây dựng từ nhiều năm trước (phổ biến trên 10 năm đến trên 30 năm) đã chịu tác động của môi trường xâm thực trong một thời gian dài và đã bị xuống cấp với các mức độ khác nhau. Đứng trước thực tế đó, Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải đã triển khai đề tài “Nghiên cứu phương pháp dự đoán thời hạn khai thác còn lại của kết cấu bê tông cốt thép công trình cảng biển Hải Phòng, Quảng Ninh” do KS. Tô Trung Hiếu làm chủ nhiệm, đề tài được triển khai nhằm xác định được hướng nghiên cứu để đánh giá, dự đoán thời gian khai thác còn lại của công trình cảng. Nhiệm vụ đặt nền móng cho một hướng nghiên cứu để có thể mở rộng cho việc dự đoán tuổi thọ còn lại các công trình khác trong ngành giao thông vận tải.

Nhóm nghiên cứu đề tài xây dựng được mô hình dự đoán thời hạn khai thác còn lại của kết cấu BTCT công trình cảng biển và có thể bước đầu ứng dụng vào thực tế để dự đoán tuổi thọ của công trình đạt được kết quả cụ thể như sau:

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng được phương pháp dự đoán thời gian khai thác còn lại của kết cấu bê tông cốt thép công trình cảng biển không chỉ cho khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh mà còn có thể áp dụng cho các khu vực khác ở Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu phân tích các nguyên nhân gây hư hỏng, mô hình mô phỏng cơ chế gây xuống cấp của công trình BTCT trong môi trường biển ở trên, đề tài đã đề xuất hai mô hình để dự đoán thời hạn khai thác còn lại của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển, đó là mô hình xâm nhập ion clo vào bê tông và mô hình chuỗi Marcov. Đây cũng là phần trọng tâm nghiên cứu của đề tài này.

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, hai mô hình này có thể áp dụng hiệu quả cho từng giai đoạn xuống cấp của công trình. Nếu mô hình xâm nhập ion clo vào bê tông có thể sử dụng để thiết kế độ bền cho các công trình mới và dự đoán tuổi thọ cho các công trình đang sử dụng ở giai đoạn đầu từ khi đưa vào sử dụng đến khi xuất hiện các hư hỏng quan sát được thì mô hình chuỗi Marcov sẽ sử dụng để dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình khi công trình bắt đầu xuất hiện các hư hỏng quan sát được. Lý thuyết để thực hiện hai mô hình này cũng đã được giới thiệu tương đối kỹ và nhóm nghiên cứu sẽ áp dụng để thực hiện ngay trên các công trình cụ thể tại Hải Phòng và Quảng Ninh. Để phục vụ cho việc áp dụng mô hình chuỗi Marcov, đề tài sử dụng các phương pháp xếp hạng và đánh giá chất lượng hiện trạng cho kết cấu và toàn bộ công trình theo phương pháp đã được trình bày trong tiêu chuẩn TCVN 13330:2021, có tham khảo thêm trong tài liệu CDIT của Nhật để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 

Mô hình Marcov để dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình có ưu điểm là đánh giá khá toàn diện các nguyên nhân gây suy thoái và xuống cấp kết cấu công trình, bao gồm cả các tác động ngẫu nhiên, tấn công hóa học, suy thoái do ion clo, nứt do nhiệt hay lỗi thiết kế, lỗi thi công… Tuy nhiên, hạn chế của mô hình này lại không đánh giá được sự suy thoái ở giai đoạn tiềm ẩn do sự xâm nhập của ion clo vào bê tông chưa gây các hư hỏng có biểu hiện ra ngoài.

Mô hình dự đoán tuổi thọ theo mức độ xâm nhập ion clo vào công trình áp dụng phù hợp với công trình thiết kế mới, hoặc công trình đang khai thác mà áp dụng phương pháp Marcov bị hạn chế. Tuy nhiên, khi thực hiện cần lưu ý những điều sau: Thời gian tính được là khoảng thời gian mà ion clo bắt đầu đạt tới ngưỡng ăn mòn cốt thép, chưa phải thời gian mà công trình bị mất tính năng sử dụng, do vậy dự đoán sẽ mang tính an toàn cao đối với các công trình chưa bị hư hỏng quan sát được; Trong thực tế các mẫu kiểm tra ion clo lấy trên một công trình có độ phân tán tương đối cao, do vậy cần phải thận trọng khi lấy mẫu hiện trường sao cho đủ độ tin cậy cần thiết; Khi công trình có các cấu kiện bị hư hỏng có thể quan sát được, một số mẫu cho kết quả hàm lượng ion clo vượt ngưỡng gây ăn mòn cốt thép, khi đó phương pháp này sẽ giúp để đánh giá mức độ cốt thép đã bị ăn mòn giúp khuyến cáo đưa ra các biện pháp đối phó, phòng ngừa hợp lý nhất. 

Từ những đánh giá trên, nhóm nghiên cứu đề xuất phương án dự đoán thời hạn khai thác còn lại của các công trình bến cảng biển bê tông cốt thép trong điều kiện Việt Nam được thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Lập kế hoạch thực hiện (đề cương). Việc xây dựng đề cương được thực hiện theo hướng dẫn trong tiêu chuẩn TCVN 13330:2021, từ việc xem xét chuỗi biến dạng lập cho từng loại công trình để xác định các công việc phải thực hiện, thu thập số liệu, đánh giá toàn diện cho công trình cho đến các vấn đề phải sửa chữa, bảo trì cần thiết. Ở bước này cần phải xác định sẽ sử dụng phương pháp nào để dự đoán thời hạn khai thác còn lại của công trình, từ đó mới có xây dựng được kế hoạch một cách phù hợp, đầy đủ; Bước 2: Khảo sát hiện trường. Căn cứ vào đặc điểm cụ thể của công trình, lựa chọn phương pháp, khối lượng khảo sát phù hợp để tiến hành khảo sát thu thập số liệu phục vụ công tác phân tích, đánh giá. Phương pháp thực hiện và số liệu khảo sát phải đảm bảo đủ độ tin cậy yêu cầu, đảm bảo hiệu quả kinh tế và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến quá trình sản xuất của cảng; Bước 3: Đánh giá, phân tích số liệu. Việc phân tích, đánh giá số liệu cần phải được thực hiện bởi người có chuyên môn. Các kết quả của phân tích, đánh giá ở bước này là cơ sở và thông số đầu vào cho việc dự đoán báo thời hạn khai thác còn lại của công trình; Bước 4: Dự đoán thời hạn khai thác còn lại của công trình. Tùy thuộc vào kết quả khảo sát, đánh giá phân tích mà lựa chọn phương pháp dự đoán thời hạn khai thác còn lại của công trình cho phù hợp. Có thể lựa chọn phương pháp dự đoán theo mô hình xâm nhập ion clo vào bê tông hoặc mô hình chuỗi Marcovhoặc sử dụng kết hợp cả 2 phương pháp.

Anốt lưới titan hoạt tính (được hiển thị trước khi được phủ bằng lớp phủ bê tông) để áp dụng bảo vệ catốt cho kết cấu bê tông cốt thép.

Bên cạnh đề xuất phương án dự đoán thời hạn khai thác còn lại của các công trình bến cảng biển bê tông cốt thép, nhóm tác giả đề xuất biện pháp giảm thiểu suy thoái và tăng thời hạn khai thác còn lại kết cấu bê tông cốt thép công trình cảng biển như sau: Bảo vệ phòng ngừa bằng xử lý bề mặt bê tông để cải thiện khả năng chống lại ion clo thâm nhập; Sửa chữa nhằm cải thiện khả năng chịu lực của cốt thép đối với mức ion clo vượt quá giá trị 'ngưỡng' thông thường. Bảo vệ phòng ngừa áp dụng một loạt các phương pháp xử lý bề mặt khác nhau để kiểm soát sự xâm nhập của ion clo và các phương pháp này thuộc một số nhóm chung, bao gồm màng và lớp phủ che chắn (chủ yếu là polyme hữu cơ tạo màng và lớp phủ gốc xi măng biến tính polyme ), chất ngâm tẩm ngăn lỗ rỗng (cả vật liệu hữu cơ và vô cơ thâm nhập vào các lỗ rỗng của bê tông và chặn chúng), và chất tẩm bịt lỗ rỗng (silicon, silan, siloxan và các chất tương tự thâm nhập vào lỗ rỗng và bịt chúng bằng một lớp màng bề mặt kỵ nước để ức chế thấm nước). Các đặc điểm nổi bật của các cách tiếp cận sau để cải thiện khả năng chịu ion clo sẽ được xem xét ngắn gọn như: Cốt thép hợp kim chống ăn mòn; Gia cố thép cacbon bằng lớp phủ; Phụ gia chống ăn mòn; Bảo vệ catốt.

Kết quả của đề tài đã xây dựng được mô hình dự đoán thời hạn khai thác còn lại của kết cấu BTCT công trình cảng biển. Mô hình này được áp dụng sẽ đưa ra đánh giá hợp lý nhất cho việc lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa đảm bảo tuổi thọ khai thác của công trình cảng biển. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng hoặc Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia./.