Bê tông với cốt sợi thủy tinh GFRP, cát và nước biển?

Đây là đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm tác giả PGS.TS Vũ Ngọc Anh, Ths Đào Kim Thành (trường Đại học Xây dựng Miền Trung) và NCS. Nguyễn Thanh Thản (Viện Khoa học công nghệ Xây dựng). Qua nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả đề xuất chế tạo các loại bê tông từ cát biển, nước biển, nhưng thay thế cốt thép thông thường bằng cốt sợi thủy tinh GFRP- Glass Fiber Reinforced Polymer, có cấp độ bền từ B15 đến B45. Vật liệu này rất phù hợp với những nơi đảo xa, khan hiếm vật liệu không nhiễm mặn, điều kiện kinh tế khó khăn

Nhóm nghiên cứu thực nghiệm tại trường Đại học Xây dựng Miền Trung

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.

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, 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. 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. Sau 6 tháng, trên bề mặt cốt thép, ở phần tiếp giáp mực nước, hiện tượng 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%.

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 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 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: 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.

Vật liệu cốt sợi thủy tinh Polyme có những tính năng vượt trội về cường độ, khả năng chống ăn mòn dùng để thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt thép trong các cấu kiện, công trình xây dựng đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng. Cốt sợi thủy tinh Polyme thường dùng với ký hiệu GFRP viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh “Glass Fiber Reinforced Polymer”. Với tính chất kháng muối, axit và không bị ảnh hưởng bới hầu hết các loại hóa chất GFRP thích hợp cho các công trình ở môi trường ô nhiễm, xâm thực hay nhiễm mặn.

Ở nước ta vật liệu này là mới nhưng có tiềm năng ứng dụng rất lớn bởi lẽ số lượng, quy mô các công trình ở các vùng biển, đảo mới bắt đầu phát triển cũng như yếu tố lợi thế về giá thành GFRP trên thị trường Việt Nam quy đổi tương đương cốt thép có cùng khả năng chịu lực. Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu này trên thực tế còn rất hạn chế bởi nhiều lý do trong đó có sự quan ngại của chủ đầu tư về việc tăng giá trị dự toán khi dùng vật liệu mới.

Việt Nam có hơn 3.000 đảo lớn, nhỏ với diện tích phần đất nổi khoảng 1.636 km2, được phân bố chủ yếu ở các vùng biển Đông Bắc và Tây Nam. Tuyến biển có 29 tỉnh, thành phố gồm: 124 huyện, thị xã, trong đó có 12 huyện đảo, 53 xã đảo với khoảng 20 triệu người sống ở ven bờ và 17 vạn người sống ở các đảo. Việc nghiên cứu, đẩy mạnh ứng dụng của khoa học công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng cho các vùng biển, ven biển và hải đảo ở nước ta vừa mang tính xu hướng vừa mang tính cấp thiết.

Việc ứng dụng vật liệu sợi Polyme có thể được xem như “chìa khóa” góp phần thúc đẩy hiện thực hóa chiến lược phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật các vùng biển đảo phục vụ phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng cho đất nước.)

Trích dẫn: https://kienviet.net/2017/12/3/tong-voi-cot-soi-thuy-tinh-gfrp-cat-va-nuoc-bien