Giải pháp tiên tiến chống ăn mòn bền vững cho công trình biển Việt Nam

Các nhà nghiên cứu hiện đã tìm ra giải pháp nhằm nâng cao tuổi thọ công trình lên 50 – 120 năm và giảm chi phí bảo trì.

Nguyên nhân khiến các công trình bị hư hỏng?

Việt Nam sở hữu 3.260 km bờ biển, bao bọc ba hướng Đông, Nam và Tây Nam tại Biển Đông, với mật độ trung bình 11 km bờ biển/100 km² đất liền. Dọc bờ biển tập trung các đô thị lớn, 90 cảng biển và trên 100 vị trí có tiềm năng xây dựng cảng, cùng nhiều tuyến đường ven biển quan trọng.

Khi nói đến công trình bờ biển Việt Nam, đa phần là công trình phát triển về hướng biển, các kè bảo vệ bờ, tường hắt sóng biển trên đất liền và các đảo, quần đảo… hay lan can biển dọc theo các tuyến đường giao thông các tỉnh ven biển.

Về mặt tự nhiên, các tỉnh ven biển đa số thuộc dãy núi cao hùng vĩ đồ sộ, chạy dài từ Bắc chí Nam, nên có tên gọi Trường Sơn. Đó là đới uốn nếp tạo núi khổng lồ, dài hơn 1100 km và có độ cao trung bình 700 - 900 m (đỉnh cao nhất là Ngọc Linh – KonTum/Quảng Nam: 2558m) nằm giữa hai bên là sông Mê Kông kỳ vĩ và Biển đông rộng lớn của biển cả mênh mông Thái Bình Dương. Khu vực này có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa mưa kéo dài từ tháng 9 - 12 và mùa khô từ tháng 1 - 8.

Ăn mòn cốt thép (Clorua) lan can biển – Cảng cá Vĩnh Lương, Phường Bắc Nha Trang, Khánh Hòa

Tuy nhiên, các công trình bờ biển bao gồm: Kè, tường chắn sóng, lan can ven biển và cả hạ tầng đảo/quần đảo đang phải đối mặt với môi trường xâm thực khắc nghiệt. Đặc biệt tại miền Trung, khu vực Trường Sơn và duyên hải thường xuyên chịu bão, gió mạnh, độ ẩm cao và sự tấn công của ion Cl⁻ và SO₄²⁻ trong nước biển.

Tình trạng hư hỏng hàng loạt ở các công trình này, nhất là từ năm 2010 đến nay, đặt ra yêu cầu cấp bách về giải pháp vật liệu và kỹ thuật hiện đại, thay thế tư duy “xây nhanh – rẻ – sửa sau” vốn phổ biến trong quá khứ.

Nứt bê tông (sulfat hoá) lan can bờ biển, đường Phạm Văn Đồng, Phường Bắc Nha Trang, Khánh Hòa

Các công trình bờ biển của Việt Nam được xây dựng từ rất sớm: Trước 1945, các công trình phòng chống thiên tai như đê điều ven sông, ven biển đã tồn tại từ khá sớm nhưng đa số là quy mô nhỏ, có tính cục bộ và thô sơ (dùng tre, đá, đất …); thời Pháp thuộc có các công trình Cảng (Hải Phòng, Cảng Sài Gòn) có kè chắn sóng đơn giản.

Năm 1954–1975, đã bắt đầu xuất hiện đê biển, hệ thống ngăn mặn hay các đê bao (chủ yếu là đá hộc, đất, gỗ, rọ tre). Năm 1980–1990, bê tông bắt đầu được dùng trong kè, mỏ hàn, đê chắn sóng. Kể từ năm 2000: Bê tông được dùng đại trà trong kè biển, đê chắn sóng, tương chắn… và các cấu kiện như bê tông lát mái, đúc sẵn (tetrapod, dolos..) và bê tông cốt thép toàn khối.

Những biểu hiện thường thấy ở các công trình biển xuống cấp: Nứt bê tông do sulfat hóa, chu kỳ ướt - khô, hoặc ứng suất nhiệt; ăn mòn cốt thép - do xâm nhập Cl⁻ phá vỡ màng thụ động và nở tiết diện thép; vỡ mảng bê tông, lộ cốt thép - giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ; vỡ mảng bê tông, lộ cốt thép - giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ.

Xói mòn bê tông do sóng – tường hắt sóng đường Phạm Văn Đồng, Phường Bắc Nha Trang, Khánh Hòa

Vỡ mảng bê tông lộ cốt thép – Lan can Bến Du Thuyền, Phường Bắc Nha Trang, Khánh Hòa

Các tác giả nghiên cứu cho thấy, môi trường xâm thực mạnh bao gồm các yếu tố như clorua, kết tinh muối sunphat, đóng tan băng (ở vùng ôn đới/lạnh), cacbonat hóa, và xói mòn... Môi trường kết tinh muối sunphat gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến công trình, môi trường Clo ảnh hưởng nghiêm trọng đến cốt thép trong kết cấu bê tông, các yếu tố khác từ mức ảnh hưởng từ mức trung bình trở lên.

Ở môi trường biển, các yếu tố này thường tác động đồng thời, với clorua từ nước biển và xói mòn từ sóng là nổi bật nhất. Sự kết hợp này làm tăng tốc độ ăn mòn, đặc biệt ở vùng nhiệt đới với nhiệt độ và độ ẩm cao, có chu kỳ nhiệt đòi hỏi biện pháp bảo vệ phù hợp cho tất cả các công trình biển như cảng, giàn khoan, kè biển, tường hắt sóng, lan can...

Môi trường xâm thực biển ven duyên hải miền Trung, với muối Cl⁻ chiếm 57% và muối SO₄²⁻ chiếm 43% trong thành phần (tỷ lệ này có thể thay đổi tùy thuộc vào từng địa phương; do ô nhiễm, hải lưu ven bờ, hoặc sinh học biển), gây tác động đồng thời nghiêm trọng đến bê tông cốt thép, đặc biệt qua ăn mòn cốt thép do Cl⁻ và nứt nở do SO₄²⁻. Trước đây, việc dùng xi măng bền sunfat chỉ tập trung chống SO₄²⁻, bỏ qua tác động của Cl⁻, dẫn đến hạn chế trong bảo vệ công trình.

Vật liệu hiện đại ngày nay đã khắc phục vấn đề trên có thể cho tuổi thọ của công trình 35 năm ví dụ như: HPC với tro bay (20%) tại Cửa Đại (Hội An) .

Giải pháp tiên tiến chống ăn mòn

Nghiên cứu hiện nay nhấn mạnh cần giải pháp toàn diện, chú trọng chống đồng thời Cl⁻ và SO₄²⁻, kết hợp chất kết dính đa thành phần, lớp phủ bảo vệ, và thép không gỉ, đồng thời xem xét xói mòn cơ học từ sóng và bão để đảm bảo độ bền cho các công trình biển.

Bê tông tính năng cao (HPC) kết hợp Phụ gia: Silica fume,tro bay, xỉ lò cao làm tăng điện trở suất. Làm tăng tuổi thọ hơn 50 năm và chi phí xây dựng khoảng 3 - 5 triệu đồng/m3. Có thể dùng để đúc lan can, lớp phủ bờ kè, kết cấu nhà cao tầng, kết cấu dự ứng lực. Ví dụ: Bờ kè Cửa Đại giảm thấm Cl⁻ 70% so với bê tông thường.

• Các ứng dụng khi sử dụng bê tông HPC

Bê tông GFRC (Glass Fiber Reinforce Concrete): Phụ gia: polymer (tăng cường uốn, kéo) , hoá dẻo (ASTM C-494); chống thấm gốc silane hoặc siloxane (cho môi trường biển). Ứng dụng: panel mỏng trang trí kiến trúc, các tạo hình kiến trúc mềm mại, resort ven biển… Chi phí: 5–8 triệu VNĐ/m³, tuổi thọ 30–50 năm.

• Bê tông GFRC có thể tạo khối thẩm mỹ theo ý tưởng thiết kế

Bê tông siêu tính năng (UHPC – Ultra High Performance Concrete): Đặc tính: Cường độ 100–200 MPa; Ứng dụng: tập trng vào cường độ và tính năng đa dạng (kết cấu mảnh, chịu tải, thẩm mỹ). Tuổi thọ: 75–100 năm. Ví dụ: các cầu dây văng mảnh, panel mặt dựng, kiến trúc cao cấp.

Bê tông siêu tính năng (UHDC – Ultra High Durability Concrete): Đặc tính: Cường độ 80–150 MPa; Ứng dụng: khu vực có tác động hoá học mạnh, ăn mòn, vùng băng giá hoặc nhiệt độ thay đổi lớn; Tuổi thọ: 100–120 năm. Ví dụ: Các trụ gió ngoài khơi, kết cấu nổi trên biển, bể hoá chất.

Cốt phi kim (FRP) – “cốt thép không gỉ”

• Loại sợi: CFRP, BFRP, GFRP.
• Ưu điểm: Không ăn mòn, nhẹ, tuổi thọ > 50 -120 năm (tuỳ vào loại bê tông). Ví dụ: BFRP thử nghiệm tại bờ kè Cần Giờ giảm ăn mòn 80%.

• Bê tông cốt EPR

Bảo vệ Catốt

• Anốt hy sinh (Zn/Al): Dễ lắp đặt, chi phí thấp (200.000–500.000 VNĐ/kg), kéo dài tuổi thọ >50 năm.
• Dòng điện áp (ICCP): Dùng cho bờ kè lớn, kết hợp UHPC, tuổi thọ >100 năm.

• Giải pháp bảo vệ Anốt hy sinh

Chống thấm và phụ gia

• Sơn epoxy/polyurethane (0,2–0,5 mm) và màng PU/PMMA (1–2 mm) bảo vệ bề mặt.
• Hóa chất ức chế ăn mòn (nitrit 1–2% xi măng).
• Phụ gia khoáng giảm độ rỗng.

• Sơn Epoxy bảo vệ kết hợp chống thấm

• Bê tông UHPC trong môi trường biển

Kiến nghị cho Việt Nam

Các công trình ven biển miền Trung và cả nước đang xuống cấp nhanh do xâm thực đồng thời Cl⁻, SO₄²⁻, xói mòn sóng và thi công kém. Ứng dụng HSC, UHPC, cốt FRP, Anốt hy sinh, ICCP, màng chống thấm và phụ gia khoáng có thể nâng tuổi thọ công trình lên 50–100 năm, giảm chi phí bảo trì. Thực tiễn các công trình tại Cửa Đại, Cần Giờ, Thăng Long và kinh nghiệm quốc tế (Mỹ, Pháp, Nhật) chứng minh hiệu quả.

Đối với mỗi loại công trình nên dùng các vật liệu khác nhau: HPC phù hợp cho công trình biển, đảo/ quần đảo (công trình tiếp xúc với môi trường ăn mòn mạnh như nước biển, đất ẩm hoặc môi trường chứa clorua).

Với các công trình đặc biệt, trọng điểm và khối lượng đủ lớn,các công trình ngoài khơi, bể chứa hoá chất thì nên sử dụng bê tông siêu tính năng UHPC, UHDC hoặc bê tông HPC/UHPC/ UHDC sử dụng cốt FRP.

Các công trình biển, đảo/quần đảo như: Kè biển, tường hắt sóng, chân khay hay lan can biển (ở các tuyến đường ven biển miền trung) thì việc sử dụng bê tông chất lượng cao HPC là phù hợp nhất và rất cần thiết với tính chất, thời gian và nhu cầu sử dụng cho các công trình này.

Với bê tông GFRC có khả năng chống ăn mòn, xâm thực mạnh, tuổi thọ bê tông từ 30-50 năm, chi phí sản xuất 5-8 triệu đồng/m3 có thể ứng dụng cho công trình lan can, bờ kè hay sữa chữa gia cường lớp phủ bờ kè, các công trình bờ biển khác.

Bê tông tính năng cao (HPC) tuổi thọ bê tông từ > 50 năm, chi phí 3-5triệu đồng/m3, có thể thi công đổ tại chỗ (toàn khối) hoặc lắp ghép, dễ dàng trong sản xuất với vật liệu địa phương phù hợp với tất cả các loại công trình biển, công trình xâm thực mạnh, sương muối …

Bê tông siêu tính năng UHPC/UHDC và FRP: Khả năng chống ăn mòn, xâm thực siêu cao, tuổi thọ lớn; Chi phí bảo trì thấp gần như bằng 0 trong 75–120 năm mặc dù có chi phí đầu tư cao (10–20 triệu VNĐ/m³; Tuy nhiên, việc sản xuất đổ tại chỗ (toàn khối) khó khăn (do yêu cầu dây chuyền sản xuất, do nguồn vật liệu cát thạch anh hiếm) nên việc sử dụng vữa khô (nếu sản xuất tại chỗ) hoặc cấu kiện đúc sẵn phụ thuộc vào công tác vận chuyển (Các trạm sản xuất UHPC/UHDC không có sẵn tại nhiều địa phương, dây chuyền đầu tư cao hoặc bê tông sử dụng cốt FRP không có sẵn, chưa sử dụng rộng rãi trên thị trường trong nước, các nhà máy sản xuất chủ yếu ở Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh) vì vậy khối lượng thi công cần đủ lớn; nên áp dụng cho các công trình trọng điểm, có tính chất đặc biệt hoặc môi trường khắc nghiệt nhất …

Đồng thời, Bộ Xây dựng cần xây dựng thêm nhiều TCVN cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt, hai tác giả đề xuất.

ThS. Nguyễn Thanh Vũ - Công ty TVXD Không Gian Việt & Công ty CP Nghiên cứu – Chuyển giao CNXD RETECH); PGS.TS. Nguyễn Thanh Sang - Trường Đại học Giao thông Vận tải