Thực trạng và giải pháp tiên tiến chống ăn mòn bền vững cho công trình biển Việt Nam

1. Đặt vấn đề

Việt Nam sở hữu 3.260 km bờ biển, bao bọc ba hướng Đông, Nam và Tây Nam, 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 [1].

Khi nói đến công trình bờ biển Việt Nam, đa phần là các 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 là Trường Sơn. Đó là đới uốn nếp tạo núi khổng lồ, dài hơn 1.100 km và có độ cao trung bình 700 - 900 m (đỉnh cao nhất là Ngọc Linh, tỉnh Quảng Ngãi: 2.558 m) nằm giữa hai bên là sông Mê Kông và biển Đông rộng lớn của biển cả Thái Bình Dương. Khu vực này có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa mưa kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12 và mùa khô từ tháng 1 đến tháng 8.

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.

2. Thực trạng và nguyên nhân hư hỏng

2.1. Các giai đoạn xây dựng: 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, Sài Gòn) có kè chắn sóng đơn giản.

- 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).

- 1980 - 1990: Bê tông bắt đầu dùng trong kè, mỏ hàn, đê chắn sóng.

- Sau năm 2000: Bê tông được dùng đại trà trong kè biển, đê chắn sóng, tường chắn… và các cấu kiện như: Bê tông lát mái, đúc sẵn (tetrapod, dolos…) và bê tông cốt thép toàn khối.

2.2. Dấu hiệu hư hỏng phổ biến

- Nứt bê tông - do sunphat 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.

 

 

Hình 3. Ăn mòn cốt thép (Clorua) lan can biển - cảng cá Vĩnh Lương, phường Bắc Nha Trang.

Hình 4. Vỡ mảng bê tông lộ cốt thép - lan can bến du thuyền, phường Bắc Nha Trang.

Hình 5. Vỡ mảng bê tông do bê tông kém - lan can đường Phạm Văn Đồng, phường Bắc Nha Trang.

Hình 6. Xói mòn bê tông do sóng - tường hắt sóng đường Phạm Văn Đồng, phường Bắc Nha Trang.

2.3. Những nguyên nhân chính

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 sunphat chỉ tập trung chống SO₄²⁻, bỏ qua tác động của Cl⁻, dẫn đến hạn chế trong bảo vệ công trình.

Tóm lại, các nguyên nhân chính ăn mòn, xâm thực như sau:

- Môi trường biển xâm thực: Muối Cl⁻ chiếm 57%, muối SO₄²⁻ chiếm 43%, kết hợp sóng gió gây xói mòn cơ học.

- Chất lượng vật liệu: Bê tông thường (M300 - M400) có độ rỗng khá cao 11 - 16%, điện trở suất thấp (5 - 50 Ω·m), dễ thấm muối.

- Ăn mòn cơ học: Bê tông bị ăn mòn, xói lở do sóng biển tác động.

- Thi công kém: Lớp bảo vệ mỏng, đầm nén và bảo dưỡng chưa đạt.

- Hiện tượng cacbonat hóa: pH giảm dưới 12,5, giảm độ kiềm của đá xi măng dẫn đến ăn mòn cốt thép.

Khi vết nứt ≥ 0,4 mm, tốc độ ăn mòn tăng mạnh; tuổi thọ công trình có thể giảm còn 10 - 20 năm nếu không có biện pháp bảo vệ.

3. So sánh vật liệu bê tông hiện nay

Các vật liệu bê tông được thường được sử dụng hiện nay cho các cấu kiện bê tông cốt thép [2, 3, 4, 5, 7, 9] có những thống kê so sánh trình bày ở Bảng 1.

Bảng 1. Các loại bê tông dùng trong công trình cảng biển

Nhãn

Ghi chú: *FRP: Sợi carbon (CFRP), basalt (BFRP) hoặc thủy tinh (GFRP), UHPC tại IBST (2022) có hệ số thấm ion Cl⁻ < 50 coulomb (so với 2000-4000 ở bê tông thường).

- HPC với tro bay (20%) tại Cửa Đại (Hội An) cho tuổi thọ dự báo 35 năm.

4. 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.

4.1. Bê tông tính năng cao (HPC)

- Phụ gia: Silica fume,tro bay, xỉ lò cao làm tăng điện trở suất.

- Ứng dụng: Đúc lan can, lớp phủ bờ kè, kết cấu nhà cao tầng, kết cấu dự ứng lực.

- Chi phí: 3 - 5 triệu VNĐ/m³, tuổi thọ > 50 năm.

Ví dụ: Bờ kè Cửa Đại giảm thấm Cl⁻ 70% so với bê tông thường.

4.2. Bê tông GFRC (Glass Fiber Reinforce Concrete)

- Phụ gia: Polymer (tăng cường uốn, kéo), hóa 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.

4.3. Bê tông siêu tính năng (UHPC - Ultra High Performance Concrete)

- Đặc tính: Cường độ 100 - 200 MPa;

- Ứng dụng: Tập trung 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.

4.4. 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 hóa chất.

4.5. Cốt phi kim (FRP) - “cốt thép không gỉ”

- Loại sợi: CFRP, BFRP, GFRP.

- Ưu điểm: Không ăn mòn, nhẹ, tuổi thọ > 50 - 120 năm (tùy vào loại bê tông).

Ví dụ: BFRP thử nghiệm tại bờ kè Cần Giờ giảm ăn mòn 80%.

4.6. 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.

4.7. 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.

4.8. Công nghệ mới

- Bê tông tự phục hồi (vi khuẩn/polymer) - giảm nứt 50% tại thử nghiệm Cần Giờ.

- In 3D UHPC - chế tạo lan can nhanh, chính xác.

- AI tối ưu phối liệu - giảm 20% xi măng và CO₂.

4.9. Một số hình ảnh các giải pháp công nghệ

Các giải pháp về công nghệ sử dụng trong xây dựng công trình trong môi trường ăn mòn được trình bày trong các Hình 7 - Hình 14.

Hình 7. Bê tông GFRC uốn cong ứng dụng trong kiến trúc.

Hình 8. Bê tông HPC ứng dụng. 

Hình 9. Bê tông cốt FRP.

Hình 10. Bê tông UHPC.

Hình 11. Bê tông UHDC trong môi trường biển. 

Hình 12. Giải pháp bảo vệ Anốt hy sinh [6].

Hình 13. Sơn Epoxy bảo vệ kết hợp chống thấm.

Hình 14. ICCP - giải pháp bảo vệ Catốt.

5. Kiến nghị cho Việt Nam

5.1. Vật liệu

- HPC 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).

- UHPC cho công trình trọng điểm, công trình có tính chất quan trọng.

- FRP cho khu vực sương muối nặng.

5.2. Giải pháp bảo vệ

- Anốt hy sinh: Là giải pháp chống ăn mòn cho kết cấu kim loại, bao gồm cốt thép trong bê tông bằng cách sử dụng một kim loại dễ ăn mòn hơn (Anốt hy sinh) để bảo vệ kim loại, cốt thép chính.

- ICCP (Impressed Curent Cathodic Protection - giải pháp bảo vệ catốt): Giải pháp bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép bằng cách sử dụng dòng điện một chiều từ nguồn bên ngoài để ngăn chặn ăn mòn điện hóa của cốt thép trong bê tông.

- Sơn epoxy kết hợp chống thấm cho lan can, bờ kè nhỏ.

5.3. So sánh điều kiện ứng dụng

So sánh các loại bê tông cho thấy, với những công trình ở môi trường xâm thực ít, việc sử dụng bê tông thường có cường độ từ 30 - 40 Mpa có thể chấp nhận được (các công trình hiện nay, có nơi chỉ từ 25 - 30 Mpa). Tuy nhiên, chi phí bảo dưỡng lớn, liên tục với những công trình xâm thực mạnh, gần bờ biển thậm chí luôn chịu tác động của sóng biển, luôn ở trong tình trạng khô - ướt do mực nước biển.

- 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 sửa chữa gia cường lớp phủ bờ kè, các công trình bờ biển khác.

- Với bê tông tính năng cao (HPC): Tuổi thọ bê tông từ > 50 năm, chi phí 3 - 5 triệu 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…

- Với 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.HCM), 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…

5.4. Tiêu chuẩn hóa

Xây dựng thêm nhiều TCVN cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

6. Kết luận

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 HPC, 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 tại Cửa Đại, Cần Giờ, Thăng Long và kinh nghiệm quốc tế (Mỹ, Pháp, Nhật Bản) chứng minh hiệu quả.

Với đào tạo nhân lực, nội địa hóa công nghệ và hoàn thiện tiêu chuẩn, Việt Nam có thể xây dựng hạ tầng ven biển bền vững, bảo vệ cộng đồng lâu dài.

Trên cơ sở các ưu, nhược điểm các loại bê tông trên, với các công trình đặc biệt, trọng điểm và khối lượng đủ lớn, các công trình ngoài khơi, bể chứa hóa chất thì nên sử dụng bê tông siêu tính năng UHPC, UHDC hoặc bê tông HPC/UHPC/ UHDC sử dụng cốt FRP.

Với 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.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Minh Quang (2012) - Cẩm nang Thiết kế xây dựng công trình thủy.
[2]. EN 206:2013+A2:2021 - Tiêu chuẩn châu Âu về yêu cầu tính năng sản phẩm và tính đồng nhất của bê tông - Specification Performance Production and Conformity.
[3]. GB/T 50476-2019 - Tiêu chuẩn Trung Quốc về thiết kế độ bền kết cấu bê tông.
[4]. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 2020.
[5]. CSA S806-12 (R2017) - Thiết kế FRP (Canada).
[6]. NACE SP0290-2000 - Bảo vệ Catốt bằng Anốt hy sinh (USA).
[7]. ACI 222R-01 (2010) - Bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn.
[8]. JTG/T 3310-2019 - Quy chuẩn thiết kế độ bền kết cấu bê tông cho kỹ thuật đường cao tốc (Trung Quốc).
[9]. Trần Bá Việt (2022), Tổng quan UHPC tại Việt Nam - IBST.
[10]. Nguyễn Thanh Sang và nnk (2013), Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ bền Clo và Sunphate của bê tông xi măng trong xây dựng cầu bê tông.
[11]. Viện Kỹ thuật Biển (ICOE), Nghiên cứu bờ kè ven biển Việt Nam.
[12]. Thông tư 25/2019/TT-BTNMT - Quy định chi tiết thi hành một số điều của Nghị định số 40/2019/NĐ-CP.