Vật liệu xây dựng biển đảo

Việt Nam có bờ biển dài hơn 3.260 km bao bọc lãnh thổ ở cả 3 hướng Đông, Nam và Tây Nam, với chỉ số biển (khoảng 0,01), cao gấp 6 lần giá trị trung bình của thế giới. Nước ta có 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương có biển (trong đó có 10 tỉnh và thành phố có hải đảo, quần đảo) với tổng diện tích 208.560 km2, chiếm 41% diện tích cả nước và 2.773 hòn đảo lớn, nhỏ, chủ yếu nằm ở vịnh Bắc Bộ, số còn lại phân bố ở biển Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Tây Nam. Dân số vùng biển và hải đảo khoảng trên 41 triệu người, chiếm gần một nửa dân số Việt Nam.

Theo Báo cáo Tổng kết 10 năm thực hiện về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, định hướng đến năm 2030, tổng nguồn vốn đầu tư của 28 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương ven biển bằng 55 - 60% so với tổng vốn đầu tư cả nước. Riêng vốn đầu tư cho hệ thống đảo đến năm 2020 khoảng 162,5 nghìn tỷ đồng.

I. Các nhóm công trình biển.

Có 5 nhóm công trình chính chịu tác động của nước biển và khí hậu biển, bao gồm:

1. Công trình bảo vệ bờ biển: Đó là các công trình trình giảm sóng, còn được gọi là công trình phá sóng; đê biển, là các công trình ngăn nước lũ của sông hoặc ngăn nước biển, được phân loại, phân cấp theo quy định của cơ quan có thẩm quyền; kè bảo vệ đê, là công trình xây dựng nhằm chống sạt lở để bảo vệ đê.

2. Cảng biển: Cảng biển là một đầu mối giao thông, được kết hợp các công trình xây dựng và thiết bị đảm bảo cho tàu đậu an toàn, đồng thời cho phép bốc dỡ hàng hoá nhanh và thuận tiện.

3. Công trình lấn biển: Là hoạt động bồi đắp của con người thông qua việc đổ đất và/hoặc đá, vật liệu khác xuống biển, hay nói chung, là vùng nước ở gần bờ hoặc xa bờ nhằm tạo lập quỹ đất sử dụng vào các mục đích phát triển kinh tế - xã hội. Dự án đầu tư lấn biển là dự án đầu tư xây dựng có một phần diện tích hoặc toàn bộ diện tích lấn biển. Đảo nhân tạo là một phần đất bồi đắp được tạo ra do con người thông qua việc đổ đất và/hoặc đá xuống biển.

4. Công trình dân dụng xây dựng ven biển: Là các công trình xây dựng bao gồm các loại nhà ở, nhà và công trình công cộng.

5. Công trình công nghiệp: Công trình công nghiệp là nơi diễn ra các quá trình sản xuất công nghiệp và phục vụ sản xuất, nằm trong các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, bao gồm có, nhà (xưởng) sản xuất, nhà điều hành sản xuất, công trình phục vụ sản xuất (y tế, ăn uống, sinh hoạt, nghỉ ngơi, giải trí, học tập, văn hóa, dịch vụ, kho tàng, giao thông…) và công trình kỹ thuật (điện, cấp - thoát nước, thông gió, xử lý chất thải, phòng cháy chữa cháy....

II. Sự xâm thực của môi trưởng biển đối với các công trình xây dựng.

2.1. Phân vùng khí hậu biển ảnh hưởng tới chất lượng các công trình xây dựng ở nước ta.

QCVN 02:2009/BXD và bản dự thảo QCVN 02:2021/BXD (thay thế QCVN 02:2009/BXD), Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia - Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng, đã quy định: số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng của Quy chuẩn này được áp dụng cho việc lập, thẩm định, phê duyệt các hoạt động xây dựng bao gồm lập quy hoạch xây dựng, lập dự án đầu tư xây dựng công trình, thiết kế xây dựng công trình, thi công xây dựng công trình, giám sát thi công xây dựng công trình, quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình tại Việt Nam. Trong Quy chuẩn này đã quy định và mô tả các yếu tố thiên nhiên ảnh hưởng tới xây dựng công trình ven biển như thủy văn biển, độ muối khí quyển. Các hiện tượng thuỷ văn biển có thể gây bất lợi cho nhà cửa và công trình xây dựng vùng biển Việt Nam là chế độ thuỷ triều, nước dâng do bão, chiều cao sóng khi bão. Các công trình xây dựng ven biển bị tác động rất lớn bởi nước biển dâng do bão. Dọc theo bờ biển Việt Nam, nước biển dâng do bão ở các khu vực là khác nhau. Các công trình xây dựng khu vực ven biển và hải đảo còn chịu sự tác động của độ muối khí quyển. Độ muối khí quyển là tổng lượng muối clorua trong không khí tính theo số miligam ion Cl- sa lắng trên 1m2 bề mặt công trình trong một ngày đêm (mg Cl-/m2.ngày). Muối trong khí quyển vùng ven biển, biển và hải đảo, kết hợp với độ ẩm cao gây ăn mòn mạnh các kết cấu thép, kết cấu kim loại, kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu bê tông ứng suất trước.

Phân bố độ muối khí quyển tại các khu vực trên lãnh thổ Việt Nam được tính theo các công thức sau:

+ Miền Bắc và miền Trung (từ 16 độ vĩ bắc trở ra): [Cl-] = 0,9854 X -0,17, sai số ±16%

+ Miền Trung và miền Nam (từ 16 độ vĩ bắc trở vào): [Cl-] = 3,9156 X-0,22, sai số ±23%,

trong đó: [Cl-] – độ muối khí quyển, mgcl-/m2.ngày     

X: Khoảng cách từ biển vào bờ, km.

Theo bản đồ phân vùng độ muối khí quyển Việt Nam, vùng đất liền bị ảnh hưởng bởi độ muối khí quyển tương đối rộng, không chỉ các địa phương tiếp giáp biển mà cả các vùng nằm sâu trong đất liền.

2.2. Sự xâm thực của nước biển và khí hậu biển đối với công trình xây dựng.

Dưới sự tác động của nước biển và khí hậu biển, hầu hết các loại vật liệu trong công trình xây dựng đều bị ăn mòn và hư hỏng nhanh hơn so với công trình làm việc trong môi trường nước và khí hậu bình thường. Các nhân từ môi trường biển gây hại cho vật liệu xây dựng bao gồm: ion clo, ion sulfate, ion magie và các muối. Đối với vật liệu kim loại, muối của các ion này sẽ ôxy hóa kim loại làm xuống cấp và phá hủy chúng. Đối với bê tông, bê tông cốt thép và vữa xi măng, các muối có trong nước biển sẽ phản ứng hóa học với các thành phần có trong bê tông và vữa theo các phản ứng chủ yếu sau:

MgSO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + Mg(OH)2

MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2

Các phản ứng này làm mất cần bằng Ca(OH)2 trong đá xi măng, dẫn đến phân hủy các khoáng thủy hóa, đồng thời tạo ra sản phẩm thủy hóa dạng bở rời, làm suy giảm cường độ bê tông.

Phản ứng tạo ettringite từ các muối có trong nước biển và các khoáng hydroaluminate calci trong đá xi măng, gây nở, là một phản ứng ăn mòn diễn ra mạnh đối với đá xi măng. Phương trình phản ứng được mô tả tóm tắt như sau:

3CаО.А12О3.6Н2O + 3(СаSО4.2Н2О) + 20Н2О = {Ca6[А1(ОН)6]2. 24Н2O}.(CaSO4)3.2Н2O, thường được viết là: ЗCаО.А12O3.3СаSO4.32Н2О

Khi nước biển hoặc hơi nước biển thâm nhập vào trong lòng khối bê tông, các muối có trong nước biển sẽ kết tinh trong các lỗ rỗng mao quản. Ứng suất kết tinh của các muối có thể gây phá hoại bê tông (ứng suất kết tinh MgSO4 có thể đạt tới 36 Mpa). Một số muối có thể chuyển từ trạng thái khan thành muối ngậm nước sẽ tăng thể tích và gây nứt bê tông, tương tự như sự hình thành ettringte, đó là muối Na2SO4 (chuyển thành Na2SO4.10H2O) và MgSO4 (chuyển thành MgSO4.7.H2O). Thể tích của muối ngậm nước có thể tăng từ 1,5 đến 3 lần so với thể tích muối khan.

Một điểm cần lưu ý là, sự xâm thực nước biển khác với xâm thực sulfate. Vì vậy, xi măng dùng cho bê tông biển được khuyến cáo không nên có hàm lượng C3A quá thấp, thường hàm lượng C3A được khuyên dùng là 8-10% (Trong môi trường xâm thực sulfate, C3A cần nhỏ hơn 8; 5 hoặc thậm chí bằng 0, thùy thuộc mức độ xâm thực của môi trường).

Sử dụng đúng vật liệu cho công trình biển đảo cực kỳ quan trọng. Nếu sử dụng vật liệu thông thường cho công trình biển, tuổi thọ công trình sẽ ngắn, chi phí bảo trì, sửa chữa lớn, thậm chí công trình bị phá hủy, mất khả năng làm việc. Đáng tiếc, hiện nay việc này chưa được chú ý nhiều ở Việt Nam. Theo các tài liệu đã công bố, các công trình xây dựng và hạ tầng kỹ thuật bê tông cốt thép ở ven biển, trên các đảo sau 5 - 10 - 20 năm thường bị ăn mòn và phá hủy trầm trọng, đòi hỏi chi phí lớn cho việc sửa chữa và bảo vệ, chiếm khoảng 40 - 70% giá thành xây dựng. Các công trình bê tông cốt thép trên các đảo hiện nay hầu hết được xây dựng dựa trên nguồn nguyên vật liệu được vận chuyển từ đất liền ra, do đó, chi phí vận chuyển rất tốn kém. Hơn nữa, việc chuyên chở một khối lượng lớn nguyên vật liệu từ đất liền ra đảo phục vụ thi công xây dựng rất khó khăn. Mặt khác, khi chuyên chở trên biển thời gian dài, dưới tác động của khí hậu biển, vật liệu bị nhiễm mặn, bị xâm thực bởi nước biển làm giảm chất lượng của công trình và tăng nguy cơ bị ăn mòn.

III. Sử dụng vật liệu cho công trình biển đảo.

Do nước biển và hơi nước biển đều gây ra các phản ứng hóa học làm suy yếu chất lượng vật liệu xây dựng nên, các công trình xây dựng biển đảo cần lựa chọn vật liệu thích hợp, có khả năng hạn chế sự tấn công phá hủy của các muối, ion có trong nước và khí hậu biển. 

3.1. Đối với kết cấu thép.

Để chống ăn mòn cho kết cấu cầu thép trong vùng biển, người ta thường lựa chọn áp dụng các biện pháp cơ bản sau:

- Sử dụng các kim loại, hợp kim ít bị ăn mòn;

- Thiết kế kết cấu nhằm giảm thiểu các nguy cơ gây ăn mòn;

- Bảo vệ catôt và các biện pháp điện hóa khác;

- Sử dụng các lớp phủ (kim loại, sơn) chống ăn mòn cho kết cấu thép, bền với môi trường. Trong các biện pháp nêu trên, sử dụng sơn phủ tạo lớp ngăn cách môi trường với bề mặt thép là biện pháp bảo vệ hiệu quả và thông dụng nhất, thi công đơn giản, áp dụng được cho các kết cấu có kích thước và hình dạng khác nhau, có tính thẩm mỹ cao. Mặt khác nếu dùng biện pháp sơn phủ thì công tác bảo trì cũng dễ dàng. Hiện nay có tới hơn 80% bề mặt kim loại được bảo vệ bằng sơn với các chủng loại sơn rất phong phú.

3.2. Đối với bê tông và bê tông cốt thép.

Các vật liệu sử dụng cho chế tạo bê tông phải tuân thủ tuyệt đối các tiêu chuẩn hướng dẫn lựa chọn vật liệu đã được quy định, ví dụ:

- Xi măng, phải tuân theo tiêu chuẩn: TCVN 9035:2011 - hướng dẫn lựa chọn và sử dụng xi măng trong xây dựng.

- Cốt liệu, biện pháp thiết kế, thi công, phải thực hiện theo TCVN 9346:2012 - Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển.

 Ngoài ra, có thể sử dụng các tiêu chuẩn của Mỹ hoặc Châu Âu.

 (Có một thực tế là, một số tiêu chuẩn Việt Nam, có những quy định chưa chuẩn xác hoặc đã lạc hậu nhưng chưa được soát xét, bổ sung, sửa đổi, ví dụ TCVN 9346:2012. Vì vậy, nên tham khảo tiêu chuẩn Mỹ hoặc Châu Âu).

3.3. Các loại vật liệu khác.

Như đã trình bày ở trên, trong nước biển, khí hậu biển có chứa các muối và ion, có thể phản ứng với các thành phần của đa số vật liệu xây dựng. Vì vậy, đối với công trình biển, cần lưu ý lựa chọn loại vật liệu có khả năng chống chịu tốt với môi trường biển. Hai yếu tổ cơ bản cần được quan tâm, đó là, bản chất vật liệu và độ đặc chắc, chống thấm, chống xâm thực nước và hơi nước. Thiếu một trong hai yếu tố này, vật liệu đều mau chóng hư hại trong môi trường biển.

Gần đây, xuất hiện một số loại vật liệu tính năng cao, khả năng chịu lực của chúng có thể gấp nhiều lần vật liệu thông thường, độ đặc chắc của vật liệu cũng cao, ví dụ bê tông siêu tính năng (UHPC). Tuy nhiên, bản chất hóa học của loại bê tông này không thay đổi so với bê tông thông thường. Do đó, tuổi thọ của UHPC trong môi trường biển đảo sẽ cao hơn bê tông thường, nhưng, nếu không sử dụng đúng xi măng cho công trình biển, UHPC vẫn bị ăn mòn và phá hủy do nước biển, khí hậu biển.

BOX:

Công trình xây dựng trong môi trường biển đảo ở nước ta ngày càng nhiều, càng phức tạp, yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật và độ bền lâu ngày càng cao. Môi trường biển đảo là môi trường xâm thực mạnh đối với hầu hết các loại vật liệu xây dựng. Vì vậy, muốn công trình có chất lượng cao, bền vững, cần lựa chọn vật liệu, giải pháp thi công phù hợp. Hiện nay, nước ta đã có tương đối đầy đủ các tiêu chuẩn, quy định đối với việc lựa chọn vật liệu, thiết kế, thi công cho công trình biển đảo. Tuy nhiên, hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn về vật liệu, thiết kế, thi công còn một số bất cập. Trong thời gian tới, cần hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn đối với công trình biển đảo và ban hành quy chuẩn tương ứng. Khi đã có đủ tiêu chuẩn, quy chuẩn, cần có biện pháp giám sát và chế tài xử lý đối với việc không chấp hành các quy chuẩn xây dựng trong vùng khí hậu biển.

Ngoài ra, cần chuẩn bị đủ vật liệu cho chế tạo bê tông và bê tông có cốt gia cường cho công trình biển, vì đây là vật liệu cơ bản cho xây dựng. Cần khuyến cáo chi tiết hơn đối các vật liệu chế tạo bê tông, như, yêu cầu đối với xi măng, cốt liệu, vật liệu cốt gia cường bê tông. Vật liệu san lấp biển cũng là vấn đề cần quan tâm. Khối lượng sử dụng vật liệu này rất lớn. Cho đến nay, vẫn chưa có các tiêu chuẩn hoặc chỉ dẫn kỹ thuật thi công san lấp, nhất là khi sử dụng vật liệu san lấp là các chất thải công nghiệp cho công trình xây dựng thông thường và công trình biển đảo.

PGS.TS. Lương Đức Long - ThS. Trần Tuấn Nhạc