Ứng dụng giải pháp bê tông cốt phi kim nhằm tăng cường tính bền vững cho các công trình kè chắn sóng ven biển

Dải ven biển đồng bằng sông cửu long (ĐBSCL) với chiều dài trên 744 km, thuộc địa phận các tỉnh Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên Giang cùng với các cửa sông, đang là nền tảng, điều kiện tốt cho phát triển kinh tế sạch, phát triển đa dạng sinh học, phát triển du lịch… Tuy nhiên, trong thập niên gần đây, dải ven biển ĐBSCL đang đối mặt với vấn nạn xói lở bờ sông, cửa sông, bờ biển rất nghiêm trọng.

Về trực quan nguyên nhân gây xói lở, có thể là do các yếu tố tự nhiên tác động từ biển theo mùa, đó là sóng do gió, dòng chảy ven bờ, thủy triều; các tác động có tính chủ quan từ con người, bao gồm: khai thác quá mức vùng ĐBSCL như đắp đê xây dựng các hệ thống ngăn mặn, giữ ngọt, khai thác rừng ngập mặn ven biển, khai thác cát, khai thác nước ngầm gây lún sụt; những tác động do hoạt động khai thác của các nước thượng nguồn sông Mê Kông, đặc biệt là xây dựng đập thủy điện giữ lại hầu hết bùn cát trong lòng hồ gây thiếu hụt bùn cát dọc bờ biển; bên cạnh đó là tình trạng biến đổi khí hậu (BĐKH) nước biển dâng đã, đang và sẽ làm trầm trọng hơn những tác động không mong muốn, làm gia tăng tốc độ xói lở bờ biển và vùng cửa sông.

Theo tài liệu điều tra thực tế và phân tích ảnh viễn thám nhiều năm cho thấy, diễn biến xói bồi dải ven biển ĐBSCL xảy ra theo mùa. Giai đoạn từ năm 2000 đến năm 2005, bồi lắng diễn ra chiếm ưu thế, diện tích ĐBSCL trong giai đoạn này được mở rộng trung bình mỗi năm 173 ha. Những năm tiếp theo, dải ven biển ĐBSCL diễn ra xói lở chiếm ưu thế, cụ thể: giai đoạn 2005-2010, diện tích mất đất ĐBSCL trung bình năm khoảng 377 ha; giai đoạn 2010-2015 mất khoảng 272 ha/năm. Nếu xét cả giai đoạn từ 2000-2015, trong vòng 15 năm ĐBSCL đã bị mất đi khoảng 2380 ha đất, trung bình diện tích mất đất hàng năm khoảng 159 ha.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Công ty cổ phẩn Khoa học Công nghệ Việt Nam cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Hoàng Đức Thảo thực hiện nghiên cứu “Ứng dụng giải pháp bê tông cốt phi kim nhằm tăng cường tính bền vững cho các công trình kè chắn sóng ven biển ở khu vực đồng bằng Sông Cửu Long dưới tác động của biến đổi khí hậu” với mục tiêu: Xây dựng hướng dẫn cơ sở cho công tác thiết kế và thi công cho công trình thủy lợi trong điều kiện khí hậu của khu vực ĐBSCL; Triển khai ứng dụng bê tông cốt sợi hỗn hợp Sợi Polymer thủy tinh (GFRP) và sợi PP vào một số hạng mục kết cấu của công trình như đê bao chống sạt lở ven biển, hệ thống kênh tưới tiêu ở khu vực ĐBSCL.

Trong thập niên gần đây, dải ven biển ĐBSCL đang đối mặt với vấn nạn xói lở bờ sông, cửa sông, bờ biển rất nghiêm trọng. Vùng ven biển ĐBSCL có chiều dài trên 744 km, theo thống kê thời điểm tháng 5/2019 có gần 36% chiều dài bờ biển ĐBSCL bị sạt lở. Cà Mau là tỉnh có chiều dài sạt lở bờ biển cao nhất với tỷ lệ khoảng 56%. Trước tình trạng mất đất, mất RNM, mất ổn định tuyến đê biển, đê cửa sông ngày càng trở nên nghiêm trọng, hàng trăm công trình bảo vệ bờ biển, đê biển, công trình giảm sóng gây bồi… đã được xây dựng dọc theo chiều dài dải ven biển, vùng cửa sông ĐBSCL nhưng kết quả chưa thành công như mong muốn. Một trong những nguyên nhân là điều kiện làm việc của công trình không thuận lợi trong môi trường chua, mặn, nắng mưa, thủy triều lên xuống khi khô lúc ướt, sinh vật biển phá hoại khi sử dụng các vật liệu bê tông cốt thép (BTCT) thông thường, bị ăn mòn, suy giảm cường độ, tuổi thọ công trình không cao.

Đề tài đã kế thừa, tổng hợp và trình bày một bức tranh tổng thể diễn biến đường bờ biển trong 25 năm qua và đặc biệt cho các năm gần đây nhất (2010-2015). Nếu xét cả giai đoạn từ 1990-2015, ĐBSCL đã bị mất đi khoảng 79 ha/năm, tức là khoảng Báo cáo tóm tắt đề tài 06/2017/HĐ-KHCN-TNB.ĐT/14-19/C08: “Ứng dụng giải pháp bê tông cốt phi kim nhằm tăng cường tính bền vững cho các công trình kè chắn sóng ven biển ở khu vực ĐBSCL dưới tác động của biến đổi khí hậu” Công ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Việt Nam (Busadco) 2000 ha trong 25 năm qua. Có hai nguyên nhân chính gây xói lở bờ sông bờ biển, là từ tác động của tự nhiên và tác động của con người. Tác động của tự nhiên chủ yếu bao gồm các tác động từ biển, đó là sóng do gió, dòng chảy, thủy triều tác động theo mùa. Các nguyên nhân từ tác động của con người chủ yếu bao gồm (i) Xây dựng các đập thủy điện trên dòng chính ngăn chặn bùn cát về hạ lưu; (ii) Chặt phá rừng ngập mặn (RNM), khai thác thủy sản không hợp lý vùng ven bờ; (iii) Xây dựng đê ven biển quá gần bờ biển, làm thay đổi hình thái tự nhiên của RNM ven biển; (iv) Xây dựng các công trình kênh, mương, cống phá vỡ tính hoàn chỉnh của dải ven biển, xả chất ô nhiễm, chua phèn… làm thay đổi môi trường ven biển (v) Khai thác nước ngầm quá lớn gây lún sụt, gia tăng sạt lở… Trong tương lai, dưới tác động của biến đổi khí hậu – nước biển dâng (BĐKH - NBD) sẽ làm trầm trọng hơn tình trạng xói lở bờ biển, suy thoái RNM.

Đánh giá các công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển, trên thế giới đã ứng dụng, đề tài đã phân tích ưu nhược điểm của các công trình với nhiều loại dang và hình thức khác nhau. Ngoài các loại vật liệu truyền thống như đá đổ, các khối bê tông, bê tông cốt thép (BTCT) bảo vệ bờ sông, bờ biển, công nghệ bê tông cốt phi kim đã được ứng dụng cho công trình thực tế. Kết quả ban đầu cho thấy chúng có khả năng chịu kéo, uốn và nén, khả năng tạo hình cao hơn hẳn so với BTCT thông thường. Ngoài ra, nó còn có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn trong môi trường có các tác nhân gây xâm thực bê tông như: axit, kiềm, muối… Do đó, cần có những nghiên cứu đánh giá cụ thể về tác động của môi trường ở ĐBSCL đối với loại vật liệu này, kể cả về độ bền dài hạn theo thời gian để có thể áp dụng.

Chất lượng môi trường không khí và nước ở ĐBSCL có nhiều bất lợi liên quan đến ăn mòn kết cấu công trình chống xói, bảo vệ bờ sông bờ biển. Theo QCVN 10:2008/BTNMT, một số hàm lượng ion các chất hóa học môi trường nước ở ĐBSCL đều vượt quá quy định. Đây cũng là nguyên nhân chính làm giảm độ bền của BT và BTCT.

Đề tài đã nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế ăn mòn của bê tông, BTCT trong vùng nước biển. Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới ăn mòn cốt thép là tác dụng xâm thực của ion Cl, thẩm thấu vào từ môi trường bên ngoài hoặc bê tông đã sử dụng vật liệu nhiễm mặn.

Đề tài đã lập chương trình thực nghiệm và thí nghiệm dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm về chọn vật liệu điển hình, cấp phối điển hình, địa điểm và thời điểm tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Thử nghiệm tiến hành cho BT, sợi PP, Sợi Polymer thủy tinh (GFRP) và cốt thép với các chỉ tiêu thử nghiệm theo Quy chuẩn và Tiêu chuẩn hiện hành cho các yếu tố trong Quy hoạch thực nghiệm. Kết quả thí nghiệm đã lập được các phương trình hồi quy xác định quan hệ giữa Cường độ bám dính của cốt GFRP và cốt Thép với bê tông cốt sợi phân tán với các thông số của bê tông (tuổi bê tông, hàm lượng phụ gia khoáng silica fume) và điều kiện môi trường bảo dưỡng vùng ven biển khác nhau ở ĐBSCL. Đó là (i) Sử dụng hàm lượng silica fume 5,0% sẽ cho Cường độ bám dính với BT lớn nhất ở cả hai loại cốt (GFRP và Thép); (ii) Cường độ bám dính cốt GFRP phụ thuộc vào tuổi BT, hàm lượng phụ gia khoáng silica fume và hầu như không phụ thuộc vào điều kiện môi trường trong khi Cường độ bám dính cốt Thép lại phụ thuộc cả 3 thông số nêu trên.

Thí nghiệm đã thiết lập các phương trình hồi quy xác định tương quan giữa mức độ suy giảm Cường độ bám dính cốt GFRP, cốt Thép với BT cốt sợi phân tán của các mẫu đối chứng bảo dưỡng trong phòng thí nghiệm và mẫu bảo dưỡng trong điều kiện thực tế khác nhau. Theo đó (i) Ảnh hưởng của môi trường nước mặn, có tính phèn (pH, độ mặn, nhiệt độ, chu trình khô - ướt) làm suy giảm Cường độ bám dính với BT cốt sợi phân tán với cốt GFRP là ít hơn so với cốt Thép ở trong cùng điều kiện nghiên cứu; (ii) Mức độ suy giảm Cường độ bám dính cốt GFRP phụ thuộc vào tuổi BT, hàm lượng phụ gia khoáng silica fume và hầu như không phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Trong khi đó Mức độ suy giảm Cường độ bám dính cốt Thép lại phụ thuộc cả 3 thông số nêu trên; (iii) Cường độ bám dính của mẫu cốt GFRP và cốt Thép sau khi lão hóa nhân tạo sẽ tương đương với thời gian bảo dưỡng trong điều kiện môi trường ven biển Bình Đại - Bến Tre lần lượt là 277 và 176 ngày.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18202/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Vista.gov.vn