Ăn mòn cốt thép là nguyên nhân phổ biến làm hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển. Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học tại Đại học Xây dựng Hà Nội đã sản xuất một loại thanh cốt sợi polyme (Fiber Reinforced Polymer - FRP) thay thế sắt thép để bảo vệ các công trình ven biển và cả trên đất liền.
Sản xuất vật liệu chống ăn mòn
Vũng Tàu là một trong những địa điểm đầu tiên mà đội ngũ của ThS. Nguyễn Văn Khánh (Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) đem sản phẩm của mình tới. Cách đây gần một thập kỷ, họ đã dùng các thanh polyme cốt sợi thủy tinh để làm cốt đổ bê tông cho một công trình kè ven biển. Năm ngoái khi quay trở lại, ThS. Khánh thấy những thanh polyme thừa vứt chỏng chơ từ hồi đó vẫn còn nguyên, bất kể sóng biển lên xuống hằng ngày.
“Đó là một điều rất tuyệt vời, vì ngay cả khi nằm phơi ngoài trời dưới điều kiện khắc nghiệt như vậy mà những thanh polyme này vẫn còn tốt nghĩa là chúng vẫn rất an toàn, không bị ăn mòn khi nằm trong các kết cấu bê tông”, ThS. Khánh nhận xét.
Sự thiệt hại do quá trình ăn mòn và phá hủy các công trình bê tông cốt thép ở ven biển Việt Nam không hề nhỏ. Theo một nghiên cứu vào năm 2012 của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, mặc dù các công trình bê tông cốt thép dự kiến có độ bền kết cấu 50-60 năm nhưng trên thực tế khảo sát, nhiều công trình đã xuất hiện hiện tượng ăn mòn chỉ sau 10-20 năm, thậm chí có công trình hư hỏng nặng chỉ sau 7-15 năm.
Môi trường biển Việt Nam xâm thực mạnh hơn môi trường biển nhiều nước trên thế giới do nhiệt độ, độ ẩm không khí cao, thời gian ẩm ướt lớn, nồng độ muối Cl- cao, nước và cốt liệu (cát, gạch, sỏi đá trộn vào bê tông) có thể bị nhiễm mặn.
Khi một công trình bị xuống cấp, ngoài tổn thất trực tiếp sẽ kèm theo những tổn thất gián tiếp như phí sửa chữa, phải ngưng hoạt động sản xuất, làm ảnh hưởng tới môi trường, gây mất an toàn về lao động v.v thường gấp 2 - 2,5 lần tổn thất trực tiếp.
“Thay cốt thép bằng cốt sợi polyme là một phương án khả thi để chống ăn mòn mà vẫn đảm bảo được tính chất của bê tông”, ThS. Khánh chia sẻ. “Thanh cốt sợi FRP của chúng tôi có cường độ chịu kéo cao hơn hai lần so với thép nhưng trọng lượng chỉ bằng 1/4. Sợi FRP không bị rỉ sét hoặc phân hủy trong môi trường khắc nghiệt như kiềm, axit, nước mặn. Nó không dẫn điện, không nhiễm từ và dẫn nhiệt cũng rất thấp, vì vậy có thể dùng trong các công trình khi các yêu cầu kỹ thuật đó được đặt ra, ví dụ như phòng để máy biến áp, phòng thí nghiệm, phòng bệnh viện v.v”
Tuy vậy, ông cũng lưu ý rằng thanh cốt sợi FRP có mô đun đàn hồi thấp (chỉ bằng khoảng 1/5 của thép) và độ dãn dài thấp nên dễ xảy ra phá hoại giòn khi chịu tải trọng cực hạn. Vì vậy chỉ nên dùng thanh polyme trong các kết cấu khi điều kiện biến dạng ở mức cho phép, không chịu ảnh hưởng nhiều đến khả năng sử dụng của kết cấu.
Cùng với các nhà nghiên cứu trong trường, ThS. Nguyễn Văn Khánh đã xem xét vật liệu và thành lập công ty
FRP Việt Nam để chuyển giao công nghệ sản xuất. Họ mua lại một nhà máy sản xuất polyme cốt sợi thủy tinh của Nga ở Long An khi doanh nghiệp nước ngoài này thất bại trong việc thâm nhập thị trường Việt Nam. Các kỹ sư bắt đầu học hỏi và tự cải tiến dây chuyền để tìm ra phương pháp sản xuất hiệu quả nhất
[1].
Là một hỗn hợp bao gồm nhựa bọc quanh các sợi thủy tinh, số lượng sợi, hướng sợi, vị trí và chủng loại của các sợi thủy tinh trong thanh polyme quyết định cường độ của nó. Hàng ngày, mỗi dây chuyền của nhà máy FRP Việt Nam tại Gia Lâm sản xuất gần 1km thanh polyme bằng một quá trình liên tục gọi là Pultrusion. Một thiết bị kéo sẽ kéo nguyên liệu thô từ các cuộn sợi qua một bể tẩm resin, sau đó đi qua lò gia nhiệt khoảng 800oC để các thành phần quyện xoắn với nhau, đi qua một bể làm nguội, cuối cùng đến lưỡi cắt để cắt thành các thanh polyme thành phẩm có chiều dài khoảng 11,7m hoặc cuộn tròn 100m. Các thanh polyme có đường kính từ 4-32mm. Hiện nhà máy có 11 dây chuyền sản xuất, đủ để đáp ứng nhu cầu nảy sinh trong nước.
Công nghệ sản xuất thanh polyme không quá phức tạp, ThS. Khánh thừa nhận, tuy nhiên chúng đòi hỏi một sự hiểu biết nhất định về công nghệ phân tán polyme, kết cấu sợi và các phương pháp xử lý bề mặt, kích thước sợi. Các nhà khoa học tại trường Đại học Xây dựng Hà Nội cũng thiên về việc phát huy các ứng dụng thực tế của chúng hơn là nghiên cứu phát triển các đặc điểm kỹ thuật ưu việt của vật liệu hoặc tạo vật liệu tổng hợp mới.
Ứng dụng cho các công trình ven biển
Trên thực tế, thanh cốt sợi FRP đã được thế giới phát triển từ những năm 70. Chúng được ứng dụng trên cả lĩnh vực kiến trúc và công nghiệp, dùng để thay thế cho các vật liệu truyền thống như gỗ, thép hoặc nhôm. Khả năng thích ứng của thanh FRP cho phép nó được sử dụng trong một loạt ứng dụng như làm nền, lối đi, cầu thang, tay vịn.v.v
Do tính chất polyme của mình mà các thanh FRP khá dễ thi công và giảm chi phí cho chủ đầu tư. Với trọng lượng nhẹ, người ra không cần dùng quá nhiều thiết bị nâng chuyên dụng. Tương tự, lắp ráp FRP thường xoay quanh các kết nối bắt vít hoặc nối buộc, loại bỏ nhu cầu hàn xì như sắt thép. Nếu cần xử lý tại chỗ, người thợ mộc cũng có thể dùng các công cụ tiêu chuẩn để cắt và khoan. Nói chung, dùng các sợi vật liệu FRP giúp giảm bớt nhu cầu về lao động tay nghề cao.
Các nhà khoa học tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội tập trung vào ứng dụng vật liệu độc đáo này trong các công trình ven biển. Công ty FRP Việt Nam đã thiết lập mối quan hệ với một số công ty trong chuỗi giá trị ngành công nghiệp xây dựng cầu cảng. Họ đã cung cấp thanh polyme cốt sợi thủy tinh để gia cường cọc tại cảng Caltex, cảng Euro thuộc khu công nghiệp Đình Vũ, Hải Phòng; cảng Tân Cảng - Phú Hữu ở TP.HCM; cầu cảng Calofic ở khu công nghiệp Hiệp Phước, TP.HCM. Vật liệu này cũng được dùng làm cừ trong các công trình kè ở Bắc Ninh, Thái Bình; thùng chìm chắn sóng tại Cà Mau và đường ven biển tại Phú Yên.
Mặc dù có những tính chất khá ưu việt để chống ăn mòn, nhưng việc sử dụng các loại polyme cốt sợi thủy tinh để thay thế thép trong bê tông cốt thép vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam. Là những người đầu tiên có mặt trên thị trường, công ty FRP Việt Nam đã giới thiệu sản phẩm nhiều năm nhưng chỉ mới bắt đầu có những dự án quan tâm đến việc sử dụng vật liệu này trong vài năm trở lại đây.
Lý giải điều này, ThS. Nguyễn Văn Khánh nói rằng mặc dù đã có tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) cho vật liệu cốt composite polyme và cốt composite polyme dùng trong kết cấu bê tông và địa kỹ thuật, nhưng hiện vẫn chưa có định mức kinh tế - kỹ thuật cho sản phẩm này. Do vậy, họ hầu như không thể tiếp cận được các đơn vị tiêu vốn ngân sách nhà nước.
Bên cạnh đó, các chủ đầu tư không mấy mặn mà với việc thay đổi và thử nghiệm sản phẩm mới, mặc dù các nhà thầu tỏ ra ưa thích vật liệu này. Do vậy, công ty phải vất vả trong việc tìm kiếm những đối tác thực sự có nhu cầu về vật liệu bền vững. Họ đã có một số khách hàng như vậy, nhưng chủ yếu là những công trình sâu trong đất liền, nơi ít bị ảnh hưởng của ăn mòn.
“Là những người làm khoa học, chúng tôi vẫn đặt mục tiêu phục vụ cho các công trình ven biển, nơi sẽ đem lại giá trị và lợi ích cao hơn cho xã hội. Do vậy chúng tôi đang tìm cách thay đổi tình hình”, ThS. Khánh bày tỏ.
Khi nhìn lại tất cả, ông cho rằng nếu như việc nghiên cứu và sản xuất ra thanh polyme FRP chiếm khoảng 20% quãng đường thì việc đưa được sản phẩm thành công ra thị trường chiếm tới 80% quãng đường còn lại. Khâu thứ hai đòi hỏi nỗ lực lớn hơn khâu thứ nhất rất nhiều. “Chúng tôi đang ở giai đoạn sau, và chúng tôi cần các nhà đầu tư đồng hành với mình”, ông nói.
_____________________
Chú thích:
[1] Bằng độc quyền giải pháp hữu ích số
2032 về “Thanh polyme cốt sợi gia cường và quy trình sản xuất thanh polyme cốt sợi này”, cấp ngày 09/04/2019.