Kết cấu bê tông FRP - Giải pháp vật liệu mới cho hạ tầng năng lượng ven biển và ngoài khơi

Nhận định về mục tiêu 150.000 MW năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2035 Việt Nam đang đặt ra mục tiêu phát triển thêm khoảng 150.000 MW năng lượng tái tạo đến năm 2035. Với giả định trung bình 100 MW cho mỗi dự án, điều này đồng nghĩa với việc cần triển khai thêm 1.500 dự án trong vòng 10 năm - một con số khổng lồ [*]. Báo cáo của chuyên gia Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam dưới đây phân tích tính khả thi của mục tiêu, các cơ chế, chính sách hiện hành, cũng như tiềm năng hỗ trợ triển khai nhanh chóng, đồng thời đánh giá những thách thức, đặc biệt là về nguồn nhân lực và đề xuất các giải pháp chính sách để đạt được mục tiêu một cách hiệu quả, bền vững. Phân tích cho thấy: 150.000 MW có thể vượt quá các mục tiêu hiện tại được ghi nhận trong các văn bản chính sách chính thức. Để đạt được sự tăng trưởng này, Việt Nam cần có những thay đổi mang tính cách mạng trong cơ chế, chính sách (bổ sung, hoặc điều chỉnh), đầu tư cơ sở hạ tầng và phát triển nguồn nhân lực. Báo cáo nhấn mạnh tầm quan trọng của việc học hỏi kinh nghiệm quốc tế, giải quyết các nút thắt hiện tại trong quy trình phê duyệt và phát triển dự án, đồng thời xây dựng một lực lượng lao động đủ năng lực để quản lý, vận hành hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Thực tế chỉ trong thời gian gần đây, khi Việt Nam định hướng đẩy mạnh ngành công nghiệp bán dẫn, công nghệ vật liệu mới bắt đầu nhận được sự chú ý nhiều hơn ở các cấp quản lý, nhưng chưa thực sự đến từ các doanh nghiệp. Tuy nhiên, nhận thức đang dần dần thay đổi theo hướng ứng dụng công nghệ mới, vật liệu mới, được hiểu sẽ thúc đẩy đổi mới sáng tạo và nâng cao năng lực cạnh tranh quốc gia, đặc biệt trong các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ cao. Những vấn đề thực tiễn đang đặt ra, trong lĩnh vực vật liệu mới, việc nghiên cứu, cải tiến chế tạo và ứng dụng các loại vật liệu tiên tiến (từ nhóm vật liệu chủ yếu như kim loại, silicat, polymer, vật liệu năng lượng và các vật liệu tiên tiến như vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, vật liệu y sinh) đang giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cũng như khai thác hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có.

Trong lĩnh vực năng lượng, các vật liệu cải tiến có thể nâng cao hiệu suất thiết bị, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính. Đối với y tế sinh học, việc phát triển các vật liệu chuyên dụng (như hợp kim titan y sinh) đang góp phần cải thiện chất lượng điều trị và chăm sóc sức khỏe. Trong lĩnh vực xây dựng và giao thông vận tải, vật liệu mới giúp tăng độ bền, giảm chi phí bảo trì cho công trình hạ tầng, từ đó nâng cao hiệu quả đầu tư.

Theo một số kết quả khảo sát nghiên cứu cho thấy: Tình trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông cốt thép làm việc trong môi trường biển rất đáng để quan tâm. Kết quả nghiên cứu chưa chính thức cho thấy: Có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông cốt thép bị ăn mòn, hư hỏng nặng, hoặc bị phá hủy chỉ sau 10 đến 30 năm sử dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc với môi trường không khí và nước biển. Vì vậy, việc đảm bảo an toàn, ổn định công trình theo đúng tuổi thọ của dự án đối với các công trình trong môi trường nhiễm mặn cần hết sức được quan tâm.

Dưới đây, chúng tôi giới thiệu tới bạn đọc một phương pháp ứng dụng vật liệu mới cốt sợi polymer gia cường cho các công trình xây dựng kỹ thuật hạ tầng ven biển, có thể tham khảo để nghiên cứu áp dụng cho các kết cấu hạ tầng móng cột của các công trình năng lượng tái tạo, đường dây truyền tải ven biển và ngoài khơi.

I. Một vài nét về các công trình kỹ thuật hạ tầng ven biển:

Xuất phát từ chủ trương phát triển kinh tế biển, đòi hỏi cơ sở kỹ thuật hạ tầng phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Phát triển kinh tế biển ở Việt Nam gồm nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó phải kể tới:

1. Kinh tế hàng hải, cảng vận tải hàng hóa, dịch vụ hậu cần cảng, cung ứng công nghệ kho, bãi, sửa chữa tàu, thuyền…

2. Cảng chuyên dùng (như cảng nhập khẩu khí, nhập khẩu than…).

3. Khai thác, nuôi trồng và chế biến hải sản.

4. Khai thác dầu khí và các tài nguyên biển, phục vụ phát triển kinh tế đất nước.

5. Khai thác năng lượng tái tạo (như điện gió, điện mặt trời nổi, điện thủy triều).

6. Khai thác tiềm năng du lịch biển, xây dựng các khu resort, giao thông ven biển.

7. Chống sạt lở bờ biển, bảo vệ bờ biển, ngăn nước mặn xâm nhập…

Để đáp ứng nhu cầu phát triển và tăng cường cơ sở kỹ thuật hạ tầng, nhiều công trình kết cấu bê tông cốt thép đã được xây dựng, nhiều cảng biển, khu công nghiệp ven biển, hệ thống cầu đường bộ ven biển, hệ thống đường dạo ven biển phục vụ du lịch, các khu resort ven biển, hệ thống đê, kè chống sạt lở bờ biển, ngăn mặn và gần đây là các dự án điện gió gần bờ biển… đã được xây dựng.

Tuy vậy, có một thực tế đặt ra là các công trình bê tông cốt thép xây dựng trong môi trường nước biển, nước nhiễm mặn ven biển rất dễ bị hư hỏng, sau một thời gian ngắn, kết cấu bị nhiễm mặn làm cho cốt thép bên trong bị gỉ sét, trương nở thể tích phá vỡ lớp bê tông bảo vệ cốt thép, nước mặn tiếp tục ngấm vào và cốt thép bị ăn mòn gây hư hỏng, mất an toàn cho kết cấu, thậm chí có thể phá hoại kết cấu (nếu không được bảo trì tốt với chi phí đáng kể).

Một số hình ảnh về tình trạng ăn mòn cốt thép cho các công trình ven biển.

Cơ chế phá hoại kết cấu bê tông cốt thép khi cốt thép bị gỉ.

Để khắc phục tình trạng này (với các công trình nằm trong vùng bị xâm nhập của nước biển, nước nhiễm mặn) thường sẽ được xử lý bằng cách:

1. Hoặc sử dụng cốt thép không gỉ (thường giá thành cao gấp 5 đến 6 lần thép thường).

2. Hoặc sử dụng các biện pháp chống gỉ cho cốt thép (như sơn hay mạ kẽm trước khi đổ bê tông…).

3. Hoặc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, hoặc sử dụng bê tông mác cao tăng độ đặc chắc để ngăn chặn nước biển ngấm vào cốt thép, làm cho kết cấu khá nặng nề và không đảm bảo lâu dài, chi phí duy tu cao.

Gần đây, cùng với nhịp độ phát triển công nghệ vật liệu mới, có một giải pháp đã được nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu áp dụng, đó là: Thay vì dùng kết cấu bê tông cốt thép thông thường, sẽ được thay bằng sử dụng bê tông cốt sợi Polymer (các thanh cốt sợi polymer gia cường thay thế cho các thanh thép thông thường) và gọi là kết cấu bê tông cốt sợi polymer gia cường FRP (Fiber Reinforcement Polymer).

II. Thanh FRP là gì?

Thanh FRP được chế tạo từ các sợi, hoặc là sợi thủy tinh gọi là GFRP; hoặc từ các sợi các bon (CFRP); hoặc từ sợi Aramit (AFRP); hoặc từ sợi Bazan (BFRP)… Hiện nay ở Việt Nam, thanh cốt sợi thủy tinh (GFRP) được sử dụng phổ biến nhất, vì nó vừa đảm bảo đủ tính năng chịu lực mà giá thành hợp lý. Hơn nữa, với tiềm năng Việt Nam có nguồn cát biển giàu silic rất phong phú sẽ là nguồn nguyên liệu dồi dào tạo ra sợi thủy tinh.

Hình ảnh thanh cốt sợi thủy tinh do nhà máy của Công ty cổ phần cốt sợi FRP Việt Nam sản xuất.

Ưu điểm chính của thanh cốt sợi thủy tinh GFRP:

1. Cường độ chịu kéo lớn hơn từ 2,5 đến 3 lần cốt thép thường (cường độ chịu kéo của thanh GFRP do nhà máy của Công ty cốt sợi FRP Việt Nam sản xuất đạt từ 600-900 MPa).

2. Tỷ trọng của thanh GFRP chỉ khoảng 1,9-2,2 tấn/m3 (nhẹ hơn thép khoảng 4 lần). Vì vậy, việc vận chuyển và lắp ghép đơn giản hơn rất nhiều so với thép.

3. Đặc biệt thanh GFRP không bị ăn mòn trong môi trường nước biển. Điều này dẫn đến khi nằm trong kết cấu bê tông, thì lớp bê tông bảo vệ có thể mỏng và cho phép nứt theo tiêu chuẩn mà không ảnh hưởng đến độ bền kết cấu, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp, dẫn đến chi phí đầu tư và chi phí vận hành thấp. Ngoài ra:

4. Với các thanh GFRP không dẫn điện, không nhiễm từ, dẫn nhiệt rất thấp, dùng thuận tiện cho các công trình đòi hỏi các yêu cầu kỹ thuật nêu trên.

III. Ứng dụng vào các dự án năng lượng:

Quy hoạch Điều chỉnh Quy hoạch điện VIII đã được Chính phủ phê duyệt, với định hướng tiếp tục đẩy mạnh phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo. Trong đó ưu tiên phát triển điện gió trên bờ, gần bờ, ngoài khơi, điện mặt trời nổi, cũng như coi trọng việc phát triển các trục đường dây truyền tải dọc ven biển và từ ngoài biển vào đất liền… Giải pháp sử dụng bê tông cốt sợi polymer gia cường (các thanh cốt sợi polymer gia cường thay thế cho các thanh thép thông thường) sẽ hữu ích cho các dự án cần phải có tính năng chống ăn mòn khi công trình nằm ở các vùng biển, ven biển bị nước mặn, nước nhiễm mặn xâm nhập vào kết cấu công trình.

Cụ thể, giải pháp sử dụng bê tông cốt sợi polymer gia cường có thể xem xét để ứng dụng tốt cho các kết cấu móng, cầu dẫn của các dự án điện gió gần bờ và ngoài khơi, các công trình lưới điện truyền tải, đường dây đấu nối đi trên địa hình ven biển và ngoài khơi.

Hình ảnh công trình có thể xem xét sử dụng công nghệ thanh cốt sợi polymer gia cường để chống ăn mòn, tăng độ bền của kết cấu xây dựng.

IV. Cơ sở pháp lý cho việc sử dụng kết cấu bê tông cốt GFRP tại Việt Nam:

1. Bộ khoa học và Công nghệ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn áp dụng loại vật liệu này:

- TCVN 11109:2015 “Cốt composit polyme”.

- TCVN 11110: 2015 “Cốt composit polyme dùng trong kết cấu bê tông và địa kỹ thuật”.

2. Viện Công nghệ bê tông Hoa Kỳ:

- ACI 440.1R (2001 và 2006), “Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông với cốt FRP”.

- ACI 440.3R - 04 (2004 và 2012) “Chỉ dẫn phương pháp thí nghiệm cho FRP để làm cốt hoặc gia cường kết cấu bê tông”.

- AASHTO LRFD “Chỉ dẫn đặc điểm kỹ thuật thiết kế cầu cho cốt sợi thủy tinh làm cốt bê tông mặt cầu và rào chắn giao thông.

3. Công ty Cổ phần đầu tư phát triển công nghệ Đại học Xây dựng Hà Nội (NUCETECH ) ban hành bộ TCCS:

- TCCS 01-2014-FRP-NUCETECH Tiêu chuẩn cơ sở về thiết kế kết cấu bê tông cốt sợi FRP.

- TCCS 02-2014-FRP-NUCETECH Tiêu chuẩn cơ sở về thi công và nghiệm thu kết cấu bê tông cốt FRP.

V. Thay lời tạm kết:

Với số lượng rất lớn dự án điện gió ngoài khơi, điện gió gần bờ, các cảng chuyên dụng năng lượng và các dự án đường dây truyền tải ven biển, ngoài biển ngày càng gia tăng theo Quy hoạch điện quốc gia, việc đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững trước hết luôn gắn liền với an toàn các công trình xây dựng về năng lượng. Vì vậy, vấn đề đảm bảo độ bền kết cấu, chống ăn mòn kết cấu bê tông trong môi trường nhiễm mặn sẽ hết sức quan trọng khi xây dựng và vận hành các công trình.

Trên cơ sở các tiêu chuẩn kỹ thuật đã ban hành, hy vọng rằng, các nhà tư vấn thiết kế, các chủ đầu tư và các cơ quan quản lý thẩm định cần bổ sung phương pháp tính toán để có thể xem xét ứng dụng giải pháp vật liệu kết cấu bê tông cốt sợi polymer gia cường cho các công trình xây dựng ven biển và ngoài khơi như là một trong các giải pháp thay thế cho kếu cấu bê tông cốt thép thông thường, chống nhiễm mặn ăn mòn, hư hỏng cốt thép, nâng cao độ ổn định, đảm bảo an toàn kết cấu công trình năng lượng và giảm vốn đầu tư xây dựng công trình./.

NGUYỄN VĂN KHÁNH - NGUYÊN GIẢNG VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI VÀ NGUYỄN THÁI SƠN - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Thông tin tham khảo: Kết cấu bê tông dùng thanh cốt sợi Polyme - Trang Web của Công ty cổ phần cốt sợi polyme FRP Việt Nam - Web site: frpvietnam.com