Những giải pháp nâng cao độ bền kết cấu bê tông cốt thép

Những kết quả nghiên cứu, thực nghiệm khả thi

Tại Hội thảo khoa học của Hội Bê tông Việt Nam tổ chức ở TP Nha Trang, ngày 03/8 vừa qua, chia sẻ về một nghiên cứu liên quan đến kháng nứt bê tông cốt thép bằng công nghệ IC (Mỹ) sẽ được công bố sắp tới, PGS.TS Nguyễn Duy Hiếu - Đại học Kiến trúc Hà Nội cho biết, nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm kháng nứt bằng cách dùng một vòng thép đặt trên một tấm vật liệu phẳng không bám dính, có khuôn ngoài, khuôn trong - một dạng hình nhẫn bê tông, có độ dày và chiều cao xác định; chỉ cho mất nước ở vành ngoài, mặt dưới có khuôn, mặt trên phủ vật liệu chống bay hơi... nhằm làm cho bê tông xuất hiện vết nứt nhanh hơn.

Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của công nghệ kháng nứt bê tông cốt thép IC.

Kết quả cho thấy, mẫu bê tông đối chứng sau 7 - 8 ngày bắt đầu nứt, nứt to, tương đối rõ. Còn với mẫu được bảo dưỡng bằng nguồn nước không tính vào nước trộn hỗn hợp, được dự trữ trong bê tông bằng vật liệu thích hợp, biến dạng cũng có tăng theo thời gian ban đầu, nhưng sau 2 tuần không có vết nứt, có những mẫu sau 1 tháng cũng không nứt. Chứng tỏ, mẫu được bảo dưỡng hạn chế được co ngót, ứng suất xuất hiện nhỏ hơn, cho thấy tính khả thi của giải pháp bảo dưỡng IC…

Một số thí nghiệm khác cho thấy hiệu quả của giải pháp IC như: Việc áp dụng IC cho bê tông cường độ cao đạt hiệu quả khi giảm được áp suất và co khô đến 80%, dừng co sớm; bê tông không bị nứt hoặc đẩy lùi thời điểm xuất hiện vết nứt; tăng thuỷ hoá chất kết dính và cường độ tuổi muộn; giảm độ hút nước đến 25%; tăng khả năng chống thấm ion Clo 2 - 3 lần; cho hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt…

Liên quan đến cường độ chịu nén của bê tông khi giảm nhiệt tức thời trong điều kiện nhiệt độ cao, nghiên cứu thực nghiệm của ThS Lê Văn Đồng - Đại học Xây dựng miền Trung cho ra kết quả: Trong cả hai cấp phối mác 250 và 500 của mẫu so với mẫu đối chứng đều có quy luật tương tự nhau, có sự thay đổi về nhiệt độ tiếp xúc cũng như thời gian hằng nhiệt. Dưới 300oC thì cường độ hầu như thay đổi không đáng kể; từ 300oC - 800oC có sự suy giảm rõ ràng về cường độ.

Quy trình thí nghiệm của ThS Lê Văn Đồng.

Khi nhiệt độ tiếp xúc và thời gian hằng nhiệt tăng, sự suy giảm của cường độ bê tông sẽ tăng. Sự suy giảm cường độ được thể hiện rõ khi mẫu được hằng nhiệt trong điều kiện 1 - 2 giờ. Cùng một điều kiện thí nghiệm, bê tông mác 500 suy giảm hiều hơn so với mác bê tông 250.

Thực nghiệm của ThS Lê Văn Đồng cũng chỉ ra rằng, sự suy giảm cường độ chịu nén của bê tông trong nghiên cứu do các nguyên nhân chính như: Sự tạo ra áp lực hơi nước trong bê tông; Sự giãn nở vì nhiệt của các thành phần trong bê tông; Sự thay đổi hoá lý bên trong bê tông; Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột làm cho cấu trúc bị thay đổi…

Chia sẻ về những tiến bộ mới trong chế tạo thiết bị thí nghiệm đoạn nhiệt ứng dụng cho bê tông khối lớn, PGS.TS Hoàng Vinh - Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM cho biết, có phương pháp và thiết bị đo nhiệt toả ra của các khoáng trong xi măng, từ đó giúp kiểm soát được nhiệt độ của khối bê tông sau khi đổ, như: Phương pháp thí nghiệm đoạn nhiệt hydrat hoá, thực hiện thí nghiệm bán đoạn nhiệt từ mẫu xi măng, từ mẫu bê tông, hay từ mockup khối lớn, có nhược điểm là độ chính xác thấp do tổn thất nhiệt; Phương pháp thí nghiệm đoạn nhiệt có ưu điểm là không bị tổn thất nhiệt nên độ chính xác cao hơn…

Nhiệt lượng toả ra của các khoáng trong xi măng.

Dựa trên nguyên lý đo đoạn nhiệt, thiết bị thí nghiệm đoạn nhiệt ứng dụng cho bê tông khối lớn đã được nhóm nghiên cứu của PGS.TS Hoàng Vinh chế tạo thành công và đáp ứng Tiêu chuẩn đánh giá thiết bị JIS JCI-SQA3 của Nhật Bản và được áp dụng thử nghiệm ở một số công trình do Công ty Xây dựng Hoà Bình thi công xây dựng.

PGS.TS Hoàng Vinh cho biết, với thiết bị này, kết quả đo đoạn nhiệt có độ tin cậy và chính xác cao so với bản đoạn nhiệt thông thường; chi phí thí nghiệm thấp hơn so với phương pháp làm mockup; khả thi cao khi thí nghiệm với nhiều loại cấp phối khác nhau, tạo cơ sở dữ liệu kỹ thuật cho các dự án tham khảo; hoàn toàn có thể kết hợp kiểm soát nứt với tiêu chuẩn JCI-2016.

Giải pháp giảm thiểu nứt bê tông khối lớn

Chia sẻ một giải pháp hiệu quả đã áp dụng nhiều trong thực tế đến từ Nhật Bản, trong việc giảm thiểu nguy cơ nứt do nhiệt thuỷ hoá trong bê tông, TS Phan Hữu Duy Quốc - Chủ tịch HĐQT Searefico E&C cho biết, có rất nhiều giải pháp về vật liệu để áp dụng sao cho phù hợp với đặc thù của từng dự án, như: Sử dụng xi măng đã để nguội, càng để lâu càng gần nhiệt độ môi trường; Sử dụng nước lạnh, dùng chiller, hay nước đá; Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt hoặc trộn phụ gia khoáng là xỉ, tro bay; Làm mát cốt liệu bằng cách tưới nước, che phủ; Sử dụng cốt liệu ít co giãn nhiệt càng nhiều SiO2 càng tốt; Dùng khí lạnh hay Nitơ lỏng -196oC để làm lạnh bê tông; Sử dụng phụ gia trương nở để bù co ngót nhiệt, 20 - 30 kg/m3; Định hướng vết nứt bằng mối nối làm giảm tiết diện cấu kiện >50%; Tăng cốt thép để giảm bề rộng vết nứt giúp phân tán vết nứt; Sử dụng băng sợi thủy tinh để phân tán ứng suất, thay vai trò thép.

Xác suất nứt (JSCE, JCI, KCI).

Ngoài ra, cũng có nhiều giải pháp về thi công, như: Đổ bê tông ban đêm, tránh mùa hè nếu có thể; Chia nhỏ, chia mỏng khối đổ bê tông; Bao phủ xe bồn bằng vật liệu cách nhiệt; Bao phủ ống dẫn bê tông khi bơm xa; Giảm cản trở bên ngoài, như trải tấm lót hay rải cát trên nền đá; Giải nhiệt trong khối bê tông bằng nước lạnh giúp tản nhiệt; Dưỡng hộ bảo ôn đúng mực và tháo ra vào thời điểm phù hợp.

Thực tiễn tại các dự án thường yêu cầu nhiệt độ tối đa của bê tông sau khi đổ cao trên 70oC, nếu xi măng sử dụng phụ gia khoáng để đáp ứng yêu cầu này thì nguy cơ nứt bê tông sẽ giảm đi rất nhiều.

Có những dự án yêu cầu nhiệt độ bê tông sau khi đổ cao đến hơn 80oC, khi đó phải vận dụng tiêu chuẩn nước ngoài mới cho phép tăng nhiệt độ mà vẫn giảm thiểu được nguy cơ nứt của khối bê tông…

TS Phan Hữu Duy Quốc khuyến nghị, cần hiểu rõ nguyên lý của việc nứt trong bê tông khối lớn để có giải pháp phù hợp về vật liệu hay thi công. Tại Nhật Bản, mặc dù không có các tiêu chuẩn quốc gia cho bê tông nhưng các hiệp hội và nhà nghiên cứu đã biên soạn các hướng dẫn hữu ích cho việc sử dụng bê tông trong các công trình xây dựng.

Kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn của móng trụ gió ngoài khơi (offshore) bằng ống tản nhiệt.

Đi sâu hơn vào một trong nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu nứt của bê tông khối lớn đã được áp dụng ở nhiều công trình xây dựng móng khối lớn: Landmark 81, VCC, The One tại TP.HCM; móng Lò luyêṇ quặng Dung Quất tại tỉnh Quảng Ngãi; hay móng các trụ điện gió tại Trà Vinh (offshore), Quảng Trị (onshore), Lợi Hải - Ninh Thuận (onshore), Phú Lạc - Bình Thuận (onshore), Ia Băng - Gia Lai (onshore), Nhơn Hòa - Gia Lai (onshore)… PGS.TS Trần Văn Miền - Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM cho biết, quy trình thực hiện phải qua nhiều bước, đáng chú ý ở bước phủ ủ nhiệt kín cho toàn bộ kết cấu bê tông khối lớn, cần phủ tối thiểu 3 lớp vật liệu cách nhiệt: Nylon, xốp cách nhiệt có tỷ trọng 15 - 20 kg/m3, dày 10 cm, bạt nhựa.

Khi tiến hành đo nhiệt độ trong bê tông khối lớn, nếu sử dụng thiết bị đo và lưu dữ liệu tự động, thiết lập chế độ đo - lưu dữ liệu với chu kỳ 1 tiếng/lần. Nếu sử dụng thiết bị điện tử đo nhiệt độ dạng cầm tay thì tiến hành đo nhiệt độ với chu kỳ 2 - 6 tiếng/lần, tùy vào giai đoạn tăng nhiệt, hằng nhiệt và giảm nhiệt độ trong kết cấu bê tông khối lớn.

Cần phủ nhiệt kín và vận hành bơm nước liên tục vào hệ thống ống tản nhiệt cho đến khi đáp ứng đủ 2 điều kiện: (1) Thời gian ủ nhiệt ít nhất 5 ngày kể từ lúc đổ bê tông; (2) Nhiệt độ Tmax trong bê tông khối lớn giảm về ngưỡng tính toán và chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường so với giá trị Tmax không quá 20 hoặc 25oC (tùy thuộc vào Spec); sau đó dừng hệ thống bơm nước và tháo dỡ các lớp vật liệu ủ nhiệt…

Theo PGS.TS Trần Văn Miền, bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống tản nhiệt - Cooling pipe là giải pháp an toàn và hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ cho bê tông khối lớn.

Bảo đảm hiệu quả trong kiểm tra vết nứt

Đáng chú ý, các nhà khoa học cũng đồng thời đề xuất những giải pháp bảo đảm hiệu quả trong kiểm tra vết nứt, chẩn đoán kết cấu xây dựng, kết cấu thép, bê tông và bê tông cốt thép… phục vụ hiệu quả cho công tác kiểm định công trình như: Sử dụng búa gõ xác định cường độ nén của bê tông và độ bền của bê tông; Sử dụng kỹ thuật phát xạ âm thanh (Acoustic Emission - AE) trong chẩn đoán vết nứt kết cấu bê tông cốt thép; Chẩn đoán hư hỏng tách lớp bê tông bảo vệ cốt thép bằng phương pháp nhiệt hồng ngoại…

Sử dụng búa gõ xác định cường độ nén của bê tông và độ bền của bê tông.

Chia sẻ về các vấn đề liên quan đến chẩn đoán hư hỏng tách lớp bê tông bảo vệ cốt thép bằng phương pháp nhiệt hồng ngoại, thông qua các kết quả phân tích từ công tác nghiên cứu thực nghiệm, PGS.TS Trần Quang Huy - Trường Đại học Nha Trang khuyến nghị, việc đo đạc tìm kiếm khuyết tật nên được triển khai ở thời điểm tối ưu nhất là từ 10 - 15 giờ hoặc 19 giờ 30 - 20 giờ trong ngày đề đạt được hiệu quả cao nhất.

Chiều sâu khuyết tật có thể xác định được bằng phương pháp hồng ngoại chủ động, sử dụng đèn để gia nhiệt. Chú ý, cần đo đạc trong điều kiện kín gió và chiều sâu khuyết tật nhỏ hơn 10 cm.

Khảo sát thời gian đo đạc tối ưu bằng phương pháp nhiệt hồng ngoại.

Nhằm theo dõi và đánh giá tình trạng của cấu trúc bê tông cốt thép, ThS Nguyễn Thanh Vũ - Giám đốc Công ty TNHH Tư vấn xây dựng Không Gian Việt đề xuất giải pháp phát xạ âm thanh - một phương pháp hiệu quả để đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép; phát hiện sớm các vết nứt, quá trình ăn mòn, và các dạng hư hại khác.

Theo ThS Nguyễn Thanh Vũ, nhờ vào khả năng theo dõi sự cố xảy ra trong thời gian thực, công nghệ AE giúp cung cấp dữ liệu chi tiết về mức độ và tốc độ phát triển của hư hại, giúp dự đoán và ngăn chặn sự cố trước khi chúng trở nên nghiêm trọng. Phương pháp này cũng có thể giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép.

Công nghệ AE đã chứng minh hiệu quả của mình trong việc đánh giá mức độ hư hại, đồng thời hứa hẹn trong việc ước lượng hư hại một cách định lượng mà không cần biết các tính chất ban đầu của cấu trúc…

Ba cách thức đánh giá lượng xung.

Cũng theo ThS Nguyễn Thanh Vũ, nên tiếp tục có những nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình phân tích tín hiệu AE, từ đó cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện và đánh giá hư hại; Có thêm các nghiên cứu thực nghiệm để hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa tín hiệu AE và các dạng hư hại cụ thể trong bê tông cốt thép…

Từ đó, phát triển và chuẩn hóa các hướng dẫn, quy tắc và tiêu chuẩn cụ thể để ứng dụng công nghệ AE trong việc kiểm tra và giám sát cấu trúc bê tông cốt thép, đào tạo và nâng cao kiến thức cho nhân viên kỹ thuật về công nghệ AE để đảm bảo sự vận hành và phân tích kết quả của công nghệ này một cách chính xác.

VLXD.org (TH)