Kiểm tra chất lượng bê tông cọc nhồi bằng siêu âm truyền qua

KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒIBẰNG “ SIÊU ÂM TRUYỀN QUA ” NÊN DÙNG ỐNG THÉP HAY ỐNG NHỰA GSTS Nguyễn Văn Đạt 1.. Đặc điểm của hai phương pháp này đều phải tuân thủ nguyên lý của ph

KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG

NÊN DÙNG ỐNG THÉP HAY ỐNG NHỰA

gsts Nguyễn Văn Đạt Nguyên Chuyên viên cấp cao Viện Năng Lượng Nguyên Tử VN

8-2006

KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒI

BẰNG “ SIÊU ÂM TRUYỀN QUA ”

NÊN DÙNG ỐNG THÉP HAY ỐNG NHỰA

GSTS Nguyễn Văn Đạt

1 NHỮNG NÉT CHUNG

Cọc nhồi, ngoài những ưu việt truyền thống còn có nhiều khuyết tật và bệnh lý ảnh hưởng đến chất lượng nền móng cọc

Nhà cao tầng càng phát triển, sự quan tâm đến chất lượng cọc nhồi càng nhiều hơn

Cho đến nay, trong công tác kiểm tra nầy, phương pháp siêu âm tần số thấp từ 50 – 300KHz truyền qua (ultrasonic Cross hole Testing) thuộc hệ NDT được sử dụng phổ biến nhất, sau đó có bức xạ gamma như TXCD 206:1998 đã cho phép

Đặc điểm của hai phương pháp này đều phải tuân thủ nguyên lý của

phương pháp mật độ, nghĩa là số đo chịu ảnh hưởng của mật độ vật chất ρ g/cm3

Khi thực hiện phương pháp siêu âm, phải dùng ống thép hoặc ống nhựa dẫn Detector phát và Detector thu để theo dõi diễn biến của thời gian truyền sóng siêu âm sau khi qua lớp bê tông cọc nhồi cần khảo sát

Ống thép hay ống nhựa đều có những ưu khuyết điểm riêng, người sử dụng có thể lựa chọn theo nguyên tắc cho phép của “Phương pháp mật độ”

Bài viết này nhằm cung cấp một số thông tin cần thiết có được từ nhiều năm nay, trích dẫn một phần kết quả qua thực tế cũng như ý kiến chính thống của các cơ quan nghiên cứu của Pháp và một số nước khác

Thông tin nầy là những căn cứ cho sự ứng xử của các chuyên gia xây dựng khi cần thiết

Không chỉ ở ta mà cả ở nhiều nước đều có sự lựa chọn khác nhau theo hai cách

* Các chuyên gia LHQ tài trợ về NDT, các chuyên gia ở LCPC, CETE Lyon Pháp, một số tư liệu Mỹ thì luôn luôn nhắc nhở rằng phương pháp mật độ chỉ thích

hợp với môi trường “Phi kim loại” nên phải dùng ống nhựa như PEHD

(Polyéthylene à haute densité) có thành ống đủ dày để chịu được áp suất trên 5atm trong khi thi công cọc nhồi

Nhóm nầy cho rằng dùng ống nhựa hợp lý hơn vì phù hợp với nguyên tắc nghiêm ngặt của phương pháp mật độ, đó là việc đo đạc trong môi trường phi kim

loại (Non Metallique hoặc Non Metallic) Trong môi trường nầy, năng lượng sóng siêu âm không bị giảm yếu khi phải xuyên qua vật liệu có mật độ vật chất ρg/cm3

quá lớn như thép, làm ảnh hưởng “khả năng truyền qua” tiếp theo Họ cũng biết rằng siêu âm có bước sóng λ lớn nên độ phân giải thấp, khó phát hiện khuyết tật của bê tông so với phương pháp bức xạ gamma có λ bé nên khả năng phân giải tốt hơn Vì vậy đừng để cho năng lượng truyền sóng giảm sút thêm

Đồng thời, nếu không biết cách khắc phục thì ống nhựa dễ bị biến dạng khi đổ bê tông và khó bám dính tốt ở mặt ngoài ống

* Nhóm thứ hai cho rằng dùng ống thép tốt hơn do khó bị biến dạng, dễ thi công Họ cũng cho rằng bề dày ống thép khá mỏng nên sự ảnh hưởng của kim loại không đáng kể

Một số chuyên gia ở các nước đã làm như vậy và nhất là ở VN đa phần dùng ống thép

Thêm vào đó, TCXD 2005: 1998 tuy có cho phép dùng siêu âm và bức xạ gamma để kiểm tra chất lượng bê tông cọc nhồi nhưng không nói ống bằng gì nên tuỳ mỗi nơi

Đến TCXD 326: 2004 lại nói thường là dùng ống thép D60.

Rất tiếc, các cơ quan quản lý nhà nước không có bộ phận theo dõi có tính phản hồi khi hai cách kiểm tra xuất phát từ một phương pháp cơ bản, để từ đó chỉ dẫn cho cấp dưới

2 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM TRUYỀN QUA

1 Thuộc khuôn khổ của phương pháp mật độ

Chỗ gặp nhau giữa phương pháp siêu âm và bức xạ gamma truyền qua ở cọc

nhồi là cùng tuân thủ nguyên tắc của phương pháp mật độ trong môi trường phi

kim loại

Ở ta, ngoài cọc nhồi, phương pháp mật độ đã được triển khai ở Bệnh viên Ung Bướu TP.HCM năm 1995 với vật liệu Ilménite có ρ ≅ 3g/cm3 làm yếu nguồn phóng xạ khi xuyên qua tường Ilménite để ra môi trường sống của con người

Phương pháp mật độ đã từng dùng để kiểm tra chất lượng nền đường bê tông atsphan thông qua việc sử dụng nguồn phóng xạ Cs-137 để kiểm tra độ chặt của nền đất ρĐ (g/cm3) Thiết bị nầy đã được dùng nhiều ở Pháp, Mỹ

Từ năm 1994, Trung tâm Hạt nhân TP.HCM cũng đã dùng phương pháp gamma truyền qua để kiểm tra hiệu quả gia cố nền đường băng Tân Sơn Nhất theo yêu cầu của Hội đồng khoa học Bộ GTVT

Các thí dụ vừa nêu ở trên đều có tính chất chung là truyền qua trong môi

trường phi kim loại, từ Detector phát đến Detector thu hoặc từ nguồn phóng xạ đến Detector thu

2 Các đặc trưng chính yếu trong phương pháp mật độ liên quan với kiểm tra bê tông cọc nhồi.

Khi truyền sóng siêu âm hoặc nguồn phóng xạ gamma có năng lượng ban đầu I0 xuyên qua môi trường có mật độ vật chất ρ(g/cm3) thì năng lượng đầu ra bị giảm yếu từ I0 -> I (tức I<I0) theo qui luật tắt dần

I = I0Bexp (-0,005 ρ d) (1)

Tức ρ càng cao thì mức độ giảm yếu càng lớn

Ở đây ta có, đối với thép : ρT≅ 7,8g/cm3

đối với bê tông : ρB = 2,5g/cm3

đối với nước : ρN≅ 1g/cm3

đối với nhựa : ρN≅ 0,8g/cm3

Đồng thời ρ càng cao thì vận tốc truyền sóng dọc v càng bé theo quan hệ:

) 2 )(1 (1 E(1 )

v

μ μ

ρ

μ

− +

−

E – module đàn hồi động của bê tông, chỉ khác với module đàn hồi tĩnh khoảng 5%

µ - hệ số poisson của bê tông

Nói tóm lại, khi truyền qua vật liệu có ρ càng cao thì vận tốc sóng v càng thấp và năng lượng I truyền qua càng giảm yếu Giữa v và ρ trong (1) chỉ là quan hệ vật lý, không liên quan đến chất lượng vật liệu tức không liên quan đến quan hệ giữa v và chất lượng bê tông

Đương nhiên, khi đo siêu âm, ta không trực tiếp có vận tốc v mà chỉ có thời gian truyền sóng t(µs) và v = t l (3)

Tức ρ càng cao thì t càng lớn, do đó v bé

Để có t và v tin cậy thì l phải const tức phải đảm bảo cho hai ống song song, đây cũng là vấn đề cần quan tâm, nhất là khi dùng ống nhựa khó thực hiện hơn ống thép

3. ĐẶC ĐIỂM KHI KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒI BẰNG SIÊU ÂM TRUYỀN QUA CÁC ỐNG NHỰA

Dp – Detector phát

DT – Detector thu

Ở đây, siêu âm truyền qua trong môi trường tổ hợp

NƯỚC – NHỰA – BÊ TÔNG – NHỰA – NƯỚC

Ta có thể tham khảo ví dụ số liệu sau đây [1]:

Vật liệu vận tốc sóng dọc mật độ vật chất

Nước v = 1500m/s ρn =1g/cm3

Nhựa v = 1700m/s ρN =0,8g/cm3

Bê tông v = 4000m/s ρB =2,5g/cm3

(trong khi đó, đối với thép, v = 5960m/s: và ρT = 7,8(g/cm3)

Trong môi trường tổ hợp truyền qua nói trên, nước và nhựa đều có ρ bé hơn

ρB nên rõ ràng khi truyền qua bê tông, năng lượng siêu âm không bị giảm yếu bao nhiêu, ta dễ dàng phát hiện khuyết tật của bê tông Điều này được ghi nhận trên Detector thu DT về diễn biến của thời gian truyền qua bê tông

Hình sau đây là minh chứng dùng ống nhựa ở công trình 63 Võ Văn Tần TP.HCM

I1

I0 I0 I1

Ống nhựa

ρN≈ 0.8g/cm3

Ống nhựa

ρN≈ 0.8g/cm3

l

~ ~ ~

~ ~ ~

DP

•

ρ n =1g/cm 3

~ ~ ~

~ ~ ~

DT

•

I

ρ n =1g/cm 3

I1 <I0

Biểu đồ này phản ánh đúng chất lượng biến dộng của bê tông

4 ĐẶC ĐIỂM KHI KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒI BẰNG SIÊU ÂM TRUYỀN QUA CÁC ỐNG THÉP

Hình 3: Khi siêu âm truyền qua hai ống thép

Ở đây, siêu âm truyền qua trong môi trường tổ hợp

NƯỚC – THÉP – BÊ TÔNG – THÉP – NƯỚC

D0 ρT≅ 3,12ρB ≅ 9.75ρN

nên sau khi qua ống thép, vận tốc truyền sóng dọc đã giảm đi rất nhiều do thời gian truyền sóng tăng lên nhiều

Năng lượng siêu âm khi truyền qua ống thép thứ nhất đã bị giảm yếu, làm chậm vận tốc sóng truyền qua bê tông, gây khó khăn trong việc phát hiện khuyết tật của bêtông và hơn thế nữa, năng lượng yếu ớt này phải khó khăn mới truyền

Ống thép

ρT≈ 7.8g/cm3

Ống thép

ρT≈ 7.8g/cm3

ρB = 2.5g/cm3

l

~ ~ ~

~ ~ ~

DP

•

I0

ρ n =1g/cm 3

~ ~ ~

~ ~ ~

DT

•

I3

ρ n =1g/cm 3

I1 I2 I3 < I2 < I1 < I0

qua được ống thép thứ hai nên Detector thu DT chỉ có thể ghi lại “giá trị thời gian t

rất ít thay đổi” Không ít trường hợp ngộ nhận rằng, với biểu đồ vận tốc sóng rất

đơn điệu này là biểu thị chất lượng “lý tưởng” của bê tông cọc nhồi !

Biểu đồ nầy là minh chứng cho nhận xét vừa nêu ở trên và ngộ nhận đây là chất lượng bê tông cọc nhồi

Khi siêu âm truyền qua hai ống thép ở

CT Lý Thường Kiệt, Q 11

SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒI

BẰNG PHƯƠN PHÁP SIÊU ÂM TRUYỀN QUA

2 ống thép 2 ống nhựa

1 Điều kiện thi công Thuận tiện hơn, bền vững

hơn, dễ giữ cho khoảng cách của các ống song song

Dễ biến dạng và khó bám dính mặt ống nếu không có biện pháp khắc phục

2 Năng lượng đầu phát và

thu

I0 -> I3 giảm nhiều do ρT

lớn (xem biểu thức (1))

I0 ->I1 giảm ít do môi trường truyền qua có ρ

không cao

3 Vận tốc sóng v đi qua

lớp bê tông kiểm tra

v thấp rõ rệt do thời gian truyền sóng tµ s cao

(t=320µs, v = 1560m/s)

v truyền qua cao do tµs

ngắn hơn (t = 132µs,

v≅4000m/s)

4 Dạng biểu đồ t ở

Detector thu

Ít thay đổi nên không phát hiện được khuyết tật của bê tông

Thay đổi nhiều do phát hiện được khuyết tật của bê tông

5 Độ dài sóng λ của pp

siêu âm có giá trị lớn nên

phân giải kém

λ lớn và năng lượng I lại bé nên khó phát hiện khuyết tật

λ lớn nhưng năng lượng I lớn nên phát hiện khuyết tật dễ hơn

5 CẦN LƯỢNG HOÁ KẾT QUẢ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG CỌC NHỒI BẰNG SIÊU ÂM TRUYỀN QUA

1 Mục tiêu của công tác kiểm tra nầy là xác định CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG

Theo định nghĩa, chất lượng bê tông có hai tiêu chuẩn: cường độ R và độ đồng nhất h0

Vì vậy trong TCVN 5574: 1991, chất lượng bê tông Rb được biểu thị:

Rb = R (1-1,64v) = R h0

R - cường độ trung bình của các mẫu

h0 – độ đồng nhất của các mẫu đó

cả hai yếu tố đó mới hợp thành chất lượng cần biết

2 Whitehust 1966 – Mỹ, qui định về chất lượng bê tông:

Vận tốc sóng âm truyền qua v Đánh giá chất lượng

< 2000m/s Very poor (rất kém)

2000 – 3000m/s Poor (kém)

3000 – 3500m/s Doubtful (nghi ngờ, chưa rõ)

3500 - 4000 m/s Good (tốt)

4000 – 4500m/s Very good (rất tốt)

> 4500m/s Excellence (đặc biệt tốt)

Và theo NFP 94 - 160 – 1 (Pháp):

Transmit Time

(Thời gian truyền

qua)

Amplitude of wave (biên độ xung)

Shape of wave chart (dạng biểu đồ xung)

Quality of pile concrete (chất lượng bê tông cọc) Regularity (đều

đặn)

No large decrease (giảm không nhiều)

Normal (bình thường)

Good (tốt)

Irregularity

increase (tăng bất

thường)

Have decrease (có giảm)

Abnormal (không bình thường)

Have defect (có khuyết tật)

Suddenly increase

(tăng đột ngột)

Suddenly decrease (giảm đột ngột)

Abnormal (không bình thường)

Crack/Break (nứt, cắt đứt liên tục)

Đối với Whitehust 1966 – Mỹ, đánh giá chất lượng theo vận tốc truyền

sóng v tức tỉ lệ nghịch với mật độ vật chất ρ và thời gian truyền sóng t

Sự phân loại nầy mới là định tính, không biết được cường độ thực tế của bê tông cọc nhồi Dẫu sao qui định nầy cách đây đã 40 năm và đúng với nghĩa là Integrity Testing

Bây giờ thử xem công thức (1)

Đối với bê tông, E và R là biểu thị cho chất lượng nên E tăng thì v tăng tức bê tông đạt chất lượng càng cao thì v càng lớn, nhưng kết luận đó chỉ theo định

tính Điều mà công tác kiểm tra cần làm rõ là bêtông cọc nhồi có đạt mác thiết kế

hay không Vì vậy muốn đánh giá đúng chất lượng bê tông theo mục tiêu vừa nêu

là phải lập “ chuẩn so sánh ” (étalon) như chính đặc điểm của phương pháp gián tiếp NDT đã nêu rõ Trong trường hợp siêu âm là chuẩn (v,R) (khi cần thiết sẽ

có hướng dẫn riêng)

Chỉ có lập chuẩn (v,R) mới xác định được rằng bê tông cọc nhồi có đạt được mác thiết kế hay không

Còn hai bảng phân loại của Mỹ và Pháp nêu trên chỉ để tham khảo sơ bộ chất lượng bê tông theo định tính, không đạt yêu cầu đánh giá chất lượng bê tông của hạng mục cọc nhồi

* *

* KẾT LUẬN CỦA BÀI VIẾT NÀY

Trong việc chọn ống thép hay ống nhựa khi sử dụng phương pháp siêu âm truyền qua để xác định chất lượng bê tông cọc nhồi do còn có ý kiến khác nhau nên bài viết nầy nhằm cung cấp kết quả đo đạc của một số nơi Đồng thời tham khảo tài liệu, của G Canard – chuyên gia hàng đầu của CETE Lyon chuyên về siêu âm bê tông với các công trình 1987 Với tư liệu nầy, các chuyên gia hãy tự lựa chọn khách quan sao cho thích hợp với trách nhiệm và sự ứng xử của mình

Tuy nhiên, cần nói rằng một số chuyên gia chuyên sâu ở một số nước thì có

thái độ rõ ràng hơn là đối với phương pháp mật độ (tức siêu âm truyền qua và bức xạ gamma truyền qua) chỉ thích hợp với môi trường phi kim loại.

Thực ra, nếu nhược điểm của ống nhựa được khắc phục thì có lẽ sự bàn cải sẽ ít đi rất nhiều

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Standart Test Method for

Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by ultrasonic Crosshole Testing

2 G Canard

Synthèse des Résultats du Laboration Régional du Lyon sur le contrôle des bétons par ultrasons – 1987

3