- Gỉ cốt thép trong bê tông vùng bị nứt: Khi mà bê tông có độ rỗng, không đủ chặt, bề dày lớp bảo vệ không đủ ngăn cản sự thấm nhập của ôxy lên bề mặt cốt thép và cả những vùng không có
Trang 1Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6
CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TIÊN TIẾN TRONG SỬA CHỮA
CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Vũ Quốc Vương
Bộ môn Vật liệu xây dựng - Trường ĐH Thủy lợi Email: vuongvlxd@wru.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng cục ĐBVN cho biết toàn hệ thống quốc
lộ hiện còn 738 cầu yếu Đó là những cầu có khả
năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ
hơn khổ đường, cầu xây dựng từ lâu đã đến giai
đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết
cấu công trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào,
phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ
và phải có công nhân gác cầu để điều tiết
phương tiện giao thông Vì vậy việc đầu tư sủa
chữa để nâng cao khả năng chịu tải cho các cầu
yếu trên các quốc lộ này là hết sức cần thiết
Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay
đa phần các cầu trên phải gánh một lượng vận tải
lớn, nhiều khi vượt quá tải trọng cho phép Mặt
khác, những công trình cầu cũ ở nước ta còn chịu
ảnh hưởng của môi trường, chiến tranh và công tác
duy tu bảo dưỡng không được thường xuyên
Chính vì vậy nên có rất nhiều cầu cũ đang trong
tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng Để
tiếp tục tận dụng, khai thác và phát huy khả năng
làm việc của công trình cần phải đánh giá, phân
loại hiện trạng và nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó
nghiên cứu các giải pháp xử lý [1] Vì vậy việc đưa
ra công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng
cầu BTCT vừa đảm bảo điều kiện kỹ thuật và điều
kiện kinh tế là một công việc hết sức có ý nghĩa cho
ngành giao thông vận tại và giải quyết được bài
toán cấp thiết của xã hội
2 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA CẦU
BTCT YẾU
Một số nguyên nhân chính gây hư hỏng,
xuống cấp của cầu:
- Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của
môi trường, bão, lũ…
- Khảo sát và thiết kế có sai sót
- Sai sót trong quá trình thi công
- Trong quá trình sử dụng, thiếu duy tu sửa
chữa, khai thác quá tải
2.1 Các hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu
do tác động của môi trường
2.1.1 Sự phá hủy lý hóa của bê tông
Dạng hư hỏng này có thể xảy ra do các tác
động bên ngoài hoặc do thành phần của bản
thân bê tông Phản ứng hóa học phổ biến nhất xảy ra dưới tác dụng của sự ngậm nước và thẩm thấu nước Hiện tượng này sẽ kéo theo sự xuất hiện của sùi mặt thành mụn và vỡ mủn Các phá hủy này thường do một số các tác động sau:
- Sự hư hỏng do tác dụng cacbonat hóa bê tông
- Sự hư hỏng nguyên nhân do kiềm hóa
- Sự hư hỏng nguyên nhân do tác dụng của clorua và sunfat
- Sự xuống cấp của bê tông có nguồn gốc sinh học
2.1.2 Sự hư hỏng do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông:
Kết cấu bê tông cốt thép bị phá hủy chủ yếu bởi
ăn mòn cốt thép Việc ăn mòn cốt thép sẽ dẫn đến nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ phá hủy kết cấu Điều kiện cần để cốt thép bắt đầu gỉ là độ pH < 11 hoặc hàm lượng ion Cl- tự do vượt quá ngưỡng 0,2- 0,4%
xi măng Các nguyên nhân chính gây ăn mòn thép trong bê tông như sau:
- Ăn mòn điện hóa: Quá trình đó gồm hai phần: Hòa tan anốt kim loại và phản ứng catôt
- Gỉ cốt thép trong bê tông vùng bị nứt: Khi mà
bê tông có độ rỗng, không đủ chặt, bề dày lớp bảo vệ không đủ ngăn cản sự thấm nhập của ôxy lên bề mặt cốt thép và cả những vùng không có vết nứt Lúc đó, anốt sẽ là bề mặt thép có lớp thụ động đã bị gỉ ngay tại vết nứt và catốt là bề mặt thép nằm trong bê tông
- Gỉ của cốt thép trong bê tông khi có mặt của các ion Cl-: Sự có mặt của Cl– sẽ làm cho bê tông dẫn điện tốt hơn, tăng tốc độ gỉ của cốt thép nằm trong vùng bê tông bị cacbonat hóa
2.1.3 Sự hư hỏng về nứt do co ngót bê tông: Co ngót là hiện tượng thể tích thay đổi do mất độ ẩm, tỷ
lệ N/X càng cao, sự chênh lệch giữa mức co ngót ở mặt ngoài và bên trong tiết diện càng nhiều
2.2 Những hư hỏng do quá trình khảo sát, thiết kế có sai sót
Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu hiện theo các dạng:
- Tính toán sai hoặc tính chưa đủ
- Chọn giải pháp kết cấu không tốt, không tôn trọng những nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình
Trang 2Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi
2.2.1 Những hư hỏng do tính toán kết cấu
Việc lựa chọn sơ đồ tính toán kết cấu không
đúng hoặc không chính xác, hoặc chưa lường hết
được các yếu tố tác động xảy ra trong quá trình
thi công cũng như quá trình khai thác công trình
Một vài sai sót thường gặp là:
- Tính toán bản mặt cầu không đạt
- Tính toán về lực căng cáp dự ứng lực không
chính xác
- Tính toán sai sót khi sự phân phối lại nội lực
dưới tác dụng của các biến dạng khác nhau
2.2.2 Những hư hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp
kết cấu không tốt
Khi thiết kế một công trình, ngoài vấn đề phải
tính toán đủ khả năng chịu lực theo yêu cầu thiết
kế, cần thiết phải có sự lựa chọn giải pháp kết cấu
hợp lý, nếu không sẽ dẫn đến những hư hỏng mà
nguyên nhân chính hoàn toàn do vấn đề lựa
chọn về cấu tạo của kết cấu không hợp lý
2.3 Những hư hỏng liên quan đến thi công
2.3.1 Sản xuất bê tông: Khi sản xuất bê tông
không tôn trọng công thức qui định, cho nước
không đúng, sử dụng không đúng chất phụ gia,
pha trộn không đúng nhiệt độ quy định Những
sai sót này làm ảnh hưởng tới cường độ chịu lực
của vật liệu, gây rỗ bề mặt tạo điều kiện đẩy
nhanh tốc độ cacbônat hóa trong bê tông
2.3.2 Cốt thép trong bê tông: Không tuân thủ
chiều dày lớp bảo vệ, thép đặt không đảm bảo
nên khi đổ bê tông bị di chuyển Các sai sót này
ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của kết cấu và là
nguyên nhân gây gỉ cốt thép
2.3.3 Bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công
căng kéo: Trong quá trình thi công có xảy ra các sai
lệch về mặt hình học, có thể kể đến sự lún cục bộ
của ván khuôn, độ vồng ngược của dầm không
thích hợp, các mối nối không đảm bảo, các sai lệch
có liên quan đến chất lượng không đồng đều của
bê tông, sự chất tải hoặc kéo căng cốt thép không
đối xứng Các thiếu sót này làm biến dạng thực tế
của kết cấu khác xa so với tính toán
2.3.4 Những sai sót trong quá trình thi công: Đặt
cốt thép không đúng quy cách, sai số về vị trí lớn,
kê chèn không đủ cho chiều dày lớp bảo vệ theo
dự định, không hàn các mối nối cốt thép, thiếu
cốt thép chờ giữa các mối nối bê tông Tháo ván
khuôn sớm dẫn đến biến dạng quá lớn, thậm chí
gây nứt Những sai sót trên ảnh hưởng rất lớn
đến khả năng chịu lực của kết cấu, gây nứt bê
tông và gỉ cốt thép
2.4 Những hư hỏng trong quá trình khai thác
sử dụng
Trong quá trình sử dụng, những hư hỏng xảy
ra thường do sự thay đổi điều kiện sử dụng, điều
kiện môi trường, thiếu duy tu bảo dưỡng thường
xuyên Những hư hỏng trong quá trình sử dụng phổ biến nhất là các hư hỏng về nứt Các vết nứt này là do cấu kiện chịu quá tải, do lún không đều của công trình, do mỏi
3 CÁC CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TIÊN TIẾN TRONG SỬA CHỮA CẦU YẾU
Việc sửa chữa công trình cầu BTCT phải xuất phát từ nguồn gốc, căn nguyên của những hư hỏng của công trình cầu BTCT dựa trên kết quả khảo sát đánh giá nguyên nhân hư hỏng cầu BTCT Thường bệnh của công trình cầu BTCT thuộc hai lĩnh vực chính là: Vật liệu và kết cấu Trên cơ sở đó việc sửa chữa cầu BTCT cũng nhằm khắc phục những bệnh về vật liệu và kết cấu
3.1 Nguyên tắc xử lý các hư hỏng của kết cấu
bê tông cốt thép
3.1.1 Đối với các vết nứt bê tông: Chỉ xử lý
những vết nứt nào được coi là nguy hiểm ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ và khả năng chịu lực của kết cấu Trước khi tiến hành sửa chữa cần phải xem xét các đặc trưng sau: Độ mở rộng của vết nứt; Độ sâu của vết nứt; Tình trạng của vết nứt; Tuổi của vết nứt; Trạng thái cơ học của vùng gần vết nứt; Hiện tượng nứt có tính chất hệ thống hay đơn lẻ; Các khả năng để tiếp cận vết nứt phục vụ cho công việc xử lý, sửa chữa
3.1.2 Xử lý các vết nứt: Nếu là các vết nứt lớn,
có thể tẩy rửa làm sạch, làm khô rồi tạo lớp tăng dính kết với bê tông cũ Sau đó dùng vữa Vmat Motar R để trám, vá vào các vết nứt Trường hợp nếu vết nứt nhỏ và nằm sâu trong khối bê tông
có thể bơm keo epôxy
3.1.3 Đối với những hư hỏng bong vỡ bê tông:
Đục bỏ hết phần bê tông đã bị hư hại cho đến lớp bê tông có cường độ cao Làm vệ sinh bề mặt, tạo nhám và cạo gỉ cốt thép bằng máy nếu cốt thép chỉ bị gỉ nhẹ Khi cốt thép bị gỉ nặng, tiết diện giảm yếu trên 20% thì cần phải hàn bù cốt thép bổ xung tiết diện
3.1.4 Đối với những dầm, bản sau khi được
trám vá xong, mài nhẵn rồi tiến hành dán sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon để gia cường
3.1.5 Đối với kết cấu bản mặt cầu bị hư hỏng
nặng không thể gia cố được thì có thể thay mới bằng bê tông tự lèn đã áp dụng cho sửa cầu Bà Ngàn-Qảng Ngải, Cầu Đồng Bái-Quốc lộ 6,
3.2 Một vài biện pháp sửa chữa được Bộ môn Vật liệu xây dựng, Trường ĐH Thủy lợi nghiên cứu áp dụng thành công
Sửa chữa và tăng cường cầu bị suy giảm khả năng chịu lực là cần thiết để đảm bảo khai thác cầu an toàn Với loại hình kết cấu dầm cầu BTCT nhịp giản đơn có 2 biện pháp tăng cường cầu thường hay được áp dụng là:
Trang 3Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6
- Sửa chữa tăng cường cầu bằng dán gia cường
sợi thủy tinh, sợi các bon hoặc dán bản thép
- Sửa chữa tăng cường cầu bằng dự ứng
lực ngoài
Trong những năm gần đây biện pháp sửa chữa
tăng cường cầu bằng dán tấm sợi thủy, sợi các
bon được áp dụng khá phổ biến do kĩ thuật đơn
giản, chi phí thấp Biện pháp tăng cường cầu
bằng tự ứng lực ngoài thường được áp dụng với
yêu cầu tăng cường tải trọng khai thác của cầu
Cũng có thể áp dụng đồng thời cả hai biện pháp
này trong sửa chữa và tăng cường cầu BTCT
3.2.1 Sử dụng vật liệu vữa sửa chữa polyme
Vmat Motar R do Bộ môn Vật liệu xây dựng
nghiên cứu chế tạo để trám vá những chỗ bê
tông vỡ, tróc mảng…Các polymer, đặc biệt là
nhựa epôxy có độ dính bám liên kết cao với bê
tông cũ, có cường độ kéo cao, uốn cao và hầu
như không co ngót khi đóng rắn
3.2.2 Sử dụng vữa tự chảy chống co ngót, có khả
năng chống ăn mòn và bào mòn cao Vmat Grout
M60 để sửa chữa khe có dãn; Có thể pha trộn đá
5 x 10 mm theo tỷ lệ Vữa : Đá = 80:20 ; 70:30 ;
60:40 hoặc 50:50 tùy thuộc vào kích thước của
khe co dãn cũng như tùy thuộc vào thời gian
thông xe[2] Nếu muốn thông xe nhanh trong
vòng 24h đến 30h thì nên pha trộn theo tỷ lệ
Vữa : Đá = 80:20 ; 70:30
Tính đến nay vật liệu vữa sửa chữa Vmat Motar
R, vữa Vmat Grout và một số vật liệu khác do bộ
môn Vật liệu xây dựng nghiên cứu chế tạo đã
cung cấp sửa chữa cho hàng trăm cây cầu yếu
trên toàn quốc, một trong những ưu điểm nổi
trộc của vữa Vmat Grout là có thể thông xe
nhanh, sau 6h, 12h như dự án sửa cầu Kỳ
Lãm-Tuyên Quang ; Cầu Bản Phủ-Điện Biên Về kỹ
thuật thì vượt trội còn về kinh tế các sản phẩm
của Vmat cũng có giá cạnh tranh so với các sản
phẩm khác nên được các chủ đầu tư và các nhà
thầu rất thiện trí sử dụng
3.2.3 Gia cường kết cấu cầu bằng vật liệu Tyfo:
Kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán lý
thuyết cho thấy rằng, việc sử dụng các lớp sợi
thuỷ tinh trong khu vực chịu kéo của dầm, bản bê
tông cốt thép cho phép tăng sức kháng và tăng
độ cứng của bản lên đáng kể
Vật liệu TYFO® Fiberwrap® System của tập
đoàn Fyfe Co LCC là một lựa chọn tốt cho việc
gia cường, bảo vệ kết cấu bê tông, thép và gỗ,
đặc biệt là các công trình có bề mặt ẩm ướt như cống ngầm, tunnel, trạm bơm, trụ cầu…Nó có khả năng làm tăng khả năng chịu lực, tăng độ cứng đáng kể cho kết cấu được gia cường
Ưu điểm vượt trội của vật liệu là có khả năng bám dính trong môi trường có độ ẩm cao, dưới nước và nhiệt độ cao, có thể thi công dễ dàng, kể
cả vị trí chật hẹp, thậm chí công trình được sửa chữa không phải ngừng hoạt động và không làm tăng kích thước nguyên thuỷ của kết cấu
Do việc thi công không đòi hỏi khắt khe về độ
ẩm, keo epoxy khá linh động, thi công thủ công đơn giản….nên dễ dàng đảm bảo được chất lượng sản phẩm ổn định nếu việc thi công được giám sát cho đúng quy trình của nhà sản xuất quy định
Tính đến nay sử dụng công nghệ gia cường bằng vật liệu Tyfo đã sửa chữa được trên 50 cây cầu yếu trên quốc lộ từ Bắc vào Nam, có những cầu sửa đến nay được 3 năm đi vào hoạt động nhưng chất lượng vẫn đảm bảo
4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Bài báo đã đưa ra được một bức tranh cầu yếu ở Việt Nam, những nguyên nhân gây hư hỏng, xuống cấp của các cầu này Từ đó đưa ra các các công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa các hư hỏng của các cầu bê tông cốt thép Đặc biệt đã trình bày một
số vật liệu tiên tiến được sản xuất ở trong nước của
Bộ môn Vật liệu xây dựng nghiên cứu sản xuất có chất lượng vượt trội và giá cả lại cạnh tranh, bài báo cũng đưa ra công nghệ sửa chữa gia cường kết cấu
bê tông bằng vật liệu tyfo
Đề nghị không chỉ trong ngành giao thông mà ngành Thủy lợi, xây dựng dân dụng công nghiệp cũng nên nghiên cứu để ứng dụng các vật liệu tiên tiến cho sửa chữa các cầu giao thông nông thôn cũng như các công trình bê tông cốt thép bị
hư hỏng xuống cấp khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chu Quang Trung Một vài nguyên nhân gây
hư hỏng kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép trong quá trình khai thác biện pháp khắc phục, luận văn thạc sĩ, 2013
[2] Vũ Quốc Vương Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất vữa không co, cường độ cao để sửa chữa mặt đê Tả Đuống Tỉnh Bắc Ninh, Tạp chí Khoa học Thủy lợi & Môi trường, 2012