Lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 đô thị phía nam, thành phố bắc giang

Tính cấp thiết của đề tài Từ khi ra đời đến nay, Bê tông cốt thép đã và đang trở thành loại vật liệu xây dựng phổ biến trong thiết kế thi công các công trình xây dựng dân dụng, công trì

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài luận văn: “Lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành ph ố Bắc Giang”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết

quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường

Học viên

Hoàng Văn Hoan

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu và làm luận văn, được sự nhiệt tình giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Trường Đại học Thuỷ lợi và sự cố gắng nỗ lực của bản thân, đến

nay đề tài “Lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành

phố Bắc Giang” đã được hoàn thành

Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về việc lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ kỹ thuật còn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Tác giả mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Phó Uyên người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học, Viện thủy công, Trung tâm Quy hoạch xây dựng Bắc Giang đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về tài liệu, thông tin và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 01 năm 2018

Học viên

Hoàng Văn Hoan

MỤC LỤC

DANH M ỤC HÌNH VẼ v

DANH M ỤC BẢNG BIỂU viii

M Ở ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 2

3 Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 3

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi trên Thế giới 3

1.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam 9

1.3 Đặc điểm về Bê tông cốt sợi 13

1.3.1 Khái ni ệm 13

1.3.2 Các lo ại cốt sợi 13

1.3.3 Phân lo ại bê tông cốt sợi 20

1.3.4 Nh ững đặc trưng cơ bản của bê tông cốt sợi 21

1.4 Sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi và giải pháp khắc phục 22

1.4.1 S ự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi 22

1.4.2 M ột số giải pháp khắc phục sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi 27

* Kết luận Chương 1 29

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CỐT SỢI 30

2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng 30

2.2 Tiêu chuẩn về thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông 30

2.3 Các loại vật liệu sử dụng trong bê tông cốt sợi 31

2.3.1 Xi măng 31

2.3.2 Tro bay 31

2.3.3 C ốt liệu mịn (Cát) 32

2.3.4 C ốt liệu thô ( Đá dăm ) 33

2.3.5 Nước 33

2.3.6 Ph ụ gia hóa học 33

2.3.7 C ốt sợi thủy tinh 34

2.4 Thiết kế thành phần bê tông cốt sợi 34

2.5 Thí nghiệm các tính chất cơ lý của bê tông cốt sợi 34

2.5.1 Thí nghi ệm kiểm tra độ lưu động (độ sụt) của hỗn hợp bê tông 34

2.5.2 Thí nghi ệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 36

2.5.3 Thí nghi ệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 37

* Kết luận Chương 2 39

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN BÊ TÔNG CỐT SỢI M30 THI CÔNG CỐNG KHU 6,7 – ĐÔ THỊ PHÍA NAM, THÀNH PHỐ BẮC GIANG 40

3.1 Tổng quan về dự án và công trình cống khu 6,7- Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang 40

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 40

3.1.2 Điều kiện về hạ tầng kỹ thuật 42

3.1.3 Đánh giá chung về địa điểm xây dựng dự án 43

3.3 Phân tích kết quả thí nghiệm bê tông cốt sợi 44

3.3.1 K ết quả thí nghiệm độ lưu động 44

3.3.2 K ết quả thí nghiệm cường độ nén 45

3.3.3 K ết quả thí nghiệm cường độ kéo khi uốn 46

3.4 Tính toán kết cấu cho cống khu 6,7 – Đô thị phía Nam – Thành phố Bắc Giang 48

3.4.1 Sơ đồ bố trí lực lên cống 48

3.4.2 Phương pháp tính toán 52

* Kết luận chương 3: 60

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

1 Kết luận 61

2 Kiến nghị 62

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 63

PH Ụ LỤC TÍNH TOÁN 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cầu đi bộ Sherbrooke ở Sherbrooke, Quebec, Canada 7

Hình 1.2 Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp 7

Hình 1.3 Thi công đường sân bay ở Bỉ 8

Hình 1.4 Thi công mặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha 8

Hình 1.5 Thi công hầm đường sắt tại Anh 8

Hình 1.6 Kênh bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn 10

Hình 1.7 Bờ kè kênh Tham Lương, TP Hồ Chí Minh sử dụng sản phẩm BTCS trong dự án chống ngập, ứng phó thiên tai, biến đổi khí hậu 10

Hình 1.8 Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc thăm quan các sản phẩm bê tông cốt sợi đúc sẵn, thành mỏng như các loại mương máng thủy lợi, hào kỹ thuật, hố ga thu nước mưa và ngăn mùi kiểu mới, các loại cấu kiện lắp ghép bảo vệ bờ sông, hồ và đê biển… 11

Hình 1.9 Thép polyme được sử dụng tại một hạng mục thuộc khu tưởng niệm Đại tướng Võ Nguyên Giáp, Vũng Chùa - Quảng Bình 11

Hình 1.10 Tuyến kênh tưới Nam Gò Đậu, hệ thống tưới Tháp Mão thuộc xã Phước Hưng, huyện Tuy Phước, tỉnh Bình Định sử dụng công nghệ bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn 12

Hình 1.11 Công trình Hầm đường bộ Hải Vân là công trình nổi bật tại Việt Nam ứng dụng công nghệ bê tông cốt sợi 12

Hình 1.12 Thi công đổ bê tông sợi thép sàn công nghiệp tại Visip Bắc Ninh 12

Hình 1.13 Sợi thủy tinh trong sản xuất bê tông cốt sợi Thủy tinh 15

Hình 1.14 Mô phỏng sợi cacbon phóng to 18

Hình 1.15 Sợi bazan dạng xắt nhỏ dùng cho sản xuất bê tông cốt sợi bazan BFRC 19

Hình 1.16 Khả năng chịu kéo của bê tông cốt sợi 21

Hình 1.17 Tính dẻo dai của bê tông cốt sợi 21

Hình 1.18 Khả năng chống nứt của bê tông cốt sợi 22

Hình 1.19 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà (hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 24

Hình 1.20 Hiện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT cống Bình Cát - Bến Tre

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 24

Hình 1.21 Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn cốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 25

Hình 1.22 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 - Hải Phòng 25

(Bê tông luôn luôn trong trạng thái trương nở-co ngót) 25

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 25

Hình 1.23 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè biển Cát Hải - Hải Phòng (hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 25

Hình 1.24 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn - Bến Tre 26

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 26

Hình 1.25 Xâm thực bê tông do bị các vi sinh vật ăn mòn 26

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 26

Hình 1.26 Xâm thực bê tông cửa ra bể tiêu năng do hiện tượng khí thực 26

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp) 26

Hình 1.27 Xâm thực bê tông mũi phun tràn xả lũ do hiện tượng khí thực 27

Hình 2.1 Bộ côn thử độ sụt bê tông 35

Hình 2.2 Thiết bị máy nén bê tông 37

Hình 2.3 Thiết bị thí nghiệm kéo khi uốn 37

Hình 3.1 Quy hoạch khu đô thị khu dân cư khu số 6,7 khu đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang 40

Hình 3.3 Thí nghiệm kiểm tra độ lưu động của hỗn hợp bê tông 44

Hình 3.4 Thí nghiệm xác định cường độ nén của bê tông 45

Hình 3.5 Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 47

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các lực tác dụng lên cống 48

Hình 3.8 Phân bố ứng suất S22 bê tông cốt sợi 57

Hình 3.9 Chuyển vị của cống bê tông cốt sợi 57

Hình 3.10 Kết quả ứng suất S22 với bê tông thường 58

Hình 3.11 Kết quả ứng suất S11 với bê tông thường 58

Hình 3.12 Kết quả chuyển vị bê tông thường 58

Hình A Mô hình tính toán cống hộp bằng phần tử Shell 65

Hình B Kết quả ứng suất S11 với bê tông thường 65

Hình C Kết quả ứng suất S22 với bê tông thường 66

Hình D Kết quả ứng suất Smax với bê tông thường 66

Hình E Kết quả ứng suất Smin với bê tông thường 67

Hình F Kết quả chuyển vị bê tông thường 67

Hình G Kết quả ứng suất S11 với bê tông cốt sợi 68

Hình H Kết quả ứng suất S22 với bê tông cốt sợi 68

Hình I Kết quả ứng suất Smax với bê tông cốt sợi 69

Hình J Kết quả ứng suất Smin với bê tông cốt sợi 69

Hình K Kết quả chuyển vị bê tông cốt sợi 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tổng hợp đối với các tính chất của

hỗn hợp bê tông 4

Bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu sử dụng BTCS cho công trình giao thông ở Mỹ 5

Bảng 1.3 Một số loại sợi thép được sử dụng trên Thế giới 14

Bảng 1.4 Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử độ bền 16 Bảng 1.5 Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon 17

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng 30

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông 30

Bảng 2.3 Tính chất cơ lý của xi măng 31

Bảng 2.4 Tính chất kỹ thuật của tro bay Phả Lại 31

Bảng 2.5 Tính chất cơ lý của cát 32

Bảng 2.6 Tính chất cơ lý của đá dăm 33

Bảng 2.7 Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông cốt sợi 34

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm độ lưu động các hỗn hợp bê tông 45

Bảng 3.2 Kết quả cường độ nén ở 3, 7 và 28 ngày tuổi 46

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi uốn ở 3, 7 và 28 ngày tuổi 47

Bảng 3.4 Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông cốt sợi 48

Bảng 3.4 Thông số vật liệu của bê tông thường và bê tông cốt sợi 49

Bảng 3.5: Thông số hình học của cống 49

Bảng 3.6: Thông số đất xung quanh cống 50

Bảng 3.7 Kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên cống 51

Bảng 3.8: Kết quả tính toán bê tông cốt sợi và bê tông thường 59

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi ra đời đến nay, Bê tông cốt thép đã và đang trở thành loại vật liệu xây dựng phổ

biến trong thiết kế thi công các công trình xây dựng dân dụng, công trình giao thông,

thủy lợi đối với Việt Nam nói riêng và trên toàn Thế giới nói chung Tuy nhiên, với điều kiện khoa học công nghệ, vật liệu xây dựng và môi trường ở Việt Nam hiện nay, nhiều công trình hoặc bộ phận kết cấu bằng bê tông cốt thép đã phát sinh vết nứt ngay trong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng Điều đó đặt ra câu

hỏi lớn cho các nhà khoa học về việc phòng tránh và xử lí các dạng vết nứt phát sinh trong quá trình thi công và khai thác các công trình bằng bê tông cốt thép

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt đối với các công trình, cấu kiện bê tông như: cường độ chịu nén của Bê tông cao nhưng khả năng chịu kéo kém, hiện tượng co ngót,

từ biến hoặc tại các vị trí đặc biệt trong kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vật

liệu bê tông thông thường không đủ khả năng chịu lực ví dụ như bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép, ụ neo cáp của cầu dây văng; các mối nối quan trọng giữa các đốt dầm trong các cầu ứng dụng công nghệ đúc hẫng hoặc lắp hẫng vv

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu về Vật liệu xây dựng đã sử dụng rất nhiều biện pháp như: căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng các chất phụ gia chống co ngót, bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết…vv Tuy nhiên, sau khi áp

dụng, người ta nhận ra rằng các giải pháp này không phải trường hợp nào cũng có thể phát huy được tác dụng của nó Bên cạnh đó các nhà khoa học còn tìm các giải pháp

để tăng cường khả năng chịu lực của bê tông thông qua việc thay đổi một số tính chất

của vật liệu này bằng việc cho thêm vào bê tông một số cốt liệu muội silic và đặc biệt

là việc chế tạo, thiết kế bê tông sử dụng cốt sợi

Thiết kế và sử dụng Bê tông cốt sợi là một ý tưởng được các nhà nghiên cứu quan tâm trên thế giới Đây là giải pháp mới hiệu quả, giúp tăng cường độ kéo cho bê tông thông qua các vật liệu dạng sợi Đối với ngành xây dựng công trình nói chung và xây dựng công trình Thủy lợi nói riêng ở Việt Nam thì nghiên cứu thiết kế, sử dụng Bê tông cốt

sợi trong các công trình là một vấn đề khá mới mẻ Có khá nhiều đề tài nghiên cứu về

Bê tông cốt sợi của nhiều đơn vị như: Đại học Xây dựng Hà Nội, Đại học Giao thông

vận tải Hà Nội, Đại học Bác khoa Tp Hồ Chí Minh…vv, nhưng phần lớn các nghiên

cứu chỉ tập trung vào lĩnh vực xây dựng dân dụng, giao thông vận tải Trong khi đó,

những nghiên cứu Bê tông cốt sợi phục vụ cho thiết kế công trình Thủy lợi còn rất hạn chế Đứng trước nhu cầu thực tiễn, kế thừa và phát triển từ những đề tài nghiên cứu đã có

từ trước, tác giả đã nghiên cứu đề tài “lựa chọn bê tông cốt sợi thi công cống khu 6,7 –

Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang”, nhằm tìm ra loại cốt sợi phù hợp và thiết kế

Bê tông cốt sợi tối ưu, khắc phục những nhược điểm của Bê tông thông thường, từ đó đưa ra kiến nghị và một số giải pháp áp dụng vào thi công công trình Thủy lợi để đạt

hiệu quả cao

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

* N ội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam và trên thế giới

- Nghiên cứu sử dụng vật liệu chế tạo bê tông cốt sợi

- Lựa chọn các loại vật liệu, phụ gia khoáng và phụ gia hoá học phù hợp, cũng như lượng dùng thích hợp để sản xuất bê tông cốt sợi

- Ứng dụng bê tông cốt sợi cho cống khu 6,7 - Đô thị phía Nam, thành phố Bắc Giang

* P hương pháp nghiên cứu:

- Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt sợi cho một số công trình đã được xây dựng ở Việt Nam và nước ngoài

- Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông cốt sợi Thiết kế

cấp phối bê tông cốt sợi Thí nghiệm một số tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông cốt sợi đã rắn chắc

- Tính toán kết cấu cống sử dụng bê tông cốt sợi

3 Kết quả đạt được

Lựa chọn được vật liệu, thiết kế cấp phối bê tông cốt sợi M30, áp dụng cấp phối đã được thiết

kế cho công trình cống khu 6,7 – Khu đô thị phía Nam – Thành phố Bắc Giang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI

1.1 Tình hình n ghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi trên Thế giới

Từ thời kỳ Ai Cập và Babylon, người ta đã biết dùng một số loại sợi từ thân cây hay lông ngựa để tăng cường mức độ liên kết cho gạch thô, tường trát bùn, thạch cao…vv

Những năm đầu 1960, người ta bắt đầu nghiên cứu về bê tông cốt sợi Bê tông cốt sợi (BTCS) đã được nghiên cứu rộng khắp trên thế giới trong nhiều thập kỷ qua, đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng ứng xử của bê tông cốt sợi từ trạng thái

hỗn hợp đến rắn chắc và cả độ bền của bêtông cốt sợi trong những điều kiện làm việc khác nhau

Về khả năng ứng xử của bê tông cốt sợi ở trạng thái hỗn hợp, tại Mỹ đã nghiên cứu ảnh hưởng của sợi tổng hợp đến hỗn hợp bê tông Bê tông không gia cường sợi có mác thiết kế là 20 MPa, hàm lượng sợi sử dụng trong bê tông thay đổi từ 0,075% đến 0.5% tính theo thể tích của bê tông Những loại sợi tổng hợp được nghiên cứu bao gồm : sợi Nylon 6, sợi Poly-propylene (PP), sợi Polyester Những loại sợi này có chiều dài 19

mm, 25 mm và 38 mm Sợi PP ở dạng bó sợi, sợi Nylon 6 và sợi Polyester ở dạng đơn mảnh Qua kết quả nghiên cứu các nhà khoa học đưa ra kết luận: độ dẻo của hỗn hợp bê tông

giảm xuống khi sợi được đưa vào trong hỗn hợp bê tông, sự giảm xuống về độ dẻo càng tăng khi hàm lượng sợi tăng lên Sự suy giảm về độ dẻo của hỗn hợp bê tông sử dụng các loại sợi tổng hợp khác nhau sẽ khác nhau Độ dẻo (độ sụt) của hỗn hợp bê tông cốt

sợi giảm xuống khi chiều dài sợi tăng lên (Bảng 1.1) Khảo sát sự thay đổi về cường độ

chịu nén của bê tông khi hàm lượng sợi Nylon 6 thay đổi từ 0% đến 0,1% tính theo thể tích của bê tông thấy rằng: cường độ bê tông hầu như không bị thay đổi khi hàm lượng

sợi dùng ít hơn 0,1% theo thể tích của bê tông Khi nghiên cứu ảnh hưởng của sợi tổng

hợp đối với sự dẻo dai và khả năng chống va đập của bê tông thông qua thí nghiệm uốn

dầm tiêu chuẩn 150x150x600 mm và thí nghiệm búa rơi tự do, sợi sử dụng bao gồm sợi Nylon 6; sợi PP; sợi Polyester (PE) có chiều dài 19 mm ở dạng đơn mảnh, hàm lượng

sợi thay đổi từ 0,075% đến 0,5% thấy rằng: độ dẻo dai và khả năng chống va đập của bêtông tăng lên khi sử dụng 0,5% cốt sợi tổng hợp phân tán

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi tổng hợp đối với các tính chất của

Kh ối lượng thể tích (kg/m 3 )

của bê tông nghiên cứu yêu cầu đạt 350 daN/cm2 (35 MPa) trong 24 giờ, sợi được sử

dụng bao gồm sợi thép và sợi Poly-propylene (PP) với hàm lượng sợi thay đổi 1% và 2% Sợi thép có 2 loại với cùng một đường kính 0,5 mm nhưng có chiều dài lần lượt là

30 và 50 mm Sợi PP có chiều dài 12 và 19 mm với đường kính sợi là 0,095 mm Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng và loại sợi đến các tính chất cơ học của bê tông như: cường độ chịu kéo, nén và uốn và độ dẻo dai

Kết quả nghiên cứu kết luận rằng: yêu cầu về cường độ đạt 35MPa trong 1 ngày thường khó đạt được khi sử dụng sợi PP Sợi PP dùng với hàm lượng 1% và 2% làm cho cường

độ của bê tông giảm xuống đáng kể Trái lại, cường độ của bê tông có thể đạt được hoặc vượt quá 35 MPa trong 24 giờ khi sử dụng sợi thép, đặc biệt là sử dụng với hàm lượng 2% Môđun đàn hồi của bê tông giảm xuống khi hàm lượng sợi PP tăng lên, và tăng lên khi hàm lượng sợi thép tăng Tuy nhiên, khi sử dụng kết hợp sợi thép dài 30 mm và sợi

PP thì cường độ và môđun đàn hồi của bê tông cốt sợi ở 1 ngày giảm xuống gần 50%

Bê tông cường độ cao gia cường cốt sợi PP cho kết quả cường độ chịu uốn thấp hơn nhiều so với sợi thép và gần bằng với bê tông cường độ cao không gia cường sợi Tuy nhiên, sợi PP làm cho tính dẻo dai của nền bê tông cường độ cao được cải thiện rất nhiều so với lúc không gia cường sợi

Bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu sử dụng BTCS cho công trình giao thông ở Mỹ

Trong nhiều năm qua ở trên thế giới, người ta đã ứng dụng Bê tông cốt sợi phân tán vào trong nhiều lĩnh vực xây dựng Vào năm 1970, nhà xe sân bay Lockbourne bang Ohio ở Mỹ được xây dựng từ những tấm bê tông cốt sợi đúc tại chỗ, những tấm bê tông cốt sợi này có kích thước là (10,7x14x0,15) m và (1,5x6,7x0,15) m Loại sợi được sử dụng trong công trình này là sợi thép, hàm lượng sợi sử dụng là 106 kg/m3 Sau khi đã đổ xong tấm bê tông cốt sợi, người ta phủ lên mặt của những tấm bê tông

cốt sợi này bằng những lớp lưới sợi PP có bề dày 0,2 mm để làm lớp đệm chống mài mòn trong quá trình sử dụng công trình

Năm 1970 ở Michigan của Mỹ, đường Niles dẫn vào khu công nghiệp được xây dựng

bằng bê tông cốt sợi thép phân tán với chiều dày của đường là 100 mm Sợi thép thẳng được sử dụng với hàm lượng là 120 kg/m3 Sau khi đưa công trình vào sử dụng, người

ta tiến hành so sánh đường làm bằng bê tông cốt sợi và đường làm bằng bê tông bình thường thì thấy rằng: mặc dù đường làm bằng bê tông cốt sợi có chiều dày (100 mm)

nhỏ hơn so với đường làm bằng bê tông thông thường (180 mm) nhưng khả năng chịu

tải, chịu mài mòn và chống nứt tốt hơn so với đường bê tông thông thường không có

sử dụng cốt sợi

Năm 1983 tại Frankfurt ở Đức, người ta tiến hành xây dựng sân bay Frankfurt Sân bay này có lớp phủ mặt đường băng làm bằng bê tông cốt sợi thép phân tán, hàm lượng sợi sử dụng là 60 kg/m3 để góp phần làm tăng khả năng chống mài mòn và

chống co ngót cho đường băng

Bên cạnh những lĩnh vực ứng dụng như trên, từ những năm 1980 trở lại đây, sợi thép

và sợi Poly-propylene được sử dụng rất phổ biến cho bê tông bơm phụt theo cả quy trình khô và quy trình ướt Bê tông bơm phụt gia cường cốt sợi được sử dụng để ổn định mái dốc tự nhiên của những công trình đường hầm, để bao phủ bề mặt nền đá

chống lại hiện tượng hoá mềm của đá bùn trong khi xây dựng đập, bao phủ bề mặt của

những hố chứa rác để giảm thiểu sự xâm nhập của nước và sự rò rỉ của chất độc có hại

ra bên ngoài……

Cầu đi bộ Sherbrooke thuộc tỉnh bang Quebec của Canada là công trình kiến trúc kỹ thuật đầu tiên xây dựng bằng Bê tông cốt sợi thép cường độ rất cao trên thế giới vào

năm 1997 Với khẩu độ 60 m, kết cấu dành cho người đi bộ này được đúc sẵn và ứng

lực trước, mặt cầu làm bằng Bê tông cốt sợi thép cường độ cực cao

Hình 1.1 Cầu đi bộ Sherbrooke ở Sherbrooke, Quebec, Canada

Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp Cầu được làm bằng Bê tông cốt sợi thép cường độ cao, gồm 2 nhịp dài khoảng 20 m và hoàn thành năm 2001 Thông số kỹ thuật

của cầu: Chiều dài 22,5 m, chiều rộng 2,4 m, chiều cao 0,9 m, bề dày 11 cm, chịu tải 37

tấn Ngoài ra, bê tông cốt sợi còn được thi công tại đường sân bay ở Bỉ, thi công mặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha, thi công hầm đường sắt tại Anh … Dưới đây là một số hình ảnh về công trình xây dựng ở nước ngoài ứng dụng bê tông cốt sợi trong thi công và đạt hiệu quả rất cao

Hình 1.2 Cầu Bourg-les-Valence ở Đông nam nước Pháp

Hình 1.3 Thi công đường sân bay ở Bỉ

Hình 1.4 Thi công mặt đường bến cảng tại Tây Ban Nha

Hình 1.5 Thi công hầm đường sắt tại Anh

1.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi tại Việt Nam

Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thép đã bước đầu được quan tâm nghiên cứu và công bố tại Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Đại học Xây

dựng Hà Nội, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng quốc gia,

Viện Khoa học công nghệ Giao thông vận tải…

Tại trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, TS.Nguyễn Văn Chánh cùng các

cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bê tông cốt sợi dựa trên nền vật liệu địa phương được gia cường với nhiều loại sợi khác nhau như: bê tông nhẹ cốt sợi sơ dừa, bê tông

cốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thép và bê tông cốt sợi Bazan Các tính chất của bê tông cốt sợi được nghiên cứu gồm: Cấp phối thành phần hỗn hợp, tính chất của hỗn

hợp, tính chất cơ học và đặc biệt là tính dẻo dai của bê tông cốt sợi

Tại Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, PGS.TS.Hoàng Phó Uyên và nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông cốt sợi thép làm cửa van cho các cống

lấy nước vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Một số công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi đã được thi công bằng bê tông cốt sợi

tại Việt Nam như: Công ty BUSECO - Vũng Tàu đang áp dụng thử nghiệm dùng thanh GFRP cho sản xuất nắp cống và cọc bê tông cốt thép Công trình công viên Phù Đổng tại Trần Phú - Nha Trang sử dụng thanh GFRP làm bản đáy tầng hầm Công trình đê biển Cà Mau sử dụng thanh GFRP để thi công thử nghiệm hệ thống rọ đá làm

kè biển Hạng mục nhà chiến sỹ cảnh vệ thuộc khu tưởng niệm Đại Tướng Võ Nguyên Giáp tại Vũng Chùa - Quảng Bình

Ngoài ra, một số tuyến kênh tưới, công trình hầm, sàn nhà công nghiệp ở trong nước cũng đã được sử dụng bê tông cốt sợi

Dưới đây là một số hình ảnh đặc trưng về các công trình sử dụng bê tông cốt sợi tại

Việt Nam

Hình 1.6 Kênh bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn

(T ổng cục Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có quyết định số TCTL-KHCN v ề việc công nhận tiến bộ kỹ thuật, công nghệ mới đối với sản phẩm

94/QĐ-“Kênh bê tông c ốt sợi thành mỏng đúc sẵn”)

Hình 1.7 Bờ kè kênh Tham Lương, TP Hồ Chí Minh sử dụng sản phẩm BTCS trong

dự án chống ngập, ứng phó thiên tai, biến đổi khí hậu

Hình 1.8 Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc thăm quan các sản phẩm bê tông cốt sợi đúc

sẵn, thành mỏng như các loại mương máng thủy lợi, hào kỹ thuật, hố ga thu nước mưa

và ngăn mùi kiểu mới, các loại cấu kiện lắp ghép bảo vệ bờ sông, hồ và đê biển…

Hình 1.9 Thép polyme được sử dụng tại một hạng mục thuộc khu tưởng niệm Đại

tướng Võ Nguyên Giáp, Vũng Chùa - Quảng Bình

Hình 1.10 Tuyến kênh tưới Nam Gò Đậu, hệ thống tưới Tháp Mão thuộc xã Phước Hưng, huyện

Tuy Phước, tỉnh Bình Định sử dụng công nghệ bê tông cốt sợi thành mỏng đúc sẵn

Hình 1.11 Công trình Hầm đường bộ Hải Vân là công trình nổi bật tại Việt Nam ứng

dụng công nghệ bê tông cốt sợi

Hình 1.12 Thi công đổ bê tông sợi thép sàn công nghiệp tại Visip Bắc Ninh Tuy nhiên, tại Việt Nam phạm vi ứng dụng còn hạn chế, chưa có nhiều công trình xây

dựng thi công bằng bê tông cốt sợi Đây chính là câu hỏi đặt ra cho các nhà thiết kế,

nghiên cứu bê tông cốt sợi và ứng dụng vào thi công các công trình nói chung và các công trình Thủy lợi nói riêng Đặc biệt là ứng dụng chế tạo bê tông cốt sợi có cường

độ chịu kéo uốn tốt, khả năng chống thấm và chống xâm thực tốt, khả năng kháng nứt

tốt, chịu va đập và mài mòn cao, sử dụng cho các công trình Thủy lợi là rất cần thiết

và cần được nghiên cứu trong thời gian tới

1.3 Đặc điểm về Bê tông cốt sợi

sợi liên tục, phân bố theo một hoặc hai phương được đưa vào trong bê tông nhằm cải thiện và tăng cường các tính chất cho bê tông, phù hợp sử dụng cho các công trình có yêu cầu cao về khả năng chịu kéo, chịu uốn, chịu va đập, dẻo dai và ít co ngót

1.3.2 Các loại cốt sợi

1.3.2.1 Cốt sợi Thép

Sợi thép được sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo trong khoảng 345 ÷ 1380 MPa, môđun đàn hồi khoảng 200 GPa, tiết diện sợi thép có thể là tròn, vuông, chiều dài sợi thép thường nhỏ hơn 75 mm Tỉ số chiều dài sợi trên đường kính sợi từ 30 ÷ 100 thường hay sử dụng để gia cường cho bê tông xi măng Sợi thép

nhỏ hạn chế được tính giòn và gia tăng tính dẻo dai của bê tông xi măng đã được sử

dụng để sản xuất các tấm sàn phẳng cho sân bãi và các lớp mặt trong đường hầm

Bảng 1.3 Một số loại sợi thép được sử dụng trên Thế giới

Đầu tiên, các nhà khoa học chỉ dùng những sợi thép nhỏ và thẳng để tăng khả năng chịu

uốn và chống nứt cho bê tông Shah và Rangan đã nghiên cứu bê tông sợi thép nhỏ với đường kính 0,25 ÷ 0,75 mm, để chế tạo cấp phối hỗn hợp bê tông dẻo Lượng sợi sử

dụng và tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi của sợi thép thẳng là yếu tố chính để thí nghiệm kiểm tra các tính chất của bê tông cốt sợi thép Khối lượng sợi thép dùng trong khoảng từ 90 ÷ 120 kg/m3 bê tông Với mật độ sợi cao, khó khăn chính gặp phải là sợi

sẽ cuộn lại thành cục trong quá trình trộn, nhất là khi dùng sợi dài

Bê tông khi sử dụng cốt sợi thép có ưu điểm làm tăng khả năng kháng uốn và cường

độ nén cao hơn bê tông thông thường Tuy nhiên, nhược điểm của việc dùng cốt sợi thép là làm cho độ dẻo của hỗn hợp bê tông giảm, gây khó khăn trong thi công, làm tăng trọng lượng của bê tông, không phù hợp với những công trình yêu cầu bê tông

nhẹ Khuynh hướng này ảnh hưởng đến chất lượng của bê tông, đặc biệt, với một số lượng cao Để khắc phục hiện tượng này Ramakrishman và các cộng sự của ông đã dùng các loại phụ gia dẻo giảm nước cho với một lượng nhỏ để điều chỉnh tính dẻo

của hỗn hợp bê tông

1.3.2.2 Cốt sợi Thủy tinh

Sợi thủy tinh được sử dụng chủ yếu để sản xuất các tấm bê tông phẳng cốt sợi Những

loại sợi thủy tinh E - Glass sử dụng trong bê tông đều bị phân hủy trong môi trường

kiềm của xi măng Poóclăng Chính vì vậy, một loại sợi thủy tinh bền kiềm (sợi thủy tinh kháng kiềm AR - Glass Fiber) được sản xuất để thay thế sợi thủy tinh E - Glass trong bê tông cốt sợi thủy tinh

Khi sử dụng cốt sợi thủy tinh, bê tông sẽ có ưu điểm hơn so với các loại bê tông cốt

sợi khác như Poly-Propylene Fiber, Steel Fiber đó là: Cường độ uốn, kéo và va đập cao hơn; sợi thủy tinh nhẹ hơn làm giảm sức nặng của công trình, làm tăng khả năng

chống lại sự phá hủy của môi trường có các tác nhân hóa học, đặc biệt là không xảy ra

hiện tượng ăn mòn cốt thép của ion Clo; bê tông cốt sợi thủy tinh không bị gỉ, không

bị ăn mòn, bền trong môi trường nước và thân thiện với môi trường Đây là loại bê tông cốt sợi rất phù hợp với đặc điểm, tính chất làm việc của các công trình Thủy lợi,

cần được nghiên cứu kĩ để áp dụng vào thực tiễn

Các loại sợi tổng hợp Polyme có cường độ chịu kéo cao, nhưng hầu hết các sợi này có môđun đàn hồi thấp Đường kính của sợi rất nhỏ nên tỉ số chiều dài trên đường kính sợi là cao, chúng rất có ích đối với sự gia cường bê tông Những thuận lợi của các loại sợi Polyme là khả năng bền trong môi trường kiềm của xi măng Tuy nhiên, điểm bất lợi là môđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu nền kém, nhạy cảm với bức xạ mặt trời và

Bảng 1.4 Cường độ chịu uốn tối đa của bê tông cốt sợi tổng hợp theo các chu kỳ thử độ bền

hồi thấp, tuổi thọ công trình giảm khi chịu tác nhân từ bức xạ mặt trời và oxy hóa Mặt khác, giá thành bê tông sử dụng cốt sợi này cao hơn so với một số loại sợi khác

1.3.2.4 Cốt sợi Cacbon

Sợi Cacbon có giá thành cao hơn sợi Polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường cho

vật liệu nền xi măng bị hạn chế Sợi Cacbon có môđun đàn hồi cao như sợi thép, chúng rất nhẹ, tỉ trọng khoảng 1,9 g/cm3 và đặc biệt là bền vững trong hầu hết các môi trường hóa học Sợi Cacbon được sản xuất thành bó sợi, có trên 12.000 sợi nhỏ riêng

biệt Sợi Cacbon có cường độ và môđun đàn hồi cao hơn so với các loại sợi Polyme

Một số công trình tại Nhật đã dùng các tấm bê tông sợi Cacbon làm vật liệu bao che cho các tòa nhà cao tầng Tuy nhiên, sợi Cacbon nhào trộn thường khó khăn, chúng có khuynh hướng cuộn tròn và phân tán không đồng nhất, đặc biệt khi hàm lượng theo thể tích sợi lớn hơn 3% Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon được giới thiệu trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi cacbon

(N/mm)

Cường độ chịu

u ốn ở giới hạn đàn hồi

(MPa)

Cường độ

ch ịu uốn

t ối đa (MPa)

Hình 1.14 Mô phỏng sợi cacbon phóng to

1.3.2 5 Cốt sợi Bazan

Theo Tiến sĩ Djcgiric và Makhova, sợi Bazan và các vật liệu từ sợi Bazan có tính cách

ẩm, cách nhiệt, tính kết cấu cao Sợi Bazan hơn hẳn các loại sợi khác về độ bền nhiệt

Giới hạn nhiệt sử dụng của sợi Bazan từ 269°C - 900°C, trong khi đó sợi thủy tinh là 60°C - 450°C Độ hút ẩm của sợi Bazan nhỏ hơn 1%, còn của sợi thủy tinh tới 10 ÷ 20% Về tính bền thủy phân sợi Bazan được xếp vào nhóm đầu, còn về tính bền axít, bazơ và hơi nước, sợi Bazan hơn hẳn một số loại sợi khác Do những tính chất cơ lý cao, sợi Bazan dùng để sản xuất các loại bê tông sẽ đem lại hiệu quả cao Sợi Bazan làm cốt cho bê tông với vai trò như đối với sợi thủy tinh và sợi Cacbon, nhưng sợi Bazan có cơ tính tổng hợp tốt hơn sợi thủy tinh, trong khi chi phí thấp hơn so với sợi Cacbon Loại sợi này cũng được dùng rất tốt trong các sản phẩm Composite Polyme

cốt sợi Bazan (BFRP) chống cháy nổ cho công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô, công nghiệp dầu khí và kỹ thuật quân sự

Ưu điểm của loại sợi này là: Độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, khả năng chống chịu va chạm tốt, chi phí cho sửa chữa bê tông thấp và có thể thay thế sợi Cacbon trong nhiều ứng dụng, chịu nhiệt độ cao và khả năng chống chịu tác động của ánh sáng tốt, độ bền mỏi cao và chống ăn mòn hóa học tốt, dễ dàng kiểm soát quá trình sử dụng, thân thiện với môi trường, không có vấn đề ô nhiễm khi phải hủy sợi Bazan và có thể tái chế được, an toàn cho sức khỏe con người và động vật, tương thích với nhiều loại nhựa -

Polyester không no, Vinyl ester, Epoxy, Phenol, chống chịu hóa chất tốt hơn so với sợi thủy tinh E - Glass

Bê tông cốt sợi Bazan có những ưu điểm hơn một số loại bê tông khác về điều kiện bền nhiệt, kéo dài tuổi thọ công trình, tăng khả năng kháng uốn và cường độ kéo cao hơn bê tông thông thường Tuy nhiên, nhược điểm của loại bê tông này đó là: cường

độ chịu nén của bê tông giảm, đặc biệt giảm mạnh với hàm lượng thể tích sợi 4%; cường độ chịu kéo không tăng khi sử dụng 1% - 2% và giảm khi sử dụng 3% - 4% cốt sợi Bazan; gây khó khăn trong công tác thi công bởi sợi Bazan phân bố không đồng đều, làm tăng độ xốp của bê tông

Hình 1.15 Sợi bazan dạng xắt nhỏ dùng cho sản xuất bê tông cốt sợi bazan BFRC

1.3.2.6 Cốt sợi Xenlulo

Sợi thực vật được chú ý sử dụng là sợi Xenlulo, loại sợi này có tính bền cơ học khá cao Sợi Xenlulo tồn tại ở dạng sợi Polyme mạch zic zac, khi có tác dụng cơ học vào thì lập tức sợi Polyme dạng này sẽ co lại để chống lại lực tác dụng bên ngoài, sự co lại này hình thành nên dạng xoắn khi mạch Xenlulo có xu hướng bị tương tác lực theo hướng xoắn Quá trình co rút của sợi Xenlulo sẽ được khôi phục trong tình trạng nguyên thủy một cách dễ dàng hơn khi ta thay đổi các điều kiện bên ngoài Sợi Xenlulo khó phục hồi như cũ chính là do quá trình phơi khô, mất nước, nhiệt độ ánh

nắng mặt trời làm cho sợi Xenlulo bị cản trở khả năng đàn hồi

Qua nghiên cứu sử dụng, dạng sợi Xenlulo đã gặp phải khó khăn là sự thay đổi độ ẩm trong sợi Xenlulo Trong những năm 1970, ở Na Uy và Phần Lan, những nhà sản xuất

đã thành công trong việc sử dụng sợi Xenlulo cùng với một lượng nhỏ sợi Polypropylen Theo P Soroushian và S Marikunte đã tiến hành nghiên cứu Xi măng - Xenlulo (sử

dụng 2% khối lượng bột giấy Kraft) Thí nghiệm cường độ chịu uốn được thực hiện tại các chu kỳ nhiệt ẩm khác nhau Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng, các chu kỳ ẩm nhiệt được lặp đi lặp lại có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu uốn của Xi măng - bột giấy Kraft, nhưng lại làm giảm tính dẻo và làm vật liệu trở nên giòn hơn

Bê tông sử dụng cốt sợi Xenlulo có ưu điểm làm tăng cường độ kéo và khả năng kháng

uốn, giá thành hợp lý do tận dụng được các loại cốt sợi nền vật liệu địa phương Tuy nhiên, bê tông cốt sợi Xenlulo có nhược điểm: Tuổi thọ công trình giảm do cốt sợi Xelulo của bê tông bị phá hủy dưới tác nhân nhiệt độ và độ ẩm thay đổi, tính dẻo của bê tông bị giảm và bê tông trở nên giòn hơn (cường độ nén giảm)

1.3.3 Phân loại bê tông cốt sợi

Theo cường độ nén bê tông:

- Bê tông cốt sợi có cường độ nén trung bình: Rn = 25 ÷ 50 MPa

- Bê tông cốt sợi cường độ cao: Rn = 60 ÷ 100 MPa

- Bê tông cốt sợi siêu cường độ: Rn = 120 ÷ 800 MPa

Theo hàm lượng cốt sợi:

- Bê tông cốt sợi từ 0,25 ÷ 2,5 %

- Bê tông nhiều cốt sợi từ 10 ÷ 25 %

Theo ch ất kết dính:

- Bê tông xi măng cốt sợi

- Bê tông polyme cốt sợi

Theo các lo ại cốt sợi được sử dụng:

- Bê tông cốt sợi Thép - Bê tông cốt sợi Thủy tinh

- Bê tông cốt sợi Polyme - Bê tông cốt sợi Bazan

- Bê tông cốt sợi Xenlulo - Bê tông cốt sợi Cacbon

1.3.4 Những đặc trưng cơ bản của bê tông cốt sợi

1.3.4.1 Tính năng kỹ thuật

Khả năng chịu kéo: Bê tông thông thường chịu kéo kém, khi sử dụng một phần cốt sợi thay thế trong thành phần bê tông sẽ cải thiện đặc tính của bê tông đó là tăng cường

khả năng chịu kéo cho bê tông

Hình 1.16 Khả năng chịu kéo của bê tông cốt sợi Tính dẻo dai: Bê tông là vật liệu giòn nên sự có mặt của cốt sợi trong cấu trúc bê tông sẽ làm tăng cường tính dẻo dai cho bê tông

Hình 1.17 Tính dẻo dai của bê tông cốt sợi

Khả năng chịu va đập, mài mòn tốt: Cốt sợi gia cường theo tất cả mọi hướng Tăng tối

đa khả năng chịu va đập và mài mòn cho bê tông

Khả năng chống nứt: Sự có mặt của cốt sợi trong thành phần bê tông làm tăng khả năng

chống nứt do co ngót của bê tông Vì cốt sợi có tính hút và giữ nước rất tốt, nên trong quá trình thi công tránh được hiện tượng bay hơi nước bề mặt, gây co ngót bê tông

Hình 1.18 Khả năng chống nứt của bê tông cốt sợi

1.3.4.2 Ưu điểm về kết cấu

Kết cấu bê tông khi sử dụng cốt sợi sẽ tăng khả năng kháng uốn, tăng độ bền mỏi khi

chịu tải trọng động, tăng khả năng chịu va đập và mài mòn, tăng cường độ chịu kéo và

chịu cắt, tăng khả năng chống chọc thủng, giảm hiện tượng co ngót, nứt nẻ bề mặt và tăng hiệu quả khống chế co ngót từ đó tăng tuổi thọ cho công trình

1.3.4.3 Ưu điểm thi công

Bê tông khi sử dụng cốt sợi trong thi công sẽ không xảy ra lỗi đặt cốt thép sai và cong vênh, tăng khả năng chống sứt mẻ cạnh cấu kiện, giảm chiều dày của sàn, rút ngắn

thời gian thi công; thuận tiện trực tiếp rót bê tông xuống sàn, tăng khoảng các giữa các khe co ngót, tiết kiệm cho phí vật liệu và nhân công

1.4 Sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi và giải pháp khắc phục

1.4 1 Sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi

Bê tông sử dụng cho các công trình Thủy lợi thường xuyên tiếp xúc với môi trường nước, đặc biệt là các công trình ven biển, các công trình thoát nước thải của các khu công nghiệp, các công trình dẫn và tiêu nước trong nuôi trồng thủy sản… Khi bê tông

tiếp xúc với môi trường nước có các tác nhân gây xâm thực rất mạnh, nếu chất lượng

bê tông không tốt thì rất dễ xảy ra hiện tượng ăn mòn bê tông, kết cấu bê tông dễ bị phá hoại nhanh chóng, công trình xuống cấp và làm giảm chất lượng công trình

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng phá hoại các kết cấu bê tông (BT) và bê tông

cốt thép (BTCT) các công trình Thủy lợi là do trong môi trường nước có các tác nhân gây xâm thực bê tông rất mạnh; bê tông chịu va đập của sóng và các vật nổi làm bào mòn dẫn tới phá hủy bê tông; hay hiện tượng thấm ion Clo vào trong cấu trúc bê tông

tạo các chất nở thể tích, gây ăn mòn và oxy hóa cốt thép Ngoài ra, chất lượng thi công

bê tông không tốt dẫn đến hiện tượng thấm nước trong các kết cấu bê tông, kéo theo

hiện tượng tiết vôi trong đá xi măng (hiện tượng tiết Ca(OH)2 trong đá xi măng) làm

giảm cường độ bê tông một cách nhanh chóng, công trình bê tông xuống cấp và bị phá hoại Nguyên nhân chính gây nên hiện tượng xâm thực hóa học đá xi măng là do:

+ Trong đá xi măng có một số thành phần hòa tan mà chủ yếu là Ca(OH)2 bị hòa tan vào nước, làm cho các kết cấu bê tông bị rỗng, nếu bị nước cuốn trôi thì cường độ bê tông giảm xuống nhanh chóng (khi công trình Thủy lợi làm việc trong môi trường nước chuyển động)

+ Một số thành phần trong đá xi măng tác dụng hóa học với một số hóa chất có trong môi trường nước xung quanh công trình sinh ra các hợp chất hòa tan, hoặc nở thể tích làm cho bê tông bị rạn nứt; hay tạo các chất vô định hình không có cường độ, không

có khả năng kết dính làm phá hủy bê tông rất mạnh

Ngoài ra, hiện tượng ăn mòn bê tông do các vi sinh vật có trong môi trường nước - gây nên hiện tượng xâm thực vi sinh vật Khi bê tông làm việc trong môi trường nước lên

xuống (thủy triều), sóng biển, các vật trôi nổi tác động vào bề mặt bê tông - gây nên

hiện tượng ăn mòn cơ học Bê tông các công trình Thủy lợi chị áp lực nước, các đường ống dẫn nước chịu áp, các cửa ra của bể tiêu năng và mũi phun đập tràn… sẽ bị xâm

thực do hiện tượng khí thực - gây nên hiện tượng xâm thực khí thực

Dưới đây là hình ảnh một số hạng mục công trình Thủy lợi bằng bê tông và bê tông

cốt thép bị ăn mòn và phá hoại trong quá trình đưa vào sử dụng

Hình 1.19 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà (hình ảnh do viện thủy công

cung cấp)

(Cường độ bê tông R bt gi ảm từ 10-40% so với những vị trí bê tông đặc chắc)

Hình 1.20 Hiện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT cống Bình Cát - Bến Tre

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

+ Xâm thực cốt thép trong môi trường nước có chứa ion Clo (Cl-)cũng là nguyên nhân chính gây phá hủy các công trình BTCT khu vực ven biển

+ Do sản phẩm xâm thực (gỉ sắt) nở thể tích 4 ÷ 6 lần sẽ gây ứng suất làm nứt bê tông

bảo vệ dọc theo các thanh cốt thép bị xâm thực, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm

nhập ngày càng nhanh Cl- vào bên trong khối bê tông, dẫn đến tốc độ xâm thực cốt thép phát triển mạnh hơn và công trình xây dựng nhanh chóng bị phá hủy

Hình 1.21 Xâm thực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn cốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.22 Xâm thực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 - Hải Phòng

(Bê tông luôn luôn trong trạng thái trương nở-co ngót)

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.23 Hiện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè

biển Cát Hải - Hải Phòng (hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.24 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn - Bến Tre

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.25 Xâm thực bê tông do bị các vi sinh vật ăn mòn

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.26 Xâm thực bê tông cửa ra bể tiêu năng do hiện tượng khí thực

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Hình 1.27 Xâm thực bê tông mũi phun tràn xả lũ do hiện tượng khí thực

(hình ảnh do viện thủy công cung cấp)

Trong những hạng mục kết cấu bê tông và bê tông cốt thép các công trình Thủy lợi thì

hầu hết các bộ phận công trình trực tiếp chịu tác động của sóng, dòng chảy và thủy triều là những điểm xung yếu, dễ bị phá hoại, ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn của các công trình bằng vật liệu bê tông và bê tông cốt thép

Kết quả khảo sát hiện trạng cho thấy hầu hết các công trình bằng bê tông và bê tông

cốt thép vùng chịu tác động nguy hiểm nhất của các công trình Thủy lợi do phải chịu ảnh hưởng đồng thời của cả quá trình ăn mòn cốt thép, tác động mài mòn cơ học va đập và ăn mòn hóa học, ăn mòn vi sinh vật đối với bê tông, làm cho sức phá hoại công trình là rất lớn, tình trạng ăn mòn phá hủy dẫn đến giảm độ bền và tuổi thọ công trình

Vì vậy cần có các giải pháp khắc phục hiện tượng ăn mòn và phá hoại bê tông cho các công trình bê tông và bê tông cốt thép nói chung, cho các kết cấu công trình Thủy lợi nói riêng

1.4.2 Một số giải pháp khắc phục sự phá hoại bê tông các công trình Thủy lợi

Để khắc phục sự phá hoại bê tông và bê tông cốt thép các công trình Thủy lợi có nhiều

giải pháp khác nhau, tuy nhiên tùy vào từng hạng mục công trình và điều kiện làm việc

của các công trình khác nhau, sẽ đưa ra các giải pháp hạn chế xâm thực và phá hoại các kết cấu bê tông

Trước hết cần phải chế tạo loại bê tông có độ đặc chắc cao, cường độ nén và kháng

uốn cao, bê tông không bị co ngót và rạn nứt, khả năng chống xâm thực và mài mòn cao Trong thiết kế, người ta thường dùng giải pháp về vật liệu bằng lựa chọn các loại

vật liệu chế tạo bê tông một cách hợp lý, đảm bảo đầy đủ các Tiêu chuẩn Việt Nam

hiện hành Ngoài ra, để tăng độ đặc chắc cho bê tông, thì trong khi thiết kế thành phần

bê tông cần pha trộn thêm một số phụ gia khoáng vật hoạt tính như Silica fume, tro bay, tro trấu… ; hoặc thiết kế thành phần bê tông có tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD)

thấp, đảm bảo cấu trúc bê tông đặc chắc và mác chống thấm cao, làm ngăn cản khả năng thấm nước vào bên trong cấu trúc bê tông và hạn chế xâm thực phá hoại bê tông Bên cạnh đó, còn dùng một số biện pháp công trình được xử lý trước khi đưa công trình vào sử dụng, như: (1).Trát vữa chống thấm: Vữa xi măng có pha nhũ tương pôlime mác M25 ÷ M40 (2) Sơn chống ăn mòn cốt thép: Sơn gốc xi măng, sơn ximăng - pôlime, sơn hoá chất cao phân tử; các loại sơn này phải đảm bảo khả năng dính kết tốt giữa cốt thép được sơn với bê tông (3) Sơn phủ mặt ngoài kết cấu: Dùng các loại sơn epoxy, sơn thẩm thấu kết tinh gốc xi măng và các hợp chất cao phân tử có

độ dính kết cao với bê tông, đàn hồi tốt (4) Sử dụng chất ức chế ăn mòn Canxi nitrit

hoặc Natri nitrit (Ca(NO2)2 ; NaNO2) (5) Sử dụng vật liệu composite thay thế cho bê tông thông thường

Tuy nhiên, tất cả các giải pháp về vật liệu hay công trình đều đã được áp dụng một cách triệt để trong quá trình thiết kế và thi công các công trình bê tông và bê tông cốt thép Khi các công trình này đưa vào sử dụng một thời gian thì chịu tác động của môi trường làm việc và gây nên hiện tượng xâm thực và phá hoại các kết cấu; bởi vì bản thân bê tông và vật liệu giòn, cường độ nén tuy khá cao, nhưng cường độ kéo uốn của

bê tông chỉ bằng 1/15 đến 1/10 so với khả năng chịu nén, nên nhiều công trình hoặc bộ

phận kết cấu bằng bê tông cốt thép đã phát sinh vết nứt ngay trong giai đoạn thi công

hoặc chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng Thiết kế và sử dụng bê tông cốt sợi thay thế

bê tông thông thường là một ý tưởng cần được quan tâm trong xây dựng công trình Đây là giải pháp mới hiệu quả, giúp tăng cường độ kéo uốn cho bê tông thông qua các

vật liệu dạng sợi Bê tông khi sử dụng cốt sợi để chế tạo sẽ cho ra một sản phẩm bê tông mới có tính ưu việt hơn bê tông thông thường cả về cường độ và độ bền; bê tông

chế tạo có khả năng chịu va đập và chống nứt tốt, độ mài mòn thấp và mác chống thấm cao, bê tông có khả năng chống xâm thực tốt khi làm việc trong môi trường nước có các tác nhân xâm thực mạnh như môi trường nước biển, môi trường nước thải của các khu công nghiệp

Xuất phát từ ý tưởng đó, đề tài đã sử dụng cốt sợi thủy tinh kháng kiềm, kết hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao (phụ gia hóa dẻo thế hệ mới) và các vật liệu xây dựng chế tạo

bê tông thông thường (xi măng, cát, đá, nước, phụ gia khoáng) để thiết kế thành phần bê tông cốt sợi cho các mác thiết kế M30 (Rn = 30MPa); bê tông cốt sợi chế tạo được có

cường độ nén và cường độ kéo khi uốn cao, khả năng chống thấm và chống xâm thực tốt,

khả năng kháng nứt tốt, khả năng chịu va đập và mài mòn cao, sử dụng cho các công trình Thủy lợi

* Kết luận Chương 1

Bê tông cốt sợi đã và đang là loại vật liệu mới được các nhà nghiên cứu Vật liệu xây

dựng trên Thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng quan tâm tìm hiểu, đưa loại vật

liệu ưu việt này vào thiết kế, thi công các công trình xây dựng với điều kiện làm việc

phức tạp mà việc sử dụng bê tông thông thường không đạt hiệu quả cao Đặc biệt, nghiên cứu thiết kế bê tông cốt sợi cho các công trình Thủy lợi đang là xu hướng mới

có triển vọng phát triển trước yêu cầu đặc thù của từng loại công trình Thủy lợi

Bê tông cốt sợi có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng chủ yếu dựa theo loại cốt sợi được sử dụng Từ đặc tính cơ học, lý, hóa của các loại cốt sợi, căn cứ yêu cầu của công trình mà lựa chọn loại bê tông cốt sợi phù hợp, phương pháp thi công tối ưu, nhằm

phục vụ thi công công trình đạt hiệu quả cao

Cần phát triển sản xuất và ứng dụng bê tông cốt sợi trên nền vật liệu địa phương và vật

liệu nhân tạo trong nước để đa dạng hóa các chủng loại Vật liệu xây dựng Nghiên cứu

và áp dụng thí điểm bê tông cốt sợi vào các công trình Thủy lợi, đánh giá hiệu quả của

bê tông cốt sợi trong các điều kiện làm việc cụ thể của công trình, từ đó có hướng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi loại bê tông này cho các công trình khác nhau mang tính cấp thiết và có tính thời sự trong thời gian này

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CỐT SỢI

2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng

Trong thực hiện đánh giá các vật liệu chế tạo bê tông cốt sợi đã sử dụng một số tiêu chuẩn

về vật liệu xây dựng như trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng

Lo ại vật liệu xây dựng Tiêu chu ẩn áp dụng

2.2 Tiêu chuẩn về thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông

Trong báo cáo sử dụng các tiêu chuẩn thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông như trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của bê tông

Ch ỉ tiêu thí nghiệm Tiêu chu ẩn thí nghiệm

2.3 Các loại vật liệu sử dụng trong bê tông cốt sợi

2.3.1 Xi măng

Đề tài sử dụng xi măng PC40 Hoàng Thạch có giới hạn bền nén ở tuổi 28 ngày đạt 47,5 MPa; kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của xi măng như trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Tính chất cơ lý của xi măng

STT Ch ỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị K ết quả

Thời gian bắt đầu đông kết TCVN: 6017-1995 phút 108

Thời gian kết thúc đông kết TCVN: 6017-1995 phút 312

6

Giới hạn bền nén tuổi 3 ngày TCVN: 6016-1995 N/mm2 35,8

Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày TCVN: 6016-1995 N/mm2 47,5

Nh ận xét: Xi măng PC40 Hoàng Thạch đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009

2.3.2 Tro bay

Sử dụng phụ gia khoáng là tro bay Phả Lại Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của tro bay đạt yêu cầu theo TCVN 1032:2014

Bảng 2.4 Tính chất kỹ thuật của tro bay Phả Lại

K ết quả thí nghi ệm