Bê tông khối lớn – các phương pháp nhằm phòng chống vết nứt trong thi công - Phần 1
1. Bê tông khối lớn và các yếu tố gây nứt trong bê tông
Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ lớn để tạo ra ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của bê tông, gây ra vết nứt do hiệu ứng nhiệt thủy hóa của xi măng. Điều này đặc biệt quan trọng khi đối với các công trình lớn, như các công trình dân dụng, công nghiệp, thủy điện, cầu đường, bến tàu…
Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam kích thước có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Bê tông khối lớn bị nứt do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa xi măng khi có đủ 2 yếu tố sau đây [1]:
1) Độ chênh nhiệt độ DT giữa các điểm hoặc các vùng trong khối bê tông vượt quá 20 độ C: DT > 20 độ C.
2) Môđun độ chênh nhiệt độ MT (mức chênh nhiệt độ giữa hai điểm trong khối bê tông cách nhau 1m) giữa các điểm trong khối bê tông đạt không dưới 50 độ C/m: MT ≥ 50 độ C/m.
Còn theo American Concrete Institute ACI 301, nhiệt độ tối đa của bê tông khối lớn sau khi đổ không được vượt quá 160 độ F (70 độ C) và chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt của vị trí không được vượt quá 35 độ F (19 độ C) [3].
Do đó, trong quá trình thi công cần đặt hệ thống các điểm đo trong khối bê tông để theo dõi diễn biến nhiệt độ bê tông trong quá trình bê tông liên kết. Đặt các điểm đo tại tâm khối đổ, tại sát cạnh ngoài và tại điểm cách mặt ngoài bê tông khoảng 40-50cm. Bên cạnh đó, để đảm bảo cho khối bê tông không bị nứt thì cần phải có biện pháp kỹ thuật để loại trừ một trong hai yếu tố trên như: Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thủy hóa của xi măng trong bê tông, biện pháp hạn chế độ chênh lệch nhiệt độ DT.
Dưới đây là 1 số phương pháp thường được ứng dụng trong quá trình thi công bê tông khối lớn đặt biệt là các kết cấu có thể tích lớn. Các phương pháp này có thể áp dụng nhiều giải pháp kết hợp khác nhau tùy vào điều kiện thực tế thi công và đặc điểm của kết cấu như sử dụng như thiết kế cấp phối tối ưu (sử dụng xi măng tỏa nhiệt thấp, phụ gia … nhằm hạn chế tốc độ phát nhiệt thủy hóa của xi măng), giảm nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, bảo dưỡng bê tông, mô phỏng tính toán tăng cường cốt thép hoặc băng sợi thủy tinh để phân tán vết nứt…
2. Phương pháp hạ nhiệt độ bê tông (bê tông lạnh) trước khi đổ
Trong phương pháp này vật liệu đầu vào (cốt liệu, nước…) ban đầu sẽ được làm lạnh nhằm hạ nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ, kết hợp với sử dụng cấp phối bê tông có thời gian ninh kết chậm và bảo dưỡng bê tông sau khi đổ.
Đối với cốt liệu (đá dăm, cát, sỏi…), nước phải được che chắn bảo quản trong bãi kho chứa nhằm tránh tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời làm nóng vật liệu. Sau đó trước khi đưa vào máy trộn cần làm lạnh cốt liệu bằng các biện pháp như phun nước lạnh lên đá, sỏi…, sử dụng dòng nước lạnh từ máy làm lạnh chạy qua các hộc chứa cát để hạ thấp nhiệt độ cát. Nguồn nước dùng để trộn bê tông thì có thể sử dụng nước đá, làm lạnh nước bằng nitrogen lỏng hoặc hệ thống làm lạnh chiller.
Hình 1: Sử dụng nước đá trong bê tông lạnh
Nhiệu độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ nên khống chế ở mức không cao hơn 250C (theo TCXDVN 304-2004). Do đó, để đảm bảo nhiệt độ hỗn hợp bê tông thì cần tính toán để điều chỉnh nhiệt độ làm lạnh cốt liệu, nước phù hợp. Đồng thời phải lưu ý đến điều kiện nhiệt độ môi trường, thời gian vận chuyển, che đậy bao phủ hỗn bê tông… nhằm hạn chế thất thoát nhiệt. Đổ bê tông vào ban đêm sẽ là lựa chọn tốt khi sử dụng phương pháp bê tông lạnh và hạn chế đổ khi thời tiết nắng nóng, hạn chế đổ vào mùa hè (nếu có thể).
Hình 2: Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ
Bên cạnh đó, để định lương nguy cơ nứt bê tông có thể sử dụng các công thức thực nghiêm hoặc mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tính toán sự gia tăng nhiệt độ trong khối đổ, tính toán chỉ số kháng nứt và khả năng nứt của khối đổ.
Sau khi đổ bê tông khối lớn xong thì cần có biện pháp bảo dưỡng, che phủ và bao bọc bằng vật liệu cách nhiệt để giữ cho nhiệt thủy hóa của xi măng không thoát ra ngoài, mà tích tụ trong khối bê tông và cân bằng nhiệt giữa vùng tâm với vùng xung quanh khối đổ. Kết hợp ghi chép theo dõi diễn biến thay đổi nhiệt của khối đổ với thời gian không ít hơn 7 ngày tuổi của bê tông nhằm đưa ra các dự báo, phương án xử lý kịp thời (nếu có).
Hình 3: Biểu đồ theo dõi diễn biến nhiệt độ khối đổ bê tông
Hình 4: Đo nhiệt độ giữa các điểm trong khối đổ
Bọc vật liệu cách nhiệt sau khi đổ bê tông khối lớn:
Sau khi hoàn thiện bề mặt bê tông đến cao độ thiết kế, cần nhanh chóng tiến hành bao phủ bọc vật liệu cách nhiệt lên trên bề mặt bằng 3 lớp: Lớp nilong phủ bề mặt bê tông, lớp xốp (polystyrene) chiều dày 5-10cm và cuối cùng là lớp nilong phủ lên trên nhằm tránh mưa (nếu có). Đối với khối đổ có diện tích bề mặt lớn thì khi hoàn thiện bề mặt đến đâu thì phủ lớp cách nhiệt đến đó. Lưu ý, thành xung quanh khối đổ phải được bọc tấm vật liệu cách nhiệt trước khi tiến hành thi công đổ hỗn hợp bê tông.
Thời gian ủ nhiệt bằng vật liệu cách nhiệt từ 5-7 ngày tùy vào điều kiện thời tiết và diễn biến nhiệt độ của khối đổ. Trong thời gian ủ nhiệt, tránh để nước mưa tiếp xúc trực tiếp với bề mặt bê tông của khối đổ. Quy trình bảo dưỡng cần tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 305-2004 và TCVN 4453-1995 [1] [2].
Sử dụng bê tông lạnh (hạ nhiệt độ bê tông) là một phương pháp hiệu quả cao để kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ trong bê tông khối lớn, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ của hỗn hợp bê tông. Tuy nhiên, nó có thể yêu cầu các thiết bị và nguồn lực cung cấp, chẳng hạn như hệ thống làm lạnh, điều này có thể làm tăng chi phí của dự án xây dựng.