Bê tông khối lớn – các phương pháp nhằm phòng chống vết nứt trong thi công

190

Xem toàn bộ bài viết tại đây

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.

3. Đưa nhiệt trong khối bê tông ra ngoài

Phương pháp đưa nhiệt từ trong lòng khối bê tông ra ngoài bằng cách sử dụng hệ thống ống nước tản nhiệt (cooling pipe system) được áp dụng phổ biến trong thi công các công trình bê tông khối lớn. Phương pháp này được thực hiện bằng cách đưa các ống nước đặt trong khối bê tông khi đổ, bao phủ khối bê tông hoặc được đặt trong các khe hở được tạo ra sau khi đổ bê tông.

Hệ thống ống nước tản nhiệt này sẽ giúp điều chỉnh nhiệt độ của khối bê tông, ngăn chặn sự gia tăng nhiệt độ quá nhanh và gây ra nứt trong quá trình đóng rắn của bê tông. Bằng cách cấp nước lạnh vào các ống nước, hệ thống sẽ giải nhiệt và giữ nhiệt độ bê tông ở mức an toàn, tránh sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn giữa bề mặt và phần trong khối bê tông. Hệ thống này cần được theo dõi và vận hành đúng cách để đảm bảo hiệu quả hoạt động và sự ổn định của khối bê tông.

Hình 5: Thiết kế giàn ống tản nhiệt

Quy trình thiết kế lắp đặt và vận hành hệ ống tản nhiệt gồm các bước:

Thiết kế và lắp đặt hệ thống ống tản nhiệt: Các ống làm mát được đặt trong lòng kết cấu trước khi đổ bê tông. Thiết kế của hệ thống sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước và hình dạng kết cấu, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ của nguồn nước cấp. Tính toán về phạm vi không gian thoát nhiệt và khả năng trao đổi nhiệt của giàn ống. Có thể sử dụng ống thép đường kính (25-30mm), với chiều dày thành 1.5mm, kích thước chiều dài, số giàn (số tầng giàn) được xác định dựa trên cơ sở kích thước khối bê tông cần thoát.

Tuần hoàn nước làm mát: Sau khi đổ bê tông, nước được tuần hoàn qua các đường ống làm mát để điều hòa nhiệt độ của bê tông. Nước có thể được làm mát bằng hệ thống làm mát hoặc bằng cách sử dụng nước lạnh từ nguồn bên ngoài. Giàn nước thoát nhiệt được duy trì hoạt động liên tuc trong thời gian từ 7-10 ngày tùy theo mức yêu cầu thoát nhiệt và hiệu quả thoát nhiệt của dàn ống.

Theo dõi nhiệt độ: Nhiệt độ của bê tông được theo dõi liên tục trong suốt quá trình bảo dưỡng. Dữ liệu được thu thập và phân tích để điều chỉnh tốc độ và nhiệt độ dòng nước làm mát, nhằm đạt được sự chênh lệnh nhiệt độ đầu vào và đầu ra theo tính toán.

Xử lý giàn ống thoát nhiệt sau khi ngừng hoạt động: Khi bê tông đã được bảo dưỡng đầy đủ, các ống tản nhiệt sẽ được bơm rửa sạch trong lòng ống sau đó bơm vữa (cường độ vữa không thấp hơn cường độ bê tông của kết cấu) lấp đầy các ống.

Hình 6: Thi công lắp đặt ống tản nhiệt

Hệ thống ống làm mát cho bê tông khối lớn là một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh nhiệt độ của bê tông trong quá trình bảo dưỡng, có thể ngăn ngừa nứt và đảm bảo chất lượng của kết cấu. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải lập kế hoạch và giám sát cẩn thận để đảm bảo đạt được gradient nhiệt độ và bê tông được bảo dưỡng chính xác. Phương pháp này có thể kết hợp với các giải pháp sử dụng bê tông xi măng (hoặc phụ gia) tỏa nhiệt thấp và giải pháp bọc vật liệu cách nhiệt sau khi đổ bê tông như đã nói ở trên.

4. Chia nhỏ khối đổ để thi công

Chia khối bê tông thành các khối nhỏ hơn nhằm giảm nhiệt độ thủy hóa và kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ. Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi khối bê tông có thể tích lớn, không thể được đổ và hoàn thành trong một thời gian ngắn, như trường hợp thường xảy ra với các dự án cơ sở hạ tầng quy mô lớn hoặc các khối đế móng của nhà cao tầng kích thước lớn.

Việc chia nhỏ khối đổ có thể chia sao cho kích thước một cạnh hoặc chiều cao nhỏ hơn 2m nhằm quy chuyển từ kết cấu bê tông khối lớn thành kết cấu bê tông thông thường. Đầu tiên cần xem xét khả năng chỉ chia khối đổ theo chiều cao, sao cho một đợt đổ không quá 1,5m và có thể đổ hết độ cao của đợt trong thời gian không quá 2 ngày đêm. Trường hợp diện tích bề mặt khối đổ quá lớn, không thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian nêu trên nếu chỉ chia khối bê tông theo chiều cao, thì cần phải chia khối đổ cả theo mặt bằng [1].

Tuy nhiên, đối với những kết cấu lớn phức tạp, trong quá trình thiết kế tính toán liên quan đến việc tính cốt thép phòng chống nứt đòi hỏi kích thước sau khi chia lớn thì chúng ta có thể áp dụng kết hợp phương pháp này với 2 phương pháp đã nói ở trên.

Hình 7: Phân chia khối đổ thành 2 đợt kết hợp với phương pháp giàn ống tản nhiệt. Đợt 1 chiều cao từ 5,0-5,4m; đợt 2 chiều cao từ 3-4m [4].

Bằng cách chia khối bê tông thành các khối nhỏ hơn, nhiệt sinh ra trong quá trình thủy hóa có thể được phân tán thoát ra nhanh nhất, làm giảm sự gia tăng nhiệt độ trong bê tông. Điều này có thể giúp ngăn ngừa nứt do nhiệt và đảm bảo rằng bê tông đáp ứng các thông số kỹ thuật về cường độ và độ bền cần thiết.
Trong thực tế, kích thước và số lượng khối sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của cấu trúc, điều kiện xung quanh và đặc tính của hỗn hợp bê tông. Các khối nên được thiết kế để đảm bảo rằng bê tông có thể được đổ và hoàn thiện một cách hiệu quả.

5. Đổ bê tông liên tục với các lớp đổ có cấp phối và tỏa nhiệt khác nhau áp dụng cho đài móng

Phương pháp này liên quan đến việc đổ bê tông theo từng lớp, với mỗi lớp có sự phân bố nhiệt khác nhau bằng cách sử dụng các cấp phối bê tông tỏa nhiệt khác nhau cho các lớp của khối đổ. Với nguyên tắc lớp bê tông phía trên tỏa nhiệt ninh kết bình thường, còn lớp bên dưới bê tông tỏa nhiệt thấp ninh kết chậm. Kết hợp với các biện pháp bảo dưỡng và kiểm soát nhiệt độ bê tông.

Hình 8: Phân chia lớp đổ bê tông tỏa nhiệt khác nhau

Khuyến nghị cho việc sử dụng phần mềm mô hình hóa nhiệt để dự đoán mức tăng nhiệt độ và chênh lệch nhiệt trong kết cấu bê tông khối lớn. Nhiệt độ của mỗi lớp sau khi đổ bê tông cũng được theo dõi và kiểm soát cẩn thận để tránh bị nứt do ứng suất nhiệt. Nên sử dụng kế hoạch kiểm soát nhiệt, bao gồm theo dõi nhiệt độ của bê tông ở các giai đoạn thi công khác nhau, để đảm bảo rằng nhiệt độ của bê tông không vượt quá giới hạn tối đa cho phép.

Hình 9: Kiểm chứng kết quả thực nghiệm và mô hình phân tích

Mô hình phân tích với các phương án vật liệu cấp phối bê tông tỏa nhiệt khác nhau và vị trí phân chia các lớp đổ có cấp phối khác nhau. Đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, nhiệt độ bảo dưỡng, thời gian bảo dưỡng. Nhằm mục đích xác định nguyên tắc về cấp phối các lớp bê tông, xác định số lượng lớp đố với chiều cao mỗi lớp đổ, khuyến cáo nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, kiểm tra trường nhiệt độ, ứng suất và chỉ số nứt của bê tông, khuyến cáo nhiệt độ bảo dưỡng và thời gian bảo dưỡng theo TS. Hồ Ngọc Khoa [4].

Quy trình thi công đổ bê tông liên tục với các lớp đổ có cấp phối tỏa nhiệt khác nhau

Hình 10: Quy trình thi công

Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho các kết cấu bê tông lớn, nơi khối lượng bê tông đáng kể và thời gian cần thiết để hoàn thành kết cấu lâu. Bằng cách sử dụng phương pháp này, nhiệt độ của bê tông có thể được kiểm soát cẩn thận, giúp ngăn ngừa nứt và đảm bảo độ bền lâu dài của kết cấu.
Nhìn chung, đây là 1 phương pháp mới trong thi công khối lớn, có thể áp dụng hiệu quả cho các đài móng khối lớn đặc biệt là khối siêu lớn đòi hỏi thời gian dài để hoàn thành khối đổ. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi các đơn vị thi công phải có kiến thức sâu rộng về công nghệ bê tông, vật liệu xây dựng và kỹ năng mô phỏng mô hình nhằm phân tích diễn biến nhiệt độ. Bằng cách thực hiện phương pháp này kết hợp với các kỹ thuật và thực tiễn tốt nhất khác, thì các đơn vị thi công có thể đảm bảo tuổi thọ và độ ổn định cho kết cấu bê tông.

6. Kết luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 305:2004 ”bê tông khối lớn – quy phạm thi công và nghiệm thu”
2. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4453:1995 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối – quy phạm thi công và nghiệm thu.
3. ACI 301 “Specifications for Concrete Construction”
4. Tạp chí xây dựng, “Webinar: Giải pháp giảm thiểu nứt do nhiệt của bê tông khối lớn – Những nguyên tắc chung và ví dụ thực tiễn”
5. Các nguồn tham khảo khác: #OpenAI, #ChatGPT

Nguyễn Văn Nội, “Bê tông khối lớn – các phương pháp nhằm phòng chống vết nứt trong thi công”, 02/2023.