Tuyển 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 GIỚI THIỆU CHUNG Tổng cục ĐBVN cho biết toàn hệ thống quốc lộ 738 cầu yếu Đó cầu có khả chịu tải thấp so với đường, khổ cầu nhỏ khổ đường, cầu xây dựng từ lâu đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng kết cấu công trình có nguy sụp đổ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ phải có công nhân gác cầu để điều tiết phương tiện giao thông Vì việc đầu tư sủa chữa để nâng cao khả chịu tải cho cầu yếu quốc lộ cần thiết Do phát triển kinh tế đất nước, đa phần cầu phải gánh lượng vận tải lớn, nhiều vượt tải trọng cho phép Mặt khác, công trình cầu cũ nước ta chịu ảnh hưởng môi trường, chiến tranh công tác tu bảo dưỡng không thường xuyên Chính nên có nhiều cầu cũ tình trạng hư hỏng xuống cấp nghiêm trọng Để tiếp tục tận dụng, khai thác phát huy khả làm việc công trình cần phải đánh giá, phân loại trạng nguyên nhân gây hư hỏng, từ nghiên cứu giải pháp xử lý [1] Vì việc đưa công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng cầu BTCT vừa đảm bảo điều kiện kỹ thuật điều kiện kinh tế công việc có ý nghĩa cho ngành giao thông vận giải toán cấp thiết xã hội MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA CẦU BTCT YẾU Một số nguyên nhân gây hư hỏng, xuống cấp cầu: - Quá trình phá hủy vật liệu tác động môi trường, bão, lũ… - Khảo sát thiết kế có sai sót - Sai sót trình thi công - Trong trình sử dụng, thiếu tu sửa chữa, khai thác tải 2.1 Các hư hỏng trình phá hủy vật liệu tác động môi trường 2.1.1 Sự phá hủy lý hóa bê tông Dạng hư hỏng xảy tác động bên thành phần thân bê tông Phản ứng hóa học phổ biến xảy tác dụng ngậm nước thẩm thấu nước Hiện tượng kéo theo xuất sùi mặt thành mụn vỡ mủn Các phá hủy thường số tác động sau: - Sự hư hỏng tác dụng cacbonat hóa bê tông - Sự hư hỏng nguyên nhân kiềm hóa - Sự hư hỏng nguyên nhân tác dụng clorua sunfat - Sự xuống cấp bê tông có nguồn gốc sinh học 2.1.2 Sự hư hỏng tượng ăn mòn cốt thép bê tông: Kết cấu bê tông cốt thép bị phá hủy chủ yếu ăn mòn cốt thép Việc ăn mòn cốt thép dẫn đến nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ phá hủy kết cấu Điều kiện cần để cốt thép bắt đầu gỉ độ pH < 11 hàm lượng ion Cl- tự vượt ngưỡng 0,2- 0,4% xi măng Các nguyên nhân gây ăn mòn thép bê tông sau: - Ăn mòn điện hóa: Quá trình gồm hai phần: Hòa tan anốt kim loại phản ứng catôt - Gỉ cốt thép bê tông vùng bị nứt: Khi mà bê tông có độ rỗng, không đủ chặt, bề dày lớp bảo vệ không đủ ngăn cản thấm nhập ôxy lên bề mặt cốt thép vùng vết nứt Lúc đó, anốt bề mặt thép có lớp thụ động bị gỉ vết nứt catốt bề mặt thép nằm bê tông - Gỉ cốt thép bê tông có mặt ion Cl-: Sự có mặt Cl– làm cho bê tông dẫn điện tốt hơn, tăng tốc độ gỉ cốt thép nằm vùng bê tông bị cacbonat hóa 2.1.3 Sự hư hỏng nứt co ngót bê tông: Co ngót tượng thể tích thay đổi độ ẩm, tỷ lệ N/X cao, chênh lệch mức co ngót mặt bên tiết diện nhiều 2.2 Những hư hỏng trình khảo sát, thiết kế có sai sót Những sai lầm khảo sát, thiết kế kéo theo hư hỏng biểu theo dạng: - Tính toán sai tính chưa đủ - Chọn giải pháp kết cấu không tốt, không tôn trọng nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình 155 Kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy lợi 2.2.1 Những hư hỏng tính toán kết cấu Việc lựa chọn sơ đồ tính toán kết cấu không không xác, chưa lường hết yếu tố tác động xảy trình thi công trình khai thác công trình Một vài sai sót thường gặp là: - Tính toán mặt cầu không đạt - Tính toán lực căng cáp dự ứng lực không xác - Tính toán sai sót phân phối lại nội lực tác dụng biến dạng khác 2.2.2 Những hư hỏng xảy lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt Khi thiết kế công trình, vấn đề phải tính toán đủ khả chịu lực theo yêu cầu thiết kế, cần thiết phải có lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý, không dẫn đến hư hỏng mà nguyên nhân hoàn toàn vấn đề lựa chọn cấu tạo 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 chất phụ gia, pha trộn không nhiệt độ quy định Những sai sót làm ảnh hưởng tới cường độ chịu lực vật liệu, gây rỗ bề mặt tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ cacbônat hóa bê tông 2.3.2 Cốt thép bê tông: Không tuân thủ chiều dày lớp bảo vệ, thép đặt không đảm bảo nên đổ bê tông bị di chuyển Các sai sót ảnh hưởng tới khả chịu lực kết cấu nguyên nhân gây gỉ cốt thép 2.3.3 Bố trí cốt thép ván khuôn thi công căng kéo: Trong trình thi công có xảy sai lệch mặt hình học, kể đến lún cục ván khuôn, độ vồng ngược dầm không thích hợp, mối nối không đảm bảo, sai lệch có liên quan đến chất lượng không đồng bê tông, chất tải kéo căng cốt thép không đối xứng Các thiếu sót làm biến dạng thực tế kết cấu khác xa so với tính toán 2.3.4 Những sai sót trình thi công: Đặt cốt thép không quy cách, sai số vị trí lớn, kê chèn không đủ cho chiều dày lớp bảo vệ theo dự định, không hàn mối nối cốt thép, thiếu cốt thép chờ mối nối bê tông Tháo ván khuôn sớm dẫn đến biến dạng lớn, chí gây nứt Những sai sót ảnh hưởng lớn đến khả chịu lực kết cấu, gây nứt bê tông gỉ cốt thép 2.4 Những hư hỏng trình khai thác sử dụng Trong trình sử dụng, hư hỏng xảy thường thay đổi điều kiện sử dụng, điều kiện môi trường, thiếu tu bảo dưỡng thường xuyên Những hư hỏng trình sử dụng phổ biến hư hỏng nứt Các vết nứt cấu kiện chịu tải, lún không công trình, mỏi 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, nguyên hư hỏng công trình cầu BTCT dựa kết khảo sát đánh giá nguyên nhân hư hỏng cầu BTCT Thường bệnh công trình cầu BTCT thuộc hai lĩnh vực là: Vật liệu kết cấu Trên sở việc sửa chữa cầu BTCT nhằm khắc phục bệnh vật liệu kết cấu 3.1 Nguyên tắc xử lý hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép 3.1.1 Đối với vết nứt bê tông: Chỉ xử lý vết nứt coi nguy hiểm ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ khả chịu lực kết cấu Trước tiến hành sửa chữa cần phải xem xét đặc trưng sau: Độ mở rộng vết nứt; Độ sâu vết nứt; Tình trạng vết nứt; Tuổi vết nứt; Trạng thái học vùng gần vết nứt; Hiện tượng nứt có tính chất hệ thống hay đơn lẻ; Các khả để tiếp cận vết nứt phục vụ cho công việc xử lý, sửa chữa 3.1.2 Xử lý vết nứt: Nếu vết nứt lớn, tẩy rửa làm sạch, làm khô tạo lớp tăng dính kết với bê tông cũ Sau dùng vữa Vmat Motar R để trám, vá vào vết nứt Trường hợp vết nứt nhỏ nằm sâu khối bê tông bơm keo epôxy 3.1.3 Đối với hư hỏng bong vỡ bê tông: Đục bỏ hết phần bê tông bị hư hại lớp bê tông có cường độ cao Làm vệ sinh bề mặt, tạo nhám cạo gỉ cốt thép máy cốt thép bị gỉ nhẹ Khi cốt thép bị gỉ nặng, tiết diện giảm yếu 20% cần phải hàn bù cốt thép bổ xung tiết diện 3.1.4 Đối với dầm, sau trám vá xong, mài nhẵn tiến hành dán sợi thủy tinh sợi cacbon để gia cường 3.1.5 Đối với kết cấu mặt cầu bị hư hỏng nặng gia cố thay bê tông tự lèn áp dụng cho sửa cầu Bà Ngàn-Qảng Ngải, Cầu Đồng Bái-Quốc lộ 6, 3.2 Một vài biện pháp sửa chữa Bộ môn Vật liệu xây dựng, Trường ĐH Thủy lợi nghiên cứu áp dụng thành công Sửa chữa tăng cường cầu bị suy giảm khả chịu lực cần thiết để đảm bảo khai thác cầu an toàn Với loại hình kết cấu dầm cầu BTCT nhịp giản đơn có biện pháp tăng cường cầu thường hay áp dụng là: 156 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 ISBN: 978-604-82-1388-6 - Sửa chữa tăng cường cầu dán gia cường sợi thủy tinh, sợi bon dán thép - Sửa chữa tăng cường cầu dự ứng lực Trong năm gần biện pháp sửa chữa tăng cường cầu dán sợi thủy, sợi bon áp dụng phổ biến kĩ thuật đơn giản, chi phí thấp Biện pháp tăng cường cầu tự ứng lực thường áp dụng với yêu cầu tăng cường tải trọng khai thác cầu Cũng áp dụng đồng thời hai biện pháp sửa chữa tăng cường cầu BTCT 3.2.1 Sử dụng vật liệu vữa sửa chữa polyme Vmat Motar R Bộ môn Vật liệu xây dựng nghiên cứu chế tạo để trám vá chỗ bê tông vỡ, tróc mảng…Các polymer, đặc biệt nhựa epôxy có độ dính bám liên kết cao với bê tông cũ, có cường độ kéo cao, uốn cao không co ngót đóng rắn 3.2.2 Sử dụng vữa tự chảy chống co ngót, có khả chống ăn mòn bào mòn cao Vmat Grout M60 để sửa chữa khe có dãn; Có thể pha trộn đá x 10 mm theo tỷ lệ Vữa : Đá = 80:20 ; 70:30 ; 60:40 50:50 tùy thuộc vào kích thước khe co dãn tùy thuộc vào thời gian thông xe[2] Nếu muốn thông xe nhanh vòng 24h đến 30h nên pha trộn theo tỷ lệ Vữa : Đá = 80:20 ; 70:30 Tính đến vật liệu vữa sửa chữa Vmat Motar R, vữa Vmat Grout số vật liệu khác môn Vật liệu xây dựng nghiên cứu chế tạo cung cấp sửa chữa cho hàng trăm cầu yếu toàn quốc, ưu điểm trộc vữa Vmat Grout thông xe nhanh, sau 6h, 12h dự án sửa cầu Kỳ LãmTuyên Quang ; Cầu Bản Phủ-Điện Biên Về kỹ thuật vượt trội kinh tế sản phẩm Vmat có giá cạnh tranh so với sản phẩm khác nên chủ đầu tư nhà thầu thiện trí sử dụng 3.2.3 Gia cường kết cấu cầu vật liệu Tyfo: Kết thí nghiệm kết tính toán lý thuyết cho thấy rằng, việc sử dụng lớp sợi thuỷ tinh khu vực chịu kéo dầm, bê tông cốt thép cho phép tăng sức kháng tăng độ cứng lên đáng kể Vật liệu TYFO® Fiberwrap® System tập đoàn Fyfe Co LCC lựa chọn tốt cho việc gia cường, bảo vệ kết cấu bê tông, thép gỗ, đặc biệt công trình có bề mặt ẩm ướt cống ngầm, tunnel, trạm bơm, trụ cầu…Nó có khả làm tăng khả chịu lực, tăng độ cứng đáng kể cho kết cấu gia cường Ưu điểm vượt trội vật liệu có khả bám dính môi trường có độ ẩm cao, nước nhiệt độ cao, thi công dễ dàng, kể vị trí chật hẹp, chí công trình sửa chữa ngừng hoạt động không làm tăng kích thước nguyên thuỷ kết cấu Do việc thi công không đòi hỏi khắt khe độ ẩm, keo epoxy linh động, thi công thủ công đơn giản….nên dễ dàng đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định việc thi công giám sát cho quy trình nhà sản xuất quy định Tính đến sử dụng công nghệ gia cường vật liệu Tyfo sửa chữa 50 cầu yếu quốc lộ từ Bắc vào Nam, có cầu sửa đến năm vào hoạt động chất lượng đảm bảo KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bài báo đưa tranh cầu yếu Việt Nam, nguyên nhân gây hư hỏng, xuống cấp cầu Từ đưa các công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng cầu bê tông cốt thép Đặc biệt trình bày số vật liệu tiên tiến sản xuất nước Bộ môn Vật liệu xây dựng nghiên cứu sản xuất có chất lượng vượt trội giá lại cạnh tranh, báo đưa công nghệ sửa chữa gia cường kết cấu bê tông vật liệu tyfo Đề nghị không ngành giao thông mà ngành Thủy lợi, xây dựng dân dụng công nghiệp nên nghiên cứu để ứng dụng vật liệu tiên tiến cho sửa chữa cầu giao thông nông thôn 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 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 157