NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BÊTÔNG PHUN CỐT SỢI THÉP LÀM KẾT CẤU CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM THI CÔNG THEO PHƢƠNG PHÁP ĐÀO HẦM MỚI CỦA ÁO - NATM ThS Bùi Văn Đức, ThS Phạm Ngọc Anh PGS TS Đào Văn Canh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt Trong trình thi công Công trình ngầm theo phương pháp NATM (phương pháp đào hầm Áo Rabcewiez trình bày năm 1963) bêtông phun kết cấu bảo vệ xem cốt lõi phương pháp Phương pháp NATM sử dụng bêtông phun làm kết cấu chống sơ (tạm) hay kết cấu bảo vệ nhanh, kịp thời cho Công trình ngầm Do đó, phận nhà khoa học thi công thực tế Châu Âu quan niệm phương pháp bêtông phun Thành phần cấp phối bêtông phun truyền thống thường bao gồm vật liệu bê tông xi măng số phụ gia khác nhằm tăng cường tính linh hoạt hay độ linh động bêtông phun Tuy nhiên, đặc tính bêtông xi măng thông thường vật liệu dòn, có cường độ chịu kéo khả biến dạng thấp, bên cạnh đó, mức độ ổn định khối đá hay công trình ngầm phụ thuộc trực tiếp vào đặc điểm cấu trúc (sự hình thành khối nêm), tác động học thường xuyên xuất trình thi công Công trình ngầm [1], nên kết cấu chống phải có khả chịu lực cao hơn, đa dạng linh hoạt Do đó, việc sử dụng thêm thành phần cốt vật liệu bê tông xi măng nhằm tăng khả chịu ứng suất kéo, cải thiện độ bền chống nứt bêtông phun cần thiết thiết Cơ chế ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm Quá trình xây dựng công trình ngầm khối đá phá vỡ trạng thái cân tự nhiên khối đá, hình thành trạng thái ứng suất (trạng thái ứng suất thứ sinh) thõa mãn điều kiện cân mới, hình thành trạng thái cân dẫn đến biến đổi học khối đá dạng trình biến dạng, dịch chuyển phá hủy Các trình gọi trình học, trạng thái ứng suất thứ sinh với trình học dấu hiệu trạng thái học khối đá; trạng thái không biến đổi biến đổi theo thời gian nguyên nhân gây nên ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm Sự ổn định khối đá xung quanh công trình ngầm xuất hai dạng bản, ổn định cấu trúc ổn định biến đổi học [1] - Mất ổn định cấu trúc: trình thường xuất nhiều dạng khác mà nguyên nhân chủ yếu hình thành khối nêm (khối nứt giao cắt với biên công trình ngầm), chế ổn định tróc, tách khối nứt, rơi, lở trượt khối nêm vào khu vực tách bóc đất đá khỏi khối nguyên Hiện tượng ổn định bị chi phối mạnh mẽ yếu tố sau: + Mức độ nứt nẻ khối đá; + Tỷ lệ kích thước khối nứt với kích thước công trình ngầm; + Vị trí định hướng tương đối hệ khe nứt với với chu tuyến khoảng trống ngầm; + Mức độ chèn chặt khối nứt với tác dụng trạng thái ứng suất; + Công nghệ thi công; + Thành phần vật chất trạng thái chất lấp nhét - Mất ổn định biến đổi học: Nguyên nhân ổn định tác động học vượt khả mang tải khối đá, dạng ổn định liên quan đến trình biến đổi học bao gồm: phá vỡ hay phá hủy tách, phá hủy cắt, phá hủy dạng sập lở Khi trạng thái ứng suất nguyên sinh không đẳng hướng, hệ số áp lực ngang k5 bar nên bêtông phun xâm nhập vào khe nứt, kẻ hở tạo nên hiệu ứng nêm, chốt tạo lớp vỏ chịu tải liên kết chặt chẽ với khối đá nhờ khả liên kết toàn diện tạo thành tổ hợp làm việc khối đá – vỏ bêtông phun Ưu điểm bêtông phun tính biến dạng đàn hồi dẻo, đặc biệt trạng thái vữa; bên cạnh đó, xuất biến dạng dịch chuyển khối đá xung quanh công trình ngầm làm kết cấu bêtông phun dễ bị nứt nẻ đặc biệt vật liệu hóa cứng, xuất vết nứt sở quan trọng để nhận biết dịch chuyển sớm khối đá xung quanh công trình ngầm Ngoài đặc điểm trên, ngày bêtông phun đã, kết cấu chủ đạo thi công công trình ngầm nhờ đặc điểm sau: - Công tác phủ làm chặt thực đồng thời công đoạn; - Tạo lớp bêtông liên kết chặt chẽ với khối đá phía công trình ngầm mà không cần tới cốp pha; - Có khả liên kết liên tục với khối đá; - Có thể tạo chiều dày lớp linh hoạt khác chu trình; - Thi công với công trình ngầm có tiết diện ngang bất kỳ; - Có thể sử dụng phối hợp với kết cấu khác neo, lưới thép, khung thép Để thi công bêtông phun thường sử dụng nhóm phương pháp phun ướt phương pháp phun khô, sở phương pháp dựa vào hỗn hợp trộn khô hay trộn ướt trước đưa vào máy phun phương thức vận chuyển vật liệu phun Hình Sơ đồ khái quát phƣơng pháp phun Tuy nhiên, chất bêtông phun truyền thống loại vật liệu bêtông xi măng với thành phần cấp phối chủ yếu xi măng, nước, cốt liệu thô (cát, đá cỡ hạt nhỏ D=5-10mm), phụ gia khác có khả chịu kéo, khả biến dạng thấp vật liệu dòn; bên cạnh đó, nhằm tăng khả mang tải thực tế sử dụng thêm đến hai lớp cốt thép, giải pháp mang lại hiệu tích cực đến khả gia cố, bảo vệ chống giữ khối đá đặc biệt khối đá xuất khối nêm có kích thước lớn Mặc dù kết cấu bêtông phun + lưới thép tồn nhược điểm sau: - Quá trình lắp đặt lưới thép khó đảm bảo vị trí làm việc hiệu cốt thép kết cấu bêtông cốt thép, chí bề mặt biên công trình ngầm lồi lõm nên cốt thép bị đẩy sát trục trung hòa; - Cốt thép (lưới thép) dễ bị tác nhân xâm thực phá hoại trước phủ kín lớp bêtông phun, tác nhân xâm thực làm cốt thép bị gỉ, gây trương nở thể tích bêtông cốt thép nguyên nhân làm nứt lớp bêtông phun; - Quá trình gia công, lắp đặt lưới thép cắt, uốn cong, ghép, nối lưới thép khó khăn nhiều thời gian; - Các ô lưới thép thường có kích thước 10x10cm 15x15cm thường cứng nên khó khăn phải phun lấp đầy phạm vi có chiều dày đào vượt thiết kế - Về nguyên tắc lưới thép phải bố trí miền chịu kéo để đảm bảo hiệu làm việc cao nhất, vấn đề đồng nghĩa với khoảng cách từ biên công trình ngầm (bề mặt phun) đến lưới thép xa làm chất lượng bêtông phun bị ảnh hưởng “hiệu ứng chắn”, thành phần cốt liệu bị cản trở phân tách trước tới bề mặt khối đá lưới thép - Lưới thép thường khó giữ ổn định, tác động áp lực phun, lớp lưới thép bị rung động làm khả dính kết lớp bêtông phun với khối đá giảm đi, chí lớp bêtông phun bị bong tróc rơi xuống công trình ngầm Những tồn chắn làm ảnh hưởng đến tiến độ thi công hiệu kinh tế công trình ngầm Do đó, việc sử dụng thêm cốt sợi thành phần bêtông phun nhằm tăng khả chịu kéo, đẩy nhanh tiến độ thi công cần thiết Các kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ vật liệu bêtông xi măng tăng đáng kể so với hỗn hợp bêtông tương ứng (không có cốt sợi), trộn vào sợi ngắn, gián đoạn phân bố cách ngẫu nhiên theo kiểu ma trận [4] Hiện nay, có nhiều loại sợi sử dụng làm cốt vật liệu bêtông xi măng như: sợi thủy tinh, sợi amiăng, sợi tổng hợp sợi thiên nhiên Tính chất tác dụng loại sợi thay đổi đáng kể (bảng 1) Bên cạnh khả cải thiện tăng cường tính chất học bêtông xi măng, số loại cốt sợi tồn nhược điểm định làm ảnh hương đến tính chất khả áp dụng điều kiện thi công công trình ngầm, cụ thể như: - Sợi thủy tinh: có tính kháng kiềm thấp, không bền chịu tác dụng hóa học vữa xi măng portland; - Sợi amiăng: lấy từ sợi khoáng thiên nhiên, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật chúng chia thành hai nhóm: amphibole chrysolite; trình sản xuất sử dụng loại sợi có ảnh hưởng xấu định sức khỏe người - Sợi tổng hợp, sợi thiên nhiên: ví dụ sợi gỗ, sợi cây, sợi vỏ thường có cường độ Modul đàn hồi thấp Bảng Đặc tính điển hình số cốt sợi Đƣờng kính µm Trọng lƣợng riêng Modul đàn hồi Cƣờng độ chịu kéo GPa Độ dãn dài đứt (%) 9,0-15 2,60 70-80 2,0-4,0 2,0-3,5 Sợi Amiăng crocidolite 0,02-0,4 3,40 196 3,5 2,0-3,0 Sợi Amiăng chrysolite 0,02-0,4 2,60 164 3,1 2,0-3,0 Polypropylene 20,0-200 0,9 5,0-77 0,5-0,75 8,0 - 0,95 0,3 0,7x10-3 10,0 Aramid 10,0 1,45 65-133 3,6 2,1-4,0 Carbon (cường độ cao) 9,0 1,90 230 2,6 1,0 Nylon - 1,10 4,0 0,9 13,0-15,0 Cellulose - 1,20 10,0 0,3-0,5 - Acrylic 18,0 1,18 14-19,5 0,4-1,0 3,0 Sợi gỗ - 1,5 71 0,9 - Sợi Thủy tinh Polyethylene Do đó, nhờ ưu điểm trội khả chịu lực cao đặc biệt khả chịu kéo, giá thành tương đổi rẻ, nguồn vật liệu dồi dào, công nghệ trình tổ chức thi công không phức tạp (giống bêtông phun truyền thống) mà sợi thép bêtông phun cốt sợi thành phần cốt sử dụng rộng rãi Bêtông phun cốt sợi thép Thành phần bêtông phun (và composit xi măng) sợi thép bao gồm xi măng, cốt liệu với sợi thép rời rạc, gián đoạn phân tán Thép dùng để làm sợi thép thường thép carbon, thép hợp kim chống gỉ (dùng cho kết cấu chịu lửa, chịu nước biển) Bảng Đặc tính điển hình cốt sợi thép Sợi Đƣờng kính µm Trọng lƣợng riêng Modul đàn hồi E Cƣờng độ chịu kéo GPa Độ dãn dài đứt (%) Thép 5,0-500 7,85 200 0,5-2,0 0,5-3,5 Sợi thép có dạng khác như: - Sợi tròn, thẳng, có móc sản xuất cách cắt chăt dây thép, đường kính từ 0,25÷1mm - Các sợi dẹt, thẳng sản xuất cách cắt thép làm dẹt sợi dây thép với chiều dày từ 0,15÷0,6mm, chiều rộng từ 0,25÷2,0mm - Các sợi lượn sóng sản xuất cách uốn lượn sóng toan chiều dài uốn cong hai đầu để tăng độ bám dính học Các sợi tập hợp thành bó cách nhúng vào dung dịch keo để dễ dàng vận chuyển trộn Trong trình trộn keo bị hòa tan bó sợi tách thành sợi riêng rẽ, với cốt sợi thép thường không áp dụng với phương pháp trộn khô sợi thép có nguy bật nảy khỏi thùng trộn cao (>50%) Lượng sợi thép trộn vào vật liệu composit xi măng vào khoảng từ 0,25%÷2% thể tích (từ 20kg/m3 – 157kg/m3) C-êng ®é Một thông số quan trọng lựa chọn sợi thép làm thành phần cốt cho bêtông phun tỷ lệ chiều dài đường kính l/d, tỷ lệ cao cường độ chịu kéo vật liệu tăng khó khăn cho trình trộn kiểm soát phân bố cốt sợi thép bêtông phun (hiện tượng tích tụ sợi thép) Hầu hết sợi thép sản xuất cho bêtông phun có chiều dài từ 20÷40mm tỷ lệ nên sử dụng hợp lý từ l/d=40÷80 L/D Hình Quan hệ cƣờng độ vật liệu tỷ số hình dạng L/D Bảng Đặc tính số loại sợi thép Thông số hình học Liều lượng, kg/m3 Khối lượng đóng gói, kg/bao 30-40 25 Chiều dài, l (mm) Đường kính, d mm Tỷ lệ l/d Độ bền kéo, MPa 30-35 0,650,67 45,54 >1100 Sợi tròn, có móc – Hooked End (HE) 35 0,550,75 47,64 >1100 25-50 25 Sợi lượn sóng 35 0,9 39 >1100 30-40 25 Chủng loại Sợi dẹt, thẳng – Flat End (FE) Ghi Thép bon Ghi chú: Riêng loại sợi thép HE, có nhiều quy cách khác đặt tên theo tỷ lệ chiều dài đường kính, ví dụ QRD 45/25; QRD 30/30; QRD 40/30; QRD 60/30 a Dạng dẹt, thẳng FE b Dạng tròn, có móc HE c Dạng lượn sóng Hình Một số dạng cốt sợi thép [5] Ƣu điểm bêtông phun cốt sợi thép: + So với cốt thép liên tục, sợi thép không xem có hiệu cao việc chịu ứng suất kéo; nhiên, sợi thép lại có hiệu cao việc chống nứt cải thiện độ bền bêtông hợp chất composit xi măng (bảng 4) Mặc dù khả chịu kéo cốt sợi hạn chế số trường hợp sử dụng sợi thép lại tốt so với cốt thép (lưới thép); đặc biệt chiều dày lớp bêtông phun mỏng dùng để gia cường hay khống chế vết nứt kích thước nhỏ mật độ lớn + Bê tông có khả tiếp tục chịu tải sau bị nứt (hình 5) + Dễ dàng xác định liều lượng dùng Hình Biến dạng (độ võng) bêtông phun truyền thống bêtông phun sợi thép + Tiết kiệm chi phí vật liệu, máy thi công so với phương pháp sử dụng lưới thép + Tổ chức thi công đơn giản; tốc độ thi công nhanh (hình 6) Hình So sánh thời gian thi công phƣơng pháp phun truyền thống phƣơng pháp phun sợi thép Bảng So sánh tính chất lý bêtông sợi thép với bêtông thƣờng Chỉ tiêu lý Bêtông thƣờng Bêtông sợi thép Cường độ chịu kéo giới hạn (2-5,5) MPa (5-26) MPa Cường độ kháng kéo giới hạn (21-35) MPa (35-56) MPa Cường độ kháng cắt 2,5 MPa 4,2 MPa Modul đàn hồi (2-3)x10 MPa (1,5-3,5)x104 MPa Cường độ mỏi 0,50-0,55 0,80-0,95 Lực kháng xung kích (va đập) 480 N.m 1380 N.m Từ bảng nhận thấy cường độ chịu kéo tăng lên từ 2-5 lần; cường độ kháng nén, kháng cắt tăng lên lần Riêng giá trị Modul đàn hồi nhỏ Modul đàn hồi bêtông thường chứng tỏ sợi thép góp phần làm tăng độ dẻo dai bêtông sợi thép Do đó, tính chất lý bêtông sợi thép tốt nhiều so với bêtông thường, đặc biệt cường độ mỏi nó, lực chống va đập chống nứt cao - Nhƣợc điểm: + Các cốt sợi dễ bị tích tụ, đặc biệt sử dụng sợi thép có tỷ lệ l/d cao + Không thể áp dụng với phương pháp trộn khô + Dung dịch keo dễ bị hòa tan tiếp xúc với nước ngầm độ ẩm không khí cao môi trường công trình ngầm, dẫn tới sợi bị tách trước đưa vào thùng trộn 4 Một số kết luận kiến nghị Với biến đổi không lường trước điều kiện địa kỹ thuật xây dựng công trình ngầm nên đòi hỏi kết cấu chống khả mang tải, độ bền cao phải có linh hoạt đa dạng mặt kết cấu, đặc biệt phương pháp đào hầm Áo NATM kết cấu phải có tương tác định với khối đá để tạo thành hệ kết cấu chống + khối đá Nhờ ưu điểm mà bêtông phun truyền thống với thành phần vật liệu bêtông xi măng, kết cấu chủ đạo công nghệ NATM, việc nghiên cứu nhằm nâng cao tính chất vật liệu cần thiết ý nghĩa Cốt sợi thép thành phần cung cấp độ dãn dài khối bêtông dòn, cải thiện đáng kể tính chất động lực bêtông đồng thời tăng tính chất học kết cấu bêtông cường độ dẻo dai, độ bền va đập, cường độ chịu uốn, cường độ mỏi uốn, khả chống mài mòn; có mặt sợi thép làm cho bêtông tiếp tục chịu tải sau nứt Bên cạnh đó, tính chất tính bêtông phun cốt sợi thép phụ thuộc vào: cường độ bêtông nền; liều lượng sợi thép; khả bám dính sợi thép bêtông Do đó, trình sử dụng cần phải ý số vấn đề sau đây: - Với chức gia cố, bêtông phun sợi thép sử dụng hiệu chiều dày lớp bêtông phun mỏng, mật độ vết nứt biên công trình ngầm lớn; - Quá trình thi công (trộn) phải đảm bảo hàm lượng sợi thép phân bố toàn khối bêtông, liều lượng trộn sợi thép phải phù hợp với chủng loại sợi sử dụng, tỷ lệ l/d không nên cao (tốt nằm khoảng từ 40-80); - Khi sử dụng cốt sợi thép không nên áp dụng phương pháp phun khô lượng hao hụt cốt sợi cao trình bật nảy bó sợi; - Kích cỡ cốt liệu lớn lớn hỗn hợp rẻ Tuy nhiên, bê tông phun sợi thép kích cỡ cốt liệu lớn hỗn hợp nói chung phụ thuộc vào chủng loại sợi thép sử dụng chiều dày lớp bê tông phun kiểm tra theo điều kiện sau: 122 xd th Dmax< qt Trong đó: Dmax – kích cỡ hạt cốt liệu lớn dth- đường kính sợi thép, mm qt – liều lượng sử dụng sợi thép, kg/m3 - Đối với thành phần cốt liệu lớn (đá), thiết kế thành phần cấp phối nên tính toán sử dụng với cỡ hạt có kích thước khác để tăng cường độ khả lèn chặt bê tông phun - Thiết kế thành phần cấp phối phải phân tích đầy đủ, chi tiết điều kiện tổ chức thi công đặc biệt điều kiện nước ngầm, với bê tông phun có cường độ từ (45÷55)MPa tham khảo thành phần cấp phối cho 1m3 sau: + Tỷ lệ N/X (nước/xi măng): 36% + Xi măng: Portland PC-40: 600 kg/m3 + Nước: (210÷220) lít/m3 + Cát vàng: (510÷520) kg/m3 + Đá: (0÷5)mm: 380-390kg/m3; (5÷12)mm: (610÷620): kg/m3 + Sợi thép: 35 kg/m3 + Phụ gia: Rheobuild - 561: (3,5÷4,0) lít/m3; Rheobuild - 1000: (6,5 ÷ 7,0) lít/m3 MEYCO SA – 160: (20÷22) lít/m3 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Phích, 2007 Cơ học đá NXB Xây dựng 2007 [2] Đỗ Ngọc Anh, 2009 Bài giảng xây dựng Công trình ngầm dân dụng công nghiệp Đại học Mỏ Địa chất [3] Mueller, L: Der Felsbau 3Bd: Tunnelbau Stuttgart Ferdinand Enke Verlag 1978 [4] Nguyễn Quang Chiêu Bêtông cốt sợi Bêtông sợi thép NXB Giao thông vận tải 2008 [5] www.arcelormittal.com - ASTM C-1116 “Standard specification for fiber reinforced concrete and shotcrete” - Clements M J K 1996 Measuring the Performance of Steel Fibre Reinforced Shotcrete IX Australian Tunnelling Conference Sydney - Bienaiawski Z.T 1981 Engineering Rock Mass Classifications New York: Wiley Interscience - www.forta-ferro.com - www.shotcreter.com SUMMARY During the underground construction process regarding to the NATM method (The tunneling method of Republic of Australia was presented by Rabcewiez in 1963), sprayed concrete is one of the most basic structural protection and seen as the core of the method NATM method uses spray concrete as preliminary structures (temporary) or quickly protective structures in time for the Underground Therefore, a part of European science and practical applications synoptic that is concrete spraying methods Composition of traditional concrete spraying often includes concrete materials and some other additives to enhance flexibility and mobility of sprayed concrete However, cement concrete is normally brittle materials with high tensile strength and low deformation ability; additionally, the stability of underground directly dependents on structural features (the formation of wedge blocks), and the mechanical effects often occur during the underground construction [1], structures must be able to resist higher strength, diversity and flexibility Therefore, the use of additional components in the concrete material to increase the tensile stress tolerance, improved durability and crack resistance of concrete spraying equipment is essential Bui Van Duc, Pham Ngoc Anh Dao Van Canh University of Mining and Geology