NỨT NẺ TRONG BÊ TÔNG XI MĂNG, NGUYÊN NHÂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG TRÁNH, KHẮC PHỤC

T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 42/4-2013, tr.49-59 NỨT NẺ TRONG BÊ TÔNG XI MĂNG, NGUYÊN NHÂN VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG TRÁNH, KHẮC PHỤC NGUYỄN QUANG PHÍCH, BÙI VĂN ĐỨC, LÊ TUẤN ANH, PHẠM NGỌC ANH Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bê tông xi măng loại vật liệu quan trọng xây dựng phục vụ cho ngành kinh tế quốc dân Trong trình sử dụng xuất nhiều khuyết tật làm ảnh hưởng tới mỹ quan kiến trúc khả làm việc kết cấu bê tông Nguyên nhân nằm đặc tính vật liệu bê tông xi măng khả chịu uốn kém, phản ứng thủy hóa xi măng, phản ứng hóa học thành phần khoáng vật gây ổn định thể tích Bài báo trình bày chất chế hình thành phát triển khuyết tật đồng thời khuyến nghị số biện pháp phòng tránh, khắc phục khuyết tật phổ biến bê tông xi măng Mở đầu Là vật liệu đá nhân tạo, hình thành việc nhào trộn hỗn hợp chất kết dính vô (xi măng, vôi silic, thạch cao…) hữu (bi tum, guđrông) chất dẻo, nước hạt rời rạc cát, sỏi, đá dăm (được gọi cốt liệu) theo tỷ lệ thích hợp [1]; bê tông xi măng với thành phần xi măng, nước, cát, sỏi, đá dăm (được gọi cốt liệu) loại vật liệu quan trọng sử dụng xây dựng phục vụ cho ngành kinh tế quốc dân xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ ưu điểm trội so với vật liệu kết cấu truyền thông khác như: tận dụng vật liệu địa phương, khả chịu lực, chịu lửa chịu động đất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, phải tu bảo dưỡng sửa chữa lớn… Tuy nhiên, thực tế nhiều kết cấu bê tông sau thi công xong thấy xuất khuyết tật dạng khác nhau, khuyết tật dễ dàng quan sát, xác định mắt thường phải sử dụng thiết bị hỗ trợ (như máy xung siêu âm khuyết tật…) Theo [4] khuyết tật bê tông vùng bê tông không đặc có chất lượng thay đổi lớn theo chiều giảm, mà nguyên nhân hiệu ứng nhiệt thủy hóa xi măng tác động môi trường Sự xuất khuyết tật làm giảm khả chịu lực kết cấu, làm tính thẩm mỹ, mỹ quan kiến trúc công trình Cơ sở lý luận khuyết tật bê tông Các khuyết tật bê tông dễ dàng quan sát xác định cụ thể mắt thường, phải sử dụng máy móc thiết bị Tuy nhiên, tổng hợp theo [7], [8], [9], [10] nhận thấy khuyết tật phổ biến bê tông xi măng bao gồm: nứt nẻ (cracking), phồng rộp bề mặt (blister), rạn nứt (chân chim) (crazing), rỗ tổ ong (honeycombing), cong vênh (curling), tách lớp (delamination), tượng trắng mặt (dusting), nứt vỡ (spalling) Nứt nẻ Nứt bê tông tượng thường gặp công trình xây dựng Các vết nứt bê tông phát triển từ nhiều nguyên nhân, mà chất khả chịu uốn bê tông Các vết nứt trông thấy thường gặp ứng suất uốn lớn khả (cường độ) bền uốn bê tông Vết nứt thường xuất khoảng vài sau đổ bê tông, bê tông trạng thái dẻo cường độ bê tông thủy hóa xi măng gần không đáng kể Theo thời điểm hình thành, vết nứt bê tông phân thành loại sau: - Vết nứt hình thành trình cố kết bê độ cố kết khác thành phần bê tông ngăn cản cục cốt thép hay cốt liệu lớn Các vết nứt dạng thường xuất khoảng nửa đến sau đổ bê tông thường phát triển dọc theo hệ thống lưới thép sàn 49 - Vết nứt hình thành trình co ngót bê tông co ngót bị ngăn cản co ngót không gây ổn định thể tích Các vết nứt dạng xuất song song cách từ 100600mm, thông thường không theo khuôn mẫu cố định Chiều dài vết nứt từ 0,252m, thông thường khoảng 300600mm (hình 1) Bề rộng vết nứt bề mặt đến 3mm, thường phát triển đến độ sâu cốt thép Tuy nhiên, tác động tượng co ngót sau kết cấu bê tông, chúng phát triển xuyên suốt chiều dày sàn b Vết nứt làm tăng độ thấm nước bê tông (ở tường tầng hầm); c Vết nứt làm giảm tuổi thọ kết cấu cốt thép bê tông bị ăn mòn mạnh; d “Vết nứt thường” không gây nguy hiểm cho kết cấu (bề rộng vết nứt thường không vượt giá trị giới hạn cho phép tiêu chuẩn) Quá trình xuất vết nứt bê tông liên quan chặt chẽ đến tốc độ thoát nước bề mặt tốc độ nước dâng lên bề mặt  Tốc độ thoát nước bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm không khí, vận tốc gió nhiệt độ bê tông Tốc độ xác định theo công thức [1]: E= x ([Tbt+18]2.5 – r x [Tkk+18]2.5) (V+4) x 10-6, Hình Vết nứt hình thành trình co ngót Theo [5], vết nứt phân loại sau: Theo nguyên nhân xuất hiện: a Vết nứt tác động ngoại lực trình sử dụng; b Vết nứt tác động cốt thép ứng lực trước lên bê tông; c Vết nứt công nghệ co ngót bê tông, mức độ đầm vữa bê tông kém, chưng hấp bê tông không đều, chế độ nhiệt - ẩm; d Vết nứt hình thành cốt thép bị ăn mòn Theo mức độ nguy hiểm: a Vết nứt chứng tỏ tình trạng nguy hiểm kết cấu; 50 (1) đó: E - tốc độ thoát nước bề mặt (kg/m2/h); V - vận tốc gió (km/h); Tbt, Tkk - nhiệt độ bê tông không khí (oC); r - độ ẩm không khí (%) Ví dụ: Khi nhiệt độ bê tông không khí 30oC, độ ẩm không khí 70% vận tốc gió 15 km/h (~ m/s), tốc độ thoát nước bề mặt khoảng 0,7 kg/m2/h  Tốc độ nước dâng lên bề mặt: Khi bê tông trạng thái dẻo, tác dụng trọng lực, thành phần nặng bê tông cố kết, đẩy nước bê tông lên bề mặt Tốc độ, tổng lượng thời gian kéo dài tượng nước dâng lên bề mặt phụ thuộc vào thành phần cấp phối bê tông, chiều dày kết cấu Hiện tượng nước dâng lên bề mặt vừa có ảnh hưởng tích cực tiêu cực đến kết cấu bê tông [2]: - Tích cực: Thay nước bay ngăn cản hình thành vết nứt bê tông bề mặt bị khô trước bê tông đủ độ cứng cần thiết - Tiêu cực: Việc nước tập trung bề mặt bê tông làm tăng tỷ lệ nước/xi măng vùng làm giảm cường độ, độ chống thấm, độ chống mài mòn, độ dính bám cốt thép vào bê tông,… Và nguyên nhân vết nứt hình thành trình cố kết bê tông trình bày Nói chung, hình thành vết nứt bê tông đa dạng, phức tạp hình dạng, nguyên nhân thời gian xuất Theo [1], phân loại vết nứt bê tông theo bảng sau (bảng 1) Bảng Phân loại vết nứt bê tông [1] Phồng rộp bề mặt Hiện tượng phồng rộp bề mặt hay rỗ khí thường xuất bề mặt bê tông, đặc biệt cấu kiện thành mỏng (khó khăn công tác đầm dùi), mạch mao dẫn chưa bị phá vỡ lượng nước thừa (lượng nước bốc thành trình nhiệt thủy hóa) lượng bọt khí (do bị khí, khoảng 1,5% với bê tông thường) bê tông chưa thoát ngoài; tác động nhiệt độ thành phần dần chuyển hóa bị bay làm xuất “bọc không khí’’ bê tông Rạn nứt Xuất dạng mạng lưới vết nứt bề mặt bê tông có kích thước tương đối nhỏ với chiều dài vết nứt 50mm, khó quan sát bê tông khô Ngay giai đoạn đầu trình phát triển cường độ, điều kiện thời tiết không thuận lợi cho trình co ngót dưỡng ẩm bê tông độ ẩm thấp, nhiệt độ không khí cao, gió hanh khô tổng hợp yếu tố nguyên nhân thúc đẩy trình thoát nước bề mặt, bê tông cần hàm lượng nước định để trình thủy hóa xảy Đây nguyên nhân thúc đẩy hình thành vết rạn nứt Hiện tượng thường không ảnh hưởng nghiêm trọng tới khả làm việc kết cấu bê tông vết rạn nứt thường không sâu chưa vào tới cốt thép Thuật ngữ “nứt chân chim’’ thường sử dụng để mô tả khuyết tật Hình Bọt khí 51 Hình Các vết rạn nứt Rỗ tổ ong Rỗ tổ ong đề cập đến tồn lỗ rỗng bê tông vữa không lấp đầy khoảng trống hạt cốt liệu thô Nó xuất sau tháo dỡ ván khuôn tồn dạng chính: - Rỗ (hay gọi rỗ mặt): mặt bê tông có hình dạng tổ ong, xuất thành lỗ nhỏ mặt chưa vào tới cốt thép - Rỗ sâu: lỗ rỗng sâu tới tận cốt thép - Rỗ thấu suốt: lỗ rỗ xuyên qua kết cấu, từ mặt sang mặt Có nhiều nguyên nhân gây khuyết tật rỗ tổ ong chủ yếu tồn giai đoạn thi công: - Do vữa bê tông bị phân tầng trình vận chuyển, đổ đầm bê tông; - Do độ dày bê tông lớn vượt phạm vi ảnh hưởng tác dụng đầm; - Do vữa bê tông trộn không đều, vữa bê tông khô hay bị nước xi măng trình vận chuyển (thiết bị vận chuyển không kín khít) hay ván khuôn không kín khít đầm bị nước - Do đầm không kỹ lớp vữa bê tông cốt thép chịu lực ván khuôn (lớp bảo vệ) hay máy đầm có sức rung yếu; cấp phối bê tông không lèn chặt - Cốt thép dày làm cốt liệu không lọt xuống hay cốt liệu lớn không quy cách (kích thước cốt liệu lớn) Sự xuất rỗ tổ ong làm tiết diện chịu lực vị trí rỗ thu hẹp giảm khả chịu lực kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi cho môi trường xâm thực vào phá hoại cốt thép, phá hoại liên kết bê tông cốt thép 52 Hình Rỗ tổ ong Cong vênh Cong vênh tượng góc, cạnh kết cấu bê tông bị biến dạng (co ngót) chênh lệch độ ẩm nhiệt độ lớp lớp kết cấu bê tông (sàn, mỏng…) Đặc biệt ứng suất gây biến dạng lớn độ bền uốn bê tông vết nứt hình thành phát triển; tồn vết nứt lúc làm giảm ứng suất gây biến dạng Hình Hiện tượng cong vênh sàn co ngót Tách lớp Tách lớp tương tự tượng phồng rộp blister, mảng vữa xi măng bề mặt bị bong tróc tách khỏi kết cấu bê tông kết trình thoát nước bọt khí Tuy nhiên, so với blister diện tích lớp nước bọt khí trường hợp lớn hơn, tích tụ thành mảng, miếng tạo thành phân lớp kết cấu bê tông Thông thường tương đối khó để phát dấu hiệu khuyết tật kể từ xuất bị phá hủy, sau bề mặt bê tông khô khu vực tách lớp bị phá vỡ ngoại lực với chiều dày mảng vữa xi măng nằm khoảng từ 3-5mm Bên cạnh đó, tượng bong tróc kết ứng suất kéo sinh oxy hóa kết cấu thép bê tông Hình Hiện tượng bong tróc Hiện tượng trắng mặt (phấn hóa) Hiện tượng trắng mặt hay bụi bê tông tượng xuất lớp bột xi măng tan rã của bề mặt bê tông sau ninh kết Bản chất tượng sau: Thành phần bê tông xi măng chất kết dính vô (xi măng), nước hạt hạt cốt liệu, tiến hành trộn thành phần với xảy phản ứng xi măng nước, phản ứng xảy bê tông đạt cường độ (28 ngày); Với phương trình phản ứng sau [2]: Ca2SiO4.4H2O + Ca(OH)2= = Ca2SiO4.4H2O + + Ca(OH)2 , (2) Bên cạnh đó, trình diễn phản ứng thủy hóa xi măng hạt xi măng thành phần cốt liệu trôi lơ lửng nước, trọng lượng riêng lớn nên thành phần cốt liệu có xu hướng di chuyển xuống dưới, đẩy nước phần hạt xi măng lên phía tạo thành lớp vữa xi măng với khả chịu mài mòn kém, chịu tác dụng ngoại lực lớp vữa xi măng bị mài mòn dần, đồng thời thành phần xi măng lớp vữa bị tách bóc sinh lớp bụi xi măng bề mặt Hiện tượng phấn hóa làm cho khả chịu mài mòn độ cứng bề mặt kết cấu bê tông giảm ảnh hưởng đến khả làm việc cấu kiện, đặc biệt cấu kiện thường xuyên chịu tác dụng lực kéo bề mặt Hình Bụi xi măng Nứt vỡ Spalling dạng khuyết tật bề mặt, thường xuất dạng hình tròn, hình ovan với độ sâu từ 25-150m lớn Nguyên nhân trình các-bon-nát 53 hóa bê tông (carbonation), khí cacbon CO2 tự nhiên theo thời gian khuếch tán xâm nhập vào bê tông phản ứng với chất kiềm có (kiềm thổ Ca, CaCO3, Ca(OH)2, MgCO3, kiềm Clinke…) làm vỡ màng cacbonat để tạo thành bicacbonat axit canxi dễ tan theo phản ứng: CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 , (3) Đồng thời lớp bê tông bảo vệ bị dần đặc tính lý ban đầu làm cho cốt thép bê tông bị tác nhân xâm nhập phá hủy (gỉ thép) gây nở thể tích, trình sinh ứng suất làm nứt lớp bê tông Dấu hiệu khuyết tật dễ dàng nhận ra, vị trí xuất bề mặt thường gồ ghề có vết vỡ dạng vảy, chí thành lỗ Trong môi trường không khí, độ ẩm cao sắt dễ bị gỉ theo phản ứng sau đây: 4Fe + 3O2 + nH2O → 2Fe2O3.nH2O , (4) kiện) hầu hết khuyết tật lại mức độ ảnh hưởng chúng không đáng kể mà nguyên nhân chủ yếu đặc tính bê tông (phát sinh nhiệt trình thủy hóa xi măng, lượng nước thừa bọt khí không thoát ngoài), phản ứng hóa học thành phần khoáng bê tông gây phá hủy làm ổn định thể tích, đặc biệt nước ta nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ không khí cao, độ ẩm thường cao lại thay đổi thất thường nên xuất vết nứt tác nhân bên dễ dàng xâm thực phá hủy kết cấu Ngoài ra, tác động ngoại lực làm xuất vết nứt, tùy thuộc vào loại kết cấu ngoại lực tác dụng Loại vết nứt Vết nứt xuyên suốt Vết nứt không xuyên suốt Vết nứt có dạng đường khép kín Vết nứt dọc không xuyên suốt Hình dáng vết nứt Cấu kiện bê tông cốt thép Cấu kiện chịu kéo lệch tâm Cấu kiện chịu uốn cấu kiện chịu nén lệch tâm Vùng gối tựa cấu kiện chịu uốn Cấu kiện chịu nén Bảng Vết nứt tác động ngoại lực sàn toàn khối [5] Hình Quá trình ăn mòn kim loại nguyên nhân gây nứt vỡ * Nhận xét Qua việc phân tích khuyết tật, nhận thấy vết nứt dạng cracking có kích thước phạm vi ảnh hưởng lớn đến kết cấu bê tông (khả làm việc cấu 54 Giải pháp phòng ngừa, khắc phục 3.1 Nguyên tắc nội dung xử lý khuyết tật 3.1.1 Nguyên tắc Trong trường hợp, bề mặt bê tông phải hoàn thiện thoả mãn yêu cầu chất lượng, độ phẳng đồng màu sắc [6] Đáp ứng yêu cầu thiết kế như: Bảo đảm an toàn khả làm việc kết cấu, đáp ứng yêu cầu sử dụng tính thẩm mỹ công trình 3.1.2 Nội dung thực Tùy thuộc vào mục đích, cấu kiện cụ thể mà công tác xử lý khuyết tật có yêu cầu cách thức khác nhau, cách tổng quát xây dựng nội dung xử lý khuyết tật bao gồm: - Khảo sát trạng: tình trạng khuyết tật, tình trạng thực tế kết cấu kiến trúc; - Phân tích nhận dạng khuyết tật; xác định mục đích xử lý; - Lựa chọn thời gian xử lí hợp lí; xử lý khuyết tật; quan trắc theo dõi 3.2 Giải pháp phòng ngừa Từ kết phân tích khuyết tật mục 2.1, sở xét tới tác động chúng tới làm việc kết cấu, chế hình thành loại khuyết tật, phân làm nhóm bản: Nhóm 1: Không ảnh hưởng ảnh hưởng tới khả làm việc kết cấu, chế hình thành chủ yếu liên quan đến lượng nước thừa lượng bọt khí bê tông chưa thoát lượng nước bề mặt không đủ để trình thủy hóa xảy với phạm vi xuất không lớn, xuất cục chủ yếu bên bề mặt; bao gồm: phồng rộp bề mặt, rạn nứt chân chim, rỗ tổ ong, cong vênh, bong tróc, phấn hóa nứt vỡ cục Để phòng ngừa xuất khuyết tật thuộc nhóm sử dụng số giải pháp sau đây: - Thiết kế xác tỷ lệ N/X (nước/xi măng), cho lượng dùng xi măng bê tông - Bê tông xi măng sử dụng không nên có nhiều bột khoáng, có tính co ngót thấp Xi măng tỏa nhiệt - Duy trì nhiệt độ độ ẩm bề mặt thích hợp, không nên phủ bề mặt sớm bê tông thoát nhiệt không nên muộn để giảm lượng bốc nước bê tông - Công tác đầm bê tông cần lưu ý, tránh để tách (tập trung) làm nước bê tông - Tỷ lệ khí không lớn 3% [9] - Cân nhiệt độ lớp lớp cấu kiện bê tông - Bề mặt phân cách lớp đổ bê tông phải đục nhám vệ sinh Nhóm 2: Các vết nứt nẻ cracking với chiều dài, bề rộng độ sâu lớn, gây ảnh hưởng trực tiếp đến khả làm việc kết cấu Đối với nhóm giải phòng phòng ngừa bao gồm nhóm 1, cần ý sau: Như phân tích trên, xuất vết nứt bê tông liên quan chặt chẽ đến tốc độ thoát nước bề mặt tốc độ nước trồi lên bề mặt Do đó, vấn đề đặt phải khống chế trình này, tốc độ thoát nước bề mặt nhằm hạn chế tốc độ nhiệt thủy hóa xi măng bê tông Để hạn chế tốc độ thoát nước bề mặt, cần khống chế nhiệt độ, độ ẩm không khí, vận tốc gió nhiệt độ bê tông, tạo màng ngăn cách giảm việc trao đổi nước bề mặt bê tông không khí Cụ thể là:  Lựa chọn thời điểm thi công hợp lý: nên chọn vào sáng sớm chiều tối  Sử dụng biện pháp che nắng che gió  Giảm nhiệt độ bê tông cách hạ nhiệt độ cốt liệu, nước trộn, cốp pha,sử dụng xi măng toả nhiệt  Trước thi công, nên làm ẩm giảm nhiệt độ bề mặt nền, cốp pha  Phủ bề mặt bê tông sau đổ bê tông (bằng polyethylene hay bao bố ẩm, )  Sử dụng giải pháp phun sương lên bề mặt bê tông, đặc biệt thi công bê tông khối lớn nhiệt độ không khí cao  Dùng phụ gia giảm việc thoát nước bề mặt sau đổ bê tông hoàn thiện bề mặt: Đây biện pháp dùng phổ biến thực tiễn xây dựng đổ bê tông điều kiện thời tiết không thuận lợi  Đối với bê tông khối lớn, nên áp dụng giải pháp để đưa nhiệt độ bê tông bên 55 (đặt dàn ống nước lòng khối bê tông ) chia nhỏ khối đổ bê tông  Khi nhiệt độ không khí chênh lệch ngày đêm lớn, gây cho bề mặt bê tông bị sốc nhiệt, sinh ứng suất kéo làm nứt bê tông phủ lên bề mặt bê tông lớp cốt liệu tiến hành phun nước dưỡng ẩm  Áp dụng biện pháp dưỡng hộ bê tông sau hoàn thiện bề mặt Điều quan trọng biện pháp cần phải áp dụng theo qui trình suốt trình để đảm bảo bê tông đủ cường độ trước ứng suất kéo cực đại bê tông trạng thái dẻo sức căng bề mặt tăng cao 3.3 Giải pháp khắc phục Tùy thuộc vào quy mô mức độ ảnh hưởng khuyết tật tới kiến trúc, đặc biệt khả làm việc kết cấu để lựa chọn giải pháp khắc phục phù hợp Với nhóm khuyết tật thứ nhất, nhóm 1: Để tránh tác động yếu tố xâm thực, mỹ quan kiến trúc cấu kiện cần thiết phải tiến hành loại bỏ khuyết tật thay chất kết dính (vữa xi măng) có cường độ tính tương tự lớn lớp bị loại bỏ Khi loại bỏ, phải tiến hành vệ sinh đục nhám bề mặt để tăng khả bám dính lớp Với nhóm 2: ■ Trường hợp 1: Phạm vi kích thước nhỏ (chiều dài vết nứt < 2/3 chiều cao dầm, chiều rộng