Chương mở đầu : Giới thiệu tổng quan
3.3. Giới thiệu một vài biện pháp sửa chữa điển hình đã áp dụng tại Việt nam
VIỆT NAM
3.3.1. Biện pháp sửa chữa bằng vật liệu truyền thống
Biện pháp sửa chữa này dùng vữa xi măng poóclăng thường hoặc dùng bê tông thường cốt liệu nhỏ để lấp vá các vết nứt, các vết vỡ bê tơng nhằm mục đích đưa kết cấu về trạng thái ban đầu khi chưa hư hỏng, hạn chế bớt tốc độ phá huỷ vật liệu do ảnh hưởng trực tiếp của môi trường và gây cảm giác về độ an toàn của kết cấu. Các biện pháp này thường được thực hiện trong các công việc duy tu, sửa chữa nhỏ cơng trình, tuy nhiên thường khơng có hiệu quả. Do co ngót và do dính bám khơng đủ giữa lớp bê tông cũ và lớp áo bê tông mới, nên các lớp áo mới đều dần dần bị bong ra, nước mưa và hơi ẩm tụ lại trong các khe hở giữa 2 lớp bê tông cũ-mới gây tác hại xấu đến bê tông cũ và cốt thép. Đối với các kết cấu cầu đang có xe, tàu qua lại gây rung động và biến dạng thì biện pháp sửa chữa này càng khơng có hiệu quả, ví dụ như Cầu Mật thuộc quận 8 T.P Hồ Chí Minh được sửa chữa bằng phương pháp này, qua khảo sát cho thấy các vị trí sửa chữa, bê tơng cũ và mới khơng có dính bám dã bị bong tróc hết và chỉ cịn treo trên bê tơng cũ nhờ lực dính bám với cốt thép.
3.3.2 Biện pháp phun bê tông
Phương pháp phun chỉ là một trong các phương pháp đổ bê tơng và sản phẩm cũng có các tính chất như loại bê tông được thi công theo cách thông thường. Do ưu điểm là bê tơng phun dính bám tốt với bề mặt nên phương pháp này được áp dụng nhiều trong sửa chữa gia cố các kết cấu cũ nhằm mục đích :
- Tạo lớp áo dày bảo vệ bề mặt cũ và cùng tham gia chịu lực. - Che phủ các cốt thép bị lộ ra.
- Sửa chữa tăng cường những phán bê tông bị suy yếu, bị cácbonát hoá, bị khoan đục...
- Tăng cường ổn định và khả năng chịu tải của kết cấu cũ.
Có hai phương pháp phun bê tông là phương pháp phun bê tông khô và phun bê tông ướt:
a) Phun bê tơng khơ:
-66-
Phương pháp này có lâu đời hơn, người ta trộn hạt cốt liệu nhỏ ở độ ẩm tự nhiên với xi măng trong máy trộn rồi nhờ áp lực khí nén đưa hỗn hợp đến vòi phun. Tại vịi phun có nước được dẫn đến và cùng phun ra. Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế được co ngót và nứt, cường độ và lực dính bám đều tăng, lượng xi măng khơng nhiều và tỷ lệ N/X thấp. Dùng vịi khơ có thể làm tăng tốc độ phun (tốc độ phun tối đa đạt đến 70 - 80m/s), do đó vật liệu dễ đi sâu vào các vị trí cần thiết.
Tuy nhiên với phương pháp này, cần phải biết điều chỉnh lượng nước tại đầu ra ở mức vừa đủ cho q trình thuỷ hố và khơng gây co ngót, khơng làm mất xi măng ở dạng bụi.
b) Phun bê tông ướt:
Hỗn hợp bê tơng được rót vào trong máy. Ở đó nó bị ép vào trong ống dẫn nhờ một máy bơm. Tại đầu vịi phun có khí nén được dẫn đến để cùng phun vào bề mặt đón. Ưu điểm của phương pháp này là độ ướt của bê tông đều hơn, dễ tạo ra độ dẻo cần thiết. Song cả 2 ưu điểm này đều làm tăng độ co ngót. Do có độ dẻo nên tốc độ di chuyển chậm hơn và khó phun sâu. Trường hợp này lượng xi măng nhiều hơn, tốc độ phun chậm hơn, chỉ từ 20-30m/s.
Yêu cầu đối với phương pháp này là cần phải có thiết kế cấp phối, trong đó ổn định lượng nước, cỡ cốt liệu, tỷ lệ nước/ xi măng, loại xi măng và loại phụ gia. Ở nước ta, biện pháp phun bê tông được áp dụng chủ yếu trong việc sửa chữa gia cố các hầm đường sắt bị hư hỏng nặng.
Hiệu quả của phương pháp này là sự dính bám giữa cốt thép với bê tơng phun cũng giống như trong các trường hợp bê tông được thi công theo các cách thơng thường, nó bảo đảm khả năng bảo vệ cốt thép, đảm bảo sự làm việc chung với phần kết cấu cũ. Bê tông phun cũng tạo ra lớp áo bảo vệ chống thấm cho kết cấu cũ. Sự truyền nội lực từ phần kết cấu cũ sang lớp bê tông mới phun vào được đảm bảo nhờ sự dính bám trên bề mặt.
Tuy nhiên, biện pháp này có một số nhược điểm là nếu sử dụng các vật liệu truyền thống (xi măng thường), thì việc nứt là không thể tránh khỏi đối với kết cấu. Mặt khác, q trình phun dù khơ hay ướt đều địi hỏi thiết bị kỹ thuật hiện đại và quy trình cơng nghệ chặt chẽ, hao hụt vật liệu trong q trình thi cơng tương đối lớn tới 30% số vật liệu sử dụng.
-67-
3.3.3 Phun keo êpơxy
Nhựa êpơxi có hai liên kết hố học chính là liên kết cácbon-cácbon (C-C) và ete (-C- O-C) cùng 2 nhóm đặc trưng là hydroxyl (OH) và etylenoxyt (-C-C-). Nhìn vào cấu trúc hố học có thể nhận thấy cấu trúc phân cực, chính do cấu trúc này mà nhựa êpơxy có độ dính bám liên kết cao với bê tơng cũ, có cường độ kéo cao, uốn cao và hầu như khơng co ngót khi đóng rắn. Keo êpơxy có ưu điểm là bền vững với các tác động mơi trường, có thể phủ bịt các vết nứt, các chỗ hư hỏng bề mặt bê tông, đặc biệt là trong điều kiện môi trường xâm thực, trong điều kiện độ ẩm cao của khơng khí. Keo êpơxy là loại keo hố cứng, thành phần gồm hai chất chủ yếu là nhựa êpôxy và chất hố rắn. Sau khi trộn chúng với nhau thì xảy ra phản ứng pơlyme hóa và tạo ra loại vật liệu cứng có các đặc trưng cơ học cao đồng thời dính bám tốt với bề mặt xung quanh. Để tạo ra độ linh động của keo khi thấm vào các kẽ nứt, cần phải trộn keo êpôxy với dung dịch axêtôn và khuấy đều trước khi sử dụng. Tuỳ theo độ rộng và chiều sâu vết nứt mà có biện pháp xử lý phù hợp.
Đối với các vết nứt nhỏ (chiều rộng < 0,5mm) dùng lớp phủ bằng keo êpôxy được quét bằng chổi sơn hoặc máy phun sơn. Sử dụng keo êpơxy có độ nhớt ở nhiệt độ bình thường < 5%. Nếu vết nứt quá nhỏ <0,2mm thì độ nhớt của keo nên là 0,05. Đối với các vết nứt lớn (chiều rộng > 0,5mm), sử dụng biện pháp phun sâu keo êpôxy vào vết nứt để bảo vệ cốt thép, trước khi bơm phải khoan 1 lỗ ở chân đường nứt để chặn vết nứt, tiếp theo khoan các lỗ có đường kính 12mm, sâu 10-15mm dọc theo đường nứt (khoảng cách các lỗ từ 30-40cm) cắm vào lỗ khoan các đầu bơm bằng thép và để ít nhất một ngày trước khi bơm, phủ lên bề mặt dọc theo vết nứt 1 lớp keo, tiến hành bơm keo bằng bơm áp lực cao (theo chỉ dẫn của nhà sản xuất) cho đến khi keo tràn ra lỗ bơm bên cạnh thì bịt đầu bơm, tiếp tục bơm các lỗ bơm tiếp theo. Các đầu bơm đã bơm xong thì được bịt lại.
Đối với vết nứt có chiều sâu lớn, để keo êppôxy thấm được vào các vết nứt sâu, cần phải tiêm keo qua các đầu tiêm đặt trên bề mặt gồm: bản thép có lỗ ở giữa, đệm cao su, đoạn ống thép hàn vào bản thép đó, ống này sẽ được nối vào ống cao su mềm dẫn keo từ máy bơm keo đến đầu tiêm. Dùng bộ kích vít tỳ vào sườn dầm bên cạnh để ép chặt bản thép cùng đệm cao su vào bề mặt vết nứt cần tiêm. Áp lực tiêm theo chỉ dẫn của nhà sản xuất.
Nhựa êpơxi thường có hệ số nở nhiệt cao hơn so với bê tơng thường. Điều đó có thể gây ra ứng suất nội của lớp bê tông ở dưới do ứng suất nhiệt khi chịu sự biến động
-68-
nhiệt độ lớn. Do vậy cần phải kết hợp với tác nhân dẻo hóa làm giảm độ cứng kết hợp với giải pháp đưa hỗn hợp cốt liệu sẽ làm triệt tiêu bớt ứng suất do biến đổi thể tích gây ra.
3.3.4 Thêm cốt thép
Nếu chỉ cần tăng khả năng chịu lực khơng nhiều, chừng 10-15%, thì nên đặt thêm cốt thép chủ chịu kéo ở đáy dầm. Các cốt này được hàn nối vào hàng cốt thép chủ cũ dưới dạng cùng của dầm. Muốn vậy phải đập bỏ tầng bê tông bảo hộ ở đáy dầm đến lộ một nửa đường kính của cốt thép chủ hàng dưới cùng. Các mối hàn liên kết cốt thép mới và cốt thép cũ nên thực hiện qua các đoạn cốt thép đệm dài 10-20cm, sau đó phải đổ bê tơng phần đáy dầm để che phủ bảo vệ cốt thép mới thêm. Ở nước ngoài thường dùng bê tông phun mà không dùng ván khuôn đổ bê tông kiểu thông thường. Chiều cao dầm sẽ tăng lên chút ít làm giảm chiều cao khổ giới hạn gầm cầu. Sức chịu tải của dầm cầu được tăng lên chủ yếu là nhờ ở cốt thép mới thêm nhưng cốt thép này chỉ tham gia chịu hoạt tải. Nếu muốn tăng sức chịu tải của kết cấu nhịp lên từ 15- 35% thì phải tìm cách tăng chiều cao dầm kết hợp tăng thêm cốt thép chịu kéo. Khi đó phải thêm cả các cốt đai ngắn.
Những cơng tác cần làm sẽ là:
- Đục bỏ lớp bê tông bảo hộ cốt thép chủ hàng dưới cùng. - Làm hệ dàn giáo chống đỡ kết cấu.
- Hàn các đoạn cốt thép xiên ngắn.
- Đục bỏ lớp bê tông bảo hộ của một số cốt đai.
- Hàn ghép cốt đai mới vào cốt đai cũ cho dài xuống phía đáy dầm đủ mức cần thiết. - Đặt các cốt thép chủ mới thêm liên kết chúng với các cốt đai đã nối dài và cốt xiên bổ sung.
- Gia công bề mặt bê tông cũ.
- Đổ bê tông hoặc phun bê tông tạo ra phần dưới bổ sung thêm của dầm, bao phủ các cốt thép mới thêm.
Muốn sửa chữa tốt phải dùng vật liệu bê tơng tốt có pha các phụ gia hóa dẻo, phụ gia tăng cứng nhanh hoặc dùng bê tông pơlyme. Để tăng dính bám giữa bê tơng cũ và bê tông mới cần quét lên bề mặt đã được làm sạch của bê tông cũ một lớp vữa trên cơ sở nhựa êpôxy. Không những chỉ tăng cường cốt thép chịu kéo ở đáy dầm, nhiều cầu có
-69-
thể phải thêm cốt thép xiên và cốt đai rồi mở rộng sườn dầm để tăng khả năng chịu lực cắt.
3.3.5 Sử dụng vật liệu bê tông polyme cốt sợi
Khái niệm sử dụng sợi để cải thiện tác động của vật liệu xây dựng đã có từ lâu và cịn mang tính trực giác. Ví dụ như từ sợi rơm làm thành gạch mộc, sợi amiăng thành gốm. Từ đó tạo ra vật liệu tổ hợp mang lại hiệu quả cao hơn. Hiệu quả của nó có thể dễ dàng được giải thích trong trường hợp gạch mộc ở trên, đó là khả năng chống nứt, vỡ. Việc đưa các sợi vào trong hỗn hợp BTCT tạo nên vật liệu có độ bền và cường độ cao hơn ở BTCT thường. Trên thế giới đã sử dụng các loại nguyên liệu sợi: sợi thép (kiểu gấp nếp, uốn cong, lượng sóng...); sợi thủy tinh; sợi các bon; sợi polypropylen...
Xét về bản chất, vật liệu tổ hợp cốt sợi với bê tông (gọi là vật liệu composit) là kiểu vật liệu lai tạo giữa 2 loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung lẫn nhau, tính chất của composit nằm trung gian giữa tính chất của các thành phần. Việc thêm các sợi ngắn vào hỗn hợp xi măng-nước-cốt liệu (bê tơng) có tác dụng khống chế vết nứt và làm tăng độ dai của vật liệu.
Ở phương diện vi mô, ta biết rằng một loại bê tông, ngay cả khi được sản xuất với sự tuân thủ các quy tắc kỹ thuật, cũng xuất hiện một mạng vết nứt cực nhỏ (gọi là nứt vi khuyếch tán). Đó là do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình thủy hóa xi măng. Nếu số sợi có mặt đầy đủ trong thể tích phần vữa xi măng, mỗi vết nứt cực nhỏ có thể cắt ngang qua một hay nhiều vi sợi. Các vi sợi này sẽ chống lại sự xuất hiện các vết nứt cực nhỏ và làm giảm quá trình hư hỏng vật liệu ngay trong thời gian bê tơng đang hóa cứng.
Ở phương diện kết cấu (khi bê tơng đã hóa cứng hồn tồn) thì khi đó sợi có tác dụng như một “vi cốt thép” cho phép tránh được sự mở rộng vết nứt. Các sợi này được định vị tốt và đảm bảo sự truyền các tải trọng từ mép này sang mép kia của vết nứt lớn.
-70-
3.4. MỘT VÀI BIỆN PHÁP SỬA CHỮA ĐƢỢC VIỆN KHCN GTVT NGHIÊN CỨU ÁP
DỤNG THÀNH CÔNG
Với cơng trình cầu BTCT bị xuống cấp và hư hỏng có 2 biện pháp tổng thể để giải quyết là:
- Quy định lại điều kiện khai thác (giảm tải trọng phương tiện qua cầu). - Sửa chữa tăng cường cầu (để đảm bảo khai thác cầu với điều kiện ban đầu).
Sửa chữa và tăng cường cầu bị suy giảm khả năng chịu lực là cần thiết để đảm bảo khai thác cầu an toàn. Với loại hình kết cấu dầm cầu BTCT nhịp giản đơn có 2 biện pháp tăng cường cầu thường hay được áp dụng là:
- Sửa chữa tăng cường cầu bằng dán bản thép. - Sửa chữa tăng cường cầu bằng dự ứng lực ngồi.
Trong đó biện pháp sửa chữa tăng cường cầu bằng dán bản thép được áp dụng khá phổ biến do kĩ thuật đơn giản, chi phí thấp. Biện pháp tăng cường cầu bằng tự ứng lực ngoài thường được áp dụng với yêu cầu tăng cường tải trọng khai thác của cầu, còn biện pháp dán bản thép thường được áp dụng với yêu cầu phục hồi khả năng làm việc của cầu. Cũng có thể áp dụng đồng thời cả hai biện pháp này trong sửa chữa và tăng cường cầu BTCT.
3.4.1 Sử dụng vật liệu bê tông pôlymer PEX do Viện KHCN GTVT nghiên cứu chế tạo để sửa chữa cầu
Các polymer, đặc biệt là nhựa êpơxi có độ dính bám liên kết cao với bê tơng cũ, có cường độ kéo cao, uốn cao và hầu như khơng co ngót khi đóng rắn. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm riêng, nếu biết cách khắc phục thì bê tơng pơlymer loại này sẽ khắc phục được nhược điểm cố hữu trên và thích hợp cho cơng tác sửa chữa. Mặc dù có nhiều vật liệu khác nhau dùng để chế tạo bê tơng pơlymer, nhưng trong số đó có một hệ được sử dụng thành cơng là hệ êpơxy. Nhựa êpơxy thường có hệ số nở nhiệt cao hơn so với bê tơng thường. Điều đó có thể gây ra ứng suất nội của lớp bê tông ở dưới do ứng suất nhiệt khi chịu sự biến động nhiệt độ lớn. Do vậy cần phải kết hợp
-71-
với tác nhân dẻo hóa làm giảm độ cứng kết hợp với giải pháp đưa hỗn hợp cốt liệu sẽ làm triệt tiêu bớt ứng suất do biến đổi thể tích gây ra.
Xuất phát từ những yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi như trên của vật liệu sửa chữa, chúng tôi đã nghiên cứu sử dụng bê tông polymer PEX-Sản phẩm nghiên cứu của phịng KHCN Vật liệu-Viện Khoa học cơng nghệ Giao thơng vận tải, đã được sử dụng trong nhiều năm qua cho mục đích sửa chữa này.
3.4.1.1 Cƣờng độ của bê tơng polymer PEX
Bê tơng polymer PEX có đặc tính là cường độ nén của nó ở tuổi ít ngày đều cao hơn hẳn cường độ bê tông xi măng cùng mác. Điều đặc biệt ở những thời điểm ban đầu từ 1-5 giờ giá trị cường độ nén đều lớn đáng kể, thậm chí có thể đạt giá trị rất cao 30- 40MPa. Đặc biệt hơn nữa là cường độ kéo, uốn cuối cùng cũng như ở tuổi 1-5 giờ đều đạt được giá trị lớn đáng kể: 10-20 MPa.
Bảng dưới đây giới thiệu một số tính chất của bê tơng Polymer PEX
Loại bê tông Cường độ bê tông (Rnén/Ruốn) - MPa
3 giờ 1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày