CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN TRONG VIỆC SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CÁC CỐNG TRONG THÂN ĐẬP
2.2. Yêu cầu về vật liệu khi sửa chữa, nâng cấp các cống trong thân đập
Để thực hiện cóhiệu quả việc sửa chữa phục hồi kết cấu bê tông cốt thép cần giải quyết tốt một số vấn đề có liên quan đến các lĩnh vực khác nhau thuộc đặc tính của vật liệu bê tông và kết cấu bê tông cốt thép, tác động của tải trọng và môi trường xung quanhlên kết cấu, công nghệ thi công xây dựng, phương tiện kỹ thuật kiểm tra khảo sát… nội dung chính cần nghiên cứu bao gồm: Sửa chữa bề mặt kết cấu bê tông cốt thép bằng phương pháp xử lý những hư hỏng gây ra trong quá trình thi công bê tông, nội dung công tác chuẩn bị bề mặt kết cấu cũ để tiếp nhận vật liệu sửa chữa mới, các phương pháp đổ bê tông trong công tác thi công sửa chữa.
21
Các giải pháp xử lý các loại khe nứt với kỹ thuật xử lý bề mặt và kỹ thuật phụt chất dính kết để trám khe nứt.
Các giải pháp bảo vệ kết cấu trước tình trạng ăn mòn bê tông, bê tông cốt thép.
Các giải pháp xử lý thấm bảo vệ công trình.
Có hai vấn đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng sửa chữa:
- Thứ nhất là sự biến động về kích thước của vật liệu sửa chữa khi đã ốp vào kết cấu được sửa chữa. Sự biến động kích thước này chủ yếu là do co ngót nhưng cũng không thể bỏ qua ảnh hưởng của sự khác nhau giữa hệ số nở nhiệt, mô đun đàn hồi giữa hai vật liệu cũ và mới cũng như tính từ biến của vật liệu mới ốp vào. Do sự biến động kích thước này dẫn đến những trạng thái ứng lực phức tạp làm giảm hoặc phá hỏng kết cấu sửa chữa.
- Thứ hai là sự tham gia chịu tải của kết cấu sửa chữa với kết cấu được sửa chữa. Trong khi sửa chữa, bản thân kết cấu vẫn chịu tải, ít nhất là tải trọng bản thân. Phần sửa chữa mới ốp vào chỉ có thể tham gia chịu tác động của các tải trọng sau này nếu không dùng kỹ thuật ứng lực trước. Cho nên trên cùng một tiết diện, sự chịu tải không đồng đều. Đó là chưa kể đến tính biến động về kích thước của vật liệu mới gây trạng thái ứng lực bất lợi cho kết cấu.
Những vấn đề này cần được giảm thiểu để ảnh hưởng ít nhất đến hiệu quả sửa chữa. Việc chọn dùng vật liệu thích hợp là nhằm đáp ứng yêu cầu đó.
Sau là những yêu cầu về chất lượng của vật liệu sửa chữa cần đạt được:
2.2.1 Ổn định về kích thước.
2.2.1.1. Về tính co ngót.
Trên nền kết cấu cũ đã ổn định, hiện tượng co ngót của vật liệu sửa chữa mới gây ra ứng suất kéo trong lớp vật liệu đó làm xuất hiện những vết nứt và tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu cũ và mới xuất hiện ứng lực cắt làm cho hai lớp trượt lên nhau, phá vỡ lực dính chống trượt giữa hai lớp đó.
22
Hình 2.4: Do hiện tượng co ngót của vật liệu sửa chữa phát sinh ứng lực trượt tại bề mặt tiếp xúc và xuất hiện các khe nứt trên bề mặt [5].
Những khe nứt tách này tạo điều kiện cho nước thâm nhập kéo theo các tác nhân ăn mòn kết cấu. Do đó việc sử dụng vật liệu sửa chữa có độ co ngót tối thiểu là điều cốt yếu để đảm bảo chất lượng sửa chữa.
Để giảm độ co ngót của bê tông ta có thể áp dụng các biện pháp sau:
- Giảm hàm lượng xi măng ở mức độ tối thiểu đủ để đảm bảo cường độ cần thiết, nên dùng xi măng ít tỏa nhiệt trong quá trình đóng rắn.
- Tỷ lệ N/X tối thiểu đáp ứng được công nghệ đổ bê tông. Nên sử dụng các phụ gia giảm nước để hạ thấp tỷ lệ N/X.
- Tăng hàm lượng cốt liệu tối đa, kích cỡ cốt liệu lớn nhất có thể được.
- Cốt liệu đặc chắc và sạch.
- Kịp thời bảo dưỡng sau khi đổ bê tông, có biện pháp che chắn gió, nắng.
- Tỷ lệ N/X và C/X (C- cốt liệu) tham khảo trên hình 2.5.
23
Hình 2.5: Quan hệ N/X; C/X với mức độ với mức độ co ngót của bê tông[5].
2.2.1.2. Về hiện tượng nở nhiệt.
Dưới tác động của nhiệt độ, vật liệu mới ốp vào và vật liệu của kết cấu cũ đều giãn nở thể tích. Nếu hệ số nở nhiệt của hai loại vật liệu này khác nhau làm nảy sinh ứng suất giữa hai lớp dẫn đến hiện tượng nứt bề mặt hoặc trượt lên nhau làm cho liên kết giữa hai lớp vật liệu bị yếu đi hoặc bị phá vỡ. Cho nên tốt nhất là nên chọn vật liệu sửa chữa có cùng hệ số nở nhiệt với vật liệu kết cấu được sửa chữa để tránh hiện tượng trên.
Hình 2.6: Ứng lực trong kết cấu dưới tác dụng động của nhiệt độ khi hệ số nở nhiệt của hai vật liệu khác nhau [5].
2.2.1.3. Do hiện tượng từ biến.
Hiện tượng từ biến diễn ra trong khoảng 2-3 năm trong phần vật liệu mới ốp vào trong khi kết cấu cũ đã ổn định ( không còn từ biến). Do đó xuất
24
hiện ứng lực trượt tại mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu mới và cũ, làm giảm yếu khả năng chống trượt giữa chúng và khả năng chịu tải của vật liệu sửa chữa mới. Vì vậy nên chọn vật liệu có giá trị từ biến nhỏ nhất.
2.2.1.4. Về môđun đàn hồi E.
Nếu vật liệu sửa chữa có môđun đàn hồi E khác với môđun đàn hồi của vật liệu kết cấu cũ dưới tác động của nội lực sẽ xảy ra tình trạng phân bố không đều. Do đó có thể xảy ra khả năng trượt lên nhau tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp và có nguy cơ ứng suất trong phần kết cấu cũ vượt quá giới hạn. Vì vậy khi chọn vật liệu sửa chữa nên chọn vật liệu có cùng môđun đàn hồi với vật liệu kết cấu cũ.
Hình 2.7: Sơ đồ chịu tải của trụ pin cống được sửa chữa bằng vật liệu Ebm bé hơn Ebc của vật liệu trụ pin cống [5].
2.2.2. Các yêu cầu về khảnăng chịu tải.
Để đảm bảo khả năng chịu tải trước hết yêu cầu vật liệu sửa chữa có cường độ không nhỏ hơn cường độ của vật liệu kết cấu được sửa chữa đồng thời có mô đun đàn hồi tương đương để đảm bảo sự làm việc đồng đều trong cùng một tiết diện.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng trường hợp khác nhau. Một yêu cầu đặc biệt quan trọng là vật liệu sửa chữa có khả năng bám dính trực tiếp với vật liệu kết cấu cũ hoặc qua tác nhân bám dính.
25
2.2.3. Khảnăng chịu tác động của môi trường.
Phụ thuộc vào môi trường làm việc của kết cấu. Vật liệu sửa chữa cần đáp ứng được điều kiện làm việc trong môi trường tương ứng.
Khi kết cấu làm việc trong môi trường có nhiệt độ thay đổi, vật liệu sửa chữa cần có hệ số nở nhiệt tương đương với hệ số nở nhiệt của vật liệu kết cấu cũ để tránh gây ra ứng lực phụ trong kết cấu gây nứt tách tại bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu.
Khi kết cấu làm việc trong môi trường ăn mòn, vật liệu sửa chữa cần đảm bảo chịu được tác động của môi trường ăn mòn tương ứng. Ngoài ra vật liệu sửa chữa cần có độ đặc chắc cao, độ chống thấm tốt và ít bị co ngót.
2.2.4. Các yêu cầu về cấu tạo.
Vật liệu sửa chữa cần đáp ứng được kỹ thuật thi công. Chẳng hạn khi ốp mặt dưới kết cấu, vật liệu sửa chữa cần có độ bám dính tốt để không bị rơi xuống… Khi dùng để chèn các lỗ rò rỉ, vữa chèn cần có tốc độ đóng rắn nhanh. Khi đổ bê tông bằng bơm, yêu cầu vật liệu có độ linh hoạt cao hoặc khi đổ bê tông dưới nước cần tăng hàm lượng xi măng để bù cho nước xói rửa và không đầm kỹ. Ngoài ra, tùy theo yêu cầu cụ thể, có thể còn phải đáp ứng yêu cầu về thẩm mỹ như độ mịn, độ dẻo, ít co ngót và màu sắc phù hợp.
2.2.5. Vật liệu trên cơ sởxi măng.
Vật liệu trên cơ sở xi măng được sử dụng để sửa chữa và gia cố kết cấu bê tông cốt thép là các loại bê tông và vữa.
2.2.5.1. Xi măng
Chất kết dính phổ biến dùng trong xây dựng nói chung cũng như trong công nghệ sửa chữa và gia cố kết cấu bê tông cốt thép nói riêng là xi măng pooclăng. Xi măng pooclăng có nhiều loại như xi măng pooclăng thường, xi măng pooclăng đóng rắn nhanh, xi măng pooclăng bền sulfat, xi măng
26
pooclăng puzolan, xi măng trắng … Xi măng pooclăng thường có cường độ chịu nén từ 300 đến 600 kG/cm2, cường độ chịu uốn 45-65 kG/cm2.
Bảng 2.1: Tỷ lệ các thành phần chính trong xi măng [5].
Loại Xi măng Tricalci silicat C3S (%)
Dicalci silicat C2S (%)
Tricalci aluminat C3A (%)
Tetracalci aluminoferit
C4AF (%) Xi măng poolăcng thường
và đóng rắn nhanh 53 18 10 8
Xi măng pooclăng bền
sulfat 60 15 1 13
Xi măng pooclăng bền sulfat có cường độ chịu nén tới 400 kG/cm2 và chịu uốn tới 55 kG/cm2. Xi măng pooclăng bền sulfat khác với xi măng pooclăng thường ở thành phần hóa học: hàm lượng tối đa cho phép của C3A trong xi măng pooclăng bền sulfat là 3,5% trong khi đó trong xi măng pooclăng là không hạn chế. Tỷ lệ các thành phần trong các loại xi măng này có thể tham khảo theo bảng 2.1.
Xi măng pooclăng bền sulfat bền hơn xi măng pooclăng thường dưới tác dụng của ion sulfat nhưng đối với tác dụng của axit thìhai loại xi măng này ít khác nhau.
Xi măng cao nhôm thỉnh thoảng được sử dụng khi đòi hỏi đóng rắn nhanh nhưng được sử dụng để chịu tải trọng lâu dài. Loại xi măng này thường dùng để bịt lỗ rò, ít chịu lực và tuổi thọ không cao. Hơn nữa, do độ kiềm thấp nên cốt thép dễ bị ăn mòn.
Xi măng pooclăng trắng có thể sử dụng khi có yêu cầu về thẩm mỹ.
Trong xi măng trắng lượng C4AF thường bé hơn 1% trong xi măng thường là 8%. Có thể pha màu vô cơ trong xi măng trắng để tạo màu cho sản phẩm.
27
2.2.5.2. Cốt liệu.
Cốt liệu nhỏ là cát. Hình dáng cát có ảnh hưởng lớn đến chất lượng vật liệu. Với hạt cát tròn (cát khai thác) lượng nước ít hơn so với cát được nghiền ra từ đá do đó giàm được co ngót. Thành phần cỡ hạt rất quan trọng để tạo ra độ chắc của bê tông. Cấp phối cữ hạt bê tông và vữa chống thấm tham khảo trên biểu đồ hình 2.5.
Hình 2.8: Cấp phối cỡ hạt cho bê tông và vữa chống thấm [5].
a) Cốt liệu bê tông (0-30mm) ; b) Cát cho vữa (0-7mm)
Cốt liệu lớn là các loại sỏi hay đá dăm. Phụ thuộc vào kích thước kết cấu được sửa chữa mà chọn cỡ vật liệu. Tại những chỗ chật hẹp khó đổ bê tông có thể dùng loại cốt liệu nhỏ có đường kính trên dưới 10mm. Cốt liệu tròn như sỏi dễ đầm chặt hơn các loại cốt liệu có góc cạnh như đá dăm.
Những loại đá dẹt không nền dùng vì khó đầm chặt.
Trong một số trường hợp có thể dùng các loại cốt liệu đặc biệt như cốt liệu siêu mịn nhằm lấp kín các lỗ hổng giữa các vật liệu thông thường. Một số cốt liệu siêu mịn như tro bay, microsilica còn làm tăng cường độ và độ chống thấm, có thể dùng để thay thế một phần xi măng. Các cốt liệu nhẹ sử dụng khi
28
có yêu cầu hạn chế trọng lượng cho kết cấu. Các loại cốt liệu chống ăn mòn, chịu nhiệt, chống bào mòn .v.v… được sử dụng cho các trường hợp tương ứng.
2.2.5.3. Phụ gia.
Phụ gia được áp dụng để cải thiện tính chất của chất kết dính, vữa và bê tông. Phụ gia được đưa vào trong thành phần của chất kết dính hoặc cùng lúc với các thành phần khác của bê tông vữa. Phụ gia có thể có dạng bột khô hoặc dạng lỏng. Phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng của vật liệu mà dùng các phụ gia thích hợp như :
• Phụ gia khoáng hoạt tính nâng cao độ chặt, ổn định trong nước và muối cho bê tông và vữa, giảm được lượng xi măng.
• Phụ gia hoạt tính bề mặt có mục đích giảm lượng xi măng, chống thấm, tăng độ chặt, độ chịu băng giá, giảm lượng nước, dễ đổ và dễ vận chuyển. Trong một số trường hợp có tác dụng làm tăng độ bền của bê tông và vữa.
• Phụ gia chịu axit, chịu kiềm.
• Phụ gia chịu nhiệt.
• Phụ gia tạo bọt.
• Phụ gia điều chỉnh thời gian đóng rắn: loại phụ gia đóng rắn nhanh và phụ gia làm chậm đóng rắn.
• Phụ gia tăng tính chống thấm.
• Phụ gia tăng cường khả năng chịu băng giá.
Hiện nay việc sử dụng phụ gia polyme đã trở nên thông dụng. Phụ gia polyme có tác dụng tăng khả năng chống thấm, chịu băng giá, chịu ăn mòn, tăng khả năng va chạm, chịu rung động, tăng độ bền chịu kéo và nén, tăng tính dẻo, giảm nước . ..
29
Hiện nay trên thị trường trong nước có khá nhiều loại phụ gia có thể đáp ứng được phần lớn các yêu cầu cải thiện tính năng cho vữa và bê tông như phụ gia của các hãng sika, MBT, FOSROC, shell, Henkel ….
2.2.6. Vật liệu trên cơ sở polyme.
Vật liệu polyme được sử dụng dưới hai dạng:
- Polyme để cải thiện vật liệu trên cơ sở xi măng.
- Nhựa rắn nhiệt hoạt tính chủ yếu là epoxy, polyeste không no và acrylic không no.
2.2.6.1. Polyme dùng để cải thiện vật liệu trên cơ sở xi măng.
Polyme được dùng như các phụ gia cho vữa và bê tông nhằm cải thiện tính năng sử dụng của chúng. Với những loại vữa này chỉ cần dày 12 – 15 mm cũng đủ để bảo vệ cốt thép.
Polyme latex có tác dụng :
• Giảm nước, dẻo hoá dễ thi công, giảm co ngót.
• Tăng độ dính giữa vữa và bê tông kết cấu cũ.
• Tăng độ chống thấm, giảm cacbonat hoá, tăng khả năng chịu ăn mòn hoá chất, dầu mỡ.
• Tăng cường độ chịu kéo và uống cho vữa và bê tông.
• Một phần nào giúp cho việc bảo dưỡng.
Dùng làm phụ gia có các loại polyvinyl acetat (PVAc), styren butadien (SRR), polyvinyliden diclorit (PVDC), acrylic và acrylic biến tính.
Latex PVDC không dùng kết cấu bê tông cốt thép vì có khả năng clorit tự do ở lại lâu dài trong bê tông, ăn mòn cốt thép.
Latex PVAc làm tăng độ dính, không dùng trát bên ngoài hoặc trong điều kiện làm việc ẩm ướt vì dễ hư hỏng trong điều kiện ẩm ướt có kiềm tính.
Latex styren butadien (SRR), latex acrylic và acrylic biến tính được sử dụng rộng rãi hơn cả. Chúng được dùng làm phụ gia cho vữa bê tông, có độ
30
dẫn nhiệt tương hợp với kết cấu cũ, co ngót ít, chịu băng giá tốt và nâng cao cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông và vữa.
2.2.6.2. Vữa chất dẻo.
Được sử dụng khi yêu cầu lớp trát dưới 12mm. Vữa polyme biến tính trên cơ sở xi măng nhờ có tính kiềm mà giữ cho cốt thép không bị ăn mòn còn vữa chất dẻo thì bao bọc cốt thép cách ly với tác nhân ăn mòn.
Vữa chất dẻo dùng trong sửa chữa có các loại trên cơ sở nhựa epoxy, nhựa polyeste, nhựa acrylic … Nhựa epoxy được sử dụng rộng rãi hơn cả.
Vữa polyeste và acrylic cũng được sử dụng nhưng cới diện tích nhỏ và đòi hỏi đạt nhanh độ cứng, không dùng sửa chữa diện tích lớn vì nguy cơ co ngói sẽ gây nứt, bong. Vữa epoxy với chất độn nhẹ có thể trát các lớp dày tới 30mm một lần và có thể trát lên bề mặt phẳng thẳng đứng. Đặc tính của nhóm vật liệu sửa chữa cho trong bảng 2.2.
31
Bảng 2.2: Đặc tính cơ lý của một số loại vật liệu sửa chữa (1).
TT Tên vật liệu
Cường độ (KG/cm²)
Nhiệt độ sử dụng tối đa Tma x °C
Sử dụng Nén Uốn Kéo
E (KG/
cm²) Độ dãn dài (%)
Hệ số nhiệt dãn
Độ nước hút
(%) sau 7 ngày
Độ co ngót
Chịu băng giá
1
Bê tông và vữa XM poolăng (2)
100
-700 15 - 35
2-
3,12 0 7-
12.10^5 5,1-
15
0,05-
0,1 tốt 200- 300
Các sửa chữa và gia cố BTCT nhỏ và lớn
2
Bê tông và vữa XM poolăng phun
200-
700 2,65-
105 0 7-
12.10^6 3,1-
10
0,05-
0,1 tốt 200-
300 - nt -
3
Bê tông và vữa XM biến tính polyme
100- 800
60- 150
20- 80
12,1-
3105 0-5 8- 20.10^6
0,1- 0,5
0,05- 0,1
rất tốt 100-
300
4
Bê tông và vữa epoxy
(3)
500- 1100
250- 500
90- 200
0,05- 2105
0- 15
25-
30.10^6 0-1,5 <0,0 5
rất tốt 40- 80
làm chất kết dính, trám khe nứt và khuyết tật các
trong bê tông, chắp và
hoàn thiện bề
mặt 5
Bê tông và vữa polyeste
550- 1100
250- 300
80- 170
0,2-
1,10 0-2 25- 30.10^6
0,2-
0,5 50-
80 - nt -
Ghi chú:
(1) - Những số liệu cho trong bảng chídùng để tham khảo, khi thiết kế phải qua thí nghiệm;
(2) - Có thể có phụ gia hoặc không có phụ gia;
(3)- Tùy theo điều kiện sử dụng mà có các thành phần pha chế khác nhau.
32