Khái niệm sử dụng sợi để cải thiện tác động của vật liệu xây dựng đã có từ lâu và còn 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 tông) 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 tông đang hóa cứng.
Ở phương diện kết cấu (khi bê tông đã hóa cứng hoàn toàn) 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 công 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 ngoài.
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 êpôxi có độ dính bám liên kết cao với bê tông cũ, có cường độ kéo cao, uốn cao và hầu như không co ngót khi đóng rắn. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm riêng, nếu biết cách khắc phục thì bê tông pôlymer loại này sẽ khắc phục được nhược điểm cố hữu trên và thích hợp cho công tác sửa chữa. Mặc dù có nhiều vật liệu khác nhau dùng để chế tạo bê tông pôlymer, nhưng trong số đó có một hệ được sử dụng thành công là hệ êpôxy. Nhựa êpôxy thường có hệ số nở nhiệt cao hơn so với bê tông 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 phòng KHCN Vật liệu-Viện Khoa học công nghệ Giao thông vận tải, đã được sử dụng trong nhiều năm qua cho mục đích sửa chữa này.
3.4.1.1 Cƣờng độ của bê tông polymer PEX
Bê tông 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 tông Polymer PEX
Loại bê tông Cường độ bê tông (Rnén/Ruốn) - MPa
3 giờ 1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
Bê tông pôlyme
PEX
210/90 340/100 410/130 420/150 450/160
Bê tông xi măng 0/0 80/2 230/28 370/45 450/54
Bê tông polymer PEX được xác định cường độ nén và cường độ kéo khi uốn ở các tuổi 3 giờ, 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày.
Đồng thời cũng xác định cường độ đó trên bê tông xi măng pooclăng thường của mẫu đối chứng có mác nén tương đương (cường độ nén tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày).
Từ số liệu của cường độ bê tông, ta thấy ở bê tông Polymer PEX cường độ rất nhanh đạt đến mác thiết kế và cường độ ở tuổi ít ngày đạt khá cao. Chẳng hạn xét về phương diện chịu lực nếu sửa chữa bê tông Polymer PEX thì chỉ cần sau 3 giờ có thể đạt được cường độ cho xe cộ đi lại được trong khi đó nếu bằng bê tông xi măng poociăng thông thường thì cần tới cỡ 14 ngày, nếu chỉ xét về cường độ chịu nén cũng phải sau 7 ngày. Đó là chưa nói đến công tác bảo dưỡng bê tông sau sửa chữa. Nếu sử dụng bê tông Polymer PEX thì hầu như không phải làm công tác bảo dưỡng, nhưng sử dụng bê tông xi măng poóclăng thì công tác bảo dưỡng phải kéo dài đến 7 ngày.
-72-
3.4.1.2 Lực liên kết bám dính của bê tông pôlymer PEX với bê tông cũ
Lớp bê tông mới sửa chữa thường chỉ chiếm một phần của kết cấu cũ cho nên một yêu cầu đầu tiên là phần bê tông mới sửa chữa với bê tông cũ tốt nhất là giống nhau về mọi mặt để đảm bảo tính đồng nhất, muốn thế thì yêu cầu đầu tiên phải giải quyết tốt liên kết giữa bê tông mới sửa chữa với bê tông cũ. Do đó cường độ kéo, uốn của liên kết đó phải đảm bảo không nhỏ hơn của bê tông cũ. Một đặc điểm khác nữa của công tác sửa chữa là phần bê tông mới sửa chữa thường có kích thước bề mặt rộng và kích thước chiều dày nhỏ. Do đặc tính co mềm, co ngót của bê tông xi măng poóclăng nên nếu cộng thêm với đặc tính liên kết giữa bê tông mới và bê tông cũ thấp thì lớp bê tông mới sẽ bị cong và bong tróc cũng là điều khó tránh khỏi. Do vậy lực liên kết bám dính của bê tông mới với bề mặt bê tông cũ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công tác sửa chữa BTCT. Qua những thử nghiệm cường độ liên kết bám dính của bê tông polymer PEX với bê tông nền, qua thí nghiệm khả năng chịu uốn gẫy tại liên kết và khả năng chịu cắt-trượt tại liên kết cho thấy: Cường độ liên kết đó đều đạt ở mức không nhỏ hơn cường độ liên kết nguyên dạng của bê tông nền và lớn hơn nhiều so với liên kết được thực hiện qua vật liệu sửa chữa bê tông, vữa xi măng poóclăng. Bảng dưới đây giới thiệu kết quả thử nghiệm về cường độ liên kết của bê tông nền với bê tông polymer PEX qua thí nghiệm sau: Mẫu bê tông dạng dầm kích thước 150x150x600mm có mác theo cường độ kéo (45/10,19 MPa), được thí nghiệm uốn gẫy và cường độ uốn đó được xem là cường độ liên kết của bê tông nền nguyên dạng. Mẫu sau khi bị uốn gẫy, dùng bê tông Polymer PEX dán liên kết hai nửa bê tông vừa gẫy trên và sau 24 giờ liên kết đem uốn lại mẫu, xác định cường độ uốn.
Đó là cường độ liên kết giữa bê tông nền với bê tông Polymer PEX. Kết quả thí nghiệm cho thấy mẫu bị uốn gẫy ở cường độ cao hơn và vị trí phá hủy gẫy nằm ở mặt ngoài liên kết gắn của bê tông nền với bê tông Polymer PEX, và thuộc phía bê tông nền.
Loại vật liệu sửa chữa
Diện tích liên kết
(cm2)
Cường độ liên kết bám dính Ruốn Sơ đồ thử nghiệm (vị trí phá hoại) Bê tông nền Sau 3h Sau 24h
Vữa polymer PEX 225 4,2 4,5 5,5 Gẫy ngoài liên kết
Bê tông nền (BTX) 225 4,2 0 4,2 -
Keo êpôxy 225 4,2 4,0 4,4 Gẫy tại vị trí phá hoại
-73-
Mặt khác cũng để so sánh với cường độ liên kết giữa bê tông nền với keo êpôxy, tiến hành thí nghiệm liên kết gắn hai nửa mẫu bê tông gẫy trên bằng keo êpôxy, kết quả cho thấy cường độ liên kết đạt tương đương cường độ của bê tông nền, nhưng thấp hơn cường độ liên kết của bê tông polymer PEX, còn vị trí phá hủy của nó lại xảy ra ngay tại vị trí vết dán liên kết. Đương nhiên là nó cao hơn nhiều so với cường độ liên kết của vữa bê tông mới dùng để gắn kết hai vữa bê tông trên. Rõ ràng là cường độ liên kết dính bám của bê tông polymer PEX với bê tông nền cao hơn liên kết của bê tông nền và cao hơn hẳn cường độ liên kết dính bám của vữa xi măng hoặc bê tông xi măng với bê tông cũ và cũng cao hơn so với trường hợp gắn kết bê tông bằng keo êpôxy.
3.4.1.3 Cƣờng độ liên kết bám dính của BT polymer PEX với thép và cốt thép
Cường độ liên kết bám dính của bê tông polymer PEX với thép và cốt thép cũng quan trọng như liên kết giữa bê tông mới sửa chữa với bê tông cũ. Trong các công trình bị hư hỏng phần nhiều là do quá trình gỉ cốt thép làm mất lực liên kết bám dính đó, đồng thời phá hủy lớp bê tông xung quanh và bê tông bên ngoài. Hai yếu tố bảo vệ và liên kết tốt của bê tông sửa chữa mới và sự gỉ cốt thép có ảnh hưởng tương quan rất
mạnh đối với nhau. Chất lượng bê tông sửa chữa không tốt, tác dụng bảo vệ cốt
thép không tốt, lực liên kết bám dính với cốt thép không tốt sẽ thúc đẩy nhanh quá trình gỉ cốt thép. Vì thế cần quan tâm đặc biệt đến tính năng bảo vệ và cường độ bám dính của vật liệu sửa chữa đối với cốt thép.
3.4.1.4Khả năng chịu mỏi và độ bền dƣới tác dụng của tải trọng động
Chúng tôi cho rằng đánh giá một cách sinh động nhất về khả năng này của vật liệu sửa chữa bê tông polymer PEX là cho kết cấu sau khi được sửa chữa làm việc với tải trọng động ở điều kiện bất lợi. Theo cách đó chúng tôi đã tiến hành liên kết dán khối bê tông mác 40MPa với hai đầu của kết cấu tà vẹt bê tông. Các khối liên kết được gá lắp giữ cho toàn bộ hai cụm phụ kiện đàn hồi của tà vẹt bê tông chịu
tải trọng Pmax = 14 tấn, Pmin = 7 tấn. Kết cấu vừa chịu tải trọng nén vừa chịu lực
cắt-trượt (tải trọng đạp ngang). Đồng thời hệ chịu tác động của chấn động rung với tần số 220 dao động/phút. Chúng làm việc liên tục nhiều ngày đêm để đạt được 2 triệu chu kỳ dao động. Trong suốt thời gian làm việc, mối liên kết phải
chịu lực cắt-trượt 3,5 tấn trên diện tích liên kết bám dính với bê tông là 70cm2.
Sau khi hoàn thành 2 triệu chu kỳ dao động toàn bộ kết cấu và mối liên kết bám dính vẫn nguyên vẹn không có sự hư hỏng khiếm khuyết nào.
-74-
Cường độ liên kết bám dính của bê tông pôlymer PEX với bê tông nền:
Loại vật liệu sửa chữa Diện tích liên kết bám dính (cm2) Cường độ nén của bê tông nền (MPa)
Cường độ liên kết chịu cắt-trượt (MPa)
Sau 3 giờ Sau 24 giờ
VPP (vữa polymer PEX) 58 30 3,7 5,8
VX (vữa xi măng cùng mác) 58 30 0 0
3.4.1.5 Vật liệu sửa chữa và công tác chuẩn bị
Các cốt liệu sử dụng cho bê tông polymer PEX phải vừa đáp ứng yêu cầu của thiết kế thành phần bê tông polymer PEX, vừa đáp ứng các yêu cầu cơ bản của tiêu chuẩn
TCVN 1771-1987. Kích thước Dmax của cốt liệu không được vượt quá 1/3 chiều dày
của lớp rải hoặc chiều dày của phần bê tông được gia cố. Cốt liệu nhỏ phải chứa chủ yếu là Oxyt Silic và đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 1770 - 1986. Xi măng sử dụng là xi măng Poóclăng loại PC hoặc PCB, đảm bảo yêu cầu của TCVN 2682- 1999, TCVN 6260-1997. Các phụ gia hóa học phải đảm bảo các yêu cầu của công nghệ và qui định của thiết kế (có thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM C494).
Các thí nghiệm nhằm xác định tính tương hợp của các phụ gia với xi măng trong điều kiện thi công phải được tính đến và làm trước khi bắt đầu sửa chữa. Nếu sử dụng vữa hoặc bê tông xi măng poóclăng thì yêu cầu phải có tỷ lệ N/X thấp và không được lớn hơn 0,45. Khi sửa chữa các ổ gà hoặc rải phủ lớp mỏng cần phải có chất gắn kết tăng cường bám dính với bê tông cũ hoặc với cốt thép. Chất gắn kết có thể là xi măng poóclăng biến tính hoặc một dạng đặc biệt khác. Các chất gắn kết này cần sử dụng theo chỉ dẫn của nơi sản xuất.
Bê tông và vữa polymer PEX khi chế tạo theo hướng dẫn của Viện KHCN GTVT, cần định lượng chính xác. Chất polymer, các phụ gia biến tính phải được trộn đều, đồng nhất. Cấp phối của bê tông polymer phải được tính toán trước để bê tông polymer có độ đặc yêu cầu và cường độ phù hợp với thiết kế. Để đạt được độ bền lâu, tỷ lệ rỗng không lớn.
Vì sự đóng rắn của bê tông polymer PEX không phải là một quá trình thủy hóa xi măng, mà là quá trình polymer hóa. Cho nên các phản ứng hóa học sẽ bắt đầu ngay sau khi các thành phần chất kết dính được phối hợp với nhau và thời gian xảy ra
-75-
polymer hóa không dài. Vì vậy quá trình trộn và thời gian trộn phụ thuộc vào loại và tỷ lệ các chất trong hệ kết dính và nhiệt độ môi trường.
Kỹ thuật trộn vữa polymer PEX:
- Việc trộn có thể tiến hành bằng tay đối với những khối lượng nhỏ. - Có thể trộn bằng máy khuấy vận tốc nhỏ, nếu khối lượng không lớn.
- Hoặc trộn bằng máy trộn bê tông cưỡng bức với khối lượng trộn lớn hơn khi trộn bằng tay hoặc bằng máy trộn có vận tốc nhỏ thì cần phải trộn các thành phần của chất kết dính trước, sau đó mới trộn đều với hỗn hợp khô. Nếu trộn bê tông trong máy trộn thì thực hiện theo trình tự: sau khi hệ chất kết dính được trộn đều, chúng mới được đổ vào máy trộn đang trộn hỗn hợp khô.
3.4.2 Sửa chữa tăng cƣờng dầm cầu BTCT bằng biện pháp thêm dự ứng lực ngoài
Nhược điểm chính của dầm bê tông cốt thép là khi chịu tải trọng, khi ứng suất trong
cốt thép mới đạt tới 500 kg/cm2 thì bê tông đã bị nứt chính bởi độ dãn của bê tông khi
chịu kéo không thể vượt quá 0,15-0,20%... Sự nứt của bê tông nói chung không ảnh