Để đảm bảo sự liên kết của tường bê tông khí chưng áp cần bố trí các thanh thép liên kết với các kết cấu cột, dầm, sàn liền kề. Ngoài ra, thép cũng được bố trí trong các hàng xây để tránh nứt và chống đẩy ngang. Theo chỉ dẫn thi công, các thanh thép được đặt trong mạch vữa khi xây bằng vữa thường và được đặt trong rãnh khoét sẵn trên mặt viên xây khi xây bằng vữa mạch mỏng.
Duy trì trạng thái thụ động của bề mặt thép để thép không bị ăn mòn là yêu cầu quan trọng nhằm đảm bảo khả năng làm việc lâu dài của khối xây. Đối với kết cấu bê tông nặng thông thường, để thép không bị ăn mòn cần đảm bảo mác bê tông hay khả năng chống thấm của bê tông và chiều dày lớp bê tông bảo vệ cần thiết. Các yêu cầu đối với lớp bê tông nặng bảo vệ cốt thép đã được quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên, các số liệu về khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông nhẹ còn rất hạn chế.
Nghiên cứu về khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông nhẹ trong điều kiện Việt Nam [3] đã được tiến hành với bê tông khí đóng rắn tự nhiên và bê tông cốt liệu polystyrol có khối lượng thể tích dao động trong khoảng từ 400 kg/m3
đến 1.000 kg/m3. Các số liệu thí nghiệm cho thấy khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông nhẹ kém hơn so với bê tông thường. Khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông
nhẹ phụ thuộc vào loại bê tông và khối lượng thể tích của bê tông. Khi tăng khối lượng thể tích, khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông được cải thiện đáng kể.
Các biểu hiện ăn mòn cốt thép bắt đầu xuất hiện với mẫu dùng bê tông khí dưỡng hộ tự nhiên có khối lượng thể tích 700 kg/m3
sau 5 tháng lưu giữ. Cốt thép trong bê tông nhẹ có khối lượng thể tích dưới 700 kg/m3
và chiều dày lớp bê tông 3 cm cần được bảo vệ chống ăn mòn bằng các biện pháp bổ sung như sơn phủ bề mặt. Các kết quả này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu [53, 59] trước đây tại Liên Xô (cũ) với bê tông cốt liệu nhẹ và bê tông khí.
Cho đến nay, khả năng bị ăn mòn của cốt thép trong khối xây ở Viện Nam chưa được nghiên cứu đầy đủ. Các hướng dẫn thi công chưa quy định khoảng cách tối thiểu giữa thanh thép và bề mặt tường. Tuy nhiên, trong khối xây bên cạnh lớp gạch xây, lớp vữa trát và các lớp hoàn thiện mặt ngoài khác cũng đóng vai trò nhất định trong việc bảo vệ cốt thép. Ngoài ra, cốt thép không hoàn toàn nằm trong môi trường bê tông nhẹ mà còn được bảo vệ bằng lớp vữa xây. Mặt khác, đối với khối tường, nguy cơ nước và các tác nhân ăn mòn thâm nhập qua mạch vữa là khá cao nếu vữa không bám dính tốt với nền. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá khả năng ăn mòn cốt thép trong khối xây, nhất là khối xây bê tông khí chưng áp là rất cần thiết. Đây là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi khối lượng lớn thí nghiệm và nghiên cứu chuyên sâu. Mục tiêu nghiên cứu về ăn mòn cốt thép trong phạm vi luận án chỉ nhằm so sánh, đánh giá sơ bộ khả năng ăn mòn cốt thép trong khối xây sử dụng vữa thường và vữa mạch mỏng.
Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ bê tông khí chưng áp và vữa nghiên cứu. Viên xây sử dụng để tạo mẫu có kích thước 50x100x300 mm được cắt từ các blốc bê tông khí chưng áp. Độ ẩm viên xây khi tạo mẫu được duy trì trong khoảng từ 5% đến 15%.
Cốt thép sử dụng trong nghiên cứu là thép vằn AIII đường kính 10 mm. Tạo hai tổ mẫu mỗi tổ gồm 10 viên mẫu, một tổ sử dụng vữa xây thường M75, một tổ sử dụng vữa mạch mỏng. Trong trường hợp sử dụng vữa xây thường (mẫu VT), trước tiên trải lớp vữa xây dày 10±2 mm lên bề mặt viên xây thứ nhất. Đặt thanh thép lên lớp vữa xây sao cho trùng với trục dọc của viên xây và một đầu thanh thép cách mép viên xây 50 mm. Ấn nhẹ thanh thép ngập vào lớp vữa xây. Sau đó đặt viên xây thứ hai lên trên và gõ đều trên bề mặt cho hai viên tiếp xúc tốt với nhau.
Khi sử dụng vữa mạch mỏng (mẫu VM), trước tiên dùng các dụng cụ tạo rãnh để khoét trên bề mặt viên xây thứ nhất một rãnh theo trục dọc của viên xây sâu 10 mm. Đặt thanh thép vào rãnh sao cho một đầu thanh thép cách mép viên xây 50 mm. Trải vữa mạch mỏng lên trên, tạo răng cưa trên mặt vữa rồi đặt viên xây thứ hai lên trên. Gõ đều để viên xây tiếp xúc hoàn toàn với vữa và để mạch vữa có chiều dày từ 2 mm đến 5 mm.
Đầu nhô ra ngoài của thanh thép có chiều dài từ 70 mm được làm sạch mỗi lần trước khi tiến hành thí nghiệm. Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện phòng thí nghiệm trong vòng 7 ngày. Sau đó mẫu vẫn được giữ trong điều kiện phòng thí nghiệm nhưng được tưới nước mỗi ngày một lần. Định kỳ tiến hành xác định thế ăn mòn của cốt thép theo tiêu chuẩn TCXD 294:2003.
Hình 4.4 Thí nghiệm mức độ ăn mòn cốt thép Bảng 4.4 Thế ăn mòn cốt thép của các mẫu nghiên cứu Thời
gian, ngày
Loại mẫu
Thế ăn mòn cốt thép, mV của viên mẫu
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 TB 28 VT -31 -36 -36 -31 -21 -15 -21 -15 -13 -14 -23,3 VM -33 -31 -21 -28 -27 -30 -24 -31 -25 -19 -26,9 56 VT -29 -35 -27 -29 -19 -15 -12 -13 -14 -14 -20,7 VM -27 -28 -17 -25 -27 -14 -12 -14 -14 -15 -19,3 84 VT -30 -26 -25 -30 -22 -16 -13 -14 -25 -17 -21,8 VM -33 -29 -15 -23 -15 -25 -23 -15 -17 -17 -21,2 Kết quả thí nghiệm tại Bảng 4.4 cho thấy sau 3 tháng lưu giữ cả mẫu thí nghiệm sử dụng vữa thường và sử dụng vữa mạch mỏng, thế ăn mòn đều lớn hơn -200 mV chứng tỏ 90% khả năng cốt thép chưa bị ăn mòn. Các kết quả còn cho thấy trong vòng 3 tháng đầu tiên chưa có sự khác biệt về thế ăn mòn giữa các mẫu sử dụng vữa thường và sử dụng vữa mạch mỏng.
Thí nghiệm khả năng ăn mòn cốt thép vẫn được tiếp tục duy trì nhằm thu thập các số liệu ở các tuổi dài ngày hơn.
4.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của vữa mạch mỏng tới cƣờng độ khối xây
Cường độ khối xây phụ thuộc vào cường độ của viên xây, của vữa và liên kết giữa vữa và khối xây. Theo [26] cường độ khối xây sử dụng vữa thường có thể được tính toán dựa trên cường độ của vữa và viên xây theo công thức sau:
3 , 0 7 , 0 m b k k f f f (4.1)
trong đó fk : cường độ khối xây k : hệ số thực nghiệm fb : cường độ viên xây fm: cường độ vữa xây
Cường độ khối xây sử dụng vữa thường cũng có thể được xác định bằng cách tra bảng dựa trên cường độ viên xây và cường độ vữa xây theo tiêu chuẩn TCVN 7753:1991 "Kết cấu gạch đá - Tiêu chuẩn thiết kế".
Tuy nhiên, các tài liệu [31, 48] cho thấy phương pháp tính toán này không phù hợp với khối xây bê tông khí chưng áp sử dụng vữa mạch mỏng. Để góp phần làm rõ cơ chế phá hoại và khả năng chịu lực của vữa mạch mỏng so với vữa thường khi xây tường bê tông khí chưng áp, cũng như so với phương án tường gạch truyền thống, đã tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của khối xây sử dụng các phương án vật liệu khác nhau.
4.2.1 Thí nghiệm cường độ chịu nén của khối xây
Trong khuôn khổ nghiên cứu, tiến hành chuẩn bị và thí nghiệm ba tổ mẫu khối xây sử dụng các phương án vật liệu như sau:
- mẫu AAC1 dùng 04 viên xây bê tông khí chưng áp xây bằng vữa xây thường với chiều dày mạch vữa 10-12 mm;
- mẫu AAC2 dùng 04 viên xây bê tông khí chưng áp xây bằng vữa mạch mỏng với chiều dày mạch vữa 2-5 mm;
- mẫu Brick dùng 05 viên gạch rỗng đất sét nung xây bằng vữa xây thường với chiều dày mạch vữa 10-12 mm.
Gạch rỗng đất sét nung sử dụng trong nghiên cứu được thí nghiệm theo TCVN 6355:2009, có cường độ chịu nén thực tế 13,8 MPa, cường độ chịu uốn 5,6 MPa và độ hút nước 9,7%.
Vữa xây thường mác M75 sử dụng xi măng Nghi sơn PCB40, cát vàng sông Lô có cường độ chịu nén thực tế ở 28 ngày tuổi 8,1 MPa.
Tải trọng phá hoại dự kiến cho khối xây được xác định trên cơ sở cường độ chịu nén tính toán. Tuy nhiên, khối xây sử dụng vữa xây thường và vữa xây mạch mỏng được tính toán theo hai phương pháp khác nhau.
a) b)
Hình 4.5 Thí nghiệm cường độ chịu nén của khối xây
a) Bố trí thí nghiệm b) Dạng phá hoại khối xây
Cường độ chịu nén tính toán của khối xây bê tông khí chưng áp và gạch rỗng đất sét nung với vữa xây thường được tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5573:1991 bằng cách tra bảng với các giá trị đầu vào là cường độ thực tế của viên xây và vữa. Với thí nghiệm phá hoại, tải trọng phá hoại dự kiến được lấy bằng hai lần tải trọng tính toán nhân với tiết diện chịu lực.
Cường độ chịu nén tính toán của khối xây bê tông khí chưng áp sử dụng vữa mạch mỏng được xác định theo ACI 530-08 tức là bằng cường độ đặc trưng (cường độ chịu nén tối thiểu) của bê tông khí chưng áp. Tải trọng phá hoại dự kiến được lấy bằng cường độ tính toán nhân với tiết diện chịu lực.
Cường độ thực tế của khối xây được tính toán dựa trên giá trị tải trọng phá hoại thực tế, tiết diện chịu lực và hệ số chuyển đổi phụ thuộc tỷ lệ chiều cao và chiều dày khối xây.
Kết quả thí nghiệm các khối xây lần lượt được trình bày tại Bảng 4.5, Bảng 4.6 và Bảng 4.7.
Dạng phá hoại được ghi nhận theo ASTM C1314-11. Riêng với khối xây gạch rỗng đất sét nung, phá hoại xảy ra tức thời do đó không ghi nhận được dạng phá hoại.
Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm mẫu AAC1 (xây bằng vữa thường) TT Cấp tải trọng (PTN=60kN) Tải trọng (kN)
Kết quả thí nghiệm các mẫu Cường độ khối xây, MPa Mẫu 1 (99x298x428) Mẫu 2 (97x305x449) Mẫu 3 (98x302x430) 1 I (tới 50% PTN) 30 - - - 2,86 2 II (tới 100% PTN) 60 Bắt đầu xuất hiện vết nứt - - 3 III (tới phá hoại) - Phá hoại dạng 7 P1 = 73,5 kN R1 = 2,92 MPa Phá hoại dạng 4 P2 = 69 kN R2 = 2,78 MPa Phá hoại dạng 6 P3 = 72 kN R3 = 2,86 MPa
Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm mẫu AAC2 (xây bằng vữa mạch mỏng)
TT Cấp tải trọng (PTN=105kN)
Tải trọng
(kN)
Kết quả thí nghiệm các mẫu Cường độ khối xây, MPa Mẫu 1 (97x295x408) Mẫu 2 (96x297x409) Mẫu 3 (97x299x406) 1 I (tới 50% PTN) 52 - - - 3,90 2 II (tới 100% PTN) 105 Phá hoại dạng 1 P1 = 101,2 kN R1 = 4,12 MPa Phá hoại dạng 3 P2 = 90,6 kN R2 = 3,71 MPa Phá hoại dạng 3 P3 = 96,3 kN R3 = 3,86 Mpa 3 III (tới phá hoại) - - - -
Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm mẫu Brick (gạch rỗng đất sét nung xây bằng vữa thường)
Cấp tải trọng (PTN=82kN)
Tải trọng
(kN)
Kết quả thí nghiệm các mẫu Cường độ khối xây, MPa Mẫu 1 (96x207x310) Mẫu 2 (98x208x306) Mẫu 3 (96x203x321) 1 I (tới 50% PTN) 41 - - - 5,55 2 II (tới 100% PTN) 82 - - - 3 III (tới phá hoại) - Phá hoại nhanh P1 = 97,5 kN R1 = 5,38 MPa Phá hoại nhanh P2 = 110 kN R2 = 5,88 MPa Phá hoại nhanh P3 = 95 kN R3 = 5,38 Mpa
Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu nén thực tế của khối xây gạch đất sét nung sử dụng vữa thường và khối xây bê tông khí chưng áp sử dụng vữa thường khá phù hợp với tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5573:1991. Do đó, có thể sử dụng TCVN 5573:1991 trong tính toán khối xây bê tông khí chưng áp xây với vữa thường.
Sử dụng vữa mạch mỏng làm tăng tới 36% cường độ chịu nén của khối xây bê tông khí chưng áp. Tính toán cường độ khối xây bê tông khí chưng áp sử dụng vữa mạch mỏng theo tiêu chuẩn TCVN 5573:1991 sẽ thiên về an toàn. Kết quả thí nghiệm cường độ thực tế của khối xây này phù hợp với chỉ dẫn của ACI 530-08 tức là bằng cường độ đặc trưng (cường độ chịu nén tối thiểu của tổ mẫu). Sử dụng vữa mạch mỏng làm thay đổi dạng phá hoại của khối xây bê tông khí chưng áp. Phá hoại của khối xây có dạng côn và vết nứt dọc đi qua cả phần bê tông của viên xây và vữa (Hình 4.5,b). Trong khi đó, phá hoại của khối xây bê tông khí chưng áp xây bằng vữa thường hay xảy ra tại phần tiếp giáp giữa viên xây và vữa.
4.2.2 Thí nghiệm gia tải tấm tường
Thí nghiệm gia tải tường bê tông khí chưng áp được tiến hành nhằm kiểm tra lại tính toán cường độ khối xây bê tông khí chưng áp với vữa thường và vữa mạch mỏng. Đồng thời đánh giá các đặc trưng phá hoại của tường trong mỗi trường hợp.
Thí nghiệm gia tải tấm tường được thực hiện tại Viện Chuyên ngành Kết cấu Công trình Xây dựng - Viện KHCN Xây dựng.
Trong nghiên cứu này, tiến hành gia tải hai mẫu tường bê tông khí chưng áp xây bằng vữa xây thường (tường T1) và bằng vữa xây mạch mỏng (tường T2). Các viên xây sử dụng trong thí nghiệm có kích thước 100x100x300 mm. Tường bê tông khí chưng áp xây với vữa thường bao gồm 7 hàng xây có kích thước 1820x780x99 mm, tường xây với vữa mạch mỏng gồm 8 hàng xây có kích thước 1800x810x98 mm. Tường được xây và bảo dưỡng trong phòng thí nghiệm.
Tải trọng phá hoại dự kiến được tính theo TCVN 5573:1991. Tải trọng phá hoại dự kiến của tường T1 và T2 tương ứng là 360 kN và 480 kN.
Kết quả thí nghiệm gia tải hai tấm tường T1 và T2 được trình bày tại Bảng 4.8 và Bảng 4.9, các vết nứt được ghi nhận trên Hình 4.6, Hình 4.7, Hình 4.8 và Hình 4.9.
Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm tấm tường T1 TT Cấp tải trọng (PTN = 360 kN) Tải trọng, kN Thời gian giữ tải, phút Ghi chú 1 I (tới 20% PTN) 72 5 - 2 II (tới 40% PTN) 144 5 - 3 III (tới 60% PTN) 216 5
Bắt đầu xuất hiện vết nứt tại góc tấm tường, độ mở 0,1 mm
4 IV
(tới 80% PTN) 288 5
Nứt tại góc phát triển về chiều dài, xuất hiện vết nứt tại mạch vữa, độ mở 0,1-0,2 mm 5 V (tới 100% PTN1) 360 5 Vết nứt phát triển mạnh, nhất là các vết nứt theo mạch vữa. Phá hoại tại tải trọng 358 kN
6 VI
Hình 4.6 Sơ đồ vết nứt của tấm tường T1 (mặt 1)
Hình 4.7 Sơ đồ vết nứt của tấm tường T1 (mặt 2)
Các vết nứt bắt đầu xuất hiện trên tấm tường T1 khi gia tải tới cấp 3 tức là 60% tải trọng phá hoại dự kiến. Các vết nứt bắt đầu xuất hiện ở góc trong phạm vi viên xây. Đồng thời, ở một số mạch xây đứng cũng xuất hiện vết nứt. Trong quá trình gia tải tiếp theo, các vết nứt phát triển về chiều dài và tăng độ mở. Một số vết nứt có xu hướng chạy xiên và khi đi qua mạch vữa, tạo thêm các vết nứt theo mạch ngang. Khi gia tải tới 100% tải trọng, các vết nứt có xu hướng nối dài và đạt độ mở tối đa. Chuyển vị xảy ra tại vùng tiếp xúc giữa vữa và viên xây. Các vết nứt và chuyển vị xảy ra chủ yếu ở nửa phía trên của tấm tường.
Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm tấm tường T2