Các phương pháp nâng cao chất lượng của lớp bê tông bảo vệ trong kết cấu công trình cầu

TS. Hoàng Việt Hải TS. Nguyễn Duy Tiến Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Văn Hậu  PGS. TS. Trần Thế Truyền

Tóm tắt: Lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò như một lớp phủ nhằm hạn chế ảnh hưởng xấu của môi trường đến kết cấu công trình. Chất lượng của lớp bê tông bảo vệ kém tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn kết cấu phát triển nhanh, làm giảm tuổi thọ của công trình xây dựng. Bài báo tập trung trình bày các phương pháp nâng cao chất lượng của lớp bê tông bảo vệ trong kết cấu công trình cầu đã áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó phân tích khả năng ứng dụng của các biện pháp đó trong xây dựng công trình cầu ở Việt Nam.

Từ khóa: Bê tông bảo vệ, kết cấu bê tông cốt thép, tuổi thọ, công trình cầu.

Abstract: Concrete cover is a important factor to durability of reinforced concrete structures. It plays a role as a layer to minimize negative environmental impact to the concete structure. The poor quality of this layer leads rapidly to deterioration that relatively reduces service life of structure. This article focuses on methods to improve the quality of concrete cover in bridge structures in the world as well as in Vietnam. Perspective for application in Viet Nam is then discussed.

Keywords: Concrete cover, reinforced concrete, durability, bridge structures.

1. Mở đầu

Tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) phụ thuộc rất lớn vào độ bền cũng như chất lượng của lớp bê tông bề mặt trước các tác nhân gây hại của môi trường. Do yêu cầu về mặt chịu lực, cốt thép chịu lực thường đặt gần mép tiết diện và được bảo vệ tránh khỏi tác nhân bên ngoài xâm thực thông qua một lớp bê tông bảo vệ. Lớp bê tông bảo vệ bị hư hại sẽ làm cho quá trình ăn mòn cốt thép phát triển nhanh, làm suy giảm tuổi thọ của kết cấu.

Chiều dày của lớp bê tông bảo vệ nhỏ quá sẽ không đảm bảo chức năng bảo vệ kết cấu, trong khi đó nếu quá dày thì dễ có hiện tượng nứt do cường độ chịu kéo của bê tông quá thấp. Điều này đặc biệt nghiêm trọng, nhất là trong môi trường xâm thực mạnh như môi trường biển phải có những quy định chặt chẽ về chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Tiêu chuẩn 22TCN-272-05 có một số quy định riêng liên quan đến chiều dày lớp bê tông bảo vệ, trong đó chiều dày lớp bê tông bảo vệ càng tăng khi điều kiện môi trường xung quanh cấu kiện càng khắc nghiệt.

Để tăng cường độ bền của kết cấu BTCT cần tăng cường chất lượng của bê tông nhất là lớp bê tông bề mặt, biện pháp có thể là: Tăng hàm lượng xi măng trong thành phần hỗn hợp, thêm phụ gia, muội silic, sơn phủ, dùng các loại bê tông bền hơn và bảo dưỡng tốt hơn...

Việc tăng cường chất lượng bê tông nhiều lúc là không đủ để đảm bảo độ bền dài lâu của kết cấu BTCT. Bề mặt bê tông không được tốt (rỗ, nứt…) sẽ làm suy giảm chiều dày, chất lượng của lớp bê tông bảo vệ và cũng là tác nhân chủ yếu gây nên sự suy giảm về độ bền của bê tông. Do đó, từ khâu chế tạo, khâu tạo hình cần phải chú ý đến lớp bê tông này.

Ván khuôn có nhiệm vụ tạo hình cho kết cấu. Ván khuôn phải đủ độ cứng để không bị hư hỏng, gãy, hoặc biến dạng khi đổ bê tông vào khuôn và bề mặt phải phẳng, nhẵn để đảm bảo chất lượng bề mặt của kết cấu. Ván khuôn có thể làm bằng gỗ, kim loại hoặc bằng nhựa… Sự tương tác giữa bê tông tươi trong quá trình đổ với thành ván khuôn là nhân tố then chốt quyết định chất lượng của lớp vỏ bọc kết cấu này. Phương pháp truyền thống (dùng dầu ván khuôn) có thể giúp tháo dỡ ván khuôn được dễ dàng nhưng chính sự tương tác trực tiếp giữa lớp dầu này với lớp bê tông bề mặt sẽ làm suy giảm chất lượng của lớp bê tông bảo vệ. Do đó, cần phải có các công nghệ thi công mới và biện pháp mới nhằm cải thiện chất lượng bề mặt của bê tông.

Bài báo tập trung vào các giải pháp cải thiện chất lượng bê tông thông thường áp dụng phổ biến trong kết cấu cầu với phạm vi phần bê tông ngay tại bề mặt kết cấu. Các giải pháp được thực hiện ngay trong quá trình thi công bê tông nhằm nâng cao chất lượng bê tông khu vực gần bề mặt, từ đó khả năng tự bảo vệ được nâng cao và tuổi thọ cũng như năng lực kết cấu được duy trì.

2. Một số phương pháp nhằm nâng cao chất lượng của lớp bê tông bảo vệ trong kết cấu BTCT

2.1. Phương pháp sử dụng hợp chất hỗ trợ tháo lắp ván khuôn

Để giảm các hư hỏng bề mặt bê tông trong khi tháo ván khuôn, một số dung dịch hỗ trợ tháo lắp ván khuôn (Sika Separol, Rheofinish^TM 202...) được phun thành lớp mỏng lên bề mặt ván khuôn trước khi đổ bê tông [1]. Dung dịch này là chất chống dính cho mọi loại ván khuôn và có độ nhớt thấp. Nó tác dụng với chất kiềm trong nước của bê tông ở mặt ván khuôn để tạo thành một lớp xà phòng vôi mỏng, giảm hiện tượng dính của bê tông vào ván khuôn. Chất hỗ trợ tháo lắp ván khuôn có nhiều loại tùy thuộc vào vật liệu sử dụng cho ván khuôn. Tác dụng của các chất này ngoài việc chống dính bám với ván khuôn còn có thể chống sự mất nước do mao dẫn đối với các ván khuôn bị thấm từ đó chất lượng bề mặt bê tông cũng được cải thiện. Hình 2.1 cho thấy bề mặt bê tông sử dụng chất có hỗ trợ bề mặt ván khuôn tốt hơn so với chỉ sử dụng chất chống dính bám gốc dầu. Việc sử dụng các chất hỗ trợ ván khuôn giúp cho bề mặt bê tông được cải thiện đồng thời với công tác đầm từ đó chất lượng bề mặt bê tông sẽ tốt hơn.

Hình 2.1: So sánh tính năng của dung dịch hỗ trợ ván khuôn

 

2.2. Phương pháp sử dụng ván khuôn rung

Phương pháp này sử dụng các công nghệ hiện đại để đúc cấu kiện, máy sử dụng có nguyên lý hoạt động như: Quay ly tâm, rung ép, rung lõi và rung bàn để sản xuất các sản phẩm bê tông cốt thép định hình chất lượng cao (Hình 2.2). Nguyên lý là dùng cơ học (rung) tạo độ đặc cho vật liệu bằng cách giảm lỗ rỗng, bọt khí trong hỗn hợp. Ngoài ra, quá trình rung sẽ tạo ra một lớp nước mỏng ở bề mặt tiếp xúc giữa hỗn hợp bê tông và thành ván khuôn, vừa giúp bề mặt cấu kiện bằng phẳng vừa tạo thuận lợi cho việc tháo dỡ ván khuôn.

Hình 2.2: Một số công nghệ sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong nhà máy

 

2.3. Phương pháp điện thẩm

Phương pháp điện thẩm là phương pháp sử dụng hiệu ứng điện tích nước trong bê tông. Khi bề mặt ván khuôn được tích điện âm, nước có điện tích dương sẽ dịch về phía điện cực trái dấu (ván khuôn) và đẩy các ion có dấu âm vào bên trong (Hình 2.3). Hiện tượng này tạo nên một lớp vi màng chất lỏng giữa ván khuôn và bê tông tươi và từ đó làm cho ván khuôn và bê tông không bị dính bám với nhau.

Hình 2.3: Sự dịch chuyển của nước dưới hiệu ứng điện thẩm trong môi trường rỗng

 

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng điện thẩm (electro-osmosis) và được mô tả lần đầu tiên bởi Casagrande [3] khi ông xác định quy luật di chuyển của nước trong đất sét dưới tác dụng của hiệu điện thế. Sau đó nó tiếp tục là đối tượng nghiên cứu bởi nhiều tác giả khác [4], [5]... Gần đây, cơ chế này được sử dụng nhằm “bôi trơn” bề mặt tiếp xúc giữa bê tông tươi và thành ván khuôn thép (đóng vai trò là cực âm) làm giảm lực ma sát trong công nghệ “ép- đúc” và tối ưu hóa chế tạo cấu kiện bê tông đúc sẵn [6] mà không cần phải sử dụng các chất hỗ trợ ván khuôn cũng như thêm nước vào bê tông.

2.4. Phương pháp sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn

Vật liệu (vải sợi, vải dệt, CPF (Controlled Permeability Formwork)...) được phủ lên thành ván khuôn trước khi đổ bê tông. Tấm vải lót hỗ trợ ván khuôn này cho phép nước và không khí đi qua nhưng không cho phép các hạt xi măng mịn thoát ra (Hình 2.4). Tấm vải lót có đủ độ cứng để rải phẳng bên ngoài ván khuôn, đồng thời giữ lại một phần nước để giữ ẩm bề mặt bê tông khi bảo dưỡng.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn làm giảm lỗ rỗng trên bề mặt từ 0,59% đến 1,5% đối với phương pháp truyền thống xuống còn ít hơn 0,1% [7]. Ngoài ra, nó còn có chức năng như làm tăng độ cứng bề mặt, giảm mức độ cacbonat hóa, giảm mức độ thấm nhập ion clo…

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của ván khuôn kiểm soát thấm [8]

 

Hình 2.5: Bề mặt bê tông đúc và không đúc với vải hỗ trợ ván khuôn [8]

 

3. Phân tích hiệu quả và khả năng ứng dụng của các phương pháp đối với công trình cầu ở Việt Nam

Các công trình cầu BTCT ở Việt Nam có đặc điểm là kích thước lớn và hình dáng đa dạng. Trong quá trình đổ bê tông thường phải dùng phụ gia, nhất là trong trường hợp thi công mố trụ cầu, nhằm giảm nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa bê tông khối lớn dễ gây ra hiện tượng nứt. Ngoài ra, để đảm bảo yêu cầu về mặt chịu lực, bê tông sử dụng thường có cường độ khá cao: 20-:-30MPa đối với mố trụ cầu và từ 35-:-50MPa đối với kết cấu nhịp. Đồng thời, trong quá trình khai thác, công trình cầu luôn tiếp xúc với điều kiện môi trường xâm thực.

Phương pháp sử dụng phụ gia hỗ trợ tháo lắp ván khuôn là biện pháp phổ biến hiện nay, có ưu điểm là thi công dễ dàng, chỉ cần phun dung dịch lên ván khuôn trước khi đổ bê tông. Phương pháp này thích hợp cho mọi loại ván khuôn (Bảng 3.1), giúp cho việc vệ sinh ván khuôn được dễ dàng, tạo lớp màng ngăn nước giúp cho ván khuôn không bị cong (ván gỗ) và rỉ (ván thép), đặc biệt là khả năng chặn sự hình thành bọt khí, giảm thiểu các khuyết tật trên bề mặt bê tông. Nhược điểm của phương pháp này là chi phí khá cao và chưa có nhiều nào về ảnh hưởng của dung dịch đến môi trường. Hiện nay, ở một số nước đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng một số dung dịch hỗ trợ ván khuôn có nguồn gốc từ thiên nhiên nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của dung dịch đối với môi trường.

Bảng 3.1. Khối lượng dung dịch hỗ trợ tháo lắp ván khuôn ứng với các loại ván khuôn

 

Phương pháp ván khuôn rung yêu cầu phải đầu tư đồng bộ trang thiết bị do đó chi phí đầu tư lớn, chỉ thích hợp trong trường hợp cấu kiện dầm định hình có hình dáng cố định, không phức tạp. Ở Việt Nam, phương pháp này được sử dụng tại nhiều nhà máy bê tông đúc sẵn với sản phẩm có hình dạng đơn giản, chủ yếu là cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực, ống cấp thoát nước, cọc ván bê tông cốt thép… và đã áp dụng chế tạo một số loại dầm BTCT.  

Phương pháp điện thẩm có ưu điểm không cần sử dụng dầu ván khuôn hay tác động lên thành ván khuôn. Việc tách nước một cách chủ động ra khỏi khối bê tông tươi cũng là một ưu điểm của phương pháp này, làm giảm lượng nước thừa trong bê tông và giảm độ rỗng của bê tông. Một thí nghiệm được thực hiện trên bản BTCT dưới tác dụng của hiệu điện thế 1V trong vòng 10 phút [3]. Nhiệt độ thành ván khuôn theo dõi từ lúc đổ cho đến lúc tháo dỡ thành ván khuôn thay đổi từ 18⁰C đến 22⁰C. Kết thúc thí nghiệm ván khuôn được tháo dỡ một cách dễ dàng và xuất hiện một lớp màng nước mỏng ở bề mặt ván khuôn do hiệu ứng điện thẩm (Hình 3.1). Bề mặt bê tông có chất lượng tốt. Nhược điểm chính của phương pháp này là phải đảm bảo an toàn trong quá trình thi công do việc sử dụng điện. Hiện tại phương pháp này mới được thực hiện ở trong phòng thí nghiệm.

 

Phương pháp sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn với cách tiếp cận sử dụng vật liệu nhằm ngăn cách bê tông tươi và thành ván khuôn. Tác dụng của vật liệu này như là lớp vật liệu ngăn cách nhằm đưa khí và nước ra khỏi bề mặt tiếp xúc qua đó nâng cao chất lượng của lớp bê tông bảo vệ. Những nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy việc sử dụng vật liệu này sẽ làm giảm hiện tượng rỗ bề mặt do đó nâng cao được độ bền của bê tông như khả năng chống thấm, chống ăn mòn clo… Một nhược điểm của phương pháp này là đối với cấu kiện bê tông có hình dạng phức tạp thì việc đặt tấm này vào thành ván khuôn là khó khăn và việc bố trí vật liệu không thích hợp sẽ có thể dẫn đến hiện tượng “nhàu” và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt bê tông sau này. Vật liệu này đã được sử dụng nhiều trên thế giới nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được áp dụng.

Thí nghiệm ở Việt Nam trên một vật liệu hỗ trợ ván khuôn có tên là Zemdrain®MD do hãng Dupont sản xuất nhằm đúc một mẫu xi măng cấp 30MPa chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn cải thiện được chất lượng bề mặt bê tông và loại bỏ các bọt khí sinh ra trong quá trình đầm [8].

Hình 3.2: Bề mặt mẫu đúc (a) và không đúc (b) với vật liệu hỗ trợ ván khuôn [8]

 

Thí nghiệm về độ chống thấm cho thấy chiều sâu thấm của mẫu không sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn là lớn (15,5mm) khi so sánh với với mẫu sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn chỉ thay đổi từ 2,5 - 4,0mm (Hình 3.3). Ngoài ra, khả năng chống thấm ion clo của mẫu được cải thiện rõ rệt, giảm từ 2072 culông đối với mẫu đúc bằng ván khuôn thường xuống 1384 culông khi sử dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn (Hình 3.4).

Hình 3.3: Chiều sâu thấm nước của mẫu trong phòng [8]

 

Hình 3.4: Độ thấm ion clo [8]

4. Kết luận

Lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò như lớp vỏ bọc trong việc ngăn chặn sự xâm thực của môi trường đến kết cấu công trình. Trong tiêu chuẩn 22TCN- 272- 05 hiện tại chỉ đề cập đến chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Qua các công trình trong thực tế thì chiều dày là yếu tố không đủ để đảm bảo độ bền của kết cấu mà chất lượng bề mặt mới là yếu tố then chốt quyết định đến độ bền của kết cấu. Ngoài biện pháp hay dùng hiện nay ở Việt Nam trong các công trình cầu là sử dụng dung dịch hỗ trợ ván khuôn, những biện pháp khác có thể áp dụng là biện pháp sử dụng hiệu ứng của hiện tượng điện thẩm và vật liệu hỗ trợ ván khuôn cũng rất đáng tập trung nghiên cứu và ứng dụng ngoài hiện trường do kiểm soát được tác động của phương pháp đến môi trường.

Tài liệu tham khảo

[1]. https://www.sika.com & http://www.master-builders-solutions.basf.us/en-us.

[2]. Nassima Goudjil, Yannick Vanhove, Chafika Djelal, Hassina Kada (2012), Electro-Osmosis applied for Formwork removal of concrete Journal of Advanced Concrete Technology, Vol. 10, No.9 p.301-302.

[3]. Casagrande L (1949), Electro-osmosis in soils,Geotechnique1(3),159-177.

[4]. Mitchell, J. P. (1976), Fundamentals of soil behaviour, John Wiley and Sons, Inc, New York, USA.

[5]. Acar Y.B. and Alshawabkeh A.N. (1993), Principles of electrokinetic remediation,Environmental Science & Technology 27(13), 2638-2647.

[6]. Hoang Viet Hai (2011), Intéraction fluide-structure: Comportement tribologique des matériaux minéraux à base cimentaire à l’état frais, thesis at INSA de Rennes, France.

[7]. Marosszeky, M., Chew, M., Arioka, M. and Peck, P (1993), Textile method to improve concrete durability, concrete International, November, pp. 37-42.

[8]. Đặng Thùy Chi (2010), Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗ trợ ván khuôn nhằm nâng cao chất lượng lớp bê tông bảo vệ kết cấu bê tông cốt thép, Đề tài khoa học cấp Bộ.