Ảnh hưởng của nhiệt độ & ăn mòn cốt thép đến độ nứt trong kết cấu bê tông cốt thép
Đối với công trình bê tông cốt thép, sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt là vấn đề đáng lo ngại. Vết nứt sẽ làm giảm tuổi thọ cũng như khả năng làm việc của kết cấu và tính thẩm mỹ của công trình. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này, như: vết nứt do co ngót nhẹ (nứt co ngót dẻo); do co ngót khô; do sức nóng của phản ứng cốt liệu kiềm; do đất bị nén chặt không đều, loại vết nứt này thường do lắng hoặc rửa trôi đất hoặc vật liệu trong lớp đệm; do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông, hiện tượng này cũng khiến bê tông bị hư hỏng.
Tuy nhiên, theo ThS. Nguyễn Thị Hằng – Khoa Kiến trúc, Trường Đại học Thủ Dầu Một, nguyên nhân phổ biến nhất là nứt do nhiệt độ (nhiệt thủy hóa), vết nứt xuất hiện khi bê tông bên trong tăng nhiệt độ và giãn nở trong khi bề mặt bê tông có thể nguội đi và co lại dẫn đến bị hạn chế. Cường độ của bê tông sẽ gây ra vết nứt, chiều rộng và chiều sâu của vết nứt nhiệt phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ, tính chất của bê tông và cốt thép. Khi nhiệt độ thay đổi với chênh lệch khoảng 10oC thì hiệu suất hút ẩm trên mỗi mét chiều dài khối bê tông là khoảng 0,1mm. Do đó, các vết nứt do nhiệt độ là vấn đề cần phải được xem xét một cách kỹ lưỡng vì sự cố nứt nhiệt không chỉ làm giảm khả năng làm việc của bê tông mà còn gây ra hiện tượng xâm thực dẫn đến hư hỏng kết cấu.
Kinh nghiệm quốc tế trong việc xây dựng các tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật về thiết kế và thi công kết cấu bê tông cốt thép nhằm kiểm soát nứt do nhiệt
ThS. Nguyễn Thị Hằng dẫn kinh nghiệm của nhiều quốc gia trên thế giới trong việc xây dựng các tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật về thiết kế và thi công kết cấu bê tông cốt thép nhằm kiểm soát nứt do nhiệt, như trong bộ quy định của Ủy ban ACI 207 thuộc Hoa Kỳ, đã công bố một loạt tiêu chuẩn về bê tông khối lớn, trong đó bao gồm 5 tiêu chuẩn thành phần quy định rõ về vấn đề này; ở Anh, các quy định về xây dựng bê tông khối lớn được quy định tại Phần 1 thuộc tiêu chuẩn BS 8110; ở Nga, một số quy định liên quan đến xây dựng bê tông khối lớn được liệt kê trong tiêu chuẩn CII 63.13330.2012; tại Trung Quốc, các quy định về xây dựng bê tông khối được chỉ rõ trong tiêu chuẩn quốc gia GB 50496-2018.
Ngoài ra, trong nhiều nghiên cứu khác, các tác giả đã đánh giá và phân tích các trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt theo thời gian trong giai đoạn thiết kế và thi công. Những nghiên cứu có thể kể đến gồm có tác giả David Dollar and et, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã phân tích tính phi tuyến, gia tăng về ứng suất và biến dạng nhiệt độ của đập Portugues, với mục đích là mô tả đặc điểm của trường nhiệt, cấu hình và trạng thái của khe hở nhiệt theo thời gian. Các vết nứt có thể xảy ra do ứng suất nhiệt. Ngoài ra, trong nghiên cứu khác của Coyne et Bellier and et, nhóm tác giả này đã sử dụng 3D- FEM để mô phỏng các trường nhiệt độ và trường ứng suất nhiệt của thân đập bê tông trọng lực theo thời gian trong quá trình thi công để làm cơ sở cho việc lập kế hoạch kiểm soát vết nứt do nhiệt độ gây ra. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa đề cập và chỉ ra các giải pháp nhằm hạn chế và khắc phục hiện tượng nứt do nhiệt độ.
Hiện nay, đối với việc tính toán nhiệt trong bê tông cốt thép tại Việt Nam chưa có một tiêu chuẩn nào quy định rõ về việc tính toán này, cụ thể như trong TCXDVN 305-2004: Bê tông khối lớn-Quy phạm thi công và nghiệm thu, trong quy định này chỉ đề cập đến chỉ số nhiệt độ cần khống chế khi đổ bê tông yêu cầu thấp hơn 25oC mà chưa có quy trình hướng dẫn tính toán và phương pháp giúp kiểm soát nhiệt độ trong quá trình làm việc của bê tông cốt thép.
Để kiểm soát vết nứt do nhiệt gây ra kết cấu bê tông phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng khác nhau tùy thuộc vào mục đích và chức năng của kết cấu. Yêu cầu chất lượng có thể bao gồm: tính an toàn, khả năng sử dụng, tuổi thọ, tính thẩm mỹ của công trình. Cần hiểu rõ mục đích chính của việc kiểm soát vết nứt do nhiệt gây ra chính là kiểm soát, khống chế độ rộng vết nứt. Trong trường hợp cần ngăn chặn sự xuất hiện và phát triển của vết nứt, các chỉ số tham chiếu được sử dụng để kiểm soát và xác định xác suất xảy ra vết nứt nhiệt; trong trường hợp kiểm soát vết nứt, chỉ số tham chiếu để kiểm soát và xác minh là độ rộng vết nứt.
Khi cần ngăn chặn sự xuất hiện các vết nứt do nhiệt độ gây ra, giá trị giới hạn của xác suất nứt do nhiệt được ký hiệu là PTcr, giá trị của xác suất xuất hiện vết nứt được giả định là 5%. Chỉ số nứt do nhiệt được biểu thị bằng Tcr, tương đương với xác suất nứt do nhiệt và tương ứng với chỉ số giới hạn nứt do nhiệt được công nhận là 1,85. Lý do tại sao giới hạn xác suất nứt nhiệt 5% được chấp nhận là vì từ góc độ đặc tính xác suất nứt do nhiệt, giá trị này thường được chấp nhận làm giới hạn cho các kết cấu không bị nứt. Trong thực tế, các biện pháp kiểm soát vết nứt thường chỉ được sử dụng khi xảy ra nứt nhiệt, điều này chỉ có thể xảy ra nếu xác suất nứt lớn hơn 5%.
Giá trị giới hạn để kiểm tra độ rộng của vết nứt
Giá trị giới hạn để kiểm tra độ rộng của vết nứt nhiệt là giá trị giới hạn độ rộng vết nứt trên bề mặt bê tông cần được xác định một cách thích hợp. Khi được xem xét sự hư hỏng của kết cấu do ăn mòn của cốt thép, cần xác định các giá trị giới hạn chiều rộng vết nứt có tính đến ảnh hưởng của vết nứt nhiệt đến sự khuếch tán của ion clorua trong bê tông hoặc mức độ cacbonat hóa…
Các giá trị giới hạn cho chiều rộng vết nứt do nhiệt độ phải được đưa ra trong giới hạn đặc tính kết cấu liên quan đến khả năng sử dụng, độ bền, hình thức. Ngoài ra, hàm lượng cốt thép không đủ lớn ở một số vị trí quan trọng nhất định trong kết cấu có thể gây ra vết nứt rộng hơn do sự phân bố nhiệt độ khác nhau. Mặt khác, sau khi quá trình hydrat hóa xi măng được hoàn tất, nhiệt độ trong khối bê tông có sự thay đổi rõ rệt là bắt đầu giảm nhanh điều này đã tạo ra ứng suất nhiệt lớn. Đây được xem là nguyên nhân khiến các vết nứt mới xuất hiện hoặc vết nứt nhỏ được mở rộng. Đồng thời, hiện tượng co ngót kho cũng có thể gây ra sự phát triển vết nứt nhiệt hoặc do sự phân bố tải trọng trong quá trình thiết kế không đồng đều sẽ tác dụng lên kết cấu.
Các yếu tố liên quan đến điều kiện môi trường chủ yếu ảnh hưởng đến sự ăn mòn của thép nên các giá trị giới hạn chiều rộng vết nứt phải được kiểm tra dựa trên các điều kiện nhiệt độ, khí hậu, độ ẩm nơi mà kết cấu được xây dựng. Giới hạn kiểm tra bề rộng vết nứt do ăn mòn cốt thép và sự rò rỉ của lượng nước cũng ảnh hưởng đến bề rộng vết nứt cũng như yếu tố thẩm mỹ.
Các phương pháp kiểm soát ngăn ngừa sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến vết nứt
Nhìn chung, để đạt được mục tiêu kiểm soát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến vết nứt, phải lựa chọn phương pháp kiểm soát nứt nhiệt thích hợp. Để ngăn ngừa sự nứt do nhiệt, phải tuân theo một hoặc cả hai cách tiếp cận.
1. Chênh lệch nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nứt trong kết cấu bê tông cốt thép.
Ngoài ra, để kiểm soát độ rộng của vết nứt do nhiệt gây ra cần đảm bảo bố trí thép một các hợp lý và đúng quy định ban hành. Các phương pháp kiểm soát vết nứt có thể chia làm ba phương pháp chính: phương pháp kiểm soát biến động của thể tích trong phương pháp này chia làm hai phương pháp cụ thể hơn là kiểm soát sự thay đổi thể tích bằng giảm thiểu sự tăng nhiệt độ trong bê tông và kiểm soát sự thay đổi thể tích bằng giảm biến dạng co ngót; phương pháp giảm bớt các cản trở bên ngoài; phương pháp kiếm soát độ rộng của vết nứt.
Để tránh việc xuất hiện và phát triển của vết nứt, các phương pháp này cần được kết hợp và áp dụng trong giai đoạn thiết kế và thi công như bố trí các vị trí có khả năng xuất hiện vết nứt như mối nối cách nhiệt, việc bố trí lại cốt thép ở những khu vực nhất định dễ gây ra vết nứt do nhiệt độ. Ngoài ra, cần phải xem xét các yếu tố sau: lựa chọn vật liệu, san lấp mặt bằng, cấp phối bê tông và biện pháp thi công…
Để giảm ứng suất nhiệt gây ra việc kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ trong bê tông là một cách hiệu quả là rất cần thiết. Các biện pháp có thể được kể đến, bao gồm: sử dụng xi măng và phụ gia có ít lượng thủy hóa, cấp phối lại làm giảm tỷ lệ xi măng, làm mát cốt liệu trước khi đổ bê tông, xem xét việc giảm nhiệt độ ban đầu của bê tông bằng cách giảm tác động của các yếu tố bên ngoài, cụ thể: thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa); phương pháp để bảo dưỡng bê tông hiệu quả; đảm bảo điều kiện của các bề mặt tiếp xúc (ván khuôn, mặt đất), nhiệt độ ở bề mặt hở của khối bê tông, hệ số trao đổi nhiệt. Đồng thời, để giảm ứng suất co ngót nhiệt gây ra, cần sử dụng các loại cốt liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp như đá dăm, cát…
Phương pháp kiểm soát sự biến đổi thể tích trong bê tông
ThS. Nguyễn Thị Hằng cho biết, để kiểm soát sự biến đổi thể tích trong bê tông, việc sử dụng xi măng có nhiệt thủy hóa thấp là cần thiết. Hiện
nay, các loại xi măng sau được cho là có lượng thủy hóa thấp như: xi măng tro bay và xi măng Poóc lăng có lượng tỏa nhiệt ở mức thấp và trung bình. Các loại xi măng này làm giảm tối đa sự tăng nhiệt độ, tác động tích cực đến việc kiểm soát độ tăng nhiệt độ trong bê tông.
Ngoài ra, trong quá trình tính toán cấp phối với các hàm lượng xi măng khác nhau cũng sẽ ảnh hưởng đến việc tăng nhiệt độ của bê tông. Vì trong thành phần bê tông xi măng là cốt liệu chính gây ra sự tăng nhiệt độ trong quá trình hình thành bê tông. Hàm lượng ximăng của các cấp phối khác nhau sẽ có sự thay đổi khác nhau về độ phát triển của nhiệt độ trong quá trình làm việc và kết thành kết cấu trong bê tông cốt thép. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến sự tăng nhiệt độ là rất lớn, vì vậy nên giữ giá trị này ở mức thấp nhưng vẫn đảm bảo tính chất kỹ thuật của bê tông.
Một số biện pháp hiện nay có thể kể đến giúp làm giảm hàm lượng xi măng là: tăng kích thước cốt liệu thô ở mức tối đa, giữ độ sụt ở mức thấp nhất có thể (có thể kết hợp thêm với phụ gia), sử dụng hàm lượng cát phù hợp, kéo dài thời gian kiểm tra cường độ, thiết lập cường độ yêu cầu phù hợp, xác định tỷ lệ nước/xi măng tối ưu nhất. Thêm vào đó, để điều chỉnh tỷ lệ nước và xi măng mà không ảnh hưởng đến chất lượng bê tông cũng như giúp kiểm soát tốc độ thủy hóa thì việc sử dụng phụ gia hóa học có tính thủy hóa thấp được xem là lựa chọn tối ưu.
2. Nứt do ăn mòn cốt thép trong bê tông.
Việc lựa chọn và sử dụng thêm các chất hóa dẻo giúp cải thiện độ sụt của bê tông mà không làm tăng lượng nước trộn từ đó có thể giảm tỷ lệ nước và xi măng trong bê tông giúp giảm hiện tượng nứt do nhiệt gây ra. Ngoài ra, nhiệt độ của vữa bê tông phải được giữ ở mức thấp nhất có thể nhưng luôn trong giới hạn không gây tổn hại đến sự phát triển cường độ của bê tông. Các phương pháp thường được áp dụng để giảm nhiệt độ của vữa bê tông bao gồm: tưới nước cho bê tông, có thế sử dụng nitơ lỏng để làm mát cốt liệu, không sử dụng xi măng mới ra lò, tránh ánh nắng trực tiếp vào vật liệu ảnh hưởng đến nhiệt độ ban đầu, trong quá trình trộn bê tông có thể sử dụng nước lạnh nhân tạo để trộn.
Việc điều chỉnh nhiệt độ môi trường trong quá trình đổ bê tông có ảnh hưởng trực tiếp đến cả nhiệt độ tối đa và khả năng giảm nhiệt của bê tông. Có sự tương quan chặt chẽ giữa những yếu tố này và điều này có thể ảnh hưởng đến sự có mặt hoặc không có mặt của vết nứt cũng như chiều rộng của chúng. Bên cạnh đó, cách thông thường nhất để hạn chế tối đa nhiệt độ và giảm nhiệt độ của vữa bê tông là việc đổ và làm bê tông nên được thực hiện vào thời gian ban đêm hoặc sáng sớm. Trong quá trình đổ bê tông cần lưu ý đến kích thước của khối bê tông lớn. Việc phân chia khối đổ và lớp đổ cần được tính toán hợp lý trên cơ sở việc chuẩn bị, vận chuyển và thi công bê tông theo đúng tiến độ. Hơn nữa, để giảm thiểu và kiểm soát hiện tượng nứt gây ra bởi nhiệt độ trong kết cấu bê tông, cần tập trung vào sự sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trên khối bê tông và nhiệt độ tối đa xuất hiện trong quá trình bảo dưỡng bê tông.
Hiện nay, có thể áp dụng các kỹ thuật sau để điều chỉnh sự chênh lệch nhiệt độ trong khối bê tông và nhiệt độ trong quá trình bảo dưỡng: sử dụng cấp phối bê tông tối ưu nhất, với lượng xi măng tối thiểu và kết hợp với các lớp đệm nhiệt, cho các công trình bê tông lớn; lắp đặt các ống làm mát và kết hợp với các lớp ủ nhiệtkín, để kiểm soát nhiệt độ trong các công trình bê tông lớn; phân chia đổi nhiều khối bê tông khác nhau và riêng biệt cho các kết cấu bê tông khối lớn, đồng thời, lựa chọn thời điểm thích hợp trong ngày để đổ bê tông.
Các phương pháp kiếm soát chiều rộng vết nứt do nhiệt độ
Để kiểm soát hiệu quả vết nứt do nhiệt gây ra bằng phương pháp giảm bớt sự cản trở của các yếu tố bên ngoài có thể thực hiện khi tiến hành tính toán khoảng cách, vị trí, cấu trúc, cách thi công của các khe nhiệt. Mục tiêu của việc tính toán này là để giảm thiểu ứng suất nhiệt trong phạm vi chấp nhận được cũng như đảm bảo tính chất cơ lý của kết cấu bê tông.
Trong thực tế, có thể lấy ví dụ về phương pháp xử lý kết cấu sàn là sử dụng phương pháp đổ nhiều lớp với sàn có chiều cao thấp, cần xem xét các yêu cầu thời gian và cách xử lý các mối nối thi công ngang. Trong các kết cấu dạng tường, cần lưu ý việc đổ bê tông dẫn đến sự biến động về tỷ lệ khoảng cách giữa các mạch ngừng tùy theo chiều cao tầng. Khi đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu cần xem xét đến vị trí vết nứt, độ rộng hay hẹp của vết nứt, thời gian vết nứt xuất hiện theo độ tuổi của bê tông theo thời gian. Nguyên nhân chủ yếu có hai lý do: độ ẩm luôn hiện diện trên bề mặt bê tông và sự chênh lệch nhiệt độ trong cấu trúc bên trong của bê tông.
Để kiểm soát độ rộng vết nứt nhiệt trong quá trình thiết kế và thi công cần có hàm lượng cốt thép phù hợp tại các vị trí nguy hiểm tương ứng với ứng suất gây ra. Điều kiện tiên quyết là sử dụng các biện pháp hợp lý để giảm ứng suất nhiệt. Bề rộng của vết nứt nhiệt phụ thuộc vào chỉ số vết nứt nhiệt và hàm lượng cốt thép. Do đó, cần kết hợp hai phương pháp giảm ứng suất nhiệt và bố trí hàm lượng thép trong kết cấu để kiểm soát bề rộng vết nứt nhiệt.
Như vậy, sự thay đổi chênh lệch nhiệt độ có thể gây ra các vết nứt với các khẩu độ khác nhau, song đều ảnh hưởng đến tính thấm, thẩm mỹ, khả năng chống chịu, độ bền, và sự bền vững của công trình. Có nhiều biện pháp phòng ngừa và kiểm soát vết nứt do nhiệt độ gây ra, tuy nhiên trong quá trình áp dụng cần dựa trên việc thực hiện kế hoạch hạn chế việc xuất hiện vết nứt nhiệt từ giai đoạn thiết kế đến quá trình thi công trên công trường. Điều quan trọng là bề rộng của vết nứt phải nằm trong giới hạn cho phép của các tiêu chuẩn hoặc quy định thiết kế hiện hành. Do đó, việc tuân thủ và thực hiện đúng quy định về thiết kế, biện pháp thi công phù hợp với điều kiện thực tế sẽ giúp quản lý tốt sự hình thành và phát triển của vết nứt từ đó tiết kiệm chi phí khắc phục hậu quả từ sự cố này gây ra.
