Đánh giá kết cấu bê tông cốt thép sau hỏa hoạn Kiểm định Xây dựng

Đánh giá kết cấu bê tông cốt thép sau hỏa hoạn

1.Cơ chếhư hỏng của bê tông cốt thép dưới tác động của hỏa hoạn

1.1. Biến đổi vật lý và hóa học của bê tông

Trong điều kiện hỏa hoạn, nhiệt độ, độẩm, thành phần hóa học

và cấu trúc vi mô của bê tông thay đổi đồng thời, dẫn đến sựsuy giảm

đáng kểcác tính chất cơ học của nó. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ

ra rằng cơ chếphá hoại của bê tông ởnhiệt độ cao không phải do một

yếu tố duy nhất gây ra, mà là do sựtương tác của nhiều yếu tố, bao

gồm gradient nhiệt độ, sựdi chuyển của hơi ẩm, áp suất hơi nước trong

lỗ rỗng và sự phân hủy các hydrat trong hỗn hợp xi măng.

Ở nhiệt độ 100–200 °C, nước tựdo và nước hấp phụ trong hệ

thống mao dẫn bắt đầu bay hơi. Quá trình này làm tăng áp suất lỗ rỗng

và tạo ra các vết nứt nhỏban đầu trong hỗn hợp xi măng. Khi khảnăng

thoát ẩm của bê tông bị hạn chế, áp suất hơi nước tích tụ gần bề mặt,

càng thúc đẩy sự hình thành các vết nứt nhỏ. Ởnhiệt độ 200–400°C,

nước liên kết trong gel C-S-H dần dần tách ra, làm suy yếu cấu trúc liên

kết chính của hỗn hợp xi măng. Đồng thời, sựkhác biệt về hệ số giãn

nở nhiệt giữa cốt liệu và hỗn hợp xi măng tạo ra ứng suất nhiệt không

Cháy tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật thí nghiệm tại hiện

trường và trong phòng. Các phương pháp không phá hoại (NDT) như

siêu âm truyền xung, búa bật nảy và các phương pháp bán phá hoại

như khoan lõi đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên,

Wróblewska và Kowalski (2020) [2]đã chỉra rằng độtin cậy của các

phương pháp này bị ảnh hưởng đáng kể bởi tính không đồng nhất của

bê tông sau cháy, đặc biệt là sựphân bố hư hỏng theo chiều sâu cấu

kiện. Ngoài ra, các nghiên cứu thực nghiệm gần đây của Momin cũng

nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp nhiều phương pháp để

nâng cao độ chính xác trong đánh giá [4].

Các nghiên cứu gần đây có xu hướng tích hợp các công

nghệ hiện đại nhằm nâng cao độchính xác và tự động hóa quá trình

đánh giá. Các nghiên cứu của Liu và cộng sự (2025) [5] và Wang và

cộng sự(2025)[6] đã ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học sâu đểnhận

diện và phân loại các dạng hư hỏng của kết cấu BTCT sau cháy với độ

chính xác cao. Đồng thời, các mô hình sốtiên tiến như nghiên cứu của

Miao và cộng sự(2025)[7] cho phép mô phỏng chi tiết sự tương tác

nhiệt –cơ học trong bê tông, góp phần làm rõ cơ chếsuy giảm vật liệu.

Bên cạnh đó, các kỹthuật đo đạc hiện trường hiện đại như quét laser

3D cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc đánh giá toàn diện mức độ

hư hỏng của kết cấu (Makupa và cộng sự, 2016[8]).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về kết cấu BTCT sau hỏa hoạn còn

tương đối hạn chếvà chủ yếu tập trung vào khảo sát thực tếcông trình.

Nguyễn Cao Dương và Hoàng Anh Giang đã chỉra rằng kết cấu sau cháy

thường xuất hiện các dạng hư hỏng như bong tróc lớp bảo vệ, lộ cốt

thép và suy giảm khảnăng chịu lực, đồng thời nhấn mạnh yêu cầu đánh

giá một cách khoa học và hệthống. Bên cạnh đó, các báo cáo khảo sát

của Hoàng Anh Giang (2009) [3]đã cung cấp dữliệu thực nghiệm quan

trọng vềđặc điểm hư hỏng và phương pháp phân cấp mức độảnh

hưởng của hỏa hoạn. Ngoài ra, nghiên cứu của Liang Chaoqun (2018)

[9]cho thấy sự suy giảm đáng kể khả năng chịu lực của cấu kiện sau

cháy và đề xuất các giải pháp gia cường phù hợp.

2.Cơ chếhư hỏng của bê tông cốt thép dưới tác động của hỏa hoạn

2.1. Biến đổi vật lý và hóa học của bê tông

Trong điều kiện hỏa hoạn, nhiệt độ, độẩm, thành phần hóa học

và cấu trúc vi mô của bê tông thay đổi đồng thời, dẫn đến sựsuy giảm

đáng kểcác tính chất cơ học của nó. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ

ra rằng cơ chếphá hoại của bê tông ởnhiệt độ cao không phải do một

yếu tố duy nhất gây ra, mà là do sựtương tác của nhiều yếu tố, bao

gồm gradient nhiệt độ, sựdi chuyển của hơi ẩm, áp suất hơi nước trong

lỗ rỗng và sự phân hủy các hydrat trong hỗn hợp xi măng[11].

Ở nhiệt độ100–200 °C, nước tựdo và nước hấp phụ trong hệ

thống mao dẫn bắt đầu bay hơi. Quá trình này làm tăng áp suất lỗ rỗng

và tạo ra các vết nứt nhỏban đầu trong hỗn hợp xi măng. Khi khảnăng

thoát ẩm của bê tông bị hạn chế, áp suất hơi nước tích tụ gần bề mặt,

càng thúc đẩy sựhình thành các vết nứt nhỏ. Ởnhiệt độ200–400°C,

nước liên kết trong gel C-S-H dần dần tách ra, làm suy yếu cấu trúc liên

kết chính của hỗn hợp xi măng. Đồng thời, sựkhác biệt về hệ số giãn

nở nhiệt giữa cốt liệu và hỗn hợp xi măng tạo ra ứng suất nhiệt không

tương thích trong vùng chuyển tiếp liên kết (ITZ), làm cho vùng này dễ

bịhình thành các vết nứt nhỏ hơn.

Khi nhiệt độtăng lên khoảng 400–600°C, các biến đổi hóa học

trởnên đáng kểhơn. Ca(OH)₂ bắt đầu phân hủy, làm hư hại nghiêm

trọng lớp gel C-S-H và làm giảm đáng kể mật độ, cường độnén và mô

đun đàn hồi của bê tông. Ở nhiệt độcao hơn, sựgiãn nởkhông đồng

đều giữa các thành phần vật liệu tiếp tục làm tăng ứng suất bên trong,

cuối cùng dẫn đến các vết nứt sâu và bong tróc bề mặt. Nói chung, sự

giảm cường độbê tông theo nhiệt độcó thểđược biểu thị như sau:

fc,T=kT⋅fc,20

Trong đó fc,T là cường độbê tông ở nhiệt độ T, kT là hệ số giảm

cường độtheo nhiệt độ, và fc,20 là cường độ ban đầu trong điều kiện

bình thường.

Hình 1 cho thấy bê tông dưới tác động của nhiệt độ cao bị suy

thoái theo từng giai đoạn nhiệt độ. Ở100–200°C, nước tự do và nước

hấp phụbay hơi, làm tăng áp suất lỗ rỗng và khởi phát vi nứt. Trong

khoảng 200–400°C, gel C–S–H mất nước liên kết, làm suy yếu pha liên

kết chính của hồxi măng. Ở400–600°C, Ca(OH)₂ phân hủy, cấu trúc

vi mô bịphá hủy mạnh hơn, kéo theo suy giảm cường độvà độ cứng.

Trên 600°C, nứt sâu và bong tróc bề mặt xuất hiện rõ, phản ánh sự mất

ổn định vật liệu ở cấp tiết diện.

Hình 3a thể hiện cơ chếnhiệt–cơ học, trong đó gradient nhiệt tạo ra

chênh lệch giãn nởgiữa bề mặt và lõi, sinh ứng suất kéo vuông góc bề

mặt và dẫn đến nứt, bong tróc. Hình 3b mô tảcơ chếẩm–nhiệt, khi hơi

ẩm trong bê tông tái phân bốthành vùng khô, vùng hơi và vùng ẩm; áp

suất hơi tăng mạnh tại ranh giới các vùng này, gây ứng suất kéo nội bộ

và thúc đẩy bong tróc nổ. Hai cơ chếnày thường tương tác đồng thời

trong cấu kiện sau hỏa hoạn. Kết quảthí nghiệm của Ozawa và cộng sự

cũng cho thấy rằng trong các mẫu bê tông cường độcao, hiện tượng

bong tróc xảy ra khi áp suất hơi nước bên trong các lỗ rỗng đạt khoảng

3,2 MPa (mẫu ướt) và khoảng 3,5 MPa (mẫu khô trong không khí). Độ

sâu bong tróc tối đa quan sát được lần lượt là khoảng 15 mm (mẫu ướt)

và 12 mm (mẫu khô trong không khí). Những kết quảnày khẳng định

rằng hàm lượng ẩm ban đầu của bê tông đóng vai trò quan trọng trong

cơ chế hư hại do hỏa hoạn.

2.2. Suy giảm tính chất cơ học của bê tông

Những biến đổi vật lý và hóa học trình bày ở mục 2.1 tất yếu dẫn

đến sự suy giảm đáng kểcác tính chất cơ học của bê tông sau hỏa hoạn.

Các tổng quan gần đây thống nhất rằng cường độchịu nén, cường độ

chịu kéo, mô đun đàn hồi và quan hệứng suất–biến dạng của bê tông đều

thay đổi theo nhiệt độ; đồng thời mức độsuy giảm còn phụthuộc vào

loại cốt liệu, tỷ lệnước/chất kết dính, độẩm ban đầu, phụgia khoáng,

sợi gia cường, chế độgia nhiệt và phương pháp thí nghiệm [13].

Trong các chỉtiêu cơ học, cường độ chịu nén là đại lượng được

sử dụng phổ biến nhất đểđánh giá mức độsuy giảm của bê tông sau

cháy. Tuy nhiên, sựsuy giảm này thường không diễn ra tuyến tính theo

nhiệt độ. Chan, Peng và Anson cho thấy sau khi chịu nhiệt độcao đến

1200°C, cảbê tông thường và bê tông cường độ cao đều suy giảm

cường độ đáng kể, trong đó khoảng 400–800°C là vùng nhiệt độ tới

hạn đối với mất cường độ; đồng thời cấu trúc lỗ rỗng của cả hai loại bê

tông đều bịthô hóa [14]. Kết quảnày phù hợp với nhận định tổng quan

của Ma và cộng sự rằng tổn thương vi cấu trúc ở cấp vi mô và trung

mô là nguyên nhân nền tảng dẫn đến suy giảm cơ tính tổng thể của bê

tông ởnhiệt độcao [15].

So với cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi thường suy giảm sớm

hơn và mạnh hơn, vì chỉ tiêu này nhạy cảm trực tiếp với sự phát triển

của vi nứt và mức độ mất liên tục trong cấu trúc vật liệu. Tổng quan

của Babalola và cộng sựnhấn mạnh rằng mô đun đàn hồi là một trong

những đại lượng bịảnh hưởng nghiêm trọng nhất sau khi bê tông chịu

nhiệt độcao, đồng thời chỉra rằng các nghiên cứu hiện có đã xem xét

rộng rãi cường độ nén dư, cường độ kéo dư, mô đun đàn hồi và ứng

xử ứng suất–biến dạng sau cháy [13]. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối

với kết cấu, bởi trong nhiều trường hợp sau cháy, bê tông vẫn còn duy

trì một phần cường độ nén, nhưng độ cứng của cấu kiện đã giảm mạnh,

kéo theo gia tăng độvõng, chuyển vịvà nguy cơ mất khảnăng làm việc

bình thường.

Bên cạnh đó, cường độ chịu kéo của bê tông sau cháy cũng suy

giảm rõ rệt và thường nhạy với nhiệt độhơn so với cường độchịu nén.

Li và cộng sựcho thấy đối với HSC, không chỉcường độ chịu nén mà

cảcường độkéo chẻvà cường độ uốn đều suy giảm sau gia nhiệt, phản

ánh vai trò chi phối của hệvi nứt và tổn thương tại vùng ITZ đối với

khảnăng kháng nứt của vật liệu [16]. Đây là điểm đặc biệt quan trọng

đối với các cấu kiện chịu uốn như dầm và bản sàn, nơi sựsuy giảm khả

năng chịu kéo có thểlàm nứt phát triển nhanh hơn và dẫn đến thay đổi

cơ chếlàm việc của tiết diện.

Một đặc điểm rất quan trọng là sự suy giảm tính chất cơ học của

bê tông sau hỏa hoạn không đồng đều theo chiều sâu tiết diện. Tổng

quan của Wróblewska và Kowalski nhấn mạnh rằng sau cháy, bê tông

trở thành vật liệu không đồng nhất, do đó việc xem cường độ còn lại

như một giá trị trung bình duy nhất cho toàn tiết diện là không đầy đủ

[2]. Kết quả của Chan và cộng sự về sự thô hóa cấu trúc lỗ rỗng ở cả

NSC và HSC sau nhiệt độcao cũng củng cố nhận định rằng lớp bê tông

gần bề mặt chịu lửa thường bịhư hại nghiêm trọng hơn nhiều so với

phần lõi bên trong [14]. Vì vậy, trong đánh giá sau cháy, thông số cần

được ưu tiên không chỉ là cường độcòn lại trung bình mà còn là chiều

sâu lớp bê tông bịsuy giảm cơ học.

2.3.Ảnh hưởng đến cốt thép và liên kết bê tông – cốt thép

Bên cạnh sựsuy giảm cơ tính của bê tông, hỏa hoạn còn gây ảnh

hưởng đáng kể đến cốt thép và khả năng làm việc đồng thời giữa bê

tông với cốt thép trong kết cấu BTCT. Trên thực tế, khảnăng chịu lực

của cấu kiện BTCT không chỉphụthuộc vào cường độ riêng lẻ của bê

tông hoặc cốt thép, mà còn phụthuộc rất lớn vào cơ chếbám dính và

truyền lực tại vùng tiếp xúc giữa hai vật liệu. Vì vậy, đánh giá kết cấu

sau cháy cần xem xét đồng thời cả sự suy giảm cơ tính của cốt thép lẫn

sự suy yếu của liên kết bê tông–cốt thép. Wang Yuan cũng coi sựthay

2.4. Suy giảm tính chất cơ học của bê tông

Những biến đổi vật lý và hóa học trình bày ở mục 2.1 tất yếu dẫn

đến sự suy giảm đáng kểcác tính chất cơ học của bê tông sau hỏa hoạn.

Các tổng quan gần đây thống nhất rằng cường độchịu nén, cường độ

chịu kéo, mô đun đàn hồi và quan hệứng suất–biến dạng của bê tông đều

thay đổi theo nhiệt độ; đồng thời mức độsuy giảm còn phụthuộc vào

loại cốt liệu, tỷ lệnước/chất kết dính, độẩm ban đầu, phụgia khoáng,

sợi gia cường, chế độgia nhiệt và phương pháp thí nghiệm [13].

Trong các chỉ tiêu cơ học, cường độ chịu nén là đại lượng được

sử dụng phổ biến nhất đểđánh giá mức độsuy giảm của bê tông sau

cháy. Tuy nhiên, sựsuy giảm này thường không diễn ra tuyến tính theo

nhiệt độ. Chan, Peng và Anson cho thấy sau khi chịu nhiệt độcao đến

1200°C, cảbê tông thường và bê tông cường độ cao đều suy giảm

cường độ đáng kể, trong đó khoảng 400–800°C là vùng nhiệt độ tới

hạn đối với mất cường độ; đồng thời cấu trúc lỗ rỗng của cảhai loại bê

tông đều bịthô hóa [14]. Kết quảnày phù hợp với nhận định tổng quan

của Ma và cộng sự rằng tổn thương vi cấu trúc ở cấp vi mô và trung

mô là nguyên nhân nền tảng dẫn đến suy giảm cơ tính tổng thể của bê

tông ởnhiệt độcao [15].

Đối với bê tông cường độ cao (HSC), mức độ suy giảm cơ tính

sau cháy không nhất thiết nhỏhơn bê tông thường. Chan và cộng sự

cho thấy HSC mất cơ tính theo cách tương tựNSC, dù có xu hướng bị

suy giảm mạnh hơn vềkhía cạnh liên quan đến độthấm và độ bền lâu

[14]. Li, Qian và Sun cũng chỉra rằng cơ tính còn lại của HSC sau cháy

chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ, độẩm, kích thước mẫu, cấp độ bền

và phân bố nhiệt độ, đồng thời nhấn mạnh rằng HSC dễ gặp bất lợi hơn

do độthấm thấp và tính giòn cao, nên dễ xảy ra bong tróc nổhơn so

với NSC [16].

So với cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi thường suy giảm sớm

hơn và mạnh hơn, vì chỉtiêu này nhạy cảm trực tiếp với sự phát triển