Bê Tông Khối Lớn Là Gì? Yêu Cầu Và Biện Pháp Kiểm Soát Vết Nứt Bê ...

Trong các cấu kiện bê tông khối lớn, nhiệt thủy hóa của xi măng tại tâm khối đổ sẽ tăng đột biến. Trong quá trình đóng rắn, nhiệt độ này có thể lên đến 85 – 100oC đối với các khối đổ có chiều dày lớn nếu sử dụng bê tông thông thường, gây rủi ro nứt cao.

Đặc biệt thường 1 đến 3 ngày đầu, sự chênh lệch nhiệt độ trong lòng khối bê tông đạt đến cực đại, tạo ra ứng suất nội trong cấu kiện, gây ra các vết nứt nhiệt.

Vậy biện pháp kiểm soát vết nứt cho bê tông khối lớn là gì? Và khi nào thì áp dụng các biện pháp này? Thật thiếu sót nếu chúng ta không tìm hiểu tổng quan thế nào thì được gọi là bê tông khối lớn.

Ngắn gọn mô tã để hiểu nhanh, nhưng rõ nét về bê tông khối lớn. Chúng ta đánh giá theo chiều dày và cạnh nhỏ nhất của cấu kiện so với các điều kiện sau:

• Nếu kích thước lớn hơn 2m theo TCVN thì nhất thiết cần phải có các biện pháp để kiểm soát vết nứt do ứng suất nhiệt gây ra. Biện pháp ở đây được hiểu bao gồm cả việc lựa chọn thành phần nguyên vật liệu (bê tông…) đến các phương pháp bảo dưỡng đặc thù riêng của loại bê tông này (ví dụ: bảo dưỡng bảo ôn, làm mát lòng bê tông…), và cũng không loại trừ phương pháp thi công.
• Nếu kích thước từ 1m đến 2m thì nên có các biện pháp tăng cường để kiểm soát nứt do nhiệt. Chúng tôi nhấn mạnh “nên”, nghĩa là tùy vào đặc thù của dự án để quyết định việc áp dụng tăng cường kiểm soát. Điều này có nghĩa là không bắt buộc.

Tuy nhiên, theo kinh nghiệm của Materials Mater thì nếu từ 1.5m trở xuống thì không quá nghiêm khắc trong việc thi công, nhưng cũng cần một số biện pháp bảo dưỡng “đơn giãn & hợp lý” mà chúng tôi đã tư vấn áp dụng cho nhiều dự án lớn và thành công. Còn kích thước hơn 1.5m đến 2m thì Materials Master khuyên các chủ dự án cân nhắc thật kỹ lưỡng (bao gồm cả yếu tố kinh tế nếu có) để ra quyết định thật sáng suốt. Ý kiến của chúng tôi khuyên, thì hiển nhiên càng tăng cường các biện pháp thì càng giảm được rủi ro khuyết tật và chi phí sửa chữa về sau.

Các biện pháp phòng ngừa vết nứt sẽ được nêu rõ trong những nội dung phía dưới đây.

Hình: Sự phát triển cuả nhiệt thủy hoá trong lòng bê tông khối lớn có thể dẫn đến nứt vì nhiệt

Nhiệt độ tăng cao tại tâm khối đổ gây ra ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc khối bê tông (nếu không có biện pháp phù hợp) :

• Nhiệt độ trên 71.1oC sẽ có khả năng xảy ra hiện tượng trì hoãn sự hình thành khoáng Ettringite (DEF- Delayed Ettingite Formation) trong khối bê tông, dẫn đến các vết nứt trong cấu kiện bê tông trong thời gian dài.
• Nhiệt độ của khối bê tông cao, đặc biệt là cao hơn 85oC, sẽ làm giảm cường độ của bê tông ở 28 ngày một cách rõ rệt và xuất hiện khuyết tật (nứt…)

Hình: Ảnh hưởng cuả việc tháo ván khuôn sớm trong việc tăng nguy cơ nứt do nhiệt

Để giảm thiểu các rủi ro nứt bê tông khối lớn, các yêu cầu đặc biệt sau được áp dụng:

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, đáp ứng:

• Giới hạn chênh lệch nhiệt độ bê tông giữa các điểm hoặc các vùng DeltaT ≤ 20oC hoặc giới hạn gradient nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông (chênh lệch nhiệt độ trên 1m bất kỳ) MT/m < 50oC/m

Theo tiêu chuẩn nước ngoài, học viện nghiên cứu Mỹ ACI, đáp ứng:

• Giới hạn nhiệt độ tối đa trong tâm khối đổ Tmax ≤ 71.1oC. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp để thuận tiện trong việc ghi nhớ, dự án quen dùng mốc 70oC và được nhân bản cho nhiều dự án tiếp theo. Do đó, về mặt Kỹ thuật thì hoàn toàn áp dụng được giới hạn tối đa là 71.1oC. Lý do, khi giá trị nhiệt độ trên ngưỡng này thì có thể xuất hiện việc hình thành khoáng Ettringite gây ra nứt bê tông do hiện tượng trương nỡ… Riêng mốc 85oC thì khả năng quá trình này sẽ xảy ra rất cao. Tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam, ngoài chỉ tiêu nhiệt độ cao nhất, còn có thể áp dụng thêm chỉ số chênh lêch nhiệt độ DeltaT < 20oC. Nghĩa là, đáp ứng một trong 2 chỉ tiêu hoặc cả 2 cùng lúc đều được nghiệm thu.

Việc sử dụng các loại vật liệu bảo ôn bên trong ván khuôn thành và bề mặt trên của bê tông giúp giữ nhiệt tại bề mặt khối đổ, qua đó làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ. Nên giữ ván khuôn trong vài ngày cho đến khi DeltaT < 20oC và nhiệt độ tối đa (giữa tâm khối bê tông) đang trên đà giảm xuống. Theo kinh nghiệm, tuyệt đối không tháo trước 3 ngày. Nếu muốn tháo sớm thì nên sau 5 ngày.

Tháo ván khuôn quá sớm, không đúng thời điểm, sẽ làm cho bề mặt bê tông bị làm lạnh nhanh và bị nứt.

Trường hợp đặc thù của dự án thì có thể tháo cốp pha thành bảo ôn từ ngày thứ 4, nhưng chỉ tháo hờ ván khuôn ra khỏi mặt bê tông và ngày thứ 5 tháo dỡ mang đi (tuy nhiên, khuyến cáo làm việc thêm với chuyên gia để có quyết định đúng cho mỗi trường hợp) .

Phương pháp này cần được suy xét áp dụng khi bề dày hoặc kích thước nhỏ nhất khối đổ > 1.5m. Và nếu > 2m thì cần áp dụng.

Đối với các cấu kiện bê tông đặc biệt, các yêu cầu trên cần được áp dụng ngay với cấu kiện có chiều dày > 1m, khi các vết nứt nhiệt có thể gây ra những hư hao lớn trong quá trình vận hành (Ví dụ: kết cấu đường hầm, kho chứa gas…)

Xi măng cho kết cấu bê tông khối lớn

Để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trong cấu kiện bê tông khối lớn, các loại xi măng đặc biệt với nhiệt thủy hóa thấp (giảm lượng nhiệt phát sinh) được sử dụng như:

• TCVN 7712
• ASTM C1157 – LH (loại nhiệt thủy hóa thấp)
• EN 197-1 – loại ít tỏa nhiệt

Tiêu chuẩn châu âu EN sử dụng phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa khác so với tiêu chuẩn ASTM – Phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa theo EN thường không sẵn có tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Do đó cần cân nhắc áp đặt cho dự án của mình.

Bê tông cho kết cấu khối lớn

Để đạt được giới hạn nhiệt độ trong kết cấu bê tông khối lớn, một vài thông số đóng vai trò ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng, cần phải tiến hành xác định như:

• Nhiệt thủy hóa của xi măng (loại xi măng có giá trị càng thấp, càng tốt và đáp ứng với tiêu chuẩn áp dụng)
• Cường độ yêu cầu của bê tông, quyết định cấp phối sử dụng (bao gồm hàm lượng xi măng sử dụng. Lượng xi măng sử dụng càng nhiều thì lượng nhiệt sinh ra theo tỷ lệ thuận. Biện pháp thay một phần xi măng bằng lượng phụ gia khoáng khác thường được áp dụng trên thực tế)
• Chiều dày của khối đổ (quyết định đến loại nguyên vật liệu cần sử dụng, biện pháp thi công kể cả việc có nên chia nhỏ khối đổ làm nhiều lần hay không để giảm chiều dày mỗi lần thi công. Cũng xin lưu ý: Materials Master đã có nhiều cơ hội chia sẽ với các Nhà thầu lớn vấn đề này để làm rõ. Chia nhiều lần không phải thời gian nghỉ hay chia lớp khi thi công một lần, mà chia làm nhiều ngày. Để tốt vấn đề này, nên tham khảo thêm tư vấn của chuyên gia)

Cấp phối bê tông khối lớn có thể được tối ưu hóa như sau:

• Tối ưu hàm lượng xi măng bằng cách sử dụng thêm các loại phụ gia siêu hóa dẻo hoặc thay thế bằng phụ gia khoáng.
• Sử dụng cốt liệu có kích thước lớn hơn mà vẫn đáp ứng điều kiện thi công (cần có sự phối hợp của các bên, kể cả nhà thầu phụ thực hiện đầm dùi)
• Yêu cầu cường độ của bê tông ở tuổi 56 ngày thay vì 28 ngày (để tăng cường việc tối ưu hàm lượng xi măng chủ yếu vào việc sử dụng phụ gia khoáng như tro bay, xỉ lò cao… khi giúp tốc độ phát triển cường độ bê tông vẫn còn tăng cao sau 28 ngày)

Nhiệt độ của bê tông tươi nên được hạ thấp nhất có thể. Tại miền Nam Việt Nam, nhiệt độ cao nhất của bê tông tươi có thể kiểm soát ở 30 – 32oC bằng cách:

• Che chắn cốt liệu để giảm nhiệt độ của chúng
• Tưới ẩm cho cốt liệu thường xuyên
• Sử dụng hệ thống làm lạnh nước hoặc kết hợp với đá viên

Ghi chú: một số yêu cầu đặc biệt hơn nữa thì có thể yêu cầu nhiệt độ tối đa khi bê tông tới công trường là 28oC. Trường hợp này cần đánh giá toàn diện, ví dụ: tiến độ sản xuất, tình hình giao thông làm giới hạn thời gian đổ qua đó ảnh hưởng khối lượng mỗi đơn đặt hàng, tiến độ thi công liên quan đến cả bơm, thiết bị, con người, kích thước cấu kiện, tính kinh tế… để xác định mức độ cần thiết mặc dù nhiệt độ càng thấp càng tốt. Tránh dập khuôn máy móc có thể dẫn đến hệ quả không mong muốn, ví dụ khối đổ bị gián đoạn làm tăng rủi ro cấu kiện bị khuyết tật…

Đổ thử (mock-up) bê tông khối lớn

Khi không có cơ sở hoặc thiếu dữ liệu phân tích liên quan đến cấp phối, nguyên vật liệu… sử dụng thì cần tiến hành làm khối đổ thử để kiểm tra.

Chiều dày và kích thước nhỏ nhất khối đổ cần mô phỏng giống với thực tế hoặc mô phỏng kích thước lớn hơn, tức là có điều kiện rủi ro hơn thực tế (khi thực tế có nhiều khối đổ với giá trị khác nhau)

Với chiều dày và kích thước nhỏ nhất lơn hơn 2m thì phải thực hiện mock-up để đánh giá. Nếu kích thước 1 – 2m thì tùy thuộc vào thỏa thuận các bên, nhưng trên 1.5m thì khuyên nên thực hiện.

Cần bảo dưỡng cách nhiệt các mặt (tối thiểu là 5cm) sao cho tương tự với khối đổ thực tế.

Hình (3 mặt cắt): Mô hình vị trí kiểm tra nhiệt độ trong lòng bê tông cho khối đổ thử

Hình: Khối đổ thử tại công trình

          Sau khi thi công khối đổ, bảo dưỡng bằng vật liệu cách nhiệt (tối thiểu 5cm) sẽ giúp giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm khối đổ.

Không bảo dưỡng bằng cách tưới nước vì sẽ làm giảm nhiệt độ bề mặt. Cũng như có biện pháp che chắn nước mưa tiếp xúc trực tiếp bề mặt bê tông hay có khả năng làm giảm nhiệt độ bề mặt một cách đột ngột, như vậy sẽ gây nên rủi ro nứt vì nhiệt.

Nhiệt độ của khối đổ bê tông đóng rắn nên được theo dõi mỗi 2 tiếng một lần, liên tục ít nhất 3 ngày (trong một số trường hợp, có thể chấp nhận mỗi 4 tiếng 1 lần bắt đầu từ ngày thứ 2 trở đi).

Để theo dõi nhiệt độ trong lòng cấu kiện, lắp đặt hệ thống đầu đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau như hình vẽ minh họa ở trên trước khi tiến hành đổ bê tông.

Tóm tắt các lưu ý bê tông khối lớn

Để giảm thiểu các nguy cơ gây nứt trong cấu kiện khối lớn, cần kết hợp các biện pháp sau:

• Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt tuân theo tiêu chuẩn TCVN 7712 hoặc ASTM C1157 loại LH (ít tỏa nhiệt) để giảm thiểu vết nứt do nhiệt
• Nhiệt độ của bê tông tươi nên kiểm soát tối đa 30oC. Trường hợp 32oC nếu yêu cầu về chất lượng bê tông hay cấp phối được xem xét đáp ứng phù hợp. Chú ý: trong điều kiện thời tiết ở VN, tiêu chuẩn hay các bài báo đề cập đến việc kiểm soát tối đa 20oC hay 25oC thì cần xem lại thực tế tính khả thi.
• Bảo dưỡng khối bê tông bằng lớp vật liệu cách nhiệt (dày tối thiểu 5cm) để kháng lại việc mất nhiệt tại bề mặt khối đổ. Không tưới nước (khi cần kiểm soát co ngót khô thì sau 5 ngày có thể được áp dụng)

Trước khi thi công khối đổ, tiến hành khối đổ thử để kiểm chứng việc đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ, đặc biệt trường hợp chưa có cơ sở và dữ liệu phân tích chắc chắn.

• Nhiệt độ tối đa trong lòng khối bê tông ≤ 71oC
• Nhiệt độ chênh lệch tối đa 20oC

Lưu ý: nhiệt độ tối đa ở bất kỳ điểm nào trong cấu kiện có thể được nới lỏng đến 85oC nếu chứng minh rằng với bản chất của việc thi công và cấp phối trộn bê tông liên quan mà nhiệt độ đó sẽ không phương hại đến sự làm việc của bê tông. Cụ thể nếu thoả:

1. Bê tông chứa ít nhất 25% PFA hoặc 50% xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBS) theo trọng lượng của vật liệu xi măng.

2. Xi măng Portland có SO3 ít hơn 2.5% 3. Tổng thành phần kali của bê tông ít hơn 3kg/m3 khi được xác định ở PNAP 180 4. Tỷ lệ nước/xi măng ít hơn 0.4

5. Bảo dưỡng, kiểm soát chênh lệch nhiệt độ theo kỹ thuật bê tông khối lớn.