Tài liệu Nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất phương án khắc phục vết nứt cấu kiện btct cho một số công trình tại khu vực phía nam

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHAN BÌNH NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHẮC PHỤC VẾT NỨT CẤU KIỆN BTCT CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TẠI KHU VỰC PHÍA NAM Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐẶNG CÔNG THUẬT Đà Nẵng, Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Phan Bình TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHẮC PHỤC VẾT NỨT CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TẠI KHU VỰC PHÍA NAM Học viên: Nguyễn Phan Bình Chuyên nghành : Kỹ thuật Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Lớp: K34.XDD.QNg, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Bê tông cốt thép là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình xây dựng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng (trên 80% các công trình từ cấp I đến cấp IV đều sử dụng kết cấu bê tông cốt thép). Những công trình bê tông cốt thép thường mắc một căn bệnh cố hữu với triệu chứng cụ thể là các vết nứt. Các vết nứt trong bêtông có thể phát triển từ nhiều nguyên nhân, mà bản chất là đặc tính của vật liệu trong khâu sản xuất, thi công và khả năng chịu kéo kém của bêtông khi kết cấu làm việc. Các vết nứt trông thấy thường liên quan đến khả năng các vết nứt này tạo điều kiện dễ dàng cho sự xâm nhập của các tác nhân xâm thực vào bêtông và tiếp cận cốt thép, dẫn đến huỷ hoại cấu trúc chịu lực của vật liệu. Trong quá trình thi công và sử dụng, hiện tượng nứt BTCT làm ảnh hưởng bất lợi đến tính bền vững công trình, gây thấm, hỏng những kết cấu liền kề, đặc biệt ở nước ta nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm quanh năm. Nhiều công trình xây dựng sử dụng kết cấu BTCT đòi hỏi tính bền vững và ổn định công trình cao, việc xuất hiện vết nứt tại các kết cấu BTCT gây nhiều bất lợi không chỉ về mặt kỹ thuật mà còn ảnh hưởng đến kinh tế, gây nên tâm lý không tốt cho người sử dụng và xã hội. STUDY THE CAUSES AND PROPOSE A PLAN TO OVERCOME THE CRACK OF REINFORCED CONCRETE COMPONENTS FOR SOME PROJECTS IN THE SOUTHERN AREA Summary - Reinforced concrete is the most widely used material in construction works in the world in general and in Vietnam in particular (over 80% of buildings from level I to level IV use precast structures. reinforced steel). Reinforced concrete structures often suffer from an inherent disease with specific symptoms such as cracks. Cracks in concrete can develop from many causes, which are essentially characteristics of materials in the production, construction and poor tolerance of concrete when the structure works. The visible cracks often involve the possibility of these cracks facilitating the penetration of the invading agents into concrete and access to the reinforcement, leading to the destruction of the bearing structure of the material. In the process of construction and use, reinforced concrete cracking phenomenon adversely affects the sustainability of the project, causing seepage and damage to adjacent structures, especially in our country located in the hot and humid tropical climate area. year round. Many construction works using reinforced concrete structures require high stability and stability, the appearance of cracks in reinforced concrete structures causes many disadvantages not only technically but also affecting the economy. causing bad psychology for users and society. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TOM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Sự cần thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 2 5. Bố cục đề tài ..................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BTCT VÀ KHUYẾT TẬT CÔNG TRÌNH BTCT ............................................................................................................. 4 1.1. Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép ................................................... 4 1.1.1. Vật liệu chế tạo bê tông ............................................................................. 4 1.1.2. Cốt thép ...................................................................................................... 9 1.1.3. Sự làm việc chung của vật liệu trong kết cấu BTCT .............................. 10 1.2. Các sự cố của kết cấu BTCT ........................................................................... 10 1.2.1. Một số khái niệm liên quan đến sự cố công trình xây dựng .................... 10 1.2.2. Một số nguyên nhân sự cố thường gặp .................................................... 12 1.3. Kết luận chương ............................................................................................... 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NỨT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................................................................................................... 18 2.1. Định nghĩa vết nứt ........................................................................................... 18 2.1.1. Định nghĩa ................................................................................................ 18 2.1.2. Phương pháp nhận dạng các loại vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép.. 25 2.2. Nguyên nhân gây nứt bê tông cốt thép ............................................................. 30 2.2.1. Nứt kết cấu BTCT do thiết kế .................................................................. 30 2.2.2. Nứt kết cấu BTCT do yếu tố co ngót ....................................................... 33 2.2.3. Nứt kết cấu BTCT do yếu tố thi công ...................................................... 43 2.2.4. Nứt kết cấu BTCT do yếu tố nhiệt độ ...................................................... 46 2.2.5. Nứt do ăn mòn cốt thép ........................................................................... 50 2.2.6. Nứt do tải trọng và tác động .................................................................... 50 2.3. Các tiêu chuẩn tính toán đến sự hình thành và mở rộng vết nứt ..................... 51 2.3.1. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 [6] .................................................... 51 2.3.2. Theo tiêu chuẩn BS-8110 [7] ................................................................... 52 2.3.3. Theo tiêu chuẩn ACI-318 [8] ................................................................... 52 2.3.4. Theo tiêu chuẩn EUROCODE 1992-1-1 [9]............................................ 53 2.4. Kết luận chương ............................................................................................... 53 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHẮC PHỤC CÔNG TRÌNH SONASEA CONDOTEL & VILLAS VÀ MEKORPHAR BP NEW FACTORY ..................................................................... 54 3.1. Đặt vấn đề: ......................................................................................................... 54 3.2. Khảo sát công trình SonaSea Condotel & Villas ............................................. 54 3.2.1. Mô tả công trình ....................................................................................... 54 3.2.2. Kết quả kiểm tra khảo sát công trình ....................................................... 55 3.2.3. Phân tích nguyên nhân xảy ra sự cố......................................................... 65 3.2.4. Đề xuất phương án khắc phục.................................................................. 66 3.2.5. Tính toán kiểm tra sau khi gia cố ............................................................. 71 3.3. Khảo sát công trình Mekophar Bp New Factory ............................................. 72 3.3.1. Mô tả công trình ....................................................................................... 72 3.3.2. Kết quả kiểm tra khảo sát công trình ....................................................... 73 3.3.3. Phân tích nguyên nhân xảy ra sự cố......................................................... 82 3.3.4. Đề xuất phương án khắc phục.................................................................. 82 3.4. Kết luận chương ................................................................................................ 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 86 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 87 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT Bê tông cốt thép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam ACI Viện bê tông Hoa Kỳ ASTM Tiêu chuẩn Mỹ BS Tiêu chuẩn Anh EUROCODE Tiêu chuẩn Châu Âu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Nhiệt thuỷ hoá của xi măng theo ASTM C150-99a [24] .......................... 4 Bảng 1.2. Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn ................................................ 6 Bảng 1.3. Thành phần hạt của cát .............................................................................. 7 Bảng 1.4. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn bê tông và vữa ......................................... 8 Bảng 2.1. Phân loại các vết nứt bê tông ................................................................... 20 Bảng 2.2. Các loại vết nứt và hình dạng vết nứt ...................................................... 25 Bảng 2.3. Vết nứt trong dầm bê tông cốt thép.......................................................... 28 Bảng 2.4. Co hóa học của các khoáng xi măng ....................................................... 34 Bảng 2.5. Sự phát triển cường độ tiêu chuẩn của bê tông theo thời gian(Rb) ......... 45 Bảng 2.6. Các hàm cho các thông số ....................................................................... 49 Bảng 3.1. Vật Liệu sử dụng ...................................................................................... 58 Bảng 3.2. Giới hạn chảy của cốt thép ....................................................................... 59 Bảng 3.3. Dung trọng của vật liệu ............................................................................ 59 Bảng 3.4. Tải trọng lớn nhất của lớp phủ lên sàn ..................................................... 59 Bảng 3.5. Hoạt tải tác dụng lên công trình ............................................................... 60 Bảng 3.6. Phân vùng áp lực gió ................................................................................ 60 Bảng 3.7. Mô tả các trường hợp tải trọng ................................................................. 62 Bảng 3.8. Tổ hợp tải trọng tính toán_ULS ............................................................... 62 Bảng 3.9. Tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn_ SLS ............................................................ 62 Bảng 3.10. Ví dụ 5/266 vị trí kiểm tra vết nứt được đánh giá mức độ nguy hiểm của cấu kiện kết cấu BTCT theo mục 5.2.5 & của TCVN 9381:2012. ......... 79 Bảng 3.11. Các vị trí nứt cấu kiện gây nguy hiểm cho hạng mục công trình theo mục 5.3.2.2 của TCVN 9381:2012. ........................................................ 80 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Đồ thị ứng suất biến dạng của cốt thép ...................................................... 9 Hình 1.2. Hình ảnh các loại thép xây dựng .............................................................. 10 Hình 1.3. Các sự cố công trình xảy ra trong nước và trên thế giới .......................... 11 Hình 1.4. Nền bị lún do tải trọng của lớp đất đắp, tôn nền ...................................... 13 Hình 1.5. Vì kèo sập đổ hoàn toàn do tải trọng mái vượt khả năng chịu lực của vì kèo ................................................................................................ 14 Hình 1.6. Sạt taluy dương do bạt núi làm đường ..................................................... 15 Hình 2.1. Vết nứt hình thành trong quá trình co ngót .............................................. 18 Hình 2.2. Hiện tượng bê tông bị bọt khí ................................................................... 21 Hình 2.3. Các vết rạn nứt trên cấu kiện BTCT ......................................................... 21 Hình 2.4. Hiện tượng rỗ tổ ong cấu kiện BTCT ....................................................... 22 Hình 2.5.. Hiện tượng cong vênh sàn do co ngót ..................................................... 22 Hình 2.6. Hiện tượng bong tróc ................................................................................ 23 Hình 2.7. Hiện tượng phấn hóa ((Bụi xi măng)........................................................ 24 Hình 2.8. Quá trình ăn mòn kim loại là nguyên nhân chính gây nứt vỡ .................. 24 Hình 2.9. Vết nứt do tác động của lực trong bản sàn ............................................... 27 Hình 2.10. Các vết nứt trong sàn panel lắp ghép (1 ÷ 4) do tác động của lực ......... 27 Hình 2.11. Vết nứt trong dầm ................................................................................... 29 Hình 2.12. Vết nứt trong cột bê tông cốt thép .......................................................... 30 Hình 2.13. Co hóa học của đá xi măng..................................................................... 34 Hình 2.14. Mối quan hệ giữa co hóa học và co nội sinh .......................................... 35 Hình 2.15. Quá trình hình thành co nội sinh của bê tông ......................................... 36 Hình 2.16. Mô tả trạng thái của nước trong lỗ rỗng cấu trúc của đá xi măng.......... 36 Hình 2.17. Hiện tượng tự làm khô trong đá xi măng ............................................... 37 Hình 2.18. Hiện tượng nứt của bê tông do co mềm ................................................. 38 Hình 2.19. Một số ví dụ về tốc độ nước dịch chuyển lên bề mặt ............................. 39 Hình 2.20. Bê tông bị nứt do co khô ........................................................................ 41 Hình 2.21. Sự phân bố của áp lực tách liên kết ........................................................ 42 Hình 2.22. Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến co ngót trong bê tông ............. 45 Hình 3.1. Phối cảnh mặt đứng và mặt bằng công trình Sonasea Condotel & Villas 54 Hình 3.2. Một số hình ảnh hạng mục móng của công trình bị nứt ........................... 55 Hình 3.3. Một số hình ảnh kiểm tra vết nứt công trình ............................................ 56 Hình 3.4. Một số hình ảnh kiểm tra đặc tính của bê tông ........................................ 56 Hình 3.5. Một số hình ảnh kiểm tra cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ ........ 57 Hình 3.6. Một số hình ảnh kiểm tra khả năng ăn mòn của cốt thép bằng máy dò cốt thép Profometer và thiết bị Canin hãng Proceq, Thụy Sỹ....................... 58 Hình 3.7. Mô hình 3D sàn hầm công trình bằng SAFE ........................................... 63 Hình 3.8. Mô hình 3D công trình bằng Etabs .......................................................... 64 Hình 3.9. Công tác vệ sinh tại vị trí vết nứt ............................................................. 67 Hình 3.10. Đánh dấu các vị trí có thể đặt xi măng ................................................... 67 Hình 3.11. Gắn chốt neo vào các vị trí đã được đánh dấu & trám vá dọc theo các vết nứt ........................................................................................................... 67 Hình 3.12. Công tác bơm dung dịch keo Epoxy vào xy lanh ................................... 68 Hình 3.13. Công tác chà nhám và làm phẳng bề mặt các vết nứt sau khi xử lý ....... 68 Hình 3.14. Ví dụ gia cường dầm móng tại vị trí nhịp bao gồm mặt bằng, mặt đứng và mặt cắt gia cường ............................................................................... 69 Hình 3.15. Ví dụ gia cường dầm móng tại vị trí nhịp bao gồm mặt bằng, mặt đứng và mặt cắt gia cường ............................................................................... 69 Hình 3.16. Ví dụ gia cường dầm móng tại vị trí gối ................................................ 70 Hình 3.17. Gia cường dầm móng tại vị trí nhịp của dầm D1 (AV3C) trục SX5SX6/SY11 không đạt cường độ bê tông thiết kế và có vết nứt ≥ 0,40 mm bao gồm mặt đứng và mặt cắt gia cường ................................................ 70 Hình 3.18. Gia cường dầm móng tại vị trí nhịp của dầm D1 (AV3C) trục SX5SX6/SY11 không đạt cường độ bê tông thiết kế và có vết nứt ≥ 0,40 mm bao gồm mặt đứng và mặt cắt gia cường ................................................ 71 Hình 3.19. Sơ đồ kết cấu của dầm D2 – AV12A ..................................................... 72 Hình 3.20. Phối cảnh và hiện trạng công trình Mekophar Bp New Factory ............ 72 Hình 3.21. Hình ảnh vết nứt dầm và sàn công trình Mekophar Bp New Factory .... 73 Hình 3.22. Mô hình không gian của công trình ........................................................ 75 Hình 3.23. Tiết diện dầm tầng mái ........................................................................... 76 Hình 3.24. Moment – M3 của DẦM MÁI trong ETABS ....................................... 77 Hình 3.25. Share – V2 của DẦM MÁI trong ETABS ............................................ 78 Hình 3.26. Một số hình ảnh kiểm tra chiều dày lớp bê tông cốt thép bảo vệ ........... 82 Hình 3.27. Một số hình ảnh kiểm tra chiều dày lớp bê tông cốt thép bảo vệ ........... 82 1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Bê tông cốt thép là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình xây dựng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng (trên 80% các công trình từ cấp I đến cấp IV đều sử dụng kết cấu bê tông cốt thép). Khoa học công nghệ phát triển đã tạo ra những cơ hội mới để đa dạng hóa việc ứng dụng vật liệu bê tông cốt thép vào kết cấu nhưng những nguyên lý ban đầu để hình thành vật liệu tổ hợp từ thép và bê tông với việc hạn chế hình thành các vết nứt vẫn còn nguyên giá trị. Những công trình bê tông cốt thép thường mắc một căn bệnh cố hữu với triệu chứng cụ thể là các vết nứt. Nhưng chẩn đoán nó như thế nào, đâu là nguyên nhân đích thực và cách chủ động phòng ngừa vẫn luôn là một thách thức. Nứt bêtông là hiện tượng thường gặp trong công trình xây dựng. Các vết nứt trong bêtông có thể phát triển từ nhiều nguyên nhân, mà bản chất là đặc tính của vật liệu trong khâu sản xuất, thi công và khả năng chịu kéo kém của bêtông khi kết cấu làm việc. Các vết nứt trông thấy thường liên quan đến khả năng các vết nứt này tạo điều kiện dễ dàng cho sự xâm nhập của các tác nhân xâm thực vào bêtông và tiếp cận cốt thép, dẫn đến huỷ hoại cấu trúc chịu lực của vật liệu. Trong quá trình thi công và sử dụng, hiện tượng nứt BTCT làm ảnh hưởng bất lợi đến tính bền vững công trình, gây thấm, hỏng những kết cấu liền kề, đặc biệt ở nước ta nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới nóng ẩm quanh năm. Nhiều công trình xây dựng sử dụng kết cấu BTCT quy mô lớn như cầu, nhà cao tầng, các công trình lớn, công trình công nghiệp, đập thuỷ điện, móng silo … đòi hỏi tính bền vững và ổn định công trình cao, việc xuất hiện vết nứt tại các kết cấu BTCT gây nhiều bất lợi không chỉ về mặt kỹ thuật mà còn ảnh hưởng đến kinh tế, gây nên tâm lý không tốt cho người sử dụng và xã hội. Hàng năm có hàng trăm công trình xây dụng dân dụng ở khu vực phía Nam nói chung cũng như thành phố Hồ Chí Minh nói riêng có nguyên nhân nghiêng, lún dẫn đến nứt cũng như sập đổ công trình. Các nguyên nhân dẫn đến sự cố nứt công trình có thể kể đến như: khảo sát địa chất xây dựng không đầy đủ hoặc không khảo sát; thiết kế không hợp lý; thi công không đúng với thiết kế; tác động khác từ bên ngoài như tác động của công trình, hố đào hoặc chất tải ở khu vực lân cận, sập hang động ngầm, hạ mực nước ngầm, lún do tải trọng của đất san lấp tạo mặt bằng. Những lý do nêu trên cho thấy sự cần thiết của công tác tập hợp, phân tích những nguyên nhân gây ra nứt kết cấu BTCT, từ đó đưa ra các giải pháp, phương án hạn chế và nguyên tắc xử lý cho kết cấu BTCT bị nứt. Điều đó không chỉ có ý nghĩa về nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong công tác thiết kế, thi công và khai thác các công trình xây dựng. Xuất phát từ những nội dung trên: Đề tài “ Nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất phương án khắc phục vết nứt cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) cho một số 2 công trình tại khu vực phía Nam” có tính thực tiễn và cấp thiết cao. Trong giới hạn của luận văn chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát 02 công trình xảy ra sự cố vết nứt tại khu vực phía Nam với nội một số yêu cầu như: khảo sát hiện trạng của công trình sau đó đánh giá nguyên nhân gây nứt và đưa ra phương án khắc phục sửa chữa cho các công trình đã nêu; luận văn chưa đề cập đến các nguyên nhân gây nứt do yếu tố nhiệt độ, vật liệu và quá trình thi công xây dựng công trình. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát hiện trạng của các công trình nghiên cứu, đánh giá nguyên nhân gây nứt có do quá trình thiết kế công trình. - Đề xuất một số giải pháp khắc phục sự cố vết nứt cấu kiện BTCT 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: nguyên nhân xảy ra sự cố vết nứt cấu kiện BTCT do quá trình thiết kế các công trình nghiên cứu và đề xuất phương án khắc phục cho các công trình. - Phạm vi nghiên cứu: đó02 công trình đã thi công xảy ra sự cố vết nứt cấu kiện BTCT . 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lí thuyết: thông qua các tài liệu liên quan đến nội dung nghiên cứu. - Khảo sát thực nghiệm: Tiến hành kiểm tra thực tế các công trình có vết nứt cấu kiện BTCT tại một số tỉnh thuộc khu vực phía Nam - Tổng hợp, phân tích đưa ra nguyên nhân xảy ra sự cố vết nứt và đề xuất phương án khắc phục phù hợp. 5. Bố cục đề tài Mở đầu 1) Tính cấp thiết của đề tài 2) Mục tiêu nghiên cứu 3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4) Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẾT NỨT CÔNG TRÌNH 1.1. Đặc điểm chung của kết cấu BTCT 1.2. Các sự cố của kết cấu BTCT 1.3. Kết luận chương CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NỨT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1. Định nghĩa về vết nứt 2.2. Nguyên nhân gây nứt bê tông cốt thép 2.3. Các tiêu chuẩn tính toán đến sự hình thành và mở rộng vết nứt 2.4. Kết luận chương 3 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHẮC PHỤC CÔNG TRÌNH SONASEA CONDOTEL &VILLAS VÀ MEKORPHAR BP NEW FACTORY 3.1. Đặt vấn đề 3.2. Khảo sát công trình Sonasea Condotel & Villas 3.3. Khảo sát công trình Mekophar 3.4. Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BTCT VÀ KHUYẾT TẬT CÔNG TRÌNH BTCT 1.1. Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép 1.1.1. Vật liệu chế tạo bê tông a. Xi măng Cường độ bê tông phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chất lượng cốt liệu, mức độ đầm chặt, tỷ lệ xi măng với nước, loại và lượng dùng xi măng,... Trong đó, vật liệu chất kết dính có tác động lớn đến quá trình thuỷ hoá và tốc độ tăng cường độ và do đó có những tác động lớn đến cường độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, cũng như cường độ tuổi dài ngày của bê tông, bên cạnh đó cần phải xem xét sự phát sinh nhiệt bởi vật liệu chất kết dính chế tạo bê tông. Trong bê tông người ta đặc biệt quan tâm tới sự sinh nhiệt bởi các vật liệu kết dính trong nó, tuỳ theo mỗi loại xi măng khác nhau mà cho ta nhiệt thuỷ hoá khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng cùng lượng xi măng thí nghiệm (223kg/m3) thì lượng nhiệt toả ra do quá trình thuỷ hoá như sau. Bảng 1.1. Nhiệt thuỷ hoá của xi măng theo ASTM C150-99a [24] Loại xi măng Độ mịn (ASTM C115[2]), Nhiệt thuỷ hoá (28 ngày), cm2/g cal/g I 1790 87 II 1890 76 III 2030 70 IV 1910 60 Xi măng có nhiệt thuỷ hoá trung bình là xi măng pooclăng loại II, xi măng có nhiệt thuỷ hoá thấp là xi măng pooclăng loại IV. Nếu dùng xi măng pooclăng loại II thì phải pha trộn thêm phụ gia hoạt tính và giảm lượng dùng xi măng đi, như vậy sẽ giảm được nhiệt do quá trình thuỷ hoá của xi măng , khắc phục được ảnh hưởng bất lợi do nhiệt khi xây dựng các công trình bê tông. Sự toả nhiệt của xi măng khi thủy hóa và rắn chắc có ý nghĩa thực tế rất lớn. Khi thi công các cấu kiện nhỏ và trong điều kiện nhiệt độ thấp thì sự toả nhiệt có lợi, nhưng khi thi công các cấu kiện lớn và nhiệt độ cao thì lại có hại vì chúng gây nên ứng suất nhiệt, do đó xi măng dùng cho công trình khối lớn yêu cầu lượng nhiệt toả ra sau 3 ngày ≤ 40-45 Cal/g, sau 7 ngày 50-55 Cal/g. Trong quá trình rắn chắc của xi măng, thời kỳ đầu tiên toả nhiệt nhanh và nhiều. Quá trình toả nhiệt của xi măng ở thời kỳ đầu đóng rắn được chia làm 4 giai đoạn. Giai đoạn 1: Sau 30 đến 40 phút kể từ khi nhào trộn xi măng với nước, lượng 5 nhiệt toả ra nhanh, đặc biệt là từ 5 đến 6 phút đầu tiên. Giai đoạn 2: Toả nhiệt ít và được gọi là giai đoạn cảm ứng, thường xảy ra sau 2 đến 4 giờ kể từ khi nhào trộn xi măng với nước, và phụ thuộc vào tính chất của xi măng, hàm lượng thạch cao. Nguyên nhân của giai đoạn cảm ứng là do hình thành màng gel của các hợp chất hydrat trên bề mặt các hạt Clanhke, do đó làm cản trở sự xâm nhập của nước vào bên trong các hạt, làm giảm sự tương tác của các hạt với nước nên làm giảm lượng nhiệt toả ra. Do sự khuyếch tán của các hợp chất trong màng gel dẫn đến làm tăng áp suất thẩm thấu đến một giá trị nhất định làm phá vỡ màng gel, do đó quá trình phản ứng của các khoáng với nước lại xảy ra. Đó là thời điểm cuối cùng của thời kỳ cảm ứng và bắt đầu thời kỳ toả nhiệt mạnh. Giai đoạn 3: Sau 3 đến 5 giờ kể từ khi nhào trộn xi măng với nước được đặc trưng bởi sự tăng dần lượng nhiệt toả ra (hỗn hợp bắt đầu đông kết) và đạt cực đại sau 6 đến 10 giờ (hỗn hợp kết thúc đông kết). Giai đoạn 4: Kể từ khi lượng nhiệt đạt cực đại bắt đầu giảm dần. Trong giai đoạn này tốc độ phát triển cường độ của hồ phát triển mạnh, lượng nhiệt toả ra giảm dần và sau 1 ngày đạt 20-30% tổng lượng nhiệt toả ra. Xi măng và sự làm việc của nó là nguyên nhân chính gây ra co mềm, co hóa học, co tự sinh … và nứt ban đầu cho kết cấu bê tông. Trong kết cấu bê tông, hàm lượng xi măng càng lớn thì độ co càng mạnh. Sử dụng xi măng có độ mịn càng cao sẽ làm tốc độ thủy hóa càng nhanh, giá trị co mềm càng lớn. Có thể hạn chế hiện tượng co của bê tông bằng cách sử dụng xi măng ít sinh ra nhiệt thủy hóa. Loại xi măng này do giá thành cao, công nghệ sản xuất đòi hỏi cao nên chưa được sử dụng phổ biến, mà thường chỉ áp dụng trong thi công bê tông khối lớn. b. Cốt liệu Trong hỗn hợp bê tông cốt liệu chiếm khoảng 75-80% thể tích, do đó có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp bê tông và cả bê tông đã đóng rắn. Sự lựa chọn cốt liệu là nhân tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng và đặc tính của hỗn hợp bê tông. Nếu sự lựa chọn là hợp lý thì nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và tuổi thọ công trình lớn hơn. Trong hỗn hợp bê tông chưa đông kết thì hàm lượng cốt liệu ảnh hưởng lớn đến tính công tác của hỗn hợp bê tông, sự phân tầng tách nước và độ đầm chặt tối ưu của quá trình đầm chặt tại công trường hoặc là ảnh hưởng đến chỉ số thời gian đầm chặt tối ưu của mẫu thí nghiệm. Với cốt liệu càng lớn thì tổng tỷ lệ diện tích bề mặt càng nhỏ do vậy lượng hồ dùng để bao bề mặt cốt liệu càng nhỏ khi đó yêu cầu lượng dùng xi măng sẽ ít đi. Cần lưu ý rằng với cốt liệu thô thì kích thước đường kính lớn nhất của đá phải phù hợp với thiết bị trộn và đổ bê tông và có thành phần phối hợp tốt thông qua thí nghiệm trong phòng đã đề ra. 6 Cốt liệu trong bê tông là thành phần cản co ngót của kết cấu. Điều đó sẽ hạn chế bề rộng vết nứt. Tuy nhiên việc cản co lại góp phần làm tăng biến dạng không thực hiện được của đá xi măng. Sự ổn định về thành phần, cấu trúc của cốt liệu bên cạnh tính chất cơ lý của nó đóng vai trò quan trọng đến tính chất cơ lý, độ bền của bê tông. Yêu cầu của cốt liệu chế tạo bê tông được quy định trong TCVN 75702006 [3], phân loại theo kích thước hạt, cốt liệu được chia làm hai nhóm chính : cốt liệu thô và cốt liệu mịn. * Cốt liệu thô : Cốt liệu thô dùng trong bê tông gồm sỏi nghiền hoặc không nghiền, đá dăm hoặc là sự kết hợp giữa chúng. Bê tông dùng sỏi thường dùng ít nước hơn để đạt được tính công tác so với khi sử dụng sỏi nghiền, đá dăm. Sử dụng sỏi nghiền hoặc đá dăm làm tăng mật độ khi đầm chặt và hỗn hợp khó phân tầng, ổn định trong quá trình rung đầm và thường có cường độ uốn và kéo cao hơn do tính chất bề mặt của nó tạo nên. Cấp hạt cốt liệu cho từng loại bê tông khác nhau biến đổi rất lớn, sự biến đổi về cấp phối hạt cốt liệu của hỗn hợp ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của bê tông. Tính công tác của hỗn hợp bê tông có thể đạt được bằng cách phân tích cốt liệu ra thành các cỡ hạt và tái phối hợp lại theo các tỷ lệ đã định sẵn sao cho đường biểu diễn cấp phối thành phần hạt nằm trong miền quy phạm. Tuy nhiên loại bê tông này thường sử dụng một cấp phối hạt bao gồm đủ các cấp hạt. Hiện nay loại đá dăm hay được sử dụng để chế tạo bê tông là đá dăm được sản xuất từ đá vôi hoặc đá bazan. Chất lượng cũng như các tính chất của đá dăm dùng trong bê tông được quy định trong TCVN 7570: 2006. Việc lựa chọn cốt liệu thô cần chú ý xem có thành phần khoáng vật có thể tiếp tục bị phong hóa hay không, có khoáng vật ổn định, có loại lại rất dễ bị biến đổi theo thời gian trong môi trường. Hàm lượng bụi, bùn, sét quá nhiều trong cốt liệu thô cũng dễ gây hiện tượng phong hóa tiếp tục trong quá trình sử dụng, dễ làm bê tông mất ổn định và gây nứt. Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn tuỳ theo cấp độ bền chịu nén bê tông không vượt quá giá trị quy định trong Bảng 2.2 Bảng 1.2. Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn Cao hơn B30 Hàm lượng bùn, bụi, sét, % khối lượng, không lớn hơn 1,0 Từ B15 đến B30 2,0 Thấp hơn B15 3,0 Cấp bê tông Ảnh hưởng của cốt liệu thô tới co nở của bê tông chủ yếu thể hiện ở tuổi dài ngày, khi kết cấu công trình đã đưa vào sử dụng nếu xảy ra phản ứng kiềm cốt liệu. Điều này rất nguy hiểm vì khó xác định được nguyên nhân trực tiếp gây nứt khi 7 kết cấu đã được hoàn thiện, kể cả việc xử lý sửa chữa cũng mất rất nhiều thời gian và kinh tế. * Cốt liệu mịn : Chất lượng cũng như các tính chất của cốt liệu mịn dùng trong bê tông cũng được quy định trong TCVN 7570: 2006. Trong số các loại cốt liệu mịn có nguồn gốc tự nhiên thì cát vàng hay được sử dụng cho bê tông nhiều nhất vì thành phần cấp phối cỡ hạt tốt nhất, hàm lượng bụi, bùn, sét không lớn. Việc lựa chọn cốt liệu mịn không tốt dễ dẫn đến xuất hiện nhiều tạp chất trong bê tông (bùn, sét, hữu cơ…), gây nhiều phản ứng hóa học, biến đổi chất trong bê tông, gây nứt. Cát thô thường được ưu tiên sử dụng vì độ sạch. Dùng cát mịn có modun độ lớn nhỏ, lượng nước dùng trong khi đổ bê tông sẽ tăng lên, kéo theo lượng dùng xi măng tăng theo, điều này sẽ gián tiếp gây ra hiện tượng nứt. Cát thô có thành phần hạt như quy định trong Bảng 2.3 được sử dụng để chế tạo bê tông và vữa tất cả các cấp bê tông và mác vữa. Bảng 1.3 - Thành phần hạt của cát Kích thước lỗ sàng 2,5 mm 1,25 mm Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng Cát thô Cát mịn Từ 0 đến 20 0 Từ 15 đến 45 Từ 0 đến 15 630 m Từ 35 đến 70 Từ 0 đến 35 315 m Từ 65 đến 90 Từ 5 đến 65 140 m Từ 90 đến 100 Từ 65 đến 90 Lượng qua sàng 140 m 10 35 không lớn hơn c. Nước trộn Để nhào trộn hỗn hợp bê tông có thể dùng nước thiên nhiên không chứa muối, axit, tạp chất hữu cơ và các chất bẩn, dầu mỡ trong nước thoát ra từ các thành phố và khu công nghiệp. Nước cần thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong chế tạo bê tông theo TCVN 4506-2012 [4]. Thực tế trong khi trộn bê tông, nước thường được dùng là nước máy sinh hoạt hoặc nước giếng khoan không qua quy trình lọc, không đảm chất lượng nước, gây rất nhiều sự cố cho bê tông (ăn mòn, phản ứng hóa học, mất ổn định thể tích …) , suy giảm cường độ dẫn đến gây nứt cho kết cấu. 8 Bảng 1.4 - Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn bê tông và vữa Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg/L) Hàm lượng tối đa cho phép Mục đích sử dụng 1. Nước trộn bê tông và nước trộn vữa bơm bảo vệ cốt thép cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước. 2. Nước trộn bê tông và nước trộn vữa chèn mối nối cho các kết cấu bê tông cốt thép. 3. Nước trộn bê tông cho các kết cấu bê tông không cốt thép. Nước trộn Muối hòa tan Ion sunfat Ion clo Cặn không (Cl-) tan (SO4-2) 2 000 600 350 200 5 000 2 000 1 000 200 10 000 2 700 3 500 300 d. Phụ gia hoá học và trát. hay sử dụng chế tạo bê tông là các loại phụ gia tăng Phụvữa gia xây hoádựng học thường dẻo nhằm giảm lượng chất kết dính xi măng cũng như lượng dùng nước nhằm đạt được các yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông và bê tông, đặc biệt là lượng nhiệt toả ra do quá trình thuỷ hoá các khoáng của xi măng pooclăng góp phần hạn chế sự phát sinh các vết nứt trong bê tông làm tăng tuổi thọ, độ bề kết cấu. e. Phụ gia khoáng mịn Phụ gia khoáng là các vật liệu vô cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, có chứa SiO2 hoặc Al2O3 ở dạng hoạt tính. Bản thân các vật liệu này không có hoặc có rất ít tính kết dính, nhưng khi được nghiền mịn và ở điều kiện ẩm sẽ tác dụng hoá học với vôi và có tính chất kết dính. Khi thuỷ hoá sẽ tạo thành silicat canxi ngậm nước. Các phụ gia khoáng thường gặp là tro núi lửa (puzơlan), đá bọt opal, diatomit, sét nung, tro bay, xỉ lò cao, muội silic. Ba chất cuối dùng phổ biến để làm phụ gia khoáng cho bê tông hiện nay. Sử dụng phụ gia khoáng với tỷ lệ tối ưu khi trộn với xi măng pooclăng sẽ cải thiện rất nhiều các phẩm chất của bê tông như: - Thay thế một phần xi măng để hạ thấp lượng nhiệt toả ra trong quá trình hyđrát hoá và giảm co ngót do nhiệt. - Bù đắp sự thiếu hạt mịn để lấp đầy các lỗ rỗng trong hỗn hợp bê tông; - Giảm sự tách nước, tách vữa cho hỗn hợp bê tông; 9 - Nâng cao độ đặc chắc, tăng cường độ cơ học, giảm sự xâm nhập của các tác nhân có hại vào trong lòng bê tông. - Tăng độ bền sunfat với nước biển; - Cải thiện được tính giãn nở; - Giảm nguy cơ bị hoà tan và bị rửa trôi; - Tăng tính dễ thi công; - Tận dụng phế thải công nghiệp; - Giảm được giá thành cho bê tông. Phụ gia khoáng có tác dụng đến nhiều chức năng của bê tông : hiệu quả trong giảm nhiệt thủy hóa, giảm lượng dùng xi măng, giảm co mềm, co cứng, hạn chế các phản ứng kiềm cốt liệu trong bê tông, tăng cường độ ở tuổi muộn dẫn đến giảm hiện tượng nứt trong bê tông. 1.1.2. Cốt thép Cốt thép là thành phần rất quan trọng của BTCT, nó chủ yếu để chịu lực kéo trong cấu kiện, nhưng cũng có lúc được dùng để tăng khả năng chịu nén. Cốt thép phải đạt được các yêu cầu cơ bản về tính dẻo, về sự cùng chung làm việc với bê tông trong tất cả các giai đoạn chịu lực của kết cấu, và bảo đảm thi công thuận lợi. a. Giới hạn ứng suất của cốt thép: Căn cứ vào tính năng cơ học của cốt thép, có thể phân ra hai loại: cốt thép dẻo và cốt thép dòn. Cốt thép dẻo có thềm chảy rõ ràng trên đồ thị ứng suất biến dạng, còn cốt thép dòn không có giới hạn chảy rõ ràng, nên đối với loại cốt thép dòn người ta lấy ứng suất tương ứng với biến dạng dư tỉ đối là 0,2% làm giới hạn chảy qui ước. Hình 1.1: Đồ thị ứng suất biến dạng của cốt thép σel Giới hạn đàn hồi lấy bằng ứng suất ở cuối giai đoạn đàn hồi: Điểm A. σy: Giới hạn chảy lấy bằng giá trị ứng suất ở đầu giai đoạn chảy: Điểm B. σB: Giới hạn bền lấy bằng ứng suất lớn nhất mà mẫu chịu được trước khi bị kéo đứt: Điểm C. b. Phân loại thép xây dựng: Thép xây dựng được phân loại theo tiêu chuẩn TCVN 1651– 2018[5] + Nhóm CI, AI: là thép tròn trơn, có d = 4 - 10mm, là thép cuộn, không 10 hạn chế chiều dài. + Nhóm AII, AIII, CII, CIII: là thép có gờ (thép gân), có d = 12 - 40mm, là thép thanh có chiều dài chuẩn là 11,7m. + Nhóm AIV, CIV: là thép cường độ cao, ít dùng trong xây dựng. (a) Thép cuộn b)Thép thanh vằn có đánh số hiệu c) Một loại thép vằn khác. Hình 1.2: Hình ảnh các loại thép xây dựng 1.1.3. Sự làm việc chung của vật liệu trong kết cấu BTCT Bê tông cốt thép là loại vật liệu phức hợp do hai loại vật liệu là bê tông và thép có đặc trưng cơ học khác nhau cùng phối hợp chịu lực cùng nhau. Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, sỏi … gọi là cốt liệu) và chất kết dính (xi măng hoặc các chất kết dính khác). Cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn cường độ chịu nén rất nhiều lần. Cốt thép là loại vật liệu chịu kéo và chịu nén đều rất tốt. Do đó nếu bố trí lượng cốt thép thích hợp vào vị trí thích hợp trong tiết diện của kết cấu bê tông thì khả năng chịu lực của kết cấu mới sẽ tăng lên rất nhiều. Hai vật liệu trên khi kết hợp với nhau trở thành một loại vật liệu xây dựng mới, phức hợp mà trong đó bê tông và cốt thép đã liên kết hợp lý với nhau để cùng làm việc trong một kết cấu, mang nhiều ưu điểm như : rẻ tiền hơn so với thép; chịu lực tốt hơn kết cấu gỗ và gạch đá; chịu lửa tốt hơn gỗ và thép; tuổi thọ công trình cao hơn; chi phí bảo dưỡng ít; tạo dáng cho kết cấu thực hiện dễ dàng …. Bê tông và cốt thép cùng làm việc được với nhau là do sự dính bám giữa tốt bê tông và cốt thép, nên ứng lực có thể truyền từ bê tông sang cốt thép và ngược lại. Lực dính có ý nghĩa hàng đầu, nhờ đó có thể khai thác hết khả năng chịu lực của cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt …Giữa bê tông và cốt thép lại không xảy ra phản ứng hóa học có hại, ngược lại bê tông có độ đặc chắc, bao bọc bảo vệ cốt thép không bị rỉ do tác động của môi trường. Một lý do nữa là bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau (αct=1,2.10-5; αb=10-5 – 1,5.10-5) nên khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường dưới 100oC thì ứng suất (ban đầu) xảy ra trong vật liệu không đáng kể. 1.2. Các sự cố của kết cấu BTCT 1.2.1. Một số khái niệm liên quan đến sự cố công trình xây dựng 11 Định nghĩa sự cố: Sự cố công trình là những hư hỏng vượt quá giới hạn an toàn cho phép làm cho công trình có nguy cơ sập đổ, đã sập đổ một phần, toàn bộ công trình hoặc công trình không sử dụng được theo thiết kế. Theo định nghĩa này, sự cố có thể được phân chi tiết hơn thành các loại sau: - Sự cố sập đổ: bộ phận công trình hoặc toàn bộ công trình bị sập đổ phải dỡ bỏ để làm lại; - Sự cố về biến dạng: Nền, móng bị lún; kết cấu bị nghiêng, vặn, võng… làm cho công trình có nguy cơ sụp đổ hoặc không thể sử dụng được bình thường, phải sửa chữa mới dùng được; - Sự cố sai lệch vị trí: Móng, cọc móng sai lệch vị trí, hướng; sai lệch vị trí quá lớn của kết cấu hoặc chi tiết đặt sẵn… có thể dẫn tới nguy cơ sụp đổ hoặc không sử dụng được bình thường phải sửa chữa hoặc thay thế; - Sự cố về công năng: công năng không phù hợp theo yêu cầu; chức năng chống thấm, cách âm, cách nhiệt không đạt yêu cầu; thẩm mỹ phản cảm… phải sửa chữa, thay thế để đáp ứng công năng của công trình. (a) Toàn cảnh khu nhà chờ 2E - Sân bay Charles de Gaulle sau khi đổ sập ngày 23/05/2004 (b)Toàn cảnh 2 nhịp neo cầu Cần Thơ sau sự cố sập đổ ngày 26/09/2007 (c) Sự cố sập công trình công ty TNHH (d) Sự cố sập một phần công trình Trung Bo Hsing tại KCN Hòa Phú, tỉnh Vĩnh tâm thương mại đường Sư Vạn Hạnh, long ngày 15/03/2019 Q10, TP Hồ Chí Minh ngày 10/01/2017 Hình 1.3: Các sự cố công trình xảy ra trong nước và trên thế giới