Vật liệu trong xây dựng chống động đất
Vật liệu trong xây dựng chống động đất cần có độ cứng và độ dẻo nhất định, cần có trọng lượng nhẹ để giảm tải trọng quán tính. Vật liệu dùng trong xây dựng chống động đấtcần có chất lượng cao vì nó phải chịu tải trọng động đất là tải trọng lặp, đổi chiều và có cường độ lớn. Bài báo này nói về vật liệu truyền thống cốt thép trong bê tông và vật liệu mới ECC Engineered Cementious Composite trong xây dựng chống động đất.
I. Vật liệu cốt thép trong bê tông truyền thống
1. Vai trò cốt thép trong kết cấu chống động đất
Cốt thép được bố trí trong cấu kiện nhằm:
- Chịu ứng suất kéo hoặc làm giảm bề rộng vết nứt
- Chịu ứng suất nén.
- Làm tăng độ dẻo của cấu kiện.
Cốt thép chịu nén và chịu kéo được xem là cốt thép chịu lực, có ảnh hưởng đến độ cứng và độ dẻo của kết cấu. Cốt thép đai gọi là cốt thép phụ, có ảnh hưởng đến độ dẻo của cấu kiện.
Cốt thép cần đặt đúng và hợp lý có cường độ và diện tích tiết diện theo tính toán nhằm thoả mãn các yêu cầu về độ cứng và độ dẻo của kết cấu kháng chấn. Không được thay thế thép có cường độ thấp bằng thép có cường độ cao hơn khi không được chấp thuận của người thiết kế, vì khi đó sẽ làm giảm độ dẻo của kết cấu, dẫn kết cấu đến tình trạng phá hoại giòn.
2. Những vấn đề cần quan tâm
Trong công tác cốt thép cần quan tâm thỏa mãn những yêu cầu sau:
- Đủ độ dầy của lớp bê tông bảo vệ
- Bám dính và neo giữ tốt.
- Đủ chiều dài nối chồng
- Đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa thép và bê tông.
Khả năng làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép phụ thuộc vào cường độ tác động động đất và trình độ công nghệ thi công. ở những vùng có động đất càng mạnh yêu cầu đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa thép và bê tông càng phải cao.
3. Để đảm bảo chất lượng công trình kiến nghị
- Tuân thủ mọi quy định cấu tạo cơ bản đối với cốt thép chịu lực.
- Đặt đủ cốt thép chịu lực.
- Đặt cốt thép đông thời chịu kéo và chịu nén vì tải trọng động đất là tải trọng lặp và đổi chiều.
- Neo giữ tốt cốt thép chịu lực
- Đặt đủ và đúng khoảng cách cốt đai theo thiết kế, dùng cốt đai kín có neo.
- Không có nối chồng trong vùng tập trung ứng suất.
Cần tránh những thay đổi đột ngột trong cấu tạo cốt thép chịu lực, vì điều đó sẽ gây ra tập trung ứng suất.
Tải trọng động đất là tải trọng lặp, đổi chiều và có cường độ lớn, vì vậy kết cấu cần đảm bảo các yêu cầu về độ cứng và độ dẻo để kết cấu có khả năng lằm việc hiệu quả trong phạm vi vật liệu sau đàn hồi mà cường độ không suy giảm đáng kể. Qua thí nghiệm nhấn thấy các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự làm việc của cấu kiện và kết cấu là cốt thép đai, bám dính và neo giữ, mối nối chồng, mạch dừng thi công …
4. Biện pháp bảo đảm độ cứng và độ dẻo
Để đạt được độ dẻo nhất định của cấu kiện cần tránh phá hoại do cắt, do tuột neo. Phá hoại dạng giòn do lực cắt có thể tránh bằng cách đặt cốt đai hợp lý. Phá hỏng do tuột neo có thể tránh bằng cách đặt cấu tạo hợp lý. Cấu kiện chịu lực dọc nhỏ hoặc không chịu lực dọc như dầm có tính dẻo cao hơn cấu kiện chịu lực dọc như cột. Do vậy người thiết kế mong muốn khớp dẻo xẩy ra trong dầm hơn là trong cột. Có thể đạt được dạng ứng xử này bằng cách thiết kế cột khỏe dầm yếu.
Công trình cần có độ cứng hợp lý để hạn chế hư hại của các kết cấu phụ và tránh tương tác giữa các kết cấu thành phần. Để đạt được độ cứng hợp lý cần đảm bảo:
- Chuyển vị tương đối cho phép giữa các tầng.
- Chuyển vị tuyệt đối cho phép đối với một số dạng kết cấu nhất định.
5. Các yêu cầu về chất lượng vật liệu
Bê tông thường hoặc bê tông nhẹ dùng trong kết cấu kháng chấn chính cần có mác thấp nhất là M300 và M400, kết cấu kháng chấn phụ cần có mác thấp nhất là M250.
Cốt thép có cường độ lớn hơn A3 không nên dùng cho các công trình xây dựng ở vùng có động đất. Không nên dùng thép dập nguội trong các kết cấu kháng chấn.
II. Vật liệu sợi composite kỹ thuật gốc xi măng ECC
1. Giới thiệu
ECC là loại vật liệu composite sợi gốc ximăng siêu bền được nghiên cứu ứng dụng cho ngành công nghiệp sử dụng khối lượng vật liệu lớn hoặc yêu cầu giá cả hợp lý và chấp nhận được. Ra đời cách đây khoảng 1 thập kỷ, cho đến nay ECC đã trải qua những bước phát triển trên cả lĩnh vực vật liệu lẫn sửa chữa công trình. Vật liệu ECC ra đời từ phòng thí nghiệm của nhóm nghiên cứu IPC Aveston cùng đồng nghiệp năm 1971. Đây là một trong những nhóm đầu tiên áp dụng lý thuyết của cơ học phá huỷ để xây dựng mô hình vật liệu composite gốc xi măng này. Cơ học vi mô cho thấy việc sơ chế bề mặt sợi có thể tạo ra loại vật liệu composite siêu bền dù thể tích lượng sợi tham gia chịu kéo chỉ khoảng vài phần trăm, đây là tính chất mới cuả vật liệu - chưa từng đạt được đối với các sợi rời rạc trước đây. Hình dưới đây biểu thị khả năng chịu kéo của ECC với hàm lượng sợi là 5%, cao gấp 200 lần bê tông thông thường. Bên cạnh đó tổ hợp sợi sợi chống nứt, kết hợp với các loại vữa được thiết kế thích hợp được tối ưu hóa nhằm mục đích giảm giá thành đồng thời giúp cho việc thi công ECC trở nên khả thi. Những quá trình sơ chế bề mặt và việc tối ưu hóa đã tạo cho ECC cái tên sợi composite kỹ thuật gốc ximăng.
Những bước phát triển trong ngành công nghiệp ECC có phần đóng góp rất quan trọng của rất nhiều tổ chức quốc tế. Cho đến nay ECC đã đạt được rất nhiều thành công quan trọng. Thành công lớn nhất là một cộng đồng quốc tế rộng lớn tập trung nghiên cứu về cả mặt học thuật, công nghệ và khía cạnh quản lý nhằm áp dụng ECC vào đời sống. ECC ngày nay không còn bó buộc trong lĩnh vực nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, nó đã bắt đầu xuất hiện trong các lĩnh vực chế tạo cấu kiện lắp ghép, thi công toàn khối hay có mặt trong lĩnh vực sửa chữa gia cố công trình.
Ưu điểm nổi bật về tính bền cao của vật liệu làm cho ECC hứa hẹn có khả năng áp dụng vào thực tế. Hàng loạt những thí nghiệm đã được tiến hành để đánh giá khả năng áp dụng của ECC ở cấp độ kết cấu khi chịu tác động động đất. Mô hình liên tục của ECC và mô hình phần tử hữu hạn cũng đã được xây dựng nhằm dự đoán ứng xử của vật liệu ở mức độ kết cấu. Những nghiên cứu mô phỏng số rất hữu dụng trong việc nghiên cứu áp dụng cụ thể vật liệu ECC trong những cấu kiện quan trọng của hệ kết cấu mà không cần tiến hành những thí nghiệm đắt tiền. Những nghiên cứu này rất quan trọng trong việc thiết lập những phương pháp thiết kế kết cấu hợp lý khi sử dụng ECC. Tuy ở dạng vật liệu thô giá của ECC cao hơn so với bê tông thông thường, nhưng những lợi ích lâu dài mà ECC mang lại đủ để hứa hẹn một tương lai ứng dụng và phát triển ECC trong thực tế.
2. Khả năng chịu lực và độ dẻo
Tính chất đặc biệt của ECC là độ dẻo rất cao. Điều này có nghĩa là kết cấu sẽ bị phá huỷ ở trạng thái uốn là chủ yếu chứ không giống như bê tông thông thường hay bê tông sợi là phá hoại ở trạng thái nén. Đối với bê tông cốt thép thông thường, thông số phổ biến và cũng là thông số quan trọng nhất là khả năng chịu nén. Chính bởi lý do này, khả năng chịu lực của kết cấu thường được quyết định bởi cường độ của vật liệu, tức là khi vật liệu có cường độ cao thì đồng nghĩa với khả năng chịu lực của kết cấu cũng cao. Tuy nhiên, khi dạng phá hoại là kéo, cường độ của vật liệu không còn quyết định khả năng chịu lực của kết cấu nữa. Những vật liệu như ECC, có khả năng chịu nén như bê tông nhưng lại có độ dẻo rất cao, trong trường hợp này sẽ quyết định cường độ của kết cấu.
Điều này đã được khẳng định dựa trên hàng loạt các thí nghiệm. Một ví dụ là thí nghiệm của Kesner và Billington với tấm ECC đúc sẵn để chèn vào khung nhà trong sửa chữa hư hỏng do động đất chịu tải trọng cắt lặp nhiều lần. Kết quả cho thấy, tấm panel làm từ bê tông thông thường với cường độ chịu nén 50 MPa chịu được lực cắt lặp là 38 kN, trong khi cùng tấm panel tương tự được làm từ ECC với cường độ chịu nén thấp hơn 41 MPa có khả năng chịu lực cắt lặp là 56 kN. Với việc làm cho khả năng chịu lực của kết cấu tăng lên 35% và giữ được nguyên dạng tấm panel khi có chuyển vị ngang khá lớn khi sử dụng ECC là một minh chứng cho kết luận nêu ra ở trên.
3. Tính chất của ECC cốt thép
Khi sử dụng ECC thay thế cho bê tông trong cấu kiện bê tông cốt thép, chúng ta sẽ có cấu kiện ECC cốt thép. Vì ECC có độ bền cao và khả năng chịu kéo lớn nên khi sử dụng ECC trong cấu kiện ECC cốt thép sẽ tác động tới tính an toàn, độ bền và tiến độ thi công của hệ kết cấu. Dưới đây là những tính chất chung có được khi sử dụng cấu kiện ECC cốt thép và hướng áp dụng tương lai của ECC.
Giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn cốt đai: ECC có cường độ chịu cắt đáng kinh ngạc, tính chất này được phát hiện bởi Ohno với thí nghiệm dầm chịu cắt. Khi chịu cắt, ECC xuất hiện nhiều vết nứt với những vết nứt có hướng vuông góc với hướng của lực kéo. Do ứng xử chịu kéo của ECC là tính dẻo nên ứng xử chịu cắt của ECC cũng mang tính dẻo. Bởi vậy cấu kiện ECC cốt thép có thể cần ít hoặc không cần thép chịu cắt thông thường. Một số thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm chứng điều này. Thí nghiệm cấu kiện uốn chịu tải trọng lặp khẳng định rằng khả năng chịu tải và mức độ hấp thụ năng lượng của ECC cốt thép không có cốt đai lớn hơn cấu kiện cùng loại làm từ bê tông cốt thép thông thường.
Chịu được những biến dạng lớn: với tính chất biến dạng cứng khi chịu kéo và khả năng biến dạng kéo cao. ECC có thể chịu được những biến dạng rất lớn mà không có hư hỏng cục bộ. Tính chất này có thể sử dụng trong một số kết cấu khi biến dạng được dự đoán là lớn. Ví dụ, ECC có thể sử dụng như tấm sàn liên kết thay thế cho các mối nối bê tông thông thường ở các bến cảng, những tấm ECC này có thể chịu được những chuyển vị lớn sinh ra do co ngót, sự thay đổi nhiệt độ hoặc từ biến.
Tính tương thích của biến dạng giữa ECC và cốt thép: trong cấu kiện ECC cốt thép, cả cốt thép và ECC phải được xem là loại vật liệu đàn dẻo có biến dạng tương đối lớn lên tới vài phần trăm. Chính vì điều này, hai loại vật liệu vẫn giữ được tính tương thích khi biến dạng lớn, và cốt thép làm việc ở miền dẻo. Tính tương thích có nghĩa là sẽ không có sự chênh lệch giữa ứng suất cắt của thép và ECC, điều này làm cho ứng suất cắt tại bề mặt thép và ECC là nhỏ, tính dính bám giữa ECC và cốt thép là rất cao, ứng suất có thể truyền trực tiếp qua ECC thậm chí ngay cả sau khi xuất hiện vết nứt. Đây là một trong những tính chất đặc trưng của cấu kiện ECC cốt thép. Trái ngược với tính chất này, đối với cấu kiện bê tông cốt thép thông thường, khi bê tông nứt lực tác động lên bê tông giảm tuyến tính tính từ phía vết nứt, toàn bộ phần lực dư thừa sẽ được cốt thép gánh nhận. Điều này dẫn tới tính không tương thích của biến dạng và ứng suất cắt lớn tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép. Trong thực tế quan sát đó là những hư hỏng dạng tách rời hoặc rơi rụng lớp bê tông che phủ bên ngoài cốt thép. Hình dưới đây mô tả sự tương phản của ECC cốt thép và bê tông cốt thép gần tiết diện mặt cắt ngang có vết nứt.
Bề rộng vết nứt nhỏ: khi cấu kiện ECC chịu tải trọng uốn hoặc cắt nằm ngoài vùng đàn hồi, biến dạng phi đàn hồi sinh ra do những vết nứt ở cấp độ phần tử phụ thuộc vào dạng sợi và tính chất bề mặt sợi. Tuy nhiên, thông thường bề rộng vết nứt sẽ nhỏ hơn 100 micro khi sử dụng sợi PVA, hình bên cho thấy bề rộng của vết nứt phát triển theo hàm của biến dạng kéo trong thí nghiệm chịu kéo với ứng suất kéo đều. Bề rộng của vết nứt đầu tiên tăng khi tải trọng tăng, nhưng khi đạt gần đến trạng thái ổn định thì bề rộng vết nứt không tăng nữa mà xuất hiện các vết nứt nhỏ khác. Đối với nhứng cấu kiện sử dụng sợi REC15 với hàm lượng 2% và 0.8% lượng sợi được sơ chế bề mặt, bề rộng vết nứt ổn định ở mức 80 micromet.
4. Mục tiêu ứng dụng của ECC
Mục tiêu ứng dụng của ECC được phân làm ba loại lớn:
- Ứng dụng vào kết cấu để tạo độ an toàn khi chịu tải trọng cơ học. Hướng ứng dụng chủ yếu là chế tạo các cấu kiện chịu tải trọng động đất. Ví dụ như mô hình mối nối ECC giữa dầm thép và cột bê tông hay khung ECC thông minh, trong đó khung tự điều chỉnh trọng tâm khi chịu tác động lặp, hoặc các cấu kiện làm tắt dần dao động.
- Ứng dụng vào các kết cấu chịu tác động lớn của môi trường: Những tính chất đặc biệt như đã nêu trên của ECC giúp cho vật liệu này trở thành vật liệu lý tưởng dùng trong sửa chữa, những biến dạng do giãn nở trên bề mặt sẽ được hấp thụ bởi lớp ECC mà không xuất hiện bong tróc, thông qua đó kéo dài tuổi thọ của công trình. Bề rộng của vết nứt nhỏ khiến cho ECC chống lại được độ xâm thực của môi trường, điều này là đặc biệt quan trọng với các công trình ven biển.
- Ứng dụng vào những kết cấu khó thi công: dễ nhận thấy nhất là thi công các cấu kiện không cần có cốt thép chịu cắt trong cấu kiện chịu tác dụng của động đất, do ECC có khả năng chịu cắt cao. Khả năng thi công mềm dẻo cũng khiến cho ECC có khả năng thi công tại nhiều điều kiện khó khăn bao gồm cả ván khuôn đứng hoặc những nơi thi công cần dùng ống nhồi bê tông. Ví dụ như trong việc thi công đường hầm, sử dụng biện pháp phun sợi có khả năng tăng nhanh thời gian thi công.
5. Giá thành của ECC
Lý do khiến giá vật liệu thô của ECC cao hơn so với bê tông thông thường xuất phát từ việc sử dụng lượng sợi composite. Đây chính là lý do tại sao việc tối ưu hoá thành phần composite trở nên rất quan trọng. Khi so sánh với các loại bê tông sợi khác ví dụ như cấu kiện bê tông sợi thép sợi polymer PVA có thể đắt hơn rất nhiều khi tính trên khối lượng đơn vị, tuy nhiên nên lưu ý rằng khối lượng của PVA nhỏ hơn từ 6 đến 7 lần khối lượng của thép, và thể tích sợi chứ không phải là khối lượng của sợi quyết định tính chất của hỗn hợp composite. Hơn nữa, giá thành của ECC khi so sánh với các loại vật liệu đặc biệt khác như vữa polymer dùng trong sửa chữa kết cấu là thấp hơn rất nhiều. Khi xét tới yếu tố giá cả - lợi ích thu được thì ECC có ưu điểm rất lớn do giảm được lượng cốt thép chịu cắt, giảm chi phí nhân công, tăng tốc độ thi công, đặc biệt tính bền của kết cấu ECC sẽ đem lại tuổi thọ rất cao cho công trình.
Nguồn tin: T/C Vật liệu Xây dựng Dân dụng, số 1/2006