Nghiên cứu về bê tông của Nhật Bản

Thứ hai, 02/10/2006 00:00

1. Mục đích sự phát triển bê tông của Nhật Bản Trong nhiều năm kể từ năm 1983, độ bền của các cấu trúc bê tông là một chủ đề lớn gây nhiều sự quan tâm chú ý tại Nhật Bản. Để có được cấu trúc bê tông có độ bền theo yêu cầu thì cần phải có nhiều công nhân lành nghề.

Tuy nhiên, do số lượng công nhân có tay nghề trong ngành công nghiệp xây dựng ở Nhật Bản đang giảm dần dẫn đến làm giảm chất lượng của các công trình xây dựng. Một trong những giải pháp để đạt được các kết cấu bê tông có độ bền mà không phụ thuộc vào chất lượng thi công công trình là bê tông tự đầm. Bê tông tự đầm là bê tông có thể gắn kết ở tất cả các góc của ván khuôn chỉ bằng trọng lượng của chính nó mà không cần đến các thiết bị đầm nén. Okamura là người đầu tiên đề xuất về sự cần thiết của bê tông tự đầm vào năm 1986. Ozawa và Waekawa đã tiến hành việc nghiên cứu bê tông tự đầm cả về cơ sở và khả năng làm việc thực tế của nó.
Mẫu bê tông tự đầm đầu tiên được chế tạo vào năm 1988 bằng cách sử dụng các loại vật liệu sẵn có trên thị trường. Mẫu này với các tính chất về độ khô, độ co cứng, sự toả nhiệt của phản ứng thuỷ hoá, độ đầm chặt sau khi cứng và một số đực tính khác đã làm hài lòng các nhà khoa học. Loại bê tông này được gọi là Bê tông chất lương cao và nó được xác định bởi ba đặc tính của bê tông:
- Tươi: Khả năng tự đầm
- Có tuổi sớm: nhằm tránh những ảnh hưởng ban đầu
- Cứng: chống lại sự tác động của các yếu tố bên ngoài
Ngoài ra bê tông chất lượng cao còn có độ bền cao do tỉ lệ nước và xi măng thấp. Do đó bê tông chất lượng cao được sử dụng như một loại bê tông có độ bền cao trên thế giới. Bởi vậy nó đã được đổi tên thành Bê tông tự đầm chất lượng cao cho phù hợp với mục đích sử dụng.

2. Các phương pháp để đạt được độ tự đầm

Phương pháp để đạt được độ tự đầm không chỉ có được độ biến dạng cao của vữa chất bột dẻo mà còn chống lại sự phân tầng giữa cốt liệu thô và vữa khi các dòng bê tông đi qua các khu vực cốt thép. Okamura và Ozawa đưa ra một vài phương pháp để đạt được độ tự đàm như sau:
- Lượng cốt liệu giới hạn và lượng vật liệu bột cao
- Sự tồn tại đồng thời của độ biến dạng và độ nhớt cao
Sự va chạm và tiếp xúc giữa các phân tử cốt liệu có thể tăng lên trong khi khoảng cách tương đối giữa các phân tử lại giảm xuống và do đó ứng suất trong có thể tăng lên khi bê tông bị biến dạng, và thường xảy ra ở những nơi có tác nhân gây trở ngại. Điều này được thể hiện bằng năng lượng tiêu thụ của các dòng bê tông khi ứng suất trong tăng, dẫn tới sự ứ đọng của các phần tử cốt liệu. Lượng cốt liệu thô giới hạn, mà năng lượng tiêu thụ rất nhiều, phi ở mức độ thấp hơn tỉ lệ thông thưởng để tránh kiểu ứ đọng trên một cách có hiệu quả.
Độ nhớt của chất bột dẻo phi theo đúng yêu cầu để tránh việc ứ đọng cột liệu thô khi các dòng bê tông di chuyển qua các chướng ngại vật. Khi bê tông biến dạng, chất bột dẻo với độ nhớt cao cũng ngăn chặn sự tăng cục bộ của ứng suất trong do sự tiếp cận của các phần tử cốt liệu thô. Sự tồn tại đồng thời của độ biến dạng cao và độ nhớt cao chỉ có thể có được bằng cách sử dụng chất siêu dẻo, mà nó làm cho tỉ lệ nước và bột trong chất dẻo thấp.

3. Sự mở rộng của bê tông tự đầm

Bê tông tự đầm lần đầu tiên được Ozâ giới thiệu tại hội nghị lần thứ 2 của khu vực Đông á Thài Bình Dưng về kết cấu kỹ thuật và xây dựng vào tháng 1 năm 1989. Việc giới thiệu bê tông tự đầm của Ozâ tại hội nghị quốc tế CANMET & ACI, Istanbul ', tháng 5 năm 1992 đã làm cho bê tông tự đầm được biết đến nhiều hơn trên thế giới. Sau cuộc hội thảo ACI, bê tông tự đầm trở nên phổ biến đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư trên thế giới, những người rất quan tâm tới độ bền của bê tông và các hoạt động nghiên cứu trên thế giới cũng được bắt đầu.

4. Ứng dụng bê tông trong các công ty xây dựng lớn

Kể từ khi mẫu bê tông tự đầm đầu tiên được chế tạo, hoạt động nghiên cứu đã được bắt đầu ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các viện nghiên cứu của các công ty xây dựng và kết quả là bê tông tự đầm được sử dụng ở rất trong các cấu trúc thực tế ứng dụng đầu tiên của bê tông tự đầm là ở tháp của cầu dây văng bê tông dự ứng lực năm 1991. Độ nhẹ của bê tông tự đầm được sử dụng trong dầm chính của cầu dây văng năm 1992, mặc dù nó đã được lên kế hoạch từ năm 1990. Từ đó thì bê tông tự đầm được sử dụng nhiều hơn trong các công trình. Hiện nay các lý do chính để sử dụng bê tông tự đầm có thể tóm tắt như sau:
- Để rút ngắn thời gian xây dựng
- Để đảm bảo độ đầm chặt của kết cấu nhất là những vùng tiếp giáp nơi rất khó đầm.
- Để làm giảm tiếng động và sự rung động do quá trình đầm, đặc biệt là ở những nhà máy sản xuất bê tông.

* Công Trình quy mô lớn

Hiện nay, người ta sử dụng bê tông tự đầm trong các kết cấu cần thiết để có thể rút ngắn thời gian thi công những công trình quy mô lớn. Một kết quả điển hình của cộng nghê sử dụng bê tông tự đầm là những mấu neo của chiếc cầu treo có nhịp dài nhất thế giới 1,991 m : cầu Akashi - Kaikyo xây dựng vào tháng Tư năm 1998. Cầu có hai mấu neo được xây dựng sử dụng bê tông tự đầm. Việc xây dựng hai mấu neo này đã giới thiệu cho chúng ta một phương thức xây dựng mới, đó là phương thức xây dựng những công trình hoàn toàn sử dụng bê tông tự đầm.Theo đó, bê tông được nhào trộn ở nhà máy nằm bên cạnh khu vực xây dựng, sau đó được bơm ra khỏi nhà máy, truyền dọc theo 200 m đường ống đến khu vực đổ khuôn. Tại khu vực đổ khuôn, các đường ống này được sắp xếp lại thành từng hàng cách nhau 3 đến 5 m. Bê tông được tích đọng lại giữa các cửa van nằm cách nhau 5 m một dọc theo các đường ống. Các van này tự động điều khiển sao cho các đoạn bê tông tự đầm được nối liên tục không gian đoán tại các mặt lớp. Kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu thô được sử dụng trong công trình này là 40 mm. Mặc dầu khối bê tông bị lún xuống khoảng 3 m và kích thước các hạt cốt liệu thô là lớn nhưng vẫn không xảy ra hiện tượng phân tách trong bê tông. Theo kết quả phân tích sau cùng, việc sử dụng bê tông tự đầm đã giảm bớt thời gian thi công mấu neo đi 20%, từ 2,5 năm xuống còn 2 năm.
Bê tông tự đầm cường độ cao còn được sử dụng trong xây dựng tường chắn cửa bể chứa LNG khí gas thiên nhiên hoá lỏng của công ty Gas Osaka Osaka gas company. Việc lựa chọn sử dụng bê tông tự đầm trong công trình này đã đem lại những kết quả sau:
- Số lượng khung giàn lot giảm từ 14 xuống 10 do chiều cao của mỗi khung giàn tăng lên.
- Số lượng nhân công tham gia đổ bê tông giảm từ 150 xuống còn 50 người.
- Thời gian thi công giảm từ 22 tháng xuống còn 18 tháng.
Cũng tại công trình này, người ta đã xây dựng được một phương pháp hiệu quả để kiểm định khả năng tự đầm của bê tông tại công trường. Công việc đổ khuôn hoàn thành vào tháng 6 nắm 1998.

Phương thức thi công mới
Bằng việc sử dụng bê tông tự đầm, chúng ta có thể tiết kiệm chí phí đầm lèn mà vẫn đảm bảo được sự đầm chắc của bê tông trong các kết cấu. Tuy vậy, trừ trường hợp các công trình lớn, không phải lúc nào sử dụng bê tông tự đầm cũng làm cho tổng chi phí xây dựng công trình cũng giảm. Nguyên nhân là do phương thức thi công truyền thống đã quá phụ thuộc vào việc đầm lèn bê tông.
Bê tông tự đầm có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong việc cải tiến phương thức thi công truyền thống, vốn được xây dựng dựa trên việc sử dụng bê tông thường, cần có các quá trình đầm lèn. Kiểu đầm lèn truyền thống này ngoài việc rất dễ tạo ra các sự phân tách trong bê tông còn gây cản trở cho việc hợp lý hoá quy trình xây dựng. Nếu như vượt qua được cản trở này, quá trình thi công bê tông sẽ được tối ưu hoá và kéo theo nó là sự phát triển của một hệ thống thi công mới, trong đó cả ván khuôn, hệ thống gia cố, hệ thống chống đỡ và hình dạng kết cấu đều sẽ được cải tiến. Một trong những dạng kết cấu mới xuất hiện là kết cấu dạng bánh sandwich, trong đó bê tông được điền đầy vào vỏ cốt thép. Dạng kết cấu này đã được ứng dụng ở Kobe và chúng ta sẽ không thể tạo ra được nó nếu như không sử dụng bê tông tự đầm.

Phụ gia hạn chế sự không đồng nhất trong bê tông
Chắc chắn là chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo được bê tông tự đầm ổn định về chất lượng, đặc biệt là về khả năng tự đầm. Tuy vây, sự khác biệt về tính chất của các cốt liệu cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng tự đầm. Nhân tố ảnh hưởng lớn nhất chính là sự khác biệt về hàm lượng nước trong bê tông, gây ra do sự khác nhau về độ ẩm của các hạt cốt liệu nhỏ dùng trong chế tạo bê tông. Một số các công trình xây dựng lớn đã sử dụng phụ gia hạn chế sự không đồng nhất trong bê tông để giải quyết vấn đề này. Dạng phụ gia này hiệu quả trong việc làm giảm ảnh hưởng của sự khác biệt về hàm lượng nước đến tính năng tự đầm của bê tông. Có rất nhiều loại phụ gia khác nhau đã chế tạo và sử dụng tại Nhật Bản.
Những nghiên cứu hiện nay về tính năng của bê tông tự đầm tiến tới sử dụng bê tông tự đâm như một loại bê tông tiêu chuẩn.
Ở Nhật Bản hiện tại, bê tông tự đầm vẫn được xem như một loại bê tông đặc biệt và chỉ được sử dụng trong các công trình lớn. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ bản thân các tính chất của bê tông tự đầm và được tổng kết ở dưới đây:
- Khả năng tự đầm là một khái niệm hoàn toàn mới và chúng ta chưa thiết lập được một phương pháp chuẩn để đánh giá nó một cách hợp lý.
- Khả năng tự đầm chịu ảnh hưởng lớn bởi các tính chất của cốt liệu và tỉ lệ nhào trộn trong khi chúng ta chưa thiết kế được thành phần cốt liệu và phương thức nhào trộn hợp lý nhất.
- Sự khác biệt về tính chất của các cốt liệu: đặc biệt là sự khác biệt về độ ẩm trong cốt liệu nhỏ, có thể làm ảnh hưởng đến khả năng tự đầm của bê tông; do đó, tạo nên sự không ổn định về khả năng tự đầm trong quá trình chế tạo.
- Phải tốn nhiều công sức hơn để kiểm tra tính tự đầm của bê tông trước khi đổ khuôn, cụ thể : Phải kiểm tra khả năng tự đầm của tất cả bê tông. Bởi vì, sau khi đã đổ khuôn, chúng ta sẽ không thể làm tăng thêm độ đầm chặt cho bê tông bằng các phương pháp cơ học.
- Số chi phí tiết kiệm được do không phải đầm nén không phải lúc nào cũng đủ bù đắp cho sự tăng giá vật liệu nên tổng chi phí cho xây dựng công trình không phải lúc nào cũng giảm, trừ trường hợp chúng ta xây dựng những công trình quy mô lớn.
Để có thể sử dụng bê tông tự đầm như một loại bê tông tiêu chuẩn thay vì như một loại bê tông đặc biệt, chúng ta cần phải xác lập được phương thức mới trong chế tạo, sản xuất và thi công nó. Một phương thức mà trong đó, bê tông tự đầm được ngành công nghiệp bê tông trộn sẵn sản xuất như bê tông thường, sẽ là hiệu quả nhất bởi vì ở Nhật Bản hiện nay, có đến khoảng 70% bê tông được tạo ra bởi ngành công nghiệp bê tông trộn sẵn này. Băng việc tổng kết các số liệu do các nhà máy bên tông trộn sẵn cung cấp, trường đại học Tokyo đã đưa ra đưa ra những kết quả nghiên cứu chính của mình trong:
- Phương pháp kiểm tra khả năng tự đầm của bê tông
- Biện pháp lựa chọn thành phần của bê tông tự đầm
- Biện pháp kiểm định chất lượng tại hiện trường.
Hội Công nghiệp sản xuất bê tông trộn sẵn quốc gia đã thành lập Uỷ bản chuyên nghiên cứu để thành lập phương pháp thủ công sản xuất và thi công bê tông tự đầm, đứng đầu là ông Ozawa. Kết quả nghiên cứu của uỷ ban bao gồm 3 vấn đề đề cập ở trên đã được sử dụng trong sản xuất và thi công thủ công .
Ngoài ra, Uỷ ban còn đưa ra kết quả nghiên cứu về những phương thức thiết kế và thi công mới hoàn toàn sử dụng bê tông tự đầm. Kết cấu dạng bánh sandwich là một ví dụ, dạng kết cấu này sẽ không thế được xây dựng nếu không sử dụng bê tông tự đầm.

Kết luận

Biện pháp lựa chọn thành phần hạt và biện pháp kiểm định chất lượng tại hiện trường cho bê tông từ đầm đã được xây dựng gần như hoàn chỉnh, như vậy, trở ngại chính đã được khắc phục. Chắc chắn bê tông tự đầm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai. Và khi đó, bê tông tự đầm sẽ được xem xét như một loại bê tông tiêu chuẩn chứ không còn là một loại bê tông đặc biệt nữa. Chúng ta sẽ có điều kiện để thiết kế những công trình bê tông bền và ổn định hơn trong khi chỉ phải bỏ ra chi phí bảo dưỡng rất nhỏ.

Nguồn tin: T/C Thông tin Khoa học Công nghệ Xây dựng, số 3/2006