Triển vọng của việc sử dụng các kết cấu bê tông sợi thép trong xây dựng

Thứ năm, 23/03/2006 00:00

Ngày nay, một trong những vật liệu chịu lực có triển vọng nhất đó là bê tông sợi thép Steel fibre concrete. Vật liệu này là bê tông hạt nhỏ được gia cường bằng các sợi thép mảnh fibre phân bố đều theo tiết diện. Việc gia cường bê tông bằng các sợi thép thường kết hợp với tạo ứng suất trước bằng cốt thép đang gây được sự chú ý đáng kể trong ngành xây dựng trên thế giới.

Thực chất của bê tông sợi thép đó là đưa các sợi thép vào trong hỗn hợp bê tông, nhằm mục đích tăng cường khả năng làm việc của bê tông dưới tác động của những tải trọng khác nhau.
Lượng sợi cho vào bê tông trong phần lớn các trường hợp dao động từ 0,5 đến 2% theo thể tích. Các sợi được dùng ở dạng đoạn cắt ngắn, trong đó kể cả các sợi cáp thép đã qua sử dụng hoặc cắt từ thép tấm. Ngoài ra, các sợi thép có thể được chế tạo từ dung dịch thép nóng chảy hoặc, cũng như từ các phế liệu sản xuất, thí dụ như từ các phoi tiện, sợi cáp thép... Các sợi thép có tiết diện khác nhau: tròn, ô van và có kích thước từ 0,2 đến 1,6mm, dài từ 10 đến 160mm. Bề mặt sợi có thể định hình, cũng có thể trơn. Đôi khi các sợi được chế tạo hình sóng hoặc được uốn thành móc ở hai đầu.
Bê tông sợi thép có nhiều tính chất ưu việt. Thí dụ, nó có độ bền kéo cao hơn so với bê tông thường. Cho vào bê tông một lượng sợi bằng 1-1,5% thể tích sẽ làm tăng được độ bền kéo, uốn và nén của bê tông.
Đặc điểm quan trọng của bê tông sợi thép đó là khả năng chống nứt cao hơn so với bê tông thường. Sợi thép cho vào bê tông tự do và được phân bố khá đều theo tiết diện kết cấu, tiếp nhận các lực tác dụng từ mọi phía hiệu quả hơn. Các sợi thép đọng lại trong bê tông tập trung quanh vết nứt từ mọi phía, ngăn cản sự phát triển tiếp tục của vết nứt. Nhờ có khả năng chống nứt cao hơn mà bê tông sợi thép có độ chịu băng giá, chống nóng, chống thấm và chịu lửa cao hơn 1,5-2 lần so với bê tông thường.
Chất lượng của bê tông sợi thép phụ thuộc vào các thông số gia cường: Lượng sợi thép tính theo thể tích, tỷ lệ giữa các thông số cốt sợi và các thông số cấu trúc của đệmma trận bê tông và phụ thuộc vào các mức phân tán.
Khi lựa chọn các kết cấu bê tông sợi thép cần tính đến khả năng áp dụng các giải pháp công nghệ mới có năng suất cao hơn, như phun khí nén, tạo hình bằng trục cán và ép vuông góc, quay ly tâm, uốn các các tấm phẳng mới tạo hình... Khuôn và kích thước các chi tiết được chọn căn cứ vào mức độ tận dụng toàn vẹn hơn các tính chất ưu việt của bê tông sợi thép, vào khả năng chế tạo cơ giới hóa và tự động hóa trong nhà máy, vào sự tiện lợi khi chuyên chở và lắp ráp kết cấu.
Việc sử dụng hiệu quả hơn bê tông sợi thép trong các kết cấu phải đáp ứng được các yêu cầu cao hơn về độ bền nứt, độ chịu mài mòn, chịu va đập và chịu tác động của các tải trọng thay đổi dấu âm, dương. Bê tông sợi thép sử dụng có lợi làm mặt lát sân bay và đường đổ liền khối, mặt lát cầu, nền nhà công nghiệp, tường kè, bê tông phun để ốp mặt đường ngầm, hầm mỏ, các lớp ốp chống cháy, các móng máy. Trong số các kết cấu lắp ghép có thể chia ra thành các các tấm lát mỏng và tấm có gờ, các chi tiết vỏ mỏng và ván khuôn không tháo dỡ, các panen tường và vách ngăn, các tấm lát nền, các tấm lát sân bay và lát đường, các kết cấu hạ tầng ngầm, các cọc và tà vẹt.
Hiệu quả sử dụng của các kết cấu bê tông sợi thép cũng có thể đạt được nhờ giảm chi phí lao động cho công tác cốt thép, giảm chi phí thép và bê tông do giảm được độ dày của kết cấu, kết hợp được nhiều công đoạn chuẩn bị hỗn hợp bê tông và lắp đặt cốt thép, tăng được độ bền vững lâu dài của kết cấu và giảm được các chi phí cho sửa chữa thường xuyên.
Ngày nay, bê tông sợi thép được sử dụng mạnh trong xây dựng lắp ghép. Nhưng việc đưa bê tông sợi thép vào sử dụng hàng loạt đang gặp trở ngại bởi vì chưa có ngành công nghiệp sản xuất sợi thép thương phẩm. Hiện nay có 4 phương pháp sản xuất sợi thép: Sản xuất từ thép sợi, từ thép lá, từ phoi tiện và từ các cáp thép đã qua sử dụng.
Sợi sản xuất từ thép sợi được sử dụng nhiều nhất để sản xuất bê tông sợi thép, có đường kính 0,3-1,6mm, dài 80-100mm. Sợi thép thường làm từ thép ít cac bon có công dụng chung theo tiêu chuẩn GOST 3282-74 của Nga. Khi sản xuất sợi thép có áp dụng các giải pháp nhằm tăng cường độ dính bám của sợi trong bê tông như tạo tiết diện thép hình trong quá trình cắt, tạo hình sóng. Có thể áp dụng các phương pháp khác như làm nháp bề mặt sợi bằng hóa chất, làm biến dạng sợi thép và tạo các móc ở đầu sợi.
Trong những năm gần đây, sợi thép còn được làm từ các phế liệu và thép lá cán nguội theo tiêu chuẩn GOST 19904-74, dày 0,5-1,0 mm. Sợi làm từ thép lá ở dạng vải mành, các đầu nghiêng góc với nhau, trục dọc bị vặn theo hình xoắn. Một đầu của sợi thường được định hình theo chu kỳ để tăng độ dính bám với bê tông. Sản xuất sợi thép từ phế liệu thép lá được tiến hành trong một số nhà máy cán thép của LB Nga.
Khi chế tạo kết cấu có thể sử dụng kết hợp cả sợi thép và cốt thép thanh, trong đó có cốt thép dự ứng lực. Tính toán các kết cấu bê tông sợi thép được tiến hành theo khả năng chịu lực và khả năng có ích đối với khai thác sử dụng, có tính đến độ phân tán khi gia cường, tới độ mỏng của kết cấu và tính đến sự giảm bớt lớp bảo vệ bê tông đối với cốt thép thanh và sợi thép. Mức độ yêu cầu đối với độ bền nứt và các giá trị cho phép bề rộng vết nứt phụ thuộc vào các điều kiện làm việc và loại cốt thép có khác đôi chút so với quy định đối với các kết cấu bê tông cốt thép và bê tông lưới thép.
Đối với các kết cấu bê tông sợi thép khuyến nghị sử dụng bê tông hạt nhỏ có dung trọng trung bình không dưới 2200 kg/m3 đối với cốt liệu nhỏ hơn 5 mm và độ hút nước dưới 8%. Những yêu cầu được quy định theo chức năng của các loại bê tông theo độ bền, mác chịu băng giá và chống thấm.
Sợi thép được chế tạo từ thép sợi ít cacbon có công dụng chungtheo quy phạm TY 14-4-1093-87, từ thép lá theo TY 21-33-60-87 và từ cáp thép đã qua sử dụng theo TY 67-797-86.
Ngày nay, ở LB Nga đã chế tạo và đưa vào sử dụng các kết cấu bê tông sợi thép như cọc, các tấm lát đường, vỉa hè, sân bay, các tấm lợp có gờ, các ống cống, ống dẫn nước, máng, các tấm ván khuôn không tháo dỡ, rào bảo vệ lô gia và ban công.
Một vấn đề quan trọng nhất trong xây dựng là đóng cọc tới mức thiết kế. Việc sử dụng các cọc bằng bê tông sợi thép làm giảm được lao động và chi phí chế tạo cọc, làm tăng đáng kể độ bền va đập của chúng khi đóng cọc, cho phép đóng cọc tới mức thiết kế ở các vị trí bất kỳ.
Các cọc tiết diện khác nhau được bọc đầu bằng bê tông sợi thép. Cọc hình lăng trụ có độ dài 8-14m và tiết diện 35 x 35cm, cọc kim tự tháp dài 6m, tiết diện mũ cọc 40 x 40 cm và phần đầu cọc 20 x 20 cm, phần lớn được chế tạo bằng bê tông sợi thép.
Những thử nghiệm chứng tỏ hiệu quả cao của các cọc bê tông sợi thép. Độ bền va đập của bê tông sợi thép cao gấp hơn 2 lần so với bê tông cốt thép có cùng một lượng chi phí thép. Để giảm giá thành của các cọc bê tông sợi thép, hợp lý hơn nên sử dụng sợi chế tạo từ thép sợi đường kính 1,5-2mm và sợi làm từ cáp thép đã qua sử dụng.
Độ bền va đập cao của các cọc bê tông sợi thép cho phép đóng cọc với lực cao hơn, khiến cho giảm được thời gian đóng cọc tới 60%. Đồng thời loại bỏ được các trường hợp đóng không tới các mức thiết kế do đầu cọc hoặc thân cọc bị vỡ quá sớm, như thường xảy ra đối với các cọc bê tông cốt thép. Việc đóng cọc tới các mức thiết kế như nhau cho phép khắc phục được thao tác khó khăn như phải cắt các thân cọc trước khi lắp đài cọc.
Sử dụng bê tông sợi thép có lợi trong các kết cấu mái nhà thay cho bê tông cốt thép truyền thống với lớp phủ chống thấm, giảm được đáng kể các chi phí cho chế tạo, lắp đặt và khai thác sử dụng mái nhà.
Viện Khoa học Bê tông cốt thép LB Nga NIIGB đã nghiên cứu thiết kế kết cấu tấm lợp panel nhà mái dốc dùng cho nhà nông thôn và nhà kho, các sàn thang máy vận chuyển hành khách, các bến ô tô và cho nhiều kết cấu khác.
Các panel được chế tạo trên các khuôn đặc biệt có áo hơi bảo dưỡng, bằng phương pháp uốn gấp các tấm phẳng mới được tạo hình. Sau khi kéo căng cốt thép, tấm bê tông sợi thép phẳng được tạo hình, sau đó nhờ có kết cấu bản lề trên thành khuôn được nâng lên để tạo thành mái gấp trước khi bảo dưỡng bê tông. Sau đó panel mái gấp được bảo dưỡng hơi nước nóng.
Bê tông sợi thép được sử dụng làm các ống cấp và thoát nước, giếng khoan được tạo hình bằng phương pháp ép vuông góc. Chúng được thiết kế và chế tạo thay cho các ống bê tông cốt thép xeri 3900-3, có đường kính 1000 và 1500mm, cao 890mm, làm giảm được chiều dày thành ống. Thí dụ, ống vòng đường kính 1000 mm có độ dày thành ống giảm xuống còn 50mm so với 80mm của các ống tiêu chuẩn bằng bê tông cốt thép; ống đường kính 1500mm có thành dày 70mm so với 90mm của các ống tiêu chuẩn. Tất cả các ống này đều chế tạo từ bê tông hạt nhỏ nhóm B15, gia cường bằng sợi thép chế tạo từ thép sợiđường kính 0,5-0,8mm hoặc bằng sợi thép chế tạo từ thép lá dày 0,5-0,8mm. Lượng sợi thép chiếm 0,5% thể tích của bê tông. Công nghệ sản xuất ống bê tông sợi thép đã được ứng dụng tại Nhà máy Bê tông Vonkhôp, LB Nga. Tại đây đã sử dụng sợi thép hình sóng, đường kính bằng 0,5-0,7mm.
Việc sử dụng các ống bê tông sợi thép cho phép giảm đáng kể chi phí lao động và giảm lượng vật liệu dùng cho kết cấu, cải thiện các tính chất của chúng và hầu như hoàn toàn loại bỏ được các phế phẩm trong sản xuất.
Kết cấu của các tòa nhà tiên tiến hiện nay được làm từ các vỏ cầu bằng bê tông sợi thép, được chế tạo trong các nhà máy hoặc trên các thiết bị di động. Các loại nhà này thích hợp cho xây dựng nông thôn, cho các đoàn thám hiểm địa chất, các nhà ga, bến xe, trạm gác nằm ở những nơi khó vào, xa các tuyến đường giao thông. Các ngôi nhà này được lắp ghép từ 2 mảng vòm hình cầu. Lớp bên ngoài của vỏ có chức năng chịu lực và chống thấm, được chế tạo từ bê tông sợi thép. Đã thiết kế đồ án các ngôi nhà lắp-tháo được từ các blốc khối bằng bê tông sợi thép có kích thước 3 x 3 x 9m, cũng được sử dụng để xây dựng những ngôi nhà tạm thời.
Đã nghiên cứu chế tạo thử nghiệm các panel mái tổ hợp bằng bê tông sợi thép. Panel có kết cấu hình hộp, kích thước 5990 x 1189 x 200mm, cấu tạo từ 2 tấm có gờ. Sàn trên và sàn dưới của panel làm bằng bê tông sợi thép dày 15 mm, còn gờ thành bằng bê tông cốt thép. Trên tấm sàn có gờ phía dưới có lớp cách nhiệt, sàn phía trên đặt trên sàn phía dưới tạo ra tiết diện hình hộp. Các tấm được liên kết với nhau bằng các chi tiết thép chờ, nằm cách nhau 100cm.
Các panel bằng bê tông sợi thép có thể giảm được đáng kể vật liệu của mái. Các bộ khung bằng bê tông sợi được chế tạo bằng các sợi định hướng, nằm vuông góc với các gờ dọc của panel.
Tóm lại, bê tông sợi thép rất cần thiết cho một tổ hợp xây dựng. Kinh nghiệm sử dụng bê tông sợi thép cho thấy rằng nó có hiệu quả kinh tế, có lợi và hợp lý trong sản xuất các kết cấu xây dựng đa chức năng.

Đinh Bá Lô dịch
Nguồn tin: Báo Xây dựng Nga, N50/2005