Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng tại Việt Nam tăng trưởng nhanh chóng với ước tính đạt hơn 40 tỷ viên gạch mỗi năm. Tuy nhiên, các lò gạch đất sét nung thủ công chiếm tới 70% đến 75% cơ sở sản xuất, tiêu tốn từ 18 đến 27 tấn than cùng 30 đến 45 mét khối củi cho mỗi lò, gây suy thoái nghiêm trọng quỹ đất nông nghiệp và ô nhiễm môi trường. Thực hiện Quyết định số 115/2001/QĐ-TTg và Thông tư số 09/2012/TT-BXD, việc chuyển đổi sang gạch không nung là chủ trương lớn bắt buộc đối với các công trình sử dụng vốn ngân sách nhà nước.

Mặc dù gạch không nung giúp giảm khối lượng tường xây đến 21% và tiết kiệm từ 18% đến 21% chi phí so với gạch đất nung truyền thống, hàng loạt công trình công cộng sau khi bàn giao đã xuất hiện tình trạng nứt nẻ khối xây nghiêm trọng. Các sự cố nứt tường, thấm dột điển hình xuất hiện tại các công trình quy mô lớn như Trường Trung học phổ thông Trần Cao Vân tại Quảng Nam (gồm 27 phòng học) và Trung tâm Văn hóa Thể thao xã Hòa Liên tại Đà Nẵng với diện tích 580 mét vuông sàn. Vấn đề cấp bách đặt ra là phải xác định chính xác cơ chế hư hỏng và tìm ra giải pháp kết cấu gia cường hiệu quả.

Nghiên cứu này tập trung phân tích bản chất hư hỏng của khối xây sử dụng gạch không nung loại 2 lỗ và 6 lỗ, đồng thời kiểm chứng thực nghiệm các giải pháp gia cường kết cấu. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện qua khảo sát thực tế tại các công trình thuộc tỉnh Gia Lai và khu vực miền Trung, kết hợp thực nghiệm nén đa phương trong phòng thí nghiệm. Ý nghĩa then chốt của luận văn là cung cấp giải pháp gia cường bổ trụ và giằng thép giúp khối xây đạt khả năng chịu lực trên 280 kN, tăng mức tải trọng chống phá hoại từ 13% đến 50%, mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác thiết kế và thi công bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai hệ thống lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật công trình:

  • Lý thuyết thủy hóa xi măng và biến dạng co ngót (Hydration and Drying Shrinkage Theory): Phản ứng hydrat hóa giữa xi măng và nước giải phóng nhiệt và thoát nước tự do trong 28 ngày đầu tiên, làm suy giảm thể tích và gây co ngót khô. Đối với gạch block bê tông, mức độ co ngót sau sấy đạt từ 124 đến 159 micromet/mét, cao vượt trội so với gạch đất nung. Khi khối xây bị cản trở biến dạng bởi hệ khung dầm cột, ứng suất kéo nội sinh sẽ phát sinh và vượt quá giới hạn bền kéo của vật liệu, dẫn đến rạn nứt.
  • Lý thuyết cơ học khối xây và truyền ứng suất tiếp xúc (Masonry Mechanics & Composite Behavior): Khối xây là vật liệu composite dị tính phi tuyến gồm các viên gạch liên kết qua mạch vữa. Khả năng chịu lực cắt, uốn và kéo của khối xây phụ thuộc chặt chẽ vào độ bám dính tiếp xúc tại mạch vữa ngang và mạch vữa đứng.

Các khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm: gạch bê tông xi măng cốt liệu, ứng suất co ngót hạn chế, hiện tượng nứt tách khối tiếp giáp (debonding crack), và cơ chế gia cường liên kết giằng - bổ trụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát thực địa kết hợp thực nghiệm phá hủy cơ học nhằm đối chiếu giữa lý thuyết và hiện trường:

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Khảo sát chi tiết tại 5 công trình công cộng thực tế gồm Trụ sở Ủy ban nhân dân xã Al Băh, Trường Trung học cơ sở Ia Phí, Trường Trung học cơ sở Ayun, Trường Trung học cơ sở Trần Hưng Đạo tại Gia Lai và công trình Trường Trung học phổ thông Trần Cao Vân. Về thực nghiệm, nghiên cứu chế tạo hơn 20 tổ hợp khối xây chuẩn từ gạch block 6 lỗ kích thước 190x140x90 mm và gạch 2 lỗ kích thước 390x190x90 mm. Cấp phối vữa xây và vữa trát mác 75 được kiểm soát nghiêm ngặt với cường độ chịu nén thực tế đạt 81,67 daN/cm2 và 83,75 daN/cm2 sau 28 ngày tuổi.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Thí nghiệm gia tải nén tĩnh theo ba phương độc lập (phương dọc, phương ngang và phương xiên) được lựa chọn vì đây là phương pháp trực quan và chuẩn xác nhất để mô phỏng trạng thái ứng suất nén - cắt phối hợp trong tường nhà thực tế. Toàn bộ quy trình thử nghiệm được kiểm soát theo tiêu chuẩn TCVN 7572-2016 và TCVN 6016-2011 trong giai đoạn năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Phát hiện 1 (Đặc tính co ngót và độ hút nước cao): Gạch không nung có độ hút nước lớn từ 6,9% đến 13,6%, dẫn đến hiện tượng hút ngược nước từ vữa xây khiến xi măng không thể thủy hóa hoàn toàn. Mức độ co ngót tự nhiên của gạch không nung dao động từ 41 đến 74 micromet/mét và tăng lên tới 159 micromet/mét sau khi sấy khô, cao hơn gấp 10 lần so với gạch đất nung (chỉ từ 0 đến 18 micromet/mét).
  • Phát hiện 2 (Quy luật phân bố dạng nứt thực tế): Vết nứt ngang xuất hiện phổ biến tại mạch vữa ở cao độ từ 1,4 đến 1,6 mét so với sàn với bề rộng từ 0,5 đến 1,5 mm; vết nứt đứng tập trung tại vị trí tiếp giáp giữa khối xây với cột bê tông hoặc cách trụ từ 2,2 đến 2,4 mét; vết nứt chéo tập trung tại các góc lanh tô cửa với độ mở rộng lên đến 3,0 đến 4,0 mm.
  • Phát hiện 3 (Hiệu quả vượt trội của giải pháp bổ trụ): Khối xây được gia cường bằng bổ trụ bê tông cốt thép đạt cường độ chịu nén cao nhất ở cả hai trạng thái phá hủy, chịu được lực nén vượt trên 280 kN theo cả phương dọc và phương ngang, đồng thời đạt 60 kN đối với phương nén xiên.
  • Phát hiện 4 (Gia tăng độ dẻo dai sau nứt): Khi áp dụng các giải pháp giằng thép và phủ lưới mắt cáo, khoảng chênh lệch giữa lực gây nứt ban đầu và lực phá hủy hoàn toàn tăng mạnh từ 13% đến 50%, giúp kết cấu không bị đổ sụp đột ngột.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây nứt khối xây bắt nguồn từ việc co ngót thể tích tự do của gạch block bê tông bị kìm hãm bởi hệ khung chịu lực, kết hợp với hiện tượng mất nước cục bộ tại mạch vữa khiến cường độ bám dính suy giảm nghiêm trọng. Hiện tượng này hoàn toàn trùng khớp với các công bố cơ học công trình quốc tế về sự phá hoại liên kết mạch vữa xây.

Các tập dữ liệu thí nghiệm có thể được hệ thống hóa qua biểu đồ tương quan giữa khối lượng thể tích (từ 1476 đến 2212 kg/m3) với cường độ chịu nén, cùng biểu đồ so sánh độ co ngót và độ hút nước. Đồ thị quan hệ tải trọng - biến dạng nén dọc và nén ngang chỉ ra rằng mô hình tường có trát phủ lưới mắt cáo kết hợp bổ trụ triệt tiêu được hiện tượng tập trung ứng suất tại các điểm nối. Bảng so sánh 12 mô hình thực nghiệm xác nhận giải pháp rót vữa mác 200 vào lỗ rỗng gạch 2 lỗ giúp biến khối xây đơn lẻ thành hệ tấm liền khối vững chắc, ngăn chặn hoàn toàn các vết nứt cắt trượt.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Bố trí hệ bổ trụ và giằng bê tông cốt thép: Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng cần bắt buộc bổ sung bổ trụ và giằng tường bê tông cốt thép cho các mảng tường có chiều dài vượt quá 3,0 mét hoặc chiều cao vượt quá 3,5 mét nhằm mục tiêu khống chế độ mảnh và triệt tiêu ứng suất kéo cắt trong vòng 100% các công trình công cộng.
  • Kiểm soát quy trình tưới ẩm và cấp phối vữa mác 75: Đội ngũ thi công phải thực hiện phun ẩm bão hòa bề mặt gạch không nung trước khi xây tối thiểu 2 giờ, sử dụng vữa xây mác 75 có phụ gia giữ nước để giảm tốc độ mất nước xuống dưới 5%, đồng thời duy trì bảo dưỡng ẩm liên tục trong suốt 28 ngày đầu tiên.
  • Gia cường lưới mắt cáo tại các vị trí xung yếu: Cán bộ kỹ thuật hiện trường cần thi công lắp đặt lưới thép mắt cáo có bề rộng tối thiểu 200 mm phủ qua mép tiếp giáp giữa khối xây với dầm, cột bê tông và xung quanh các góc lỗ mở cửa sổ trước khi trát vữa mác 75 nhằm hạn chế 90% vết nứt chân chim.
  • Quy chuẩn hóa giải pháp rót vữa cho gạch hai lỗ: Cơ quan quản lý ngành xây dựng cần hoàn thiện định mức kỹ thuật cho công tác rót vữa bê tông mác 200 vào khoang rỗng gạch block, hướng đến mục tiêu gia tăng 40% khả năng chịu tải cục bộ và giảm 15% đến 20% chi phí sửa chữa bảo trì trong lộ trình 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và tư vấn giám sát: Áp dụng trực tiếp số liệu tính toán cường độ nén ép dọc, ép ngang và ép xiên để bố trí chi tiết các liên kết giằng tường, bổ trụ và lanh tô cửa cho các dự án chung cư cao tầng hoặc trường học.
  • Chỉ huy trưởng công trường và nhà thầu thi công: Nắm vững chỉ dẫn kỹ thuật về cấp phối vữa xây mác 75, kỹ thuật ngâm giữ ẩm gạch và biện pháp đóng lưới mắt cáo chống nứt tiếp giáp nhằm đảm bảo chất lượng nghiệm thu công trình.
  • Doanh nghiệp sản xuất gạch không nung: Sử dụng các kết quả phân tích về độ co ngót và độ hút nước để cải tiến dây chuyền ép rung, kiểm soát độ ẩm hạt và tối ưu hóa cấp phối nguyên liệu nhằm đưa độ co ngót xuất xưởng xuống dưới 0,8 mm/m.
  • Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Xây dựng: Kế thừa phương pháp luận thí nghiệm nén 3 phương và hệ thống dữ liệu thực nghiệm để phát triển các mô hình mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến cho kết cấu gạch block.

Câu hỏi thường gặp

  • Nguyên nhân chính gây nứt tường xây gạch không nung là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu do độ co ngót sau sấy của gạch không nung rất cao (đạt từ 124 đến 159 micromet/mét, gấp 10 lần gạch đất nung) kết hợp với độ hút nước lớn (6,9% đến 13,6%) làm khô vữa xây nhanh chóng. Ứng suất kéo phát sinh vượt quá cường độ dính kết của mạch vữa gây nứt.

  • Tại sao giải pháp gia cường bổ trụ lại mang lại hiệu quả cao nhất?
    Thực nghiệm nén tĩnh chứng minh bổ trụ bê tông cốt thép giúp phân phối đều ứng suất tập trung, nâng khả năng chịu nén của khối xây lên trên 280 kN theo cả phương dọc và ngang, đồng thời tăng 50% mức chịu lực phá hủy so với trạng thái nứt ban đầu.

  • Lưới mắt cáo cần được lắp đặt tại các vị trí nào trên khối xây?
    Lưới mắt cáo cần được cố định tại các mạch tiếp giáp giữa khối xây gạch với cột hoặc dầm bê tông cốt thép, cũng như tại bốn góc của lỗ mở cửa đi và cửa sổ với độ phủ mép rộng tối thiểu 200 mm trước khi tiến hành trát tường.

  • Khối xây có trát vữa có loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nứt không?
    Lớp trát vữa mác 75 chỉ hỗ trợ làm chậm sự phát triển vết nứt bề mặt chứ không loại bỏ được nguyên nhân nội tại do co ngót. Nếu không có giằng thép hoặc lưới gia cường, vết nứt từ mạch vữa bên trong vẫn sẽ xé rách lớp vữa trát ngoài.

  • Gạch không nung giúp tiết kiệm chi phí xây dựng ở mức độ nào?
    So với gạch đất sét nung truyền thống, việc sử dụng gạch block rỗng xi măng cốt liệu giúp giảm 21% tổng khối lượng thể tích tường xây và giảm từ 18% đến 21% tổng chi phí vật tư và nhân công cho mỗi mét khối tường xây thô.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng hư hỏng khối xây gạch không nung tại các công trình thực tế khu vực miền Trung và Tây Nguyên.
  • Xác định rõ ràng cơ chế gây nứt nẻ là do biến dạng co ngót vật liệu lên tới 159 micromet/mét kết hợp sự mất nước nhanh tại mạch vữa xây mác 75.
  • Chứng minh bằng thực nghiệm khoa học giải pháp bổ trụ giúp khối xây chịu được tải trọng nén vượt mức 280 kN theo cả phương dọc và phương ngang.
  • Khẳng định tính hiệu quả của hệ giải pháp kết hợp giằng thép, bổ trụ và lưới mắt cáo giúp tăng từ 13% đến 50% độ dẻo dai kết cấu sau khi xuất hiện vết nứt ban đầu.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật đồng bộ giúp hiện thực hóa mục tiêu tiết kiệm 18% đến 21% chi phí xây thô và bảo vệ môi trường bền vững.

Trong 6 đến 12 tháng tới, các nghiên cứu tiếp theo nên mở rộng mô hình hóa số phần tử hữu hạn 3D và thử nghiệm giải pháp trên các dòng vật liệu gạch bê tông khí chưng áp siêu nhẹ. Các chủ đầu tư, kỹ sư thiết kế và nhà thầu xây dựng hãy ứng dụng ngay các giải pháp gia cường bổ trụ và kiểm soát cấp phối được đề xuất trong công trình để bảo đảm chất lượng và tuổi thọ kết cấu tối ưu.