Tổng quan nghiên cứu

Đập đá đổ bản mặt bê tông (Concrete Face Rockfill Dams – CFRD) là loại công trình thủy lợi được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Brazil, và Việt Nam. Tại Việt Nam, các công trình như đập Tuyên Quang, đập Cửa Đạt – Thanh Hóa, và đập Rào Quán đã áp dụng công nghệ này. Tuy nhiên, do đây là công nghệ thi công mới, kinh nghiệm trong nước còn hạn chế, phần lớn công nghệ thi công do tư vấn nước ngoài đảm nhận, chưa có quy trình công nghệ thi công hoàn chỉnh phù hợp với điều kiện Việt Nam. Bản mặt bê tông là kết cấu chống thấm chủ yếu của đập, có độ dày mỏng, chịu chênh lệch áp lực lớn do tổn thất cột nước thấm chủ yếu phát sinh tại đây. Hiện tượng nứt bản mặt là hư hỏng phổ biến, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và an toàn của đập.

Mục tiêu nghiên cứu là tính toán, tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông bản mặt M30 – B10, áp dụng cho công trình đập đá đổ bản mặt bê tông Cửa Đạt – Thanh Hóa nhằm nâng cao chất lượng bê tông, giảm thiểu hiện tượng nứt, đảm bảo khả năng chống thấm và độ bền lâu dài. Nghiên cứu tập trung trong giai đoạn 2011-2014, khảo sát thực tế tại công trình Cửa Đạt và các công trình tương tự trong nước, kết hợp với thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường.

Nghiên cứu có ý nghĩa kỹ thuật và kinh tế lớn, góp phần xây dựng quy trình công nghệ thi công bê tông bản mặt phù hợp với điều kiện Việt Nam, nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình. Các chỉ tiêu kỹ thuật như cường độ nén, độ chống thấm, độ sụt bê tông được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo tiêu chuẩn TCVN và yêu cầu vận hành đập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết bê tông và cấp phối bê tông: Bê tông là vật liệu đá nhân tạo gồm chất kết dính (xi măng), nước, cốt liệu (cát, đá dăm) và phụ gia. Thành phần cấp phối ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý và khả năng chống thấm của bê tông. Các chỉ tiêu quan trọng gồm tỷ lệ chất kết dính/nước (CKD/N), hàm lượng xi măng, kích thước hạt cốt liệu, độ sụt hỗn hợp bê tông.

  • Mô hình kết cấu đập đá đổ bản mặt bê tông (CFRD): Đập CFRD gồm thân đập bằng đá đổ đầm nén và bản mặt bê tông cốt thép mác cao phủ trên bề mặt thượng lưu để chống thấm. Bản mặt có độ dày mỏng, chịu ứng suất nhiệt, co ngót, và biến dạng do áp lực nước và biến dạng khối đá đổ.

  • Khái niệm về ứng suất và biến dạng trong bản mặt bê tông: Ứng suất phát sinh do nhiệt thủy hóa xi măng, co ngót bê tông, áp lực nước và biến dạng khối đá đổ. Bố trí khe co dãn và cốt thép hợp lý giúp giảm ứng suất và ngăn ngừa nứt.

  • Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông: Tính toán cấp phối bê tông dựa trên nguyên tắc thể tích tuyệt đối, xác định tỷ lệ các thành phần vật liệu để đạt yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Quy trình gồm xác định yêu cầu kỹ thuật, tính toán cấp phối, thí nghiệm trong phòng và điều chỉnh ngoài hiện trường.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ CKD/N, độ sụt hỗn hợp bê tông, hàm lượng xi măng tối thiểu, kích thước hạt cốt liệu lớn nhất, hệ số dư vữa hợp lý (K_d), và các chỉ tiêu cơ lý như cường độ nén, độ chống thấm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu thực tế từ công trình đập Cửa Đạt – Thanh Hóa và các công trình đập đá đổ bản mặt tương tự trong nước và quốc tế.

  • Kết quả thí nghiệm vật liệu (xi măng PCB-40 Tam Điệp, Nghi Sơn), cốt liệu (cát, đá dăm), và hỗn hợp bê tông trong phòng thí nghiệm.

  • Thí nghiệm điều chỉnh cấp phối bê tông tại hiện trường, đo độ sụt, cường độ nén, độ chống thấm.

Phương pháp phân tích:

  • Tính toán cấp phối bê tông theo công thức chuẩn, kết hợp với hệ số chất lượng vật liệu và hệ số quy đổi cường độ bê tông ở các tuổi khác nhau.

  • Thí nghiệm độ sụt theo TCVN 3106:1993, cường độ nén theo TCVN 3118:1993, kiểm tra độ chống thấm và các chỉ tiêu cơ lý khác.

  • So sánh kết quả tính toán với kết quả của đơn vị tư vấn và điều chỉnh cấp phối để tối ưu hóa.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ 2011 đến 2014, bao gồm khảo sát thực tế, tổng hợp tài liệu, thí nghiệm phòng thí nghiệm, thí nghiệm hiện trường và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông bản mặt M30 – B10: Qua thí nghiệm và tính toán, tỷ lệ chất kết dính/nước (CKD/N) được xác định phù hợp từ 2.0 đến 2.5, hàm lượng xi măng tối thiểu khoảng 310 kg/m³, sử dụng xi măng PCB-40 Tam Điệp và Nghi Sơn. Độ sụt hỗn hợp bê tông được điều chỉnh trong khoảng 9-10 cm để đảm bảo khả năng thi công và chất lượng bê tông.

  2. Ảnh hưởng của kích thước hạt cốt liệu và thành phần hạt: Kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu được giới hạn không vượt quá 1/3 chiều dày bản mặt (khoảng 40 mm). Việc phối hợp cấp hạt hợp lý giúp giảm lượng vữa dư, hạn chế nứt bề mặt. Hệ số dư vữa hợp lý (K_d) được xác định trong khoảng 1.3-1.6 tùy theo mô đun độ lớn của cát.

  3. Hiệu quả của phụ gia dẻo hóa và phụ gia khoáng: Sử dụng phụ gia dẻo hóa cao hoặc siêu dẻo giúp giảm lượng nước trộn từ 10-20%, tăng cường tính dẻo và khả năng chống thấm của bê tông. Phụ gia khoáng như tro bay được dùng thay thế 15-35% lượng xi măng, cải thiện tính bền vững và giảm co ngót.

  4. So sánh kết quả với đơn vị tư vấn: Thành phần cấp phối bê tông sau hiệu chỉnh có cường độ nén và độ chống thấm vượt trội hơn so với kết quả của đơn vị tư vấn, với cường độ nén đạt trên 30 MPa và độ chống thấm đạt cấp B10, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và vận hành đập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng nứt bản mặt bê tông là do ứng suất nhiệt và co ngót trong quá trình đông cứng, cùng với biến dạng khối đá đổ và áp lực nước lớn. Việc tối ưu hóa thành phần cấp phối, đặc biệt là giảm lượng vữa dư và sử dụng phụ gia dẻo hóa, giúp giảm ứng suất co ngót và tăng tính liên kết của bê tông.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn và kinh nghiệm thi công đập CFRD tại Trung Quốc và Brazil, đồng thời thích ứng với điều kiện vật liệu và khí hậu Việt Nam. Việc bố trí khe co dãn và cốt thép hợp lý cũng góp phần giảm ứng suất tập trung và ngăn ngừa nứt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng của hệ số điền đầy đến độ rỗng và KLTT hỗn hợp bê tông, bảng so sánh thành phần cấp phối và kết quả cường độ nén, độ chống thấm trước và sau hiệu chỉnh, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp thiết kế cấp phối.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng quy trình công nghệ thi công bê tông bản mặt phù hợp với điều kiện Việt Nam: Áp dụng cấp phối bê tông M30 – B10 đã tối ưu, sử dụng phụ gia dẻo hóa cao, kiểm soát chặt chẽ độ sụt và hàm lượng xi măng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các công ty xây dựng và tư vấn kỹ thuật.

  2. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công: Đào tạo về kỹ thuật trộn, đổ, đầm và bảo dưỡng bê tông bản mặt, xử lý khe nối và vết nứt. Thời gian: liên tục trong quá trình thi công. Chủ thể: trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  3. Triển khai hệ thống quan trắc và giám sát chất lượng bê tông trong quá trình thi công và vận hành đập: Đo độ sụt, cường độ nén, độ chống thấm, theo dõi biến dạng và ứng suất bản mặt. Thời gian: suốt quá trình thi công và vận hành. Chủ thể: chủ đầu tư, đơn vị giám sát.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của điều kiện khí hậu và vật liệu địa phương đến cấp phối bê tông bản mặt: Mở rộng thí nghiệm và khảo sát tại các vùng khí hậu khác nhau, điều chỉnh cấp phối phù hợp. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia xây dựng công trình thủy lợi: Nắm bắt kiến thức về thiết kế và thi công đập CFRD, áp dụng cấp phối bê tông tối ưu để nâng cao chất lượng công trình.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp thiết kế cấp phối bê tông, quy trình thí nghiệm và phân tích kết quả thực tế.

  3. Các công ty tư vấn và thi công xây dựng: Áp dụng quy trình công nghệ thi công bê tông bản mặt, kiểm soát chất lượng vật liệu và thi công để giảm thiểu rủi ro nứt và hư hỏng.

  4. Chủ đầu tư và cơ quan quản lý dự án thủy lợi: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật, tiêu chuẩn chất lượng và các giải pháp quản lý thi công nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao bê tông bản mặt đập đá đổ thường bị nứt?
    Nứt bản mặt chủ yếu do ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa xi măng, co ngót bê tông, biến dạng khối đá đổ và áp lực nước lớn. Việc bố trí khe co dãn và sử dụng cấp phối bê tông tối ưu giúp giảm thiểu hiện tượng này.

  2. Làm thế nào để tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông bản mặt?
    Tối ưu hóa dựa trên tỷ lệ chất kết dính/nước phù hợp, lựa chọn kích thước hạt cốt liệu hợp lý, sử dụng phụ gia dẻo hóa để giảm lượng nước, đồng thời thí nghiệm điều chỉnh cấp phối trong phòng và ngoài hiện trường.

  3. Phụ gia dẻo hóa có vai trò gì trong bê tông bản mặt?
    Phụ gia dẻo hóa giúp tăng tính dẻo của hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước trộn, cải thiện khả năng chống thấm và giảm co ngót, từ đó nâng cao chất lượng và độ bền của bản mặt bê tông.

  4. Chiều dày bản mặt bê tông được tính toán như thế nào?
    Chiều dày bản mặt được tính theo công thức t = a + bH, trong đó a là độ dày tại đỉnh đập (khoảng 0.3 m), b là hệ số tỷ lệ, H là mực nước tác dụng. Chiều dày thường giảm dần từ đỉnh xuống dưới, đảm bảo tính bền và khả năng chống thấm.

  5. Làm sao kiểm soát chất lượng bê tông trong thi công bản mặt đập?
    Kiểm soát bằng cách đo độ sụt hỗn hợp bê tông, lấy mẫu kiểm tra cường độ nén, độ chống thấm, theo dõi biến dạng và ứng suất bản mặt, đồng thời xử lý kịp thời các vết nứt theo quy định kỹ thuật.

Kết luận

  • Đập đá đổ bản mặt bê tông là công trình thủy lợi hiện đại, đòi hỏi cấp phối bê tông bản mặt tối ưu để đảm bảo an toàn và độ bền lâu dài.
  • Nghiên cứu đã xác định thành phần cấp phối bê tông M30 – B10 phù hợp với điều kiện vật liệu và khí hậu tại công trình Cửa Đạt – Thanh Hóa.
  • Việc sử dụng phụ gia dẻo hóa và phụ gia khoáng giúp cải thiện tính chất bê tông, giảm hiện tượng nứt và tăng khả năng chống thấm.
  • Quy trình thiết kế cấp phối kết hợp thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường là phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa bê tông bản mặt.
  • Đề xuất xây dựng quy trình thi công, đào tạo nhân lực và hệ thống quan trắc nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả công trình đập đá đổ bản mặt bê tông tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình cấp phối và thi công đã nghiên cứu tại các công trình thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng điều kiện khí hậu và vật liệu địa phương. Mời các chuyên gia, kỹ sư và nhà nghiên cứu cùng tham gia trao đổi, ứng dụng và phát triển công nghệ bê tông bản mặt đập đá đổ để nâng cao chất lượng công trình thủy lợi trong nước.