CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG GIA CƯỜNG CỘT TRỤ CẦU 1. Hiện trạng hư hỏng cột trụ cầu Trụ dạng cột BTCT được dùng khá phổ biến cho các cầu có chiều dài nhịp L = 15 40m, trụ có thể có 1, 2 hay nhiều cột tùy thuộc vào khổ cầu và kích thước cột. Cột có thể có tiết diện hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật hay hình vành khăn. Trụ cầu dạng cột có ưu điểm là giảm tĩnh tải bản thân, tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công, ít ảnh hưởng tầm nhìn, kết cấu thanh mảnh đảm bảo mỹ quan của công trình.
Theo thống kê đến tháng 5 năm 2013 của Tổng cục Đường bộ Việt Nam, chỉ tính riêng các cầu trên hệ thống đường quốc lộ của nước ta đã có 4739 cầu. Trong đó có khoảng gần 600 cầu được đánh giá là yếu cần sửa chữa hoặc tăng cường để duy trì hoặc cải thiện khả năng làm việc an toàn [9]. Các dạng hư hỏng của công trình cầu có thể gặp ở nhiều bộ phận khác nhau trong đó hư hỏng của cột trụ cầu là một trong những hư hỏng khá phổ biến. Trong quá trình khai thác, theo thời gian các cột trụ cầu BTCT ngày càng xuống cấp và hư hỏng.
Có thể kể ra một số dạng hư hỏng như sau: xuất hiện vết nứt, bong vỡ bê tông, gỉ cốt thép, tác động xâm thực, xói lở của nước và môi trường (hình 1. Trong đó, hư hỏng về nứt là loại hư hỏng phổ biến nhất, các vết nứt này có nhiều loại có thể do hiện tượng co ngót, thay đổ nhiệt độ, hay do chịu lực quá lớn.Hiện tượng bong vỡ bê tông làm hở cốt thép cũng thường gặp ở các trụ cầu, nguyên nhân có thể do va xô của tàu thuyền, bê tông bị xuống cấp hay do tác động của môi trường. Tất cả các hư hỏng này là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm khả năng chịu tải của cột trụ cầu. Học viên: Hà Văn Quân – Cao học Cầu hầm K19 11 Luận văn thạc sĩ (a) (b) (c) (d) Hình 1.1: Các dạng hư hỏng thường gặp của cột trụ cầu a, Nứt bê tông; b, Bong vỡ bê tông; c, Gỉ cốt thép; d, Ăn mòn bê tông Học viên: Hà Văn Quân – Cao học Cầu hầm K19 12 Luận văn thạc sĩ 1.
Các nguyên nhân gây hư hỏng cột trụ cầu Sự hư hỏng của cột trụ cầu BTCT có thể do những nguyên nhân chính sau: sai sót trong giai đoạn thiết kế; sai sót trong giai đoạn thi công; sự cố trong quá trình sử dụng, quá trình phá hủy của vật liệu [8]. Những sai sót trong giai đoạn thiết kế Sai sót do thiết kế có thể biểu hiện ở các dạng sau: Số liệu khảo sát công trình không đầy đủ và không chính xác: Việc khảo sát không chính xác sẽ dẫn đến những sai sót về phương án thiết kế cho công trình. Các công việc khảo sát bao gồm khảo sát địa hình, địa chất, khí hậu, thủy văn, lưu lượng xe, điều kiện kinh tế xã hội. Giải pháp kết cấu không hợp lý: Nguyên nhân của sai sót này có thể do quá trình khảo sát không ký hoặc do thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, áp dụng máy móc các thiết kế cũ vào một công trình cụ thể.
Mô hình, giả thiết tính toán không phù hợp với sự làm việc thực tế của kết cấu: quy định về vật liệu không sát thực tế, không xét đầy đủ đến các yếu tố bất lợi có thể xảy ra như vật liệu không đồng nhất, có hiện tượng co ngót không đều giữa các bộ phận; dự báo không chính xác về tải trọng, không tính toán đầy đủ các loại tải trọng; áp dụng tiêu chuẩn thiết kế không phù hợp. Sai sót trong bản vẽ thiết kế: do khâu kiểm soát chất lượng kém. Những sai sót trong giai đoạn thi công Những sai sót trong quá trình thi công là nguyên nhân phổ biến và rất quan trọng làm giảm chất lượng kết cấu. Các sai sót này rất đa dạng: Thi công không đạt chất lượng: có thể do thành phần vật liệu đổ bê tông bao gồm xi măng, cát, đá sỏi, nước không đảm bảo yêu cầu theo quy định; ván khuôn đổ bê tông bị bẩn, hở làm mất nước trong bê tông; thành phần cấp phối của bê tông khi đổ không chính xác; quá trình đổ bê tông không đảm bảo độ đầm chặt, bê tông bị phân tầng, bị rỗng nhiều; chiều dày lớp bê tông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn, bảo vệ cốt thép khỏi bị gỉ.
Học viên: Hà Văn Quân – Cao học Cầu hầm K19 13 Luận văn thạc sĩ Công tác kiểm soát chất lượng công trình thi công yếu kém: do năng lực của cơ quan trực tiếp quản lý chất lượng công trình còn kém, nội dung quản lý còn chưa sát với thực tiễn; lựa chọn nhà thầu thi công không đủ năng lực; các biện pháp xử lý vi phạm trong thi công còn chưa nghiêm khắc và triệt để. Thiếu người giám sát công trình: tư vấn giám sát không hoàn thành nhiệm vụ giám sát công trình. Những sự cố trong quá trình sử dụng Khai thác công trình quá sớm khi bê tông chưa đủ cường độ. Quá tải: lưu lượng xe tăng nhanh, có nhiều xe nặng hay thay đổi công năng sử dụng.
Tác dụng của lực xung kích lớn: do chất lượng mặt cầu xấu và đặc biệt là do khe co giãn trên cầu bị hư hỏng nặng gây mất êm thuận khi xe chạy trên cầu sinh ra lực xung kích lớn tác động lên trụ. Sự lún sụt của nền móng gây ra chuyển vị cưỡng bức gây bất lợi cho kết cấu. Tác dụng va xô của tàu thuyền, cây trôi làm cho trụ cầu bị bong vỡ, nứt bê tông, hoặc nghiêng lệch. Công tác bảo trì, sửa chữa không được tiến hành một cách thường xuyên, dẫn đến hư hỏng ngày càng phát triển theo thời gian, mức độ ngày càng nghiêm trọng.
Thay đổi chế độ dòng chảy, môi trường làm việc thay đổi gây ra nhiều bất lợi cho kết cấu. Quá trình phá hủy của vật liệu 1. Quá trình xuống cấp của BTCT Có thể kể ra một số nguyên nhân dẫn đến sự xuống cấp của BTCT như: cả bê tông và cốt thép đều chịu tác động mạnh mẽ của môi trường xung quanh; sự thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm, giữa các mùa; sự tác động của các tính chất hóa lý; sự xói mòn, mài mòn, tác động của động đất, bom mìn gây ra. Trong kết cấu cột trụ cầu thì việc thường xuyên ngập nước nên một số thành phần của bê tông bị nước mang ra ngoài làm tăng độ rỗng của bê tông, quá trình này Học viên: Hà Văn Quân – Cao học Cầu hầm K19 14 Luận văn thạc sĩ tăng dần theo thời gian.
Ngoài ra, việc nằm trong môi trường xâm thực nhiều (nước mặn có nhiều muối clorua) gây ra sự phá hủy lý hóa mạnh mẽ trong bê tông. Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông Cốt thép trong bê tông được bảo vệ bởi tính kiềm của xi măng. Độ kiềm của xi măng PH>11 cốt thép sẽ được bảo vệ chống lại sự ăn mòn, nếu chỉ số PH giảm thì khả năng bảo vệ giảm và sự ăn mòn phát triển. Ngoài ra, khả năng chống gỉ của cốt thép suy yếu cả khi chất lượng bê tông kém, độ rỗng lớn, chiều dày lớp bê tông bảo vệ không đủ, bề mặt có nhiều vết nứt.
Hậu quả của sự ăn mòn cốt thép: gỉ sắt phát triển, sắt nở gây trương nở thể tích làm cho bê tông mặt ngoài bị nứt, môi trường có điều kiện xâm thực dễ dàng, gỉ sắt lại càng phát triển mạnh; giảm tiết diện chịu lực của thép, có khi làm đứt cốt thép; độ dính kết giữa cốt thép và bê tông giảm, dẫn đến sự kết hợp chịu lực giảm. Tổng quan về các phương pháp gia cường cột trụ cầu truyền thống Khi phát hiện hư hỏng trong kết cấu cột trụ cầu BTCT thì vấn đề quan trọng nhất là tìm hiểu nguyên nhân gây ra hư hỏng từ đó đưa ra biện pháp sửa chữa tăng cường phù hợp. Có nhiều phương pháp sửa chữa gia cường cột trụ cầu, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, có thể kể ra một số phương pháp thường gặp sau: 1. Sửa chữa hư hỏng nhỏ Đối với các trụ cầu bị hư hỏng nhỏ như bong tróc bê tông hay xuất hiện các vết nứt nhỏ thì biện pháp sửa chữa có thể là: đục bỏ lớp bê tông kém chất lượng, bơm keo xử lý vết nứt, tẩy gỉ cốt thép, đổ lại bê tông phần bị đục bỏ.
Biện pháp này thường được thực hiện trong các công việc duy tu, bảo dưỡng hay sửa chữa nhỏ công trình. Tuy nhiên, nó thường mang lại hiệu quả thấp và chỉ mang tính chất tạm thời không giải quyết triệt để được tác nhân gây hư hỏng. Do co ngót nên lớp bê tông áo mới có thể xuất hiện vết nứt. Ngoài ra, sự dính bám giữa lớp bê tông cũ và lớp áo bê tông mới trong nhiều trường hợp không đảm bảo dẫn đến sự làm việc không liên tục trong bê tông làm giảm hiệu quả gia cường.
Nếu thi công sửa chữa trong điều kiện xe chạy, rung động nhiều thì phương pháp này rất khó đảm bảo chất lượng và hiệu quả tốt. Học viên: Hà Văn Quân – Cao học Cầu hầm K19 15 Luận văn thạc sĩ 1. Gia cường cột bằng thép hình Một trong các phương pháp gia cố cho cột trụ BTCT là sử dụng thép hình để tạo nên một hệ thống kết cấu tổ hợp giữa kết cấu bê tông và kết cấu thép cùng tham gia chịu tải. Gia cường cho cột trụ BTCT bọc ngoài bằng thép hình có thể chia làm 2 loại: gia cường kiểu khô và gia cường kiểu ướt [4].
2 2 3 3 1 1 4 a) b) 1) Kết cấu cột hiện có 3) Thanh giằng 2) Thép hình gia cường 4) Bê tông hạt nhỏ hoặc vữa Hình 1.2: Gia cường cột BTCT bọc ngoài bằng thép hình a, Gia cường kiểu khô; b, Gia cường kiểu uớt Gia cường bọc ngoài kiểu khô là phương pháp gia cường bọc ngoài bằng thép hình nhưng không có dính kết với kết cấu BTCT, hoặc tuy có nhồi vữa xi măng cát, nhưng không thể đảm bảo sự truyền lực giữa kết cấu mới và kết cấu cũ (hình 1. Gia cường bọc ngoài kiểu ướt là phương pháp bọc ngoài bằng thép hình mà giữa thép hình và kết cấu cũ để một khe hở nhất định, sau đó nhồi đầy vữa xi măng và vữa epoxy hoặc đổ bêtông đá nhỏ để dính kết chúng thành một khối (hình 1.