Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn là một trong những thảm họa nghiêm trọng gây tổn thất nặng nề về sinh mạng và tài sản tại các công trình xây dựng. Các sự cố điển hình như vụ cháy tòa nhà thương mại Plasco cao 17 tầng tại Tehran năm 2017 khiến 25 người thiệt mạng và làm sụp đổ hoàn toàn kết cấu, hay thảm họa cháy trung tâm thương mại ITC tại Thành phố Hồ Chí Minh năm 2002 cướp đi sinh mạng 60 người với thiệt hại vật chất trên 30 tỷ đồng, đã gióng lên hồi chuông cảnh báo về độ an toàn kết cấu sau cháy. Trong hệ kết cấu chịu lực của công trình dân dụng và công nghiệp, cột bê tông cốt thép là cấu kiện chịu nén trọng yếu, trực tiếp nâng đỡ toàn bộ tải trọng công trình nhưng lại dễ bị suy thoái cường độ nhất dưới tác động của nhiệt độ cao trên 500°C đến 1000°C.

Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá thực nghiệm mức độ suy giảm khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép sau các mốc thời gian chịu lửa tiêu chuẩn từ 30 đến 75 phút, đồng thời xác định hiệu quả phục hồi và gia tăng khả năng chịu nén dọc trục thông qua giải pháp bọc vật liệu composite polyme cốt sợi carbon. Đề tài được thực hiện trên 30 mẫu cột thí nghiệm chế tạo tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 02/2019 đến tháng 06/2019. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp số liệu thực nghiệm tin cậy giúp tiết kiệm 40% đến 60% chi phí xử lý so với giải pháp đập phá xây mới, đồng thời rút ngắn tiến độ khắc phục sự cố sau hỏa hoạn cho các công trình đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết suy thoái nhiệt vật liệu theo tiêu chuẩn TCVN 9311-1:2012, tiêu chuẩn quốc tế ISO 834 và lý thuyết bó hông thụ động đối với bê tông giam hãm bằng sợi composite.

Khi tiếp xúc với ngọn lửa tiêu chuẩn theo hàm nhiệt độ $T = T_0 + 345\log_{10}(8t + 1)$, bê tông bị mất nước liên kết trong cấu trúc gel xi măng, phát sinh vết nứt nhiệt vi mô và suy giảm cường độ nén từ 40% đến 55%. Đồng thời, cốt thép dọc mất dần giới hạn chảy khi nhiệt độ vượt quá 400°C.

Để khắc phục hiện tượng này, mô hình giam hãm bê tông của Lam và Teng cùng lý thuyết của Cao và cộng sự được áp dụng nhằm giải thích cơ chế bó hông. Khi cột chịu nén dọc trục, bê tông lõi có xu hướng giãn nở ngang do hệ số Poisson tăng mạnh ở giai đoạn nứt nẻ. Lớp vỏ bọc sợi carbon hoạt động như một hệ kiềm chế thụ động, sản sinh ứng suất nén hông liên tục, chuyển trạng thái ứng suất của bê tông từ nén 1 trục sang nén 3 trục, làm tăng đáng kể cường độ nén quy ước và độ dẻo của cấu kiện. Ba khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: hiệu ứng bó hông giam hãm, đường cong suy giảm nhiệt thời gian tiêu chuẩn và ứng xử nén phi tuyến của vật liệu composite cốt sợi.

Phương pháp nghiên cứu

Chương trình thực nghiệm sử dụng 30 mẫu cột bê tông cốt thép tiết diện vuông 150x150 mm, chiều cao 300 mm. Cốt thép dọc gồm 4 thanh thép nhóm CB300-V đường kính 12 mm có giới hạn chảy đạt 401.05 MPa, giới hạn bền kéo 597.50 MPa; cốt đai dùng thép đường kính 6 mm bố trí cách nhau 75 mm có giới hạn chảy 361.86 MPa. Bê tông sử dụng xi măng Holcim PCB40 với cấp phối chuẩn, đạt cường độ nén trung bình 28 ngày là 25.40 MPa. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ được kiểm soát đồng đều ở mức 20 mm.

Mẫu được lựa chọn theo phương pháp ngẫu nhiên phân tầng và chia thành 5 nhóm độc lập (mỗi nhóm 6 mẫu) tương ứng với các khoảng thời gian đốt: 0 phút (nhóm đối chứng không cháy), 30 phút, 45 phút, 60 phút và 75 phút. Lý do chọn kích thước mẫu 150x150x300 mm là nhằm phù hợp với giới hạn không gian buồng đốt của lò thí nghiệm nhiệt kích thước 3000x934x757 mm và máy nén thủy lực, đồng thời triệt tiêu ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định do uốn dọc để tập trung đánh giá chính xác ứng xử nén dọc trục thuần túy.

Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua hệ thống 6 can nhiệt loại K kiểm soát nhiệt độ buồng đốt và hệ thống đầu đo cảm biến biến dạng điện tử kết nối với máy nén dọc trục tự động. Quá trình chế tạo, đốt mẫu, dán gia cường từ 2 đến 3 lớp sợi carbon và nén phá hoại được thực hiện trong thời gian 4 tháng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình gia nhiệt làm biến đổi rõ rệt hình thái bề mặt bê tông. Mẫu cháy 30 phút xuất hiện các vết nứt chân chim với màu xám sẫm; ở mốc 60 và 75 phút, nhiệt độ buồng đốt vượt mốc 900°C làm xuất hiện các vết nứt dọc có bề rộng từ 1.0 đến 2.5 mm, bê tông chuyển sang màu xám trắng và bắt đầu bong tróc cục bộ tại các góc mép.

Khả năng chịu tải dọc trục cực hạn của cột sau khi gia cường ghi nhận sự phục hồi và tăng trưởng vượt bậc so với mẫu không cháy. Đối với nhóm mẫu được bọc 2 lớp sợi carbon sau khi cháy, tải trọng phá hoại trung bình tăng 66% so với mẫu đối chứng ban đầu. Đặc biệt, nhóm mẫu gia cường 3 lớp sợi carbon ghi nhận mức tăng tải trọng phá hoại lên đến 96%, tương đương mức tăng gần gấp đôi khả năng chịu tải của cấu kiện nguyên vẹn ban đầu.

Bên cạnh sự gia tăng về cường độ nén, chuyển vị dọc trục lớn nhất của các cột bọc sợi carbon cũng tăng từ 35% đến 58% so với mẫu đối chứng, thể hiện rõ sự chuyển đổi cơ chế phá hoại từ dạng phá hoại giòn nén vỡ tức thời sang dạng phá hoại dẻo dai với sự tiêu tán năng lượng biến dạng cao trước khi sợi composite bị đứt.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia tăng đột biến về khả năng chịu lực bắt nguồn từ cường độ chịu kéo cực cao của sợi carbon, đạt 3027 MPa với mô-đun đàn hồi 235 GPa, kết hợp cùng lớp keo epoxy chuyên dụng có cường độ bám dính cao. Khi bê tông bên trong bị rạn nứt do nhiệt, lớp màng composite bên ngoài ngăn chặn triệt để sự phát triển của các khe nứt xiên và hiện tượng nở hông tự do, giữ cho các mảnh vỡ bê tông liên kết chặt chẽ dưới dạng khối nén đẳng hướng.

Kết quả này khẳng định sự tương đồng với các công bố khoa học của Yaqub và Bailey (2011) khi ghi nhận mức tăng cường độ từ 65% đến 122% ở cột tròn sau nhiệt. Tuy nhiên, đối với cột tiết diện vuông, hiện tượng tập trung ứng suất tại 4 góc thường làm giảm hiệu quả bó hông như cảnh báo của Youssf và cộng sự (2017). Nghiên cứu này chứng minh rằng việc tăng số lượng lớp dán lên 3 lớp composite đã bù đắp hoàn toàn sự suy giảm do hiệu ứng góc, giúp cột vuông sau cháy không những khôi phục mà còn vượt xa sức chịu tải ban đầu.

Toàn bộ ứng xử cơ học của các nhóm mẫu được mô tả trực quan qua hệ thống biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị dạng song tuyến tính. Nhánh thứ nhất của đường cong thể hiện giai đoạn đàn hồi của cốt lõi bê tông đến khi đạt điểm nứt; nhánh thứ hai dốc lên rõ rệt thể hiện sự tham gia chịu lực toàn diện của lớp vỏ bọc composite cho đến thời điểm phá hoại cực hạn. Bảng đối chiếu giá trị trung bình giữa 5 nhóm mẫu chỉ ra rằng thời gian chịu lửa càng dài thì mức độ gia tăng chuyển vị cực hạn càng lớn khi được bọc tăng cường nhiều lớp sợi carbon.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khảo sát và thẩm định khuyết tật nhiệt chuyên sâu: Triển khai đo vận tốc xung siêu âm kết hợp thử súng bật nẩy và khoan lõi trong vòng 7 đến 10 ngày sau sự cố cháy, nhằm xác định chính xác chiều sâu lớp bê tông bị suy giảm cường độ và mức độ rạn nứt của cột trước khi lập phương án gia cố. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn kiểm định độc lập và kỹ sư kết cấu công trình.
  2. Quy chuẩn hóa bán kính mài bo góc cột: Bắt buộc thực hiện vát góc và mài bo tròn 4 cạnh cột vuông với bán kính bo góc tối thiểu $R \ge 20$ mm đến 25 mm trước khi quét keo dán sợi. Biện pháp này giúp triệt tiêu hiện tượng tập trung ứng suất cắt cục bộ, đảm bảo sợi carbon phát huy trên 85% cường độ chịu kéo thiết kế. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công gia cường chuyên nghiệp.
  3. Thiết kế định mức số lớp dán theo thời gian cháy: Áp dụng giải pháp bọc tối thiểu 2 lớp sợi carbon cho các cột chịu tác động nhiệt dưới 45 phút để khôi phục hoàn toàn tải trọng thiết kế; bắt buộc nâng lên 3 lớp sợi carbon đối với các cấu kiện chịu nhiệt từ 60 đến 75 phút nhằm đảm bảo hệ số an toàn chịu nén tăng từ 60% đến 96% so với cột ban đầu. Thời gian lập và phê duyệt thiết kế gia cường từ 3 đến 5 ngày làm việc. Chủ thể thực hiện là kỹ sư thiết kế kết cấu.
  4. Thi công lớp phủ chống cháy bảo vệ màng composite: Hoàn thiện lớp vữa trát chống cháy hoặc lớp sơn phồng nở chuyên dụng dày 25 mm đến 30 mm phủ kín mặt ngoài lớp composite sau khi keo epoxy đóng rắn hoàn toàn trong 7 ngày. Lớp bảo vệ này giữ vai trò ngăn ngừa tác động nhiệt trực tiếp làm mềm keo dán ở các sự cố cháy tiềm ẩn trong tương lai, duy trì khả năng chịu lửa của kết cấu gia cường trên 120 phút. Chủ thể thực hiện là đơn vị thi công và chủ đầu tư dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thẩm tra kết cấu công trình: Tiếp cận bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, hiểu rõ ứng xử phi tuyến của cột bê tông sau cháy để ứng dụng tính toán các giải pháp gia cường phục hồi kết cấu chịu nén an toàn và tối ưu kinh tế.
  2. Nhà thầu thi công sửa chữa và cải tạo: Nắm bắt quy trình công nghệ dán bọc sợi carbon chuẩn mực, từ khâu xử lý mài bo góc bê tông, định lượng pha trộn keo epoxy đến kỹ thuật ép bọt khí khi thi công nhiều lớp sợi composite.
  3. Chủ đầu tư và đơn vị quản lý vận hành tòa nhà: Có thêm căn cứ khoa học vững chắc để đưa ra quyết định lựa chọn phương án phục hồi công trình thay vì đập bỏ, giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí xây dựng và rút ngắn thời gian đưa công trình vào vận hành trở lại.
  4. Học viên cao học và nhóm nghiên cứu chuyên ngành xây dựng: Kế thừa phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật vận hành lò gia nhiệt tiêu chuẩn và sử dụng số liệu đo đạc làm dữ liệu kiểm chứng cho các mô hình mô phỏng số trên phần mềm phần tử hữu hạn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên lựa chọn giải pháp bọc sợi carbon thay vì đập bỏ và đổ lại cột sau khi bị cháy?
Giải pháp bọc sợi carbon giúp tận dụng tối đa phần lõi bê tông cốt thép hiện hữu, tiết kiệm từ 40% đến 60% tổng chi phí so với việc phá dỡ xây mới. Ngoài ra, thời gian thi công chỉ mất từ 3 đến 7 ngày, không gây ảnh hưởng đến kết cấu tổng thể và không gian hoạt động của các tầng lân cận trong công trình.

Việc tăng từ 2 lớp lên 3 lớp sợi carbon đem lại hiệu quả chịu lực khác nhau như thế nào?
Kết quả thực nghiệm trên 30 mẫu thử chứng minh cột bọc 2 lớp sợi carbon có khả năng chịu tải dọc trục tăng 66% so với mẫu đối chứng, trong khi cột bọc 3 lớp sợi carbon đạt mức tăng tải trọng lên đến 96%. Việc tăng thêm 1 lớp sợi giúp tăng đáng kể áp lực bó hông và cải thiện độ dẻo của cấu kiện sau cháy dài hạn.

Tiết diện cột hình vuông có gây bất lợi cho việc gia cường bằng vật liệu composite không?
Cột vuông thường xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất tại 4 cạnh góc, làm giảm hiệu quả bó hông so với cột tròn. Tuy nhiên, nếu thực hiện mài vát góc với bán kính tối thiểu 20 mm và dán từ 2 đến 3 lớp sợi carbon, khả năng chịu tải của cột vuông vẫn vượt từ 66% đến 96% so với cột nguyên vẹn.

Lớp keo dán epoxy liên kết sợi carbon có bị phá hủy nếu nhiệt độ môi trường tăng cao không?
Keo epoxy thường bị suy giảm độ dính kết ở nhiệt độ trên 60°C đến 80°C. Do đó, sau khi dán sợi composite gia cường, quy trình bắt buộc là phải thi công thêm lớp vữa trát chống cháy hoặc lớp sơn chống cháy chuyên dụng dày 25 mm đến 30 mm bên ngoài để bảo vệ hệ composite cách nhiệt an toàn trong quá trình khai thác.

Sau khi chịu cháy 75 phút ở nhiệt độ trên 900°C, cột bê tông cốt thép có còn khả năng phục hồi không?
Mặc dù thời gian cháy 75 phút làm xuất hiện các vết nứt bề mặt rộng từ 1.0 đến 2.5 mm và làm suy giảm cường độ nén của lớp bê tông bảo vệ, việc bọc 3 lớp sợi carbon vẫn khôi phục hoàn toàn khả năng chịu lực và nâng tải trọng phá hoại của mẫu lên mức tăng 96% so với cột ban đầu chưa bị cháy.

Kết luận

  • Hỏa hoạn kéo dài từ 30 đến 75 phút gây suy giảm nghiêm trọng cường độ bê tông, làm xuất hiện mạng lưới nứt nhiệt bề mặt sâu từ 5 mm đến 15 mm.
  • Ứng dụng bọc 2 lớp sợi carbon giúp tăng tải trọng phá hoại của cột sau cháy lên 66% so với mẫu đối chứng nguyên vẹn ban đầu.
  • Gia cường 3 lớp sợi carbon tạo ra hiệu ứng bó hông vượt trội, giúp tăng khả năng chịu nén dọc trục lên 96% và nâng cao độ dẻo của kết cấu.
  • Giải pháp dán màng composite ngoài cột vuông đã triệt tiêu cơ chế phá hoại giòn nén vỡ, chuyển dịch thành công sang trạng thái phá hoại dẻo dai an toàn.
  • Nghiên cứu đã đóng góp quy trình công nghệ thực nghiệm hoàn chỉnh, tạo tiền đề khoa học vững chắc cho công tác thẩm định và sửa chữa kết cấu công trình chịu ảnh hưởng hỏa hoạn tại Việt Nam.

Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung mở rộng mô hình thử nghiệm trên các cột kích thước lớn chịu tải lệch tâm hai phương và khảo sát khả năng chống cháy lâu dài của các lớp sơn bảo vệ màng composite trong giai đoạn từ 3 đến 6 tháng tới. Các đơn vị tư vấn và chủ đầu tư có công trình chịu ảnh hưởng hỏa hoạn hãy áp dụng ngay quy trình gia cường bằng sợi carbon để phục hồi an toàn tuyệt đối và tối ưu hóa chi phí đầu tư cho dự án.