KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT VỠ VÀ GIA CƯỜNG SI-LÔ ỨNG LỰC TRƯỚC TS. NGUYỄN ĐẠI MINH, TS. NGUYỄN ĐỨC THẮNG, TS. CAO DUY KHÔI, KS. NGUYỄN TUẤN ANH Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả khảo sát, đánh giá và gia cường si-lô ứng lực trước cao hơn 80 m. Lựa chọn giải pháp gia cường phụ thuộc vào việc đánh giá đúng nguyên nhân gây hư hỏng. Kết cấu ứng lực trước đòi hỏi các yêu cầu về quản lý chất lượng khắt khe, đặc biệt là tránh bị nứt. Trong vòng chục năm vừa qua, thi công kết cấu ứng lực trước tương đối phổ biến ở Việt Nam. Việc tổng kết, đánh giá chất lượng các loại kết cấu này có thể là cần thiết sau một thời gian áp dụng đủ lâu. Việc làm này nhằm khắc phục các nhược điểm do áp dụng công nghệ và vật tư nhập ngoại, tay nghề nhân công chưa cao cũng như lý thuyết tính toán chưa hoàn chỉnh với các đặc thù của Việt Nam nhưng vẫn chưa được xác định rõ còn chấp nhận của nước ngoài. Những việc làm này đều nhằm tăng cường công tác nâng cao chất lượng của kết cấu bê tông ứng lực trước, đảm bảo an toàn cho kết cấu. Theo nhiều tài liệu [1,2] thì một số si-lô bê tông cốt thép thường và ứng lực trước sau một thời gian sử dụng đã bị xuống cấp, nứt vỡ cần phải gia cường hay loại bỏ. Nguyên nhân có thể do thiết kế, thi công, vận hành, không có kiểm tra định kỳ, duy tu bảo dưỡng hoặc tập hợp từ các nguyên nhân này. Bài báo trình bày công tác khảo sát, xác định nguyên nhân và lựa chọn giải pháp gia cường hiệu quả đối với một si-lô ứng lực trước đã được thực hiện thành công 4 năm trước đây tại một công trình ở Việt Nam. 1. Miêu tả kết cấu si-lô Căn cứ theo hồ sơ và thực tế xây dựng thì đây là si-lô bột liệu trong dây chuyền sản xuất xi măng có đường kính trong 20 m, cao 81 m, sức chứa 20000 T, thiết kế theo Tiêu chuẩn Anh BS 8110 và các tiêu chuẩn tương ứng khác. Si-lô sử dụng công nghệ ứng lực trước (ƯLT) căng sau. Từ cốt mặt đất (+3.5 m) đến cốt 22.026 m là tường si-lô bằng bê tông cốt thép thường dày 1200 mm, có một số ô cửa. Từ cốt 24.126 m trở lên là tường bê tông cốt thép ƯLT dày 450 mm. Cáp ứng lực trước được neo vào 4 tai (mố) tường bố trí đều trên mặt ngoài si-lô. Cáp được phân bố như sau: từ cốt +24.126 đến cốt +52.126 m khoảng cách giữa 2 bó cáp a =250 mm, từ +52.126 đến +68.326 m, a = 300 mm, từ +68.326 đến +76.326m, a=400 mm, từ +76.326 đến +82.326m, a=600 mm. Bê tông sử dụng có cường độ mẫu lập phương đặc trưng f cu =45 MPa (tương đương B45 theo TCVN 5574:2012), cốt thép thường có giới hạn chảy f y =390 MPa, cáp ƯLT loại T15S đường kính 15.7 mm có f pu =1855 MPa. 2. Khảo sát hiện trạng si-lô Khảo sát hiện trường bằng mắt thường cho thấy, phần tường bê tông thường phía dưới được thi công trượt tương đối tốt, chưa phát hiện thấy vết nứt, mặt tường ngoài nhẵn, phẳng. Bắt đầu từ đoạn thay đổi chiều dày tường từ 1200 mm xuống 450 mm (mạch ngừng thi công) mặt tường ngoài xấu hẳn, màu sắc cũng khác xa so với tường dưới. Trong quá trình vận thăng lên độ cao của vết nứt chính, bằng mắt thường có thể quan sát thấy một số vết nứt nhỏ rải rác dọc tường si-lô, dài khoảng 0.5m, bề rộng khe nứt khoảng 0.3 mm. Ngoài ra, một vài chỗ có dấu hiệu bong rộp lớp bê tông bảo vệ. Vết nứt chính nằm tại cao độ khoảng +41.00 m tính từ mặt đất, chạy dài hết ¼ mặt ngoài si-lô (hình 1). Tại khu vực bị nứt này, bê tông bị bong rộp, rơi xuống đất. Phần bê tông rơi xuống đất có độn gạch đỏ bên trong (hình 2). Trong khi khảo sát, công nhân đã gõ rơi những bê tông vỡ quanh vết nứt, có thể gọi là vết vỡ (hình 3). Hình ảnh cho thấy lớp bê tông bảo vệ bị nứt vỡ, bong tách hoàn toàn, lộ cốt thép thường chịu lực, xuất hiện khe rỗng giữa lớp bê tông bề ngoài và bê tông bên trong cốt thép. Khảo sát cho thấy bê tông tại vết nứt không đặc, chắc, có dấu hiệu bị khô rạn, nhật ký thi công cho thấy mẻ bê tông đổ đợt này không đảm bảo chất lượng (hình 4). Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015 3
Hình 1. Vết nứt chính tường si-lô Hình 2. Bê tông bị vỡ, rơi xuống đất, có gạch đỏ bên trong Hình 3. Bê tông bảo vệ bị nứt vỡ và rơi khỏi tường Cốt thép ngang cũng có hiện tượng cong vòng ra ngoài, có thể do mất ổn định khi chịu nén. Lực uốn cong khá lớn, đến mức bật tung các sợi thép buộc thanh cốt thép ngang vào thanh cốt thép đứng. Tại vị trí vết nứt, ống chứa bó cáp ƯLT đã lộ ra ngoài. Quan sát bằng mắt thường và sờ bằng tay cho thấy ống chứa bó cáp gần như đã tách khỏi bê tông tại một số vị trí. Mác bê tông tường ngoài tại khu vực này được đánh giá vào khoảng M100 (B7.5), thấp hơn nhiều so với bê tông B45 (M550-600) quy định trong thiết kế. Nhận xét: Tường si-lô tại độ cao này được làm từ bê tông chất lượng kém, một số chỗ lẫn gạch đỏ. Vết nứt tại cao độ này có thể xuất hiện từ lâu (do cốt thép bị gỉ rõ rệt trên một diện tích rộng), nhưng đến khi khảo sát mới xảy ra hiện tượng vỡ bê tông và rơi xuống đất. Vết vỡ đã vắt dài ¼ mặt ngoài si-lô, bê tông bảo vệ đã bị bong rộp, có chỗ rộng tới 700 mm, có chỗ sâu hơn 200 mm. Hư hỏng của si-lô có thể Hình 4. Bê tông tại vết nứt chất lượng kém, có dấu hiệu khô rạn đánh giá là nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn vận hành của nhà máy. 3. Kết quả tính toán kiểm tra Kết quả kiểm tra theo hồ sơ thiết kế gốc cho thấy, khả năng chịu lực của tường si-lô ƯLT được đảm bảo theo hai trạng thái giới hạn độ bền và sử dụng trong các trường hợp tải trọng bất lợi nhất: ngay sau khi kéo căng, si-lô rỗng, si-lô được chất đầy liệu và trong quá trình rút liệu có độ lệch tâm lớn, chịu tải trọng gió và động đất,... Các tính toán cụ thể có thể xem trong [3]. Tóm tắt tính toán kiểm tra khả năng chịu lực như sau: a. Kiểm tra theo phương ngang So sánh lực kéo vòng trong tường trong các trường hợp bất lợi như rót liệu và rút liệu không đối xứng với khả năng chịu lực của tường si-lô (hình 5) cho thấy kết cấu được thiết kế đảm bảo khả năng chịu lực. 4 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015
Hình 5. So sánh lực kéo vòng do ngoại lực với khả năng chịu lực của si-lô b. Kiểm tra theo phương thẳng đứng Kết quả tính toán khả năng chịu lực theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của tĩnh tải bản thân tường và tải trọng từ mái truyền xuống, tải trọng ma sát thành tường theo phương đứng khi rót và rút liệu (sử dụng hệ số vượt tải LF -1.4 đối với tĩnh tải và 1.6 đối với hoạt tải) cho thấy tường si-lô đảm bảo khả năng chịu lực theo phương đứng (hình 6). Hình 6. So sánh khả năng chịu lực theo phương đứng (khả năng chịu lực Pu= 810 T/m > V = 632 T/m ngoại lực) c. Các tác động khác Đối với các tác động khác như gió, động đất, nhiệt độ, hiệu ứng mô men theo phương dọc và ngang, lực cắt, kết quả phân tích bằng phần mềm SAP 2000 (mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn) cho thấy tường si-lô an toàn dưới các tác động nói trên. Như vậy, có thể rút ra rằng việc nứt vỡ tường ngoài si-lô không phải do nguyên nhân thiết kế. 4. Đánh giá nguyên nhân gây nứt vỡ tường si-lô Thực tế khảo sát tại vị trí vết nứt vỡ trên tường si-lô cho thấy, bê tông trong vết nứt có chất lượng kém, rỗng xốp, không đặc chắc và không đồng nhất (hình 3). Việc khoan mẫu thử tại đây không thể thực hiện được. Tại vị trí cách mép dưới của vết nứt vỡ khoảng 1.2 m về phía dưới, đã tiến hành khoan lấy mẫu (hình 7, 8), nhưng không lấy được mẫu nguyên vẹn (mẫu thử bị gẫy đôi, hình 9). Trên mẫu thử hỏng có thể quan sát thấy vết nứt khá lớn; đây là vết nứt ngầm trong bê tông tường. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015 5
Hình 7. Khoan lấy mẫu bê tông Hình 8. Lỗ khoan đến vị trí ống cáp ƯLT 6 Hình 9. Mẫu thử hỏng tại vị trí cách mép dưới của vết nứt vỡ khoảng 1.2 m Tại vị trí cách mép dưới của vết nứt vỡ khoảng 1.6 m, đã khoan được lõi như hình 10. Phần đầu của khối lõi mẫu (khoảng 50 mm) bị vỡ, trên thân lõi có một vết nứt ngang xuyên qua tại vị trí 100 mm từ mặt trên của lõi (mặt ngoài tường), bề rộng khe nứt khoảng 5 mm. Điều này chứng tỏ tại cao độ này đã xuất hiện vết nứt lớn theo chiều ngang ở trong bê tông tường, cách mặt tường ngoài khoảng 100 mm. Không loại trừ khả năng những vết nứt ngầm tương tự như vậy đã xuất hiện trong bê tông tường tại những vị trí khác. Những dữ kiện thực tế trên cho thấy bê tông tường tại khu vực này rỗng xốp, có những vết nứt ngầm lớn theo chiều ngang gần với mặt tường ngoài si-lô. Khi si-lô ở trạng thái rỗng, nghĩa là bê tông khuyết tật phải chịu toàn bộ lực ép vòng của cáp ứng lực trước, các vết nứt phát triển rất nhanh theo phương của lực nén (tức là theo phương ngang), nối với nhau và nối với các lỗ rỗng, dần dần tạo thành vết nứt dài theo phương ngang tại mặt tường ngoài si-lô. Các vết nứt này nằm song song với nhau, phân Hình 10. Mẫu bê tông khuyết tật tại vị trí cách mép dưới của vết nứt vỡ khoảng 1.6 m bố trên khúc bê tông khuyết tật khoảng 4-5 m theo chiều cao. Có thể các vết nứt ngầm theo chiều ngang đã xuất hiện từ khi thi công xong cáp ƯLT, hoặc ngay từ khi thi công tường si-lô bằng phương pháp cốp pha trượt. Theo tính toán, thì: - Lực ép vòng do ứng lực trước: F p =1076*1050*(1000/250)*0.001=4518 kn/m - Ứng suất nén trung bình trong tường: =4518*1000/(450*1000)=10 MPa Để chịu được ứng suất nén 10 MPa, từ góc độ thiết kế theo BS 8110, bê tông cần có cường độ đặc trưng tối thiểu là f cu = 25 MPa hay B25/M350 (f cu >10/0.67*1.5=22.4 MPa, 0.67 là hệ số chuyển độ từ cường độ mẫu lập phương lên cường độ trên kết cấu, 1.5 là hệ số an toàn riêng chịu nén), và không có khuyết tật. Sau khi hình thành các vết nứt dài theo chiều ngang, bê tông nằm giữa các vết nứt có thể xem chỉ treo trên cốt thép đứng và cốt đai, mất tác dụng chịu lực nén và giữ ổn định cho cốt thép. Do đó, lực nén Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015
dồn về cốt thép, dẫn tới phình cốt thép, đẩy bục các mảng tường bê tông ra ngoài. Không loại trừ khả năng lớp bê tông bên trong cũng là bê tông khuyết tật, và đang có các vết nứt ngầm theo phương ngang phát triển gần mặt tường trong si-lô. Tình trạng như vậy của si-lô là nghiêm trọng, bê tông tường trong có thể bong ra vào bất cứ lúc nào (giống như tường ngoài). Lớp bê tông bảo vệ quá dày cũng ảnh hưởng đến việc nứt và bong tách. Các tác động do nhiệt độ, độ ẩm, từ biến, co ngót, tác động thay đổi áp lực do rót và rút liệu (hiệu ứng mỏi), lực cắt xuất hiện trong quá trình rót và rút liệu cũng có khả năng ảnh hưởng đến các vết nứt này. 5. Kiến nghị giải pháp sửa chữa, gia cường Căn cứ vào hiện trạng của si-lô và yêu cầu vận hành, sản xuất của nhà máy, việc sửa chữa, gia cường được tiến hành theo 2 giai đoạn với 2 giải pháp khác nhau. Giai đoạn 1: với giải pháp sửa chữa ngay, không dừng sản xuất, cụ thể là: Khẩn cấp xử lý vết nứt vỡ bằng cách bơm vữa không co cường độ cao (60-80 MPa), để tăng cường độ cứng cho tường tại tiết diện bị giảm yếu do nứt vỡ bê tông, loại trừ khả năng mất ổn định của cốt thép dẫn tới vỡ lan rộng và chống gỉ cốt thép. Giảm chế độ vận hành về chế độ chứa 60-70% dung tích chứa làm giảm áp lực tác dụng lên thành si-lô. Khi sửa chữa kết hợp với theo dõi quan trắc đề phòng các tình huống bất thường. Việc này đã có tính toán chi tiết, trình bày trong [3]. Giai đoạn 1 đã được Chủ đầu tư thực hiện ngay sau khi công tác khảo sát kết thúc. Nhà máy vẫn sản xuất bình thường cho ra sản phẩm không phải dừng sản xuất. Giai đoạn 2: với giải pháp đảm bảo an toàn vận hành lâu dài cho kết cấu được thực hiện vào thời điểm nhà máy dừng sản xuất, kiểm tra và sửa chữa thiết bị định kỳ. Giải pháp phục hồi và tăng khả năng chịu lực cho si-lô là tăng cường một dải tường bằng bê tông cường độ cao có cốt thép chịu lực neo và bám dính với tường cũ. Dải tường tăng cứng này bao quanh si-lô có chiều cao chạy từ đế móng lên vượt qua cao độ của khu vực nứt vỡ và bê tông kém chất lượng, neo chắc với khu vực bê tông tốt. Thực chất, cốt thép thường bao quanh bổ sung đã được tính toán để đủ chịu lực kéo do áp lực của bột liệu đẩy vào tường mà cáp ƯLT phải chịu, còn bề dày của tường tăng cứng được xác định cũng đủ để chịu tải trọng thẳng đứng tác dụng lên tường bê tông cũ. Giải pháp đã được thực hiện thành công, si-lô đã đưa vào vận hành tốt trong những năm vừa qua (hình 11, 12). Hình 11. Si-lô đã gia cường, ảnh chụp với các công trình xung quanh Hình 12. Si-lô đã gia cường, ảnh từ dưới nhìn lên Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015 7
Giai đoạn 3: là giai đoạn sửa chữa bên trong si-lô khi vận hành nếu thấy hiện tượng hư hỏng bong tách bê tông phía trong (được phát hiện khi nguồn liệu ra khỏi si-lô có trộn lẫn bê tông nứt vỡ). Giai đoạn này kiến nghị sửa chữa trong kỳ đại tu lớn của nhà máy nếu thấy cần thiết. 6. Kết luận Bài báo đã trình bày kết quả khảo sát, kiểm định đánh giá nguyên nhân gây nứt vỡ tường si-lô cao hơn 80 m và các giải pháp sửa chữa gia cường khắc phục. Có thể nói, lựa chọn giải pháp gia cường thành công phụ thuộc vào việc kiểm định đánh giá đúng nguyên gây hư hỏng, xuống cấp của kết cấu. Ngoài ra, hiện nay kết cấu bê tông ứng lực trước đã được xây dựng và đưa vào sử dụng nhiều trong xây dựng dân dụng và công nghiệp đặc biệt là nhà cao tầng ở nước ta. Vì vậy, việc tổng kết, đánh giá những mặt được và không được của loại kết cấu này là cần thiết. Từ đó có thể đưa ra các kiến nghị kỹ thuật nhằm khắc phục những nhược điểm, khiếm khuyết của loại kết cấu này thích nghi với điều kiện Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. MAVROT G., SOCHET I., BAILLY, P. and MOISESCOT, M (2003). Silo vulnerability: Structural aspects, Journal of Loss Prevention in the Construction Industries, Vol. 16,165-172, Elsevier. 2. Viện KHCN Xây dựng Thiết kế sửa chữa si-lô clinker nhà máy xi măng Bỉm Sơn, đầu những năm 1990, Hà Nội, Việt Nam. 3. Viện KHCN Xây dựng Khảo sát, đánh giá nguyên nhân gây nứt vỡ si-lô bột liệu ƯLT và thiết kế giải pháp sửa chữa gia cường, 2011, Hà Nội, Việt Nam. 4. BS 8110:1997 Structural use of concrete Codes of practice, Part 1-3, UK. Ngày nhận bài: 6/1/2015. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 15/1/2015. 8 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2015