Một số dạng khuyết tật điển hình trong bê tông xi măng

     Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo, được hình thành bởi việc nhào trộn hỗn hợp các chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi silic, thạch cao…) hữu cơ (bi tum, guđrông) hoặc chất dẻo, nước và các hạt rời rạc như cát, sỏi, đá dăm (được gọi là cốt liệu) theo một tỷ lệ thích hợp; bê tông xi măng với thành phần chính là xi măng, nước, cát, sỏi, đá dăm (được gọi là cốt liệu) đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng phổ biến trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu địa phương, khả năng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, ít phải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn…

     Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều kết cấu bê tông ngay sau khi thi công xong đã thấy xuất hiện các khuyết tật ở các dạng khác nhau, khuyết tật có thể dễ dàng quan sát, xác định bằng mắt thường hoặc phải sử dụng thiết bị hỗ trợ (như máy xung siêu âm khuyết tật…).

1. Các loại khuyết tật phổ biến trong bê tông xi măng

1.1 Nứt nẻ

     Nứt bê tông là hiện tượng thường gặp trong công trình xây dựng. Các vết nứt trong bê tông có thể phát triển từ nhiều nguyên nhân, mà bản chất là khả năng chịu uốn kém của bê tông. Các vết nứt trông thấy được thường gặp khi ứng suất uốn lớn hơn khả năng (cường độ) bền uốn của bê tông. Vết nứt thường xuất hiện khoảng vài giờ sau khi đổ bê tông, trong khi bê tông còn ở trạng thái dẻo và cường độ của bê tông do thủy hóa xi măng gần như không đáng kể. Theo thời điểm hình thành, vết nứt trong bê tông có thể phân thành 2 loại chính sau:

     - Vết nứt hình thành trong quá trình cố kết của bê tông do tốc độ cố kết khác nhau của các thành phần bê tông và do sự ngăn cản cục bộ bởi cốt thép hay các cốt liệu lớn. Các vết nứt dạng này thường xuất hiện khoảng nửa giờ đến 3 giờ sau khi đổ bê tông và thường phát triển dọc theo hệ thống lưới thép trong sàn.

     - Vết nứt hình thành trong quá trình co ngót của bê tông khi sự co ngót này bị ngăn cản bởi sự co ngót không đều gây mất ổn định thể tích. Các vết nứt dạng này có thể xuất hiện song song và cách nhau từ 100÷600mm, nhưng thông thường không theo khuôn mẫu nào cố định. Chiều dài vết nứt có thể từ 0,25÷2m, và thông thường khoảng 300÷600mm (hình 1). Bề rộng vết nứt tại bề mặt có thể đến 3mm, thường chỉ phát triển đến độ sâu của cốt thép. Tuy nhiên, dưới tác động của hiện tượng co ngót sau này của kết cấu bê tông, chúng có thể phát triển xuyên suốt chiều dày sàn.

Hình 1. Vết nứt hình thành trong quá trình co ngót

• Phân loại vết nứt

    Theo nguyên nhân xuất hiện:

a. Vết nứt do tác động của ngoại lực trong quá trình sử dụng;

b. Vết nứt do tác động của cốt thép ứng lực trước lên bê tông;

c. Vết nứt công nghệ do co ngót bê tông, do mức độ đầm vữa bê tông kém, chưng hấp bê tông không đều, dochế độ nhiệt - ẩm;

d. Vết nứt hình thành do cốt thép bị ăn mòn.

   Theo mức độ nguy hiểm:

Vết nứt chứng tỏ tình trạng nguy hiểm của kết cấu;

b. Vết nứt làm tăng độ thấm nước của bê tông (ở tường tầng hầm);

c. Vết nứt làm giảm tuổi thọ kết cấu do cốt thép hoặc bê tông bị ăn mòn mạnh;

d. “Vết nứt thường” không gây nguy hiểm cho kết cấu (bề rộng vết nứt thường không vượt quá giá trị giới hạn cho phép của tiêu chuẩn). Quá trình xuất hiện vết nứt trong bê tông liên quan chặt chẽ đến tốc độ thoát hơi nước bề mặt (phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm không khí, vận tốc gió và nhiệt độ bê tông) và tốc độ nước dâng lên bề mặt.

Bảng 1. Phân loại các vết nứt bê tông

1.2 Phồng rộp bề mặt

     Hiện tượng phồng rộp bề mặt hay rỗ khí thường xuất hiện trên bề mặt bê tông, đặc biệt đối với cấu kiện thành mỏng (khó khăn trong công tác đầm dùi), các mạch mao dẫn chưa bị phá vỡ do đó lượng nước thừa (lượng nước bốc thành hơi trong quá trình nhiệt thủy hóa) và lượng bọt khí (do bị cuốn khí, khoảng 1,5% với bê tông thường) trong bê tông chưa được thoát ra ngoài; dưới tác động của nhiệt độ các thành phần này dần chuyển hóa và bị bay hơi làm xuất hiện các “bọc không khí’’ trong bê tông.

Hình 2. Bọt khí

1.3 Rạn nứt

   Xuất hiện dưới dạng 1 mạng lưới các vết nứt trên bề mặt bê tông có kích thước tương đối nhỏ với chiều dài mỗi vết nứt dưới 50mm, khó quan sát được khi bê tông khô.

   Ngay trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển cường độ, khi điều kiện thời tiết không thuận lợi cho quá trình co ngót và dưỡng ẩm bê tông như độ ẩm thấp, nhiệt độ không khí cao, gió hanh khô hoặc tổng hợp của các yếu tố trên là nguyên nhân thúc đẩy quá trình thoát nước bề mặt, trong khi đó bê tông vẫn cần hàm lượng nước nhất định để quá trình thủy hóa xảy ra.

   Đây là nguyên nhân chính thúc đẩy sự hình thành của các vết rạn nứt. Hiện tượng này thường không ảnh hưởng nghiêm trọng tới khả năng làm việc của kết cấu bê tông vì các vết rạn nứt thường không sâu và chưa vào tới cốt thép. Thuật ngữ “nứt chân chim’’ thường được sử dụng để mô tả khuyết tật này.

Hình 3. Các vết rạn nứt

1.4 Rỗ tổ ong

   Rỗ tổ ong đề cập đến sự tồn tại của các lỗ rỗng trong bê tông do vữa không lấp đầy được các khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô. Nó xuất hiện ngay sau khi tháo dỡ ván khuôn và tồn tại ở 3 dạng chính:

- Rỗ ngoài (hay gọi là rỗ mặt): mặt bê tông có hình dạng như tổ ong, chỉ xuất hiện thành những lỗ nhỏ ở mặt ngoài chưa vào tới cốt thép.

- Rỗ sâu: lỗ rỗng sâu tới tận cốt thép.

- Rỗ thấu suốt: lỗ rỗ xuyên qua kết cấu, từ mặt này sang mặt kia.

Có khá nhiều nguyên nhân gây ra khuyết tật rỗ tổ ong và chủ yếu tồn tại trong giai đoạn thi công:

- Do vữa bê tông bị phân tầng trong quá trình vận chuyển, đổ và đầm bê tông;

- Do độ dày của bê tông quá lớn vượt quá phạm vi ảnh hưởng tác dụng của đầm;

- Do vữa bê tông trộn không đều, vữa bê tông quá khô hay bị mất nước xi măng trong quá trình vận chuyển (thiết bị vận chuyển không kín khít) hay ván khuôn không kín khít khi đầm sẽ bị mất nước.

- Do đầm không kỹ nhất là lớp vữa bê tông giữa cốt thép chịu lực và ván khuôn (lớp bảo vệ) hay do máy đầm có sức rung quá yếu; cấp phối bê tông không lèn chặt.

- Cốt thép quá dày làm cốt liệu không lọt được xuống dưới hay do cốt liệu lớn không đúng quy cách (kích thước cốt liệu quá lớn).

   Sự xuất hiện rỗ tổ ong sẽ làm tiết diện chịu lực tại vị trí rỗ thu hẹp do đó giảm khả năng chịu lực của kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi cho môi trường xâm thực vào phá hoại cốt thép, phá hoại liên kết giữa bê tông và cốt thép.

Hình 4. Rỗ tổ ong

1.5 Cong vênh

   Cong vênh là hiện tượng các góc, cạnh của kết cấu bê tông bị biến dạng (co ngót) do sự chênh lệch về độ ẩm và nhiệt độ giữa lớp trên và lớp dưới của kết cấu bê tông (sàn, bản mỏng…). Đặc biệt khi ứng suất gây biến dạng lớn hơn độ bền uốn của bê tông thì các vết nứt sẽ hình thành và phát triển; sự tồn tại của vết nứt lúc này sẽ làm giảm ứng suất gây biến dạng.

Hình 5. Hiện tượng cong vênh sàn do co ngót

1.6 Tách lớp

   Tách lớp tương tự như hiện tượng phồng rộp blister, các mảng vữa xi măng bề mặt bị bong tróc và tách khỏi kết cấu bê tông do kết quả của quá trình thoát hơi nước và bọt khí. Tuy nhiên, so với blister thì diện tích lớp hơi nước và bọt khí trong trường hợp này lớn hơn, nó tích tụ thành các mảng, miếng và tạo thành một phân lớp trong kết cấu bê tông.

   Thông thường tương đối khó để phát hiện dấu hiệu của khuyết tật này kể từ khi nó xuất hiện cho đến khi nó bị phá hủy, chỉ sau khi bề mặt bê tông khô và khu vực tách lớp bị phá vỡ bởi ngoại lực với chiều dày của các mảng vữa xi măng nằm trong khoảng từ 3-5mm. Bên cạnh đó, hiện tượng bong tróc cũng có thể là kết quả của ứng suất kéo sinh ra trong quá oxy hóa kết cấu thép trong bê tông.

Hình 6. Hiện tượng bong tróc (tách lớp)

1.7 Hiện tượng trắng mặt (phấn hóa)

   Hiện tượng trắng mặt hay bụi bê tông là hiện tượng xuất hiện lớp bột xi măng do sự tan rã của của bề mặt bê tông sau khi ninh kết. Bản chất của hiện tượng này như sau:

   Thành phần chính của bê tông xi măng là chất kết dính vô cơ (xi măng), nước và các hạt hạt cốt liệu, khi tiến hành trộn các thành phần này với nhau sẽ xảy ra phản ứng giữa xi măng và nước, phản ứng này xảy ra cho đến khi bê tông đạt cường độ (28 ngày); Bên cạnh đó, trong quá trình diễn ra phản ứng thủy hóa của xi măng thì các hạt xi măng và thành phần cốt liệu sẽ trôi lơ lửng trong nước, do trọng lượng riêng lớn hơn nên các thành phần cốt liệu có xu hướng di chuyển xuống dưới, đẩy nước và một phần hạt xi măng lên phía trên tạo thành một lớp vữa xi măng với khả năng chịu mài mòn kém, khi chịu tác dụng của ngoại lực thì lớp vữa xi măng bị mài mòn dần, đồng thời thành phần xi măng trong lớp vữa sẽ bị tách bóc sinh ra lớp bụi xi măng trên bề mặt.

   Hiện tượng phấn hóa sẽ làm cho khả năng chịu mài mòn và độ cứng của bề mặt kết cấu bê tông giảm ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cấu kiện, đặc biệt khi cấu kiện thường xuyên chịu tác dụng của lực kéo trên bề mặt.

Hình 7. Bụi xi măng

1.8 Nứt vỡ

   Spalling là một dạng khuyết tật bề mặt, thường xuất hiện dưới dạng hình tròn, hình ovan với độ sâu từ 25-150m và có thể lớn hơn. Nguyên nhân chính là do quá trình các-bon-nát 54

   hóa bê tông (carbonation), khí cacbon CO2 trong tự nhiên theo thời gian sẽ khuếch tán và xâm nhập vào trong bê tông và phản ứng vớicác chất kiềm có trong đó (kiềm thổ Ca, CaCO3, Ca(OH)2, MgCO3, kiềm trong Clinke…) làm vỡ màng cacbonat để tạo thành bicacbonat axit canxi dễ tan theo phản ứng:

 CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO3)₂

   Đồng thời lớp bê tông bảo vệ cũng bị mất dần đi những đặc tính cơ lý ban đầu làm cho cốt thép trong bê tông bị các tác nhân xâm nhập phá hủy (gỉ thép) gây nở thể tích, quá trình này sẽ sinh ra ứng suất làm nứt lớp bê tông. Dấu hiệu của khuyết tật này cũng dễ dàng nhận ra, tại các vị trí xuất hiện thì bề mặt thường gồ ghề và có vết vỡ dạng vảy, thậm chí có thể thành các lỗ.

   Trong môi trường không khí, độ ẩm cao sắt dễ bị gỉ theo phản ứng sau đây:

4Fe + 3O₂ + nH₂O → 2Fe₂O₃.nH₂O

Hình 8. Quá trình ăn mòn kim loại là nguyên nhân chính gây nứt vỡ

2. Một số nhận xét

   Qua việc phân tích các khuyết tật, có thể nhận thấy rằng ngoài các vết nứt dạng cracking có kích thước và phạm vi ảnh hưởng lớn đến kết cấu bê tông (khả năng làm việc của cấu kiện) thì hầu hết các khuyết tật còn lại mức độ ảnh hưởng của chúng là không đáng kể mà nguyên nhân chủ yếu là do ở chính đặc tính của bê tông (phát sinh nhiệt do quá trình thủy hóa xi măng, lượng nước thừa và bọt khí không được thoát ra ngoài), phản ứng hóa học giữa các thành phần khoáng trong bê tông gây phá hủy và làm mất ổn định thể tích, đặc biệt nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ không khí cao, độ ẩm thường là cao nhưng lại thay đổi thất thường nên khi xuất hiện vết nứt thì các tác nhân bên ngoài dễ dàng xâm thực phá hủy kết cấu. Ngoài ra, dưới tác động của ngoại lực cũng có thể làm xuất hiện vết nứt, tùy thuộc vào loại kết cấu và ngoại lực tác dụng.

Bảng 2. Vết nứt do tác động của ngoại lực trong bản sàn toàn khối

--------------------o0o--------------------

Theo NQP and nnk