Chống nứt do co ngót nhiệt cho kết cấu bê tông
Mức độ tác hại tuỳ thuộc vị trí xuất hiện của rạn nứt, “khẩu độ” (tức lá nứt rộng hay hẹp), thời gian xuất hiện nứt theo tuổi của bê tông,..., nhưng đều là kết quả của những tác động cơ học xuất phát từ hai nguyên nhân chính là do chênh lệch (gradient) ẩm luôn luôn xảy ra ở mặt bê tông và chênh lệch nhiệt độ trong cơ cấu nội bộ bê tông .
Dưới đây nêu một số thành tựu nghiên cứu mới về cơ chế chênh lệch nhiệt độ trong cơ cấu nội bộ khối bê tông. Về đại thể, sở dĩ phát sinh chênh lệch nhiệt là vì mặt ngoài nóng (do thời tiết, hay do xử lý nhiệt để mau tăng sức bền) hoặc do nhiệt phản ứng thuỷ hóa của xi măng trong nội bộ bê tông, đặc biệt là tốc độ phát nhiệt quá lớn so với tốc độ nguội. Do kinh nghiệm thực tế, từ trước đây đã biết một phần các nội dung trên, nên những quy trình thi công thường ấn định rõ cách bảo dưỡng, thời gian tháo rỡ khuôn, mà nếu bình thường thì các rạn nứt dù có vẫn chỉ ở mức rộng chừng 0,2mm đến 0,3mm tức là không mấy ảnh hưởng xấu đến chất lượng bê tông .
Sẽ không đủ nếu chỉ tuân thủ các qui định ấy, vì lẽ kết cấu bê tông ngày càng tăng qui cách vật liệu nên rất thường gặp các trường hợp vượt khỏi các quy trình thông dụng. Nhiều thí dụ có thể dẫn chứng, chẳng hạn nếu kích thước kết cấu khá lớn, nhiệt thủy hoá của xi măng có thể tăng lên tới nhiệt độ 50 oC, khiến cho lúc nguội mặt ngoài xuất hiện ứng xuất kéo trên 15 Mpa. Lại như trong ngành giao thông, phải làm các kết cấu áo đường, tấm lát dài, rộng, các tầng phủ, các đoạn liên kết trên sàn, trên đỉnh cọc, khiến cho bê tông phải chịu một loại co ngót đặc biệt cộng với co ngót bản thân trên mặt khiến cho không tránh được ứng lực kéo rất cao .Không thể bỏ qua những kết cấu có những bộ phận rất chênh lệch về bề dầy như dầm hộp, các cấu kiện xử lý nhiệt, tại đó chỗ nào mỏng thì nguội rất nhanh. Cũng có những kết cấu khó đảm bảo việc bảo dưỡng đồng loạt đúng qui định nên người thi công cần rất tinh tế và nhạy bén trong giải pháp phòng tránh co ngót nhiệt quá lớn. Vấn đề tối quan trọng đối với chất lượng bê tông là khẩu độ vết nứt, đó là khuyết tật quyết định tuổi thọ. Tri thức khoa học ngày nay đã khẳng định rằng, trừ khi dìm hoàn toàn trong nước, bao giờ bê tông cũng rạn nứt ở mặt, nhưng nếu khẩu độ dưới 20 micron thì mắt thường không phát hiện được. Mặt khác nứt dưới 0,3 mm thì hiện tượng ăn mòn chưa đáng lo ngại , vì sức căng mặt ngoài mạnh hơn lực hấp dẫn trọng trường, và dù nước có thâm nhập vào bê tông dưới dạng mao dẫn hay ngưng tụ cũng không tác hại đáng kể. Tóm lại, không thể loại trừ hoàn toàn rạn nứt , nhưng nhất thiết phải chống nứt khẩu độ rộng, từ đó cân nhắc yêu cầu đảm bảo chất lượng phải trả giá với chi phí phòng chống nứt rộng. Các biện pháp chống co ngót nhiệt chính là nhằm giải quyết thoả đáng vấn đề này.
Trong nội bộ bê tông mới đổ, các phản ứng thủy hoá xi măng là toả nhiệt, cụ thể là nếu kết cấu dày trên 1m thì bê tông nằm trong điều kiện "đoạn nhiệt” (adlabatique), vì bê tông dẫn nhiệt rất kém (từ 1,5 đến l,8 W/m/K) nên nhiệt độ có thể lên đến 75 oC. Chênh lệch nhiệt độ như vậy tất nhiên gây ra co ngót không đều. Khi nguội đi, nhiệt độ mặt ngoài giảm nhanh hơn nhiệt độ giữa khối bê tông, tức là mặt ngoài co ngót nhiều hơn giữa, dẫn đến mặt ngoài bị kéo còn lõi giữa bị nén.
Khi nguội đi, nhiệt độ của kết cấu rất dễ chênh lệch tới 30 oC, mặt ngoài chịu ứng suất tới 10 MPa (mô đun Young chừng 30 GPa, hệ số dãn nở nhiệt 10 x 10 -6oC), tức là cao hơn hẳn sức bền kéo, do vậy mặt ngoài bao giờ cũng bị rạn nứt.
Khảo sát cụ thể trên công trình tại thực địa, đã thấy co ngót nhiệt, tuỳ theo hàm lượng và chủng loại xi măng, đạt tới mức từ 400 đến 500 x 10 -6khi kết cấu dày trên 60 đến 80 cm (riêng sàn 40 đến 50 cm). Co ngót nhiệt diễn ra sau khi ngưng kết (nhiệt độ cao nhất xuất hiện từ tuổi 20 giờ đến 40 giờ) và kéo dài nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần thời gian nguội ước tính là 8 e 2(ngày), trong đó e là bề dầy (mét) .
Một trường hợp rất cần chú ý và ngày càng phổ biến là cấu kiện bê tông đúc sẵn xử lý nhiệt, trong đó rất có thể nhiệt cung cấp và nhiệt thủy hoá xi măng gộp vào nhau để lên tới mức quá cao. Trái với trường hợp trên kia là bê tông càng to rộng càng cần quan tâm, trường hợp xử lý bằng hơi nước nóng, rủi ro lớn nhất thường xảy ra với cấu kiện mỏng, chừng dưới 15 cm, mà đây lại là qui cách rất phổ biến của cấu kiện đúc sẵn. Với chế độ xử lý nhiệt 80 0C trong một giờ, lõi giữa có thể nóng tới trên 90 oC, tất yếu xảy ra hư hại nặng.
Với bê tông không xử lý nhiệt, nếu dầy trên 80 cm thì rất khó tránh nứt; nếu dày dưới 50 cm thì ít khả năng nứt; song nếu chỉ dày 20 cm mà một mặt bị cách nhiệt để xảy ra chênh lệch nhiều thì vẫn nứt rạn .
Nói chung, bê tông đúc ở những kết cấu qui cách to, rộng cần được trộn với xi măng ít toả nhiệt Vả chăng, những kết cấu này thường không cần đạt sớm các sức bền cao, cho nên một biện pháp đáng lưu ý là thay một phần clanke bằng tro bay hay xỉ lò cao. Cũng chớ nên dùng khuôn đúc quá cách nhiệt, như gỗ chẳng hạn. Khi thiết kế, nên bố trí một số cốt thép phụ để thu hẹp khẩu độ vết nứt, bởi vì thép có cùng hệ số dãn nở nhiệt như bê tông, cho nên vẫn nứt, tức là số vết nứt tuy có thể nhiều song khẩu độ hẹp và ít tác hại.
Rất gần đây, đã lập trình xong các phần mềm điện toán phân tích đầy đủ và tỷ mỉ thực trạng bê tông khi chịu nhiệt độ thuỷ hoá xi măng, như các phần mềm CESAR LCPC, DIANA, FEMASSE... Các phần mềm này cho phép xác định tốc độ tăng giảm nhiệt độ từng điểm trong kết cấu dựa vào đặc tính hình học và nhiệt của kết cấu.
Kinh nghiệm thực tiễn cho biết để thật an tâm về chống nứt, ngoài biện pháp chống co ngót nhiệt còn phải chú ý đến co ngót dẻo, xác định thành phần cốt liệu. .. Về đại thể, bê tông đúc sẵn xử lý nhiệt tại các nhà máy là rất đáng phát triển, trước hết là nó đạt tới sức bền cao rất sớm. Tuy nhiên, bây giờ đó không phải là phương thức duy nhất hay tốt nhất, bởi vì bê tông hiệu năng cao cũng tỏ ra rất xuất sắc về mặt này, trong khi bê tông xử lý nhiệt vẫn còn có ý kiến phân vân là về lâu dài khó duy trì bền vững các tính năng và tuổi thọ của nó không lâu dài còn bê tông hiệu năng cao thì không đắt hơn mấy .
