Ứng dụng bê tông tính năng cao (hpc) trong xây dựng hạ tầng giao thông đô thị   

Tóm tắt:

Bài báo này trình bày việc triển khai ứng dụng bê tông tính năng cao trong xây dựng hạ tầng giao thông đô thị như một loại vật liệu thay thế đẹp, bền vững và hiệu quả kinh tế.

Khái quát về HPC

Bê tông tính năng cao hoặc bê tông hiệu năng cao HPC (High Performance Concrete) được đưa ra các khái niệm vào khoảng năm 1986. HPC hầu như hội tụ các tính chất của các loại bêtông chất lượng cao riêng biệt.

Hiện nay, HPC được hiểu là một loại bê tông, được thiết kế có một hoặc một số tính năng đặc biệt, để chế tạo cấu kiện xây dựng yêu cầu phải có những khả năng phục vụ đặc biệt.

Có nhiều trường phái nghiên cứu và đưa ra khái niệm về HPC, song tựu trung lại, HPC là một loại bê tông xi măng có một số đặc tính cơ bản sau:

- Cường độ chịu nén cao (60 ÷ 120 MPa và có thể cao hơn nữa);
- Cường độ chịu kéo khi uốn rất cao (đến 40 MPa);
- Môđun đàn hồi cao (4,5.10⁶ ÷ 6,0.10⁶ DaN/cm²);
- Cường độ ban đầu cao;

- Dễ thi công, tạo hình;
- Khả năng kháng mài mòn tốt;

- Tính chống thấm rất tốt;
- Độ hút nước thấp;
- Hệ số thẩm thấu và khuếch tán nhỏ;
- Bền vững, ổn định dưới các tác động xâm thực bất lợi của môi trường;
- Ức chế được vi khuẩn & nấm mốc;
- Tính ổn định thể tích cao;
- Khả năng chống băng giá rất cao.

Công nghệ HPC được đặt trên cơ sở điều khiển sự hình thành cấu trúc của bê tông trong tất cả các giai đoạn sản xuất ra nó.

HPC sử dụng các loại xi măng có phẩm chất cao hay các loại chất kết dính tổng hợp, các loại phụ gia biến tính, các loại cốt sợi... Công nghệ nano đang được nghiên cứu trong việc chế tạo HPC.

Khi sản xuất HPC phải áp dụng công nghệ tiên tiến, đảm bảo độ chính xác cao trong việc lựa chọn vật liệu; thiết kế hỗn hợp; cân đong, trộn và đồng nhất hóa hỗn hợp; đầm nén & tạo điều kiện đóng rắn tốt.

Ứng dụng HPC trên thế giới

Ở các nước phát triển, HPC được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo các cấu kiện BTXM, BTXMCT trong xây dựng nói chung & xây dựng hạ tầng đô thị nói riêng, đặc biệt là các kết cấu yêu cầu cường độ cao trong các môi trường sử dụng khắc nghiệt.
HPC cũng được dùng để chế tạo các loại bêtông có tính trang trí, làm tăng tính thẩm mỹ cho các công trình xây dựng.

Về cường độ, một số loại HPC đã được chế tạo có cường độ chịu nén đến 240 MPa (2.400 DaN/cm²); cường độ chịu kéo khi uốn đến 40 MPa (400 DaN/cm²). Những giá trị này của HPC cao gấp khoảng 10 lần so với các loại bê tông xi măng thông thường, hiện đang được sử dụng ở Việt Nam.

HPC  đã được ứng dụng khá nhiều trên trên thế giới. Các loại HPC có cường độ chịu nén đến 120 MPa được sử dụng làm cột hoặc dầm trong các tòa nhà cao tầng.

Sử dụng HPC làm cấu kiện trụ (cột) cho phép giảm tiết diện trụ, tăng được diện tích sử dụng của tòa nhà. Sử dụng HPC cho cấu kiện dầm có thể làm tăng khẩu độ dầm, giảm được số lượng trụ, tăng tính thẩm mỹ và hiệu quả sử dụng của tòa nhà.

Các loại HPC cũng được áp dụng trong xây dựng cầu, xây dựng hầm hoặc xây dựng đường. Một số loại HPC được sử dụng như các loại vật liệu sửa chữa có cường độ cao và phát triển cường độ rất sớm.

Sử dụng HPC trong xây dựng cầu cho phép làm cho kết cấu thanh mảnh hơn, giảm được tĩnh tải, vượt được nhịp lớn hơn và rút ngắn được thời gian thi công.

Các ứng dụng của HPC đặc biệt được quan tâm ở phần bản mặt cầu, kết cấu mà khả năng kháng mài mòn, chống xâm thực và khả năng chịu kéo khi uốn được quan tâm hơn nhiều so với yêu cầu về cường độ chịu nén của bê tông.

Việc sử dụng HPC trong cầu còn cho phép kéo dài tuổi thọ của công trình, giảm được các chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cầu trong suốt quá trình sử dụng sau này. Điều này đặc biệt quan trọng với các cầu được xây dựng trong các vùng chịu tác động gây ăn mòn của môi trường biển.

           Trong xây dựng đường, HPC thường được sử dụng trong mặt đường cứng BTXM đường ô tô, sân bay. Việc sử dụng các loại HPC có cường độ chịu nén cao làm tăng khả năng khả năng kháng mài mòn và chống xâm thực cho tấm BTXM; Sử dụng HPC có cường độ chịu kéo khi uốn cao cho phép giảm chiều dày tấm, giảm được chi phí, tăng được độ bền và tuổi thọ của công trình mặt đường.

Phát triển HPC tại Việt Nam

HPC đã được nghiên cứu tại Việt Nam từ những năm 1990. Viện KHCN GTVT đã có những quy hoạnh và nghiên cứu về HPC: giai đoạn 1(1990-1993), nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao (HSC) có cường độ 30- 45 MPa; giai đoạn 2(2000-2003), nghiên cứu chế tạo bê tông HSC, cường độ 50-80 MPa;  giai đoạn 3(2003-2005), nghiên cứu, ứng dụng HSC trong ngành GTVT, cường độ >120 MPa.

Năm 1995 trở về trước, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6025 : 1995 “Bê tông – Phân mác theo cường độ nén”, mác của bê tông tối đa là M80 (80 MPa).

Năm 2001, Bộ GTVT Việt Nam ban hành “Tiêu chuẩn thiết kế thành phần và quy trình chế tạo bê tông mác M60-M80 từ xi măng PC40 trở lên” 22TCN 276:2001. Đây là một dấu mốc quan trọng, đặt tiền đề cho các loại HPC có đặc tính cường độ cao phát triển các ứng dụng trong xây dựng cầu ở Việt Nam.

Các loại bê tông có mác M45, M50 đều đã được áp dụng trong rất nhiều dự án cầu lớn như: cầu Mỹ Thuận (Tiền Giang); cầu Thanh Trì (Hà Nội); cầu Cẩm Lệ, cầu Tiên Sơn, cầu Thuận Phước, gần đây nhất là cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng) …

Với các kết cấu cầu dùng công nghệ thi công đúc hẫng, đúc đẩy hoặc đẩy giàn giáo hay đẩy ván khuôn, mặc dù bê tông dầm có mác thiết kế như kể trên là không cao, song do công nghệ thi công thường yêu cầu bê tông phải đạt cường độ sớm (R3 ≥ 90%.Rtk) nên các loại BTXM này thường đạt R(nén) trên 60 MPa ở tuổi 28 ngày. Đặc biệt, có những cầu bê tông đã đạt đến cường độ R²⁸ ~ 100 MPa (cầu Thuận Phước).

Trong kết cấu nhà dân dụng, các tòa nhà cao tầng hiện đều đã sử dụng bê tông có mác thiết kế M45. Tòa nhà NOVOTEL (Đà Nẵng) đã sử dụng bê tông cho kết cấu trụ, dầm, sàn có mác thiết kế đến M45, M50. Với tốc độ xây dựng 5 ÷ 7 ngày/tầng của kết cấu đổ tại chỗ ở tòa nhà này, R²⁸ của bê tông cũng đạt ~ 80 MPa.

Các loại BTXM này đều là các loại HPC, có tính năng: cường độ chịu nén cao.

Trong đường ô tô, sân bay, HPC hầu như chưa được ứng dụng ở Việt Nam. Mác bê tông làm đường băng sân và mặt đường cứng BTXM ở Việt Nam bay hiện phổ biến vẫn được thiết kế có mác tối đa là M350/45.

Các nghiên cứu gần đây (2010, 2011) về HPC, HSC (High Strength Concrete), UHSC (Ultra High Strength Concrete) của các NCS tại trường ĐH GTVT, ĐHXD, ĐHBK TP.HCM  đã chế tạo được các loại bê tông có cường độ nén đến 180 Mpa, cường độ chịu kéo khi uốn đến 28 MPa trong phòng thí nghiệm.

Ứng dụng HPC trong xây dựng hạ tầng giao thông đô thị

            Hệ thống hạ tầng giao thông đô thị sử dụng nhiều cấu kiện chịu uốn, có khẩu độ nhỏ. Các cấu kiện dạng này, bao gồm: bản nắp cống; tấm đan đậy mương rãnh thoát nước dọc; tấm đan hố thu nước; tấm đan giếng thăm; dầm đỡ cửa thu nước; tấm chắn rác cửa thu nước mưa; bó vỉa; bê tông gạch tự chèn…

Các cấu kiện này có đặc điểm chung như sau:

• Chịu lực chủ yếu ở trạng thái chịu kéo khi uốn;
• Dạng tấm, bản, có kích cỡ nhỏ, chiều dày nhỏ.
• Ứng suất kéo-uốn phát sinh trong cấu kiện không lớn;
• Kết cấu lắp ghép (phổ biến);
• Tháo lắp được khi duy tu, bảo dưỡng;
• Làm việc trong môi trường có nhiều tác nhân gây ăn mòn.

Việc nghiên cứu ứng dụng các loại HPC có các tính năng cao phù hợp để tạo ra các sản phẩm mới từ HPC, thay thế các loại vật liệu xây dựng truyền thống, có chất lượng cao, bền vững hơn dưới tác động của môi trường, mỹ quan và có giá cả hợp lý, là một việc làm cần thiết.

            Các kết quả nghiên cứu đạt được gần đây ở trường ĐHBK ĐN cho thấy: các loại HPC được chế tạo từ các loại VLXD hiện có trong khu vực đô thị Đà Nẵng, có thể tạo ra được các loại HPC có các tính năng cao sau đây:

- Cường độ chịu nén cao:  đến 150 MPa;
- Cường độ chịu kéo khi uốn cao: đến 25 MPa;
- Cường độ ban đầu cao (R₃ đến 80MPa);

- Tính dễ thi công, tạo hình: tự đầm lèn, tự định hình trong khuôn đúc;
- Khả năng kháng mài mòn tốt: tối đa 0,15 g/cm²;

- Tính chống thấm rất tốt: tối thiểu B12;
- Độ hút nước rất thấp: tối đa 0,2%;

            Với trình độ công nghệ ở giai đoạn hiện nay trong nước cũng như trong khu vực, việc phát triển các ứng dụng của các loại HPC này để sản xuất các cấu kiện chịu uốn, có kích cỡ nhỏ, trong xây dựng hạ tầng giao thông đô thị là việc làm phù hợp.

 Ứng dụng HPC làm tấm chắc rác cửa thu nước

Tấm chắn rác (TCR) là một chi tiết của cửa thu nước mưa trong đô thị.

Vật liệu thông dụng chế tạo TCR, bao gồm: BT, BTCT, thép, thép mạ kẽm; gang đúc... Gần đây, vật liệu composite cũng đã được sử dụng để chế tạo các tấm chắn rác, nắp đậy hố thu, giếng thăm..

Sử dụng các loại vật liệu thông dụng trên bộc lộ một số nhược điểm:

- Vật liệu thép, thép mạ kẽm, gang đều có giá thành rất cao. Khi sử dụng trong môi trường có nhiều tác nhân gây ăn mòn, cấu kiện loại này rất nhanh bị han rỉ, giảm yếu tiết diện, mất mỹ quan. Hơn nữa, do gang thép đều là các loại vật liệu có giá trị cao, khả năng tái chế, nên rất hay bị mất trộm. Đây là một hiện tượng khá phổ biến, ở các đô thị Việt Nam nói riêng và các đô thị châu Á nói chung

- Vật liệu bê tông cốt thép (BTCT) có giá thành khá hợp lý. Tuy nhiên, vẫn phải sử dụng cốt thép là loại vật liệu đắt tiền và dễ bị ăn mòn. Bê tông để chế tạo cấu kiện hiện nay có mác không cao, khả năng chống xâm thực thấp, lại được đúc trong điều kiện hiện trường nên thường có chất lượng thấp. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường không đảm bảo. Các cấu kiện loại này thường có chất lượng giảm sau một thời gian sử dụng không dài.

- Vật liệu composite là một loại vật liệu khá mới, được sử dụng trong thời gian gần đây. Loại vật liệu này có trọng lượng khá nhẹ, giá rẻ hơn thép hoặc gang, không bị mất trộm do không có khả năng tái chế, song có vật liệu nền là các loại nhựa hữu cơ, nên khi sử dụng trong môi trường nắng nóng, có lượng bức xạ mặt trời lớn, khắc nghiệt như ở miền Trung, hẳn sẽ không được lâu dài.

Sử dụng HPC có các tính năng cao sau đây hoàn toàn có thể thay thế được các loại vật liệu truyền thống kể trên:

• Cường độ chịu nén tối thiểu 80 MPa (800 daN/cm²);
• Cường độ chịu kéo-uốn tối thiểu 15 MPa (150 daN/cm²);
• Mác chống thấm của bê tông: tối thiểu B12;

TCR HPC có giá thành rẻ hơn thép hoặc gang rất nhiều. Cùng khả năng chịu lực, TCR HPC sản xuất đại trà tại Đà Nẵng giá chỉ vào khoảng 40 ÷ 50% so với cấu kiện bằng gang có cùng khả năng chịu lực; 20 ÷ 25% so với cấu kiện làm bằng thép mạ kẽm; 50 ÷ 60% so với cấu kiện làm bằng composite. Giống như vật liệu composite, TCR HPC không bị mất trộm. Mặt khác, do sử dụng vật liệu nền là chất kết dính vô cơ nên khắc phục được nhược điểm của vật liệu composite. Các loại vật liệu sản xuất HPC đều là các loại vật liệu có sẵn trong nước, hầu như không phải nhập khẩu.

Ứng dụng HPC làm tấm đan

Tấm đan (TĐ) đậy các mương rãnh, hố thu nước(đan mương dẫn của cửa thu hoặc đan hố thu) . Loại này có cấu tạo thành mỏng, hầu như chỉ chịu tải trọng của người đi bộ, vật liệu lớp mặt của vỉa hè và trọng lượng bản thân. Ứng suất kéo-uốn phát sinh trong tấm không lớn lắm.

Vật liệu phổ biến hiện nay để chế tạo TĐ vẫn là BTCT. Do phải đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ nên các tấm đan loại này có chiều dày khá lớn (8 ÷ 10cm), làm cho tấm khá nặng nề, gây khó khăn cho công tác nạo vét hố thu. Các tấm đan này thường được đúc tại hiện trường nên chất lượng khá thấp, nhanh bị ăn mòn, hư hỏng trong quá trình sử dụng.

Các loại tấm đan có chiều dày dưới 8cm thường không đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Mặt khác, cốt thép được bố trí ngay sát trục trong hòa nên không phát huy được khả năng chịu kéo của vật liệu này, dẫn đến việc: cấu kiện rất dễ bị gãy vỡ trong quá trình sử dụng.

TĐ chế tạo bằng HPC là cấu kiện có trọng lượng chỉ bằng 30 ÷ 50% tấm đan BTCT; bền vững, không bị ăn mòn; giá thành chỉ khoảng 60 ÷ 70% so với tấm đan BTCT thông thường. Hạ tầng giao thông đô thị với một khối lượng khá lớn ĐHT cũng như đan đậy các mương rãnh hở, nếu sử dụng ĐHT HPC sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí cho hạng mục thoát nước.

Ứng dụng HPC làm bê tông gạch tự chèn

Bê tông gạch tự chèn (CBP - Concrete Block Paving) là loại vật liệu mặt đường sử dụng nguyên lý “Roman Road”, được ứng dụng khá phổ biến ở các nước phát triển để làm đường đô thị, quảng trường.

- Sản xuất CBP bằng máy nên chất lượng cao & đồng đều, dễ kiểm soát chất lượng.

- Cường độ cao, ổn định cường độ: vật liệu chế tạo CBP là BTXM có cường độ cao nên rất ổn định cường độ khi chịu tác dụng của nhiệt và nước.

-  Mỹ quan: các viên gạch có thể tạo nhiều hình dáng, màu sắc đẹp.

- Chịu lực tốt: CBP được thiết kế chèn móc, liên kết với nhau, phân bố được áp lực bánh xe xuống tầng móng.

- Thi công rất đơn giản: chỉ cần dùng thủ công (hoặc dụng cụ cải tiến) xếp gạch theo một trình tự đơn giản trên lớp móng, đầm nén bằng máy đầm nén loại nhẹ thông thường nên có thể xã hội hóa công tác xây dựng đường.

- Có thể thi công dễ dàng ở địa hình chật hẹp trong ngõ phố trong đô thị.

- Thi công không phụ thuộc vào thời tiết: có thể lát CBP ngay cả khi trời mưa.

- Không yêu cầu thời gian bảo dưỡng: là kết cấu lắp ghép nên cho phép thông xe ngay sau khi lát gạch; vừa thi công vừa có thể đảm bảo giao thông.

- Cơ động: các viên gạch có thể được tháo dỡ dễ dàng, lắp đặt lại nếu có nhu cầu xây dựng hệ thống công trình ngầm bên dưới; không tốn kém chi phí xây dựng lại như các loại mặt đường khác.

- Sử dụng chất kết dính ximăng, cốt liệu cát đá là các loại vật liệu xây dựng Việt Nam sản xuất được, thúc đẩy được công nghiệp XM trong nước phát triển.

- Yêu cầu công tác duy tu bảo dưỡng rất ít, chi phí thấp rất phù hợp với các tuyến ngõ phố đô thị, không có điều kiện duy tu, bảo dưỡng.

Có thể nhận định rằng: sự phát triển của kết cấu ICP trong các đô thị hiện đại, trong vài chục năm trở lại đây, ở các nước phát triển, là sự trở lại ngoạn mục của nguyên lý sử dụng vật liệu “Roman road” cách đây ngót nghét 3 ngàn năm, với một diện mạo và công nghệ mới, mang lại những lợi ích không nhỏ cho các đô thị này.

Tại đô thị Việt Nam, gạch CBP được biết đến với cái tên “gạch block bêtông” thường dùng loại gạch mác thấp, được thiết kế với mác bêtông 15 MPa  hoặc 20 MPa có nhiều loại loại gạch với mẫu mã đẹp hơn, kích thước đa dạng, tuy nhiên về khả năng chịu lực thì hầu như vẫn chỉ là những loại có mác thấp và chủ yếu vẫn dùng để lát vỉa hè, sân nền, đường dành cho người đi bộ, mà chưa được ứng dụng để làm đường đô thị.

Lựa chọn HPC có các tính năng sau đây có thể tạo ra các loại CBP mác cao, chất lượng bằng và vượt các loại CBP ở các nước tiên tiến:

• Cường độ chịu nén tối thiểu 60 MPa (600 daN/cm²);
• Cường độ chịu kéo-uốn tối thiểu 10 MPa (100 daN/cm²);
• Mác chống thấm của bê tông: tối thiểu B12;
• Tính dễ thi công, tạo hình:  độ chảy xòe (SF) 75cm;
• Khả năng kháng mài mòn tốt: tối đa 0,3 g/cm²;
• Độ hút nước: tối đa 2%.

Công nghệ tự đầm được sáng chế và sử dụng để sản xuất các loại CBP này cho phép tạo ra các sản phẩm có kích thước chuẩn, hình dáng đa dạng, ổn định chất lượng, giá thành thấp.

Các loại CBP chế tạo từ HPC là giải pháp bền vững, thay thế các kết cấu mặt đường BTN, BTXM trong xây dựng hạ tầng đô thị với một chi phí hợp lý.

Kết luận

Hạ tầng giao thông trong đô thị Việt Nam đang được quan tâm đầu tư và phát triển mạnh, đang cần một nguồn kinh phí rất lớn để xây dựng và xây dựng lại một cách bền vững.  Với việc lựa chọn các tính năng cao của HPC cho phù hợp, khi thay thế các loại vật liệu truyền thống để chế tạo cấu kiện chịu uốn, có khẩu độ nhỏ không những là một giải pháp làm cho đô thị thêm hiện đại, xanh, sạch đẹp và bền vững mà còn làm một giải pháp tiết kiệm chi phí.

GVC ThS Nguyễn Biên Cương

Khoa Xây dựng Cầu Đường, ĐH BKĐN