Tính toán đặc tính cơ học của vật liệu phục vụ phân tích đánh giá sức chịu tải của công trình cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực cũ có xét tới sai số phụ thuộc vào số lượng mẫu thí nghiệm

Trong ngành giao thông, các công trình cầu bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực đã được xây dựng và đưa vào sử dụng từ nhiều thập kỉ nay. Sau một thời gian dài đưa vào khai thác, khả năng chịu tải của các công trình này bị suy giảm xuất hiện các hư hỏng (do điều kiện thời tiết, do điều kiện bảo trì bảo dưỡng) hoặc do nhu cầu phát triển xã hội, dẫn đến hoạt tải tăng lên, làm cho công trình cầu không còn đủ khả năng chịu tải, và có thể gây ra mất an toàn dẫn đến thiệt hại lớn về người và vật chất. Vì vậy để tổ chức khai thác hiệu quả và đảm bảo an toàn, việc tính toán, đánh giá khả năng chịu tải của cầu cũ là rất cần thiết. Việc có thể tính toán chính xác sức chịu tải của cầu cũ bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực, các đặc tính cơ học của bê tông (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, năng lượng phá hủy, …) là một thông số đầu vào mang ý nghĩa quyết định. Trong các đặc tính cơ học đó, cường độ chịu nén thường được đo đạc tại hiện trường bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm là: nhóm phương pháp phá hủy và nhóm phương pháp không phá hủy. Nhóm phương pháp không phá hủy có ưu điểm là cho kết quả nhanh, không làm ảnh hưởng đến kết cấu, nhưng thường không đảm bảo được độ chính xác cần thiết. Nhóm phương pháp phá hủy (khoan lõi) đem lại giá trị thực của đặc tính vật liệu, tuy nhiên lại đòi hỏi nhiều công sức và có khả năng ảnh hưởng tới kết cấu hiện tại nên số lượng mẫu thí nghiệm thường có xu hướng gia giảm tối đa. Việc xác định cường độ chịu nén hiện trường ở Việt Nam được quy định tại TCXDVN 239:2006, còn ở các nước thuộc liên minh Châu Âu, việc này được hướng dẫn cụ thể trong EN 13791:2007, còn tại Mỹ sử dụng ASTM C42/C42M-13. Có khá nhiều sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn, đặc biệt liên quan đến số lượng mẫu thí nghiệm.

Trong tiêu chuẩn EN 13791:2007, cường độ chịu nén đặc trưng hiện trường có biên độ phụ thuộc - 4 - vào số lượng mẫu thí nghiệm (từ 3 đến 15 mẫu), và đặc biệt số lượng lõi khoan yêu cầu có thể được giảm khi kết hợp với các phương pháp không phá huỷ. Vấn đề này chưa được đề cập đến trong tiêu chuẩn Việt Nam. TCXDVN 239:2006 khuyến cáo sử dụng tổ mẫu gồm 3 mẫu và cho phép sử dụng tổ mẫu gồm 2 mẫu.

Trước những yêu cầu cấp thiết đó, nhóm dự án Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải do TS. Lê Văn Mạnh làm chủ nhiệm đã thực hiện đề tài: “Tính toán đặc tính cơ học của vật liệu phục vụ phân tích đánh giá sức chịu tải của công trình cầu BTCT và BTCT DUL cũ có xét tới sai số phụ thuộc vào số lượng mẫu thí nghiệm”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài rút ra những kết luận sau:

1. Trong các đặc tính cơ học cuả bê tông, cường độ chịu nén thường được đo đạc tại hiện trường bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp phá hủy và nhóm phương pháp không phá hủy. Nhóm phương pháp không phá hủy có ưu điểm cho kết quả nhanh, không làm ảnh hưởng đến kết cấu, nhưng thường không đảm bảo được độ chính xác cần thiết. Nhóm phương pháp phá hủy (khoan lõi) đem lại giá trị thực của đặc tính vật liệu, tuy nhiên lại đòi hỏi nhiều công sức và có khả năng ảnh hưởng tới kết cấu hiện tại nên số lượng mẫu thí nghiệm thường có xu hướng gia giảm tối đa.

2. Sử dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán các công trình nói chung và trong đánh giá kết cấu công trình cầu cũ nói riêng là phương pháp tiên tiến hiện nay. Phương pháp đánh giá kết cấu công trình cầu cũ theo lý thuyết độ tin cậy không những xét được đầy đủ bản chất ngẫu nhiên của các tham số kết cấu và tải trọng, của các chỉ tiêu cơ-lý của vật liệu, mà còn đưa lại bức tranh về sự thay đổi độ tin cậy của công trình theo thời gian. Từ các biểu đồ phân tích trên cơ sở độ tin cậy, rõ ràng các công trình cầu cũ có cường độ bê tông có giá trị ngẫu nhiên trong khoảng giá trị hẹp. Do đó, để đánh giá cầu cũ, việc phân tích xác định đặc tính cơ học vật liệu dựa trên lý thuyết xác xuất và độ tin cậy là cần thiết.

3. Khi phân tích kết quả thí nghiệm thấy rằng độ biến động của cường độ nén của các mẫu bê tông lớn, có thể giải thích do ảnh hưởng của vị trí khoan mẫu cũng như có sự tham gia của cốt thép, sự suy giảm chất lượng bê tông cục bộ. Ngoài ra mẫu bê tông sau khi rút lõi thường có nhiều vết rỗ ở lớp bê tông bảo vệ, điều đó có thể lý giải do phương pháp thi công trộn bê tông thủ công nên chất lượng trộn và đầm lèn bê tông kém, cấp phối phân bố không đều. Khi các lớp bê tông bảo vệ bị rỗ nhiều thì việc tiến hành thí nghiệm đánh giá cường độ bê tông bằng súng bật nẩy sẽ đưa ra kết quả không đúng.

4. Việc tính toán cường độ chịu nén của bê tông theo tiêu chuẩn EN 13791:2007 nhận thấy khi số lượng mẫu khoan từ 15 mẫu trở lên thì cường độ càng gần đạt đến giá trị tin cậy cho việc tính toán khả năng chịu tải của công trình. Nhưng khi chỉ được phép khoan từ 3-6 mẫu thì cần lựa chọn các vị trí khoan, để kết quả nén mẫu và xác định cường độ chịu nén có thể đại diện cho toàn bộ kết cấu, giúp các kỹ sư đánh giá đúng đặc tính cơ học của vật liệu với độ tin cậy và an toàn cao.

5. Điều đó chỉ có thể thực hiện khi tiến hành kết hợp phương pháp siêu âm và sử dụng sung bật nẩy xác định cường độ bê tông, cuối cùng lựa chọn những vị trí phù hợp nhất để khoan lõi. Các bước thực hiện như vậy vừa tránh ảnh hưởng đến kết cấu vừa đánh giá đúng được cường độ bê tông. Tiêu chuẩn EN 13791:2007 có khuyến nghị nên xem xét khoan 3 mẫu xác định cường độ chịu nén của bê tông trở lên, còn như đã phân tích lý thuyết độ tin cậy trong chương 4 thì với số lượng mẫu từ 3 mẫu trở lên có thì độ tin cậy hay suất đảm bảo P của sê-ri mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông đạt giá trị từ 92.74%. Trong các cấu kiện công trình cầu khi khoan mẫu trên kết cấu nhịp có thể dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực, vì vậy nên xem xét khoan từ 3 mẫu trở lên (nên ưu tiên khoan ở bản mặt cầu, phần cánh dầm nếu là dầm T). Đối với mố trụ, đặc biệt là mố, bộ phận cánh mố thường được thi công cùng đợt đổ bê tông với thân mố, vì thế có thể xem xét khoan 7 mẫu trở lên đối với các kết cấu mố trụ (tập trung khu vực cánh mố, bệ mố trụ) để tăng độ tin cậy trong việc xác định cường độ bê tông. Nếu không có sự nghi ngờ về kết quả thí nghiệm thì không nên khoan quá nhiều mẫu, bởi điều đó dễ dẫn đến giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu.

Từ các kết quả trên, đề tài kiến nghị cần nghiên cứu xây dựng Tiêu chuẩn Việt Nam trên cơ sở tiêu chuẩn “TCXDVN 239:2006, Bê tông nặng - Chỉ dẫn đánh giá cường độ bê tông trên kết cấu công trình”. Đề nghị các chủ đầu tư các công trình cầu mới, các dự án kiểm định đánh giá khả năng chịu tải có những yêu cầu khoan lõi bê tông kết hợp với các phương pháp không phá hủy để xác định cường độ bê tông.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17807/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)