Xây dựng cầu cạn nhịp lớn sử dụng dầm bê tông siêu tính năng (UHPC)

Nghiên cứu này là hết sức cần thiết khi tại Việt Nam đã ban hành bộ Tiêu chuẩn về UHPC, đồng thời có nhiều đơn vị đã ứng dụng thành công công nghệ UHPC vào xây dựng công trình dân dụng và công trình giao thông.

1. Tổng quan:
Hệ thống đường cao tốc Việt Nam hiện nay được thể hiện trong hình 1:

Theo ước tính, Việt Nam đang cần khoảng 68 tỷ đô la đầu tư để phát triển cơ sở hạ tầng giao thông vào năm 2030. Chiều dài các tuyến đường cao tốc đã được hoàn thành và dự kiến triển khai xây dựng trong giai đoạn 2021 – 2025 là khoảng 1.932 km, số liệu này cao gấp gần 4 lần giai đoạn 2015 - 2020 (487km). Với nguồn vốn đầu tư từ ngân sách để thực hiện mục tiêu trên trong giai đoạn 2021 – 2025 là 339.000 tỷ đồng, cũng gấp gần 4 lần so với giai đoạn 2015 - 2020 89.000 tỷ đồng. Dự kiến, đến năm 2030 Nước ta sẽ hoàn thành hơn 5.000 km đường cao tốc và năm 2050 hoàn thành 41 tuyến cao tốc với tổng chiều dài hơn 9.000 km.

Thi công cầu cạn (đường trên cao) sẽ là giải pháp đem lại hiệu quả cao và bền vững cho các tuyến cao tốc, đặc biệt hơn nữa khi giải pháp đó sử dụng dầm nhịp lớn với chiều dài từ 50m – 100m.Việc nghiên cứu thành công giải pháp xây dựng cầu cạn sử dụng dầm U-UHPC hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật vượt trội khi thực hiện so sánh với dầm super T chế tạo từ bê tông cốt thép (BTCT) thường.

Nghiên cứu này là hết sức cần thiết khi tại Việt Nam đã ban hành bộ Tiêu chuẩn về UHPC, đồng thời có nhiều đơn vị đã ứng dụng thành công công nghệ UHPC vào xây dựng công trình dân dụng và công trình giao thông.

2. Tài liệu, tiêu chuẩn áp dụng:

- TCVN 11823:2017, Thiết kế cầu đường bộ.

- TCVN 13735:2023, Bê tông - Bê tông siêu tính năng (UHPC) - Vật liệu và phương pháp thử.

- TCVN 13736:2023, Bê tông - Kết cấu bê tông siêu tính năng (UHPC) - Thi công và nghiệm thu

- TCVN 13737:2023, Bê tông - Kết cấu bê tông siêu tính năng (UHPC) - Yêu cầu thiết kế kết cấu.

Bê tông siêu tính năng (UHPC)

 

Vật liệu thành phần được lựa chọn sử dụng để chế tạo UHPC phải phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 13735:2023. Trong bài toán thiết kế, để chế tạo dầm U bằng UHPC, đã xây dựng lựa chọn thông số kỹ thuật đầu vào như sau (TCVN 13736:2023):

- Hàm lượng cốt sợi thép sử dụng: ≥ 1,8 %.

- Khối lượng thể tích hỗn hợp: ≥ 2500 kg/m3.

- Độ chảy xoè hỗn hợp (cone ASTM C230): 16 ÷ 22 cm.

- Cường độ chịu nén (R28): ≥ 150 MPa.

- Cường độ chịu kéo (R28 - vết nứt đầu tiền): ≥ 8,0 MPa.

- Cường độ chịu kéo (R28 - giá trị cực đại): ≥ 11,0 MPa.

- Mô-đun đàn hồi (R28) : ≥ 48 GPa.

- Biến dạng co khô sau bảo dưỡng nhiệt ẩm: ≤ 200 μm/m.

- Hệ số thấm Clo:

3. Thiết kế dầm UHPC

3.1. Phương pháp thiết kế

Để thực hiện thiết kế, TCVN 13737:2023 cho phép sử dụng kết hợp các mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng nén và ứng suất – biến dạng kéo của UHPC khi ở trạng thái giới hạn cường độ (ULS) và trạng thái giới hạn sử dụng (SLS).
 

 

3.2. Mặt cắt ngang điển hình của dầm và cầu

 

3.3. Tính toán kỹ thuật

a) Trạng thái giới hạn cường độ

- TCVN 11823:2017, Thiết kế cầu đường bộ

- UHPC thể hiện khả năng chịu kéo vượt qua cường độ kéo khi nứt, cho tới khi sợi thép bị kéo biến dạng.

- Hệ số sức kháng có thể lấy 1,25 xét mức độ phân tán đồng đều của cốt sợi thép.

- Lực cắt giới hạn cường độ chịu nén của UHPC: VRd, max

- Giá trị chịu cắt của cốt thép: VRd, s

- Giá trị chịu cắt của UHPC: VRd, c

- Giá trị chịu cắt của cốt sợi thép: VRd, f

- Tổng của ba giá trị chịu cắt giới hạn: VRd = VRd, s + VRd, c + VRd, f

- Giá trị thiết kế của lực cắt: Ved

- Khả năng chịu cắt của dầm U-UHPC: VRd, total = min(VRd; VRd, max)

b) Trạng thái giới hạn sử dụng

Khi phân tích theo phần tử hữu hạn, sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu MIDAS nhóm nghiên cứu có được giới hạn về độ võng tuân theo TCVN 11823-2:2017 như sau:

- Tải trọng xe nói chung: L/800

- Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ: L/1000

- Tải trọng xe phần hẫng: L/300

- Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ phần hẫng: L/375

- L: Chiều dài nhịp

4. Công nghệ chế thạo dầm

4.1. Trang thiết bị

a) Máy trộn

Máy trộn SKAKO có thùng trộn hình côn dòng ROTOCONIX® là loại mới, kết hợp các nguyên tắc trộn khác nhau đồng thời. Nguyên tắc là trộn vật liệu theo mọi chiều: theo chiều dọc và chiều ngang, không có vùng chết nào trong thùng trộn trong quá trình trộn. Dạng hình nón của cối trộn quay đảm bảo chất lượng trộn đồng đều không kể mẻ trộn lớn hay nhỏ, với các mẻ từ 0,1 ÷ 0,6 dung tích thùng trộn. Tính năng này rất quan trọng vì nó cho phép sản xuất chất lượng cao khi cho phép trộn kết hợp 4 chuyển động theo hai chiều, có thể tiết kiệm xi măng.

Máy tiêu thụ điện năng vừa phải, mài mòn ở mức trung bình, thời gian trộn khoảng 6 ÷ 8 phút/ mẻ. Có thể làm sạch máy nhanh và triệt để, nên có thể chuyển đổi từ trộn UHPC màu ghi xám sang trộn các loại UHPC màu khác nhau. Cối trộn quay (đảo chiều) cùng cánh khuấy tốc độ cao đảm bảo hỗn hợp UHPC được khuấy trộn triệt để, không xuất hiện bất cứ hiện tượng vón cục nào.

b) Thiết bị bảo dưỡng nhiệt ẩm

Thiết bị nhiệt ẩm gồm nồi hơi, hệ thống dẫn hơi và buồng bảo dưỡng. Để bảo dưỡng dầm trong điều kiện nhà máy, cần sử dụng lò nồi hơi cố định, bọc bạt cấu kiện để tạo ra buồng bảo dưỡng, và bộ control điều khiển nhiệt độ buồng bảo dưỡng. Với cấu kiện hiện trường cần lò và nồi hơi di động, nếu cấu kiện dài vài chục mét, nên sử dụng nhiều nồi hơi. Hệ thống nồi hơi với lò hơi đốt bằng dầu FO, hoặc đốt bằng khí gaz, cùng với bộ control nhiệt độ và hệ thống ông dẫn, van, sensor điều chỉnh với dao động nhiệt cho phép trong buồng bảo dưỡng là 5 °C.

4.2. Công tác trộn

- Nhiệt độ môi trường: ≤ 40 °C.;

- Độ ẩm không khí: ≥ 65 %.

a) Chuẩn bị.

- Tính toán cấp phối và tổng khối lượng UHPC, phân chia số lượng mẻ trộn phù hợp.

- Lập kế hoạch trộn: thời gian bắt đầu, thời gian dự kiến xong, số lượng nhân công.

- Kiểm tra thiết bị định lượng vật liệu, hệ thống cấp liệu.

- Kiểm tra máy trộn: chạy thử không tải với các tốc độ khác nhau, kiểm tra cửa xả.

- Kiểm tra ván khuôn, thiết bị vận chuyển, khay chưa hoặc phếu rót, máng rót.

- Phun nước làm ẩm thùng trộn, cánh trộn và xả hết nước thừa.

b) Công tác trộn

- Cấp các vật liệu thành phần (cốt liệu và chất kết dính) và tiến hành trộn với tốc độ thấp trong khoảng thời gian 1 phút.

- Cấp 80% lượng nước trộn (có dung sai ± 1kg/m3) và tiến hành trộn với tốc độ cao trong khoảng thời gian 1 ÷ 2phút.

- Cấp tiếp 20% lượng nước còn lại cùng phụ gia siêu dẻo và tiến hành trộn với tốc độ cao trong khoảng 3 ÷ 4phút.

- Cấp cốt sợi thép với tỉ lệ đã được khuyến cáo và tiến hành trộn với tốc độ cao trong khoảng thời gia 1 ÷ 2phút.

- Xả và tiếp tục lại cho mẻ trộn tiếp theo.

4.3. Quy trình đổ, hoàn thiện và bảo dưỡng

a) Công tác đổ

- Độ cao rơi của hỗn hợp UHPC khi đổ tối đa không quá 50cm.

- Chiều dày lớp UHPC bảo vệ cốt thép (tính từ mép ngoài cốt đai) phải lớn hơn 2cm.

- Hỗn hợp UHPC cần phải được bắt đầu đổ vào từ một đầu khuôn và di chuyển dần đến đầu khuôn còn lại.

b) Hoàn thiện và bảo dưỡng
 

- Cấu kiện phải được hoàn thiện bề mặt UHPC ngay sau khi hoàn thành công tác đổ.

- Màng mỏng PVC phải được dán phủ trực tiếp và kín lên hết toàn bộ bề mặt UHPC ngay sau khi vừa đổ xong.

- Bổ sung nước để giữ cho bề mặt UHPC luôn ẩm ướt và độ ẩm không khí xung quanh ≥ 90% đến hết 1 ngày tuổi.

- Bảo dưỡng nhiệt ẩm bắt buộc phải tuân thủ theo đúng chỉ dẫn kỹ thuật của từng dự án cụ thể.

- Sự tăng và hạ nhiệt trong quá trình bảo dưỡng nhiệt ẩm phải tuân thủ theo đúng chỉ dẫn kỹ thuật thi công (mức tăng nhiệt ≤ 12°C/h, mức hạ nhiệt ≤ 15°C/h).

4.4. Công tác dự ứng lực

Phương án chế tạo dầm từ các mô-đun riêng lẻ với chiều dài từ 2 ÷ 5m để tạo sự thuận tiện cho công tác chế tạo, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như công tác vận chuyển khi chiều dài dầm lên tới 50m. Do đó, phương án dự ứng lực được lựa chọn là căng sau có (hoặc) không bám dính và được thực hiện ngay tại vị trí thi công dự án.

- Cấu kiện phải được hoàn thiện bề mặt UHPC ngay sau khi hoàn thành công tác đổ.

- Hệ thống kéo căng sau phải tuân thủ các yêu cầu được quy định trong chỉ dẫn kỹ thuật thi công.

- Tất cả các bộ phận của hệ thống kéo căng sau phải tương thích với hệ thống ứng suất trước.

- Vữa chèn đầy các ống gen và đầu neo đáp ứng chỉ dẫn kỹ thuật.

- Đối với không bám dính thì mỡ, sáp chèn đầy các ống gen và đầu neo cần đáp ứng chỉ dẫn kỹ thuật.

- Các lỗ thông trên ống luồn cáp phải được bố trí ở cả 2 đầu mút và tại các điểm mà không khí hoặc nước có thể tích tụ.

- Các lỗ thông phải được đánh dấu đúng để nhận dạng cáp.

- Ống luồn cáp và lỗ thông phải được đủ chắc chắn để chịu được các tác động của việc đổ và đầm UHPC.

Nếu trong quá trình tạo ứng suất trước của thanh ứng lực căng sau đến một lực xác định mà độ giãn dài thực tế của nhóm gồm tất cả các thanh căng tại tiết diện cụ thể không nằm trong khoảng ± 5 % độ giãn dài tính toán, hoặc độ giãn dài của thanh căng đơn lẻ trong nhóm không nằm trong khoảng ±15 % độ giãn dài tính toán, thì phải thực hiện theo đúng chỉ dẫn kỹ thuật thi công. Trong trường hợp có độ lệch so với thông số đã dự định trong quá trình kéo căng, chưa được phép cắt bỏ các đầu mút thanh căng hoặc bơm vữa vì có thể ảnh hưởng xấu đến việc kéo căng lại.

5. So sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Trong phần này sẽ trình bày kết quả so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa dầm U-UHPC và dầm Super T khi xây dựng một cầu có chiều dài là 200m, chiều rộng là 17,5m.

6. Kết luận

- Vật liệu có sẵn tại Việt Nam, thiết kế cấp phối cho phép chế tạo UHPC cấp cường độ 150/9 MPa.

- Chế tạo dầm UHPC ứng suất trước nhịp lớn đã làm chủ được trong điều kiện Việt Nam.

- Tính toán mô phỏng và thiết kế dầm UHPC đã có khung tiêu chuẩn Việt Nam, phần mềm chuyên dụng, đã được tư vấn thiết kế làm chủ.

- Về hiệu quả kinh tế kỹ thuật thì dầm U-UHPC nhịp >50m có thể giảm khoảng 5% so với phương án sử dụng dầm super T bằng BTCT thường.

Tài liệu tham khảo

[1] QCVN 07-4:2016/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia các công trình hạ tầng kỹ thuật – công trình giao thông.

[2] TCVN 12885:2020, Thi công cầu đường bộ.

[3] AASHTO LRFD 2017, Bridge design specifications.

[4] FHWA-HRT-06-115, Structural behavior of Ultra-high performance concrete prestressed I-girders.

[5] Plank J, New developments in admixtures for precast and ready-mix concrete ICCX middle east 2018.

[6] WB-DRVN, Report piloting and scaling up building climate residient bridges in poor rural areas 2019.