(Luận văn thạc sĩ) đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia cường cột bê tông cốt thép cho các công trình dân dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC HẢI

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC
PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TƠNG CỐT THÉP
CHO CÁC CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC HẢI

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC
PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TƠNG CỐT THÉP
CHO CÁC CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Với những kiến thức đã học trong thời gian học tập, nghiên cứu chương trình
cao học tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp
đỡ tận tình của Ban Giám Hiệu nhà trường, Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp
cùng quý thầy cô và với sự nổ lực của bản thân, đến nay, tôi đã hoàn thành luận văn
thạc sĩ.
Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng
Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình học tập, nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn TS. Trần Anh Thiện đã
quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ.
Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tôi
không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn
của tôi hoàn chỉnh hơn và khả năng đưa vào sử dụng thực tế hiệu quả hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Đà Nẵng, ngày 14 tháng 02 năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia
cường cột bê tơng cốt thép cho các cơng trình dân dụng” là cơng trình nghiên cứu của
bản thân được nghiên cứu, tính toán dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo TS.
Trần Anh Thiện.
Các số liệu trong luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Đà Nẵng, ngày 14 tháng 02 năm 2019

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1
1. Sự cần thiết nghiên cứu ......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................1
5. Bố cục luận văn...................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG
CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT ................................................. 3
1.1. BÊ TÔNG CỐT THÉP .............................................................................................3
1.1.2. Vật liệu cấu thành bê tông ............................................................................4
1.3. Tính chất của bê tông .......................................................................................5
1.2. QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT ....................................6
1.2.1. Các quá trình xuống cấp ...............................................................................6
1.2.2. Ăn mòn sun phát ...........................................................................................6
1.2.3. Phản ứng kiềm – silica ..................................................................................7
1.2.4. Các dạng phá hoại khác ................................................................................7
1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT ..................8
1.3.1. Bê tông bị rỗ .................................................................................................8
1.3.2. Bê tông bị rỗng .............................................................................................9
1.3.3. Bê tông bị nứt nẻ ...........................................................................................9
1.3.4. Bê tông bị vỡ...............................................................................................10
1.3.5. Bê tông quá khô ..........................................................................................10
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................12
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP .. 13

2.1. GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG TIẾT DIỆN ...........13
2.1.1. Phần cấu tạo ................................................................................................13
2.1.2. Phần thiết kế................................................................................................15
2.1.3. Biện pháp thi công ......................................................................................18
2.1.4. Ưu điểm, nhược điểm .................................................................................18


2.2. GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG THÉP HÌNH ...................................................18
2.2.1. Phần cấu tạo ................................................................................................19
2.2.2. Phần thiết kế................................................................................................22
2.2.3. Biện pháp thi công ......................................................................................25
2.2.4. Ưu điểm, nhược điểm .................................................................................25
2.3. GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU CỐT SỢI TỔNG
HỢP FIBER REINFORCED POLYMER (FRP) ..........................................................26
2.3.1 Cấu trúc và đặc tính cơ học của vật liệu FRP ..............................................26
2.3.2. Cơ sở thiết kế ..............................................................................................33
2.3.3. Biện pháp thi công ......................................................................................35
2.3.4. Ưu điểm và nhược điểm: ............................................................................39
2.3.5. Kết luận chương ..........................................................................................40
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................................. 41
1.5. GIA CƯỜNG CỘT BẰNG TĂNG TIẾT DIỆN ....................................................45
3.1.1. Tính khả năng chịu lực của cột ...................................................................45
3.1.2. Tính chi phí thi cơng ...................................................................................47
3.2. GIA CƯỜNG CỘT BẰNG THÉP HÌNH ..............................................................49
3.2.1. Tính khả năng chịu lực (chọn cột C2 trục B-11) (cột 69) ..........................49
3.2.2. Tính chi phí thi công (cho trường hợp cột chịu nén đúng tâm) ..................51
3.4. TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ .......................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT
BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
Học viên: Nguyễn Ngọc Hải Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình DD và CN
Mã số: 8580201, Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Cột bê tông cốt thép có thể bị xuống cấp và không còn đủ khả năng chịu lực
trong quá trình sử dụng do nhiều nguyên nhân như do các sai sót trong quá trình xây dựng,
thay đổi công năng sử dụng công trình, hư hỏng do tác động của môi trường hay do các sự cố,
hỏa hoạn và động đất. Có nhiều phương pháp để gia cường các cột bê tông cốt thép này. Luận
văn đã phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các phương án gia cường cột bê tông cốt
thép khác nhau, bao gồm phương pháp tăng kích thước tiết diện, phương pháp ốp thép hình
hay dán tấm tấm sợi tổng hợp FRP. Ba phương pháp này được ứng dụng vào gia cường một
công trình cụ thể bằng bê tông cốt thép; từ đó hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các phương án
được so sánh và nhận xét.
Từ khoá – gia cường; cột bê tông cốt thép; tăng kích thước tiết diện; ốp thép hình; FRP.
EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF VARIOUS
METHODS OF STRENGTHENING REINFORCED CONCRETE COLUMNS FOR CIVIL
ENGINEERING STRUCTURES

Abstract: Reinforced concrete columns can become deficient during their service life
due to construction errrors, functional changes, damage accumulated over time or caused by
accidental overloading, fire or earthquakes. There are several methods of strengthening these
reinforced concrete columns. This thesis investigated the technical and economic
characteristics of various methods of strengthening reinforced concrete columns, including
reinforced concrete jacketing, steel jacketing with steel angles and strips, and using fiber
reinforced polymer (FRP). Application of these three strengthening methods into a real
reinforced concrete building was carired out; and their technical and economic efficiency was

compared and remarked.
Key words – strengthening; reinforced concrete column; reinforced concrete jacketing;
steel jacketing; FRP


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACI
AFRP
BTCT
CFRP
FRP
GFRP

American Concrete Institu
Aramid Fiber Reinforced Polymer
Bê tông cốt thép
Carbon Fiber Reinforced Polymer
Fiber Reinforced Polymer
Glass Fiber Reinforced Polymer


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Các đặc trưng loại sợi cacbon khác nhau

29

2.2.

Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau

29

2.3.

So sánh đặc trưng 3 loại sợi

30

2.4.

Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền

31

2.5.

Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP

32

2.6.

Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP

32

3.1.

Bảng tra nội lực cột (theo tính toán thiết kế)

44

3.2.

Tổng hợp kinh phí Gia cường cột bằng tăng tiết diện

47

3.3.

Bảng dự toán gia cường cột bằng tăng tiết diện

48

3.4.

Tổng hợp kinh phí Gia cường cột bằng thép hình

51

3.5.

Dự toán gia cường cột bằng thép hình

52

3.6.

Tổng hợp kinh phí gia cường cột bằng tấm sợi FRP

55

3.7.

Bảng dự toán gia cường cột tằng FRP

56

3.8.

Tổng hợp đánh giá hiệu quả các phương án gia cường cột bê tông
cốt thép

57


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1.

Mặt cắt bê tơng

5

1.2.

Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép

6

1.3.

Ăn mòn bê tông cốt thép

7

1.4.

Rỗ tổ ong

8

1.5.

Nứt bê tông do co ngót

9

1.6.

Bê tông bị phá hoại

12

2.1.

Gia cường cột bằng tăng tiết diện

14

2.2.

Tăng tiết diện cột

15

2.3.

Tiết diện cột sau khi gia cường

16

2.4.

Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bằng tăng
tiết diện

16

2.5.

Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bé bằng
tăng tiết diện

17

2.6.

Gia cường cột bằng ốp thép hình

20

2.7.

Chi tiết cấu tạo khớp và gối tựa

21

2.8.

Sơ đồ tính toán cột chịu nén lệch tâm lớn bằng thép hình

23

2.9.

a) Gia cường kiểu khô; b) gia cường kiểu ướt

25

2.10.

Một số sản phẩm vật liệu FRP

26

2.11.

Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở
Mỹnăm 2004

27

2.12.

Cấu trúc của vật liệu FRP cốt sợi

28

2.13.

Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP

32

2.14.

Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng kém

35

2.15.

Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm bằng keo
chuyên dụng

35

2.16.

Công tác bo tròn cạnh với bán kính tối thiểu 20mm

36

2.17.

Công tác vệ sinh bề mặt

36

2.18.

Quy trình thi công quét keo lên bề mặt kết cấu

37

2.19.

Tẩm keo lên tấm sợi (trường hợp tăng cường cho cột)

37

2.20.

Công tác dán tấm sợi carbon cho cột

38

2.21.

Cơng tác hồn thiện

38

3.1.

Mặt đứng cơng trình hiện trạng

42


Số hiệu hình

Tên hình

Trang

3.2.

Mặt đứng cơng trình sau khi nâng tầng

43

3.3.

Sơ đồ không gian

44

3.4.

Cột C2 trục B-11 (hiện trạng)

45

3.5.

Tiết diện cột gia cường

45

3.6.

Cột C2 tầng 1 (trục B-11) – sau khi gia cường

46

3.7.

Tiết diện cột ban đầu

49

3.8.

Chi tiết cột gia cường bằng thép hình

51

3.9.

Tiết diện cột ban đầu

53


1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết nghiên cứu
Kết cấu cột bê tông cốt thép trong những công trình đã sử dụng lâu năm bị
xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng, khí hậu,
hố chất ăn mòn, sự cố… Hay những cơng trình bị hư hỏng do những sai sót trong
các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như
cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết
cấu, thay đổi tải trọng và những cơng trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt

bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… Những tác động này dẫn đến tình trạng kết
cấu khơng còn đáp ứng được cơng năng sử dụng hoặc mất an toàn về phương diện
chịu tải. Với những tác động đặc biệt có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng cho
công trình. Để cải thiện về mặt chịu tải trọng, cũng như công năng nhằm đảm bảo an
toàn, tăng tuổi thọ hoặc tăng hiệu quả sử dụng cơng trình, cột bê tơng cốt thép cần
phải được gia cường.
Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã ứng dụng một số phương pháp gia cường
cột bê tơng cốt thép trong cơng trình dân dụng như: phương pháp tăng tiết diện,
phương pháp ốp thép hình hay phương pháp dán tấm sợi tổng hợp Fiber Reinforced
Polymer (FRP)… Mỗi phương án đều cho hiệu quả khác nhau và có ưu nhược điểm
riêng. Việc áp dụng một phương án đạt hiệu quả nhất về kinh tế cũng như đáp ứng các
yêu cầu kỹ thuật trong công tác gia cường khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép
luôn được chủ đầu tư và các nhà tư vấn thiết kế quan tâm.
Vì vậy, đề tài “Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia cường
cột bê tông cốt thép cho các cơng trình dân dụng” có ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu quá trình xuống cấp và hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép.
- Nghiên cứu các phương án gia cường cột bê tông cốt thép.
- So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án gia cường cột
bê tông cốt thép.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các phương án gia cường cột bê tông cốt thép.
- Phạm vi nghiên cứu: Cột bê tông cốt thép trong các công trình dân dụng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán các phương án gia cường dựa trên các
tiêu chuẩn và các hướng dẫn thiết kế.
- Tổng hợp, phân tích để đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án


2

gia cường.
5. Bố cục luận văn
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CỐT THÉP, Q TRÌNH XUỐNG
CẤP VÀ NGUN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BTCT
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG CỐT THÉP, Q TRÌNH XUỐNG
CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT
1.1. BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1.1. Đặc điểm
Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê
tông và thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây
dựng hiện nay, là loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến. Sản phẩm của nó là sự kết
hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực của các cơng
trình.
Bê tơng có khả năng chịu nén khá nhưng khả năng chịu kéo lại rất kém. Thép
là vật liệu chịu nén hoặc chịu kéo đều tốt. Đặt cốt thép vào bê tông để tăng khả năng
chịu lực cho kết cấu, đó chính là bê tông cốt thép. Sự kết hợp này đem lại nhiều ưu
điểm nổi bật cho bê tông cốt thép. Về cơ bản trong cấu kiện bê tông cốt thép thì cốt
thép sẽ chịu ứng suất kéo cịn bê tơng chịu ứng suất nén. Vì cốt thép chịu nén và kéo
đều tốt, còn nhược điểm của bê tông là: chỉ chịu nén tốt, cịn chịu kéo thì kém. Trong
dầm bê tông cốt thép, thép dọc được đặt vào vùng kéo do uốn, thép xiên ở vùng chịu
ứng suất kéo chính. Ngồi ra, thép dọc cũng được đặt vào vùng nén để giảm kích
thước tiết diện.

Bê tơng và cốt thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do: Bê tơng và cốt thép dính
chặt với nhau nên có thể trùn lực qua lại. Lực dính có tầm quan trọng hàng đầu. Nhờ
có lực dính mà cường độ của thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt (của bê tông)
trong vùng kéo mới bị hạn chế …Vì vậy, người ta tìm mọi cách để tăng cường lực
dính giữa bê tông và cốt thép.
Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hố học. Bê tơng bao bọc cốt
thép, bảo vệ, chống lại sự xâm thực của môi trường. Vì vậy, khi thi cơng kết cấu bê
tơng cốt thép phải rất thận trọng khi dùng các phụ gia (hố dẻo hoặc đơng cứng), phải
đầm kỹ bê tơng để đạt tới độ sít chặt cần thiết.
Cốt thép và bê tơng có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau (của bê tông = 0,00001 :- 0,000015), của thép = 0,000012). Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông
thường (dưới) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, khơng phá hoại
lực dính giữa chúng. Bê tơng có đặc tính chịu kéo kém, khi có cốt thép nhược điểm
này sẽ được khắc phục do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt.
Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trường. Bê tông giữ cốt thép


4
khỏi bị ăn mòn. Do đó lượng xi măng tối thiểu phải là và chiều dày lớp bảo vệ phải
được chọn tuỳ theo loại cấu kiện và môi trường làm việc của nó.
Ưu, nhược điểm
Ưu điểm của việc sử dụng vật liệu xây dựng bê tông cốt thép là tạo cho kết cấu
công trình nhà có độ cứng cao hơn nhiều so với sử dụng vật liệu thép, và điều này rất
cần thiết trong xây dựng. Nhưng nhược điểm của vật liệu bê tông cốt thép là có cường
độ chịu lực khá thấp và tính dẻo khơng cao...
1.1.2. Vật liệu cấu thành bê tông
Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế từ các loại vật liệu rời, chất kết dính và phụ
gia (nếu có)
+ Cốt liệu rời (cát, đá dăm, sỏi ...)
• Cát – cốt liệu bé: Có kích thc (1ữ5) mm
ã Soi, a dm ct liu lp: Có kích thước (5÷40) mm

+ Chất kết dính: Chất kết dính thông thường là vữa xi măng. Vữa xi măng là
hỗn hợp giữa xi măng và nước phản ứng với nhau tạo nên sản phẩm thủy hóa và các lỡ
rỡng chứa nước. Sản phẩm thủy hóa chủ yếu là các gel canxi silicat thủy hóa vơ định
hình và canxi hydroxit. Rất nhiều các sản phẩm nhỏ khác cũng được hình thành, đáng
kế như các pha của khoáng aluminat (Taylor 1997). Có rất nhiều loại xi măng, phổ
biến là xi măng Portland thường (OPC) được sản xuất bởi đốt nóng các nguyên liệu
thô chứa canxi và silica đến nhiệt độ cao và nghiền mịn clinker. Tro bay từ nhà máy
điện và xỉ của cát nhà máy luyện thép cũng có tính chất tương tự xi măng và tro nhiên
liệu nghiền (PFA) hay xỉ lị cao (GGBS) có thể dùng thay thế xi măng Portland trong
bê tông. Điển hình như trong xi măng có chứa đến 35% PFA hay 70% GGBS. Các hạt
silica siêu mịn và metakaolin là những vật liệu có tính chất xi măng khác cũng có thế
được trộn với xi măng Portland với hàm lượng nhỏ hơn. Những hỗn hợp xi măng như
vậy được dùng nhằm cải thiện tính chất của bê tông và đôi khi hạ giá thành sản xuất.
+ Phụ gia: Cải thiện một số tính chất của bê tông trong quá trình thi công cũng
như trong quá trình sử dụng như lượng nước nhào trộn, độ ninh kết, lưu động, cường
độ bê tông, chống ăn mòn, chống thấm ...
Có thể ví dụ như các phụ gia siêu dẻo, các phụ gia chống thấm, các phụ gia cuốn
khi và các chất làm chậm hay tăng tốc quá trình thủy hóa của xi măng. Phụ gia siêu
dẻo cải thiện tính cơng tác của bê tơng, vì thế cho phép giảm lượng nước nhào trộn đến
20%. Phụ gia cuốn khí dùng để cải thiện khả năng chống sự xuống cấp của bê tông do
quá trình đóng tan băng. Bê tông phải duy trì tính công tác trong khi đổ vào ván
khn. Các phụ gia kiềm hãm q trình thủy hóa có thế được dụng nhằm kéo dài thời
gian ninh kết, trong khi các phụ gia đóng rắn nhanh có tác dụng rút ngắn thời gian ninh


5
kết, nhanh chóng đạt cường độ sau khi đổ bê tông.
Nguyên lý cấu tạo bê tông: Là các cốt liệu lớn làm bộ xương, cốt liệu nhỏ lắp đầy
khoảng trống, chất kết dịnh có tác dụng liên kết các cốt liệu lại với nhau tạo nên thể
đặc chắc có khả năng chịu lực, chống lại biến dạng.

Hình 1.1. Mặt cắt bê tơng
1.3. Tính chất của bê tơng
- Bê tơng là vật liệu có cường độ chịu nén cao, phát triển cường độ chịu nén rất
nhanh. Chất lượng bê tông hợp lý có thể đạt cường độ lớn hơn 40 Mpa. Bê tông có khả
năng chịu nén rất tốt. Nhưng có khả năng chịu kéo lại rất kém (kém từ 8-15 lần so với
khả năng chịu nén).
- Cốt thép được dùng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo bê tơng
Bê tơng có các lỡ rỡng và chúng ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của bê
tơng. Canxi-silicat thủy hóa, sản phẩm chính của q trình thủy hóa, có độ rỗng
khoảng 28% (lỗ rỗng gel). Nước dư thừa sẽ chiếm chổ trong bê tơng, dẫn đến sự hình
thành các lỗ rỗng mao dẫn. Trong bê tông cũng có chứa khơng khí và các lỡ rỡng khác.
Các lỡ rỡng mao dẫn có đường kính đến 1µm, trong khi các lỡ rỡng gel có đường kính
vài nm. Những bọt túi cuốn khí điển hình có đường kính 0.1 mm và được phân bố
khắp nơi trong vữa xi măng. Những khuyết tật khác cũng có thể tồn tại như các vết nứt
bên trong, các lỗ rỗng bên dưới hạt cốt liệu, và rỗ “tổ ong” (Glass and Buenfeld,
2000a). Các chất dẫn điện thường xuất hiện bên trong các lỗ rỗng và các khuyết tật lớn
hơn trong bê tông. Nó chứa các ion như Na+, K+, Ca2+, OH- và SO42-, cũng như oxy
hòa tan. Điểm đáng chú ý của xi măng thủy hóa là các pha chứa nước nhanh chóng đặt
được pH cao. Hơn nửa, vật liệu có phần lưu trữ kiềm dưới dạng các sản phẩm thủy hóa
hịa tan chống lại sự giảm pH ở các giá trị trên 10. Dung dịch có tính kiềm trong các lỡ
rỡng của bê tơng tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt
thép. Lớp thụ động được hình thành từ các oxit khơng hịa tan, sản phẩm của các phản
ứng nhiệt động học giữa thép, nước và oxy trong mơi trường có pH cao. Màng thụ
động đóng vai trò lớp rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép. Sự xâm nhập của các
chất độc hại có thể diển ra trong bê tơng qua hệ thống lỗ rỗng, thường chủ yếu qua các


6
lỗ rỗng mao dẫn. Vết nứt sẽ phát triển ở những nơi bê tông chịu ứng suất kéo và cốt

thép chịu tải trọng, do đó sẽ làm giảm chức bảo vệ của lớp bê tông bảo vệ. Cũng có rất
nhiều ngun nhân khác nhau gây co ngót của bê tơng có thể gây ra các vết nứt trong
bê tơng.
1.2. Q TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT
1.2.1. Các quá trình xuống cấp

Hình 1.2. Quá trình xuống cấp của bê tơng và ăn mịn cốt thép
Có rất nhiều quá trình làm giảm chất lượng của các công trình bê tông cốt thép,
bao gồm quá trình xuống cấp của chính vật liệu bê tông và quá trình ăn mòn cốt thép.
1.2.2. Ăn mòn sun phát
Ăn mòn sun phát do quá trình phản ứng hóa học giữa sun phát hòa tan và các
thành phần trong xi măng. Các sản phẩm hình thành chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều
so với các chất mà chúng đã thay thế và làm cho vữa xi măng bị phá hoại; do đó gây ra
giãn nở và phá hoại bê tông. Sự phá hoại do sun phát có thể bao gồm sự hình thành
ettringite, quá trình ettringite muộn và sự hình thành thaumasite (Hobb,2001).
Ettringite hay Canxi aluminum sun phát hydroxit thủy hóa
(Ca3Al2(SO4)3(OH)12.26H2O) được hình thành từ phản ứng giữa ion sun phát và các
pha aluminat trong xi măng. Nó được hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng khi
canxi sun phát được trộn vào trong bê tông để kiểm soát quá trình thủy hóa. Nó là chất
có tính giãn nở nhưng chỉ có tác dụng phá hoại khi hình thành sau khi xi măng đã hóa
cứng. Trường hợp phổ biến của quá trình ăn mòn sun phát là quá trình xâm thực sun
phát từ môi trường bê ngoài và trong bê tông và tạo ra ettringite. Các góc cạnh đặc biệt


7
rất dễ bị ảnh hưởng và kết quả là bề mặt bê tông dễ bị phá vỡ
Thaumasite
hay
Canxi
silicat

cacbon
sun
phát thủy
hóa
(Ca3Si(OH)6CO3SO4.12H2O) được hình thành do sun phát xâm nhập vào bê tông hay
vữa. Nó thường bắt gặp ở môi trường ẩm và lạnh như các công trình ngầm và các điều
kiện có sẵn sun phát, cacbonat và nước. Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi thường bị ảnh
hưởng của thaumasite, bởi chúng là nguồn cung cấp ion cacbonat. Thaumasite trương
nở và tác động đến cả hồ xi măng và cốt liệu.

Hình 1.3. Ăn mịn bê tơng cốt thép
1.2.3. Phản ứng kiềm – silica
Phản ứng kiềm - silica là phản ứng hóa học giữa các khoáng silic trong cốt liệu
với kiềm trong bê tông. Phản ứng tạo ra gel trương nở khi xi măng hình thành cường
độ, gây ứng suất bên trong dẫn đến giãn nở và nứt bê tông.
Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và mức độ giản nở gồm hàm lượng
kiềm, lượng cố liệu hoạt tính và kích thước hạt, độ ẩm của bê tông, sự chênh lệch độ
ẩm, nhiệt độ và tính xuyên thấm của bê tông. Hàm lượng kiềm (đo bằng hàm lượng
Natri và Kali trong dung dịch PH cao chứa trong lỗ rỗng bê tông) phụ thuộc vào loại xi
măng.
1.2.4. Các dạng phá hoại khác
Ngoài các phá hoại trên các dạng suy giảm chất lượng bê tông khác ít phổ biến
như:
Ảnh hưởng của các chất hóa học tác động đến bê tông, chúng phá hủy hồ xi
măng, làm suy yếu bê tông. Trong nhiều trường hợp, khả năng của bê tông đối với các
dạng phá hoại trên được xác định chủ yếu bởi khả năng chống xuyên thấm của các tác
nhân gây hại.


8

Sự phá hoại của nước biển do phản ứng hóa học của sun phát trong nước biển
cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong lỗ rỗng. Bởi vì quá trình kết tinh của
muối xảy ra do sự bay hơi cửa nước, do đó những phần bê tông ở vùng mực nước thay
đổi thì sự phát triển này diễn ra rất mạnh mẽ.
Tác động chủ yếu của lửa là gây ra biên độ thay đổi nhiệt rất lớn trong bê tông.
Sự khác nhau về sự giản nở nhiệt làm bong vỡ lớp phủ bề mặt và giảm cường độ. Ảnh
hưởng trực tiếp của nhiệt độ đến cường độ của bê tông là nhỏ. Sự mất độ ẩm khi nhiệt
độ cao có thể dẫn đến sự suy giảm cường độ và tính đàn hồi.
1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT
1.3.1. Bê tông bị rỗ
Hiện tượng này khá phổ biến trong quá đúc bê tông làm giảm khả năng chịu lực
của kết cấu và kết cấu dễ bị xâm thực từ môi trường ngoài gây nên hư hỏng và sập đổ
công trình, có 3 loại rỗ như sau:
- Rỗ mặt hay rỗ tổ ong, các lỗ rỗ này chỉ có độ sâu từ 1-2 cm, thành từng mảng
trên mặt kết cấu;

Hình 1.4. Rỗ tổ ong
Rỡ sâu, với loại rỗ này người ta có thể dung thanh sắt bảy rời các viên cốt liệu
không được vữa xi măng liên kết chặt, cho đến khi gặp lớp bê tông quánh chắc bê
trong, thì đã hình thành một lỗ sâu trong bê tông để lộ cốt thép ra ngoài;
Rỗ thấu suốt là lạo rỗ ăn thông qua hai mặt của kết cấu.
Những nguyên nhân gây ra hiện tượng rỗ:
- Bê tông bị phân tầng khi chiều cao rơi bê tông không đảm bảo yêu cầu;
- Công tác thi công đầm không tốt;
- Bê tông bị mất nước xi măng hoặc độ sụt không đạt yêu cầu;
- Thành phần cấp phối không hợp lý;
- Cự ly cốt thép không đúng quy định.


9

1.3.2. Bê tông bị rỗng
Hiện tường bê tông trong kết cấu bị rỗng là vì vữa bê tông trong khi đổ bị ngăn
chặn ở một đoạn nào đó và thường xuyên xuất hiện ở những vị trí sau:
- Ở mặt dưới của dầm bê tông, cốt thép hầu như nằm lộ hẳn ra ngoài, hoàn toàn
không có lớp bảo vệ, sở dĩ có hiện tường này vì khi đổ bê tông lượng cốt thép bố trí
quá dày nên hỗn hợp bê tông không thể xuống đến dưới mà chỉ có vữa xi măng xuống,
cốt liệu lớn đã bị cốt thép giữ lại;
- Ở các góc nối giữa dầm với cột, nơi bê tông cột co ngót bị cản trở bởi bê tông
dầm vẫn được chống đỡ căng bên dưới, cốt thép đầu cột tường bị trơ trụi ra, phần bê
tông tựa của dầm lên cột hoàn toàn như không có;
- Ở các nơi có bản thép chôn sẵn để hàn liên kết các kết cấu với nhau, khi đúc bê
tông, vữa không chui xuống được dưới bản thép đó, nên hình thành khoản trống rỗng
bên dưới.
1.3.3. Bê tông bị nứt nẻ
Hiện tượng bê tông bị nứt là triệu chứng bê tông chịu ứng suất và biến dạng, có
những ứng suất tự bản thân bê tông gây ra trước khi chịu tải do co ngót trương nở hoặc
phản ứng phát nhiệt trong bê tơng.
a. Vết nứt do co ngót
Loại vết nứt này thường được xuất hiện trong bề mặt của bê tơng do q trình co
ngót khơng đều. Ngun nhân là do hàm lượng xi măng quá nhiều trong hỗn hợp bê
tông, do đặc điểm của dạng kết cấu, do cách bố trí cốt thép khơng phù hợp vv...

Hình 1.5. Nứt bê tơng do co ngót


10
b. Vết nứt nghiêng
Vết nứt này thường xuất hiện ở bụng do ứng suất chủ quá lớn
c. Vết nứt dọc
Chúng xuất hiện ở chổ tiếp giáp đáy bản mặt cầu giáp với phần sườn dầm, được

coi là nguy hiểm vì giảm năng lực chịu tải của kết cấu nhịp. Nguyên nhân chính là do
sai sót trong công nghệ chế tạo kết cấu.
d. Vết nứt ngang ở đoạn đầu dầm
Xuất hiện do ứng suất cục bộ quá lớn ở bê dưới mấu neo cốt thép
e. Vết nứt ở bên trên thớt gối
Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm
không hợp lý. Sự làm việc của thớt gối có ảnh hưởng đến loại vết nứt này.
1.3.4. Bê tông bị vỡ
Bê tông bị vỡ thành từng mảng thường xảy ra ở các góc, mép cạnh kết cấu và cả
trên mặt tấm bê tông.
Nguyên nhân:
- Sử dụng cốt liệu kém phẩm chất;
- Sỏi đá chưa rửa sạch, còn lẫn nhiều đất bẩn.
1.3.5. Bê tông quá khô
Do bê tông không được bảo dưỡng tốt, không được tưới nước thường xuyên, bị
mất nước nhanh bê tông không đủ nước để thủy hóa xi măng dẫn đến cường độ của bê
tông giảm đi rõ rệt.
1.3.6. Suy thối của bê tơng
Bê tơng là loại vật liệu dễ bị nứt, các vết nứt làm giảm độ cứng của tiết diện, làm
môi trường vật liệu bị đứt đoạn và là triệu chứng của sự phân bố lại nội lực giữa bê
tông và cốt thép
Bê tông có độ rỗng xốp lớn có thể lên tới 40% thể tích; dù bê tông có chất lượng
tốt thì thì dộ rỗng xốp xấp xỉ 10% thể tích của bê tông. Và các lỗ rỗng này sẽ thấm
nước là nguyên nhân gây suy thoái chất lượng bê tông.
Sự lão hóa của bê tông bắt đầu bởi các khe nứt trong quá trình thi công hoặc khai
thác, các chất nguy hại cho bê tông và cốt thép sẽ xâm thực bê tông và cốt thép
1.3.7. Sự làm việc mỏi của BTCT thường
Mỏi là một quá trình thay đổi lâu dài cấu trúc bên trong vật liệu, phụ thuộc vào
tải trọng lặp. Trong bê tông, những thay đổi này liên quan mật thiết đến sự hình thành
và phát triển các vết nứt nhỏ bên trong, và sự phá vỡ lực dính. Từ đó có thể dẫn đến

những hư hỏng nhanh của bê tông, cốt thép và tiếp theo là hư hỏng kết cấu công trình.


11
a) Bê tông chịu lực mỏi
Cơ học của sự nứt mõi bê trong bê tông hoặc vữa có thể chia thành ba giai đoạn.
Giai đoạn thứ nhất từ những vùng bị yếu bên trong bê tông hoặc vữa và được coi là sự
mở đầu cho các vết nứt. Giai đoạn thứ hai là sự hình thành chậm các vết nứt với kích
thước nói chung nhỏ. Còn giai đoạn thứ ba diễn ra khi có sự hình thành đủ các vết nứt
gây mất ổn định hoặc kích thước các vết nứt tăng lên làm thu hẹp diện tích mặt cắt của
kết cấu, nên kết cấu không còn đủ khả năng chịu tải như khi tính toán dẫn đến hư
hỏng.
Ở giai đoạn đầu, bê tông thường chịu nén có điều chỉnh lực hoặc chịu lực kéo
mỏi có ứng suất tăng mạnh một thời gian ngắn, sau đó đều đặn tăng nhẹ trong giai
đoạn hai và ở giai đoạn cuối thì ứng suất tăng trở lại một cách đáng kể trước khi mẫu
bị phá hoại. Modun đàn hồi của bê tông giảm đáng kể trong suốt thời gian thí nghiệm
do sự hình thành vết nứt rất nhỏ.
Dưới lực nén dọc trục, có sự rạn nứt nhỏ trong giai đoạn cuối này. Các vết nứt
xuất hiện thêm và nối lại, song song với hướng lực tác dụng trên bề mặt của mẫu dẫn
đến hư hỏng tiếp theo. Bê tông chịu ứng suất đổi chiều bị hư hỏng nhanh hơn, có thể
giải thích do sự tương tác giữa các vết nứt nhỏ có hướng khác nhau do lực nén và lực
kéo gây ra.
b) Cốt thép chịu lực mỏi
Tuổi thọ mỏi của cốt thép có thể được chia thành pha rạn nứt đầu tiên, pha lan
truyền vết nứt một cách đều đặn và pha gãy dòn của tiết diện còn lại. Vết nứt ban đầu
ở thanh thép có gờ thường bắt đầu ở góc các gờ nơi mà có ứng suất tập trung.
c) BTCT thường chịu lực mỏi
- Mỏi do uốn: Lực mỏi gây ra phá hoại dần lực dính giữa bê tông và cốt thép. Bề
rộng vết nứt sẽ lớn hơn và phần bê tông chịu kéo sẽ nhỏ hơn, kết quả là độ võng lớn
hơn. Sự hư hỏng thường xảy ra do cốt thép chịu kéo hư hỏng mỏi. Một dạng hư hỏng

cơ học khác là do bê tông vùng nén bị ép vỡ;
- Mỏi do cắt: Dầm không có cốt thép chịu cắt phát triển vết nứt sau vài chu kỳ
đầu tiên, biến dạng chỉ tăng ít. Vết nứt cắt tới hạn xuất hiện xuyên qua các vết nứt uốn.
Chiều rộng của vết nứt này không theo sự thay đổi ứng suất nào và kết quả là dầm bị
hư do mỏi của các thanh nén chống. Các dầm có cốt thép chịu cắt xuất hiện hư hỏng
mỏi của cốt đai hoặc phá vỡ bê tông xung quanh.
1.3.8. Bê tông bị phá hoại
Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình
thái khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố do
những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công. Những tác động này dẫn


12
đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất an
toàn về phương diện chịu tải. Với những tác động đặc biệt như động đất, cháy nổ... có
thể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặc
toàn bộ cơng trình

Hình 1.6. Bê tơng bị phá hoại

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương I trình bày tổng quan về bê tông cốt thép, quá trình xuống cấp và
nguyên nhân hư hỏng của bê tông cốt thép. Trong chương tiếp theo sẽ trình bày về các
phương án gia cường cột bê tông cốt thép.


13

CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

Cấu kiện cột bê tông cốt thép được đánh giá là nguy hiểm khi có một trong
những hiện tượng sau:
+ Cột chịu lực có vết nứt thẳng đứng, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, cốt thép
chịu lực lộ ra do bị ăn mòn, hoặc một bên có vết nứt ngang với bề rộng lớn hơn 1 mm,
một bên bê tông bị nén vỡ, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn;
+ Cột bị nghiêng, chuyển vị ngang và độ nghiêng vượt quá 1% độ cao, chuyển vị
ngang vượt quá h/500; (h – chiều cao tính toán của cột)
+ Bê tông cột bị mủn, bị carbonat hoá, phồng rộp, diện tích hư hỏng lớn hơn 1/3
toàn mặt cắt, cốt thép chịu lực lộ ra, bị ăn mòn nghiêm trọng;
+ Cột biến dạng theo phương ngang lớn hơn h/250, hoặc lớn hơn 30 mm;
Kết cấu bê tông cốt thép cần được gia cường trong các trường hợp:
+ Khi tình trạng hư hỏng của kết cấu đã đến mức không thể áp dụng các biện
pháp sửa chữa để phục hồi khả năng chịu tải;
+ Khi có sự thay đổi về công năng sử dụng, khả năng chịu tải của kết cấu cũ
không còn đáp ứng được sự tác động của tải trọng mới với sơ đồ tính toán tương ứng.
Thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép phải dựa trên các nguyên tắc:
+ Phù hợp với yêu cầu sử dụng công trình, kết cấu sau gia cường không gây cản
trở đến hoạt động khai thác công trình;
+ Đảm bảo khả năng chịu tải trọng tác động.
+ Yêu cầu kết cấu đơn giản, đạt hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật;
+ Dễ thi công, phù hợp với điều kiện vật liệu, phương tiện và trình độ thi công.

2.1. GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG TIẾT DIỆN
2.1.1. Phần cấu tạo
Cột bê tông cốt thép có thể gia cường bằng một lớp vỏ áo cũng bằng bê tông cốt
thép (hình 2.1) với những cốt dọc và cốt đai đặt theo tính toán.
Chiều dày lớp vỏ áo phải lớn hơn 5cm nếu đúc bê tông có cốt pha và phải lớn
hơn 3cm nếu áp dụng biện pháp phun bê tông. Trước khi đổ bê tông phải đập vỡ các
cạnh góc cột và gia công mặt bê tông cũ.
Trong trường hợp làm vỏ áo chung quanh cột gặp khó khăn, ví dụ như cột ở gần

mạch lún, mạch nhiệt, hoặc cột ở sát tường thì gia cường cột bằng cách tăng tiết diện
cột một phía hoặc hai phía.


14
a)

b)

Hình 2.1. Gia cường cột bằng tăng tiết diện
a) Vỏ áo có cốt đai xoắn ốc; b) Vỏ áo có cốt đai vòng kín
Các thanh cốt thép dọc cũ và mới được hàn với nhau bằng các đoạn thép ngang
ngắn hoặc bằng thép đai, tùy theo điều kiện cần tăng khả năng chịu lực của cột lên ít
hay nhiều.
Gia cường cột bằng cách mở rộng tiết diện không cần phải làm suốt chiều dài cột mà
có thể gia cường cục bộ ở những nơi hư hỏng hay ứng suất quá lớn.
Gia cường những cột nhà nhiều tầng đúc bê tông toàn khối thì phải khoan những
lỗ xuyên sàn tầng để cho cốt dọc đi qua.
Tùy theo tải trọng truyền xuống móng nhỏ hay lớn mà xem xét có tăng diện tích
đế móng hay không, đôi khi phải hạ thêm cọc và làm đài cọc bê tông cốt thép để
truyền tải xuống các cọc mới.
Thông thường thì vỏ áo cột gia cường nối liền vỏ áo móng gia cường, nếu như cột
khơng cần thiết phải gia cường móng thì vỏ áo móng nên kéo dài lên cao quá chân cột độ
1-1,5m.
Mặt ngoài vỏ áo móng thường dốc, khi đúc bê tông cần làm cốt pha ngoài.
Thực tế cho thấy có thể tăng khả năng chịu tải của kết cấu lên 1,5 ÷ 2 lần và tiết
kiệm được vật liệu.
Tăng về 2 phía hoặc 1 phía tuỳ theo yêu cầu. Chiều cao tăng phụ thuộc kết quả
tính toán. Đường kính cốt dọc từ ф14 ÷ ф 25
Tăng tiết diện bằng cách ốp bốn phía. Phương pháp này rất thích hợp với cột.

Cốt thép và chiều dày của bê tông ốp xác định theo tính toán