Ưu điểm và nhược điểm của bê tông nhẹ trong xây dựng công trình
Gần đây, bê tông nhẹ đã được coi là thủ phạm chính gây ra các hư hỏng liên quan đến độ ẩm của hệ thống sàn dính. Mặc dù kỹ thuật xây dựng nhanh chóng và những thay đổi bắt buộc của chính phủ đối với chất kết dính sàn cũng góp phần gây ra những vấn đề này, nhưng một số nhà phê bình cho rằng hậu quả của việc hỏng sàn hoàn thiện lớn hơn những lợi ích mà bê tông nhẹ có thể mang lại cho một dự án. Trước tranh cãi này, cần đánh giá những ưu và nhược điểm của bê tông nhẹ, không chỉ xem xét các tương tác của nó với hệ thống sàn mà còn cả cách nó ảnh hưởng đến các khía cạnh của công trình như trọng tải thép, nền móng và xếp hạng chịu lửa của sàn. Bất chấp những thách thức liên quan đến độ ẩm mà bê tông nhẹ đặt ra,
Bê tông nhẹ là gì?
Bê tông nhẹ không có gì mới. Nó đã tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau trong nhiều thế kỷ. Có nhiều loại bê tông nhẹ, dẫn đầu xu hướng thị trường có tấm bê tông siêu nhẹ DURAflex. Đối với mục đích của bài viết này, chúng tôi chỉ xem xét kết cấu bê tông nhẹ: hỗn hợp của xi măng pooc lăng, nước, cốt liệu mịn (cát) và cốt liệu đất sét, đá phiến sét hoặc đá phiến thô trương nở. Trong khi hỗn hợp bê tông trọng lượng bình thường thường nặng 145 đến 155 pcf, bê tông nhẹ thường nặng 110 đến 115 pcf. Bê tông nhẹ kết cấu thường có cường độ nén 28 ngày tương đương với bê tông trọng lượng bình thường.
Sự khác biệt cơ bản giữa bê tông trọng lượng bình thường và bê tông nhẹ cho các ứng dụng kết cấu là vật liệu tổng hợp thô. Cốt liệu có trọng lượng bình thường thường là đá nghiền tự nhiên, trong khi cốt liệu nhẹ được sản xuất bằng cách nung đất sét, đá phiến sét hoặc đá phiến trong lò quay ở nhiệt độ 2.000 ° F. Ở những nhiệt độ này, các tập hợp nở ra và phát triển một mạng lưới các lỗ rỗng bên trong liên kết với nhau (Hình 1) có kích thước từ 5 đến 300 micron (Chua, 2009). Mạng lưới lỗ rỗng bên trong này tạo ra mật độ nhẹ hơn so với cốt liệu tự nhiên. Mặc dù cường độ nén của bê tông nói chung có liên quan đến cường độ nén của cốt liệu thô, Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI) 213R-03 báo cáo rằng đối với cường độ nén của tấm sàn xây dựng điển hình - lên đến khoảng 5,
Hình 1: Hình ảnh hiển vi của bê tông nhẹ cấp phối đá phiến nở và cấp phối cát tự nhiên. Lưu ý độ xốp của cốt liệu đá phiến mở rộng.
Nước trong hỗn hợp bê tông-nhẹ
Bê tông nhẹ thường có liên quan đến sự cố sàn liên quan đến độ ẩm vì nó thường có hàm lượng nước cao hơn đáng kể so với bê tông trọng lượng bình thường. Không giống như cốt liệu tự nhiên, có xu hướng chỉ bão hòa với nước trên bề mặt của chúng, mạng lưới lỗ rỗng của cốt liệu nhẹ hấp thụ và lưu trữ nước bên trong các hạt cốt liệu, giải phóng nước dần dần theo thời gian.
Để hiểu hàm lượng nước ảnh hưởng đến bê tông như thế nào, chúng ta cần xem xét cách phản ứng của nước trong hỗn hợp. ACI 304.2, Đổ bê tông bằng phương pháp bơm, xét đến hai dạng nước trong bê tông nhẹ: nước tự do và nước hấp thụ. Nước tự do ảnh hưởng đến thể tích của hỗn hợp, độ sụt và khả năng làm việc của hỗn hợp, và lượng nước có sẵn cho phản ứng thủy hóa xi măng. Nước hấp thụ được giữ trong các lỗ rỗng của cốt liệu nhẹ. Trong quá trình trộn, một số nước tự do được chuyển thành nước hấp thụ, làm giảm độ sụt và lượng nước có sẵn để hydrat hóa. Ngoài ra, áp lực bơm đẩy thêm nước tự do vào cốt liệu xốp nhẹ, tiếp tục giảm độ sụt giữa phễu bơm và điểm xả. Để giảm lượng nước trộn do cốt liệu nhẹ hấp thụ, các nhà cung cấp bê tông làm bão hòa trước cốt liệu nhẹ để lấp đầy các khoảng trống trước khi trộn.
Trong cả bê tông trọng lượng thường và bê tông nhẹ, nước không được tiêu thụ trong quá trình hydrat hóa của các hạt xi măng bay hơi từ từ qua các bề mặt tiếp xúc của bê tông, như được thảo luận sau, có thể gây ra các vấn đề với lớp hoàn thiện của sàn. Hầu hết tất cả các hỗn hợp bê tông đều chứa nhiều nước hơn mức cần thiết cho phản ứng thủy hóa xi măng, nhưng lượng nước dư thừa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và hoàn thiện. Sau khi hồ xi măng đã đông cứng, phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục, mặc dù với tốc độ chậm hơn, trong suốt vòng đời của bê tông khi lượng nước dư bay hơi. Trong cốt liệu nhẹ, một số nước ở lỗ rỗng hấp thụ sẽ được hút ra ngoài và góp phần làm xi măng ngậm nước hoàn toàn hơn trong một lớp xung quanh cốt liệu, nhưng vẫn sẽ có một lượng đáng kể nước hấp thụ còn lại trong các lỗ rỗng và sẽ thoát ra ngoài theo thời gian.
Với tốc độ xây dựng ngày càng nhanh, việc giảm thời gian khô - khoảng thời gian từ khi kết thúc quá trình bảo dưỡng đến khi có thể lắp đặt hoàn thiện sàn - thường rất quan trọng đối với tiến độ. Các tấm nâng cao trên sàn kim loại dễ bị khô lâu hơn vì nước chỉ có thể thoát qua bề mặt trên cùng của tấm (Hình 2). Ngoại trừ một số kỹ thuật mà chúng ta đã thảo luận ở phần sau của bài viết này, tương đối ít có thể được thực hiện đối với hỗn hợp để giảm thời gian khô ngoài việc giảm lượng nước trong hỗn hợp. ACI 302.2R-96 báo cáo rằng “không có lý do gì để bao gồm hoặc loại trừ bất kỳ vật liệu bê tông nào ngoại trừ việc bổ sung silica fume [thay cho một số xi măng poóc lăng] nhằm giảm thời gian khô cần thiết cho một lượng nước nhất định- tỷ lệ xi măng. Báo cáo lưu ý rằng việc thay thế từ 5% đến 10% xi măng poóc lăng bằng silica fume có thể làm giảm thời gian khô bê tông vài tuần. Tuy nhiên, điều này thường không đủ tiết kiệm thời gian để thi công nhanh chóng.
Hình 2: Đổ bê tông nhẹ trên mặt sàn bằng kim loại composite. Mặt sàn bằng kim loại chỉ cho phép bê tông khô qua bề mặt trên cùng của nó.
Thiết kế bằng bê tông nhẹ
Bất chấp các vấn đề về độ ẩm, bê tông nhẹ mang lại một số lợi ích. Các tấm composite bê tông nhẹ vốn có hiệu quả cao hơn so với các tấm composite có trọng lượng bình thường với các đặc điểm cấu trúc và thiết kế gần giống hệt nhau.
Độ dày của tấm bê tông trên sàn kim loại thường được kiểm soát bởi các yêu cầu về khả năng chống cháy thay vì các yêu cầu về cường độ. Bê tông nhẹ có khả năng chống cháy cao hơn bê tông trọng lượng bình thường do tính dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn. Theo tiêu chuẩn ASTM E119, Phương pháp thử lửa tiêu chuẩn của vật liệu và công trình xây dựng , Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) và Phòng thí nghiệm bảo hành (UL) liệt kê độ dày bê tông tối thiểu cần thiết cho các xếp hạng chống cháy khác nhau. Bảng 1 được tóm tắt từ ANSI / UL 263 Thiết kế số J718.
Bảng 1: Độ dày tấm và đánh giá độ cháy.
Đối với một tấm sàn chịu lửa trong hai giờ, việc sử dụng bê tông nhẹ dẫn đến tiết kiệm vật liệu bê tông khoảng 38% so với bê tông có trọng lượng bình thường. Các tấm sàn nhẹ hơn làm giảm khối lượng tổng thể của tòa nhà, tải trọng địa chấn hiệu quả và tải trọng thiết kế nền móng, đồng thời cũng có thể giảm độ sâu khung thép cần thiết nếu thỏa mãn các tiêu chí về độ võng và độ rung.
Tấm mỏng hơn không phải là không có nhược điểm, nhưng những yếu tố này hiếm khi chi phối thiết kế trong một tòa nhà thương mại điển hình. Tấm bê tông nhẹ mỏng hơn có khả năng chịu uốn giảm, nhưng khả năng này vẫn đủ để hỗ trợ hầu hết các tải trọng sàn thương mại. ACI 318-08 yêu cầu hệ số giảm 0,75 đối với khả năng chịu cắt của bê tông nhẹ. Tuy nhiên, trong các tấm composite, thiết kế thường bị chi phối bởi độ bền uốn. Đối với hầu hết các tòa nhà, việc giảm khả năng cắt màng chắn được bù đắp bởi nhiều lợi ích khác của hệ thống tổng thể.
Ý nghĩa chi phí của bê tông nhẹ
Bê tông nhẹ có đắt hơn trọng lượng bình thường không? Có và không. Để giải quyết chính xác câu hỏi này, người ta phải xem xét trọng lượng bê tông ảnh hưởng như thế nào đến chi phí kết cấu tổng thể. Đơn giá vật liệu của bê tông nhẹ thường cao hơn so với bê tông trọng lượng bình thường, nhưng đơn giá thường cao hơn bù đắp bởi sự giảm tổng thể của khối lượng bê tông và trọng tải thép cho hệ thống kết cấu.
Ví dụ, hãy xem xét một tòa nhà thép kết cấu composite đa dụng điển hình ở khu vực Boston, Massachusetts. Chúng tôi giả định việc lắp ráp sàn chịu lửa trong hai giờ bằng cách sử dụng sàn kim loại composite 18 khổ sâu 2 inch với các dầm được đặt cách nhau để tối đa hóa các nhịp mặt cầu “điều kiện hai nhịp” không được kiểm tra cho phép. Tải trọng bê tông ướt nhẹ hơn trên mặt cầu kim loại composite cho phép nhịp cầu giữa các gối đỡ dài hơn và có thể giảm số lượng dầm đỡ bằng thép và trọng tải khung thép một cách hiệu quả. Theo một nhà cung cấp bê tông tại khu vực Boston, thường không có sự khác biệt về chi phí cho việc đặt và hoàn thiện bê tông nhẹ và bê tông trọng lượng bình thường, nhưng đơn giá vật liệu của bê tông nhẹ (135 đô la / cu yd cho bê tông nhẹ so với 105 đô la / cu yd cho bê tông trọng lượng bình thường) cao hơn một chút do chi phí xử lý tổng hợp và vận chuyển từ các nguồn phi địa phương. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xem xét cả khung thép có khum và không khum, nhưng nhận thấy có rất ít sự khác biệt về số lượng và chi phí giữa các hệ thống khung. Các giả định thiết kế chung của chúng tôi bao gồm tải trọng chết chồng lên nhau là 20 psf, tải trọng sống 100 psf, và độ lệch tổng và tải trọng tối đa tương ứng là L / 240 và L / 360. Bảng 2 và 3 minh họa sự so sánh số lượng vật liệu và chi phí gần đúng cho một vịnh điển hình (Hình 3).
Bảng 2: Định lượng nguyên liệu.
Bảng 3: Giá thành (dựa trên chi phí đơn vị gần đúng).
Mặc dù thường có đơn giá cao hơn đối với bê tông nhẹ, nhưng việc sử dụng tấm bê tông nhẹ trên mặt cầu bằng kim loại có trọng lượng kết cấu thép đáng kể và tiết kiệm chi phí. So với một tấm sàn có trọng lượng bình thường, tấm sàn nhẹ cũng có thể tiết kiệm vài inch chiều sâu khung kết cấu cho mỗi tầng, điều này có thể dẫn đến tiết kiệm đáng kể chi phí thép, nền móng và tấm ốp cho các tòa nhà nhiều tầng.
Hình 3: Ví dụ về các khoang đóng khung bằng các tấm bê tông nhẹ và trọng lượng bình thường trên bản mặt sàn kim loại composite.
Tương tác sàn với bê tông nhẹ
Cốt liệu bê tông nhẹ hấp thụ, giữ và thoát hơi ẩm nhiều hơn cốt liệu có trọng lượng bình thường, vậy điều đó có nghĩa là sử dụng bê tông trọng lượng bình thường thay cho bê tông nhẹ sẽ loại bỏ được các hư hỏng liên quan đến độ ẩm của sàn? Không.
Giảm thiểu độ ẩm có thể sẽ được yêu cầu đối với các hệ thống sàn nhạy cảm với độ ẩm bất kể bê tông có trọng lượng bình thường hay nhẹ. Trong một nghiên cứu được thực hiện vào năm 2000, Suprenant và Malisch đã báo cáo rằng trong điều kiện không khí, nhiệt độ và độ ẩm tương đối được kiểm soát, bê tông nhẹ mất 183 ngày để đạt được mức phát thải hơi ẩm (MVER) là 3,0 lbs / 1.000 sq ft / 24 giờ. Trong một nghiên cứu năm 1998 được thực hiện trong cùng các điều kiện được kiểm soát, Suprenant và Malisch đã báo cáo rằng một tấm sàn có trọng lượng bình thường có cùng độ dày mất 46 ngày để đạt được MVER như cũ. Trong năm 2007-2008, Viện Đá phiến, Đất sét và Đá phiến mở rộng (ESCSI) đã tiến hành một nghiên cứu trong môi trường không được kiểm soát (tương tự như những môi trường được tìm thấy trên các công trường xây dựng) và phát hiện ra rằng trong khi các tấm bê tông nhẹ mất nhiều thời gian hơn các tấm có trọng lượng bình thường để khô. , sự khác biệt về thời gian sấy nhỏ hơn so với báo cáo của Suprenant và Malisch. Vậy tất cả những điều này có nghĩa là gì? Theo báo cáo của ESCSI, rất khó để tấm bê tông (trọng lượng bình thường hoặc nhẹ) đạt được độ ẩm theo yêu cầu của nhiều nhà sản xuất vật liệu lát sàn và tiêu chuẩn công nghiệp nếu không có điều kiện khô bên trong thuận lợi trong nhiều tháng.
Một số yếu tố góp phần gây ra sự cố của hệ thống sàn, cho dù sàn được làm bằng bê tông nhẹ hay bê tông trọng lượng bình thường. Đứng đầu danh sách là sự thay đổi thành phần keo dán sàn do việc sử dụng các vật liệu nguy hiểm và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) đã được chính phủ quản lý. Ví dụ, Tiêu chuẩn phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi quốc gia cho lớp phủ kiến trúctheo Mục 183 (e) của Đạo luật Không khí Sạch và Quy tắc 1168 của Khu Quản lý Chất lượng Không khí Bờ biển Nam (SCAQMD) của California yêu cầu các giới hạn về hàm lượng VOC của lớp phủ sàn, lớp phủ bảo vệ bê tông, chất trám trét và vết bẩn. Các loại keo dán sàn định dạng thấp hoặc không chứa VOC phổ biến nhất là các loại nhũ tương acrylic gốc nước, một số loại keo này dễ bị tái nhũ tương khi tiếp xúc với nước và độ kiềm trong tấm sàn bê tông. Kết hợp những chất kết dính nhạy cảm với độ ẩm này với áp lực tiến độ thi công để lắp đặt ván sàn nhanh nhất có thể, và thường không có đủ thời gian để đợi tấm sàn khô hoàn toàn.
Có một số chiến lược có thể làm giảm khả năng bị hỏng sàn do ẩm. Một trong những kỹ thuật như vậy là các tấm đóng rắn ẩm thay cho việc sử dụng các hợp chất đóng rắn tạo màng lỏng. Các hợp chất bảo dưỡng giữ độ ẩm trong bê tông để cho phép quá trình đóng rắn, nhưng cho đến khi chúng được loại bỏ (thường là ngay trước khi lắp đặt sàn), chúng sẽ ngăn bê tông khô. Việc sử dụng hạn chế chất làm chậm, xỉ và hàm lượng tro bay cũng có thể giúp giảm thời gian sấy. Ngoài ra, khi tấm sàn tiếp xúc với mưa và độ ẩm, tấm sàn không thể khô hoàn toàn. Bao quanh tòa nhà và kích hoạt hệ thống HVAC là khi quá trình sấy sàn thực sự bắt đầu. Giảm độ ẩm tương đối xung quanh (RH) và tăng nhiệt độ xung quanh thường làm giảm thời gian khô của tấm bê tông.
Nhìn về tương lai
Hỗn hợp bê tông trọng lượng thường tự hút ẩm đang bắt đầu xuất hiện trên thị trường Hoa Kỳ. ACI định nghĩa tự hút ẩm là “việc loại bỏ nước tự do bằng phản ứng hóa học để không còn đủ nước bao phủ các bề mặt rắn và gây ra sự giảm độ ẩm tương đối của hệ thống; được áp dụng cho một hiệu ứng xảy ra trong bê tông, vữa và bột nhão được hàn kín. " Nói cách khác, phản ứng hydrat hóa xi măng sử dụng tất cả lượng nước tự do có sẵn đến mức không còn đủ nước để bao phủ các bề mặt hạt chưa được làm khô hoặc để duy trì 100% độ ẩm tương đối trong bê tông. Hỗn hợp bê tông khô nhanh sử dụng khái niệm hydrat hóa bên trong này đã được sử dụng trên toàn thế giới trong nhiều năm và mặc dù chúng đang đạt được đà phát triển ở Mỹ, nhưng có một số rào cản bao gồm hạn chế về khả năng cung cấp trong khu vực, thiếu các lựa chọn cấp phối bê tông nhẹ, vị trí tương đối chậm (lên đến khoảng 85 cu yd / giờ) và quá trình hoàn thiện bằng bay dính. Các nhà cung cấp hỗn hợp sẵn đang nghiên cứu các giải pháp có thể sớm khả dụng.
Keo dán sàn chống thấm ngày càng trở nên thịnh hành. Những chất kết dính này cung cấp khả năng chuẩn bị bề mặt hạn chế và khả năng chống tiếp xúc với độ ẩm và mức độ pH cao. Thường không yêu cầu sơn lót đối với thi công keo chống thấm, nhưng cần mài nhẹ bề mặt tấm bê tông.
Kết luận
Mặc dù bê tông nhẹ có khả năng gây ra các vấn đề với hệ thống sàn kết dính, nhưng sàn bê tông trọng lượng bình thường cũng có thể ảnh hưởng đến các vấn đề liên quan đến độ ẩm. Bất kể mật độ của bê tông là bao nhiêu, nhóm dự án cần phải xem xét các rủi ro của các hư hỏng liên quan đến độ ẩm và nếu cần, để đánh giá các chiến lược giảm thiểu tiềm năng. Nhóm cần ước tính thực tế về thời gian khô bê tông và đánh giá các yêu cầu MVER của hệ thống sàn đã chọn. Hạn chế tỷ lệ nước-xi măng của bê tông, kết hợp silica fume, và hạn chế pozzolol giữ ẩm như tro bay, sẽ làm giảm thời gian khô. Bọc kín công trình sớm (để hạn chế nguồn ẩm từ môi trường) và điều hòa không gian bên trong sẽ giúp tấm sàn khô. Việc kết hợp các phụ gia vào bê tông để khóa ẩm tự do vào tấm sàn thông qua vật liệu kết tinh hoặc thúc đẩy quá trình tự hút ẩm có thể đẩy nhanh quá trình lắp đặt hệ thống sàn, thường với chi phí là 1 đô la cho mỗi foot vuông. Các chất trám trét được sử dụng tại chỗ giúp giữ nước không bị tiêu tán vô thời hạn qua bề mặt trên cùng của bê tông có lịch sử hoạt động tốt, nhưng những chất này có thể có giá tới 5 đô la cho mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án. nhưng những thứ này có thể có giá tới $ 5 mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án. nhưng những thứ này có thể có giá tới $ 5 mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án.
Chi phí của một hệ thống kiểm soát độ ẩm được hình thành tốt và thực hiện đúng cách có thể được bù đắp bằng việc tiết kiệm thép kết cấu, nền móng và chống cháy. Việc lập kế hoạch cẩn thận bởi toàn bộ nhóm dự án - chủ sở hữu, kiến trúc sư, nhà thầu và kỹ sư - ngay từ đầu trong quá trình thiết kế có thể giúp giảm hoặc loại bỏ rủi ro hỏng sàn liên quan đến độ ẩm trên cả tấm bê tông nhẹ và bê tông trọng lượng bình thường.
Nguồn: https://www.structuremag.org/?p=1163
Gần đây, bê tông nhẹ đã được coi là thủ phạm chính gây ra các hư hỏng liên quan đến độ ẩm của hệ thống sàn dính. Mặc dù kỹ thuật xây dựng nhanh chóng và những thay đổi bắt buộc của chính phủ đối với chất kết dính sàn cũng góp phần gây ra những vấn đề này, nhưng một số nhà phê bình cho rằng hậu quả của việc hỏng sàn hoàn thiện lớn hơn những lợi ích mà bê tông nhẹ có thể mang lại cho một dự án. Trước tranh cãi này, cần đánh giá những ưu và nhược điểm của bê tông nhẹ, không chỉ xem xét các tương tác của nó với hệ thống sàn mà còn cả cách nó ảnh hưởng đến các khía cạnh của công trình như trọng tải thép, nền móng và xếp hạng chịu lửa của sàn. Bất chấp những thách thức liên quan đến độ ẩm mà bê tông nhẹ đặt ra,
Bê tông nhẹ là gì?
Bê tông nhẹ không có gì mới. Nó đã tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau trong nhiều thế kỷ. Có nhiều loại bê tông nhẹ, dẫn đầu xu hướng thị trường có tấm bê tông siêu nhẹ DURAflex. Đối với mục đích của bài viết này, chúng tôi chỉ xem xét kết cấu bê tông nhẹ: hỗn hợp của xi măng pooc lăng, nước, cốt liệu mịn (cát) và cốt liệu đất sét, đá phiến sét hoặc đá phiến thô trương nở. Trong khi hỗn hợp bê tông trọng lượng bình thường thường nặng 145 đến 155 pcf, bê tông nhẹ thường nặng 110 đến 115 pcf. Bê tông nhẹ kết cấu thường có cường độ nén 28 ngày tương đương với bê tông trọng lượng bình thường.
Sự khác biệt cơ bản giữa bê tông trọng lượng bình thường và bê tông nhẹ cho các ứng dụng kết cấu là vật liệu tổng hợp thô. Cốt liệu có trọng lượng bình thường thường là đá nghiền tự nhiên, trong khi cốt liệu nhẹ được sản xuất bằng cách nung đất sét, đá phiến sét hoặc đá phiến trong lò quay ở nhiệt độ 2.000 ° F. Ở những nhiệt độ này, các tập hợp nở ra và phát triển một mạng lưới các lỗ rỗng bên trong liên kết với nhau (Hình 1) có kích thước từ 5 đến 300 micron (Chua, 2009). Mạng lưới lỗ rỗng bên trong này tạo ra mật độ nhẹ hơn so với cốt liệu tự nhiên. Mặc dù cường độ nén của bê tông nói chung có liên quan đến cường độ nén của cốt liệu thô, Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI) 213R-03 báo cáo rằng đối với cường độ nén của tấm sàn xây dựng điển hình - lên đến khoảng 5,
Hình 1: Hình ảnh hiển vi của bê tông nhẹ cấp phối đá phiến nở và cấp phối cát tự nhiên. Lưu ý độ xốp của cốt liệu đá phiến mở rộng.
Nước trong hỗn hợp bê tông-nhẹ
Bê tông nhẹ thường có liên quan đến sự cố sàn liên quan đến độ ẩm vì nó thường có hàm lượng nước cao hơn đáng kể so với bê tông trọng lượng bình thường. Không giống như cốt liệu tự nhiên, có xu hướng chỉ bão hòa với nước trên bề mặt của chúng, mạng lưới lỗ rỗng của cốt liệu nhẹ hấp thụ và lưu trữ nước bên trong các hạt cốt liệu, giải phóng nước dần dần theo thời gian.
Để hiểu hàm lượng nước ảnh hưởng đến bê tông như thế nào, chúng ta cần xem xét cách phản ứng của nước trong hỗn hợp. ACI 304.2, Đổ bê tông bằng phương pháp bơm, xét đến hai dạng nước trong bê tông nhẹ: nước tự do và nước hấp thụ. Nước tự do ảnh hưởng đến thể tích của hỗn hợp, độ sụt và khả năng làm việc của hỗn hợp, và lượng nước có sẵn cho phản ứng thủy hóa xi măng. Nước hấp thụ được giữ trong các lỗ rỗng của cốt liệu nhẹ. Trong quá trình trộn, một số nước tự do được chuyển thành nước hấp thụ, làm giảm độ sụt và lượng nước có sẵn để hydrat hóa. Ngoài ra, áp lực bơm đẩy thêm nước tự do vào cốt liệu xốp nhẹ, tiếp tục giảm độ sụt giữa phễu bơm và điểm xả. Để giảm lượng nước trộn do cốt liệu nhẹ hấp thụ, các nhà cung cấp bê tông làm bão hòa trước cốt liệu nhẹ để lấp đầy các khoảng trống trước khi trộn.
Trong cả bê tông trọng lượng thường và bê tông nhẹ, nước không được tiêu thụ trong quá trình hydrat hóa của các hạt xi măng bay hơi từ từ qua các bề mặt tiếp xúc của bê tông, như được thảo luận sau, có thể gây ra các vấn đề với lớp hoàn thiện của sàn. Hầu hết tất cả các hỗn hợp bê tông đều chứa nhiều nước hơn mức cần thiết cho phản ứng thủy hóa xi măng, nhưng lượng nước dư thừa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và hoàn thiện. Sau khi hồ xi măng đã đông cứng, phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục, mặc dù với tốc độ chậm hơn, trong suốt vòng đời của bê tông khi lượng nước dư bay hơi. Trong cốt liệu nhẹ, một số nước ở lỗ rỗng hấp thụ sẽ được hút ra ngoài và góp phần làm xi măng ngậm nước hoàn toàn hơn trong một lớp xung quanh cốt liệu, nhưng vẫn sẽ có một lượng đáng kể nước hấp thụ còn lại trong các lỗ rỗng và sẽ thoát ra ngoài theo thời gian.
Với tốc độ xây dựng ngày càng nhanh, việc giảm thời gian khô - khoảng thời gian từ khi kết thúc quá trình bảo dưỡng đến khi có thể lắp đặt hoàn thiện sàn - thường rất quan trọng đối với tiến độ. Các tấm nâng cao trên sàn kim loại dễ bị khô lâu hơn vì nước chỉ có thể thoát qua bề mặt trên cùng của tấm (Hình 2). Ngoại trừ một số kỹ thuật mà chúng ta đã thảo luận ở phần sau của bài viết này, tương đối ít có thể được thực hiện đối với hỗn hợp để giảm thời gian khô ngoài việc giảm lượng nước trong hỗn hợp. ACI 302.2R-96 báo cáo rằng “không có lý do gì để bao gồm hoặc loại trừ bất kỳ vật liệu bê tông nào ngoại trừ việc bổ sung silica fume [thay cho một số xi măng poóc lăng] nhằm giảm thời gian khô cần thiết cho một lượng nước nhất định- tỷ lệ xi măng. Báo cáo lưu ý rằng việc thay thế từ 5% đến 10% xi măng poóc lăng bằng silica fume có thể làm giảm thời gian khô bê tông vài tuần. Tuy nhiên, điều này thường không đủ tiết kiệm thời gian để thi công nhanh chóng.
Hình 2: Đổ bê tông nhẹ trên mặt sàn bằng kim loại composite. Mặt sàn bằng kim loại chỉ cho phép bê tông khô qua bề mặt trên cùng của nó.
Thiết kế bằng bê tông nhẹ
Bất chấp các vấn đề về độ ẩm, bê tông nhẹ mang lại một số lợi ích. Các tấm composite bê tông nhẹ vốn có hiệu quả cao hơn so với các tấm composite có trọng lượng bình thường với các đặc điểm cấu trúc và thiết kế gần giống hệt nhau.
Độ dày của tấm bê tông trên sàn kim loại thường được kiểm soát bởi các yêu cầu về khả năng chống cháy thay vì các yêu cầu về cường độ. Bê tông nhẹ có khả năng chống cháy cao hơn bê tông trọng lượng bình thường do tính dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn. Theo tiêu chuẩn ASTM E119, Phương pháp thử lửa tiêu chuẩn của vật liệu và công trình xây dựng , Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) và Phòng thí nghiệm bảo hành (UL) liệt kê độ dày bê tông tối thiểu cần thiết cho các xếp hạng chống cháy khác nhau. Bảng 1 được tóm tắt từ ANSI / UL 263 Thiết kế số J718.
Bảng 1: Độ dày tấm và đánh giá độ cháy.
Đối với một tấm sàn chịu lửa trong hai giờ, việc sử dụng bê tông nhẹ dẫn đến tiết kiệm vật liệu bê tông khoảng 38% so với bê tông có trọng lượng bình thường. Các tấm sàn nhẹ hơn làm giảm khối lượng tổng thể của tòa nhà, tải trọng địa chấn hiệu quả và tải trọng thiết kế nền móng, đồng thời cũng có thể giảm độ sâu khung thép cần thiết nếu thỏa mãn các tiêu chí về độ võng và độ rung.
Tấm mỏng hơn không phải là không có nhược điểm, nhưng những yếu tố này hiếm khi chi phối thiết kế trong một tòa nhà thương mại điển hình. Tấm bê tông nhẹ mỏng hơn có khả năng chịu uốn giảm, nhưng khả năng này vẫn đủ để hỗ trợ hầu hết các tải trọng sàn thương mại. ACI 318-08 yêu cầu hệ số giảm 0,75 đối với khả năng chịu cắt của bê tông nhẹ. Tuy nhiên, trong các tấm composite, thiết kế thường bị chi phối bởi độ bền uốn. Đối với hầu hết các tòa nhà, việc giảm khả năng cắt màng chắn được bù đắp bởi nhiều lợi ích khác của hệ thống tổng thể.
Ý nghĩa chi phí của bê tông nhẹ
Bê tông nhẹ có đắt hơn trọng lượng bình thường không? Có và không. Để giải quyết chính xác câu hỏi này, người ta phải xem xét trọng lượng bê tông ảnh hưởng như thế nào đến chi phí kết cấu tổng thể. Đơn giá vật liệu của bê tông nhẹ thường cao hơn so với bê tông trọng lượng bình thường, nhưng đơn giá thường cao hơn bù đắp bởi sự giảm tổng thể của khối lượng bê tông và trọng tải thép cho hệ thống kết cấu.
Ví dụ, hãy xem xét một tòa nhà thép kết cấu composite đa dụng điển hình ở khu vực Boston, Massachusetts. Chúng tôi giả định việc lắp ráp sàn chịu lửa trong hai giờ bằng cách sử dụng sàn kim loại composite 18 khổ sâu 2 inch với các dầm được đặt cách nhau để tối đa hóa các nhịp mặt cầu “điều kiện hai nhịp” không được kiểm tra cho phép. Tải trọng bê tông ướt nhẹ hơn trên mặt cầu kim loại composite cho phép nhịp cầu giữa các gối đỡ dài hơn và có thể giảm số lượng dầm đỡ bằng thép và trọng tải khung thép một cách hiệu quả. Theo một nhà cung cấp bê tông tại khu vực Boston, thường không có sự khác biệt về chi phí cho việc đặt và hoàn thiện bê tông nhẹ và bê tông trọng lượng bình thường, nhưng đơn giá vật liệu của bê tông nhẹ (135 đô la / cu yd cho bê tông nhẹ so với 105 đô la / cu yd cho bê tông trọng lượng bình thường) cao hơn một chút do chi phí xử lý tổng hợp và vận chuyển từ các nguồn phi địa phương. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xem xét cả khung thép có khum và không khum, nhưng nhận thấy có rất ít sự khác biệt về số lượng và chi phí giữa các hệ thống khung. Các giả định thiết kế chung của chúng tôi bao gồm tải trọng chết chồng lên nhau là 20 psf, tải trọng sống 100 psf, và độ lệch tổng và tải trọng tối đa tương ứng là L / 240 và L / 360. Bảng 2 và 3 minh họa sự so sánh số lượng vật liệu và chi phí gần đúng cho một vịnh điển hình (Hình 3).
Bảng 2: Định lượng nguyên liệu.
Bảng 3: Giá thành (dựa trên chi phí đơn vị gần đúng).
Mặc dù thường có đơn giá cao hơn đối với bê tông nhẹ, nhưng việc sử dụng tấm bê tông nhẹ trên mặt cầu bằng kim loại có trọng lượng kết cấu thép đáng kể và tiết kiệm chi phí. So với một tấm sàn có trọng lượng bình thường, tấm sàn nhẹ cũng có thể tiết kiệm vài inch chiều sâu khung kết cấu cho mỗi tầng, điều này có thể dẫn đến tiết kiệm đáng kể chi phí thép, nền móng và tấm ốp cho các tòa nhà nhiều tầng.
Hình 3: Ví dụ về các khoang đóng khung bằng các tấm bê tông nhẹ và trọng lượng bình thường trên bản mặt sàn kim loại composite.
Tương tác sàn với bê tông nhẹ
Cốt liệu bê tông nhẹ hấp thụ, giữ và thoát hơi ẩm nhiều hơn cốt liệu có trọng lượng bình thường, vậy điều đó có nghĩa là sử dụng bê tông trọng lượng bình thường thay cho bê tông nhẹ sẽ loại bỏ được các hư hỏng liên quan đến độ ẩm của sàn? Không.
Giảm thiểu độ ẩm có thể sẽ được yêu cầu đối với các hệ thống sàn nhạy cảm với độ ẩm bất kể bê tông có trọng lượng bình thường hay nhẹ. Trong một nghiên cứu được thực hiện vào năm 2000, Suprenant và Malisch đã báo cáo rằng trong điều kiện không khí, nhiệt độ và độ ẩm tương đối được kiểm soát, bê tông nhẹ mất 183 ngày để đạt được mức phát thải hơi ẩm (MVER) là 3,0 lbs / 1.000 sq ft / 24 giờ. Trong một nghiên cứu năm 1998 được thực hiện trong cùng các điều kiện được kiểm soát, Suprenant và Malisch đã báo cáo rằng một tấm sàn có trọng lượng bình thường có cùng độ dày mất 46 ngày để đạt được MVER như cũ. Trong năm 2007-2008, Viện Đá phiến, Đất sét và Đá phiến mở rộng (ESCSI) đã tiến hành một nghiên cứu trong môi trường không được kiểm soát (tương tự như những môi trường được tìm thấy trên các công trường xây dựng) và phát hiện ra rằng trong khi các tấm bê tông nhẹ mất nhiều thời gian hơn các tấm có trọng lượng bình thường để khô. , sự khác biệt về thời gian sấy nhỏ hơn so với báo cáo của Suprenant và Malisch. Vậy tất cả những điều này có nghĩa là gì? Theo báo cáo của ESCSI, rất khó để tấm bê tông (trọng lượng bình thường hoặc nhẹ) đạt được độ ẩm theo yêu cầu của nhiều nhà sản xuất vật liệu lát sàn và tiêu chuẩn công nghiệp nếu không có điều kiện khô bên trong thuận lợi trong nhiều tháng.
Một số yếu tố góp phần gây ra sự cố của hệ thống sàn, cho dù sàn được làm bằng bê tông nhẹ hay bê tông trọng lượng bình thường. Đứng đầu danh sách là sự thay đổi thành phần keo dán sàn do việc sử dụng các vật liệu nguy hiểm và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) đã được chính phủ quản lý. Ví dụ, Tiêu chuẩn phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi quốc gia cho lớp phủ kiến trúctheo Mục 183 (e) của Đạo luật Không khí Sạch và Quy tắc 1168 của Khu Quản lý Chất lượng Không khí Bờ biển Nam (SCAQMD) của California yêu cầu các giới hạn về hàm lượng VOC của lớp phủ sàn, lớp phủ bảo vệ bê tông, chất trám trét và vết bẩn. Các loại keo dán sàn định dạng thấp hoặc không chứa VOC phổ biến nhất là các loại nhũ tương acrylic gốc nước, một số loại keo này dễ bị tái nhũ tương khi tiếp xúc với nước và độ kiềm trong tấm sàn bê tông. Kết hợp những chất kết dính nhạy cảm với độ ẩm này với áp lực tiến độ thi công để lắp đặt ván sàn nhanh nhất có thể, và thường không có đủ thời gian để đợi tấm sàn khô hoàn toàn.
Có một số chiến lược có thể làm giảm khả năng bị hỏng sàn do ẩm. Một trong những kỹ thuật như vậy là các tấm đóng rắn ẩm thay cho việc sử dụng các hợp chất đóng rắn tạo màng lỏng. Các hợp chất bảo dưỡng giữ độ ẩm trong bê tông để cho phép quá trình đóng rắn, nhưng cho đến khi chúng được loại bỏ (thường là ngay trước khi lắp đặt sàn), chúng sẽ ngăn bê tông khô. Việc sử dụng hạn chế chất làm chậm, xỉ và hàm lượng tro bay cũng có thể giúp giảm thời gian sấy. Ngoài ra, khi tấm sàn tiếp xúc với mưa và độ ẩm, tấm sàn không thể khô hoàn toàn. Bao quanh tòa nhà và kích hoạt hệ thống HVAC là khi quá trình sấy sàn thực sự bắt đầu. Giảm độ ẩm tương đối xung quanh (RH) và tăng nhiệt độ xung quanh thường làm giảm thời gian khô của tấm bê tông.
Nhìn về tương lai
Hỗn hợp bê tông trọng lượng thường tự hút ẩm đang bắt đầu xuất hiện trên thị trường Hoa Kỳ. ACI định nghĩa tự hút ẩm là “việc loại bỏ nước tự do bằng phản ứng hóa học để không còn đủ nước bao phủ các bề mặt rắn và gây ra sự giảm độ ẩm tương đối của hệ thống; được áp dụng cho một hiệu ứng xảy ra trong bê tông, vữa và bột nhão được hàn kín. " Nói cách khác, phản ứng hydrat hóa xi măng sử dụng tất cả lượng nước tự do có sẵn đến mức không còn đủ nước để bao phủ các bề mặt hạt chưa được làm khô hoặc để duy trì 100% độ ẩm tương đối trong bê tông. Hỗn hợp bê tông khô nhanh sử dụng khái niệm hydrat hóa bên trong này đã được sử dụng trên toàn thế giới trong nhiều năm và mặc dù chúng đang đạt được đà phát triển ở Mỹ, nhưng có một số rào cản bao gồm hạn chế về khả năng cung cấp trong khu vực, thiếu các lựa chọn cấp phối bê tông nhẹ, vị trí tương đối chậm (lên đến khoảng 85 cu yd / giờ) và quá trình hoàn thiện bằng bay dính. Các nhà cung cấp hỗn hợp sẵn đang nghiên cứu các giải pháp có thể sớm khả dụng.
Keo dán sàn chống thấm ngày càng trở nên thịnh hành. Những chất kết dính này cung cấp khả năng chuẩn bị bề mặt hạn chế và khả năng chống tiếp xúc với độ ẩm và mức độ pH cao. Thường không yêu cầu sơn lót đối với thi công keo chống thấm, nhưng cần mài nhẹ bề mặt tấm bê tông.
Kết luận
Mặc dù bê tông nhẹ có khả năng gây ra các vấn đề với hệ thống sàn kết dính, nhưng sàn bê tông trọng lượng bình thường cũng có thể ảnh hưởng đến các vấn đề liên quan đến độ ẩm. Bất kể mật độ của bê tông là bao nhiêu, nhóm dự án cần phải xem xét các rủi ro của các hư hỏng liên quan đến độ ẩm và nếu cần, để đánh giá các chiến lược giảm thiểu tiềm năng. Nhóm cần ước tính thực tế về thời gian khô bê tông và đánh giá các yêu cầu MVER của hệ thống sàn đã chọn. Hạn chế tỷ lệ nước-xi măng của bê tông, kết hợp silica fume, và hạn chế pozzolol giữ ẩm như tro bay, sẽ làm giảm thời gian khô. Bọc kín công trình sớm (để hạn chế nguồn ẩm từ môi trường) và điều hòa không gian bên trong sẽ giúp tấm sàn khô. Việc kết hợp các phụ gia vào bê tông để khóa ẩm tự do vào tấm sàn thông qua vật liệu kết tinh hoặc thúc đẩy quá trình tự hút ẩm có thể đẩy nhanh quá trình lắp đặt hệ thống sàn, thường với chi phí là 1 đô la cho mỗi foot vuông. Các chất trám trét được sử dụng tại chỗ giúp giữ nước không bị tiêu tán vô thời hạn qua bề mặt trên cùng của bê tông có lịch sử hoạt động tốt, nhưng những chất này có thể có giá tới 5 đô la cho mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án. nhưng những thứ này có thể có giá tới $ 5 mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án. nhưng những thứ này có thể có giá tới $ 5 mỗi foot vuông. Mỗi chiến lược này có thể tăng thêm chi phí cho dự án.
Chi phí của một hệ thống kiểm soát độ ẩm được hình thành tốt và thực hiện đúng cách có thể được bù đắp bằng việc tiết kiệm thép kết cấu, nền móng và chống cháy. Việc lập kế hoạch cẩn thận bởi toàn bộ nhóm dự án - chủ sở hữu, kiến trúc sư, nhà thầu và kỹ sư - ngay từ đầu trong quá trình thiết kế có thể giúp giảm hoặc loại bỏ rủi ro hỏng sàn liên quan đến độ ẩm trên cả tấm bê tông nhẹ và bê tông trọng lượng bình thường.
Nguồn: https://www.structuremag.org/?p=1163