NGHIÊN CỨU - ỨNG DỤNG

Công nghệ vật liệu mới giúp phục hồi các cây cầu

29/05/2014 - 04:49 CH

Gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu ra các loại vật liệu xây dựng mới, giải pháp mới phục vụ việc sửa chữa, gia cố và bảo vệ các cây cầu bị hoen gỉ, rạn nứt, cho phép hạn chế tối đa việc dỡ bỏ gây lãng phí không cần thiết.

Bị hoen gỉ, rạn nứt - hàng ngàn cây cầu ở châu Âu cần được phục hồi với chi phí lên tới hàng tỷ Euro. Các chính phủ thường thiên về xu hướng phá dỡ những công trình cầu, cống bị xuống cấp nghiêm trọng để thay bằng những công trình xây mới. Tuy nhiên, nhờ những giải pháp mới, việc phục hồi các cây cầu có thể thực hiện nhanh hơn và ít tốn kém hơn.

siêu rắn

Một phương pháp nữa đã được áp dụng thành công là  siêu rắn (ultra high-strength concrete), chứa những sợi thép dài 1-2cm. Vật liệu này không những siêu bền mà còn có khả năng chịu tải cao hơn từ 5 đến 10 lần so với bê-tông thông thường. Bề mặt của nó lại nhẵn và kín đến mức nước hoặc sương muối hầu như không thể thẩm thấu.

Cho đến nay vật liệu chuyên dụng này được sử dụng trong những tháp làm lạnh, nơi loại cốt thép thông thường bị hoen gỉ khá nhanh. Một số doanh nghiệp Hà Lan và Pháp đang ứng dụng ngày càng nhiều loại vật liệu này vào việc phục hồi các cây cầu.

Mặc dù loại bê-tông siêu rắn đắt hơn bê-tông tiêu chuẩn từ 4 đến 5 lần nhưng các chủ công trình thấy sử dụng nó nhiều khi lại giúp tiết kiệm chi phí tới 10%. Vì chúng có khả năng chịu lực cao nên kết cấu công trình gọn nhẹ hơn, do đó nhu cầu về vật tư giảm rõ rệt.

Những loại bê-tông mới này còn có một ưu điểm có ý nghĩa quyết định: do các cấu kiện của cây cầu giờ đây nhẹ hơn nhiều so với trước, công nhân xây dựng không bị buộc phải đổ bê-tông ngay tại công trường mà có thể sản xuất trong nhà máy, sau đó vận chuyển bằng xe tải ra công trường và người thợ chỉ cần lắp các cấu kiện lại với nhau là xong.

Hỗn hợp  và nhựa đường tự hàn gắn vết nứt

Hiện nay các nhà khoa học đã thành công trong việc phát triển hỗn hợp bê-tông và nhựa đường có khả năng tự điều trị và hàn gắn những vết rạn/nứt nguy hiểm mà từ đó nước ngấm vào, gây hoen gỉ  trong bê-tông. “Loại  tự điều trị có thể làm tăng gấp đôi tuổi thọ các công trình xây dựng sau khi được cải tạo, phục hồi”, Erik Schlangen, nhà nghiên cứu về vật liệu thuộc Đại học Kỹ thuật Delft (Hà Lan), nhận xét.

Erik Schlangen phối trộn trong phòng thí nghiệm các loại vi khuẩn  có những cái tên như Bacillus B2-E2–1, Bacillus pseudofirmus DSM 8715 và Bacillus cohnii DSM 6307. Bình thường, vi khuẩn ngủ trong vật liệu xây dựng dưới dạng bào tử bất động. Khi tiếp xúc với nước ngấm qua các vết rạn/nứt, bào tử sinh sôi nẩy nở rất nhanh và tạo ra calcium carbonate dạng rắn, một loại khoáng chất mầu trắng có khả năng phủ đầy vết rạn/nứt. Có thể coi đây là một dạng hàn gắn từ bên trong.

Loại bê-tông này có tính kiềm rất cao, vì vậy có thể diệt mọi sự sống trong một thời gian ngắn. Để tránh điều này xảy ra, các nhà nghiên cứu đã bọc loại thuốc hàn vết thương kỳ diệu này bằng loại một loại khoáng chất đất sét dạng bọt. Schlangen cho hay, trong tự nhiên, loại bào tử Bacillus có thể tồn tại hơn 200 năm và có thể tồn tại trong  lâu hơn bất kỳ một cây cầu hay đường ngầm nào.

Các nhà khoa học thuộc nhóm của ông cũng phát triển một dạng  phun có khả năng tự chữa trị để hàn gắn những cây cầu bị hư hại. Nội trong vài ba ngày, người thợ có thể dùng chất liệu này xử lý những công trình bị hư hỏng, vì vậy hoạt động của từng tuyến đường chỉ phải ngưng trong một thời gian ngắn.

Giá loại bê-tông đặc biệt này cao hơn loại bê-tông thông thường trên thị trường khoảng 25% . Tuy vậy nếu tuổi thọ của cây cầu tăng lên rõ rệt và giảm chi phí bảo dưỡng thì có thể tiết kiệm được tiền của.

Các nhà nghiên cứu còn trộn bê-tông với chất có khả năng thấm hút mạnh có trong tã giấy. Chất này khi gặp ẩm sẽ giãn nở trong các vết nứt, từ đó ngăn không để nước thấm qua. Trong một số dự án khác, các nhà khoa học trộn vật liệu xây dựng với những viên nang chứa keo dính. Khi bê-tông bị nứt, các viên nang vỡ ra làm cho keo dính tràn ra và trở nên rắn chắc. Kết quả thử nghiệm ban đầu rất khả quan.

Trên đường cao tốc A58 ở phía nam Hà Lan, các nhà nghiên cứu thậm chí còn thử nghiệm mặt đường tự chữa trị: họ trộn sợi thép vào nhựa đường. Khi mặt đường bị rạn nứt, họ sẽ làm nóng các sợi thép bằng từ trường. Nhựa đường xung quanh sợi thép sẽ tan chảy và hàn kín kẽ nứt.

Theo tính toán của các chuyên gia Hà Lan, việc phục hồi các cây cầu có lõi thép và bê-tông theo phương pháp này tốt hơn, do đó tuổi thọ cây cầu tăng gấp đôi. Giờ đây họ chủ trương hoàn thiện về kỹ thuật để có thể áp dụng rộng rãi phương pháp này. Theo các nhà sáng chế thì khoản tiền tiết kiệm cho mỗi km đường lên đến hàng trăm nghìn Euro.

Bê-tông cốt

Các kỹ sư cầu đường cũng đang thử nghiệm trộn sợi thuỷ tinh hay sợi carbon cực mỏng với bê-tông. Chỉ cần vài tấm chất liệu mỏng, mềm mại này cũng đủ làm cho bê-tông cốt vải (textile-reinforced concrete) có sức chịu tải không kém gì bê-tông cốt thép, hơn nữa lại không bao giờ bị hoen gỉ.

Giới chuyên gia coi bê-tông cốt vải là vật liệu xây dựng của thế kỷ 21. Nhiều doanh nghiệp có tên tuổi như Bilfinger hay Strabag đã dùng chất liệu này trong xây dựng. Tại Đức các kỹ sư đã xây dựng ba cây cầu dành cho người đi bộ và đi xe đạp mà tất cả các dầm cầu chỉ dày khoảng vài cm. Vấn đề đặt ra là liệu có thể áp dụng những kiến thức thu được đối với đường cao tốc dành cho xe ô tô hay không.

Tuy sợi carbon đắt hơn thép tới 20 lần nhưng xét đến cùng thì dùng vật liệu này vẫn có hiệu quả kinh tế cao hơn vì người ta chỉ phải sử dụng một khối lượng rất nhỏ so với thép. Hơn nữa chất liệu này không bị gỉ, do đó tuổi thọ của công trình cao hơn nhiều.

Điều quan trọng hơn là, đối với những cây cầu có nguy cơ bị dỡ bỏ do có thể bị sập nếu tiếp tục gia cố bằng nguyên liệu thép, thì việc gia cố bằng bê-tông cốt vải có thể giúp tăng tuổi thọ lên vài ba chục năm.

Dây đai sợi carbon thay thế dây cán

Sửa chữa những cây cầu vượt bị xuống cấp nghiêm trọng bằng cách phủ thêm một lớp bê-tông chức năng mới không có ích lợi gì. Cần phải gia cố những cầu vượt đó để chúng có thể chịu tải lớn hơn. Cho đến nay, biện pháp phổ biến là căng thêm những dây cáp thép ở trong hộp cầu, (phần rỗng phía trong cây cầu) để gia cố. Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có hạn chế: thường tuổi thọ cây cầu cũng chỉ kéo dài thêm mươi năm. Bên cạnh đó, khối lượng thép gia cố còn làm cho trọng lượng bản thân cây cầu tăng đáng kể và cầu có thể bị sập nếu gia cố vô hạn độ.

Ở Úc, Canada, Thuỵ Sĩ và Áo từ lâu người ta đã thay thế dây cáp thép bằng dây đai sợi carbon. Những sợi carbon rộng khoảng vài cm sẽ được dán vào lớp bê-tông trong hộp cầu. Cách này nhanh gấp đôi so với hàn thép. Hơn nữa trong quá trình tu bổ việc đi lại trên cầu không bị ngừng trệ.

Năm nay, sợi carbon đã được phép lưu hành tại Đức và trong tương lai sẽ được sử dụng ngày càng phổ biến trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô cũng như ngành hàng không.

NH - Tia sáng