Co ngót khi khô khác với co ngót dẻo và co ngót tự sinh như thế nào?

Co ngót dẻo diễn ra trong vài giờ đầu khi bê tông chưa ninh kết do nước bề mặt bay hơi nhanh; co ngót tự sinh diễn ra do sự tiêu hao nước nội bộ trong phản ứng thủy hóa xi măng mà không mất ẩm ra ngoài; trong khi co ngót khi khô diễn ra trên bê tông đã đóng rắn do sự thất thoát ẩm mao dẫn vào môi trường xung quanh kéo dài hàng tháng đến hàng năm.

Những cơ chế vi mô nào gây ra hiện tượng co ngót khi khô?

Co ngót khi khô được thúc đẩy bởi ba cơ chế nhiệt động học vi mô chính: ứng suất kéo mao dẫn sinh ra tại các mặt khum chất lỏng trong mao quản rỗng (chủ đạo ở dải độ ẩm tương đối trung bình và cao), sự gia tăng năng lượng tự do bề mặt của gel C-S-H khi mất nước hấp phụ (ở dải độ ẩm thấp khi các mao quản đã cạn nước), và sự suy giảm áp lực tách rẽ dẫn đến co hẹp khoảng cách giữa các lớp khoáng C-S-H.

Tiêu chuẩn Việt Nam nào quy định phương pháp thử nghiệm độ co của bê tông?

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3117:2022 do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành quy định phương pháp xác định độ co của bê tông trên mẫu lăng trụ kích thước 100 mm x 100 mm x 400 mm hoặc 150 mm x 150 mm x 600 mm trong buồng thử nghiệm kiểm soát nhiệt độ 27 °C cộng trừ 2 °C.

Làm thế nào để hạn chế và kiểm soát co ngót khi khô trong thi công công trình?

Các biện pháp hiệu quả bao gồm: giảm lượng nước nhào trộn và tỷ lệ nước trên xi măng, tối ưu hóa cấp phối chèn cốt liệu đặc chắc, sử dụng phụ gia giảm co ngót (SRA) để giảm sức căng bề mặt chất lỏng lỗ rỗng, duy trì chế độ bảo dưỡng ẩm liên tục, và chủ động bố trí khe co giãn cùng cốt thép phân bố phù hợp.

Co ngót khi khô (drying shrinkage) là gì?

Co ngót khi khô (drying shrinkage) là hiện tượng suy giảm thể tích của bê tông, vữa xi măng hoặc vật liệu gốc xi măng đã đóng rắn do sự bay hơi và thất thoát độ ẩm từ hệ thống lỗ rỗng mao dẫn vào môi trường xung quanh có độ ẩm tương đối thấp hơn. Hiện tượng biến dạng phụ thuộc thời gian này là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra ứng suất kéo nội tại, dẫn đến hiện tượng nứt nẻ và suy giảm khả năng chống thấm cũng như độ bền lâu của kết cấu xây dựng. Bài viết này trình bày chi tiết về bản chất nhiệt động học, cơ chế vi mô, các mô hình tính toán dự báo, tiêu chuẩn thí nghiệm và các biện pháp công nghệ kiểm soát co ngót khi khô trong kỹ thuật công trình hiện đại.

Bản chất vật lý và cơ chế vi cấu trúc của co ngót khi khô

Trong cấu trúc đá xi măng đã thủy hóa, nước tồn tại dưới nhiều dạng liên kết vật lý và hóa học khác nhau: nước liên kết hóa học trong các sản phẩm tinh thể thủy hóa, nước giữa các lớp gel C-S-H (Calcium Silicate Hydrate), nước hấp phụ trên bề mặt rắn và nước tự do trong các mao quản rỗng. Khi bê tông tiếp xúc với khí quyển chưa bão hòa hơi nước, quá trình cân bằng ẩm bắt đầu diễn ra theo chiều hướng khuếch tán hơi ẩm từ trong lòng vật liệu ra môi trường bên ngoài.

Sự rút nước này tạo ra biến dạng co ngót thể tích thông qua ba cơ chế vi mô kế tiếp và đan xen nhau tùy thuộc vào dải độ ẩm tương đối của môi trường:

Cơ chế ứng suất mao dẫn (Capillary Tension): Trong môi trường có độ ẩm chưa bão hòa, nước tự do và nước mao dẫn bắt đầu bay hơi khỏi các mao quản rỗng có kích thước đường kính từ vài nanomet đến hàng chục nanomet. Quá trình này hình thành nên các mặt khum chất lỏng (meniscus) ngăn cách giữa pha lỏng và pha khí. Theo phương trình nhiệt động học Young-Laplace, sức căng bề mặt tại mặt khum làm phát sinh áp suất âm (ứng suất kéo) trong chất lỏng mao dẫn:
$\Delta P = \frac{2\gamma \cos\theta}{r}$
Trong công thức trên, đại lượng $\Delta P$ là áp suất mao dẫn hay ứng suất kéo trong pha lỏng, tham số $\gamma$ đại diện cho sức căng bề mặt của dung dịch lỗ rỗng, góc $\theta$ là góc thấm ướt giữa chất lỏng và thành mao quản, còn $r$ là bán kính mao quản (bán kính lỗ rỗng mao dẫn). Ứng suất kéo mao dẫn này đóng vai trò động lực chủ đạo cho đến khi độ ẩm tương đối của môi trường hạ xuống dải giới hạn ổn định của mặt khum mao dẫn, tác động lực ép liên tục lên thành mao quản rỗng xung quanh, kéo các hạt gel C-S-H lại gần nhau hơn và biểu hiện ra ngoài thành sự co ngót vĩ mô của cấu kiện.
Cơ chế biến đổi năng lượng tự do bề mặt (Surface Energy Effect): Khi môi trường tiếp tục khô hanh và các mao quản rỗng đã cạn kiệt nước mao dẫn, các lớp phân tử nước hấp phụ vật lý bám trên bề mặt các hạt gel C-S-H bắt đầu giải hấp phụ. Theo nguyên lý nhiệt động học Gibbs-Bangham, việc tách bỏ các lớp nước hấp phụ làm gia tăng năng lượng tự do bề mặt của pha rắn, tạo ra ứng suất nén đẳng hướng nén chặt các phần tử cốt chất C-S-H lại với nhau.
Cơ chế mất nước giữa các lớp và áp lực tách rẽ (Disjoining Pressure): Nước nằm kẹp giữa các lớp cấu trúc C-S-H tạo ra một áp lực đẩy ngăn cách các phiến khoáng. Khi quá trình sấy khô diễn ra khốc liệt, nước xen giữa các lớp bị cưỡng bức giải phóng, áp lực tách rẽ bị triệt tiêu khiến các phiến cấu trúc silicat sụp đổ xích lại gần nhau, gây ra phần biến dạng co ngót không thể phục hồi (irreversible shrinkage).

Công thức xác định biến dạng co ngót khi khô

Về mặt cơ học biến dạng, độ co ngót dài tương đối của bê tông được đo lường dưới dạng biến dạng không thứ nguyên (thường tính bằng microstrain). Biến dạng dài tương đối tại thời điểm thử nghiệm được tính toán theo công thức toán học cơ bản:

\epsilon_{sh}(t, t_0) = \frac{L(t_0) - L(t)}{L_0}

Trong phương trình trên, biến số $\epsilon_{sh}(t, t_0)$ biểu thị biến dạng co ngót khi khô tại thời điểm khảo sát, ký hiệu $L(t_0)$ là chiều dài ban đầu của mẫu thử tại thời điểm bắt đầu để khô, $L(t)$ là chiều dài đo được của mẫu thử tại mốc thời gian sau đó, và $L_0$ là chiều dài cơ sở đo danh định của mẫu thử nghiệm.

Phân biệt co ngót khi khô với các dạng co ngót khác

Để đánh giá chính xác nguyên nhân nứt nẻ công trình, các kỹ sư xây dựng cần phân biệt rạch ròi giữa co ngót khi khô và các hiện tượng biến đổi thể tích khác của vật liệu gốc xi măng. Bảng so sánh chi tiết dưới đây làm rõ các ranh giới đặc trưng kỹ thuật:

Loại biến dạng	Giai đoạn xuất hiện	Cơ chế phát sinh cốt lõi	Mức độ phục hồi ẩm
Co ngót khi khô (Drying Shrinkage)	Bê tông đã đóng rắn hoàn toàn, tiếp diễn nhiều tháng đến nhiều năm.	Bay hơi ẩm nội tại ra môi trường ngoài qua các mao quản rỗng; ứng suất mao dẫn và năng lượng bề mặt.	Phục hồi một phần khi ngâm nước lại; phần sụp đổ gel C-S-H không thể phục hồi.
Co ngót tự sinh (Autogenous Shrinkage)	Tuổi sớm, ngay khi cấu trúc bắt đầu ninh kết và đóng rắn.	Hiện tượng tự khô nội bộ do nước tham gia vào phản ứng hóa học thủy hóa xi măng, không trao đổi ẩm ra ngoài.	Không thể phục hồi.
Co ngót dẻo (Plastic Shrinkage)	Vài giờ đầu sau khi đổ, khi bê tông còn ở trạng thái dẻo chưa ninh kết.	Tốc độ bay hơi nước mặt lớn hơn tốc độ đẩy nước nổi (bleeding) lên bề mặt khối đổ.	Hoàn toàn không phục hồi, tạo vết nứt sâu.
Co ngót nhiệt (Thermal Contraction)	Giai đoạn hạ nhiệt sau khi khối đổ đạt đỉnh nhiệt thủy hóa.	Giảm thể tích nhiệt khi khối bê tông nguội dần về nhiệt độ môi trường khí hậu.	Biến dạng nhiệt thuận nghịch theo chu kỳ nhiệt độ.

Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và cường độ co ngót khi khô

Cường độ và sự phát triển theo thời gian của co ngót khi khô chịu sự chi phối tổng hợp của thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông, điều kiện hình học cấu kiện và môi trường khí hậu xung quanh:

Hàm lượng hồ xi măng và tỷ lệ nước trên chất kết dính: Hồ xi măng là thành phần duy nhất sinh ra co ngót, trong khi cốt liệu đá sỏi trơ hoàn toàn. Cấp phối bê tông càng sử dụng nhiều xi măng và lượng nước nhào trộn lớn thì thể tích mao quản rỗng sau khi đóng rắn càng nhiều, khiến biên độ co ngót khi khô càng khốc liệt.
Đặc tính và độ cứng của cốt liệu: Cốt liệu đóng vai trò như một bộ khung cơ học cản trở sự biến dạng co rút của hồ xi măng. Bê tông sử dụng cốt liệu có mô đun đàn hồi cao, độ xốp thấp và tỷ lệ thể tích cốt liệu lớn sẽ có độ co ngót khi khô nhỏ hơn nhiều so với bê tông chứa cốt liệu yếu hoặc cốt liệu xốp nhân tạo.
Tỷ số diện tích bề mặt thoát ẩm trên thể tích cấu kiện: Tốc độ mất nước tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc trực tiếp với không khí. Các cấu kiện mỏng như bản sàn mặt đường, sàn mái nhà xưởng có tốc độ khô và biên độ biến dạng co ngót nhanh hơn nhiều so với các cấu kiện khối lớn như trụ cầu hay móng bè.
Độ ẩm tương đối và tốc độ gió môi trường: Môi trường có độ ẩm không khí thấp kết hợp với gió thổi mạnh làm gia tăng chênh lệch áp suất hơi nước, thúc đẩy quá trình bay hơi diễn ra dồn dập, đẩy nhanh sự hình thành ứng suất kéo nội tại.

Mô hình tính toán dự báo co ngót khi khô

Trong thiết kế kết cấu nhịp lớn, cầu bê tông dự ứng lực và nhà cao tầng, việc dự báo chính xác độ co ngót dài hạn là yêu cầu bắt buộc để bù trừ độ võng và tổn hao ứng suất căng trước.

Mô hình B3 do nhà cơ học hàng đầu Zdenek P. Bažant và cộng sự công bố năm 1995 trên tạp chí Materials and Structures là một trong những thành tựu học thuật tiêu biểu nhất về mô hình hóa cơ học biến dạng. Mô hình B3 phân tách rõ ràng sự tương tác giữa hiện tượng co ngót và từ biến, xây dựng các phương trình toán học dựa trên cơ sở nhiệt động học truyền ẩm và tính toán kích thước hình học tương đương của cấu kiện bê tông.

Bên cạnh đó, nghiên cứu của Eguchi và Teranishi công bố năm 2005 trên tạp chí Cement and Concrete Research đã phát triển phương trình dự báo co ngót khi khô của bê tông dựa trên mô hình vật liệu hỗn hợp composite. Mô hình này làm sáng tỏ vai trò cản trở cơ học của cốt liệu, cho phép ước tính độ co ngót của bê tông dựa trên thể tích và mô đun đàn hồi của cốt liệu kết hợp với đặc tính co rút của hồ xi măng nền.

Phương pháp thí nghiệm và tiêu chuẩn đo lường

Để kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào và thẩm định cấp phối bê tông cho các dự án quan trọng, các quy trình thí nghiệm tiêu chuẩn được ban hành nhằm đo đạc chính xác biến dạng co ngót dài hạn.

Tại Việt Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3117:2022 về phương pháp xác định độ co của bê tông. Tiêu chuẩn này quy định cụ thể việc đúc và bảo dưỡng các mẫu thử lăng trụ có kích thước danh định 100 mm x 100 mm x 400 mm (đối với bê tông có kích thước hạt cốt liệu lớn nhất nhỏ) hoặc mẫu kích thước 150 mm x 150 mm x 600 mm (đối với bê tông hạt thô). Mẫu thử sau khi tháo khuôn được bảo quản tránh làm mất ẩm, tiến hành đo mốc ban đầu trong vòng không quá bốn giờ và chuyển ngay vào buồng kiểm soát khí hậu có nhiệt độ duy trì ổn định ở mức 27 °C cộng trừ 2 °C cùng độ ẩm tương đối không khí quy định nghiêm ngặt. Chiều dài mẫu thử được theo dõi định kỳ bằng dụng cụ đo biến dạng chuyên dụng có độ chính xác không lớn hơn 0,002 mm.

Giải pháp công nghệ kiểm soát và giảm thiểu co ngót khi khô

Nhằm ngăn ngừa hiện tượng nứt nẻ sớm và bảo vệ kết cấu công trình, các biện pháp công nghệ và thiết kế thi công sau đây được áp dụng rộng rãi:

Sử dụng phụ gia giảm co ngót (Shrinkage-Reducing Admixtures): Nghiên cứu đột phá của Bentz và các cộng sự năm 2001 công bố trên tạp chí Cement and Concrete Research đã chứng minh phụ gia giảm co ngót có gốc phân tử glycol ether hoạt động bằng cách làm giảm mạnh sức căng bề mặt của nước lỗ rỗng. Khi sức căng bề mặt suy giảm, ứng suất mao dẫn kéo các thành mao quản rỗng bị giảm bớt rõ rệt, giúp khống chế biến dạng co ngót khi khô cũng như giảm thiểu hiện tượng tự khô và co ngót tự sinh ở tuổi sớm của vữa và bê tông một cách hữu hiệu.
Tối ưu hóa thành phần cấp phối và tỷ lệ nước trên xi măng: Giảm lượng nước tự do nhào trộn thông qua phụ gia giảm nước tầm cao, tăng tỷ lệ chèn cốt liệu hạt lớn với cấp phối liên tục để giảm tối đa thể tích chiếm chỗ của hồ xi măng trong một mét khối bê tông.
Dưỡng hộ ẩm liên tục và bảo dưỡng nội bộ: Kéo dài thời gian bảo dưỡng ẩm bằng bao tải ướt, màng phủ ngăn bay hơi hoặc sử dụng cốt liệu nhẹ bão hòa nước làm chất dự trữ ẩm nội bộ (internal curing), cung cấp nước từ từ vào lòng mao quản khi đá xi măng bắt đầu khô.
Bố trí khe co giãn và lưới cốt thép phân bố: Trong thiết kế kết cấu mặt sàn và tường dài, việc chủ động cắt khe co giãn đúng khoảng cách tính toán và tăng cường hàm lượng cốt thép cấu tạo giúp phân tán ứng suất kéo, chia nhỏ các vết nứt tiềm năng thành các vết rạn vi mô vô hại đối với kết cấu.