Tấm bản đường, dầm hộp và tà vẹt bê tông đúc sẵn trong xây dựng đường sắt tốc độ cao Trung Quốc. Ảnh: Slide tham luận của GS Qiang Yuan.
Trong xây dựng đường sắt tốc độ cao, yêu cầu tiến độ thi công và sản xuất hàng loạt đòi hỏi áp dụng công nghệ cấu kiện bê tông đúc sẵn kết hợp với dưỡng hộ hơi nước nhằm rút ngắn thời gian sản xuất cấu kiện. Tuy nhiên, khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng, quá trình hình thành vi cấu trúc bê tông có thể bị thay đổi, kéo theo sự biến đổi về tính chất cơ học và độ bền lâu. Đối với các cấu kiện có kích thước lớn, sự phân bố nhiệt độ không đều trong tiết diện có thể gây biến dạng không đều và phát sinh nội ứng suất trong cấu kiện.
Việc sản xuất trong nhà máy không loại bỏ các ảnh hưởng này, mà chỉ cho phép kiểm soát chúng trong giới hạn kỹ thuật. Vì vậy, bên cạnh lợi ích về tăng tốc thi công và công nghiệp hóa sản xuất, công nghệ cấu kiện bê tông đúc sẵn cho đường sắt tốc độ cao đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ về vật liệu, nhiệt độ và quy trình.
Nội dung dưới đây làm rõ các ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ đến vật liệu, kết cấu và yêu cầu kiểm soát trong quá trình sản xuất cấu kiện.
Nền tảng công nghệ trong xây dựng đường sắt tốc độ cao
Trong xây dựng đường sắt tốc độ cao tại Trung Quốc, bê tông đúc sẵn được sử dụng như một phương thức thi công chính, thay cho thi công tại chỗ truyền thống. Đến cuối năm 2025, tổng chiều dài đường sắt tốc độ cao vượt 50.000 km, với tốc độ khai thác lên tới 350 km/h. Dự kiến đến năm 2030, tổng chiều dài đường sắt vượt 180.000 km, trong đó đường sắt tốc độ cao vượt 60.000 km. Quy mô này tạo ra áp lực trực tiếp về tiến độ thi công và khả năng kiểm soát chất lượng trên diện rộng.
Trong điều kiện đó, việc phụ thuộc nhiều vào thi công bê tông tại chỗ có thể làm tăng khó khăn trong việc bảo đảm đồng thời tiến độ, độ đồng đều và khả năng kiểm soát chất lượng trên diện rộng. Sai lệch giữa các cấu kiện dễ xảy ra khi phụ thuộc vào điều kiện hiện trường. Vì vậy, phương thức được lựa chọn là chuyển sang thi công theo hướng công nghiệp hóa, trong đó cấu kiện được sản xuất trong nhà máy, sau đó vận chuyển ra công trường để lắp dựng. Cách làm này giúp kiểm soát vật liệu, quy trình và chất lượng ngay từ đầu, đồng thời giảm phụ thuộc vào điều kiện thi công tại chỗ.
Các cấu kiện bê tông đúc sẵn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đường sắt tốc độ cao, bao gồm tấm bản đường không đá ba lát, dầm hộp và tà vẹt bê tông. Các dạng kết cấu cụ thể gồm tấm bản đường không đá ba lát CRTS I, CRTS II, CRTS III; dầm hộp đúc sẵn dài 32 m; dầm hộp phân đoạn; và tà vẹt bê tông hai khối. Việc sử dụng các cấu kiện này cho phép chuyển phần lớn khối lượng thi công sang sản xuất công nghiệp, từ đó rút ngắn thời gian thi công tại hiện trường.
Để phù hợp với mô hình sản xuất hàng loạt, yêu cầu đặt ra là phải rút ngắn thời gian chế tạo cấu kiện. Vì vậy, các phương pháp dưỡng hộ được áp dụng, bao gồm gia nhiệt khô, dưỡng hộ hơi nước, gia nhiệt điện cao tần, gia nhiệt bằng vi sóng, gia nhiệt bằng dòng điện và gia nhiệt hồng ngoại. Trong số này, dưỡng hộ hơi nước được sử dụng phổ biến do quy trình đơn giản và duy trì được môi trường ẩm trong quá trình dưỡng hộ.
Tăng nhiệt độ dưỡng hộ làm bê tông phát triển cường độ nhanh hơn ở giai đoạn đầu. Cường độ nén ở tuổi 1 ngày tăng từ 32 MPa tại 20°C lên 45 MPa tại 80°C. Tuy nhiên, ở tuổi 90 ngày, cường độ lại giảm từ 66 MPa xuống 56 MPa. Điều này cho thấy việc tăng tốc độ phát triển cường độ không diễn ra đồng đều theo thời gian, mà có sự khác biệt giữa giai đoạn sớm và giai đoạn dài hạn.
Như vậy, bê tông đúc sẵn kết hợp với dưỡng hộ hơi nước cho phép tổ chức thi công theo hướng công nghiệp hóa và đáp ứng yêu cầu tiến độ. Đồng thời, việc tăng nhiệt độ dưỡng hộ cũng làm thay đổi quá trình phát triển cường độ của bê tông, đặt ra yêu cầu phải xem xét các ảnh hưởng tiếp theo đối với vật liệu và kết cấu.
Ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ đến vi cấu trúc và tính chất vật liệu
Dưỡng hộ hơi nước không chỉ làm bê tông đạt cường độ sớm nhanh hơn, mà đồng thời làm thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu. Thay đổi này xuất hiện trước hết ở vùng tiếp giáp/chuyển tiếp giữa các pha, là nơi truyền lực trong bê tông.
Đối với vùng tiếp giáp giữa cốt liệu và đá xi măng, chiều dày vùng này tăng theo nhiệt độ dưỡng hộ. Ở 20°C, độ dày khoảng 30 µm. Khi tăng lên 60°C, độ dày đạt khoảng 50 µm. Ở 80°C, giá trị này đạt khoảng 70 µm. Như vậy, khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng, chiều dày vùng tiếp giáp tăng lên. Điều này cho thấy cấu trúc hình thành của đá xi măng thay đổi dưới tác động của nhiệt độ.
Đối với vùng tiếp giáp giữa cốt thép và bê tông, thay đổi thể hiện rõ qua cấu trúc lỗ rỗng. Độ rỗng tăng từ 5,73% tại 20°C lên 10,42% tại 60°C. Đồng thời, tỷ lệ lỗ rỗng nhỏ hơn 40 µm giảm từ 87,3% xuống 65,3% khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên 80°C. Như vậy, khi nhiệt độ tăng, lỗ rỗng nhỏ giảm, lỗ rỗng lớn tăng. Điều này cho thấy phân bố kích thước lỗ rỗng trong vật liệu thay đổi.
Sự biến đổi vi cấu trúc kéo theo thay đổi về tính chất cơ học. Đối với cường độ nén, bê tông dưỡng hộ ở nhiệt độ cao đạt cường độ sớm cao hơn. Cường độ ở tuổi 1 ngày tăng từ 32 MPa lên 45 MPa khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên 80°C. Tuy nhiên, ở tuổi 90 ngày, cường độ lại giảm từ 66 MPa xuống 56 MPa. Điều này cho thấy cường độ tuổi sớm tăng, nhưng cường độ dài hạn giảm.
Đối với các chỉ tiêu động, mô đun đàn hồi và mô đun cắt đều giảm khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng. Ở tuổi 90 ngày, so với 20°C, mức thay đổi tương đối của mô đun đàn hồi động là -0,03 tại 60°C và -0,06 tại 80°C; tương tự, mức thay đổi tương đối của mô đun cắt động là -0,01 và -0,023. Đồng thời, ứng suất cực đại của bê tông cũng có xu hướng giảm.
Các chỉ tiêu về độ bền lâu cũng thay đổi. Chiều sâu cacbonat hóa tăng từ 1,9 mm lên 2,5 mm trong điều kiện dưỡng hộ hơi nước. Độ bền băng giá giảm, trong khi tốc độ ăn mòn tăng. Việc bổ sung các phụ gia khoáng như tro bay, xỉ kết hợp phụ gia cuốn khí có thể cải thiện một phần các bất lợi này.
Ngoài ra, dưới tác động của nhiệt độ cao, các yếu tố như: trường nhiệt, ứng suất nhiệt và vùng tiếp giáp giữa các pha vật liệu đều thay đổi. Các hiện tượng như: biến dạng giãn nở, nứt giòn và thay đổi cấu trúc lỗ rỗng được ghi nhận.
Như vậy, khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ để rút ngắn thời gian sản xuất, vật liệu không giữ nguyên trạng thái ban đầu. Cấu trúc bên trong thay đổi, kéo theo thay đổi về tính chất cơ học và độ bền lâu. Đây là cơ sở để xem xét các ảnh hưởng tiếp theo ở cấp độ kết cấu.
Ảnh hưởng của trường nhiệt và biến dạng đến trạng thái làm việc của kết cấu
Những thay đổi ở cấp độ vật liệu không dừng lại trong cấu trúc bên trong bê tông, mà tiếp tục thể hiện ở cấp độ kết cấu. Khi vi cấu trúc thay đổi và tính chất cơ học giảm, kết cấu chịu tác động rõ hơn của nhiệt độ và biến dạng.
Đối với các cấu kiện có kích thước lớn như dầm hộp và tấm bản đường không đá ba lát, nhiệt độ trong tiết diện không phân bố đều. Trong giai đoạn đầu, nhiệt độ bê tông chịu tác động đồng thời của nhiệt thủy hóa và quá trình dưỡng hộ hơi nước. Với dầm hộp đúc sẵn 32 m, nhiệt độ đạt giá trị lớn nhất sau khoảng 72 giờ kể từ khi đổ bê tông. Vị trí nhiệt độ cao tập trung tại khu vực giao giữa bản cánh và bụng dầm.
Do nhiệt sinh ra trong quá trình thủy hóa và trao đổi nhiệt với môi trường dưỡng hộ, trong tiết diện hình thành trường nhiệt không đều. Khi nhiệt độ không đều, biến dạng cũng không đều. Vì vậy, ngay từ giai đoạn đầu, bê tông đã xuất hiện biến dạng nhiệt.
Trong giai đoạn khai thác dài hạn, ảnh hưởng của nhiệt độ tiếp tục tồn tại, nhưng nguồn nhiệt chuyển sang từ môi trường, chủ yếu là bức xạ mặt trời. Trong tiết diện dầm hộp, nhiệt độ phân bố không đều theo chiều cao. Gradient nhiệt độ theo chiều cao tiết diện có thể đạt khoảng 59,92°C/m vào tháng 4 và 62,70°C/m vào tháng 7.
Sự chênh lệch nhiệt độ theo chiều cao dẫn đến chênh lệch biến dạng. Khi các lớp trong tiết diện biến dạng khác nhau, nội ứng suất hình thành. Kết quả phân tích cho thấy biến dạng bê tông có thể vượt khoảng 1,07 lần biến dạng kéo cực hạn. Điều này cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ không còn là yếu tố nhỏ, mà có thể tác động trực tiếp đến trạng thái làm việc của kết cấu.
Đối với tấm bản đường không đá ba lát CRTS III, ảnh hưởng của nhiệt độ cũng xuất hiện theo cùng cơ chế. Ở giai đoạn đầu, nhiệt độ trong bản biến đổi chủ yếu trong 24 giờ sau khi đổ bê tông. Quá trình này bao gồm cả giai đoạn dưỡng hộ hơi nước và giai đoạn sau dưỡng hộ. Nhiệt độ tại tâm tấm bản có thể đạt khoảng 53°C, cao hơn so với các vị trí khác.
Trong giai đoạn này, bê tông chịu biến dạng nén do nhiệt độ tăng. Biến dạng nén tăng dần theo thời gian dưỡng hộ, phản ánh sự phát triển của trường nhiệt trong cấu kiện.
Trong giai đoạn dài hạn, dưới tác động của môi trường, tấm bản tiếp tục xuất hiện phân bố nhiệt độ không đều theo chiều cao. Gradient nhiệt độ theo chiều cao của tấm bản đạt khoảng 35,72°C/m vào tháng 7 và 14,42°C/m vào tháng 2. Biến dạng lớn nhất đạt khoảng 101×10-6, tương đương 76,52% biến dạng kéo cực hạn.
Các kết quả này cho thấy, từ giai đoạn đầu đến giai đoạn khai thác, nhiệt độ luôn phân bố không đều trong cấu kiện. Khi nhiệt độ không đều, biến dạng không đều và nội ứng suất xuất hiện trong kết cấu. Điều này phản ánh mối liên hệ trực tiếp giữa đặc tính vật liệu và trạng thái làm việc của kết cấu bê tông trong điều kiện thực tế.
Tổ chức thi công và kiểm soát trong sản xuất, lắp dựng cấu kiện bê tông đúc sẵn
Các kết quả về trường nhiệt và biến dạng cho thấy nếu không kiểm soát tốt trong thi công, các ảnh hưởng bất lợi sẽ xuất hiện trong kết cấu. Vì vậy, khi áp dụng bê tông đúc sẵn và dưỡng hộ hơi nước, việc kiểm soát các thông số kỹ thuật trở thành điều kiện bắt buộc.
Trong xây dựng đường sắt tốc độ cao, tổ chức thi công được triển khai theo hướng tiêu chuẩn hóa và lặp lại theo dây chuyền. Cấu kiện được sản xuất trong nhà máy với quy trình cố định, sau đó vận chuyển ra hiện trường để lắp dựng. Cách làm này giúp kiểm soát vật liệu, nhiệt độ và thời gian thi công một cách ổn định.
Đối với dầm hộp đúc sẵn 32 m, quy trình sản xuất gồm các bước: lắp dựng cốt thép, đổ bê tông, dưỡng hộ hơi nước, tháo khuôn, căng cốt thép dự ứng lực và lưu kho. Trong quá trình này, các thông số kỹ thuật được kiểm soát chặt chẽ. Thời gian đổ bê tông được khống chế dưới 6 giờ. Bê tông sử dụng cấp C50. Cốt thép sử dụng các mác HRB400 và HRB500; cáp dự ứng lực được kiểm soát về chênh lệch mô đun đàn hồi trong cùng lô và giữa các lô sản xuất.
Trong giai đoạn dưỡng hộ, nhiệt độ được kiểm soát để hạn chế chênh lệch nhiệt trong tiết diện. Nhiệt độ dưỡng hộ không vượt quá 45°C, trong khi nhiệt độ bê tông không vượt quá 60°C. Chênh lệch nhiệt độ trong dầm được khống chế nhỏ hơn 15°C. Tháo khuôn được thực hiện khi bê tông đạt trên 60% cường độ thiết kế và các điều kiện chênh lệch nhiệt độ được bảo đảm. Quá trình căng kéo cốt thép dự ứng lực được thực hiện theo các giai đoạn: căng sơ bộ, căng ban đầu và căng cuối; trong đó căng ban đầu thực hiện khi bê tông đạt 80% cường độ thiết kế, còn căng cuối chỉ thực hiện khi cường độ và mô đun đàn hồi đạt 100% thiết kế, đồng thời tuổi bê tông không nhỏ hơn 10 ngày.
Đối với tấm bản đường không đá ba lát CRTS III, quy trình thi công gồm: chuẩn bị nền, lắp dựng cốt thép, căng trước, đổ bê tông tấm bản, dưỡng hộ nhiệt ẩm, lắp đặt tấm bản và thi công lớp bê tông tự lèn. Các thông số kỹ thuật chính được kiểm soát trong suốt quá trình thi công. Tỷ lệ nước/xi măng nhỏ hơn 0,35. Bê tông sử dụng cấp C60. Nhiệt độ đổ bê tông trong khoảng 5 - 30°C. Nhiệt độ môi trường thi công nhỏ hơn 40°C. Thời gian thi công một đợt nhỏ hơn 2 giờ. Việc giải phóng dự ứng lực và tháo khuôn được thực hiện sau khi bê tông đạt yêu cầu về cường độ và mô đun đàn hồi; sau tháo khuôn, tấm bản tiếp tục được dưỡng hộ nước ít nhất 3 ngày, với tổng thời gian giữ nhiệt và giữ ẩm không nhỏ hơn 10 ngày.
Trong giai đoạn dưỡng hộ của tấm bản, nhiệt độ bê tông được kiểm soát dưới 55°C, trong khi nhiệt độ dưỡng hộ dưới 45°C. Quá trình biến đổi nhiệt độ chủ yếu diễn ra trong 24 giờ đầu sau khi đổ bê tông. Đây là giai đoạn quan trọng, vì trường nhiệt hình thành và ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng của cấu kiện. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian thi công nhằm hạn chế chênh lệch nhiệt và giảm biến dạng không đồng đều.
Ngoài các cấu kiện chính, các cấu kiện đúc sẵn khác như: tà vẹt bê tông hai khối, tấm chắn, lan can và hệ thống thoát nước cũng được sản xuất theo phương thức công nghiệp. Tà vẹt hai khối sử dụng bê tông C60 và yêu cầu kháng băng giá đạt cấp F300.
Như vậy, khi áp dụng công nghệ bê tông đúc sẵn và dưỡng hộ hơi nước, thi công không chỉ là lắp dựng cấu kiện, mà là quá trình kiểm soát đồng bộ các yếu tố vật liệu, nhiệt độ và thời gian. Việc tiêu chuẩn hóa quy trình và kiểm soát chặt chẽ các thông số là điều kiện để bảo đảm chất lượng cấu kiện trong điều kiện sản xuất và thi công quy mô lớn.
Tóm lại, công nghệ cấu kiện bê tông đúc sẵn kết hợp với dưỡng hộ nhiệt ẩm giúp rút ngắn thời gian sản xuất, nâng cao mức độ công nghiệp hóa và đáp ứng yêu cầu thi công quy mô lớn của đường sắt tốc độ cao. Tuy nhiên, quá trình dưỡng hộ ở nhiệt độ cao có thể làm thay đổi vi cấu trúc, tính chất cơ học, độ bền lâu và trường nhiệt trong cấu kiện. Do đó, việc áp dụng công nghệ này cần đi kèm với kiểm soát đồng bộ từ vật liệu, cấp phối, chế độ dưỡng hộ, chênh lệch nhiệt độ đến quy trình căng kéo, tháo khuôn và dưỡng hộ sau nhiệt.
Đối với Việt Nam, trong quá trình nghiên cứu và chuẩn bị phát triển đường sắt tốc độ cao, kinh nghiệm này cho thấy công nghệ cấu kiện bê tông đúc sẵn không chỉ là giải pháp rút ngắn tiến độ, mà còn là một hệ thống kỹ thuật đòi hỏi năng lực kiểm soát vật liệu, cấp phối, chế độ dưỡng hộ, chênh lệch nhiệt độ, quy trình sản xuất và điều kiện khai thác. Nếu không kiểm soát tốt, các ảnh hưởng bất lợi từ nhiệt độ và biến dạng có thể xuất hiện trong quá trình sử dụng lâu dài.
(Bài viết được biên tập, lược dịch từ tham luận của tác giả tại hội thảo quốc tế “Công nghiệp hóa xây dựng với giải pháp lắp ghép cấu kiện bê tông đúc sẵn”, do Hiệp hội Bê tông Việt Nam tổ chức ngày 20/4/2026)