Thi công trùng tu, sửa chữa công trình khối xây gạch đá là việc làm khó khăn, phức tạp và tiềm ẩn nhiều rủi ro vì công trình cổ khối xây gạch đá được xây dựng theo kinh nghiệm mà trong một số trường hợp, có những nhân tố kỹ thuật cần thiết không được xét đến đầy đủ, dễ xảy ra thiếu khả năng chịu lực, dễ mất ổn định.

Nhà thờ Đức Bà Sài Gòn đang được trùng tu.

Lịch sử phát triển của kết cấu gạch đá

Xây dựng gạch đá là lĩnh vực kỹ thuật xây dựng cổ xưa nhất. Thí dụ, đá thiên nhiên đã có khoảng 5.000 - 6.000 năm, gạch nung đã có từ hơn 3.000 năm. Trong thời kỳ đầu đã xây dựng những công trình bằng đá khối lớn. Thí dụ như Kim Tự Tháp, các cầu cạn, cầu đá… Kinh nghiệm xây dựng công trình gạch đá đã có hàng ngàn năm nhưng vẫn không có phương pháp tính toán và thiết kế hoàn chỉnh.

Để khắc phục xây dựng các công trình gạch đá khối lớn nặng nề, người ta nghiên cứu làm nhẹ công trình bằng những dạng kiến trúc “Bisanti”, “Gô tích”, “Ả rập”… nhưng đi kèm theo đó lại xảy ra nhiều hư hỏng và rủi ro. Thí dụ, xây dựng nhà thờ AMEN ở Pháp đầu thế kỷ XII kéo dài đến đầu thế kỷ XVI, trong quá trình xây dựng xảy ra sự cố phá hoại công trình do phân phối lại ứng suất trong khối xây. Nhà thờ ở Anh xây dựng xong ở thế kỷ XV, tiến hành sửa chữa, trùng tu ở thế kỷ XIX đã xảy ra phá sập đổ hoàn toàn do không tính đến tải trọng phụ vượt quá cường độ khối xây. Vào thế kỷ XVIII, XIX, xây dựng nhà 2 -3 tầng với kết cấu sàn là vòm đá nặng, người ta đã thiết kế tường có chiều dày 1,5 - 2m để chịu lực xô ngang.

Nhà xây dựng bằng khối xây gạch đá thường là xây dựng bằng khối lớn, do đó về kỹ thuật, sự làm việc của kết cấu gạch đá phát triển chậm hơn; sự tiến bộ về khoa học kết cấu gạch đá hạn chế hơn khoa học các dạng kết cấu khác. Sự phát triển khoa học về kết cấu gạch đá bị cản trở bởi những thí nghiệm kỹ thuật quá khó khăn. Vào đầu thế kỷ XIX để thí nghiệm dầm thép hay bê tông cốt thép đến phá hoại cần đến tải trọng vài tấn, còn để thí nghiệm chịu nén một khối xây gạch đá thì cần tải trọng nén đến hàng chục hàng trăm tấn. Để thí nghiệm những mẫu có kích thước nhỏ hơn người ta không thể thực hiện được do tính phức tạp trong qui luật mô hình hóa mẫu khối xây.

Cho đến cuối thế kỷ XIX, thiết kế nhà khối xây gạch đá còn dựa vào kinh nghiệm. Thí dụ, chiều dày tường ngoài của 2 tầng trên cùng, chọn chiều dày đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, sau đó cứ mỗi 2 tầng tiếp theo tăng chiều dày tường lên nửa gạch. Như vậy đối với nhà 5 tầng chiều dày tường ngoài ở các nước có mùa đông lạnh giá, theo yêu cầu cách nhiệt chọn chiều dày tường là 70cm thì tầng cuối cùng chiều dày tường là 1m.

Đến đầu thế kỷ XX, xây dựng kết cấu gạch đá còn dựa vào thiết kế theo kinh nghiệm có hệ số an toàn rất lớn k=3-5, bên cạnh đó cũng có một số trường hợp, các yếu tố ảnh hưởng không được xét đến do đó không đảm bảo đủ độ tin cậy an toàn. Đến khi lý thuyết xây dựng công trình ra đời, cụ thể là môn sức bền vật liệu (SBVL), thì lúc bấy giờ kết cấu khối xây gạch đá được tính toán theo lý thuyết SBVL, xem kết cấu khối xây gạch đá là vật liệu hoàn toàn đàn hồi.

Nhưng sau những năm 1930 - 1940, người ta chứng minh kết cấu khối xây gạch đá làm việc chịu lực phụ thuộc chủ yếu vào mạch vữa ngang, mà vữa là vật liệu đàn hồi dẻo (có tính biến dạng dẻo), do đó xem khối xây gạch đá là vật liệu đàn hồi thuần túy là không đúng, không phù hợp với sự làm việc thực tế của khối xây kết cấu gạch đá. Người ta đã làm nhiều thí nghiệm và cho kết quả là tính toán kết cấu khối xây gạch đá theo những công thức sức bền vật liệu sai lệch rất nhiều so với kết quả thí nghiệm thực tế.

Đến những năm 1940 mới bắt đầu có phương pháp tính toán kết cấu gạch đá phù hợp. Và từ năm 1945 - 1948 khi thiết kế kết cấu gạch đá mới có phương pháp tính toán hoàn chỉnh trên cơ sở các thí nghiệm thực tế đầy đủ theo quan điểm kết cấu khối xây gạch đá là vật liệu đàn hồi dẻo.

UBND TP.HCM (ảnh trên) và Nhà hát Thành phố (ảnh dưới) là những công trình có kết cấu gạch đã xây dựng từ cuối thế kỷ XIX.

Sự xuống cấp của các công trình cổ khối xây gạch đá

Qua thời gian sử dụng nhiều năm, chất lượng khối xây kết cấu gạch đá đã xuống cấp dần dần, đã giảm yếu về khả năng chịu lực và ổn định. Nguyên nhân của sự xuống cấp chất lượng khối xây gạch đá là do các nguyên nhân cơ bản sau tác động thường xuyên đến công trình: Tác động của môi trường xâm thực hay không xâm thực (mưa, nắng, gió, bức xạ mặt trời, khói bụi…); tác động của những rung động, những chấn động; tác động của con người…

Trong khối xây kết cấu gạch đá, theo thời gian sử dụng, viên gạch đá giảm yếu gần như không đáng kể, nhưng mạch vữa ngang lại quyết định sự xuống cấp của chất lượng khối xây. Sự xuống cấp của mạch vữa thông qua các hiện tượng: Giảm khả năng chịu lực của vật liệu vữa; giảm tính chất đàn hồi dẻo của vật liệu vữa, khả năng biến dạng của vữa bị trơ khô…; tính linh động của vữa cũng mất hẳn theo thời gian; lực bám dính của vữa vào gạch cũng giảm dần ở các mặt tiếp xúc.

Đi sâu phân tích các nhân tố trên, chúng ta hiểu thêm về sự xuống cấp của vật liệu vữa:

Khả năng chịu lực của vật liệu vữa là cường độ vữa. Cường độ vữa là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ khối xây. Trong trường hợp dùng vữa mác thấp, khi khối xây gạch đá chịu nén, sự phá hoại mạch vữa được bắt đầu sớm hơn sự phá hoại toàn bộ khối xây. Còn khi tăng cường độ vữa thì sự phá hoại khối xây bắt đầu từ những viên gạch riêng lẻ sớm hơn từ khối xây. Khi công trình xuống cấp, chất lượng vữa xuống cấp đi đến giảm cường độ khối xây.

Tính chất đàn hồi dẻo của vữa ảnh hưởng đến cường độ khối xây gạch đá như thế nào? Dưới tính chất biến dạng đàn hồi dẻo của vữa, quan hệ biến dạng và ứng suất là một đường cong, trị số biến dạng max và momen phá hoại tương ứng là rõ ràng. Phân tích trạng thái ứng suất của khối xây gạch đá cho thấy biến dạng của vữa có ảnh hưởng quyết định đến cường độ khối xây. Cùng một loại gạch khi tăng tính biến dạng của vật liệu vữa, thì có nghĩa tăng biến dạng mạch vữa ngang; như vậy làm tăng ứng suất kéo trong viên gạch đá, cũng như làm tăng biến dạng, ứng suất uốn và cắt trong viên gạch đá. Tóm lại, tính chất đàn hồi dẻo của vữa ảnh hưởng rất lớn đến cường độ khối xây gạch đá. Khi chất lượng vữa xuống cấp thì tính chất đàn hồi dẻo của vữa cũng giảm yếu dần theo thời gian.

Tính linh động của vữa càng lớn thì xây mạch vữa càng dễ, nó cho khả năng tạo chiều dày đều và rất kín mạch vữa ngang, làm giảm ứng suất uốn và cắt trong viên gạch khi khối xây chịu nén. Như vậy tăng tính linh động của vữa phần nào tăng cường độ khối xây. Dùng vữa hỗn hợp (xi măng + vôi + cát; xi măng + đất sét + cát) sẽ làm tăng tính linh động của vữa, nhưng cường độ vữa tăng không đáng kể.

Trong một số trường hợp tính linh động của vữa gắn liền với khả năng tăng tính biến dạng của vữa và như vậy cường độ khối xây không tăng mà ngược lại làm giảm cường độ khối xây. Thí dụ dùng vữa có khả năng dẻo hạn chế, thì loại vữa như vậy có tính linh động không lớn nhưng có tính biến dạng lớn.

Tính linh động chỉ phát huy tác dụng trong những ngày tháng đầu tiên khi xây, càng về sau lâu dần càng mất tác dụng. Do đó không cần xét tính linh động của vữa đối với hiện tượng xuống cấp của khối xây.

Lực dính của vữa với gạch có ảnh hưởng nhất định đến cường độ khối xây. Khi nén đúng trục, lực dính của vữa và gạch không ảnh hưởng đến cường độ khối xây. Điều này đã được kiểm chứng rõ ràng bằng thí nghiệm thực tế.

Lực dính tạo ra tính toàn khối, ảnh hưởng đến sự làm việc khối xây khi uốn, khi nén lệch tấm lớn, khi kéo… Khối xây gạch đá đảm bảo có lực dính giữa vữa và gạch lớn thì càng có điều kiện ổn định về nứt khi có biến dạng lớn. Đặc biệt lực dính có khả năng nâng cao sức kháng của khối xây chống tải trọng động.

Như vậy lực dính có ảnh hưởng nhất định đến độ bền vững của khối xây gạch đá. Khi công trình gạch đá cổ theo thời gian xuống cấp thì lực bám dính cũng giảm dần khả năng dính kết, cũng giảm dần độ bền vững của khối xây gạch đá.

Trùng tu công trình cổ kết cấu gạch đá

Công trình cổ kết cấu gạch đá là những công trình được thiết kế theo kinh nghiệm có hệ số an toàn rất lớn, khả năng chịu lực của khối xây gạch đá đa số là dư thừa rất nhiều. Nhưng bên cạnh đó cũng có một số trường hợp, các nhân tố ảnh hưởng không được xét đến đầy đủ, cho nên độ tin cậy về an toàn kết cấu bị hạn chế.

Khi thực hiện trùng tu sửa chữa công trình cổ kết cấu gạch đá, điều đầu tiên khẳng định là chất lượng khối xây của công trình cổ đã tồn tại hơn 100 năm, chất lượng của công trình đã xuống cấp nhiều, và sự xuống cấp đó hoàn toàn không thể kiểm soát được. Do đó khi thực hiện trùng tu công trình cổ phải tuân thủ các điều kiện bắt buộc qui ước trong biện pháp kỹ thuật thi công sau:

Không gia tải phụ thêm lên công trình, có khả năng làm phân phối lại ứng suất, làm tăng ứng suất cục bộ trong các khối xây đã giảm yếu mà chúng ta không kiểm soát được. Khi tăng tải trọng phụ trong các kết cấu tường chịu lực hoặc tường tự mang, cột gạch đều có thể gây ra các tác động làm xuất hiện sự cố công trình nguy hiểm. Tất cả các giàn giáo, thiết bị thi công đều được cách ly với công trình cổ, đảm bảo không có tải trọng nào tác động vào công trình.

Không gây rung động, chấn động lớn lên công trình, làm phá vỡ các liên kết trong khối xây, cụ thể là phá vỡ sự dính kết giữa gạch và vữa. Lực dính kết giữa gạch và vữa vốn đã xuống cấp, đã giảm yếu nhiều, tính toàn khối của khối xây gạch đá đã không còn nguyên vẹn, không đảm bảo độ bền vững của các khối xây. Khi phá vỡ lực dính kết giữa gạch và vữa sẽ phá vỡ độ bền vững công trình.

Không được tháo dỡ các bộ phận kết cấu khối xây gạch khi chưa được giằng giữ bổ sung bằng kết cấu thay thế để giữ ổn định tổng thể nguyên thủy của công trình. Các bộ phận kết cấu đều đã được giằng giữ thành một khối thống nhất; khi tháo dỡ một bộ phận nào đó sẽ làm mất tính toàn khối, đi đến mất ổn định cục bộ. Và đối với khối xây gạch đá sự mất ổn định cục bộ đi đến mất ổn định tổng thể chỉ là vấn đề thời gian. Vì vậy chúng ta cần đặc biệt quan tâm đến vấn đề này.

Trên đây là 3 điều kiện bắt buộc chính mà chúng ta phải tuân thủ trong biện pháp thi công trùng tu, sửa chữa công trình cổ.

Trong một số trường hợp các công trình cổ đã xuống cấp nghiêm trọng thì trước khi tiến hành thi công trùng tu, sửa chữa người ta tăng cường tính toàn khối, tăng cường sự ổn định, bền vững công trình bằng hệ thống “tendeur” giằng giữ công trình. Hệ thống “tendeur” này theo phương đứng đặt ở cao trình sàn các tầng và sàn mái, còn trên mặt bằng là bao bọc theo chu vi mặt bằng nhà và theo các tường ngang chính trong phương dọc của nhà. Cách giằng giữ bằng hệ thống “tendeur” đảm bảo được tính toàn khối, sự ổn định và bền vững của công trình.

Kết luận

Thi công trùng tu, sửa chữa công trình cổ khối xây gạch đá là việc làm khó khăn, phức tạp và tiềm ẩn nhiều rủi ro vì công trình cổ khối xây gạch đá được xây dựng theo kinh nghiệm mà trong một số trường hợp, có những nhân tố kỹ thuật cần thiết không được xét đến đầy đủ, dễ xảy ra thiếu khả năng chịu lực, dễ mất ổn định… Lịch sử đã cho thấy là chúng ta không thể kiểm soát hết được vì vậy phải thận trọng nghiên cứu kỹ càng sơ đồ kết cấu công trình, cách cấu tạo hệ chịu lực của công trình, cách giằng giữ ổn định công trình… trước khi tiến hành trùng tu, sửa chữa công trình.

GS.TS Huỳnh Chánh Thiên - Công ty CP Kiểm định xây dựng Sài Gòn (SCQC)

(Báo Xây dựng)