Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in bê tông 3D đang phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện đại. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng công nghệ in 3D giúp tiết kiệm chi phí từ 35-50% cho ván khuôn và giảm 50-75% thời gian thi công so với phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất là cải thiện độ bám dính giữa các lớp bê tông in 3D, bởi liên kết yếu có thể gây ra các khe rỗng, giảm độ bền và ảnh hưởng đến tính ổn định của cấu trúc. Mục tiêu nghiên cứu này là phân tích và đề xuất giải pháp nâng cao độ bám dính giữa các lớp bê tông in 3D thông qua việc sử dụng các loại phụ gia khoáng và polymer làm lớp trung gian, nhằm tăng diện tích tiếp xúc và giảm khe rỗng giữa các lớp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu bê tông in 3D được chế tạo tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM trong khoảng thời gian từ năm 2021 đến 2023. Nghiên cứu đánh giá các tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông, bao gồm độ chảy xòe, cường độ nén, độ bám dính kéo tách giữa các lớp, cũng như phân tích cấu trúc bề mặt liên kết. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ in bê tông 3D vào xây dựng công trình thực tế, góp phần nâng cao chất lượng và độ bền của các cấu kiện bê tông in 3D.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết bám dính và lý thuyết liên kết khuếch tán. Lý thuyết bám dính giải thích cơ chế liên kết giữa các lớp bê tông dựa trên sự xâm nhập và kết dính của vật liệu trung gian vào bề mặt lớp nền, bao gồm các liên kết hóa học như liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị và lực van der Waals. Lý thuyết liên kết khuếch tán tập trung vào sự tương tác vật lý giữa các phân tử của lớp trung gian và lớp bê tông, qua đó tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện độ bền liên kết.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Độ bám dính kéo tách (pull-off adhesion strength)
  • Độ chảy xòe (flowability)
  • Cường độ nén (compressive strength)
  • Phụ gia khoáng metacaolanh (metakaolin)
  • Phụ gia polymer Sikalatex TH và Sikament R-7N

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông in 3D được chế tạo tại phòng thí nghiệm với cỡ mẫu 100x100x50 mm³ và 100x100x100 mm³. Mẫu bê tông được thiết kế với các tỷ lệ nước/xi măng (N/X) khác nhau từ 0,32 đến 0,36, sử dụng phụ gia khoáng metacaolanh thay thế 20% xi măng và phụ gia polymer Sikalatex TH hoặc Sikament R-7N với tỷ lệ 0,5%. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ trộn bê tông in 3D chuẩn bị theo quy trình nghiêm ngặt.

Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp thí nghiệm cơ lý: đo độ chảy xòe theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006, đo cường độ nén theo TCVN 6016:2011, đo độ bám dính kéo tách bằng máy Adhesion Tester với kích thước đầu kéo 30 mm. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2021 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, trộn mẫu, in 3D, và thử nghiệm cơ lý ở các tuổi bê tông 3, 7 và 28 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phụ gia khoáng metacaolanh đến tính công tác và cường độ nén
    Hỗn hợp bê tông có metacaolanh cho thấy độ chảy xòe giảm nhẹ khoảng 5-10% so với mẫu chuẩn, nhưng cường độ nén tăng trung bình 15% ở tuổi 28 ngày, đạt 46,1 MPa so với 40 MPa của mẫu không có phụ gia. Điều này cho thấy metacaolanh cải thiện cấu trúc vi mô và tăng cường độ liên kết trong bê tông.

  2. Tác động của phụ gia polymer Sikalatex TH và Sikament R-7N đến độ bám dính giữa các lớp
    Mẫu sử dụng Sikalatex TH có độ bám dính kéo tách tăng 20-30% so với mẫu không sử dụng phụ gia, trong khi mẫu dùng Sikament R-7N tăng khoảng 25-35%. Đặc biệt, Sikament R-7N giúp kéo dài thời gian ninh kết, giảm co ngót và tăng khả năng liên kết giữa các lớp bê tông in 3D.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/xi măng (N/X) đến độ bám dính
    Tỷ lệ N/X thấp (0,32) làm tăng độ bám dính lên đến 36 MPa, trong khi tỷ lệ cao hơn (0,36) giảm độ bám dính khoảng 15%. Nguyên nhân là tỷ lệ N/X thấp giúp giảm hiện tượng khô bề mặt, tăng khả năng xâm nhập và liên kết của lớp trung gian.

  4. Ảnh hưởng của thời gian in lớp kế tiếp đến độ bám dính
    Thời gian trì hoãn giữa các lớp in càng ngắn thì độ bám dính càng cao, giảm thiểu khe rỗng và tăng diện tích tiếp xúc. Thời gian trì hoãn trên 20 phút làm giảm độ bám dính đáng kể do lớp trước đã bắt đầu đông cứng, hạn chế sự liên kết cơ học và hóa học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng phụ gia khoáng metacaolanh và phụ gia polymer là giải pháp hiệu quả để cải thiện độ bám dính giữa các lớp bê tông in 3D. Metacaolanh thúc đẩy phản ứng pozzolanic, tạo ra gel C-S-H bổ sung, làm tăng cường độ nén và giảm độ rỗng. Phụ gia polymer như Sikalatex TH và Sikament R-7N cải thiện tính dẻo, kéo dài thời gian ninh kết, giúp lớp trung gian bám dính tốt hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà nghiên cứu quốc tế về vai trò của phụ gia khoáng và polymer trong việc nâng cao liên kết lớp bê tông in 3D. Việc kiểm soát tỷ lệ N/X và thời gian in lớp kế tiếp cũng là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa độ bám dính, giảm thiểu khuyết tật cấu trúc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bám dính kéo tách theo tỷ lệ N/X và loại phụ gia, bảng tổng hợp cường độ nén các mẫu ở các tuổi khác nhau, cũng như hình ảnh mô tả cấu trúc bề mặt liên kết qua kính hiển vi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phụ gia khoáng metacaolanh thay thế 20% xi măng trong hỗn hợp bê tông in 3D

    • Mục tiêu: Tăng cường độ nén và giảm độ rỗng
    • Thời gian thực hiện: Ngay trong giai đoạn thiết kế hỗn hợp bê tông
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà sản xuất vật liệu và kỹ sư thiết kế bê tông

  2. Sử dụng phụ gia polymer Sikalatex TH hoặc Sikament R-7N với tỷ lệ 0,5% làm lớp trung gian giữa các lớp bê tông

    • Mục tiêu: Nâng cao độ bám dính kéo tách, kéo dài thời gian ninh kết
    • Thời gian thực hiện: Trong quá trình trộn và in bê tông
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ thuật viên thi công và nhà thầu xây dựng

  3. Kiểm soát tỷ lệ nước/xi măng trong khoảng 0,32 - 0,34 để đảm bảo độ bám dính và tính công tác

    • Mục tiêu: Giảm hiện tượng khô bề mặt, tăng diện tích tiếp xúc liên kết
    • Thời gian thực hiện: Trong giai đoạn chuẩn bị hỗn hợp bê tông
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư vật liệu và phòng thí nghiệm

  4. Giảm thời gian trì hoãn giữa các lớp in xuống dưới 20 phút để hạn chế khe rỗng và tăng độ bám dính

    • Mục tiêu: Tối ưu hóa quy trình in 3D, nâng cao chất lượng liên kết lớp
    • Thời gian thực hiện: Trong quá trình thi công in 3D
    • Chủ thể thực hiện: Đội ngũ vận hành máy in và quản lý dự án

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vật liệu xây dựng

    • Lợi ích: Hiểu rõ cơ chế bám dính giữa các lớp bê tông in 3D, áp dụng phụ gia phù hợp để cải thiện chất lượng vật liệu.
    • Use case: Thiết kế hỗn hợp bê tông in 3D cho các công trình xây dựng hiện đại.

  2. Nhà thầu và kỹ thuật viên thi công in 3D

    • Lợi ích: Nắm bắt quy trình thi công tối ưu, kiểm soát thời gian in và sử dụng phụ gia để đảm bảo độ bền kết cấu.
    • Use case: Thực hiện in 3D các cấu kiện bê tông với chất lượng cao, giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng

    • Lợi ích: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ in bê tông 3D và các yếu tố ảnh hưởng đến liên kết lớp.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc ứng dụng công nghệ in 3D trong học thuật.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng

    • Lợi ích: Hiểu được lợi ích và hạn chế của công nghệ in bê tông 3D, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.
    • Use case: Lập kế hoạch và giám sát thi công các dự án ứng dụng in bê tông 3D.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia metacaolanh có tác dụng gì trong bê tông in 3D?
    Metacaolanh thúc đẩy phản ứng pozzolanic, tạo gel C-S-H bổ sung giúp tăng cường độ nén và giảm độ rỗng, từ đó cải thiện độ bền và độ bám dính giữa các lớp bê tông.

  2. Tại sao cần sử dụng phụ gia polymer như Sikalatex TH hoặc Sikament R-7N?
    Các phụ gia polymer này giúp tăng tính dẻo, kéo dài thời gian ninh kết, giảm co ngót và tăng khả năng liên kết cơ học giữa các lớp bê tông in 3D, nâng cao độ bám dính kéo tách.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/xi măng đến độ bám dính như thế nào?
    Tỷ lệ nước/xi măng thấp giúp giảm hiện tượng khô bề mặt, tăng khả năng xâm nhập và liên kết của lớp trung gian, từ đó nâng cao độ bám dính giữa các lớp bê tông.

  4. Thời gian trì hoãn giữa các lớp in ảnh hưởng ra sao đến chất lượng liên kết?
    Thời gian trì hoãn càng ngắn thì độ bám dính càng cao do lớp trước chưa đông cứng, giảm khe rỗng và tăng diện tích tiếp xúc. Trì hoãn quá lâu làm giảm liên kết cơ học và hóa học.

  5. Làm thế nào để đo độ bám dính kéo tách giữa các lớp bê tông in 3D?
    Độ bám dính được đo bằng máy Adhesion Tester với đầu kéo có đường kính 30 mm, thực hiện kéo tách mẫu theo tiêu chuẩn, ghi nhận lực kéo tối đa để đánh giá độ bám dính.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng phụ gia khoáng metacaolanh và phụ gia polymer trong việc cải thiện độ bám dính giữa các lớp bê tông in 3D.
  • Tỷ lệ nước/xi măng thấp và thời gian in lớp kế tiếp ngắn là các yếu tố quan trọng giúp tăng cường liên kết lớp.
  • Các kết quả thí nghiệm về độ chảy xòe, cường độ nén và độ bám dính kéo tách được phân tích chi tiết, cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao chất lượng bê tông in 3D trong xây dựng.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các loại phụ gia khác và điều kiện thi công thực tế để hoàn thiện công nghệ in bê tông 3D.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xây dựng thực tế và tiếp tục theo dõi, đánh giá hiệu quả để điều chỉnh phù hợp. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm các nghiên cứu liên quan.

Luận văn này cung cấp nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ in bê tông 3D tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong ngành xây dựng.