Nghiên cứu đặc trưng cơ lý của tre Việt Nam và ứng dụng trong ngành xây dựng

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường đặc trưng cơ lý của tre việt nam ứng dụng trong ngành xây dựng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

• Tác giả: Hoàng Nam
• Người hướng dẫn: GV. Hoàng Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Đặc Trưng Cơ Lý Của Tre Việt Nam Ứng Dụng Trong Ngành Xây Dựng
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tre và Tre Việt Nam

Tre là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên bền vững, đặc biệt phổ biến ở các vùng nhiệt đới. Theo nghiên cứu, có khoảng 1250 loài tre trên toàn thế giới, trong đó khoảng 200 loài thuộc Đông Nam Á. Tre không chỉ được sử dụng trong xây dựng mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như sản xuất giấy, chế tạo nhạc cụ và thực phẩm. Đặc biệt, tre được đánh giá cao trong ngành xây dựng nhờ vào tính nhẹ, khả năng chịu lực tốt và quy trình chế biến đơn giản. "Không có loại cây nào của vùng nhiệt đới lại có thể cho con người nhiều công dụng kỹ thuật như tre" (Kurz, 1876). Tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng của tre tại Việt Nam vẫn chưa được thực hiện đầy đủ, do đó cần có những nghiên cứu sâu hơn về các đặc tính cơ lý của tre để ứng dụng hiệu quả trong xây dựng.

II. Đặc tính sinh học tre Việt Nam

Tre thuộc họ Gramineae, có nhiều đặc điểm tương đồng với gỗ nhưng cũng có những khác biệt rõ rệt. Việc phân loại tre gặp nhiều khó khăn do tre chỉ trổ hoa một lần trong đời. Các chi phổ biến nhất ở Đông Nam Á bao gồm Bambusa, Schizostachyum và Dendrocalamus. Tre phát triển nhanh và có thể đạt chiều cao từ 8-15m trong vòng một năm. Cấu trúc của tre bao gồm các sợi cellulose, mạch gỗ và lignin, trong đó các sợi cellulose đóng vai trò chính trong khả năng chịu lực. Để sử dụng tre làm vật liệu xây dựng, cần phải sấy khô tre trong môi trường tối và thông thoáng, quy trình này kéo dài từ 6-12 tuần.

III. Các đặc trưng cơ lý tre và phương pháp khảo sát

Đặc trưng cơ lý của tre bao gồm tính biến dạng và cường độ, trong đó cường độ chịu nén, kéo, uốn và cắt là những chỉ tiêu quan trọng. Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 8168:2010 và ISO 22157:2004. Việc khảo sát các đặc trưng cơ lý của 30 loại tre Việt Nam cho thấy sự biến thiên lớn về cường độ giữa các loài. Các loài tre như Hóp Thừa Thiên Huế và Trúc bình tích có cường độ chịu lực rất tốt, cho thấy tiềm năng ứng dụng cao trong xây dựng. Phương pháp khảo sát bao gồm việc lấy mẫu từ các đoạn tre khác nhau và thực hiện các thí nghiệm nén, kéo, uốn và cắt.

IV. Đặc trưng độ ẩm

Độ ẩm là một trong những tính chất quan trọng của tre, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của vật liệu. Độ ẩm trong tre biến thiên lớn và có thể gây ra hiện tượng co ngót đáng kể. Phương pháp xác định độ ẩm được thực hiện bằng cách sấy mẫu ở nhiệt độ 103±2°C và cân khối lượng trước và sau khi sấy. Kết quả cho thấy rằng độ ẩm có thể ảnh hưởng đến cường độ chịu nén và kéo của tre, do đó việc kiểm soát độ ẩm là rất cần thiết trong quá trình sử dụng tre làm vật liệu xây dựng.

V. Đặc trưng nén

Cường độ chịu nén của tre là một trong những chỉ tiêu cơ học quan trọng, được xác định thông qua thí nghiệm nén. Kết quả cho thấy rằng cường độ chịu nén dọc thớ tre có giá trị cao, cho phép tre được sử dụng làm cột và các kết cấu chịu lực khác. Các thí nghiệm cho thấy sự biến thiên lớn về cường độ chịu nén giữa các loài tre, điều này cho thấy cần có sự lựa chọn kỹ lưỡng khi sử dụng tre trong xây dựng. Việc nghiên cứu cường độ chịu nén không chỉ giúp xác định khả năng chịu lực của tre mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng tre trong các công trình xây dựng.

VI. Đặc trưng kéo

Cường độ chịu kéo của tre cũng là một chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu. Thí nghiệm kéo cho thấy rằng tre có khả năng chịu kéo tốt, với các giá trị cường độ biến thiên giữa các loài. Việc xác định cường độ chịu kéo giúp hiểu rõ hơn về khả năng làm việc của tre trong các kết cấu chịu lực, từ đó có thể ứng dụng tre một cách hiệu quả hơn trong xây dựng. Các nghiên cứu cho thấy rằng tre có thể thay thế một phần vật liệu xây dựng truyền thống, góp phần vào việc phát triển bền vững.

VII. Đặc trưng cắt chẻ

Cường độ chịu cắt của tre là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế các mối nối và kết cấu chịu lực. Thí nghiệm cắt cho thấy rằng tre có khả năng chịu cắt tốt, điều này cho phép sử dụng tre trong các ứng dụng cần mối nối chắc chắn. Việc nghiên cứu cường độ chịu cắt không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng tre trong xây dựng. Các kết quả cho thấy rằng tre có thể được sử dụng hiệu quả trong các kết cấu phức tạp, từ đó nâng cao giá trị sử dụng của tre trong ngành xây dựng.

VIII. Đặc trưng uốn

Cường độ chịu uốn của tre là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu. Thí nghiệm uốn cho thấy rằng tre có khả năng chịu uốn tốt, với các giá trị cường độ biến thiên giữa các loài. Việc xác định cường độ chịu uốn giúp hiểu rõ hơn về khả năng làm việc của tre trong các kết cấu chịu lực, từ đó có thể ứng dụng tre một cách hiệu quả hơn trong xây dựng. Các nghiên cứu cho thấy rằng tre có thể thay thế một phần vật liệu xây dựng truyền thống, góp phần vào việc phát triển bền vững.

IX. Kết luận

Nghiên cứu về cơ lý tre Việt Nam cho thấy tiềm năng lớn của tre trong ngành xây dựng. Các đặc tính cơ lý như cường độ chịu nén, kéo, uốn và cắt đều cho thấy tre có khả năng ứng dụng cao. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của tre không chỉ giúp nâng cao giá trị sử dụng của tre mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các đặc tính của tre để khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên này trong xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA TRE VIỆT NAM ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH XÂY DỰNG Mã số đề tài: T-KTXD-2011-50 Thời gian thực hiện: từ tháng 05 năm 2011 đến tháng 04 năm 2012 Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nam Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 05 năm 2012 Danh sách cán bộ tham gia thực hiện đề tài Hoàng Nam, GV., Bộ môn Công trình, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trang 1 ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA TRE VIỆT NAM ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH XÂY DỰNG Tóm tắt Nhằm nâng cao giá trị sử dụng của tre, định hướng phát triển những vùng nguyên liệu thích hợp, nghiên cứu này tiến hành khảo sát các đặc trưng cơ lý của 30 loại tre Việt Nam có khả năng ứng dụng trong ngành Xây dựng (structural bamboo) chọn từ gần 100 loài tre Việt Nam được sưu tập và định danh tại Làng tre Phú An, Bình Dương. Các thí nghiệm đo độ ẩm, thí nghiệm nén, kéo, uốn và cắt được thực hiện theo các tiêu chuẩn TCVN 8168:2010 và ISO 22157 (2004). Kết quả cho thấy các loài tre thí nghiệm có cường độ chịu lực rất tốt, mặc dù giá trị cường độ chịu lực biến thiên lớn giữa các loài.

Các loài tre có các cường độ chịu uốn, kéo, nén và cắt đều cao là: Hóp Thừa Thiên Huế (Bambusa sp.62), Trúc bình tích (Bambusa tuldoides var.2 McClure), Mum ĐăkNông (Gigantochloa sp.10), Mum Phước Long (Yushania niitakayamensis Keng f.), Trúc tàu Kiên Giang (Gigantochloa sp.14), và Tre bông Bến Tre (Bambusa sp. Từ khóa: Tre, Tre Việt Nam, Nén, Kéo, Uốn, Cắt, Độ ẩm, Cường độ, Mô đun biến dạng Trang 2 MỤC LỤC Chương Tiêu đề Trang Trang tiêu đề Tóm tắt 2 Mục lục 3 1 Tổng quan về tre và Tre Việt Nam 4 2 Đặc tính sinh học tre Việt Nam 7 3 Các đặc trưng cơ lý tre và phương pháp khảo sát 9 4 Đặc trưng độ ẩm 14 5 Đặc trưng nén 19 6 Đặc trưng kéo 25 7 Đặc trưng cắt (chẻ) 31 8 Đặc trưng uốn 37 9 Kết luận 46 Tài liệu tham khảo 49 Phụ lục: Dữ liệu thí nghiệm 50 Trang 3 1. TỔNG QUAN VỀ TRE VÀ TRE VIỆT NAM Tre phân bố rộng rãi trên khắp thế giới, tập trung ở những vùng có khí hậu nhiệt đới, cận nhiệt đới, ôn đới và có nhiều nhất ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương (Hình 1. Có khoảng 1250 loài tre thuộc 75 chi trên thế giới, trong đó có khoảng 200 loài thuộc khoảng 20 chi được tìm thấy ở Đông Nam Á (Dransfield và Widjaja, 1995, trích dẫn trong NNB&PDT 2007).

Phân bố cây tre trên thế giới Vì tre phân bố rộng khắp, mọc nhanh, có nhiều đặc tính mong muốn và dễ sử dụng, nên tre là một trong số các nguồn tài nguyên thiên nhiên bền vững của vùng nhiệt đới được sử dụng rộng rãi trong đời sống thường ngày của cư dân địa phương, ở quá khứ lẫn hiện tại. “Không có loại cây nào của vùng nhiệt đới lại có thể cho con người nhiều công dụng kỹ thuật như tre. Độ cứng, thẳng, trơn, nhẹ cộng với khả năng chẻ nhỏ thành nhiều kích thước, độ dài, độ dày khác nhau nên tre thích hợp cho rất nhiều mục đích sử dụng” (Kurz, 1876). Ở Đông Nam Á, công dụng đáng kể nhất của tre là làm vật liệu xây dựng, bên cạnh những công dụng quan trọng khác như làm nguyên liệu làm giấy, chế tạo nhạc cụ, đồ thủ công mỹ nghệ và thực phẩm (măng).

Tre được đánh giá là một loài vật liệu xây dựng có nhiều ưu điểm so với những loại vật liệu khác: nhẹ, chịu lực tốt, kỹ thuật chế biến đơn giản và ít tốn kém, là nguồn tài nguyên thiên nhiên phát triển nhanh và có thể tái tạo được. Trong khi đó, những vật liệu xây dựng nhân tạo truyền thống như gỗ, thép, bê tông ngày càng bộc lộ nhiều hạn chế về tuổi thọ công trình, quá trình sản xuất vật liệu tạo ra quá nhiều khí thải CO2 gây ô nhiễm môi trường. Tre được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhưng việc chọn lựa loại tre cho từng mục đích chủ yếu dựa vào các kinh nghiệm dân gian. Một số loài tre mà thân có đường kính lớn, vách dày và lóng tương đối ngắn Trang 4 thường được dùng làm cột, làm cầu hay làm giàn chịu lực, trong khi các loài tre mà thân có đường kính trung bình và vách tương đối mỏng lại phù hợp để làm vách tường, sàn và mái nhà (ví dụ Schizostachyum brachycladum Kurz, S.

zollingeri Steudel, Gigantochloa levis). Đã có các nghiên cứu tại Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Philippines và Indonesia nhằm sử dụng tre như cốt gia cường trong kết cấu bê tông. Với nhu cầu cấp bách về nhà ở, việc nghiên cứu vật liệu xanh thân thiện với môi trường và giá thành thấp như tre làm cấu trúc chịu lực công trình đang dần trở thành những sự lựa chọn có giá trị. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và tìm hiểu các đặc tính của tre vẫn còn gặp nhiều khó khăn do tre là vật liệu mang tính địa phương, các tính chất có thể biến đổi theo các vùng địa lý.

Nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam là một trong những quốc gia trên thế giới có độ đa dạng thực vật cao trong đó có tre. Theo số liệu thống kê đến tháng 12/2004, thì tổng diện tích tre trúc của Việt Nam là 1.256 ha, với khoảng 200 loài thuộc 30 chi và phân bố khắp cả nước, nhiều nhất là ở Miền Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ (Nguyễn Ngọc Bình, Phạm Đức Tuấn, Kỹ thuật tạo rừng tre trúc ở Việt Nam, Trung tâm khuyến nông quốc gia, 2007, trang 17). Tre Việt Nam phong phú tuy nhiên chưa khai thác hết được tiềm năng kinh tế và giá trị đa dạng sinh học. Nhiều giống tre tại Việt Nam được sưu tầm, nhưng chưa được nghiên cứu rõ ràng các đặc tính lý hóa để từ đó có thể mở ra những hướng sử dụng khác nhau.

Các nghiên cứu chi tiết về các đặc trưng của từng loài tre nhằm khai thác một cách hiệu quả nguồn tài nguyên này vẫn còn rất ít và chưa đầy đủ. Về đặc trưng chịu lực của tre trên thế giới có thể kể đến nghiên cứu về tính chất vật lý và giải phẫu của loài tre Bambusa vulgaris Schrader ở các nhóm 2 và 4 tuổi của Razak và cộng sự năm 2009. Nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc giải phẫu cũng như vật lý của tre biến động theo độ tuổi. Tần số các bó mạch ở phần gốc và ngọn lớn hơn ở thân ở cả 2 nhóm tuổi, không có sự khác biệt giữa đường kính bó mạch, độ dày của nhu mô và sợi gỗ của nhóm tuổi 4 thì lớn hơn nhóm tuổi 2.

Đối với tính chất vật lý, tỉ trọng cơ bản của các thân ở nhóm tuổi 4 thì cao hơn nhóm tuổi 2 từ 5 – 8% và thường tăng dần từ các lóng dưới thấp lên cao, cho thấy mối quan hệ giữa các nhóm tuổi đối với loại mô trong quá trình sinh trưởng. Nghiên cứu của Yu và cộng sự (2008) về tính chất cơ lý của loài tre Phyllostachys pubescens J.Houz; Hamdan và cộng sự (2009) về loài Gigantochloa scortechini Gamble. Ở Việt Nam, Đỗ Văn Bản (2001) đã nghiên cứu về cách xác định một số tính chất vật lý của tre dựa trên mẫu thí nghiệm kích thước nhỏ không khuyết tật như xác định về khối lượng riêng, độ co ngót của tre. Nguyễn Thế Năng (Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ sư lâm nghiệp Đại học Nông lâm Tp.

Hồ Chí Minh 2005) đã khảo sát tính chất cơ học và vật lý của tre Mỡ (Bambusa vulgarisSchrader), tre Gai (Bambusa spinosa Roxb.-Ham), tre Tàu (Gigantochloa lewis Trang 5 Blanco Merr) và sau đó, Phan Quỳnh Thạch (Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ sư lâm nghiệp Đại học Nông lâm Tp. Hồ Chí Minh 2005), công bố các tính chất cơ học và vật lý của tre Luồng (Dendrocalmus membranaceus), tre Mạnh tông (Dendrocalamus asper Schult f. Backer ex Heyre). Kết quả đã chỉ ra ứng suất nén dọc thớ và ngang thớ, ứng suất uốn xuyên tâm của tre Mạnh Tông là lớn nhất, lần lượt là 728.9 g/cm2, 219 g/cm2 và 2794.2 g/cm2, ứng suất uốn tiếp tuyến của tre luồng cao nhất là 2753.

Trong khuôn khổ của chương trình nghiên cứu trọng điểm Đại học Quốc gia Tp. Diệp Thị Mỹ Hạnh (Đại học Khoa học Tự nhiên) đã sưu tập và định danh được gần 100 loài tre Việt Nam tại Làng tre Phú An, Bình Dương. Nhằm nâng cao giá trị sử dụng của tre, định hướng phát triển những vùng nguyên liệu thích hợp, nghiên cứu này sẽ tiến hành tìm hiểu các đặc điểm, tính chất cơ lý của 30 loại tre Việt Nam có khả năng ứng dụng trong ngành Xây dựng (structural bamboo) được chọn từ bộ sưu tập của TS. ĐẶC TÍNH SINH HỌC TRE Cây tre, thuộc bộ Gramineae, họ Bambuseae, họ phụ Bambusoideae.

Việc phân loại tre hiện gặp rất nhiều khó khăn do tre chỉ trổ hoa duy nhất một lần trong đời, do đó chỉ có thể phân loại tre chủ yếu dựa vào hình dạng của bộ rễ tre, hoặc phức tạp hơn là dựa vào phân tích ADN của tre. Việc phân loại tre vẫn chưa hoàn thiện và phần lớn các giống vẫn chưa được biết rõ, vì vậy khó có thể cung cấp được thông tin chính xác về xuất xứ của tre. Ở Đông Nam Á, chi Bambusa là phổ biến nhất với khoảng 37 loài, tiếp đó là chi Schizostachyum khoảng 30 loài và chi Dendrocalamus có khoảng 29 loài (Nguyễn Ngọc Bình 2007). Về sinh học, tre khá giống với gỗ về những đặc điểm cơ bản của cấu trúc tế bào, hình thù và đặc tính cơ học nói chung; điểm khác nhau lớn nhất giữa tre và gỗ là tre có lớp vỏ bên ngoài rất cứng trong khi lớp ruột bên trong mềm.

Tre phát triển lên cao tại đỉnh nhờ vào việc thay vỏ ngoài mỗi năm, đồng thời tre cũng rụng lá mỗi năm. Khác với gỗ, đường kính thân tre không cho biết tuổi của tre. Tuổi của tre có thể xác định thông qua âm thanh từ thân tre hoặc hình dạng bề mặt thân tre. Thân tre có cấu tạo gồm có mấu tre, đốt tre và màng.

Ban đầu thân tre mọc lên như một chồi nhỏ tại mắt của hệ rễ. Trong khoảng vài năm sau đó, chồi sẽ phát triển đến khi nhô ra khỏi đất dưới dạng nhánh nhỏ, từ đó phát triển với tốc độ rất nhanh thành thân tre. Chỉ trong vòng một năm, tre sẽ đạt được kích thước tối đa của nó, cao từ 8-15m, đường kính thân tre từ 5-12cm, bề dày khoảng 1cm. Đường kính này sẽ không đổi trong suốt quá trình tồn tại của thân tre.