Đánh Giá Chỉ Tiêu Cơ Lý Của Bê Tông Sử Dụng Tro Bay Kết Hợp Sợi Polypropylene

• Tác giả: Võ Minh Luân
• Người hướng dẫn: TS. Bùi
• Trường học: Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Đánh Giá Cơ Lý Bê Tông Chức Năng Sử Dụng Tro Bay và Sợi Polypropylene
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP.HCM

• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. CHẤT VẬT LIỆU
• 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.2. Phản ứng pozzolanic
• 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng phản ứng pozzolanic của tro bay
• 2.4. Ảnh hưởng đến tính chất của bê tông
• 3. THIẾT KẾ CẶP PHẢI VÀ CHI TIẾT MẪU THÍ NGHIỆM
• 3.1. Chi tiết mẫu thí nghiệm
• 3.2. Quy trình nhồi trên hỗn hợp bê tông
• 3.2.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm
• 3.2.2. Xác định thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tông
• 3.2.3. Kiểm tra sự sụt (TCVN 3106:1993)
• 3.2.4. Thử nghiệm độ bền cho bê tông
• 3.2.5. Kiểm tra sự sụt (TCVN 3118:1993)
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả thử nghiệm ninh kết hỗn hợp bê tông
• 4.2. Kết quả thử nghiệm độ bền nén và độ bền uốn
• 4.3. Ảnh hưởng của sợi polypropylene đến tính chất cơ học của bê tông phân loại
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

I. Giới thiệu

Bê tông là vật liệu xây dựng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các công trình kiến trúc và hạ tầng. Tuy nhiên, việc sử dụng bê tông truyền thống có thể dẫn đến vấn đề về ô nhiễm môi trường và tiêu tốn tài nguyên thiên nhiên. Do đó, nghiên cứu về bê tông composite, đặc biệt là bê tông chức năng sử dụng tro bay và sợi polypropylene, đã trở thành một xu hướng mới nhằm cải thiện tính chất cơ lý của bê tông. Tro bay không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn cải thiện độ bền và khả năng chống thấm cho bê tông. Sợi polypropylene cũng được chứng minh là có khả năng tăng cường độ bền kéo và giảm thiểu nứt cho bê tông, giúp nâng cao hiệu suất làm việc của vật liệu này trong các điều kiện khắc nghiệt.

II. Tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về bê tông sử dụng tro bay và sợi polypropylene đã được thực hiện trên toàn thế giới. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung tro bay vào bê tông có thể làm giảm tỷ lệ nước/cement, từ đó cải thiện độ bền và khả năng chống thấm. Bên cạnh đó, sợi polypropylene được sử dụng để gia cố bê tông, giúp tăng cường khả năng chống nứt và độ bền kéo. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng bê tông composite có thể được ứng dụng trong các công trình yêu cầu tính bền vững cao như cầu, đường và các công trình công cộng. Đặc biệt, sự kết hợp giữa tro bay và sợi polypropylene trong bê tông phân loại chức năng mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành xây dựng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc chuẩn bị mẫu bê tông composite bằng cách thay thế một phần xi măng bằng tro bay và thêm sợi polypropylene vào hỗn hợp bê tông. Các mẫu bê tông sẽ được thử nghiệm về các tính chất cơ lý như độ bền nén, độ bền kéo và khả năng chống thấm. Các thử nghiệm sẽ được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Kết quả thử nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng tro bay và sợi polypropylene trong bê tông, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho ứng dụng thực tiễn.

IV. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng tro bay và sợi polypropylene trong bê tông không chỉ cải thiện các tính chất cơ lý mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Bê tông composite có khả năng chịu lực tốt hơn và ít nứt hơn so với bê tông truyền thống. Cụ thể, độ bền nén của bê tông composite đạt mức 70 MPa sau 28 ngày, cho thấy tính khả thi của việc sử dụng các vật liệu này trong xây dựng. Thêm vào đó, việc sử dụng tro bay giúp giảm lượng xi măng cần thiết, từ đó giảm thiểu phát thải khí CO2 trong quá trình sản xuất bê tông.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông phân loại chức năng sử dụng tro bay và sợi polypropylene là một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề về môi trường và tính bền vững trong xây dựng. Việc áp dụng các vật liệu này không chỉ cải thiện tính chất cơ lý của bê tông mà còn góp phần vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên. Đề xuất tiếp theo là nghiên cứu sâu hơn về các tỷ lệ pha trộn khác nhau của tro bay và sợi polypropylene để tối ưu hóa tính chất của bê tông, từ đó mở rộng ứng dụng trong các công trình xây dựng hiện đại.

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến thứ hai trên thế giới, với nhu cầu tiêu thụ dự kiến tăng khoảng 23% đến năm 2050. Tuy nhiên, quá trình sản xuất bê tông truyền thống gây ra lượng lớn khí thải CO2, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, việc phát triển loại bê tông mới vừa bền vững, vừa tiết kiệm tài nguyên là yêu cầu cấp thiết. Bê tông phân lớp chức năng (Functionally Graded Concrete - FGC) là một giải pháp tiềm năng, với cấu trúc gồm nhiều lớp bê tông có tính chất khác nhau, nhằm tối ưu hóa hiệu suất cơ học và kinh tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất cơ học của FGC sử dụng bê tông tro bay kết hợp sợi polypropylene (PP), nhằm thay thế bê tông xi măng truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và đánh giá các mẫu FGC hai lớp với cường độ thiết kế 70 MPa ở tuổi 28 ngày, khảo sát các tính chất chịu nén, chịu kéo uốn và khả năng chịu va đập. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng và Kết cấu Công trình, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển bê tông thân thiện môi trường, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và độ bền công trình xây dựng, đặc biệt là các kết cấu chịu tải động như mặt đường bê tông và dầm cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết bê tông phân lớp chức năng (FGC): Bê tông được phân thành nhiều lớp với tính chất cơ học khác nhau, nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực và giảm ứng suất tập trung tại các vùng chuyển tiếp (Interfacial Transition Zone - ITZ). Việc sử dụng sợi PP giúp cải thiện liên kết giữa các lớp, giảm nứt và tăng độ dẻo dai.

• Phản ứng pozzolanic của tro bay: Tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính, phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra các gel C-S-H và C-A-H, tăng cường độ và độ bền cho bê tông. Tro bay cũng giúp giảm nhiệt thủy hóa và cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông.

• Tính chất cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene: Sợi PP có khả năng chịu kéo tốt, giúp tăng cường tính chịu kéo uốn và khả năng chống va đập của bê tông, đồng thời giảm hiện tượng co ngót và nứt do ứng suất nhiệt.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén, chịu kéo uốn, khả năng chịu va đập, phản ứng pozzolanic, liên kết giữa các lớp bê tông, và tính bền vững trong vật liệu xây dựng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu gồm xi măng Portland loại I, tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, cát sông, sợi polypropylene, và phụ gia Sikament R4. Các mẫu bê tông được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318-11 và ACI 211.1-91 với cường độ thiết kế 70 MPa.

• Thiết kế mẫu thử: Tổng cộng 7 tỷ lệ hỗn hợp bê tông được chuẩn bị, bao gồm bê tông thường, bê tông tro bay, và bê tông tro bay có sợi PP. Mẫu thử gồm khối lập phương 100×100×100 mm, dầm 100×100×400 mm, và mẫu trụ đường kính 150 mm, cao 63 mm.

• Phương pháp phân tích: Các mẫu được dưỡng hộ trong nước và thử nghiệm ở các tuổi 3, 7, 28 ngày. Các phép thử bao gồm: chịu nén theo TCVN 3118:1993, chịu kéo uốn theo TCVN 3118:1993, và thử nghiệm va đập. Phân tích số liệu so sánh hiệu quả của việc bổ sung sợi PP và tro bay trong FGC.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 6 tháng, từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, thiết kế mẫu, thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng cường độ chịu kéo uốn và khả năng chịu va đập: Việc bổ sung sợi PP vào FGC làm tăng đáng kể độ bền kéo uốn và khả năng chịu va đập ở tuổi 28 ngày, với mức tăng khoảng 15-20% so với mẫu không có sợi PP.

2. Cường độ chịu nén tăng nhẹ: Cường độ chịu nén của FGC có sợi PP tăng khoảng 5% so với FGC không có sợi, đạt gần 70 MPa ở tuổi 28 ngày, cho thấy sợi PP không làm giảm khả năng chịu nén mà còn cải thiện nhẹ.

3. Hiệu quả của việc bố trí sợi PP ở lớp dưới: Bổ sung sợi PP chỉ ở lớp bê tông dưới cùng giúp đảm bảo độ bền cơ học và tiết kiệm chi phí hơn so với việc bổ sung sợi ở cả hai lớp. Mẫu FGC với lớp trên là bê tông tro bay và lớp dưới là bê tông tro bay có sợi PP được đánh giá là tối ưu nhất.

4. Tác động tích cực của tro bay: Tro bay thay thế 20% xi măng giúp cải thiện tính bền vững và giảm phát thải, đồng thời duy trì hoặc tăng nhẹ các chỉ tiêu cơ học của bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự cải thiện tính chất cơ học là do sợi PP tạo ra mạng lưới liên kết trong bê tông, giúp ngăn ngừa sự phát triển vết nứt và tăng khả năng chịu kéo uốn. Tro bay tham gia phản ứng pozzolanic, tạo ra các gel C-S-H bổ sung, làm tăng độ đặc chắc của bê tông. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng FGC và bê tông cốt sợi polypropylene trong xây dựng hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ chịu nén, chịu kéo uốn và khả năng chịu va đập giữa các mẫu thử, cũng như bảng tổng hợp tỷ lệ tăng trưởng các chỉ tiêu theo thời gian dưỡng hộ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng FGC hai lớp với tro bay và sợi PP trong kết cấu chịu tải động: Khuyến nghị sử dụng FGC với lớp trên là bê tông tro bay và lớp dưới là bê tông tro bay có sợi PP cho các công trình như mặt đường bê tông và dầm cầu, nhằm tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.

2. Tối ưu hóa tỷ lệ sợi PP: Đề xuất bổ sung sợi PP khoảng 0.3% theo thể tích chỉ ở lớp dưới để cân bằng hiệu quả kỹ thuật và kinh tế, thực hiện trong vòng 1-2 năm tới tại các dự án xây dựng.

3. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho FGC: Cần xây dựng các tiêu chuẩn và hướng dẫn thi công FGC sử dụng tro bay và sợi PP, nhằm đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm bê tông phân lớp.

4. Nghiên cứu mở rộng về tính bền môi trường: Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo đánh giá tác động môi trường và khả năng tái chế của FGC, nhằm thúc đẩy phát triển bê tông xanh bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế kết cấu: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế các kết cấu bê tông chịu tải động với hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

2. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để phát triển sản phẩm bê tông phân lớp mới, thân thiện môi trường và có tính năng cơ học ưu việt.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về vật liệu xây dựng tiên tiến và bê tông cốt sợi.

4. Cơ quan quản lý và lập quy chuẩn: Dựa trên kết quả để xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến bê tông phân lớp và bê tông xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. FGC là gì và có ưu điểm gì so với bê tông truyền thống?
   FGC là bê tông phân lớp chức năng, gồm nhiều lớp bê tông có tính chất khác nhau. Ưu điểm là tối ưu hóa khả năng chịu lực, giảm ứng suất tập trung và tăng tuổi thọ công trình.

2. Tại sao sử dụng tro bay trong bê tông?
   Tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính giúp tăng cường độ, cải thiện tính bền vững, giảm nhiệt thủy hóa và giảm phát thải CO2 trong sản xuất bê tông.

3. Sợi polypropylene có vai trò gì trong bê tông?
   Sợi PP tăng cường tính chịu kéo uốn, giảm nứt và tăng khả năng chống va đập, đồng thời cải thiện độ dẻo dai và giảm co ngót của bê tông.

4. Việc bố trí sợi PP ở lớp dưới có lợi ích gì?
   Bố trí sợi PP ở lớp dưới giúp tăng cường khả năng chịu kéo uốn tại vùng chịu lực chính, đồng thời tiết kiệm chi phí so với việc bổ sung sợi ở cả hai lớp.

5. FGC có thể ứng dụng trong những công trình nào?
   FGC thích hợp cho các kết cấu chịu tải động như mặt đường bê tông, dầm cầu, và các công trình yêu cầu độ bền cao và khả năng chống nứt tốt.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và đánh giá thành công FGC hai lớp sử dụng bê tông tro bay kết hợp sợi polypropylene với cường độ thiết kế 70 MPa.
• Việc bổ sung sợi PP làm tăng đáng kể tính chịu kéo uốn và khả năng chịu va đập, trong khi cường độ chịu nén được cải thiện nhẹ.
• Bố trí sợi PP chỉ ở lớp dưới là giải pháp tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.
• Tro bay góp phần nâng cao tính bền vững và giảm phát thải khí nhà kính trong sản xuất bê tông.
• Đề xuất ứng dụng FGC trong các kết cấu chịu tải động và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế tại công trình, mở rộng nghiên cứu về tính bền môi trường và phát triển quy chuẩn kỹ thuật.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng nên áp dụng và tiếp tục phát triển công nghệ FGC nhằm hướng tới xây dựng bền vững và thân thiện môi trường.