Tổng quan luận án

Bê tông tính năng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) theo tiêu chuẩn ASTM C1856/1856M-17 được định nghĩa là loại bê tông có cường độ chịu nén từ 120 MPa trở lên, sở hữu độ đặc sít cao, tính thấm rất thấp và độ bền vượt trội trong môi trường xâm thực mạnh. Mặc dù sở hữu các đặc tính cơ lý ưu việt, việc áp dụng rộng rãi UHPC trong thực tế xây dựng tại Việt Nam gặp phải rào cản lớn do giá thành sản xuất cao hơn bê tông truyền thống từ 5 đến 10 lần, phần lớn phụ thuộc vào các thành phần vật liệu nhập khẩu đắt tiền. Bên cạnh đó, các kết cấu công trình chịu tải trọng động đặc biệt như tải trọng va đập hay tải trọng nổ (đập thủy điện, tường chắn, công trình phòng thủ quân sự như hầm trú ẩn, lô cốt) đòi hỏi vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng và độ dẻo dai cao.

Xuất phát từ bối cảnh đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp (mã số: 9580201) của nghiên cứu sinh Chu Thị Hải Vinh, được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Đức Vinh và GS. Nguyễn Viết Tuệ, tập trung giải quyết khoảng trống nghiên cứu về việc tối ưu hóa cấp phối UHPC sử dụng nguồn nguyên vật liệu sẵn có trong nước kết hợp phế phẩm công nghiệp, đồng thời đánh giá toàn diện đáp ứng động học của kết cấu tấm UHPC dưới tác dụng của tải trọng va đập vận tốc thấp.

Mục tiêu tổng quát của luận án là phát triển thành công vật liệu UHPC kinh tế từ nguồn nguyên liệu nội địa và khảo sát ứng xử của kết cấu tấm làm bằng UHPC chịu tải trọng va đập. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Xác định và đặc trưng hóa các tính năng cơ học cơ bản của bê tông UHPC (cường độ nén, mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn, cường độ kéo trực tiếp và năng lượng phá hủy).
  2. Thiết kế và tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông UHPC trên cơ sở phương pháp độ chặt (packing density), sử dụng cát thạch anh Cam Ranh, đá nghiền Đông Nam Bộ và xỉ lò cao (Blast Furnace Slag - BFS) thay thế một phần bột cát thạch anh và xi măng.
  3. Khảo sát thực nghiệm ứng xử của kết cấu tấm UHPC kích thước (500 × 500 × 80) mm chịu tải trọng va đập rơi tự do của các vật nặng hình trụ có khối lượng 16 kg, 25 kg và 33 kg.
  4. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn 3D trong môi trường ANSYS-AUTODYN (bài toán Explicit Dynamic), sử dụng và hiệu chỉnh mô hình vật liệu RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma) dựa trên dữ liệu thực nghiệm để mô phỏng phản ứng động của tấm UHPC.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu bê tông tính năng siêu cao không cốt sợi (UHPC), bê tông cốt sợi tính năng siêu cao (UHPFRC) và kết cấu tấm phẳng UHPC. Phạm vi nghiên cứu về mặt vật liệu tập trung vào dải cường độ nén từ 100 đến 150 MPa, bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên tại phòng thí nghiệm (không áp dụng dưỡng hộ nhiệt). Phạm vi kết cấu giới hạn ở bài toán va đập vận tốc thấp (low velocity impact) với các thông số đo lường động lực học gồm lực va đập, gia tốc, biến dạng bề mặt và sự mở rộng vết nứt.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu liên quan trên thế giới và trong nước theo bốn nhóm vấn đề trọng tâm:

  1. Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng UHPC:

    • K. Vishalakshi và cộng sự [14] phân tích ảnh hưởng của các loại đá (Grey Granite, Anorthosite, Charnockite, Limestone, Gneiss) kích thước 12–20 mm, chỉ ra rằng cốt liệu ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến cường độ chịu nén, kéo, uốn và năng lượng phá hủy của bê tông cường độ cao hơn so với bê tông thường.
    • Ke-Ru Wu và cộng sự [15] khảo sát cốt liệu quartzite, granite, đá vôi và marble, kết luận rằng ở tỷ lệ nước/xi măng thấp (N/X = 0,26), cường độ nén bê tông tăng theo cường độ của hạt cốt liệu (đạt mức cực đại 99,1 MPa với đá granite).
    • Kim và cộng sự [18] chứng minh rằng với hạt cốt liệu kích thước nhỏ hơn 1,18 mm, sợi thép và cốt liệu dễ dàng lăn trượt, định hướng phân tán tối ưu; trong khi cốt liệu kích thước tới 8 mm cản trở sự phân tán sợi, làm suy giảm tính công tác và cường độ kéo uốn.

  2. Ảnh hưởng của thành phần và hình học sợi thép đến ứng xử của UHPC:

    • Hassan và cộng sự [8] chỉ ra rằng sợi thép giúp tăng độ biến dạng kéo dọc trục cực đại của UHPFRC lên mức 1,0‰ (so với 0,25‰ ở UHPC không sợi), nhưng ít ảnh hưởng đến cường độ nén và mô đun đàn hồi.
    • Doo-Yeol Yoo và cộng sự [19], [22] khảo sát các hàm lượng sợi 1%, 2%, 3% và 4%, ghi nhận tỷ lệ 3% sợi thép cho khả năng chịu lực tối ưu, trong khi tăng lên 4% làm suy giảm cường độ nén và mô đun đàn hồi do giảm tính công tác.
    • Su Tae Kang và cộng sự [20] xác định hướng đổ bê tông song song với trục dọc cấu kiện làm tăng 61% khả năng chịu uốn so với hướng đổ vuông góc nhờ định hướng sợi thuận lợi.
    • Zemei Wu và cộng sự [21] đánh giá sợi thẳng, sợi xoắn và sợi uốn móc 2 đầu, ghi nhận độ chảy hỗn hợp giảm 20,2% khi dùng sợi uốn móc do tăng ma sát tiếp xúc.
    • Orgass và cộng sự [23] so sánh bê tông bột phản ứng (RPC) hạt mịn 0,8 mm (đạt 154 MPa với 2% sợi) và UHPC hạt 5 mm (đạt 129 MPa); việc phối hợp 1,0% sợi ngắn và 1,0% sợi dài giúp tăng 34,9% khả năng chịu uốn và cải thiện ứng xử sau nứt.
    • Tại Việt Nam, Trần và cộng sự [25], [26] nghiên cứu UHPC cốt liệu nhỏ sử dụng cát thạch anh 980 kg/m³, cho thấy khi tăng hàm lượng sợi từ 0% lên 3%, cường độ nén, kéo và uốn tăng tương ứng 23%, 87% và 157%.

  3. Ứng xử của kết cấu tấm chịu tải trọng va đập:

    • S. Elavenil và cộng sự [27] thử nghiệm va đập tấm kích thước (600 × 600) mm dày 10–30 mm dưới tác dụng của vật nặng 4,5 kg rơi từ độ cao 750 mm, khẳng định hàm lượng sợi 1,0% giúp tăng khả năng chịu lực 60% và giảm mạnh bề rộng vết nứt.
    • Madheswaran C. K và cộng sự [28] so sánh tấm bê tông geopolymer (FR-GPC1) và bê tông xi măng Portland (FR-OPCC) kích thước (1000 × 1000 × 60) mm, chỉ ra FR-GPC1 hấp thụ năng lượng vượt trội và hạn chế nứt bề mặt tốt hơn.
    • Kuhn và Curbach [29] thử nghiệm tấm bê tông C40 kích thước (1,3 × 1,3) m, chứng minh hình học đầu va đập quyết định dạng phá hoại cục bộ của tấm.
    • Yu và cộng sự [30] và Jin-Young Lee cùng cộng sự [31] thử nghiệm tấm 2 phương kích thước (1600 × 1600 × 105) mm bê tông 180 MPa, cho thấy mẫu không sợi bị phá hoại chọc thủng ngay lần va đập thứ 2, trong khi mẫu chứa 2,0% sợi thép chịu được 11 lần va đập liên tiếp.

  4. Mô hình số bài toán va đập:

    • Riedel và cộng sự [32]–[34] phát triển mô hình đàn dẻo phá hủy RHT trong ANSYS-AUTODYN cho vật liệu giòn chịu tải trọng động.
    • Tu và Lu [35], cùng Heckoter và Siever [37] khẳng định các thông số mặc định của RHT không thể hiện chính xác dạng phá hoại nứt của bê tông nếu không được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Vị trí của luận án được xác lập thông qua việc giải quyết khoảng trống thực nghiệm và tính toán: phát triển cấp phối UHPC kinh tế tại Việt Nam sử dụng cát trắng Cam Ranh, đá nghiền CS-3/CS-5 Đông Nam Bộ và xỉ lò cao phế phẩm; khảo sát thực nghiệm động học tấm UHPC chịu va đập rơi tự do; thiết lập quy trình hiệu chỉnh tham số RHT trong ANSYS-AUTODYN phục vụ dự báo ứng xử kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết và nguyên tắc chế tạo vật liệu tiên tiến:

  • Nguyên tắc chế tạo UHPC: Loại bỏ hoàn toàn cốt liệu thô kích thước lớn, nâng cao chỉ số độ chặt bằng cách tối ưu hóa thành phần cỡ hạt, bổ sung silica fume kích hoạt phản ứng pozzolanic ($SiO_2 + Ca(OH)_2 + H_2O \rightarrow C\text{-}S\text{-}H$), duy trì tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) dưới 0,25 bằng phụ gia siêu dẻo Polycarboxylate, và bổ sung sợi thép phân tán tạo hiệu ứng "bắc cầu" (crack-bridging) truyền ứng suất qua vết nứt.
  • Cơ chế truyền lực và phá hoại: Theo mô hình phá hoại Glucklich [64], trong UHPC, cả pha hồ và pha cốt liệu đều có cường độ cao và đồng nhất nên cùng tham gia chịu lực, triệt tiêu mặt trượt tiếp xúc yếu của bê tông truyền thống. Ứng xử chịu kéo của UHPFRC thể hiện rõ ba giai đoạn: đàn hồi tuyến tính, biến dạng tái bền (strain hardening với $\sigma_{pc} > \sigma_{cc}$) và mềm hóa sau nứt; thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật do GS. Nguyễn Viết Tuệ [66] đề xuất cho mặt cầu Thăng Long ($f_{ct,u} \ge 1,1 f_{ct,e}$ và $\varepsilon_{ct,u} \ge 1,5‰$).
  • Mô hình vật liệu RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma): Khung lý thuyết đàn dẻo kết hợp cơ học phá hủy động lực học, mô tả mặt phá hoại ba trục phụ thuộc áp suất thủy tĩnh $p$ (kinh tuyến nén $Y_{TXC}(p)$), sự suy giảm độ bền cắt và hệ số tăng tải trọng động (Dynamic Increase Factor - DIF) theo tốc độ biến dạng $\dot{\varepsilon}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp thực nghiệm vật liệu: Sử dụng phương pháp độ chặt (packing density) để xác định tỷ lệ rỗng $n$ nhỏ nhất và hệ số lèn chặt $c$ lớn nhất cho ba hệ cốt liệu (Agg-1, Agg-2, Agg-3) và pha hồ. Thực hiện hơn 120 mẫu thí nghiệm nén dọc trục, uốn dầm RILEM 3 điểm và kéo trực tiếp.
  • Phương pháp phân tích vi cấu trúc: Quan sát hình thái tinh thể C-S-H, Canxi Hydroxit (CH) và Ettringite bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 2.500 lần, 10.000 lần và 15.000 lần.
  • Phương pháp thực nghiệm kết cấu: Chế tạo hệ khung thí nghiệm va đập sử dụng cơ cấu nhả vật nặng bằng xi lanh khí nén kết hợp van điện từ. Chế tạo cảm biến đo gia tốc dải đo 500g, bố trí cảm biến biến dạng (strain gauge) và cảm biến đo chuyển vị LVDT trên tấm kích thước (500 × 500 × 80) mm.
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn 3D Explicit Dynamic trong ANSYS-AUTODYN với phần tử khối SOLID, hiệu chỉnh các tham số RHT từ kết quả nén trụ thực nghiệm.

Nguồn vật liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Xi măng Portland Loại 1 (ASTM C150).
  • Cát thạch anh mỏ cát trắng Cam Ranh.
  • Đá nghiền CS-3 và CS-5 (mỏ đá Đông Nam Bộ, cỡ hạt $\le 5$ mm).
  • Silica fume vô định hình (hàm lượng $SiO_2 \approx 85%$, diện tích bề mặt $300\text{--}400$ m²/kg).
  • Bột cát thạch anh (SP, cỡ hạt $\approx 11$ µm, $SiO_2 > 95%$).
  • Xỉ lò cao nghiền mịn (BFS, tiêu chuẩn TCVN 11586:2016 ~ S95, cỡ hạt $20\text{--}35$ µm, độ mịn Blaine $4000\text{--}5000$ cm²/g, khối lượng riêng $2,95$ g/cm³).
  • Phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate và sợi thép dạng thẳng cường độ cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tổng quan lịch sử phát triển của bê tông từ bê tông thường (NSC), bê tông cường độ cao (HSC) thập niên 1970 đến UHPC/UHPFRC thập niên 2000. Tác giả phân tích các ứng dụng thực tiễn điển hình của UHPC:

  • Công trình sửa chữa mặt cầu Thăng Long (Hà Nội, 2020–2021) thi công hơn 10.000 m³ UHPC dày 60 mm liên kết neo chống cắt với bản thép.
  • Tấm mặt dựng trang trí WINK Hotel (75 Nguyễn Bỉnh Khiêm, TP.HCM) cao 7,0 m, dày 60 mm, diện tích đục lỗ 60%, tuổi thọ yêu cầu trên 70 năm.
  • Khung máy phay CNC cỡ lớn của tập đoàn RAMF (Đức) thay thế khối đế đúc bằng gang.
  • Ứng dụng trong các mô đun công trình quân sự chịu tải trọng nổ và va đập tại vùng biển đảo.

Chương này xác định rõ tính cấp thiết, 5 câu hỏi động lực nghiên cứu, mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi và sơ đồ quy trình thực hiện nghiên cứu.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng thuật toàn diện các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về 4 chủ đề: ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng cơ học UHPC; ảnh hưởng của hàm lượng, chiều dài, hình dáng và hướng đổ sợi thép đến tính công tác và độ dẻo dai; ứng xử phá hoại của tấm bê tông chịu va đập; các mô hình vật liệu mô phỏng bài toán va đập trong ANSYS-AUTODYN và LS-DYNA. Qua đó, tác giả chỉ ra các yếu tố then chốt cần kiểm soát và khẳng định sự cần thiết của việc phát triển cấp phối UHPC từ nguyên liệu nội địa kết hợp xỉ lò cao.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 xây dựng khung lý thuyết toàn diện cho luận án:

  • Trình bày 6 nguyên tắc chế tạo UHPC và phân tích chi tiết đặc tính hóa lý của từng thành phần hạt.
  • Phân tích ba cấp cấu trúc bê tông (vĩ mô, meso, vi mô) và cơ chế phản ứng pozzolanic tạo gel C-S-H.
  • Phân tích cơ chế truyền lực, mô hình nứt Glucklich, cơ chế bắc cầu sợi thép kiểm soát mở rộng vết nứt và miền tái bền kéo theo tiêu chí GS. Nguyễn Viết Tuệ ($f_{ct,u} \ge 1,1 f_{ct,e}$, $\varepsilon_{ct,u} \ge 1,5‰$).
  • Trình bày lý thuyết tải trọng va đập, cân bằng động năng, tốc độ biến dạng động và cấu trúc phương trình trạng thái của mô hình vật liệu RHT.

Chương 4: Phát triển và tối ưu công thức cho vật liệu UHPC

Chương 4 tập trung vào chương trình thực nghiệm phát triển cấp phối và đánh giá cơ học trên hơn 120 mẫu thử:

  • Tối ưu hóa thành phần hạt cốt liệu (cát trắng Cam Ranh, đá nghiền CS-3, CS-5) bằng phương pháp độ chặt, xác định được tỷ lệ phối trộn tối ưu đạt độ rỗng nhỏ nhất.
  • Tối ưu hóa pha hồ với việc sử dụng xỉ lò cao (BFS) thay thế 20% khối lượng xi măng/bột cát thạch anh. Kết quả cho thấy mẫu phát triển cường độ sớm vượt trội: cường độ nén 7 ngày tuổi đạt xấp xỉ 90% cường độ 28 ngày ($f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$).
  • Quan sát ảnh chụp SEM ở độ phóng đại 10.000 và 15.000 lần xác nhận cấu trúc tinh thể C-S-H dạng lớp liên kết đặc khít.
  • Đề xuất cải tiến phương pháp đo ứng suất - biến dạng kéo trực tiếp bằng cáp định vị và cảm biến LVDT, loại bỏ sai số lệch trục ngàm kẹp.
Chỉ tiêu cơ lý / Đặc tính Giá trị thực nghiệm đạt được
Cường độ chịu nén 28 ngày tuổi ($f_c$) $118 \div 151\text{ MPa}$ (tối ưu đạt $130 \div 150\text{ MPa}$)
Cường độ nén 7 ngày tuổi ($f_{c_7d}$) $\approx 90% f_{c_28d}$ (khi dùng 20% BFS)
Cường độ chịu kéo khi uốn dầm RILEM ($f_u$) $9 \div 29\text{ MPa}$ (tối ưu đạt $12 \div 29\text{ MPa}$)
Cường độ chịu kéo trực tiếp dọc trục ($f_t$) $7 \div 8\text{ MPa}$
Hàm lượng sợi thép khảo sát $0%$ và $1,5%$ theo thể tích
Cốt liệu sử dụng Cát thạch anh Cam Ranh, đá nghiền CS-3, đá CS-5
Thành phần khoáng pha hồ Xi măng Type 1, Silica fume, Bột cát thạch anh, Xỉ lò cao

Chương 5: Khảo sát thực nghiệm kết cấu tấm UHPC chịu tải trọng va đập

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình chế tạo mẫu tấm kích thước (500 × 500 × 80) mm, lắp đặt khung thí nghiệm thả rơi tự do khí nén và gắn hệ thống đo động:

  • Khảo sát các biến số: cường độ bê tông, hàm lượng sợi thép (0% và 1,0%), sự hiện diện của lưới cốt thép, khối lượng vật va đập hình trụ (16 kg, 25 kg, 33 kg).
  • Đo đạc chính xác lực va đập, gia tốc đỉnh bằng cảm biến 500g tự chế tạo, biến dạng bề mặt và quá trình phát triển vết nứt.
Nhóm thông số thí nghiệm va đập Kết quả và quy luật ghi nhận
Kích thước hình học tấm $500\text{ mm} \times 500\text{ mm} \times 80\text{ mm}$
Khối lượng vật nặng va đập $16\text{ kg}$, $25\text{ kg}$ và $33\text{ kg}$ (thả rơi tự do)
Vai trò của sợi thép (1,0% thể tích) Tăng diện tích hấp thụ xung lực, hạn chế phá hoại chọc thủng giòn
Kiểm soát bề rộng vết nứt Bề rộng vết nứt giảm rõ rệt khi tăng hàm lượng sợi và cường độ bê tông
So sánh yếu tố ảnh hưởng Sợi thép có mức độ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực tấm lớn hơn cốt thép thường

Chương 6: Mô phỏng số cho tấm UHPC chịu tải va đập

Chương 6 xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D Explicit Dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN:

  • Hiệu chỉnh các thông số của mô hình vật liệu RHT (mặt giới hạn chảy dẻo, kinh tuyến nén $Y_{TXC}(p)$, hàm phá hủy, hệ số tăng tải trọng động DIF) dựa trên dữ liệu nén trụ thực nghiệm từ Chương 4.
  • Mô phỏng ứng xử tấm UHPC (500 × 500 × 80) mm chịu va đập vật nặng 25 kg và 33 kg; trích xuất phân bố ứng suất Von-Mises, sóng ứng suất lan truyền, lịch sử gia tốc, chuyển vị và cân bằng năng lượng hệ thống.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng cao về quy luật biến dạng và hình thái phá hoại nứt vỡ cục bộ so với thực nghiệm.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng hợp các kết luận chính về thành phần vật liệu, đáp ứng động học của tấm, tính chính xác của mô hình số RHT và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được những đóng góp khoa học và thực tiễn cụ thể:

  • Đóng góp mới về mặt khoa học/lý luận:

    • Làm sáng tỏ quy luật phát triển cường độ sớm và cấu trúc vi mô đặc khít của UHPC khi sử dụng 20% xỉ lò cao (BFS) thay thế xi măng/bột cát thạch anh, đạt $f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$ qua phân tích SEM độ phóng đại cao.
    • Đề xuất và hoàn thiện phương pháp đo lường ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm kéo trực tiếp của bê tông UHPC sử dụng cáp định vị, nâng cao độ ổn định và độ chính xác của phép đo.
    • Xây dựng thành công quy trình hiệu chỉnh tham số mô hình vật liệu RHT trong ANSYS-AUTODYN dựa trên kết quả nén trụ thực nghiệm, phản ánh trung thực ứng xử động học của tấm UHPC.

  • Đóng góp mới về mặt thực tiễn:

    • Phát triển thành công tập hợp cấp phối UHPC đạt cường độ nén $118 \div 151$ MPa, cường độ kéo uốn $9 \div 29$ MPa, cường độ kéo trực tiếp $7 \div 8$ MPa hoàn toàn từ nguồn nguyên vật liệu nội địa (cát trắng Cam Ranh, đá nghiền CS-3/CS-5 Đông Nam Bộ, xỉ lò cao BFS), giúp hạ giá thành và giảm tác động môi trường.
    • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm toàn diện về gia tốc, biến dạng và bề rộng vết nứt của kết cấu tấm phẳng UHPC chịu va đập của vật nặng 16 kg, 25 kg và 33 kg.

  • Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

    • Ứng dụng cấp phối UHPC chứa 20% xỉ lò cao vào chế tạo các cấu kiện tấm mỏng, mặt dựng trang trí, bản sàn cầu hoặc tấm bảo vệ công trình chịu tải trọng va đập.
    • Sử dụng mô hình số RHT đã được hiệu chỉnh để phục vụ tính toán, thiết kế kết cấu UHPC chịu tải trọng động đặc biệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án chỉ khảo sát thực nghiệm trong phạm vi tải trọng va đập vận tốc thấp (low velocity impact) với vật va đập rơi tự do khối lượng tối đa 33 kg trên kích thước tấm đơn lẻ (500 × 500 × 80) mm; chỉ sử dụng sợi thép dạng thẳng và chế độ bảo dưỡng tự nhiên tại phòng thí nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng nghiên cứu ứng xử của kết cấu UHPC dưới tác dụng của tải trọng va đập vận tốc cao (high velocity impact) và tải trọng nổ (blast load).
    • Khảo sát ảnh hưởng của các dạng hình học sợi khác (sợi xoắn, sợi uốn móc 2 đầu, sợi hỗn hợp) kết hợp chế độ dưỡng hộ nhiệt.
    • Đánh giá ứng xử của kết cấu tấm UHPC với các điều kiện biên và sơ đồ chịu lực phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo giá trị cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Xây dựng công trình, Vật liệu Xây dựng và Cơ học kết cấu.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng, cầu đường, công trình ngầm và các công trình quốc phòng chịu tải trọng đặc biệt.
  • Các đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng và cấu kiện bê tông đúc sẵn.

Phần đáng tham khảo nhất bao gồm phương pháp tối ưu hóa cấp phối độ chặt sử dụng xỉ lò cao tại Chương 4, quy trình thiết kế khung thí nghiệm va đập thực nghiệm tại Chương 5 và bộ tham số hiệu chỉnh mô hình RHT trong ANSYS-AUTODYN tại Chương 6.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác dụng của việc thay thế 20% khối lượng xi măng bằng xỉ lò cao (BFS) trong cấp phối UHPC của luận án là gì? Việc sử dụng 20% xỉ lò cao giúp bê tông phát triển cường độ sớm vượt trội ($f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$), tăng cường mật độ gel C-S-H qua phản ứng pozzolanic, đồng thời giúp hạ giá thành sản xuất và giảm thiểu phát thải ô nhiễm môi trường.

2. Các chỉ tiêu cơ học cơ bản của bê tông UHPC đạt được trong nghiên cứu thực nghiệm là bao nhiêu? Cường độ chịu nén đạt $118 \div 151$ MPa (cấp phối tối ưu đạt $130 \div 150$ MPa), cường độ chịu kéo khi uốn đạt $9 \div 29$ MPa ($12 \div 29$ MPa ở thí nghiệm dầm RILEM), và cường độ chịu kéo trực tiếp đạt $7 \div 8$ MPa.

3. Yếu tố nào đóng vai trò quan trọng nhất trong việc giảm bề rộng vết nứt của tấm UHPC khi chịu tải trọng va đập? Sợi thép là yếu tố quan trọng nhất giúp giảm bề rộng vết nứt và tăng khả năng chịu lực của tấm nhờ cơ chế bắc cầu truyền ứng suất qua vết nứt, có ảnh hưởng vượt trội hơn so với việc tăng cường độ chịu nén của bê tông hay bố trí cốt thép thường trong tấm.

4. Luận án đã sử dụng phần mềm và mô hình vật liệu nào cho phân tích mô phỏng số bài toán va đập? Luận án sử dụng bài toán Explicit Dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN với mô hình vật liệu đàn dẻo phá hủy RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma), trong đó các tham số được hiệu chỉnh từ kết quả nén mẫu trụ thực nghiệm.

5. Luận án đã giải quyết hạn chế của thí nghiệm kéo trực tiếp bê tông UHPC bằng giải pháp kỹ thuật nào? Tác giả đề xuất phương pháp đo ứng suất - biến dạng cải tiến bằng cách lắp đặt hệ thống 2 thanh cáp định vị vào khuôn đúc và bố trí cảm biến đo chuyển vị LVDT, giúp triệt tiêu độ lệch trục giữa mẫu thử và ngàm kẹp, nâng cao độ chính xác và ổn định của phép đo.

Kết luận

Luận án của tiến sĩ Chu Thị Hải Vinh đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu phát triển cấp phối bê tông tính năng siêu cao (UHPC) từ nguồn vật liệu nội địa kết hợp xỉ lò cao, đạt cường độ nén $118 \div 151$ MPa với chi phí hợp lý. Chương trình khảo sát thực nghiệm trên kết cấu tấm (500 × 500 × 80) mm đã làm sáng tỏ phản ứng động học dưới tải trọng va đập rơi tự do, chứng minh vai trò cốt lõi của sợi thép trong việc tiêu tán năng lượng và hạn chế phá hoại nứt. Đồng thời, việc hiệu chỉnh thành công mô hình vật liệu RHT trong ANSYS-AUTODYN đã tạo lập công cụ số tin cậy để dự báo ứng xử của kết cấu UHPC chịu tải trọng động đặc biệt trong xây dựng công trình dân sự và quốc phòng.