Tổng quan luận án

Biến dạng dài hạn của bê tông, đặc biệt là biến dạng co ngót, là một trong những nguyên nhân hàng đầu làm phát sinh ứng suất kéo cục bộ, gây nứt và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc bình thường, độ bền vững cũng như tính thẩm mỹ của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (BTCT). Về mặt cơ học vật liệu, bê tông thuộc hệ vật liệu đàn nhớt dẻo (visco-plastic), trong đó tổng biến dạng $\epsilon(t)$ theo thời gian bao gồm ba thành phần cơ bản: biến dạng tức thời ($\epsilon_{in}$), biến dạng từ biến ($\epsilon_{cr}$) và biến dạng co ngót ($\epsilon_{sh}$). Khác với biến dạng đàn hồi và từ biến vốn phụ thuộc vào tải trọng tác dụng ngoài, biến dạng co ngót diễn ra ngay cả khi kết cấu hoàn toàn không chịu lực, chịu sự chi phối quyết định bởi quá trình bay hơi nước, phản ứng thủy hóa của xi măng, điều kiện nhiệt ẩm môi trường và đặc trưng thành phần cấp phối.

Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép trên thế giới như Tiêu chuẩn Mỹ (ACI 209R-92, ACI 224R-01, ACI 318), Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode 2, CEB-FIP 2010), Tiêu chuẩn Anh (BS 8110), Tiêu chuẩn Nhật Bản (JSCE 2007/2012), Tiêu chuẩn Úc (AS 3600) hay Tiêu chuẩn Nga (GOST 24544-81, SNiP 2.03.01-84) đều xây dựng các mô hình giải tích dự báo biến dạng co ngót dựa trên dữ liệu thực nghiệm tại từng vùng khí hậu và nguồn vật liệu đặc thù. Tại Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, các công trình xây dựng đang phát triển mạnh mẽ nhưng chưa có bất kỳ nghiên cứu thực nghiệm mang tính hệ thống nào về quy luật phát triển biến dạng co ngót của bê tông chế tạo từ nguồn vật liệu địa phương trong điều kiện khí hậu bản địa. Thực tế thiết kế và thi công tại Lào phải áp dụng nguyên mẫu các mô hình hoặc tiêu chuẩn nước ngoài mà chưa được hiệu chỉnh, dẫn đến sự sai lệch đáng kể giữa biến dạng tính toán và ứng xử thực tế của kết cấu. Xuất phát từ khoảng trống nghiên cứu và yêu cầu thực tiễn đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Sengaloun Keoalounxay với đề tài "Sự phát triển biến dạng co ngót của bê tông trong điều kiện khí hậu thủ đô Viêng Chăn nước CHDCND Lào" (Mã số chuyên ngành: 9580201) được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Phan Quang Minh tại Trường Đại học Xây dựng năm 2018.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm các nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định quy luật phát triển biến dạng co ngót theo thời gian (đến 365 ngày tuổi) của bê tông chế tạo bằng nguồn vật liệu địa phương trong điều kiện nhiệt ẩm tự nhiên tại thủ đô Viêng Chăn, Lào.
  2. Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố thành phần cấp phối vật liệu (đặc biệt là tỷ lệ Nước/Xi măng $N/X$ và hàm lượng cốt liệu) đến biến dạng co ngót và mối tương quan giữa biến dạng co ngót với sự hao hụt độ ẩm (mất nước) của bê tông.
  3. Thiết lập công thức thực nghiệm dự báo độ co ngót của bê tông chế tạo từ nguồn vật liệu tại Viêng Chăn trên cơ sở hiệu chỉnh mô hình của tiêu chuẩn GOST 24544-81 phù hợp với điều kiện khí hậu tự nhiên tại Viêng Chăn.
  4. Xây dựng mô hình lý thuyết tính toán và xác định hệ số $k_s$ xét đến ảnh hưởng cản trở của hàm lượng cốt thép ($\mu \le 2%$) trong cấu kiện bê tông cốt thép đối với biến dạng co ngót của bê tông.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Biến dạng co ngót dài hạn, sự phát triển cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi theo thời gian của bê tông nặng thông thường; trạng thái ứng suất - biến dạng và hệ số cản co ngót của cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép.
  • Phạm vi vật liệu và không gian: Các mẫu thí nghiệm được chế tạo từ xi măng, cát, đá dăm có nguồn gốc địa phương tại thủ đô Viêng Chăn. Địa điểm đúc mẫu, bảo dưỡng và đo đạc thực nghiệm đặt tại Phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Quốc gia Lào (thủ đô Viêng Chăn, Lào).
  • Phạm vi môi trường khí hậu: Thí nghiệm tiến hành trong điều kiện môi trường tự nhiên không khống chế nhân tạo, với các thông số khí hậu đo đạc tại khu vực thí nghiệm ghi nhận nhiệt độ trung bình $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối trung bình $RH = 75 \pm 10%$.
  • Phạm vi thời gian và kết cấu: Chuỗi đo đạc thực nghiệm kéo dài 365 ngày tuổi; mô hình ảnh hưởng cốt thép áp dụng cho cấu kiện chịu nén/kéo đồng trục và uốn có hàm lượng cốt thép dọc không vượt quá $2%$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa và phân loại các công trình nghiên cứu về biến dạng co ngót của bê tông trên thế giới và trong khu vực theo ba hướng nghiên cứu chính:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và năm công bố Nội dung và phát hiện chính được trích dẫn
Ảnh hưởng của cấp phối và môi trường đến co ngót Swapnil (2007) [66] Làm rõ định lượng mức độ ảnh hưởng của thể tích và tỷ lệ cốt liệu đến sự suy giảm độ co ngót của bê tông.
Baek-Joong Kim và Chongku Yi (2016) [35] Nghiên cứu biến dạng co ngót của bê tông cường độ cao khi sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong cấp phối.
Saije D. và cộng sự (2013) [67] Phân tích cơ chế hạn chế co ngót của các loại cốt sợi phân tán trong bê tông cốt sợi thép.
Neville (1990) [61] Khảo sát quá trình biến dạng ban đầu của bê tông, chỉ ra biến dạng co đạt $100 \times 10^{-6}$ đến $150 \times 10^{-6}$ sau vài giờ đầu và tăng lên $300 \times 10^{-6}$ sau 3 đến 12 giờ.
Uno (1998) [24] Thiết lập biểu đồ tương quan giữa tốc độ bay hơi nước với nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và vận tốc gió; xác lập ngưỡng mất nước an toàn $1,\text{kg/m}^2\cdot\text{h}$.
Ứng xử dài hạn của kết cấu do biến dạng co ngót Gilbert (2001) [65] Đánh giá sự gia tăng độ võng dài hạn của kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu uốn dưới tác động đồng thời của từ biến và co ngót.
Gribniak và cộng sự (2010) [68] Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng dư trong kết cấu bê tông cốt thép do co ngót bị kiềm chế bởi cốt thép bám dính.
Nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam Nguyễn Ngọc Bình (2017) [1] Luận án tiến sĩ nghiên cứu xác định các đặc trưng biến dạng co ngót của bê tông nặng trong điều kiện khí hậu tiêu chuẩn Việt Nam.
Tạ Ngọc Long (2016) [2] Sử dụng số liệu thực nghiệm co ngót để phân tích ứng xử chịu lực dài hạn của cột bê tông cốt thép.

Luận án cũng phân tích toàn diện các mô hình tính toán co ngót trong các bộ tiêu chuẩn quốc tế:

  • Mô hình ACI 209R-92 / ACI 224R-01 [22, 23]: Sử dụng hàm hyperbol theo thời gian, kết hợp các hệ số hiệu chỉnh riêng biệt cho độ ẩm môi trường $RH$, kích thước hình học quy ước $V/S$, tỷ lệ $N/X$, hàm lượng bọt khí và tỷ lệ cát.
  • Mô hình Eurocode 2 [46] và CEB-FIP 2010 [43]: Tách biến dạng co ngót thành hai thành phần độc lập là co ngót tự sinh $\epsilon_{ca}(t)$ và co ngót khô $\epsilon_{cd}(t)$, phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông $f_{ck}$, bán kính quy ước $h_0 = 2A_c/u$ và độ ẩm môi trường $RH$.
  • Mô hình BS 8110 [41]: Đưa ra phạm vi áp dụng cho bê tông có khối lượng thể tích $2000 - 2800,\text{kg/m}^3$, cường độ $25 - 40,\text{MPa}$, lượng nước trộn từ 150 đến $230,\text{l/m}^3$.
  • Mô hình GOST 24544-81 [71] và TCVN 5574:2012 [20]: Dự báo biến dạng co ngót thông qua độ ẩm không khí, diện tích mặt hở, loại xi măng và sự phát triển theo thời gian.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra: Mặc dù các tiêu chuẩn quốc tế đã cung cấp nhiều công thức tính toán, các hệ số thực nghiệm trong các mô hình này được xây dựng từ điều kiện vật liệu và khí hậu ôn đới hoặc cận nhiệt đới tiêu chuẩn. Tại Lào, đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Viêng Chăn có biên độ dao động nhiệt ẩm riêng biệt, kết hợp với tính chất cơ lý của cốt liệu địa phương khiến cho việc áp dụng trực tiếp các tiêu chuẩn ngoại lai (ACI, EC2, GOST) tạo ra độ lệch lớn. Do đó, việc thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm đo đạc biến dạng co ngót dài hạn đến 365 ngày trên chính nguồn vật liệu và khí hậu Viêng Chăn, từ đó đề xuất mô hình tính toán thích ứng, là khoảng trống khoa học mà luận án tập trung giải quyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm nền tảng

Luận án tiếp cận bản chất biến dạng co ngót dưới góc độ nhiệt ẩm học và cơ học kết cấu:

  1. Biến dạng co ngót mềm (Plastic shrinkage): Xảy ra trong giai đoạn bê tông còn dẻo (8 đến 10 giờ đầu sau khi đổ). Quá trình này chịu chi phối bởi tốc độ bay hơi nước trên bề mặt hở so với tốc độ tách nước (bleeding) của hỗn hợp bê tông. Hệ số mặt hở được định nghĩa theo công thức: $$M_h = \frac{S}{V} \quad (\text{m}^{-1})$$ Trong đó $S$ là diện tích bề mặt tiếp xúc trực tiếp với không khí ($\text{m}^2$), $V$ là thể tích khối bê tông ($\text{m}^3$). Khi tốc độ mất nước vượt quá $1,\text{kg/m}^2\cdot\text{h}$, bề mặt bê tông phát sinh ứng suất kéo gây nứt dẻo.
  2. Biến dạng co ngót cứng (Drying and autogenous shrinkage): Diễn ra tiếp nối co ngót mềm trong suốt quá trình đóng rắn dài hạn, gồm:
    • Co ngót tự sinh (Autogenous shrinkage): Do sự tiêu hao nước nội tại phục vụ phản ứng thủy hóa của khoáng xi măng.
    • Co ngót khô (Drying shrinkage): Do sự di chuyển và thoát hơi ẩm từ hệ thống mao dẫn nội cốt sang môi trường ngoài khi có sự chênh lệch độ ẩm tương đối ($RH$). Độ co ngót khô tỷ lệ nghịch với tỷ số thể tích trên diện tích bề mặt $V/S$ hoặc kích thước quy ước mẫu.
  3. Hiện tượng co ngót bị hạn chế và vai trò của cốt thép: Trong cấu kiện bê tông cốt thép, biến dạng co ngót tự do của bê tông bị cản trở bởi lực bám dính với cốt thép dọc. Sự kiềm chế này tạo ra trạng thái tự ứng suất: bê tông chịu kéo ($\sigma_{bt} > 0$) và cốt thép chịu nén ($\sigma_s < 0$). Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo tiêu chuẩn $R_{bt,n}$, vết nứt xuất hiện. Sự có mặt của cốt thép không ngăn được xu hướng co ngót nhưng làm giảm độ biến dạng quan sát được thông qua hệ số kiềm chế $k_s$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Chương trình thực nghiệm được triển khai theo quy trình chuẩn hóa:

  • Thiết kế tổ mẫu: Chế tạo 06 tổ mẫu bê tông (ký hiệu từ TM-1 đến TM-6) với sự thay đổi có hệ thống về tỷ lệ Nước/Xi măng ($N/X$), lượng dùng xi măng, cát và đá dăm địa phương Viêng Chăn.
  • Quy cách mẫu và tiêu chuẩn thử nghiệm:
    • Mẫu đo biến dạng co ngót: Sử dụng mẫu lăng trụ kích thước $100 \times 100 \times 400,\text{mm}$, đúc và thử nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 3117:1993. Mỗi tổ mẫu gồm 03 thanh mẫu lăng trụ đo biến dạng dọc trục và theo dõi hao hụt khối lượng.
    • Mẫu đo cường độ chịu nén ($f_c$) và mô đun đàn hồi ($E_b$): Sử dụng mẫu hình trụ đường kính $\phi = 150,\text{mm}$, chiều cao $H = 300,\text{mm}$, thử nghiệm song song tại các mốc thời gian.
  • Thiết bị đo đạc: Gắn chốt đo chuyên dụng tại hai đầu mẫu lăng trụ, sử dụng đồng hồ so điện tử và thiết bị đo biến dạng cơ học có độ chính xác cao. Cân điện tử kỹ thuật được dùng để xác định sự thay đổi khối lượng theo thời gian.
  • Điều kiện môi trường thí nghiệm: Mẫu được tháo khuôn sau 24 giờ, đặt tại buồng thí nghiệm hở thuộc Trường Đại học Quốc gia Lào, tiếp xúc với môi trường khí hậu tự nhiên của thủ đô Viêng Chăn với dải nhiệt độ $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$ và độ ẩm không khí tương đối $RH = 75 \pm 10%$.

Phương pháp giải tích và mô hình hóa

  • Phân tích hồi quy phi tuyến số liệu thực nghiệm đo đạc co ngót đến 365 ngày tuổi để hiệu chỉnh các hệ số thực nghiệm trong mô hình dự báo của tiêu chuẩn GOST 24544-81.
  • Áp dụng nguyên lý cân bằng lực và điều kiện tương thích biến dạng tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép nhằm thiết lập công thức giải tích xác định hệ số kiềm chế biến dạng co ngót $k_s$ cho cấu kiện bê tông cốt thép có hàm lượng cốt thép $\mu \le 2%$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về biến dạng co ngót của bê tông

Chương 1 tổng thuật các cơ sở lý thuyết về biến dạng của bê tông, tập trung đi sâu vào bản chất vật lý và hóa học của biến dạng co ngót mềm và co ngót cứng. Tác giả phân tích chi tiết ảnh hưởng của các thông số công nghệ và khí hậu:

  • Tỷ lệ Nước/Xi măng ($N/X$): Tỷ lệ $N/X$ càng cao thì lượng nước tự do dư thừa trong hệ mao dẫn càng lớn, dẫn đến tốc độ và độ lớn biến dạng co ngót tăng mạnh.
  • Hàm lượng cốt liệu: Cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực có tính trơ, cản trở sự co rút của khối vữa xi măng. Tăng tỷ lệ thể tích cốt liệu làm giảm trực tiếp biến dạng co ngót.
  • Kích thước hình học cấu kiện: Biến dạng co ngót khô tỷ lệ nghịch với tỷ số thể tích trên diện tích mặt hở ($V/S$).
  • Môi trường: Độ ẩm tương đối của không khí ($RH$) là yếu tố then chốt; chênh lệch ẩm giữa bê tông và không khí càng lớn thì co ngót khô diễn ra càng nhanh.

Chương này cũng so sánh các mô hình tính toán co ngót hiện hành (ACI 209R, Eurocode 2, CEB-FIP 2010, BS 8110, AS 3600, JSCE 2007, TCVN 5574:2012, GOST 24544-81), chỉ ra rằng công thức của GOST 24544-81 có cấu trúc toán học phản ánh trực quan động học co ngót theo thời gian nhưng cần xác lập lại các hệ số thực nghiệm cho vật liệu và khí hậu Lào.

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm đặc điểm biến dạng co ngót của bê tông chế tạo từ vật liệu tại Viêng Chăn

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình thực nghiệm, từ khâu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấp phối đến kết quả đo đạc các tổ mẫu tại Phòng thí nghiệm Trường Đại học Quốc gia Lào.

Các thông số cấp phối và kết quả đo đạc của 06 tổ mẫu thí nghiệm được tổng hợp trong bảng sau:

Ký hiệu tổ mẫu Kích thước mẫu lăng trụ (mm) Tỷ lệ $N/X$ Điều kiện môi trường ($T$, $RH$) Biến dạng co ngót đo đạc ở 365 ngày ($\times 10^{-5}$)
TM-1 $100 \times 100 \times 400$ Biến thiên theo cấp phối thực nghiệm $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày
TM-2 $100 \times 100 \times 400$ Hiệu chỉnh tỷ lệ vữa/cốt liệu $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày
TM-3 $100 \times 100 \times 400$ Khảo sát theo mác bê tông thiết kế $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày
TM-4 $100 \times 100 \times 400$ Khảo sát theo mác bê tông thiết kế $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày
TM-5 $100 \times 100 \times 400$ Thay đổi lượng dùng xi măng $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày
TM-6 $100 \times 100 \times 400$ Cấp phối đối chứng cốt liệu địa phương $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$
$RH = 75 \pm 10%$		 Ghi nhận theo chuỗi đo 365 ngày

Bên cạnh biến dạng co ngót, chương 2 đã công bố các chuỗi dữ liệu thực nghiệm về:

  • Quy luật tăng trưởng cường độ chịu nén $f_c(t)$ của các mẫu hình trụ $\phi 150 \times 300,\text{mm}$ tại các mốc thời gian từ 3, 7, 28 ngày đến 365 ngày.
  • Sự phát triển của mô đun đàn hồi tĩnh $E_b(t)$ của bê tông theo thời gian.
  • Sự suy giảm khối lượng mẫu do mất nước mao dẫn song song với quá trình phát triển biến dạng co ngót.

Chương 3: Phân tích kết quả thực nghiệm và đề xuất công thức thực nghiệm dự báo biến dạng co ngót của bê tông

Chương 3 đi sâu xử lý số liệu, phân tích cơ chế và xây dựng các đề xuất tính toán:

  1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng:
    • Khẳng định mối quan hệ đồng biến giữa tỷ lệ $N/X$ và biến dạng co ngót: tổ mẫu có tỷ lệ $N/X$ lớn luôn ghi nhận giá trị co ngót cuối cùng cao hơn.
    • Hàm lượng cốt liệu đóng vai trò hãm biến dạng: tăng thể tích cốt liệu trong $1,\text{m}^3$ bê tông làm giảm độ co ngót ở mọi thời điểm đo.
  2. Quan hệ giữa biến dạng co ngót và lượng mất nước:
    • Dữ liệu thực nghiệm của tổ mẫu TM-1 và TM-2 chứng minh biến dạng co ngót tỷ lệ thuận chặt chẽ với lượng nước hao hụt qua bay hơi trong 28 ngày đầu; sau đó, tốc độ mất nước chậm dần trong khi co ngót tiếp tục phát triển do quá trình hydrat hóa chậm của xi măng.
  3. Đề xuất công thức thực nghiệm dự báo co ngót:
    • Dựa trên nền tảng phương trình tiêu chuẩn GOST 24544-81 [71], tác giả tiến hành hồi quy số liệu của 06 tổ mẫu bê tông tại Viêng Chăn và đề xuất phương trình hiệu chỉnh dự báo biến dạng co ngót theo thời gian $\epsilon_{sh}(t)$, thể hiện sự phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt ẩm Viêng Chăn ($T = 26,5^\circ\text{C}$, $RH = 75%$).
  4. Mô hình lý thuyết và hệ số cản co ngót của cốt thép ($k_s$):
    • Thiết lập mô hình giải tích trạng thái ứng suất - biến dạng trong tiết diện bê tông cốt thép khi bê tông co ngót.
    • Xác định công thức giải tích tính hệ số $k_s$ (với $k_s = \epsilon_{sh,s} / \epsilon_{sh} < 1$, biểu thị mức độ giảm biến dạng co ngót của kết cấu BTCT so với bê tông không cốt thép): $$k_s = f(\mu, \alpha_e, t)$$ Trong đó $\mu = A_s / A_c$ là hàm lượng cốt thép dọc ($\mu \le 2%$), $\alpha_e = E_s / E_b(t)$ là tỷ số mô đun đàn hồi.
    • So sánh giá trị hệ số $k_s$ thu được từ mô hình lý thuyết với kết quả thực nghiệm cho thấy mức độ phù hợp cao, cho phép lập bảng tra $k_s$ phục vụ tính toán thực hành kết cấu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã thiết lập được bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm đầu tiên có hệ thống về quy luật phát triển biến dạng co ngót kéo dài đến 365 ngày, kèm theo số liệu phát triển cường độ nén $f_c(t)$ và mô đun đàn hồi $E_b(t)$ của bê tông chế tạo bằng vật liệu địa phương tại thủ đô Viêng Chăn trong điều kiện khí hậu tự nhiên của Lào.
  2. Xác lập mối quan hệ định lượng giữa tốc độ mất nước (hao hụt khối lượng) và tốc độ phát triển biến dạng co ngót của bê tông trong môi trường nhiệt ẩm đặc thù ($T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$, $RH = 75 \pm 10%$).
  3. Thiết lập mô hình lý thuyết tính toán sự phân bố ứng suất và biến dạng trong cấu kiện bê tông cốt thép do co ngót, từ đó xác định công thức giải tích tính toán hệ số giảm co ngót $k_s$ có xét đến ảnh hưởng kiềm chế của cốt thép với hàm lượng cốt thép $\mu \le 2%$.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Đề xuất công thức thực nghiệm dự báo biến dạng co ngót theo thời gian hiệu chỉnh từ GOST 24544-81, giúp các kỹ sư thiết kế tại Lào có công cụ tính toán định lượng chính xác độ co ngót của bê tông sử dụng vật liệu Viêng Chăn.
  2. Đưa ra bảng tra và công thức tính hệ số $k_s$, hỗ trợ trực tiếp cho công tác tính toán kiểm tra độ võng dài hạn, bề rộng vết nứt và mất mát ứng suất trước do co ngót trong các kết cấu bê tông cốt thép thường và bê tông ứng suất trước tại Lào.
  3. Cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm phục vụ việc xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng quốc gia của nước CHDCND Lào.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án

  • Trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép tại khu vực thủ đô Viêng Chăn, kiến nghị sử dụng công thức thực nghiệm đã được hiệu chỉnh của luận án thay vì áp dụng trực tiếp các công thức tiêu chuẩn nước ngoài chưa qua hiệu chỉnh.
  • Đối với các kết cấu có yêu cầu khắt khe về nứt và võng, cần đưa hệ số $k_s$ vào tính toán giải tích trạng thái giới hạn thứ hai với hàm lượng cốt thép hợp lý ($\mu \le 2%$).
  • Chú trọng biện pháp bảo dưỡng ẩm bề mặt trong 8 đến 10 giờ đầu sau khi đổ bê tông nhằm khống chế tốc độ bay hơi nước dưới ngưỡng $1,\text{kg/m}^2\cdot\text{h}$, hạn chế phát sinh nứt do co ngót dẻo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của luận án

  • Phạm vi cấp phối và loại vật liệu: Thực nghiệm mới tập trung khảo sát trên 06 tổ mẫu bê tông nặng thông thường sử dụng nguồn cốt liệu và xi măng tại khu vực thủ đô Viêng Chăn; chưa khảo sát các chủng loại bê tông khác như bê tông cường độ cao, bê tông cốt sợi hoặc bê tông sử dụng tro bay, xỉ lò cao và các loại phụ gia khoáng hoạt tính.
  • Phạm vi vùng khí hậu: Các thông số thực nghiệm được thu thập duy nhất tại trạm thí nghiệm ở thủ đô Viêng Chăn ($T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$, $RH = 75 \pm 10%$), chưa bao quát các vùng khí hậu khác của Lào (như khu vực miền núi phía Bắc có nhiệt độ thấp hơn hoặc khu vực phía Nam có mùa khô khắc nghiệt hơn).
  • Giới hạn mô hình cốt thép: Mô hình lý thuyết xác định hệ số $k_s$ chỉ áp dụng cho cấu kiện có hàm lượng cốt thép dọc $\mu \le 2%$, chưa khảo sát cấu kiện có hàm lượng cốt thép cao hơn hoặc cấu kiện chịu tải trọng phức tạp kết hợp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng chương trình thực nghiệm đo đạc biến dạng co ngót cho các loại bê tông cường độ cao, bê tông tự lèn và bê tông có sử dụng phụ gia khoáng (tro bay, silica fume) chế tạo tại Lào.
  2. Thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm dài hạn đồng thời về biến dạng từ biến và tương tác giữa từ biến với co ngót của bê tông trong điều kiện khí hậu tự nhiên tại Lào.
  3. Thiết lập mạng lưới quan trắc thực nghiệm tại các vùng địa lý và tiểu vùng khí hậu khác nhau trên toàn lãnh thổ CHDCND Lào nhằm xây dựng bản đồ hệ số co ngót phục vụ tiêu chuẩn hóa xây dựng quốc gia.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật đối với nhiều đối tượng trong lĩnh vực xây dựng công trình:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Xây dựng: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về quy trình bố trí thí nghiệm đo biến dạng dài hạn của vật liệu xây dựng (TCVN 3117:1993), phương pháp xử lý số liệu hồi quy phi tuyến và cơ sở lý thuyết thiết lập bài toán tương tác ứng suất giữa bê tông và cốt thép do biến dạng mềm. Các chương 1 và chương 3 là tài liệu tham khảo giá trị cho các học phần Bê tông cốt thép nâng cao và Độ bền kết cấu công trình.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và tư vấn kết cấu công trình: Cung cấp trực tiếp số liệu thực nghiệm về độ co ngót cuối cùng, sự phát triển của mô đun đàn hồi $E_b(t)$ và công thức tính hệ số $k_s$, hỗ trợ tính toán chính xác độ võng dài hạn của dầm sàn, chuyển vị của khung nhà nhiều tầng và mất mát ứng suất trong kết cấu bê tông ứng suất trước xây dựng tại Lào.
  • Đối với các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu tiêu chuẩn xây dựng tại Lào: Bộ số liệu và công thức đề xuất trong luận án là cơ sở thực nghiệm nền tảng để biên soạn các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép quốc gia của Lào, thay thế dần việc phụ thuộc hoàn toàn vào tiêu chuẩn nước ngoài.

Câu hỏi thường gặp

1. Biến dạng co ngót của bê tông bao gồm những thành phần nào và sự khác biệt cơ bản giữa chúng là gì?

Biến dạng co ngót gồm hai giai đoạn:

  • Co ngót mềm (Plastic shrinkage): Xảy ra trong 8 đến 10 giờ đầu khi hỗn hợp bê tông còn ở trạng thái dẻo, nguyên nhân chủ yếu do sự bay hơi nước trên bề mặt hở và quá trình co thể tích ban đầu do phản ứng thủy hóa xi măng.
  • Co ngót cứng: Tiếp diễn sau co ngót mềm trong suốt thời gian đóng rắn, gồm co ngót tự sinh (autogenous shrinkage do phản ứng thủy hóa tiêu thụ nước nội tại trong lỗ rỗng mao dẫn) và co ngót khô (drying shrinkage do sự thất thoát ẩm ra môi trường xung quanh khi có chênh lệch độ ẩm $RH$).

2. Điều kiện môi trường nhiệt ẩm tại khu vực thí nghiệm thủ đô Viêng Chăn được ghi nhận với các thông số cụ thể nào?

Các mẫu thí nghiệm được chế tạo, bảo dưỡng và đo đạc trong điều kiện môi trường khí hậu tự nhiên tại Phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Quốc gia Lào ở thủ đô Viêng Chăn, với các thông số khí hậu đo đạc thực tế gồm nhiệt độ trung bình $T = 26,5 \pm 2,5^\circ\text{C}$ và độ ẩm không khí tương đối trung bình $RH = 75 \pm 10%$.

3. Chương trình thực nghiệm của luận án đã sử dụng quy cách mẫu thử và tiêu chuẩn kỹ thuật nào để đo biến dạng co ngót, cường độ nén và mô đun đàn hồi?

  • Biến dạng co ngót được đo trên các mẫu lăng trụ kích thước $100 \times 100 \times 400,\text{mm}$ theo tiêu chuẩn TCVN 3117:1993, tiến hành trên 06 tổ mẫu (TM-1 đến TM-6) với 03 thanh mẫu cho mỗi tổ.
  • Cường độ chịu nén ($f_c$) và mô đun đàn hồi ($E_b$) được xác định song song trên các mẫu hình trụ đường kính $\phi = 150,\text{mm}$, chiều cao $H = 300,\text{mm}$ tại các mốc thời gian đến 365 ngày tuổi.

4. Cốt thép dọc trong kết cấu bê tông cốt thép có vai trò như thế nào đối với biến dạng co ngót của bê tông và mô hình của luận án áp dụng cho phạm vi hàm lượng cốt thép nào?

Do lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, cốt thép đóng vai trò kiềm chế biến dạng co ngót tự do của bê tông, làm phát sinh trạng thái tự ứng suất (bê tông chịu ứng suất kéo, cốt thép chịu ứng suất nén). Cốt thép không ngăn được xu hướng phát sinh vết nứt do co ngót nhưng có tác dụng hạn chế độ mở rộng vết nứt và làm giảm tổng biến dạng co ngót của cấu kiện qua hệ số $k_s$. Mô hình lý thuyết xác định hệ số $k_s$ của luận án được thiết lập và kiểm chứng cho cấu kiện có hàm lượng cốt thép dọc $\mu \le 2%$.

5. Luận án đã dựa trên tiêu chuẩn quốc tế nào để hiệu chỉnh và đề xuất công thức thực nghiệm dự báo biến dạng co ngót cho bê tông tại Viêng Chăn?

Luận án đã dựa trên nền tảng phương trình giải tích của tiêu chuẩn GOST 24544-81 [71], kết hợp với việc phân tích hồi quy tập dữ liệu thực nghiệm đo đạc liên tục suốt 365 ngày trên 06 tổ mẫu bê tông chế tạo bằng nguồn vật liệu địa phương tại Viêng Chăn, từ đó đề xuất công thức thực nghiệm dự báo biến dạng co ngót $\epsilon_{sh}(t)$ thích ứng với điều kiện khí hậu tự nhiên của thủ đô Viêng Chăn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Sengaloun Keoalounxay đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về quy luật phát triển biến dạng co ngót dài hạn của bê tông chế tạo từ vật liệu địa phương trong điều kiện khí hậu tự nhiên thủ đô Viêng Chăn, CHDCND Lào. Công trình đã cung cấp tập số liệu thực nghiệm 365 ngày về biến dạng co ngót, cường độ nén và mô đun đàn hồi, đồng thời đề xuất công thức dự báo co ngót hiệu chỉnh theo GOST 24544-81 và mô hình xác định hệ số kiềm chế $k_s$ của cốt thép khi hàm lượng $\mu \le 2%$. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho công tác thiết kế kết cấu công trình và đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc xây dựng tiêu chuẩn xây dựng tại CHDCND Lào.