Luận án tiến sĩ về ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép

Luận án đề cập đến khả năng tái chế và ứng dụng xỉ thép rộng rãi trong và ngoài nước. Xỉ thép được xem là nguồn tài nguyên phụ phẩm cần được tận dụng hiệu quả. Việc sử dụng xỉ thép như cốt liệu thay thế trong bê tông mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Nghiên cứu tổng quan cho thấy nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới về ứng dụng của xỉ thép trong sản xuất bê tông. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng xử của bê tông cốt thép với cốt liệu xỉ thép ở quy mô cấu kiện vẫn còn hạn chế, đặc biệt là ở Việt Nam. Luận án bổ sung vào kho tàng kiến thức về ứng dụng xỉ thép trong xây dựng, cụ thể là về vật liệu xây dựng bền vững. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển bê tông xanh, giảm thiểu tác động môi trường của ngành xây dựng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số. Phần thực nghiệm tập trung vào việc xác định tính chất cơ lý của bê tông xỉ thép, bao gồm độ bền nén, độ bền kéo, module đàn hồi, và hệ số Poisson. Thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu bê tông có kích thước khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của kích thước mẫu đến kết quả. Phần mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng ứng xử của bê tông xỉ thép dưới tác động tải trọng. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của mô hình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bê tông cốt thép với cốt liệu xỉ thép có kích thước lớn, cụ thể là dầm bê tông cốt thép với kích thước 200x300x3300mm. An toàn kết cấu bê tông cốt thép là yếu tố được quan tâm trong quá trình nghiên cứu.

Nghiên cứu này tiến hành phân tích kỹ lưỡng thành phần hóa học của xỉ thép thu thập từ các nhà máy thép ở khu công nghiệp Phú Mỹ. Tính chất cơ lý của xỉ thép, bao gồm cường độ, độ bền, hình dạng, kích thước và độ cứng, được xác định thông qua các thí nghiệm tiêu chuẩn. Kết quả phân tích cho thấy xỉ thép có những đặc điểm phù hợp để sử dụng làm cốt liệu lớn trong bê tông. So sánh cốt liệu giữa xỉ thép và các loại cốt liệu truyền thống được thực hiện để đánh giá hiệu quả sử dụng xỉ thép. Nghiên cứu tập trung vào việc đảm bảo vật liệu xây dựng bền vững được sử dụng trong quá trình chế tạo bê tông. Tiêu chuẩn bê tông cốt thép được tuân thủ nghiêm ngặt trong quá trình nghiên cứu.

Dựa trên phân tích tính chất cơ lý của xỉ thép, luận án đề xuất phương pháp thiết kế phối liệu bê tông sử dụng xỉ thép như cốt liệu lớn. Một số phối liệu bê tông khác nhau được thiết kế, với tỷ lệ xỉ thép thay đổi. Độ sụt, cường độ chịu nén của các phối liệu này được kiểm tra thực nghiệm. Kết quả kiểm tra giúp lựa chọn phối liệu tối ưu, đảm bảo đạt được các yêu cầu về cường độ và độ bền của bê tông. Việc kiểm tra này giúp xác định tỷ lệ tối ưu giữa cốt liệu xỉ thép và các thành phần khác trong bê tông, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng xỉ thép và đảm bảo chất lượng bê tông. Phân tích yếu tố hữu hạn có thể được sử dụng trong tương lai để tối ưu hóa quá trình thiết kế phối liệu.

Kết quả thí nghiệm nén cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông xỉ thép. Module đàn hồi và hệ số Poisson được xác định. Dạng phá hoại đặc trưng của bê tông xỉ thép dưới tải trọng nén được quan sát và phân tích. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng mẫu thử đến cường độ chịu nén được nghiên cứu dựa trên lý thuyết Bažant. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước trên xi măng đến cường độ bê tông cũng được xem xét. Kết quả cung cấp thông tin quan trọng về tính chất cơ lý của bê tông xỉ thép dưới tác động nén, góp phần vào việc thiết kế và thi công kết cấu bê tông an toàn và hiệu quả.

Nghiên cứu ứng xử kéo của bê tông xỉ thép tập trung vào việc xác định cường độ chịu kéo trực tiếp và cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ và uốn). Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng mẫu thử đến cường độ chịu kéo được phân tích. Kết quả thí nghiệm giúp hiểu rõ hơn về hành vi của bê tông xỉ thép dưới tác động kéo, bổ sung thông tin cần thiết cho việc đánh giá và thiết kế kết cấu bê tông. Việc nghiên cứu ứng xử kéo là phần bổ sung quan trọng cho việc đánh giá toàn diện tính chất cơ lý của bê tông xỉ thép. Kết quả nghiên cứu giúp tối ưu hóa thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng loại cốt liệu này.

Các dầm bê tông cốt thép được chế tạo với cốt liệu xỉ thép có kích thước lớn (200x300x3300mm). Thiết kế thí nghiệm tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế. Phân tích kết quả thí nghiệm tập trung vào việc đánh giá ứng xử uốn của dầm, bao gồm sự phát triển vết nứt, độ võng, độ cong, và biến dạng uốn. Mô men kháng uốn và sức kháng cắt của dầm được tính toán và so sánh với kết quả lý thuyết. Kết quả thí nghiệm cung cấp thông tin thiết yếu cho việc đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép, góp phần đảm bảo an toàn kết cấu bê tông cốt thép.

Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết theo tiêu chuẩn ACI 318-14. Sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết được đánh giá. Hiệu quả sử dụng cốt liệu xỉ thép trong dầm bê tông cốt thép được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu cơ lý và hành vi uốn của dầm. Đánh giá độ tin cậy kết cấu bê tông cốt thép được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu. Nghiên cứu này đóng góp vào việc hoàn thiện lý thuyết tính toán và thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu thay thế, cụ thể là cốt liệu xỉ thép. Ứng dụng công nghệ mới trong xây dựng được thể hiện rõ nét trong nghiên cứu này.

Mô hình phương pháp phần tử rời rạc (DEM) được xây dựng để mô phỏng ứng xử của bê tông xỉ thép. Các thông số đầu vào của mô hình, bao gồm tính chất vật liệu, được lấy từ kết quả thực nghiệm. Luật tương tác cục bộ giữa các phần tử được định nghĩa dựa trên các tiêu chuẩn cơ lý. Mô hình được hiệu chỉnh để đảm bảo phù hợp với kết quả thực nghiệm. Việc sử dụng phương pháp phần tử rời rạc cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của bê tông ở cấp độ vi mô, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phá hoại của bê tông xỉ thép.

Mô hình DEM được sử dụng để mô phỏng ứng xử nén và ứng xử kéo của bê tông xỉ thép. Kết quả mô phỏng, bao gồm mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, và sự phát triển vết nứt, được so sánh với kết quả thực nghiệm. Độ chính xác của mô hình được đánh giá dựa trên mức độ phù hợp giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Mô hình DEM cung cấp công cụ hữu ích cho việc dự đoán ứng xử của bê tông xỉ thép trong các điều kiện tải trọng khác nhau, góp phần vào việc thiết kế và ứng dụng hiệu quả loại bê tông này trong thực tế. Nghiên cứu này thể hiện sự ứng dụng công nghệ bê tông hiện đại trong việc cải tiến vật liệu xây dựng.