Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thuý Hằng thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc ngành Cơ kỹ thuật (mã số: 9520101), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phan Đức Hùng và TS. Trần Văn Tiếng (bảo vệ tháng 08 năm 2021).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình sản xuất thép bằng công nghệ lò điện hồ quang (EAF) tại Việt Nam phát sinh lượng xỉ thép chiếm khoảng 11% đến 15% khối lượng phôi thép (tương đương 110–150 kg xỉ/tấn phôi). Riêng khu vực phía Nam (tập trung tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu), lượng xỉ thép thải ra ước tính từ 0,3 đến 0,5 triệu tấn/năm (năm 2014 phát sinh khoảng 570.000–780.000 tấn, tức 1.567–2.136 tấn/ngày). Việc lưu trữ tại các bãi thải thủ công gây lãng phí quỹ đất, phát sinh bụi làm ô nhiễm không khí và nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm. Đồng thời, nguồn cốt liệu tự nhiên (đá dăm, cát) phục vụ xây dựng ngày càng khan hiếm.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:

  1. Các nghiên cứu trong nước về bê tông sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chủ yếu mới khảo sát cường độ nén ngắn hạn (28 ngày) trên một cấp phối đơn lẻ, chưa làm rõ toàn diện các chỉ tiêu cơ học cơ bản (mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, quy luật phát triển cường độ, quan hệ ứng suất – biến dạng, hiệu ứng kích thước mẫu, ứng xử kéo khi ép chẻ và kéo khi uốn).
  2. Chưa có nghiên cứu thực nghiệm quy mô lớn về ứng xử uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu lớn xỉ thép kích thước thực tế.
  3. Việc mô phỏng số ứng xử của bê tông xỉ thép hầu như chưa được thực hiện; các mô hình tính toán truyền thống chủ yếu dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dựa trên giả thiết môi trường liên tục đồng nhất, chưa mô tả đúng bản chất rời rạc và quá trình hình thành, phát triển vết nứt tế vi của bê tông.

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu tính chất cơ lý của xỉ thép tái chế, đề xuất hiệu chỉnh phương pháp thiết kế cấp phối bê tông xỉ thép, làm rõ các ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép và cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép; xây dựng mô hình phần tử rời rạc (DEM) mô phỏng ứng xử chịu nén và chịu kéo của bê tông xỉ thép.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Tổng quan tình hình nghiên cứu xỉ thép và mô phỏng số trong và ngoài nước.
    2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý, thành phần hóa học của xỉ thép tái chế và thiết lập phương pháp thiết kế, hiệu chỉnh cấp phối bê tông xỉ thép.
    3. Thực nghiệm đánh giá ứng xử chịu nén và chịu kéo của bê tông xỉ thép (quan hệ ứng suất – biến dạng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, phát triển cường độ theo thời gian, ảnh hưởng của tỷ lệ N/X, hiệu ứng kích thước và hình dạng mẫu).
    4. Thực nghiệm khảo sát ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép dùng cốt liệu xỉ thép kích thước lớn ($200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$), so sánh với lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn ACI 318-14.
    5. Xây dựng, hiệu chỉnh luật ứng xử và thông số đầu vào cho mô hình phần tử rời rạc 3D để mô phỏng ứng xử nén, kéo một trục và mô tả sự phát triển vết nứt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Xỉ thép phát sinh từ công nghệ luyện thép lò điện hồ quang (EAF) đã qua quy trình tái chế, xử lý bởi Công ty TNHH Vật liệu xanh; vật liệu bê tông xi măng dùng cốt liệu lớn là xỉ thép (BTXT) và cấu kiện dầm bê tông cốt thép dùng bê tông xỉ thép (BTCTXT).
  • Phạm vi không gian và nguồn vật liệu: Giới hạn trên nguồn xỉ thép EAF tại Khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu được tái chế bởi Công ty TNHH Vật liệu xanh nhằm đảm bảo tính kinh tế về cự ly vận chuyển.
  • Phạm vi nội dung: Nghiên cứu tập trung vào ứng xử cơ học tĩnh (nén, kéo uốn, kéo ép chẻ) của mẫu vật liệu và dầm chịu uốn; mô phỏng số bằng phương pháp phần tử rời rạc cho mẫu vật liệu dưới tác dụng của tải trọng nén và kéo một trục.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trên thế giới theo bốn nhóm nội dung chính:

  1. Thành phần hóa học và khoáng vật của xỉ thép:

    • Ana Mladenović (Slovenia) phân tích thành phần oxit chính: $\text{FeO}$ (30–40%), $\text{CaO}$ (20–35%), $\text{SiO}_2$ (5–12%), $\text{Fe}_2\text{O}_3$ (6–9%), $\text{Al}_2\text{O}_3$ (5–7%), $\text{MgO}$ (4–12%).
    • R. Alizadeh phân tích xỉ EAF tại Romania và công ty Khuzestan, ghi nhận hàm lượng $\text{SiO}_2$ từ 10% đến 45%.
    • Ivanka Netinger so sánh thành phần hóa học giữa đá Dolomite và xỉ thép tại Sisak và Split (Croatia).
    • Rosli Hainin cùng các tác giả Tossavainen, Barra, Luxan, Tsakiridis, Nicolae, Qian, Geiseler xác định các pha khoáng chính trong xỉ EAF gồm Wustite ($\text{FeO}$), Calcium Silicates ($2\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$ - $\text{C}_2\text{S}$, $3\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$ - $\text{C}_3\text{S}$ tương tự xi măng Portland), Brownmillerite ($\text{Ca}_2(\text{Al},\text{Fe})_2\text{O}_5$ - $\text{C}_4\text{AF}$), Mayenite ($12\text{CaO}\cdot 7\text{Al}_2\text{O}3$ - $\text{C}{12}\text{A}_7$), cùng một lượng $\text{CaO}$ tự do và $\text{MgO}$ tự do.

  2. Tính chất cơ lý của cốt liệu xỉ thép:

    • Gurmel (Anh): Khối lượng thể tích xỉ khoảng $3360\text{ kg/m}^3$, khối lượng thể tích xốp $1482\text{ kg/m}^3$, độ rỗng 31–45%, pH từ 10–12.
    • V. Maruthachalam (Ấn Độ): So sánh xỉ thép với đá vôi và đá granite, ghi nhận khối lượng riêng xỉ thép đạt $3330\text{ kg/m}^3$ (đá vôi $2680\text{ kg/m}^3$), độ hao mòn va đập và nén dập trong xi lanh tương đương hoặc vượt trội.
    • Tahir Sofilić (Croatia): So sánh xỉ thép với đá Diabaz và Carbonate, độ hao mòn Los Angeles (LA) đạt 13%, độ bền đóng băng/tan băng đạt 1%.
    • Maslehuddin (Ả Rập Xê Út): Cốt liệu xỉ thép có khối lượng thể tích $3{,}35\text{ g/cm}^3$, nặng hơn đá vôi tự nhiên khoảng 17%, độ hút nước $2{,}85%$.
    • H. Motz (Đức) và Lykoudis (Hy Lạp): Đánh giá độ hao mòn LA ($15{,}06%$), cường độ nén dập trong xi lanh ($12%$), hàm lượng thoi dẹt ($11{,}1%$).

  3. Ứng dụng xỉ thép trong bê tông xi măng:

    • Maslehuddin và cộng sự khảo sát cấp phối thay thế 100% cốt liệu thô bằng xỉ thép, cho thấy cường độ nén tăng nhưng cường độ uốn không tăng đáng kể so với bê tông đối chứng; độ bền chống thấm và chống ăn mòn cốt thép được cải thiện.
    • Juan M. Manso chế tạo 6 cấp phối (M-1 đến M-6), xác định cường độ nén ở 7, 28, 90 ngày và độ bền sau già hóa theo ASTM D-4792 đạt yêu cầu kết cấu.
    • Ivanka Netinger và cộng sự nghiên cứu bê tông dùng xỉ thép từ 2 bãi thải tại Croatia, ghi nhận cường độ nén, uốn và mô đun đàn hồi của bê tông xỉ thép thấp hơn bê tông đối chứng.
    • Sang-Woo Kim và cộng sự thử nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép dùng cốt liệu xỉ thép, kết luận khả năng chịu uốn thỏa mãn công thức của tiêu chuẩn ACI 318-14.
    • Tarawneh (Jordan), Ramzi Taha (Qatar), Amjad A. Sharba nghiên cứu các tỷ lệ thay thế cốt liệu thô và mịn; Ramzi Taha chỉ ra việc thay thế 100% cốt liệu lớn bằng xỉ thép làm tăng cường độ nén dọc trục 11%, kéo ép chẻ 11% và kéo uốn 12% so với bê tông đá tự nhiên.
    • H. Beshr, R. Alizadeh, Yasmina Biskri, Zaki (Ai Cập) ứng dụng xỉ thép cho bê tông cường độ cao và dầm kích thước $150 \times 150 \times 1850\text{ mm}$.

  4. Nghiên cứu mô phỏng số bằng phương pháp phần tử rời rạc (DEM):

    • Phương pháp DEM được Cundall đề xuất năm 1971 và phát triển cùng Strack năm 1979 cho môi trường hạt rời rạc.
    • Sinaie áp dụng DEM nghiên cứu hiệu ứng kích thước của mẫu trụ bê tông (tỷ lệ $H/D = 1$ và $2$) và mô hình hóa ứng xử chịu tải chu kỳ.
    • J. Kozicki mô phỏng 3D ảnh hưởng của cấu trúc cốt liệu đến sự lan truyền vết nứt.
    • Tran và cộng sự sử dụng phần tử cầu 3D mô phỏng ứng xử của bê tông dưới áp lực buồng nén siêu cao, theo dõi sự phát triển vết nứt thông qua tương tác tiếp xúc cục bộ.
    • Nitka, Viktor Mechtcherine, R. Hart (3DEC), F. Alonso-Marroquin, Serguei Potapov (kết hợp DEM 3D và FEM mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng va đập), Antoniou, Donze mô phỏng vật liệu chịu va đập tốc độ cao trên thanh Hopkinson.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Bộ Xây dựng (2011) ban hành văn bản xác định xỉ thép sau tái chế có thành phần hóa, khoáng tương tự xi măng mác thấp, có thể làm phụ gia, vật liệu không nung, vật liệu đường giao thông.
  • Trần Văn Miền và nhóm nghiên cứu chế tạo gạch bê tông rỗng thoát nước dùng xỉ thép (độ rỗng 18–30%, hệ số thấm $1{,}5\text{ cm/s}$); nghiên cứu bê tông mác 30–40 MPa dùng xỉ thép làm đường cấp III; nghiên cứu bê tông cường độ cao 60, 70, 80 MPa dùng cốt liệu xỉ thép kháng ion clo và chịu chu kỳ nhiệt.
  • Nguyễn Vĩnh Phước và cộng sự nghiên cứu tái chế xỉ thép EAF Đồng Tiến làm phụ gia xi măng, thay thế 20% xỉ thép trong xi măng Portland.
  • Về mô phỏng DEM: Lương Nguyễn Hoàng Phương mô phỏng ứng suất có hiệu trong đất chưa bão hòa; Nguyễn Tiến Cường mô phỏng cơ học đất; Trần Văn Tiếng và cộng sự phát triển mô hình kết hợp DEM – chất lưu mô phỏng bê tông ẩm và bão hòa nước dưới tải trọng ba trục, cũng như mô phỏng ứng xử không thoát nước của đất (Trần Văn Tiếng và Nguyễn Văn Bình, 2017).

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án giải quyết khoảng trống về thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm toàn diện của bê tông xỉ thép EAF Việt Nam (từ cấp phối, đặc trưng biến dạng, hiệu ứng kích thước đến ứng xử uốn dầm kích thước lớn $200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$), đồng thời lấp đầy khoảng trống trong việc thiết lập mô hình tính toán số 3D DEM để mô phỏng sự hình thành, phát triển vết nứt và quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông xỉ thép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  1. Lý thuyết tính toán cấu kiện bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-14: Sử dụng các phương trình cân bằng tĩnh học, giả thiết phân bố biến dạng tuyến tính trên tiết diện (Bernoulli), sơ đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương của bê tông vùng nén ($0{,}85 f_c'$) và điều kiện chảy dẻo của cốt thép để tính toán trục trung hòa, mô men kháng uốn danh nghĩa ($M_n$), tải trọng nứt ($P_{cr}$), độ cứng kháng uốn ($EI$), độ cong ($\phi$), độ võng ($\Delta$) và sức kháng cắt danh nghĩa ($V_n = V_c + V_s$).
  2. Lý thuyết hiệu ứng kích thước của Z. P. Bažant: Áp dụng quy luật hiệu ứng kích thước (Size Effect Law - SEL) cho vật liệu tựa giòn có vùng phá hủy phi tuyến (FPZ - Fracture Process Zone) để giải thích sự suy giảm cường độ chịu nén và cường độ kéo khi kích thước mẫu thử tăng lên.
  3. Lý thuyết phần tử rời rạc (DEM) của Cundall & Strack (1979): Biểu diễn môi trường bê tông bằng tập hợp các hạt hình cầu rời rạc tương tác qua các điểm tiếp xúc. Lực tương tác cục bộ gồm lực pháp tuyến ($F_n$), lực tiếp tuyến ($F_s$), mô men uốn và xoắn. Tiêu chuẩn phá hủy tiếp xúc dựa trên mô hình Mohr-Coulomb kết hợp giới hạn bền kéo pháp tuyến và lực dính tiếp tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Tiến hành theo hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn quốc tế (ASTM, ACI).
    • Thí nghiệm cơ lý xỉ thép: Khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ hút nước, độ hao mòn Los Angeles (TCVN 7572-12:2006 / ASTM C131), độ nén dập trong xi lanh (TCVN 7572-11:2006), hàm lượng thoi dẹt.
    • Thí nghiệm cơ học bê tông: Thí nghiệm nén một trục xác định cường độ ($f_c'$), thí nghiệm đo biến dạng dọc trục và biến dạng ngang xác định mô đun đàn hồi ($E_c$) và hệ số Poisson ($\nu$); thí nghiệm kéo gián tiếp bằng phương pháp ép chẻ ($f_{SPL}$) trên mẫu trụ và mẫu lập phương nhiều kích thước; thí nghiệm kéo khi uốn 4 điểm xác định điểm giới hạn đàn hồi (LOP) và giới hạn bền uốn (MOR).
    • Thí nghiệm dầm quy mô lớn: Thí nghiệm dầm BTCTXT kích thước $200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$ chịu uốn, đo đạc độ võng, độ cong, biến dạng cốt thép, biến dạng bê tông và theo dõi sự mở rộng vết nứt.
  • Phương pháp quy hoạch và xử lý thống kê thực nghiệm: Sử dụng phân tích hồi quy toán học để thiết lập các phương trình tương quan giữa cường độ và thời gian dưỡng hộ, quan hệ ứng suất – biến dạng, hệ số chuyển đổi hình dáng kích thước mẫu.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mẫu thử số 3D hình hộp chữ nhật bằng DEM, đưa các thông số vật liệu thực nghiệm vào mô hình, gán điều kiện biên và tải trọng chuyển vị cưỡng bức để phân tích ứng xử nén và kéo một trục.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Nguồn xỉ thép: Xỉ thép lò điện EAF thu thập từ các nhà máy luyện thép thuộc Khu công nghiệp Phú Mỹ (Bà Rịa – Vũng Tàu), đã qua dây chuyền nghiền sàng phân loại của Công ty TNHH Vật liệu xanh.
  • Vật liệu kết hợp: Xi măng Portland Holcim PCB40 (hoặc tương đương theo TCVN), cát vàng tự nhiên, cốt liệu đá dăm tự nhiên (dùng cho các mẫu đối chứng DC), cốt thép xây dựng có gờ.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Chương này phân tích tổng quan về chu trình sản xuất thép công nghệ lò điện hồ quang (EAF), cơ chế hình thành xỉ lò và các giải pháp tái chế xỉ thép trên phạm vi toàn cầu và tại Việt Nam.

Khu vực / Quốc gia Năm thống kê Sản lượng xỉ thép Tỷ lệ tái sử dụng Lĩnh vực ứng dụng chính
Nhật Bản 2016 14,1 triệu tấn 98,0% Xây dựng đường, sản xuất xi măng, nông nghiệp
Châu Âu (17 nước) 2012 21,8 triệu tấn 87,0% Xây dựng đường, cốt liệu bê tông (Đức, Pháp > 90%)
Hoa Kỳ 2013 7,8 triệu tấn 84,4% Làm đường (49,7%), cốt liệu bê tông (16,0%), bãi chứa (15,6%)
Trung Quốc 2013 100 triệu tấn 29,5% Tồn đọng lũy kế ước tính khoảng 300 triệu tấn
Miền Nam Việt Nam 2014 0,57 – 0,78 triệu tấn Thấp (chủ yếu lưu bãi) Xử lý phân loại thủ công, nguy cơ ô nhiễm môi trường

Chương 1 tổng hợp các kết quả nghiên cứu quốc tế và trong nước về tính chất cơ lý, hóa học của xỉ thép, ứng dụng làm cốt liệu cho bê tông thường và bê tông cường độ cao; đồng thời làm rõ cơ sở lựa chọn phương pháp phần tử rời rạc (DEM) thay cho phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong việc mô phỏng ứng xử gãy vỡ phi tuyến của vật liệu bê tông.

Chương 2: Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và thiết kế thành phần bê tông dùng cốt liệu xỉ thép

Chương 2 trình bày kết quả phân tích thành phần hóa học, kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép tái chế tại Bà Rịa – Vũng Tàu và quy trình thiết kế cấp phối bê tông xỉ thép.

Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Giá trị thực nghiệm của xỉ thép nghiên cứu Yêu cầu theo TCVN 7570:2006
Khối lượng thể tích xốp ($kg/m^3$) 1611 – 1650 $\ge 1200$
Khối lượng riêng ($g/cm^3$) 3,30 – 3,45 Không quy định cụ thể
Độ hút nước (%) 1,8 – 2,2 $\le 2,5$
Độ nén dập trong xi lanh (%) 11,5 – 12,8 $\le 15$
Độ mài mòn Los Angeles (%) 14,2 – 15,1 $\le 30$
Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) 8,4 – 9,2 $\le 15$

Thành phần khoáng và oxit chính của xỉ thép nghiên cứu tương thích với kết quả quốc tế, không chứa thành phần gây hại vượt ngưỡng. Do xỉ thép có độ rỗng bề mặt và khối lượng thể tích lớn hơn cốt liệu đá dăm thông thường, phương pháp thiết kế thành phần bê tông truyền thống dẫn đến tình trạng hỗn hợp bị mất độ sụt nhanh. Tác giả đã đề xuất phương pháp hiệu chỉnh cấp phối:

  • Tính toán lượng nước hiệu chỉnh ($N_{hc}$) dựa trên lượng nước tra bảng ($N_{tb}$) và độ hút nước thực tế ($H_p$) của cốt liệu xỉ thép.
  • Điều chỉnh tỷ lệ cát/cốt liệu và khối lượng xi măng hiệu chỉnh ($X_{hc}$) để đảm bảo độ công tác của hỗn hợp bê tông tươi và đạt cường độ thiết kế ở tuổi 28 ngày qua 3 cấp phối định hướng (XT01, XT02, XT03) so với các cấp phối đối chứng (DC01, DC02, DC03).

Chương 3: Nghiên cứu ứng xử cơ học của bê tông xỉ thép

Chương 3 thực hiện chương trình thực nghiệm toàn diện trên các mẫu bê tông xỉ thép (BTXT) và bê tông đối chứng (DC):

  1. Ứng xử chịu nén:

    • Cường độ chịu nén ($f_c'$) của BTXT ở các ngày tuổi (3, 7, 14, 28, 56, 90 ngày) phát triển ổn định; ở tuổi 28 ngày, BTXT đạt cường độ chịu nén tương đương hoặc cao hơn mẫu đối chứng dùng đá tự nhiên từ 5% đến 12%.
    • Xây dựng phương trình thực nghiệm biểu diễn quan hệ giữa cường độ nén và thời gian dưỡng hộ $t$ (ngày).
    • Mô đun đàn hồi ($E_c$) của BTXT đạt từ 30 đến 36 GPa, hệ số Poisson ($\nu$) dao động trong khoảng 0,18–0,22, tương đồng với bê tông truyền thống.
    • Dạng phá hoại của BTXT khi chịu nén: Bề mặt nứt phát triển xuyên qua cả hạt cốt liệu xỉ thép do cường độ dính kết giữa vữa xi măng và bề mặt nhám của xỉ thép rất cao.

  2. Hiệu ứng kích thước mẫu chịu nén:

    • Thí nghiệm trên các mẫu lập phương ($100\text{ mm}, 150\text{ mm}, 200\text{ mm}$) và mẫu trụ ($100 \times 200\text{ mm}, 150 \times 300\text{ mm}$).
    • Kiểm chứng phù hợp với định luật hiệu ứng kích thước Bažant (FPZ).
    • Thiết lập bảng hệ số chuyển đổi cường độ chịu nén $\lambda$ từ mẫu kích thước khác chuẩn về mẫu lập phương chuẩn $150 \times 150 \times 150\text{ mm}$.

  3. Ứng xử chịu kéo:

    • Cường độ kéo khi ép chẻ ($f_{SPL}$): Khảo sát trên mẫu lập phương và mẫu trụ; xác lập hệ số chuyển đổi cường độ ép chẻ $\chi$ về mẫu chuẩn $150 \times 300\text{ mm}$. Cường độ kéo ép chẻ của BTXT đạt giá trị cao hơn mẫu đối chứng đá dăm.
    • Cường độ kéo khi uốn ($f_{FLX}$): Thí nghiệm uốn 4 điểm trên mẫu dầm không cốt thép xác định giới hạn đàn hồi (LOP) và giới hạn bền uốn (MOR) tại 28 và 56 ngày tuổi, cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng và độ bền uốn của BTXT vượt trội hơn mẫu dùng đá tự nhiên.

Chương 4: Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép

Chương 4 tập trung chế tạo và thử nghiệm dầm bê tông cốt thép toàn khối dùng cốt liệu xỉ thép (BTCTXT) với kích thước lớn $200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$, thử nghiệm uốn dưới sơ đồ tải trọng tập trung:

              Tải trọng P
      Gối                   Gối
  • Diễn biến vết nứt và cơ chế phá hoại: Giai đoạn đầu dầm làm việc đàn hồi; khi tải trọng vượt qua tải trọng nứt ($P_{cr}$), các vết nứt uốn thẳng đứng xuất hiện ở vùng giữa dầm, sau đó phát triển hướng lên trục trung hòa. Khoảng cách và bề rộng vết nứt trong dầm BTCTXT phân bố đều và có xu hướng nhỏ hơn so với dầm bê tông truyền thống nhờ liên kết tiếp diện giữa đá xỉ thép và nền vữa tốt.
  • Mối quan hệ mô men – độ cong ($M-\phi$) và tải trọng – độ võng ($P-\Delta$): Đường cong làm việc gồm 3 giai đoạn rõ rệt (trước khi nứt, sau khi nứt đến khi cốt thép kéo chảy dẻo, và giai đoạn phá hoại dẻo). Độ cứng kháng uốn thực tế của dầm BTCTXT tương thích tốt với mô hình tính toán độ võng theo ACI 318-14.
  • So sánh lý thuyết và thực nghiệm:
    • Mô men kháng uốn thực nghiệm ($M_{u,exp}$) đạt xấp xỉ hoặc cao hơn mô men kháng uốn tính toán theo lý thuyết ACI 318-14 ($M_{u,theo}$).
    • Sức kháng cắt danh nghĩa ($V_n$) của dầm BTCTXT đảm bảo an toàn chịu lực theo công thức dự báo của tiêu chuẩn hiện hành.

Chương 5: Mô phỏng số ứng xử bê tông xỉ thép

Chương 5 xây dựng mô hình phần tử rời rạc 3D DEM mô phỏng thí nghiệm cơ học của vật liệu bê tông xỉ thép:

  • Thiết lập mô hình hình học: Mẫu thử số hình hộp chữ nhật được tạo lập từ tập hợp hàng nghìn phần tử rời rạc hình cầu phân bố ngẫu nhiên theo cấp phối hạt thực tế.
  • Luật tương tác tiếp xúc:
    • Lực pháp tuyến ($F_n$) và lực tiếp tuyến ($F_s$) được xác định thông qua độ cứng tiếp xúc pháp tuyến ($K_n$) và tiếp tuyến ($K_s$).
    • Điều kiện trượt và tiêu chuẩn phá hủy liên kết tuân theo mô hình Mohr-Coulomb kết hợp với giới hạn bền kéo tiếp xúc.
    • Tích hợp luật truyền mô men uốn/xoắn giữa các hạt tiếp xúc để phản ánh đúng ứng xử truyền lực của ma trận bê tông.
  • Hiệu chỉnh thông số và kiểm chứng mô hình:
    • Đưa các thông số cơ lý đầu vào thu được từ thực nghiệm Chương 2 và Chương 3 (mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, cường độ nén, lực dính, góc ma sát trong).
    • Mô phỏng thí nghiệm nén dọc trục một trục: Đường cong ứng suất – biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) mô phỏng số bám sát kết quả thực nghiệm ở cả ba cấp phối XT01, XT02, XT03; mô hình tái hiện chính xác sự hình thành và hợp nhất các vết nứt micro bên trong cấu trúc mẫu cho đến khi hình thành mặt trượt phá hoại.
    • Mô phỏng thí nghiệm kéo dọc trục: Phản ánh trung thực giai đoạn suy giảm độ bền (softening) và sự tập trung ứng suất kéo gây tách rời liên kết tiếp xúc.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tính năng vật liệu, cấp phối, ứng xử cấu kiện và mô hình số; đồng thời nêu các kiến nghị kỹ thuật về việc ban hành tiêu chuẩn và hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý thuyết

  1. Xác lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về cơ học bê tông xỉ thép: Làm sáng tỏ toàn bộ ứng xử cơ học tĩnh của bê tông sử dụng 100% cốt liệu lớn là xỉ thép EAF (Việt Nam), bao gồm quy luật phát triển cường độ nén theo thời gian, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, quan hệ ứng suất – biến dạng và độ bền kéo khi uốn, kéo khi ép chẻ.
  2. Xác lập hệ số chuyển đổi kích thước và hình dạng mẫu: Ứng dụng lý thuyết hiệu ứng kích thước của Bažant để xây dựng bộ hệ số chuyển đổi thực nghiệm ($\lambda$ cho nén và $\chi$ cho kéo ép chẻ) giữa các loại mẫu thử có kích thước, hình dạng khác nhau về mẫu chuẩn cho bê tông xỉ thép.
  3. Chứng minh tính tương thích của tiêu chuẩn ACI 318-14: Thực nghiệm dầm kích thước lớn ($200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$) đã chứng minh ứng xử chịu uốn, chịu cắt, độ võng và phân bố vết nứt của dầm BTCTXT hoàn toàn tương đồng và tuân theo các quy luật cơ bản của cấu kiện bê tông cốt thép truyền thống, cho phép áp dụng an toàn các công thức thiết kế của tiêu chuẩn ACI 318-14.
  4. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số 3D DEM cho bê tông xỉ thép: Đề xuất và hiệu chỉnh bộ thông số tiếp xúc vi mô trong mô hình phần tử rời rạc, mô phỏng chính xác quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến và cơ chế phá hủy nứt nẻ của bê tông xỉ thép dưới tác dụng của tải trọng nén và kéo một trục.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Đề xuất quy trình thiết kế và hiệu chỉnh cấp phối bê tông xỉ thép: Thiết lập phương pháp tính toán lượng nước hiệu chỉnh bù hút nước cho cốt liệu xỉ thép, giải quyết triệt để vấn đề sụt giảm độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi trong thi công.
  2. Giải pháp xử lý môi trường và vật liệu thay thế: Khẳng định tính khả thi kỹ thuật của việc sử dụng nguồn xỉ thép EAF tại Bà Rịa – Vũng Tàu để thay thế hoàn toàn cốt liệu đá tự nhiên trong bê tông kết cấu, giúp giải phóng diện tích bãi chứa phế thải luyện kim, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm khai thác tài nguyên mỏ đá.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Giới hạn nguồn cốt liệu: Nghiên cứu chỉ sử dụng nguồn xỉ thép EAF được tái chế từ Công ty TNHH Vật liệu xanh tại Khu công nghiệp Phú Mỹ (Bà Rịa – Vũng Tàu), chưa khảo sát so sánh với xỉ thép từ các công nghệ luyện thép khác (như lò BOF) hoặc các nhà máy tại miền Bắc, miền Trung.
  • Phạm vi tải trọng và ứng xử dài hạn: Chưa khảo sát ứng xử của cấu kiện dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng mỏi, tải trọng va đập, cũng như biến dạng từ biến (creep) và co ngót dài hạn của bê tông xỉ thép trên 1 năm.
  • Phạm vi mô hình số: Mô hình phần tử rời rạc DEM mới dừng lại ở mức độ mô phỏng mẫu vật liệu chịu nén và kéo một trục, chưa mở rộng mô phỏng toàn bộ dầm bê tông cốt thép chịu uốn do hạn chế về khối lượng tính toán.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dài hạn của bê tông xỉ thép (từ biến, co ngót, độ bền xâm thực ion clo, tính bền sunfat và độ bền chu kỳ đóng băng – tan băng).
  2. Nghiên cứu cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu xỉ thép chịu các trạng thái ứng suất phức tạp khác như xoắn, nén lệch tâm (cột) và tải trọng đổi chiều (chấn động, động đất).
  3. Phát triển mô hình phần tử rời rạc 3D kết hợp phần tử hữu hạn (DEM – FEM) để mô phỏng toàn diện ứng xử cơ học và vết nứt của cấu kiện dầm, cột bê tông cốt thép kích thước thực.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Xây dựng và Vật liệu Xây dựng: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế thí nghiệm cơ học vật liệu, phương pháp xử lý hiệu ứng kích thước mẫu theo lý thuyết Bažant và phương pháp xây dựng mô hình phần tử rời rạc 3D DEM mô phỏng vật liệu tựa giòn.
  • Đối với giảng viên và các viện nghiên cứu chuyên ngành: Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về ứng xử nén, kéo, uốn của bê tông xỉ thép và dầm BTCTXT kích thước lớn, phục vụ công tác giảng dạy các môn học Bê tông cốt thép nâng cao, Cơ học phá hủy và Vật liệu xây dựng mới.
  • Đối với kỹ sư thiết kế kết cấu và các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Xây dựng, Sở Xây dựng): Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng tiêu chuẩn ACI 318-14 và TCVN trong tính toán kết cấu dùng bê tông xỉ thép; làm căn cứ xây dựng và ban hành các tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật thi công và nghiệm thu cấu kiện bê tông sử dụng phụ phẩm xỉ thép tái chế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao xỉ thép EAF sau tái chế có thể thay thế cốt liệu đá dăm tự nhiên trong bê tông xi măng?

Xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) sau khi làm nguội và qua dây chuyền nghiền, sàng phân loại có thành phần khoáng chứa các hợp chất tương tự xi măng Portland ($C_2S, C_3S, C_4AF$). Các chỉ tiêu cơ lý như độ hao mòn Los Angeles ($14{,}2–15{,}1%$), độ nén dập trong xi lanh ($11{,}5–12{,}8%$) và hàm lượng thoi dẹt ($8{,}4–9{,}2%$) đều đạt và vượt các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 7570:2006 đối với cốt liệu lớn cho bê tông. Hạt xỉ thép có cấu trúc góc cạnh, bề mặt thô nhám giúp tăng cường lực bám dính cơ học với ma trận vữa xi măng.

2. Sự khác biệt chính trong phương pháp thiết kế cấp phối bê tông xỉ thép so với bê tông thường là gì?

Cốt liệu xỉ thép có khối lượng thể tích lớn hơn ($3{,}30–3{,}45\text{ g/cm}^3$ so với khoảng $2{,}65–2{,}70\text{ g/cm}^3$ của đá tự nhiên) và độ hút nước thực tế cao hơn ($1{,}8–2{,}2%$). Nếu giữ nguyên lượng nước trộn như bê tông thông thường, hỗn hợp bê tông tươi sẽ bị mất nước nhanh, gây sụt giảm độ công tác. Phương pháp thiết kế của luận án phải bổ sung lượng nước hiệu chỉnh ($N_{hc}$) dựa trên độ hút nước $H_p$ của xỉ thép và điều chỉnh khối lượng xi măng ($X_{hc}$) tương ứng để duy trì tỷ lệ $N/X$ và đảm bảo độ sụt thiết kế.

3. Khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép dùng cốt liệu xỉ thép có thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành không?

Thực nghiệm uốn trên dầm kích thước lớn $200 \times 300 \times 3300\text{ mm}$ cho thấy ứng xử uốn, độ cong, độ võng, mô men kháng uốn danh nghĩa ($M_n$) và sức kháng cắt danh nghĩa ($V_n$) của dầm BTCTXT hoàn toàn tương đồng với dầm dùng cốt liệu đá tự nhiên và đáp ứng đầy đủ các điều kiện an toàn chịu lực tính toán theo tiêu chuẩn ACI 318-14. Do đó, có thể áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép hiện hành khi tính toán cấu kiện dùng xỉ thép.

4. Vì sao luận án lựa chọn phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng bê tông xỉ thép thay vì phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)?

Bê tông là vật liệu tựa giòn có cấu trúc vi mô không đồng nhất và bản chất hạt rời rạc. Khi chịu tải trọng lớn, trong bê tông xuất hiện các vết nứt tế vi, biến dạng mềm và phá hủy tách rời. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dựa trên giả thiết cơ học môi trường liên tục đồng nhất nên gặp khó khăn khi mô tả sự mở rộng vết nứt mà không cần chia lại lưới phức tạp. Phương pháp DEM xem vật liệu là tập hợp các phần tử rời rạc liên kết bởi các luật tiếp xúc cục bộ (Mohr-Coulomb, truyền mô men), cho phép mô phỏng chính xác sự hình thành, phát triển và phân nhánh vết nứt cũng như quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thuý Hằng đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu về ứng xử cơ học của bê tông xi măng và cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng 100% cốt liệu lớn là xỉ thép EAF tái chế từ tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Công trình đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật cao, đề xuất thành công phương pháp hiệu chỉnh cấp phối bù nước hút, xác lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về cường độ nén, kéo uốn, kéo ép chẻ, hiệu ứng kích thước và khả năng chịu uốn của dầm kích thước lớn theo tiêu chuẩn ACI 318-14. Đồng thời, việc ứng dụng thành công mô hình 3D DEM đã tạo cơ sở khoa học quan trọng cho việc mô phỏng dự báo cơ chế phá hủy nứt nẻ của vật liệu bê tông xỉ thép, đóng góp thiết thực vào việc thúc đẩy tái chế chất thải công nghiệp và phát triển vật liệu xây dựng bền vững.