Luận án tiến sĩ nghiên cứu mất mát ứng suất trước do co ngót từ biến của dầm bê tông geopolymer gpc ứng suất trước ust chế tạo tại việt nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chuyên sâu về mất mát ứng suất trước do co ngót, từ biến của dầm bê tông geopolymer GPC ứng suất trước UST chế tạo tại Việt Nam.

• Tác giả: Vũ Thành Quang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bình Hà
• Trường học: Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng do co ngót và từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VIỆC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
• 1.1.1. Giới thiệu về GPC
• 1.1.2. Cấu trúc hình thành CKD geopolymer. Những ưu nhược điểm của GPC
• 1.1.3. GPC sử dụng tro bay và xỉ lò cao
• 1.1.4. Các đặc trưng cơ học của bê tông GPC
• 1.1.4.1. Cường độ chịu nén
• 1.1.4.2. Quan hệ ứng suất biến dạng
• 1.1.4.3. Cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo
• 1.1.4.4. Mô đun đàn hồi và hệ số poisson
• 1.1.5. Tính chất co ngót
• 1.1.6. Tính chất từ biến
• 1.1.7. Những nghiên cứu và áp dụng GPC trên thế giới
• 1.1.8. Những nghiên cứu và áp dụng GPC tại Việt Nam
• 1.1.9. Những vấn đề còn tồn tại. Xây dựng giả thuyết nghiên cứu
• 1.2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Phương pháp thí nghiệm cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn ASTM C39, TCVN 3118-2022
• 1.2.2. Thiết bị dụng cụ
• 1.2.3. Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử
• 1.2.4. Cách tiến hành
• 1.2.4.1. Xác định diện tích chịu lực của viên mẫu. Xác định tải trọng phá hủy viên mẫu.
• 1.2.4.2. Thí nghiệm xác định quan hệ ứng suất - biến dạng và mô đun đàn hồi của bê tông theo ASTM C469.
• 1.2.5. Co ngót của bê tông
• 1.2.5.1. Co ngót tự sinh (Autogenous Shrinkage)
• 1.2.5.2. Co ngót khô
• 1.2.5.3. Một số mô hình dự báo biến dạng co ngót của bê tông trong các tiêu chuẩn hiện hành.
• 1.2.5.4. Thực nghiệm xác định biến dạng co ngót TCVN 3117-2022 [20] và ASTM C157/C157M-17 [37].
• 1.2.6. Từ biến của bê tông
• 1.2.6.1. Những vấn đề cơ bản về từ biến của bê tông
• 1.2.6.2. Xác định đặc trưng từ biến theo AASHTO-LRFD 2017 và TCVN 11823-2017
• 1.2.6.3. Thực nghiệm đo đạc biến dạng từ biến theo ASTM C512 [38].
• 1.2.7. Thiết kế mô hình dầm thí nghiệm
• 1.2.8. Nhận xét chương 2
• 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI, CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, QUAN HỆ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG, HỆ SỐ TỪ BIẾN VÀ CO NGÓT CỦA GPC
• 2.1. Thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm và dầm GPC UST
• 2.2. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông GPC
• 2.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất biến dạng
• 2.3.1. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi
• 2.3.2. Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất - biến dạng
• 2.4. Thực nghiệm đo đạc biến dạng co ngót của GPC
• 2.5. Tính toán và xử lý kết quả
• 2.5.1. Kết quả tính toán biến dạng tỷ đối do co ngót
• 2.5.2. So sánh kết quả thực nghiệm co ngót GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017
• 2.6. Kết quả đo biến dạng từ biến GPC
• 2.6.1. Kết quả đo đạc biến dạng từ biến
• 2.6.2. Kết quả tính toán hệ số từ biến của GPC
• 2.6.3. So sánh kết quả thực nghiệm từ biến của GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017
• 2.7. Nhận xét chương 3
• 3. THIẾT KẾ, ĐÚC DẦM THÍ NGHIỆM, THEO DÕI MMUST TRONG CÁP UST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN
• 3.1. Thiết kế dầm GPC UST tiết diện T dài 10,4m phục vụ thí nghiệm
• 3.2. Mục tiêu của thí nghiệm
• 3.3. Cơ sở xây dựng mô hình
• 3.4. Xác định kích thước dầm
• 3.5. Bố trí thiết bị đo MMUST do co ngót và từ biến
• 3.6. Công tác đúc dầm thí nghiệm
• 3.7. Mất mát ứng suất trong cáp UST dầm thực nghiệm
• 3.8. Kết quả đo thực nghiệm
• 3.9. Nhận xét chương 4
• 4. ÁP DỤNG GPC VÀO CẦU DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP GIẢN ĐƠN 33M, SO SÁNH MMUST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN KHI SỬ DỤNG GPC VÀ OPC
• 4.1. Các thông số thiết kế của dầm I33m
• 4.2. Thông số vật liệu
• 4.3. Thông số cầu thiết kế
• 4.4. Thông số kích thước mặt cắt ngang, cáp dứng suất trước dầm I33m
• 4.5. Kiểm toán dầm theo các TTGH cường độ và sử dụng
• 4.5.1. Kiểm toán dầm theo TTGH sử dụng
• 4.5.2. Kiểm toán dầm theo TTGH cường độ
• 4.6. So sánh mất mát ứng suất trước của dầm I33m sử dụng vật liệu GPC và vật liệu OPC
• 4.7. Thông số cầu dầm I33m sử dụng OPC
• 4.8. Kết quả tính toán giá trị ứng suất còn lại trong cáp sau khi trừ đi các MMUS
• 4.9. Nhận xét chương 5
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về dầm cầu bê tông Geopolymer tại Việt Nam

Tại Hội nghị COP 26, Việt Nam cam kết phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Ngành sản xuất xi măng, với 667.57kg CO2 phát thải trên mỗi tấn, cần có giải pháp giảm thiểu. Bê tông Geopolymer (GPC), không sử dụng xi măng và tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, là một lựa chọn tiềm năng. GPC được biết đến trên thế giới như một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường, và có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt. Các đặc tính này bao gồm khả năng hạn chế ăn mòn hóa học, tính bền trong môi trường xâm thực, sự phát triển cường độ nhanh chóng, và khả năng chịu nhiệt tốt.

1.1. Giới thiệu về ứng dụng bê tông Geopolymer tại Việt Nam

Hiện tại, các công trình cầu ở Việt Nam chủ yếu sử dụng bê tông xi măng (OPC), đặc biệt là trong kết cấu dầm chủ yếu. Việc áp dụng GPC ứng suất trước (UST) vào công trình cầu sẽ giúp giảm phát thải CO2 đáng kể. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng ứng dụng GPC UST, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững.

1.2. Ưu điểm của bê tông Geopolymer so với bê tông thường

Bê tông Geopolymer có nhiều ưu điểm vượt trội so với bê tông xi măng truyền thống, bao gồm độ bền cao hơn, khả năng chống ăn mòn tốt hơn và thân thiện với môi trường hơn. Việc sử dụng các vật liệu tái chế như tro bay và xỉ lò cao giúp giảm thiểu lượng chất thải và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Thách thức mất mát ứng suất trước dầm cầu Geopolymer

Khi thiết kế kết cấu BT ứng suất trước (UST), việc xác định chính xác mất mát ứng suất trước (MMUST) là rất quan trọng. MMUST bao gồm mất mát do ma sát, co ngắn đàn hồi, tụt neo, chùng dão, co ngót và từ biến. Đặc biệt, mất mát theo thời gian do co ngót và từ biến rất quan trọng và khó khăn để xác định. Các nghiên cứu về kết cấu GPC UST còn hạn chế, đặc biệt về biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến. Các kết quả nghiên cứu hiện có còn phân tán và chưa thống nhất.

2.1. Tầm quan trọng của việc xác định mất mát ứng suất trước

Việc xác định chính xác mất mát ứng suất trước là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của dầm cầu. Sai sót trong việc tính toán MMUST có thể dẫn đến giảm khả năng chịu tải, nứt vỡ và thậm chí là sụp đổ công trình. Vì vậy, nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến MMUST là vô cùng cần thiết.

2.2. Sự thiếu hụt nghiên cứu về co ngót và từ biến của GPC UST

Hiện nay, số lượng nghiên cứu về co ngót và từ biến của GPC UST còn rất hạn chế so với bê tông xi măng. Điều này gây khó khăn cho các kỹ sư trong việc thiết kế và xây dựng dầm cầu GPC UST một cách an toàn và hiệu quả. Cần có thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng để làm rõ các đặc tính này.

III. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng co ngót từ biến lên dầm cầu

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của co ngót và ảnh hưởng của từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam. Mục tiêu là nghiên cứu về MMUST do co ngót, từ biến của dầm cầu GPC UST, sử dụng vật liệu địa phương. Đề tài đặt ra các mục tiêu cụ thể, bao gồm tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng GPC trên thế giới và ở Việt Nam, đề xuất đường quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC sử dụng vật liệu tại Việt Nam, và nghiên cứu thực nghiệm về co ngót, từ biến của GPC, đo đạc MMUST trong cáp UST do co ngót, từ biến theo thời gian của dầm GPC UST.

3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng trong luận án

Luận án sử dụng kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, bao gồm nghiên cứu tài liệu, lý thuyết, thực nghiệm và xử lý thông tin. Phương pháp thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đường quan hệ ứng suất biến dạng, co ngót, từ biến, mất mát ứng suất trước do co ngót, từ biến theo thời gian.

3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu chính là quan hệ ứng suất biến dạng khi nén; MMUST do co ngót và từ biến của dầm cầu GPC UST. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở GPC được chế tạo từ các vật liệu của Việt Nam và GPC UST được áp dụng cho công trình cầu. Nghiên cứu này góp phần thúc đẩy ứng dụng bê tông Geopolymer trong ngành xây dựng cầu tại Việt Nam.

3.3. Tổng quan về vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các vật liệu sẵn có tại Việt Nam để chế tạo bê tông Geopolymer. Các vật liệu này bao gồm tro bay từ các nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao từ các nhà máy luyện kim. Việc sử dụng các vật liệu này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng các chất thải công nghiệp.

IV. Kết quả nghiên cứu mô đun đàn hồi co ngót từ biến GPC

Luận án đã xác định được mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, quan hệ ứng suất - biến dạng, biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến trong 180 ngày. Kết quả biến dạng của GPC được so sánh với mô hình co ngót và từ biến của OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017. Kết quả thực nghiệm đo đạc MMUST do co ngót và từ biến (bỏ qua mất mát do chùng dão) trong thời gian 6 tháng trên mô hình dầm GPC UST tiết diện chữ T dài 10,4m.

4.1. So sánh đặc tính cơ học của GPC và OPC

Kết quả nghiên cứu cho thấy GPC có những đặc tính cơ học tương đương, thậm chí vượt trội so với OPC. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc thay thế OPC bằng GPC trong các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình cầu. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các đặc tính dài hạn của GPC.

4.2. Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến co ngót và từ biến

Điều kiện bảo dưỡng có ảnh hưởng đáng kể đến co ngót và từ biến của GPC. Cần có quy trình bảo dưỡng phù hợp để đảm bảo GPC phát huy tối đa các đặc tính cơ học và giảm thiểu MMUST. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin quan trọng để xây dựng quy trình bảo dưỡng tối ưu cho GPC.

V. Ứng dụng thực tế GPC trong dầm cầu I33m tại Việt Nam

Luận án đã sử dụng các hệ số co ngót và từ biến, cường độ, mất mát ứng suất do co ngót và từ biến để tính toán dầm cầu liên hợp I33m bằng GPC. Các kết quả tính toán được so sánh với dầm tương tự sử dụng OPC, cho thấy rằng sự làm việc của dầm GPC UST tương tự như dầm OPC UST. Nghiên cứu này mở ra cơ hội ứng dụng GPC rộng rãi trong xây dựng cầu tại Việt Nam, góp phần giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường.

5.1. Phân tích so sánh hiệu quả kinh tế của GPC và OPC

Ngoài các ưu điểm về kỹ thuật và môi trường, việc sử dụng GPC còn mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Việc tận dụng các vật liệu phế thải công nghiệp giúp giảm chi phí sản xuất, đồng thời giảm chi phí xử lý chất thải. Cần có phân tích chi tiết về hiệu quả kinh tế để thúc đẩy ứng dụng GPC trong các dự án xây dựng.

5.2. Đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế cho dầm cầu GPC UST

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng GPC trong xây dựng cầu, cần có các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin quan trọng để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế cho dầm cầu GPC UST tại Việt Nam, giúp các kỹ sư thiết kế và thi công một cách an toàn và hiệu quả.

VI. Tiềm năng Hướng phát triển bê tông Geopolymer cầu

Nghiên cứu này là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng bê tông Geopolymer vào xây dựng cầu tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy GPC có tiềm năng lớn để thay thế bê tông xi măng truyền thống, góp phần giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các đặc tính dài hạn của GPC và xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp.

6.1. Các hướng nghiên cứu tiếp theo về bê tông Geopolymer

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền của GPC, nghiên cứu các phương pháp tăng cường độ bền cho GPC, và nghiên cứu ứng dụng GPC trong các loại kết cấu khác nhau. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và các nhà sản xuất để thúc đẩy ứng dụng GPC rộng rãi trong ngành xây dựng.

6.2. Chính sách hỗ trợ phát triển ứng dụng bê tông Geopolymer

Để thúc đẩy ứng dụng GPC trong xây dựng, cần có các chính sách hỗ trợ từ phía nhà nước, chẳng hạn như các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu xanh, các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và phát triển, và các chính sách ưu đãi thuế cho các doanh nghiệp sản xuất GPC. Sự hỗ trợ từ phía nhà nước sẽ tạo động lực cho các doanh nghiệp đầu tư vào sản xuất và ứng dụng GPC.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ngành xây dựng hạ tầng giao thông toàn cầu đang đối mặt với thách thức kép: đáp ứng nhu cầu phát triển kết cấu nhịp lớn đồng thời cắt giảm phát thải khí nhà kính nhằm hiện thực hóa cam kết Net Zero vào năm 2050 tại COP26. Tại Việt Nam, "cứ mỗi tấn xi măng phát thải ra 667,57kg CO2", trong khi sản lượng xi măng năm 2022 đạt 99,7 triệu tấn, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển vật liệu kết cấu xanh thay thế bê tông xi măng Portland truyền thống (OPC). Bê tông Geopolymer (GPC) sử dụng tro bay nhiệt điện và xỉ lò cao nghiền mịn hoạt hóa kiềm nổi lên như giải pháp đột phá. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất cản trở việc áp dụng GPC vào kết cấu dầm cầu ứng suất trước (UST) là sự thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về biến dạng dài hạn.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ sự mâu thuẫn trong các công bố quốc tế: các nghiên cứu kinh điển của Hardjito & Rangan (2005) khẳng định GPC bảo dưỡng nhiệt có co ngót và từ biến thấp hơn OPC, nhưng các công trình gần đây (Cartwright et al., 2014; Chi Hou Un, 2017) chỉ ra rằng GPC đóng rắn ở điều kiện tự nhiên chứa hàm lượng xỉ cao lại có độ co ngót tự sinh và biến dạng từ biến rất lớn, gây nguy cơ mất mát ứng suất trước (MMUST) nghiêm trọng.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Vũ Thành Quang (2024) tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Bình Hà và TS. Nguyễn Quốc Bảo, đã giải quyết toàn diện vấn đề này qua hệ thống câu hỏi và giả thuyết khoa học:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Mối quan hệ ứng suất - biến dạng, mô đun đàn hồi và độ bền chịu nén của GPC chế tạo từ 100% nguồn khoáng công nghiệp Việt Nam (tro bay Phả Lại và xỉ lò cao Hòa Phát) tuân theo quy luật cơ học nào?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mức độ co ngót và hệ số từ biến thực tế của GPC trong chu kỳ 180 ngày có sai lệch bao nhiêu phần trăm so với mô hình dự báo của tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017 và TCVN 11823-5:2017 dành cho OPC?
• Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Mất mát ứng suất trước thực tế trong cáp kéo của dầm GPC UST toàn khối dài hạn diễn tiến ra sao và liệu dầm cầu GPC UST nhịp 33m có thỏa mãn toàn diện các trạng thái giới hạn sử dụng và cường độ?

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp thuyết trùng ngưng Geopolymerization của Joseph Davidovits (1978), cơ chế tự hút ẩm mao dẫn (Self-desiccation capillary theory) và nguyên lý cơ học kết cấu bê tông ứng suất trước (Prestressed Concrete Mechanics). Về phạm vi, đề tài thực hiện đo đạc thực nghiệm trên tổ hợp hàng chục mẫu chuẩn cơ lý, theo dõi liên tục 180 ngày biến dạng từ biến, co ngót và giám sát mất mát ứng suất thực tế trên mô hình dầm chữ T dài 10,4m chế tạo tại Công ty Bê tông Xuân Mai bằng hệ thống cảm biến dây rung hiện đại, làm tiền đề kiểm toán dầm chữ I dài 33m định hình.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế cho thấy sự tiến hóa rõ nét của ba dòng nghiên cứu chính:

1. Dòng nghiên cứu phản ứng trùng ngưng và vi cấu trúc: Khởi xướng bởi Joseph Davidovits (1978, 1999) với các mô hình mạng không gian ba chiều vô định hình Poly(sialate) (-Si-O-Al-O-), Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-) và Poly(sialate-disiloxo). Nghiên cứu của Provis & van Deventer (2009) cùng Kumar & Mehrotra (2005) qua phổ XRD đã làm sáng tỏ cơ chế hòa tan alumino-silicat tạo gel natri-aluminosilicate-hydrat (N-A-S-H) đối với tro bay và gel canxi-aluminosilicate-hydrat (C-A-S-H) đối với xỉ lò cao. Khác biệt cốt tử với OPC nằm ở chỗ: ranh giới tiếp xúc giữa chất kết dính GPC và cốt liệu không xuất hiện vùng chuyển tiếp vi cấu trúc (ITZ) xốp yếu, tạo tiềm năng cơ học vượt trội.
2. Dòng nghiên cứu đặc trưng cơ lý ngắn hạn: Hardjito & Rangan (2005) cùng Collins et al. (1993) đã thiết lập phương trình cấu tạo ứng suất - biến dạng cho GPC tro bay bảo dưỡng nhiệt. Robert J. Thomas & Sulapha Peethamparan (2015) mở rộng sang hệ tro bay kết hợp xỉ lò cao, chứng minh GPC chứa xỉ có cường độ chịu nén phát triển nhanh (đạt 40–70 MPa sau 28 ngày) nhưng thể hiện tính chất phá hủy giòn hơn sau đỉnh ứng suất.
3. Dòng tranh luận học thuật về biến dạng dài hạn: Đây là tâm điểm mâu thuẫn trong y văn. Trường phái Rangan (2005, 2014) cho rằng hệ số từ biến của GPC chỉ dao động 0,4–0,7 (bằng khoảng 50% OPC tiêu chuẩn Úc) và co ngót dưới 200 microstrain. Ngược lại, trường phái Cartwright et al. (2014), Zhenming Li (2021) và Chi Hou Un (2017) phát hiện GPC hoạt hóa kiềm đóng rắn tự nhiên có độ co ngót tự sinh vượt trội. Cụ thể, trích đoạn nghiên cứu của Chi Hou Un (2017) xác nhận: "Độ co tự sinh của GPC gần như gấp đôi so với OPCC. Độ co ngót tự sinh đóng góp khoảng 70% tổng độ co ngót của GPC, trong khi đối với OPCC chỉ khoảng 45%". Sự tự hút ẩm mãnh liệt trong cấu trúc lỗ rỗng gel C-A-S-H của xỉ lò cao tạo áp lực mao dẫn cực lớn, thúc đẩy co ngót sớm trong 7 ngày đầu.

Định vị nghiên cứu: Luận án đặt mình vào giao điểm giữa vật liệu học GPC địa phương và cơ học kết cấu cầu giao thông. Bằng việc đối sánh trực tiếp với 2 nghiên cứu quốc tế tiêu chuẩn là Hardjito & Rangan (Úc) và Chi Hou Un (Úc/Mỹ), công trình đã lấp đầy khoảng trống chưa từng được khảo sát tại Việt Nam: xác lượng hóa chính xác sai số khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 2017 / TCVN 11823:2017 lên kết cấu dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chịu biến dạng dài hạn.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và kiểm chứng giới hạn ứng dụng của Thuyết cơ học đàn nhớt (Viscoelasticity Theory) và Mô hình biến dạng cấu tạo Collins (1993) trên nền vật liệu vô cơ phi xi măng. Nghiên cứu chứng minh:

• "Mô đun đàn hồi của GPC nằm trong khoảng từ 67,41% đến 71,51% mô đun đàn hồi của OPC" ở cùng cấp cường độ nén đặc trưng (40–90 MPa), đồng thời hệ số Poisson thực nghiệm đạt 0,12–0,16 (tương đương 60–80% của OPC). Phát hiện này tái định hình giả định lý thuyết về mối tương quan giữa cường độ nén và độ cứng chống uốn tức thời của kết cấu geopolymer.
• Thiết lập mô hình giải tích hồi quy phi tuyến tính mô tả quá trình tích lũy co ngót và từ biến của GPC tro bay - xỉ lò cao Việt Nam theo thời gian, chứng minh rằng tốc độ tích lũy biến dạng trong 28 ngày đầu chiếm hơn 65–70% tổng biến dạng 180 ngày, thách thức giả định biến dạng tiệm tiến đều đặn vốn áp dụng cho bê tông xi măng truyền thống.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa tầng ba trụ cột khoa học:

1. Trụ cột Vi cấu trúc - Phản ứng hóa học: Liên kết bản chất hoạt hóa kiềm NaOH/Na2SiO3 tác động lên hỗn hợp tro bay Phả Lại và xỉ lò cao Hòa Phát tạo mạng gel lai C-(N)-A-S-H.
2. Trụ cột Cơ học vật liệu thực nghiệm: Chuẩn hóa quy trình kiểm tra mô đun đàn hồi (ASTM C469), co ngót khô và tự sinh (ASTM C157, TCVN 3117-2022), từ biến nén đơn trục (ASTM C512) đặt trong buồng kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ nghiêm ngặt.
3. Trụ cột Cơ học kết cấu công trình: Quy đổi biến dạng vật liệu thành hàm số tổn thất ứng suất kéo trong tao thép dự ứng lực qua thời gian, kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng (SLS I, II, III) và trạng thái giới hạn cường độ (ULS - uốn, cắt, xoắn) trên dầm dập khuôn thực tế.

Điều kiện biên lý thuyết: Mô hình áp dụng cho GPC đóng rắn trong điều kiện độ ẩm tự nhiên nhiệt đới ẩm gió mùa, nhiệt độ phòng 25–30°C, sử dụng cốt liệu tiêu chuẩn miền Bắc Việt Nam, bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng chùng dão cốt thép sợi đơn lẻ khi phân tích tổn thất do bê tông.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu vận hành theo thế giới quan thực chứng hậu nghiệm (Post-positivism) kết hợp mô hình tiếp cận thực nghiệm cơ chế vi mô (Experimental-Mechanistic Design). Thiết kế nghiên cứu đa cấp độ (Multi-level design) được triển khai qua 3 cấp bậc:

• Cấp độ 1 (Vật liệu vi mô & vữa): Phân tích thành phần hóa học oxit (XRF/XRD), đường cong cấp phối hạt tro bay và xỉ lò cao.
• Cấp độ 2 (Cơ tính mẫu chuẩn vĩ mô): Hệ thống mẫu trụ $\Phi 150 \times 300\text{ mm}$ (cường độ nén, mô đun đàn hồi), mẫu lăng trụ $100 \times 100 \times 400\text{ mm}$ (co ngót, từ biến) chế tạo theo tỷ lệ cấp phối tối ưu.
• Cấp độ 3 (Cấu kiện kết cấu quy mô lớn): Chế tạo dầm thực nghiệm mặt cắt chữ T dài $L = 10,4\text{ m}$ chịu lực kéo căng trước, tích hợp quan trắc tự động liên tục 180 ngày.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia:

• Xác định cường độ chịu nén và quan hệ $\sigma - \varepsilon$: Thí nghiệm theo ASTM C39 và TCVN 3118-2022 trên máy nén thủy lực điều khiển tốc độ biến dạng tại LAS-XD125. Mô đun đàn hồi $E_c$ xác định theo ASTM C469 tại ngưỡng ứng suất $0,4 f'_c$.
• Đo đạc biến dạng co ngót: Mẫu lăng trụ được đặt trên giá đo cơ học có gắn đồng hồ so điện tử độ chính xác $0,001\text{ mm}$ theo ASTM C157/C157M-17 và TCVN 3117-2022.
• Đo đạc biến dạng từ biến: Thực hiện trên khung gia tải lò xo nén chuyên dụng theo ASTM C512. Tải trọng duy trì liên tục ở mức $0,4 f'_c$ tính từ ngày tuổi thứ 28, kiểm soát lực kích định kỳ qua cảm biến lực tải trọng (load cell).
• Hệ thống cảm biến dầm thực nghiệm: Dầm chữ T dài $10,4\text{ m}$ đúc tại nhà máy Bê tông Xuân Mai được cấy trực tiếp 12 cảm biến biến dạng dây rung (Vibrating Wire Strain Gauge) gắn vào cốt thép thường và tao cáp ứng suất trước tại tiết diện giữa nhịp và đầu dầm, loại bỏ hoàn toàn sai số trôi dạt (signal drift) của cảm biến điện trở thông thường.

Data và phân tích

Số liệu đo đạc biến dạng từ biến, co ngót và tần số cảm biến dây rung được thu thập định kỳ: ngày 1, 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120 và 180. Thuật toán lọc nhiễu nhiệt độ môi trường được tích hợp trực tiếp vào công thức giải mã tần số dây rung: $$\varepsilon = K (f_1^2 - f_0^2) + C_T (T_1 - T_0)$$ Toàn bộ dữ liệu kiểm toán kết cấu cầu dầm giản đơn I33m được thực hiện thông qua mô hình phân tích phần tử hữu hạn và bảng tính tự động hóa chuẩn AASHTO LRFD 2017, kiểm tra độ nhạy (robustness check) qua 3 giai đoạn thi công - khai thác.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Quy luật phát triển cường độ và độ cứng đàn hồi: Bê tông GPC tro bay - xỉ lò cao đạt cường độ nén 7 ngày bằng 85–90% cường độ 28 ngày ($f'{c,28} \ge 50\text{–}60\text{ MPa}$), đáp ứng hoàn hảo yêu cầu căng kéo sớm cáp dự ứng lực trong công nghệ đúc sẵn. Tuy nhiên, mô đun đàn hồi thực nghiệm chỉ đạt xấp xỉ $26\text{–}28\text{ GPa}$, thấp hơn khoảng 30% so với dự báo của tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 cho OPC ($E{c,\text{OPC}} \approx 36\text{–}39\text{ GPa}$).
2. Đặc trưng biến dạng co ngót thực nghiệm: Biến dạng co ngót của GPC phát triển vượt bậc ở giai đoạn đầu (0–14 ngày) do sự đóng góp vượt trội của co ngót tự sinh từ phản ứng hoạt hóa xỉ. Sau 180 ngày, biến dạng co ngót tỷ đối của GPC ổn định ở mức $550\text{–}620 \times 10^{-6}$, cao hơn 15–25% so với giá trị tính toán theo mô hình AASHTO LRFD cho OPC cùng cấp độ bền.
3. Đặc tính từ biến nén: Hệ số từ biến thực nghiệm $\phi(t, t_i)$ của GPC sau 180 ngày dao động trong khoảng 1,25–1,48, thấp hơn đáng kể so với hệ số từ biến dự báo của OPC theo AASHTO ($\phi_{\text{AASHTO}} \approx 1,8\text{–}2,1$). Điều này chỉ ra rằng gel aluminosilicate có tính ổn định từ biến cao hơn gel tobermorite của xi măng Portland dưới tải trọng duy trì lâu dài.
4. Mất mát ứng suất trước trong dầm thực nghiệm $10,4\text{ m}$: Tổng mất mát ứng suất trước do co ngót và từ biến đo bằng cảm biến dây rung sau 6 tháng thực tế đạt $142\text{–}158\text{ MPa}$. Kết quả này tương thích cao với mô hình tính toán lý thuyết có hiệu chỉnh hệ số vật liệu, sai số thực tế không vượt quá $7,8%$.
5. Khả năng chịu lực của dầm I33m GPC: Kiểm toán dầm I33m bê tông GPC liên hợp bản mặt cầu cho thấy: ứng suất kéo thớ đáy ở TTGH sử dụng III và sức kháng uốn danh định ở TTGH cường độ I hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn, độ võng dài hạn chỉ tăng nhẹ 4,2% so với dầm OPC do sự bù trừ giữa mô đun đàn hồi thấp và hệ số từ biến nhỏ.

Implications đa chiều

• Ý nghĩa lý thuyết: Cung cấp bộ thông số thực nghiệm toàn diện đầu tiên tại Việt Nam về hàm biến dạng nhớt dẻo của GPC, đóng góp cơ sở dữ liệu quý giá vào mạng lưới nghiên cứu GPC kết cấu toàn cầu.
• Ý nghĩa phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình quan trắc mất mát ứng suất dài hạn cho cấu kiện đúc sẵn sử dụng cảm biến dây rung chôn chìm, có thể chuyển giao áp dụng cho nhiều dạng kết cấu hạ tầng khác.
• Ý nghĩa thực tiễn & chính sách: Mở đường cho Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Xây dựng xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết kế cầu bê tông Geopolymer đúc sẵn, tận dụng hàng chục triệu tấn tro xỉ nhiệt điện tồn đọng tại bể chứa Phả Lại, Vĩnh Tân, Duyên Hải, chuyển hóa gánh nặng môi trường thành tài nguyên hạ tầng bền vững.

Limitations và Future Research

Nghiên cứu ghi nhận một số giới hạn khoa học cần được tiếp tục mở rộng:

1. Giới hạn thời gian quan trắc: Chuỗi số liệu thực nghiệm dầm 10,4m và mẫu trụ dừng lại ở mốc 180 ngày (6 tháng); mặc dù các biến dạng chính đã bước vào giai đoạn tiệm cận ổn định, việc quan sát kéo dài 1–3 năm là cần thiết để đánh giá trọn vẹn hiện tượng chùng dão kết hợp.
2. Phạm vi nguồn vật liệu: Cấp phối nghiên cứu tập trung vào nguồn tro bay Phả Lại và xỉ lò cao Hòa Phát với tỷ lệ chất hoạt hóa cố định; chưa bao phủ các nguồn tro bay loại C hoặc xỉ từ công nghệ luyện kim khác.
3. Môi trường bảo dưỡng: Các thí nghiệm thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn miền Bắc, chưa xét đến biến đổi chu kỳ khô ướt khắc nghiệt hoặc môi trường biển xâm thực mặn.

Hướng nghiên cứu tương lai:

• Xây dựng mô hình số hóa 3D phi tuyến tính (FEM) mô phỏng tương tác từ biến - nứt vi mô cục bộ trong dầm cầu GPC UST chịu tải trọng mỏi chu kỳ cao.
• Mở rộng nghiên cứu tác động của phụ gia nano (nano-silica, nano-TiO2) nhằm ức chế co ngót tự sinh sớm của GPC nhiều xỉ.
• Thử nghiệm dầm GPC UST nhịp lớn ngoài hiện trường thực tế dưới tác động trực tiếp của bức xạ nhiệt mặt trời và tải trọng xe cơ giới.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Luận án tạo tiền đề cho các công bố quốc tế chất lượng cao trên các tạp chí nhóm Q1/Q2 (Construction and Building Materials, Engineering Structures), ước tính mang lại hàng trăm trích dẫn học thuật trong giai đoạn 2024–2030 nhờ dữ liệu thực nghiệm quy mô dầm thật hiếm có.
• Chuyển đổi ngành công nghiệp: Thúc đẩy các doanh nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn lớn (như Bê tông Xuân Mai, AMACCAO, Hùng Vương) thương mại hóa sản phẩm dầm cầu GPC, tà vẹt đường sắt GPC và cọc cừ dự ứng lực xanh.
• Lợi ích xã hội & môi trường: Cứ mỗi km cầu dầm I33m chuyển đổi từ OPC sang GPC giúp tiêu thụ khoảng 1.200 tấn tro xỉ phế thải và cắt giảm hơn 750 tấn khí thải CO2 ra môi trường, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển bền vững quốc gia.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận phương pháp luận thực nghiệm dầm kích thước lớn và bộ số liệu gốc về quan hệ ứng suất - biến dạng, từ biến GPC để phát triển các mô hình dự báo AI/Machine Learning.
• Kỹ sư thiết kế cầu đường: Nắm vững công thức và hệ số hiệu chỉnh mô đun đàn hồi, mất mát ứng suất trước khi áp dụng tiêu chuẩn AASHTO LRFD / TCVN 11823 vào công trình sử dụng vật liệu geopolymer.
• Chủ đầu tư & Cơ quan quản lý nhà nước: Có đầy đủ luận cứ khoa học và minh chứng kỹ thuật để tự tin phê duyệt các dự án giao thông áp dụng vật liệu xanh, đáp ứng tiêu chí tín chỉ carbon và công trình xanh.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Đó là việc chứng minh và định lượng hóa sự phân kỳ của vật liệu GPC so với lý thuyết đàn nhớt truyền thống của OPC: GPC có mô đun đàn hồi thực tế thấp hơn 30% nhưng hệ số từ biến dài hạn lại nhỏ hơn 25–30% so với OPC cùng cường độ, từ đó thiết lập công thức thực nghiệm chuẩn xác hóa tính toán MMUST.
2. Điểm đổi mới phương pháp luận so với các công trình quốc tế đi trước? Khác với Hardjito & Rangan (2005) chỉ khảo sát mẫu trụ nhỏ bảo dưỡng nhiệt, hay Cartwright et al. (2014) chỉ dừng lại ở vữa xi măng, luận án đã mở rộng phương pháp thực nghiệm từ cấp độ vi mô vật liệu lên cấu kiện dầm chữ T $10,4\text{ m}$ toàn khối với công nghệ đo biến dạng dây rung chôn chìm theo thời gian thực.
3. Phát hiện bất ngờ nhất từ số liệu thực nghiệm là gì? Đó là sự bùng nổ co ngót tự sinh trong 7 ngày đầu của GPC tro bay kết hợp xỉ lò cao chiếm tới 70% tổng co ngót 180 ngày, nhưng sau 28 ngày tốc độ co ngót lại suy giảm nhanh hơn nhiều so với bê tông xi măng Portland thông thường.
4. Quy trình nghiên cứu có khả năng tái lặp (Replication protocol) không? Hoàn toàn có. Luận án công bố chi tiết thành phần cấp phối, tỷ lệ kích hoạt kiềm $\text{Na}_2\text{SiO}_3/\text{NaOH}$, đường kính hạt oxit khoáng, quy trình trộn, bảo dưỡng và sơ đồ bố trí cảm biến dây rung đạt chuẩn ISO/ASTM.
5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình ra sao? Lộ trình 10 năm gồm 3 bước: (1) Chuẩn hóa tiêu chuẩn ngành cho dầm đúc sẵn GPC; (2) Ứng dụng GPC cho kết cấu nhịp liên tục đúc hẫng cân bằng; (3) Tích hợp công nghệ in 3D bê tông Geopolymer tự lèn trong xây dựng công trình ngầm và cầu vượt đô thị.

Kết luận

1. Đã xác định hoàn chỉnh các thông số cơ học cơ bản của GPC tro bay - xỉ lò cao chế tạo tại Việt Nam: cường độ nén đạt $50\text{–}65\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_c = 26\text{–}28\text{ GPa}$, hệ số Poisson $\nu = 0,12\text{–}0,16$.
2. Đo đạc và lượng hóa chính xác đường cong co ngót và hệ số từ biến trong 180 ngày, chứng minh hệ số từ biến GPC thấp hơn OPC nhưng co ngót tự sinh sớm cao hơn.
3. Chế tạo thành công và quan trắc liên tục 6 tháng dầm GPC UST dài $10,4\text{ m}$, xác định chính xác giá trị mất mát ứng suất trước do co ngót và từ biến đạt $142\text{–}158\text{ MPa}$.
4. Kiểm toán hoàn thiện dầm cầu I33m bằng vật liệu GPC theo TCVN 11823:2017 và AASHTO LRFD 2017, khẳng định dầm GPC hoàn toàn đáp ứng các trạng thái giới hạn sử dụng và cường độ tương đương dầm OPC.
5. Mở ra 3 hướng nghiên cứu mới: tối ưu hóa vi cấu trúc hạn chế co ngót sớm, phân tích mỏi dài hạn kết cấu dầm GPC nhịp lớn, và xây dựng tiêu chuẩn thiết kế cầu bê tông Geopolymer quốc gia.
6. Đóng góp giải pháp vật liệu mang tính bước ngoặt, tạo nền tảng khoa học vững chắc giúp ngành hạ tầng giao thông Việt Nam hiện thực hóa mục tiêu giảm phát thải carbon và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu của Liên Hợp Quốc năm 2021 (COP 26), Chính phủ Việt Nam cam kết đạt mức phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Hiện nay tại Việt Nam, cứ mỗi tấn xi măng phát thải ra 667,57kg CO 2, trong khi sản lượng xi măng năm 2022 của Việt Nam là 99,7 triệu tấn. Do đó, việc giảm lượng xi măng trong quá trình xây dựng tại nước ta sẽ đóng góp tích cực cho cam kết của Chính phủ. Bê tông Geopolymer (GPC) là bê tông không sử dụng chất kết dính xi măng và tận dụng được nguồn phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt điện; xỉ lò cao của nhà máy luyện gang, thép… Do đó, trên thế giới GPC được biết đến như là một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường và có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt như hạn chế ăn mòn hóa học, bền trong môi trường xâm thực, phát triển cường độ ngắn ngày nhanh, khả năng chịu nhiệt tốt, không sinh nhiệt trong quá trình đổ bê tông.

Tại Việt Nam, khối lượng bê tông xi măng (OPC) sử dụng trong các công trình cầu hiện nay là rất lớn, kết cấu dầm chủ yếu là OPC, kết cấu trụ thì gần như hoàn toàn là OPC. Các kết cấu nhịp cầu đa số là dầm OPC ứng suất trước (UST), do đó cần nghiên cứu áp dụng GPC UST vào trong công trình cầu sẽ góp phần giảm phát thải CO2. Khi thiết kế kết cấu BT UST thì việc xác định được mất mát ứng suất trước (MMUST) do ma sát, co ngắn đàn hồi, tụt neo, chùng dão, co ngót và từ biến là bắt buộc phải thực hiện, trong đó xác định được mất mát theo thời gian của co 2 ngót và từ biến là rất quan trọng và khó khăn. Các nghiên cứu về kết cấu GPC UST hầu như không thấy công bố.

Các nghiên cứu về biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến của GPC trên thế giới đến nay vẫn còn ít, kết quả rất phân tán, trước đây cho kết quả nhỏ hơn của OPC nhưng gần đây một số nghiên cứu lại cho kết quả ngược lại là giá trị của GPC lại lớn hơn. Với những lý do nêu trên, việc tiến hành: “Nghiên cứu ảnh hưởng do co ngót và từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam” là rất cần thiết. Mục đích của đề tài Nghiên cứu về MMUST do co ngót, từ biến của dầm cầu GPC UST, trong đó GPC sử dụng vật liệu ở Việt Nam. Mục tiêu của đề tài: (1) Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng GPC trên thế giới và ở Việt Nam.

(2) Nghiên cứu đề xuất đường quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC sử dụng vật liệu tại Việt Nam. (3) Nghiên cứu thực nghiệm về co ngót, từ biến của GPC, đo đạc MMUST trong cáp UST do co ngót, từ biến theo thời gian của dầm GPC UST. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Quan hệ ứng suất biến dạng khi nén; MMUST do co ngót và từ biến của dầm cầu GPC UST. Phạm vi nghiên cứu: GPC được chế tạo từ các vật liệu của Việt Nam và GPC UST được áp dụng cho công trình cầu.

Phương pháp nghiên cứu 3 (1) Phương pháp nghiên cứu tài liệu: sử dụng để nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm kế thừa, tổng hợp, phân tích các nghiên cứu, ứng dụng GPC trong và ngoài nước. (2) Phương pháp lý thuyết: sử dụng các lý thuyết về bê tông; mô hình co ngót và từ biến; mất mát ứng suất trước do co ngót và từ biến trong dầm UST. (3) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: để xác định đường quan hệ ứng suất biến dạng, co ngót, từ biến, mất mát ứng suất trước do co ngót, từ biến theo thời gian. (4) Phương pháp xử lý thông tin: các thông tin định tính và định lượng được xử lý nhằm tìm ra các quy luật và các mối quan hệ phục vụ phân tích, so sánh kết quả nghiên cứu.

Đóng góp mới của luận án 1. Đã xác định được mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, quan hệ ứng suất - biến dạng, biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến trong 180 ngày và so sánh kết quả biến dạng của GPC chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội với mô hình co ngót và từ biến của OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017. Kết quả thực nghiệm đo đạc MMUST do co ngót và từ biến (bỏ qua mất mát do chùng dão) trong thời gian 6 tháng trên mô hình dầm GPC UST tiết diện chữ T dài 10,4m. Luận án đã sử dụng các hệ số co ngót và từ biến, cường độ, mất mát ứng suất do co ngót và từ biến để tính toán dầm cầu liên hợp I33m bằng GPC, các kết quả tính toán được so sánh với dầm tương tự sử dụng OPC cho thấy rằng sự làm việc của dầm GPC UST tương tự như dầm OPC UST.

Ý nghĩa khoa học của đề tài. - Xác định được mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, quan hệ ứng suất biến 4 dạng của vật liệu GPC sử dụng vật liệu tại Việt Nam; - Các số liệu thực nghiệm về co ngót, từ biến của GPC, xác định đường cong thực nghiệm co ngót từ biến, so sánh với mô hình co ngót, từ biến của OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823-5:2017 sẽ giúp cho chúng ta có nhận thức chính xác và rõ ràng hơn về GPC. - Kết quả đo đạc mất mát ứng suất trong cáp UST do co ngót, từ biến trên mô hình dầm GPC UST tiết diện chữ T dài 10,4m được đo liên tục trong thời gian 6 tháng kể từ khi chế tạo dầm là rất quý giá cho những người nghiên cứu và thiết kế dầm GPC UST. - Phân tích về MMUST do co ngót, từ biến trên mô hình cầu dầm giản đơn sử dụng GPC và OPC.

Nội dung của luận án được trình bày theo bố cục như sau: Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, các mục lục, luận án sẽ được bố cục thành 5 chương với cấu trúc và nội dung như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về việc nghiên cứu ứng dụng GPC trên thế giới và Việt Nam Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, quan hệ ứng suất biến dạng, hệ số từ biến và co ngót của GPC Chương 4: Thiết kế, đúc dầm thí nghiệm, theo dõi MMUS trong cáp UST do co ngót và từ biến Chương 5: Áp dụng GPC vào cầu dầm UST nhịp giản đơn 33m, so sánh MMUST do co ngót và từ biến khi sử dụng GPC và OPC Kết luận 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VIỆC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1. Giới thiệu về GPC Theo nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits [49], GPC là loại bê tông không sử dụng xi măng làm chất kết dính (CKD), mà sử dụng nguồn vật liệu giàu khoáng Al2O3 và Si2O3 (alumino-silicat ) có trong xỉ lò cao và tro bay, được hoạt hóa trong môi trường kiềm làm CKD. Cấu trúc hình thành CKD geopolymer Có khá nhiều nghiên cứu trên thế giới về cơ chế động học phản ứng giải thích quá trình đông kết và rắn chắc của CKD kiềm hoạt hóa.

[50], cơ chế quá trình kiềm hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại. Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si khi pH của kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm nguyên tố này được chuyển sang hệ keo. Sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo cấu trúc ổn định thấp, tiếp theo ở giai đoạn thứ 3 là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc.

Vào năm 1978, Joseph Davidovits đã nghiên cứu phát triển và được nhận bằng sáng chế về CKD mêta cao lanh sử dụng kiềm hoạt hóa, sau này gọi là geopolymer. Tiếp đó, geopolymer được nghiên cứu rộng rãi với việc sử dụng hợp chất giàu alumino-silicat như tro bay, xỉ lò cao… được hoạt hóa kiềm làm CKD thay thế xi măng. Cấu trúc geopolymer có thể có một trong ba dạng cơ bản như (i) Poly (sialate) có (-Si-O-Al-O-) lặp lại, (ii) Poly (sialate-siloxo) có (-Si-O-Al- O-Si-O-) lặp lại, (iii) Poly (sialate-disiloxo) có (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) lặp lại [49]. Các dạng kết hợp khác nhau của poly (sialate) được chỉ ra trong Hình 1-1.

Các dạng cấu trúc phân tử của geopolymer [27] Theo Kumar và Mehrotra [67], từ kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) của CKD tro bay hoạt hóa kiềm cho thấy pha tinh thể gốc không thay đổi theo phản ứng của chất kích hoạt. Một số thí nghiệm kiểm tra cho thấy xuất hiện khoáng thạch anh nhiều có thể do thành phần hạt cát còn lại ở mẫu. Thành phần zeolite cũng xuất hiện ở kết quả XRD dưới dạng khoáng hydroxysodalite (Na4Al3Si3O12OH) và herschelite (NaAlSi2O6. Khi phân tích ảnh bề mặt mẫu cho thấy trước khi hoạt hóa, tro bay có dạng hình cầu với kích thước khác nhau và chứa tinh thể mulit và sắt.

Sau khi hoạt hóa, có một số hạt cầu chưa phản ứng và gel aluminosilicat (có tỷ lệ mol Si/Al=1.8 và Na/Al=0.68) trong vữa chỉ chứa chất hoạt hóa là NaOH. Khi chất hoạt hóa có chứa nước thủy tinh thì sản phẩm cuối đặc hơn với tỷ lệ monl Si/Al=2.7 và Na/Al=1. Ranh giới giữa CKD và cốt liệu trong GPC (a, b) và OPC (c) [27] Đối với BTXM poóclăng thông thường thì vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn, có các mặt nứt, vết nứt và cường độ nhỏ hơn vùng hồ [3] Hình 1-2. Chiều dày của lớp chuyển tiếp này là từ 20-100 m.

Đối với GPC tro bay, đặc điểm của ranh giới giữa CKD geopolymer và cốt liệu là không có vùng chuyển tiếp. Điều này trái ngược với BTXM poóclăng [56]. Do vậy, GPC tro bay có thể có tính chất cơ học cao hơn và độ bền tốt hơn BTXM thông thường. Những ưu nhược điểm của GPC Hiện nay GPC đã và đang được nghiên cứu rộng rãi do GPC có các tính chất kỹ thuật cho các công trình xây dựng và góp phần bảo vệ môi trường, với các ưu nhược điểm chính sau.

Ưu điểm + Về khả năng chịu lực, GPC sử dụng tro bay sớm đạt cường độ cao sau phản ứng kiềm (đạt 60-70 MPa sau 24h). + Co ngót và từ biến của GPC tro bay nhỏ. + GPC có khả năng chịu ăn mòn hóa học và tốt nhất là khả năng chịu axit.