Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng vật liệu bê tông trong xây dựng tại Việt Nam ngày càng tăng nhanh, đặc biệt trong bối cảnh phát triển kinh tế và đô thị hóa mạnh mẽ. Theo ước tính, sản lượng bê tông toàn cầu đã tăng từ khoảng 2 tỉ tấn năm 1950 lên hơn 20 tỉ tấn/năm hiện nay, gây áp lực lớn lên nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Chất thải rắn từ ngành xây dựng và phá hủy (C&D) chiếm khoảng 25% tổng lượng chất thải rắn, trong đó phế liệu bê tông chiếm gần 40-50%, tạo ra thách thức lớn về xử lý và tái sử dụng. Việc sử dụng bê tông cốt liệu tái chế (RAC) thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu tự nhiên không chỉ giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên và giảm diện tích bãi chôn lấp.

Tuy nhiên, các nghiên cứu về đặc tính cơ học và khả năng chịu nhiệt của bê tông tái chế, đặc biệt là bê tông tái chế có cốt liệu sợi thép (SFRAC), còn hạn chế. Đề tài này tập trung nghiên cứu ứng xử của bê tông thường (NC), bê tông tái chế (RAC) và bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC) khi chịu nhiệt độ cao từ 200 đến 400°C. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu lực, biến dạng và ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ chịu nén của các loại bê tông này nhằm đề xuất giải pháp ứng dụng hiệu quả trong thực tế xây dựng. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi thí nghiệm và phân tích chi tiết các mẫu bê tông được gia nhiệt và thử nén.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vật liệu bê tông tái chế, cơ học vật liệu và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ học của bê tông. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết cơ học bê tông tái chế (RAC): Phân tích ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất cơ học, đặc biệt là cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi. RAC có trọng lượng riêng nhỏ hơn và độ xốp cao hơn bê tông thường, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước và biến dạng khi chịu nhiệt.

  • Lý thuyết ảnh hưởng nhiệt độ đến bê tông: Nhiệt độ cao gây ra sự bốc hơi nước lỗ rỗng, tạo áp lực bên trong bê tông, dẫn đến hình thành vết nứt và phá hủy liên kết xi măng-cốt liệu. Việc bổ sung sợi thép giúp giảm co ngót và hạn chế vết nứt, cải thiện khả năng chịu nhiệt.

Các khái niệm chính bao gồm: cốt liệu tái chế (RCA), bê tông tái chế (RAC), bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC), cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, và ảnh hưởng nhiệt độ đến vật liệu bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết để đánh giá ứng xử của các loại bê tông dưới tác động nhiệt độ cao. Nguồn dữ liệu thu thập từ 12 mẫu bê tông gồm 3 nhóm: bê tông thường (NC), bê tông tái chế (RAC), và bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC) với hàm lượng sợi thép 0.5%. Mỗi nhóm gồm 4 mẫu, kích thước 100mm × 200mm.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Chuẩn bị nguyên liệu: xi măng Hà Tiên, cốt liệu tự nhiên, cốt liệu tái chế, sợi thép có đường kính 0.9mm, chiều dài 60mm.
  • Trộn và đúc mẫu theo tiêu chuẩn TCVN 4453:1995, bảo dưỡng mẫu trong 28 ngày.
  • Sấy khô mẫu ở 80°C trong 6 giờ để loại bỏ nước tự do.
  • Gia nhiệt mẫu ở các mức 200°C, 300°C, 400°C trong lò nung Naberthem Chamber furnaces LH15/14 với tốc độ gia nhiệt 8°C/phút, duy trì nhiệt độ trong 1 giờ.
  • Thử nén mẫu bằng máy Tensile/compression machine, Servo-plus evolution để đo cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và quan sát biến dạng.

Phương pháp chọn mẫu và phân tích đảm bảo tính khách quan, độ tin cậy cao, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu về ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ bê tông tái chế và bê tông có sợi thép.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ bê tông thường (NC):

    • Ở 200°C, cường độ nén tăng 43.95% so với mẫu không gia nhiệt.
    • Ở 300°C và 400°C, cường độ giảm nhẹ còn 26.69% và 20.36% so với mẫu không gia nhiệt.
    • Mô đun đàn hồi giảm khi cường độ tăng và ngược lại, phản ánh sự thay đổi tính chất vật liệu do nhiệt.

  2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến bê tông tái chế (RAC):

    • Ở 200°C, cường độ giảm 33.64% so với mẫu không gia nhiệt do áp lực hơi nước trong bê tông tăng gây phá hủy liên kết.
    • Ở 300°C, cường độ gần bằng mẫu không gia nhiệt (giảm 1.69%).
    • Ở 400°C, cường độ tăng nhẹ 4.81%, do sự biến đổi hóa học và mất nước lỗ rỗng bên trong bê tông.

  3. Ảnh hưởng nhiệt độ đến bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC):

    • Ở 200°C và 300°C, cường độ tăng lần lượt 11.88% và 27% so với mẫu không gia nhiệt, nhờ khả năng hạn chế vết nứt do sợi thép.
    • Ở 400°C, cường độ giảm 24.36% do phá hủy liên kết xi măng-cốt liệu và biến đổi hóa học trong bê tông.

  4. Thay đổi màu sắc và bề mặt bê tông:

    • Màu bê tông chuyển từ xám trắng sang xám nâu và vàng loang khi nhiệt độ tăng từ 200°C đến 400°C.
    • Bề mặt bê tông trở nên láng mịn hơn, xuất hiện các vết nứt chân tóc ở 400°C.
    • Sợi thép chuyển màu nâu đen, ảnh hưởng đến độ đàn hồi và liên kết với bê tông.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ và tính chất vật liệu của các loại bê tông. Bê tông thường (NC) có xu hướng tăng cường độ ở nhiệt độ thấp do sự tăng cường liên kết xi măng-cốt liệu, nhưng giảm dần khi nhiệt độ vượt quá 300°C do biến đổi hóa học. Bê tông tái chế (RAC) chịu ảnh hưởng mạnh bởi áp lực hơi nước do độ xốp cao và khả năng hấp thụ nước lớn, dẫn đến giảm cường độ đột ngột ở 200°C, sau đó phục hồi nhẹ ở nhiệt độ cao hơn. Bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC) thể hiện khả năng chịu nhiệt tốt hơn ở mức nhiệt thấp và trung bình nhờ sự gia cố của sợi thép, nhưng cũng giảm cường độ đáng kể ở 400°C do phá hủy liên kết và biến đổi vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo về sự giảm cường độ bê tông tái chế khi chịu nhiệt cao và vai trò tích cực của sợi thép trong việc giảm co ngót và hạn chế vết nứt. Việc quan sát sự thay đổi màu sắc và bề mặt bê tông cung cấp phương pháp đánh giá nhanh cường độ bê tông sau cháy nổ hoặc hỏa hoạn, có ý nghĩa thực tiễn trong kiểm định an toàn công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực theo thời gian, biểu đồ so sánh cường độ ở các nhiệt độ khác nhau và bảng tổng hợp số liệu cường độ, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các loại bê tông và ảnh hưởng của nhiệt độ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng bê tông tái chế (RAC) trong xây dựng:

    • Áp dụng thay thế một phần cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu tái chế để giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
    • Thời gian áp dụng: ngay lập tức trong các dự án xây dựng dân dụng và hạ tầng.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng, chủ đầu tư.

  2. Phát triển bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC) cho các công trình chịu nhiệt:

    • Sử dụng bê tông SFRAC trong các kết cấu yêu cầu khả năng chịu nhiệt và chống nứt cao như nhà máy, kho chứa.
    • Thời gian áp dụng: trung hạn, kết hợp nghiên cứu bổ sung để tối ưu hàm lượng sợi thép.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  3. Xây dựng quy trình kiểm định nhanh cường độ bê tông sau cháy dựa trên màu sắc và bề mặt:

    • Áp dụng bảng màu sắc và quan sát bề mặt bê tông để đánh giá sơ bộ cường độ chịu nhiệt.
    • Thời gian áp dụng: ngay trong công tác kiểm tra an toàn sau sự cố cháy nổ.
    • Chủ thể thực hiện: các đơn vị kiểm định, quản lý công trình.

  4. Tăng cường nghiên cứu và đào tạo về vật liệu bê tông tái chế chịu nhiệt:

    • Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về ứng dụng bê tông tái chế và SFRAC.
    • Thời gian: liên tục, gắn với chương trình đào tạo đại học và sau đại học.
    • Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu, cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng:

    • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về vật liệu bê tông tái chế và ảnh hưởng nhiệt độ đến tính chất cơ học.
    • Áp dụng làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng:

    • Hiểu rõ lợi ích và hạn chế của bê tông tái chế trong thực tế thi công, đặc biệt trong các công trình chịu nhiệt.
    • Tối ưu hóa chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu.

  3. Các cơ quan quản lý và kiểm định xây dựng:

    • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm định bê tông sau cháy nổ.
    • Đánh giá nhanh tình trạng công trình, đảm bảo an toàn và chất lượng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng:

    • Phát triển sản phẩm bê tông tái chế và bê tông cốt sợi thép phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và thị trường.
    • Nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng xu hướng xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tái chế có thể thay thế bao nhiêu phần trăm cốt liệu tự nhiên?
    Theo nghiên cứu, bê tông tái chế có thể thay thế từ 20% đến 40% cốt liệu tự nhiên mà không làm giảm đáng kể cường độ chịu nén, tùy thuộc vào chất lượng cốt liệu tái chế và thiết kế cấp phối.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ bê tông tái chế như thế nào?
    Nhiệt độ cao gây ra sự bốc hơi nước lỗ rỗng, tạo áp lực bên trong bê tông, làm giảm cường độ đột ngột ở khoảng 200°C. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn, cường độ có thể phục hồi nhẹ do biến đổi hóa học và mất nước.

  3. Vai trò của sợi thép trong bê tông tái chế chịu nhiệt là gì?
    Sợi thép giúp giảm co ngót, hạn chế vết nứt và tăng khả năng chịu lực của bê tông khi chịu nhiệt độ cao, tuy nhiên ở nhiệt độ trên 400°C, cường độ có thể giảm do phá hủy liên kết giữa sợi thép và bê tông.

  4. Làm thế nào để đánh giá nhanh cường độ bê tông sau khi chịu nhiệt?
    Có thể dựa vào sự thay đổi màu sắc và bề mặt bê tông: màu bê tông chuyển từ xám trắng sang xám nâu và vàng loang tương ứng với mức nhiệt độ gia nhiệt, giúp dự báo cường độ chịu nén.

  5. Bê tông tái chế có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Bê tông tái chế phù hợp cho các công trình dân dụng, hạ tầng giao thông, nền móng, và các kết cấu không chịu tải trọng quá lớn hoặc yêu cầu chịu nhiệt độ cao vừa phải. Bê tông cốt sợi thép thích hợp cho công trình cần khả năng chịu nhiệt và chống nứt cao.

Kết luận

  • Nhiệt độ gia nhiệt làm thay đổi màu sắc và bề mặt bê tông, phản ánh sự biến đổi vật liệu bên trong.
  • Cường độ chịu nén của bê tông thường (NC) tăng tối đa ở 200°C, sau đó giảm dần khi nhiệt độ tăng lên 300°C và 400°C.
  • Bê tông tái chế (RAC) giảm cường độ đột ngột ở 200°C do áp lực hơi nước, sau đó phục hồi nhẹ ở nhiệt độ cao hơn.
  • Bê tông tái chế cốt sợi thép (SFRAC) có khả năng chịu nhiệt tốt hơn ở nhiệt độ thấp và trung bình, nhưng giảm cường độ đáng kể ở 400°C.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng bê tông tái chế và bê tông cốt sợi thép trong xây dựng bền vững, đồng thời đề xuất phương pháp đánh giá nhanh cường độ bê tông sau cháy.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ trên 400°C, tối ưu hàm lượng sợi thép và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông tái chế chịu nhiệt.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai ứng dụng bê tông tái chế và bê tông cốt sợi thép trong các dự án xây dựng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.