Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng, bê tông thông thường phục vụ các kết cấu chịu lực có khối lượng thể tích lớn, dao động quanh mức 2400 kg/m³. Khối lượng bản thân lớn làm tăng kích thước các cấu kiện chịu lực như móng, cột, dầm, sàn, gây trở ngại kỹ thuật và gia tăng chi phí khi thi công các công trình quy mô lớn, nhà cao tầng hay công trình nhịp lớn. Việc nghiên cứu ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu nhằm giảm tĩnh tải công trình, giảm kích thước cấu kiện, cải thiện khả năng cách âm, cách nhiệt, chống cháy và kháng chấn.

Theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Tiêu chuẩn ACI 318-14 quy định bê tông nhẹ kết cấu có cường độ chịu nén tối thiểu 17 MPa.
  • Tiêu chuẩn Châu Âu EN 1992 (Eurocode 2) quy định cấp cường độ tối thiểu từ LC 8/9 (cường độ mẫu trụ 8 MPa, mẫu lập phương 9 MPa).
  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 quy định bê tông nhẹ (khối lượng thể tích không quá 2000 kg/m³) dùng cho kết cấu bê tông cốt thép phải đạt cấp cường độ từ B15 trở lên, và từ B20 trở lên đối với kết cấu bê tông ứng suất trước.
  • Các kết cấu dự ứng lực thực tế yêu cầu bê tông nhẹ cường độ cao với cường độ chịu nén đạt từ 35–41 MPa trở lên hoặc lớn hơn 40 MPa, phát triển cường độ sớm, cùng các chỉ tiêu chống thấm và độ bền khắt khe.

Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere – FAC) là loại cốt liệu nhẹ hình cầu kín nước thu hồi từ tro bay của các nhà máy nhiệt điện đốt than phun. Tại Việt Nam, lượng tro xỉ phát sinh năm 2021 đạt khoảng 17 triệu tấn/năm (trong đó tro bay chiếm 80–85%) và lượng tro xỉ tồn đọng tại các bãi chứa là 48,4 triệu tấn. Với hàm lượng FAC trong tro bay từ 0,3% đến 1,5%, tiềm năng thu hồi FAC lý thuyết đạt từ 32.000 đến 216.000 tấn/năm. FAC có khối lượng thể tích hạt nhỏ (0,4–0,9 g/cm³), khả năng chống thấm và chịu nén cao, cho phép chế tạo bê tông nhẹ đạt cường độ chịu nén trên 40 MPa và khối lượng thể tích từ 1300–1600 kg/m³.

Tuy nhiên, các nghiên cứu và phát triển bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC (FAC-HSLWC) trên thế giới còn nhiều hạn chế và tại Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện về loại vật liệu này. Do đó, đề tài luận án "Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống công nghệ và thực tiễn trên.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong công trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, khối lượng thể tích không lớn hơn 2000 kg/m³ trên cơ sở các nguồn vật liệu sẵn có tại Việt Nam, trong đó tập trung vào nhóm sản phẩm có khối lượng thể tích trong khoảng 1300–1600 kg/m³.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Lựa chọn vật liệu và xác định thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) đạt cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa và khối lượng thể tích không quá 2000 kg/m³.
  2. Xây dựng mô hình toán học dự đoán cường độ chịu nén cho hệ FAC-HSLWC.
  3. Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC.
  4. Xác định các tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC bao gồm tính chất hỗn hợp bê tông, tính chất cơ lý và độ bền lâu.
  5. Đánh giá ứng xử làm việc và khả năng chịu tải của cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, khối lượng thể tích không vượt quá 2000 kg/m³, tập trung vào dải khối lượng thể tích 1300–1600 kg/m³.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Chất kết dính: Xi măng poóc lăng PC50 Nghi Sơn kết hợp các phụ gia khoáng gồm silica fume (SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS).
    • Cốt liệu: Cát tự nhiên và hạt vi cầu rỗng tro bay (FAC) tuyển nổi ướt thu hồi từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
    • Vật liệu phụ trợ: Phụ gia siêu dẻo giảm nước tầm cao, cốt sợi phân tán polypropylene (sợi PP).
    • Phạm vi thực nghiệm: Khảo sát vi cấu trúc, phản ứng thủy hóa, tính chất cơ lý, tính chất biến dạng, độ bền xâm thực và thử nghiệm gia tải tĩnh trên mô hình cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Tổng quan tài liệu trong luận án tổng hợp các hướng nghiên cứu chính về bê tông nhẹ và bê tông sử dụng FAC trên thế giới và tại Việt Nam:

Nhóm nghiên cứu / Tác giả Vật liệu & Cốt liệu sử dụng Khối lượng thể tích (kg/m³) Cường độ nén 28 ngày (MPa) Đặc tính & Phát hiện chính
Yu và ccs (2015) Thủy tinh phồng nở tái chế 650–700 10–12 Bê tông siêu nhẹ (ULWC), độ dẫn nhiệt 0,12 W/(m.K).
Nhóm tác giả Nhật Bản Cốt liệu nhẹ nhân tạo 1800–1850 47–54 Cường độ riêng đạt 27,5–30 kPa/kg.m⁻³.
Nhóm tác giả Brazil Cốt liệu nhẹ hạt xốp 1450–1600 40–50 Ứng dụng chế tạo cấu kiện kết cấu chịu lực.
Lê Phượng Ly (Việt Nam) Hạt polystyrene (EPS) 1420–1810 25,9–60,8 Bê tông nền 40–80 MPa, mô đun đàn hồi 15,5–21,6 GPa.
Nguyễn Văn Đỉnh (2001) Cốt liệu keramzit < 1900 15–20 Độ co ngót mềm cực đại trong 5–7 giờ đầu.
Nguyễn Tiến Đích và ccs (2001) Cốt liệu keramzit 1600–1800 15–30 Ứng dụng cho kết cấu nhà và công trình.
Nguyễn Duy Hiếu (2010) Keramzit, sợi thủy tinh, sợi PP 1684–1768 25–35 Bê tông tự đầm, chống thấm W16–W18, E = 19–24,5 GPa.
Bạch Đình Thiên và ccs Cốt liệu tro bay nung/không nung 1997–2007 31,7–46,3 Cường độ kéo khi uốn đạt 5,98–9,82 MPa.
Losiewicz và ccs (1997) Xi măng, FAC, tỷ lệ FAC/nước = 1,2 760–876 0,55–2,88 Cường độ thấp, ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt.
Blanco và ccs (2000) Xi măng, FAC (46,36% thể tích) 1090–1510 5,05–33,03 Cường độ kéo khi uốn đạt 2,09–5,05 MPa.
McBride & Shukla (2002) FAC thay 50–100% cát, SF 12% 1810–2083 6,7–11,6 Cường độ riêng tăng 80% khi dùng 12% SF thay OPC.
Waldemar Pichór (2009) FAC 20–60% vol, sợi PVA, sợi PP 1170–1550 6,8–10,9 Mẫu chứa PVA có cường độ uốn cao hơn mẫu chứa PP.
Wang và ccs (2013) OPC, 10% SF, FAC, sợi thép + PE 1474 68,2 Ru = 8,0 MPa, dùng phụ gia giảm co SRA 2,5%.
Huang và ccs (2013) Đuôi quặng sắt, tro bay, FAC, PVA 1460–1890 25,0–47,6 Cường độ kéo khi uốn đạt 4,8–5,9 MPa.
Chia và ccs (2014) OPC, 8% SF, FAC, cốt sợi PVA 1450 61,7 Co ngót tổng 450 ngày đạt 310 microstrain.
Wu, Wang và ccs (2015) OPC, 8% SF, FAC 38,3–51,6%, sợi PE 1154–1471 33,0–69,4 E = 10,4–21,6 GPa, độ dẫn nhiệt 0,28–0,8 W/(m.K).
Hanif và ccs (2017) OPC, 10% SF, FAC, sợi PVA 1% 1454–1551 40,38–53,62 Cường độ kéo khi uốn đạt 6,96–11,33 MPa.
Hongjian Du (2019) OPC, xỉ lò cao, nano silica 2%, FAC 1075–1240 20,0–27,0 Khối lượng thể tích thấp, cường độ uốn 1,4–2,8 MPa.
Y.B và ccs (2019) OPC, 25% SF, cát, đá Dmax = 8 mm 1487–1991 68,0–80,7 N/CKD = 0,22, mô đun đàn hồi đạt 21,9 GPa.

Về độ bền lâu và phản ứng khoáng của FAC:

  • Barbare và ccs chỉ ra hạt FAC hút nước gấp 18 lần cát tự nhiên, nhưng do cấu trúc rỗng kín không thông nhau nên độ hút nước tổng thể của bê tông FAC chênh lệch không lớn so với bê tông thường.
  • Nayal và ccs khảo sát sự suy giảm cường độ của bê tông FAC trong dung dịch MgSO₄ 5% và H₂SO₄ 1%, đồng thời ghi nhận chiều sâu thâm nhập ion clo giảm khi tăng hàm lượng FAC.
  • Wang và ccs đánh giá phản ứng kiềm - cốt liệu (ASR) theo ASTM C227 và ASTM C1260, khẳng định FAC không gây giãn nở ASR có hại và ghi nhận sự hình thành khoáng tobermorite ($Ca_5Si_5Al(OH)O_{17}$) khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 80 °C.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

  1. Thiếu mô hình định lượng dự báo cường độ chịu nén tổng quát cho bê tông nhẹ sử dụng FAC có xét đến tương quan đồng thời giữa cường độ chất kết dính, tỷ lệ nước/chất kết dính, hệ số dư hồ, kích thước hạt cốt liệu lớn nhất, tỷ lệ FAC thay thế cát và hàm lượng cốt sợi.
  2. Thiếu quy trình và phương pháp thiết kế thành phần cấp phối hoàn chỉnh cho FAC-HSLWC đạt dải cường độ 40–80 MPa với khối lượng thể tích 1300–2000 kg/m³.
  3. Dữ liệu thực nghiệm về tính công tác của hỗn hợp bê tông (độ nhớt, độ phân tầng khi rung, thời gian đông kết, hàm lượng bọt khí), vi cấu trúc - mức độ thủy hóa ở các chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm, cũng như các chỉ tiêu độ bền lâu (co khô, chống thấm ion clo qua RCPT/BERT, ăn mòn sun phát) của hệ FAC-HSLWC chưa được khảo sát đầy đủ.
  4. Chưa có dữ liệu thực nghiệm về ứng xử cơ học và khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu thực tế (tấm sàn bê tông cốt thép) sử dụng bê tông FAC-HSLWC tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình phân tích

  • Lý thuyết tối ưu hóa độ lèn chặt hạt: Áp dụng mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model – CPM) nhằm tối ưu hóa thành phần cỡ hạt của hỗn hợp bột khoáng và cốt liệu, giảm thiểu độ rỗng giữa các hạt, nâng cao độ đặc chắc cho hệ chất kết dính và bê tông.
  • Lý thuyết đồng nhất cấu trúc: Kiểm soát kích thước hạt cốt liệu lớn nhất ($D_{max}$) phù hợp nhằm giảm thiểu ứng suất tập trung tại vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu (ITZ).
  • Cơ chế thủy hóa và hoạt tính puzolanic: Phối hợp hệ chất kết dính 3 cấu tử gồm xi măng poóc lăng (PC), silica fume (SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS). SF kích thước siêu mịn lấp đầy vi lỗ rỗng; GGBFS và SF phản ứng với canxi hydroxyt ($Ca(OH)_2$ - CH) sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng để tạo thêm khoáng canxi silicat hydrate (C-S-H), làm đặc chắc cấu trúc đá xi măng và vùng ITZ.
  • Lý thuyết lớp hồ bao bọc cốt liệu: Sử dụng các khái niệm chiều dày lớp hồ bao bọc cốt liệu (Binder Paste Thickness – BPT, Maximum Paste Thickness – MPT) và hệ số dư hồ chất kết dính ($K_d$) để tối ưu hóa lượng hồ cần thiết bao phủ bề mặt hạt mà không gây phân tầng hay giảm cường độ.
  • Lý thuyết gia cường cốt sợi phân tán: Sử dụng cốt sợi polypropylene (sợi PP) nhằm khống chế vi nứt co ngót dẻo, cải thiện cường độ chịu kéo khi uốn và tăng độ dẻo dai cho bê tông nhẹ.

Phương pháp thực nghiệm và công cụ phân tích

  • Phương pháp tiêu chuẩn:
    • Tiêu chuẩn TCVN, ASTM, BS EN xác định tính chất cơ lý của xi măng PC50, SF, GGBFS, cát tự nhiên, hạt FAC và sợi PP.
    • Thí nghiệm xác định độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông (theo phương pháp thử vữa điều chỉnh).
    • Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích, cường độ chịu nén ($R_n$, $R_{28}$), cường độ kéo khi uốn ($R_u$), mô đun đàn hồi ($E_c$) và hệ số Poisson theo TCVN và ASTM.
    • Thí nghiệm độ co khô, độ hút nước toàn phần, độ thấm ion clo nhanh (RCPT - ASTM C1202), thử nghiệm điện trở suất khối (BERT - ASTM C1876) và độ nở sun phát (ASTM C1012).
  • Phương pháp phi tiêu chuẩn và phân tích hiện đại:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái học hạt FAC, vi cấu trúc đá xi măng và cấu trúc vùng chuyển tiếp ITZ ở các tuổi 3 ngày, 28 ngày và dưới các chế độ dưỡng hộ.
    • Phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng (DTA/TG - DTG): Xác định hàm lượng $Ca(OH)_2$ (CH) tự do còn lại trong đá xi măng bằng phương pháp hình học trên đường cong DTG/TG, từ đó định lượng mức độ thủy hóa và phản ứng puzolanic.
    • Đo độ nhớt hỗn hợp: Đánh giá độ linh động và độ nhớt của vữa/bê tông FAC-HSLWC.
    • Quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu D-Optimal và phân tích phương sai (ANOVA) để tối ưu hóa cấp phối chất kết dính và thành phần hạt vật liệu khô.
    • Thử nghiệm gia tải tấm sàn: Thí nghiệm gia tải tĩnh uốn trên tấm sàn bê tông cốt thép đặc quy mô thử nghiệm để đo đạc quan hệ tải trọng – độ võng, biến dạng bê tông, bề rộng vết nứt và cơ chế phá hủy.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Dữ liệu thu thập trực tiếp từ các thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm xi măng và bê tông – Viện Vật liệu xây dựng (LAS-XD 1133), Phòng Thí nghiệm công trình – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (LAS-XD 125) và Phòng Thí nghiệm LAS-XD 28 – Công ty Bê tông Xuân Mai.
  • Nguồn vật liệu: Xi măng PC50 Nghi Sơn, tro nhẹ FAC thu gom từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại, phụ gia khoáng SF, GGBFS, cát tự nhiên và sợi PP.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông nhẹ và bê tông nhẹ sử dụng Cenosphere

Chương này tổng kết cơ sở lý luận về bê tông nhẹ kết cấu theo các tiêu chuẩn kỹ thuật (TCVN 5574:2018, ACI 318-19, EN 206-1, CEB-FIP 2010, JGJ 51-2002). Tác giả phân tích nguồn gốc hình thành hạt cenosphere từ tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than phun, quy trình thu hồi bằng phương pháp tuyển nổi ướt tại hồ chứa và phương pháp phân ly ly tâm khô bằng khí nén.

Về tính chất của hạt FAC:

  • Thành phần hóa học chứa các oxit chính: $SiO_2$ (51,64–73,10%), $Al_2O_3$ (16,70–34,64%), $Fe_2O_3$ (1,96–7,53%), $CaO$ (0,71–4,30%), cùng một lượng nhỏ $Na_2O$, $K_2O$, $TiO_2$, $MgO$.
  • Thành phần khoáng gồm khung xương tinh thể (mullite, thạch anh cristobalite, fenspat) liên kết với 90% pha thủy tinh vô định hình.
  • Cấu trúc hạt dạng cầu rỗng, bề mặt nhẵn, đường kính từ 10–400 µm, chiều dày vỏ từ 1–18 µm. Khối lượng thể tích hạt từ 0,4–0,9 g/cm³, khối lượng thể tích xốp từ 0,25–0,7 g/cm³, độ lèn chặt 60–65%, độ cứng thang Mohs 5–6 và điểm nóng chảy 1200–1300 °C.

Chương 1 cũng tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm về tính chất hỗn hợp và bê tông đóng rắn sử dụng FAC: hàm lượng bọt khí tăng từ 6,6–14,4%; cường độ nén đạt từ 20–70 MPa với khối lượng thể tích 1154–1600 kg/m³; cường độ nén riêng đạt 40–47 kPa/kg.m⁻³; mô đun đàn hồi đạt 10,4–21,6 GPa; độ co khô 450 ngày khoảng 310 microstrain.

Chương 2: Cơ sở khoa học về lựa chọn vật liệu, xây dựng mô hình cường độ chịu nén và thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết để lựa chọn hệ vật liệu và xây dựng các mô hình tính toán:

  • Lựa chọn hệ vật liệu: Kết hợp chất kết dính đa cấu tử (PC50 + SF + GGBFS) nhằm tối ưu độ đặc chắc theo mô hình CPM và tăng cường phản ứng puzolanic; sử dụng cát tự nhiên kết hợp FAC với tỷ lệ hạt phù hợp; dùng sợi PP để hạn chế nứt do co ngót và tăng độ dẻo dai.
  • Cơ sở mô hình dự đoán cường độ chịu nén: Phân tích các mô hình dự đoán cường độ bê tông truyền thống và bê tông cốt liệu nhẹ. Luận án đề xuất mô hình phi tuyến tính biểu diễn cường độ nén của FAC-HSLWC theo cường độ đá chất kết dính ($R_{ckd}$), tỷ lệ nước/chất kết dính ($N/CKD$), hàm lượng hồ thông qua hệ số dư hồ ($K_d$), tỷ lệ thể tích hạt rỗng $FAC/CL$, kích thước hạt cốt liệu lớn nhất $D_{max}$ và hàm lượng sợi PP ($V_s$).
  • Cơ sở phương pháp thiết kế cấp phối: Dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa thành phần cỡ hạt hỗn hợp bột khoáng và cốt liệu để đạt độ lèn chặt lớn nhất, xác định thể tích hồ chất kết dính tối ưu theo hệ số $K_d$, cân bằng thể tích tuyệt đối giữa các cấu tử để đạt đồng thời mục tiêu cường độ ($R_{28} \ge 40$ MPa) và khối lượng thể tích ($1300 \le \gamma_{btn} \le 1600$ kg/m³).

Chương 3: Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết các đặc tính kỹ thuật của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Xi măng PC50 Nghi Sơn: Khối lượng riêng 3,12 g/cm³, diện tích bề mặt riêng Blaine 3850 cm²/g, cường độ chịu nén 28 ngày đạt 56,5 MPa.
  • Silica fume (SF): Dạng bột siêu mịn màu xám, hàm lượng $SiO_2$ đạt 92,5%, diện tích bề mặt riêng BET đạt 18,5 m²/g, kích thước hạt trung bình dưới 0,1 µm.
  • Xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS): Diện tích bề mặt riêng Blaine đạt 4350 cm²/g, chỉ số hoạt tính puzolanic ở tuổi 28 ngày đạt 102%.
  • Hạt vi cầu rỗng tro bay (FAC Phả Lại): Khối lượng thể tích hạt 0,68 g/cm³, khối lượng thể tích xốp 0,41 g/cm³, độ ẩm < 0,5%, dải kích thước hạt 20–300 µm, hàm lượng $SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3 > 85%$.
  • Cốt liệu cát: Cát vàng tự nhiên sàng tuyển qua các cỡ mắt sàng để kiểm soát $D_{max}$ (0,6 mm; 1,25 mm; 2,5 mm; 5,0 mm).
  • Cốt sợi PP: Sợi đơn sợi polypropylene dài 6–12 mm, đường kính 18–22 µm, cường độ chịu kéo $\ge 400$ MPa, mô đun đàn hồi $\ge 3,5$ GPa.
  • Phương pháp thực nghiệm: Trình bày chi tiết quy trình thí nghiệm theo tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn, bao gồm thiết bị đo độ nhớt, phương pháp phân tích nhiệt DTA/TG, kính hiển vi điện tử quét SEM, và các chế độ dưỡng hộ: dưỡng hộ tiêu chuẩn (27 ± 2 °C, độ ẩm $\ge 95%$), dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 °C, 90 °C và dưỡng hộ nhiệt ẩm áp suất cao (autoclave ở 180 °C, 1,0 MPa).

Chương 4: Nghiên cứu lựa chọn thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC

Chương này thực hiện tối ưu hóa thực nghiệm theo phương pháp D-Optimal:

  • Tối ưu hóa hệ chất kết dính (CKD): Khảo sát độ lèn chặt và cường độ nén 28 ngày của hệ 3 cấu tử XM–SF–GGBFS. Kết quả xác định tỷ lệ tối ưu: SF thay thế 8–10% khối lượng xi măng, GGBFS thay thế 20–30% khối lượng xi măng, cho độ lèn chặt hỗn hợp bột đạt 0,68–0,72 và cường độ nén của đá CKD đạt 85–105 MPa ở tỷ lệ $N/CKD = 0,25–0,30$.
  • Tối ưu hóa kích thước hạt cát: Đánh giá ảnh hưởng của $D_{max}$ cát (0,6–2,5 mm) đến lượng dùng phụ gia siêu dẻo, độ phân tầng và cường độ nén. Kết quả xác định cỡ hạt cát $D_{max} = 1,25$ mm là tối ưu, giúp hỗn hợp có độ ổn định cao, không phân tầng và đạt cường độ nén cao nhất.
  • Tối ưu hóa tỷ lệ hạt cốt liệu và CKD: Thông qua quy hoạch thực nghiệm với các tỷ lệ $N/CKD$ (0,3; 0,4; 0,5), xác định tỷ lệ thể tích hồ CKD tối ưu và tỷ lệ hạt khô (VLK) để chế tạo cấp phối FAC-HSLWC cơ sở.
  • Kiểm chứng cấp phối cơ sở: Tiến hành đúc mẫu và thí nghiệm kiểm chứng các chỉ tiêu cơ lý, hiệu chỉnh lượng dùng phụ gia siêu dẻo để đạt độ chảy xòe 180 ± 5 mm.

Chương 5: Xây dựng mô hình dự đoán cường độ và phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC

Chương 5 lượng hóa các quy luật ảnh hưởng và xây dựng công cụ thiết kế:

  • Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén:
    1. Cường độ đá CKD ($R_{ckd}$): Cường độ nén của FAC-HSLWC tăng tỷ lệ thuận với cường độ của đá CKD nền.
    2. Hệ số dư hồ ($K_d$) và chiều dày lớp hồ ($BPT, MPT$): Cường độ nén đạt cực đại tại giá trị $K_d = 1,25–1,35$ (tương ứng bề dày lớp hồ BPT tối ưu). Khi $K_d < 1,25$, hồ không đủ bao bọc tạo lỗ rỗng; khi $K_d > 1,35$, hàm lượng hồ quá nhiều làm tăng co ngót và giảm hiệu ứng chèn chặt.
    3. Tỷ lệ $FAC/CL$: Cường độ nén giảm phi tuyến khi tăng tỷ lệ thể tích FAC thay thế cát tự nhiên, hệ số suy giảm $K_{FAC}$ được xác lập theo hàm số mũ.
    4. Kích thước hạt $D_{max}$: Hệ số ảnh hưởng $K_{Dmax}$ đạt giá trị cao nhất tại $D_{max} = 1,25$ mm.
    5. Hàm lượng sợi PP ($V_s$): Hệ số ảnh hưởng $K_s$ cho thấy cường độ nén tăng nhẹ khi hàm lượng sợi từ 0,1–0,2% thể tích, nhưng giảm khi hàm lượng sợi vượt quá 0,3% do làm tăng độ rỗng và cản trở đầm chặt.
  • Thiết lập phương trình hồi quy dự đoán cường độ chịu nén: Xây dựng mô hình toán học tổng quát: $$R_{28} = f(R_{ckd}, N/CKD) \times K_d' \times K_{FAC} \times K_{Dmax} \times K_s$$ Kiểm định ANOVA cho thấy hệ số tương quan $R^2 > 0,92$, sai số dự báo so với thực nghiệm dưới 8%.
  • Phương pháp thiết kế cấp phối FAC-HSLWC: Đề xuất quy trình tính toán gồm 6 bước: (1) Chọn cường độ nén và khối lượng thể tích mục tiêu; (2) Chọn thành phần hệ CKD và tỷ lệ $N/CKD$; (3) Xác định tỷ lệ FAC thay thế cát; (4) Tính toán lượng dùng CKD và cốt liệu theo hệ số dư hồ $K_d$; (5) Tính toán lượng nước, phụ gia siêu dẻo và sợi PP; (6) Trộn thử nghiệm, đánh giá độ chảy xòe và hiệu chỉnh cấp phối.

Chương 6: Nghiên cứu tính chất cơ lý của FAC-HSLWC

Chương 6 trình bày kết quả thực nghiệm toàn diện về các tính chất của vật liệu:

  • Tính chất của hỗn hợp bê tông: Độ chảy xòe duy trì ổn định 180–220 mm; hỗn hợp có tính liên kết tốt, không bị phân tầng tách lớp khi chịu rung động trong 30 giây; hàm lượng bọt khí dao động từ 4,2–8,5%; thời gian đông kết bắt đầu từ 165–240 phút và kết thúc sau 280–380 phút.
  • Mức độ thủy hóa và vi cấu trúc:
    • Phân tích DTA/TG ghi nhận hàm lượng CH tự do trong mẫu FAC-HSLWC giảm từ 25–40% so với mẫu đối chứng không dùng PGK, khẳng định phản ứng puzolanic mạnh mẽ của SF, GGBFS và một phần FAC.
    • Chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 °C và 90 °C thúc đẩy quá trình thủy hóa sớm, hàm lượng CH tiêu hao nhanh chóng sau 3 ngày.
    • Ảnh chụp SEM cho thấy cấu trúc đá xi măng đặc chắc, các hạt FAC liên kết chặt chẽ với đá xi măng, vùng ITZ không xuất hiện khe nứt vi mô, khoáng C-S-H bám phủ kín bề mặt hạt vi cầu.
  • Tính chất cơ lý của bê tông đóng rắn:
    • Khối lượng thể tích khô đạt 1320–1580 kg/m³, khối lượng thể tích ẩm đạt 1410–1690 kg/m³.
    • Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày ($R_{28}$) đạt từ 42,5 đến 78,6 MPa; cường độ chịu nén tuổi 3 ngày đạt 60–75% cường độ 28 ngày. Dưỡng hộ nhiệt ẩm 70–90 °C giúp cường độ 3 ngày đạt trên 85% cường độ 28 ngày.
    • Cường độ nén riêng đạt từ 32,5 đến 49,7 kPa/kg.m⁻³.
    • Cường độ kéo khi uốn ($R_u$) đạt 5,2–9,8 MPa; tỷ lệ $R_u/R_{28}$ đạt 11–14% khi sử dụng 0,15–0,20% thể tích sợi PP.
    • Mô đun đàn hồi tĩnh ($E_c$) đạt 14,2–22,8 GPa, hệ số Poisson dao động trong khoảng 0,18–0,21.
  • Độ bền lâu của bê tông:
    • Độ co khô ở tuổi 90 ngày dao động trong khoảng 0,38–0,58 mm/m (giảm 25–35% khi có mặt sợi PP).
    • Độ hút nước toàn phần sau 48 giờ ngâm nước đạt 4,5–7,2%, thấp hơn đáng kể so với bê tông cốt liệu nhẹ thông thường.
    • Khả năng chống thấm ion clo: Điện lượng truyền qua theo phương pháp RCPT đạt 450–1200 Coulombs (mức thấm thấp đến rất thấp), điện trở suất khối BERT đạt 25–65 k$\Omega$.cm.
    • Độ nở sun phát sau 6 tháng ngâm dung dịch $Na_2SO_4$ 5% dưới 0,04%, không ghi nhận hiện tượng nứt vỡ bề mặt.
  • Khả năng chịu tải của tấm sàn bê tông cốt thép:
    • Thử nghiệm trên 3 tấm sàn BTCT panel đặc kích thước $1200 \times 600 \times 60$ mm chịu tải uốn tĩnh 2 điểm.
    • Tấm sàn sử dụng FAC-HSLWC có tải trọng nứt tương đương (chênh lệch dưới 5%) và tải trọng phá hủy đạt 96–102% so với tấm sàn đối chứng dùng bê tông thường cùng cấp cường độ (B40), nhưng khối lượng bản thân tấm sàn giảm 36,5%.
    • Biến dạng tương đối của bê tông vùng nén và bề rộng vết nứt phát triển tương đương bê tông thường, dạng phá hủy dẻo qua uốn.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Xây dựng mô hình dự báo cường độ chịu nén tổng quát cho FAC-HSLWC: Mô hình toán học phi tuyến tính định lượng được tác động đồng thời của các yếu tố công nghệ then chốt: cường độ đá chất kết dính ($R_{ckd}$), tỷ lệ $N/CKD$, hệ số dư hồ ($K_d$), tỷ lệ thể tích $FAC/CL$, kích thước hạt lớn nhất của cát ($D_{max}$) và hàm lượng cốt sợi PP ($V_s$).
  2. Xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối hoàn chỉnh cho FAC-HSLWC: Thiết lập quy trình tính toán cấp phối chủ động, cho phép chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao đạt cường độ nén từ 40–80 MPa và khối lượng thể tích trong dải 1300–2000 kg/m³ từ các nguồn vật liệu sẵn có tại Việt Nam.
  3. Xác lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC: Cung cấp hệ thống dữ liệu có độ tin cậy cao về tính công tác của hỗn hợp (độ nhớt, độ phân tầng, bọt khí, thời gian đông kết), tính chất cơ lý (cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson), vi cấu trúc - động học thủy hóa (tiêu hao CH, chụp SEM), và các chỉ tiêu độ bền lâu (co khô, hút nước, chống thấm clo RCPT/BERT, nở sun phát).
  4. Đánh giá thực nghiệm khả năng chịu lực của cấu kiện tấm sàn kết cấu: Chứng minh tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC có khả năng chịu tải và ứng xử biến dạng tương đương bê tông thông thường có cùng cấp cường độ chịu nén, trong khi giảm được hơn 35% tĩnh tải bản thân cấu kiện.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng công nghệ tuyển nổi ướt để thu hồi hạt vi cầu rỗng FAC từ hồ chứa tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam nhằm tạo nguồn nguyên liệu chất lượng cao cho ngành sản xuất bê tông tính năng cao.
  • Áp dụng quy trình dưỡng hộ nhiệt ẩm ở dải nhiệt độ 70–90 °C trong sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn và bê tông dự ứng lực sử dụng FAC-HSLWC nhằm đẩy nhanh tốc độ đóng rắn sớm và nâng cao độ đặc chắc vi cấu trúc.
  • Ứng dụng quy trình thiết kế cấp phối đã xây dựng vào sản xuất thực tế các cấu kiện tấm sàn, panel tường chịu lực, dầm sàn khẩu độ lớn cho nhà cao tầng và các kết cấu công trình nổi yêu cầu trọng lượng nhẹ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nguồn tro hạt vi cầu rỗng (FAC) trong nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu lấy từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại; chưa khảo sát đầy đủ tính chất biến động của FAC từ các nguồn than và nhà máy nhiệt điện khác trên toàn quốc.
  • Thử nghiệm cấu kiện kết cấu mới dừng lại ở mô hình tấm sàn phẳng chịu tải uốn tĩnh đơn thuần, chưa khảo sát trên các cấu kiện chịu nén uốn phức tạp như cột, dầm nhịp lớn hoặc kết cấu chịu tải trọng động đất, mỏi.
  • Các khảo sát về biến dạng dài hạn mới tập trung vào độ co khô, chưa có dữ liệu đo đạc thực nghiệm dài hạn về biến dạng từ biến dưới tải trọng duy trì liên tục nhiều năm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Khảo sát, đánh giá đặc tính của các nguồn FAC thu hồi từ các nhà máy nhiệt điện than khác tại Việt Nam (sử dụng than nhập khẩu, than pha trộn) để mở rộng nguồn nguyên liệu.
  • Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng từ biến và độ mỏi dài hạn của bê tông FAC-HSLWC dưới tác dụng của ứng suất cao kéo dài.
  • Nghiên cứu ứng xử chịu lực của các cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước căng trước và căng sau sử dụng FAC-HSLWC ở quy mô thực tế.
  • Khảo sát độ bền lâu của FAC-HSLWC trong môi trường xâm thực phức tạp kết hợp (nước biển vùng triều ngập rút, môi trường ion sun phát kết hợp ion clo và tải trọng mỏi).

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu xây dựng, Kỹ thuật Công trình xây dựng dân dụng & công nghiệp, Kỹ thuật Công trình giao thông.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và công nghệ bê tông: Tại các viện nghiên cứu chuyên ngành, công ty tư vấn thiết kế, nhà máy bê tông đúc sẵn, trạm trộn bê tông thương phẩm và các doanh nghiệp sản xuất cấu kiện dự ứng lực.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp ngành năng lượng: Làm cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật trong việc xử lý, tiêu thụ và tái chế tro xỉ nhiệt điện thành vật liệu xây dựng giá trị cao.

Phần nội dung đáng tham khảo

  • Chương 2 và Chương 5: Phương pháp quy hoạch thực nghiệm D-Optimal, các phương trình mô hình toán học dự báo cường độ chịu nén và quy trình từng bước tính toán thiết kế cấp phối bê tông FAC-HSLWC.
  • Chương 3 và Chương 6: Quy trình thực nghiệm phân tích vi cấu trúc bằng SEM, định lượng canxi hydroxyt bằng phương pháp nhiệt DTA/TG, các dữ liệu kiểm chứng về độ co khô, độ thấm clo RCPT/BERT và kết quả thử tải tĩnh tấm sàn bê tông cốt thép.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) có những đặc trưng vật lý và cấu trúc hình học nào giúp chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao?

Hạt FAC là các hạt hình cầu rỗng kín nước có khối lượng thể tích hạt chỉ từ 0,4–0,9 g/cm³ và khối lượng thể tích xốp 0,25–0,7 g/cm³. Đường kính hạt dao động từ 10–400 µm với lớp vỏ aluminosilicat đặc chắc dày 1–18 µm, độ cứng thang Mohs từ 5–6 và điểm nóng chảy 1200–1300 °C. Cấu trúc hình cầu rỗng kín giúp giảm khối lượng thể tích bê tông xuống 1300–1600 kg/m³, bề mặt nhẵn làm tăng độ linh động của hỗn hợp, đồng thời độ bền nén hạt cao và vỏ kín nước giúp bê tông đạt cường độ nén trên 40 MPa mà không bị hút nước quá mức như các loại cốt liệu nhẹ xốp hở thông thường.

2. Tại sao phản ứng puzolanic của FAC ở điều kiện thường diễn ra chậm và giải pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm giải quyết vấn đề này ra sao?

Ở điều kiện nhiệt độ thường (20–30 °C), hoạt tính puzolanic của FAC diễn ra chậm do kích thước hạt FAC tương đối lớn (phần lớn > 45 µm) và bề mặt hạt được bao bọc bởi lớp vỏ thủy tinh bền vững, ít tan. Khi áp dụng chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70–90 °C hoặc chưng áp autoclave, nhiệt độ cao kích hoạt bề mặt thủy tinh vô định hình của FAC phản ứng nhanh với $Ca(OH)_2$ giải phóng từ quá trình thủy hóa xi măng, tạo thêm các khoáng canxi silicat hydrate (C-S-H) và tobermorite, giúp làm đặc chắc vùng chuyển tiếp ITZ, giảm lượng CH tự do và đẩy nhanh tốc độ phát triển cường độ sớm ở tuổi 3 ngày.

3. Mô hình dự đoán cường độ chịu nén của FAC-HSLWC trong luận án tích hợp những biến số công nghệ nào?

Mô hình toán học dự đoán cường độ nén 28 ngày ($R_{28}$) tích hợp đồng thời 5 nhóm thông số: (1) Cường độ đá chất kết dính ($R_{ckd}$) phụ thuộc tỷ lệ $N/CKD$ và thành phần XM–SF–GGBFS; (2) Hệ số dư hồ ($K_d$) phản ánh lượng thể tích hồ bao bọc cốt liệu; (3) Tỷ lệ thể tích FAC thay thế cát tự nhiên ($FAC/CL$); (4) Kích thước hạt cốt liệu lớn nhất ($D_{max}$); và (5) Hàm lượng thể tích cốt sợi phân tán polypropylene ($V_s$).

4. Bê tông FAC-HSLWC đạt được các chỉ tiêu cường độ chịu nén, khối lượng thể tích và cường độ riêng trong khoảng giá trị nào?

Bê tông FAC-HSLWC chế tạo trong luận án đạt khối lượng thể tích khô từ 1320–1580 kg/m³ và cường độ chịu nén 28 ngày trong khoảng 42,5–78,6 MPa. Nhờ đó, cường độ nén riêng (tỷ số giữa cường độ chịu nén và khối lượng thể tích) đạt từ 32,5–49,7 kPa/kg.m⁻³, tương đương với cường độ nén riêng của bê tông thông thường cường độ cao có mác nén khoảng 110 MPa.

5. Kết quả thử nghiệm cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC so với bê tông thường cho thấy điều gì?

Thử nghiệm gia tải uốn tĩnh trên tấm sàn panel đặc cho thấy tấm sàn sử dụng FAC-HSLWC có tải trọng xuất hiện vết nứt ban đầu và tải trọng phá hủy cực hạn tương đương (đạt 96–102%) so với tấm sàn sử dụng bê tông thông thường có cùng cấp cường độ chịu nén B40. Sự phát triển biến dạng nén, biến dạng kéo của bê tông và bề rộng vết nứt hoàn toàn tương đồng, thể hiện cơ chế phá hủy dẻo, trong khi giảm được 36,5% khối lượng bản thân của tấm sàn.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh vấn đề khoa học và công nghệ trong việc chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) tại Việt Nam với dải cường độ nén đạt 42,5–78,6 MPa và khối lượng thể tích khô 1320–1580 kg/m³. Tác giả đã xây dựng thành công mô hình toán học dự báo cường độ chịu nén và quy trình thiết kế cấp phối tối ưu dựa trên hệ chất kết dính đa cấu tử (XM–SF–GGBFS) kết hợp sợi PP. Hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về vi cấu trúc, cơ lý, độ bền lâu và khả năng chịu tải của tấm sàn khẳng định tính khả thi cao của việc ứng dụng FAC-HSLWC cho các kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng, đồng thời mở ra giải pháp giá trị gia tăng cao cho việc tái chế tro xỉ nhiệt điện tại Việt Nam.