Tổng quan luận án
Công trình "Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cốt liệu polystyrene" do nghiên cứu sinh Lê Phượng Ly thực hiện tại Viện Chuyên ngành Bê tông thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Hoàng Minh Đức và PGS. TS. Nguyễn Duy Hiếu. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu, mã số 9520309, bảo vệ năm 2019.
Về tính cấp thiết, bê tông nhẹ kết cấu mang lại lợi ích giảm tải trọng bản thân công trình, tiết kiệm chi phí xây dựng móng và kết cấu chịu lực, đồng thời cải thiện khả năng cách âm, cách nhiệt. Tại Việt Nam, nguồn cốt liệu nhẹ vô cơ truyền thống là keramzit gặp khó khăn lớn do các cơ sở nung phồng nở trong nước đã ngừng hoạt động, khiến nguồn cung hạn chế và giá thành tăng cao. Trong khi đó, cốt liệu polystyrene phồng nở (EPS) có nguồn cung dồi dào, ổn định, khối lượng thể tích rất nhỏ, hạt hình cầu trơn nhẵn và không hút nước. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn kết cấu hiện hành như TCVN 5574:2017, ACI 318-14 hay GOST 25820:2014 chỉ mới quy định cho bê tông cốt liệu nhẹ vô cơ, chưa đề cập cụ thể đến bê tông dùng cốt liệu hữu cơ như EPS. Khoảng trống nghiên cứu thực tế tại Việt Nam là các đề tài về bê tông EPS trước đây chủ yếu tập trung vào bê tông cách nhiệt (khối lượng thể tích dưới 1.300 kg/m³, cường độ chịu nén dưới 15 MPa dùng làm vách ngăn, panel tường sandwich hoặc viên xây nhẹ). Việc nghiên cứu bài bản về bê tông polystyrene kết cấu chịu lực (cường độ chịu nén trên 20 MPa, khối lượng thể tích từ 1.600 kg/m³ đến 2.000 kg/m³) vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Chế tạo bê tông polystyrene kết cấu có khối lượng thể tích từ 1.600 kg/m³ đến 2.000 kg/m³, cường độ chịu nén lớn hơn 20 MPa từ nguồn nguyên vật liệu sẵn có tại Việt Nam.
Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định qua 6 nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông polystyrene, bê tông polystyrene kết cấu trên thế giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu đặc điểm của cốt liệu EPS và vai trò của cốt liệu EPS đến một số tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông đã đóng rắn.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông polystyrene kết cấu.
- Nghiên cứu chế tạo bê tông polystyrene kết cấu trên cơ sở làm rõ ảnh hưởng của khối lượng thể tích, tính chất hỗn hợp bê tông nền, cường độ bê tông nền và kích thước hạt lớn nhất trong bê tông nền đến tính công tác, độ phân tầng và cường độ chịu nén.
- Nghiên cứu các tính chất cơ lý và độ bền: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ co ngót, mô đun đàn hồi, độ hút nước, hệ số hóa mềm, lực nhổ cốt thép trong bê tông.
- Thí nghiệm kiểm chứng khả năng chịu tải trên cấu kiện tấm sàn bê tông polystyrene kết cấu và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bê tông polystyrene kết cấu (BPK) sử dụng cốt liệu polystyrene phồng nở kết hợp pha nền xi măng cát/đá.
- Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở bê tông kết cấu có khối lượng thể tích từ 1.600 kg/m³ đến 2.000 kg/m³, mác cường độ chịu nén đạt từ 20 MPa trở lên; khảo sát sự làm việc của cấu kiện tấm sàn chịu uốn theo TCVN 5574:2017 và so sánh hiệu quả kinh tế với bê tông thường và bê tông keramzit.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án điểm lại lịch sử phát triển của bê tông nhẹ từ thời cổ đại (các công trình La Mã như Cảng Cosa, Đấu trường La Mã, Mái vòm Pantheon dùng đất đá nở phồng) đến các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện đại. Về tiêu chuẩn, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 và ACI 211.2-98 yêu cầu bê tông nhẹ kết cấu có cường độ đặc trưng $f'_c \ge 17\text{ MPa}$; tiêu chuẩn Nga GOST 25820:2014 quy định cấp cường độ tối thiểu B12,5; tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2017 quy định cấp cường độ chịu nén tối thiểu B15 đối với kết cấu bê tông nhẹ có khối lượng thể tích dưới 2.000 kg/m³.
Về hướng nghiên cứu quốc tế:
- Cốt liệu keramzit được sản xuất thương mại từ năm 1928, ứng dụng làm khung, sàn nhà cao tầng (tòa nhà Life Prudential 42 tầng tại Chicago, khách sạn Statler Hilton 18 tầng tại Dallas) và công trình ngoài khơi của ngành dầu khí Mỹ từ những năm 1980 đến 1992. Liên Xô cũ từng đạt sản lượng bê tông keramzit 25 triệu m³/năm (chiếm 30% toàn cầu).
- Bê tông EPS bắt đầu được nghiên cứu từ giữa thập niên 1970 tại New Zealand, sau đó phát triển tại Liên Xô cũ và Pháp cuối thập niên 1980. Tại Nga, tiêu chuẩn GOST P 51263-99 quy định bê tông EPS mác D150 đến D650, cường độ nén từ B0,5 đến B2,5 (M2 đến M5), độ dẫn nhiệt 0,055 đến 0,14 W/(m·K), chủ yếu dùng cách nhiệt. Tại Pháp, công nghệ Polys Beto xử lý bề mặt hạt EPS bằng lớp ưa nước tích điện trái dấu với xi măng (cốt liệu AABS), sản xuất bê tông D500 ($R_n = 27\text{ kg/cm}^2$) đến D1200 ($R_n = 40\text{ kg/cm}^2$). Tại CH Séc, công nghệ Prostyren xử lý EPS nguyên sinh và phế thải, tạo bê tông D200 đến D1150 ($R_n = 0,4 - 4,6\text{ MPa}$). Bê tông EPS cũng được dùng tại Đức (Styrobeton), Ý (Izotego).
- Một số nghiên cứu sâu hơn về cơ học và phụ gia: Chen & Liu (2004) dùng bê tông nền cường độ đến 150 MPa để chế tạo bê tông EPS D500-D1100; nghiên cứu dùng tro bay loại F thay thế đến 50% xi măng theo ACI-211 để giảm co và chế tạo bê tông đạt 17 MPa ở khối lượng thể tích 1.800 kg/m³; nghiên cứu bổ sung silicafume từ 3%, 5% đến 9% để tăng cường độ sớm, cải thiện lực dính cốt thép và giảm độ thấm ion clo từ 50% đến 65% so với bê tông thường.
Về tình hình nghiên cứu trong nước:
- Công ty Bemes sản xuất sỏi keramzit quy mô pilot làm bê tông mác 200 cho nhà tiền chế vùng lũ và trường học tại Lai Châu. Đề tài của Viện KHCN Xây dựng nghiên cứu dầm, sàn bê tông keramzit cường độ 15-30 MPa, kiến nghị hệ số giảm yếu 0,9 khi tính toán chịu lực theo TCVN 5574:1991.
- Về bê tông EPS tại Việt Nam: Viện KHCN Xây dựng khảo sát bê tông EPS cách nhiệt có khối lượng thể tích 400-700 kg/m³, cường độ nén 1-5 MPa, chỉ ra phương pháp đo độ sụt hình nón không phù hợp với hỗn hợp quá nhẹ. Các nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa TP.HCM và Đại học Xây dựng chế tạo tấm panel sandwich D1300 ($R_n = 4 - 6\text{ MPa}$) và panel sàn D1275 ($R_n = 20\text{ MPa}$).
Khoảng trống luận án giải quyết:
Các công trình trong nước chưa giải quyết triệt để vấn đề phân tầng nổi hạt EPS trong hỗn hợp bê tông dẻo có mật độ vữa lớn, chưa nghiên cứu toàn diện các chỉ tiêu biến dạng dài hạn và lực dính cốt thép của bê tông EPS kết cấu, đồng thời chưa kiểm chứng ứng xử uốn thực tế của tấm sàn bê tông EPS chịu lực theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2017.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
Luận án tiếp cận bê tông polystyrene dưới mô hình vật liệu composite hai pha:
- Pha nền (matrix): Là vữa xi măng - cát hoặc bê tông hạt mịn/bê tông nặng thông thường, đóng vai trò tạo khung xương chịu lực chính và quyết định mô đun đàn hồi của vật liệu.
- Pha cốt liệu nhẹ (dispersed phase): Là các hạt polystyrene phồng nở (EPS) hình cầu kín, phân bố phân tán đều trong pha nền, có mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén không đáng kể so với pha nền, đóng vai trò tạo rỗng làm giảm khối lượng thể tích.
Chuyển động nổi của hạt EPS trong hỗn hợp bê tông được luận án mô hình hóa theo phương trình định luật Stokes:
$$v = \frac{2 r^2 (\rho_n - \rho_{cl}) g}{9 \eta}$$
Trong đó:
- $v$: Vận tốc chuyển dịch (nổi) của hạt cốt liệu EPS (m/s).
- $r$: Bán kính hạt cốt liệu EPS (m).
- $\rho_n$: Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông nền (kg/m³).
- $\rho_{cl}$: Khối lượng thể tích cốt liệu nhẹ EPS (kg/m³).
- $g$: Gia tốc trọng trường ($g \approx 9{,}81\text{ m/s}^2$).
- $\eta$: Độ nhớt động lực của môi trường hồ/vữa xi măng (N·s/m²).
Phương trình cho thấy sự chênh lệch lớn giữa khối lượng thể tích pha nền ($\rho_n \approx 2.100 - 2.400\text{ kg/m}^3$) và cốt liệu EPS ($\rho_{cl} \approx 15 - 30\text{ kg/m}^3$) là nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng phân tầng nổi hạt. Để giảm tốc độ phân tầng $v$, tác giả phân tích các giải pháp: giảm bán kính hạt $r$, giảm khối lượng thể tích pha nền (dùng phụ gia khoáng mịn, phụ gia cuốn khí) và tăng độ nhớt $\eta$ của pha nền thông qua việc sử dụng phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VM - Viscosity Modifying Admixture).
Về khối lượng thể tích khô của bê tông polystyrene, công thức xác định quan hệ hai pha là:
$$\rho_{Kh} = \rho_{eps} \cdot \varphi + \rho_v \cdot (1 - \varphi)$$
Trong đó:
- $\rho_{Kh}$: Khối lượng thể tích khô của bê tông polystyrene (kg/m³).
- $\rho_{eps}$: Khối lượng thể tích cốt liệu EPS (kg/m³).
- $\rho_v$: Khối lượng thể tích của vữa nền ở trạng thái khô (kg/m³).
- $\varphi$: Thể tích xốp của hạt EPS chiếm trong một đơn vị thể tích bê tông.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ học môi trường liên tục với phương pháp thực nghiệm vật lý - cơ học:
- Thí nghiệm tính chất hỗn hợp: Đo tính công tác bằng côn đo độ sụt và độ chảy bằng ống Sutard (suttat); đánh giá mức độ phân tầng thông qua tỷ lệ khối lượng thể tích giữa phần trên và phần dưới của mẫu thử sau khi tạo hình không đầm rung.
- Thí nghiệm cơ lý bê tông đã đóng rắn: Xác định cường độ chịu nén trên mẫu lập phương $100 \times 100 \times 100\text{ mm}$ ở các tuổi 3, 7, 28 ngày; cường độ chịu kéo khi uốn trên mẫu dầm $100 \times 100 \times 400\text{ mm}$; đo mô đun đàn hồi tĩnh; đo độ co mềm và co khô theo thời gian; thí nghiệm độ hút nước và hệ số hóa mềm; thí nghiệm nhổ cốt thép tròn trơn và thép vằn gắn trong khối bê tông để xác định lực dính bám.
- Thí nghiệm kết cấu: Chế tạo cấu kiện tấm sàn kích thước thực tế, lắp đặt trên hệ khung gia tải thí nghiệm dầm/sàn, đo tải trọng phá hoại ($P_y$), biến dạng võng giữa nhịp ($w_y$) bằng đồng hồ so và ghi nhận sơ đồ phát triển vết nứt.
Nguồn vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
- Cốt liệu EPS: Sử dụng loại EPS thương phẩm trên thị trường (dùng cho công nghiệp bao bì), hạt nở 1 lần từ một cỡ hạt nguyên liệu styrol polimer hóa với tác nhân nở izopentan ($C_5H_{12}$).
- Xi măng: Xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn (dùng cho các nghiên cứu cấp phối tại Chương 3 và Chương 4) và xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 Bút Sơn (dùng chế tạo tấm sàn tại Chương 5).
- Cốt liệu nhỏ: 4 loại cát ký hiệu C1, C2, C3, C4. Cát C1 có kích thước hạt lớn nhất $D_{max} = 0{,}63\text{ mm}$; C2 có $D_{max} = 1{,}25\text{ mm}$; C3 có $D_{max} = 5\text{ mm}$; C4 dùng trong chế tạo tấm sàn có $D_{max} = 5\text{ mm}$.
- Cốt liệu lớn (đá dăm): Dùng cho bê tông nền với các kích thước hạt danh định khác nhau.
- Phụ gia: Phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao (SP), phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VM), phụ gia khoáng hoạt tính silicafume (SF) và bột đá vôi mịn (BD).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cốt liệu polystyrene
Chương này tổng kết cơ sở lý luận về bê tông nhẹ và cốt liệu EPS. Tác giả phân tích cấu trúc của hạt EPS: đường kính lỗ rỗng từ 0,02 đến 0,2 mm, bề dày vách lỗ rỗng từ 0,5 đến 18 µm; tỷ lệ thể tích lỗ rỗng kín chiếm 88,5% đến 95,8%, lỗ rỗng hở chỉ chiếm 2,2% đến 2,8%, pha rắn polystyrene chiếm 1,4% đến 9,3%. Cốt liệu EPS bền trong môi trường kiềm của xi măng, không bị tia tử ngoại phân hủy nhanh khi nằm trong bê tông, trơ hóa học và không hút nước.
Chương 1 chỉ ra 3 kịch bản kích thước tương đối giữa hạt EPS và kích thước hạt lớn nhất ($D_{max}$) của cốt liệu trong pha nền:
- Hạt EPS lớn hơn $D_{max}$ của bê tông nền: Vữa xi măng bao bọc tạo vách màng chịu lực liên tục.
- Hạt EPS có kích thước xấp xỉ $D_{max}$ của bê tông nền.
- Hạt EPS nhỏ hơn $D_{max}$ của bê tông nền: Cốt liệu lớn đá dăm chèn ép, phá vỡ tính đồng nhất của màng vữa bao quanh hạt EPS, dễ làm suy giảm cường độ khi tỷ lệ thể tích nền giảm.
Khác với bê tông cốt liệu keramzit (cốt liệu có cường độ riêng đáng kể nên có vùng cường độ bê tông vượt qua cường độ vữa nền), bê tông EPS có cường độ nén luôn luôn nhỏ hơn cường độ nén của bê tông nền ở mọi tỷ lệ cấp phối, tương tự như quy luật của bê tông tổ ong.
Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm của vật liệu đầu vào và hệ thống thiết bị thí nghiệm.
| STT |
Chỉ tiêu kỹ thuật cốt liệu EPS |
Đơn vị tính |
Giá trị đo được |
| 1 |
Đường kính hạt danh định |
mm |
1,5 – 2,5 |
| 2 |
Khối lượng thể tích hạt |
kg/m³ |
19,7 |
| 3 |
Khối lượng thể tích xốp |
kg/m³ |
11,1 |
| 4 |
Cường độ chịu nén ứng với biến dạng 10% |
MPa |
0,20 |
| 5 |
Cường độ chịu nén ứng với biến dạng 2% |
MPa |
0,04 |
Chỉ tiêu cơ lý của hai loại xi măng Bút Sơn sử dụng trong nghiên cứu:
| STT |
Chỉ tiêu cơ lý |
Đơn vị |
Xi măng PC40 |
Xi măng PCB40 |
| 1 |
Khối lượng riêng |
g/cm³ |
3,10 |
3,10 |
| 2 |
Độ mịn (bề mặt riêng Blaine) |
cm²/g |
3.270 |
3.120 |
| 3 |
Lượng sót trên sàng 0,09 mm |
% |
3,4 |
3,4 |
| 4 |
Độ dẻo tiêu chuẩn |
% |
29,0 |
28,5 |
| 5 |
Thời gian đông kết: Bắt đầu |
Phút |
105 |
115 |
| 6 |
Thời gian đông kết: Kết thúc |
Phút |
215 |
220 |
| 7 |
Độ ổn định thể tích |
% |
0,5 |
0,5 |
| 8 |
Cường độ uốn 3 ngày / 7 ngày / 28 ngày |
MPa |
7,1 / 7,9 / 8,8 |
6,7 / 7,6 / 8,1 |
| 9 |
Cường độ nén 3 ngày / 7 ngày / 28 ngày |
MPa |
27,5 / 37,1 / 46,3 |
23,4 / 32,1 / 41,3 |
Đặc trưng thành phần hạt và tính chất cơ lý của các loại cát C1, C2, C3, C4:
| STT |
Chỉ tiêu thí nghiệm |
Đơn vị |
Cát C1 |
Cát C2 |
Cát C3 |
Cát C4 |
| 1 |
Kích thước hạt lớn nhất ($D_{max}$) |
mm |
0,63 |
1,25 |
5,00 |
5,00 |
| 2 |
Khối lượng riêng |
g/cm³ |
2,66 |
2,67 |
2,65 |
2,65 |
| 3 |
Khối lượng thể tích bão hòa nước |
g/cm³ |
2,64 |
2,66 |
2,64 |
2,64 |
| 4 |
Khối lượng thể tích khô |
g/cm³ |
2,62 |
2,65 |
2,63 |
2,63 |
| 5 |
Độ hút nước |
% |
0,4 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
| 6 |
Khối lượng thể tích xốp |
kg/m³ |
1.330 |
1.410 |
1.450 |
1.450 |
| 7 |
Độ hổng cốt liệu |
% |
0,50 |
0,46 |
0,45 |
0,45 |
| 8 |
Mô đun độ lớn |
- |
1,4 |
2,2 |
2,5 |
2,5 |
| 9 |
Hàm lượng bùn, bụi, sét |
% |
0,7 |
0,9 |
0,5 |
0,5 |
| 10 |
Độ ẩm tự nhiên |
% |
0,06 |
0,06 |
0,06 |
0,07 |
| 11 |
Sót riêng sàng 5 mm |
% |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 12 |
Sót riêng sàng 2,5 mm |
% |
0 |
0 |
8,5 |
13,6 |
| 13 |
Sót riêng sàng 1,25 mm |
% |
0 |
0 |
16,8 |
17,8 |
| 14 |
Sót riêng sàng 0,63 mm |
% |
0 |
47,1 |
21,8 |
11,8 |
| 15 |
Sót riêng sàng 0,315 mm |
% |
45,7 |
28,6 |
27,7 |
22,6 |
| 16 |
Sót riêng sàng 0,14 mm |
% |
48,9 |
19,9 |
20,8 |
29,9 |
| 17 |
Đáy sàng ($< 0{,}14\text{ mm}$) |
% |
5,4 |
4,4 |
4,4 |
6,4 |
Chương 3: Nghiên cứu chế tạo bê tông polystyrene kết cấu
Chương này tập trung giải quyết các bài toán công nghệ: tính công tác, hiện tượng phân tầng và cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông polystyrene kết cấu.
- Tính công tác của hỗn hợp:
- Kết quả thực nghiệm khẳng định ở cùng mức khối lượng thể tích, tính công tác của hỗn hợp BPK tỷ lệ thuận với tính công tác của bê tông nền.
- Kích thước hạt lớn nhất trong cốt liệu nền ảnh hưởng nghịch đảo tới tính lưu động: cốt liệu nền có cỡ hạt càng mịn (như dùng cát mịn C1) thì độ chảy và độ sụt của hỗn hợp BPK tăng cao hơn so với khi dùng cốt liệu nền hạt thô, do giảm ma sát cơ học giữa các hạt thô với hạt EPS mềm.
- Hiện tượng phân tầng và giải pháp kiểm soát:
- Khi tính lưu động của bê tông nền tăng, xu hướng nổi của hạt EPS tăng mạnh theo định luật Stokes. Độ phân tầng tỷ lệ nghịch với thể tích bê tông nền (hàm lượng hạt EPS càng nhiều thì xu hướng tách lớp nổi hạt càng rõ).
- Khi giảm kích thước hạt cốt liệu lớn nhất trong nền mà không bổ sung phụ gia, độ phân tầng có xu hướng gia tăng do độ nhớt biểu kiến giảm.
- Tác giả chứng minh việc đưa phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VM) kết hợp cùng phụ gia siêu dẻo (SP) là giải pháp kiểm soát phân tầng. Phụ gia VM tạo mạng lưới liên kết polymer mạch dài tạm thời, giữ hạt EPS phân bố đều trong cấu trúc thể tích mà không cần đầm rung quá mức.
- Cường độ chịu nén và quy trình lựa chọn thành phần:
- Cường độ chịu nén của BPK chịu chi phối đồng thời bởi thể tích bê tông nền, mác cường độ của bê tông nền và cỡ hạt lớn nhất trong bê tông nền. Khi giảm thể tích bê tông nền (để giảm khối lượng thể tích BPK xuống dưới 1.800 kg/m³), lớp màng vữa bao quanh hạt EPS mỏng đi. Nếu dùng đá dăm kích thước lớn, hiện tượng tập trung ứng suất quanh hạt EPS xuất hiện, làm cường độ nén tụt giảm nhanh.
- Tác giả đề xuất giới hạn: đối với bê tông polystyrene kết cấu có khối lượng thể tích nhỏ hơn 1.800 kg/m³, kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu trong pha nền ($D_{max}$) không được vượt quá 10 mm.
Chương 4: Nghiên cứu một số tính chất của bê tông polystyrene kết cấu
Chương này đánh giá toàn diện các thông số vật lý và cơ học của BPK đã đóng rắn trên các dải khối lượng thể tích từ D1600 đến D2000:
- Cường độ chịu nén và sự phát triển cường độ: Bê tông phát triển cường độ nhanh trong 7 ngày đầu nhờ sử dụng xi măng PC40 phối hợp phụ gia khoáng và siêu dẻo. Tại 28 ngày, các cấp phối đạt cường độ từ 20,5 MPa đến trên 32 MPa, đáp ứng tiêu chuẩn kết cấu chịu lực ($R_{n28} > 20\text{ MPa}$).
- Cường độ chịu kéo khi uốn: Tỷ lệ giữa cường độ kéo uốn ($R_u$) và cường độ chịu nén ($R_n$) của BPK dao động trong khoảng tương tự bê tông hạt mịn, tăng theo khối lượng thể tích.
- Mô đun đàn hồi: Thấp hơn rõ rệt so với bê tông nặng cùng mác cường độ nén. Nguyên nhân là hạt EPS có mô đun đàn hồi gần như bằng không và liên kết tiếp xúc giữa bề mặt trơn nhẵn của hạt EPS với đá xi măng không tạo lực bám cơ học cao.
- Độ co ngót (co mềm và co khô): Do lượng dùng xi măng và chất kết dính trong pha nền của BPK cao hơn bê tông thường để bù đắp cường độ, biến dạng co khô của BPK lớn hơn bê tông nặng nhưng ổn định dần theo thời gian.
- Độ hút nước và hệ số hóa mềm: Bản thân hạt EPS không hút nước (lỗ rỗng kín chiếm trên 88%), độ hút nước của BPK chủ yếu nằm ở hệ thống mao quản của pha nền xi măng. Hệ số hóa mềm của bê tông đạt mức bảo đảm làm việc trong môi trường ẩm.
- Lực nhổ cốt thép: Thí nghiệm nhổ trên thép thanh tròn trơn và thanh vằn cho thấy lực dính bám của BPK với cốt thép thanh vằn đạt giá trị chịu lực tốt nhờ cơ chế chèn móc cơ học của vữa nền vào gờ thép, bảo đảm điều kiện neo giữ theo tính toán thiết kế.
Chương 5: Đánh giá khả năng chịu tải của tấm sàn và hiệu quả kinh tế
- Thí nghiệm khả năng chịu tải của tấm sàn:
- Chế tạo các tấm sàn kích thước lớn ký hiệu P16 (dùng BPK khối lượng thể tích danh định D1600) và P18 (dùng BPK khối lượng thể tích D1800), cốt liệu cát C4, xi măng PCB40.
- Sơ đồ thử nghiệm: Gia tải hai điểm đối xứng tạo vùng uốn thuần túy giữa nhịp, đo độ võng $w_y$, tải trọng phá hoại thực tế $P_y$ và bề rộng khe nứt $a_{crc}$.
- Kết quả thí nghiệm khẳng định: Dưới tác dụng của tải trọng tăng dần, tấm sàn bê tông polystyrene kết cấu trải qua các giai đoạn làm việc đàn hồi, xuất hiện vết nứt thẳng đứng ở thớ đáy chịu kéo vùng giữa nhịp, vết nứt phát triển mở rộng dần và phá hoại do cốt thép chịu kéo đạt giới hạn chảy kết hợp vùng nén bê tông bị nghiền vỡ.
- Ứng xử biến dạng võng và khả năng chịu tải thực tế phù hợp với mô hình tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2017 khi đưa giá trị cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi thực tế của BPK vào công thức thiết kế.
- Đánh giá hiệu quả kinh tế:
- Luận án tính toán chi tiết chi phí vật tư sản xuất $1\text{ m}^3$ bê tông polystyrene kết cấu cấp độ bền B20 (mác M250), khối lượng thể tích D1800 so với bê tông keramzit M250 và bê tông nặng thông thường M250.
- Kết quả so sánh chi phí: Bê tông polystyrene M250 có đơn giá vật liệu cao hơn bê tông nặng thông thường khoảng 15-20% (do chi phí phụ gia siêu dẻo, phụ gia điều chỉnh độ nhớt và xi măng mác cao), nhưng thấp hơn đáng kể so với bê tông keramzit M250 (do hạt keramzit khan hiếm, chi phí vận chuyển cao). Khi xét trên tổng thể công trình, việc giảm 20-25% tải trọng bản thân sàn giúp giảm kích thước cột, móng, mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật tổng hợp khả thi.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Luận chứng rõ tính chất hai pha của bê tông polystyrene kết cấu: Xác định quy luật cường độ chịu nén của bê tông polystyrene luôn thấp hơn cường độ chịu nén của bê tông nền ở mọi cấp phối, có đường tương quan tương tự bê tông tổ ong, khác biệt với quy luật của bê tông cốt liệu nhẹ vô cơ keramzit.
- Thiết lập quy luật về tính công tác và độ phân tầng: Xác định tính công tác của BPK tỷ lệ thuận với tính công tác của bê tông nền và tỷ lệ nghịch với kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu nền. Độ phân tầng của hỗn hợp BPK tỷ lệ thuận với tính công tác của nền, tỷ lệ nghịch với thể tích bê tông nền; khi giảm kích thước hạt lớn nhất của nền ở cùng khối lượng thể tích thì độ phân tầng tăng lên.
- Đề xuất giải pháp kiểm soát lưu biến: Chứng minh việc kết hợp phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VM) là giải pháp công nghệ hiệu quả để triệt tiêu hiện tượng phân tầng nổi hạt EPS mà không làm suy giảm tính công tác khi thi công.
- Xác lập ảnh hưởng của kích thước hạt cốt liệu lớn nhất ($D_{max}$) trong pha nền: Đưa ra luận cứ khoa học về sự tương tác kích thước giữa hạt EPS và cốt liệu nặng, xác định ngưỡng $D_{max} \le 10\text{ mm}$ cho pha nền của bê tông polystyrene có khối lượng thể tích dưới 1.800 kg/m³.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Làm chủ công nghệ chế tạo bê tông nhẹ kết cấu chịu lực: Sản xuất thành công bê tông polystyrene kết cấu từ nguồn cốt liệu EPS bao bì và vật liệu địa phương tại Việt Nam, đạt khối lượng thể tích từ 1.600 đến 2.000 kg/m³ với cường độ chịu nén $R_{28} > 20\text{ MPa}$ (đạt mác M250 đến trên M300).
- Hệ thống hóa cơ sở dữ liệu thực nghiệm: Cung cấp tập số liệu về mô đun đàn hồi, cường độ kéo khi uốn, độ co ngót mềm/khô, độ hút nước, hệ số hóa mềm và lực nhổ cốt thép của BPK D1600 - D2000 phục vụ công tác thiết kế kết cấu.
- Kiểm chứng thực tế trên cấu kiện sàn: Chứng minh tấm sàn bê tông polystyrene kết cấu làm việc an toàn, ứng xử uốn hoàn toàn tương thích với các công thức tính toán cấu kiện uốn theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2017.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm cấu kiện mới dừng lại ở bài toán chịu uốn thuần túy trên cấu kiện dạng tấm sàn một phương, chưa khảo sát ứng xử của cấu kiện dầm nhịp lớn, cột chịu nén lệch tâm hay nút khung chịu tải trọng động đất.
- Nghiên cứu biến dạng dài hạn mới tập trung vào độ co khô và co mềm trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa đánh giá biến dạng từ biến (creep) dài hạn dưới tác dụng của tải trọng duy trì thường xuyên.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu ứng xử từ biến và mất mát ứng suất trước nếu ứng dụng BPK cho kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước.
- Khảo sát độ bền lâu trong các môi trường xâm thực khắc nghiệt (môi trường biển, chu kỳ khô ẩm, sốc nhiệt chống cháy).
- Mở rộng nghiên cứu khả năng chịu cắt và chịu xoắn của cấu kiện dầm sử dụng bê tông polystyrene kết cấu.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị trong các lĩnh vực:
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu, Xây dựng dân dụng và công nghiệp: Luận án cung cấp phương pháp luận nghiên cứu vật liệu composite xi măng cốt liệu hữu cơ siêu nhẹ, mô hình phân tầng theo định luật Stokes và các kỹ thuật thí nghiệm đặc thù cho bê tông nhẹ.
- Đối với các kỹ sư kết cấu và đơn vị tư vấn thiết kế: Chương 4 và Chương 5 cung cấp trực tiếp các thông số tính toán (cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi, lực dính cốt thép) và chỉ dẫn đưa số liệu vào tính toán cấu kiện sàn chịu lực theo TCVN 5574:2017.
- Đối với các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn: Quy trình lựa chọn thành phần cấp phối, giới hạn kích thước hạt cốt liệu nền ($D_{max} \le 10\text{ mm}$) và giải pháp dùng phụ gia VM là tài liệu hướng dẫn công nghệ trực tiếp để sản xuất tấm sàn, panel tường đúc sẵn nhẹ thay thế vật liệu nung truyền thống.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao cường độ chịu nén của bê tông polystyrene luôn nhỏ hơn cường độ chịu nén của bê tông nền?
Cốt liệu EPS có khối lượng thể tích rất nhỏ ($11 - 20\text{ kg/m}^3$), cấu trúc rỗng xốp kín (độ rỗng trên 90%), cường độ nén ở biến dạng 10% chỉ đạt $0{,}20\text{ MPa}$ và mô đun đàn hồi không đáng kể. Do đó, hạt EPS hầu như không tham gia chịu lực mà đóng vai trò như các lỗ rỗng tạo hình làm giảm tiết diện chịu lực hiệu dụng của khung bê tông nền. Khác với sỏi keramzit có cường độ bản thân nhất định, BPK có quy luật chịu nén tương tự bê tông tổ ong: pha nền chịu toàn bộ ứng suất nén, nên cường độ BPK luôn thấp hơn cường độ pha nền ở mọi tỷ lệ cấp phối.
2. Hiện tượng phân tầng nổi hạt EPS được giải quyết bằng giải pháp công nghệ nào?
Theo định luật Stokes, vận tốc nổi $v$ của hạt EPS tỷ lệ nghịch với độ nhớt $\eta$ của pha nền. Do tỷ trọng EPS chỉ bằng khoảng 1% tỷ trọng vữa xi măng, hạt EPS rất dễ nổi lên bề mặt khi hỗn hợp có độ lưu động cao. Luận án giải quyết vấn đề này bằng việc đưa phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VM) vào hỗn hợp. Phụ gia VM làm tăng độ nhớt động học ở trạng thái tĩnh, giữ chặt các hạt EPS không cho nổi lên hoặc kết tụ, đồng thời hỗn hợp vẫn giữ được độ linh động cần thiết khi đổ vào khuôn mà không cần tác động đầm rung kéo dài.
3. Quy định về kích thước hạt lớn nhất ($D_{max}$) của cốt liệu trong bê tông nền là gì?
Luận án kết luận: đối với bê tông polystyrene kết cấu có khối lượng thể tích nhỏ hơn 1.800 kg/m³, kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu pha nền ($D_{max}$) không được vượt quá 10 mm. Khi khối lượng thể tích nhỏ, lượng vữa bao quanh hạt EPS mỏng đi; nếu dùng đá thô kích thước lớn, các hạt đá sẽ chèn ép hạt EPS, phá vỡ tính đồng nhất của khung chịu lực, gây tập trung ứng suất và làm giảm mạnh cường độ chịu nén của bê tông.
4. Ứng xử uốn của tấm sàn bê tông polystyrene có bảo đảm độ tin cậy theo tiêu chuẩn Việt Nam không?
Thí nghiệm gia tải uốn trên các tấm sàn thực tế P16 và P18 tại Chương 5 chứng minh tấm sàn bê tông EPS làm việc hoàn toàn tuân theo các quy luật cơ học của cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn thông thường (giai đoạn đàn hồi, nứt bê tông vùng kéo, chảy dẻo cốt thép kéo và vỡ bê tông vùng nén). Khả năng chịu tải và độ võng đo đạc thực tế phù hợp chặt chẽ với giá trị tính toán lý thuyết theo TCVN 5574:2017 khi áp dụng giá trị cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi đo được từ mẫu thử của chính cấp phối BPK đó.
Kết luận
Luận án của tác giả Lê Phượng Ly đã giải quyết thành công bài toán công nghệ chế tạo bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cốt liệu polystyrene phồng nở (EPS) tại Việt Nam, đạt khối lượng thể tích 1.600 - 2.000 kg/m³ và cường độ chịu nén trên 20 MPa. Công trình làm sáng tỏ bản chất lưu biến chống phân tầng bằng phụ gia VM, xác định quy luật tương tác kích thước hạt nền ($D_{max} \le 10\text{ mm}$) và cung cấp hệ thống số liệu cơ lý hoàn chỉnh cho loại vật liệu này. Kết quả thử nghiệm tải trọng thực tế trên tấm sàn khẳng định tính khả thi trong việc thiết kế và ứng dụng bê tông polystyrene kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành, mở ra giải pháp vật liệu nhẹ thay thế hiệu quả trong bối cảnh nguồn cung cốt liệu keramzit trong nước bị gián đoạn.
