Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông và kỹ thuật bảo dưỡng bê tông tự lèn trong điều kiện khí hậu Việt Nam" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Hùng Cường, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Hồ Ngọc Khoa và TS. Bùi Danh Đại. Công trình được bảo vệ năm 2020 tại Trường Đại học Xây dựng, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, mã số 9580201.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Bê tông tự lèn (Self-Compacting Concrete - BTTL) là loại bê tông chất lượng cao, có khả năng tự chảy dưới tác dụng của trọng lực bản thân và lấp đầy khuôn mẫu cũng như các vị trí cốt thép dày đặc mà không cần đầm rung cơ học. Tại Việt Nam, công nghệ BTTL là công nghệ mới, chủ yếu được áp dụng tại một số công trình đặc thù và các nghiên cứu trước đây phần lớn dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm. Trong dây chuyền thi công bê tông toàn khối, tính công tác của hỗn hợp bê tông trước khi đổ và kỹ thuật bảo dưỡng giai đoạn đóng rắn ban đầu là hai yếu tố công nghệ quyết định chất lượng và cường độ kết cấu, đồng thời chịu tác động trực tiếp của điều kiện môi trường.
Đặc trưng thành phần của BTTL là hàm lượng bột mịn cao, sử dụng phụ gia siêu dẻo liều lượng lớn, thể tích hồ xi măng nhiều và tỷ lệ nước trên bột (N/B) thấp. Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X) thấp khiến lượng nước tự do không đủ bù đắp quá trình bốc hơi, trong khi cấu trúc mao dẫn kém liên tục gây khó khăn cho việc cấp ẩm từ ngoài vào. Ngoài ra, việc dùng phụ gia siêu dẻo kéo dài thời gian đông kết. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam với các chu kỳ nắng nóng và khô hanh kéo dài, biên độ dao động nhiệt ẩm giữa ngày và đêm lớn khiến hỗn hợp BTTL bị tổn thất tính công tác nhanh chóng trên đường vận chuyển và dễ phát sinh nứt do co ngót mềm khi đóng rắn. Hiện nay, các tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật trong nước và quốc tế chưa có hệ thống dữ liệu định lượng cụ thể về sự suy giảm tính công tác của BTTL theo thời gian lưu giữ dưới các hình thái thời tiết khác nhau, đồng thời thiếu hướng dẫn kỹ thuật bảo dưỡng chuyên biệt cho BTTL trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục đích nghiên cứu chính:
- Xây dựng quy trình và yêu cầu kỹ thuật đảm bảo tính công tác của hỗn hợp BTTL trước khi đổ vào khuôn trên cơ sở sử dụng thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) kết hợp nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố công nghệ và khí hậu.
- Xây dựng kỹ thuật bảo dưỡng BTTL trong điều kiện khí hậu Việt Nam trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và môi trường.
Để đạt được mục đích trên, luận án giải quyết 7 nội dung nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp BTTL với nguồn vật liệu và phụ gia sẵn có ở Việt Nam.
- Nghiên cứu thực nghiệm sự sụt giảm tính công tác của hỗn hợp BTTL trong thời gian lưu giữ ở điều kiện khí hậu Việt Nam.
- Nghiên cứu sự mất nước và biến dạng mềm của BTTL trong thời gian đầu đông rắn dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và khí hậu.
- Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ANN dự báo các thông số ban đầu của tính công tác hỗn hợp BTTL theo thành phần vật liệu chế tạo.
- Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ANN ước lượng sự suy giảm tính công tác của hỗn hợp BTTL dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và khí hậu.
- Đề xuất quy trình kỹ thuật và yêu cầu kỹ thuật đảm bảo tính công tác của hỗn hợp BTTL trước khi đổ vào khuôn.
- Đề xuất kỹ thuật bảo dưỡng BTTL trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Câu hỏi nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu cốt lõi:
- Tính công tác của hỗn hợp BTTL và quá trình đông rắn ban đầu của BTTL thay đổi, ứng xử như thế nào dưới tác động của các điều kiện thời tiết đặc trưng tại Việt Nam?
- Cần áp dụng biện pháp và quy trình kỹ thuật nào để kiểm soát, đảm bảo tính công tác của hỗn hợp BTTL trước khi đổ vào khuôn?
- Kỹ thuật và thông số bảo dưỡng nào cần áp dụng để kiểm soát quá trình mất nước, biến dạng mềm và đảm bảo sự phát triển cường độ của BTTL?
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Tính công tác của hỗn hợp BTTL và công tác bảo dưỡng BTTL.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Loại kết cấu: Áp dụng cho kết cấu bê tông cốt thép thông thường thi công theo phương pháp đổ bê tông tại chỗ; không áp dụng cho kết cấu bê tông khối lớn.
- Cấp phối BTTL: Nghiên cứu các hỗn hợp có tỷ lệ N/B từ 0,256 đến 0,374 (vùng khảo sát 0,3 - 0,4); tỷ lệ tro bay trên bột (TrB/B) từ 0,081 đến 0,418; cấp độ bền bê tông từ B35 đến B50; phân loại độ chảy theo chỉ dẫn Châu Âu với 3 cấp độ chảy lan gồm SF1, SF2 và SF3.
- Không gian và thời gian: Thí nghiệm thực hiện tại khu vực Hà Nội với các chu kỳ thời tiết tự nhiên mang tính tương đồng với các vùng khí hậu trên cả nước; số liệu thống kê khí tượng thu thập trong 1 năm (từ tháng 9/2018 đến tháng 9/2019) tại 3 trạm đại diện: Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
Luận án điểm lại lịch sử phát triển BTTL từ nguyên mẫu đầu tiên năm 1988 tại Nhật Bản do Ozawa và cộng sự công bố năm 1992, tiếp nối bởi mô hình thiết kế của Viện Nghiên cứu Xi măng và Bê tông Thụy Điển (CBI, 1996), các hướng dẫn kỹ thuật của EFNARC (2002, 2005), Ủy ban ACI 237 (2003, 2007), hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm ASTM (C1610, C1611, C1621 ban hành giai đoạn 2005-2009) và tiêu chuẩn Châu Âu EN 12350 (2010).
Về tính công tác của hỗn hợp BTTL:
- Abdullah và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ làm gia tăng tốc độ thủy hóa và bốc hơi nước, dẫn đến suy giảm độ linh động của hỗn hợp bê tông.
- Marar và Eren (2011) kết luận việc tăng hàm lượng xi măng và giảm tỷ lệ cốt liệu/xi măng giúp nâng cao tính tự lèn.
- Felekoglu chỉ ra rằng hỗn hợp BTTL có tỷ lệ N/X thấp chịu mức độ tổn thất độ chảy nhanh hơn, đòi hỏi sử dụng phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate ether (PCE) kết hợp tỷ lệ N/B hợp lý.
- Về mô hình hóa, Nehdi đã ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) dự báo độ chảy lan, độ tự lèn, mức phân tầng và cường độ nén; Yeh (1998, 2007) chứng minh mạng ANN mô tả quan hệ phi tuyến giữa các thành phần cấp phối và độ chảy BTTL chính xác hơn các phương pháp phân tích hồi quy truyền thống.
- Tại Việt Nam: Trương Thị Hồng Thúy (2004) nghiên cứu cấp phối BTTL cường độ 50 MPa cho nút khung tòa nhà T34 Trung Hòa; Phạm Văn Khoan (2007) nghiên cứu cấp phối BTTL M200 duy trì tính công tác trong 90 phút, đo biến dạng mềm ngoài trời miền Nam đạt 1,025 mm/m; Kim Huy Hoàng và Bùi Đức Vinh (2010) tối ưu cốt liệu cát tự nhiên và cát nghiền cho BTTL đạt cường độ 140-170 MPa; Hoàng Phó Uyên (2012) khảo sát sự suy giảm tính công tác vữa trong phòng thí nghiệm cho công trình thủy lợi; Trần Đức Trung (2013) sử dụng cát mịn, xỉ lò cao và tro trấu chế tạo BTTL đạt cường độ trên 60 MPa; Nguyễn Duy Hiếu (2009) chỉ ra BTTL dùng cốt liệu nhẹ keramzit bị tổn thất độ chảy 320 mm sau 120 phút; nghiên cứu của Bùi Danh Đại và cs. (2018) khuyến cáo không lưu giữ BTTL quá 60 phút ở điều kiện tự nhiên Hà Nội vì làm tăng độ rỗng và suy giảm cường độ nén. Năm 2018, tiêu chuẩn TCVN 12209:2018 về BTTL chính thức được ban hành.
Về công tác bảo dưỡng BTTL:
- Tiêu chuẩn ACI 308.1M-11 chủ yếu áp dụng cho bê tông thông thường, chưa tính đến các đặc thù của bê tông có N/X thấp và hàm lượng tro bay cao.
- Al-Nu'man và cộng sự (Iraq) ghi nhận cường độ nén BTTL bảo dưỡng ngâm nước cao hơn 11% so với không bảo dưỡng.
- Nghiên cứu tại Đại học Texas trên bê tông chứa 25-35% tro bay cho thấy ở tuổi 15 ngày, mẫu dùng hợp chất bảo dưỡng đạt cường độ cao hơn mẫu dưỡng ẩm tiêu chuẩn 3%, nhưng ở tuổi 56-91 ngày thì mẫu phòng ẩm lại đạt cường độ cao hơn.
- Senbetta và cs. chỉ ra phương pháp bảo dưỡng bằng che màng ni lông, sáp parafin giúp giảm độ xốp mao quản đến 80% và tăng 50% độ bền lâu so với không bảo dưỡng.
- Torii và cs. nghiên cứu bê tông chứa 8% muội silic cho thấy dưỡng ẩm liên tục 3 ngày là đủ điều kiện ngăn chặn ion clo thâm nhập.
- Okamura và Ouchi nhấn mạnh BTTL có hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao làm chậm thời gian ninh kết, đồng thời hiện tượng tự khô (self-desiccation) theo Miyazawa diễn ra mạnh do tỷ lệ N/B thấp, khiến nước bên ngoài khó thấm qua lớp hồ kín khít mao dẫn.
- Tại Việt Nam, Nguyễn Đình Hùng nghiên cứu che phủ ni lông tại miền Nam ghi nhận cường độ mùa khô cao hơn mùa mưa nhưng chưa đưa ra các thông số định lượng cụ thể về quy trình.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Luận án giải quyết ba khoảng trống học thuật và thực tiễn:
- Thiếu công cụ mô hình hóa định lượng có khả năng dự báo đồng thời các thông số tính công tác đa chiều (SF, T500, Vfunnel, Lbox, Jring, SR) và cường độ R28 dưới tác động đồng thời của thành phần vật liệu và các yếu tố công nghệ - thời tiết biến thiên theo thời gian lưu giữ.
- Thiếu dữ liệu thực nghiệm hiện trường về quy luật mất nước bốc hơi và biến dạng mềm trong 8-10 giờ đầu đóng rắn của BTTL dưới các chu kỳ thời tiết bất lợi (nắng nóng, khô hanh) tại Việt Nam.
- Thiếu chỉ dẫn kỹ thuật bảo dưỡng hoàn chỉnh bằng phương pháp che phủ màng ni lông, chưa xác định rõ mốc thời gian bảo dưỡng ban đầu (BDBĐ) và thời gian bảo dưỡng cần thiết (TctBD) tương ứng với cường độ bảo dưỡng tới hạn (RthBD).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Đặc trưng tính công tác: Luận án tiếp cận tính công tác của hỗn hợp BTTL theo tiêu chuẩn EFNARC và TCVN 12209:2018 qua 3 nhóm chỉ tiêu:
- Khả năng lấp đầy (filling ability): Đo bằng độ chảy lan Slump Flow (SF), thời gian chảy đến đường kính 500 mm (T500) và thời gian chảy qua phễu chữ V (Vfunnel).
- Khả năng chảy xuyên qua (passing ability): Đo bằng tỷ số chiều cao qua hộp chữ L (Lbox - PL) và chênh lệch chiều cao qua vòng bế Jring (PJ).
- Khả năng chống phân tầng (segregation resistance): Xác định qua tỷ lệ phân tầng sàng (SR).
- Cơ chế phụ gia và hóa lý: Luận án dựa trên lý thuyết phân tán của phụ gia siêu dẻo Polycarboxylate Ether (PCE) với cấu trúc mạch chính gắn nhóm cacboxylic tích điện âm tạo lực đẩy tĩnh điện và các mạch nhánh hình răng lược cản trở không gian; kết hợp phản ứng thủy hóa của khoáng xi măng (C3S, C2S, C3A) và phản ứng puzzolanic của tro bay loại F.
- Hiện tượng vật lý giai đoạn đầu đóng rắn: Khung phân tích quá trình mất nước bay hơi ($V_{mn}$), hiện tượng tự khô do tỷ lệ N/B thấp và cơ chế biến dạng mềm ($\varepsilon_{mBT}$) trong 8-10 giờ đầu. Quá trình bảo dưỡng được phân định thành 2 giai đoạn: Bảo dưỡng ban đầu (BDBĐ - kiểm soát bốc hơi và biến dạng dẻo, duy trì đến khi bê tông đạt 0,3-0,5 MPa) và Bảo dưỡng tiếp theo (BDTT - duy trì cấp ẩm/giữ ẩm trong thời gian $T_{ctBD}$ để đạt cường độ tới hạn $R_{thBD}$).
- Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo: Mô hình mạng truyền thẳng nhiều lớp (Multilayer Perceptron - MLP) học có giám sát, sử dụng thuật toán lan truyền ngược để thiết lập các mối liên hệ phi tuyến phức tạp giữa thông số đầu vào và đầu ra.
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm và ngoài trời tại Hà Nội; sử dụng nón Abrams, phễu V, hộp L, vòng J và sàng tiêu chuẩn để đo tính công tác; đo mất nước bằng cân điện tử chính xác; đo biến dạng mềm bằng hệ cảm biến chuyển vị gắn tiếp xúc trong 8-10 giờ đầu; nén mẫu xác định cường độ tuổi 7 ngày (R7) và 28 ngày (R28).
- Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng hai mô hình mạng:
- Mô hình MLP-ANN1: Đầu vào gồm 6 thông số vật liệu chế tạo (hàm lượng xi măng, tro bay, nước, cát, đá, phụ gia siêu dẻo); đầu ra gồm SF, T500, Vfunnel, Lbox, Jring, SR và R28.
- Mô hình MLP-ANN2: Đầu vào gồm nhiệt độ hỗn hợp ban đầu, nhiệt độ môi trường và thời gian lưu giữ; đầu ra là sự suy giảm các thông số tính công tác và R28.
- Tiêu chí đánh giá mô hình: Đánh giá độ chính xác qua sai số tương đối trung bình (MRE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số tuyệt đối lớn nhất (Max AE) và hệ số tương quan ($R^2$).
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Dữ liệu khí tượng: Trích xuất số liệu nhiệt độ ($T$), độ ẩm ($W$) và bức xạ mặt trời từ Weather Channel trong 1 năm (9/2018 - 9/2019) tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh.
- Vật liệu chế tạo thực nghiệm:
- Xi măng pooclăng PC40 Bút Sơn.
- Tro bay loại F từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại ($CaO < 10%$).
- Cát vàng tự nhiên, mô đun độ lớn đạt yêu cầu kỹ thuật.
- Đá dăm sàng tuyển có đường kính hạt lớn nhất $D_{max} = 10 \div 12,5\text{ mm}$.
- Phụ gia siêu dẻo gốc PCE có khả năng giảm nước 30-40%.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về tính công tác của hỗn hợp bê tông và bảo dưỡng bê tông tự lèn
Chương 1 hệ thống hóa các định nghĩa, đặc tính kỹ thuật và lịch sử phát triển của BTTL trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích cơ chế phân tán của phụ gia PCE hình răng lược và sự khác biệt cấu trúc giữa BTTL với bê tông truyền thống (lượng bột mịn tăng, giảm thể tích cốt liệu lớn, tỷ lệ N/B thấp). Luận án tổng hợp bảng phân loại BTTL theo hướng dẫn EFNARC:
| Cấp tính công tác |
Chỉ tiêu đo |
Giá trị quy định |
Phạm vi ứng dụng khuyến cáo |
| Độ chảy lan |
SF1 |
550 - 650 mm |
Kết cấu đúc sẵn, cọc, móng sâu, kết cấu nghiêng |
|
SF2 |
660 - 750 mm |
Cột, tường, sàn đổ tại chỗ thông thường |
|
SF3 |
760 - 850 mm |
Kết cấu đứng cốt thép dày đặc, hình dáng phức tạp |
| Độ nhớt |
VS1 / VF1 |
$\le 2\text{ s}$ / $\le 8\text{ s}$ |
Khả năng tự san phẳng cao, bề mặt hoàn thiện mịn |
|
VS2 / VF2 |
$> 2\text{ s}$ / $9 - 25\text{ s}$ |
Độ linh động thấp hơn, kiểm soát chảy qua khe hẹp |
| Khả năng vượt qua |
PL1 / PJ1 |
$\ge 0,8$ / $\le 10\text{ mm}$ |
Bước cốt thép $80 - 100\text{ mm}$ |
|
PL2 / PJ2 |
$\ge 0,8$ / $\le 10\text{ mm}$ |
Bước cốt thép $60 - 80\text{ mm}$ |
| Độ ổn định |
SR1 |
$\le 20%$ |
Tấm mỏng, dòng chảy ngang $< 5\text{ m}$ |
|
SR2 |
$\le 15%$ |
Kết cấu đứng cao, dòng chảy $> 5\text{ m}$, rơi tự do $< 5\text{ m}$ |
Chương này cũng tổng kết thực tiễn ứng dụng tại các đại công trình: Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản, rút ngắn 6 tháng thi công cọc neo 3 m), Tòa nhà CCTV (Bắc Kinh, SF = 720 mm), Alturki Business Park (Ả Rập Saudi, bơm cao 230 m), The Landmark 81 (TP. Hồ Chí Minh, đài móng $17.000\text{ m}^3$ đổ liên tục 41 giờ). Qua đó, tác giả chỉ ra khoảng trống về việc thiếu tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm soát hỗn hợp vận chuyển và bảo dưỡng BTTL trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam.
Chương 2: Cơ sở khoa học về tính công tác của hỗn hợp bê tông và bảo dưỡng bê tông tự lèn
Chương 2 phân tích cơ sở khí hậu và bản chất hóa lý của quá trình thi công bê tông tại Việt Nam. Dựa trên phân vùng khí hậu bảo dưỡng bê tông (vùng A: miền Bắc, vùng B: miền Trung, vùng C: miền Nam) và phân tích thống kê chuỗi số liệu thời tiết 2018-2019, luận án xác lập 4 điều kiện thời tiết đặc trưng chi phối công tác bê tông:
- Nồm ẩm: $T = 15 \div 30^\circ\text{C}$, $W = 70 \div 95%$.
- Khô hanh: $T = 18 \div 30^\circ\text{C}$, $W = 40 \div 65%$.
- Nóng ẩm: $T = 28 \div 35^\circ\text{C}$, $W = 65 \div 85%$.
- Nắng nóng: $T > 35^\circ\text{C}$, $W = 40 \div 65%$.
Tác giả làm rõ ảnh hưởng của các thành phần vật liệu (lượng bột, tro bay, tỷ lệ N/B, phụ gia PCE) đến độ nhớt và tính lưu biến của hỗn hợp. Chương này trình bày chi tiết cơ chế vi mô của hiện tượng mất nước do bay hơi và biến dạng mềm trong 8-10 giờ đầu đóng rắn. Hiện tượng tự khô xảy ra nghiêm trọng trong BTTL do lượng nước trộn được tiêu thụ nhanh chóng cho phản ứng thủy hóa nhưng cấu trúc hồ siêu mịn khiến nước bảo dưỡng từ ngoài khó thẩm thấu bù đắp, dẫn đến nứt tế vi nếu không có giải pháp che chắn giữ ẩm thích hợp.
Chương 3: Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu
Chương 3 trình bày các đặc tính kỹ thuật của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu:
- Xi măng PC40 Bút Sơn có khối lượng riêng $3,10\text{ g/cm}^3$, lượng nước tiêu chuẩn $27,5%$.
- Tro bay Phả Lại có khối lượng riêng $2,25\text{ g/cm}^3$, lượng lọt qua sàng $0,045\text{ mm}$ đạt $86,4%$.
- Cát vàng sông Lô có mô đun độ lớn $M_L = 2,65$, khối lượng thể tích xốp $1460\text{ kg/m}^3$.
- Đá dăm cỡ $5 \div 10\text{ mm}$, khối lượng thể tích xốp $1390\text{ kg/m}^3$.
- Phụ gia PCE dạng lỏng màu nâu nhạt, tỷ trọng $1,08\text{ g/cm}^3$.
Tác giả thiết kế 3 nhóm cấp phối đại diện M1, M2, M3 tương ứng 3 cấp độ sụt chảy SF1, SF2, SF3 với dải N/B từ 0,28 đến 0,35; hàm lượng tro bay thay thế xi măng từ 20% đến 35%. Quy trình trộn sử dụng máy trộn cưỡng bức, kiểm soát thể tích mẻ trộn không quá 70% dung tích thùng để khắc phục hiện tượng bám dính do độ nhớt lớn. Luận án mô tả chi tiết phương pháp bố trí thí nghiệm đo suy giảm tính công tác theo các mốc thời gian lưu giữ (0, 30, 60, 90, 120 phút), thí nghiệm cân mất nước bề mặt và hệ đo chuyển vị biến dạng mềm tự động.
Chương 4: Nghiên cứu đề xuất quy trình, yêu cầu kỹ thuật đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông tự lèn
Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm và mô hình hóa về sự suy giảm tính công tác:
- Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp càng cao và nhiệt độ môi trường càng lớn thì tốc độ suy giảm tính công tác diễn ra càng nhanh. Sau 60-90 phút lưu giữ ở điều kiện nắng nóng, độ chảy lan SF suy giảm mạnh từ 80 đến 180 mm, thời gian T500 và Vfunnel tăng gấp 1,5 đến 2,2 lần, khả năng vượt qua Lbox giảm xuống dưới ngưỡng giới hạn 0,8.
- Cường độ nén R28 của BTTL giảm dần tương ứng với thời gian lưu giữ hỗn hợp bê tông; nếu lưu giữ quá 90 phút ở điều kiện nắng nóng, R28 suy giảm từ 12% đến 18% so với mẫu đúc ngay sau khi trộn do độ rỗng cấu trúc gia tăng.
- Mô hình mạng MLP-ANN1 (dự báo theo vật liệu) và MLP-ANN2 (dự báo theo nhiệt độ và thời gian) đạt độ chính xác cao: Hệ số tương quan $R^2$ giữa giá trị thực nghiệm và dự báo đạt từ 0,92 đến 0,98; sai số tương đối trung bình MRE dưới 5%.
Dựa trên kết quả thực nghiệm và mô hình ANN, luận án đưa ra bảng quy định giới hạn thời gian vận chuyển - lưu giữ tối đa cho BTTL:
| Cấp phối / Cấp độ chảy |
Nồm ẩm ($T=15\div30^\circ\text{C}$) |
Khô hanh ($T=18\div30^\circ\text{C}$) |
Nóng ẩm ($T=28\div35^\circ\text{C}$) |
Nắng nóng ($T>35^\circ\text{C}$) |
| Cấp phối M1 (SF1) |
90 phút |
75 phút |
60 phút |
45 phút |
| Cấp phối M2 (SF2) |
105 phút |
90 phút |
75 phút |
60 phút |
| Cấp phối M3 (SF3) |
120 phút |
100 phút |
90 phút |
60 phút |
Từ các kết quả trên, tác giả đề xuất quy trình 4 bước gồm: Thiết kế cấp phối ứng dụng ANN1 $\rightarrow$ Trộn và kiểm tra thông số ban đầu $\rightarrow$ Dự báo thời gian vận chuyển theo thời tiết bằng ANN2 $\rightarrow$ Đổ bê tông vào khuôn đảm bảo các thông số công tác yêu cầu.
Chương 5: Nghiên cứu kỹ thuật bảo dưỡng bê tông tự lèn trong điều kiện khí hậu Việt Nam
Chương 5 tập trung vào quy luật mất nước bốc hơi, biến dạng mềm và phương pháp bảo dưỡng:
- Trong điều kiện nắng nóng ($T > 35^\circ\text{C}$) và khô hanh ($W < 65%$), tốc độ bốc hơi nước $V_{mn}$ trong 2-4 giờ đầu vượt ngưỡng cho phép ($0,5\text{ kg/m}^2/\text{h}$), đẩy giá trị biến dạng mềm co ngót $\varepsilon_{mBT}$ lên mức $-0,85 \div -1,15\text{ mm/m}$, gây nguy cơ nứt bề mặt nghiêm trọng.
- So sánh thực nghiệm 3 chế độ: Không bảo dưỡng (KBD), Tưới nước truyền thống (TN), và Che màng ni lông (CNL):
| Chế độ bảo dưỡng |
Cường độ nén R28 tương đối |
Trạng thái nứt bề mặt |
Mức độ tiêu thụ nước |
| Không bảo dưỡng (KBD) |
$72% \div 78%$ |
Nứt rạn chân chim diện rộng |
Không |
| Tưới nước (TN) |
$90% \div 93%$ |
Bề mặt tốt, cục bộ nứt nhẹ nếu tưới ngắt quãng |
Tiêu tốn nước lớn, xói mòn bề mặt non |
| Che ni lông (CNL) |
$98% \div 102%$ |
Bề mặt nhẵn đặc chắc, không xuất hiện nứt |
Giữ ẩm tuần hoàn tự nhiên, không tốn nước |
- Cơ chế hiệu quả của phương pháp CNL: Màng ni lông giữ kín lượng ẩm bốc hơi từ lòng bê tông, tạo hiện tượng ngưng tụ giọt nước bên dưới màng và tuần hoàn tạo môi trường ẩm bão hòa 100% trên bề mặt, ngăn chặn triệt để biến dạng co mềm.
- Xác lập các thông số công nghệ bảo dưỡng bằng che ni lông:
- Thời điểm bắt đầu bảo dưỡng ban đầu (BDBĐ): Che phủ ni lông ngay sau khi hoàn thiện bề mặt (trong vòng 15-30 phút), duy trì 2 đến 4 giờ đầu cho đến khi bê tông đạt cường độ dẻo $0,3 \div 0,5\text{ MPa}$.
- Thời gian bảo dưỡng cần thiết ($T_{ctBD}$): Trong điều kiện nồm ẩm duy trì 3 ngày; khô hanh và nóng ẩm duy trì 4-5 ngày; nắng nóng duy trì liên tục từ 6 đến 7 ngày để bê tông đạt cường độ bảo dưỡng tới hạn ($R_{thBD} \ge 70% R_{tc28}$).
- Tác giả ban hành chỉ dẫn kỹ thuật bảo dưỡng bằng màng ni lông cho 3 sơ đồ kết cấu: Đổ liên tục không mạch ngừng, đổ có mạch ngừng ngang và đổ có mạch ngừng đứng.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Xác định được quy luật suy giảm đồng thời của các thông số tính công tác (SF, T500, Vfunnel, Lbox, Jring, SR) và cường độ nén R28 của hỗn hợp BTTL theo thời gian lưu giữ dưới tác động của nhiệt độ ban đầu và 4 điều kiện thời tiết đặc trưng tại Việt Nam.
- Thiết lập được mô hình toán học ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo MLP-ANN dự báo các thông số tính công tác và cường độ R28 với độ tin cậy cao ($R^2 > 0,92$), phản ánh chính xác tương tác phi tuyến phức tạp giữa thành phần vật liệu và điều kiện môi trường.
- Định lượng được quy luật mất nước bốc hơi ($V_{mn}$) và biến dạng mềm ($\varepsilon_{mBT}$) trong 8-10 giờ đầu đóng rắn của BTTL ngoài hiện trường, làm sáng tỏ cơ chế tự khô và ứng xử biến dạng mềm của hệ chất kết dính có tỷ lệ N/B thấp và hàm lượng tro bay cao.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ
- Thiết kế và chế tạo thành công hỗn hợp BTTL đạt cấp độ bền B35 đến B50 hoàn toàn từ nguồn vật liệu nội địa (xi măng Bút Sơn, tro bay Phả Lại, cốt liệu địa phương và phụ gia PCE).
- Xây dựng bảng thời gian vận chuyển - lưu giữ cho phép và quy trình kiểm soát tính công tác của hỗn hợp BTTL trước khi đổ bê tông vào khuôn tương ứng với từng điều kiện thời tiết thực tế tại Việt Nam.
- Đề xuất quy trình công nghệ và chỉ dẫn kỹ thuật bảo dưỡng BTTL bằng phương pháp che phủ màng ni lông (CNL), định lượng chính xác thời điểm BDBĐ và thời gian $T_{ctBD}$ cho từng hình thái khí hậu, mang lại giải pháp thi công bền vững, tiết kiệm nước và đảm bảo chất lượng công trình.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Luận án chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trên các kết cấu bê tông cốt thép thông thường đổ tại chỗ, chưa mở rộng cho các kết cấu bê tông khối lớn (nơi bài toán nhiệt thủy hóa khối lớn đóng vai trò phức tạp).
- Dải cấp phối thực nghiệm giới hạn ở tỷ lệ N/B từ 0,256 đến 0,374, tỷ lệ tro bay trên bột dưới 0,42 và cấp độ bền B35 - B50; chỉ sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại và xi măng PC40 Bút Sơn.
- Các thí nghiệm hiện trường tự nhiên được tiến hành tập trung tại trạm thí nghiệm khu vực Hà Nội; việc ngoại suy cho các vùng khí hậu khác dựa trên các thông số nhiệt ẩm tương đồng chứ chưa thực hiện đo đạc song song dài hạn tại miền Trung và miền Nam.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tiếp tục khảo sát mở rộng ứng dụng BTTL và kỹ thuật bảo dưỡng che màng ni lông cho kết cấu bê tông khối lớn và cấu kiện đúc sẵn ngoài trời.
- Mở rộng tập dữ liệu huấn luyện mạng ANN cho các loại phụ gia khoáng hoạt tính khác như muội silic (silica fume), xỉ lò cao nghiền mịn, tro trấu và các loại xi măng tỏa nhiệt thấp.
- Phát triển phần mềm tích hợp mô hình ANN vào hệ thống điều phối tự động tại các trạm trộn bê tông thương phẩm nhằm tối ưu hóa thời gian vận chuyển trên đường.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Vật liệu Xây dựng: Luận án là tài liệu học thuật toàn diện về phương pháp đánh giá tính công tác đa tiêu chí của BTTL theo tiêu chuẩn EFNARC, TCVN; cung cấp phương pháp luận thực nghiệm đo biến dạng mềm và mất nước ban đầu; đồng thời là hình mẫu áp dụng mạng nơ-ron nhân tạo MLP-ANN trong giải quyết các bài toán công nghệ bê tông phi tuyến.
- Đối với kỹ sư công nghệ, nhà thầu xây dựng và trạm trộn bê tông thương phẩm: Cung cấp hướng dẫn định lượng trực tiếp về thời gian lưu giữ và vận chuyển BTTL tối đa tương ứng với nhiệt độ môi trường, ngăn ngừa rủi ro tắc nghẽn bơm hoặc suy giảm cường độ nén.
- Đối với cơ quan quản lý và tư vấn thiết kế: Luận án cung cấp căn cứ thực nghiệm tin cậy để hoàn thiện các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu BTTL, đặc biệt là quy trình bảo dưỡng giữ ẩm bằng màng ni lông thay thế tưới nước truyền thống trong điều kiện biến đổi khí hậu.
Câu hỏi thường gặp
1. Hỗn hợp bê tông tự lèn trong nghiên cứu được phân loại theo tiêu chuẩn nào và gồm những cấp độ chảy nào?
Hỗn hợp BTTL trong
