Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của quá trình đô thị hóa toàn cầu đang thúc đẩy sản lượng bê tông thương phẩm đạt mốc ước tính khoảng 35 tỷ tấn mỗi năm, kéo theo tình trạng cạn kiệt nghiêm trọng nguồn tài nguyên đá tự nhiên và gia tăng áp lực môi trường từ hàng triệu tấn phế thải phá dỡ công trình. Song song đó, chỉ riêng tại Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than thải ra khoảng 16 triệu tấn tro xỉ hằng năm, đòi hỏi quỹ đất khổng lồ để làm bãi chứa và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm đất, nước. Để giải quyết đồng thời hai bài toán sinh thái này, việc tái sử dụng cốt liệu bê tông tái chế kết hợp tro bay làm phụ gia khoáng hoạt tính là một định hướng tất yếu. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của cốt liệu bê tông tái chế nằm ở lớp vữa xi măng cũ bám dính có độ rỗng cao, nhiều vi nứt, làm suy giảm đáng kể cường độ chịu lực và độ bền của bê tông.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng của tác giả Nguyễn Cao Hoàng Long, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Bùi Phương Trinh tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, đã nghiên cứu giải pháp chế tạo bê tông phân lớp chức năng hai lớp. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là đánh giá toàn diện các đặc tính cơ học gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng kháng va đập của hệ vật liệu này. Trong đó, lớp trên sử dụng bê tông thông thường đạt cấp cường độ thiết kế 70 MPa ở 28 ngày tuổi, lớp dưới sử dụng bê tông thay thế 50% cốt liệu lớn bằng cốt liệu bê tông tái chế đã qua xử lý bề mặt bằng huyền phù xi măng – tro bay kết hợp chất hoạt hóa natri sunfat, đồng thời gia cường 0.3% thể tích sợi polypropylene. Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ tháng 09 năm 2023 đến tháng 01 năm 2024 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng và Trung tâm kiểm định LAS-XD712, mở ra giải pháp giảm thiểu 50% lượng đá tự nhiên ở vùng chịu kéo, tái nạp tro bay công nghiệp và kiểm soát rạn nứt kết cấu hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chuyên sâu trong lĩnh vực cơ học vật liệu và công nghệ bê tông tiên tiến:

Thứ nhất là lý thuyết cấu trúc vùng chuyển tiếp giao diện và hiệu ứng bức tường trong hệ nền xi măng. Khi cốt liệu lớn tiếp xúc với vữa, sự sắp xếp kém đặc chắc của các hạt xi măng tạo nên vùng chuyển tiếp có bề dày vài chục micromet với nhiều lỗ xốp. Đối với bê tông sử dụng cốt liệu tái chế, cấu trúc xuất hiện tới ba vùng chuyển tiếp riêng biệt gồm: giữa đá cũ và vữa cũ, giữa cốt liệu tái chế và vữa mới, và giữa vữa cũ với vữa mới. Việc xử lý biến tính bề mặt cốt liệu nhằm tái cấu trúc và lấp đầy các vi lỗ rỗng tại các vùng biên này là chìa khóa then chốt để khôi phục phẩm cấp chịu lực.

Thứ hai là lý thuyết phản ứng pozzolanic thứ cấp và cơ chế hoạt hóa sunfat. Hạt tro bay hình cầu chứa các oxit hoạt tính phản ứng chậm với canxi hydroxit sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng để tạo nên hệ khoáng canxi silicat hydrat có mật độ đặc chắc cao. Sự tham gia của muối natri sunfat đóng vai trò chất kích hoạt kiềm – sunfat, thúc đẩy tốc độ hòa tan của thủy tinh tro bay ở tuổi sớm, gia tăng nồng độ ion sunfat và hình thành khoáng ettringite dạng kim đan xen, giúp bù đắp sự sụt giảm cường độ ban đầu.

Thứ ba là lý thuyết cơ học rạn nứt composite và cơ chế bắc cầu ứng suất của sợi polymer phân tán. Sợi polypropylene với mô đun đàn hồi đặc trưng có nhiệm vụ truyền và tiêu tán năng lượng ứng suất kéo qua các khe nứt tế vi khi nền bê tông chuyển từ trạng thái đàn hồi tuyến tính sang biến dạng dẻo, ngăn ngừa sự lan truyền vết nứt cục bộ.

Năm khái niệm kỹ thuật cốt lõi xuyên suốt luận văn bao gồm: Bê tông phân lớp chức năng, Cốt liệu bê tông tái chế biến tính, Vùng chuyển tiếp vi mô đa lớp, Sợi gia cường polypropylene và Công nghệ tạo hình ướt trên ướt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên vật liệu phục vụ thực nghiệm được tuyển chọn đồng bộ tại địa phương: xi măng Portland loại I Hà Tiên, cát sông tự nhiên, đá dăm nghiền, tro bay nhiệt điện, cốt liệu tái chế thu gom từ phế thải phá dỡ, phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3168, sợi polypropylene tơ mảnh và muối natri sunfat tinh khiết.

Quy trình thiết kế thành phần cấp phối tuân thủ tiêu chuẩn ACI 211.1-91 và ACI 318-11 nhằm đảm bảo mác bê tông gốc đạt cường độ nén 70 MPa ở 28 ngày tuổi và độ sụt yêu cầu 18 ± 2 cm. Cốt liệu tái chế được xử lý bằng cách ngâm ngập trong huyền phù xi măng – tro bay có pha chất hoạt hóa natri sunfat để bọc kín bề mặt và điền đầy vi khe nứt trước khi nhào trộn bê tông.

Cỡ mẫu và quy cách thí nghiệm bao gồm:

  • Thí nghiệm nén: Chế tạo 36 mẫu lập phương kích thước 100×100×100 mm, dưỡng hộ ngập nước tiêu chuẩn và nén phá hoại tại 4 mốc thời gian 3, 7, 28 và 56 ngày tuổi theo phương vuông góc với mặt phân lớp.
  • Thí nghiệm kéo khi uốn 4 điểm: Chế tạo 27 mẫu dầm kích thước 100×100×400 mm, thử nghiệm tại các mốc 7, 28 và 56 ngày tuổi.
  • Thí nghiệm kháng va đập: Chế tạo 27 mẫu hình trụ đường kính 150 mm, chiều cao 63.5 mm, thử nghiệm bằng thiết bị búa rơi tự do theo chỉ dẫn kỹ thuật ACI 544.2R ở 7, 28 và 56 ngày tuổi.

Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát sai số thống kê được áp dụng triệt để. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm phá hủy kết hợp đo thời gian ninh kết bằng thiết bị đo kháng xuyên HG80s là nhằm xác định chính xác khoảng thời gian chuyển tiếp thixotropy từ 20 đến 60 phút khi đổ lớp bê tông tươi thứ hai lên lớp thứ nhất, đảm bảo tính liên kết nguyên khối liền mạch tại mặt tiếp xúc mà không gây xáo trộn biến dạng hình học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đa thông số đã mang lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, việc ngâm xử lý cốt liệu bê tông tái chế bằng huyền phù xi măng – tro bay có bổ sung chất hoạt hóa natri sunfat đã cải thiện rõ rệt tính chất vi cấu trúc hạt. Độ hút nước của cốt liệu tái chế sau xử lý giảm sâu, độ rỗng giảm khoảng 23% đến 44% và chỉ tiêu độ nén dập giảm tới 39% - 44% so với cốt liệu tái chế nguyên bản chưa xử lý.

Thứ hai, về cường độ chịu nén, mẫu bê tông phân lớp chức năng kết hợp lớp trên là bê tông thường và lớp dưới là bê tông cốt liệu tái chế đã xử lý gia cường sợi polypropylene (ký hiệu NC–T.P) đạt mức phát triển cường độ vượt trội. Tại 28 ngày tuổi, cường độ nén của mẫu FGC xử lý cao hơn từ 12% đến 18% so với các mẫu FGC sử dụng cốt liệu tái chế chưa xử lý, đạt xấp xỉ ngưỡng thiết kế 70 MPa và tiếp tục gia tăng ổn định ở mốc 56 ngày tuổi.

Thứ ba, cường độ chịu kéo khi uốn của dầm phân lớp chức năng ghi nhận sự bứt phá mạnh mẽ. Nhờ bố trí 0.3% thể tích sợi polypropylene tại lớp dưới, cường độ uốn ở 28 và 56 ngày tuổi tăng từ 25% đến 35% so với mẫu đối chứng không có sợi. Sợi polymer phân tán đã kiểm soát hiệu quả biến dạng kéo ở thớ đáy dầm khi chịu tải trọng uốn bốn điểm.

Thứ tư, khả năng hấp thụ năng lượng và độ kháng va đập của mẫu phân lớp chức năng chứa sợi polypropylene tăng vọt. Số lần rơi búa để xuất hiện vết nứt đầu tiên và số lần rơi búa khi mẫu phá hoại hoàn toàn ở 28 ngày tuổi tăng hơn 100% đến 150% so với mẫu bê tông đồng nhất không gia cường sợi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự phục hồi cường độ nén nằm ở cơ chế tương hỗ giữa phản ứng thủy hóa xi măng và hoạt hóa pozzolanic tro bay trong dung dịch natri sunfat. Lớp màng huyền phù bọc quanh hạt cốt liệu tái chế đã phản ứng tiêu thụ canxi hydroxit tự do trong vữa cũ, kết tinh các gel canxi silicat hydrat thứ cấp lấp đầy các vi lỗ xốp tại vùng chuyển tiếp. Đồng thời, sự hiện diện của gốc sunfat đẩy nhanh quá trình hình thành khoáng ettringite dạng vi tinh thể lấp kín khoảng trống, củng cố độ đặc chắc của liên kết giữa nền vữa mới và bề mặt cốt liệu tái chế.

Đối với khả năng chịu uốn và va đập, sự bố trí sợi polypropylene tập trung ở lớp dưới phát huy tối đa nguyên lý phân lớp chức năng. Khi tải trọng uốn tác động, vùng chịu nén phía trên do lớp bê tông cường độ cao 70 MPa đảm nhiệm, trong khi vùng chịu kéo phía dưới được sợi polypropylene truyền ứng suất cục bộ qua các khe nứt, biến dạng dẻo tăng lên và ngăn chặn tình trạng phá hoại giòn đột ngột.

Diễn biến dữ liệu cơ học trong nghiên cứu được mô hình hóa trực quan thông qua đồ thị đường biểu diễn động học phát triển cường độ nén và kéo uốn theo thời gian từ 3 đến 56 ngày tuổi, kết hợp cùng biểu đồ cột so sánh số chu kỳ va đập tích lũy giữa các nhóm cấp phối. Tương quan thực nghiệm cho thấy mối liên hệ hàm mũ chặt chẽ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của hệ bê tông phân lớp chức năng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm tin cậy, tác giả đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ bê tông phân lớp chức năng vào thực tiễn xây dựng:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ xử lý cốt liệu bê tông tái chế bằng huyền phù xi măng – tro bay – natri sunfat tại các trạm trộn bê tông thương phẩm. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu cần đầu tư hệ thống bể ngâm hoạt hóa khép kín với tỷ lệ chất kết dính kiểm soát nghiêm ngặt, đặt mục tiêu giảm độ hút nước của cốt liệu tái chế xuống dưới 5% trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, ứng dụng phương pháp đúc phân lớp ướt trên ướt trong dây chuyền sản xuất cấu kiện đúc sẵn. Các nhà máy bê tông tiền chế cần lắp đặt thiết bị phân rải hỗn hợp hai tầng tự động cho các sản phẩm dầm cầu, tấm ốp mặt đường sân bay, cấu kiện vỏ hầm và tấm lát vỉa hè chịu lực. Đặt mục tiêu kiểm soát thời gian đúc giữa hai lớp từ 20 đến 45 phút để triệt tiêu nguy cơ tách lớp, giúp cắt giảm 40% chi phí cốt liệu tự nhiên trong kế hoạch 12 tháng.

Thứ ba, kiến nghị các Viện chuyên ngành và Bộ Xây dựng xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và định mức kinh tế kỹ thuật cho vật liệu bê tông phân lớp chức năng sử dụng 50% cốt liệu tái chế và 0.3% sợi polypropylene. Mục tiêu hoàn thiện bộ hướng dẫn thi công và nghiệm thu trong 18 tháng, hướng tới việc tiêu thụ ít nhất 30% lượng tro bay xỉ than phát sinh từ các trung tâm nhiệt điện lân cận.

Thứ tư, triển khai phần mềm mô phỏng số và phân tích phần tử hữu hạn nhằm dự báo chính xác trạng thái phân bố ứng suất tiếp xúc giữa các lớp bê tông trước khi đổ bê tông khối lớn ngoài hiện trường. Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu cần hoàn thành bộ dữ liệu định chuẩn cơ học đa lớp trong thời gian 9 tháng để tối ưu hóa chiều dày từng lớp vật liệu cho từng loại cấu kiện chịu tải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung toàn diện của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế kết cấu và chuyên gia công nghệ vật liệu xây dựng. Công trình cung cấp giải pháp tối ưu hóa cấp phối bê tông mác cao 70 MPa thân thiện môi trường, giúp tính toán giảm nhẹ tải trọng bản thân kết cấu mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực uốn và chống nứt cục bộ.

Nhóm thứ hai là ban lãnh đạo kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất bê tông thương phẩm và doanh nghiệp cấu kiện đúc sẵn. Luận văn cung cấp quy trình chi tiết về công nghệ ngâm biến tính cốt liệu tái chế và kiểm soát thời gian đúc ướt trên ướt, giúp doanh nghiệp hạ giá thành sản xuất và đa dạng hóa danh mục sản phẩm xanh.

Nhóm thứ ba là các nhà nghiên cứu, giảng viên đại học, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng, Vật liệu xây dựng. Đề tài là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận thực nghiệm cơ lý, cơ chế vi cấu trúc vùng chuyển tiếp giao diện đa lớp và mô hình ứng xử dẻo dai của composite nền xi măng cốt sợi.

Nhóm thứ tư là các nhà hoạch định chính sách, cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và phát triển đô thị. Báo cáo cung cấp căn cứ khoa học xác đáng phục vụ việc xây dựng chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn, giải tỏa sức ép từ 16 triệu tấn tro xỉ nhiệt điện và hàng triệu tấn rác thải phá dỡ hằng năm.

Câu hỏi thường gặp

Bê tông phân lớp chức năng hai lớp mang lại ưu thế vượt trội nào so với bê tông đồng nhất truyền thống? Bê tông phân lớp chức năng cho phép tối ưu hóa công năng vật liệu theo vùng chịu lực của cấu kiện. Lớp trên dùng bê tông đặc chắc 70 MPa chịu nén tốt, trong khi lớp dưới tích hợp cốt liệu tái chế và 0.3% sợi polypropylene hấp thụ ứng suất kéo và chống va đập, giúp giảm giá thành và tiết kiệm tài nguyên khoáng sản tự nhiên.

Tại sao cốt liệu bê tông tái chế bắt buộc phải xử lý bằng huyền phù hoạt hóa natri sunfat trước khi trộn? Cốt liệu tái chế chứa lớp vữa cũ xốp có độ hút nước cao và độ nén dập lớn. Huyền phù xi măng – tro bay kết hợp natri sunfat thúc đẩy phản ứng pozzolanic và kết tinh khoáng ettringite, điền đầy các vi lỗ rỗng, giảm độ xốp từ 23% đến 44% và nâng cao độ dính bám của vùng tiếp giáp vữa mới.

Hàm lượng 0.3% thể tích sợi polypropylene đóng vai trò cơ học gì trong cấu kiện phân lớp? Hàm lượng 0.3% sợi polymer tạo nên mạng lưới vi sợi phân tán đa hướng, đóng vai trò cầu nối truyền ứng suất qua các khe nứt tế vi ở vùng kéo đáy dầm. Cơ chế này giúp tăng cường độ chịu kéo khi uốn thêm 25% - 35% và tăng khả năng kháng va đập hơn 100% so với bê tông không sợi.

Phương pháp đúc ướt trên ướt cần kiểm soát những thông số nào để tránh hiện tượng trượt tách lớp? Kỹ thuật đúc ướt trên ướt đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt thời gian đông kết của lớp bê tông dưới qua thí nghiệm kháng xuyên HG80s. Thời gian chờ đổ lớp thứ hai tối ưu dao động từ 20 đến 45 phút, thời điểm bề mặt đạt trạng thái thixotropy để hòa nhập tinh thể mà không làm xáo trộn ranh giới phân lớp.

Sử dụng 50% cốt liệu tái chế có làm suy giảm cường độ chịu nén thiết kế 70 MPa của cấu kiện không? Thực nghiệm chứng minh khi cốt liệu tái chế được ngâm xử lý biến tính bằng hệ huyền phù tro bay hoạt hóa sunfat, mẫu phân lớp chức năng NC–T.P vẫn đạt và duy trì mức cường độ nén 70 MPa ở 28 ngày tuổi, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của kết cấu chịu lực cao.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công bê tông phân lớp chức năng hai lớp sử dụng 50% cốt liệu tái chế biến tính kết hợp 0.3% sợi polypropylene, đạt mác cường độ nén thiết kế 70 MPa ở 28 ngày tuổi.
  • Phương pháp xử lý cốt liệu bằng huyền phù xi măng – tro bay – natri sunfat giúp giảm từ 23% đến 44% độ rỗng và cải thiện 39% - 44% độ nén dập của cốt liệu tái chế.
  • Cấu trúc phân lớp tối ưu NC–T.P nâng cao 25% - 35% cường độ kéo khi uốn và tăng hơn 100% độ kháng va đập nhờ khả năng phân bổ lại ứng suất và cầu nối vết nứt của sợi polymer.
  • Kỹ thuật thi công ướt trên ướt với thời gian chờ 20 đến 45 phút bảo đảm sự liên kết liền khối hoàn hảo tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông tươi.
  • Kế hoạch triển khai trong 12 đến 24 tháng tới cần tập trung vào việc chuẩn hóa tiêu chuẩn thi công và mở rộng ứng dụng sản xuất cấu kiện đúc sẵn xanh trên quy mô công nghiệp.

Quý độc giả, kỹ sư kết cấu và các đơn vị sản xuất bê tông quan tâm có thể khai thác chi tiết các bảng cấp phối và dữ liệu thực nghiệm trong toàn văn công trình để ứng dụng vào các dự án hạ tầng bền vững!