Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển xây dựng ngày càng tăng, lượng phế thải bê tông từ các công trình phá dỡ tạo ra áp lực lớn lên môi trường và hệ thống xử lý chất thải. Ước tính, bê tông chiếm từ 25% đến 45% tổng lượng chất thải rắn xây dựng trên toàn cầu mỗi năm. Việc khai thác cát, đá tự nhiên để làm cốt liệu bê tông cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Do đó, nghiên cứu ứng dụng bê tông tái chế kết hợp phụ gia tro bay và gia cường bằng vật liệu composite CFRP nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường là rất cần thiết.

Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của dầm bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế thay thế đá tự nhiên, kết hợp phụ gia tro bay và gia cường bằng tấm CFRP. Nghiên cứu tập trung vào các tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế 30%, 50%, 70% và sử dụng 30% phụ gia tro bay, so sánh với dầm sử dụng 100% đá tự nhiên. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2022, với các thí nghiệm thực tế trên mẫu dầm bê tông kích thước 200x300x1800 mm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu rác thải xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và nâng cao độ bền, tuổi thọ công trình. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng bê tông tái chế trong thiết kế và thi công các công trình xây dựng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA): Vụn bê tông tái chế được nghiền từ bê tông phế thải, có thành phần hóa học tương tự bê tông tự nhiên nhưng cường độ chịu lực thấp hơn do độ hút nước cao và tính đồng nhất kém. Việc thay thế đá tự nhiên bằng RCA ảnh hưởng đến cường độ và biến dạng của bê tông.

  • Hiệu ứng phụ gia tro bay (Fly Ash): Tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính, có thành phần chủ yếu SiO2, Al2O3, Fe2O3, giúp tăng cường độ bê tông, giảm nhiệt độ phát sinh trong quá trình đóng rắn, tăng khả năng chống thấm và độ bền lâu dài. Tỷ lệ sử dụng tro bay trong nghiên cứu là 30% thay thế xi măng.

  • Gia cường bằng tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer): CFRP có đặc tính nhẹ, độ bền kéo cao, chống ăn mòn và giãn nở nhiệt thấp, được sử dụng để gia cường dầm bê tông cốt thép nhằm tăng khả năng chịu uốn và chịu cắt. Tấm CFRP UT70-30G được sử dụng với kích thước 220mm x 1800mm, dán ở mặt dưới dầm bằng keo chuyên dụng.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ nén bê tông, biến dạng dầm, tải trọng giới hạn phá hoại, độ võng dầm, và hiệu quả gia cường CFRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết:

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu bê tông được chế tạo với các tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế 0%, 30%, 50%, 70% và 30% phụ gia tro bay. Các mẫu dầm bê tông cốt thép kích thước 200x300x1800 mm được gia cường bằng tấm CFRP UT70-30G.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3105:1993, bảo dưỡng 28 ngày trước khi gia cường và thử nghiệm. Cốt liệu tái chế được lựa chọn đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm uốn 3 điểm để xác định mối quan hệ tải trọng - chuyển vị (P - Δ), đo độ võng, tải trọng giới hạn phá hoại, quan sát hình dạng vết nứt. Dữ liệu được ghi nhận tự động bằng hệ thống LVDT và data-logger TDS-530. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành.

  • Timeline nghiên cứu: Chuẩn bị vật liệu và mẫu trong 1 tháng, bảo dưỡng mẫu 28 ngày, gia cường và bảo dưỡng thêm 7 ngày, tiến hành thí nghiệm trong 2 tuần, phân tích và tổng hợp kết quả trong 1 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu tái chế đến cường độ nén bê tông:
    Cường độ nén giảm khi tỷ lệ RCA tăng. Cụ thể, với 30% RCA, cường độ giảm khoảng 2,1% so với bê tông tự nhiên; với 70% RCA, giảm tối đa 23,8%. Cường độ nén mẫu bê tông của dầm D1 (0% RCA) đạt 28 MPa, trong khi dầm D4 (70% RCA) đạt khoảng 25 MPa.

  2. Khả năng chịu uốn của dầm gia cường CFRP:
    Dầm bê tông tái chế có phụ gia tro bay và gia cường CFRP cho thấy ứng xử uốn tương tự dầm bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Tải trọng phá hoại của dầm D4 (70% RCA) gia cường CFRP đạt hiệu quả cao, gần tương đương dầm CC (100% đá tự nhiên).

  3. Biến dạng và độ võng dầm:
    Dầm sử dụng cốt liệu tái chế có độ võng lớn hơn dầm sử dụng đá tự nhiên, do độ cứng sau nứt thấp hơn. Tuy nhiên, gia cường CFRP giúp giảm đáng kể độ võng, tăng độ cứng và khả năng chịu tải.

  4. Hình dạng và phát triển vết nứt:
    Vết nứt trên dầm bê tông tái chế có khoảng cách gần nhau hơn, chiều rộng vết nứt lớn hơn so với dầm bê tông tự nhiên. Gia cường CFRP làm giảm sự phát triển vết nứt và tăng khả năng chịu lực kéo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm cường độ nén khi tăng tỷ lệ RCA là do vụn bê tông có độ hút nước cao hơn đá tự nhiên, ảnh hưởng đến tỷ lệ nước xi măng và tính đồng nhất của hỗn hợp bê tông. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy bê tông tái chế có cường độ thấp hơn bê tông truyền thống nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật khi tỷ lệ thay thế hợp lý.

Gia cường bằng tấm CFRP đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện khả năng chịu uốn và giảm biến dạng của dầm bê tông tái chế. So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng CFRP giúp tăng khả năng chịu tải lên đến 60% so với dầm không gia cường, đồng thời giảm độ võng và kiểm soát vết nứt hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tải trọng - chuyển vị, bảng so sánh cường độ nén và tải trọng phá hoại giữa các mẫu dầm, cũng như hình ảnh vết nứt minh họa sự khác biệt giữa dầm tái chế và dầm tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng bê tông tái chế kết hợp phụ gia tro bay trong xây dựng:
    Áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tối đa 70% và 30% phụ gia tro bay để giảm chi phí và bảo vệ môi trường, đồng thời đảm bảo chất lượng công trình. Thời gian áp dụng: 1-3 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư.

  2. Gia cường kết cấu bê tông tái chế bằng tấm CFRP:
    Sử dụng tấm CFRP UT70-30G hoặc tương đương để gia cường dầm bê tông tái chế nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ bền. Thời gian thực hiện: trong quá trình thi công hoặc sửa chữa. Chủ thể: kỹ sư thiết kế và thi công.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông tái chế và gia cường CFRP:
    Đề xuất bổ sung quy chuẩn kỹ thuật trong tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam để tạo điều kiện pháp lý cho việc ứng dụng rộng rãi bê tông tái chế. Thời gian: 2-4 năm. Chủ thể: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về vật liệu tái chế và công nghệ gia cường:
    Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, công nhân xây dựng về kỹ thuật sử dụng bê tông tái chế và gia cường CFRP. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu, doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình xây dựng:
    Nắm bắt kiến thức về vật liệu bê tông tái chế, phụ gia tro bay và công nghệ gia cường CFRP để áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình dân dụng, giao thông.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách xây dựng:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn, quy định về sử dụng vật liệu tái chế, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng:
    Là tài liệu tham khảo bổ ích cho giảng dạy và nghiên cứu khoa học về vật liệu xây dựng thân thiện môi trường và công nghệ gia cường kết cấu.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và công nghệ gia cường:
    Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm bê tông tái chế chất lượng cao và vật liệu CFRP phù hợp với thị trường trong nước và quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tái chế có thể thay thế bao nhiêu phần trăm cốt liệu tự nhiên mà không ảnh hưởng đến chất lượng?
    Theo nghiên cứu, bê tông tái chế có thể thay thế đến 70% cốt liệu tự nhiên khi kết hợp phụ gia tro bay và gia cường CFRP mà vẫn đảm bảo cường độ và độ bền tương đương.

  2. Phụ gia tro bay có tác dụng gì trong bê tông tái chế?
    Tro bay giúp tăng cường độ bê tông, giảm nhiệt độ phát sinh khi đóng rắn, tăng khả năng chống thấm và độ bền lâu dài, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

  3. Gia cường bằng tấm CFRP có ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu lực của dầm bê tông?
    Gia cường CFRP tăng khả năng chịu uốn, giảm độ võng và kiểm soát vết nứt, giúp dầm bê tông tái chế đạt hiệu suất tương đương hoặc cao hơn dầm bê tông tự nhiên.

  4. Quy trình gia cường dầm bằng CFRP được thực hiện như thế nào?
    Bề mặt dầm được mài nhẵn, phủ keo lót, dán tấm CFRP, phủ keo phủ và bảo dưỡng trong vòng một tuần để đảm bảo độ bám dính và hiệu quả gia cường.

  5. Việc sử dụng bê tông tái chế có lợi ích gì về mặt môi trường?
    Giúp giảm lượng phế thải xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm ô nhiễm môi trường và góp phần phát triển xây dựng bền vững.

Kết luận

  • Bê tông tái chế thay thế đến 70% cốt liệu tự nhiên kết hợp 30% phụ gia tro bay và gia cường CFRP cho hiệu quả chịu lực và biến dạng tương đương bê tông truyền thống.
  • Cường độ nén bê tông giảm tối đa khoảng 23,8% khi sử dụng 70% cốt liệu tái chế, nhưng gia cường CFRP giúp bù đắp hiệu quả này.
  • Gia cường bằng tấm CFRP UT70-30G tăng khả năng chịu uốn, giảm độ võng và kiểm soát vết nứt hiệu quả cho dầm bê tông tái chế.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện lý thuyết và thực tiễn ứng dụng vật liệu tái chế trong xây dựng, đồng thời hỗ trợ phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật mới.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi bê tông tái chế và công nghệ gia cường CFRP trong ngành xây dựng nhằm bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng công trình.

Tiếp theo, cần triển khai các dự án ứng dụng thực tế, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực để thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững. Độc giả và các chuyên gia được khuyến khích nghiên cứu sâu hơn và áp dụng kết quả trong thực tiễn xây dựng.