Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng hiện đại, nhu cầu sử dụng bê tông ngày càng tăng cao với khoảng 2 tỷ m³ bê tông được tiêu thụ hàng năm trên toàn cầu. Tuy nhiên, sản xuất xi măng Portland – thành phần chính của bê tông truyền thống – là nguồn phát thải lớn khí CO2, chiếm khoảng 7% tổng lượng khí thải CO2 toàn cầu năm 1990. Quá trình sản xuất một tấn xi măng Portland thải ra gần một tấn khí CO2, góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Bên cạnh đó, bụi phát sinh trong quá trình sản xuất xi măng cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người lao động và cư dân khu vực lân cận.

Trước thực trạng này, vật liệu bê tông Geopolymer được xem là giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, giảm tới 90% lượng khí CO2 phát thải so với xi măng Portland. Geopolymer được tổng hợp từ các nguyên liệu giàu silic và nhôm như tro bay – một phụ phẩm công nghiệp nhiệt điện có lượng phát sinh lớn nhưng tỷ lệ sử dụng thấp, gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ưu điểm về môi trường, bê tông Geopolymer còn có khả năng chịu lực cao, độ co ngót thấp và bền trong môi trường ăn mòn.

Tuy nhiên, các công trình xây dựng hiện hữu thường gặp phải các sự cố như nứt, cong vênh dầm, sàn, cột, hoặc thay đổi công năng sử dụng, đòi hỏi phải có biện pháp gia cường cấu kiện. Trong đó, việc gia cường dầm bê tông Geopolymer bằng tấm sợi carbon CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) được nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng chịu lực, giảm chuyển vị và biến dạng.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào đánh giá khả năng chịu lực của dầm bê tông Geopolymer gia cường CFRP qua thí nghiệm nén uốn ba điểm, so sánh hiệu quả gia cường giữa dầm không gia cường, gia cường một lớp và hai lớp CFRP. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2018, với ý nghĩa góp phần phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về bê tông Geopolymer và lý thuyết về vật liệu gia cường CFRP.

  • Bê tông Geopolymer: Được định nghĩa là vật liệu polymer vô cơ tổng hợp từ phản ứng hóa học giữa aluminosilicate (chủ yếu là tro bay) với dung dịch kiềm (NaOH và thủy tinh lỏng Na₂SiO₃). Quá trình Geopolymer hóa gồm ba giai đoạn: tách Si và Al khỏi nguyên liệu, di chuyển và kết hợp thành monomer, sau đó trùng ngưng tạo thành cấu trúc polymer vô định hình. Vật liệu này có ưu điểm về cường độ chịu nén cao, độ co ngót thấp, khả năng chống ăn mòn axit, sulfat và chịu nhiệt tốt.

  • Vật liệu CFRP: Là composite sợi cacbon có cường độ kéo cực hạn lên đến 986 MPa, mô đun đàn hồi 85,8 GPa và độ dãn dài cực hạn 1%. CFRP có trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống chịu môi trường tốt, được sử dụng rộng rãi trong gia cường kết cấu bê tông. Các đặc tính cơ học của CFRP được tính toán dựa trên các hệ số giảm ảnh hưởng môi trường, biến dạng thiết kế và sức kháng uốn, cắt của mặt cắt gia cường.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: cấu trúc và quá trình Geopolymer hóa, đặc tính cơ học của CFRP, và phương pháp gia cường dầm bê tông bằng tấm CFRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết và so sánh kết quả.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm uốn ba điểm trên mẫu dầm bê tông Geopolymer kích thước 200x300x3300 mm, gồm các mẫu không gia cường, gia cường một lớp và hai lớp tấm CFRP. Nguyên liệu chính gồm tro bay loại F, đá dăm, cát, dung dịch NaOH 16M và thủy tinh lỏng. Cấp phối bê tông gồm hai loại với cường độ chịu nén 20 MPa và 30 MPa.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu dầm được đúc theo tiêu chuẩn, cốt thép gia công theo TCVN 1651-2:2008, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng so sánh với các nghiên cứu trước. Mỗi loại mẫu được thử nghiệm ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.

  • Phương pháp phân tích: Đo chuyển vị tại vị trí L/4 và L/2, biến dạng tại vị trí L/2 bằng thiết bị đo chuyển vị và strain gauges. So sánh tải trọng xuất hiện vết nứt, chuyển vị và biến dạng giữa các mẫu. Kết quả được phân tích bằng biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị, lực – biến dạng và so sánh tỷ lệ phần trăm cải thiện.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình đúc mẫu, dưỡng hộ nhiệt 7 ngày ở nhiệt độ thường và 12 giờ ở 90°C, gia cường CFRP, tiến hành thí nghiệm và phân tích dữ liệu trong khoảng thời gian từ 2016 đến 2018 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu lực tăng rõ rệt khi gia cường CFRP: Dầm Geopolymer gia cường hai lớp CFRP có khả năng chịu lực cao hơn dầm gia cường một lớp và dầm không gia cường. Cụ thể, tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm hai lớp tăng khoảng 25% so với dầm một lớp và tăng khoảng 40% so với dầm không gia cường.

  2. Chuyển vị và biến dạng giảm đáng kể: Tại vị trí L/4, chuyển vị của dầm hai lớp CFRP giảm khoảng 30% so với dầm không gia cường; tại vị trí L/2, biến dạng cũng giảm tương ứng khoảng 28%. Điều này chứng tỏ hiệu quả gia cường trong việc hạn chế biến dạng và tăng độ cứng cho cấu kiện.

  3. Khả năng làm việc chung giữa CFRP và Geopolymer tốt: Các mẫu dầm cho thấy sự liên kết bền vững giữa tấm CFRP và bề mặt dầm Geopolymer sau khi gia cường, không xảy ra hiện tượng tách lớp sớm trong quá trình thử tải. Tải trọng phá hoại của dầm gia cường hai lớp cao hơn khoảng 35% so với dầm không gia cường.

  4. Ảnh hưởng của cấp phối bê tông: Mẫu dầm cấp phối có cường độ chịu nén 30 MPa cho kết quả tốt hơn so với cấp phối 20 MPa, với tải trọng xuất hiện vết nứt và tải trọng phá hoại tăng lần lượt khoảng 15% và 20%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện khả năng chịu lực và giảm biến dạng là do tính chất cơ học ưu việt của vật liệu CFRP, với mô đun đàn hồi cao và khả năng chịu kéo lớn, giúp tăng cường mặt chịu kéo của dầm Geopolymer. Việc gia cường hai lớp CFRP tạo ra lớp bảo vệ dày hơn, phân bố ứng suất tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả gia cường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về dầm bê tông xi măng gia cường CFRP, kết quả nghiên cứu này tương đồng về xu hướng tăng cường khả năng chịu lực và giảm biến dạng. Tuy nhiên, việc áp dụng bê tông Geopolymer làm vật liệu nền góp phần giảm đáng kể lượng khí thải CO2, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả kỹ thuật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực – chuyển vị tại vị trí L/4 và L/2, biểu đồ lực – biến dạng tại vị trí L/2, cũng như bảng tổng hợp tải trọng xuất hiện vết nứt và tải trọng phá hoại của các mẫu dầm. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu quả gia cường giữa các nhóm mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi dầm bê tông Geopolymer gia cường CFRP trong xây dựng: Khuyến nghị các chủ đầu tư và nhà thầu sử dụng dầm Geopolymer gia cường CFRP trong các công trình dân dụng và công nghiệp nhằm giảm phát thải khí CO2 và tăng tuổi thọ công trình. Thời gian áp dụng có thể bắt đầu ngay trong các dự án mới và cải tạo.

  2. Phát triển quy trình thi công và kiểm soát chất lượng gia cường CFRP: Đề xuất xây dựng quy trình chuẩn về mài nhẵn bề mặt, quét keo Epoxy và dán tấm CFRP, đảm bảo liên kết bền vững giữa CFRP và dầm Geopolymer. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công và giám sát kỹ thuật, với thời gian đào tạo và chuẩn hóa trong vòng 6 tháng.

  3. Nghiên cứu mở rộng về các loại vật liệu Geopolymer và CFRP khác nhau: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục thử nghiệm với các loại tro bay khác, tỷ lệ dung dịch kiềm khác nhau và các loại CFRP đa dạng để tối ưu hóa hiệu quả gia cường. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và tính toán cho cấu kiện bê tông Geopolymer gia cường CFRP: Cơ quan quản lý xây dựng cần phối hợp với các chuyên gia để ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật, giúp các kỹ sư thiết kế và thi công dễ dàng áp dụng. Quá trình này nên được hoàn thành trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Giúp hiểu rõ về vật liệu Geopolymer và phương pháp gia cường CFRP, từ đó áp dụng vào thiết kế các cấu kiện chịu lực hiệu quả, giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Nắm bắt quy trình thi công gia cường CFRP trên dầm Geopolymer, đảm bảo chất lượng và an toàn trong quá trình thi công, đồng thời giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu mới thân thiện môi trường và kỹ thuật gia cường hiện đại, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo hoặc ứng dụng thực tế.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng: Hiểu được lợi ích kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông Geopolymer gia cường CFRP, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, nâng cao giá trị bền vững của công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông Geopolymer khác gì so với bê tông xi măng truyền thống?
    Bê tông Geopolymer sử dụng chất kết dính từ phản ứng polymer hóa aluminosilicate với dung dịch kiềm, giảm tới 90% lượng khí CO2 phát thải so với xi măng Portland. Nó có độ bền cao, ít co ngót và khả năng chống ăn mòn tốt hơn.

  2. Tại sao chọn CFRP để gia cường dầm Geopolymer?
    CFRP có cường độ kéo cực hạn cao (986 MPa), mô đun đàn hồi lớn (85,8 GPa), trọng lượng nhẹ và khả năng chống chịu môi trường tốt, giúp tăng cường hiệu quả chịu lực và giảm biến dạng cho dầm.

  3. Gia cường một lớp và hai lớp CFRP khác nhau thế nào về hiệu quả?
    Gia cường hai lớp CFRP tăng khả năng chịu lực và giảm chuyển vị, biến dạng tốt hơn khoảng 25-30% so với một lớp, nhờ lớp gia cường dày hơn và phân bố ứng suất hiệu quả hơn.

  4. Quy trình gia cường CFRP gồm những bước nào?
    Bao gồm mài nhẵn bề mặt dầm, quét keo Epoxy lên bề mặt dầm và tấm CFRP, dán tấm CFRP lên dầm, neo tấm bằng các biện pháp cơ học, và dưỡng hộ để keo khô và liên kết bền vững.

  5. Ứng dụng thực tế của dầm Geopolymer gia cường CFRP là gì?
    Có thể sử dụng trong các công trình xây dựng mới hoặc cải tạo, đặc biệt ở những nơi cần giảm phát thải môi trường và tăng cường khả năng chịu lực cho cấu kiện như nhà cao tầng, cầu đường, công trình công nghiệp.

Kết luận

  • Bê tông Geopolymer là vật liệu thân thiện môi trường, giảm tới 90% khí CO2 so với xi măng Portland, phù hợp thay thế trong xây dựng hiện đại.
  • Gia cường dầm Geopolymer bằng tấm CFRP giúp tăng khả năng chịu lực, giảm chuyển vị và biến dạng đáng kể, đặc biệt khi sử dụng hai lớp CFRP.
  • Kết quả thí nghiệm cho thấy sự làm việc chung hiệu quả giữa CFRP và dầm Geopolymer, không xảy ra hiện tượng tách lớp sớm.
  • Cấp phối bê tông và quy trình gia cường ảnh hưởng lớn đến hiệu quả chịu lực của cấu kiện.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi dầm Geopolymer gia cường CFRP trong xây dựng, đồng thời phát triển tiêu chuẩn thiết kế và quy trình thi công chuẩn hóa.

Next steps: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng về vật liệu và quy trình gia cường, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và triển khai ứng dụng thực tế.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và chủ đầu tư nên quan tâm và áp dụng công nghệ bê tông Geopolymer gia cường CFRP để góp phần phát triển xây dựng bền vững và bảo vệ môi trường.