Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu sự làm việc của dầm bê tông cốt thép sử dụng tro bay và xỉ lò cao làm chất kết dính geopolymer" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Quang Đạo, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Thanh Tùng và TS. Ngô Đức Tuấn, bảo vệ tại Trường Đại học Xây dựng năm 2021, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng (mã số 9580201).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông xi măng Pooc-lăng (OPC) truyền thống tạo ra lượng phát thải khí $\text{CO}_2$ rất lớn (trung bình 1 tấn xi măng phát thải khoảng 1 tấn $\text{CO}_2$), chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng phát thải gây hiệu ứng nhà kính. Trong khi đó, tại Việt Nam tính đến năm 2017, 19 nhà máy nhiệt điện than thải ra hằng năm khoảng 11 triệu tấn tro bay, 5 triệu tấn xỉ đáy và 4 triệu tấn thạch cao; phần lớn lượng tro xỉ này chưa được tận dụng triệt để mà chủ yếu lưu chứa tại các bãi thải, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường và chiếm dụng quỹ đất. Cùng với đó, ngành luyện kim trong nước cung cấp lượng xỉ lò cao nghiền mịn đáng kể (như xỉ S95 Hòa Phát - Hải Dương công suất 750.000 tấn/năm và Hòa Phát - Dung Quất khoảng 2,6 triệu tấn/năm).

Việc kết hợp tro bay và xỉ lò cao để chế tạo bê tông geopolymer (GPC) giúp tiêu thụ phế thải công nghiệp và cho phép bê tông đông cứng ở điều kiện nhiệt độ thường mà không cần dưỡng hộ nhiệt. Tuy nhiên, các nghiên cứu kết cấu chịu lực sử dụng GPC trước đây chủ yếu dừng lại ở mức so sánh thực nghiệm với bê tông OPC, chưa xây dựng cơ sở lý thuyết hay chỉ dẫn tính toán thiết kế chuyên biệt cho dầm GPC cốt thép phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam (TCVN 5574:2018).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xây dựng cấp phối phù hợp chế tạo vật liệu bê tông GPC trong điều kiện không dưỡng hộ nhiệt có cường độ chịu nén trung bình đến 50 MPa từ nguồn tro bay và xỉ lò cao trong nước sử dụng chất hoạt hóa dạng bột khô.
  2. Xác định các đặc trưng cơ học của bê tông GPC như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi và xây dựng quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu.
  3. Khảo sát sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép và đề xuất quy trình tính toán phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018.
  4. Nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất mô hình số sự làm việc của dầm GPC cốt thép để kiểm chứng mô hình ứng suất – biến dạng của vật liệu GPC cũng như khảo sát, so sánh sự phát triển của khe nứt và biến dạng ngắn hạn với tính toán lý thuyết về biến dạng của dầm OPC cốt thép theo TCVN 5574:2018.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Vật liệu bê tông GPC chế tạo từ tro bay và xỉ lò cao được hoạt hóa bằng chất hoạt hóa kiềm dạng bột khô.
    • Cấu kiện dầm bê tông GPC có cốt thép, tiết diện chữ nhật, đặt cốt đơn chịu uốn.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về không gian và nguồn vật liệu: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nguồn nguyên vật liệu tại Việt Nam gồm tro bay Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại (loại F theo TCVN 10302:2014), xỉ hạt lò cao nghiền mịn S95 từ Nhà máy Luyện kim Hòa Phát (theo TCVN 11586:2016), cát vàng sông Lô và đá dăm Kiện Khê.
    • Về điều kiện kỹ thuật: Chế tạo và đóng rắn trong điều kiện không dưỡng hộ nhiệt (nhiệt độ phòng), cấp cường độ chịu nén trung bình đạt đến 50 MPa.
    • Về ứng xử cơ học: Khảo sát đặc trưng cơ học tĩnh của vật liệu và sự làm việc của dầm trên tiết diện thẳng góc dưới tác dụng ngắn hạn của tải trọng tĩnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu chính trên thế giới và trong nước

Lịch sử nghiên cứu chất kết dính kiềm và geopolymer bắt đầu từ công trình về bê tông xỉ kiềm của Purdon (1940), tiếp nối bởi khái niệm chất kết dính geopolymer do Davidovits (1978, 1991) đề xuất dựa trên phản ứng trùng ngưng alumino-silicat. Theo Davidovits (1978), cấu trúc mạng polyme vô cơ có ba dạng chuỗi cơ bản: Poly(sialate) [-Si-O-Al-O-], Poly(sialate-siloxo) [-Si-O-Al-O-Si-O-] và Poly(sialate-disiloxo) [-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-]. McLellan (2011) tính toán lượng phát thải $\text{CO}_2$ của chất kết dính geopolymer chỉ bằng 27% đến 45% so với xi măng Pooc-lăng.

Về chất hoạt hóa và cấp phối:

  • Alonso & Palomo (2001), Fernandez & Palomo (2005), Palomo (1999) khảo sát các loại kiềm $\text{NaOH}$, $\text{Na}_2\text{CO}_3$, $\text{Na}_2\text{SiO}_3$, khẳng định việc kết hợp $\text{NaOH}$ (hoặc $\text{KOH}$) với $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ mang lại hiệu quả polyme hóa cao.
  • Provis (2014) khảo sát chất hoạt hóa dạng bột khô natri silicate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$) và natri pentahydrate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3\cdot n\text{H}_2\text{O}$) có mô đun $\text{Na}_2\text{O}/\text{SiO}_2$ từ 0,9 đến 3,32, chứng minh $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ bột khô cho cường độ và tính công tác tốt hơn dạng tinh thể ngậm nước.
  • Hardjito & Rangan (2005) khảo sát GPC tro bay loại F với nồng độ dung dịch kiềm 8–14 M, chỉ ra yêu cầu dưỡng hộ nhiệt để bê tông đạt cường độ tối ưu.
  • Lee (2013), Nath & Sarker (2014), Thomas (2015) nghiên cứu cấp phối phối hợp tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn (GGBFS), xác định việc bổ sung xỉ lò cao cung cấp thành phần $\text{CaO}$ tạo gel C-S-H song song với mạng geopolymer N-A-S-H, giúp bê tông đóng rắn ở nhiệt độ thường nhưng làm giảm độ sụt và rút ngắn thời gian đông kết.

Về đặc trưng cơ học và ứng xử dầm GPC:

  • Sarker (2010), Sofi (2007) xác định cường độ chịu kéo và lực dính của GPC lớn hơn OPC, trong khi mô đun đàn hồi $E_c$ của GPC thấp hơn OPC khoảng 25–40% (Lee, 2013; Ding, 2016).
  • Chang (2009) kiểm tra lực dính trên 12 dầm GPC, đối chiếu mô hình Canbay & Frosch (2005), xác định lực dính của GPC cao hơn và hệ số biến động (Cov = 12–15%) thấp hơn OPC (Cov = 23% theo Esfahani & Rangan, 1998).
  • Sumajouw & Rangan (2006) thử nghiệm 12 dầm GPC tro bay chịu uốn ($f'c = 37 - 76\text{ MPa}$, hàm lượng thép $\rho_s = 0,64% - 2,69%$), ghi nhận dầm làm việc qua 3 giai đoạn như OPC nhưng mô men nứt thực tế $M{crc}$ cao hơn tính toán theo tiêu chuẩn ACI 318.
  • Maranan (2015) thử nghiệm dầm GPC cốt sợi GFRP và cốt thép thường, ghi nhận biến dạng cực hạn vùng nén khi phá hoại đạt khoảng 0,3%.
  • Tại Việt Nam: Các nghiên cứu gạch không nung của Huệ Quang (2009), Trường ĐH Bách khoa TP.HCM (2010), Viện Vật liệu Xây dựng (2012); nghiên cứu vữa GPC của ĐH Giao thông Vận tải (2011); luận án của Trần Việt Hưng (2017) nghiên cứu GPC tro bay dưỡng hộ nhiệt áp dụng mô hình Sargin (1971); luận án của Tống Tôn Kiên (2017) về bê tông cốt liệu tái chế dùng xỉ kiềm. Các đề tài liên quan gồm đề tài Bộ Giáo dục và Đào tạo B2016-XDA-04, các đề tài cấp quốc gia BĐKH 07/16-20 và ĐTDL.CN-19/17.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trong nước và quốc tế chưa thiết lập mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến đầy đủ cho GPC tro bay - xỉ lò cao sử dụng chất hoạt hóa bột khô đóng rắn ở nhiệt độ thường. Đồng thời, chưa có công thức giải tích xác định hệ số xét đến biến dạng dẻo $\gamma$ để tính mô men kháng nứt $M_{crc}$ và quy trình tính toán khả năng chịu lực trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép tương thích với các trạng thái giới hạn theo TCVN 5574:2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết tính toán cấu kiện dầm theo TCVN 5574:2018:
    • Giả thiết tiết diện phẳng (Bernoulli).
    • Tính toán mô men kháng nứt theo trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH II): $$M_{crc} = W_{pl} R_{bt,ser} = \gamma W_{red} R_{bt,ser}$$ Trong đó $W_{red} = I_{red} / y_t$; với bê tông OPC thông thường, tiêu chuẩn quy định $\gamma = 1,3$ đối với tiết diện chữ nhật và chữ T; biến dạng đàn hồi kéo giới hạn $\varepsilon_{bt,1} = 0,008%$, biến dạng kéo cực hạn $\varepsilon_{bt,2} = 0,015%$.
    • Tính toán khả năng chịu lực $M_{gh}$ theo trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH I) sử dụng phương pháp nội lực giới hạn vùng nén quy đổi chữ nhật: chiều cao vùng nén quy ước $x = 0,8 x_1$ khi cấp độ bền nén $\le \text{B60}$; hệ số giới hạn chiều cao vùng nén $\xi_R = 0,8 / (1 + \varepsilon_{s,el} / \varepsilon_{b2})$ với $\varepsilon_{b2} = 0,0035$.
  • Các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng kinh điển được phân tích đối chiếu:
    • Mô hình Hognestad (1951): Nhánh nén parabol và nhánh thẳng giảm dần đến $0,85 f'_c$ tại $\varepsilon_u = 0,0038$.
    • Mô hình Kent & Park (1971) và Scott điều chỉnh (Pendyala, 1997): Nhánh giảm tuyến tính phụ thuộc thông số độ dốc $Z$.
    • Mô hình Todeschini (1964): Hàm liên tục bậc hai dạng phân thức.
    • Mô hình Popovics (1973) và Thorenfeldt (1987): Hàm phi tuyến xét hệ số độ cong $n = 0,8 + f'_c / 17$ (đối với OPC) và các hiệu chỉnh cho GPC của Collins (1993), Sarker (2008).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời ba phương pháp:

  1. Phương pháp thực nghiệm vật liệu và cấu kiện:
    • Thí nghiệm cơ lý vật liệu thành phần theo TCVN 10302:2014, TCVN 11586:2016, tiêu chuẩn cốt liệu và vữa.
    • Thí nghiệm nén mẫu trụ, nén mẫu lập phương, kéo ép chẻ, kéo dọc trục, uốn lăng trụ để xác định $R_b, R_{bt}, E_b$, hệ số Poisson $\nu$ và đường cong ứng suất - biến dạng $(\sigma - \varepsilon)$.
    • Thí nghiệm dầm chịu uốn 4 điểm với tải trọng tăng dần, đo đạc chuyển vị bằng LVDT, biến dạng bê tông và cốt thép bằng phiến đo điện trở (strain gauge), đo độ mở rộng khe nứt bằng extensometer.
  2. Phương pháp phân tích lý thuyết và giải tích:
    • Phân tích tích phân số vi phân chia nhỏ Newton-Cotes để xác định ứng suất phân bố vùng nén.
    • Thiết lập phương trình cân bằng mô men giải tích và xác định lại hệ số $\gamma$, $\beta$, $\xi_R$ cho GPC.
  3. Phương pháp mô phỏng số (PTHH):
    • Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm ABAQUS, sử dụng mô hình dẻo tổn thương bê tông (Concrete Damaged Plasticity - CDP/DPCL) tích hợp đường cong $\sigma - \varepsilon$ thực nghiệm.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Tro bay loại F từ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
  • Xỉ lò cao nghiền mịn S95 từ Hòa Phát - Hải Dương.
  • Cát vàng sông Lô, đá dăm Kiện Khê (kích cỡ hạt tiêu chuẩn).
  • Chất hoạt hóa kiềm dạng bột khô natri silicate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$).
  • Cốt thép thanh chịu lực cán nóng (CB300-V, CB400-V).
Chỉ tiêu kỹ thuật theo chuẩn viện dẫn Tro bay Phả Lại (Loại F - TCVN 10302:2014) Xỉ lò cao S95 Hòa Phát (TCVN 11586:2016)
$\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$ (%) $\ge 70$ $90 - 95$ (tổng oxit chính)
Hàm lượng $\text{SO}_3$ (%) $\le 3,0$ $\le 4,0$
Hàm lượng $\text{MgO}$ (%) - $\le 10,0$
Mất khi nung - MKN (%) $\le 12,0$ -
Độ mịn / Bề mặt riêng Sót sàng $45\ \mu\text{m} \le 25%$ Bề mặt riêng $\ge 5.000\text{ cm}^2/\text{g}$
Khối lượng riêng - $\ge 2,8\text{ g/cm}^3$

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu xử lý tro bay nhiệt điện than và xỉ lò cao luyện kim tại Việt Nam nhằm giảm phát thải $\text{CO}_2$ từ sản xuất xi măng. Xác định mục tiêu chế tạo GPC không dưỡng hộ nhiệt cường độ đến 50 MPa từ hoạt hóa bột khô, đối tượng là vật liệu GPC và dầm chịu uốn đơn tiết diện chữ nhật, phương pháp nghiên cứu kết hợp thực nghiệm - giải tích - PTHH ABAQUS. Nêu bố cục luận án gồm phần Mở đầu, 4 chương nội dung chính, Kết luận và Phụ lục.

Chương 1: Tổng quan về vật liệu GPC và sự làm việc của dầm GPC cốt thép

Tổng hợp lý thuyết geopolymer vô cơ, bản chất mạng polyme [-Si-O-Al-O-] không tạo tinh thể C-S-H truyền thống mà dựa trên quá trình trùng ngưng trong môi trường kiềm mạnh. Tổng hợp số liệu thực nghiệm từ các công trình quốc tế và Việt Nam:

Tác giả / Nguồn Loại vật liệu GPC Đặc trưng chịu kéo ($f_{ct,sp}$) Mô đun đàn hồi ($E_c$)
Hardjito & Rangan (2005) Tro bay hoạt hóa dung dịch $4,43 - 7,43\text{ MPa}$ ($f'_c = 44 - 89\text{ MPa}$) $23,0 - 30,8\text{ GPa}$ (thấp hơn OPC)
Sofi (2007) Tro bay + Xỉ lò cao $f_{ct,sp} = 0,48\sqrt{f'_c}$ Nằm giữa các tiêu chuẩn OPC
Lee (2013) Tro bay + Xỉ lò cao $f_{ct,sp} = 0,45\sqrt{f'_c}$ $E_c = 5.300 \sqrt[3]{f'_c}$ (nhỏ hơn 25–40% OPC)
Thomas (2015) Tro bay loại C / Xỉ lò cao $f_{ct,sp} = 1,08\sqrt{f'_c}$ $E_c = 4.400\sqrt{f'_c}$
Nath & Sarker (2014) Tro bay + Xỉ lò cao $f_{ct,sp} = 0,48\sqrt{f'_c}$ $E_c = 3.510\sqrt{f'_c}$

Chương 1 cũng phân tích các mô hình giải tích ứng suất - biến dạng của Hognestad, Kent & Park, Scott điều chỉnh, Todeschini, Popovics, Sargin; đồng thời phân tích cơ sở tính toán dầm theo TCVN 5574:2018 (mô hình 2 đoạn thẳng, 3 đoạn thẳng, sơ đồ ứng suất chữ nhật quy đổi). Nhận xét chương khẳng định GPC có cường độ kéo cao hơn nhưng tính giòn lớn hơn, đòi hỏi phải hiệu chỉnh mô hình ứng suất - biến dạng và các hệ số tính toán tiết diện khi áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam.

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo và đặc trưng cơ học bê tông geopolymer

  • Trình bày nguyên tắc xây dựng cấp phối GPC sử dụng tro bay Phả Lại và xỉ lò cao S95 Hòa Phát kết hợp chất hoạt hóa bột khô $\text{Na}_2\text{SiO}_3$.
  • Tiến hành thực nghiệm hai nhóm cấp phối khảo sát:
    • Nhóm I: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Nước / Chất kết dính (N/CKD).
    • Nhóm II: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Chất hoạt hóa / Chất kết dính (CHH/CKD).
  • Đánh giá các đặc trưng cơ học thực nghiệm sau 28 ngày tuổi: cường độ nén lập phương và trụ, cường độ kéo dọc trục, cường độ kéo ép chẻ, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi $E_b$, hệ số Poisson $\nu$, biến dạng cực hạn nén $\varepsilon_{b0}$, biến dạng kéo $\varepsilon_{bt0}$.
  • Kết quả cho thấy tỷ lệ N/CKD và CHH/CKD có tính quyết định đến độ sụt và cường độ chịu nén; vật liệu GPC chế tạo trong điều kiện nhiệt độ phòng đạt cường độ chịu nén trung bình từ 20 đến 50 MPa. Biểu đồ $\sigma - \varepsilon$ thực nghiệm xác nhận sau khi đạt đỉnh ứng suất nén, đường cong của GPC suy giảm dốc hơn so với bê tông OPC.

Chương 3: Nghiên cứu sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép

  • Đề xuất mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến chuyên biệt cho GPC dải cường độ 20–50 MPa, hiệu chỉnh từ dạng hàm Popovics và TCVN 5574:2018 để phản ánh độ suy giảm ứng suất nhanh sau đỉnh.
  • Phân tích 3 giai đoạn làm việc của dầm GPC trên tiết diện thẳng góc: (1) giai đoạn đàn hồi chưa nứt, (2) giai đoạn sau khi nứt, (3) giai đoạn phá hoại.
  • Thiết lập công thức xác định mô men kháng nứt $M_{crc}$: Xây dựng lại biểu đồ ứng suất - biến dạng vùng kéo đàn dẻo và đề xuất giá trị hệ số $\gamma$ (xét đến biến dạng dẻo vùng kéo) phù hợp cho GPC thay cho giá trị $\gamma = 1,3$ của OPC.
  • Thiết lập phương pháp tính khả năng chịu lực $M_{gh}$ trên tiết diện thẳng góc theo phương pháp biến dạng phi tuyến và phương pháp nội lực giới hạn (xác định lại hệ số chiều cao vùng nén quy đổi $\beta$ và hệ số giới hạn chiều cao vùng nén $\xi_R$).
  • Kiểm chứng tính đúng đắn của công thức đề xuất bằng tập số liệu thực nghiệm 12 dầm GPC của Sumajouw & Rangan (2006), cho thấy mức độ tương thích cao giữa lý thuyết đề xuất và số liệu đo đạc thực tế.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của dầm GPC cốt thép

  • Nghiên cứu thực nghiệm dầm: Thiết kế và thử nghiệm các nhóm dầm GPC cốt thép (nhóm dầm D1, D2, D3) với các hàm lượng cốt thép dọc khác nhau. Ghi nhận chi tiết:
    • Tải trọng nứt $P_{crc}$ và mô men kháng nứt thực nghiệm $M_{crc}$.
    • Tải trọng phá hoại $P_u$, khả năng chịu lực thực nghiệm $M_u$, cơ chế phá hoại dẻo điển hình khi cốt thép kéo chảy trước khi bê tông vùng nén bị ép vỡ.
    • Sự phân bố, khoảng cách và bề rộng khe nứt $a_{crc}$ theo từng cấp tải trọng đo bằng extensometer.
    • Đường cong quan hệ mô men - độ cong $(M - 1/r)$, mô men - ứng suất/biến dạng bê tông (USBT) và cốt thép (USCT).
  • Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH):
    • Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm ABAQUS sử dụng mô hình dẻo tổn thương bê tông (DPCL/CDP).
    • Khảo sát độ nhạy kích thước lưới chia phần tử hữu hạn.
  • Đối chiếu so sánh: So sánh kết quả giữa mô phỏng số, tính toán lý thuyết đề xuất và kết quả thực nghiệm về ứng xử $\sigma - \varepsilon$, độ cong, mô men kháng nứt $M_{crc}$, khả năng chịu lực $M_u$ và hình thái nứt gãy Von Mises. Kết quả mô phỏng số bám sát phản ứng thực tế của dầm.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về công nghệ vật liệu: Thiết lập thành công quy trình xây dựng cấp phối chế tạo bê tông GPC trong điều kiện không dưỡng hộ nhiệt (đóng rắn ở nhiệt độ thường), đạt cường độ chịu nén trung bình từ 20 đến 50 MPa từ nguồn nguyên liệu địa phương trong nước (tro bay Phả Lại, xỉ hạt lò cao nghiền mịn S95 Hòa Phát) và chất hoạt hóa kiềm natri silicate dạng bột khô.
  2. Về mô hình cơ học vật liệu: Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến của vật liệu GPC, phản ánh chính xác đặc tính biến dạng đàn hồi lớn và tốc độ suy giảm ứng suất nhanh sau đỉnh ứng suất nén của bê tông geopolymer tro bay - xỉ lò cao.
  3. Về phương pháp tính toán kết cấu: Đề xuất quy trình tính toán khả năng chịu lực theo phương pháp nội lực giới hạn và công thức giải tích tính gần đúng mô men kháng nứt $M_{crc}$ (thông qua việc xác định hệ số $\gamma$ xét đến biến dạng phi tuyến vùng kéo) cho dầm GPC cốt thép phù hợp với nguyên lý của tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574:2018.
  4. Về mô hình mô phỏng số và bộ dữ liệu kiểm chứng: Xây dựng mô hình số 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ABAQUS tích hợp mô hình vật liệu đề xuất; cung cấp bộ số liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về quan hệ mô men - độ cong, quy luật phát triển vết nứt và biến dạng dầm GPC cốt thép làm cơ sở đối chiếu cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cho phép áp dụng quy trình cấp phối tro bay kết hợp xỉ lò cao hoạt hóa kiềm bột khô để sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn hoặc thi công tại hiện trường trong điều kiện khí hậu bình thường mà không cần đầu tư hệ thống dưỡng hộ nhiệt.
  • Bổ sung các hệ số điều chỉnh $(\gamma, \beta, \xi_R)$ riêng cho bê tông GPC khi áp dụng TCVN 5574:2018 để tính toán cấu kiện chịu uốn, đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy kết cấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi thực nghiệm tập trung vào cấu kiện dầm đơn có tiết diện chữ nhật đặt cốt thép đơn, chưa mở rộng cho các dạng tiết diện chữ T, chữ I, dầm đặt cốt kép hoặc cấu kiện chịu nén uốn đồng thời (cột, khung).
  • Thí nghiệm ứng xử cơ học và phá hoại mới thực hiện dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ngắn hạn; chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm biến dạng dài hạn (từ biến, co ngót dài hạn) và tải trọng lặp động.
  • Nguồn nguyên liệu khảo sát giới hạn trên tro bay Phả Lại và xỉ lò cao Hòa Phát; chưa bao quát các nguồn tro bay đốt tầng sôi hoặc tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện khu vực phía Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng công thức tính toán cho dầm tiết diện chữ T, dầm liên tục, bản sàn và cột bê tông GPC cốt thép.
  • Nghiên cứu biến dạng dài hạn (từ biến, co ngót) và độ mở rộng khe nứt theo thời gian của cấu kiện GPC cốt thép.
  • Khảo sát ứng xử của kết cấu dầm GPC trong điều kiện môi trường xâm thực (môi trường biển, ăn mòn hóa chất) và chịu tác động nhiệt độ cao.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu tại Chương 2 và Chương 3 về phương pháp thí nghiệm cơ học vật liệu kiềm hoạt hóa, phương pháp tích phân chia nhỏ xác định ứng suất vùng nén, và phương pháp hiệu chỉnh các hệ số tính toán dầm theo TCVN 5574:2018.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các đơn vị tư vấn xây dựng: Cung cấp thông số cấp phối bột khô không dưỡng hộ nhiệt (Chương 2) và quy trình tính toán kiểm tra khả năng chịu lực, mô men kháng nứt của dầm GPC chịu uốn (Chương 3, Chương 4).
  • Đối với cơ quan quản lý và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu: Cung cấp căn cứ khoa học và cơ sở thực nghiệm để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật sử dụng tro xỉ nhiệt điện và xỉ lò cao trong sản xuất cấu kiện bê tông không dùng xi măng, hướng tới giảm phát thải carbon trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng loại chất hoạt hóa nào để chế tạo bê tông geopolymer không cần dưỡng hộ nhiệt?

Tác giả sử dụng chất hoạt hóa kiềm dạng bột khô natri silicate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$) trộn cùng hỗn hợp tro bay Phả Lại loại F và xỉ hạt lò cao nghiền mịn S95 Hòa Phát. Thành phần xỉ lò cao chứa $\text{CaO}$ tham gia phản ứng tạo gel C-S-H song song với mạng polyme vô cơ N-A-S-H, cho phép bê tông đóng rắn và phát triển cường độ ở nhiệt độ phòng (không cần sấy nhiệt).

2. Sự khác biệt cơ bản về đặc trưng cơ học giữa bê tông GPC và bê tông xi măng Pooc-lăng (OPC) là gì?

Ở cùng cấp cường độ chịu nén:

  • Bê tông GPC có cường độ chịu kéo (kéo ép chẻ, kéo dọc trục, kéo uốn) và lực dính với cốt thép cao hơn so với bê tông OPC.
  • Mô đun đàn hồi ($E_b$) của bê tông GPC thấp hơn so với bê tông OPC (thường thấp hơn từ 25% đến 40%).
  • Đường cong ứng suất - biến dạng nén của GPC thể hiện tính giòn cao hơn, có tốc độ suy giảm ứng suất sau khi đạt đỉnh nhanh hơn so với OPC.

3. Công thức tính mô men kháng nứt $M_{crc}$ của dầm GPC cốt thép được luận án đề xuất như thế nào theo TCVN 5574:2018?

Luận án áp dụng công thức trạng thái giới hạn thứ hai theo TCVN 5574:2018: $$M_{crc} = W_{pl} R_{bt,ser} = \gamma W_{red} R_{bt,ser}$$ Trong đó, luận án xác định lại hệ số $\gamma$ (hệ số xét đến biến dạng dẻo của bê tông vùng kéo) chuyên biệt cho bê tông GPC dựa trên biểu đồ ứng suất - biến dạng thực nghiệm của vật liệu, thay vì mặc định lấy $\gamma = 1,3$ như đối với bê tông OPC truyền thống.

4. Bê tông GPC trong luận án đạt được dải cường độ chịu nén bao nhiêu và kiểm chứng qua những mô hình dầm nào?

Cấp phối khảo sát của luận án đạt cường độ chịu nén trung bình 28 ngày từ 20 MPa đến 50 MPa. Khả năng làm việc chịu uốn trên tiết diện thẳng góc được kiểm chứng thông qua các nhóm dầm thực nghiệm (D1, D2, D3) tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn chịu tải trọng tĩnh ngắn hạn, kết hợp đối chiếu mô phỏng số 3D trên phần mềm ABAQUS và tập số liệu 12 dầm GPC của Sumajouw & Rangan (2006).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Quang Đạo đã giải quyết vấn đề chế tạo bê tông geopolymer từ tro bay Phả Lại và xỉ lò cao S95 Hòa Phát sử dụng chất hoạt hóa bột khô đóng rắn ở nhiệt độ thường, đạt cường độ nén đến 50 MPa. Công trình đã xác lập mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến của vật liệu và đề xuất quy trình tính toán mô men kháng nứt, khả năng chịu lực trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép tương thích với TCVN 5574:2018. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số phần tử hữu hạn ABAQUS cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy cho việc ứng dụng bê tông geopolymer làm kết cấu chịu lực công trình, góp phần tiêu thụ phế thải công nghiệp và giảm phát thải khí nhà kính.