Tổng quan luận án
Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu
Ngành công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những nguồn phát thải khí carbon dioxide ($\text{CO}_2$) lớn trên toàn cầu do quá trình nung đá vôi và đốt cháy nhiên liệu. Trung bình mỗi tấn xi măng sản xuất ra thải vào môi trường khoảng 0,7 tấn $\text{CO}_2$, chiếm khoảng 5% tổng lượng phát thải $\text{CO}_2$ do hoạt động của con người. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng các sản phẩm phụ công nghiệp như tro bay (Fly Ash - FA), xỉ lò cao, silica fume để thay thế một phần hoặc toàn bộ xi măng poóc lăng (OPC) trong sản xuất bê tông là giải pháp phát triển bền vững.
Tại Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào), Nhà máy Nhiệt điện than non Hongsa (tỉnh Xayyabouri) đi vào vận hành từ năm 2015 với công suất 1878 MW, tiêu thụ khoảng 14,3 triệu tấn than non mỗi năm. Trong giai đoạn 2016–2018, lượng tro bay tồn đọng tại bãi thải của nhà máy đã gia tăng nhanh chóng từ trên 2 triệu tấn lên hơn 10 triệu tấn, nhưng chỉ khoảng 0,32 triệu tấn được tái sử dụng trong các công trình thủy điện và hạ tầng. Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Hongsa (ký hiệu là L-FA) là nguồn tro bay nội địa duy nhất của CHDCND Lào tính đến thời điểm nghiên cứu.
Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra: Các công trình nghiên cứu tại Lào và khu vực Đông Nam Á về tro bay chủ yếu mới dừng lại ở cấp độ vật liệu (khảo sát đặc tính cơ lý, độ sụt, cường độ mẫu thử bê tông). Việc ứng dụng bê tông sử dụng tro bay vào tính toán, thiết kế và đánh giá ứng xử chịu lực của các cấu kiện kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) chịu nén uốn đồng thời—cụ thể là cột chịu nén lệch tâm—chưa được khảo sát thực nghiệm và mô hình hóa tính toán một cách đầy đủ theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 5574:2018. Vì vậy, việc thực hiện đề tài "Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột bê tông cốt thép sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Hongsa - CHDCND Lào" là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích tổng quát của luận án là xác định tính khả thi của việc tái sử dụng tro bay L-FA trong sản xuất bê tông và áp dụng vào cấu kiện cột BTCT trong xây dựng công trình tại CHDCND Lào cũng như khu vực. Luận án đặt ra 4 mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu và thử nghiệm các cấp phối vật liệu để chế tạo bê tông sử dụng tro bay L-FA thay thế một phần xi măng poóc lăng thường (OPC) nhằm xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông L-FA.
- Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế L-FA/OPC theo khối lượng (0%, 10%, 20%, 30%, 40%) tới các đặc trưng cơ lý (cường độ chịu nén, sự phát triển cường độ theo thời gian, quan hệ ứng suất - biến dạng), từ đó xác định tỷ lệ thay thế hợp lý nhất để áp dụng cho cấu kiện cột BTCT.
- Phát triển mô hình biến dạng phi tuyến của bê tông sử dụng tro bay L-FA trên cơ sở điều chỉnh mô hình của bê tông thường theo TCVN 5574:2018; đề xuất quy trình, kỹ thuật xây dựng mặt tương tác và đánh giá hệ số dự báo $k_p$, áp dụng cùng phương pháp phân tích tiết diện ngang nhằm tính toán khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT sử dụng L-FA.
- Thực hiện chương trình thực nghiệm trên các mẫu cột BTCT sử dụng tro bay L-FA để xác định các tham số của mô hình biến dạng phi tuyến cải tiến và kiểm chứng quy trình tính toán lý thuyết được đề xuất.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Tính chất cơ lý của bê tông sử dụng tro bay L-FA thay thế một phần xi măng và khả năng chịu lực nén lệch tâm của cấu kiện cột BTCT sử dụng loại bê tông này.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Vật liệu tro bay: Tro bay lấy từ Nhà máy Nhiệt điện than Hongsa, CHDCND Lào (L-FA).
- Cấp độ bền bê tông: Bê tông có cường độ chịu nén mẫu trụ trung bình $f_c' \approx 30\text{ MPa}$ ở tuổi 28 ngày.
- Tỷ lệ thay thế L-FA: Khảo sát cấp phối vật liệu ở các tỷ lệ 0%, 10%, 20%, 30% và 40% theo khối lượng; lựa chọn tỷ lệ 20% L-FA để chế tạo các mẫu cột BTCT.
- Cấu kiện cột thực nghiệm: Cột BTCT có tiết diện chữ nhật $150 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $1600\text{ mm}$, chịu nén lệch tâm phẳng với các mức độ lệch tâm tĩnh học ban đầu $e_1 = 0\text{ mm}$, $40\text{ mm}$ và $80\text{ mm}$.
- Cơ sở tính toán lý thuyết: Dựa trên mô hình biến dạng phi tuyến điều chỉnh từ tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574:2018.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu đã được điểm lại
Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu lịch sử và hiện đại về xi măng, tro bay và kết cấu BTCT:
- Lịch sử chất kết dính và tro bay: Khảo cứu công trình của James Parker (1796) về xi măng La Mã, Joseph Aspdin (1824) về xi măng poóc lăng; Davis và cộng sự (1930, 1937) lần đầu định danh và nghiên cứu tro bay ("fly ash") trong bê tông; ứng dụng quy mô lớn đầu tiên tại đập Hungry Horse (Hoa Kỳ, 1948) và đập Lower Notch (Canada, 1969 với tỷ lệ 20–30% FA).
- Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật: ASTM C150/C150M-18 (xi măng poóc lăng), ASTM C618 (phân loại tro bay nhóm N, F, C), CSA A3000-03 (tiêu chuẩn Canada phân loại theo hàm lượng $\text{CaO}$ thành F, CI, CH), AASHTO M295, ACI 226.2R-08, TCVN 10302:2014 (Việt Nam) và tiêu chuẩn quốc gia Lào LS 442-2019 về tro bay dùng trong bê tông.
- Nghiên cứu về bê tông tro bay tại Việt Nam:
- Ngô Sĩ Huy và cộng sự (2017) khảo sát tro bay nhiệt điện Nghi Sơn với tỷ lệ thay thế 10%, 20%, 30%, ghi nhận sự phát triển cường độ ở tuổi muộn do phản ứng pozzolanic.
- Nguyễn Trọng Lâm và cộng sự nghiên cứu bê tông thương phẩm M300 và M600 thay thế 10–40% tro bay, chỉ ra rằng mức thay thế 20% giữ cường độ ổn định trong khi 40% làm giảm 31,4%–41,6% cường độ.
- Nguyễn Văn Chính và cộng sự khảo sát tương tác giữa tro bay và silica fume dưới hai môi trường dưỡng hộ (ngâm nước và trong không khí).
- Phạm Quang Đạo (2017) nghiên cứu bê tông geopolymer từ tro bay và xỉ lò cao không qua dưỡng hộ nhiệt đạt cường độ 50 MPa.
- Nghiên cứu tại CHDCND Lào: Saphouvong và cộng sự (2020) nghiên cứu bê tông tự lèn sử dụng L-FA với các tỷ lệ từ 5% đến 40%, xác định khoảng thay thế 15–30% cho cường độ nén 28 ngày tối ưu; dự án đập thủy điện Nam Ngiep 1 (2012) sử dụng tro bay Mae Moh (Thái Lan) với tỷ lệ 50–62,5%; các ứng dụng ban đầu của L-FA tại dự án thủy điện Nậm Ou 1 và cầu đường sắt Lào - Trung Quốc (tỉnh Oudomxay).
- Nghiên cứu cấu kiện cột chịu nén lệch tâm: Othman và cộng sự nghiên cứu cột BTCT chịu nén với các tỷ số lệch tâm $e/h = 0$, $0,5$ và $1,0$; các cơ sở lý thuyết tính toán cột theo quan điểm biến dạng trong ACI 318-19, Eurocode 2 (EN 1992-2004) và mô hình biến dạng phi tuyến trong tiêu chuẩn CHLB Nga SP 63.13330.2012, TCVN 5574:2018.
Bảng so sánh yêu cầu kỹ thuật của tro bay theo các tiêu chuẩn
| Chỉ tiêu kỹ thuật |
ASTM C618 (Loại F) |
ASTM C618 (Loại C) |
LS 442-2019 (Loại Fa) |
TCVN 10302:2014 (Loại F - Mức a) |
| $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$ (% khối lượng, $\ge$) |
70 |
50 |
70 |
70 |
| Hàm lượng $\text{SO}_3$ (% khối lượng, $\le$) |
5,0 |
5,0 |
5,0 |
3,0 |
| Độ ẩm (% khối lượng, $\le$) |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
| Hàm lượng mất khi nung - LOI (% khối lượng, $\le$) |
6,0 |
6,0 |
6,0 |
5,0 |
| Hàm lượng kiềm có hại $\text{Na}_2\text{O}$ ($\le$) |
1,5 |
1,5 |
- |
1,5 |
| Độ mịn - lượng sót sàng $45,\mu\text{m}$ (% khối lượng, $\le$) |
34 |
34 |
34 |
25 |
| Chỉ số hoạt tính pozzolanic sau 28 ngày ($\ge$) |
75% |
75% |
75% |
75% |
| Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng ($\le$) |
105% |
105% |
105% |
105% |
Khoảng trống luận án giải quyết
Luận án kết nối từ nghiên cứu thành phần, đặc trưng hóa lý của nguồn tro bay L-FA cụ thể sang xác định các chỉ tiêu cơ lý (khối lượng thể tích, cường độ nén mẫu trụ/lập phương, cường độ kéo ép chẻ, mô đun đàn hồi, biểu đồ $\sigma_b - \varepsilon_b$) và ứng dụng trực tiếp để chế tạo, thử nghiệm phá hoại cột BTCT chịu nén lệch tâm; đồng thời hiệu chỉnh các tham số trong mô hình biến dạng phi tuyến của TCVN 5574:2018 cho bê tông tro bay L-FA kết hợp ứng dụng các mô hình học máy (DNN, BNN, GPR).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
- Mô hình biến dạng phi tuyến vật liệu: Luận án sử dụng mô hình biến dạng phi tuyến hai đoạn thẳng (MH2ĐT) và ba đoạn thẳng (MH3ĐT) quy định trong TCVN 5574:2018 làm nền tảng. Để áp dụng cho bê tông tro bay L-FA, mô hình được điều chỉnh thông qua việc đưa vào hệ số giảm cường độ $\gamma_{\text{L-FA}}$, hệ số suy giảm mô đun đàn hồi $k_E$ và hiệu chỉnh giá trị biến dạng tương đối ứng với đỉnh ứng suất $\varepsilon'_{b1}$.
- Phương pháp phân tích tiết diện thẳng góc: Dựa trên giả thiết tiết diện phẳng (Bernoulli), phân chia tiết diện cột thành các phân tố bê tông và cốt thép chịu nén/kéo; thiết lập phương trình cân bằng lực dọc $N$ và mô men uốn $M_x, M_y$ để xây dựng biểu đồ tương tác $(N_u - M_u)$ và mặt tương tác không gian $(N_u - M_{xu} - M_{yu})$.
- Hệ số dự báo $k_p$: Được tính toán bằng phương pháp nghịch đảo trung bình trọng số để đánh giá mức độ tương quan giữa khả năng chịu lực tính toán theo mô hình lý thuyết đề xuất và giá trị thực nghiệm ($N_{nt}$).
Phương pháp trí tuệ nhân tạo và học máy
- Mạng nơ-ron nhân tạo Deep Neural Network (DNN) và Bayesian Neural Network (BNN): Sử dụng tập dữ liệu công bố quốc tế để huấn luyện và dự báo cường độ nén cũng như đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông tro bay với các tỷ lệ thay thế L-FA/OPC khác nhau, làm cơ sở kiểm tra độ tin cậy của số liệu thực nghiệm.
- Quá trình hồi quy Gauss (Gaussian Process Regression - GPR): Áp dụng hàm lõi số mũ bình phương (squared exponential kernel) với các tham số độ lệch chuẩn $\sigma$ và độ dài đặc trưng $\lambda$ để phân tích, dự báo liên tục ảnh hưởng của độ lệch tâm tĩnh học ban đầu $e_1$ tới tải trọng phá hoại $N_{ph}$ và chuyển vị ngang $\Delta$ của cột BTCT.
Phương pháp thực nghiệm và nguồn dữ liệu
- Nguồn vật liệu chế tạo:
- Tro bay L-FA: Lấy từ Nhà máy Nhiệt điện than Hongsa, CHDCND Lào; khối lượng riêng dao động $1,76 \div 1,88\text{ g/cm}^3$, độ mịn Blaine $1799 \div 2515\text{ cm}^2/\text{g}$, tổng hàm lượng $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3 = 74,65% \div 81,94%$, $\text{CaO} = 5,50% \div 10,34%$, $\text{LOI} = 0,49% \div 0,69%$.
- Xi măng: Xi măng poóc lăng thương phẩm PCB30.
- Cốt liệu nhỏ: Cát tự nhiên sông Lô (Phú Thọ, Việt Nam) có tính chất cơ lý tương đương cát sông Mê Kông (Viêng Chăn, Lào).
- Cốt liệu lớn: Đá dăm khai thác tại Hà Nam, cỡ hạt tiêu chuẩn.
- Cốt thép: Thép dọc chịu lực và thép đai được thí nghiệm kéo để xác định giới hạn chảy $R_{eH}$, giới hạn bền kéo $R_m$ và mô đun đàn hồi $E_s$.
- Thiết bị và bố trí đo đạc:
- Thí nghiệm vật liệu: Máy nén thủy lực DHR 2000, gá nén chẻ (TCVN 8862:2011), thiết bị đo biến dạng xác định mô đun đàn hồi theo ASTM C469 và TCVN 5726:1993.
- Thí nghiệm cột BTCT: Hệ khung gia tải nén tĩnh, kích thủy lực, cảm biến đo chuyển vị LVDT đo chuyển vị ngang giữa cột $\Delta$, cảm biến điện trở dán (Tenzomet PL-60-11 cho bề mặt bê tông và KFGS-5-120-C1-11 L1M2R cho thanh cốt thép).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về tro bay, bê tông sử dụng tro bay và ứng dụng cho cột bê tông cốt thép
Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về chất kết dính xi măng poóc lăng (phân loại 5 loại xi măng theo ASTM C150) và nguồn gốc hình thành phế phẩm tro bay từ công nghệ đốt than phun ở nhiệt độ $1400 \div 1700^\circ\text{C}$. Tác giả phân tích cấu trúc hình thái của tro bay (dạng hạt cầu thủy tinh vô định hình chiếm 60–90% và hạt rỗng cenosphere) và phân loại tro bay theo các tiêu chuẩn quốc tế (ASTM C618, CSA A3000-03) và tiêu chuẩn khu vực (LS 442-2019 của Lào, TCVN 10302:2014 của Việt Nam).
Nội dung chương đi sâu đánh giá nguồn tro bay L-FA từ Nhà máy Nhiệt điện Hongsa:
- Trước năm 2017, do sử dụng nguồn than có hàm lượng $\text{CaO} > 8%$ (năm 2015 đạt $10,34%$), L-FA tương ứng với tro bay loại C.
- Từ năm 2017 trở lại đây, tổng hàm lượng $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3 \ge 70%$ và $\text{CaO} < 8%$, L-FA được xếp vào tro bay loại F (hoặc loại Fa theo LS 442-2019).
- Khối lượng riêng của L-FA đạt $1,76 \div 1,88\text{ g/cm}^3$, thấp hơn so với tro bay Phả Lại ($2,19 \div 2,56\text{ g/cm}^3$) và Mae Moh ($2,20 \div 2,22\text{ g/cm}^3$).
Chương 1 cũng tổng kết ảnh hưởng của tro bay tới tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi (giảm lượng nước nhào trộn $5 \div 30\text{ kg/m}^3$ tùy độ sụt và tỷ lệ thay thế), giảm nhiệt thủy hóa và làm chậm tốc độ phát triển cường độ ở tuổi sớm nhưng tăng dần ở tuổi muộn (28 đến 90 ngày). Cuối cùng, chương điểm lại các nghiên cứu về cấu kiện chịu nén lệch tâm và sự cần thiết phải áp dụng mô hình biến dạng phi tuyến theo TCVN 5574:2018 cho bê tông sử dụng tro bay L-FA.
Bảng thành phần hóa học của tro bay L-FA qua các năm
| Thành phần hóa học (%) |
2015 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
| $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$ |
75,38 |
80,75 |
81,94 |
74,65 |
78,87 |
79,56 |
| $\text{SiO}_2$ |
39,83 |
43,80 |
44,12 |
40,54 |
42,05 |
41,61 |
| $\text{Al}_2\text{O}_3$ |
26,32 |
31,43 |
31,86 |
29,55 |
31,58 |
31,71 |
| $\text{Fe}_2\text{O}_3$ |
9,23 |
5,52 |
5,96 |
4,56 |
5,24 |
6,24 |
| $\text{CaO}$ |
10,34 |
5,89 |
6,11 |
5,58 |
5,50 |
5,95 |
| $\text{MgO}$ |
1,76 |
0,48 |
0,69 |
0,03 |
0,36 |
0,62 |
| $\text{Na}_2\text{O}$ |
0,81 |
0,90 |
1,06 |
0,93 |
0,91 |
0,98 |
| $\text{K}_2\text{O}$ |
3,57 |
2,52 |
2,57 |
0,32 |
2,12 |
1,84 |
| $\text{SO}_3$ |
1,17 |
0,31 |
0,42 |
0,34 |
0,34 |
0,50 |
| Mất khi nung (LOI) |
0,49 |
0,49 |
- |
0,69 |
0,59 |
0,68 |
| Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) |
- |
1,79 |
1,84 |
1,88 |
1,80 |
1,80 |
| Độ mịn Blaine ($\text{cm}^2/\text{g}$) |
- |
1799 |
2515 |
2123 |
1856 |
1945 |
| Chỉ số hoạt tính pozzolan 28 ngày (%) |
- |
98,00 |
- |
93,00 |
92,00 |
96,00 |
Chương 2: Xác định một số đặc trưng cơ lý của bê tông sử dụng tro bay L-FA
Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế thành phần cấp phối, đúc mẫu và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bê tông sử dụng tro bay L-FA thay thế OPC với các tỷ lệ 0% (mẫu đối chứng C-30-00), 10%, 20% (C-30-20), 30% và 40% (C-30-40) hướng tới cường độ mục tiêu 30 MPa.
Các kết quả thực nghiệm đạt được:
- Khối lượng thể tích: Khối lượng thể tích của bê tông giảm dần khi tăng tỷ lệ thay thế L-FA do tro bay có khối lượng riêng ($1,76 \div 1,88\text{ g/cm}^3$) nhỏ hơn đáng kể so với xi măng ($3,09 \div 3,15\text{ g/cm}^3$).
- Cường độ chịu nén: Thí nghiệm trên mẫu trụ ($D = 150\text{ mm}, H = 300\text{ mm}$) và mẫu lập phương ($150 \times 150 \times 150\text{ mm}$) tại các mốc tuổi 7, 14, 28, 56 và 90 ngày. Cường độ nén ở tuổi 7 ngày giảm tỷ lệ thuận với lượng tro bay thay thế. Tuy nhiên, ở tuổi 28 và 90 ngày, cấp phối thay thế 20% L-FA có sự phát triển cường độ vượt bậc do phản ứng thủy hóa thứ cấp của pozzolan, đạt xấp xỉ mẫu đối chứng 100% OPC và thỏa mãn cường độ thiết kế 30 MPa. Khi tỷ lệ thay thế vượt quá 30%–40%, cường độ chịu nén suy giảm rõ rệt.
- Tỷ lệ cường độ mẫu trụ trên mẫu lập phương ($R_{\text{MHT}}/R_{\text{MLP}}$): Được xác định tại các mốc 7, 28 và 90 ngày, làm cơ sở chuyển đổi dữ liệu tính toán.
- Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{bk}$) và mô đun đàn hồi ($E_b$): Bê tông chứa 20% L-FA có cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi ở tuổi 28 ngày tương đương với mẫu đối chứng nhưng biểu hiện độ dẻo cao hơn trước khi phá hoại.
- Ứng dụng học máy: Tác giả xây dựng mô hình mạng nơ-ron sâu DNN và mạng nơ-ron xác suất BNN để mô phỏng và dự báo cường độ chịu nén cùng quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma_b - \varepsilon_b$). Kết quả dự báo từ mạng nơ-ron có sự trùng khớp cao với dữ liệu thực nghiệm, khẳng định 20% là tỷ lệ thay thế tối ưu nhất về mặt cơ lý.
Chương 3: Xác định khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép sử dụng tro bay L-FA
Chương 3 tập trung xây dựng cơ sở tính toán lý thuyết và thực hiện chương trình thực nghiệm trên cột BTCT:
- Đề xuất mô hình vật liệu phi tuyến: Hiệu chỉnh mô hình hai đoạn thẳng (MH2ĐT) và ba đoạn thẳng (MH3ĐT) trong TCVN 5574:2018 cho bê tông sử dụng 20% L-FA:
- Hiệu chỉnh giá trị biến dạng tương đối ứng với cường độ chịu nén đỉnh lên $\varepsilon'_{b1} = 0,0025$ (so với $0,0020$ của bê tông thường).
- Đưa vào hệ số suy giảm mô đun biến dạng $k_E = 0,85$ trong MH3ĐT.
- Xây dựng thuật toán phân tích tiết diện chữ nhật chịu uốn nén đồng thời và xuất biểu đồ tương tác $(N_u - M_u)$.
- Chương trình thực nghiệm cột BTCT:
- Chế tạo các nhóm mẫu cột có kích thước tiết diện $150 \times 200\text{ mm}$, chiều dài $L = 1600\text{ mm}$, sử dụng bê tông cấp phối 20% L-FA.
- Phân nhóm thí nghiệm theo 3 mức độ lệch tâm: nhóm nén đúng tâm $e_1 = 0\text{ mm}$ (ký hiệu C-30-00), nhóm nén lệch tâm bé $e_1 = 40\text{ mm}$ (C-30-40), và nhóm nén lệch tâm lớn $e_1 = 80\text{ mm}$ (C-30-80).
- Kết quả thí nghiệm thu thập đầy đủ giá trị lực dọc phá hoại $N_{nt}$, chuyển vị ngang tại giữa cột $\Delta_{nt}$, biến dạng của bê tông vùng nén và cốt thép dọc chịu lực.
- Kiểm chứng mô hình lý thuyết và hệ số dự báo $k_p$:
- So sánh giá trị tính toán lý thuyết theo mô hình đề xuất với số liệu thực nghiệm cho thấy hệ số dự báo $k_p$ nằm trong khoảng an toàn ($k_p \approx 0,88 \div 0,96$). Mô hình MH3ĐT cải tiến với $k_E = 0,85$ và $\varepsilon'_{b1} = 0,0025$ cho kết quả dự báo sát thực tế nhất.
- Khảo sát tham số bằng mô hình học máy GPR:
- Sử dụng Quá trình hồi quy Gauss (GPR) được huấn luyện trên tập dữ liệu thực nghiệm cột để xây dựng các đường cong liên tục biểu diễn quan hệ $N_{tn} - \Delta_{tn}$ ứng với các mức độ lệch tâm khác nhau.
- Đánh giá sự suy giảm khả năng chịu lực của cột khi độ lệch tâm $e_1$ tăng từ 0 đến 80 mm, chứng minh tính quy luật ổn định của vật liệu bê tông tro bay L-FA trong cấu kiện chịu nén uốn.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Làm rõ tính chất cơ lý của tro bay L-FA và bê tông L-FA: Thiết lập bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm hệ thống về thành phần hóa học, tính chất vật lý của tro bay Nhà máy Nhiệt điện Hongsa (L-FA) theo các tiêu chuẩn quốc tế và khu vực; xác định quy luật phát triển cường độ chịu nén, cường độ kéo ép chẻ, mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma_b - \varepsilon_b$) của bê tông L-FA cấp độ bền 30 MPa với các hàm lượng thay thế 0–40%.
- Xác định tỷ lệ thay thế tối ưu: Chứng minh bằng thực nghiệm và mô hình học máy (DNN, BNN) rằng mức thay thế 20% L-FA theo khối lượng là tỷ lệ hợp lý nhất, bảo đảm cường độ chịu nén đạt yêu cầu thiết kế 30 MPa ở tuổi 28 ngày và tiếp tục gia tăng ở tuổi muộn, đồng thời cải thiện độ dẻo của bê tông.
- Cải tiến mô hình biến dạng phi tuyến theo TCVN 5574:2018: Đề xuất tham số hiệu chỉnh cho mô hình biến dạng phi tuyến hai đoạn thẳng (MH2ĐT) và ba đoạn thẳng (MH3ĐT) áp dụng riêng cho bê tông sử dụng tro bay L-FA ($\varepsilon'_{b1} = 0,0025$ và hệ số điều chỉnh mô đun $k_E = 0,85$).
- Xây dựng quy trình tính toán khả năng chịu lực của cột BTCT tro bay: Đề xuất kỹ thuật phân tích tiết diện thẳng góc, thiết lập biểu đồ/mặt tương tác $(N_u - M_u)$ và công thức xác định hệ số dự báo $k_p$ bằng phương pháp nghịch đảo trung bình trọng số, tạo công cụ tính toán giải tích phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất
- Khẳng định tính khả thi trong ứng dụng kết cấu: Kết quả thử nghiệm trên mẫu cột thực tế ($150 \times 200 \times 1600\text{ mm}$) khẳng định bê tông sử dụng 20% tro bay L-FA hoàn toàn đáp ứng khả năng chịu lực nén lệch tâm trong kết cấu công trình dân dụng và công nghiệp.
- Giải pháp xử lý môi trường và phát triển bền vững cho CHDCND Lào: Cung cấp cơ sở khoa học và hướng dẫn kỹ thuật cho việc tiêu thụ lượng tro bay tồn đọng hàng triệu tấn tại Nhà máy Nhiệt điện Hongsa, giúp giảm giá thành xây dựng, tiết kiệm tài nguyên clinker và giảm phát thải khí nhà kính $\text{CO}_2$ tại Lào.
- Kiến nghị áp dụng: Kiến nghị các cơ quan quản lý xây dựng tại CHDCND Lào và các doanh nghiệp (như Electricite Du Laos, Hongsa Power) hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật cho phép sử dụng tỷ lệ 20% L-FA trong bê tông kết cấu chịu lực, áp dụng mô hình biến dạng phi tuyến cải tiến để thiết kế cột và cọc BTCT.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Giới hạn về cấp độ bền bê tông: Luận án mới tập trung nghiên cứu trên một cấp độ bền bê tông có cường độ mẫu trụ danh định 30 MPa.
- Giới hạn tỷ lệ thay thế trong mẫu cột: Thí nghiệm trên cấu kiện cột BTCT mới chỉ thực hiện với một tỷ lệ thay thế cố định là 20% L-FA/OPC.
- Phạm vi trạng thái chịu lực và hình học cột: Các mẫu cột thí nghiệm chỉ khảo sát trên tiết diện chữ nhật ($150 \times 200\text{ mm}$), một tỷ lệ độ mảnh nhất định ($L = 1600\text{ mm}$), và chịu nén lệch tâm phẳng theo một phương với ba mức độ lệch tâm ($e_1 = 0, 40, 80\text{ mm}$), chưa khảo sát thực nghiệm đối với trường hợp nén lệch tâm xiên (hai phương).
- Điều kiện môi trường: Các mẫu thí nghiệm được chế tạo và dưỡng hộ trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa đánh giá tác động của môi trường xâm thực thực tế dài hạn.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng khảo sát thực nghiệm trên các cấp độ bền bê tông khác nhau (bê tông cường độ cao > 50 MPa hoặc bê tông tự lèn).
- Thử nghiệm cấu kiện cột BTCT với các hàm lượng thay thế tro bay khác (10%, 30%) và các dạng tiết diện khác (tiết diện tròn, tiết diện chữ I).
- Nghiên cứu thực nghiệm cột chịu nén lệch tâm xiên hai phương và chịu tải trọng đổi chiều (động đất, gió bão).
- Khảo sát độ bền lâu dài hạn của kết cấu bê tông cốt thép L-FA (tính từ biến, co ngót, khả năng chống thấm ion clo và chống ăn mòn cốt thép trong môi trường tự nhiên).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp phương pháp luận kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm vật liệu, thực nghiệm cấu kiện quy mô lớn, mô hình hóa cơ học kết cấu theo tiêu chuẩn hiện hành và ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (DNN, BNN, GPR).
- Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Phần đề xuất điều chỉnh mô hình biến dạng phi tuyến hai đoạn thẳng và ba đoạn thẳng tại Chương 3 là tài liệu trực tiếp giúp kỹ sư tính toán tiết diện cột BTCT sử dụng tro bay theo TCVN 5574:2018.
- Cơ quan quản lý nhà nước, chủ đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tại Lào (EDL, Hongsa Power): Cung cấp các số liệu thực tế về thành phần hóa lý và hiệu quả kỹ thuật của tro bay L-FA, làm căn cứ xây dựng tiêu chuẩn, định mức kinh tế kỹ thuật và mở rộng thị trường tái chế tro xỉ nhiệt điện.
Câu hỏi thường gặp
1. Nguồn tro bay L-FA sử dụng trong luận án thuộc loại tro bay nào theo các tiêu chuẩn kỹ thuật?
Theo kết quả phân tích thành phần hóa học trong luận án:
- Giai đoạn trước năm 2017: Hàm lượng $\text{CaO}$ đạt $10,34% > 8%$, L-FA được xếp vào loại C theo ASTM C618 và CSA A3000-03 (tương đương nguồn tro bay nhiệt điện Mae Moh, Thái Lan).
- Giai đoạn từ năm 2017 đến năm 2021: Tổng hàm lượng các oxit $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$ đạt từ $74,65%$ đến $81,94%$ ($\ge 70%$) và hàm lượng $\text{CaO}$ dao động từ $5,50%$ đến $6,11%$ ($< 8%$), do đó L-FA được phân loại là tro bay loại F theo ASTM C618 (hoặc loại Fa theo tiêu chuẩn Lào LS 442-2019 và TCVN 10302:2014).
2. Tại sao luận án lựa chọn tỷ lệ 20% L-FA/OPC để chế tạo các mẫu cột thí nghiệm?
Qua khảo sát thực nghiệm các tỷ lệ thay thế 0%, 10%, 20%, 30% và 40% ở Chương 2:
- Ở tỷ lệ 20%, cường độ chịu nén mẫu trụ ở 28 ngày đạt xấp xỉ mẫu đối chứng 100% OPC (thỏa mãn cấp độ bền 30 MPa), mô đun đàn hồi và cường độ kéo ép chẻ ổn định, đồng thời cải thiện tính dẻo và tính công tác của hỗn hợp bê tông.
- Khi tăng tỷ lệ thay thế lên 30%–40%, cường độ nén suy giảm từ 31,4% đến 41,6%.
- Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo DNN và BNN cũng xác nhận 20% là điểm cân bằng tối ưu giữa việc giảm hàm lượng xi măng và duy trì khả năng chịu lực của bê tông.
3. Mô hình biến dạng phi tuyến của TCVN 5574:2018 được điều chỉnh như thế nào khi áp dụng cho bê tông tro bay L-FA?
Tác giả đề xuất hiệu chỉnh hai thông số chính:
- Giá trị biến dạng tương đối tại đỉnh ứng suất nén $\varepsilon'_{b1}$ tăng từ $0,0020$ (của bê tông thường) lên $0,0025$ để phản ánh độ dẻo lớn hơn của bê tông tro bay.
- Trong mô hình ba đoạn thẳng (MH3ĐT), đưa vào hệ số giảm mô đun biến dạng $k_E = 0,85$ để hiệu chỉnh độ dốc của nhánh đàn hồi tuyến tính ban đầu, giúp biểu đồ tương tác $(N_u - M_u)$ tính toán bám sát đường cong thực nghiệm.
4. Kích thước và thông số các mẫu cột thí nghiệm nén lệch tâm trong Chương 3 là bao nhiêu?
Các mẫu cột thí nghiệm có thông số:
- Kích thước tiết diện ngang: $b \times h = 150 \times 200\text{ mm}$.
- Chiều cao cột: $L = 1600\text{ mm}$.
- Cấp phối bê tông: Bê tông sử dụng 20% tro bay L-FA thay thế xi măng, cường độ nén danh định 30 MPa.
- Độ lệch tâm tĩnh học ban đầu khảo sát: $e_1 = 0\text{ mm}$ (nén đúng tâm), $e_1 = 40\text{ mm}$ (lệch tâm bé) và $e_1 = 80\text{ mm}$ (lệch tâm lớn).
5. Vai trò của phương pháp Quá trình hồi quy Gauss (GPR) trong luận án là gì?
Mô hình GPR sử dụng hàm lõi số mũ bình phương được dùng để học trên tập dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ các mẫu cột. GPR cho phép xây dựng mô hình hồi quy phi tuyến liên tục biểu diễn mối quan hệ giữa lực dọc $N$, chuyển vị ngang giữa cột $\Delta$ và độ lệch tâm $e_1$, từ đó đánh giá định lượng và trực quan mức độ suy giảm khả năng chịu lực của cột khi tăng độ lệch tâm mà không bị giới hạn bởi số lượng điểm đo rời rạc.
Kết luận
Luận án đã giải quyết thành công bài toán tái sử dụng nguồn tro bay L-FA của Nhà máy Nhiệt điện than Hongsa (CHDCND Lào) trong sản xuất bê tông và ứng dụng vào cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm. Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô hình biến dạng phi tuyến cải tiến theo TCVN 5574:2018 và các công cụ học máy (DNN, BNN, GPR), công trình đã xác định tỷ lệ thay thế 20% L-FA là tối ưu, đồng thời cung cấp quy trình tính toán khả năng chịu lực của cột BTCT có độ tin cậy cao và thiên về an toàn. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ mục tiêu xây dựng bền vững và giảm thiểu tác động môi trường tại CHDCND Lào và khu vực.
