Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế mạnh mẽ tại Việt Nam những năm gần đây, nhu cầu xây dựng các công trình hạ tầng mới ngày càng tăng cao. Điều này dẫn đến việc phá dỡ các công trình cũ không còn đáp ứng được yêu cầu sử dụng hoặc an toàn, tạo ra một lượng lớn phế thải xây dựng như gạch, bê tông vỡ, sắt thép. Theo ước tính, việc xử lý các phế thải này chủ yếu bằng phương pháp chôn lấp, gây lãng phí tài nguyên và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Do đó, việc tái chế và sử dụng lại cốt liệu từ bê tông cũ trong các kết cấu bê tông mới là một hướng nghiên cứu thiết thực và cần thiết.

Mục tiêu của luận văn là đánh giá khả năng chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép có sử dụng cốt liệu từ bê tông cũ thay thế một phần cốt liệu tự nhiên. Nghiên cứu tập trung vào các mẫu cột ngắn tiết diện chữ nhật kích thước 150x300 mm, sử dụng bê tông M300 với tỷ lệ thay thế cốt liệu cũ lần lượt là 25% và 35%. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại Trường Đại học Lạc Hồng, Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho ngành xây dựng thông qua việc tiết kiệm chi phí nguyên liệu.

Việc đánh giá chính xác khả năng chịu nén của các cấu kiện bê tông cốt thép tái chế sẽ giúp hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật và mở rộng ứng dụng vật liệu xanh trong xây dựng, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng Việt Nam.

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 về cơ học vật liệu bê tông cốt thép, trong đó nổi bật là:

  • Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông theo Mander: Mô hình này mô tả ứng xử của bê tông chịu nén có kiềm chế nở ngang do cốt đai, giúp xác định cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông trong cột bê tông cốt thép. Công thức tính ứng suất chịu nén hiệu quả được áp dụng để đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện có sử dụng cốt liệu tái chế.

  • Lý thuyết về sự làm việc của bê tông chịu nén một trục: Phân tích quá trình hình thành và phát triển vết nứt trong bê tông khi chịu tải trọng nén, từ giai đoạn đàn hồi đến giai đoạn mềm hóa và phá hoại. Lý thuyết này giúp giải thích các hiện tượng biến dạng và ứng suất trong bê tông tái chế dưới tải trọng nén đúng tâm.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông, biến dạng đàn hồi và dẻo của cốt thép, hệ số giãn nở Poisson của bê tông, và ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu tái chế đến tính chất cơ học của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Các mẫu cột bê tông cốt thép được chế tạo tại phòng thí nghiệm Khoa Kỹ thuật Công trình, Trường Đại học Lạc Hồng. Mẫu có kích thước 150x300 mm, bê tông M300, với tỷ lệ cốt liệu cũ thay thế lần lượt là 0%, 25% và 35%.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu ngẫu nhiên từ hỗn hợp bê tông được trộn đồng nhất, đảm bảo tính đại diện cho từng tỷ lệ cốt liệu tái chế.

  • Thiết bị và quy trình thí nghiệm: Sử dụng máy nén thủy lực 2000 kN để đo lực phá hoại và thu thập dữ liệu biến dạng qua phần mềm chuyên dụng. Mẫu được dưỡng hộ 28 ngày theo tiêu chuẩn TCVN 3105:2022 trước khi thử nghiệm.

  • Phân tích dữ liệu: Tính toán cường độ chịu nén đặc trưng, biến dạng ứng suất, so sánh kết quả giữa các nhóm mẫu với tỷ lệ cốt liệu khác nhau. Sử dụng biểu đồ ứng suất - biến dạng để minh họa sự khác biệt về khả năng chịu lực và biến dạng của bê tông tái chế so với bê tông chuẩn.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích dữ liệu kéo dài trong khoảng 6 tháng, từ khâu chuẩn bị mẫu, dưỡng hộ đến thử nghiệm và xử lý kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu cũ đến cường độ chịu nén: Mẫu bê tông sử dụng 25% cốt liệu cũ đạt cường độ chịu nén trung bình khoảng 92% so với mẫu chuẩn (0% cốt liệu cũ). Khi tỷ lệ tăng lên 35%, cường độ giảm còn khoảng 85%. Điều này cho thấy việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu tái chế ở mức vừa phải không làm giảm đáng kể khả năng chịu nén của cột.

  2. Biến dạng ứng suất và độ dẻo của cốt thép: Các mẫu có cốt liệu cũ thể hiện biến dạng dẻo tương đương hoặc cao hơn mẫu chuẩn, với biến dạng dọc cốt thép dọc tăng khoảng 5-8% ở mẫu 25% và 10-12% ở mẫu 35%. Điều này cho thấy cốt liệu tái chế không làm giảm khả năng làm việc của cốt thép trong cấu kiện.

  3. Hiệu quả của cốt đai trong việc kiềm chế nở ngang: Biểu đồ ứng suất - biến dạng cho thấy cốt đai với khoảng cách 50 mm phát huy hiệu quả tốt nhất trong việc hạn chế nở ngang, giúp tăng cường khả năng chịu nén của cột bê tông có sử dụng cốt liệu cũ.

  4. So sánh với tiêu chuẩn và nghiên cứu khác: Kết quả thí nghiệm phù hợp với mô hình Mander và các nghiên cứu quốc tế về bê tông tái chế, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng cốt liệu bê tông cũ trong kết cấu chịu nén đúng tâm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm nhẹ cường độ chịu nén khi tăng tỷ lệ cốt liệu cũ là do đặc tính vật liệu tái chế có độ bền và độ bám dính thấp hơn so với cốt liệu tự nhiên. Tuy nhiên, việc sử dụng cốt liệu cũ ở mức 25% vẫn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật và an toàn cho kết cấu. Biến dạng dẻo tăng lên cho thấy cấu kiện có khả năng hấp thụ năng lượng tốt hơn, góp phần nâng cao tính bền vững khi chịu tải trọng động hoặc tải trọng bất ngờ.

So với các nghiên cứu tại Hoa Kỳ, Singapore và châu Âu, kết quả này phù hợp với xu hướng sử dụng bê tông tái chế trong xây dựng, đồng thời phản ánh đặc thù vật liệu và điều kiện thi công tại Việt Nam. Việc áp dụng mô hình Mander giúp mô phỏng chính xác hơn ứng xử của bê tông chịu nén có kiềm chế nở ngang, từ đó hỗ trợ thiết kế và tính toán kết cấu hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực - biến dạng, bảng so sánh cường độ và biến dạng giữa các nhóm mẫu, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu tái chế đến tính chất cơ học của cột bê tông cốt thép.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng cốt liệu bê tông cũ ở tỷ lệ tối đa 25% trong các cấu kiện chịu nén đúng tâm nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và cơ quan quản lý vật liệu xây dựng. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại.

  2. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng cốt liệu tái chế bao gồm sàng lọc, nghiền và loại bỏ tạp chất để đảm bảo tính đồng nhất và an toàn cho vật liệu. Chủ thể thực hiện: các cơ sở tái chế vật liệu và phòng thí nghiệm xây dựng. Thời gian: trong vòng 12 tháng tới.

  3. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thiết kế cho bê tông tái chế dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, nhằm hỗ trợ các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc áp dụng vật liệu xanh. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu chuyên ngành. Thời gian: 1-2 năm.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về lợi ích của bê tông tái chế cho các bên liên quan trong ngành xây dựng, từ chủ đầu tư đến công nhân thi công. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, tổ chức đào tạo nghề và hiệp hội xây dựng. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán giúp thiết kế các cấu kiện bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  2. Nhà thầu xây dựng và tái chế vật liệu: Tham khảo để áp dụng quy trình chế tạo và kiểm soát chất lượng bê tông tái chế, từ đó giảm chi phí và tăng tính bền vững cho công trình.

  3. Cơ quan quản lý và ban ngành xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn, chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo học thuật giúp hiểu rõ hơn về cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và ứng dụng thực tế của bê tông tái chế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tái chế có đảm bảo độ bền như bê tông truyền thống không?
    Theo kết quả nghiên cứu, bê tông sử dụng 25% cốt liệu tái chế đạt khoảng 92% cường độ chịu nén so với bê tông chuẩn, đủ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong nhiều ứng dụng xây dựng.

  2. Tỷ lệ cốt liệu tái chế tối đa nên sử dụng là bao nhiêu?
    Nghiên cứu khuyến nghị tỷ lệ tối đa 25% để đảm bảo hiệu quả cơ học và độ bền của cấu kiện, tránh giảm quá nhiều cường độ chịu nén.

  3. Quy trình xử lý cốt liệu bê tông cũ như thế nào?
    Cốt liệu bê tông cũ được sàng lọc kỹ lưỡng để loại bỏ tạp chất, sau đó nghiền nhỏ theo kích thước yêu cầu, đảm bảo tính đồng nhất và an toàn cho vật liệu.

  4. Có thể áp dụng bê tông tái chế cho các công trình lớn không?
    Nhiều quốc gia phát triển đã sử dụng bê tông tái chế trong các công trình lớn như cầu, tòa nhà cao tầng, và nghiên cứu này cũng mở ra khả năng ứng dụng tương tự tại Việt Nam.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng bê tông tái chế?
    Cần thực hiện thí nghiệm cường độ chịu nén, biến dạng và kiểm tra vật liệu theo tiêu chuẩn hiện hành, đồng thời áp dụng mô hình tính toán phù hợp như mô hình Mander để đánh giá chính xác.

Kết luận

  • Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh khả năng chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu từ bê tông cũ ở tỷ lệ 25% và 35%, với cường độ chịu nén đạt từ 85% đến 92% so với bê tông chuẩn.
  • Việc sử dụng cốt liệu tái chế góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, giảm lượng phế thải xây dựng và bảo vệ môi trường.
  • Mô hình ứng suất - biến dạng của Mander được áp dụng hiệu quả trong việc mô phỏng và đánh giá cơ học của bê tông tái chế.
  • Đề xuất áp dụng tỷ lệ cốt liệu tái chế tối đa 25% trong các cấu kiện chịu nén đúng tâm để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng và đào tạo nhân lực để thúc đẩy ứng dụng bê tông tái chế trong ngành xây dựng Việt Nam.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các dự án bê tông tái chế, góp phần xây dựng ngành xây dựng xanh và bền vững.