Tổng quan nghiên cứu

Bê tông cốt thép là vật liệu chủ đạo trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, chiếm tỷ trọng lớn trong ngành xây dựng hiện nay. Tuy nhiên, sản xuất xi măng Portland – chất kết dính truyền thống trong bê tông – gây ra lượng lớn khí thải CO2, chiếm khoảng 7% tổng lượng CO2 toàn cầu, tương đương 1,35 tấn CO2 mỗi năm, góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Sản lượng xi măng toàn cầu hiện vượt 2,6 tỷ tấn mỗi năm và tăng trung bình 5% hàng năm, đồng thời khai thác nguyên liệu như đá vôi và đất sét làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và ảnh hưởng đến đất nông nghiệp.

Trong bối cảnh đó, công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay – phế phẩm từ nhà máy nhiệt điện – làm chất kết dính thay thế xi măng Portland được xem là giải pháp thân thiện môi trường, giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng nguồn nguyên liệu tái chế. Bê tông Geopolymer có ưu điểm về khả năng chịu lực, chống ăn mòn, chịu nhiệt và độ co ngót thấp, đồng thời có tính tương thích tốt với cốt thép.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép Geopolymer, xác định ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ nhiệt và kích thước cốt thép đến khả năng chịu lực của cấu kiện. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi bê tông cấp B20, với các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng xanh, góp phần giảm thiểu phế thải công nghiệp và bảo vệ môi trường, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho ứng dụng bê tông Geopolymer trong công trình dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ Geopolymer dựa trên phản ứng hóa học giữa dung dịch kiềm (NaOH, Na2SiO3) và vật liệu aluminosilicate như tro bay, tạo thành mạng polymer vô cơ có cấu trúc Poly-Sialate với tỷ lệ Si/Al khoảng 2, mang lại cường độ cơ học cao và khả năng chịu uốn tương đương bê tông xi măng truyền thống. Quá trình Geopolymer hóa bao gồm các bước hòa tan, trùng hợp và ngưng kết tạo gel liên kết các hạt tro bay thành khối bê tông bền chắc.

Tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính nhân tạo, có kích thước hạt từ 1 đến 20 µm, chứa chủ yếu SiO2, Al2O3, Fe2O3 với hàm lượng từ 50-70%, được thu hồi từ các nhà máy nhiệt điện như Phả Lại và Formosa. Tro bay loại F (CaO < 6%) được sử dụng phổ biến trong bê tông Geopolymer do tính chất puzzolan và không tự đóng rắn, giúp tăng cường độ và độ bền của bê tông.

Bê tông Geopolymer được chế tạo bằng cách trộn khô tro bay và cốt liệu, sau đó thêm dung dịch kiềm hoạt hóa và trộn đều. Quá trình dưỡng hộ nhiệt (thường ở 60-85°C trong 24-96 giờ) thúc đẩy phản ứng polymer hóa, tăng cường độ bê tông. Cường độ chịu nén bê tông Geopolymer có thể đạt 60 MPa sau 5 giờ dưỡng hộ ở 85°C và lên đến 70-100 MPa sau 28 ngày.

Khung lý thuyết tính toán khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer dựa trên tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, sử dụng công thức xác định cường độ chịu kéo uốn và mô đun đàn hồi theo công thức thực nghiệm của Hardjito (2005):

$$ f_{ct} = 0.1 \times f_{cm} $$

$$ E_c = 5300 + 2707 \times f_{cm} $$

Trong đó, $f_{ct}$ là cường độ chịu kéo uốn, $f_{cm}$ là cường độ chịu nén, và $E_c$ là mô đun đàn hồi của bê tông Geopolymer (MPa).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, thí nghiệm và mô phỏng số. Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Thí nghiệm mẫu bê tông Geopolymer cấp B20 với tro bay loại F, dung dịch kiềm NaOH và Na2SiO3, dưỡng hộ nhiệt ở 85°C trong 24 giờ.
  • Thí nghiệm cấu kiện sàn bê tông cốt thép Geopolymer kích thước 3000×1000×100 mm, bố trí thép chịu lực Φ8, Φ10, Φ12, thực hiện uốn 4 điểm trên khung uốn 50 tấn.
  • Đo chuyển vị, biến dạng tại vị trí giữa nhịp và L/3 nhịp bằng lá điện trở strain gauge và thiết bị đo độ võng.
  • Mô phỏng cấu kiện bằng phần mềm Abaqus để so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết.
  • Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm giữa các kết quả.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 3 cấu kiện sàn với các kích thước cốt thép khác nhau, chọn mẫu theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2015 đến 10/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer tương đương bê tông xi măng truyền thống: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu uốn của sàn Geopolymer đạt khoảng 4,5 MPa, tương đương với bê tông xi măng cùng cấp. Độ võng tại vị trí giữa nhịp sàn thực nghiệm cao hơn 15% so với tính toán lý thuyết nhưng thấp hơn 10% so với mô phỏng Abaqus.

  2. Ảnh hưởng của kích thước cốt thép đến khả năng chịu lực: Sử dụng thép gân Φ12 tăng khả năng chịu uốn của sàn lên khoảng 20% so với thép trơn Φ8. Thép gân giúp cải thiện liên kết giữa bê tông và cốt thép, giảm bề rộng vết nứt và tăng độ bền cấu kiện.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ nhiệt: Dưỡng hộ nhiệt ở 85°C trong 24 giờ giúp bê tông Geopolymer đạt cường độ chịu nén 60 MPa, tăng 30% so với dưỡng hộ ở nhiệt độ thường. Thời gian dưỡng hộ kéo dài trên 24 giờ không làm tăng đáng kể cường độ.

  4. So sánh kết quả thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng: Độ võng tính toán theo lý thuyết thấp hơn 15% so với thực nghiệm do không tính đến tương tác giữa bê tông và cốt thép. Mô phỏng Abaqus cho kết quả gần sát thực nghiệm nhất, sai số dưới 10%, do xét đến các yếu tố liên kết và đặc tính vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng chịu uốn của bê tông Geopolymer tương đương bê tông xi măng là do cấu trúc mạng Poly-Sialate tạo ra gel liên kết chắc chắn, đồng thời tro bay cung cấp nguồn Si và Al phong phú, thúc đẩy phản ứng polymer hóa hiệu quả. Việc sử dụng thép gân và tăng đường kính cốt thép làm tăng khả năng liên kết cơ học giữa bê tông và thép, giảm vết nứt và tăng độ bền uốn.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy bê tông Geopolymer có cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi tương đương hoặc vượt bê tông xi măng truyền thống. Sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết chủ yếu do mô hình lý thuyết chưa tính đến sự cộng hưởng và tương tác vật liệu trong quá trình uốn.

Việc dưỡng hộ nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bê tông Geopolymer, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ dưỡng hộ trên 60°C giúp phản ứng polymer hóa diễn ra nhanh và triệt để hơn. Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus cung cấp công cụ hiệu quả để dự đoán ứng xử cấu kiện, hỗ trợ thiết kế và kiểm định trong thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí giữa nhịp và L/3, bảng so sánh cường độ chịu uốn giữa các loại cốt thép và điều kiện dưỡng hộ, cũng như biểu đồ so sánh kết quả thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bê tông Geopolymer trong thiết kế sàn bê tông cốt thép cấp B20 trở lên: Khuyến nghị sử dụng bê tông Geopolymer với tro bay loại F và dưỡng hộ nhiệt ở 85°C trong 24 giờ để đảm bảo cường độ và khả năng chịu uốn, giảm phát thải CO2 trong xây dựng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các nhà thầu và đơn vị thiết kế.

  2. Tăng cường sử dụng thép gân có đường kính từ Φ10 trở lên trong cấu kiện sàn Geopolymer: Giải pháp này giúp tăng khả năng chịu lực và giảm vết nứt, nâng cao độ bền công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới, chủ thể: kỹ sư thiết kế và thi công.

  3. Phát triển quy trình dưỡng hộ nhiệt linh hoạt cho bê tông Geopolymer: Nghiên cứu và áp dụng các phương pháp dưỡng hộ nhiệt phù hợp với điều kiện công trường nhằm tối ưu hóa chi phí và hiệu quả cường độ bê tông. Thời gian nghiên cứu và triển khai: 2-3 năm, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng Abaqus trong thiết kế và kiểm định cấu kiện bê tông Geopolymer: Tăng cường đào tạo và ứng dụng công nghệ mô phỏng để dự báo chính xác ứng xử cấu kiện, giảm thiểu rủi ro và tối ưu thiết kế. Thời gian triển khai: 1 năm, chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty tư vấn xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và thi công xây dựng: Nắm bắt kiến thức về vật liệu bê tông Geopolymer, áp dụng trong thiết kế sàn bê tông cốt thép thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả công trình.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và mô phỏng hiện đại, phục vụ nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng mới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tìm hiểu công nghệ Geopolymer để phát triển sản phẩm bê tông xanh, tận dụng phế thải công nghiệp, mở rộng thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Đánh giá tiềm năng ứng dụng bê tông Geopolymer trong các dự án công trình công cộng, thúc đẩy phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông Geopolymer khác gì so với bê tông xi măng truyền thống?
    Bê tông Geopolymer sử dụng tro bay và dung dịch kiềm thay cho xi măng Portland, giảm phát thải CO2, có khả năng chịu lực và độ bền tương đương hoặc cao hơn bê tông truyền thống. Ví dụ, cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer đạt khoảng 4,5 MPa, tương đương bê tông xi măng cùng cấp.

  2. Điều kiện dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng thế nào đến bê tông Geopolymer?
    Dưỡng hộ nhiệt ở khoảng 85°C trong 24 giờ giúp tăng cường độ bê tông lên đến 60 MPa, thúc đẩy phản ứng polymer hóa. Thời gian dưỡng hộ dài hơn không làm tăng đáng kể cường độ, do đó có thể linh hoạt trong thi công.

  3. Kích thước và loại cốt thép ảnh hưởng ra sao đến khả năng chịu uốn của sàn?
    Sử dụng thép gân với đường kính lớn hơn (Φ10, Φ12) giúp tăng khả năng chịu uốn lên khoảng 20% so với thép trơn Φ8, cải thiện liên kết bê tông – thép và giảm vết nứt. Đây là yếu tố quan trọng trong thiết kế cấu kiện bê tông Geopolymer.

  4. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus có chính xác không?
    Mô phỏng Abaqus cho kết quả gần sát thực nghiệm nhất với sai số dưới 10%, do xét đến tương tác giữa bê tông và cốt thép, cường độ vật liệu và các yếu tố khác, hỗ trợ hiệu quả trong thiết kế và kiểm định.

  5. Bê tông Geopolymer có thể ứng dụng ở đâu trong xây dựng?
    Bê tông Geopolymer phù hợp cho các cấu kiện chịu lực như sàn, dầm, cột trong công trình dân dụng và công nghiệp, đặc biệt ở những nơi cần vật liệu thân thiện môi trường và có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn tốt.

Kết luận

  • Bê tông cốt thép Geopolymer sử dụng tro bay có khả năng chịu uốn tương đương bê tông xi măng truyền thống, phù hợp cho ứng dụng trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.
  • Kích thước và loại cốt thép ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực của cấu kiện, với thép gân Φ12 cho hiệu quả tốt nhất trong nghiên cứu.
  • Dưỡng hộ nhiệt ở 85°C trong 24 giờ là điều kiện tối ưu để phát triển cường độ bê tông Geopolymer cấp B20.
  • Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus hỗ trợ dự báo chính xác ứng xử cấu kiện, giúp tối ưu thiết kế và kiểm định.
  • Đề xuất áp dụng bê tông Geopolymer trong thiết kế và thi công sàn bê tông cốt thép nhằm giảm phát thải CO2, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả công trình.

Next steps: Triển khai nghiên cứu mở rộng về các cấp bê tông cao hơn, phát triển quy trình dưỡng hộ nhiệt linh hoạt và ứng dụng mô phỏng trong thiết kế thực tế. Các đơn vị xây dựng và nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ này.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp vật liệu xây dựng hãy tích cực ứng dụng bê tông Geopolymer để góp phần xây dựng ngành xây dựng xanh, bền vững và thân thiện với môi trường.