Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật "Đáp ứng tải trọng va đập của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao" do nghiên cứu sinh Chu Thị Hải Vinh thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp (mã số: 9580201), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Đức Vinh và GS. Nguyễn Viết Tuệ. Luận án được hoàn thành và bảo vệ vào năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông tính năng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC / UHPFRC) là vật liệu xây dựng sở hữu cường độ chịu nén vượt trội (từ 120 MPa trở lên theo ASTM C1856/1856M-17), độ dẻo dai cao và độ đặc sít lớn, giúp cải thiện khả năng chống chịu môi trường xâm thực mạnh cũng như các dạng tải trọng đặc biệt như va đập và nổ. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất đối với việc ứng dụng rộng rãi UHPC là giá thành sản xuất cao gấp 5 đến 10 lần so với bê tông thông thường. Hầu hết các nghiên cứu và ứng dụng trước đây phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu nhập khẩu đắt tiền, hàm lượng xi măng cao (800–1200 kg/m³) và loại bỏ hoàn toàn cốt liệu thô. Tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về thiết kế tối ưu cấp phối UHPC sử dụng nguồn nguyên vật liệu sẵn có trong nước (kết hợp phụ gia khoáng xỉ lò cao nhằm giảm giá thành) gắn liền với việc đánh giá ứng xử của cấu kiện dạng tấm mỏng dưới tác dụng của tải trọng va đập vận tốc thấp còn thiếu vắng. Do đó, việc nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình số mô tả chính xác đáp ứng động của tấm UHPC là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là phát triển công thức cấp phối vật liệu UHPC sử dụng nguyên liệu sẵn có trong nước với chi phí hợp lý, đồng thời khảo sát ứng xử cơ học và đáp ứng động của kết cấu tấm UHPC chịu tải trọng va đập.

Nhiệm vụ nghiên cứu được cụ thể hóa thông qua việc giải quyết 5 câu hỏi động lực nghiên cứu do tác giả đặt ra:

  1. Liệu có thể tạo ra một loại vật liệu UHPC bằng nguyên vật liệu có sẵn với chi phí thấp hơn hay không?
  2. Tính năng dẻo dai của UHPC có cải thiện được khả năng chịu lực va đập của công trình hay không?
  3. UHPC thường mỏng hơn, vậy ứng xử của kết cấu mỏng như thế nào khi chịu tải trọng va đập với các mức tốc độ biến dạng vật liệu khác nhau?
  4. Làm thế nào dự đoán một cách định tính và định lượng ứng xử của toàn bộ công trình dưới tác động của tải xung kích?
  5. Khả năng ứng dụng UHPC vào thực tế công trình như thế nào?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu bê tông tính năng siêu cao (UHPC/UHPFRC) và kết cấu tấm phẳng UHPC (kích thước $500 \times 500 \times 80$ mm) có hoặc không có cốt thép gia cường, gia cường các hàm lượng sợi thép khác nhau.
  • Phạm vi không gian và vật liệu: Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu nội địa gồm cát thạch anh Cam Ranh, đá nghiền CS-3 và CS-5 khu vực Đông Nam Bộ, xi măng Portland loại 1, silica fume, bột cát thạch anh và xỉ lò cao (BFS). Các mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn (không áp dụng bảo dưỡng nhiệt dung ẩm hay hấp áp lực).
  • Phạm vi tải trọng và cơ học: Khảo sát các đặc trưng cơ học của UHPC ở dải cường độ nén 100–150 MPa. Thí nghiệm va đập được thực hiện ở dải tải trọng va đập vận tốc thấp (low-velocity impact) bằng vật nặng rơi tự do hình trụ có khối lượng 16 kg, 25 kg và 33 kg. Mô phỏng số 3D được triển khai trong môi trường bài toán Explicit Dynamic bằng phần mềm ANSYS-AUTODYN.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã phân tích và hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến 4 nhóm vấn đề chính:

Ảnh hưởng của thành phần cốt liệu đến tính năng của UHPC

  • K. Vishalakshi và cộng sự (2018) đã khảo sát các loại cốt liệu khác nhau (Grey Granite, Anorthosite, Charnockite, Limestone, Gneiss) có kích thước 12–20 mm, chứng minh cốt liệu ảnh hưởng không đáng kể đến bê tông thường nhưng tác động rõ rệt đến cường độ nén, kéo, uốn và năng lượng phá hủy của bê tông cường độ cao.
  • Ke-Ru Wu và cộng sự (2001) nghiên cứu các loại đá quartzite, granite, đá vôi và marble ở các tỷ lệ nước/chất kết dính (N/X) khác nhau; kết quả chỉ ra ở tỷ lệ N/X = 0.26, cường độ chịu nén đạt 99.1 MPa (cao hơn mức 70.4 MPa khi N/X = 0.44 đối với đá Granite), cho thấy vai trò của cường độ cốt liệu tăng khi N/X giảm.
  • Kim và cộng sự (2011) kết luận cốt liệu có cỡ hạt nhỏ hơn 1.18 mm giúp các sợi thép định hướng và phân tán tối ưu; ngược lại, cỡ hạt lớn đến 8 mm cản trở sự trượt của sợi, làm giảm tính công tác và cường độ chịu kéo khi uốn.
  • Orgass và cộng sự (2014) so sánh bê tông bột phản ứng (RPC) cỡ hạt đến 0.8 mm (đạt 154 MPa với 2% sợi thép) có cường độ nén vượt trội hơn bê tông UHPC sử dụng cỡ hạt đến 5 mm (đạt 129 MPa).

Ảnh hưởng của sợi thép đến ứng xử của UHPC

  • Hassan và cộng sự (2012) chỉ ra sự có mặt của sợi thép làm tăng biến dạng kéo cực hạn từ 0.25‰ (UHPC không sợi) lên 1.0‰ (UHPFRC), trong khi cường độ nén và mô đun đàn hồi ít bị ảnh hưởng.
  • Doo-Yeol Yoo và cộng sự (2013, 2014) khảo sát hàm lượng sợi thép từ 1% đến 4%, xác định mức 3% sợi cho khả năng chịu lực tối ưu, trong khi tăng lên 4% làm giảm cường độ do suy giảm tính công tác.
  • Su Tae Kang và cộng sự (2010) phát hiện hướng đổ bê tông song song với trục cấu kiện giúp tăng 61% khả năng chịu uốn so với hướng đổ vuông góc nhờ sự định hướng của sợi thép.
  • Zemei Wu và cộng sự (2016) nghiên cứu ba dạng sợi thép (thẳng, xoắn, uốn móc) và ghi nhận sợi uốn móc làm giảm độ chảy tới 20.2% do tăng ma sát nhưng cải thiện độ bám dính và ứng xử sau nứt.
  • Tại Việt Nam, Trần và cộng sự (2019, 2021) nghiên cứu UHPC cốt liệu nhỏ sử dụng cát thạch anh 980 kg/m³, cho thấy khi hàm lượng sợi tăng từ 0% lên 3%, cường độ nén, kéo và uốn tăng tương ứng 23%, 87% và 157%.

Ứng xử của kết cấu tấm chịu tải trọng va đập

  • S. Elavenil và cộng sự (2013) thử nghiệm va đập trên 18 tấm bê tông ($600 \times 600$ mm, dày 10–30 mm) với vật nặng 4.5 kg rơi từ độ cao 750 mm; kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng sợi thép lên 1.0–2.0%, khả năng chịu lực của tấm tăng 60% và giảm mạnh bề rộng vết nứt.
  • Madheswaran C. K và cộng sự (2014) so sánh tấm bê tông Geopolymer (FR-GPC1) và tấm bê tông xi măng Portland (FR-OPCC) kích thước $1000 \times 1000 \times 60$ mm chịu va đập, chỉ ra bê tông geopolymer có khả năng hấp thụ năng lượng tốt hơn và ít xuất hiện vết nứt hơn.
  • Kuhn và Curbach (2008) thử nghiệm tấm bê tông C40 kích thước $1.3 \times 1.3$ m, phân tích ảnh hưởng của hình dạng và khối lượng vật nặng rơi đến sự phân bố gia tốc và dạng phá hoại.
  • Yu và cộng sự (2016) khảo sát tải trọng va đập con lắc lên UHPFRC, khẳng định hỗn hợp sợi dài kết hợp sợi ngắn hoặc sợi móc hai đầu cho hiệu quả hấp thụ năng lượng cao hơn dùng đơn lẻ sợi ngắn dạng thẳng.
  • Jin-Young Lee và cộng sự (2018) thử nghiệm va đập tấm hai phương kích thước $1600 \times 1600 \times 105$ mm với bê tông 25–180 MPa; mẫu UHPC-180 không sợi bị phá hoại chọc thủng ở lần đập thứ 2, trong khi mẫu chứa 2.0% sợi thép chịu được 11 lần va đập và chỉ xuất hiện nứt bề mặt.

Mô hình số cho bài toán va đập

  • Mô hình vật liệu RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma, 2000) được phát triển cho bài toán động lực học phá hủy vật liệu giòn trong ANSYS-AUTODYN.
  • Tu và Lu (2010), Heckoter và Siever (2011) chỉ ra việc sử dụng thông số mặc định của RHT không thể phản ánh chính xác các vết nứt và dạng phá hoại thực tế; cần thiết phải hiệu chỉnh các thông số vật liệu dựa trên số liệu thí nghiệm nén và kéo thực tế của từng loại bê tông.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống: Tối ưu hóa cấp phối UHPC sử dụng kết hợp cốt liệu đá nghiền nhỏ (CS-3, CS-5) và xỉ lò cao (BFS) nội địa nhằm hạ giá thành; xác lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cơ học và ứng xử va đập của tấm mỏng UHPC; đề xuất phương pháp đo đạc kéo trực tiếp ổn định; hiệu chỉnh bộ tham số mô hình RHT để mô phỏng chính xác đáp ứng động và mức độ lan truyền hư hại của tấm UHPC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Nguyên lý chế tạo UHPC: Dựa trên việc nâng cao chỉ số độ đặc chắc bằng phương pháp độ chặt (packing density), giảm tối đa độ rỗng, hạ thấp tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B < 0.25), bổ sung phụ gia khoáng hoạt tính silica fume và xỉ lò cao tham gia phản ứng pozzolanic: $$\text{SiO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C-S-H}$$
  • Cơ chế truyền lực và bắc cầu sợi: Phân tích ứng xử theo 3 cấp độ cấu trúc (vĩ mô, meso, vi mô). Khác với bê tông thường (lực truyền chủ yếu qua khung cốt liệu và dễ nứt vùng chuyển tiếp), ở UHPC cả pha hồ và pha cốt liệu cùng tham gia chịu lực. Ứng xử chịu kéo của UHPFRC được mô tả qua 3 giai đoạn: đàn hồi, tái bền (strain hardening với hình thành đa vết nứt nhờ hiệu ứng bắc cầu của sợi thép), và mềm hóa (strain softening). Yêu cầu kỹ thuật thực tế yêu cầu cường độ kéo uốn sau nứt đạt $f_{ct,u} \ge 1.1 f_{ct,e}$ và biến dạng kéo $\varepsilon_{ct,u} \ge 1.5%$.
  • Lý thuyết tải trọng va đập và mô hình RHT: Phân tích sự chuyển hóa động năng ($E_K = \frac{1}{2}mv^2$), hiệu ứng tốc độ biến dạng động thông qua hệ số tăng tải trọng động (Dynamic Increase Factor - DIF), sự cân bằng năng lượng và sự phân bố ứng suất theo mô hình đàn dẻo phá hoại Riedel-Hiermaier-Thoma.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Thiết kế và tối ưu cấp phối:
    • Đánh giá độ rỗng và hệ số lèn chặt của 3 nhóm cốt liệu hỗn hợp (Agg-1, Agg-2, Agg-3) gồm cát thạch anh Cam Ranh và đá nghiền CS-3, CS-5.
    • Tối ưu hóa pha hồ bằng cách thay thế bột thạch anh (SP) bằng xỉ lò cao (BFS) theo các tỷ lệ 0%, 20%, 30%, 50% khối lượng xi măng.
  • Khảo sát đặc tính cơ học (hơn 120 mẫu):
    • Thí nghiệm nén dọc trục xác định cường độ nén ($f_c$), mô đun đàn hồi ($E$) và hệ số Poisson ($\nu$) trên mẫu trụ $\varnothing 100 \times 200$ mm và mẫu lập phương.
    • Thí nghiệm uốn dầm theo tiêu chuẩn RILEM ($100 \times 100 \times 500$ mm và $100 \times 100 \times 400$ mm) xác định cường độ kéo khi uốn ($f_u$), độ mở rộng miệng vết nứt (CMOD) và năng lượng phá hủy ($G_F$).
    • Thí nghiệm kéo trực tiếp xác định cường độ chịu kéo dọc trục ($f_t$) với giải pháp cải tiến ngàm kẹp và dán liên kết bằng cáp thép nhằm triệt tiêu độ lệch trục.
  • Phân tích vi cấu trúc: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại các độ phóng đại 2,500, 10,000 và 15,000 lần để quan sát cấu trúc tinh thể C-S-H, canxi hydroxit và độ đặc khít của vùng tiếp giáp.
  • Thực nghiệm va đập trên tấm: Chế tạo mô hình tấm phẳng kích thước $500 \times 500 \times 80$ mm gối tựa hai cạnh hoặc bốn cạnh, chịu va đập bởi các quả búa hình trụ tròn có khối lượng 16 kg, 25 kg và 33 kg rơi tự do. Hệ thống đo đạc gồm cảm biến gia tốc dải đo 500g, cảm biến đo biến dạng (strain gauge - SG), cảm biến đo chuyển vị LVDT và thiết bị ghi nhận lực va đập.

Phương pháp mô phỏng số

Xây dựng mô hình 3D kết cấu tấm trong ANSYS-AUTODYN (sử dụng phần tử SOLID 186). Mô hình hóa bê tông UHPC bằng mô hình vật liệu RHT; các thông số đầu vào được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực nghiệm nén và uốn từ Chương 4. Thiết lập điều kiện biên, vận tốc va đập của đầu búa và phân tích các trường ứng suất Von-Mises, gia tốc, chuyển vị theo thời gian và sự lan truyền hư hại trong tấm.

Nguồn tư liệu và vật liệu chế tạo

  • Xi măng: Xi măng Portland loại 1 (ASTM C150).
  • Cốt liệu: Cát thạch anh mỏ Cam Ranh; đá nghiền CS-3 và CS-5 mỏ Đông Nam Bộ.
  • Phụ gia khoáng & điền đầy: Silica fume dạng bột không nén/nén; bột cát thạch anh mịn 11 $\mu$m; xỉ lò cao nghiền mịn S95 (TCVN 11586:2016) diện tích bề mặt $4000\text{–}5000\text{ cm}^2/\text{g}$, khối lượng riêng $2.95\text{ g/cm}^3$.
  • Sợi thép: Sợi thép thẳng cường độ cao, hàm lượng sử dụng 0%, 1.0% và 1.5% theo thể tích bê tông.
  • Phụ gia hóa học: Phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Polycarboxylate.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này tổng quan về lịch sử phát triển của bê tông từ bê tông thường (NSC), bê tông cường độ cao (HSC thập niên 1970) đến bê tông tính năng siêu cao (UHPC/UHPFRC những năm 2000). Tác giả phân tích các ứng dụng thực tế điển hình của UHPC như dự án sửa chữa mặt cầu Thăng Long (2020–2021) với hơn 10,000 m³ UHPC dày 60 mm liên kết neo chống cắt; tấm mặt dựng trang trí WINK Hotel (75 Nguyễn Bỉnh Khiêm, TP.HCM) kích thước nhịp 7.0 m dày 60 mm đục lỗ 60%; khung máy phay CNC (RAMF - Đức); và các mô đun lắp ghép công trình quốc phòng, biển đảo. Từ đó, chương xác lập tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu, quy trình thực hiện và cấu trúc 7 chương của luận án.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 trình bày bức tranh toàn diện về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước xoay quanh 4 trục nội dung:

  1. Ảnh hưởng của cốt liệu: Phân tích các công trình của K. Vishalakshi (2018), Ke-Ru Wu (2001), Kim (2011), Orgass (2014).
  2. Ảnh hưởng của sợi thép: Tổng hợp kết quả của Hassan (2012), Doo-Yeol Yoo (2013, 2014), Su Tae Kang (2010), Zemei Wu (2016), Trần và cộng sự (2019, 2021).
  3. Ứng xử của tấm chịu tải va đập: Điểm lại các nghiên cứu của S. Elavenil (2013), Madheswaran C. K (2014), Kuhn và Curbach (2008), Yu (2016), Jin-Young Lee (2018).
  4. Mô hình hóa số bài toán va đập: Phân tích việc ứng dụng mô hình RHT của Riedel (2000), Tu và Lu (2010), Heckoter và Siever (2011).

Chương 2 kết luận rằng việc nghiên cứu chế tạo UHPC chứa cốt liệu đá nghiền nhỏ kết hợp xỉ lò cao nội địa chịu tải trọng va đập tại Việt Nam là một hướng đi mới chưa có công bố tương tự.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương này thiết lập nền tảng lý thuyết cho toàn bộ luận án:

  • Trình bày 6 nguyên tắc chế tạo UHPC (loại bỏ cốt liệu thô, tối ưu hóa độ chèn chặt hạt, bổ sung silica fume, giảm W/B, cải thiện vi cấu trúc, bổ sung sợi thép).
  • Phân tích chi tiết đặc tính hóa lý của các cấu tử: phản ứng pozzolanic của silica fume với $\text{Ca(OH)}_2$; vai trò chèn đầy vi mô của bột thạch anh (SP); hoạt tính thủy hóa của xỉ lò cao (BFS); cơ chế phân tán của phụ gia Polycarboxylate.
  • Trình bày cấu trúc vật liệu theo 3 cấp độ (vĩ mô, meso, vi mô) và hình ảnh vi cấu trúc SEM gồm canxi hydroxit tấm lớn, ettringite hình kim và gel C-S-H đa lớp.
  • Phân tích cơ chế truyền lực, mô hình nứt và phá hủy của Glucklich, cơ chế bắc cầu truyền ứng suất của sợi thép và biểu đồ ứng suất - biến dạng kéo 3 giai đoạn của UHPFRC.
  • Tổng quan lý thuyết va đập cơ học, động năng va đập, hiệu ứng tốc độ biến dạng động và khái quát phương pháp thiết kế cấp phối theo độ chặt (packing density).

Chương 4: Phát triển và tối ưu công thức cho vật liệu UHPC

Chương 4 là phần thực nghiệm vật liệu quy mô lớn với hơn 120 mẫu thí nghiệm. Nội dung triển khai theo hai bước chính:

1. Tối ưu hóa hỗn hợp cốt liệu và pha hồ

  • Đã khảo sát 3 phương án phối trộn cốt liệu (Agg-1, Agg-2, Agg-3) từ cát Cam Ranh và đá nghiền CS-3, CS-5; xác định được cấp phối hạt tối ưu đạt hệ số lèn chặt cao nhất và độ rỗng nhỏ nhất.
  • Tối ưu hóa pha hồ bằng cách thay thế bột thạch anh bằng xỉ lò cao (BFS) ở các tỷ lệ 0%, 20%, 30%, 50%. Kết quả cho thấy cấp phối chứa 20% BFS giúp tăng độ lưu động, rút ngắn thời gian trộn, và thúc đẩy phát triển cường độ sớm với cường độ nén 7 ngày đạt xấp xỉ 90% cường độ nén 28 ngày ($f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$).
  • Quan sát ảnh chụp SEM ở độ phóng đại 10,000 và 15,000 lần xác nhận cấu trúc tinh thể C-S-H nhiều lớp phát triển đặc khít, liên kết chặt chẽ với cốt liệu.

2. Đánh giá tính chất cơ học của hỗn hợp và bê tông đóng rắn

  • Cường độ chịu nén đạt 118 ÷ 151 MPa (trung bình các nhóm tối ưu đạt 130 ÷ 150 MPa).
  • Cường độ chịu kéo khi uốn dầm RILEM đạt 9 ÷ 29 MPa (tăng theo hàm lượng sợi thép).
  • Cường độ chịu kéo trực tiếp đạt 7 ÷ 8 MPa.
  • Đề xuất và chế tạo thành công đồ gá thí nghiệm kéo trực tiếp với hệ cáp liên kết đầu mẫu, khắc phục triệt để hiện tượng lệch trục và ứng suất cục bộ tại ngàm kẹp.
  • Đánh giá kinh tế: việc thay thế một phần bột thạch anh bằng xỉ lò cao và sử dụng đá nghiền CS giúp giảm đáng kể giá thành cho 1 m³ bê tông UHPC.
Chỉ tiêu cơ học / Đặc tính vật liệu Giá trị thực nghiệm ghi nhận
Cường độ chịu nén 28 ngày ($f_c$) $118 \div 151\text{ MPa}$
Tốc độ phát triển cường độ sớm ($f_{c_7d}/f_{c_28d}$) $\approx 90%$ (khi dùng 20% BFS)
Cường độ chịu kéo khi uốn ($f_u$) $9 \div 29\text{ MPa}$ (tùy hàm lượng sợi)
Cường độ chịu kéo trực tiếp ($f_t$) $7 \div 8\text{ MPa}$
Biến dạng kéo cực hạn ($\varepsilon_t$) $\approx 1.0‰$ (mẫu có sợi) so với $0.25‰$ (không sợi)
Tỷ lệ xỉ lò cao tối ưu thay thế bột cát thạch anh $20%$ khối lượng xi măng

Chương 5: Khảo sát thực nghiệm kết cấu tấm UHPC chịu tải trọng va đập

Chương 5 trình bày toàn bộ chương trình thử nghiệm va đập rơi tự do trên kết cấu tấm UHPC:

  • Chế tạo các tấm mẫu kích thước $500 \times 500 \times 80$ mm với các biến số: hàm lượng sợi thép (0%, 1.0%, 1.5%), có hoặc không có lưới cốt thép, và các mức cường độ bê tông khác nhau.
  • Thiết kế hệ khung thí nghiệm va đập chuyên dụng có xi lanh khí nén, bộ lọc khí, van điện từ và hệ ray dẫn hướng cho vật nặng rơi tự do chính xác vào tâm tấm.
  • Thực hiện va đập với 3 mức khối lượng vật nặng hình trụ tròn: 16 kg, 25 kg và 33 kg.
  • Đo đạc và ghi nhận: lực va đập tác dụng, biểu đồ lịch sử gia tốc tấm (qua cảm biến 500g), phân bố biến dạng bề mặt (strain gauge) và quá trình phát triển, mở rộng vết nứt.
  • Kết quả chính:
    • Bề rộng vết nứt bề mặt giảm rõ rệt và diện tích vùng hấp thụ xung lực tăng lên khi tăng hàm lượng sợi thép và tăng cường độ nén của bê tông.
    • Sợi thép đóng vai trò then chốt trong việc giảm bề rộng vết nứt và nâng cao khả năng chịu lực va đập của tấm, có hiệu quả vượt trội hơn so với việc chỉ tăng lượng cốt thép truyền thống hay tăng cường độ nén đơn thuần.
Khối lượng vật nặng va đập Thông số theo dõi chính Kết quả và ứng xử của tấm UHPC
16 kg Biến dạng đàn hồi, gia tốc đỉnh Tấm làm việc trong miền đàn hồi, biến dạng nhỏ, không xuất hiện nứt lớn bề mặt.
25 kg Bề rộng vết nứt, phân bố gia tốc Xuất hiện vết nứt vi mô; tấm có sợi thép kiểm soát tốt bề rộng vết nứt nhỏ hơn nhiều so với tấm không sợi.
33 kg Vùng vỡ cục bộ, biến dạng dẻo Tấm không sợi bị nứt toác và phá hoại giòn; tấm UHPFRC giữ nguyên tính toàn vẹn, sợi thép găm giữ ngăn ngừa nứt xuyên thủng.

Chương 6: Mô phỏng số cho tấm UHPC chịu tải va đập

Chương 6 thiết lập bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn động lực học tường minh (Explicit Dynamic) trên phần mềm ANSYS-AUTODYN:

  • Xây dựng mô hình hình học 3D đầy đủ của tấm UHPC kích thước $500 \times 500 \times 80$ mm, chia lưới bằng phần tử SOLID 186.
  • Sử dụng mô hình vật liệu RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma) để mô tả ứng xử phi tuyến, dẻo hóa và phá hủy của UHPC.
  • Tiến hành hiệu chỉnh các tham số đầu vào của mô hình RHT dựa trên kết quả thí nghiệm nén dọc trục mẫu trụ và kéo uốn thu được từ Chương 4 (thay vì dùng thông số mặc định).
  • Kết quả mô phỏng thể hiện sự phù hợp cao về xu hướng động học giữa mô hình số và thực nghiệm (về biểu đồ gia tốc theo thời gian, phân bố ứng suất Von-Mises, chuyển vị đỉnh và vùng hư hại cục bộ).
  • Mô hình số cho phép quan sát chi tiết quá trình lan truyền sóng ứng suất bên trong tấm và dự báo chính xác vùng bê tông bị phá hoại nứt vỡ khi chịu các mức năng lượng va đập khác nhau.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Làm sáng tỏ cơ chế ứng xử động của tấm UHPC: Luận án đã xác lập một cách định lượng cơ chế lan truyền ứng suất, biến dạng và sự tiêu tán năng lượng va đập trong kết cấu tấm phẳng UHPC mỏng. Chứng minh thực nghiệm vai trò áp đảo của sợi thép trong việc ngăn chặn phá hoại chọc thủng và kiểm soát bề rộng vết nứt dưới tải trọng va đập vận tốc thấp.
  2. Hiệu chỉnh bộ tham số mô hình vật liệu RHT cho UHPC: Đã xác định và hiệu chỉnh thành công bộ tham số đặc trưng cho mô hình cấu tạo RHT trong phần mềm ANSYS-AUTODYN từ số liệu thực nghiệm nén - kéo của bê tông UHPC sản xuất tại Việt Nam, khắc phục sai số lớn của các bộ tham số mặc định.
  3. Cải tiến phương pháp đo kéo trực tiếp: Đề xuất giải pháp gá đặt và liên kết mẫu kéo trực tiếp bằng cáp thép kết hợp LVDT, triệt tiêu độ lệch trục và cải thiện độ tin cậy của đường cong ứng suất - biến dạng kéo cho vật liệu UHPC.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Phát triển thành công cấp phối UHPC chi phí thấp từ vật liệu trong nước: Tối ưu hóa thành công hỗn hợp bê tông UHPC sử dụng cát Cam Ranh, đá nghiền CS-3, CS-5 và thay thế 20% bột cát thạch anh bằng xỉ lò cao (BFS - phế phẩm luyện gang thép). Cấp phối này phát triển cường độ sớm ($f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$), đạt cường độ nén 130–150 MPa mà không cần bảo dưỡng nhiệt, giúp hạ giá thành sản xuất và giảm phát thải môi trường.
  2. Cung cấp cơ sở dữ liệu và thiết bị thử nghiệm va đập: Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ khung thí nghiệm va đập rơi tự do kèm hệ cảm biến gia tốc, lực và biến dạng; cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đầy đủ phục vụ tính toán, thiết kế kết cấu tấm chịu tải trọng va đập theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng công thức cấp phối tối ưu chứa 20% xỉ lò cao và đá nghiền nhỏ vào sản xuất các cấu kiện tấm mỏng, vỏ mỏng đúc sẵn, tấm tường bảo vệ và bản mặt cầu chịu tải trọng nặng.
  • Áp dụng quy trình thí nghiệm kéo trực tiếp cải tiến và bộ thông số mô hình RHT đã hiệu chỉnh vào việc tính toán, kiểm tra an toàn cho các công trình chịu tải trọng động đặc biệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Thí nghiệm va đập chỉ giới hạn ở dải vận tốc thấp (low-velocity impact) với quả búa rơi tự do có khối lượng từ 16 kg đến 33 kg, chưa khảo sát được các dải vận tốc cao hoặc siêu cao.
  • Kích thước tấm thí nghiệm cố định ở quy mô mô hình ($500 \times 500 \times 80$ mm), chưa thực hiện trên các cấu kiện tấm nhịp lớn ở quy mô thực tế.
  • Chế độ dưỡng hộ của các nhóm mẫu hoàn toàn ở điều kiện nhiệt độ phòng tiêu chuẩn, chưa đánh giá ảnh hưởng của các chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm hay hấp áp lực đến khả năng kháng va đập.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu ứng xử của kết cấu UHPC dưới tác dụng của tải trọng va đập vận tốc cao (đạn bắn, mảnh văng) và tải trọng nổ (blast load).
  • Khảo sát ứng xử của các cấu kiện kết cấu chịu lực khác như cột, dầm, kết cấu vỏ cong và kết cấu liên hợp UHPC - thép chịu tải trọng xung kích.
  • Tối ưu hóa việc phối trộn hỗn hợp nhiều loại sợi (sợi thép kết hợp sợi phi kim, sợi thẳng kết hợp sợi xoắn/móc) để nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ năng lượng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực xây dựng và cơ học công trình:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp thiết kế cấp phối theo độ chặt (packing density), kỹ thuật phân tích vi cấu trúc SEM, phương pháp thực nghiệm cơ học chuyên sâu (đặc biệt là thí nghiệm kéo trực tiếp và uốn dầm RILEM), cùng quy trình mô phỏng Explicit Dynamic với mô hình RHT trong ANSYS-AUTODYN.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Cung cấp thông số cơ học tin cậy (cường độ nén 118–151 MPa, kéo uốn 9–29 MPa, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson) và công thức cấp phối giá thành hợp lý để ứng dụng cho các dự án cầu đường, mặt dựng nhà cao tầng, sàn chịu tải trọng lớn.
  • Đối với các cơ quan quản lý và thiết kế công trình quốc phòng - an ninh: Là cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ thiết kế các công trình phòng thủ, hầm trú ẩn, tường chắn bảo vệ và các kết cấu đặc biệt có nguy cơ chịu tải trọng va đập, nổ.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã tối ưu hóa thành phần cấp phối UHPC như thế nào để giảm giá thành sản xuất?

Tác giả đã sử dụng hoàn toàn nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước bao gồm cát thạch anh Cam Ranh và đá nghiền nhỏ (CS-3, CS-5) từ khu vực Đông Nam Bộ thay vì dùng cát nhập khẩu. Đặc biệt, tác giả đã thay thế 20% khối lượng bột cát thạch anh bằng xỉ lò cao (BFS - phế phẩm công nghiệp luyện kim), vừa giúp giảm chi phí vật liệu, vừa tận dụng phản ứng pozzolanic để bê tông phát triển cường độ sớm ($f_{c_7d} \approx 90% f_{c_28d}$) mà không cần bảo dưỡng nhiệt.

2. Kích thước mẫu và các thông số tải trọng trong thí nghiệm va đập tấm là bao nhiêu?

Kết cấu tấm UHPC thí nghiệm có kích thước hình học là $500 \times 500 \times 80$ mm. Tải trọng va đập được tạo ra bằng các vật nặng hình trụ tròn bằng thép có khối lượng lần lượt là 16 kg, 25 kg và 33 kg, được thả rơi tự do theo hệ ray dẫn hướng thẳng đứng tác dụng trực tiếp vào tâm tấm.

3. Sợi thép đóng vai trò gì đối với khả năng kháng va đập của kết cấu tấm UHPC?

Sợi thép đóng vai trò quyết định trong việc giảm bề rộng vết nứt và duy trì tính toàn vẹn của tấm. Khi chịu va đập, sợi thép tạo ra cơ chế bắc cầu truyền ứng suất qua các khe nứt, giúp tấm chuyển từ phá hoại giòn (nứt vỡ, chọc thủng) sang phá hoại dẻo với nhiều vết nứt nhỏ phân tán, làm tăng đáng kể diện tích vùng hấp thụ xung lực. Tác giả kết luận hàm lượng sợi thép có ảnh hưởng rõ rệt hơn cả cường độ nén của bê tông và lượng cốt thép thanh trong tấm.

4. Phần mềm và mô hình vật liệu nào được sử dụng trong mô phỏng số?

Luận án sử dụng phần mềm ANSYS-AUTODYN với bài toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic). Bê tông UHPC được mô tả bằng mô hình vật liệu RHT (Riedel-Hiermaier-Thoma). Toàn bộ các thông số đặc trưng của mô hình RHT đã được tác giả hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực nghiệm nén dọc trục và uốn thu được từ Chương 4, giúp mô phỏng chính xác sự phân bố ứng suất Von-Mises, gia tốc và dự đoán vùng hư hại của tấm.

5. Cải tiến kỹ thuật nào đã được tác giả đề xuất cho thí nghiệm kéo trực tiếp?

Để khắc phục nhược điểm lệch trục và phá hoại cục bộ tại ngàm kẹp trong thí nghiệm kéo trực tiếp truyền thống, tác giả đã thiết kế và gia công đồ gá kéo mẫu cải tiến bằng cách đúc chìm 2 thanh cáp thép vào hai đầu mẫu bê tông và bố trí hệ cảm biến LVDT đo biến dạng trực tiếp, giúp tăng độ ổn định, triệt tiêu ứng suất uốn phụ và nâng cao độ chính xác của phép đo.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Chu Thị Hải Vinh là công trình nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số hoàn chỉnh về ứng xử của kết cấu tấm bê tông tính năng siêu cao (UHPC) chịu tải trọng va đập. Luận án đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa cấp phối UHPC chi phí thấp sử dụng xỉ lò cao và cốt liệu nội địa đạt cường độ nén 118–151 MPa, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế làm việc của sợi thép trong việc kiểm soát nứt và tiêu tán năng lượng va đập. Kết quả hiệu chỉnh mô hình vật liệu RHT trong ANSYS-AUTODYN cung cấp công cụ mô phỏng tin cậy, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, ứng dụng UHPC vào các công trình dân dụng và công trình chịu tải trọng đặc biệt.