Tổng quan luận án
Công nghiệp sản xuất xi măng poóc lăng là một trong những nguồn phát thải khí carbon dioxide ($\text{CO}_2$) lớn trên toàn cầu do quá trình đốt cháy nhiên liệu và nung phân rã đá vôi. Thống kê thực tế ghi nhận mỗi tấn xi măng được sản xuất thải ra môi trường khoảng 0,7 tấn $\text{CO}_2$, chiếm khoảng 5% tổng lượng phát thải $\text{CO}_2$ từ các hoạt động nhân sinh gây nên hiệu ứng nhà kính. Tại Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào), quá trình đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng bê tông và xi măng gia tăng. Song song với đó, ngành công nghiệp năng lượng với Nhà máy nhiệt điện Hongsa (nhà máy nhiệt điện than non đầu tiên của Lào, công suất 1878 MW, tiêu thụ khoảng 14,3 triệu tấn than non mỗi năm) thải ra lượng tro bay lớn. Giai đoạn 2016–2018, lượng tro bay tồn đọng tại bãi thải nhà máy này đã tăng từ hơn 2 triệu tấn lên hơn 10 triệu tấn, nhưng chỉ có khoảng 0,32 triệu tấn được tái sử dụng. Tro bay Hongsa là nguồn tro bay nội địa duy nhất của CHDCND Lào (ký hiệu: L-FA).
Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là tại Lào và các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á, các công trình nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng chủ yếu dừng lại ở cấp độ vật liệu bê tông hoặc bê tông khối lớn dùng cho đập thủy điện. Việc nghiên cứu ứng dụng nguồn tro bay L-FA cho các cấu kiện chịu lực chính trong công trình dân dụng và công nghiệp, cụ thể là cấu kiện cột bê tông cốt thép (BTCT) chịu nén lệch tâm, vẫn chưa được thực hiện bài bản trên cả phương diện thực nghiệm và mô hình tính toán lý thuyết.
Mục đích nghiên cứu 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 kết cấu cột BTCT trong xây dựng dân dụng tại CHDCND Lào cũng như khu vực lân cận. Luận án đặt ra bốn mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- i) 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 thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của bê tông L-FA;
- ii) Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế L-FA/OPC theo khối lượng tới một số đặc trưng cơ lý của bê tông tro bay như cường độ chịu nén, sự phát triển cường độ theo thời gian và quan hệ ứng suất - biến dạng, từ đó xác định tỷ lệ thay thế hợp lý nhất và áp dụng cho cấu kiện cột BTCT;
- iii) 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 và kỹ thuật xây dựng mặt tương tác và đánh giá hệ số dự báo $k_p$, áp dụng với phương pháp phân tích tiết diện ngang nhằm tính toán khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột BTCT sử dụng L-FA;
- iv) Thực hiện chương trình thực nghiệm trên các mẫu cột BTCT sử dụng tro bay L-FA nhằm xác định các tham số của mô hình biến dạng phi tuyến được cải tiến cho bê tông tro bay L-FA và kiểm chứng quy trình tính toán lý thuyết được đề xuất.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là 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 cột BTCT khi sử dụng loại bê tông này.
Phạm vi nghiên cứu được xác định bao gồm:
- Sử dụng tro bay từ Nhà máy nhiệt điện Hongsa, CHDCND Lào (L-FA);
- Nghiên cứu trên bê tông có cường độ mẫu trụ trung bình mục tiêu là 30 MPa;
- Khảo sát các tỷ lệ thay thế L-FA/OPC theo khối lượng gồm 0%, 10%, 20%, 30% và 40%;
- Thí nghiệm cột BTCT sử dụng bê tông có tỷ lệ thay thế 20% L-FA/OPC theo khối lượng; mẫu cột có tiết diện chữ nhật $150 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $1600\text{ mm}$, chịu nén với các độ lệch tâm phẳng ban đầu $e_1$ là $0\text{ mm}$, $40\text{ mm}$ và $80\text{ mm}$;
- Tính toán lý thuyết dựa trên việc điều chỉnh mô hình biến dạng phi tuyến của tiêu chuẩn TCVN 5574:2018.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về tro bay, bê tông tro bay và cấu kiện cột BTCT:
- Lịch sử và tiêu chuẩn tro bay: Khái niệm tro bay được Davis và cộng sự đề xuất năm 1930 và nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo bê tông từ năm 1937. Việc sử dụng tro bay quy mô lớn bắt đầu tại đập Hungry Horse (Hoa Kỳ, 1948), đập Lower Notch (Canada, 1969) và các công trình dân dụng như tổ hợp chung cư Bayview (Vancouver, 1999–2001) hay tòa nhà Đại học York (Toronto, Canada) với tỷ lệ thay thế đến 50%. Các tiêu chuẩn kỹ thuật phân loại tro bay gồm ASTM C618 (phân loại N, F, C), AASHTO M295, CSA A3000-03 (phân loại canxi thấp F, canxi trung gian CI, canxi cao CH), TCVN 10302:2014 và tiêu chuẩn Lào LS 442-2019.
- Nghiên cứu tính chất cơ lý bê tông tro bay: 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 chậm ở giai đoạn sớm do phản ứng pozzolan. Nguyễn Trọng Lâm và cộng sự nghiên cứu bê tông thương phẩm M300 và M600 thay thế 10–40% tro bay, chỉ ra mức thay thế 20% vẫn đạt mác thiết kế nhưng tỷ lệ 40% làm suy giảm cường độ từ 31,4% đến 41,6%. Nguyễn Văn Chính và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường dưỡng hộ nước và không khí đối với bê tông tro bay và silicafume. Phạm Quang Đạo nghiên cứu bê tông geopolymer từ tro bay và xỉ lò cao không dưỡng hộ nhiệt đạt cường độ 50 MPa. Saphouvong và cộng sự (2020) nghiên cứu bê tông tự lèn sử dụng L-FA tại Lào với tỷ lệ thay thế 5–40%, xác định khoảng 15–30% cho cường độ 28 ngày tối ưu.
- Nghiên cứu cấu kiện cột BTCT chịu nén lệch tâm: Othman và cộng sự nghiên cứu cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm với tỷ số $e/h = 0$, $0,5$ và $1,0$ trên mẫu cột tiết diện $150 \times 150\text{ mm}$, chiều cao $1500\text{ mm}$. Các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế như ACI 318-19 và EN 1992-2004 áp dụng quan điểm biến dạng phi tuyến dựa trên giả thiết tiết diện phẳng. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 (chuyển đổi từ nền tảng SP 63.2012 của CHLB Nga) cho phép ứng dụng mô hình biến dạng phi tuyến hai đoạn thẳng và ba đoạn thẳng để thiết lập biểu đồ tương tác $(N_u, M_u)$ và mặt tương tác $(N_u, M_{xu}, M_{yu})$.
Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết là: Xác định toàn diện các chỉ tiêu cơ lý của bê tông sử dụng tro bay nội địa L-FA của Lào ở các tỷ lệ thay thế khác nhau; đề xuất các hệ số hiệu chỉnh thích hợp cho mô hình biến dạng phi tuyến của TCVN 5574:2018 để mô tả ứng xử của bê tông tro bay L-FA; thực nghiệm kiểm chứng khả năng chịu nén đúng tâm và lệch tâm của cột BTCT sử dụng loại bê tông này; kết hợp công cụ trí tuệ nhân tạo (ANN, DNN, BNN và GPR) để đánh giá độ tin cậy và phân tích ảnh hưởng của độ lệch tâm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng từ:
- Mô hình biến dạng phi tuyến vật liệu theo TCVN 5574:2018: Sử dụng mô hình hai đoạn thẳng (MH2ĐT) và ba đoạn thẳng (MH3ĐT) cho bê tông chịu nén, mô hình đàn dẻo cho cốt thép, kết hợp giả thiết tiết diện phẳng của Bernoulli để phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc của cấu kiện chịu nén uốn đồng thời.
- Phương pháp xây dựng mặt tương tác $(N_u, M_{xu}, M_{yu})$: Thiết lập quan hệ giới hạn chịu lực của cột BTCT tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng và lệch tâm xiên. Đánh giá độ chính xác thông qua hệ số dự báo $k_p$ (tỷ số giữa khả năng chịu lực tính toán lý thuyết và giá trị đo đạc thực nghiệm $N_{nt}$), tổng hợp bằng phương pháp nghịch đảo trung bình trọng số.
- Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo và học máy: Ứng dụng mạng nơ-ron truyền thống (ANN), mạng nơ-ron Dropout (DNN) và mạng nơ-ron Bayesian (BNN) để dự báo cường độ nén và đường cong ứng suất - biến dạng; sử dụng mô hình Quá trình hồi quy Gauss (Gaussian Process Regression - GPR) với hàm lõi số mũ bình phương để phân tích quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang ($N_{tn} - \Delta_{tn}$).
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và định lượng:
- Nghiên cứu thực nghiệm vật liệu: Đúc và thử nghiệm các nhóm mẫu thử hình trụ kích thước $\phi 150 \times 300\text{ mm}$ (MHT) và mẫu lập phương $150 \times 150 \times 150\text{ mm}$ (MLP). Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích, độ sụt bê tông tươi, cường độ chịu nén ở các tuổi 7, 14, 28, 56 và 90 ngày theo TCVN 3118:1993, cường độ kéo khi ép chẻ theo TCVN 8862:2011, mô đun đàn hồi $E_b$ theo ASTM C469 và TCVN 5726:1993, đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng $(\sigma_b - \varepsilon_b)$.
- Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu: Gia công, chế tạo và nén tĩnh 6 mẫu cột BTCT kích thước tiết diện $150 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $1600\text{ mm}$, sử dụng bê tông thay thế 20% L-FA/OPC. Đo đạc tải trọng phá hoại $N_{nt}$, chuyển vị ngang $\Delta$ tại giữa cột bằng thiết bị LVDT, biến dạng cục bộ của bê tông và cốt thép bằng tenzomet điện trở chuyên dụng (loại PL-60-11 cho bê tông và KFGS-5-120-C1-11 L1M2R cho cốt thép).
Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Tro bay L-FA lấy từ Nhà máy nhiệt điện Hongsa (tỉnh Xayyabouri, Lào);
- Xi măng poóc lăng PCB30; cát tự nhiên Sông Lô (tỉnh Phú Thọ); đá dăm khai thác tại tỉnh Hà Nam; cốt thép dọc nhóm CB300-V và thép đai CB240-T;
- Cơ sở dữ liệu thực nghiệm bê tông tro bay quốc tế từ các công bố khoa học phục vụ huấn luyện và xác thực mạng nơ-ron;
- Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình LAS XD-125, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, sử dụng máy nén thủy lực DHR 2000.
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 tổng thuật các kiến thức cơ sở về chất kết dính xi măng poóc lăng và nguồn gốc tro xỉ nhiệt điện. Quá trình đốt than phun ở nhiệt độ 1400–1700°C tạo ra các hạt tro bay hình cầu thủy tinh chiếm 60–90% khối lượng. Về mặt phân loại, tro bay Hongsa (L-FA) trước năm 2017 có hàm lượng $\text{CaO} = 10,34% > 8%$ nên được xếp vào loại C (theo ASTM C618 và CSA A3000-03); từ năm 2017 đến nay, tổng hàm lượng $\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$ đạt từ 74,65% đến 81,94% (đều $> 70%$) và $\text{CaO} < 8%$ (dao động 5,50%–6,11%), do đó L-FA thuộc nhóm tro bay loại F nhưng có hàm lượng $\text{CaO}$ cao hơn tro bay Phả Lại. Khối lượng riêng của L-FA nằm trong khoảng 1,76–1,88 g/cm³, thấp hơn so với tro bay Phả Lại (2,19–2,56 g/cm³) và tro bay Mae Moh – Thái Lan (2,20–2,22 g/cm³).
Bảng tổng hợp đặc tính hóa học và cơ lý của tro bay L-FA qua các năm:
| Chỉ tiêu phân tích (%) |
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 |
| 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 |
| Hoạt tính pozzolan 28 ngày (%) |
— |
98,00 |
— |
93,00 |
92,00 |
96,00 |
Chương này cũng tổng hợp các quy định thiết kế cột BTCT chịu nén lệch tâm theo ACI 318-19, EN 1992-2004 và TCVN 5574:2018, chỉ ra tính khả thi của việc mở rộng mô hình biến dạng phi tuyến trong TCVN 5574:2018 cho bê tông tro bay.
Chương 2: Xác định một số đặc trưng cơ lý của bê tông sử dụng tro bay L-FA
Chương 2 trình bày quy trình chế tạo và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bê tông cấp B30 (cường độ mẫu trụ danh định 30 MPa) với 5 tỷ lệ thay thế L-FA/OPC theo khối lượng: 0% (đối chứng C-30-00), 10% (C-30-10), 20% (C-30-20), 30% (C-30-30) và 40% (C-30-40).
Kết quả thực nghiệm chỉ ra:
- Khối lượng thể tích của bê tông giảm dần khi tăng hàm lượng L-FA (từ 2382 kg/m³ ở mẫu đối chứng xuống còn 2305 kg/m³ ở mẫu 40% L-FA do khối lượng riêng của L-FA nhỏ hơn OPC).
- Cường độ chịu nén ở tuổi sớm (7 ngày) của bê tông tro bay thấp hơn mẫu đối chứng. Tuy nhiên, ở tuổi 28 ngày, cấp phối thay thế 20% L-FA đạt cường độ chịu nén xấp xỉ mẫu đối chứng (đạt 29,8 MPa trên mẫu trụ và 36,5 MPa trên mẫu lập phương) và tiếp tục phát triển vượt trội ở tuổi 56 và 90 ngày nhờ phản ứng thủy hóa pozzolan bậc hai. Khi tỷ lệ thay thế vượt quá 20% (mức 30% và 40%), cường độ nén suy giảm đáng kể.
- Cường độ kéo khi ép chẻ ($R_{bk}$) ở tuổi 28 ngày của mẫu 20% L-FA đạt 2,85 MPa, tương đương mẫu đối chứng (2,91 MPa). Mô đun đàn hồi $E_b$ ở tuổi 28 ngày của bê tông 20% L-FA đạt 28,4 GPa, giảm khoảng 11% so với bê tông đối chứng (31,9 GPa).
Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cơ lý của bê tông tro bay L-FA ở tuổi 28 ngày:
| Cấp phối bê tông |
Tỷ lệ L-FA/OPC (%) |
Khối lượng thể tích ($\text{kg/m}^3$) |
Cường độ nén mẫu trụ $R_{lt}$ (MPa) |
Cường độ nén mẫu lập phương $R_n$ (MPa) |
Cường độ kéo ép chẻ $R_{bk}$ (MPa) |
Mô đun đàn hồi $E_b$ (GPa) |
| C-30-00 |
0 |
2382 |
30,5 |
37,2 |
2,91 |
31,9 |
| C-30-10 |
10 |
2365 |
28,9 |
35,4 |
2,78 |
30,1 |
| C-30-20 |
20 |
2348 |
29,8 |
36,5 |
2,85 |
28,4 |
| C-30-30 |
30 |
2326 |
24,1 |
29,8 |
2,42 |
25,6 |
| C-30-40 |
40 |
2305 |
20,3 |
25,1 |
2,10 |
22,8 |
Tác giả đã ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo DNN và BNN để mô phỏng và dự báo đường cong ứng suất - biến dạng $(\sigma_b - \varepsilon_b)$ cùng cường độ chịu nén. Kết quả dự báo của mạng nơ-ron khớp với số liệu thực nghiệm, khẳng định tỷ lệ thay thế 20% L-FA là tối ưu về mặt cơ học để chuyển tiếp sang nghiên cứu cấu kiện cột.
Chương 3: Xác định khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép sử dụng tro bay L-FA
Chương 3 tập trung vào nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên cấu kiện cột BTCT sử dụng bê tông thay thế 20% L-FA/OPC:
- Đề xuất hiệu chỉnh mô hình biến dạng phi tuyến: Luận án điều chỉnh mô hình biến dạng hai đoạn thẳng (MH2ĐT) với giá trị biến dạng co ngắn tương đối tại đỉnh ứng suất $\varepsilon'_{b1} = 0,0025$ (so với 0,0020 của bê tông thường) và mô hình ba đoạn thẳng (MH3ĐT) với hệ số giảm mô đun đàn hồi $k_E = 0,85$.
- Chương trình thực nghiệm cột: Thí nghiệm 6 mẫu cột BTCT tiết diện $150 \times 200\text{ mm}$, cao $1600\text{ mm}$, bố trí 4 thanh thép dọc đường kính 14 mm ($4\phi 14$, $A_s = 615,8\text{ mm}^2$), thép đai $\phi 6$ khoảng cách 100 mm (đoạn đầu cột dày $50\text{ mm}$). Mẫu được chia thành 3 nhóm theo độ lệch tâm tĩnh học ban đầu $e_1$: nhóm C-30-00 ($e_1 = 0\text{ mm}$ - nén đúng tâm), nhóm C-30-40 ($e_1 = 40\text{ mm}$) và nhóm C-30-80 ($e_1 = 80\text{ mm}$).
Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cột BTCT và so sánh với mô hình lý thuyết:
| Ký hiệu mẫu cột |
Độ lệch tâm ban đầu $e_1$ (mm) |
Tải trọng phá hoại thực nghiệm $N_{nt}$ (kN) |
Chuyển vị ngang phá hoại $\Delta_{nt}$ (mm) |
Lực dọc tính toán theo MH2ĐT $N_{u2}$ (kN) |
Hệ số dự báo $k_{p,\text{MH2ĐT}}$ |
Lực dọc tính toán theo MH3ĐT $N_{u3}$ (kN) |
Hệ số dự báo $k_{p,\text{MH3ĐT}}$ |
| C-30-00-1 |
0 |
725,4 |
1,82 |
682,5 |
0,941 |
690,1 |
0,951 |
| C-30-00-2 |
0 |
740,2 |
1,95 |
682,5 |
0,922 |
690,1 |
0,932 |
| C-30-40-1 |
40 |
485,6 |
5,42 |
452,1 |
0,931 |
458,4 |
0,944 |
| C-30-40-2 |
40 |
498,3 |
5,68 |
452,1 |
0,907 |
458,4 |
0,920 |
| C-30-80-1 |
80 |
335,2 |
10,15 |
308,6 |
0,921 |
312,8 |
0,933 |
| C-30-80-2 |
80 |
342,8 |
10,48 |
308,6 |
0,900 |
312,8 |
0,912 |
Kết quả so sánh cho thấy hệ số dự báo $k_p$ dao động trong khoảng $0,900 \div 0,951$ ($k_p < 1$), chứng minh mô hình tính toán lý thuyết đề xuất có độ tin cậy cao và thiên về an toàn trong thiết kế kết cấu. Đồng thời, mô hình học máy Quá trình hồi quy Gauss (GPR) đã mô phỏng chính xác đường cong $N_{tn} - \Delta_{tn}$ và phản ánh rõ quy luật suy giảm khả năng chịu lực khi tăng độ lệch tâm $e_1$.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã tự công bố các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn bao gồm:
-
- Xác định tính khả thi trong việc chế tạo bê tông sử dụng tro bay Nhà máy nhiệt điện Hongsa – CHDCND Lào (L-FA) đạt cường độ chịu nén mẫu trụ trung bình 30 MPa với tỷ lệ thay thế 20% L-FA/OPC trong điều kiện phòng thí nghiệm.
-
- Thiết lập bộ số liệu thực nghiệm toàn diện về các đặc trưng cơ lý của bê tông cấp 30 MPa với các tỷ lệ thay thế L-FA/OPC từ 0% đến 40%, xác định tỷ lệ thay thế hợp lý nhất là 20% theo khối lượng dựa trên chỉ tiêu cường độ nén và quan hệ ứng suất - biến dạng. Độ tin cậy của kết quả thực nghiệm được kiểm chứng bằng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp bộ dữ liệu thực nghiệm quốc tế.
-
- Đề xuất điều chỉnh mô hình biến dạng phi tuyến hai đoạn thẳng (với $\varepsilon'{b1} = 0,0025$) và ba đoạn thẳng (với $k_E = 0,85$) của bê tông trong TCVN 5574:2018 để áp dụng cho bê tông sử dụng tro bay L-FA; đề xuất quy trình, kỹ thuật tính toán kết hợp phương pháp phân tích tiết diện ngang để thiết lập mặt tương tác $(N_u, M{xu}, M_{yu})$ và xác định hệ số dự báo $k_p$ bằng phương pháp nghịch đảo trung bình trọng số.
-
- Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về khả năng chịu lực của cột BTCT sử dụng tro bay L-FA chịu nén với các độ lệch tâm khác nhau ($e_1 = 0, 40, 80\text{ mm}$), kiểm chứng mô hình vật liệu và quy trình tính toán đề xuất cho kết quả dự báo sát thực tế và thiên về an toàn.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Áp dụng tỷ lệ thay thế 20% L-FA trong sản xuất cấu kiện bê tông cốt thép chịu lực trong điều kiện xây dựng tại CHDCND Lào nhằm tiết kiệm chi phí xi măng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do bãi thải xỉ nhiệt điện.
- Đưa mô hình biến dạng phi tuyến điều chỉnh vào quy trình tính toán thiết kế cấu kiện cột chịu nén lệch tâm sử dụng bê tông tro bay theo định hướng tiêu chuẩn TCVN 5574:2018.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Chương trình thực nghiệm tập trung vào nguồn tro bay L-FA của Nhà máy nhiệt điện Hongsa với một cấp cường độ bê tông danh định là 30 MPa.
- Thí nghiệm kết cấu cột mới khảo sát trên mẫu cột có một loại kích thước hình học ($150 \times 200 \times 1600\text{ mm}$) với tỷ lệ thay thế cố định 20% L-FA và chịu nén lệch tâm phẳng theo phương cạnh lớn với ba mức độ lệch tâm ($e_1 = 0, 40, 80\text{ mm}$).
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm với các cấp cường độ bê tông khác nhau (bê tông cường độ cao M50, M60) và các tỷ lệ thay thế tro bay khác trên cấu kiện kết cấu.
- Nghiên cứu ứng xử của cột BTCT sử dụng bê tông tro bay chịu nén lệch tâm xiên (mô men uốn hai phương đồng thời), cấu kiện chịu uốn (dầm), chịu kéo và chịu xoắn.
- Khảo sát độ bền lâu dài của bê tông tro bay L-FA trong môi trường xâm thực, độ co ngót, từ biến và khả năng chống ăn mòn cốt thép theo thời gian.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, Vật liệu xây dựng: Tham khảo quy trình thí nghiệm cơ lý vật liệu pozzolan, kỹ thuật ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN, DNN, BNN) và mô hình học máy (GPR) trong cơ học kết cấu và vật liệu xây dựng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu: Tham khảo phương pháp phân tích phi tuyến tiết diện thẳng góc, quy trình xây dựng biểu đồ và mặt tương tác chịu lực $(N_u, M_{xu}, M_{yu})$ cho cột BTCT theo TCVN 5574:2018 có hiệu chỉnh cho bê tông tro bay.
- Các nhà quản lý ngành xây dựng và công nghiệp điện lực tại CHDCND Lào: Cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật, định mức sử dụng vật liệu phụ gia tro bay nhiệt điện trong các dự án phát triển hạ tầng bền vững.
Câu hỏi thường gặp
1. Tro bay của Nhà máy nhiệt điện Hongsa (L-FA) được phân loại như thế nào theo các tiêu chuẩn kỹ thuật?
Theo tiêu chuẩn ASTM C618 và CSA A3000-03, trước năm 2017 do sử dụng than non có hàm lượng $\text{CaO} = 10,34% > 8%$ nên L-FA được xếp vào loại C. Từ năm 2017 đến nay, tổng hàm lượng 3 oxit chính ($\text{SiO}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}_2\text{O}_3$) đạt từ 74,65% đến 81,94% ($> 70%$) và $\text{CaO} < 8%$ (khoảng 5,50%–6,11%), do đó L-FA được xếp vào tro bay loại F (canxi thấp).
2. Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay L-FA nào được luận án xác định là hợp lý nhất cho kết cấu cột BTCT?
Luận án xác định tỷ lệ thay thế 20% L-FA/OPC theo khối lượng là hợp lý nhất. Ở tỷ lệ này, cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt 29,8 MPa (xấp xỉ mẫu đối chứng 30,5 MPa), cường độ kéo nén chẻ đạt 2,85 MPa, tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi được cải thiện và cường độ tiếp tục phát triển mạnh ở tuổi 56 và 90 ngày. Khi tăng tỷ lệ lên 30% và 40%, cường độ chịu nén bị suy giảm đáng kể.
3. TCVN 5574:2018 được điều chỉnh các thông số nào khi áp dụng cho bê tông sử dụng 20% L-FA?
Luận án đề xuất điều chỉnh hai mô hình vật liệu của TCVN 5574:2018: đối với mô hình biến dạng hai đoạn thẳng (MH2ĐT), điều chỉnh giá trị biến dạng nén $\varepsilon'_{b1} = 0,0025$ (thay vì 0,0020); đối với mô hình biến dạng ba đoạn thẳng (MH3ĐT), đưa vào hệ số giảm mô đun đàn hồi $k_E = 0,85$ để phản ánh chính xác độ cứng và ứng xử biến dạng dẻo của bê tông tro bay.
4. Mẫu cột BTCT thí nghiệm trong luận án có thông số cấu tạo và điều kiện gia tải ra sao?
Mẫu cột có tiết diện hình chữ nhật $150 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $1600\text{ mm}$, bê tông cấp B30 thay thế 20% L-FA, cốt thép dọc $4\phi 14$ (CB300-V), cốt đai $\phi 6$ (CB240-T). Mẫu được gia tải nén lệch tâm phẳng với 3 mức độ lệch tâm ban đầu $e_1 = 0\text{ mm}$ (nén đúng tâm), $e_1 = 40\text{ mm}$ và $e_1 = 80\text{ mm}$.
5. Các công cụ trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy được ứng dụng nhằm mục đích gì trong nghiên cứu?
Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN, DNN, BNN) được dùng để mô phỏng và dự báo cường độ chịu nén cùng quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông tro bay dựa trên tập dữ liệu lớn đã công bố, giúp kiểm tra chéo độ tin cậy của thí nghiệm. Mô hình Quá trình hồi quy Gauss (GPR) được sử dụng để thiết lập quan hệ phi tuyến giữa tải trọng và chuyển vị ngang ($N_{tn} - \Delta_{tn}$), phân tích chi tiết ảnh hưởng của độ lệch tâm $e_1$ đến khả năng chịu lực của cột.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Vongchith Sykhampha đã giải quyết vấn đề sử dụng tro bay nội địa L-FA của Nhà máy nhiệt điện Hongsa (CHDCND Lào) thay thế 20% xi măng poóc lăng trong chế tạo bê tông và kết cấu cột BTCT chịu nén lệch tâm. Các kết quả thực nghiệm trên mẫu vật liệu và mẫu cột kích thước $150 \times 200 \times 1600\text{ mm}$ đã cung cấp cơ sở dữ liệu để hiệu chỉnh mô hình biến dạng phi tuyến theo TCVN 5574:2018, đồng thời chứng minh phương pháp tính toán đề xuất cho kết quả dự báo khả năng chịu lực tin cậy và thiên về an toàn. Công trình đóng góp giải pháp kỹ thuật cụ thể cho việc tận dụng phế thải công nghiệp, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy phát triển xây dựng bền vững tại CHDCND Lào.
