Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự phát triển của nền kinh tế Việt Nam trong giai đoạn 2015 – 2020 duy trì tốc độ tăng trưởng ngành xây dựng trong khoảng 6 – 10%/năm. Hoạt động xây dựng phát triển làm phát sinh khối lượng lớn chất thải rắn xây dựng (CTRXD). Theo các số liệu thống kê được tác giả tổng hợp, năm 2009 lượng CTRXD phát sinh tại các thành phố lớn của Việt Nam vào khoảng 1,46 – 1,92 triệu tấn/năm, trong đó tỷ lệ tái chế chỉ đạt 1 – 2%. Đến thời điểm nghiên cứu, lượng CTRXD phát sinh ước tính khoảng 3.000 tấn/ngày; tổng lượng CTRXD năm 2020 đạt khoảng 6,3 triệu tấn và dự báo đến năm 2025 đạt 11 triệu tấn. Đồng thời, nhu cầu tiêu thụ tài nguyên khoáng sản tự nhiên phục vụ xây dựng năm 2020 tại Việt Nam đạt từ 170 – 190 triệu m³ đá và 130 – 150 triệu m³ cát. Tình trạng khai thác cạn kiệt tài nguyên tự nhiên cùng sự quá tải của các bãi chôn lấp và nạn đổ trộm phế thải xây dựng gây sức ép lớn lên môi trường đô thị.

Để định hướng giải quyết vấn đề trên, hệ thống văn bản quy phạm pháp luật đã được ban hành như: Quyết định số 491/QĐ-TTg ngày 16/4/2009 về quản lý chất thải rắn; Chiến lược quốc gia về bảo vệ môi trường đến năm 2020 và tầm nhìn 2030 (Quyết định số 2149/QĐ-TTg); Quyết định số 1266/QĐ-TTg ngày 18/8/2020 quy định hạn chế khai thác tài nguyên tự nhiên, yêu cầu tái chế cho đá xây dựng và sử dụng cát tái chế từ 60% trở lên; Chỉ thị số 41/CT-TTg ngày 01/12/2020 yêu cầu các thành phố trực thuộc Trung ương đầu tư công nghệ hiện đại nhằm giảm tỷ lệ chôn lấp chất thải rắn xuống dưới 20% vào năm 2025; và Thông tư số 08/2017/TT-BXD quy định về quản lý chất thải rắn xây dựng.

Mặc dù khung chính sách đã từng bước hoàn thiện, việc ứng dụng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế vào các cấu kiện chịu lực công trình tại Việt Nam gặp nhiều rào cản do thiếu hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật đầy đủ và thiếu các nghiên cứu thực nghiệm toàn diện về đặc tính cơ lý dài hạn (co ngót, từ biến) cũng như ứng xử chịu lực của cấu kiện kết cấu thực tế chế tạo từ nguồn phế thải xây dựng trong nước. Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm về tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế và ứng xử của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Nghiên cứu sự phát triển một số tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế với các hàm lượng thay thế khác nhau.
  2. Nghiên cứu ứng xử nén của cột bê tông cốt thép chế tạo bằng bê tông sử dụng cốt liệu tái chế. So sánh ứng xử cơ học của cột bê tông cốt liệu tái chế với cột bê tông cốt thép thông thường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Cốt liệu lớn bê tông tái chế (CLLBTTC) thu nhận từ nguồn bê tông phế thải phá dỡ công trình xây dựng, được gia công bằng hệ thống máy nghiền lắp ráp tại Việt Nam. Đường kính hạt cốt liệu tái chế dao động từ 5 mm đến 20 mm (kích thước hạt danh định lớn nhất $D_{max} = 20\text{ mm}$).
    • Hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế được thiết kế cấp độ bền nén B30.
    • Cấu kiện cột bê tông cốt thép có kích thước tiết diện $200 \times 200\text{ mm}$, chiều cao $880\text{ mm}$.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tự nhiên (CLLTN) bằng cốt liệu lớn tái chế (CLLBTTC) theo khối lượng khảo sát ở ba mức: $r = 0%$ (cấp phối đối chứng CP0), $r = 50%$ (cấp phối CP50) và $r = 100%$ (cấp phối CP100).
    • Khảo sát các đặc tính cơ lý của bê tông ở các mốc thời gian: 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180 và 360 ngày tuổi.
    • Nghiên cứu biến dạng dài hạn gồm thí nghiệm đo co ngót và từ biến trên khung gia tải chuyên dụng.
    • Ứng xử chịu lực của cột bê tông cốt thép được khảo sát dưới trạng thái chịu nén tĩnh đúng tâm ngắn hạn tại phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong tài liệu chuyên ngành

Tác giả đã hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu về thực trạng quản lý CTRXD, tính chất vật liệu và ứng xử kết cấu từ các công bố quốc tế và trong nước:

1. Thực trạng phát sinh và tái chế CTRXD

Khối lượng phát sinh CTRXD chiếm tỷ trọng lớn trong tổng chất thải rắn tại nhiều quốc gia: Hoa Kỳ năm 2014 phát thải 534 triệu tấn (chiếm 67,4% tổng CTR); Liên minh Châu Âu (EU-28) năm 2016 phát thải 924 triệu tấn (chiếm 36,4%); Trung Quốc năm 2013 phát sinh 2,36 tỷ tấn (chiếm 30 – 40%). Tỷ lệ tái chế giữa các quốc gia có sự khác biệt rõ rệt:

Quốc gia Năm thống kê Khối lượng CTRXD (triệu tấn/năm) Tỷ lệ tái chế (%) Nguồn tài liệu
Nhật Bản 2012 72,69 96 [111]
Tây Ban Nha 2012 28 98 [35]
Pháp 2012 76 93 [35]
Đức 2012 89 85 [35]
Hà Lan 2012 26 83 [35]
Italia 2012 40 79 [35]
Vương quốc Anh 2012 47 70 [35]
Hàn Quốc 2009 67 36 [35]
Việt Nam 2009 1,46 – 1,92 1 – 2 [2]

2. Ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén

Nghiên cứu của Tam và cộng sự (2015) tổng hợp hơn 26 công trình nghiên cứu chỉ ra rằng cốt liệu lớn tự nhiên có thể thay thế bằng cốt liệu lớn tái chế ở các mức 30%, 50%, 70% và 100%. Nghiên cứu của Silva và cộng sự (2014) khẳng định cường độ cơ học phụ thuộc vào chất lượng và hàm lượng cốt liệu tái chế. Mức suy giảm cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày khi sử dụng cốt liệu tái chế đã được ghi nhận trong y văn:

Tác giả (Năm) Tỷ lệ thay thế cốt liệu (%) Mức suy giảm cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi (%)
Nixon (1978) 100 20
Ravindrarajah và Tam (1985) 100 8 – 24
De Oliveira và Vazquez (1996) 100 10
Topçu và Sengel (2004) 100 23,5 – 33
Kou (2006) 20
50
100		 4 – 6
13 – 17
16 – 22
Xiao (2018) 30
50
70
100		 5,6
12
10
11,5
Etxeberria (2007) 100 20 – 25
T. Kiên (Việt Nam) 25 – 100 15 – 25

3. Mô đun đàn hồi của bê tông tái chế

Mô đun đàn hồi ($E_c$) của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thường thấp hơn bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên do lớp vữa xi măng cũ bám dính có độ rỗng cao. Mức suy giảm khi thay thế 100% cốt liệu lớn tự nhiên được tổng kết từ các công bố:

  • Nixon (1978): giảm 30 – 40% (Hoa Kỳ).
  • Ravindrarajah và Tam (1985): giảm 15 – 30% (Singapore).
  • De Oliveira và Vazquez (1996): giảm 25% (Tây Ban Nha).
  • Ajdukiewicz (2005): giảm 15 – 30% (Ba Lan).
  • Etxeberria và cộng sự (2007): giảm 14% (Tây Ban Nha).
  • Zeger Sierens (2014): khảo sát theo tiêu chuẩn NBN B15-203 ghi nhận ở tuổi 28 ngày, mô đun đàn hồi của hỗn hợp RCA10, RCA20, RCA50 và RCA100 đạt tương ứng 95%, 93%, 88% và 88% so với bê tông đối chứng RCA0.

Các mô hình toán học thực nghiệm thiết lập quan hệ giữa mô đun đàn hồi ($E_c$) và cường độ chịu nén ($f_{cu}$) gồm:

  • ACI 318: $E_c = 57000\sqrt{f_{cu}}$ (đơn vị psi)
  • Trung Quốc GB50010-2002: $E_c = \frac{10^5}{2,2 + \frac{34,7}{f_{cu}}}$
  • Ravindrarajah và Tam: $E_c = 7770 f_{cu}^{0,33}$
  • Dhir và cộng sự: $E_c = 370 f_{cu} + 13100$
  • Zilch và Roos: $E_c = 9100 \times (f_{cu} + 8)^{1/3} \times \left(\frac{\rho}{2400}\right)^2$
  • Xiao và cộng sự: $E_c = \frac{10^5}{1,8 + \frac{40,4}{f_{cu}}}$

4. Co ngót, từ biến và ứng dụng kết cấu

  • Hansen (1992) và các nghiên cứu khác cho thấy độ co ngót tăng từ 10 – 25% hoặc 20 – 70%, và có thể tăng tới 100% khi thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên.
  • Silva (2015) tổng hợp 77 nghiên cứu cho thấy khi thay thế 100% cốt liệu lớn, độ co ngót tăng 10 – 110% so với bê tông tự nhiên; mô hình dự báo ACI 209R-92 đạt mức tương quan cao nhất với dữ liệu thực nghiệm ($R^2 = 0,66$).
  • Lye (2016c) ghi nhận mức tăng co ngót dao động từ 10 – 50% đối với bê tông dùng 100% cốt liệu lớn tái chế thô.
  • Nghiên cứu kết cấu: Ajdukiewicz và Kliszczewicz (2007) đã thực hiện các thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu lực của cột bê tông sử dụng cốt liệu tái chế.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Mặc dù các đặc tính cơ học của bê tông cốt liệu tái chế đã được khảo sát trên thế giới, phần lớn các nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại ở phạm vi vật liệu cho các sản phẩm giá trị gia tăng thấp (gạch block, vỉa hè, lớp móng đường giao thông theo đề tài RD 13-19 của Viện Vật liệu xây dựng). Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống:

  1. Đánh giá tính chất cơ lý dài hạn (phát triển cường độ, mô đun đàn hồi đến 360 ngày tuổi, biến dạng co ngót và từ biến) của bê tông thiết kế cấp B30 chế tạo từ cốt liệu lớn tái chế từ nguồn phế thải phá dỡ công trình tại Việt Nam.
  2. Kiểm chứng thực nghiệm khả năng chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu lớn tái chế nhằm xác định mức độ tin cậy khi ứng dụng vào kết cấu chịu lực công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khái niệm và định nghĩa: Phế thải xây dựng được định nghĩa theo TCVN 6705:2000; chất lượng cốt liệu lớn tái chế được đối chiếu theo tiêu chuẩn TCVN 11969:2018 và TCVN 7570:2006.
  • Cơ chế cấu trúc vi mô vùng tiếp xúc (ITZ - Interfacial Transition Zone): Cốt liệu tái chế bao gồm đá gốc và lớp vữa xi măng cũ bám dính. Lớp vữa cũ có độ rỗng cao làm tăng độ hút nước (độ hút nước của cốt liệu tái chế là 3 – 12% so với 0,5 – 1,2% của đá tự nhiên). Lượng nước hấp thụ vào cốt liệu đóng vai trò cung cấp ẩm cho quá trình nội bảo dưỡng (internal curing) trong giai đoạn đóng rắn của đá xi măng mới.
  • Phương pháp phối trộn hai giai đoạn (TSMA - Two-Stage Mixing Approach): Áp dụng quy trình trộn hai giai đoạn (theo Tam và cộng sự) để hồ xi măng mới dễ dàng thâm nhập, lấp đầy các lỗ rỗng hở và bao bọc bề mặt hạt cốt liệu, cải thiện liên kết vùng chuyển tiếp ITZ.
  • Khung tiêu chuẩn đối chiếu: ACI 318, ACI 209R-92, EN 1992-1-1 (Eurocode 2), BS 8500:2, DIN 4226-100:2002 và TCVN hiện hành.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm làm phương pháp chủ đạo, kết hợp nghiên cứu lý thuyết tổng quan:

[Nguồn CTRXD từ công trình phá dỡ]
[Phân loại tạp chất & Gia công nghiền sàng cơ học (D = 5 - 20 mm)]
[Thí nghiệm tính chất cơ lý của cốt liệu (Los Angeles, độ hút nước, KLTT, thành phần hạt)]
[Thiết kế cấp phối bê tông B30 (CP0, CP50, CP100) & Trộn theo quy trình hai giai đoạn (TSMA)]
[Tính chất cơ lý theo thời gian]          [Biến dạng dài hạn]                    [Thí nghiệm kết cấu cột BTCT]
- Cường độ nén (3 - 360 ngày)            - Đo co ngót theo thời gian             - Kích thước 200 x 200 x 880 mm
- Mô đun đàn hồi tĩnh (3 - 360 ngày)     - Đo từ biến trên khung gia tải         - Đo biến dạng bê tông và thép
- Quan hệ ứng suất - biến dạng                                                   - Nén đúng tâm đến phá hoại
  • Gia công cốt liệu: Phân loại tạp chất tại nguồn (loại bỏ gỗ, sắt thép, gạch vụn, thạch cao), sử dụng máy nghiền cơ học chế tạo trong nước để sản xuất cốt liệu lớn kích thước 5 – 20 mm.
  • Thử nghiệm tính chất cơ lý của cốt liệu:
    • Xác định thành phần hạt bằng phương pháp sàng rây.
    • Xác định khối lượng thể tích xốp, khối lượng thể tích bão hòa khô bề mặt.
    • Đo độ hút nước và độ thoi dẹt của hạt cốt liệu.
    • Đo độ mòn va đập trong máy Los Angeles có sử dụng bi thép theo quy chuẩn.
  • Thử nghiệm tính chất cơ lý của bê tông:
    • Xác định cường độ chịu nén mẫu trụ/lập phương tại các ngày tuổi: 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180, 360 ngày.
    • Xác định mô đun đàn hồi tĩnh theo thời gian.
    • Thí nghiệm nén phá hủy xác định đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \varepsilon$).
    • Thí nghiệm đo biến dạng co ngót tự do theo thời gian trên mẫu lăng trụ trong phòng thí nghiệm có kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm.
    • Thí nghiệm đo biến dạng từ biến dài hạn trên hệ thống khung gia tải lò xo chuyên dụng duy trì ứng suất nén không đổi.
  • Thử nghiệm cấu kiện cột bê tông cốt thép:
    • Gia công cốp pha, bố trí 4 thanh thép dọc chịu lực và hệ cốt thép đai.
    • Dán điện trở đo biến dạng (strain gauge) trên cốt thép và gắn cảm biến chuyển vị, cảm biến biến dạng ngoài bề mặt bê tông.
    • Gia tải nén dọc trục đúng tâm tĩnh trên máy nén thủy lực đến khi cấu kiện bị phá hoại hoàn toàn, ghi nhận biểu đồ tải trọng – biến dạng và dạng hình học của vết nứt.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định công trình – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  • Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác khoa học của Dự án SATREPS (Mã số: JPMJSA1701) về quản lý và xử lý chất thải rắn xây dựng tại Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về chất thải rắn xây dựng và các đặc tính cơ học của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

Chương 1 trình bày tổng quan thực trạng phát sinh, quản lý và tái chế CTRXD tại Việt Nam và các quốc gia trên thế giới:

  • Thực trạng và cơ chế quản lý: Nêu rõ sự gia tăng lượng CTRXD tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng; đánh giá sơ đồ quản lý CTRXD cấp địa phương và đề xuất quy trình quản lý, tái chế CTRXD theo 8 bước phù hợp khung pháp luật Việt Nam.
  • Công nghệ nâng cao chất lượng cốt liệu tái chế: Khảo sát các giải pháp công nghệ trên thế giới gồm:
    • Phương pháp gia công cơ học (nghiền chà sát, máy đập hàm kết hợp máy nghiền nón).
    • Phương pháp hóa học (sử dụng dung dịch axit loãng $HCl$, $H_2SO_4$ để loại bỏ vữa xi măng cũ).
    • Phương pháp xử lý nhiệt kết hợp máy nghiền ma sát (gia nhiệt phế thải lên khoảng $300^\circ\text{C}$ để làm giòn đá xi măng).
    • Đánh giá điều kiện thực tế Việt Nam cho thấy phương pháp phân loại sơ bộ tại nguồn kết hợp nghiền cơ học là giải pháp phù hợp về mặt chi phí đầu tư.
  • Đặc tính kỹ thuật của bê tông tái chế: Tổng hợp ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến lượng nước trộn, độ sụt, khối lượng thể tích, tính thấm nước, cường độ nén, mô đun đàn hồi, tính co ngót, từ biến và quan hệ ứng suất – biến dạng.
  • Tiêu chuẩn và ứng dụng kết cấu: Điểm lại các quy định kỹ thuật quốc tế (BS 8500:2 của Anh, DIN 4226-100:2002 của Đức, WBTC No.12/2002 của Hồng Kông) và các nghiên cứu ứng dụng bê tông tái chế cho cấu kiện dầm, cột.

Chương 2: Phương pháp thí nghiệm tính chất cơ lý của vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chuẩn bị vật liệu và phương pháp thực nghiệm:

  • Sản xuất cốt liệu lớn tái chế: Thu gom bê tông phế thải từ công trình phá dỡ, xử lý loại bỏ tạp chất thủ công, đưa vào dây chuyền máy nghiền và sàng phân loại để thu được cốt liệu kích thước 5 – 20 mm.
  • Tính chất cơ lý của cốt liệu: Tiến hành thí nghiệm xác định khối lượng thể tích, độ hút nước, thành phần cấp phối hạt và độ hao mòn va đập Los Angeles (kiểm tra khối lượng mẫu và số lượng bi thép theo tiêu chuẩn). Kết quả cho thấy các chỉ tiêu của cốt liệu lớn tái chế đáp ứng yêu cầu theo TCVN 11969:2018 và TCVN 7570:2006.
  • Thiết kế thành phần cấp phối bê tông B30: Thiết lập 3 cấp phối thí nghiệm:
    • CP0: Cấp phối đối chứng sử dụng 100% cốt liệu lớn tự nhiên ($r = 0%$).
    • CP50: Cấp phối thay thế 50% cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế ($r = 50%$).
    • CP100: Cấp phối thay thế 100% cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế ($r = 100%$).
  • Quy trình trộn và đúc mẫu: Áp dụng phương pháp trộn hai giai đoạn (TSMA). Đúc các tổ mẫu lập phương, mẫu lăng trụ và mẫu hình trụ phục vụ các phép đo cường độ nén, mô đun đàn hồi, co ngót và từ biến.
  • Thiết lập thí nghiệm đo biến dạng dài hạn: Lắp đặt thiết bị đo biến dạng co ngót tự do; chế tạo và hiệu chuẩn khung gia tải thí nghiệm từ biến bằng hệ thống đĩa lò xo chịu nén để duy trì tải trọng nén không đổi tác dụng lên mẫu thử.

Chương 3: Kết quả thực nghiệm xác định tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

Chương 3 trình bày các số liệu và phân tích kết quả thực nghiệm về vật liệu:

  • Sự phát triển cường độ chịu nén: Bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế có cường độ chịu nén trung bình mẫu trụ ở tuổi 28 ngày đạt tới xấp xỉ 40 MPa (đáp ứng yêu cầu cấp độ bền thiết kế B30). Trong 28 ngày đầu, tốc độ tăng cường độ của bê tông cốt liệu tái chế diễn ra nhanh do lượng nước dự trữ trong cốt liệu tham gia vào quá trình nội bảo dưỡng.
  • Sự phát triển mô đun đàn hồi tĩnh ($E_t$): Giá trị mô đun đàn hồi tăng nhanh nhất trong 7 ngày đầu đóng rắn, sau đó tốc độ tăng chậm lại tương tự quy luật của bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Khi tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tăng ($r = 50%$, $r = 100%$), mô đun đàn hồi có xu hướng giảm so với cấp phối CP0.
  • Mối liên hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi: So sánh đường cong thực nghiệm với các mô hình tiêu chuẩn (ACI 209, EN 1992-1-1), kết quả cho thấy giá trị thực nghiệm của các cấp phối CP50 và CP100 có độ tiệm cận phù hợp với mô hình dự báo của tiêu chuẩn EN 1992-1-1.
  • Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \varepsilon$): Đo đạc trên các mẫu nén phá hủy cho thấy đường cong của bê tông cốt liệu tái chế có dạng tương đồng với bê tông tự nhiên, độ dốc nhánh đàn hồi ban đầu giảm dần khi tăng tỷ lệ $r$, phản ánh sự suy giảm mô đun đàn hồi.
  • Biến dạng co ngót và từ biến: Biến dạng co ngót và từ biến của bê tông CP50 và CP100 cao hơn so với mẫu đối chứng CP0 do ảnh hưởng của hàm lượng vữa xi măng cũ có độ rỗng lớn trong hạt cốt liệu tái chế. Dữ liệu thực nghiệm co ngót cho thấy mức độ tương quan phù hợp với mô hình dự báo ACI 209R-92.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử nén của cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu bê tông tái chế

Chương 4 trình bày kết quả thử nghiệm trên cấu kiện kết cấu thực tế:

  • Mô hình và quy trình thí nghiệm cột: Chế tạo 3 nhóm cột bê tông cốt thép tiết diện $200 \times 200\text{ mm}$, chiều dài $880\text{ mm}$ tương ứng với 3 loại bê tông CP0, CP50 và CP100. Cột được gia tải nén đúng tâm từng cấp trên thiết bị nén tĩnh tại phòng thí nghiệm.
  • Quan hệ tải trọng dọc trục – biến dạng nén: Kết quả đo đạc từ các cảm biến điện trở và đồng hồ so cho thấy biến dạng nén dọc trục của bê tông và cốt thép dọc tăng tuyến tính trong giai đoạn tải trọng ban đầu, sau đó chuyển sang giai đoạn phi tuyến khi tải trọng tiến gần đến giá trị giới hạn phá hoại ($P_t$).
  • Sức chịu tải và ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế ($r$): Sức chịu tải nén giới hạn của cột sử dụng bê tông CP50 và CP100 suy giảm không đáng kể so với cột đối chứng CP0 và hoàn toàn thỏa mãn khả năng chịu lực tính toán theo lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép hiện hành.
  • Dạng phá hoại của mẫu cột: Tất cả các mẫu cột (CP0, CP50, CP100) đều có dạng phá hoại dẻo điển hình của cấu kiện chịu nén đúng tâm: xuất hiện các vết nứt dọc thân cột, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc ở vùng nén tới hạn, cốt thép dọc đạt tới giới hạn chảy dẻo và cốt đai giữ vai trò giam giữ lõi bê tông. Không xảy ra hiện tượng phá hoại giòn đột ngột ở các cột sử dụng cốt liệu tái chế.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Khẳng định tính khả thi kỹ thuật: Chứng minh được tính khả thi của việc chế tạo bê tông có cường độ nén trung bình mẫu trụ đạt tới 40 MPa sử dụng cốt liệu lớn tái chế (CLLTC) từ chất thải rắn xây dựng trong điều kiện công nghệ và vật liệu tại Việt Nam.
  2. Hệ thống hóa bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện: Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm hệ thống về các đặc trưng cơ lý cơ bản của bê tông cốt liệu lớn tái chế với các tỷ lệ thay thế 0%, 50% và 100% tại các mốc thời gian 3, 7, 14, 28, 60, 90 và 360 ngày tuổi. Dữ liệu bao gồm: sự phát triển cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi tĩnh, đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng, biến dạng co ngót tự do và biến dạng từ biến dài hạn.
  3. Mối quan hệ toán học giữa các thông số cơ học: Xác lập và kiểm chứng thực nghiệm mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén theo thời gian, đối chiếu mức độ phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế (EN 1992-1-1, ACI 209).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Kiểm chứng khả năng chịu lực của kết cấu cột: Hoàn thành nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm sử dụng cốt liệu lớn tái chế (ở tỷ lệ 50% và 100%), chứng minh khả năng chịu lực và ứng xử biến dạng của cấu kiện tương đương cột bê tông cốt liệu tự nhiên, khẳng định khả năng ứng dụng thực tế vào kết cấu chịu lực công trình.
  2. Quy trình công nghệ khả thi: Đề xuất quy trình phân loại, gia công nghiền sàng cốt liệu phù hợp thiết bị trong nước và ứng dụng quy trình trộn hai giai đoạn (TSMA) giúp nâng cao chất lượng bê tông tái chế mà không cần sử dụng các biện pháp hóa học hoặc xử lý nhiệt phức tạp.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ban hành hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN) và chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến tính toán, thiết kế và thi công kết cấu bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ CTRXD.
  • Thiết lập quy trình quản lý CTRXD đồng bộ tại các đô thị, bao gồm công tác phá dỡ có chọn lọc, phân loại tại nguồn và quy hoạch các trạm nghiền tái chế tập trung.
  • Triển khai các chính sách khuyến khích, ưu đãi đối với các đơn vị sản xuất và nhà thầu xây dựng ứng dụng vật liệu tái chế từ CTRXD trong các dự án đầu tư công và công trình hạ tầng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu tập trung vào nguồn cốt liệu lớn tái chế có đường kính hạt 5 – 20 mm thu nhận từ bê tông phế thải gốc đã được chọn lọc sơ bộ; chưa khảo sát đối với nguồn cốt liệu nhỏ bê tông tái chế (cát tái chế) và các nguồn CTRXD hỗn hợp có chứa hàm lượng gạch ngói vỡ cao.
  • Thực nghiệm ứng xử kết cấu cột bê tông cốt thép trong luận án mới giới hạn ở trạng thái chịu tải trọng nén tĩnh đúng tâm ngắn hạn; chưa tiến hành khảo sát dưới tác dụng của tải trọng nén lệch tâm lớn, tải trọng uốn – cắt đồng thời, tải trọng đổi chiều chu kỳ hoặc tải trọng động đất.
  • Quá trình gia công cốt liệu áp dụng phương pháp nghiền cơ học thông thường để giảm thiểu chi phí sản xuất, chưa ứng dụng các giải pháp công nghệ nâng cao như xử lý nhiệt hoặc ngâm tẩm hóa chất biến tính bề mặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm đối với các cấu kiện kết cấu khác như dầm chịu uốn, nút khung bê tông cốt thép và cột chịu nén uốn lệch tâm sử dụng bê tông cốt liệu tái chế.
  • Nghiên cứu các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng và kiểm soát độ hút nước của cốt liệu nhỏ tái chế để ứng dụng thay thế cát tự nhiên trong cấp phối bê tông.
  • Khảo sát độ bền lâu dài hạn của bê tông cốt liệu tái chế trong các môi trường xâm thực khắc nghiệt (xâm thực ion clo, môi trường biển, hiện tượng cacbonat hóa và chu kỳ đóng băng – tan băng).

Giá trị tham khảo

Đối tượng hưởng lợi và ứng dụng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng, Kỹ thuật vật liệu:
    • Tham khảo phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm vật liệu bê tông phi truyền thống.
    • Sử dụng quy trình thiết kế thí nghiệm xác định co ngót, từ biến bằng khung gia tải lò xo và quy trình đo đạc ứng xử nén của cột bê tông cốt thép.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu:
    • Khai thác bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cường độ nén và mô đun đàn hồi kéo dài từ 3 đến 360 ngày tuổi phục vụ công tác giảng dạy môn học Vật liệu xây dựng, Kết cấu bê tông cốt thép và Công nghệ bê tông.
    • Sử dụng các tương quan thực nghiệm để phát triển các mô hình số mô phỏng phi tuyến kết cấu bê tông cốt liệu tái chế.
  • Kỹ sư thiết kế, nhà thầu xây dựng và các đơn vị sản xuất vật liệu:
    • Tham khảo cấp phối thiết kế bê tông B30 sử dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tái chế 50% và 100%.
    • Ứng dụng quy trình trộn hai giai đoạn (TSMA) nhằm kiểm soát chất lượng hỗn hợp bê tông tại trạm trộn và công trường.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và người làm chính sách:
    • Làm cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ việc biên soạn các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật và định mức kinh tế kỹ thuật về sử dụng CTRXD trong xây dựng.
    • Cung cấp dữ liệu phục vụ quy hoạch hệ thống thu gom, phân loại và tái chế chất thải rắn tại các đô thị theo mục tiêu của Chiến lược quốc gia về quản lý chất thải rắn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng loại cốt liệu tái chế nào và kích thước danh định là bao nhiêu?

Luận án sử dụng cốt liệu lớn bê tông tái chế (CLLBTTC) được gia công từ bê tông phế thải của các công trình xây dựng phá dỡ tại Việt Nam thông qua hệ thống máy nghiền cơ học trong nước. Cốt liệu có đường kính hạt dao động từ 5 mm đến 20 mm, với kích thước hạt danh định lớn nhất $D_{max} = 20\text{ mm}$, đáp ứng các tiêu chuẩn TCVN 11969:2018 và TCVN 7570:2006.

2. Cấp độ bền thiết kế của bê tông và các tỷ lệ thay thế cốt liệu trong nghiên cứu được phân chia như thế nào?

Bê tông được thiết kế theo cấp độ bền nén B30 và khảo sát ở ba cấp phối:

  • CP0: Cấp phối đối chứng, sử dụng 100% cốt liệu lớn tự nhiên ($r = 0%$).
  • CP50: Cấp phối thay thế 50% cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế ($r = 50%$).
  • CP100: Cấp phối thay thế 100% cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế ($r = 100%$).

3. Quy trình trộn hỗn hợp bê tông nào được tác giả lựa chọn áp dụng và vì sao?

Tác giả lựa chọn phương pháp trộn hai giai đoạn (TSMA - Two-Stage Mixing Approach) thay vì phương pháp trộn thông thường. Phương pháp này cho nước và chất kết dính vào theo hai giai đoạn nhằm giúp hồ xi măng mới thâm nhập sâu vào các lỗ rỗng hở trên bề mặt hạt cốt liệu tái chế, tạo liên kết tốt tại vùng chuyển tiếp (ITZ) và cải thiện cường độ của bê tông.

4. Mức độ suy giảm mô đun đàn hồi khi thay thế 100% cốt liệu lớn tái chế được y văn ghi nhận ra sao?

Theo tổng kết của tác giả từ các nghiên cứu quốc tế (Nixon, Ravindrarajah và Tam, De Oliveira và Vazquez, Ajdukiewicz, Etxeberria), mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng 100% cốt liệu lớn tái chế giảm trong khoảng từ 17,5% đến 45% (mức giảm trung bình khoảng 26%) so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên, do lớp vữa xi măng cũ bám dính có độ cứng và khối lượng thể tích thấp hơn đá tự nhiên.

5. Kết quả thí nghiệm cột bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế chịu nén đúng tâm cho thấy điều gì?

Thí nghiệm nén đúng tâm trên các mẫu cột kích thước $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$ cho thấy các cột chế tạo từ bê tông CP50 và CP100 có sức chịu tải giới hạn, biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng và dạng phá hoại dẻo tương đương với cột đối chứng CP0 sử dụng cốt liệu tự nhiên, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu chịu lực theo lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Thanh Quang đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm toàn diện về đặc tính cơ lý của bê tông cấp B30 sử dụng cốt liệu lớn tái chế từ chất thải rắn xây dựng và ứng xử chịu lực của cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm trong điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hệ thống về cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi từ 3 đến 360 ngày tuổi, biến dạng co ngót, từ biến và đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu. Công trình chứng minh tính khả thi khoa học và độ tin cậy thực tiễn của việc sử dụng cốt liệu lớn tái chế trong các cấu kiện kết cấu chịu lực, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và thúc đẩy công tác tái chế chất thải rắn xây dựng theo định hướng kinh tế tuần hoàn.