Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sửa chữa và tăng cường kết cấu công trình ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản, việc tìm kiếm vật liệu mới có tính năng vượt trội là yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của Hiệp hội kỹ sư xây dựng Mỹ (ASCE) năm 2010, trong số hơn 600.000 cây cầu được đánh giá, có khoảng 12,8% không còn phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành và 11,5% cần được tăng cường, tương đương hàng chục nghìn công trình cần xử lý. Tại Canada và Pháp, tỷ lệ cầu có tuổi thọ trên 40 năm hoặc gặp vấn đề ăn mòn cốt thép cũng chiếm tỷ lệ đáng kể, đặt ra thách thức lớn cho ngành xây dựng.

Bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete – TRC) là một vật liệu composite mới, kết hợp bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt từ sợi polymer tổng hợp, được phát triển từ những năm 1990 tại Đức. Vật liệu này có ưu điểm nổi bật là không bị ăn mòn điện hóa, cho phép thiết kế các kết cấu mỏng, nhẹ nhưng có cường độ cao, đặc biệt trong ứng xử chịu kéo và chịu uốn. Chiều dày tấm BTCLD có thể chỉ từ 10mm, phù hợp cho các ứng dụng tăng cường và sửa chữa kết cấu hiện hữu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định ứng xử chịu kéo của tấm bê tông hạt mịn cốt lưới dệt sợi các bon, với bê tông có cường độ nén khoảng 60 MPa và lưới sợi các bon nhập khẩu từ CHLB Đức. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đặc tính cơ học của tấm BTCLD trong điều kiện kéo một trục, nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm làm cơ sở cho thiết kế kỹ thuật và ứng dụng thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu mới, góp phần nâng cao hiệu quả sửa chữa, tăng cường kết cấu công trình tại Việt Nam và các nước có điều kiện tương tự.

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 vật liệu composite và bê tông cốt lưới dệt, trong đó có:

  • Lý thuyết vật liệu composite: BTCLD là sự kết hợp giữa bê tông hạt mịn làm chất nền và lưới sợi dệt làm cốt chịu lực. Mối liên kết giữa hai thành phần này được xem xét qua lực dính bám trong và ngoài, ảnh hưởng đến khả năng truyền tải ứng suất và biến dạng.

  • Mô hình độ đặc của De Larrard: Áp dụng để thiết kế thành phần bê tông hạt mịn tối ưu, đảm bảo độ đặc chắc và tính công tác phù hợp với kích thước mắt lưới sợi dệt.

  • Ứng xử chịu kéo của BTCLD: Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm về ứng suất – biến dạng kéo của tấm BTCLD, phân chia quá trình làm việc thành các giai đoạn: đàn hồi tuyến tính, hình thành vết nứt, giai đoạn vết nứt ổn định và phá hoại giòn.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, lực dính bám giữa bê tông và lưới sợi, cấu trúc mắt lưới và ảnh hưởng của lớp phủ polymer nano trên sợi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên mẫu tấm BTCLD chế tạo từ bê tông hạt mịn có cường độ nén khoảng 60 MPa và lưới sợi các bon nhập khẩu từ Đức. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các tấm có kích thước tiêu chuẩn, được gia tải kéo một trục với tốc độ 1 mm/phút trên máy thử nghiệm chuyên dụng.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng tái lập kết quả. Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ đo biến dạng (LVDT, strain gauge) và camera tốc độ cao để ghi nhận biến dạng và hình thái vết nứt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm các giai đoạn: thiết kế thành phần bê tông hạt mịn theo mô hình De Larrard, chế tạo mẫu, tiến hành thí nghiệm kéo, thu thập và phân tích dữ liệu, so sánh với các kết quả nghiên cứu quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ứng xử chịu kéo của tấm BTCLD có 4 giai đoạn rõ rệt: Giai đoạn đàn hồi tuyến tính trước khi xuất hiện vết nứt, giai đoạn hình thành nhiều vết nứt với độ cứng giảm đột ngột, giai đoạn vết nứt ổn định với lực kéo tăng dần, và cuối cùng là phá hoại giòn khi sợi chịu kéo đạt cường độ tối đa. Mô đun đàn hồi của tấm BTCLD trước nứt gần bằng mô đun của bê tông hạt mịn (khoảng 34.000 MPa).

  2. Cường độ chịu kéo của tấm BTCLD đạt khoảng 4,4 MPa, tương đương với các nghiên cứu quốc tế về bê tông hạt mịn có cường độ nén 60-78 MPa. Khoảng cách giữa các vết nứt dao động từ 10 đến 15 mm, bề rộng vết nứt trung bình của sợi thủy tinh khoảng 0,07 mm, trong khi sợi carbon chỉ khoảng 0,04 mm.

  3. Lực dính bám giữa bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt là yếu tố quyết định đến khả năng truyền tải lực kéo và phân bố ứng suất. Lưới sợi các bon với lớp phủ polymer nano tăng cường độ cứng và khả năng chống ăn mòn, giúp duy trì tính liên kết tốt trong quá trình chịu tải.

  4. Phân bố ứng suất không đồng đều trong bó sợi: Các sợi ở phía ngoài tiếp xúc trực tiếp với bê tông chịu ứng suất lớn hơn so với các sợi bên trong, dẫn đến phá hoại thường xảy ra ở đầu bó sợi do biến dạng lớn hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại Đức và các nước phát triển, khẳng định tính khả thi của BTCLD trong ứng dụng chịu kéo. Sự khác biệt về độ cứng giữa mẫu sử dụng sợi carbon và sợi thủy tinh kháng kiềm phản ánh ảnh hưởng của mô đun đàn hồi sợi đến hiệu quả chịu lực của tấm.

Biểu đồ ứng suất – biến dạng thể hiện rõ các giai đoạn làm việc của BTCLD, có thể được trình bày qua đồ thị lực – biến dạng với các điểm đánh dấu vết nứt đầu tiên và giai đoạn ổn định. Bảng so sánh cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi giữa các loại bê tông hạt mịn cũng minh họa sự tương đồng với các nghiên cứu quốc tế.

Nguyên nhân của hiện tượng phân bố ứng suất không đồng đều được giải thích bởi cấu trúc bó sợi và lực dính bám trong, ngoài giữa bê tông và sợi. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của lớp phủ polymer nano và kích thước mắt lưới trong thiết kế BTCLD.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển BTCLD tại Việt Nam: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học triển khai các dự án thí nghiệm mở rộng, nhằm đánh giá toàn diện các đặc tính cơ học và ứng dụng thực tế trong điều kiện khí hậu và vật liệu địa phương. Thời gian thực hiện đề xuất trong 3-5 năm.

  2. Ứng dụng BTCLD trong sửa chữa và tăng cường kết cấu cầu, nhà cao tầng: Đề xuất sử dụng BTCLD để thay thế hoặc bổ sung cho các phương pháp truyền thống như dự ứng lực ngoài hoặc vật liệu FRP, đặc biệt tại các công trình ven biển hoặc môi trường ăn mòn cao. Chủ thể thực hiện là các công ty xây dựng và quản lý công trình giao thông.

  3. Phát triển công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn phù hợp với nguồn vật liệu trong nước: Tối ưu hóa thành phần bê tông hạt mịn sử dụng cát quartz và phụ gia khoáng có sẵn tại Việt Nam để đảm bảo tính công tác và cường độ phù hợp với BTCLD. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện vật liệu xây dựng chủ trì.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ sư, công nhân về công nghệ BTCLD: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về thiết kế, thi công và kiểm tra chất lượng BTCLD nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn khi ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và tổ chức đào tạo chuyên ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt các đặc tính cơ học của BTCLD để áp dụng trong thiết kế các kết cấu mới hoặc tăng cường kết cấu cũ, đặc biệt trong lĩnh vực cầu đường và công trình dân dụng.

  2. Nhà nghiên cứu vật liệu xây dựng: Tham khảo phương pháp thiết kế thành phần bê tông hạt mịn và các kết quả thực nghiệm về ứng xử chịu kéo của BTCLD để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Chuyên gia thi công và quản lý dự án: Hiểu rõ về tính công tác, đặc tính thi công và các yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng BTCLD nhằm đảm bảo chất lượng và tiến độ công trình.

  4. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật xây dựng: Học tập các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng lý thuyết trong lĩnh vực vật liệu xây dựng tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. BTCLD khác gì so với bê tông cốt thép truyền thống?
    BTCLD sử dụng lưới sợi dệt polymer thay cho cốt thép, giúp vật liệu không bị ăn mòn điện hóa, cho phép thiết kế kết cấu mỏng nhẹ với cường độ cao, đặc biệt trong ứng xử chịu kéo.

  2. Tại sao bê tông hạt mịn được sử dụng trong BTCLD?
    Bê tông hạt mịn có kích thước hạt nhỏ (Dmax < 1mm) giúp lấp đầy các mắt lưới sợi, tăng khả năng dính bám và đồng nhất vật liệu, đồng thời đảm bảo tính công tác và cường độ phù hợp.

  3. Lưới sợi dệt có những loại nào phổ biến?
    Các loại phổ biến là sợi carbon, sợi thủy tinh kháng kiềm (AR-glass) và sợi aramid, trong đó sợi carbon có mô đun đàn hồi cao nhất và khả năng chống ăn mòn tốt.

  4. Ứng xử chịu kéo của BTCLD được xác định như thế nào?
    Thông qua thí nghiệm kéo một trục trên mẫu tấm BTCLD, đo biến dạng và lực kéo để xác định các giai đoạn làm việc, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi.

  5. BTCLD có thể ứng dụng ở đâu trong thực tế?
    BTCLD được sử dụng trong xây dựng cầu nhẹ, tấm lắp ghép, tường chống ồn, mái chống thấm, và đặc biệt trong sửa chữa, tăng cường kết cấu cũ như mái vòm, sàn nhà cao tầng.

Kết luận

  • Bê tông cốt lưới dệt là vật liệu composite tiên tiến, kết hợp bê tông hạt mịn và lưới sợi polymer, có ưu điểm vượt trội về khả năng chịu kéo và chống ăn mòn.
  • Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu kéo của tấm BTCLD cho thấy vật liệu có 4 giai đoạn làm việc rõ ràng, với cường độ chịu kéo khoảng 4,4 MPa và mô đun đàn hồi gần 34.000 MPa.
  • Lực dính bám giữa bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu quả chịu lực và phân bố ứng suất trong cấu kiện.
  • BTCLD có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sửa chữa, tăng cường kết cấu công trình tại Việt Nam, đặc biệt trong môi trường ăn mòn cao như ven biển.
  • Đề xuất phát triển nghiên cứu, công nghệ chế tạo và đào tạo chuyên môn để thúc đẩy ứng dụng BTCLD trong ngành xây dựng trong 3-5 năm tới.

Luận văn kêu gọi các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp xây dựng quan tâm, hợp tác phát triển vật liệu BTCLD nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình xây dựng hiện đại.