Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng đóng góp khoảng 13% tổng GDP toàn cầu với quy mô lên đến hàng nghìn tỷ đô la mỗi năm. Tuy nhiên, hiệu quả trong xây dựng vẫn còn hạn chế so với các ngành khác, đặc biệt là do chi phí và thời gian thi công cao, cũng như lượng chất thải xây dựng lớn. Trong đó, bê tông chiếm gần 30 tỷ tấn vật liệu xây dựng trên thế giới, nhưng phần lớn chi phí và thời gian thi công lại tập trung vào công đoạn cốp pha, chiếm từ 35-60% chi phí và 50-75% thời gian thi công. Công nghệ in 3D bê tông (3DCP) được xem là giải pháp tiềm năng giúp giảm thiểu chi phí, thời gian và chất thải xây dựng nhờ khả năng tự động hóa, kiểm soát chính xác lượng vật liệu và loại bỏ hoàn toàn công đoạn cốp pha truyền thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất của bê tông cắt sỏi Polypropylene (PP) ứng dụng cho công nghệ in 3D, nhằm phát triển hỗn hợp bê tông có tính dẻo, khả năng chịu nén và uốn tốt, đồng thời kiểm soát được hiện tượng co ngót và thời gian ninh kết phù hợp với yêu cầu in 3D. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với các mẫu bê tông có tỷ lệ thành phần nguyên liệu và phụ gia khác nhau, trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông in 3D có hiệu suất cao, giảm chi phí và tác động môi trường, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Các chỉ số quan trọng được đánh giá gồm độ nhớt, độ chảy, thời gian ninh kết, cường độ chịu nén, chịu uốn và khả năng chống co ngót của bê tông PP.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cấu trúc hỗn hợp bê tông: Bê tông được xem là hỗn hợp gồm cốt liệu thô (cát, sỏi), chất kết dính (xi măng, phụ gia) và nước. Tính chất cơ học và công tác của bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn, kích thước, hình dạng và tính chất bề mặt của các thành phần.

  • Mô hình rheology của hỗn hợp bê tông: Đánh giá độ nhớt, ứng suất chảy và độ dẻo của hỗn hợp bê tông để đảm bảo khả năng bơm và in 3D. Các chỉ số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng duy trì hình dạng sau khi in và độ bền của cấu trúc.

  • Lý thuyết co ngót bê tông: Co ngót bê tông do mất nước và quá trình hydrat hóa xi măng gây ra ứng suất nội sinh, ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định kích thước của cấu trúc in 3D.

  • Tác động của sợi Polypropylene (PP): Sợi PP được sử dụng để tăng tính dẻo, giảm co ngót và cải thiện khả năng chịu uốn của bê tông in 3D.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhớt (viscosity), ứng suất chảy (yield stress), thời gian ninh kết (setting time), cường độ chịu nén (compressive strength), cường độ chịu uốn (flexural strength), và hiện tượng co ngót (shrinkage).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông được phối trộn và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu khoảng 30-50 mẫu bê tông với các tỷ lệ sợi PP từ 0% đến 1%, tỷ lệ phụ gia và cốt liệu được điều chỉnh theo từng nhóm thử nghiệm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo độ nhớt và ứng suất chảy bằng thiết bị rheometer theo tiêu chuẩn ASTM C1437-15.

  • Thử nghiệm thời gian ninh kết bằng phương pháp Vicat.

  • Thử nghiệm cường độ chịu nén và chịu uốn theo tiêu chuẩn BS EN 12390-3 và BS EN 12390-5 tại các mốc 1, 7, 28 ngày.

  • Thí nghiệm vòng co ngót ASTM C1581 để đánh giá hiện tượng co ngót và ứng suất phát sinh.

  • Phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ sợi PP và phụ gia đến các chỉ số trên.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2020 đến tháng 1/2021, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, phối trộn, thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD (chất kết dính) đến tính công tác và cơ tính bê tông: Khi tỷ lệ N/CKD tăng từ 0,32 lên 0,38, độ nhớt và ứng suất chảy giảm, độ chảy tăng, thời gian ninh kết kéo dài, khả năng chịu tải tự thân và ứng suất trên mẫu giảm, cường độ chịu nén và uốn giảm, thời gian co ngót cũng kéo dài. Cụ thể, độ nhớt giảm khoảng 15%, cường độ chịu nén giảm khoảng 10% so với mẫu có tỷ lệ thấp hơn.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP: Khi hàm lượng sợi PP tăng từ 0% lên 0,5% và 1%, độ nhớt và ứng suất chảy tăng nhẹ, độ chảy giảm không đáng kể, thời gian ninh kết giảm, khả năng chịu tải tự thân và ứng suất trên mẫu cải thiện rõ rệt. Cường độ chịu nén ban đầu của mẫu có sợi PP cao hơn mẫu không có sợi khoảng 12%, cường độ uốn tăng 15%, khả năng chống co ngót cũng được cải thiện đáng kể.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD (cát/chất kết dính): Khi tỷ lệ C/CKD tăng từ 1 lên 2, độ nhớt và ứng suất chảy tăng, độ chảy giảm, thời gian ninh kết tăng, khả năng chịu tải và ứng suất trên mẫu tăng, cường độ chịu nén tăng khoảng 8%. Tuy nhiên, thời gian co ngót cũng kéo dài hơn.

  4. Khả năng duy trì hình dạng và ổn định kích thước: Hỗn hợp bê tông với tỷ lệ sợi PP 1% và tỷ lệ N/CKD 0,32 cho khả năng duy trì hình dạng tốt, độ ổn định kích thước cao, phù hợp với yêu cầu in 3D. Thí nghiệm vòng co ngót cho thấy ứng suất phát sinh trong vòng co ngót giảm khoảng 20% so với mẫu không có sợi PP.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do sợi PP tạo mạng lưới liên kết trong bê tông, giúp tăng tính dẻo và khả năng chịu kéo, từ đó cải thiện khả năng chịu uốn và giảm co ngót. Việc tăng tỷ lệ N/CKD làm giảm độ nhớt do pha kết dính loãng hơn, dẫn đến giảm cường độ và khả năng chịu tải. Tỷ lệ C/CKD cao hơn làm tăng độ nhớt và cường độ do tăng lượng cốt liệu thô, nhưng cũng làm giảm độ chảy và kéo dài thời gian ninh kết.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả tương đồng, đặc biệt về tác động tích cực của sợi PP đến tính chất cơ học và giảm co ngót bê tông in 3D. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi PP và cường độ chịu nén, uốn, cũng như biểu đồ thời gian ninh kết và độ nhớt được trình bày chi tiết trong luận văn.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hỗn hợp bê tông in 3D có hiệu suất cao, giảm chi phí và tăng tính bền vững trong xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ phối trộn bê tông in 3D: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ N/CKD khoảng 0,32 và C/CKD từ 1 đến 1,5 để cân bằng giữa độ nhớt, thời gian ninh kết và cường độ cơ học. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Ứng dụng sợi Polypropylene với hàm lượng 0,5-1%: Để cải thiện tính dẻo, tăng cường độ uốn và giảm co ngót, nên bổ sung sợi PP trong hỗn hợp bê tông in 3D. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và nhà sản xuất vật liệu.

  3. Kiểm soát chặt chẽ thời gian ninh kết: Sử dụng phụ gia làm chậm hoặc làm nhanh thời gian ninh kết phù hợp với quy trình in 3D để đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất phụ gia.

  4. Phát triển hệ thống kiểm soát tự động trong in 3D: Áp dụng công nghệ tự động hóa để điều chỉnh tỷ lệ phối trộn và kiểm soát quá trình in nhằm giảm thiểu chất thải và tăng hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ xây dựng và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu bê tông in 3D, phương pháp thử nghiệm và phân tích tính chất cơ học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Hướng dẫn thiết kế hỗn hợp bê tông in 3D tối ưu, giúp phát triển sản phẩm mới phù hợp với công nghệ hiện đại.

  3. Nhà thầu và kỹ sư thi công công trình: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu và quy trình thi công in 3D hiệu quả, giảm chi phí và thời gian.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật cho công nghệ in 3D bê tông, thúc đẩy phát triển ngành xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông in 3D khác gì so với bê tông truyền thống?
    Bê tông in 3D được thiết kế để có tính dẻo cao, thời gian ninh kết phù hợp với quá trình in từng lớp, loại bỏ công đoạn cốp pha, giảm chi phí và chất thải. Ví dụ, bê tông truyền thống cần cốp pha chiếm 35-60% chi phí, trong khi in 3D không cần cốp pha.

  2. Tại sao sử dụng sợi Polypropylene trong bê tông in 3D?
    Sợi PP giúp tăng tính dẻo, cải thiện khả năng chịu uốn, giảm co ngót và tăng độ bền cho bê tông in 3D. Một nghiên cứu cho thấy hàm lượng 1% sợi PP làm tăng cường độ uốn lên 15% so với mẫu không có sợi.

  3. Làm thế nào để kiểm soát thời gian ninh kết bê tông in 3D?
    Sử dụng phụ gia làm chậm hoặc làm nhanh thời gian ninh kết, kết hợp với kiểm soát tỷ lệ phối trộn và điều kiện môi trường. Thí nghiệm cho thấy phụ gia làm chậm thời gian ninh kết có thể kéo dài đến 100 phút, phù hợp với quy trình in 3D.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu đến tính chất bê tông in 3D?
    Tỷ lệ cốt liệu ảnh hưởng đến độ nhớt, độ chảy và cường độ bê tông. Tăng tỷ lệ cát/chất kết dính làm tăng độ nhớt và cường độ nhưng giảm độ chảy, cần cân đối để đảm bảo khả năng in và chất lượng cấu trúc.

  5. Công nghệ in 3D bê tông có thể ứng dụng ở đâu?
    Ứng dụng trong xây dựng nhà dân dụng, công nghiệp, các cấu kiện kiến trúc phức tạp, công trình cứu hộ, và các dự án cần giảm thiểu chất thải xây dựng. Ví dụ, các công trình in 3D tại châu Âu và Nhật Bản đã chứng minh hiệu quả về chi phí và thời gian.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn và hàm lượng sợi PP đến tính công tác và cơ tính của bê tông in 3D.
  • Hàm lượng sợi PP từ 0,5-1% giúp cải thiện đáng kể độ dẻo, cường độ uốn và giảm co ngót bê tông.
  • Tỷ lệ N/CKD và C/CKD cần được tối ưu để cân bằng giữa khả năng in và độ bền cấu trúc.
  • Phương pháp thử nghiệm bao gồm đo độ nhớt, thời gian ninh kết, cường độ chịu nén, uốn và vòng co ngót đã được áp dụng hiệu quả.
  • Đề xuất phát triển hệ thống kiểm soát tự động và ứng dụng rộng rãi công nghệ in 3D trong xây dựng nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế tại công trường, phát triển công nghệ in 3D tích hợp kiểm soát tự động, và mở rộng nghiên cứu về các loại sợi và phụ gia mới.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành xây dựng được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm và công nghệ in 3D bê tông, góp phần thúc đẩy ngành xây dựng hiện đại và bền vững.