Tổng quan luận án

Vấn đề bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trong xây dựng công trình giao thông đang đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm các loại vật liệu mới thay thế vật liệu truyền thống. Sản xuất bê tông xi măng Portland (OPC) thông thường phát thải một lượng lớn khí $CO_2$ vào khí quyển—chiếm tỷ trọng đáng kể trong nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Cùng với đó, sự phát triển nhanh của hạ tầng giao thông làm gia tăng nhu cầu sử dụng cốt liệu khoáng tự nhiên (đá dăm, cát tự nhiên), dẫn đến nguy cơ cạn kiệt tài nguyên khoáng sản, sạt lở bờ sông và phá hủy cảnh quan môi trường do hoạt động khai thác mỏ. Trong khi đó, các ngành công nghiệp nặng tại Việt Nam thải ra khối lượng phế phẩm rất lớn chưa được tái chế hiệu quả, điển hình là tro bay từ các nhà máy nhiệt điện đốt than và xỉ thép từ các nhà máy luyện kim (ước tính khoảng 1,0 đến 1,5 triệu tấn xỉ thép mỗi năm, chủ yếu xử lý bằng hình thức chôn lấp gây lãng phí quỹ đất và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng).

Bê tông geopolymer (GPC) tro bay sử dụng dung dịch kiềm kích hoạt là giải pháp thay thế xi măng Portland, giúp giảm lượng phát thải $CO_2$ từ 5 đến 6 lần (giảm 26% đến 45% tác động hiệu ứng nhà kính theo Davidovits). Mặt khác, xỉ thép có các đặc tính cơ lý thuận lợi như cường độ cao, độ góc cạnh, độ nhám bề mặt lớn và khả năng chống mài mòn tốt. Tuy nhiên, việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu trong bê tông xi măng truyền thống gặp trở ngại lớn do hiện tượng trương nở thể tích gây nứt vỡ kết cấu, bắt nguồn từ phản ứng thủy hóa của vôi tự do ($CaO$) và $MgO$ tự do tạo thành $Ca(OH)_2$ và $Mg(OH)_2$ với ứng suất trương nở có thể vượt quá 200 MPa. Ngược lại, trong môi trường kiềm hoạt hóa của bê tông geopolymer, quá trình đóng rắn diễn ra theo cơ chế polyme hóa vô cơ; các ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ từ xỉ thép khuếch tán và tham gia vào mạng lưới cấu trúc aluminosilicate mà không tạo ra các phản ứng hydrat hóa gây nở thể tích.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: Các nghiên cứu trên thế giới về bê tông geopolymer kết hợp xỉ thép chủ yếu mới dừng lại ở việc thay thế cốt liệu thô (đá dăm) và vẫn sử dụng cát tự nhiên, đồng thời chưa có hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về việc sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép (cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ) từ nguồn phế thải luyện kim trong nước để chế tạo bê tông geopolymer phục vụ tính toán kết cấu mặt đường ô tô tại Việt Nam.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trịnh Hoàng Sơn (năm 2020) thuộc ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (mã số 9.05), chuyên ngành Xây dựng đường ô tô và đường thành phố tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Quang Phúc và PGS.TS Đào Văn Đông, đã giải quyết khoảng trống nghiên cứu này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm 4 nội dung:

  1. Xác định các tính chất cơ lý và thành phần hóa khoáng của cốt liệu xỉ thép lò hồ quang điện (EAF) từ Nhà máy Gang thép Thái Nguyên, đánh giá sự phù hợp của cốt liệu xỉ thép trong bê tông geopolymer tro bay;
  2. Xác định thành phần cấp phối của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (ký hiệu là GPCS) có thể sử dụng được trong kết cấu mặt đường cứng;
  3. Xác định các tính chất chủ yếu của hỗn hợp và bê tông GPCS có các cấp cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa phục vụ phân tích, tính toán, thiết kế và thi công kết cấu mặt đường (bao gồm: tính công tác, thời gian đông kết, cấu trúc vi mô, cường độ nén theo thời gian, cường độ kéo khi uốn, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, độ mài mòn, độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt);
  4. Xác định các kết cấu mặt đường cứng điển hình sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có thể áp dụng tại Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

  • Các đặc trưng cơ lý, thành phần hóa học, thành phần khoáng vật và độ trương nở của cốt liệu xỉ thép lò điện hồ quang;
  • Các vật liệu thành phần chế tạo chất kết dính geopolymer (tro bay nhiệt điện, dung dịch kiềm kích hoạt $NaOH$ và $Na_2SiO_3$);
  • Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép;
  • Các chỉ tiêu cơ lý và thông số tính toán của bê tông GPCS ở các cấp cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa;
  • Các dạng kết cấu mặt đường cứng sử dụng bê tông GPCS trong điều kiện Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Về không gian và thực nghiệm: Các mẫu thí nghiệm được chế bị và kiểm tra tại hệ thống phòng thí nghiệm của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Trường Đại học Công nghệ GTVT và các viện nghiên cứu chuyên ngành. Nguồn xỉ thép nghiên cứu là xỉ thép lò điện hồ quang (EAF) của Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên; nguồn tro bay là tro bay nhiệt điện loại F (ít canxi).
  • Về phạm vi ứng dụng: Nghiên cứu tập trung vào kết cấu mặt đường ô tô chịu tải trọng xe chạy và tác động môi trường thủy nhiệt theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành tại Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Vật liệu geopolymer được Joseph Davidovits phát triển từ những năm 1970, dựa trên phản ứng polyme hóa vô cơ giữa khoáng aluminosilicate và dung dịch kiềm hoạt tính tạo thành mạng cấu trúc không gian ba chiều poly-sialate gồm các đơn vị tứ diện $[SiO_4]^{4-}$ và $[AlO_4]^{5-}$ liên kết qua nguyên tử oxy. Davidovits phân loại geopolymer thành các dạng cấu trúc phân tử: Poly-sialate (PS, tỉ lệ $Si/Al = 1$), Poly-sialate-siloxo (PSS, $Si/Al = 2$), Poly-sialate-disiloxo (PSDS, $Si/Al = 3$) và Poly-sialate-multisiloxo (PSMS, $Si/Al > 3$). Duxson đã mô hình hóa quá trình geopolymer hóa qua các giai đoạn hòa tan kiềm thủy phân, tạo mầm gel, ngưng tụ và hóa rắn mạng lưới cấu trúc. Hardjito và B.V. Rangan đã nghiên cứu sâu về bê tông geopolymer tro bay ít canxi, chỉ ra rằng nước trong hỗn hợp geopolymer không tham gia vào phản ứng thủy hóa như trong xi măng Portland mà chỉ đóng vai trò tạo tính công tác và sẽ thoát ra ngoài trong quá trình bảo dưỡng.

Tỷ lệ Si/Al Phân loại cấu trúc Ký hiệu Ứng dụng chính theo Davidovits
1 Poly-sialate PS Gạch, gốm sứ, vật liệu phòng cháy
2 Poly-sialate-siloxo PSS Chất kết dính cho bê tông, bao bọc chất độc hại/phóng xạ
3 Poly-sialate-disiloxo PSDS Vật liệu composite chịu nhiệt ($200^\circ\text{C} - 1000^\circ\text{C}$), khuôn đúc
> 3 Poly-sialate-multisiloxo PSMS Vật liệu gắn kết công nghiệp ($200^\circ\text{C} - 600^\circ\text{C}$), vật liệu chịu lửa

Trên thế giới, việc ứng dụng bê tông geopolymer vào kết cấu hạ tầng giao thông đã ghi nhận nhiều công trình quy mô: Dự án sân bay Brisbane West Wellcamp Airport (BWWA, Úc) khánh thành năm 2014 sử dụng $40.000\text{ m}^3$ bê tông geopolymer do hãng Wagners sản xuất, giúp tiết kiệm hơn 6.600 tấn khí thải $CO_2$; sản phẩm E-Crete(TM) của Zeobond ứng dụng mở rộng đường cao tốc tại Úc; đoạn đường thực nghiệm 40m của Sesa Sterlite tại Ấn Độ; các hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của Úc như AP-T318-2016, AP-T329-2017 và ATS 5330-2020.

Đối với cốt liệu xỉ thép, các tác giả quốc tế như Anastasiou, Papayianni, Maslehuddin, Manso và Gonzalez đã khảo sát việc sử dụng xỉ thép trong bê tông xi măng Portland nhưng đều chỉ ra rào cản lớn về độ trương nở thể tích do khoáng $CaO$ tự do và $MgO$ tự do, đòi hỏi phải ủ phong hóa bãi ngoài trời từ 4 đến 6 tháng. Khi kết hợp xỉ thép với chất kết dính geopolymer, các nghiên cứu của Ashadi H. Khan và cộng sự (2014) qua phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) và quang phổ Raman đã chứng minh rằng các ion $Ca^{2+}$ từ bề mặt hạt xỉ thép khuếch tán vào chất kết dính kiềm nồng độ cao ($\ge 10\text{M}$), không tạo ra khoáng portlandit $Ca(OH)_2$ hay brucite $Mg(OH)_2$, qua đó loại bỏ vùng chuyển tiếp yếu (ITZ) và triệt tiêu vết nứt vi mô. Nitendra Palankar đã khảo sát bê tông geopolymer sử dụng xỉ thép thay thế cốt liệu thô theo các tỷ lệ 25%, 50%, 75%, 100%.

Tại Việt Nam, nghiên cứu về xỉ thép chủ yếu tập trung vào bê tông nhựa (Nguyễn Phi Sơn, Nguyễn Văn Du). Các nghiên cứu về bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu tự nhiên được thực hiện bởi Đào Văn Đông (đề tài cấp Bộ GTVT mã số DT174053 về dầm bê tông cốt thép), Trần Việt Hưng (thiết kế bê tông geopolymer 30, 40, 50 MPa và khảo sát độ bám dính cốt thép), Phan Đức Hùng (ảnh hưởng của dung dịch kiềm đến cường độ uốn, chẻ) và Phạm Đức Thiện (thí nghiệm kéo tuột cốt thép).

Vị trí của luận án: Luận án là công trình nghiên cứu hệ thống hóa việc sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép Thái Nguyên thay thế đồng thời cả cốt liệu lớn (đá dăm) và cốt liệu nhỏ (cát tự nhiên) trong bê tông geopolymer tro bay; áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cấp phối và cung cấp toàn diện các thông số cơ lý, biến dạng nhiệt, mài mòn phục vụ thiết kế mặt đường cứng theo các tiêu chuẩn đường bộ Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên các nền tảng lý thuyết và khung phân tích chuyên ngành:

  • Lý thuyết phản ứng kiềm hoạt hóa aluminosilicate (Geopolymerization): Sự hòa tan các khoáng Si-Al trong tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm mạnh ($NaOH$ kết hợp $Na_2SiO_3$), giải phóng các monome silicat và aluminat, sau đó trùng ngưng tạo mạng lưới vô cơ ba chiều poly(sialate-siloxo) bền vững.
  • Cơ chế khuếch tán ion tại vùng chuyển tiếp (ITZ): Phân tích tương tác hóa lý bề mặt giữa xỉ thép và dung dịch kiềm hoạt hóa nồng độ cao ($12\text{M}$), giải thích sự liên kết đặc chắc và không gây nứt vi mô nhờ sự hòa nhập của cation $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ vào khung polyme vô cơ.
  • Lý thuyết thiết kế thành phần bê tông theo độ tin cậy và xác suất thống kê: Áp dụng các công thức tính toán cường độ chịu nén yêu cầu ($f'_{cr}$) từ cường độ nén đặc trưng ($f'c$) theo tiêu chuẩn ACI 318-11 và TCVN 5574-2018: $$f'{cr} = f'c + z \cdot s$$ hoặc $$f'{cr} = \frac{f'_c}{1 - z \cdot V}$$ trong đó $s$ là độ lệch chuẩn, $V$ là hệ số biến động cường độ, $z$ là hệ số điều chỉnh độ tin cậy ($z = 1{,}33$ ứng với độ tin cậy 90% - 95%).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích dữ liệu:

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng mô hình hỗn hợp tâm xoay - mặt không gian (Response Surface Methodology - RSM) nhằm khảo sát ảnh hưởng đồng thời của 3 biến số công nghệ độc lập: Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt trên tro bay ($AAS/FA$), tỷ lệ khối lượng thủy tinh lỏng trên dung dịch xút ($SS/SH$) và nồng độ mol của dung dịch kiềm $NaOH$ ($M$).
  • Kỹ thuật phân tích vật liệu và vi cấu trúc: Huỳnh quang tia X (XRF) phân tích thành phần hóa học; Nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ Raman xác định pha khoáng vật; Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) phân tích hình thái bề mặt và sự phân bố nguyên tố tại vùng chuyển tiếp ITZ.
  • Phương pháp kiểm tra cơ lý:
    • Cốt liệu xỉ thép: Xác định khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ hút nước, độ nén dập trong xi lanh, độ mài mòn Los Angeles, hàm lượng hạt thoi dẹt, thành phần hạt và độ trương nở thể tích. Loại bỏ số liệu ngoại lai theo tiêu chuẩn Grubbs (ASTM E178).
    • Hỗn hợp bê tông và bê tông đóng rắn: Đo độ sụt hỗn hợp theo TCVN 3106:1993; đo thời gian đông kết bằng phương pháp kháng xuyên; thí nghiệm nén trên mẫu trụ đường kính $150\text{ mm} \times 300\text{ mm}$; thí nghiệm kéo khi uốn trên mẫu dầm; đo mô đun đàn hồi tĩnh và hệ số Poisson có sử dụng đầu đo biến dạng LVDT; thí nghiệm mài mòn bề mặt theo TCVN 3114:1993; thí nghiệm đo co ngót liên kết, co ngót khô; xác định hệ số giãn nở nhiệt (CTE) bằng hệ thống ghi nhận biến dạng nhiệt tự động UCAM60.
  • Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm thống kê chuyên dụng Minitab để phân tích phương sai (ANOVA), phân tích tương quan hồi quy và kiểm định so sánh cặp ANOVA Tukey.
  • Phương pháp tính toán kết cấu áo đường: Mô hình hóa tấm bê tông trên nền đàn hồi, tính toán ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe chạy và ứng suất nhiệt theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép và một số tính chất chủ yếu của vật liệu trong xây dựng mặt đường ô tô ở Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về vật liệu geopolymer tro bay và cốt liệu xỉ thép, đồng thời phân tích các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu mặt đường cứng tại Việt Nam:

  • Định nghĩa và cơ chế phản ứng: Khái quát cấu trúc phân tử mạng poly-sialate, phản ứng ngưng tụ kiềm thủy phân giải phóng nước và hình thành bộ khung Si-O-Al-O. Phân tích vai trò của nước trong geopolymer chỉ mang tính tạo độ linh động công tác mà không tham gia phản ứng thủy hóa.
  • Đánh giá tương tác xỉ thép và geopolymer qua cấu trúc vi mô: Tổng hợp kết quả phân tích SEM, EDS và Raman từ các công bố quốc tế (đặc biệt là công trình của M. Khan, 2014). Ảnh SEM chứng minh vùng chuyển tiếp giữa hạt xỉ thép và vữa geopolymer liền khối, không xuất hiện vết nứt vi mô liên tục như trong bê tông xi măng Portland ($OPC$) hoặc geopolymer dùng đá bazan ($GPC\text{-}BAS$). Phổ EDS xác nhận có sự khuếch tán liên tục của ion $Ca^{2+}$ từ cốt liệu xỉ thép vào nền vữa kiềm nồng độ cao ($12\text{M}$), giúp gia tăng độ đặc chắc mà không hình thành các tinh thể gây trương nở $Ca(OH)_2$.
  • Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu làm mặt đường cứng: Rà soát các quy định theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế về cường độ nén đặc trưng ($f'c$), cường độ kéo khi uốn ($f'{cu}$), mô đun đàn hồi ($E_{đh}$), độ mài mòn ($\le 0{,}3\text{ g/cm}^2$ đối với đường cấp cao, $\le 0{,}6\text{ g/cm}^2$ đối với đường cấp thấp theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT), độ sụt theo công nghệ thi công (ván khuôn trượt: $10 - 20\text{ mm}$, ván khuôn ray: $20 - 30\text{ mm}$, ván khuôn đơn giản: $30 - 40\text{ mm}$ theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT), độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$).
  • Phân tích các tồn tại khoa học: Chỉ rõ trên thế giới chưa có công trình nghiên cứu toàn diện về bê tông geopolymer tro bay sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép thay thế cả cốt liệu lớn và nhỏ cho mặt đường ô tô.

Chương 2: Xác định một số tính chất cơ lí hóa của xỉ thép Thái Nguyên và nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc tính cốt liệu xỉ thép nguồn Thái Nguyên và quy trình thiết kế cấp phối GPCS tối ưu:

  • Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính xỉ thép lò hồ quang điện (EAF) Thái Nguyên:
    • Tính chất cơ lý: Khối lượng riêng lớn ($3{,}2 - 3{,}6\text{ g/cm}^3$), khối lượng thể tích xốp ($1600 - 1900\text{ kg/m}^3$), độ mài mòn Los Angeles đạt từ 13% đến 25%, độ nén dập xi lanh từ 12,1% đến 23%, hàm lượng hạt thoi dẹt thấp ($1{,}3% - 1{,}92%$), góc nội ma sát cao ($40^\circ - 45^\circ$).
    • Thành phần hóa học và khoáng vật: Hàm lượng chính gồm các oxit $CaO$, $Fe_xO_y$, $SiO_2$, $MgO$, $Al_2O_3$; thành phần khoáng vật chính gồm Wuestite ($FeO$), Dicalcium Silicate ($C_2S$), Brownmillerite ($C_4AF$), Mayenite.
    • Phân tích kim loại nặng và độ trương nở: Thí nghiệm kiểm tra hàm lượng kim loại nặng đảm bảo tiêu chuẩn môi trường; thí nghiệm độ trương nở thể tích của xỉ thép sau khi xử lý kiểm định thống kê Grubbs chứng minh vật liệu ổn định thể tích trong nền chất kết dính geopolymer.
  • Thiết kế thành phần cấp phối GPCS bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm:
    • Thiết lập ma trận thí nghiệm tâm xoay - mặt không gian với 3 biến số: Tỷ lệ $AAS/FA$, tỷ lệ $SS/SH$ và nồng độ mol dung dịch $NaOH$ (dao động từ $10\text{M}$ đến $14\text{M}$).
    • Hàm mục tiêu là cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày tuổi ($R_n$). Xử lý số liệu và phân tích phương sai ANOVA bằng phần mềm Minitab, loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa thống kê ($p\text{-value} > 0{,}05$) để xây dựng phương trình hồi quy toán học hoàn chỉnh.
    • Từ phương trình hồi quy, xác định thành phần cấp phối tối ưu cho 3 cấp cường độ yêu cầu: GPCS 25 ($f'_c = 25\text{ MPa}$), GPCS 30 ($f'_c = 30\text{ MPa}$) và GPCS 35 ($f'_c = 35\text{ MPa}$).
  • Kiểm tra thực nghiệm và so sánh kinh tế: Chế tạo mẫu thử kiểm tra lại cường độ nén và khối lượng thể tích của các cấp phối đã thiết kế; tính toán giá thành sơ bộ cho thấy bê tông GPCS 30 có chi phí cạnh tranh so với bê tông xi măng truyền thống cùng cấp ($OPC\text{ }30$) nhờ tận dụng nguồn tro bay và xỉ thép giá thành rẻ.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng một số tính chất cơ bản của bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép trong tính toán kết cấu mặt đường ở Việt Nam

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm chi tiết về các tính chất cơ lý, cấu trúc vi mô và biến dạng của bê tông GPCS:

  • Phân tích vi cấu trúc: Ảnh chụp SEM và giản đồ XRD trên mẫu GPCS 30 so sánh đối chứng với bê tông geopolymer cốt liệu tự nhiên ($GPC\text{ }30$) và bê tông xi măng cốt liệu lớn xỉ thép ($OPCS\text{ }30$). Kết quả khẳng định cấu trúc nền geopolymer GPCS 30 đặc chắc, liên kết tốt tại vùng ranh giới tiếp xúc giữa vữa và hạt cốt liệu xỉ thép.
  • Tính công tác và thời gian đông kết: Hỗn hợp bê tông GPCS tươi có độ sụt duy trì ổn định, phù hợp với các công nghệ thi công mặt đường bằng máy rải hoặc cố định; đường cong kháng xuyên theo thời gian xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc đông kết của bê tông.
  • Cường độ chịu nén theo thời gian và cơ chế phá hoại: Khảo sát sự tăng trưởng cường độ nén mẫu trụ $150 \times 300\text{ mm}$ ở các tuổi 3, 7, 14, 28 ngày. Mẫu GPCS có dạng phá hoại hình nón trượt điển hình của bê tông cường độ cao.
  • Cường độ kéo khi uốn ($f'_{cu}$): Kết quả thí nghiệm khẳng định bê tông GPCS đạt cường độ kéo uốn vượt trội so với bê tông xi măng Portland ở cùng cấp cường độ nén. Phân tích phương sai ANOVA Tukey được sử dụng để kiểm định sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các cấp GPCS 25, GPCS 30, GPCS 35. Xây dựng phương trình tương quan thực nghiệm giữa cường độ kéo uốn đặc trưng và cường độ chịu nén đặc trưng.
  • Mô đun đàn hồi ($E_{đh}$) và hệ số Poisson ($\mu$): Xác định giá trị mô đun đàn hồi đặc trưng của GPCS thông qua biểu đồ phân phối tích lũy và xây dựng mô hình tương quan thực nghiệm với cường độ chịu nén. Hệ số Poisson của bê tông GPCS nằm trong khoảng tiêu chuẩn phục vụ tính toán kết cấu.
  • Độ mài mòn: Thí nghiệm mài mòn theo TCVN 3114:1993 cho thấy độ hao hụt khối lượng của GPCS 30 và GPCS 35 đạt giá trị dưới $0{,}3\text{ g/cm}^2$, đáp ứng yêu cầu khắt khe của tầng mặt đường ô tô cấp cao theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT. Cốt liệu xỉ thép có độ cứng cao cải thiện đáng kể khả năng kháng mài mòn so với bê tông cốt liệu đá tự nhiên.
  • Co ngót và hệ số giãn nở nhiệt:
    • Độ co ngót tổng cộng, co ngót liên kết và co ngót khô của GPCS nhỏ hơn so với bê tông xi măng thông thường ($OPC$), giúp giảm nguy cơ nứt sớm do co ngót trong tấm mặt đường.
    • Thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) ghi nhận qua thiết bị UCAM60 chỉ ra mối tương quan giữa $CTE$ với cấp cường độ bê tông GPCS, cung cấp thông số đầu vào chính xác cho việc tính toán ứng suất nhiệt.
Cấp bê tông nghiên cứu Cường độ nén đặc trưng $f'_c$ (MPa) Cường độ kéo uốn đặc trưng $f'_{cu}$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E_{đh}$ (GPa) Độ mài mòn ($g/cm^2$)
GPCS 25 25,0 3,85 - 4,10 28,5 - 30,2 $\le 0{,}45$
GPCS 30 30,0 4,35 - 4,60 31,0 - 33,5 $\le 0{,}30$
GPCS 35 35,0 4,80 - 5,15 33,8 - 36,0 $\le 0{,}25$

(Ghi chú: Khoảng giá trị tổng hợp từ chuỗi kết quả thí nghiệm thực nghiệm trong Chương 3 của luận án).

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất kết cấu mặt đường sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép

Chương 4 vận dụng các kết quả nghiên cứu vật liệu để tính toán, kiểm toán và đưa ra các giải pháp kết cấu mặt đường cứng cụ thể:

  • Phân tích hiện trạng thiết kế và công nghệ thi công mặt đường bê tông: Đánh giá thực trạng áp dụng mặt đường bê tông xi măng tại Việt Nam và kinh nghiệm thi công mặt đường bê tông geopolymer trên thế giới.
  • Lựa chọn thông số đầu vào thiết kế: Sử dụng toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm thu được từ Chương 3 (cường độ kéo uốn tính toán, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, hệ số $CTE$, độ mài mòn) làm thông số vật liệu đầu vào.
  • Mô hình và quy trình tính toán kết cấu: Thiết lập sơ đồ khối tính toán kiểm toán kết cấu áo đường cứng chịu tải trọng trục xe tiêu chuẩn và ứng suất nhiệt theo đúng trình tự quy định tại Quyết định 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải.
  • Đề xuất các kết cấu mặt đường cứng điển hình:
    • Phân loại theo cấp hạng kỹ thuật đường (đường cao tốc, đường cấp I đến cấp IV) và phân cấp quy mô giao thông (cực nặng, rất nặng, nặng, trung bình, nhẹ).
    • Đưa ra 3 giải pháp kết cấu mặt đường điển hình (ký hiệu KC1, KC2, KC3) sử dụng tấm bê tông GPCS với chiều dày hợp lý, đi kèm giải pháp cấu tạo tầng móng, lớp móng trên móng dưới và hệ thống liên kết khe nối (khe co, khe giãn, khe tăng cường truyền lực) phù hợp với điều kiện khai thác tại Việt Nam.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn cốt lõi sau:

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Làm rõ cơ sở khoa học và cơ chế tương tác hóa lý giữa chất kết dính geopolymer tro bay với cốt liệu xỉ thép lò hồ quang điện (EAF). Chứng minh bằng thực nghiệm vi cấu trúc (SEM, EDS, XRD, Raman) rằng ion $Ca^{2+}$ từ xỉ thép khuếch tán vào chất kết dính geopolymer trong môi trường kiềm cao giúp tăng cường độ liên kết vùng ranh giới tiếp xúc (ITZ), không tạo ra khoáng hydrat gây nở thể tích, giải quyết triệt để nhược điểm trương nở cố hữu của xỉ thép trong bê tông truyền thống.
  2. Xây dựng thành công mô hình toán học thực nghiệm mô tả ảnh hưởng tương hỗ của 3 yếu tố công nghệ chính ($AAS/FA$, $SS/SH$, nồng độ mol $NaOH$) đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM.
  3. Thiết lập hệ thống công thức thực nghiệm biểu diễn mối tương quan giữa cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi và hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) với cường độ chịu nén của bê tông GPCS, bổ sung cơ sở dữ liệu lý thuyết cho ngành vật liệu xây dựng công trình giao thông.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Chứng minh tính khả thi kỹ thuật của việc thay thế hoàn toàn 100% cả cốt liệu lớn (đá dăm) và cốt liệu nhỏ (cát tự nhiên) bằng xỉ thép Thái Nguyên để chế tạo bê tông geopolymer tro bay đạt các cấp cường độ đặc trưng 25, 30 và 35 MPa.
  2. Cung cấp bảng thành phần cấp phối định lượng chuẩn xác và quy trình công nghệ chế tạo bê tông GPCS trong phòng thí nghiệm.
  3. Cung cấp bộ thông số cơ lý và vật lý biến dạng đầy đủ của bê tông GPCS đạt chuẩn theo các quy định hiện hành (Quyết định 1951/QĐ-BGTVT, Quyết định 3230/QĐ-BGTVT), cho phép các kỹ sư áp dụng trực tiếp vào phần mềm tính toán kết cấu áo đường cứng.
  4. Đề xuất các sơ đồ kết cấu mặt đường cứng điển hình (KC1, KC2, KC3) ứng dụng bê tông GPCS cho từng cấp quy mô giao thông tại Việt Nam, mở ra giải pháp công nghệ tận dụng phế thải tro bay nhiệt điện và xỉ thép luyện kim, góp phần giảm phát thải $CO_2$ và bảo vệ nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản luận án:

  • Hạn chế: Các nghiên cứu thực nghiệm mới được triển khai trong phạm vi phòng thí nghiệm trên các mẫu thử chuẩn; chưa có điều kiện thi công đoạn đường thực nghiệm hiện trường để theo dõi biến dạng và hư hỏng thực tế dưới tác động đồng thời của dòng giao thông hỗn hợp và điều kiện thời tiết ngoài trời. Bên cạnh đó, các nghiên cứu chuyên sâu về độ bền mỏi (fatigue behavior) của bê tông GPCS dưới tải trọng trùng phục chưa được thực hiện đầy đủ do giới hạn thiết bị thí nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Triển khai xây dựng các đoạn đường thử nghiệm ngoài hiện trường sử dụng bê tông GPCS để kiểm chứng công nghệ thi công rải mặt đường, theo dõi độ bằng phẳng, độ nhám và độ bền khai thác theo thời gian.
    2. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử phá hoại mỏi và thiết lập đường cong mỏi ($S-N$) cho bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép.
    3. Hoàn thiện chỉ dẫn kỹ thuật thi công, an toàn lao động đối với dung dịch kiềm hoạt hóa ở quy mô công trường và định mức kinh tế kỹ thuật chi tiết.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo khoa học và ứng dụng thực tiễn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Công nghệ Vật liệu Xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết về phản ứng polyme hóa vô cơ, cơ chế vi cấu trúc ITZ, phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM và kỹ thuật phân tích thống kê nâng cao bằng phần mềm Minitab.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước, viện nghiên cứu và đơn vị tư vấn thiết kế giao thông: Sử dụng các số liệu thực nghiệm về cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông GPCS làm cơ sở biên soạn quy trình kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế và định mức thi công mặt đường cứng sử dụng vật liệu tái chế tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cốt liệu xỉ thép gây hiện tượng nứt nở trong bê tông xi măng Portland nhưng lại ổn định trong bê tông geopolymer tro bay?
Trong bê tông xi măng Portland, nước tham gia phản ứng thủy hóa với vôi tự do ($CaO$) và $MgO$ tự do có trong xỉ thép tạo thành $Ca(OH)_2$ và $Mg(OH)_2$, gây giãn nở thể tích mạnh với áp lực trương nở vượt quá 200 MPa, dẫn đến phá hủy kết cấu. Trong bê tông geopolymer tro bay, môi trường kiềm hoạt hóa nồng độ cao ($NaOH\text{ }12\text{M}$) thúc đẩy quá trình polyme hóa vô cơ; các cation $Ca^{2+}$ khuếch tán từ xỉ thép vào mạng lưới aluminosilicate Si-O-Al-O tạo cấu trúc đặc chắc mà không hình thành các tinh thể $Ca(OH)_2$ hay brucite, triệt tiêu hiện tượng trương nở thể tích.

2. Ba biến số công nghệ chính trong mô hình quy hoạch thực nghiệm thiết kế cấp phối GPCS của luận án là gì?
Ba biến số công nghệ độc lập được tác giả lựa chọn trong mô hình hỗn hợp tâm xoay - mặt không gian gồm:

  • Tỷ lệ khối lượng giữa dung dịch kiềm kích hoạt và tro bay ($AAS/FA$);
  • Tỷ lệ khối lượng giữa dung dịch thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3$ và dung dịch xút $NaOH$ ($SS/SH$);
  • Nồng độ mol của dung dịch kiềm $NaOH$ ($M$).

3. Khả năng kháng mài mòn của bê tông GPCS có đáp ứng tiêu chuẩn làm mặt đường ô tô cấp cao tại Việt Nam không?
Có. Kết quả thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 3114:1993 cho thấy độ mài mòn của bê tông GPCS 30 và GPCS 35 đạt giá trị dưới $0{,}3\text{ g/cm}^2$, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật quy định tại Quyết định 3230/QĐ-BGTVT đối với tầng mặt đường ô tô cao tốc và đường cấp I, II, III có quy mô giao thông nặng và cực nặng.

4. Luận án căn cứ vào tiêu chuẩn/văn bản pháp lý nào để tính toán kiểm toán kết cấu mặt đường cứng đề xuất?
Luận án áp dụng trình tự tính toán, mô hình tấm trên nền đàn hồi và các công thức kiểm toán ứng suất kéo uốn dưới tác dụng của tải trọng trục xe và ứng suất nhiệt theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải, kết hợp với các yêu cầu thi công nghiệm thu tại Quyết định 1951/QĐ-BGTVT.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trịnh Hoàng Sơn đã nghiên cứu toàn diện từ cơ sở lý thuyết, phân tích vi cấu trúc, phương pháp quy hoạch thực nghiệm thiết kế thành phần cấp phối đến các chỉ tiêu cơ lý và biến dạng nhiệt của bê tông geopolymer tro bay sử dụng 100% cốt liệu xỉ thép Thái Nguyên (GPCS). Công trình đã giải quyết thành công bài toán thay thế hoàn toàn đá dăm và cát tự nhiên bằng xỉ thép phế thải luyện kim trong nền chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay nhiệt điện mà không xảy ra hiện tượng trương nở thể tích. Các kết quả thực nghiệm và đề xuất kết cấu mặt đường cứng điển hình trong luận án cung cấp luận cứ khoa học vững chắc và số liệu đầu vào chuẩn xác, mở ra hướng ứng dụng vật liệu thân thiện với môi trường trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam.