Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng toàn cầu tiêu thụ khoảng 35 tỷ tấn bê tông mỗi năm theo báo cáo của Liên đoàn Bê tông châu Á (ACF), trong khi đó tại Việt Nam, sản lượng tiêu thụ đạt khoảng 140 triệu tấn vào năm 2019 với 50% sản xuất thương phẩm và 50% sản xuất thủ công. Mặc dù bê tông truyền thống sở hữu cường độ chịu nén cao và khả năng tạo hình linh hoạt, vật liệu này lại bộc lộ hạn chế cố hữu về tính giòn, khả năng chịu kéo kém và dễ hình thành vết nứt dưới tác dụng của tải trọng. Việc sử dụng cốt thép truyền thống tiêu tốn nguồn tài nguyên quặng không thể tái tạo, với sản lượng tiêu thụ thép xây dựng tại Việt Nam vượt mức 23,126 triệu tấn năm 2019, đồng thời đòi hỏi chi phí sản xuất và phát thải carbon rất cao.

Tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, nguồn sinh khối nông nghiệp vô cùng dồi dào với hơn 4,0 triệu hécta đất trồng lúa cung cấp khoảng 24 triệu tấn rơm rạ hàng năm, cùng 200.000 hécta diện tích dừa tập trung chủ yếu tại Bến Tre và Trà Vinh. Tuy nhiên, hơn 50% lượng rơm rạ sau thu hoạch bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong khi xơ dừa và cây lục bình hoang dại chưa được khai thác tối đa giá trị gia tăng.

Đề tài luận văn thạc sĩ của học viên Lê Nguyễn Phú Trường tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 10 năm 2020, tập trung nghiên cứu tính chất cơ lý của bê tông cốt liệu mịn gia cường bằng sợi xơ dừa, sợi rơm và sợi lục bình. Nghiên cứu hướng tới mục tiêu tối ưu hóa tỷ lệ cấp phối sợi từ 1% đến 10% cho vữa mác M100 và M300, giúp cải thiện cường độ kéo do uốn lên tới 105% và tăng cường độ nén đến 50%, mở ra giải pháp vật liệu xây dựng xanh bền vững và giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền ứng suất mặt phân cách giữa sợi và chất nền xi măng (Interface Shear Stress Transfer Theory) cùng lý thuyết cơ học phá hủy vật liệu composite đàn hồi phi tuyến. Trong hệ thống composite xi măng cốt sợi, sự làm việc liên hợp được phân chia thành hai giai đoạn rõ rệt: trước khi nứt và sau khi nứt. Khi chưa xuất hiện vết nứt, tải trọng kéo hoặc nén được truyền qua sợi nhờ ứng suất trượt đàn hồi dọc theo mặt phân cách. Khi vượt qua ngưỡng biến dạng cho phép của chất nền, các vết nứt tế vi hình thành, lúc này cơ chế bắc cầu qua vết nứt (Fiber Bridging Mechanism) được kích hoạt nhằm triệt tiêu sự tập trung ứng suất tại đỉnh nứt và phân phối lại nội lực.

Ba khái niệm học thuật then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm:

  1. Độ bám dính mặt tiếp xúc (Interface Bond Strength): Thông số quyết định lực kéo tuột ma sát cực đại và khả năng truyền ứng suất giữa sợi thực vật với tinh thể xi măng đã thủy hóa.
  2. Hiệu ứng bắc cầu sợi (Crack Bridging Effect): Khả năng liên kết hai mép vết nứt của các sợi phân tán ngẫu nhiên, giúp hấp thụ năng lượng biến dạng và chuyển đổi trạng thái phá hoại giòn sang phá hoại dẻo dai.
  3. Hệ số định hướng và tỷ lệ thể tích sợi (Fiber Orientation and Volume Fraction): Yếu tố hình học chi phối trực tiếp đến hiệu quả chịu lực dọc trục của mạng lưới cốt sợi phân tán 3 chiều trong không gian vữa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm kết hợp phân tích so sánh định lượng, được triển khai thực hiện từ đầu năm 2020 đến tháng 10 năm 2020 tại Phòng thí nghiệm Kết cấu công trình thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nguồn vật liệu đầu vào được thu thập trực tiếp tại địa phương: xơ dừa thô từ cơ sở sản xuất tại Mỏ Cày Nam (Bến Tre), rơm rạ và lục bình tự nhiên tại huyện Cao Lãnh (Đồng Tháp), kết hợp xi măng Pooc lăng hỗn hợp PCB40 Cẩm Phả và cát sông Đồng Nai.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được tiến hành theo quy trình phân tầng có kiểm soát với tổng quy mô hơn 120 mẫu đúc thử nghiệm cho hai cấp phối chuẩn M100 (tỷ lệ 1090 lít cát, 297 kg xi măng, 260 lít nước cho 1 mét khối vữa) và M300 (1080 lít cát, 450 kg xi măng, 266 lít nước cho 1 mét khối vữa). Cỡ mẫu nén gồm các khối trụ kích thước đường kính 90 mm, chiều cao 180 mm (áp dụng hệ số quy đổi 1,16 theo TCVN 3118:1993); mẫu thử kéo khi uốn gồm các dầm kích thước 100 x 100 x 400 mm (hệ số chuyển đổi 1,05 theo TCVN 3119:1993). Lý do lựa chọn hệ thống máy nén thủy lực tự động MaTest và sơ đồ gia tải uốn 4 điểm với tốc độ tải không đổi từ 0,2 đến 0,6 daN/cm2 mỗi giây là nhằm đảm bảo độ chính xác cao, triệt tiêu sai số cục bộ và mô phỏng sát thực tế ứng xử cơ học của cấu kiện chịu uốn. Độ linh động hỗn hợp vữa tươi được kiểm tra thông qua côn sụt tiêu chuẩn N1 theo TCVN 3106:1993.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Dữ liệu thực nghiệm qua các mốc thời gian dưỡng hộ 7 ngày, 14 ngày và 28 ngày đã ghi nhận những phát hiện nổi bật:

  • Cải thiện vượt trội cường độ chịu lực đối với vữa mác M100: Khi bổ sung sợi xơ dừa ở hàm lượng tối ưu từ 4% đến 6% khối lượng xi măng, cả cường độ nén và cường độ kéo khi uốn đều gia tăng mạnh. Tại tỷ lệ sợi 4%, cường độ nén ở 28 ngày tuổi đạt mức tăng trưởng cao nhất là 50% so với mẫu đối chứng. Đặc biệt, tại tỷ lệ sợi 6%, cường độ kéo do uốn tăng đột biến lên tới 105%, chứng minh khả năng gia cường tuyệt vời của xơ dừa trong nền vữa có độ đặc chắc trung bình.
  • Ứng xử cơ lý khác biệt ở vữa mác M300: Khác với cấp phối M100, việc bổ sung sợi xơ dừa vào vữa M300 làm suy giảm nhẹ cường độ chịu nén khoảng 10% đến 15% do sự xuất hiện của độ rỗng vi mô quanh bề mặt sợi, nhưng lại làm tăng đáng kể cường độ kéo khi uốn với hàm lượng tối ưu từ 2% đến 4%. Sợi xơ dừa thể hiện sự vượt trội về cường độ kéo uốn cao hơn từ 25% đến 40% so với mẫu trộn sợi rơm và sợi lục bình ở cùng cấp phối.
  • Ảnh hưởng của chiều dài sợi và phương pháp xử lý hóa học: Chiều dài sợi xơ dừa ảnh hưởng rõ nét đến khả năng chịu uốn gãy. Nhóm mẫu sử dụng sợi dài từ 2 cm đến 3 cm cho cường độ kéo khi uốn cao hơn 18% đến 22% so với nhóm sợi ngắn từ 1 cm đến 2 cm. Mặc dù xử lý sợi bằng dung dịch kiềm NaOH 5% giúp tăng độ bền kéo đơn sợi trên 40%, cường độ tổng thể của khối bê tông đông kết giữa hai nhóm xử lý và không xử lý kiềm không có sự chênh lệch đáng kể.
  • Kiểm soát vết nứt và độ dẻo dai sau phá hoại: Độ sụt của hỗn hợp vữa tươi giảm dần khi tăng tỷ lệ sợi từ 2% lên 10%. Tuy nhiên, quá trình uốn phá hủy cho thấy bề rộng vết nứt lớn nhất giảm từ 3,5 mm ở mẫu đối chứng xuống còn dưới 1,2 mm ở mẫu có sợi, triệt tiêu hiện tượng nứt vỡ giòn đột ngột.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tăng trưởng vượt bậc 105% cường độ kéo khi uốn của vữa M100 bắt nguồn từ khả năng bắc cầu bền vững của sợi xơ dừa qua các khe nứt tế vi hình thành trong quá trình hydrat hóa. Ma trận vữa M100 có mật độ hạt xi măng vừa phải, cho phép các sợi thực vật phân tán đồng đều theo không gian 3 chiều mà không tạo thành các điểm tập trung ứng suất xấu. Khi cấu kiện chịu tác dụng uốn 4 điểm, năng lượng phá hủy được hấp thụ thông qua công ma sát kéo tuột sợi ra khỏi nền xi măng thay vì cắt đứt đột ngột cấu trúc vữa.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn một cách trực quan thông qua biểu đồ cột so sánh tương quan giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn tại mốc 28 ngày tuổi tương ứng với các mức tỷ lệ sợi 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%. Ngoài ra, bảng tổng hợp biến thiên độ sụt và bề rộng khe nứt uốn gãy sẽ minh họa rõ nét xu hướng suy giảm kích thước vết nứt khi mật độ sợi tăng cao. So sánh với kết quả nghiên cứu quốc tế của Ramakrishna về tấm vữa cốt sợi xơ dừa tăng khả năng kháng va đập gấp 3 đến 18 lần, cũng như nghiên cứu của Emma Boghossian về sợi thực vật giúp giảm 99,5% diện tích nứt co ngót dẻo, kết quả của luận văn này hoàn toàn tương thích và khẳng định tính khả thi của việc khai thác phụ phẩm nông nghiệp địa phương trong sản xuất cấu kiện xây dựng bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các kết quả thực nghiệm đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng cao:

  1. Chuẩn hóa quy trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp thành cốt sợi gia cường: Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và các hợp tác xã nông nghiệp tại tỉnh Bến Tre và Đồng Tháp cần phối hợp đầu tư dây chuyền máy băm tước liên hoàn để kiểm soát chiều dài sợi xơ dừa đồng đều từ 2 cm đến 3 cm trong quý 1 năm 2021, đảm bảo độ ẩm sợi dưới 10% trước khi phối trộn, nhằm tối ưu hóa độ bám dính cơ học với vữa xi măng.
  2. Ứng dụng cấp phối sợi xơ dừa 4% đến 6% vào sản xuất tấm tường ngăn và gạch không nung: Các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn nên triển khai áp dụng tỷ lệ sợi 4% đến 6% cho dòng vữa M100 trong giai đoạn 2021 - 2022 để chế tạo tấm panel nhẹ, gạch lát vỉa hè và tấm lợp nông thôn, hướng tới mục tiêu tăng 105% khả năng chịu kéo uốn và giảm 30% tỷ lệ nứt vỡ trong quá trình vận chuyển.
  3. Tích hợp phụ gia siêu dẻo để duy trì độ linh động của hỗn hợp bê tông tươi: Các đơn vị thi công cần bổ sung phụ gia giảm nước cao cấp với tỷ lệ từ 0,5% đến 1,2% lượng xi măng khi đưa hàm lượng cốt sợi vượt trên 4% vào mác vữa M300, nhằm duy trì độ sụt chuẩn từ 8 cm đến 12 cm, khắc phục tình trạng vón cục và tạo điều kiện đầm nén thuận lợi trên công trường từ năm 2021.
  4. Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật địa phương về bê tông sợi sinh thái: Sở Khoa học và Công nghệ cùng Sở Xây dựng các tỉnh khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long cần sớm xây dựng khung tiêu chuẩn cơ sở và hướng dẫn thiết kế thi công vật liệu composite cốt sợi sinh thái trong giai đoạn 2022 - 2023, đặt mục tiêu tái chế ít nhất 15% lượng rơm rạ và xơ dừa thải bỏ hàng năm vào hạ tầng giao thông nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp khung lý thuyết cơ học phá hủy chuẩn mực, công thức giải tích phân bố ứng suất đàn hồi trượt và quy trình thực nghiệm uốn 4 điểm theo TCVN 3119:1993, phục vụ đắc lực cho các đề tài phát triển vật liệu composite xanh.
  2. Kỹ sư kết cấu và chuyên gia phát triển sản phẩm tại các công ty vật liệu xây dựng: Nắm bắt các thông số cấp phối thực nghiệm chính xác với tỷ lệ sợi tối ưu 4% đến 6% trên vữa M100 và 2% đến 4% trên vữa M300, giúp thiết kế các dòng sản phẩm cấu kiện đúc sẵn chịu uốn cao, chống co ngót nứt nẻ và tối ưu hóa chi phí sản xuất.
  3. Doanh nghiệp và hợp tác xã chế biến phụ phẩm nông nghiệp tại Đồng bằng Sông Cửu Long: Định hình mô hình chuỗi giá trị tái chế rơm rạ, lục bình và xơ dừa từ nguồn sinh khối hơn 24 triệu tấn mỗi năm, chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp thành nguyên liệu đầu vào có giá trị gia tăng cao cho ngành xây dựng.
  4. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học xác đáng phục vụ việc xây dựng chính sách kinh tế tuần hoàn, hỗ trợ các dự án công trình xanh giảm thiểu khí thải nhà kính và giải quyết bài toán ô nhiễm từ việc đốt rơm rạ tại các địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. Sợi xơ dừa mang lại hiệu quả gia cường vượt trội hơn sợi rơm và sợi lục bình như thế nào? Sợi xơ dừa có hàm lượng cellulose cao, cấu trúc sợi bền chắc và mô đun đàn hồi tốt hơn hẳn so với rơm rạ và thân lục bình xốp. Thực nghiệm cho thấy ở cấp phối vữa mác M300, mẫu bổ sung 3% sợi xơ dừa cho cường độ kéo khi uốn cao hơn từ 25% đến 40% so với mẫu sử dụng sợi rơm và sợi lục bình.

2. Tại sao vữa mác M100 tăng mạnh cường độ chịu nén khi thêm sợi xơ dừa nhưng vữa M300 lại suy giảm? Ở mác M100 có mật độ hạt xi măng thấp, sợi xơ dừa đóng vai trò chèn lấp khoảng rỗng vi mô giúp tăng 50% cường độ nén tại mức sợi 4%. Ngược lại, vữa M300 có độ đặc chắc cao nên việc chèn sợi dễ tạo ra các lỗ rỗng tiếp xúc quanh bề mặt, làm suy giảm từ 10% đến 15% cường độ nén.

3. Việc xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch kiềm NaOH 5% có thực sự cần thiết không? Thực nghiệm ngâm dung dịch NaOH 5% giúp tẩy sạch tạp chất mùn và tăng hơn 40% độ bền kéo của đơn sợi. Tuy nhiên, trong môi trường chất nền vữa xi măng vốn đã có tính kiềm tự nhiên cao, cường độ khối vữa đông kết giữa sợi đã xử lý và chưa xử lý không có sự chênh lệch lớn, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất.

4. Chiều dài sợi ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chống nứt của bê tông? Chiều dài sợi quyết định diện tích tiếp xúc ma sát và hiệu quả bắc cầu qua khe nứt. Sợi xơ dừa dài từ 2 cm đến 3 cm cho cường độ kéo khi uốn cao hơn khoảng 20% so với sợi ngắn từ 1 cm đến 2 cm, đồng thời giúp giảm độ rộng vết nứt uốn gãy từ 3,5 mm xuống dưới 1,2 mm.

5. Hàm lượng sợi tối ưu được khuyến nghị cho các loại cấu kiện xây dựng là bao nhiêu? Đối với cấu kiện vữa mác nhẹ M100 như tấm tường cách âm hoặc gạch lát nhẹ, hàm lượng sợi tối ưu là 4% đến 6% khối lượng xi măng để đạt mức tăng 105% cường độ kéo uốn. Đối với vữa M300 yêu cầu độ bền cao, hàm lượng sợi nên khống chế ở mức 2% đến 4% để bảo toàn cường độ nén.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khoa học đề ra, khẳng định tiềm năng to lớn của vật liệu xanh bản địa:

  • Xác định xơ dừa là loại cốt sợi tự nhiên tối ưu nhất tại vùng Đồng bằng Sông Cửu Long, vượt trội so với rơm rạ và lục bình trong việc gia cường khả năng chịu kéo uốn và kiểm soát nứt cho vữa xi măng.
  • Thiết lập tỷ lệ cấp phối chuẩn xác với hàm lượng sợi tối ưu 4% đến 6% cho vữa mác M100 (tăng 50% cường độ nén và tăng 105% cường độ kéo uốn) và 2% đến 4% cho vữa mác M300.
  • Chứng minh chiều dài sợi từ 2 cm đến 3 cm phát huy tối đa hiệu ứng bắc cầu chịu lực, giúp giảm bề rộng khe nứt khi uốn phá hoại xuống dưới 1,2 mm so với mức 3,5 mm của mẫu nền.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng giúp tận dụng nguồn phụ phẩm 24 triệu tấn rơm rạ và hàng trăm nghìn tấn xơ dừa mỗi năm, giảm thiểu phát thải ô nhiễm môi trường và chi phí tài nguyên xây dựng.
  • Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2021 - 2023 là mở rộng nghiên cứu độ bền lâu trong môi trường xâm thực mặn phèn của vùng Tây Nam Bộ và chế tạo thử nghiệm tấm panel đúc sẵn quy mô công nghiệp.

Các nhà khoa học, kỹ sư xây dựng và doanh nghiệp hãy cùng khai thác ngay các dữ liệu từ công trình nghiên cứu này để thúc đẩy ứng dụng bê tông sợi sinh thái vào thực tiễn xây dựng bền vững.