Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong giai đoạn 2015 – 2020, nền kinh tế Việt Nam duy trì tốc độ tăng trưởng trong lĩnh vực xây dựng từ 6% đến 10% mỗi năm. Sự gia tăng của các hoạt động xây dựng mới, cải tạo và phá dỡ công trình đã làm phát sinh khối lượng lớn chất thải rắn xây dựng (CTRXD). Theo số liệu thống kê năm 2009, lượng CTRXD phát sinh tại các đô thị lớn của Việt Nam đạt khoảng 1,46 – 1,92 triệu tấn/năm, nhưng tỷ lệ tái chế chỉ đạt 1 – 2%. Khối lượng phát thải tăng lên khoảng 3.000 tấn/ngày; năm 2020 ước tính đạt 6,3 triệu tấn và dự báo đến năm 2025 là 11 triệu tấn. Đồng thời, nhu cầu tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên cho xây dựng trong năm 2020 lên tới 170 – 190 triệu m³ đá và 130 – 150 triệu m³ cát. Tình trạng đổ trộm CTRXD diễn ra phổ biến do các bãi chôn lấp quy hoạch tại Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng đều quá tải và thiếu công nghệ xử lý chuyên dụng.

Về mặt pháp lý, Quyết định số 1266/QĐ-TTg ngày 18/08/2020 của Thủ tướng Chính phủ quy định hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, yêu cầu tái chế đá xây dựng và đạt tỷ lệ sử dụng cát tái chế từ 60% trở lên. Chỉ thị số 41/CT-TTg ngày 01/12/2020 đặt mục tiêu giảm tỷ lệ chôn lấp chất thải rắn xuống dưới 20% tại các thành phố trực thuộc trung ương (Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ, Hải Phòng) và dưới 25% tại các địa phương khác vào năm 2025. Trước đó, Quyết định số 491/QĐ-TTg ngày 16/04/2009 và Thông tư số 08/2017/TT-BXD cũng đã đặt ra các yêu cầu về quản lý, thu gom và tái chế CTRXD.

Thành phố Khối lượng CTRXD phát sinh (tấn/ngày) Tỷ lệ thu gom (%)
Hà Nội 1.000 – 1.500 70
TP. Hồ Chí Minh 2.000 – 2.500 75
Hải Phòng 400 – 450 40 – 45
Đà Nẵng 500 – 600 60
Các đô thị khác 100 – 200 20 – 30

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Tại Việt Nam, hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu tái chế còn thiếu hụt, chủ yếu mới có tiêu chuẩn TCVN 11969:2018 quy định về yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu lớn tái chế mà chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn tính toán kết cấu. Các dự án nghiên cứu trước đây (như đề tài RD 13-19 của Viện Vật liệu Xây dựng hay nhiệm vụ tiêu chuẩn của Trường Đại học Xây dựng) chủ yếu ứng dụng vật liệu tái chế vào các sản phẩm giá trị gia tăng thấp như gạch block, bê tông bó vỉa, lớp móng đường base và sub-base. Việc ứng dụng cốt liệu lớn tái chế (CLLTC) để chế tạo bê tông chịu lực có cấp độ bền cao và đánh giá ứng xử cơ học dài hạn cũng như khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu thực tế (như cột bê tông cốt thép) vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  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 gom từ nguồn phế thải phá dỡ kết cấu dầm, cột của công trình nhà công nghiệp hai tầng (xây dựng năm 2000 tại quận Cầu Giấy, Hà Nội); hỗn hợp bê tông tái chế cấp độ bền thiết kế B30; cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm.
  • Phạm vi vật liệu và cấp phối: Cốt liệu lớn tái chế được nghiền và sàng phân loại trong dải kích thước hạt từ 5 đến 20 mm ($D_{max} = 20\text{ mm}$). Tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tự nhiên (CLLTN) bằng CLLTC theo khối lượng lần lượt là $r = 0%$, $50%$ và $100%$. Tỷ lệ nước trên xi măng được thiết lập ở mức $N/X = 0,38$.
  • Phạm vi thời gian thí nghiệm: Đánh giá tính chất cơ lý của vật liệu bê tông tại các mốc tuổi: 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180 và 360 ngày.
  • Phạm vi cấu kiện: Cấu kiện cột bê tông cốt thép có kích thước tiết diện và chiều cao $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$, thí nghiệm chịu tải trọng nén đúng tâm với các hàm lượng thay thế cốt liệu $r = 0%$, $50%$ và $100%$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Tác giả đã tổng hợp các nghiên cứu về quản lý CTRXD, tính chất cơ lý của cốt liệu tái chế, bê tông tái chế và ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép:

Quốc gia Năm thống kê Lượng CTRXD phát sinh (triệu tấn/năm) Tỷ lệ tái chế (%) Nguồn tài liệu
Nhật Bản 2012 72,69 96 [111]
Tây Ban Nha 2012 28,00 98 [35]
Pháp 2012 76,00 93 [35]
Đức 2012 89,00 85 [35]
Hà Lan 2012 26,00 83 [35]
Italia 2012 40,00 79 [35]
Anh 2012 47,00 70 [35]
Hàn Quốc 2009 67,00 36 [35]
Việt Nam 2009 1,46 – 1,92 1 – 2 [2]
  • Về cường độ chịu nén: Nghiên cứu tổng hợp của Tam và cộng sự (2015) trên 26 công trình chỉ ra CLLTN có thể thay thế bằng CLLTC ở các mức 30%, 50%, 70% và 100%. Silva và cộng sự (2014) khẳng định cường độ bê tông phụ thuộc vào chất lượng và hàm lượng cốt liệu. Nghiên cứu của Hansen (1986), Topçu & Sengel (2004), Kou (2006), Etxeberria (2007), Xiao (2018) chỉ ra cường độ chịu nén giảm từ 10% đến 33% khi thay thế 100% cốt liệu lớn tái chế do lớp vữa xi măng cũ bám dính có độ rỗng cao. Tại Việt Nam, nghiên cứu của T. Kiên thực hiện trên các tỷ lệ thay thế từ 25% đến 100% ở các mốc tuổi 1, 3, 7, 28, 56, 91, 182 và 365 ngày, ghi nhận mức suy giảm cường độ nén từ 15% đến 25%, hệ số mềm đạt $K_N = 0,896$ tương đương cấp B20.
Tác giả (năm công bố) Tỷ lệ thay thế cốt liệu (%) Mức suy giảm cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi (%)
Nixon (1978) 100 20,0
Ravindrarajah và Tam (1985) 100 8,0 – 24,0
De Oliveira và Vazquez (1996) 100 10,0
Topçu và Sengel (2004) 100 23,5 – 33,0
Kou (2006) 20 / 50 / 100 4,0 – 6,0 / 13,0 – 17,0 / 16,0 – 22,0
Xiao (2018) 30 / 50 / 70 / 100 5,6 / 12,0 / 10,0 / 11,5
  • Về mô đun đàn hồi: Mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng CLLTC giảm từ 14,5% đến 45% (trung bình giảm 26%) khi thay thế 100% cốt liệu do độ cứng của cốt liệu tái chế thấp hơn cốt liệu tự nhiên (Nixon, 1978; Ravindrarajah & Tam, 1985; de Oliveira & Vazquez, 1996; Ajdukiewicz, 2005; Etxeberria và cộng sự, 2007). Zeger Sierens (2014) thí nghiệm theo chuẩn NBN B15-203 ghi nhận mô đun đàn hồi tại 28 ngày của các mẫu RCA10, RCA20, RCA50 và RCA100 đạt lần lượt 95%, 93%, 88% và 88% so với mẫu đối chứng RCA0.
  • Về biến dạng co ngót và từ biến: Hansen (1986) chỉ ra từ biến của bê tông cốt liệu tái chế tăng từ 30% đến 60% so với bê tông tự nhiên. Gomez-Soberon phân tích với mức tải bằng 40% cường độ nén, biến dạng từ biến tăng từ 35% đến 51% khi thay thế 15 – 100% cốt liệu. Silva (2015) tổng hợp 77 nghiên cứu cho thấy khi thay thế 100% cốt liệu thô, độ co ngót tăng từ 10% đến 110%, đồng thời đánh giá độ tương quan của các mô hình dự báo như EC2 và ACI 209R-92 ($R^2$ dao động trong khoảng 0,55 – 0,66). Manzi (2013) theo dõi từ biến trong hơn 1 năm; Lye (2016c) ghi nhận mức tăng co ngót tổng thể từ 10% đến 50%.
  • Về ứng xử cấu kiện kết cấu: Ajdukiewicz & Kliszczewicz (2007) thí nghiệm cột BTCT dùng 3 nguồn cốt liệu gốc (sỏi cuội O, đá granite G, đá basalt B từ nguồn phế thải 1995–1998) cho thấy sức chịu nén giảm từ 5% đến 15%. Choi & Yun thử nghiệm cột $400 \times 400 \times 2000\text{ mm}$ ($N/X = 0,436$) và $400 \times 400 \times 1800\text{ mm}$ ($N/X = 0,33$) với $r = 0, 30, 60, 100%$. Hao và cộng sự thử nghiệm cột $150 \times 200 \times 1400\text{ mm}$ ($N/X = 0,315$, $r = 0, 50, 70%$). Các nghiên cứu của Xiao (2014, 2018), Lu (2014), Zhang (2014) mở rộng khảo sát cột nén lệch tâm, thí nghiệm bàn rung và thí nghiệm nén động lực học bằng thanh Hopkinson.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết các giới hạn thực tiễn tại Việt Nam:

  1. Đánh giá tính chất cơ lý dài hạn (đến 360 ngày tuổi) của bê tông chế tạo bằng cốt liệu tái chế từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng thực tế tại Hà Nội.
  2. Áp dụng phương pháp trộn cải tiến hai giai đoạn để chế tạo bê tông cường độ cao hơn (đạt cấp B30 và cường độ nén mẫu trụ tới 40 MPa).
  3. Kiểm chứng thực nghiệm khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện cột bê tông cốt thép tỷ lệ thực tế, cung cấp dữ liệu phục vụ ứng dụng kết cấu chịu lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán

  • Khái niệm và đặc tính vật liệu: Định nghĩa CTRXD theo TCVN 6705:2000. Cốt liệu bê tông tái chế gồm hai thành phần chính: đá tự nhiên gốc và vữa xi măng bám dính. Vữa bám dính có độ hút nước cao (3 – 12% đối với nguồn bê tông thông thường, so với 0,5 – 1,2% của cốt liệu tự nhiên), khối lượng thể tích thấp hơn 5 – 15%, làm tăng hàm lượng bọt khí (2 – 5,5%) và gia tăng độ rỗng của vùng chuyển tiếp (ITZ). Hiện tượng giải phóng ẩm từ các lỗ rỗng của cốt liệu tạo hiệu ứng nội bảo dưỡng, giúp duy trì quá trình thủy hóa kéo dài.
  • Mô hình toán học quan hệ giữa mô đun đàn hồi ($E_c$) và cường độ chịu nén ($f_{cu}$):
    • Tiêu chuẩn ACI 318: $E_c = 57.000 \sqrt{f_{cu}}$ (hệ đơn vị psi)
    • Tiêu chuẩn Trung Quốc GB50010-2002: $E_c = \frac{10^5}{3,4 + \frac{11,2}{f_{cu}}}$
    • Mô hình Ravindrarajah và Tam: $E_c = 7.770 \sqrt{f_{cu}}$
    • Mô hình Dhir và cộng sự: $E_c = 370 f_{cu} + 13.100$
    • Mô hình Zilch và Roos: $E_c = 9.100 \times (f_{cu} + 8)^{1/3} \times \left(\frac{\rho}{2.400}\right)^2$
    • Mô hình Xiao và cộng sự: $E_c = \frac{10^5}{4,0 + \frac{13,2}{f_{cu}}}$
  • Mô hình dự báo biến dạng từ biến:
    • Mô hình LRFD (dựa trên ACI 209R-92): Xác định hệ số từ biến $\varphi(t, t_1)$: $$\varphi(t, t_1) = 3,5 k_c k_f \left(1,58 - \frac{H}{120}\right) t_1^{-0,118} \frac{(t - t_1)^{0,6}}{10 + (t - t_1)^{0,6}}$$ Trong đó: $k_f = \frac{1}{0,67 + \frac{f'_c}{9}}$ là hệ số cường độ; $k_c$ là hệ số hình học; $H$ là độ ẩm tương đối; $t$ là tuổi bê tông; $t_1$ là tuổi khi chất tải.
    • Mô hình CEB-FIB Model Code 1990: Biến dạng từ biến được xác định qua công thức: $$\varepsilon_{cr}(t, t_0) = \frac{\sigma_c(t_0)}{E_{ci}} \phi_{28}(t, t_0)$$ Mô đun đàn hồi ban đầu $E_{ci} = \alpha_E \times 10^4 \left(\frac{f_{ck} + \Delta f}{f_{cmo}}\right)^{1/3}$ với $\alpha_E = 2,15 \times 10^4\text{ MPa}$, $\Delta f = 8\text{ MPa}$, $f_{cmo} = 10\text{ MPa}$. Hệ số từ biến $\phi_{28}(t, t_0) = \phi_0 \beta_c(t - t_0)$. Hệ số điều chỉnh thực nghiệm tổng hợp: $\gamma_c = \gamma_{la} \gamma_{RH} \gamma_{at} \gamma_s \gamma_\rho \gamma_a$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Khảo sát và thu gom nguồn vật liệu gốc: Khảo sát công trình phá dỡ thực tế là nhà công nghiệp hai tầng xây dựng năm 2000 tại Cầu Giấy, Hà Nội. Thực hiện khoan rút lõi 3 mẫu trụ đường kính $D = 54\text{ mm}$, chiều cao $H > 150\text{ mm}$ trên 3 cấu kiện cột độc lập. Mẫu được mài phẳng bề mặt và thí nghiệm nén trên máy nén thủy lực 200 tấn để xác định cường độ thực tế của bê tông nguồn theo công thức $R = \frac{P}{F}$ ($P$ là tải trọng phá hủy, $F$ là diện tích tiết diện).
Quy trình công nghệ chế tạo và thí nghiệm:
Thu gom bê tông phế thải -> Sàng lọc & Phân loại tại nguồn -> Nghiền bằng máy nghiền lắp ráp tại VN -> Phân loại cỡ hạt 5-20 mm -> Trộn 2 giai đoạn -> Đúc mẫu vật liệu & Cột 200x200x880 mm -> Thử nghiệm nén tĩnh, co ngót, từ biến
  • Gia công cốt liệu: Sử dụng hệ thống máy nghiền lắp ráp tại Việt Nam. Cốt liệu sau khi nghiền được sàng tuyển thu hồi dải hạt 5 – 20 mm ($D_{max} = 20\text{ mm}$), làm sạch tạp chất bằng phương pháp phân loại khô tại nguồn.
  • Quy trình trộn hỗn hợp bê tông: Áp dụng phương pháp trộn hai giai đoạn (Two-Stage Mixing Approach theo Tam và cộng sự) để tạo màng hồ xi măng bao bọc bề mặt hạt cốt liệu, điền đầy các lỗ rỗng hở và cải thiện vi cấu trúc vùng tiếp xúc ITZ.
  • Kỹ thuật đo lường:
    • Thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu trụ và khối vuông tại các tuổi 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180 và 360 ngày.
    • Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và thiết lập đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng.
    • Đo biến dạng co ngót và từ biến theo thời gian.
    • Thí nghiệm nén đúng tâm cột bê tông cốt thép $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$ trên khung gia tải chuyên dụng, đo biến dạng dọc trục và ghi nhận quy luật nứt, phá hủy.

Nội dung chính theo từng chương

Phần mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu quản lý CTRXD và giảm thiểu khai thác tài nguyên đá, cát tự nhiên tại Việt Nam. Xác lập mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát thực nghiệm đối với bê tông B30 sử dụng CLLTC và cấu kiện cột BTCT kích thước $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$. Nêu rõ 3 đóng góp mới và bố cục 4 chương của luận án.

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

  • Hiện trạng CTRXD: Đánh giá số liệu phát thải, năng lực quản lý tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng; tổng hợp các chính sách pháp luật (Quyết định 491/QĐ-TTg, Quyết định 1266/QĐ-TTg, Chỉ thị 41/CT-TTg, Thông tư 08/2017/TT-BXD, tiêu chuẩn TCVN 11969:2018).
  • Tổng kết các dự án đầu tư công tại Việt Nam:
    • Dự án Sáng kiến 3R tại Hà Nội (2006 – 2009) do JICA tài trợ, phối hợp cùng URENCO Hà Nội và các chuyên gia Nhật Bản (Hisashi Yamauchi, Công ty Yachiyo Engineering).
    • Dự án Cải thiện môi trường Hải Phòng (2005 – 2013) và Dự án Năng lực quản lý CTR sinh hoạt (2014 – 2018).
    • Dự án tái chế thạch cao Gyps tại DAP-VINACHEM Đình Vũ (Hải Phòng), công suất 200.000 tấn/năm từ năm 2014.
    • Dự án VIBM - MESC do Bộ Xây dựng chủ trì (2010 – 2012, kinh phí 500.000 USD) nghiên cứu sản xuất gạch block, bó vỉa, lớp móng đường base/sub-base.
    • Dự án của Bộ Giao thông Vận tải (2010 – 2014, kinh phí 100.000 USD), Hiệp hội Môi trường Đô thị (2008 – 2010, kinh phí 20.000 USD) và Chương trình KHCN biển đảo (7,5 triệu USD).
  • Cơ sở khoa học về tính chất cốt liệu và bê tông: Phân tích độ hút nước (3 – 12%), khối lượng thể tích, độ hao mòn Los Angeles và độ nén dập trong xi lanh; các giải pháp nâng cao chất lượng (gia công cơ học tách vữa, chu trình ướt rửa áp lực, cơ nhiệt nung 300°C kết hợp chà sát); quy trình trộn 2 giai đoạn và 3 giai đoạn; tổng quan suy giảm cường độ nén, mô đun đàn hồi, gia tăng co ngót và từ biến; các nghiên cứu ứng xử kết cấu cột, dầm của Ajdukiewicz, Choi & Yun, Hao, Xiao.

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

  • Khảo sát nguồn vật liệu: Tiến hành khoan lấy mẫu lõi trụ ($D = 54\text{ mm}$, $H > 150\text{ mm}$) từ kết cấu cột của nhà công nghiệp hai tầng xây năm 2000 tại Cầu Giấy, Hà Nội. Kết quả thí nghiệm nén trên máy nén 200 tấn xác định các chỉ tiêu cơ lý ban đầu của bê tông gốc.
  • Quy trình gia công và chế tạo mẫu: Thiết lập quy trình nghiền bằng máy nghiền cơ học chế tạo trong nước, phân loại hạt 5 – 20 mm đạt chuẩn TCVN 11969:2018 và TCVN 7570:2006. Thiết kế cấp phối bê tông B30 với $N/X = 0,38$, áp dụng phương pháp trộn hai giai đoạn cho các tỷ lệ thay thế $r = 0%$, $50%$ và $100%$.
  • Bố trí thí nghiệm: Trình bày chi tiết quy trình thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi tại các mốc tuổi 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180, 360 ngày; thí nghiệm đo biến dạng co ngót, từ biến dài hạn; phương pháp gia tải nén đúng tâm cấu kiện cột $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$ kèm hệ thống cảm biến đo biến dạng và chuyển vị.

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

  • Trình bày diễn biến phát triển cường độ chịu nén của các nhóm mẫu ($r = 0%$, $50%$, $100%$) theo thời gian từ 3 đến 360 ngày tuổi, ghi nhận cường độ nén mẫu trụ trung bình ở 28 ngày đạt tới 40 MPa.
  • Đánh giá sự suy giảm và quy luật tăng trưởng của mô đun đàn hồi theo thời gian, đối chiếu với các mô hình tiêu chuẩn (ACI 318, GB50010-2002, CEB-FIB, EN 1992-1-1).
  • Thiết lập đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng nén đơn trục, xác định đỉnh biến dạng và độ dẻo của vật liệu.
  • Phân tích số liệu thực nghiệm về biến dạng co ngót khô và biến dạng từ biến kéo dài trong 360 ngày; đề xuất hàm toán học tương quan mô tả sự phát triển của các đại lượng cơ lý theo thời gian.

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

  • Đánh giá khả năng chịu tải giới hạn của các cột bê tông cốt thép $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$ chịu nén đúng tâm tương ứng với các tỷ lệ thay thế cốt liệu $r = 0%$, $50%$ và $100%$.
  • Phân tích biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng dọc trục và biến dạng ngang của bê tông và cốt thép trong quá trình gia tải đến khi phá hủy.
  • So sánh cơ chế hình thành vết nứt, dạng phá hoại và độ cứng tổng thể của cột sử dụng CLLTC so với cột đối chứng sử dụng 100% cốt liệu tự nhiên.
  • Đánh giá mức độ suy giảm sức chịu tải của cột tái chế và kiểm chứng mức độ tin cậy khi áp dụng các công thức tính toán thiết kế cột hiện hành.

Phần kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tính chất vật liệu và khả năng chịu lực của cấu kiện cột; đưa ra các khuyến nghị kỹ thuật về tỷ lệ thay thế cốt liệu và công nghệ trộn phục vụ ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Khẳng định tính khả thi chế tạo bê tông cường độ cao: Chứng minh được tính khả thi của việc chế tạo bê tông có cường độ chịu nén trung bình mẫu trụ đạt tới 40 MPa (tương đương cấp độ bền B30) sử dụng 100% cốt liệu lớn tái chế (CLLTC) từ nguồn chất thải rắn xây dựng trong điều kiện công nghệ và vật liệu tại Việt Nam.
  2. Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện: Xây dựng bộ số liệu thực nghiệm có hệ thống về các đặc trưng cơ lý của bê tông sử dụng CLLTC với các tỷ lệ thay thế $r = 0%$, $50%$ và $100%$ từ giai đoạn sớm đến dài hạn (3, 7, 14, 28, 60, 90 và 360 ngày tuổi), bao gồm: cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, đường cong ứng suất – biến dạng, biến dạng co ngót và từ biến.
  3. Đề xuất mô hình toán học tương quan: Thiết lập các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa cường độ nén và mô đun đàn hồi theo thời gian, phù hợp với đặc tính của bê tông cốt liệu tái chế tại Việt Nam.
  4. Kiểm chứng ứng xử cơ học của cấu kiện kết cấu chịu lực: Cung cấp kết quả thực nghiệm về sự làm việc của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm sử dụng bê tông CLLTC, xác định mức độ tương đồng về ứng xử biến dạng và khả năng chịu lực so với cột bê tông cốt liệu tự nhiên.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Hoàn thiện chính sách và tiêu chuẩn: Kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Xây dựng, Bộ Tài nguyên và Môi trường) sớm ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật, chỉ dẫn tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép sử dụng cốt liệu tái chế, bổ sung cho tiêu chuẩn vật liệu TCVN 11969:2018.
  • Quy trình quản lý và công nghệ: Đề xuất quy trình phân loại CTRXD tại nguồn công trình phá dỡ, quy trình nghiền sàng phân loại hạt 5 – 20 mm bằng thiết bị trong nước và bắt buộc áp dụng công nghệ trộn hai giai đoạn trong sản xuất bê tông thương phẩm nhằm tối ưu hóa chất lượng vùng tiếp xúc ITZ.
  • Quy hoạch trạm tái chế: Đề xuất chính quyền các đô thị lớn (Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng) quy hoạch các trung tâm xử lý, tái chế CTRXD tập trung có công nghệ giám sát đồng bộ để đạt mục tiêu giảm tỷ lệ chôn lấp theo Chỉ thị 41/CT-TTg.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi thực nghiệm của nguồn cốt liệu bê tông tái chế trong luận án mới được thu thập từ một công trình cụ thể (nhà công nghiệp hai tầng xây dựng năm 2000 tại Cầu Giấy, Hà Nội).
  • Nghiên cứu tập trung vào cốt liệu lớn tái chế (kích thước 5 – 20 mm), chưa nghiên cứu sử dụng cốt liệu nhỏ (cát tái chế) do những phức tạp về độ hút nước và hàm lượng bột mịn.
  • Cấu kiện kết cấu cột mới được thử nghiệm chịu tải trọng nén đúng tâm trong điều kiện tải trọng tĩnh, chưa mở rộng sang thí nghiệm nén lệch tâm phẳng, nén lệch tâm xiên hoặc chịu tải trọng đổi chiều và tải trọng động.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng đánh giá các nguồn bê tông phế thải từ các dạng công trình khác nhau (cầu, đường, nhà cao tầng, cấu kiện đúc sẵn) với các cấp cường độ gốc khác nhau.
  • Nghiên cứu ứng xử cơ học của các cấu kiện kết cấu chịu lực khác sử dụng bê tông CLLTC như dầm chịu uốn, dầm chịu cắt, nút khung và tường chịu cắt.
  • Khảo sát ứng xử của kết cấu bê tông cốt liệu tái chế chịu tác động của tải trọng động lực học, tải trọng địa chấn (thí nghiệm bàn rung) và môi trường xâm thực.
  • Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng cốt liệu tái chế bằng phụ gia khoáng puzơlan (tro bay, xỉ lò cao, silica fume) kết hợp quy trình xử lý cơ nhiệt.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Xây dựng: Nguồn tài liệu tham khảo về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm vật liệu tái chế, kỹ thuật khoan rút lõi đánh giá bê tông cũ, phương pháp trộn hai giai đoạn và bộ dữ liệu phát triển cơ lý dài hạn 360 ngày.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và nhà thầu xây dựng: Căn cứ kỹ thuật để tính toán cấp phối bê tông B30 đạt cường độ 40 MPa sử dụng cốt liệu tái chế và cơ sở đánh giá khả năng chịu tải của cấu kiện cột trong công trình dân dụng, công nghiệp.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Cơ sở dữ liệu thực chứng phục vụ việc xây dựng quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về tái chế CTRXD, hỗ trợ hiện thực hóa các mục tiêu giảm chôn lấp của Quyết định 1266/QĐ-TTg và Chỉ thị 41/CT-TTg.

Nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

  • Quy trình công nghệ nghiền, sàng phân loại cốt liệu lớn 5 – 20 mm từ phế thải bê tông phá dỡ công trình tại Việt Nam.
  • Kết quả thực nghiệm về sự phát triển cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, co ngót và từ biến từ 3 đến 360 ngày tuổi của bê tông thay thế 0%, 50% và 100% cốt liệu lớn tái chế.
  • Kết quả thí nghiệm nén đúng tâm cột bê tông cốt thép $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn gốc và đặc điểm kích thước của cốt liệu tái chế được sử dụng trong luận án là gì?

Cốt liệu tái chế được lấy từ bê tông kết cấu dầm, cột của công trình nhà công nghiệp hai tầng xây dựng năm 2000 tại quận Cầu Giấy, Hà Nội. Mẫu bê tông gốc được khoan rút lõi kiểm tra cường độ trước khi phá dỡ. Cốt liệu sau khi nghiền qua máy nghiền lắp ráp tại Việt Nam được sàng phân loại lấy cỡ hạt từ 5 mm đến 20 mm ($D_{max} = 20\text{ mm}$).

2. Bê tông tái chế trong luận án đạt được cấp độ bền và cường độ chịu nén là bao nhiêu?

Hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế được thiết kế đạt cấp độ bền B30 với tỷ lệ nước trên xi măng $N/X = 0,38$. Kết quả thí nghiệm nén mẫu trụ đạt cường độ trung bình lên tới 40 MPa ở 28 ngày tuổi khi áp dụng phương pháp trộn hai giai đoạn.

3. Tỷ lệ thay thế cốt liệu và các mốc thời gian thí nghiệm cơ lý được thiết lập như thế nào?

Luận án khảo sát 3 tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế theo khối lượng: $r = 0%$, $r = 50%$ và $r = 100%$. Các tính chất cơ lý (cường độ nén, mô đun đàn hồi, co ngót, từ biến) được theo dõi và thí nghiệm tại các mốc: 3, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 150, 180 và 360 ngày tuổi.

4. Cấu kiện cột bê tông cốt thép trong nghiên cứu có kích thước và điều kiện thử nghiệm ra sao?

Cấu kiện cột bê tông cốt thép có kích thước hình học $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$, được chế tạo với các tỷ lệ thay thế cốt liệu lớn $r = 0%$, $50%$ và $100%$. Cột được đưa vào khung thí nghiệm gia tải nén đúng tâm tĩnh để khảo sát ứng xử biến dạng, khả năng chịu lực giới hạn và dạng phá hoại.

5. Những văn bản quy phạm pháp luật chính nào của Việt Nam được luận án phân tích về quản lý CTRXD?

Luận án phân tích và trích dẫn các văn bản: Quyết định số 491/QĐ-TTg ngày 16/04/2009, Quyết định số 2149/QĐ-TTg năm 2009, Thông tư số 08/2017/TT-BXD của Bộ Xây dựng, Tiêu chuẩn TCVN 11969:2018 về cốt liệu lớn tái chế cho bê tông, Quyết định số 1266/QĐ-TTg ngày 18/08/2020 và Chỉ thị số 41/CT-TTg ngày 01/12/2020 của Thủ tướng Chính phủ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã giải quyết vấn đề tái chế chất thải rắn xây dựng tại Việt Nam thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm toàn diện tính chất cơ lý dài hạn của bê tông sử dụng cốt liệu lớn tái chế và ứng xử chịu nén của cấu kiện cột bê tông cốt thép. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của việc chế tạo bê tông cấp B30 đạt cường độ nén mẫu trụ 40 MPa từ 100% cốt liệu lớn tái chế bằng công nghệ trộn hai giai đoạn. Các số liệu thực nghiệm từ 3 đến 360 ngày tuổi về cường độ, mô đun đàn hồi, co ngót, từ biến và khả năng chịu nén đúng tâm của cột $200 \times 200 \times 880\text{ mm}$ cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế kết cấu bê tông tái chế tại Việt Nam.