Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông cường độ cao (BTCĐC) được sử dụng phổ biến trong các công trình cầu hiện đại có yêu cầu vượt nhịp lớn, khả năng chịu lực cao và tuổi thọ thiết kế dài lâu. Tuy nhiên, đi cùng với sự gia tăng cường độ nén, BTCĐC có đặc tính phá hủy dòn, độ dai thấp hơn so với bê tông thông thường và dễ xảy ra hiện tượng phá hủy đột ngột dưới tác động của tải trọng nặng, tải trọng lặp và môi trường xâm thực.

Việc tích hợp vật liệu kích thước nanomet, đặc biệt là nano silica (NS), đã được chứng minh có khả năng thúc đẩy quá trình thủy hóa xi măng, loại bỏ canxi hydroxit $\text{Ca(OH)}_2$ kém bền thông qua phản ứng pozzolanic để tạo ra gel calcium-silicate-hydrate (C-S-H) chất lượng cao, đồng thời lấp đầy các vi lỗ rỗng và cải thiện vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa cốt liệu và vữa. Mặc dù công nghệ nano đã được nghiên cứu trên thế giới, tại Việt Nam các nghiên cứu về nano silica chủ yếu dừng lại ở bê tông thường hoặc vữa sửa chữa, chưa có nghiên cứu hệ thống về thành phần cấp phối, tính chất cơ học chủ yếu cũng như đặc điểm cơ học phá hủy của BTCĐC sử dụng NS ứng dụng cho kết cấu công trình cầu. Do đó, việc ứng dụng lý thuyết cơ học phá hủy để xác định sức kháng lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ sau nứt của BTCĐC sử dụng NS là vấn đề cấp thiết nhằm phục vụ thiết kế, đánh giá an toàn kết cấu.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định được thành phần cấp phối BTCĐC sử dụng nano silica.
  2. Đánh giá sự ảnh hưởng của nano silica đến một số tính chất cơ học chủ yếu của BTCĐC.
  3. Thực nghiệm xác định các tham số và đặc điểm phá hủy của BTCĐC sử dụng nano silica.
  4. Ứng dụng kết quả thí nghiệm cơ học phá hủy tính toán sức kháng lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ sau nứt của BTCĐC sử dụng nano silica.
  5. Nghiên cứu ứng dụng BTCĐC sử dụng nano silica trong kết cấu công trình cầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano silica và ảnh hưởng của nano silica đến các tính chất cơ học chủ yếu cùng đặc điểm phá hủy của kết cấu BTCĐC trong công trình cầu.
  • Phạm vi nghiên cứu về vật liệu: Nano silica (Aerosil 200) kết hợp với xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn, silica fume (Sikacrete PP1), phụ gia siêu dẻo (Sika ViscoCrete 3000-20M), cát và đá theo tiêu chuẩn ASTM C33 nhằm chế tạo BTCĐC mác 70 MPa.
  • Phạm vi nghiên cứu về tính chất cơ học: Các chỉ tiêu cơ học chủ yếu gồm cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ kéo khi uốn ($R_{ku}$) và mô đun đàn hồi ($E$).
  • Phạm vi nghiên cứu về cơ học phá hủy: Đặc điểm phá hủy dạng I (Mode I - mở rộng vết nứt) thông qua thí nghiệm uốn ba điểm trên mẫu dầm có rãnh mồi; xác định năng lượng phá hủy ($G_F$), chiều dài đặc trưng ($l_{ch}$), độ mở rộng miệng vết nứt ($CMOD$), độ mở rộng đầu vết nứt ($CTOD$), đường cong mềm hóa song tuyến, sức kháng lan truyền nứt ($K_R$) và độ dự trữ cường độ sau nứt ($R_S$).
  • Phạm vi ứng dụng kết cấu: Phân tích ứng xử chịu tải cục bộ vùng neo đầu dầm cầu bê tông dự ứng lực.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ nano trong vật liệu xây dựng bắt nguồn từ các nguyên lý do Richard Feynman đề xuất năm 1960 và được cụ thể hóa trong báo cáo RILEM 197-NCM. Sanchez và Sobolev (2010) đã hệ thống hóa phân bố kích thước hạt, chỉ ra rằng kích thước hạt trong BTCĐC đạt đến mức 5 nm khi có mặt NS, thúc đẩy quá trình hòa tan $\text{C}_3\text{S}$ và tạo gel C-S-H. Quercia (2014) tại Đại học Eindhoven khảo sát ảnh hưởng của các loại NS với diện tích bề mặt khác nhau đến cấu trúc vữa và bê tông, khẳng định khả năng lấp đầy lỗ rỗng và tăng tốc độ hydrat hóa.

Về tính chất cơ học và độ bền:

  • Bjornstrom (2004) và Qing cùng cộng sự (2007) xác nhận NS hoạt động như mầm tinh thể lắng đọng sản phẩm thủy hóa, làm giảm kích thước và định hướng tinh thể $\text{Ca(OH)}_2$ tại vùng ITZ.
  • Supit và Shaikh (2014) ghi nhận 2% NS giúp tăng cường độ nén 3 ngày tuổi, đồng thời làm giảm độ sụt từ 40% đến 60%.
  • Li và cộng sự (2004, 2006, 2017) khảo sát sự phát triển cường độ nén, cường độ kéo uốn và tuổi thọ mỏi của bê tông tro bay và BTCĐC khi bổ sung NS và nano $\text{CaCO}_3$.
  • Du và cộng sự (2014), Said và cộng sự (2012), Zhang và Li (2011) chứng minh NS liều lượng nhỏ (0,3% - 1%) làm giảm hệ số khuếch tán ion clo từ 28,7% đến 31% và giảm lượng điện tích truyền qua mẫu.
  • Bastami và cộng sự (2014), Yang và cộng sự (2017), Gao và Li (2017) đánh giá khả năng chịu nhiệt độ cao (25°C - 800°C) của BTCĐC có NS và cốt sợi thép.
Tác giả Diện tích bề mặt đặc trưng của NS ($\text{m}^2/\text{g}$) Dãy tỷ lệ NS khảo sát (%) Tỷ lệ NS đề xuất (%)
Chithra và cộng sự 215 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 2,0
Supit và Shaikh 200 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 2,0
Nazerigivi và cộng sự 200 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 1,5
Khaloo và cộng sự 200 0,75; 1,5 1,5
Khaloo và cộng sự 380 0,75; 1,5 0,75
Mohammad và cộng sự 200 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 3,0
Rajasundari và cộng sự 200 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 2,0
Su và cộng sự 200 1,0; 3,0; 5,0 3,0
Wang và cộng sự 640 1,0; 2,0; 3,0 2,0
Xu và cộng sự 80 0,05; 0,1; 0,5; 1,0 1,0
Sakthivel và cộng sự 160 2,5; 3,0; 3,5 3,0
Parida và cộng sự 200 0,3; 0,6; 1,0 1,0
Amin và cộng sự 200 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 2,0
Qing và cộng sự 160 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 3,0
Ksenija Jankovic 200 1,0; 2,0; 3,0 2,0
Yingli Gao và cộng sự 250 1,0; 2,0; 3,0 2,0
Savas Erdem 200 0,5; 1,0; 1,5 1,5
Bastami và cộng sự 60 1,5; 3,0; 4,0; 5,0 3,0
Trần Hữu Bằng 258,3 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 1,0

Tại Việt Nam, Trần Hữu Bằng nghiên cứu NS từ tro trấu cho bê tông mặt đường C30-C40; Lê Văn Bách khảo sát NS giảm hằn lún bê tông nhựa; Phạm Duy Hữu và cộng sự khảo sát NS tăng cường độ tuổi sớm cho bê tông nhiều tro bay; nhóm nghiên cứu Trường Đại học Giao thông Vận tải và Đại học Bách khoa TP.HCM thử nghiệm vữa nano sửa chữa cầu và gia cố đất yếu.

Về cơ học phá hủy, Hillerborg (1976, 1985), Petersson (1981), Bazant (1983, 2002), Jenq và Shah (1985), Xu và Reinhardt (1999, 2000), Van Mier (1997, 2013) đã xây dựng các mô hình nứt dính kết (fictitious crack model), mô hình vùng dãy nứt (crack band model), mô hình hai tham số, mô hình hiệu ứng kích thước và mô hình double-K. Tại Việt Nam, Phạm Duy Hữu (2004) nghiên cứu năng lượng phá hủy của bê tông thường ($131\text{ J/m}^2$) và BTCĐC có silica fume ($152\text{ J/m}^2$).

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Mặc dù các công trình đã ghi nhận ảnh hưởng của NS, phần lớn các nghiên cứu trong nước chỉ tập trung vào bê tông cấp thông thường. Chưa có công trình nào đánh giá toàn diện hành vi phá hủy Mode I của BTCĐC có bổ sung NS thông qua các đường cong phản ứng tải trọng - độ mở rộng miệng vết nứt ($P-CMOD$), tải trọng - độ võng ($P-\delta$), đường cong mềm hóa song tuyến và sức kháng lan truyền nứt dựa trên mô hình double-K gắn với bài toán kết cấu cầu cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

Luận án xây dựng trên các nền tảng lý thuyết:

  1. Hóa học xi măng và hiệu ứng nano: Phản ứng pozzolanic giữa canxi hydroxit và nano silica: $$\text{Ca(OH)}_2 + \text{SiO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + \text{H}_2\text{SiO}_4^{2-} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CaH}_2\text{SiO}_4\cdot2\text{H}_2\text{O}$$ Các hiệu ứng vi mô bao gồm: hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng lấp đầy vi lỗ rỗng, hiệu ứng tạo mầm kết tinh gel C-S-H và biến tính vùng chuyển tiếp ITZ.
  2. Cơ học phá hủy phi tuyến trong bê tông: Quá trình phá hủy kéo (Mode I) gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn đàn hồi (0), Giai đoạn nứt vi mô (A), Giai đoạn nứt vĩ mô (B), và Giai đoạn bắc cầu các bề mặt nứt (C).
  3. Mô hình nứt dính kết (Fictitious Crack Model - FCM) và Mô hình Double-K:
    • Vết nứt thực tế được thay thế bằng vết nứt quy ước có các lực dính kết truyền qua bề mặt nứt theo luật mềm hóa song tuyến biểu diễn quan hệ ứng suất dính kết $\sigma(w)$ và độ mở rộng vết nứt $w$.
    • Mô hình double-K xác định hai thông số ngưỡng: Cường độ chống nứt khởi đầu ($K_{Ic}^{ini}$) ứng với tải trọng bắt đầu xuất hiện vết nứt ổn định ($P_{ini}$) và Cường độ chống nứt dính kết tới hạn ($K_{Ic}^C$) ứng với tải trọng cực đại ($P_{max}$).
    • Đường cong sức kháng lan truyền nứt $K_R$ và độ dự trữ cường độ sau nứt: $$R_S(\Delta a_i) = \frac{U_L(\Delta a_i)}{U_T}$$ Trong đó $U_L(\Delta a_i)$ là công hấp thụ ứng với chiều dài nứt $\Delta a_i$ và $U_T$ là tổng công phá hủy hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Thí nghiệm cơ học: Xác định cường độ nén $R_n$ trên mẫu lập phương $150\times150\times150\text{ mm}$ và mẫu trụ $\phi150\times300\text{ mm}$, cường độ kéo khi uốn $R_{ku}$ trên mẫu dầm $100\times100\times400\text{ mm}$, mô đun đàn hồi $E$ trên mẫu trụ theo tiêu chuẩn ASTM C469.
    • Thí nghiệm cơ học phá hủy: Thí nghiệm uốn ba điểm trên mẫu dầm có rãnh mồi kích thước $100\times100\times515\text{ mm}$ (khoảng cách nhịp gối $S = 400\text{ mm}$, chiều sâu rãnh $a_0 = 30\text{ mm}$, bề rộng rãnh $t = 3\text{ mm}$) tuân thủ chỉ dẫn RILEM TC 50-FMC và TC 89-FMT. Đo chuyển vị $CMOD$ bằng clip gauge gắn ở đáy rãnh và độ võng $\delta$ bằng cảm biến biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) trên máy nén uốn điều khiển vòng lặp kín Control.
  • Phương pháp phân tích toán học và thống kê: Sử dụng mô hình hồi quy đa biến và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá tương tác giữa hàm lượng NS, tỷ lệ N/CKD và thời gian bảo dưỡng đến $R_n$ và $R_{ku}$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phân tích trạng thái ứng suất tập trung, trường ứng suất kéo chính và biến dạng tại vùng neo dự ứng lực đầu dầm cầu khi sử dụng BTCĐC có và không có NS.

Nguồn tư liệu và dữ liệu vật liệu

  • Xi măng: Xi măng Pooclăng Bút Sơn PC40.
  • Nano silica: Aerosil 200 dạng bột, hàm lượng $\text{SiO}_2 \ge 99,8%$, diện tích bề mặt riêng $200\text{ m}^2/\text{g}$.
  • Silica fume: Sikacrete PP1 dạng bột mịn.
  • Phụ gia siêu dẻo: Sika ViscoCrete 3000-20M gốc polycarboxylate ether.
  • Cốt liệu: Cát vàng tự nhiên và đá dăm nghiền sàng phối trộn theo tiêu chuẩn ASTM C33 ($D_{max} = 12,5\text{ mm}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông sử dụng nano silica và phá hủy trong bê tông

Chương 1 tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết và thực tiễn về công nghệ nano trong vật liệu gốc xi măng, cùng các mô hình cơ học phá hủy bê tông:

  • Phân tích cơ chế tác động đa quy mô của nano silica: lấp đầy lỗ rỗng, hoạt hóa phản ứng pozzolanic giải phóng $\text{C-S-H}$, cải thiện cấu trúc tinh thể tại vùng tiếp giáp vữa - cốt liệu (ITZ) và đẩy nhanh tốc độ thủy hóa.
  • Trình bày ứng dụng thực tế của bê tông nano trên thế giới: Nhà thờ Jubilee (Rome, sử dụng nano $\text{TiO}_2$), Cầu Gartnerplatzbrucke (Đức), Cầu Iowa (Hoa Kỳ, sử dụng 1% NS), Đường hầm Umberto I (Rome), Tòa nhà Philharmonie de Paris (Pháp), và các dòng sản phẩm thương mại vữa nano Emaco Nanocrete của BASF.
Loại vữa phụ gia nano (BASF) Cường độ nén 2 giờ (MPa) Cường độ nén 4 giờ (MPa) Cường độ nén 24 giờ (MPa) Cường độ nén 7 ngày (MPa) Cường độ nén 28 ngày (MPa)
Emaco Fast Tixo 31 48 62 80 93
Emaco Fast Fluid 42 56 72 93 102
Emaco Fast Fibre 47 59 75 92 104
  • Đánh giá ảnh hưởng của NS đến độ sụt (làm giảm độ sụt đòi hỏi bổ sung phụ gia siêu dẻo), rút ngắn thời gian đông kết và gia tăng khả năng chống thấm nước, chống xâm nhập ion clo, cải thiện khả năng làm việc ở nhiệt độ cao.
  • Phân loại 3 chế độ phá hủy cơ học (Mode I - mở rộng, Mode II - trượt, Mode III - xé) và chi tiết hóa 4 giai đoạn phát triển vết nứt trong bê tông theo quan điểm của Van Mier.
  • So sánh đặc điểm phá hủy: BTCĐC có tính dòn cao hơn bê tông thường, vết nứt đi xuyên qua cả pha cốt liệu thô thay vì chỉ chạy men theo bề mặt tiếp giáp. Việc bổ sung hạt khoáng siêu mịn giúp làm tăng công phá hủy và độ dẻo dai sau đỉnh tải trọng.

Chương 2: Xác định thành phần và một số tính chất cơ học chủ yếu bê tông cường độ cao sử dụng nano silica

Chương 2 trình bày quy trình lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấp phối và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học cơ bản của BTCĐC cấp cường độ 70 MPa với các hàm lượng NS biến thiên (0%, 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0% theo khối lượng chất kết dính):

  • Kiểm tra tính chất kỹ thuật của vật liệu đầu vào: Xi măng Bút Sơn PC40, NS Aerosil 200, Silica fume Sikacrete PP1, phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3000-20M, đá dăm và cát thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM C33.
  • Thiết kế cấp phối hỗn hợp BTCĐC 70 MPa với tỷ lệ Nước/Chất kết dính ($\text{N/CKD}$) trong khoảng 0,26 - 0,30. Đánh giá tính công tác và sự suy giảm độ sụt khi tăng tỷ lệ NS, xác lập liều lượng phụ gia siêu dẻo phù hợp để đảm bảo độ sụt yêu cầu từ 16 đến 20 cm.
  • Kết quả thí nghiệm cường độ nén ($R_n$), cường độ kéo khi uốn ($R_{ku}$) và mô đun đàn hồi ($E$) ở các tuổi 3, 7, 28 và 56 ngày:
Tỷ lệ NS (%) Cường độ nén 28 ngày $R_n$ (MPa) Cường độ kéo khi uốn 28 ngày $R_{ku}$ (MPa) Mô đun đàn hồi 28 ngày $E$ (GPa)
0,0 71,2 6,85 37,8
0,5 74,5 7,30 38,6
1,0 79,8 7,95 40,2
1,5 83,4 8,40 41,5
2,0 78,1 7,70 39,4
  • Xây dựng mô hình hồi quy đa biến và phân tích phương sai ANOVA cho thấy hàm lượng NS tối ưu đạt được ở mức 1,5% khối lượng CKD. Tại tỷ lệ này, cường độ chịu nén 28 ngày tăng 17,1%, cường độ kéo khi uốn tăng 22,6% và mô đun đàn hồi tăng 9,8% so với mẫu đối chứng không có NS.

Chương 3: Thí nghiệm và phân tích đặc điểm phá hủy bê tông cường độ cao sử dụng nano silica

Chương 3 đi sâu vào nghiên cứu thực nghiệm cơ học phá hủy Mode I thông qua thí nghiệm uốn ba điểm dầm có rãnh mồi trên thiết bị điều khiển chuyển vị:

  • Thu thập và xây dựng các đường cong phản ứng hoàn chỉnh: Đường cong tải trọng - độ mở rộng miệng vết nứt ($P-CMOD$) và đường cong tải trọng - độ võng ($P-\delta$).
  • Tính toán công phá hủy ($W_F$) từ diện tích dưới đường cong $P-\delta$ và xác định năng lượng phá hủy ($G_F$) theo công thức RILEM: $$G_F = \frac{W_F + mg(1 - a_0/D)\delta_0}{A_L}$$ Trong đó $A_L$ là diện tích mặt cắt nguyên tại vị trí rãnh ($A_L = B(D - a_0)$), $m$ là khối lượng dầm giữa hai gối đỡ, $\delta_0$ là độ võng lớn nhất khi phá hủy hoàn toàn.
  • Xác định chiều dài đặc trưng phá hủy ($l_{ch}$), đại lượng phản ánh độ dẻo dai và tính kháng dòn của vật liệu: $$l_{ch} = \frac{E \cdot G_F}{f_t^2}$$
Tỷ lệ NS (%) Tải trọng cực đại $P_{max}$ (kN) Năng lượng phá hủy $G_F$ ($\text{J/m}^2$) Chiều dài đặc trưng $l_{ch}$ (mm) Độ mở rộng miệng nứt tới hạn $CMOD_c$ ($\mu\text{m}$)
0,0 3,45 138,5 286,4 42,5
0,5 3,72 152,1 305,2 46,8
1,0 4,10 168,7 332,6 51,2
1,5 4,38 181,4 358,9 56,4
2,0 3,95 160,2 318,5 48,7
  • Phân tích đường cong mềm hóa song tuyến biểu diễn quan hệ $\sigma - w$: Hỗn hợp sử dụng 1,5% NS có độ dốc nhánh mềm hóa sau đỉnh giảm, ứng suất tại điểm gãy ($\sigma_s$) và độ mở rộng vết nứt tới hạn ($w_0$) tăng, chứng minh NS làm tăng khả năng truyền ứng suất bắc cầu qua khe nứt và làm giảm độ dòn của BTCĐC.

Chương 4: Nghiên cứu sức kháng lan truyền nứt và ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng nano silica trong kết cấu cầu

Chương 4 hoàn thiện tính toán lý thuyết phá hủy và mô phỏng ứng dụng trong kết cấu công trình cầu:

  • Thiết lập quy trình tính toán xác định đường cong sức kháng lan truyền nứt $K_R$ và hai thông số phá hủy của mô hình double-K:
    • Cường độ chống nứt khởi đầu $K_{Ic}^{ini}$: tăng từ $0,82\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$ (mẫu 0% NS) lên $1,05\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$ (mẫu 1,5% NS).
    • Cường độ chống nứt dính kết tới hạn $K_{Ic}^C$: tăng từ $1,65\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$ (mẫu 0% NS) lên $2,12\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$ (mẫu 1,5% NS).
  • Đánh giá độ dự trữ cường độ sau nứt $R_S(\Delta a_i)$: Kết cấu BTCĐC sử dụng 1,5% NS có khả năng hấp thụ năng lượng và duy trì độ dự trữ cường độ cao hơn ở mọi giai đoạn lan truyền chiều dài nứt $\Delta a$ so với mẫu đối chứng không có NS.
  • Phân tích ứng xử chịu lực vùng neo dầm cầu bê tông dự ứng lực chịu tải trọng cục bộ bằng mô hình phần tử hữu hạn:
    • Vùng cục bộ đầu dầm chịu ứng suất nén và ứng suất kéo ngang rất lớn.
    • Sử dụng BTCĐC có 1,5% NS giúp giảm thiểu ứng suất kéo chính phát sinh trong bê tông, hạn chế xuất hiện các vết nứt chẻ thớ dọc trục neo, tăng cường độ an toàn cho vùng truyền lực dự ứng lực kể cả khi xét hoặc không xét đến cốt thép gia cường phân bố.
  • Phân tích sơ bộ hiệu quả kinh tế kỹ thuật: Giảm kích thước tiết diện kết cấu, giảm tự trọng bản thân dầm cầu, nâng cao tuổi thọ khai thác và giảm thiểu chi phí duy tu sửa chữa do nứt kết cấu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập cơ sở khoa học về ảnh hưởng của nano silica đến quá trình hình thành cường độ và đặc tính cơ học của BTCĐC mác 70 MPa chế tạo từ vật liệu sẵn có tại Việt Nam.
  2. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đầy đủ về các tham số cơ học phá hủy Mode I ($G_F$, $l_{ch}$, $CMOD$, $CTOD$, đường cong mềm hóa song tuyến) của BTCĐC có sử dụng NS.
  3. Ứng dụng thành công mô hình double-K để xác định đường cong sức kháng lan truyền nứt $K_R$, cường độ chống nứt khởi đầu $K_{Ic}^{ini}$ và cường độ chống nứt dính kết $K_{Ic}^C$, cùng phương pháp định lượng độ dự trữ cường độ sau nứt $R_S$ cho BTCĐC chứa nano silica.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xác định được tỷ lệ hàm lượng nano silica tối ưu là 1,5% khối lượng chất kết dính, cho phép nâng cao đồng thời cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi và độ dai phá hủy của bê tông.
  2. Đề xuất quy trình công nghệ trộn, đúc, đầm lèn và bảo dưỡng BTCĐC sử dụng NS phù hợp với điều kiện trang thiết bị và phòng thí nghiệm tại Việt Nam.
  3. Chứng minh hiệu quả kỹ thuật của BTCĐC sử dụng 1,5% NS trong việc kiểm soát nứt và phân bố lại ứng suất tại vùng neo chịu tải cục bộ của dầm cầu bê tông dự ứng lực.

Kiến nghị và đề xuất giải pháp

  • Áp dụng cấp phối BTCĐC sử dụng 1,5% NS cho các cấu kiện công trình cầu chịu ứng suất cao, các vùng tập trung ứng suất như vùng neo đầu dầm, trụ cầu và các kết cấu làm việc trong môi trường xâm thực.
  • Cần hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật và chỉ dẫn thi công, nghiệm thu cấp phối bê tông có sử dụng phụ gia khoáng nano silica tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát một loại nano silica (Aerosil 200 dạng bột) với một cấp cường độ thiết kế danh định của bê tông là 70 MPa.
  • Các thí nghiệm phá hủy cơ học mới thực hiện cho chế độ nứt Mode I (kéo mở rộng vết nứt) trên mẫu dầm uốn ba điểm kích thước phòng thí nghiệm, chưa khảo sát phá hủy chế độ hỗn hợp (Mode I - II) và hiệu ứng quy mô kích thước lớn (size effect) trên cấu kiện thực tế.
  • Mô phỏng ứng dụng kết cấu vùng neo mới dừng ở phân tích trạng thái ứng suất tĩnh, chưa xét đến tác động của tải trọng mỏi lặp và chu kỳ đóng băng - tan băng hay ăn mòn hóa học dài hạn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Khảo sát các nguồn nano silica điều chế từ phụ phẩm nông nghiệp (tro trấu) sản xuất trong nước với các mức diện tích bề mặt đặc trưng khác nhau.
  • Mở rộng nghiên cứu cơ học phá hủy dưới tác dụng của tải trọng mỏi, tải trọng động lực học và các trạng thái ứng suất phức tạp.
  • Thực nghiệm trên mô hình dầm cầu bê tông dự ứng lực tỷ lệ thực để kiểm chứng khả năng kháng nứt của vùng neo sử dụng BTCĐC có NS.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Xây dựng Cầu Hầm, Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông và Vật liệu Xây dựng: Tham khảo phương pháp thiết kế cấp phối BTCĐC có vật liệu nano, phương pháp thí nghiệm uốn ba điểm đo $CMOD$ và quy trình tính toán các tham số mô hình double-K, đường cong $K_R$ (Chương 2, Chương 3 và Chương 4).
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và quản lý dự án công trình cầu: Tham khảo số liệu về độ dự trữ cường độ sau nứt và ứng xử ứng suất cục bộ vùng neo đầu dầm dự ứng lực để áp dụng vào tính toán kiểm toán an toàn kết cấu (Chương 4).
  • Các đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông thương phẩm: Tham khảo thành phần cấp phối, liều lượng phụ gia siêu dẻo và kỹ thuật phân tán nano silica trong hỗn hợp bê tông cường độ cao (Chương 2).

Câu hỏi thường gặp

1. Hàm lượng nano silica tối ưu được luận án đề xuất là bao nhiêu và mang lại hiệu quả gì?

Hàm lượng nano silica tối ưu được xác định là 1,5% theo khối lượng chất kết dính. Tại tỷ lệ này, ở 28 ngày tuổi, cường độ nén của BTCĐC đạt 83,4 MPa (tăng 17,1%), cường độ kéo khi uốn đạt 8,40 MPa (tăng 22,6%), mô đun đàn hồi đạt 41,5 GPa (tăng 9,8%), năng lượng phá hủy $G_F$ đạt $181,4\text{ J/m}^2$ (tăng 31,0%) và chiều dài đặc trưng $l_{ch}$ đạt 358,9 mm so với mẫu đối chứng không có NS.

2. Nano silica cải thiện cấu trúc vi mô của bê tông theo những cơ chế nào?

Nano silica cải thiện cấu trúc bê tông qua 4 cơ chế chính:

  • Tác dụng vật lý lấp đầy các vi lỗ rỗng giữa các hạt xi măng nhờ kích thước nanomet siêu mịn.
  • Tác dụng hóa học phản ứng pozzolanic với $\text{Ca(OH)}_2$ tạo thêm gel $\text{C-S-H}$ có độ liên kết cao.
  • Đóng vai trò mầm tinh thể kích hoạt và thúc đẩy nhanh quá trình thủy hóa của khoáng $\text{C}_3\text{S}$.
  • Biến tính và làm đặc chắc vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa hạt cốt liệu và vữa xi măng.

3. Phương pháp thí nghiệm cơ học phá hủy nào được sử dụng trong luận án?

Luận án sử dụng phương pháp thí nghiệm uốn ba điểm trên mẫu dầm có rãnh mồi kích thước $100\times100\times515\text{ mm}$ (khoảng cách nhịp $400\text{ mm}$, chiều sâu rãnh $30\text{ mm}$) theo tiêu chuẩn RILEM TC 50-FMC và TC 89-FMT. Thí nghiệm thực hiện trên máy nén uốn điều khiển chuyển vị vòng lặp kín, sử dụng clip gauge đo độ mở rộng miệng vết nứt ($CMOD$) và cảm biến LVDT đo độ võng ($\delta$).

4. Mô hình double-K trong luận án xác định những tham số chống nứt nào?

Mô hình double-K xác định hai tham số phá hủy chính:

  • Cường độ chống nứt khởi đầu ($K_{Ic}^{ini}$): đặc trưng cho khả năng chống lại sự bắt đầu hình thành vết nứt ổn định (với mẫu 1,5% NS đạt $1,05\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$, tăng 28,0% so với mẫu đối chứng).
  • Cường độ chống nứt dính kết tới hạn ($K_{Ic}^C$): đặc trưng cho sức kháng lan truyền nứt khi đạt tải trọng cực đại (với mẫu 1,5% NS đạt $2,12\text{ MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$, tăng 28,5% so với mẫu đối chứng).

5. Kết quả phân tích vùng neo đầu dầm cầu dự ứng lực cho thấy điều gì khi sử dụng BTCĐC có NS?

Kết quả phân tích phần tử hữu hạn (FEM) cho thấy việc sử dụng BTCĐC bổ sung 1,5% NS giúp nâng cao cường độ chịu kéo và độ dai phá hủy, làm giảm đáng kể mức độ tập trung ứng suất kéo chính tại vùng truyền lực cục bộ của cáp dự ứng lực, ngăn ngừa hiện tượng nứt chẻ dọc và nâng cao hệ số an toàn cho kết cấu đầu dầm cầu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Văn Thức đã nghiên cứu thành công thành phần cấp phối, các tính chất cơ học chủ yếu và đặc điểm phá hủy Mode I của bê tông cường độ cao mác 70 MPa có bổ sung nano silica. Kết quả thực nghiệm khẳng định tỷ lệ 1,5% nano silica mang lại hiệu quả tối ưu trong việc cải thiện cường độ nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, năng lượng phá hủy và khả năng chống lan truyền nứt. Thông qua việc áp dụng mô hình double-K và phân tích phần tử hữu hạn vùng neo dự ứng lực, công trình đã cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng nano silica vào các kết cấu công trình cầu tại Việt Nam.