Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến và quan trọng trong ngành xây dựng toàn cầu và Việt Nam. Theo Hội nghị quốc tế lần thứ 7 của Liên đoàn Bê tông châu Á năm 2018, sản lượng bê tông toàn cầu ước tính khoảng 35 tỷ tấn mỗi năm. Tại Việt Nam, năm 2019, tiêu thụ bê tông đạt khoảng 140 triệu tấn, trong đó 50% sản xuất tại các cơ sở thương phẩm và 50% sản xuất thủ công. Bê tông có ưu điểm như chi phí thấp, dễ tạo hình, chịu nén cao, chịu nhiệt và chịu nước tốt. Tuy nhiên, bê tông truyền thống có nhược điểm là giòn, chịu kéo kém và dễ nứt. Để khắc phục, các loại sợi gia cường như thép, sợi tổng hợp và sợi tự nhiên được thêm vào nhằm tăng cường khả năng chịu kéo và chống nứt.

Nghiên cứu tập trung vào sử dụng sợi tự nhiên phổ biến tại Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) như xơ dừa, rơm và lục bình để cải thiện tính chất cơ lý của bê tông. Khu vực ĐBSCL có nguồn nguyên liệu sợi tự nhiên dồi dào từ các phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ với sản lượng khoảng 24 triệu tấn mỗi năm, xơ dừa từ diện tích trồng dừa khoảng 200.000 ha, và lục bình phát triển mạnh gây ảnh hưởng môi trường nhưng có thể tận dụng làm nguyên liệu. Mục tiêu nghiên cứu là xác định loại sợi tự nhiên phù hợp, hàm lượng tối ưu và ảnh hưởng của các yếu tố như chiều dài sợi, xử lý hóa học đến cường độ nén, cường độ kéo uốn, độ linh động và khả năng hạn chế vết nứt của bê tông cốt sợi.

Nghiên cứu có phạm vi thực hiện tại khu vực ĐBSCL, tập trung vào hai cấp phối bê tông M100 và M300, với các loại sợi tự nhiên được xử lý và không xử lý. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường do đốt rơm rạ, đồng thời nâng cao chất lượng bê tông trong xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền trong bê tông cốt sợi (BTCS). Sợi trong bê tông có vai trò truyền tải trọng, bắc cầu qua vết nứt, tăng cường độ chịu kéo và độ dẻo dai của vật liệu. Quá trình truyền ứng suất giữa sợi và vật liệu nền gồm hai giai đoạn: trước khi nứt (ứng suất trượt đàn hồi) và sau khi nứt (ứng suất trượt ma sát). Mô hình toán học mô tả ứng suất trượt và ứng suất dọc trục trong sợi giúp dự đoán tính chất cơ học của BTCS.

Hai lý thuyết chính được áp dụng là:

  1. Lý thuyết tương tác sợi - vật liệu nền chưa nứt: Mô tả sự truyền ứng suất đàn hồi và phân bố ứng suất trượt dọc theo mặt phân cách giữa sợi và vật liệu nền, dựa trên các giả thiết về tính đàn hồi, liên kết hoàn hảo và phân bố sợi.

  2. Lý thuyết tương tác sợi - vật liệu nền đã nứt: Mô tả cơ chế bắc cầu của sợi qua vết nứt, truyền tải trọng và tăng cường độ dẻo dai, với các công thức xác định ứng suất trượt đàn hồi và ma sát tại mặt phân cách.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ nén (Rn), cường độ kéo do uốn (Rku), độ linh động (độ sụt), hàm lượng sợi, chiều dài sợi, xử lý hóa học sợi (NaOH), và tính công tác của hỗn hợp bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với các mẫu bê tông cốt sợi tự nhiên được chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm kết cấu công trình, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm các mẫu lập phương 100x100x100 mm và mẫu dầm 100x100x400 mm, được chọn để phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 3118:1993.

Nguồn dữ liệu gồm:

  • Sợi tự nhiên phổ biến tại ĐBSCL: xơ dừa (xử lý NaOH và không xử lý), rơm, lục bình.
  • Hai cấp phối bê tông M100 và M300.
  • Các hàm lượng sợi khác nhau (2% - 6%) và chiều dài sợi (1-2 cm, 2-3 cm).

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm cường độ nén theo TCVN 3118:1993.
  • Thí nghiệm uốn 4 điểm xác định cường độ kéo do uốn.
  • Thí nghiệm độ sụt (độ linh động) theo TCVN 3106:1993.
  • Đo bề rộng vết nứt khi uốn gãy mẫu.
  • So sánh kết quả giữa các loại sợi, hàm lượng và xử lý sợi.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, xử lý sợi, chế tạo mẫu, dưỡng hộ và thử nghiệm, tổng hợp và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa trên bê tông M100:

    • Hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu từ 4% đến 6%.
    • Tại 4% sợi, cường độ nén tăng tối đa 50% so với mẫu nền.
    • Tại 6% sợi, cường độ kéo do uốn tăng tối đa 105%.
    • Chiều dài sợi (1-2 cm và 2-3 cm) không ảnh hưởng nhiều đến cường độ nén nhưng sợi dài cho cường độ kéo uốn tốt hơn rõ rệt.
    • Xử lý NaOH không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông.

  2. Ảnh hưởng của sợi xơ dừa trên bê tông M300:

    • Hàm lượng sợi tối ưu từ 2% đến 4%.
    • Sợi xơ dừa làm giảm cường độ nén nhưng tăng cường độ kéo do uốn so với mẫu nền.
    • Sợi xơ dừa cho kết quả vượt trội hơn so với sợi rơm và lục bình.
    • Chiều dài sợi ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ kéo do uốn, sợi dài cho kết quả tốt hơn.
    • Xử lý NaOH không làm thay đổi đáng kể tính chất cơ lý.

  3. Tính công tác và độ linh động:

    • Độ linh động của hỗn hợp vữa giảm khi tăng hàm lượng sợi.
    • Việc bổ sung sợi làm giảm tính công tác, gây khó khăn trong thi công nếu hàm lượng sợi quá cao.

  4. Khả năng hạn chế vết nứt:

    • Bề rộng vết nứt khi uốn gãy giảm khi tăng hàm lượng sợi vào hỗn hợp vữa.
    • Sợi xơ dừa có khả năng hạn chế vết nứt tốt hơn so với sợi rơm và lục bình.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sợi xơ dừa là loại sợi tự nhiên phù hợp nhất để gia cường bê tông tại khu vực ĐBSCL, nhờ khả năng tăng cường độ chịu kéo và chống nứt vượt trội. Việc xử lý NaOH nhằm làm sạch và tăng độ bám dính của sợi không làm thay đổi đáng kể tính chất cơ lý, phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế. Chiều dài sợi ảnh hưởng đến cường độ kéo do uốn, do sợi dài tạo liên kết bắc cầu hiệu quả hơn qua vết nứt.

So với các nghiên cứu trước đây về sợi tự nhiên như sợi lanh, gai, đay, kết quả nghiên cứu này phù hợp với xu hướng sử dụng sợi tự nhiên thân thiện môi trường, chi phí thấp và có thể tái tạo. Tuy nhiên, sự giảm độ linh động khi tăng hàm lượng sợi là hạn chế cần lưu ý trong thiết kế và thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ nén và kéo uốn theo hàm lượng sợi, bảng tổng hợp độ sụt và bề rộng vết nứt để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng sợi xơ dừa trong bê tông cấp phối M100 và M300 tại ĐBSCL nhằm tăng cường độ chịu kéo và khả năng chống nứt, góp phần nâng cao chất lượng công trình xây dựng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng, nhà thầu xây dựng. Thời gian: 1-2 năm.

  2. Áp dụng hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu từ 4% đến 6% cho M100 và 2% đến 4% cho M300 để đảm bảo hiệu quả cơ lý và tính công tác của hỗn hợp. Chủ thể: kỹ sư thiết kế, nhà thầu thi công. Thời gian: ngay trong các dự án hiện tại.

  3. Phát triển công nghệ xử lý sợi xơ dừa đơn giản, tiết kiệm chi phí như xử lý NaOH để nâng cao độ bám dính mà không làm giảm tính chất cơ lý. Chủ thể: các cơ sở sản xuất sợi, viện nghiên cứu. Thời gian: 1 năm.

  4. Nghiên cứu thêm về cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông cốt sợi tự nhiên bằng cách bổ sung phụ gia hoặc điều chỉnh cấp phối nhằm khắc phục giảm độ linh động khi tăng hàm lượng sợi. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học. Thời gian: 2-3 năm.

  5. Tuyên truyền, đào tạo kỹ thuật sử dụng bê tông cốt sợi tự nhiên cho các bên liên quan nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng thi công, đảm bảo chất lượng công trình. Chủ thể: cơ quan quản lý xây dựng, trường đào tạo nghề. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công xây dựng: Nắm bắt kiến thức về bê tông cốt sợi tự nhiên để áp dụng trong thiết kế kết cấu, lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu chi phí và nâng cao chất lượng công trình.

  2. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Phát triển sản phẩm bê tông cốt sợi tự nhiên, tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương, giảm chi phí sản xuất và thân thiện môi trường.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về bê tông cốt sợi tự nhiên, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Đánh giá tiềm năng ứng dụng vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng và bảo vệ môi trường tại khu vực ĐBSCL.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sợi tự nhiên có thể thay thế hoàn toàn sợi thép trong bê tông không?
    Sợi tự nhiên như xơ dừa có khả năng tăng cường độ chịu kéo và chống nứt nhưng không thể hoàn toàn thay thế sợi thép do cường độ chịu kéo và độ bền lâu dài của thép cao hơn. Sợi tự nhiên phù hợp cho các công trình nhẹ hoặc làm vật liệu bổ sung.

  2. Xử lý NaOH có cần thiết cho sợi xơ dừa không?
    Xử lý NaOH giúp làm sạch sợi, tăng độ bám dính với xi măng nhưng nghiên cứu cho thấy không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông. Do đó, có thể lựa chọn xử lý hoặc không tùy điều kiện sản xuất.

  3. Hàm lượng sợi tối ưu là bao nhiêu?
    Đối với bê tông M100, hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu là 4%-6%; với M300 là 2%-4%. Hàm lượng quá cao làm giảm tính công tác và độ linh động của hỗn hợp.

  4. Chiều dài sợi ảnh hưởng thế nào đến tính chất bê tông?
    Chiều dài sợi không ảnh hưởng nhiều đến cường độ nén nhưng ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ kéo do uốn. Sợi dài (2-3 cm) cho kết quả tốt hơn sợi ngắn (1-2 cm) trong tăng cường độ kéo.

  5. Làm thế nào để cải thiện tính công tác khi sử dụng sợi tự nhiên?
    Có thể bổ sung phụ gia hóa học hoặc điều chỉnh cấp phối vật liệu để tăng độ linh động, giảm khó khăn trong thi công khi hàm lượng sợi cao. Nghiên cứu thêm về công nghệ trộn và đầm bê tông cũng cần được thực hiện.

Kết luận

  • Sợi xơ dừa là loại sợi tự nhiên phù hợp nhất để gia cường bê tông tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, giúp tăng cường độ nén và cường độ kéo do uốn đáng kể.
  • Hàm lượng sợi tối ưu là 4%-6% cho bê tông M100 và 2%-4% cho bê tông M300, với sợi dài cho hiệu quả kéo uốn tốt hơn.
  • Xử lý NaOH không ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ lý của bê tông cốt sợi tự nhiên.
  • Tính công tác của hỗn hợp giảm khi tăng hàm lượng sợi, cần cân nhắc trong thiết kế và thi công.
  • Nghiên cứu mở rộng về cải thiện tính công tác và ứng dụng thực tế bê tông cốt sợi tự nhiên là hướng phát triển tiếp theo.

Next steps: Triển khai ứng dụng thực tế tại các công trình xây dựng ở ĐBSCL, nghiên cứu bổ sung về phụ gia cải thiện tính công tác, đào tạo kỹ thuật thi công bê tông cốt sợi tự nhiên.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp vật liệu xây dựng nên hợp tác để phát triển và ứng dụng bê tông cốt sợi tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành xây dựng.