Tổng quan nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng truyền thống đã được sử dụng từ thời La Mã cổ đại và vẫn giữ vai trò chủ đạo trong ngành xây dựng hiện đại tại Việt Nam. Theo báo cáo của ngành, bê tông tính năng cao (HPFRC) với cường độ nén từ 70 đến 100 MPa đang được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và độ bền của kết cấu. Tuy nhiên, các kết cấu chịu nén như cột bê tông thường gặp phải hiện tượng nứt và suy giảm khả năng chịu lực dưới tác động tải trọng đa trục và môi trường khắc nghiệt. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ứng xử nén của bê tông tính năng cao dưới tải trọng nén đa trục, sử dụng vỏ thép và vỏ nhựa uPVC bao quanh mẫu bê tông để tăng cường khả năng chịu lực và hạn chế nở hông. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2017-2020, với mẫu bê tông có kích thước 114 mm đường kính và chiều cao 200 mm, 400 mm, 600 mm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng kết cấu lõi HPFRC – vỏ bao quanh trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt trong điều kiện môi trường xâm thực và yêu cầu giảm kích thước tiết diện kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về cơ học vật liệu và ứng xử của bê tông cốt sợi tính năng cao (HPFRC). HPFRC là hỗn hợp bê tông có chứa các loại sợi gia cường như sợi thép, sợi tổng hợp, giúp tăng cường khả năng chịu kéo, hạn chế nứt và tăng tính dẻo của vật liệu. Một trong những khái niệm chính là hiệu ứng chằng vết nứt của sợi thép, giúp chuyển tải trọng qua các vết nứt nhỏ, làm chậm quá trình phá hoại và tăng cường độ nén. Ngoài ra, mô hình ứng suất đa trục được áp dụng để mô tả trạng thái ứng suất trong lõi bê tông và vỏ bao quanh, trong đó vỏ thép và vỏ nhựa uPVC tạo ra áp lực hông, hạn chế nở hông của lõi bê tông, từ đó nâng cao sức kháng nén. Cơ chế truyền lực ma sát giữa bê tông và vỏ cũng được xem xét, với hệ số ma sát khoảng 0,4-0,6 đối với thép và 0,4 đối với nhựa. Lý thuyết về sự kết hợp hiệu quả giữa sợi to và sợi nhỏ trong HPFRC cũng được sử dụng để giải thích sự gia tăng tính cơ học của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết. Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông HPFRC có kích thước đường kính 114 mm, chiều cao 200 mm, 400 mm và 600 mm, với các loại vỏ bao gồm vỏ thép dày 1,4 mm và 1,8 mm, vỏ nhựa uPVC dày 3,2 mm và 3,8 mm, cùng mẫu không vỏ để so sánh. Mỗi loại mẫu được làm 2 mẫu để lấy giá trị trung bình. Các nguyên vật liệu sử dụng gồm xi măng PC40, tro bay loại F, silica fume, sợi thép loại 1 (đầu móc, 1% thể tích) và loại 2 (nhỏ, 0,5% thể tích), nước sinh hoạt đạt tiêu chuẩn TCVN 4506:2012, phụ gia siêu dẻo Sikament NN, vỏ thép Hòa Phát và vỏ nhựa Bình Minh. Phương pháp phân tích số liệu bao gồm đánh giá lực – biến dạng, so sánh cường độ nén và biến dạng chịu được của các mẫu, đồng thời thiết lập các phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa vỏ và lõi bê tông. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 2017 đến 2020 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng cường độ nén lõi bê tông nhờ vỏ bao quanh: Mẫu bê tông HPFRC không vỏ có cường độ nén trung bình 78,7 MPa. Khi sử dụng vỏ nhựa uPVC, cường độ nén tăng lên từ 1,3 đến 1,5 lần, còn với vỏ thép tăng từ 1,4 đến 1,7 lần, tùy thuộc vào chiều cao và độ dày vỏ. Ví dụ, mẫu vỏ thép dày 1,8 mm và cao 600 mm đạt sức kháng nén cao hơn 70% so với mẫu không vỏ.

  2. Khả năng chịu biến dạng tăng đáng kể: Khả năng chịu biến dạng của lõi bê tông tăng từ 2 đến 2,7 lần với vỏ nhựa uPVC và khoảng 3 đến 3,5 lần với vỏ thép. Điều này cho thấy vỏ thép có hiệu quả hơn trong việc hạn chế nở hông và tăng tính dẻo của kết cấu.

  3. Ảnh hưởng của chiều cao và độ dày vỏ: Chiều cao mẫu tăng từ 200 mm lên 600 mm làm giảm nhẹ cường độ nén do hiệu ứng kích thước, nhưng vỏ bao quanh dày hơn giúp bù đắp hiệu ứng này. Độ dày vỏ thép 1,8 mm cho hiệu quả tăng cường cao hơn so với 1,4 mm, tương tự với vỏ nhựa dày 3,8 mm so với 3,2 mm.

  4. Hiệu quả vỏ thép vượt trội so với vỏ nhựa: Mặc dù vỏ nhựa uPVC có ưu điểm về trọng lượng nhẹ và chống xâm thực, vỏ thép vẫn cho hiệu quả gia cường cơ học cao hơn rõ rệt, đặc biệt trong khả năng chịu tải và biến dạng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ và biến dạng chịu được là do hiệu ứng bó hông của vỏ bao quanh, tạo ra áp lực ngang hạn chế sự nở hông của lõi bê tông dưới tải nén đa trục. Vỏ thép với mô đun đàn hồi cao hơn (khoảng 200 GPa) so với vỏ nhựa uPVC (khoảng 3 GPa) tạo ra áp lực hông lớn hơn, dẫn đến hiệu quả gia cường vượt trội. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng xử nén của HPFRC có vỏ thép, đồng thời mở rộng thêm kiến thức về hiệu quả của vỏ nhựa uPVC trong điều kiện tải trọng đa trục. Biểu đồ lực – biến dạng thể hiện rõ sự khác biệt về độ dẻo và sức kháng nén giữa các mẫu, trong đó mẫu có vỏ thép có đường cong ứng xử nén kéo dài và chịu tải cao hơn đáng kể. Kết quả cũng cho thấy sự kết hợp hiệu quả giữa sợi thép gia cường trong lõi và vỏ bao quanh, tạo nên hệ kết cấu composite có khả năng chịu lực và biến dạng ưu việt. Nghiên cứu góp phần cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng kết cấu lõi HPFRC – vỏ bao quanh trong các công trình xây dựng, đặc biệt trong môi trường xâm thực hoặc yêu cầu giảm kích thước tiết diện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vỏ thép trong gia cường cột chịu nén đa trục: Khuyến nghị sử dụng vỏ thép dày từ 1,4 đến 1,8 mm cho các cột bê tông HPFRC trong các công trình dân dụng và công nghiệp nhằm tăng cường sức kháng nén và khả năng chịu biến dạng, đặc biệt trong các khu vực chịu tải trọng lớn và môi trường khắc nghiệt. Thời gian áp dụng có thể bắt đầu ngay trong các dự án xây dựng mới.

  2. Sử dụng vỏ nhựa uPVC cho công trình có yêu cầu chống xâm thực: Đề xuất dùng vỏ nhựa uPVC dày 3,2 đến 3,8 mm cho các kết cấu cọc khoan nhồi hoặc cột bê tông trong môi trường ẩm ướt, vùng đất ngập mặn nhằm hạn chế ăn mòn và kéo dài tuổi thọ công trình. Giải pháp này phù hợp với các dự án cải tạo và xây dựng mới trong vòng 1-3 năm tới.

  3. Tối ưu hóa kích thước và vật liệu vỏ bao quanh: Khuyến nghị nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của chiều cao và độ dày vỏ để thiết kế tiết diện cột hợp lý, giảm trọng lượng và chi phí vật liệu mà vẫn đảm bảo hiệu quả chịu lực. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế kết cấu và nhà thầu xây dựng.

  4. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho HPFRC và kết cấu lõi – vỏ: Đề xuất các cơ quan quản lý xây dựng và viện nghiên cứu xây dựng phối hợp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông tính năng cao và kết cấu lõi HPFRC – vỏ bao quanh nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc thẩm định, nghiệm thu và ứng dụng rộng rãi. Thời gian thực hiện trong 2-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư kết cấu và thiết kế công trình: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết giúp kỹ sư thiết kế các kết cấu cột chịu nén đa trục với vật liệu HPFRC và vỏ bao quanh, tối ưu hóa tiết diện và nâng cao độ bền công trình.

  2. Nhà thầu xây dựng và thi công: Thông tin về vật liệu, quy trình chế tạo mẫu và ứng xử cơ học giúp nhà thầu lựa chọn vật liệu phù hợp, áp dụng công nghệ thi công hiệu quả, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu cao về độ bền và tuổi thọ.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quý giá để phát triển nghiên cứu tiếp theo về vật liệu bê tông tính năng cao, cũng như giảng dạy chuyên sâu về cơ học vật liệu xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý và lập tiêu chuẩn xây dựng: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật mới cho bê tông tính năng cao và kết cấu lõi – vỏ, góp phần nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tính năng cao (HPFRC) là gì?
    HPFRC là loại bê tông có chứa sợi gia cường phân tán đều trong khối bê tông, giúp tăng cường độ nén, khả năng chịu kéo và hạn chế nứt. Ví dụ, cường độ nén của HPFRC trong nghiên cứu đạt 78,7 MPa, cao hơn nhiều so với bê tông thường.

  2. Tại sao cần sử dụng vỏ bao quanh cho bê tông HPFRC?
    Vỏ bao quanh như vỏ thép hoặc vỏ nhựa uPVC tạo áp lực hông, hạn chế nở hông của lõi bê tông dưới tải trọng nén đa trục, từ đó tăng cường sức kháng nén và khả năng chịu biến dạng. Vỏ thép cho hiệu quả gia cường cao hơn vỏ nhựa do mô đun đàn hồi lớn hơn.

  3. Vỏ nhựa uPVC có ưu điểm gì so với vỏ thép?
    Vỏ nhựa uPVC có trọng lượng nhẹ, giá thành thấp và khả năng chống xâm thực tốt, phù hợp với môi trường ẩm ướt hoặc vùng đất ngập mặn. Tuy nhiên, khả năng gia cường cơ học thấp hơn vỏ thép.

  4. Chiều cao và độ dày vỏ ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả gia cường?
    Chiều cao mẫu tăng làm giảm nhẹ cường độ nén do hiệu ứng kích thước, nhưng độ dày vỏ lớn hơn giúp tăng áp lực hông và bù đắp hiệu ứng này. Độ dày vỏ thép 1,8 mm và vỏ nhựa 3,8 mm cho hiệu quả gia cường tốt hơn so với các độ dày nhỏ hơn.

  5. Ứng dụng thực tế của kết cấu lõi HPFRC – vỏ bao quanh là gì?
    Kết cấu này có thể ứng dụng trong cọc khoan nhồi, cột chịu nén trong công trình dân dụng và công nghiệp, đặc biệt trong môi trường xâm thực hoặc yêu cầu giảm kích thước tiết diện kết cấu mà vẫn đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả rõ rệt của vỏ thép và vỏ nhựa uPVC trong việc tăng cường sức kháng nén và khả năng chịu biến dạng của bê tông tính năng cao HPFRC dưới tải trọng nén đa trục.
  • Vỏ thép cho hiệu quả gia cường cao hơn, tăng cường độ nén lõi lên đến 1,7 lần và khả năng chịu biến dạng lên đến 3,5 lần so với mẫu không vỏ.
  • Vỏ nhựa uPVC tuy có hiệu quả thấp hơn nhưng vẫn tăng cường độ nén lên 1,5 lần và khả năng chịu biến dạng lên đến 2,7 lần, đồng thời có ưu điểm về trọng lượng và chống xâm thực.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng kết cấu lõi HPFRC – vỏ bao quanh trong xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về vật liệu vỏ, kích thước mẫu và điều kiện tải trọng nhằm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và ứng dụng thực tế trong 2-5 năm tới.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng và độ bền cho các công trình xây dựng hiện đại!