Đặt vấn đề Nhiều năm trở lại đây, nhu cầu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước tạo điều kiện cho các công trình xây dựng “mọc lên” ngày càng nhiều cả về quy mô, số lượng lẫn chất lượng. Việc nghiên cứu chế tạo các cấu kiện đúc sẵn sử dụng nguyên vật liệu “xanh” và áp dụng các phương pháp thi công hiệu quả để lắp dựng chúng ngày càng trở nên là những giải pháp khả thi trước những yêu cầu đặt ra về chất lượng, giá thành sản phẩm, thời gian hoàn thành công trình cũng như phần nào đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường. Đa số các công trình xây dựng hiện nay đều theo hướng sử dụng bê tông với chất kết dính xi măng poóclăng – loại nguyên vật liệu có ưu điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy. Bê tông cốt thép truyền thống luôn được ưu tiên lựa chọn do có những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như giá thành xây dựng.
Tuy nhiên, việc sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO2 và bụi. Năm 1900, tổng sản lượng xi măng của thế giới là khoảng 10 triệu tấn [1] và đã tăng lên tới 3,31 tỷ tấn trong năm 2010 [2]. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5% mỗi năm và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ… [2] Hình 1. 1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 – 2050 [2] 1 Luan van Để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường sấp xỉ một tấn CO2, khí này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất nóng lên.
Khí CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới. Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Poóc lăng đang ở mức đáng quan tâm. Khi sản lượng xi măng Poóc lăng tăng nhanh ở các nước đang phát triển điển hình như Trung Quốc chiếm 57,3 % trong 3,6 tỷ tấn xi măng và có xu hướng không đổi tại các nước phát triển như Mỹ, châu Âu trong đó Mỹ chỉ chiếm 1.9 % trong 3,6 tỷ tấn xi măng của thế giới năm 2012 [2] Hình 1. 2: Sản lượng sản xuất xi măng của các quốc gia trên thế giới [2] Từ năm 1991 đến nay là giai đoạn phát triển mạnh nhất của ngành xi măng Việt Nam.
Năm 2010, tổng công suất thiết kế của các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần, đạt 63 triệu tấn/năm và Việt Nam trở thành nước đứng đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng, về cơ bản cung đã vượt cầu. Theo định hướng quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam, tổng công suất năm 2015 là 94 triệu tấn và đến năm 2030 là 139 triệu tấn [3]. 2 Luan van Geopolymer lần đầu tiên được giới thiệu như là một chất kết dính mới vào năm 1972 bởi Davidovits J. và dần cho thấy nó có thể góp phần đa dạng hóa các giải pháp về chất kết dính, có thể thay thế một phần thị trường của xi măng.
Ngoài ra, geopolymer còn tận dụng nguyên liệu là các chất thải công nghiệp như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer còn đáp ứng những yêu cầu về môi trường đối với chất kết dính xanh hơn và thân thiện hơn. Do đặc tính vượt trội của chúng về độ bền so với xi măng Poóc lăng, geopolymer được xem là vật liệu xây dựng tiềm năng cho ngành công nghiệp bê tông - bê tông cốt thép đúc sẵn [4-7]. Công nghệ bê tông đúc sẵn không phải là mới vì nó đã được sử dụng bởi người La Mã cổ đại cách đây hàng nghìn năm [8]. So với cấu trúc bê tông đúc tại chỗ thông thường, bê tông đúc sẵn có lợi thế về chất lượng sản phẩm, hiệu quả chi phí và tốc độ xây dựng [9-11].
Để tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm ô nhiễm môi trường, kết cấu bê tông đúc sẵn cũng được coi là công trình “xanh” thân thiện với môi trường [12-13]. Ở nhiều quốc gia bao gồm Hoa Kỳ, Nhật Bản và Trung Quốc, các hệ thống bê tông đúc sẵn đã và đang được triển khai cho cả các tòa nhà dân cư và công nghiệp. Về thành phần cấu trúc, dầm và cột phù hợp cho việc tiêu chuẩn hóa, hoàn thiện và mô đun hóa, dẫn đến khung bê tông đúc sẵn là một lựa chọn tốt hơn nữa cho ngành bê tông đúc sẵn [14] Việc áp dụng phương pháp thi công bê tông cốt thép đúc tại chỗ thông thường (bê tông cốt thép toàn khối) có nhược điểm là tốn vật liệu làm ván khuôn [15]. [16] cho rằng việc xây dựng sử dụng ván khuôn gỗ là không kinh tế vì ván khuôn bằng gỗ đòi hỏi một số lượng nhất định gỗ, tre… tùy thuộc vào diện tích ván khuôn yêu cầu cho bê tông.
Diện tích ván khuôn yêu cầu càng lớn thì càng cần nhiều vật liệu hơn. Việc xây dựng cũng đòi hỏi kỹ năng, kinh nghiệm và thời gian thi công ván khuôn gỗ. Điều này đồng nghĩa là phương pháp thi công đúc bê tông truyền thống cần nhiều tiền hơn cho vật liệu và nhân công. Một bất lợi có thể thấy của phương pháp xây dựng này là sau khi hoàn thành công trình, lượng ván khuôn 3 Luan van bằng gỗ không thể sử dụng lại sẽ thải ra đáng kể và khi có nhiều hơn số lượng nhà ở, nhà cao tầng được xây dựng thì sẽ có thêm nhiều ván khuôn bằng gỗ được sử dụng và thải ra hơn.
Tình trạng này có thể trái ngược với chương trình bảo tồn nguồn gỗ để chống lại sự nóng lên toàn cầu. Như một nỗ lực để giải quyết vấn đề còn tồn tại ở trên, phương pháp thi công bê tông bán lắp ghép đã được giới thiệu, ứng dụng thực tế vào các công trình xây dựng và nhân rộng trên toàn thế giới. 3: Ứng dụng của dầm bê tông cốt thép lắp ghép [17] Lấy ý tưởng từ hình 1.3 [17] và để đơn giản cho việc nghiên cứu, đề tài lựa chọn mô hình thí nghiệm dầm đơn giản 2 gối tựa và sơ đồ dầm uốn 4 điểm, dầm bán lắp ghép với đoạn dầm ở giữa nhịp sử dụng bê tông Geopolymer đúc sẵn và 2 đoạn dầm ở 2 gối là bê tông xi măng đổ sau. Nhằm khảo sát khả năng chịu uốn của dầm bán lắp ghép và khả năng liên kết của các đoạn dầm đúc sẵn bê tông Geopolymer – dầm đổ sau bê tông xi măng thì vị trí liên kết của các đoạn dầm cũng sẽ được bố trí gần với vị trí gia tải trong sơ đồ uốn 4 điểm để đảm bảo khảo sát được khả năng chịu uốn của dầm bán ghép cũng như khả năng làm việc của vị liên kết (hình dạng liên kết cũng được khảo sát) dưới tác động của cả momen uốn và lực cắt.
Có thể áp dụng dầm bán lắp ghép cho các khung chịu lực các công trình thực tế tương tự như hình 1.3 bằng cách thi công đổ trước các cột bê tông cốt thép và để chờ cốt thép liên kết tại vị 4 Luan van trí nút liên kết cột - dầm, dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép sẽ được đúc sẵn một phần bê tông Geopolymer ở đoạn giữa nhịp và để chờ thép ở 2 đoạn dầm 2 bên gần gối (cốt thép chờ chịu lực sẽ được bố trí chiều dài neo nối cho phù hợp với miền làm việc của dầm), sau khi định vị và cố định vị trí dầm đúc sẵn so với cột và neo nối cốt thép dầm – cột thì tiến hành đổ phần đoạn dầm bê tông xi măng gần gối còn lại. 4: Ứng dụng của dầm bán lắp ghép Các đoạn dầm bê tông Geopolymer đúc sẵn có thể được đúc sẵn kết hợp với các tấm sàn Geopolymer, các tấm sàn Geopolymer đúc sẵn này sẽ được liên kết với các tấm sàn bê tông xi măng đổ sau tạo thành hệ kết cấu khung sàn bê tông Geopolymer – bê tông xi măng, bề rộng cánh chữ T của tấm sàn Geopolymer và cách liên kết tấm sàn Geopolymer – sàn bê tông xi măng sẽ được nghiên cứu ở một đề tài khác một cách thích hợp. Tuy ở phương pháp thi công bán lắp ghép còn một vài trở ngại như: việc tổ chức sản xuất và lắp ghép còn có phần phức tạp và phải chú ý xử lý tốt mặt nối giữa bê tông đúc sẵn và bê tông đổ sau nhưng ưu điểm của nó là độ cứng cao, bớt được ván khuôn, loại bỏ được cột chống [15] là rất đáng ghi nhận. Trước những yêu cầu đặt ra về chất lượng, giá thành sản phẩm, thời gian hoàn thành công trình và phải đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường, hướng nghiên cứu của đề tài này có thể sẽ góp được một phần nhỏ vào một trong những giải pháp khả thi để giải quyết những yêu cầu đặt ra ở trên.
Tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu của Marthong C. và các công sự [18] cho thấy mặt phá hoại xảy ra chủ yếu ngay tại vị trí giao điểm giữa dầm và cột chứ không phải tại vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông đúc sẵn và đổ tại chỗ. Mẫu thí nghiệm sử dụng bê tông hạt min (micro concrete) kết hợp cốt liệu thô tái chế làm liên kết cho nút dầm và cột cho thấy khả năng chịu tải trọng cực hạn, độ dẻo và ứng suất chính danh nghĩa được tăng cường.
Sự suy giảm độ cứng tại nút liên kết của mẫu thí nghiệm RCA-micro thấp hơn so với mẫu thí nghiệm RC, hạn chế được sự thay đổi độ cứng đột ngột mà mẫu RC gặp phải. Nghiên cứu của Kang S. H [19] chỉ ra sự phá hoại của mẫu thí nghiệm xảy ra ở vị trí nút liên kết của dầm và cột. Việc bố trí, gia cường cốt thép cũng như chuẩn bị bề mặt liên kết giữa dầm bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ cũng ảnh hưởng đến sự phá hoại của nút liên kết.
Kết quả thí nghiệm của Guan D. và các cộng sự [14] cho thấy sự phá hoại xảy ra tại vị trí kết nối giữa phần cấu kiện bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ, độ cứng của phần cấu kiện bê tông đúc sẵn ban đầu thấp hơn so với phần bê tông đổ tại chỗ, tuy nhiên sau đó phần bê tông đổ tại chỗ có sự suy giảm độ cứng nhanh hơn. Các thanh thép dọc được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng, các thanh thép gia cường được thêm vào để bù vào sự gián đoạn của các phần cấu kiện đúc sẵn theo kinh nghiệm.