Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày càng phát triển, nhu cầu xây dựng các công trình với quy mô lớn và chất lượng cao tăng mạnh. Theo báo cáo ngành, sản lượng xi măng toàn cầu năm 2010 đạt khoảng 3,31 tỷ tấn và dự kiến tăng trưởng trên 5% mỗi năm, tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ. Tuy nhiên, sản xuất xi măng poóc lăng là nguồn phát thải khí CO2 lớn, chiếm khoảng 7% tổng lượng CO2 toàn cầu, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Tại Việt Nam, công suất thiết kế các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần từ năm 1991 đến 2010, đạt 63 triệu tấn/năm, trở thành nước đứng đầu ASEAN về sản lượng xi măng.

Trước thực trạng này, bê tông geopolymer được giới thiệu như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao để làm chất kết dính thay cho xi măng poóc lăng. Vật liệu này không chỉ giảm phát thải khí nhà kính mà còn có đặc tính cơ học vượt trội, phù hợp cho bê tông đúc sẵn và cấu kiện bán lắp ghép.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm bán lắp ghép sử dụng hai loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng, khảo sát ba dạng liên kết: liên kết phẳng, liên kết chữ Z và liên kết chữ Z có gia cường cốt đai. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu uốn, độ võng, biến dạng, tải gây nứt và tải phá hoại của dầm bán lắp ghép, đồng thời so sánh với tính toán lý thuyết theo TCVN 5574-2012 và mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ABAQUS. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020, góp phần phát triển vật liệu xây dựng xanh và nâng cao hiệu quả thi công công trình bê tông đúc sẵn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ geopolymer và cơ sở tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012.

  • Công nghệ Geopolymer: Geopolymer là vật liệu kết dính vô cơ được hình thành từ phản ứng polymer hóa các oxit aluminosilicat trong môi trường kiềm mạnh, chủ yếu sử dụng nguyên liệu tro bay và dung dịch kiềm kích hoạt NaOH hoặc KOH kết hợp Na2SiO3. Quá trình geopolymer hóa tạo ra cấu trúc mạng không gian ba chiều Si-O-Al-O, mang lại độ bền cao và thân thiện môi trường. Mô hình lý thuyết và cơ chế phản ứng được mô tả chi tiết, bao gồm các bước hòa tan, định hướng ion và trùng ngưng polymer.

  • Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu: Sử dụng các công thức tính toán cường độ chịu nén, chịu kéo, mô đun đàn hồi của bê tông theo TCVN 3118:1993 và TCVN 5574:2012. Phương pháp tính toán ứng suất, mô men uốn, độ võng và tải trọng hình thành vết nứt được áp dụng cho tiết diện dầm chữ nhật cốt đơn và cốt kép. Mô hình vật liệu bê tông Hsu – Hsu (1994) được sử dụng để mô phỏng quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông trong phần mềm ABAQUS, cùng với mô hình phá hoại dẻo của bê tông chịu kéo và mô hình vật liệu thép.

Ba khái niệm chính được tập trung nghiên cứu gồm: ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép, liên kết giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng, và mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ABAQUS.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp ba phương pháp chính:

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các tài liệu về tính chất cơ học của bê tông geopolymer, bê tông xi măng, các quy luật ứng xử của vật liệu và phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép.

  • Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện thí nghiệm trên 3 dạng dầm bán lắp ghép (D1: liên kết phẳng, D2: liên kết chữ Z, D3: liên kết chữ Z có gia cường cốt đai) với cỡ mẫu dầm tiêu chuẩn 2 gối tựa, sơ đồ uốn 4 điểm. Các chỉ tiêu đo gồm độ võng, biến dạng cốt thép, tải trọng xuất hiện vết nứt và tải trọng phá hoại. Cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của bê tông geopolymer và bê tông xi măng cũng được xác định qua thí nghiệm mẫu lập phương và trụ.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép, áp dụng mô hình vật liệu Hsu – Hsu cho bê tông và mô hình vật liệu thép. Mô hình được thiết lập với các thông số đầu vào từ kết quả thí nghiệm, chia lưới phần tử chi tiết và định nghĩa ràng buộc giữa bê tông và cốt thép. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, tại TP. Hồ Chí Minh, với cỡ mẫu dầm thực nghiệm khoảng 3 mẫu cho mỗi dạng liên kết, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép: Dầm bán lắp ghép sử dụng bê tông geopolymer và bê tông xi măng có ứng xử chịu uốn tương đồng với dầm bê tông xi măng toàn khối theo tính toán lý thuyết TCVN 5574-2012. Độ lệch chuyển vị tại vị trí giữa nhịp (L/2) của dầm D2 và D3 thấp hơn dầm D1 lần lượt khoảng 12% và 18%, cho thấy liên kết chữ Z và gia cường cốt đai cải thiện độ cứng và khả năng chịu uốn.

  2. Ảnh hưởng của dạng liên kết: Liên kết bán lắp ghép dạng chữ Z (D2) cho khả năng chịu uốn và chống cắt tốt hơn liên kết phẳng (D1). Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm D2 cao hơn dầm D1 khoảng 15%, trong khi dầm D3 có tải trọng phá hoại tăng thêm 10% so với D2 nhờ gia cường cốt đai.

  3. Khả năng gia cường cốt đai: Việc tăng cường cốt đai tại vị trí liên kết giúp tăng độ cứng liên kết bán lắp ghép, giảm biến dạng cốt thép dọc và tăng khả năng chịu uốn của cấu kiện. Biến dạng cốt thép dọc tại vị trí liên kết của dầm D3 thấp hơn dầm D2 khoảng 8%, thể hiện hiệu quả gia cường.

  4. Mô phỏng phần tử hữu hạn: Kết quả mô phỏng bằng ABAQUS cho thấy sự phù hợp cao với kết quả thực nghiệm, với sai số chênh lệch độ lệch chuyển vị tối đa khoảng 5,26%. Đường quan hệ tải trọng – chuyển vị và tải trọng – bề rộng vết nứt mô phỏng sát với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của mô hình vật liệu và phương pháp mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt về ứng xử chịu uốn giữa các dạng liên kết là do hình dạng liên kết ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cắt và phân bố ứng suất tại vị trí nối giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng. Liên kết chữ Z tạo ra diện tích tiếp xúc lớn hơn và khả năng liên kết cơ học tốt hơn liên kết phẳng, từ đó nâng cao độ cứng và sức chịu uốn.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước về ứng xử của bê tông geopolymer và bê tông xi măng, đồng thời khẳng định mô hình tính toán theo TCVN 5574-2012 có thể áp dụng cho bê tông geopolymer trong giới hạn hợp lý. Việc gia cường cốt đai được chứng minh là giải pháp hiệu quả để tăng cường độ cứng và khả năng chịu lực của dầm bán lắp ghép.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tải trọng – chuyển vị tại vị trí L/2 và L/4, biểu đồ tải trọng hình thành vết nứt và tải trọng phá hoại, cũng như bảng so sánh biến dạng cốt thép dọc giữa các dạng dầm. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu năng chịu uốn giữa các dạng liên kết và hiệu quả của gia cường cốt đai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng liên kết chữ Z trong thiết kế dầm bán lắp ghép: Khuyến nghị sử dụng dạng liên kết chữ Z để nâng cao khả năng chịu uốn và chống cắt của cấu kiện, giúp tăng tuổi thọ và độ an toàn công trình. Thời gian áp dụng trong các dự án xây dựng mới, chủ yếu do các đơn vị thiết kế và thi công chịu trách nhiệm.

  2. Gia cường cốt đai tại vị trí liên kết: Đề xuất tăng cường cốt đai cho các dầm bán lắp ghép nhằm cải thiện độ cứng liên kết và khả năng chịu lực, đặc biệt trong các công trình chịu tải trọng lớn hoặc có yêu cầu cao về độ bền. Chủ thể thực hiện là nhà sản xuất cấu kiện và nhà thầu thi công.

  3. Phát triển công nghệ sản xuất bê tông geopolymer đúc sẵn: Khuyến khích đầu tư nghiên cứu và ứng dụng bê tông geopolymer trong sản xuất cấu kiện đúc sẵn, tận dụng nguyên liệu tái chế và giảm phát thải CO2. Thời gian triển khai dài hạn, phối hợp giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý.

  4. Sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế và kiểm tra: Khuyến nghị áp dụng phần mềm ABAQUS với mô hình vật liệu phù hợp để dự đoán chính xác ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép, giúp tối ưu thiết kế và giảm chi phí thí nghiệm thực tế. Chủ thể là các kỹ sư thiết kế và chuyên gia kiểm định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu bê tông: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp tính toán ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép sử dụng bê tông geopolymer, hỗ trợ thiết kế các công trình bê tông đúc sẵn hiệu quả và bền vững.

  2. Nhà sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn: Thông tin về vật liệu geopolymer và các dạng liên kết giúp cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu truyền thống.

  3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu xây dựng xanh: Luận văn cung cấp cơ sở thực nghiệm và mô phỏng về ứng dụng bê tông geopolymer, góp phần phát triển vật liệu thân thiện môi trường trong ngành xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ đánh giá và ban hành các tiêu chuẩn, quy chuẩn mới về vật liệu và công nghệ thi công bê tông đúc sẵn, thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông geopolymer có ưu điểm gì so với bê tông xi măng truyền thống?
    Bê tông geopolymer giảm phát thải CO2 do tận dụng tro bay và không sử dụng xi măng poóc lăng, đồng thời có cường độ chịu nén và chịu uốn cao hơn khoảng 7-27% so với bê tông xi măng cùng cấp độ bền, giúp tăng tuổi thọ công trình.

  2. Liên kết chữ Z có tác dụng gì trong dầm bán lắp ghép?
    Liên kết chữ Z tăng diện tích tiếp xúc và khả năng liên kết cơ học giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng, cải thiện độ cứng, khả năng chịu uốn và chống cắt, làm tăng tải trọng xuất hiện vết nứt khoảng 15% so với liên kết phẳng.

  3. Mô phỏng ABAQUS có chính xác không trong dự đoán ứng xử dầm?
    Kết quả mô phỏng cho sai số chênh lệch độ lệch chuyển vị tối đa khoảng 5,26% so với thực nghiệm, chứng tỏ mô hình vật liệu và phương pháp mô phỏng là khả thi và đáng tin cậy để dự đoán ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép.

  4. Gia cường cốt đai có ảnh hưởng thế nào đến dầm bán lắp ghép?
    Gia cường cốt đai giúp tăng độ cứng liên kết, giảm biến dạng cốt thép dọc khoảng 8%, nâng cao khả năng chịu uốn và độ bền của dầm, đặc biệt hiệu quả trong các công trình chịu tải trọng lớn.

  5. Phạm vi ứng dụng của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu áp dụng cho thiết kế và thi công các cấu kiện dầm bán lắp ghép trong công trình xây dựng sử dụng bê tông geopolymer kết hợp bê tông xi măng, phù hợp với các dự án đòi hỏi vật liệu xanh, tiết kiệm thời gian và chi phí thi công.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép sử dụng bê tông geopolymer và bê tông xi măng tương đồng với tính toán lý thuyết theo TCVN 5574-2012.
  • Liên kết chữ Z và gia cường cốt đai cải thiện đáng kể khả năng chịu uốn và độ cứng của dầm bán lắp ghép.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ABAQUS với mô hình vật liệu Hsu – Hsu cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của phương pháp mô phỏng.
  • Đề xuất áp dụng liên kết chữ Z, gia cường cốt đai và phát triển công nghệ bê tông geopolymer trong sản xuất cấu kiện đúc sẵn để nâng cao hiệu quả và thân thiện môi trường.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về liên kết tấm sàn geopolymer – bê tông xi măng và ứng dụng thực tế trong các dự án xây dựng quy mô lớn.

Quý độc giả và chuyên gia trong ngành xây dựng được khuyến khích tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng xanh và công nghệ thi công hiện đại.