Tổng quan nghiên cứu

Việc phá dỡ các công trình xây dựng hiện nay tạo ra một lượng lớn bê tông phế thải, gây áp lực lớn lên các bãi chôn lấp và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Trên thế giới, các nước phát triển đã tái chế khoảng 45% phế thải bê tông từ phá dỡ công trình, góp phần giảm thiểu lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông tái chế còn hạn chế, trong khi nhu cầu sử dụng bê tông trong xây dựng ngày càng tăng cao. Đề tài nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép có thành phần bê tông tái chế nhằm đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của cấu kiện sử dụng bê tông tái chế thay thế một phần đá tự nhiên, từ đó góp phần phát triển vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng ứng xử của dầm bê tông cốt thép có thành phần bê tông tái chế, đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của dầm sử dụng bê tông tái chế thay thế 20% đá tự nhiên so với dầm sử dụng 100% đá tự nhiên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu vụn bê tông tái chế, ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế đến cường độ bê tông, ứng xử của dầm dưới tải trọng tác động và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình tính toán bằng phần mềm ATENA. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện lý thuyết về ứng dụng vật liệu tái chế và ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm chi phí, bảo vệ môi trường và phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA), trong đó vụn bê tông được nghiền và sử dụng thay thế một phần cốt liệu tự nhiên trong hỗn hợp bê tông. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cốt liệu vụn bê tông: bao gồm các hạt đá dính vữa xi măng và bột vữa xi măng, có tính chất hóa học tương tự bê tông nguyên bản nhưng cường độ thấp hơn đá tự nhiên.
  • Cấp phối bê tông tái chế: xác định tỷ lệ các thành phần vật liệu (xi măng, cát, đá, nước, vụn bê tông) để đạt được cường độ và tính chất mong muốn.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): phương pháp số gần đúng để mô phỏng ứng xử phi tuyến của dầm bê tông cốt thép dưới tải trọng, được áp dụng trong phần mềm ATENA.
  • Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông và cốt thép: mô hình phi tuyến với các đặc tính làm mềm dưới lực kéo và lực nén, mô phỏng chính xác hành vi vật liệu trong dầm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế và mô phỏng số:

  • Thí nghiệm vật liệu: Chế tạo các mẫu bê tông với tỷ lệ thay thế vụn bê tông từ 0% đến 100%, xác định cường độ nén, cường độ kéo uốn, độ sụt, khối lượng thể tích theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570:2006, TCVN 3118:1993, TCVN 3106:1993...).
  • Thí nghiệm dầm bê tông cốt thép: Mẫu dầm kích thước 200x300x3300 mm, sử dụng bê tông tái chế thay thế 20% đá tự nhiên (mẫu RCA1, RCA2) và dầm đối chứng sử dụng 100% đá tự nhiên (mẫu CC). Thí nghiệm tải trọng phá hoại, đo chuyển vị giữa nhịp và quan sát vết nứt.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Xây dựng mô hình dầm bê tông cốt thép bằng phần mềm ATENA, khai báo vật liệu bê tông và thép theo đặc tính thực nghiệm, mô phỏng tải trọng và điều kiện biên, so sánh kết quả chuyển vị, ứng suất với thí nghiệm.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2018 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập vật liệu, thí nghiệm mẫu bê tông, thí nghiệm dầm, xây dựng mô hình số và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ vụn bê tông đến cường độ bê tông: Khi thay thế 20% đá tự nhiên bằng vụn bê tông, cường độ nén giảm khoảng 1,7%, cường độ kéo giảm 6%. Tỷ lệ thay thế 80% làm giảm cường độ nén tối đa đến 28,9%. Tuy nhiên, khi sử dụng 100% vụn bê tông, cường độ nén có cải thiện nhẹ do tính đồng nhất vật liệu (Hình 4.1).

  2. Khả năng chịu tải của dầm bê tông cốt thép: Tải trọng phá hoại của dầm sử dụng 20% bê tông tái chế (RCA1, RCA2) đạt lần lượt 136 kN và 138,3 kN, chỉ thấp hơn 6,27% so với dầm sử dụng 100% đá tự nhiên (CC) với 144,8 kN (Hình 4.3).

  3. Chuyển vị giữa nhịp của dầm: Dầm sử dụng bê tông tái chế có chuyển vị tương đương với dầm đối chứng, tuy nhiên dầm sử dụng 100% đá tự nhiên có độ cứng lớn hơn (Hình 4.4).

  4. Hình thái vết nứt: Dầm RCA có số lượng vết nứt nhiều hơn dầm CC (12 và 10 so với 9 vết nứt), vết nứt rộng hơn nhưng không khác biệt đáng kể về vị trí và chiều cao vết nứt (Hình 4.5).

  5. Mô phỏng phần tử hữu hạn: Kết quả mô phỏng chuyển vị và ứng suất bê tông, cốt thép bằng phần mềm ATENA tương đồng với kết quả thực nghiệm, sai số nhỏ và chấp nhận được (Hình 6.1, 6.2). Ứng suất nén và kéo tập trung tại các vị trí tương tự giữa mô hình và thực nghiệm (Hình 6.3 - 6.5).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm nhẹ cường độ bê tông khi sử dụng vụn bê tông là do độ hút nước của vụn bê tông cao hơn đá tự nhiên, ảnh hưởng đến tỷ lệ nước-xi măng và tính đồng nhất của hỗn hợp. Tuy nhiên, với tỷ lệ thay thế 20%, sự ảnh hưởng này không đáng kể, đảm bảo khả năng chịu lực và biến dạng của dầm. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy bê tông tái chế có thể thay thế một phần cốt liệu tự nhiên mà không làm giảm đáng kể hiệu suất cấu kiện.

Số lượng vết nứt nhiều hơn ở dầm sử dụng bê tông tái chế có thể do tính chất vật liệu vụn bê tông làm giảm độ bền liên kết giữa các hạt, dẫn đến sự phân bố ứng suất khác biệt. Tuy nhiên, chiều cao và vị trí vết nứt tương tự cho thấy cấu kiện vẫn đảm bảo tính ổn định và an toàn.

Mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ATENA chứng minh khả năng mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của dầm bê tông cốt thép có thành phần bê tông tái chế, hỗ trợ hiệu quả cho công tác thiết kế và đánh giá cấu kiện trong thực tế. Các biểu đồ tải trọng - chuyển vị và ứng suất có thể được sử dụng để minh họa sự tương đồng giữa mô hình và thực nghiệm, làm cơ sở cho việc áp dụng rộng rãi bê tông tái chế trong xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng bê tông tái chế với tỷ lệ thay thế tối đa 20% đá tự nhiên trong các cấu kiện bê tông cốt thép nhằm đảm bảo hiệu suất chịu lực và giảm chi phí vật liệu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư.

  2. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn về bê tông tái chế tại Việt Nam, bao gồm các chỉ tiêu về vật liệu, cấp phối, và phương pháp kiểm tra chất lượng. Thời gian: trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng.

  3. Đầu tư trang thiết bị nghiền, phân loại và tái chế bê tông phế thải tại các khu vực đô thị và công nghiệp lớn để tạo nguồn vật liệu tái chế chất lượng cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp vật liệu xây dựng, chính quyền địa phương.

  4. Tăng cường nghiên cứu ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế và đánh giá cấu kiện bê tông tái chế, nhằm nâng cao độ chính xác và tin cậy trong thiết kế kỹ thuật. Thời gian: liên tục. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, đơn vị tư vấn thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật dân dụng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về bê tông tái chế, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn liên quan.

  2. Chuyên gia thiết kế kết cấu và kỹ sư xây dựng: Tham khảo mô hình phần tử hữu hạn và kết quả thí nghiệm để áp dụng bê tông tái chế trong thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành xây dựng và môi trường: Tài liệu giúp xây dựng chính sách phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm thiểu rác thải xây dựng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu thi công: Hướng dẫn kỹ thuật và đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng bê tông tái chế trong thi công công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông tái chế có ảnh hưởng lớn đến cường độ bê tông không?
    Với tỷ lệ thay thế 20%, cường độ nén giảm khoảng 1,7% và cường độ kéo giảm 6%, mức giảm này không đáng kể và vẫn đảm bảo chất lượng bê tông cho các ứng dụng thông thường.

  2. Tỷ lệ thay thế vụn bê tông tối đa là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 20% là phù hợp để giữ được hiệu suất chịu lực và biến dạng của dầm bê tông cốt thép, trong khi tỷ lệ cao hơn có thể làm giảm cường độ đáng kể.

  3. Mô hình phần tử hữu hạn có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
    Mô hình phần tử hữu hạn là công cụ hỗ trợ hiệu quả, giúp dự đoán ứng xử cấu kiện nhưng không thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế do các sai số và giả định trong mô hình.

  4. Bê tông tái chế có thể sử dụng cho các công trình lớn không?
    Với tỷ lệ thay thế hợp lý và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, bê tông tái chế có thể áp dụng cho nhiều loại công trình dân dụng và giao thông, góp phần bảo vệ môi trường.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng bê tông tái chế?
    Cần kiểm soát nguồn phế thải, quy trình nghiền, phân loại và cấp phối vật liệu theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời thực hiện thí nghiệm đánh giá cường độ và tính chất vật liệu trước khi sử dụng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh khả năng sử dụng bê tông tái chế thay thế 20% đá tự nhiên trong dầm bê tông cốt thép mà không làm giảm đáng kể khả năng chịu lực và biến dạng.
  • Mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ATENA mô phỏng chính xác ứng xử của dầm bê tông tái chế, hỗ trợ thiết kế và đánh giá kỹ thuật.
  • Việc sử dụng bê tông tái chế góp phần giảm chi phí vật liệu, bảo vệ môi trường và phát triển vật liệu xây dựng bền vững.
  • Cần phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn áp dụng bê tông tái chế tại Việt Nam để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với tỷ lệ thay thế cao hơn, ứng dụng trong các loại cấu kiện khác và hoàn thiện mô hình tính toán.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng nên áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu bê tông tái chế, đồng thời phối hợp với cơ quan quản lý để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.