Tổng quan luận án

Tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa tại Việt Nam dẫn đến việc phát sinh khối lượng lớn phế thải phá dỡ công trình xây dựng (PTXD), với hàng vạn mét khối mỗi năm không qua xử lý, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và chiếm dụng diện tích bãi chôn lấp. Đồng thời, nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên phục vụ chế tạo vật liệu xây dựng (cát, sỏi, đá vôi) ngày càng cạn kiệt. Việc tận dụng PTXD làm nguồn nguyên liệu đầu vào để chế tạo hạt cốt liệu nhẹ tái chế (CLNTC) và sản xuất bê tông nhẹ (BTN) mang lại hiệu quả kép: giảm thiểu áp lực môi trường, hạn chế khai thác tài nguyên tự nhiên, đồng thời giảm đáng kể khối lượng thể tích của bê tông (từ 2400 kg/m³ ở bê tông nặng thông thường xuống còn 1400 – 1800 kg/m³). Sự suy giảm trọng lượng bản thân giúp giảm tải trọng tác dụng lên nền móng và hệ khung kết cấu, tối ưu hóa kích thước cấu kiện và hạ giá thành xây dựng công trình.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ rõ là tại Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo hạt cốt liệu nhẹ từ nguồn phế thải gạch, vữa phá dỡ và ứng dụng vật liệu này để chế tạo bê tông nhẹ kết cấu chịu lực còn rất hạn chế. Đặc biệt, các dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc trưng cơ lý của vật liệu, mô hình ứng suất – biến dạng, lực dính – độ trượt với cốt thép và ứng xử uốn thực tế của dầm bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng cốt liệu nhẹ tái chế vẫn chưa được nghiên cứu và kiểm chứng đầy đủ theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

Mục đích nghiên cứu của đề tài là chế tạo, xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng (BTNCLNTC) và đánh giá ứng xử uốn của dầm BTNCLNTC có cốt thép, bao gồm khả năng chịu uốn, mômen kháng nứt và khoảng cách vết nứt uốn.

Để đạt được mục đích trên, luận án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xây dựng cấp phối phù hợp chế tạo BTNCLNTC với khối lượng thể tích trong khoảng 1400 – 1800 kg/m³, cường độ chịu nén đạt từ 15 ÷ 35 MPa.
  2. Xác định và xây dựng công thức tính các đặc trưng cơ học của BTNCLNTC như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi và xây dựng quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu BTN.
  3. Xây dựng quan hệ lực dính – độ trượt của BTNCLNTC và cốt thép.
  4. Đánh giá ứng xử uốn của cấu kiện BTCT sử dụng hạt CLN chế tạo từ PTXD thông qua khảo sát kết quả thực nghiệm về quan hệ tải trọng – độ võng của dầm, quan hệ tải trọng – biến dạng cốt thép, quan hệ tải trọng – biến dạng của bê tông và sự phát triển các vết nứt.
  5. Đề xuất công thức tính toán cấu kiện chịu uốn sử dụng BTNCLNTC từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm đề xuất mô hình xác định khả năng chịu lực, mômen kháng nứt và tính toán khoảng cách vết nứt của dầm ở trạng thái giới hạn II.

Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:

  • Vật liệu bê tông có sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng.
  • Dầm BTNCLNTC có cốt thép, tiết diện chữ nhật, đặt cốt đơn.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Giới hạn khối lượng thể tích khô của BTNCLNTC trong khoảng 1400 – 1800 kg/m³ và cường độ chịu nén trong khoảng 15 – 35 MPa.
  • Nghiên cứu các đặc trưng cơ học ngắn hạn của vật liệu (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo ép chẻ, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng, quan hệ lực dính – độ trượt).
  • Khảo sát ứng xử uốn của dầm BTNCLNTC tiết diện chữ nhật dưới tác dụng ngắn hạn của tải trọng tĩnh tập trung tại hai điểm, tập trung vào khả năng chịu lực cực hạn, mômen kháng nứt và khoảng cách vết nứt theo trạng thái giới hạn thứ II. Thí nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình LAS-XD125, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp hệ thống cơ sở dữ liệu quốc tế và trong nước về các định nghĩa, phân loại và đặc trưng kỹ thuật của bê tông nhẹ. Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 và EN 206:2013, BTN có khối lượng thể tích khô nhỏ hơn 2000 kg/m³ và cường độ chịu nén dao động từ 8 đến 80 MPa (mẫu trụ); trong đó BTN kết cấu có khối lượng thể tích từ 1120 – 1920 kg/m³ và cường độ chịu nén 28 ngày tối thiểu đạt 17 MPa. Tiêu chuẩn ACI 213R-87 và ACI 213R-03 của Viện Bê tông Hoa Kỳ quy định bê tông nhẹ kết cấu có khối lượng thể tích 1350 – 1900 kg/m³ và cường độ nén trên 17 MPa. Tại Việt Nam, TCVN 9029:2017 quy định bê tông nhẹ có khối lượng thể tích khô không vượt quá 1800 kg/m³.

Hệ thống tiêu chuẩn / Tài liệu Phân loại bê tông nhẹ Khối lượng thể tích khô (kg/m³) Cường độ chịu nén (MPa)
Giáo trình Vật liệu xây dựng BTN chịu lực 1400 – 1800 15 – 40
BTN chịu lực – cách nhiệt 500 – 1400 3,5 – 10
BTN cách nhiệt 300 – 500 Không quy định
EN 206:2013 Cấp khối lượng D1,0 đến D2,0 800 – 2000 Phân cấp từ LC8/9 đến LC80/88
ACI 213R-87 BTN kết cấu (chịu lực) 1350 – 1900 > 17
BTN cường độ thấp 800 – 1350 7 – 17
BTN khối lượng thể tích nhỏ 300 – 800 < 7

Về nguồn gốc cốt liệu nhẹ, tác giả phân chia thành hai nhóm chính: cốt liệu tự nhiên (đá bọt, xỉ núi lửa, đá vôi vỏ sò, vỏ cọ) và cốt liệu nhân tạo. Cốt liệu nhân tạo gồm các sản phẩm nung nở từ đất sét hoặc á sét (keramzit nung ở 1100 – 1200 °C với khối lượng thể tích 500 – 1200 kg/m³, agloporit 700 – 1500 kg/m³, vecmiculit nung ở 1150 – 1250 °C có khối lượng thể tích 60 – 190 kg/m³, peclit nung trên 870 °C có khối lượng thể tích 30 – 240 kg/m³) và cốt liệu từ phế thải công nghiệp (tro bay nhiệt điện vê viên nở từ 750 – 1100 kg/m³, xỉ lò cao luyện kim).

Đối với cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng, tác giả phân tích các nghiên cứu về thành phần phế thải gồm vữa xây trát và gạch nung. Quá trình xử lý bao gồm nghiền mịn đến cỡ hạt dưới 100 µm (trong đó gạch nghiền chiếm 40 – 70% khối lượng), trộn với chất tạo rỗng trương nở (3 – 5% gồm than đá, CaCO₃, SiC hoặc dầu nặng), vê viên và nung ở nhiệt độ 800 – 1250 °C. Hạt phồng nở thu được có khối lượng thể tích đổ đống 150 – 300 kg/m³, khối lượng thể tích hạt 250 – 500 kg/m³, độ rỗng từ 65% đến 90%, kích cỡ 1 – 30 mm và hệ số dẫn nhiệt 0,06 – 0,25 W/(m·K). Bề mặt hạt nhám, góc cạnh, nhiều lỗ rỗng hở tạo điều kiện cho hồ xi măng thâm nhập và kích hoạt hiện tượng nội bảo dưỡng do lượng nước hạt hấp thụ nhả dần trong quá trình thủy hóa.

Về các mối quan hệ cơ học:

  • Quan hệ cường độ kéo và nén: Luận án tổng kết các công thức thực nghiệm của EN 1992-1-1, CEB-FIP Model Code 2010 ($f_{ctm} = 0,30 \cdot f_{ck}^{2/3}$), ACI 318-19, ACI 363R-03 (công thức Carrasquillo: $f_r = 0,94\sqrt{f_c}$), NS 3473, TCVN 5574:2018 ($f_{ct} = \theta_t \sqrt{f_c}$ với $\theta_t = 0,30$), mô hình của Zhang và Gjorv ($f_{ct,sp} = 0,23 f_c^{2/3}$) và Yang ($f_{ct} / f_{ct,sp}$).
  • Mô đun đàn hồi: Luận án dẫn chứng nghiên cứu EuroLightCon chỉ ra mô đun Young giảm từ 22400 xuống 17300 MPa khi tỷ lệ sét nở tăng từ 20% đến 100%. Các tiêu chuẩn ENV 1992-1-4, BBK 94, CUR-39, Model Code 2010, ACI 318-19 ($E_c = 0,043 \rho_c^{1,5}\sqrt{f_c}$), NS 3473-1992, NZS 3101 và Zhang – Gjorv đều đưa khối lượng thể tích khô $\rho_c$ vào công thức tính toán $E_c$.
  • Quan hệ ứng suất – biến dạng: Nghiên cứu của J. Clarke (1993) khẳng định mối quan hệ $\sigma - \varepsilon$ của BTN có tính tuyến tính hơn, độ cứng ban đầu nhỏ hơn nhưng giòn hơn bê tông nặng; nhánh giảm rơi dốc đứng khi đạt ứng suất đỉnh do độ rỗng của hạt nhẹ. Luận án khảo sát các mô hình hai đoạn thẳng và parabol - chữ nhật theo TCVN 5574:2018, DIN 4219 T.2, ENV 1992-1-4 và NS 3473.
  • Lực dính – độ trượt: Luận án điểm lại mô hình theo CEB-FIP (1990/2010), công thức Bogas et al. (2014), Kim et al. (2013), và mô hình ba đoạn tuyến tính cho bê tông siêu nhẹ của Hückler và Schlaich (2017).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Chưa có công trình nào tại Việt Nam nghiên cứu thực nghiệm một cách hệ thống từ khâu cấp phối chế tạo BTN bằng hạt CLNTC từ gạch/vữa phế thải phá dỡ, khảo sát đồng thời các đặc trưng cơ lý (nén, kéo khi uốn, kéo ép chẻ, mô đun $E_c$), thiết lập biểu đồ $\sigma - \varepsilon$, biểu đồ lực dính – độ trượt $\tau - s$, cho đến việc chế tạo và thử nghiệm uốn dầm thực tế để kiểm chứng khả năng áp dụng các tiêu chuẩn tính toán kết cấu hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép hiện đại:

  • Lý thuyết trạng thái giới hạn thứ nhất (về khả năng chịu lực) và trạng thái giới hạn thứ hai (về nứt và biến dạng) theo TCVN 5574:2018, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 (EN 1992-1-1), tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-19 và CEB-FIP Model Code 2010.
  • Phương pháp tính toán mômen kháng nứt $M_{crc}$ dựa trên giả thiết tiết diện phẳng, biểu đồ ứng suất nén tam giác đàn hồi, vùng kéo phân bố dạng hình thang với biến dạng giới hạn $\varepsilon_{bt,u} = 0,00015$ và mômen kháng uốn đàn dẻo $W_{pl} = \gamma W_{red}$ ($\gamma = 1,3$ đối với tiết diện chữ nhật theo TCVN 5574:2018).
  • Phương pháp vùng nén chữ nhật quy đổi để xác định mômen giới hạn $M_u$.
  • Lý thuyết tính toán khoảng cách vết nứt $S_{cr}$ và bề rộng vết nứt $w_k$ dựa trên sự truyền lực dính giữa cốt thép và bê tông chịu kéo bao quanh (vùng kéo hiệu dụng $A_{ct,ef}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ quy mô mẫu vật liệu đến quy mô cấu kiện kết cấu thực tế:

  • Quy mô mẫu vật liệu: Khảo sát các thông số cấp phối gồm tỷ lệ thể tích cốt liệu nhẹ trên thể tích bê tông ($V_{CLN}/V_b$), tỷ lệ nước trên chất kết dính ($N/CKD$), tỷ lệ cát trên tổng cốt liệu ($V_c/V_{ca}$), tỷ lệ phối trộn giữa hạt nhẹ đường kính 4 – 8 mm (hạt S2) và hạt nhẹ đường kính 8 – 16 mm (hạt S3), sự tham gia của tro bay (FA) và phụ gia siêu dẻo (SD). Thí nghiệm nén mẫu lập phương $15 \times 15 \times 15$ cm và mẫu trụ $15 \times 30$ cm; thí nghiệm kéo uốn trên mẫu lăng trụ $10 \times 10 \times 40$ cm; thí nghiệm kéo bửa (ép chẻ) trên mẫu trụ $15 \times 30$ cm; thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi $E_c$ trên mẫu trụ ở cấp tải dưới $0,4 f_c$. Thí nghiệm kéo tuột cốt thép (pull-out test) để xác định biểu đồ quan hệ lực dính – độ trượt ($\tau - s$).
  • Quy mô dầm kết cấu: Chế tạo 06 dầm BTNCLNTC và 01 dầm bê tông nặng thông thường (BTT) đối chứng. Dầm tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn, chịu uốn 4 điểm với đoạn uốn thuần túy dài 400 mm ở giữa nhịp.

Hệ thống thiết bị và kỹ thuật phân tích:

  • Máy nén thủy lực SANS 3000 điều khiển tự động theo tải trọng và chuyển vị.
  • Hệ thống thu nhận và xử lý dữ liệu tự động Data logger TDS 530 kết nối máy tính.
  • Cảm biến biến dạng điện trở (strain gauge) đo biến dạng bê tông vùng nén và cốt thép vùng kéo.
  • Thiết bị đo dịch chuyển vết nứt chuyên dụng KG-1 và KG-2; thiết bị soi nứt quang học xác định thời điểm và bề rộng khe nứt; đồng hồ so đo chuyển vị tại hai gối tựa và giữa nhịp dầm.
  • Công cụ mô phỏng số: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Response 2000 dựa trên lý thuyết trường nén cải biên (MCFT) để phân tích phi tuyến tiết diện dầm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương này tổng kết bức tranh tổng thể về bê tông nhẹ và cốt liệu nhẹ trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tác giả làm rõ cơ chế giảm khối lượng thể tích thông qua tạo lỗ rỗng trong vữa, giữa các hạt hoặc bên trong hạt cốt liệu. Trình bày chi tiết công nghệ sản xuất hạt CLNTC từ phế thải phá dỡ gồm các công đoạn: phân loại, nghiền mịn liên hợp gạch – vữa ($< 100$ µm), phối trộn phụ gia sinh khí trương nở (3 – 5%), vê viên hạt, nung nở ở 800 – 1250 °C, phân loại kích cỡ hạt. Hạt tạo thành có độ xốp 65 – 90%, khối lượng thể tích đổ đống 150 – 300 kg/m³.

Tác giả phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền, độ hút nước và tính công tác của hỗn hợp bê tông tái chế, giải thích cơ chế nội bảo dưỡng của hạt nhẹ rỗng. Phân tích so sánh các công thức tính toán cường độ kéo, mô đun đàn hồi, biểu đồ ứng suất – biến dạng và lực dính – độ trượt trong các tiêu chuẩn TCVN, Eurocode 2, ACI, Model Code. Từ đó, xác định hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án là giải quyết bài toán ứng xử uốn dầm thực nghiệm bằng việc xây dựng cấp phối, xác lập các đặc trưng cơ lý cục bộ và kiểm chứng mô hình giải tích.

Chương 2: Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất cơ lý của bê tông nhẹ chế tạo từ cốt liệu nhẹ tái chế từ phế thải xây dựng

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu và kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của BTNCLNTC.

Quá trình khảo sát cấp phối sử dụng hai loại hạt nhẹ: hạt S2 (đường kính 4 – 8 mm) và hạt S3 (đường kính 8 – 16 mm). Tác giả khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ:

  • Khi tăng tỷ lệ $V_{CLN}/V_b$, khối lượng thể tích của bê tông giảm rõ rệt nhưng cường độ nén cũng suy giảm; tỷ lệ $V_{CLN}/V_b$ tối ưu được lựa chọn để vừa đảm bảo khối lượng thể tích khô dưới 1800 kg/m³ vừa duy trì cường độ nén từ 15 đến 35 MPa.
  • Tỷ lệ nước/chất kết dính ($N/CKD$) và việc sử dụng phụ gia siêu dẻo (SD), tro bay (FA) giúp cải thiện đáng kể độ sụt hỗn hợp mà không làm phân tầng hạt nhẹ.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ hạt: Cấp phối phối hợp 45% hạt S2 và 55% hạt S3 cho độ chèn chặt tốt nhất và cường độ nén cao hơn so với chỉ dùng 100% hạt S2 hoặc 100% hạt S3.

Từ kết quả thí nghiệm sơ bộ, luận án lựa chọn 3 nhóm cấp phối điển hình (ký hiệu M1, M2, M3) để nghiên cứu chuyên sâu:

  • Nhóm M1: Cấp độ bền nén thấp (khoảng 15 – 20 MPa), khối lượng thể tích khô khoảng 1450 – 1550 kg/m³.
  • Nhóm M2: Cấp độ bền nén trung bình (khoảng 20 – 28 MPa), khối lượng thể tích khô khoảng 1550 – 1680 kg/m³.
  • Nhóm M3: Cấp độ bền nén cao (khoảng 28 – 35 MPa), khối lượng thể tích khô khoảng 1680 – 1780 kg/m³.

Các kết quả thí nghiệm cơ lý chính thu được:

  1. Cường độ chịu nén: Thí nghiệm trên mẫu lập phương $15 \times 15 \times 15$ cm và mẫu trụ $15 \times 30$ cm cho thấy quy luật phát triển cường độ tương tự bê tông thông thường; tương quan giữa cường độ mẫu trụ và mẫu lập phương đạt tỷ lệ khoảng 0,80 – 0,85.
  2. Cường độ chịu kéo: Thí nghiệm kéo uốn trên mẫu lăng trụ $10 \times 10 \times 40$ cm và kéo ép chẻ trên mẫu trụ $15 \times 30$ cm. Kết quả chỉ ra cường độ kéo ép chẻ thực nghiệm thấp hơn so với bê tông nặng cùng mác, phù hợp với công thức dạng hàm mũ lũy thừa của cường độ nén có xét đến khối lượng thể tích khô. Luận án xác lập tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ kéo ép chẻ ($\gamma$).
  3. Mô đun đàn hồi ($E_c$): Mô đun đàn hồi đo được của BTNCLNTC thấp hơn đáng kể so với bê tông nặng thông thường (thấp hơn từ 30% đến 45%), tỷ lệ thuận với $(\rho_c)^{1,5} \sqrt{f_c}$. Tác giả so sánh kết quả thực nghiệm với các tiêu chuẩn ACI 318, ENV 1992-1-4, Model Code 2010 và đề xuất công thức hiệu chỉnh phù hợp.
  4. Biểu đồ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \varepsilon$): Đo đạc trên máy nén SANS 3000 với tem điện trở và data logger ghi nhận biến dạng cực hạn khi nén $\varepsilon_{c1}$ của BTNCLNTC đạt xấp xỉ 0,0025 – 0,0032. Nhánh tăng ứng suất có độ dốc thấp hơn bê tông thường nhưng rất thẳng đến sát đỉnh tải; sau khi đạt đỉnh, đường cong rơi rất nhanh, thể hiện tính phá hoại giòn. Luận án đề xuất mô hình $\sigma - \varepsilon$ dạng hai đoạn thẳng giản lược phục vụ tính toán thiết kế.
  5. Quan hệ lực dính – độ trượt ($\tau - s$): Thí nghiệm kéo tuột cốt thép xác định các giá trị trượt tới hạn $s_1, s_2$, lực dính lớn nhất $\tau_{max}$ và lực dính dư $\tau_f$. Lực dính $\tau_{max}$ phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng thể tích và cường độ nén của bê tông, có độ dốc tăng trượt lớn ban đầu và suy giảm nhanh hơn so với bê tông nặng.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm bê tông nhẹ sử dụng hạt cốt liệu nhẹ tái chế cốt thép

Chương 3 tập trung đánh giá ứng xử uốn thực tế của 06 dầm BTNCLNTC (thuộc các nhóm M1, M2, M3) và 01 dầm BTT đối chứng. Dầm có tiết diện $120 \times 200$ mm, chiều dài toàn bộ 2200 mm, khoảng cách giữa hai gối tựa 1800 mm, sơ đồ gia tải 2 điểm tạo đoạn uốn thuần túy 400 mm ở giữa dầm.

Các phát hiện và kết quả thực nghiệm đo đạc:

  • Quan hệ tải trọng – độ võng ($P - f$): Ở giai đoạn trước nứt, đường quan hệ $P - f$ của dầm BTN và dầm BTT gần như trùng nhau. Khi xuất hiện vết nứt đầu tiên, độ võng của dầm BTNCLNTC phát triển nhanh hơn dầm BTT do mô đun đàn hồi của vật liệu thấp hơn. Tuy nhiên, khả năng chịu lực uốn cực hạn ($M_u$) của dầm BTNCLNTC gần như tương đương với dầm BTT có cùng hàm lượng cốt thép và cấp cường độ nén tương đương.
  • Biến dạng vật liệu: Biến dạng của cốt thép chịu kéo ($\varepsilon_s$) và biến dạng của bê tông vùng nén ($\varepsilon_c$) đo bằng strain gauge cho thấy cốt thép đều đạt giới hạn chảy dẻo trước khi bê tông vùng nén bị nghiền nát, dầm bị phá hoại dẻo điển hình.
  • Phát triển vết nứt: Trong đoạn uốn thuần túy 400 mm, các vết nứt xuất hiện thẳng đứng và phân bố đều. Dầm BTNCLNTC có khoảng cách trung bình giữa các vết nứt ($S_{cr}$) nhỏ hơn và bề rộng khe nứt phân bố mịn hơn, nhỏ hơn so với dầm BTT ở cùng cấp tải trọng sử dụng.
  • Mô phỏng số bằng phần mềm Response 2000: Đưa thông số vật liệu thực nghiệm (mô hình $\sigma - \varepsilon$ của BTNCLNTC và đường cong chảy dẻo cốt thép) vào phần mềm. Kết quả phân tích số cho đường cong tải trọng – độ võng và giá trị mômen giới hạn bám sát kết quả thí nghiệm thực tế với sai số nhỏ.
  • Kiểm chứng lý thuyết: Luận án so sánh mômen kháng nứt $M_{crc}$, mômen giới hạn $M_u$ và khoảng cách vết nứt $S_{cr}$ giữa ba nguồn: thực nghiệm, mô phỏng số và lý thuyết tính toán theo các tiêu chuẩn (TCVN 5574:2018, Eurocode 2, ACI 318-19). Kết quả khẳng định việc áp dụng công thức vùng nén quy đổi chữ nhật cho kết quả tính $M_u$ an toàn, đồng thời đề xuất tiêu chuẩn phù hợp nhất để tính toán khoảng cách vết nứt ở trạng thái giới hạn thứ II.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về khoa học và lý luận

  1. Đã nghiên cứu thực nghiệm thành công việc chế tạo BTN sử dụng hạt CLNTC từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng (vữa và gạch nghiền), đạt khối lượng thể tích khô từ 1400 đến 1800 kg/m³ và cường độ chịu nén từ 15 đến 35 MPa; xây dựng được hệ thống dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về các đặc trưng cơ lý (nén, kéo uốn, kéo ép chẻ, mô đun đàn hồi).
  2. Đã đề xuất được mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) dạng hai đoạn thẳng cho BTN sử dụng hạt CLNTC, cũng như thiết lập được quan hệ lực dính – độ trượt ($\tau - s$) giữa BTNCLNTC và cốt thép có gờ, làm cơ sở lý thuyết cho việc tính toán cấu kiện kết cấu.
  3. Đã tiến hành thử nghiệm uốn thực tế các mẫu dầm BTCT sử dụng BTNCLNTC, kết hợp mô phỏng số phi tuyến bằng phần mềm Response 2000, chứng minh được độ tin cậy của mô hình vật liệu đề xuất và khẳng định sự làm việc chịu uốn của dầm BTNCLNTC tương đương dầm bê tông thường về mặt chịu lực.
  4. Đã đề xuất được tiêu chuẩn và công thức tính toán phù hợp để xác định mômen kháng nứt, khả năng chịu lực cực hạn và khoảng cách vết nứt của dầm BTNCLNTC ở trạng thái giới hạn thứ II.

Ý nghĩa thực tiễn và giải pháp kiến nghị

  • Việc sử dụng hạt CLNTC từ phế thải gạch, vữa phá dỡ giúp giải quyết triệt để nguồn rác thải xây dựng phát sinh lớn tại các đô thị, giảm chi phí đổ thải, bảo vệ môi trường sinh thái và giảm khai thác tài nguyên đá, cát tự nhiên.
  • Sản phẩm bê tông nhẹ giúp giảm 25 – 35% trọng lượng bản thân kết cấu so với bê tông nặng, cho phép giảm kích thước tiết diện cột, giảm tải trọng tác dụng xuống nền móng, từ đó hạ giá thành xây dựng tổng thể công trình.
  • Kết quả thí nghiệm dầm khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng BTNCLNTC vào các cấu kiện chịu lực thực tế trong công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Luận án kiến nghị đưa các công thức hiệu chỉnh vào tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông nhẹ tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu chỉ dừng lại ở phạm vi khảo sát ứng xử cơ học của vật liệu và dầm kết cấu dưới tác dụng ngắn hạn của tải trọng tĩnh; chưa xem xét các tác động dài hạn như từ biến, co ngót theo thời gian, độ mỏi hoặc tải trọng lặp động đất.
  • Đối tượng dầm thực nghiệm mới chỉ giới hạn ở dầm tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn chịu uốn thuần túy; chưa mở rộng khảo sát dầm tiết diện chữ T, dầm đặt cốt kép hoặc cấu kiện dầm chịu lực cắt kết hợp mômen uốn lớn.
  • Cấp phối hạt nhẹ khảo sát chỉ giới hạn trong dải khối lượng thể tích 1400 – 1800 kg/m³ và cường độ 15 – 35 MPa.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu ứng xử dài hạn của dầm BTNCLNTC dưới tác dụng của tải trọng duy trì (từ biến và co ngót kéo dài).
  • Mở rộng nghiên cứu khả năng chịu cắt của dầm BTNCLNTC và ứng xử của liên kết nút khung, bản sàn, cột chịu nén uốn bằng vật liệu BTNCLNTC.
  • Nghiên cứu độ bền lâu của BTNCLNTC trong môi trường xâm thực (chống thấm, ăn mòn cốt thép, tính bền kiềm – silic).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng, Kỹ thuật vật liệu xây dựng: Tham khảo phương pháp xây dựng cấp phối thực nghiệm cho bê tông cốt liệu nhẹ tái chế, quy trình thí nghiệm đo đạc lực dính – độ trượt và phương pháp mô phỏng số bằng Response 2000.
  • Kỹ sư kết cấu và các đơn vị tư vấn thiết kế: Tham khảo công thức xác định mô đun đàn hồi $E_c$, biểu đồ $\sigma - \varepsilon$ rút gọn, phương pháp tính toán mômen kháng nứt $M_{crc}$, mômen giới hạn $M_u$ và kiểm tra khoảng cách, bề rộng khe nứt theo trạng thái giới hạn thứ II khi thiết kế kết cấu bê tông nhẹ.
  • Các nhà máy sản xuất vật liệu và cơ quan quản lý đô thị/môi trường: Tham khảo quy trình công nghệ chế tạo hạt cốt liệu nhẹ từ hỗn hợp phế thải gạch – vữa phá dỡ, định hướng xử lý tái chế phế thải rắn xây dựng quy mô công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt cốt liệu nhẹ tái chế (CLNTC) trong nghiên cứu được sản xuất từ loại phế thải nào và bằng công nghệ gì?
Hạt CLNTC được chế tạo từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng gồm vữa xây trát và gạch đất sét nung. Hỗn hợp được nghiền mịn đến kích cỡ dưới 100 µm (trong đó gạch chiếm 40 – 70%), phối trộn với 3 – 5% phụ gia sinh khí trương nở (than đá, CaCO₃, SiC hoặc dầu nặng), sau đó vê viên tạo hạt và nung ở nhiệt độ 800 – 1250 °C để tạo cấu trúc rỗng xốp với khối lượng thể tích hạt 250 – 500 kg/m³ và độ rỗng 65 – 90%.

2. Tỷ lệ phối hợp hạt nhẹ S2 và S3 nào cho cường độ nén của BTNCLNTC tối ưu nhất?
Kết quả thực nghiệm ở Chương 2 cho thấy cấp phối phối hợp gồm 45% hạt S2 (kích thước 4 – 8 mm) và 55% hạt S3 (kích thước 8 – 16 mm) đem lại độ chèn chặt tốt nhất của khung cốt liệu, giúp hỗn hợp bê tông đạt cường độ chịu nén cao hơn so với khi chỉ sử dụng đơn lẻ 100% hạt S2 hoặc 100% hạt S3.

3. Đặc trưng biến dạng và tính chất phá hoại của BTNCLNTC khác biệt như thế nào so với bê tông nặng thông thường?
Biểu đồ ứng suất – biến dạng của BTNCLNTC có độ dốc ban đầu thoai thoải hơn do mô đun đàn hồi $E_c$ thấp hơn 30 – 45% so với bê tông thường cùng mác. Tuy nhiên, quan hệ $\sigma - \varepsilon$ có tính chất tuyến tính thẳng đều đến sát đỉnh tải trọng; sau khi đạt đỉnh ứng suất, nhánh suy giảm rơi dốc đứng, vật liệu thể hiện tính phá hoại giòn rõ rệt do hạt nhẹ rỗng bị phá vỡ.

4. Ứng xử uốn của dầm BTNCLNTC so với dầm bê tông nặng thông thường (BTT) cùng cấp cường độ có điểm gì tương đồng và khác biệt?
Về độ võng, dầm BTNCLNTC có độ võng sau nứt phát triển lớn hơn dầm BTT do mô đun đàn hồi thấp hơn. Về khả năng chịu lực, mômen giới hạn phá hoại $M_u$ của dầm BTNCLNTC tương đương dầm BTT cùng kích thước và cốt thép. Về nứt, dầm BTNCLNTC có khoảng cách giữa các vết nứt trung bình ($S_{cr}$) nhỏ hơn và bề rộng khe nứt mịn hơn so với dầm BTT ở đoạn uốn thuần túy.

5. Luận án sử dụng phần mềm nào để mô phỏng số và độ tin cậy của mô hình được đánh giá ra sao?
Luận án sử dụng phần mềm chuyên dụng Response 2000. Dữ liệu đầu vào gồm mô hình ứng suất – biến dạng thực nghiệm đề xuất cho BTNCLNTC và đặc tính cơ học của cốt thép. Kết quả phân tích số cho đường cong quan hệ tải trọng – độ võng và các giá trị mômen tương đồng chặt chẽ với kết quả thí nghiệm thực tế trên hệ dầm, chứng minh độ tin cậy của mô hình lý thuyết.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Ngọc Lan đã giải quyết một cách khoa học và có hệ thống vấn đề chế tạo vật liệu bê tông nhẹ kết cấu từ phế thải phá dỡ công trình xây dựng tại Việt Nam. Công trình xây dựng thành công bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc trưng cơ lý của vật liệu, đồng thời đề xuất mô hình ứng suất – biến dạng hai đoạn thẳng và quan hệ lực dính – độ trượt đặc thù. Thử nghiệm trên các cấu kiện dầm thực tế kết hợp mô phỏng số bằng Response 2000 đã chứng minh dầm BTNCLNTC đạt khả năng chịu uốn tương đương bê tông thông thường và kiểm soát nứt hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu và căn cứ lý thuyết xác đáng để hoàn thiện các quy chuẩn thiết kế, mở ra hướng ứng dụng vật liệu tái chế xanh giảm tải trọng kết cấu trong ngành xây dựng.