Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển xây dựng tại các vùng ven biển và đồng bằng sông Cửu Long, việc sử dụng bê tông cát nhiễm mặn kết hợp với cốt phi kim GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) đang được quan tâm nhằm giải quyết bài toán khan hiếm vật liệu và tăng cường độ bền cho kết cấu bê tông. Theo ước tính, vùng ven biển tỉnh Bến Tre có chiều dài bờ biển khoảng 65 km, chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của xâm nhập mặn, đặc biệt trong các tháng mùa khô. Việc khai thác cát vàng truyền thống gặp nhiều khó khăn do nguồn cát khan hiếm và chi phí vận chuyển cao, dẫn đến nhu cầu thay thế bằng cát nhiễm mặn ngày càng tăng.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào hiện tượng võng và nứt do uốn của sàn bê tông sử dụng cát nhiễm mặn và cốt phi kim GFRP, do đặc tính mô đun đàn hồi thấp của cốt GFRP gây biến dạng lớn. Mục tiêu chính của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ cốt kéo dọc đến hành vi võng và nứt ngắn hạn của sàn bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP, đồng thời kiểm chứng tính hợp lý và độ chính xác của các công thức tính toán hiện hành trong thiết kế kết cấu bê tông cốt GFRP.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020, với 9 mẫu sàn bê tông kích thước 2500x1000x100 mm, tỷ lệ cốt kéo dọc thay đổi từ 0.9%. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chính xác, góp phần phát triển giải pháp kết cấu bê tông thân thiện môi trường, tiết kiệm tài nguyên và phù hợp với điều kiện xâm nhập mặn tại các vùng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hành vi cơ học của kết cấu bê tông cốt FRP, bao gồm:

  • Lý thuyết mô-men quán tính hiệu chỉnh: Các công thức tính mô-men quán tính tiệt diện hiệu chỉnh (Ie) dựa trên mô-men quán tính nguyên (Ig) và mô-men quán tính tiết diện nứt (Icr), được phát triển bởi Branson, Favre & Charif, Benmokrane, Al-Sunna và các tiêu chuẩn ACI 440.1R (2006), CNR DT 203 (2006), ISIS Canada (2007).

  • Công thức tính võng dầm bê tông cốt FRP: Các mô hình tính toán võng dựa trên mô-men uốn, mô đun đàn hồi của bê tông và cốt FRP, cùng hệ số hiệu chỉnh bám dính giữa cốt và bê tông.

  • Công thức tính bề rộng vết nứt: Dựa trên tiêu chuẩn ACI 440.1R (2006), CNR DT 203 (2006) và ISIS Canada (2007), các công thức này tính toán bề rộng vết nứt dựa trên ứng suất kéo trong cốt FRP, khoảng cách giữa các vết nứt và đặc tính vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: mô-men quán tính tiết diện hiệu chỉnh, tỷ lệ cốt kéo dọc, mô đun đàn hồi cốt FRP, bề rộng vết nứt, và hệ số bám dính cốt bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm trên 9 mẫu sàn bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP với các tỷ lệ cốt kéo dọc khác nhau (khoảng 0.9%). Các mẫu được gia công, lắp đặt cảm biến đo biến dạng, võng và vết nứt, sau đó chịu tải uốn theo quy trình chuẩn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo đạc và phân tích biến dạng, võng và bề rộng vết nứt trong trạng thái làm việc và trạng thái giới hạn.

  • So sánh kết quả thực nghiệm với các công thức tính toán hiện hành từ tiêu chuẩn ACI 440.1R (2006), CNR DT 203 (2006) và ISIS Canada (2007).

  • Phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ cốt kéo dọc đến khả năng chịu lực, biến dạng và nứt của sàn.

Cỡ mẫu 9 sàn được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng phân tích so sánh. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt kéo dọc đến khả năng chịu lực: Tăng tỷ lệ cốt kéo dọc từ 0.9% làm tăng đáng kể khả năng chịu uốn của sàn bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP, với mức tăng trung bình khoảng 55.9% so với mẫu có tỷ lệ thấp nhất.

  2. Giảm biến dạng và bề rộng vết nứt: Việc tăng tỷ lệ cốt kéo dọc giúp giảm biến dạng trung bình 76.3% trong trạng thái làm việc và giảm bề rộng vết nứt trung bình 53.7% trong trạng thái giới hạn phá hoại.

  3. Độ chính xác của các công thức tính toán: Công thức dự đoán võng trong trạng thái làm việc có sự phân tán lớn và không ổn định, trong khi ở trạng thái giới hạn, các công thức đều dự đoán võng an toàn. Bề rộng vết nứt dự đoán theo ACI 440.1R (2006), CNR DT 203 (2006) và ISIS Canada (2007) đều lớn hơn giá trị thực nghiệm, đảm bảo tính an toàn khi áp dụng.

  4. Hình thái phá hoại và phát triển vết nứt: Quan sát thí nghiệm cho thấy vết nứt xuất hiện chủ yếu ở vùng kéo, phát triển theo chiều dọc và có xu hướng giảm mật độ khi tăng tỷ lệ cốt kéo dọc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng là do sự gia tăng diện tích cốt kéo dọc, làm tăng mô-men quán tính hiệu chỉnh và khả năng kháng uốn của sàn. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về bê tông cốt FRP, đồng thời bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho bê tông sử dụng cát nhiễm mặn.

Sự phân tán trong dự đoán võng trạng thái làm việc có thể do ảnh hưởng của các yếu tố như bám dính cốt bê tông, đặc tính vật liệu cát nhiễm mặn và sự không đồng nhất của mẫu thử. Việc các công thức dự đoán bề rộng vết nứt lớn hơn thực nghiệm cho thấy các tiêu chuẩn hiện hành có tính bảo thủ, đảm bảo an toàn trong thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ cốt kéo dọc với khả năng chịu lực, biến dạng và bề rộng vết nứt; bảng tổng hợp kết quả thực nghiệm và dự đoán; hình ảnh mô tả hình thái vết nứt và phá hoại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng tỷ lệ cốt kéo dọc GFRP trong thiết kế sàn bê tông cát nhiễm mặn nhằm nâng cao khả năng chịu lực và giảm biến dạng, với mục tiêu tăng cường độ chịu uốn lên khoảng 50-60% trong vòng 1-2 năm tới, do các đơn vị thiết kế và thi công thực hiện.

  2. Áp dụng các công thức tính toán hiện hành của ACI 440.1R (2006), CNR DT 203 (2006) và ISIS Canada (2007) trong thiết kế và kiểm tra sàn bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP, đảm bảo an toàn và hiệu quả, triển khai ngay trong các dự án xây dựng ven biển.

  3. Nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng của đặc tính vật liệu cát nhiễm mặn đến bám dính cốt GFRP và phát triển vết nứt, nhằm hoàn thiện mô hình tính toán, thực hiện trong 3-5 năm tới bởi các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Khuyến khích sử dụng bê tông cát nhiễm mặn kết hợp cốt GFRP trong các công trình xây dựng vùng ven biển và khu vực xâm nhập mặn, nhằm tiết kiệm tài nguyên cát vàng và tăng tuổi thọ công trình, áp dụng rộng rãi trong 5 năm tới bởi các chủ đầu tư và nhà thầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt các phương pháp tính toán và ứng dụng cốt GFRP trong bê tông cát nhiễm mặn, giúp thiết kế kết cấu an toàn, tiết kiệm chi phí.

  2. Nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ đặc tính vật liệu và quy trình thi công sàn bê tông sử dụng cốt GFRP, đảm bảo chất lượng và độ bền công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết để phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu mới và kết cấu bê tông.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc sử dụng bê tông cát nhiễm mặn kết hợp cốt GFRP, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao sử dụng cốt GFRP thay cho thép trong bê tông cát nhiễm mặn?
    Cốt GFRP có khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường nhiễm mặn, mô đun đàn hồi thấp giúp giảm ứng suất tập trung, đồng thời trọng lượng nhẹ và tính cách điện tốt, phù hợp với điều kiện ven biển.

  2. Các công thức tính võng và nứt có áp dụng chính xác cho bê tông cát nhiễm mặn không?
    Theo kết quả nghiên cứu, các công thức hiện hành dự đoán bề rộng vết nứt lớn hơn thực nghiệm, đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, dự đoán võng trong trạng thái làm việc còn phân tán, cần nghiên cứu bổ sung.

  3. Tỷ lệ cốt kéo dọc ảnh hưởng thế nào đến hành vi sàn bê tông?
    Tăng tỷ lệ cốt kéo dọc làm tăng khả năng chịu uốn, giảm biến dạng và bề rộng vết nứt, cải thiện độ bền và độ bền dịch vụ của sàn bê tông.

  4. Có thể sử dụng bê tông cát nhiễm mặn trong các công trình dân dụng không?
    Có thể, nếu kết hợp với cốt GFRP để khắc phục các vấn đề về ăn mòn và giảm tuổi thọ do ion clorua, giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên cát vàng.

  5. Thời gian nghiên cứu và áp dụng kết quả là bao lâu?
    Nghiên cứu thực nghiệm kéo dài khoảng 10 tháng, kết quả có thể áp dụng ngay trong thiết kế và thi công các công trình ven biển trong vòng 1-2 năm tới.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tích cực của tỷ lệ cốt kéo dọc GFRP đến khả năng chịu lực, biến dạng và bề rộng vết nứt của sàn bê tông cát nhiễm mặn.
  • Các công thức tính toán hiện hành đảm bảo an toàn khi áp dụng cho bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP, đặc biệt trong trạng thái giới hạn phá hoại.
  • Kết quả thực nghiệm cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế và thi công kết cấu bê tông thân thiện môi trường tại vùng ven biển.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi bê tông cát nhiễm mặn kết hợp cốt GFRP trong xây dựng nhằm tiết kiệm tài nguyên và tăng tuổi thọ công trình.
  • Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng đặc tính vật liệu cát nhiễm mặn đến bám dính và phát triển vết nứt để hoàn thiện mô hình tính toán.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu trong các dự án thực tế, đồng thời các nhà nghiên cứu tiếp tục mở rộng nghiên cứu về vật liệu và kết cấu bê tông cát nhiễm mặn sử dụng cốt GFRP.