Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển xây dựng bền vững và ứng phó với các điều kiện môi trường khắc nghiệt, việc sử dụng vật liệu mới và nguồn nguyên liệu thay thế ngày càng được quan tâm. Tại các vùng ven biển và khu vực bị xâm nhập mặn như tỉnh Bến Tre, nguồn cát sạch truyền thống ngày càng khan hiếm, trong khi đó cát nhiễm mặn có sẵn nhưng chưa được khai thác hiệu quả cho sản xuất bê tông. Theo ước tính, việc sử dụng cát nhiễm mặn trong bê tông có thể góp phần giảm áp lực khai thác cát sạch, đồng thời tận dụng nguồn tài nguyên địa phương. Tuy nhiên, ảnh hưởng của cát nhiễm mặn đến tính chất cơ học và độ bền của bê tông, đặc biệt khi kết hợp với cốt phi kim GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) trong kết cấu bê tông cốt thanh, vẫn còn nhiều vấn đề cần làm rõ.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ứng xử ngắn hạn của sàn bê tông cát nhiễm mặn gia cường bằng cốt phi kim GFRP, bao gồm đánh giá tính chịu nén, chịu kéo, mô đun đàn hồi và độ co ngót của bê tông sử dụng cát nhiễm mặn, đồng thời khảo sát khả năng chịu uốn và mô hình phá hoại của sàn bê tông cát nhiễm mặn có cốt GFRP. Nghiên cứu cũng kiểm chứng độ chính xác của các công thức tính toán trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như ACI 440.1R-15 (2015), ISIS (2007) và CEB-FIB (2007) đối với trường hợp bê tông sử dụng cát nhiễm mặn và cốt GFRP.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu sàn bê tông kích thước 2500x1000x100 mm, bê tông có cường độ nén trung bình 35.5 MPa, với tỷ lệ cốt GFRP thay đổi từ 0.57% đến 0.9%. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong vòng 70 ngày, phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành về kiểm tra tính chất bê tông. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, tiết kiệm tài nguyên cát sạch và nâng cao độ bền, tuổi thọ công trình tại các vùng ven biển bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về vật liệu composite FRP và kết cấu bê tông cốt thanh FRP, bao gồm:

  • Lý thuyết ứng xử vật liệu FRP: Vật liệu FRP gồm hai thành phần chính là nhựa polymer và sợi gia cường (thủy tinh, aramid, carbon). Trong đó, GFRP sử dụng sợi thủy tinh có tính chịu kéo cao, mô đun đàn hồi thấp hơn thép, khả năng chống ăn mòn tốt, phù hợp cho môi trường nhiễm mặn. Tính chất cơ học của GFRP được xác định theo tiêu chuẩn ACI 440.1R-15, với các tham số như mô đun đàn hồi $E_{frp}$, ứng suất kéo giới hạn $f_{fu}$ và biến dạng giới hạn $\varepsilon_{fu}$.

  • Mô hình phân bố ứng suất và biến dạng trong dầm bê tông cốt thanh FRP: Theo tiêu chuẩn ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007), ứng suất trong bê tông và cốt FRP được phân bố theo các giả thiết về mặt cắt phẳng còn nguyên, vùng bê tông chịu nén và vùng chịu kéo được xác định rõ ràng. Mô-men kháng uốn được tính dựa trên diện tích cốt FRP, mô đun đàn hồi và chiều cao vùng nén bê tông.

  • Khái niệm chính:

    • Cát nhiễm mặn: Cát khai thác tại vùng ven biển có chứa các ion clorua, sunfat, magiê, ảnh hưởng đến tính chất bê tông.
    • Bê tông cát nhiễm mặn: Bê tông sử dụng cát nhiễm mặn làm cốt liệu mịn, có đặc tính cơ học và độ bền khác biệt so với bê tông truyền thống.
    • Cốt phi kim GFRP: Thanh cốt gia cường bằng sợi thủy tinh, có khả năng chống ăn mòn, thay thế cho thép trong môi trường mặn.
    • Ứng xử ngắn hạn: Phản ứng cơ học của kết cấu trong thời gian ngắn, bao gồm khả năng chịu lực, biến dạng và hình thái phá hoại.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết, cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm 09 mẫu sàn bê tông cát nhiễm mặn kích thước 2500x1000x100 mm, bê tông có cường độ nén 35.5 MPa, với các tỷ lệ cốt GFRP lần lượt là 0.57%, 0.68% và 0.9%. Các mẫu được chế tạo từ cát nhiễm mặn khai thác tại tỉnh Bến Tre, phối trộn theo tỷ lệ đã được kiểm định.

  • Phương pháp phân tích:

    • Thí nghiệm chịu nén, chịu kéo và đo mô đun đàn hồi bê tông theo tiêu chuẩn ASTM.
    • Thí nghiệm co ngót bê tông trong vòng 70 ngày, đo biến dạng co ngót theo tiêu chuẩn hiện hành.
    • Thí nghiệm uốn sàn theo phương pháp bốn điểm, đo mô-men kháng uốn, biến dạng và quan sát hình thái phá hoại.
    • So sánh kết quả thực nghiệm với các công thức tính toán trong tiêu chuẩn ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007).

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2020, với các giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

  • Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp thực nghiệm cho phép đánh giá chính xác tính chất cơ học và ứng xử thực tế của bê tông cát nhiễm mặn gia cường GFRP, đồng thời kiểm chứng độ tin cậy của các mô hình lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất cơ học của bê tông cát nhiễm mặn: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén trung bình của bê tông cát nhiễm mặn đạt khoảng 35.5 MPa, tương đương với bê tông sử dụng cát sạch truyền thống. Mô đun đàn hồi của bê tông cát nhiễm mặn cũng không có sự khác biệt đáng kể, dao động trong khoảng 25-30 GPa. Độ co ngót trong 70 ngày đo được khoảng 0.6 mm/m, nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn hiện hành.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ cốt GFRP đến khả năng chịu uốn của sàn: Khi tăng tỷ lệ cốt GFRP từ 0.57% lên 0.9%, mô-men kháng uốn của sàn bê tông cát nhiễm mặn tăng lên đến 56%. Kết quả này cho thấy sự gia tăng đáng kể khả năng chịu lực uốn nhờ sử dụng cốt phi kim GFRP.

  3. Hình thái phá hoại và biến dạng: Các mẫu sàn có cốt GFRP thể hiện hình thái phá hoại giòn, với vết nứt xuất hiện rõ ràng tại vùng chịu kéo. Biến dạng cắt dọc và biến dạng bê tông được đo và phân tích cho thấy sự phân bố ứng suất phù hợp với mô hình lý thuyết.

  4. Độ chính xác của các công thức tính toán trong tiêu chuẩn: So sánh kết quả thực nghiệm với các công thức trong ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007) cho thấy các công thức này dự đoán mô-men kháng uốn ổn định và thường thấp hơn kết quả thực nghiệm, đảm bảo tính an toàn khi áp dụng thiết kế. Tỷ lệ sai số trung bình dưới 10%, phù hợp để áp dụng trong thiết kế thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự tương đồng về tính chất cơ học giữa bê tông cát nhiễm mặn và bê tông truyền thống có thể do thành phần khoáng vật và kích thước hạt cát nhiễm mặn phù hợp, không làm giảm liên kết trong bê tông. Độ co ngót nằm trong giới hạn cho phép chứng tỏ cát nhiễm mặn không gây ra hiện tượng co ngót quá mức, đảm bảo độ bền lâu dài.

Việc tăng tỷ lệ cốt GFRP làm tăng đáng kể khả năng chịu uốn của sàn là do đặc tính chịu kéo cao và khả năng chống ăn mòn của GFRP, phù hợp với môi trường nhiễm mặn. Hình thái phá hoại giòn và sự phân bố biến dạng phù hợp với các mô hình ứng suất cho thấy tính khả thi của việc sử dụng cốt GFRP trong bê tông cát nhiễm mặn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về bê tông cốt GFRP sử dụng cát sạch, kết quả nghiên cứu này bổ sung thêm dữ liệu về ứng dụng cát nhiễm mặn, mở rộng phạm vi áp dụng vật liệu. Việc các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành có thể áp dụng cho bê tông cát nhiễm mặn gia cường GFRP giúp đơn giản hóa công tác thiết kế và thi công, đồng thời đảm bảo an toàn kết cấu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mô-men kháng uốn theo tỷ lệ cốt GFRP, bảng so sánh kết quả thực nghiệm và tính toán, cũng như hình ảnh mô tả hình thái phá hoại và phân bố vết nứt trên sàn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng cát nhiễm mặn trong sản xuất bê tông tại vùng ven biển nhằm giảm áp lực khai thác cát sạch, tiết kiệm tài nguyên và giảm chi phí vật liệu. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới tại khu vực Bến Tre và các tỉnh lân cận.

  2. Áp dụng cốt phi kim GFRP thay thế cốt thép truyền thống trong kết cấu bê tông chịu môi trường mặn để nâng cao độ bền, chống ăn mòn và kéo dài tuổi thọ công trình. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế, nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư.

  3. Sử dụng các công thức tính toán trong tiêu chuẩn ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007) cho thiết kế bê tông cốt GFRP sử dụng cát nhiễm mặn nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Thời gian áp dụng: áp dụng trong các quy trình thiết kế và thẩm định kỹ thuật.

  4. Tăng cường nghiên cứu và phát triển vật liệu bê tông cát nhiễm mặn kết hợp cốt GFRP để mở rộng ứng dụng trong các loại kết cấu khác như dầm, cột, vách chịu lực. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư, công nhân về kỹ thuật thi công và bảo dưỡng kết cấu bê tông cốt GFRP sử dụng cát nhiễm mặn nhằm đảm bảo chất lượng công trình và phát huy tối đa hiệu quả vật liệu mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nắm bắt kiến thức về vật liệu mới, phương pháp tính toán và ứng dụng bê tông cốt GFRP sử dụng cát nhiễm mặn, giúp thiết kế công trình bền vững, tiết kiệm chi phí.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Hiểu rõ đặc tính vật liệu, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng bê tông cốt GFRP, đảm bảo thi công đúng kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực xây dựng: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm, mô hình lý thuyết và phân tích chuyên sâu về vật liệu composite và bê tông cát nhiễm mặn, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc sử dụng vật liệu mới, đưa ra quyết định đầu tư phù hợp với điều kiện môi trường và yêu cầu bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông sử dụng cát nhiễm mặn có ảnh hưởng đến độ bền không?
    Theo kết quả nghiên cứu, bê tông cát nhiễm mặn có cường độ nén và mô đun đàn hồi tương đương bê tông truyền thống, độ co ngót nằm trong giới hạn cho phép, do đó không ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền ngắn hạn.

  2. Cốt phi kim GFRP có ưu điểm gì so với thép trong môi trường mặn?
    GFRP có khả năng chống ăn mòn vượt trội, trọng lượng nhẹ, chịu kéo cao và không bị gỉ sét, giúp tăng tuổi thọ kết cấu và giảm chi phí bảo trì trong môi trường nhiễm mặn.

  3. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành có áp dụng cho bê tông cát nhiễm mặn không?
    Các công thức trong ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007) được kiểm chứng phù hợp và an toàn khi áp dụng cho bê tông cát nhiễm mặn gia cường GFRP, với sai số dự đoán dưới 10%.

  4. Tỷ lệ cốt GFRP ảnh hưởng thế nào đến khả năng chịu uốn của sàn?
    Tăng tỷ lệ cốt GFRP từ 0.57% lên 0.9% làm tăng mô-men kháng uốn của sàn lên đến 56%, cải thiện đáng kể khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu.

  5. Có thể sử dụng bê tông cát nhiễm mặn và cốt GFRP cho các loại kết cấu khác không?
    Nghiên cứu hiện tại tập trung vào sàn bê tông, tuy nhiên kết quả mở ra khả năng ứng dụng cho dầm, cột và vách chịu lực, cần nghiên cứu thêm để mở rộng phạm vi áp dụng.

Kết luận

  • Bê tông sử dụng cát nhiễm mặn có tính chất cơ học tương đương bê tông truyền thống, phù hợp cho sản xuất bê tông xây dựng tại vùng ven biển.
  • Cốt phi kim GFRP gia cường giúp tăng khả năng chịu uốn của sàn bê tông cát nhiễm mặn lên đến 56%, đồng thời chống ăn mòn hiệu quả trong môi trường mặn.
  • Các công thức tính toán trong tiêu chuẩn ACI 440.1R-15, ISIS (2007) và CEB-FIB (2007) được xác nhận phù hợp và an toàn khi áp dụng cho bê tông cát nhiễm mặn gia cường GFRP.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao tuổi thọ công trình tại các khu vực bị xâm nhập mặn.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại kết cấu khác và đào tạo kỹ thuật thi công, bảo dưỡng nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế và thi công các công trình ven biển, đồng thời triển khai nghiên cứu mở rộng và đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật.

Luận văn này cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển và ứng dụng bê tông cát nhiễm mặn gia cường cốt phi kim GFRP trong xây dựng hiện đại.