CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Đi cùng với sự phát triển xã hội hiện đại ngày nay, công cuộc đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển khoa học kỹ thuật đa ngành nghề trên toàn cầu đã tạo nên rất nhiều thành tựu có ý nghĩa quan trọng. Trong đó, các thành tựu từ công nghệ in 3D có thể áp dụng một cách hiệu quả ở đa ngành nghề. Các sản phẩm in 3D rất đa dạng về vật liệu cấu tạo, kích thước và hình dáng hình học từ đơn giản đến phức tạp. Trong ngành công nghiệp xây dựng, công nghệ in 3D hiện nay đã và đang được đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo và áp dụng tại nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới.
Công nghệ in 3D trong chế tạo các sản phẩm có cấu trúc phức tạp [1] Theo Wikipedia thuật ngữ “In 3D trong xây dựng” có khái niệm rất đa dạng. In 3D Xây dựng (C3DP) hoặc In Xây dựng 3D (3DCP) đề cập đến các công nghệ khác nhau sử dụng in 3D 10 Luan van làm phương pháp cốt lõi để chế tạo các tòa nhà hoặc các cấu kiện xây dựng. Các thuật ngữ thay thế cũng được sử dụng, chẳng hạn như Sản xuất đắp dần quy mô lớn (LSAM), hoặc Xây dựng tự do (FC), cũng liên quan đến các nhóm phụ như 'Bê tông 3D', được sử dụng để chỉ các công nghệ ép đùn bê tông. [2] Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để khái niệm về Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ sản xuất đắp dần, Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp,.
Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials – ASTM) thì “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Các ứng dụng của công nghệ 3D ngày càng được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau, từ các lĩnh vực vĩ mô như hàng không, vũ trụ, quốc phòng đến các ngành nghề cơ bản như y tế, giáo dục, nghệ thuật, thời trang hay cả ẩm thực, đồ dùng sinh hoạt gia đình, … Trong đó công nghệ in 3D trong ngành xây dựng hiện nay tuy chỉ mới nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn đầu nhưng đã cho một số kết quả khả quan. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng có thể in ra các mô hình kiến trúc, thiết kế căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế. Vật liệu áp dụng phổ biến nhất cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay chủ yếu là nhựa, cát hoặc bê tông.
Với rất nhiều nỗ lực nghiên cứu để nâng cao về chất lượng, tốc độ, chi phí vật liệu, chi phí lao động và cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động đến môi trường thì công nghệ in 3D đã và đang dần chứng minh tính hiệu quả cao trong lĩnh vực xây dựng hiện nay. Bên cạnh những nghiên cứu áp dụng cho công nghệ in 3D trong xây dựng thì nghiên cứu về vật liệu xây dựng phục vụ cho in 3D đang được chú trọng và ứng dụng đa dạng nhiều loại vật liệu khác nhau. Để đáp ứng được tính công tác của cấp phối trong quá trình in, để đạt được giá trị cường độ chịu lực cao thì sử dụng các loại phụ gia bổ sung vào cấp phối đang là giải pháp được 11 Luan van lựa chọn rất nhiều trong các cấp phối bê tông dành cho công nghệ in 3D hiện nay. Với từng loại phụ gia cũng như hàm lượng phối trộn mà cấp phối thành phẩm đạt được các yêu cầu khác nhau của người sử dụng và góp phần hoàn thiện hơn cho công nghệ in 3D trong xây dựng hiện nay.
Ngoài những nguồn vật liệu truyền thống như chất kết dính là xi măng, cốt liệu là cát đá thì các loại phụ gia có thể được nghiên cứu và áp dụng phối trộn vào trong thành phần cấp phối như phụ gia khoáng hoặc các loại phụ gia hóa học. Thành phần các loại phụ gia khoáng thông thường có thể là các phụ phẩm trong các ngành công nghiệp khác như phụ phẩm tro bay trong ngành công nghiệp nhiệt đện, … Khi các loại phụ phẩm này được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi sẽ mang lại lợi ích rất lớn về việc giảm lượng chất thải gây ô nhiễm môi trường và góp phần đa dạng các nguồn nguyên vật liệu in, phù hợp với từng địa phương, vùng, lãnh thổ, v. Render mô phỏng công nghệ in 3D cho các ngôi nhà nhỏ [3] 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Xuất phát từ các ứng dụng y tế đến hàng không, vũ trụ cũng như thành tựu cho các sự phát triển của rất nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác trong đời sống, Fatemeh Hamidi và Farhad Aslani [4] đã nghiên cứu về công nghệ sản xuất bồi đắp (AM), thường được gọi là in 3D, đã cách mạng hóa các ngành công nghiệp sản xuất và xây dựng. Bên cạnh nhiều ưu điểm và lợi ích, Fatemeh 12 Luan van Hamidi và Farhad Aslani đã chỉ ra đối với khoa học vật liệu xây dựng, nhiều thách thức được đặt ra đòi hỏi phải được giải quyết.
Các yếu tố then chốt khi sử dụng công nghệ này là phát triển vật liệu xi măng tổng hợp thông minh sao cho thích hợp cho quá trình in kết cấu 3D. Sử dụng phụ gia cho xi măng là một trong những giải pháp đảm bảo chất lượng trong quá trình in 3D. Peng Wu đã đánh giá về tầm quan trọng của công nghệ in 3D trong lĩnh vực xây dựng. Tác giả phân tích và đưa ra đánh giá về khả năng tùy biến được tăng lên, thời gian xây dựng, nhân lực và chi phí xây dựng giảm đi.
Bên cạnh đó tác giả cũng chỉ ra về một số lưu ý cần khắc phục là các thử nghiệm và cải tiến công nghệ còn rời rạc, mức độ hiểu biết về công nghệ chưa được tối ưu, tiềm năng triển khai các dự án xây dựng sử dụng công nghệ in 3D bị hạn chế, … Do đó cần phải hiểu rõ về công nghệ để khắc phục khuyết điểm và ứng dụng tốt hơn trong tương lai. [5] So sánh với phương pháp thi công truyền thống, sản phẩm in 3D giảm được lượng vật liệu thừa, chi phí ván khuôn và tối thiểu hóa nguồn nhân lực. Với kết quả đạt được trong nghiên cứu của Rouhana [6] đã chỉ ra rằng chi phí có thể giảm đến 40% tổng ngân sách cho quá trình xây dựng. Peng Feng và các cộng sự đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D sử dụng vữa gốc xi măng.
Tác giả thực hiện các thí thí nghiệm nén và uốn mẫu để xác định các tính chất cơ học của sản phẩm in 3D và dát mỏng các lớp in với độ định hướng rõ ràng. Kết quả thu được là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cũng như mức độ hỏng hóc và phá hủy của sản phẩm chịu sự ảnh hưởng rất lớn từ hướng in (in theo chiều dài hoặc in theo chiều rộng của sản phẩm in)[7]. Yi Wei Tay cùng các cộng sự [8] đã thêm các thành phần phụ gia khoáng như Tro bay, Silica Fume theo các hàm lượng và tỷ lệ khác nhau trong cấp phối vữa cho công nghệ in 3D. Kết quả cho thấy trong sáu cấp phối, các tác giả đã đưa ra cấp phối thứ tư là cấp phối tối ưu nhất về khả năng chịu lực, cụ thể là lực cắt.
Cấp phối được lựa chọn có hàm lượng tro bay và phụ gia Silicafume lần lượt chiếm 7% và 3.6% trên tổng khối lượng cấp phối. Độ bền chống cắt đạt trong phạm vi từ 0.0 kPa và theo các tác giả đây là độ bền phù hợp khi phải tạo mẫu in thành công 13 Luan van mà không gặp bất kỳ khó khăn về tính công tác cũng như không gây hư hỏng, các khuyết tật cho sản phẩm. Ngoài ra các tác giả còn làm thí nghiệm kiểm tra khả năng xây dựng của các cấp phối khi liên tục rải các lớp in theo từng mốc thời gian giống nhau. Thí nghiệm kiểm tra khả năng giữ ổn định hình dáng của khối in [8] S.
Buswell cùng các cộng sự [9] đã thực hiện phối trộn vữa xi măng và thạch cao làm nguồn vật liệu in 3D, cường độ chịu nén của cấp phối có sử dụng kết hợp thạch cao mang lại kết quả rất khả quan, đạt từ 100-110 MPa. Vòi in hình tròn được thay đổi linh hoạt với đường kính dao động từ 4-22 mm, khối lượng riêng của bê tông in 3D của các tác giả thí nghiệm là 2300kg/m3. Sản phẩm được tạo ra có độ bền cao, cường độ chịu uốn có thể dẻo dai gấp ba lần so với các cấp phối vữa thông thường và sản phẩm cũng đạt cường độ chịu nén tốt.Lim cũng chỉ ra đối với những cấp phối càng có nhiều lỗ rỗng bên trong các lớp in sẽ gây giảm đến 20% cường độ chịu lực của các lớp in. Malaeb cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo đến tính chảy và khả năng xây dựng của vữa gốc xi măng.
Theo báo cáo, trong hỗn hợp có tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn, hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao (0,95% đến 2,5% so với trọng lượng nước) sẽ làm tăng cường độ nén và độ chảy của hỗn hợp nhưng nó làm giảm khả năng xây dựng các lớp in một cách đáng kể. Tỷ lệ nước-xi măng và hàm lượng phụ gia siêu dẻo tối ưu (khả năng chảy tốt hơn và khả 14 Luan van năng xây dựng) được tìm thấy lần lượt là khoảng 0,39 và 1,9% dành cho máy in 3D có đường kính vòi phun 2 cm, được sử dụng để xây tường cao 10cm mà không có bất kỳ sự cố hỏng hóc nào.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện chưa tìm thấy các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.3 Tính cấp thiết của đề tài 1.1 Vấn đề về môi trường Tính đến thời điểm hiện nay, nguồn thủy điện trên toàn quốc về cơ bản đã khai thác gần hết, chỉ còn một số dự án mở rộng và các công trình thủy điện vừa và nhỏ. Trong khi theo Quy hoạch phát triển điện lưới quốc gia năm 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII), dự báo tốc độ tăng trưởng sản lượng điện vẫn ở mức trên 10%/năm, gần gấp đôi so với tốc độ tăng trưởng GDP cả nước.