Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D đã trở thành một trong những bước tiến quan trọng trong ngành xây dựng hiện đại, với khả năng tạo ra các cấu kiện xây dựng phức tạp, tiết kiệm thời gian và chi phí. Theo báo cáo của ngành, việc ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng có thể giảm tới 40% chi phí tổng thể so với phương pháp truyền thống, đồng thời rút ngắn thời gian thi công từ nhiều tuần xuống còn khoảng 1 tuần đến 10 ngày cho các công trình vừa và nhỏ. Tuy nhiên, để công nghệ này phát huy tối đa hiệu quả, vật liệu xây dựng phục vụ in 3D cần đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về tính công tác và khả năng giữ hình dạng sau khi in.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối vữa phục vụ công nghệ in 3D, nhằm đảm bảo độ linh động, tính công tác trong quá trình nhào trộn và in, đồng thời sau khi in các lớp vữa nhanh chóng hóa rắn, giữ nguyên hình dạng, không bị hư hỏng hay biến dạng. Nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020, sử dụng nguyên vật liệu địa phương như xi măng PCB40 và cát vàng Bình Dương, nhằm phát triển vật liệu phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là xác định các yêu cầu về tính công tác của vật liệu xây dựng phục vụ in 3D, thiết kế cấp phối vữa tối ưu, và đánh giá các đặc tính cơ lý như độ lưu động, cường độ chịu nén và chịu uốn của các cấp phối. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần đa dạng hóa ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng mà còn hỗ trợ giảm nhân công, tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng công trình, đồng thời tạo nền tảng cho phát triển công nghiệp xây dựng tự động trong thời đại công nghiệp 4.0.

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 công nghệ in 3D và vật liệu xây dựng, bao gồm:

  • Lý thuyết công nghệ in 3D: Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (ASTM), công nghệ in 3D là quá trình sản xuất đắp dần, tạo mô hình 3D bằng cách chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, trái ngược với phương pháp cắt gọt truyền thống. Công nghệ này cho phép sản xuất các cấu kiện phức tạp với độ chính xác cao, tiết kiệm vật liệu và thời gian.

  • Lý thuyết về tính công tác của vật liệu xây dựng: Tính công tác của vữa bao gồm độ lưu động, khả năng giữ hình dạng và độ ổn định trong quá trình thi công. Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm tỷ lệ nước/xi măng, hàm lượng xi măng, kích thước và phân bố hạt cốt liệu, cũng như sự phối trộn phụ gia.

  • Mô hình cấp phối vữa cho in 3D: Thiết kế cấp phối vữa với hàm lượng xi măng cao (từ 36,67% đến 45,67% tổng khối lượng) nhằm đảm bảo tính công tác và cường độ sau khi in. Mô hình này cân bằng giữa khả năng đùn vữa, giữ hình dạng lớp in và tiết kiệm chi phí vật liệu.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: độ lưu động (đo bằng phương pháp bàn dằn), cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, khối lượng thể tích hỗn hợp vữa tươi, và các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác như hàm lượng chất kết dính, tỷ lệ nước/xi măng, tốc độ rải lớp in.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích tài liệu khoa học trong và ngoài nước. Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Nguyên vật liệu địa phương: xi măng PCB40, cát vàng Bình Dương, nước sinh hoạt.

  • Các cấp phối vữa được thiết kế với hàm lượng xi măng thay đổi từ 36,67% đến 45,67%, tỷ lệ nước/xi măng dao động khoảng 0,35 đến 0,40.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thí nghiệm độ lưu động: Đo bằng phương pháp bàn dằn theo TCVN 3121-2003, xác định tính dễ chảy của hỗn hợp vữa tươi.

  • Thí nghiệm cường độ chịu nén và chịu uốn: Mẫu vữa kích thước 40x40x160 mm được bảo dưỡng ẩm 7 ngày, sau đó thử nghiệm theo TCVN 3121-2003.

  • Xác định khối lượng thể tích: Tính toán dựa trên tỷ số khối lượng và thể tích mẫu vữa tươi.

  • Quy trình tạo mẫu và in 3D: Sử dụng thiết bị đùn vữa với vòi in hình chữ nhật, kích thước lớp in 90x35x2 cm, áp lực đùn khoảng 700-800N, tốc độ vòi in 50 mm/s.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thiết kế cấp phối, thực hiện thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ lưu động của hỗn hợp vữa tươi: Độ lưu động đo bằng phương pháp bàn dằn cho các cấp phối CP1 đến CP4 dao động từ 14,3 cm đến 16,5 cm, trong đó CP1 có độ lưu động cao nhất (16,5 cm) và CP2 thấp nhất (14,3 cm). Tất cả các cấp phối đều đảm bảo tính dễ chảy phù hợp cho quá trình in 3D.

  2. Cường độ chịu nén: Cường độ chịu nén của các cấp phối dao động từ 42 N/mm² (CP1) đến 53,7 N/mm² (CP2). Cấp phối CP2, với hàm lượng xi măng giảm 20% so với CP1 và tỷ lệ nước/xi măng là 0,35, đạt cường độ chịu nén tối ưu, cho thấy sự phối trộn hợp lý giúp tăng độ đặc chắc và cường độ.

  3. Cường độ chịu uốn: Cường độ chịu uốn dao động từ 0,8 N/mm² đến 1,194 N/mm², trong đó CP4 có cường độ chịu uốn cao nhất với hàm lượng xi măng giảm 40% so với CP1 và tỷ lệ nước/xi măng 0,36. Điều này cho thấy giảm hàm lượng xi măng không nhất thiết làm giảm cường độ uốn nếu tỷ lệ phối trộn được tối ưu.

  4. Khối lượng thể tích hỗn hợp vữa tươi: Khối lượng thể tích tăng dần từ 2097 kg/m³ (CP1) đến 2188 kg/m³ (CP4), phản ánh sự gia tăng tỷ lệ cát trong cấp phối khi giảm hàm lượng xi măng. Khối lượng thể tích cao giúp tăng tính ổn định và khả năng giữ hình dạng lớp in.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước/xi măng là hai yếu tố quyết định đến tính công tác và cường độ của vật liệu in 3D. Hàm lượng xi măng cao giúp hỗn hợp nhanh chóng đóng rắn, tăng cường độ chịu lực, nhưng cũng làm giảm tính linh hoạt và dễ gây vón cục khi in. Ngược lại, giảm hàm lượng xi măng và điều chỉnh tỷ lệ nước hợp lý giúp duy trì tính công tác tốt, giảm chi phí vật liệu mà vẫn đảm bảo cường độ cần thiết.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng cấp phối vữa có hàm lượng xi măng cao và tỷ lệ nước thấp để đảm bảo khả năng đùn và giữ hình dạng lớp in. Việc kiểm soát tốc độ rải lớp in và áp lực đùn cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp in, tránh hiện tượng đứt đoạn hoặc đùn vữa không đều.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ lưu động, cường độ chịu nén và chịu uốn theo từng cấp phối, giúp trực quan hóa sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến tính chất vật liệu. Bảng tổng hợp khối lượng thể tích cũng minh họa sự thay đổi về tỷ lệ cốt liệu trong hỗn hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước/xi măng: Khuyến nghị sử dụng cấp phối với hàm lượng xi măng khoảng 36-40% và tỷ lệ nước/xi măng từ 0,35 đến 0,40 để cân bằng giữa tính công tác và cường độ. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị nghiên cứu vật liệu xây dựng đảm nhiệm.

  2. Kiểm soát quy trình in 3D: Đề xuất áp dụng áp lực đùn ổn định từ 700-800N và tốc độ vòi in khoảng 50 mm/s để đảm bảo lớp in đồng nhất, tránh đứt đoạn hoặc đùn vữa không đều. Thời gian triển khai trong 3 tháng, do các nhà thầu thi công công nghệ in 3D thực hiện.

  3. Sử dụng nguyên vật liệu địa phương: Khuyến khích tận dụng cát vàng và xi măng PCB40 tại địa phương nhằm giảm chi phí vận chuyển và tăng tính bền vững môi trường. Chủ thể thực hiện là các nhà cung cấp vật liệu xây dựng trong vòng 1 năm.

  4. Đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ in 3D và vật liệu xây dựng cho kỹ sư, công nhân nhằm nâng cao chất lượng thi công và vận hành máy móc. Thời gian thực hiện liên tục, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhiệm.

  5. Nghiên cứu phát triển phụ gia và vật liệu thay thế: Khuyến nghị nghiên cứu thêm các loại phụ gia khoáng hoặc hóa học để giảm hàm lượng xi măng mà vẫn đảm bảo tính công tác và cường độ, góp phần giảm chi phí và tác động môi trường. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu vật liệu xây dựng thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp thiết kế cấp phối vữa phục vụ in 3D, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng.

  2. Doanh nghiệp và nhà thầu thi công công nghệ in 3D: Thông tin về các cấp phối vữa tối ưu, quy trình in và các yếu tố ảnh hưởng giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và thời gian thi công.

  3. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn về vật liệu và công nghệ in 3D, thúc đẩy phát triển ngành xây dựng tự động hóa.

  4. Các nhà cung cấp vật liệu xây dựng: Thông tin về yêu cầu kỹ thuật và thành phần cấp phối giúp phát triển sản phẩm vật liệu phù hợp với công nghệ in 3D, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ in 3D trong xây dựng có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Công nghệ in 3D giúp giảm thời gian thi công từ nhiều tuần xuống còn khoảng 1 tuần đến 10 ngày, giảm nhân công giám sát chỉ còn 1-2 người, tiết kiệm chi phí vật liệu và ván khuôn, đồng thời tạo ra các cấu kiện phức tạp mà phương pháp truyền thống khó thực hiện.

  2. Tại sao hàm lượng xi măng lại quan trọng trong cấp phối vữa cho in 3D?
    Hàm lượng xi măng cao giúp hỗn hợp vữa nhanh chóng đóng rắn, tăng cường độ chịu lực và giữ hình dạng lớp in. Tuy nhiên, nếu quá cao sẽ làm hỗn hợp nhanh khô, dễ vón cục, gây khó khăn trong quá trình in.

  3. Làm thế nào để đảm bảo tính công tác của vữa trong quá trình in 3D?
    Cần điều chỉnh tỷ lệ nước/xi măng hợp lý (khoảng 0,35-0,40), sử dụng cốt liệu có kích thước phù hợp, phối trộn đồng đều và kiểm soát tốc độ rải lớp in, áp lực đùn để tránh hiện tượng vữa bị khô hoặc chảy nhão.

  4. Khối lượng thể tích của hỗn hợp vữa ảnh hưởng thế nào đến chất lượng in 3D?
    Khối lượng thể tích cao giúp tăng tính ổn định và khả năng giữ hình dạng lớp in, giảm biến dạng và sụp đổ trong quá trình xếp chồng các lớp vữa.

  5. Có thể sử dụng nguyên vật liệu địa phương cho công nghệ in 3D không?
    Hoàn toàn có thể và nên sử dụng nguyên vật liệu địa phương như xi măng PCB40 và cát vàng Bình Dương để giảm chi phí vận chuyển, tăng tính bền vững và phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.

Kết luận

  • Đã thiết kế và xác định thành phần cấp phối vữa phù hợp cho công nghệ in 3D, đảm bảo tính công tác và cường độ cần thiết.
  • Độ lưu động của hỗn hợp vữa tươi đạt từ 14,3 cm đến 16,5 cm, phù hợp cho quá trình đùn và giữ hình dạng lớp in.
  • Cường độ chịu nén và chịu uốn của các cấp phối đạt mức tối ưu với hàm lượng xi măng từ 36,67% đến 45,67% và tỷ lệ nước/xi măng từ 0,35 đến 0,40.
  • Khối lượng thể tích hỗn hợp vữa tươi dao động từ 2097 đến 2188 kg/m³, ảnh hưởng tích cực đến độ ổn định lớp in.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa cấp phối, quy trình in và đào tạo nhân lực nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu mở rộng về phụ gia và vật liệu thay thế, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để ứng dụng thực tế công nghệ in 3D trong các dự án xây dựng. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển công nghệ xây dựng tự động hóa hiện đại.