Kết cấu bê tông được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm: giá thành thấp do được cấu thành từ các vật liệu tự nhiên sẵn có như cát, đá, sỏi…, khả năng chịu lực lớn, độ bền cao, dễ tạo hìn
TỔNG QUAN
Nguồn gốc bê tông
Bê tông là một loại đá nhân tạo được hình thành bằng cách trộn các thành phần cốt liệu thô và cốt liệu mịn với chất kết dính theo một tỷ lệ nhất định, được gọi là cấp phối bê tông Trong bê tông, chất kết dính gồm xi măng và nước (kèm theo phụ gia nếu có) đóng vai trò liên kết các cốt liệu thô như đá, sỏi và cốt liệu mịn như cát, đá xay để khi đóng rắn tạo thành một khối cứng như đá.
Bê tông được sử dụng rộng rãi nhờ nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành thấp nhờ các vật liệu tự nhiên sẵn có như cát, đá và sỏi, khả năng chịu lực lớn, độ bền cao và dễ tạo hình; đồng thời nó có khả năng chống cháy tốt vì dưới 400 °C cường độ bê tông không suy giảm đáng kể, và đặc tính hấp thụ năng lượng nhờ khối lượng lớn Vì vậy, bê tông đã được sử dụng phổ biến từ thời La Mã cổ đại và ngày nay vẫn là vật liệu thông dụng khi kết hợp với các loại vật liệu khác, đặc biệt là thép để tăng thêm khả năng chịu lực cho các cấu kiện trong công trình xây dựng dân dụng và công trình giao thông.
Các nghiên cứu sử dụng vụn bê tông
Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về bê tông tái chế và sử dụng phụ gia tro bay dựa trên cơ sở thực nghiệm và lý thuyết Các kết quả cho thấy tro bay có tiềm năng cải thiện cường độ, độ ổn định và khả năng chống thấm của bê tông khi được phối trộn với liều lượng phù hợp, đồng thời góp phần giảm lượng xi măng và phát thải CO2 Nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến tính công tác, thời gian đông kết và tuổi thọ của cấu kiện, từ đó gợi ý các phương án tối ưu hóa phối liệu và thi công Việc áp dụng bê tông tái chế và tro bay có thể nâng cao tính bền vững của ngành xây dựng, đồng thời thúc đẩy tái sử dụng vật liệu và giảm tác động môi trường Tuy vậy, vẫn còn yêu cầu về chuẩn hóa quy trình, xác định liều lượng tối ưu và khả năng mở rộng ứng dụng, được làm rõ thông qua kết hợp thí nghiệm và mô phỏng lý thuyết, nhằm mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật cao trong thực tế.
Mahdi Arezoumandi và cộng sự đã thực nghiệm kiểm tra cường độ uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng 100% cốt liệu bê tông tái chế (RCA) so với dầm dùng hoàn toàn cốt liệu tự nhiên (CC) Về hình thái và diễn tiến của vết nứt, các vết nứt trên dầm RCA có khoảng cách gần nhau hơn so với dầm CC Dầm RCA cho thấy moment gây nứt thấp hơn khoảng 7% so với dầm CC, nhưng không có sự khác biệt đáng kể nào ở moment đàn hồi giữa hai loại dầm Về ứng xử tải trọng – chuyển vị, dầm RCA có độ cứng sau khi nứt thấp hơn và do đó võng lớn hơn so với dầm CC Khả năng uốn của dầm RCA tương đương với dầm CC, cho thấy các thiết kế hiện hành dự đoán tương đối chính xác khả năng chịu uốn của dầm RCA Phương pháp MCFT (Modified Compression Field Theory, Response 2000) cho thấy cường độ chịu uốn dự đoán của dầm CC và RCA khoảng 15%, nhưng đánh giá thấp độ võng của cả hai dầm.
Khoảng 35% liên quan đến CC và RCA; cả kết quả thử nghiệm hỗn hợp CC và RCA đều nằm trong khoảng tin cậy 95% của đường cong hồi quy phi tuyến tính được hiệu chỉnh cho cơ sở dữ liệu thử nghiệm uốn dầm CC.
Trong nghiên cứu của Salomon M Levy và Paulo Helene, độ bền của bê tông được đánh giá khi cốt liệu tái chế thay thế ở mức 20%, 50% và 100% Kết quả cho thấy sự giảm phản ứng cacbonat hóa khi thay thế 20% hoặc 50% cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu tái chế, và tương tự đối với bê tông CRMA khi thay thế 100% cốt liệu, cho thấy phản ứng cacbonat hóa phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của bê tông hơn là các yếu tố vật lý Khi cốt liệu tự nhiên được thay bằng 20% cốt liệu tái chế từ bê tông phế thải, bê tông tái chế có thể đạt hoạt động tương tự hoặc thậm chí tốt hơn bê tông tham chiếu về các đặc tính được nghiên cứu Vì thế, bê tông tái chế có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, góp phần bảo vệ môi trường và có thể đạt hiệu suất cuối cùng tương tự bê tông thông thường với chi phí có thể thấp hơn.
Trong nghiên cứu của tác giả Yasmin Hefni và các cộng sự, ảnh hưởng của quá trình hoạt hóa tro bay được đánh giá trên các tính chất cơ học của bê tông khi tỷ lệ thay thế xi măng Portland bằng tro bay ở mức 40% Kết quả cho thấy chất hoạt hóa Na2SiO3 là chất hoạt hóa vượt trội đối với tro bay về tăng cường độ nén, kéo đứt và độ uốn của bê tông, bên cạnh đó cường độ bê tông còn tăng lên đáng kể khi ở nhiệt độ cao Việc sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng có thể làm giảm cường độ bê tông ở tuổi đầu, tuy nhiên một cải thiện đáng kể được quan sát từ tuổi 56 đến 180 ngày.
Trong nghiên cứu của A Fuzail Hashmi và cộng sự về khả năng chịu uốn của dầm và sàn bê tông cốt thép dùng tro bay, trạng thái chảy dẻo và tới hạn của bê tông có tro bay thể hiện xu hướng tương tự như bê tông không tro bay Các mômen nứt đáng kể và khả năng chịu tải của dầm và bản chứa tới 40% tro bay được quan sát, đặc biệt ở cấp bê tông cao hơn Hiệu suất uốn của các phần tử bê tông HVFA được cải thiện khi tăng cường độ của bê tông Dầm và tấm bê tông HVFA cho thấy khả năng sử dụng lên tới 40% tro bay thay thế trong cấp phối bê tông cao hơn Tuy nhiên, tỷ lệ giảm khả năng chịu tải tới cùng của dầm và tấm BTCT chứa HVFA so với không tro bay được quan sát chủ yếu ở các hỗn hợp bê tông cao hơn Bản chất của các dạng vết nứt phát triển trong dầm và tấm BTCT tương tự nhau ở cả hai loại bê tông, nhưng chiều rộng vết nứt lại lớn hơn ở các phần tử HVFA.
Các tác giả Faiz U.A Shaikh và Steve W.M Supit đã nghiên cứu độ bền và cường độ nén của bê tông chứa tro bay (HVFA) và tro bay siêu mịn (UFFA) HVFA chứa 32% tro bay và 8% UFFA cho thấy các đặc tính độ bền vượt trội so với bê tông thông thường dùng 100% xi măng Bê tông chứa 8% UFFA mang lại cường độ nén cao nhất ở mọi lứa tuổi, và sự cải thiện cường độ chịu nén giai đoạn đầu của HVFA cũng được tăng lên nhờ bổ sung 8% UFFA Sự cải thiện đáng kể nhất, lên tới khoảng 200%, được quan sát ở bê tông HVFA chứa 52% tro bay và 8% UFFA sau 3 ngày.
Bê tông chứa UFFA cho thấy khả năng chống ăn mòn tốt hơn, với dòng ăn mòn đo được có giá trị thấp hơn theo thời gian so với bê tông thông thường Bê tông UFFA8 mất hơn 1000 giờ để các vết nứt ăn mòn xuất hiện Kết quả tương tự được quan sát ở trường hợp bê tông chứa 32% tro bay và 8% UFFA.
Tác giả M Sai Krishna và cộng sự đã có báo cáo nghiên cứu úng xử của dầm bê tông cốt thép gia cường bằng tấm FRP, số lượng nghiên cứu cho thấy rằng để cải thiện khả năng chịu uốn của dầm, hiệu quả và tính tương thích của vật liệu FRP có thể được sử dụng như một lựa chọn thay thế cho các biện pháp gia cường dầm thông thường Độ cứng và khả năng chịu tải được tăng lên đối với các mẫu vật được liên kết bên với các tấm FRP Mặc dù, có sự giảm sút về đặc tính độ dẻo của dầm với sự gia tăng về kích thước của các tấm FRP Bằng cách giảm chiều cao của các tấm CFRP, khả năng chịu tải của dầm được tăng lên và độ sâu và khả năng chịu tải tỷ lệ nghịch Tuy nhiên, cường độ nén đặc trưng của bê tông có ảnh hưởng nhất định đến khả năng chịu tải của dầm Đối với cường độ nén thay đổi từ 25 MPa, 35 MPa và 45 MPa, mức tăng khả năng chịu tải lần lượt là 40,86, 66,6 và 60,3% Các đặc tính vật liệu và đặc tính kết hợp của mỗi vật liệu có sự thay đổi đáng kể trong hoạt động và hiệu suất của dầm BTCT liên kết bên
Tác giả Ayman N.Ababneh và cộng sự đưa ra nghiên cứu thực nghiệm về gia cường dầm bê tông cốt thép bằng vật liệu FRP, nghiên cứu thực hiện gia cường các dầm bằng ba kỹ thuật khác nhau: FRP; thép tấm; FRP và thép tấm kết quả cho thấy các kỹ thuật gia cường làm tăng khả năng chịu cắt của cấu kiện đặc biệt phương án gia cường bằng FRP và thép tấm được đánh giá tốt nhất xét về yếu tố hiệu suất kết cấu Các dầm chưa được gia cường bị nứt gãy bề mặt tại 2 gối đầu tiên, trong khi các dầm có FRP bị hỏng lớp phủ bê tông ở cuối FRP và thép tấm chữ U làm tăng khả năng chịu cắt của vùng gia cường, do đó dẫn đến hiệu quả neo của dầm bê tông được gia cường FRP là cao hơn Các dầm được neo cho thấy sự gia tăng khả năng chịu tải đối với các dầm được tăng cường kèm theo sự giảm độ võng ở nhịp giữa theo các tỷ lệ phần trăm khác nhau so với dầm bê tông không được gia cường
Trên thế giới, đã có một số công trình ứng dụng vào thực tế như:
Ở Hoa Kỳ, bê tông dùng cho xây dựng và bê tông phế liệu lên tới khoảng 135 triệu tấn mỗi năm, tương đương khoảng 1,36 kg/người/ngày Vụn bê tông thường được tái chế để sử dụng làm đường cao tốc và được xem như một vật liệu cơ bản trong nhiều ứng dụng xây dựng tại nước này Tuy nhiên, việc sử dụng vụn bê tông trong nhựa đường nóng vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi ở Hoa Kỳ.
Ở New Zealand, bê tông phế thải được nghiền thành vật liệu nền hạ (subbase) cho các tuyến đường giao thông Tại Việt Nam, nền hạ hiện nay thường được làm từ đá 0x4, loại 1 và loại 2 để phục vụ cho các công trình đường xá.
Hình A 3 Cấu tạo đường giao thông sử dụng phế thải bê tông
Hình A 4 Nền hạ đường giao thông sử dụng phế thải bê tông
Ở Singapore, cốt liệu bê tông tái chế được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án xây dựng và cải tạo, nổi bật là việc xây dựng cảng xuất nhập khẩu tại sân bay quốc tế Changi Dự án do Tập đoàn Sân bay Changi khởi xướng nhằm tái tạo mặt sàn cứng cho máy bay từ bê tông phá dỡ quanh khu vực sân bay, cho thấy tính khả thi của việc dùng phế thải bê tông làm thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông xây dựng Để khắc phục mặt sàn bị hỏng, máy cắt thủy lực và bê tông phế liệu được vận chuyển đến cơ sở tái chế gần đó để chế biến Phế liệu này chủ yếu gồm bê tông nghiền và kim loại màu; quá trình chế biến được thực hiện bằng máy nghiền di động kết hợp với hệ thống băng tải, với các bước chính là nghiền và sàng lọc để phân loại vụn bê tông theo kích thước phù hợp với ứng dụng bê tông.
Hình A 5 Tái sử dụng vụn bê tông, sân bay Changi – Singapore
Ở Luxembourg, nguồn phế liệu xây dựng chủ yếu bắt nguồn từ các tòa nhà và bao gồm gạch, ngói, gốm sứ, đất, thạch cao, vật liệu cách nhiệt, gỗ và kim loại; bê tông tái chế của Luxembourg có chất lượng trung bình, cốt liệu bê tông tái chế được cấp chứng nhận bởi Laboratoire d’Essais des Matériaux des Ponts et Chaussées du Luxembourg; vụn bê tông chủ yếu được sử dụng trong xây dựng đường xá và làm lớp phụ gia trong nền móng nhưng không được dùng để sản xuất bê tông mới, và việc sử dụng vụn bê tông vẫn chưa đạt được tiềm năng của Luxembourg.
Ở Bỉ, đặc điểm địa chất ảnh hưởng đến sự phát triển của cốt liệu bê tông tái chế (RCA) Quốc gia này được chia thành hai khu vực quản lý và địa lý là Flanders ở phía Bắc nói tiếng Hà Lan và Wallonia ở phía Nam nói tiếng Pháp Khu vực Flanders khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng cốt liệu bê tông tái chế cho nhiều lĩnh vực xây dựng khác nhau Ngược lại, ở Wallonia có một số mỏ sa thạch và các chủ khai thác đá đã ngăn chặn nghiên cứu và sử dụng RCA nhằm bảo vệ ưu thế và quyền lực trên thị trường, khiến sự phát triển của cốt liệu tái chế ở khu vực phía Nam Bỉ bị hạn chế.
Những khó khăn trong ứng dụng vụn bê tông
Việc sử dụng phế thải bê tông làm cốt liệu tái chế trong chế tạo bê tông tại công trình đòi hỏi mặt bằng thi công rộng để bố trí khu vực nghiền và phân loại phế thải bê tông Hiện nay, cốt liệu tái chế chưa được quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam nên việc áp dụng bê tông phế thải vào các công trình nhà nước gặp nhiều khó khăn Các công trình nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn về bê tông tái chế tại Việt Nam còn hạn chế và chưa được công bố rộng rãi Cần có nhiều thí nghiệm để xác định các tiêu chuẩn cho bê tông phế thải trước khi áp dụng vào từng công trình cụ thể Vấn đề quan trọng là cường độ của bê tông phế thải thường thấp hơn đá tự nhiên, nên khó sử dụng cho bê tông mác cao.
Những thuận lợi trong sử dụng phế thải bê tông
Bê tông được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam nên phế thải bê tông là nguồn vật liệu dồi dào; việc tái chế phế thải bê tông thành vật liệu xây dựng giúp bảo vệ môi trường và là hướng đi được Bộ Xây dựng chú trọng nhằm giảm thiểu rác thải xây dựng Trong xu hướng phát triển của ngành vật liệu xây dựng, việc khuyến khích sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường và hạn chế khai thác các tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt như đá và cát sẽ thúc đẩy việc ứng dụng phế thải bê tông vào chế tạo bê tông được mở rộng Ở các vùng như vùng núi, hải đảo, nơi vận chuyển vật tư gặp khó khăn, việc sử dụng phế thải bê tông mang lại tiết kiệm kinh phí xây dựng và tăng hiệu quả thi công.
SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, ô nhiễm môi trường là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết Việc quá tải chất thải rắn từ các công trình xây dựng đang gây lo ngại lớn; các vật liệu như bê tông, đá, cốt liệu, thủy tinh, gỗ và cặn gốm chiếm 25%–45% lượng chất thải rắn toàn cầu mỗi năm Cốt liệu thô như cát và đá đang cạn kiệt do tốc độ xây dựng tăng nhanh Vì vậy, rác thải xây dựng và phá dỡ đã trở thành vấn đề toàn cầu cần có giải pháp ngay lập tức Một trong những giải pháp khả thi nhất là tái chế cốt liệu từ rác thải xây dựng nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm tài nguyên.
Hình B 1 Bãi rác thải xây dựng
Hình B 2 Xử lý phế thải bê tông
Trong nước, việc thay thế bê tông truyền thống bằng vật liệu mới được nghiên cứu rộng rãi, với bê tông tái chế được xem là giải pháp phù hợp với thực tế hiện nay Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm cho thấy cốt liệu tái chế có khả năng chịu lực thấp hơn so với cốt liệu tự nhiên, và tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế cho cốt liệu đá tự nhiên còn ở mức hạn chế, khoảng 20% Do đó, gia cường bê tông tái chế là cần thiết Nhiều nghiên cứu đã đề xuất giải pháp, trong đó gia cố bằng vật liệu FRP composite cho bê tông cốt thép có cốt liệu tái chế được đánh giá cao về tính khả thi và kinh tế Đề tài nhằm nghiên cứu khả năng chịu lực tới hạn của kết cấu dầm bê tông cốt thép làm từ cốt liệu tái chế có phụ gia tro bay và được gia cường bằng CFRP Vì vậy, đề tài "Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép cốt liệu tái chế có phụ gia tro bay được gia cường bằng CFRP" mang ý nghĩa khoa học nhờ giải quyết các vấn đề còn bỏ ngỏ và mang ý nghĩa thực tiễn lớn cho nâng cao an toàn của công trình.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép có thành phần bê tông tái chế, được sử dụng phụ gia tro bay và gia cường bằng CFRP, nhằm đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của cấu kiện Mục tiêu là so sánh dầm dùng bê tông tái chế thay thế đá tự nhiên với dầm 100% đá tự nhiên để làm rõ hiệu suất kết cấu Phương pháp thực nghiệm gồm thiết kế và chế tạo các mẫu dầm với bê tông tái chế có tro bay, CFRP gia cố, đo tải trọng và biến dạng, sau đó so sánh với các dầm làm từ bê tông từ đá tự nhiên hoàn toàn Kết quả cho thấy mức độ chịu lực, biến dạng và hiệu quả của việc dùng tro bay và CFRP trong dầm bê tông cốt thép, từ đó xác định phạm vi ứng dụng và hướng tối ưu hóa thiết kế Nghiên cứu cung cấp cơ sở để thiết kế và lựa chọn vật liệu cho dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông tái chế và phụ gia tro bay, đồng thời đánh giá tác động môi trường và tiềm năng giảm chi phí so với giải pháp chỉ dùng đá tự nhiên.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu vụn bê tông tái chế và phụ gia tro bay, bao gồm phân tích thành phần hạt, tính chất của vụn bê tông tái chế và ảnh hưởng của phụ gia tro bay đến đặc tính của hệ vật liệu Đồng thời, nghiên cứu đánh giá độ bền nén của bê tông được chế tạo từ vụn bê tông tái chế và khảo sát ứng xử của cấu kiện dầm bê tông cốt thép khi thay thế một phần cốt liệu bằng vụn bê tông tái chế Kết quả dự kiến sẽ đề xuất các giải pháp tối ưu cho ứng dụng bê tông tái chế trong công trình, nhằm tăng cường khả năng chịu lực, bền vững và tiết kiệm nguồn lực.
- Lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật của vụn bê tông tái chế và tro bay ứng dụng trong bê tông
- Ảnh hưởng của cốt liệu vụn bê tông tái chế đến cường độ bê tông
Ứng xử và cường độ của dầm bê tông sử dụng vụn bê tông tái chế dưới tác dụng của tải trọng tác động được phân tích nhằm làm rõ ảnh hưởng của RCA tới khả năng chịu uốn, hình dạng vết nứt và chế độ phá hủy Việc bổ sung vụn bê tông tái chế tác động tới liên kết ở lớp vỏ và cấu trúc nội bộ của bê tông, từ đó điều chỉnh phân bố ứng suất và sự phát triển của nứt dưới tải động Dầm chứa RCA có thể đạt được khả năng chịu uốn tương đối so với dầm bê tông truyền thống, nhưng hình dạng và kích thước của vết nứt cũng như sơ đồ phá hủy có thể khác nhau do cơ chế phá hủy và mức độ chịu tải tác động ngắn hạn Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm tỷ lệ RCA, kích thước hạt và độ liên kết nội kết cấu, đòi hỏi thiết kế và đánh giá động phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất của dầm bê tông sử dụng vụn bê tông tái chế dưới tải trọng tác động.
- So sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn áp dụng đối với cấu kiện tương tự áp dụng vật liệu thông thường.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thay thế hoàn toàn vụn bê tông cho cốt liệu thô tự nhiên dựa trên các phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam:
- Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 (TCVN 7570:2006), TCVN 7572: 2006 (TCVN 7572:2006), TCVN 10302 : 2014 (TCVN 10302:2014)
- Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử bê tông hạt thô chất lượng cao theo TCVN 3105: 1993 (TCVN 3015:1993)
- Xác định độ sụt của bê tông theo TCVN 3106 : 1993 (TCVN 3106:1993)
- Xác định khối lượng thể tích cốt liệu theo TCVN 3108 : 1993 (TCVN 3108:1993)
- Xác định độ mài mòn của bê tông theo TCVN 3114 : 1993 (TCVN 3114 : 1993)
- Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993 (TCVN3118-1993)
- Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông theo TCVN 3119 : 1993 (TCVN 3119 :
Nghiên cứu năm 1993 tập trung vào ứng xử của cấu kiện dầm bê tông khi sử dụng vụn bê tông theo các tiêu chuẩn hiện hành ở Việt Nam và trên thế giới Bài viết kết hợp giữa các kết quả tính toán lý thuyết và sự đối chiếu với các kết quả thực nghiệm để đánh giá khả năng khai thác vật liệu vụn bê tông trong thiết kế và thi công dầm bê tông Kết quả cho thấy mức độ phù hợp của vụn bê tông với các yêu cầu chịu lực, cường độ và độ bền của cấu kiện, đồng thời đề xuất các phương pháp tính toán và quy trình kiểm định phù hợp với các chuẩn thiết kế hiện hành trong nước và quốc tế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Hoàn thiện thêm lý thuyết về ứng dụng của loại vật liệu tái chế từ vụn bê tông
- Khả năng ứng dụng vụn bê tông trong bê tông so với bê tông cốt liệu tự nhiên
- Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê tông sử dụng vụn bê tông tái chế và phụ gia tro bay
Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng trong thiết kế và sản xuất các thành phần cốt liệu phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau Các kết quả này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị xây dựng công trình và cho các nhà quản lý, đồng thời là tài liệu giảng dạy cho đại học và sau đại học.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng dụng vụn bê tông thay thế một phần đá tự nhiên kết hợp phụ gia tro bay trong hỗn hợp bê tông có gia cường bằng tấm CFRP
1.1.1 Giới thiệu vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
1.1.1.1 Khái quát về vụn bê tông, tro bay và tấm sợi carbon
Trong quá trình phá hủy bê tông ta sẽ thu được vụn bê tông gồm nhiều loại:
- Loại mịn: gồm bột vữa xi măng và cát trộn lẫn
Loại hạt to được tạo thành từ đá dính vữa xi măng và vữa xi măng kết hợp với cát thành hạt có kích thước lớn Hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào tái sử dụng phần hạt to này để thay thế 30%, 50% và 70% đá tự nhiên trong quá trình chế tạo bê tông mới Việc tận dụng hạt to từ vữa xi măng giúp tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, giảm khai thác đá tự nhiên và hướng tới sản xuất bê tông tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng cấu kiện.
Vụn bê tông có đặc tính hóa học tương đồng với bê tông nên việc sử dụng vụn bê tông trong chế tạo bê tông mới không làm ảnh hưởng đến quá trình ninh kết của các cốt liệu và vữa xi măng, đồng thời giúp tối ưu hóa việc tái chế vật liệu và nâng cao độ bền của kết cấu Việc tận dụng vụn bê tông như một cốt liệu bổ sung duy trì liên kết chắc chắn giữa cốt liệu và xi măng, giảm lượng chất thải công nghiệp và tiết kiệm nguồn tài nguyên, phù hợp với xu hướng phát triển bê tông bền vững và các tiêu chí SEO về bê tông tái chế.
Vụn bê tông có cường độ thấp hơn đá, nên khi được dùng làm phần cấp phối thay thế đá sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ bê tông Trong đề tài nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ B15 (mác 200), việc thay thế một phần đá bằng vụn bê tông là yếu tố ảnh hưởng chủ đạo đến cường độ bê tông và là nội dung cốt lõi của đề tài nghiên cứu ứng dụng vụn bê tông trong chế tạo bê tông.
Vụn bê tông thu được từ quá trình phá dỡ có nhiều loại, kích cỡ và hình dạng khác nhau Để đảm bảo kết quả thí nghiệm so sánh đáng tin cậy, cần sử dụng những vụn bê tông có cùng hình dáng, cùng kích thước và cường độ tương đồng, nhằm kiểm soát biến thiên vật liệu và tăng tính lặp lại của thí nghiệm.
Hình 1 2 Cốt liệu vụn bê tông
Tro bay là loại thải bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than Tro bay đã qua công nghệ xử lý tuyển khô hoặc tuyển ướt để loại bỏ các thành phần không mong muốn, nhằm nâng cao thành phần chất lượng hữu ích trong sử dụng.
Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại:
Tro bay loại F là sản phẩm từ bụi thải của quá trình đốt than đá (than cốc), có hàm lượng CaO dưới 7% và chứa các oxit như sắt oxit, silica thủy tinh (SiO2), nhôm oxit và natri silicat (thủy tinh nước); đây là loại tro bay thích hợp hơn loại C để chế tạo bê tông cường độ cao Khi được sử dụng ở liều lượng khoảng 10-15% so với lượng xi măng, tro bay loại F giúp chế tạo vữa bê tông thông thường cho bê tông có cường độ khoảng 40-60 MPa (mác bê tông 400-600).
Tro bay loại C hay còn gọi là tro bazơ là tro có hàm lượng canxi oxit (CaO) lớn hơn 10% Loại tro bay này thường chứa hơn 20% CaO, và hàm lượng CaO cao làm giảm hiệu quả của hiệu ứng pozzolanic Tro bay loại C là sản phẩm từ bụi thải của quá trình đốt than bùn non.
Nhờ độ mịn cao, hoạt tính lớn và lượng SiO2 ròng dồi dào trong tro bay, khi được phối trộn với xi măng Portland hoặc các chất kết dính khác, tro bay tạo ra bê tông có độ cứng cao, khả năng chống thấm và độ bền vượt thời gian, ít nứt nẻ, co ngót giảm, kháng kiềm và kháng sulfat tốt; đồng thời dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công vì không cần xử lý nhiệt và làm giảm nhẹ tỉ trọng bê tông Trong hơn năm thập kỷ qua, tro bay đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng và được xem như phụ gia không thể thiếu cho nhiều công trình lớn trên thế giới Trong số các công trình điển hình, đập Tomisato ở Nhật Bản cao 111 m từ những năm 1950 đã dùng tới 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đã đưa tro bay vào nhiều công trình đập thủy điện từ thập niên 1980; và dự án Azure trị giá 100 triệu USD hoàn thành năm 2005 đã sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng.
Một số ứng dụng nổi bật của tro bay:
- Tận dụng lợi thế giá thành rẻ của tro bay thay thế 5% - 15% lượng xi măng dùng trong trộn bê tông để giảm giá thành sản phẩm
Việc sử dụng tro bay làm phụ gia cho bê tông giúp cường độ bê tông tăng khoảng 1,5–2 lần và cải thiện độ trơn của vữa, từ đó giảm chi phí bơm bê tông lên các tầng cao của công trình và làm cho bê tông dễ dàng đi vào các lỗ rỗng.
Khoảng 6% CaO tự do trong xi măng được xem là một thành phần dễ nổ, có thể làm giảm chất lượng bê tông khi thi công trong môi trường nước, đặc biệt với các khối bê tông quá khổ ở các công trình thủy điện Khi có phụ gia tro bay, bê tông có thể phải được đổ gián đoạn thay vì đổ liên tục như bê tông thông thường.
Việc kiểm soát nhiệt độ ban đầu khi trộn và thi công bê tông giúp giảm ứng suất nhiệt trong khối bê tông, từ đó tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ của công trình Nhờ đó, chi phí có thể giảm tới 30% và lượng nước tiêu thụ khi trộn bê tông giảm khoảng 10%, góp phần tối ưu hóa hiệu suất dự án và tiết kiệm tài nguyên.
- Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sunfat, phụ gia dùng cho bê tông tự lèn cần khả năng chịu tải cao;
- Với vữa trát tường có thể thay thế 30% - 35% xi măng, tạo bề mặt mịn, tốt, chống thấm;
- Sản xuất gạch block có sử dụng tro bay còn có thể giảm lượng xi măng nhiều hơn nữa;
Trong công nghệ bê tông đầm lăn, phụ gia tro bay là yếu tố then chốt giúp nâng cao chất lượng và độ bền của bê tông Khi được bổ sung, phụ gia tro bay cho bê tông đầm lăn tạo ra loại bê tông kháng sulfat, chịu acid và chịu mặn tốt, đồng thời tăng cường độ bền của cốt thép và kéo dài tuổi thọ của kết cấu Nhờ đặc tính cải thiện khả năng làm việc và khả năng chống ăn mòn, loại bê tông này mang lại hiệu quả thi công và độ bền lâu dài cho các công trình chịu môi trường khắc nghiệt.
Hình 1 2 Phụ gia tro bay
Sợi carbon có đường kính khoảng 5–10 micrômet và thành phần chủ yếu là các nguyên tử carbon, tạo nên một vật liệu có độ cứng cao, độ bền kéo lớn và trọng lượng nhẹ Ngoài ra, sợi carbon còn có khả năng kháng hóa chất tốt, chịu được nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hiệu suất cơ học cao và độ bền lâu dài.
Quy trình sản xuất sợi carbon đòi hỏi tiêu hao một nửa lượng nguyên liệu ban đầu do nhiệt khiến sản phẩm cuối cùng hình thành từ lượng nguyên liệu còn lại, do đó giá thành nguyên liệu cho sợi carbon tăng gấp đôi so với đầu vào Bên cạnh chi phí sản xuất trực tiếp, khấu hao máy móc và chi phí nhân công cũng đóng góp đáng kể, làm cho giá thành sợi carbon ở mức khá cao trên thị trường Với các yếu tố này, việc đưa sợi carbon vào sản phẩm đại trà vẫn cần một khoảng thời gian dài để thương mại hóa và giảm chi phí.
Trong các ngành công nghiệp chế tạo máy như ô tô và máy bay, khi động cơ đã ở giới hạn cải tiến, việc áp dụng sợi carbon vào sản xuất giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng độ bền Để tách carbon khỏi nguyên liệu ban đầu cần hệ thống lớn và nhiệt độ cao, trong đó oxy hóa ổn định là một bước quan trọng của quá trình này Những sợi carbon sau đó được đưa qua các lò dài từ 15 đến 30 mét ở nhiệt độ lên tới hàng trăm độ C, và quá trình này diễn ra trong nhiều giờ.
Kết luận chương 1
Trình bày nội dung lý thuyết về bê tông tái chế và quy trình chế tạo bê tông theo TCVN.
QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
Vật liệu bê tông
Trong bài viết này tập trung vào các mẫu thí nghiệm nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép, gồm có dầm sử dụng bê tông tái chế thay thế một phần đá tự nhiên và dầm có 100% cốt liệu tự nhiên, nhằm đánh giá khả năng chịu lực, biến dạng và độ bền của cấu kiện dưới tải trọng thực tế Các kết quả so sánh giữa bê tông tái chế và bê tông dùng cốt liệu tự nhiên cho thấy những ảnh hưởng của việc tái chế đến hành vi chịu tải của dầm, từ đó đề xuất các hướng tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng bê tông tái chế trong kết cấu dầm và cân nhắc tỉ lệ thay thế cốt liệu cho phù hợp với yêu cầu kết cấu.
- Mẫu D1, D2, D3 là dầm bê tông cốt thép có thành phần bê tông tái chế thay thế lần lượt là 30% , 50% , 70% đá tự nhiên
- Mẫu CC là dầm bê tông cốt thép sử dụng 100% cốt liệu đá tự nhiên thông thường
Bảng 2 1 Cấp phối cho 1m 3 bê tông sử dụng đá 1x2
Thành phần tái chế (kg/m 3 )
Mẫu bê tông được trộn theo TCVN 4453:1995 (TCVN 4453:1995) với cấp phối như trong Bảng 2.1; bê tông tái chế có cường độ tương đương 28 MPa và khối mẫu 150x150x150 mm được nén sau 28 ngày theo TCVN 3118:1993 (TCVN 3118-1993) Kết quả thí nghiệm được tổng hợp và trình bày ở đây, cho thấy các đặc trưng chịu nén của mẫu đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn liên quan và các chỉ tiêu chất lượng đã được kiểm tra đầy đủ.
- Cường độ nén trung bình mẫu bê tông của dầm D2, D3 và D4 là 25 MPa
- Cường độ nén mẫu bê tông của dầm D1 là 28 MPa
Hình 2.1 Thí nghiệm nén mẫu
Hình 2.2 Kết quả thí nghiệm cường độ nén mẫu
Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của mẫu bê tông sử dụng vụn bê tông tái chế để thay thế đá tự nhiên thấp hơn so với bê tông dùng đá tự nhiên Nguyên nhân chủ yếu là độ hút nước của vụn bê tông lớn hơn làm ảnh hưởng đến tỉ lệ nước xi măng, đồng thời tính đồng nhất và liên kết giữa cốt liệu ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ của bê tông Tuy nhiên, khi thay thế 20–30% cốt liệu đá tự nhiên bằng bê tông tái chế thì chất lượng bê tông không bị ảnh hưởng đáng kể (Khaldoun Rahal, 2007; Luis Evangelista et al., 2007).
Vật liệu thép
Cốt thép được sử dụng trong thí nghiệm này đối với các mẫu dầm D1, D2 , D3, D4 được thể hiện trong Bảng 2.2
Bảng 2 2 Thông tin vật liệu thép
Loại thộp Đường kớnh ỉ (mm) Diện tớch As (mm 2 )
Tro bay (Fly ash)
Tro bay được biết đến như một loại puzzolan nhân tạo, có đặc tính giúp thay thế xi măng Pooc-lăng trong bê tông Việc công nhận ứng dụng tro bay bắt đầu từ năm 1914, với nghiên cứu đáng chú ý nhất được công bố vào năm 1937 Khi được dùng làm phụ gia bê tông, tro bay có thể tăng cường độ lên 1.5–2 lần nhờ các hạt siêu mịn giúp tăng độ nhớt của vữa bê tông Hiện nay tro bay có thể thay thế lên tới 30% khối lượng xi măng Pooc-lăng, và ở một số trường hợp tỷ lệ này còn cao hơn Trong thí nghiệm này, tỷ lệ 30% được dùng để thay thế cho tất cả các dầm bê tông tái chế. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Bảng 2 3 Thông số của tro bay
Tên khoa học Fly ash
Khối lượng thể tích 0.45-0.7 kg/lít
Hàm lượng clorua Không có
Hàm lượng tro bay SiO2 23.5%
Tấm CFRP UT70-30G
Sử dụng loại tấm CFRP UT70-30G như trong hình 2 với các thông số trong bảng 2 để gia cường khả năng chịu tải cho các mẫu dầm D1, D2, D3, D4
Bảng 2.4 Thông số vật liệu tấm CFRP UT70-30G
Cường độ chịu kéo tối thiểu
Module đàn hồi kéo Độ dày Trọng lượng Tỷ trọng Độ dãn dài kéo cực hạn
Keo lót và keo phủ
Nghiên cứu sử dụng các loại keo, bao gồm:
+ Keo lót: AUP40S, lực bám dính 5 MPa;
+ Keo phủ: AUR80S, cường độ chịu kéo 36 MPa, cường độ chịu nén 76 MPa
Hình 2 5 Keo lót và keo phủ
Quá trình thí nghiệm
Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên 4 mẫu dầm, được đặt tên lần lượt là D1, D2, D3 và D4 Với cùng cấp phối bê tông, các dầm này được thay thế cốt liệu tái chế ở các tỷ lệ khác nhau, tương ứng với từng dầm D1, D2, D3 và D4, nhằm đánh giá ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến các tính chất và hiệu suất làm việc của dầm.
+ Dầm D1: Cốt liệu tự nhiên;
Ba loại dầm D2, D3 và D4 được thiết kế để tối ưu hóa việc sử dụng phụ gia tro bay và hai loại cốt liệu; Dầm D2 có 30% phụ gia tro bay, 30% cốt liệu tái chế và 70% cốt liệu tự nhiên, Dầm D3 có 30% phụ gia tro bay, 50% cốt liệu tái chế và 50% cốt liệu tự nhiên, trong khi Dầm D4 có 30% phụ gia tro bay, 70% cốt liệu tái chế và 30% cốt liệu tự nhiên.
Hình 2 6 Chuẩn bị cốt thép
Hình 2 7 Giai đoạn chuẩn bị đổ bê tông
Hình 2 8 Quá trình đổ bê tông
Hình 2 9 Bảo dưỡng dầm bê tông
❖ Gia cường dầm bằng tấm CFRP
Sau khi các dầm được chế tạo đúng theo thiết kế, dầm được bảo dưỡng để đảm bảo cường độ theo đúng tiêu chuẩn Các mẫu dầm được gia cường bằng tấm CFRP của hãng Toray Nhật Bản loại UT70-30G, keo dán loại AUP40S và AUR80S được pha chế đúng theo tỷ lệ của nhà sản xuất Tấm CFRP có kích thước rộng 220mm, dài 1800mm được dán vào đáy dầm tương ứng với vùng làm việc chịu kéo Trước khi dán tấm CFRP, toàn bộ bề mặt của dầm được mài nhẵn bằng máy mài cầm tay (Hình 4), vệ sinh bề mặt sạch sẽ khô ráo để không làm ảnh hưởng đến chất lượng bám dính giữa keo gián và bề mặt bê tông Keo lót AUP40S được sơn lên bề mặt dầm một lớp mỏng bằng con lăn sơn có độ dày đều trên chiều dài của dầm, sau đó dán tấm CFRP lên mặt dầm đã phủ keo, tiếp theo sơn một lớp keo phủ AUR80S lên bề mặt của tấm CFRP bằng con lăn sơn (Hình
Sau khi các mẫu thí nghiệm được chế tạo theo yêu cầu, tiến hành bảo dưỡng dầm trong vòng 28 ngày để đạt được cường độ theo đúng tiêu chuẩn Khi đã đạt được cường độ, tiến hành gia cường CFRP và mặt đáy của dầm theo các bước sau:
Bước 1: Làm sạch và chà nhám bề mặt đáy dầm;
Bước 2: Phủ keo lót lên bề mặt đã được làm nhẵn bằng cọ lăn;
Bước 3: Dán tấm carbon CFRP gia cố kết cấu;
Bước 4: Phủ lớp keo thứ 2;
Bước 5: Bảo dưỡng dầm vừa gia cường trong vòng một tuần
Hình 2 10 Làm nhẵn bề mặt dầm
Hình 2 11 Phủ keo lót lên bề mặt đã làm nhẵn
Hình 2 12 Dán tấm carbon lên bề mặt đã phủ keo
Hình 2 13 Phủ tiếp lớp keo thứ 2
Tiến hành thí nghiệm uốn 3 điểm nhằm thu được biểu đồ mối quan hệ P–Δ của dầm; khoảng cách từ gối tựa đến điểm tác dụng lực là 0.80 m Hệ thống kích thủy lực có bơm dầu tự động được sử dụng để gia tải dầm, lực tác động được thể hiện trên Load Cell đo lực Đặt 3 dụng cụ đo chuyển vị LVDT tại ba điểm dưới đáy dầm Lắp đặt các thiết bị đo vết nứt với chiều rộng lên mặt bên của dầm Tất cả dụng cụ đo được kết nối với bộ xử lý số liệu data-logger TDS-530 để ghi nhận số liệu tự động và liên tục.
Thí nghiệm được tiến hành trên một dầm, gia tải từ từ cho tới khi dầm bắt đầu xuất hiện các vết nứt và chỉ kết thúc khi dầm bị phá hủy hoàn toàn Trong quá trình gia tải, các vết nứt xuất hiện và mở rộng trên bề mặt dầm được ghi nhận bằng bút lông, lớp dán gia cường bong tróc và bê tông bị phá vỡ Từ các số liệu thu được có thể xác định các thông số đặc trưng cho khả năng chịu lực của dầm, gồm tải trọng giới hạn Pgh (kN), độ võng lớn nhất fmax (mm) và đặc trưng phá hoại của dầm.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
Cường độ chịu nén
Cốt liệu tự nhiên dần được thay thế bằng cốt liệu từ bê tông thải với tỷ lệ 30%, 50% và 70% trọng lượng cốt liệu (RCA) Cường độ nén của mẫu bê tông tái chế được khảo sát và tóm tắt trong Hình 2.1 Biểu đồ cho thấy cường độ chịu áp lực của mẫu bê tông tái chế giảm khi tỷ lệ RCA tăng; ở mức 30% RCA, cường độ nén giảm khoảng 2,1%, và mức giảm tối đa 23,8% xảy ra khi tỷ lệ RCA đạt 70%.
Hình 3 1 Cường độ nén của mẫu bê tông theo tỷ lệ của RCA
Mô hình dầm bê tông cốt thép
Mô hình dầm bê tông cốt thép được thí nghiệm có kích thước 200 × 300 × 1800 mm theo Hình 2.2 Cường độ bê tông được sử dụng được trình bày trong Bảng 2.1 và cốt thép được trình bày trong Bảng 2.2 Phụ gia tro bay được thể hiện trong Bảng 2.3, thông số các tấm CFRP để gia cố ở Bảng 2.4 Trong cấu hình thí nghiệm, cốt thép chịu kéo là Φ14 (Hình 2.2), cốt thép chịu nén là Φ12 (Hình 2.2), và cốt thép đai sử dụng Φ10 với khoảng cách 150 mm (Hình 2.2).
Cường độ nén mẫu (daN/cm 2 )
Hình 3 2 Sơ đồ của dầm bê tông cốt thép (mm).
Tải trọng thí nghiệm phá hoại dầm bê tông cốt thép
Hình 3 3 Sơ đồ thí nghiệm dầm
Hình 3 4 Thí nghiệm uốn dầm
Hình 3 5 Hình dạng vết nứt Bảng 3 1 Bảng số liệu chuyển vị của dầm D1
Bảng 3 2 Bảng số liệu chuyển vị của dầm D2
Bảng 3 3 Bảng số liệu chuyển vị của dầm D3
Bảng 3 4 Bảng số liệu chuyển vị của dầm D4
Kết quả thí nghiệm kiểm tra tải trọng phá hoại của các dầm D1, D2, D3 và D4 được trình bày trong Hình 3.7 Tải trọng cuối cùng đạt được đối với các dầm lần lượt là 107,92 kN (D1), 99,2 kN (D2), 105,13 kN (D3) và 106,41 kN (D4) Hình 3.7 thể hiện mối quan hệ giữa độ dịch chuyển ở giữa nhịp của dầm và tổng tải, cho thấy sự tăng tải đi kèm với mức tăng độ lệch ở giữa nhịp.
Sai số giữa tải trọng cuối cùng của dầm với tổng hợp 100% tự nhiên và tải trọng cuối cùng thấp nhất của dầm với 30% của RCA là 8.08%
Sai số giữa tải trọng cuối cùng của dầm với tổng hợp 100% tự nhiên và tải trọng cuối cùng thấp nhất của dầm với 50% của RCA là 2.59%
Sai số giữa tải trọng cuối cùng của dầm với tổng hợp 100% tự nhiên và tải trọng cuối cùng thấp nhất của dầm với 70% của RCA là 1.4%
Biểu đồ cho thấy sự chênh lệch tải phá hoại giữa các dầm là không đáng kể, do đó việc sử dụng vụn bê tông tái chế ở một tỉ lệ nhất định không làm ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu tải của dầm bê tông cốt thép.
Hình 3 6 Biểu đồ so sánh tải trọng thí nghiệm phá hoại của dầm
Kết quả thí nghiệm kiểm tra tải trọng và chuyển vị giữa nhịp của các dầm D1, D2, D3 và D4 được thể hiện như trong biểu đồ Hình 3.6
Qua Hình 3.6 cho thấy chuyển vị giữa nhịp của dầm bê tông cốt thép có sử dụng bê tông tái chế và dầm không dùng bê tông tái chế là tương đương, vì dầm là cấu kiện chịu uốn và cốt thép chịu kéo nên bê tông chưa đạt đến cường độ phá hoại Ở dầm D2 với tỉ lệ vụn bê tông 30%, tác động của phần vụn lên khả năng chịu tải được cho là không đáng kể.
Độ cứng của dầm làm bằng 100% đá tự nhiên cao hơn dầm chứa bê tông tái chế ở các mức 30%, 50% và 70% Với dầm D3 có 50% vụn bê tông, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải là không đáng kể; với dầm D4 có 70% vụn bê tông, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải cũng không đáng kể Nhìn chung, dầm sử dụng 100% đá tự nhiên có độ cứng lớn hơn dầm sử dụng bê tông tái chế ở các tỷ lệ kể trên.
Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của dầm bê tông cốt thép
T ải tr ọn g ph á ho ại dầm ( kN)
Biểu đồ tải trọng phá hoại dầm bê tông cốt thép
Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng của 4 dầm được thể hiện trong Hình 3.7 cho thấy các mẫu D1, D2, D3 và D4 có sự đồng nhất tương đối cao, trong khi dầm gia cường cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa tải trọng và chuyển vị một cách rõ ràng.
Chuyển vị của các dầm cho thấy sự đồng nhất về biến dạng và độ cứng giữa các dầm ở tải trọng từ 0 kN đến 60 kN, cho thấy sự ổn định của kết cấu dưới tải trọng này Tác dụng của gia cường bằng tấm CFRP được thể hiện rõ ở đây, khi tấm CFRP cải thiện đáng kể khả năng chống biến dạng và tăng cường độ cứng của dầm.
Ở tải trọng từ 60 kN tới tải trọng giới hạn của các mẫu, sự khác biệt về chuyển vị giữa các dầm được quan sát rõ; ứng xử của các mẫu thí nghiệm thay đổi và phụ thuộc vào cường độ bê tông Mặt khác, khả năng chịu tải của dầm có cốt liệu tái chế 70% (Dầm D4) và dầm sử dụng bê tông tự nhiên (Dầm D1) được nhận thấy tốt hơn so với các dầm còn lại Điều này cho thấy phương án sử dụng dầm bê tông có cốt liệu tái chế 70%, 30% phụ gia tro bay và được gia cường bằng tấm CFRP là rất hiệu quả.
Hình 3 7 Chuyển vị giữa nhịp của dầm thực nghiệm
Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm
Hình 3 8 Chuyển vị trái nhịp của dầm thực nghiệm
Hình 3 9 Chuyển vị phải nhịp của dầm thực nghiệm
Kết quả thí nghiệm cho phép xác định tải trọng phá hoại và chuyển vị giữa nhịp của dầm gia cường D1, D2 và D3 D1 có Pph = 108.27 kN và fph = 20.11 mm; D2 có Pph = 99.2 kN và fph = 19.71 mm; D3 có Pph = 105.13 kN và chuyển vị giữa nhịp tương ứng.
Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị trái dầm
Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị phải dầm
D4 là fph = 21.38 mm; dầm gia cường D4 có tải trọng phá hoại là Pph = 106.41 kN, chuyển vị giữa nhịp tương ứng là fph = 18.81 mm Nhờ sự tham gia làm việc chịu kéo của tấm dán CFRP gia cố ở đáy dầm, tải trọng thí nghiệm tăng lên đến tải trọng phá hoại do bê tông; mặt khác không có sự phá hoại giữa bề mặt lớp bê tông với tấm CFRP, tiếp tục gia tải cho đến khi tải trọng không tăng nhưng chuyển vị tăng thì có sự bóc tách giữa lớp bê tông và tấm CFRP.
Sơ đồ vết nứt dầm bê tông cốt thép theo thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm uốn của dầm như trong hình Hình 2.5 thể hiện vết nứt của các dầm tương ứng là D1, D2, D3 và D4
Hình 3 trình bày 10 sơ đồ vết nứt trên các dầm D1 (CC), D2, D3, D4, và hình 3.9 cho thấy các vết nứt xuất hiện ở tải cuối cùng của dầm; các đường nứt phát triển theo đường vuông góc với ứng suất căng do uốn, cho thấy một lượng nhỏ RCA (recycled concrete aggregate) có thể gây ra nhiều vết nứt hơn khi dầm chịu uốn Điều này cho thấy hiệu suất của dầm ở tải trọng dài hạn có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của RCA Các kết quả nghiên cứu khác với tỉ lệ thay thế từ 50%–100% cũng cho thấy xu hướng tương tự (Luis Evangelista, et al., 2007; Sato R, et al., 2007).
Kết luận
Sau khi thí nghiệm trên tất cả mẫu dầm, có thể rút ra được một số nhận xét như sau:
Việc thay thế cốt liệu tự nhiên bằng bê tông tái chế có những ảnh hưởng nhất định đến cường độ chịu lực và một số hành vi làm việc của cấu kiện bê tông Những ảnh hưởng này được thể hiện rõ qua hình dạng vết nứt, tải trọng phá hoại và độ lệch (chuyển vị) của cấu kiện dưới tải trọng Do đó, việc đánh giá và tối ưu tỷ lệ cốt liệu tái chế là cần thiết để đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu quả kinh tế của kết cấu.
- Tấm sợi carbon CFRP cải thiện đáng kể khả năng chịu uốn của cấu kiện, giúp hạn chế sự mở rộng của vết nứt
Việc sử dụng phụ gia tro bay để thay thế xi măng Poóc lăng giúp giảm chi phí sản xuất và thi công bê tông Phương pháp này không chỉ tăng cường độ và độ bền của bê tông nhờ tro bay phát huy khả năng cải thiện cấu trúc vật liệu mà còn gia tăng tuổi thọ của công trình Ngoài ra, việc thay thế một phần xi măng bằng phụ gia tro bay có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon liên quan đến xây dựng, đóng góp vào các mục tiêu phát triển công trình xanh và bền vững.
Kết quả thí nghiệm cho thấy phương án dầm bê tông tái chế sử dụng phụ gia tro bay được gia cường bằng CFRP hoàn toàn khả thi, mang lại hiệu suất cơ học đáp ứng yêu cầu thiết kế và thi công Đây là một giải pháp nhằm giảm thiểu rác thải xây dựng và hạn chế hiệu ứng nhà kính, đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong ngành công nghiệp xây dựng nước ta hiện nay.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nghiên cứu về cốt liệu bê tông tái chế (RCA) thay thế một phần cốt liệu tự nhiên trong các cấu kiện bê tông cốt thép đang trở thành xu hướng tại Việt Nam Đề tài đã khảo sát các dầm chứa 30%, 50% và 70% RCA, nhằm đánh giá ảnh hưởng của RCA đến tính chất của cấu kiện và khả năng làm việc của hệ kết cấu Các tính chất của RCA được ước lượng với độ tin cậy cao, đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ chuẩn xác cao cho thiết kế và thi công Kết luận cho thấy việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên bằng RCA ở các tỷ lệ 30–70% có tiềm năng phù hợp để ứng dụng trong các cấu kiện bê tông cốt thép tại Việt Nam mà vẫn đảm bảo an toàn và hiệu quả của công trình.
Trong nghiên cứu này, cả cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo của bê tông giảm nhẹ, mặc dù cường độ chịu nén của bê tông sử dụng RCA cao hơn mong đợi Kết quả thí nghiệm cho thấy mức giảm cường độ nén là 2.1%.
Hiệu suất của dầm bê tông cốt thép chứa RCA ở mức 30%, 50% và 70% có thể bị ảnh hưởng, và kết quả thí nghiệm cho thấy độ võng tăng so với dầm thông thường Bên cạnh đó, số lượng vết nứt xuất hiện trên dầm cũng tăng lên, cho thấy RCA làm tăng biến dạng và sự hình thành nứt Nói cách khác, RCA có thể ảnh hưởng đến hiệu suất dài hạn của các cấu kiện bê tông cốt thép.
Việc nghiên cứu sử dụng thành phần bê tông tái chế phù hợp với xu hướng vật liệu sạch, tận dụng chất thải xây dựng và góp phần bảo vệ môi trường, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng Tuy nhiên, để triển khai thực tế hiệu quả, cần thực hiện các cuộc khảo sát và đánh giá toàn diện nhằm thu thập đầy đủ số liệu thực tế, đánh giá hiệu suất, chi phí và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông tái chế.