TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC KIẾN TRÚC VÀ XÂY DỰNG HƯỚNG ĐẾN PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG

Trong thiết kế, xây dựng công trình thì kiến trúc bền vững là công trình được thực hiện bằng tập hợp các giải pháp thiết kế kỹ thuật kiến trúc sáng tạo, thân thiện với thiên nhiên và môi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

KIẾN TRÚC VÀ XÂY DỰNG

HƯỚNG ĐẾN PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG

KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC

DOI: 10.37550/tdmu.CFR/2021.03.221

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

XÅY D NG VÀ QUÂN LÝ NHÀ N ỚC TRONG LÏNH VỰC XÂY DỰNG

 A Simulation Study on Improvement of Volumetric Efficiency for Small Engine with

Properly Re-Designed Intake Port Huynh Giang Luong - Viet Hung Le - Van An Vo -

Hong Thao Pham - Thanh Cong Huynh 7

 Bố trí công trình đèn chiếu sáng ở các nút giao thông trong đô thị Trần Minh Phụng -

Lê Minh Quang - Phú Thị Tuyết Nga - Đặng Thị Phương Chi 16

 Chế tạo bê tông thoát nước dùng cho lớp phủ mặt các công trình hạ tầng kỹ thuật

khu dân cư/khu đô thị Nguyễn Tuấn Cường - Trần Hữu Bằng 23

 Giải pháp in 3D áp dụng cho công trình xây dựng Ngô Đình Nguyên Khôi 34

 Dao động tự do của tấm FG SANDWICH trên nền đàn hồi hai tham số dựa theo lý

thuyết biến dạng cắt hàm sin nghịch đảo Nguyễn Ngọc Hưng 46

 Đánh giá khả năng sử dụng cát thải trong quá trình sản xuất cao lanh trên địa bàn thị

xã Tân Uyên vào trong lĩnh vực xây dựng Phan Thành Nhân - Trần Văn Phê 53

 Intoc – giải pháp chống thấm công nghệ Việt Đỗ Thành Tích - Đỗ Thành Tín 57

 Giải pháp nâng cao hiệu quả kinh tế thi công bằng cách kết hợp nhiều loại ván

khuôn cho công trình xây dựng dân dụng Bùi Việt Thi - Đỗ Thị Ngọc Tam 66

 Khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm Nguyễn Ngọc Huệ -

Lê Minh Quang 77

 Mỹ học trong thiết kế hình dáng kết cấu nhịp cầu vượt Trần Minh Phụng -

Lê Minh Quang - Phú Thị Tuyết Nga - Đặng Thị Phương Chi 82

 Một số giải pháp thiết kế lan can ban công, lô gia và cửa sổ chung cư cao

tầng Võ Thanh Hùng 92

 Một số giải pháp móng cho công trình gỗ Trần Minh Phụng - Lê Minh Quang 101

 Nghiên cứu áp dụng mô hình thông tin (BIM) trong quản lý thi công dự án cầu đường -

hạ tầng tại Việt Nam Trần Văn Thắng - Nguyễn Tuấn Dũng - Nguyễn Quang Phúc -

Lê Văn Phúc - Trần Hữu Bằng 109

 Nghiên cứu cường độ kháng thành của cọc khoan nhồi khi phụt vữa dọc thân cọc

Lê Thành Trung 117

 Nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia để cải thiện cường độ cho bê tông nhựa

Võ Hồng Lâm 127

 Nghiên cứu sử dụng nano SiO2 điều chế từ tro trấu làm tăng một số chỉ tiêu cơ

lý bê tông xi măng Trần Hữu Bằng - Nguyễn Hải Linh - Phú Thị Tuyết Nga 136

 Những trở ngại khi áp dụng cơng nghệ xây dựng mới với ngành xây dựng Việt Nam

Nguyễn Thanh Bình - Võ Thanh Hùng 145

 Phân tích dao động tự do dầm composite lớp dùng hàm dạng hybrid Nguyễn Ngọc Dương - Nguyễn Văn Hậu 151

 Phương pháp Proper Generalized Decomposition cho bài tốn dịng chảy nhớt khơng nén Lê Quốc Cường - Đỗ Thị Ngọc Tam 159

 Phương pháp đẳng hình học dựa trên trích xuất Bézier cho phân tích dao động tự do của tấm vật liệu áp điện biến đổi chức năng cĩ lỗ rỗng Nguyễn Thị Bích Liễu 169

 So sánh xử lý nền đất yếu cĩ chiều dày lớn bằng phương pháp đĩng cừ tràm và phương pháp đĩng cọc CDM Đỗ Thị Ngọc Tam 192

 So sánh hiệu quả sử dụng của dàn thép thơng thường theo TCVN 5575:2012 và dàn thép dùng thanh thành mỏng theo tiêu chuẩn S/NZS 4600:1996 c) trong kết cấu mái nhà nhịp nhỏ Trần Văn Phê 200

 Sử dụng cọc vít cho mĩng cơng trình thấp tầng Nguyễn Kế Tường - Nguyễn Viết Hùng - Nguyễn Minh Hùng - Phạm Thành Hiệp - Nguyễn Thị Hằng 214

 Tính tốn kết cấu mái dây mềm hai lớp trên gối cố định chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều cĩ xét đến biến dạng của dây chủ Phan Thành Nhân - Phạm Thành An 221

 Tính tốn ổn định hệ chắn đất tường vây DW500 cơng trình ngầm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Trần Hữu Bằng - Nguyễn Hải Linh 226

 Tính tốn cấu kiện chịu uốn xoắn theo TCVN 5574:2012 và ACI318M-08 Đỗ Thị Ngọc Tam 235

 Tính tốn hệ số tập trung cường độ ứng suất cho tấm chữ nhật cĩ vết nứt chịu kéo ở hai đầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng Nguyễn Nhựt Phi Long - Hồ Sỹ Hùng - Trần Văn Điền - Trần Thiện Huân 247

 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc AHP trong lựa chọn dự án đầu tư xây dựng cơng trình Lê Hải Quân 255

 Xu thế phát triển vật liệu xây dựng trong tương lai Nguyễn Xuân Mãn - Nguyễn Duyên Phong - Phạm Mạnh Hào - Đào Văn Tuyết 264

 Quản lý nhà nước về trật tự xây dựng trên địa bàn Quận 7 Thành phố Hồ Chí Minh: Thực trạng và giải pháp Nguyễn Quang Giải - Nguyễn Hải Linh - Nguyễn Thùy Dương 273

I N TRU C, QUY HỘCH VÙNG VÀ ĐƠ THÐ  Mối liên kết khơng gian nội – ngoại thất trong cơng trình kiến trúc Phạm Minh Sơn 280

 Thiết kế khung khái niệm phát triển đơ thị thơng minh bền vững tại Việt Nam Trần Đình Hiếu - Phạm Mạnh Hùng 291

 Thiết kế cửa sổ trịn thơng minh Ngơ Bảo - Lê Minh Quang - Phạm Văn Thư 302

 Thiết kế tủ bếp di động Ngơ Bảo - Trần Thị Vinh 310

 Tìm hiểu kiến trúc cơng nghiệp xanh tại Việt Nam Nguyễn Đức Trọng 316

 Hạn chế đảo nhiệt đơ thị bằng giải pháp trồng cây lạc dại trên mái nhà, trong

 Nghiên cứu sản xuất vật liệu xanh (composite) từ phế liệu nhựa và phế

phẩm nông nghiệp Đặng Mai Thành 329

 Áp dụng hệ thống hạ tầng xanh vào quy hoạch xây dựng đô thị Huỳnh Kim Pháp 335

 Đô thị “siêu khối” superblock) – mẫu mô hình đô thị lý tưởng hậu Covid-19

Hoàng Anh 344

 Các giải pháp quản lý quy hoạch xây dựng hướng đến phát triển bền vững cho khu

vực vùng ven Thành phố Hồ Chí Minh Huỳnh Kim Pháp - Hoàng Huy Thịnh 355

 Quá trình phát triển vườn trên mái Cù Thị Ánh Tuyết - Hoàng Huy Thịnh 367

 Quan điểm văn hóa về khả năng thích ứng với lũ lụt trong đô thị Cù Thị Ánh Tuyết –

Hoàng Huy Thịnh 379

LỜI NÓI ĐÆU

Kiến trúc và xây dựng hướng đến phát triển bền vững là chủ đề được quan tâm và nghiên cứu hiện nay, nhằm thực hiện mục tiêu xây dựng và phát triển kiến trúc, đô thị Việt

Nam hướng đến phát triển bền vững và tiên tiến Trên quan điểm phát triển, kiến trúc bền vững bao gồm từ việc chọn địa điểm, thiết kế, thi công xây dựng công trình cho đến vận hành, sửa chữa và tái sử dụng công trình Trong thiết kế, xây dựng công trình thì kiến trúc bền vững

là công trình được thực hiện bằng tập hợp các giải pháp thiết kế kỹ thuật kiến trúc sáng tạo, thân thiện với thiên nhiên và môi trường, sử dụng hiệu quả năng lượng, tài nguyên nước, vật liệu, hài hòa kiến trúc với cảnh quan và sinh thái tự nhiên, tạo ra điều kiện sống tốt nhất cho người sử dụng Đây luôn là điều kiện bắt buộc theo suốt quá trình thực hiện và được giám sát

để được chứng nhận đó là công trình bền vững hay là kiến trúc bền vững, chúng đều là công trình xây dựng mà thực tế đã có được hiệu quả lớn nhất là tác động của công trình đến sức khỏe của con người và môi trường xung quanh là nhỏ nhất trong suốt vòng đời của công trình Tiêu chí quan trọng nhất của công trình bền vững là công trình tự tạo năng lượng tái tạo, trong

đó công trình năng lượng bằng không là công trình có năng lượng thực sự tiêu thụ và mức phát thải các bon thấp nhất, thậm chí là bằng không Ở khía cạnh công tác quy hoạch phát

triển đô thị cần thực hiện theo chiến lược:“Nương theo và hài hòa với tự nhiên để phát triển”,

đô thị cần được quan niệm là một thành phần trong hệ thống của các hệ sinh thái

Tiếp nối Hội thảo lần thứ hai vào năm 2020, Hội thảo năm 2021 hướng tới tìm ra các phương pháp tính toán, giải pháp kết cấu, ứng dụng công nghệ - kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng, thiết kế và sản xuất vật liệu trên nhiều lĩnh vực ngành nghề Các báo cáo khoa học của hội thảo được tập hợp từ các giảng viên, các nhà nghiên cứu trong khoa, trong trường, các trường ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và một số nơi khác và đặc biệt có sự hợp tác với

doanh nghiệp INTOC - giải pháp chống thấm công nghệ Việt

Kiến trúc và xây dựng hướng đến phát triển bền vững là kỷ yếu hội thảo khoa tập hợp

nhiều báo cáo tham luận của các tác giả khác nhau, nên có những dữ liệu được sử dụng trích dẫn từ nhiều nguồn khác nhau và luận điểm khoa học có thể trùng lặp hoặc mâu thuẫn Tuy nhiên, trên tinh thần tôn trọng quan điểm của từng tác giả và để tạo điều kiện mở rộng ý kiến trao đổi với bạn đọc, Ban Tổ chức hội thảo cố gắng giữ nguyên các nội dung bài viết để bạn đọc nghiên cứu và tham khảo Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng vì nhiều lý do, việc biên tập, xuất bản cuốn kỷ yếu khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót nhất định Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý bạn đọc

TS.KTS Trần Đình Hiếu

Trưởng Khoa Kiến trúc Trường Đại học Thủ Dầu Một

A SIMULATION STUDY ON IMPROVEMENT OF VOLUMETRIC EFFICIENCY FOR SMALL ENGINE WITH PROPERLY

RE-DESIGNED INTAKE PORTHuynh Giang Luong 1, Viet Hung Le 2 , Van An Vo 3 , Hong Thao Pham 1 , Thanh Cong Huynh 4

1 Nguyen Tat Thanh University, 2 Ho Chi Minh City University of Technology and Education,

3 Ho Chi Minh City University of Technology, 4 Vietnam National University Ho Chi Minh City

1 Introduction

Engine performance characteristics are significantly affected by volumetric efficiency that

is defined as the volume of air delivered to the cylinder relative to the volume available in the cylinder per engine cycle Lower volumetric efficiency could lead to the limit of engine torque by the lower mass of air in the cylinder To measure how effectively the engine is working as an air pump, or how well it takes in and expels the air and fuel Relative to the amount of air in the cylinder, the requyred amount of fuel is very small and therefore the major challenge for the engine is the intake and exhausting of the air Thus, volumetric efficiency, used to improve the quality of intake airflow in the cylinder, is really considered as an important factor for development of combustion engine The pumping performance of just the inlet ports and valves can be determined by considering the density in the intake plenum as opposed to atmospheric density An un-boosted, spark ignition engine typically has a maximum volumetric efficiency between 80-90% whilst the volumetric efficiency is higher for diesel engine

Regarding to this topic, the turbulent movement created by this flow significantly affects the quality of the mixture formation of the engine, especially in engines The characteristic of the airfield in the combustion chamber at the time of fuel injection directly affects the combustion process and is the dominant factor for the efficiency and pollution level of direct injection engines Accurately combining fuel injection parameters, piston top

shape, compression ratio, and intake manifold profile are important considerations in new engine design The researches have shown that the engine having single orifice injector and injection pressure value less than 800 bar is ideal with helical type intake-port (Eugene and Carsten, 2012; Shuisheng and Siwei, 2012; Mandloi and Verma 2009; Kulkarni et al., 2005) Pesic et al (2013) studied the deals with the problems of experimental determination of intake airflow using orifice plates and the influence of orifice plate diameter on the experimental results of the measurements and found the influence of the intake pipe length on volumetric efficiency (S.K Sabale et al., 2013)

In terms of increasing, the volumetric efficiency and therefore the performance of a particular engine under wide-open throttle conditions efforts are made to increase the mass flow of air through the engine This can be achieved by: boosting with a turbocharger or supercharger, optimized fuel injection, proper intake/exhaust pressure ratio, internal exhaust gas recirculation, compression ratio, minimized frictional losses, minimized flow restrictions or inlet valves/port design Under full throttle conditions, a major restriction to air flow is the inlet valves and the inlet port, specifically the cross sectional area of the port/valve and the distance between the valve head and the cylinder head Therefore, for high mass flow

a large valve diameter and lift are requyred in addition to fast opening and closing speeds For reciprocating combustion engine, the helical intake manifold of the engine is not only

an important detail but also very difficult to design and fabricate For the helical intake manifold, the profile of the details not only curves in complicated curves in three-dimensional space but also has a transition from a square profile at the inlet to a circular profile at the position where the airflow goes inside the engine cylinder This creates many difficulties in rendering to ensure smoothness in areas where there is a transition from a square profile to a circular profile The 3D modelling of the smooth, high-quality helical intake manifold is very significant in ensuring the continuity of the airflow when entering the engine combustion chamber It is completely possible

to use CFD technology for digital development of helical intake manifold because of the rapid development of technology in design field CFD technology not only can get a large amount of result being able to gain in the experiment such as swirl ratio, mass-flow-rate, pressure and temperature field, but it also accurately identify the unreasonable geometrical part of the helical intake port and optimize the structure (Kang Xiu-ling et al., 2003)

Recently, Och et al (2016) developed a mathematical algorithm using differential evolution for optimization of volumetric efficiency in order to improve the gas exchange process of a single-cylinder compression ignition naturally aspirated engine Calculation were carried out using a parallized computational code consisting of (i) a one-dimensional model for the unsteady compressible gas flow taking place in intake and exhaust ducts; (ii) a single-zone combustion model for the in-cylinder processes; and (iii) an optimization routine based

on the differential evolution technique The authors found that in the first one, the intake duct length was the only optimization variable and it was found that optimal inlet duct lengths vary becoming shorter as engine speed is increased while In the second set of calculations, both intake and exhaust duct lengths have been taken as the optimization variables, and the resulting optimal intake duct lengths were quyte similar to those of the first set In the third set

of calculations, the crank angles defining valve synchronism were the optimization variables

It was found that optimal valve timing produced a gain in volumetric efficiency, which is

The helical intake port of research engine is parameters with 2D/3D port structure and modelized with help to CAD designing software and CAE tool By this digital helical intake port modeling, 3D design and modeling time is much reduced, only about 2-3 working days, while ensuring smoothness at transition areas In addition, synchronizing the design parameters with the

"Design Table" command in Solidworks software helps to change the profile of the helical intake manifold model corresponding to each main parameter of helical intake port structure set that occurs continuously and almost immediately without rebuilding 3D models in Solidworks Therefore, promoting the process of improving the helical intake manifold‟s profile takes place continuously, and perform many tests by simulation method, as a database for the construction of algorithms to optimize the helical intake manifold‟s profile of this engine in the future Thus, the main objective of this work is to evaluate the numerical measure to figure out the best volumetric efficiency and swirl ratio via the proper re-designing process of intake port

2 Materials and Methods

2.1 Re-designed helical intake port for improving volumetric efficiency

Volumetric efficiency (VE)

2

.100%

airmassflow VE

AirDensity Displacement EngineSpeed

1 0

p: number of times having un-equal timestep

Figure 1 shows the cross section of helical intake port of research engine The current helical intake manifold is described by 09 sections at different positions and these sections are connected by curves located on the upper and lower parting plans The helical intake manifold design drawing of small diesel engine Modeling by Solidworks software: We only have a 3D rendering method that uses the Loft command to join the sections together with 2D design as above The limitation of this rendering is heavily dependent on how the software interpolates when creating blocks of sections and takes a great amount of time

Center line of intake valve

Center line of cylinder head

A B

Fig 1 The cross section of helical intake port

As shown in Fig 1, a nouve method is proposed to parameterize the helical intake manifold model based on the important dimensions in the design drawing of the current engine‟s helical intake manifold

A: is the circle equation as:

Table 1 Five structuring parameters of helical intake port

The radius of circle equation (5): The lower limit and upper limit

values ensure that when the geometry of the helical intake manifold changes according to the parameter, the original structure of the cylinder head remains unchanged (coefficients a and b in the circle equation 1 are the center coordinates of this circle and can be changed when X1 changes but it must ensure tangential conditions at the intersection of arcs)

X2 102 ≤ X2 ≤ 105

The coefficient of helical equation (6): The lower limit and upper

limit values ensure that when the geometry of the helical intake manifold changes according to the parameter, the original structure of the cylinder head remains unchanged

Upper inclination angle: The upper and lower limit values ensure

that when the geometry of the helical intake manifold changes with the parameter, the original structure of the cylinder head remains unchanged

Lower inclination angle: The inclination angle for the mold escape

in the casting process is usually the positive integer values, and negligibly affects the loading process

The diameter of the intake valve: it must be a positive integer value to ensure processing aspect; the lower limit value ensures the minimum airflow to ensure the maximum power of the engine

is 16.5 Hp; The upper limit value ensures the original structure of the cylinder head remains unchanged

2.2 Determination of model improvement options

When the main parameter values (X1, X2, X3, X4, X5) change, the geometric profile of the helical intake manifold also changes For a given set of parameter values, we can identify

a specific case of the helical intake manifold According to the results of Table 2, there are many cases of helical intake But within the scope of this study, the authors only propose four options of helical intake (four sets of parameters) to be evaluated, compared with the existing engine‟s helical intake by NSYS – ICE (internal combustion engine) module Options are selected based on the following criteria:

– The selected parameter values must ensure that the helical intake model in Solidworks

In Table 2, Case 1: it is the case that the helical intake manifold is constructed according

to the parametric method, ensuring that the 3D model is similar to the design and manufacturing

drawings of the current helical intake manifold of researched engine Case 2, Case 3, Case 4: are the cases of the helical intake manifold built by the numerical method, proposed for improvement Besides, case 5: it is the case of the existing helical intake manifold constructed

by the loft method of sections according to the design drawing of the engine being studied The volume of helical intake manifold in case 5 and case 1 is not more than 1.5% different The comparison of volumetric flow rate for five case studied are shown in Fig 2

Fig 2 Comparison of volumetric flow rate for case studies 2.3 Simulation process using ANSYS-ICE module (ANSYS User Guide)

In order to set up a simulation problem in ANSYS – ICE module, the necessary factors are the 3D geometric model of the helical intake manifold, valve profile according to the crank angle (as shown in Fig 4 and Fig 5) Then, the next steps to establish 01 simulation model are as follows:

– Entering valve profile data according to the crank angle Data is entered in the ".prof" format Relevant data such as crank radius and connecting rod length are also entered for the ICE model

– Setting up 3D models for simulation Next, choose the format of special surfaces such

as the inlet and outlet face of the airflow, intake and exhaust valve seat, and the intake and exhaust valve body

Fig 3 Simulation model and initial

conditions

Fig 4 Meshed geometry of intake port

– Meshing the decomposed geometry

– Setting up the simulation (ICE Solver Setup)

– Entering boundary conditions (Boundary Conditions)

– Setting up the monitors (Monitor Definitions)

– Creating values for initialization (Initializations)

– Setting up the contours need to be followed (Post Processing)

– Running the solution (Setup and Solution)

– Obtaining the results (Results)

2.4 Swirl ratio

In diesel eongine with direct injection type, during the injection, nearly all gas mixture

is enclosed by that indentation Additionally, squeezing all gas into small confined volume creates a “squysh” phenomena which amplifies swirling motion and turbulence properties The smaller the combustion chamber active area the smaller the heat flux will be This is why

it is favourable to make more spherical combustion chamber as sphere has the best volume to surface ratio The swirling motion of the gas is defined by axial swirl and radial swirl called

“tumble” In order to estimate the swirl ratio, an axis of rotation have to be known

3 Results and discussion

3.1 Re-design of helical intake port

Helical intake valve built by parameter method is much smoother than the original intake manifold built by the old method

Fig 5 Helical intake manifold with proper re-designed with proposed measure

3.2 Volumetric efficiency

The volumetric efficiency of helical intake manifolds built by parameter method is higher than loft methods of sections according to the paths on the two parting plans (old method) Case 5 gives the highest results, an 8.6% increase compared to the existing helical intake model (Case 1) Because it is the smoothness at the transition positions between the sections when the helical intake is rendered by the parameter method, which reduces the local energy loss in the intake manifold, thereby increasing the volume of air loaded into the engine cylinder

Fig 6 Comparision of volumetric efficiency for five cases

3.3 Swirl ratio

Swirl ratio as a function of engine crank angle is derived from ANSYS – ICE model for the intake and compression of the engine according to the crank angle as shown in Fig 7

Fig 7 Swirl ratio according to crank angle of cases

As shown in the figure, the swirl ratio of case 5 is the highest 8.15% increase compared

to the existing helical intake manifold (case 1) Thus, in addition to reducing the local energy loss on the intake manifold, the case 5 also creates a more reasonable helical shape, in accordance with the design of intake valve and piston top of the researched engine All of these contribute to improving the value of the swirl ratio

4 Conclusion

A novel measure is presented to enhance the volumetric efficiency of a small engine with single cylinder The obtained results showed that the volumetric efficiency could be increased with proper change of designing variables of intake port

Five different designing variables are numerically evaluated to figure out the best volumetric efficiency under the suitable profile of intake port The volumetric efficiency and swirl ratio are considered as the output parameters for five considered cases In this specific conditions, the best case is found at (X1, X2, X3, X4, X5) = (18.00, 104.70, 12.27, 4.00, 40.00) where both volumetric efficiency and swirl ratio are obtained

REFERENCES

1 ANSYS User Guide

2 Eugene, V and Carsten, O (2012), Multi-Objective Adjoint Optimization of Intake Port

Geometry, SAE paper 2012-01-0905

3 Heywood J B (2018), Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, Inc., USA, 2nd

Edition

4 Kang Xiu-ling, Fu Guang-qi, Zu Bing-feng, Xu Yu-liang and Liu Jie (2003), Study and analysis

on intake port of 4-valve engine [J], Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 21(3),

261-264

5 Khalighi, B (1990), Intake-generated swirl and tumble motions in a 4-valve engine with various

intake configurations-flow visualization and particle tracking velocimetry, SAE paper, no 900059

6 Kulkarni, Y., Mone, M., Desai, A., Markandeya, S., Nayak, N., Aghav, Y., Sohi, N and Dani, A (2005), Optimization of Inlet Port Performance on Emission Compliance of Naturally Aspirated

DI Engine, SAE paper 2005-26-010

7 Mandloi, P and Verma G (2009), Design Optimization of an In - Cylinder Engine Intake Port,

Nafems World Congress

8 Pesic, R B., et al., 2013, Aspects of Volumetric Efficiency Measurement for reciprocating

engines, THERMAL SCIENCE: Vol 17, No 1, pp 35-48

9 S.K Sabale, S.B Sanap (2013), Design and Analysis of Intake Port of Engine for Target Value of

Swirl, American Journal of Mechanical Engineering, 01 (05), 138-142

10 Shuisheng, J and Siwei, Z (2012), Parameter Analysis of Helical Intake Port Numerical Design,

Energy Procedia, (16), 558-563

11 SOLIDWORKS User Guide

12 Sungjun Yoon, Seungpil Lee, Hyuckmo KWon, Joonkyu Lee, Sungwook Park (2018), Effects of the swirl ratio and injector hole number on the combustion and emission characteristics of a light

duty engine, Applied Thermal Engineering, (142), 68-78

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số nguyên tắc bố trí đ n chiếu sáng tại một

số loại nút giao thông trong đô thị và cơ sở tính toán sao cho phù hợp với quy luật chuyển động của dòng xe khi vào nút giao thông Đồng thời, chúng tôi cũng phân tích một số công trình đ n chiếu sáng tại các nút giao thông trong đô thị nước ta, từ đó đề xuất một số giải pháp để đảm bảo an toàn cho phương tiện giao thông và nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị chiếu sáng trong đô thị

1 T ng qu n về chiếu sáng đường đô thị

Ngày nay, việc chiếu sáng công trình đô thị là một vấn đề rất được quan tâm, đặc biệt là tại các nút giao thông trong đô thị, giúp cho quá trình giao thông được an toàn và đô thị đẹp hơn vào ban đêm Trong ngành kiến trúc và xây dựng các kiến trúc sư thường chú trọng về chiếu sáng nghệ thuật, còn trong ngành điện công nghiệp các kỹ sư lại chú trọng hơn về hiệu năng sử dụng thiết bị chiếu sáng Qua quá trình tham khảo các quy trình thiết kế đường đô thị

và thiết kế chiếu sáng công trình giao thông của TCXDVN 104:2007, TCXDVN 333-2005, BS-5489, AASHTO, dựa trên các quy luật chuyển động của dòng xe khi lưu thông trên đường, mà đặt biệt là khi xe vào nút giao thông, chúng tôi tập hợp một số hình thức bố trí đèn chiếu sáng tại các nút giao thông sao cho đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật trong thiết kế đường đô thị

Hình 1 Một số dạng bố trí cột và đ n đường trong đô thị

Hình 2 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường so le hai bên đường trong đô thị

Tùy theo bề rộng mặt đường mà người ta bố trí các cột đèn như sau: bố trí một bên, bố trí so le hai bên đường, bố trí đối xứng hai bên đường và bố trí trên dải phân cách giữa đường

Ở các nút giao ngã ba, ngã tư và nút giao hình xuyến thường sử dụng cột có chiều cao 10m hoặc 12m và khoảng cách giữa các trụ đèn tham khảo trong Bảng 1

Bảng 1 Tiêu chuẩn khoảng cách (S) bố trí cột và đ n đường trong đô thị theo BS-5489

2 Cơ sở bố trí cột và đèn đường tại các nút gi o thông trong đô thị

2.1 Bố trí cột và đèn đường tại các ngã ba (chữ T), ngã tư (chữ +)

a Nút giao chữ T trên đường thẳng

Các vị trí bố trí cột và đèn chiếu sáng điển hình cho các mối nối chữ T được thể hiện trong Hình 3 Bốn bộ đèn được được bố trí tại các vị trí A, B, C, D liên kết trực tiếp với

đường giao nhau

Hình 3 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chữ T trên đường thẳng

– Đèn chiếu sáng A cho thấy phần cuối của con đường phụ cho xe cộ đi lại dọc theo nó

và người đi bộ băng qua đường

– Đèn chiếu sáng B cho thấy cả nơi giao nhau với đường phụ để lưu thông trên đường chính và một phương tiện đang chờ ở phần đường phụ

– Đèn chiếu sáng C cho thấy các chuyển động rẽ đối với giao thông trên đường lớn – Đèn chiếu sáng D cho biết tình trạng giao thông của đường phụ đối với giao thông đi vào từ đường chính

b Các nút giao chữ T khi uốn cong

Đây là giải pháp bố trí cột và đèn chiếu sáng cho nút giao thông chữ T với đường chính cong Sơ đồ bố trí cột và đèn chiếu sáng điển hình cho điểm nối chữ T trên khúc cua được thể hiện trong Hình 4

Hình 4 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chữ T trên đường cong

1- Đ n chiếu sáng, 2- Đường chính, 3- Đường phụ, S- Khoảng cách bố trí đ n trên đường thẳng

c Các nút giao chữ T so le

Nếu khoảng cách giữa hai nút giao chữ T (X) và chữ T (Y) ở hai phía đối diện của đường chính xa nhau thì xem chúng là độc lập với nhau như trong trường hợp đầu tiên đối với các khu vực xung đột riêng biệt Nếu chúng ở gần nhau thì được coi là một khu vực cần phải

Hình 5 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chữ T so le liên tiếp

d Ngã tư

Các vị trí cột và đèn chiếu sáng bố trí điển hình cho nút giao được thể hiện trong Hình

6 Đèn chiếu sáng dùng để chiếu sáng giao thông qua hướng rẽ

Hình 6 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao ngã tư 2.2 Bố trí cột và đèn đường tại các nút giao chữ Y

a Các nút giao chữ Y có đường chính thẳng

Các vị trí cột và đèn chiếu sáng bố trí điển hình so le tại các điểm nối Y được thể hiện trong Hình 7 Các đèn chiếu sáng nhằm mục đích làm rõ hơn đường giao nhau giống như đối với đường giao nhau chữ T Đèn chiếu sáng A thể hiện rõ hơn nút giao khi xe di chuyển dọc theo đường phụ đến nút giao Cột đèn chiếu sáng trên phần đường tách làn trên đường chính phải bố trí cách nút giao <1/2S

Hình 7 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chũ Y có đường chính thẳng

b Các nút giao chữ Y có đường phụ thẳng

Ngã ba có thể được chiếu sáng khi khúc cua với đèn chiếu sáng ở đường chính dọc theo

lề đường bên ngoài và tại các khoảng cách thiết kế đường chính được thu hẹp một cách thích hợp Các vị trí đèn được bố trí so le như thể hiện trong Hình 8

Hình 8 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chữ Y có đường phụ thẳng

c Các nút giao chữ Y có đảo hình tam giác

Trong một số giao lộ có giao thông từ đường phụ có thể bị ngăn cách với giao thông trên đường lớn bởi đảo hình tam giác, nơi đường nhỏ tiếp cận đường chính ở góc tù 135 và nơi đường phụ nối với đường chính đường ở góc nhọn 45 Phương pháp bố trí đèn chiếu sáng thể hiện như trên Hình 9

Hình 9 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao chữ Y có đảo hình tam giác

2.3 Bố trí cột và đèn đường tại các nút giao hình xuyến

a Vòng xoay đảo giao thông trung tâm

Dựa trên quy luật chuyển động của dòng xe khi vào nút giao thông hình xuyến 3 nhánh

và hình xuyến 4 nhánh, các vị trí đèn chiếu sáng được bố trí điển hình cho đảo giao thông trung tâm bùng binh) và trên các đường nhánh vào và ra nút như Hình 10

Hình 10 Sơ đồ bố trí cột và đ n đường tại nút giao hình xuyến

1- Đ n chiếu sáng, 2- Đảo giao thông (bùng binh)

3 Phân tích một số hình thức chiếu sáng tại các nút giao thông

Sau đây chúng tôi đưa ra một số hình thức bố trí đèn chiếu sáng tại một số nút giao thông thực tế để phân tích:

3.1 Bố trí đèn chiếu sáng tại nút giao ngã ba của dự án Tuấn Điền Phát- Bàu Bình Dương

Bàng-Theo như chủ đầu tư công bố, khu Dân cư Tuấn Điền Phát mở ra nhằm đáp ứng nhu cầu

về nhà ở cho công nhân viên, cán bộ, công chức, chuyên gia nước ngoài sinh sống và làm việc trong khu công nghiệp Becamex Bàu Bàng Tại nút ngã ba này đèn chiếu sáng bố trí quá xa cửa vào nên khi xe từ hướng chính rẽ phải vào đường nhánh có tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông về đêm Cần bố trí thêm đèn chiếu sáng gần cửa vào đường nhánh

Hình 11 Nút giao ngã ba của dự án Tuấn Điền Phát - Bàu Bàng - Bình Dương

3.2 Bố trí đèn chiếu sáng tại nút giao thông hình xuyến Mỹ Phước - Bình Dương

Đây là nút giao thông hình xuyến, phương tiện giao thông qua nút cao nhưng tại các nhánh rẽ phải lại thiếu đèn chiếu sáng để dẫn dòng, dẫn hướng, vì vậy khi xe ra khỏi nút giao

có nguy cơ mất an toàn giao thông về đêm cao Cần bố trí thêm một số đèn chiếu sáng tại các nhánh rẽ và nhánh nhập như trên Hình 10

Hình 12 Nút giao thông hình xuyến Mỹ Phước-Bình Dương

4 Kết luận và kiến nghị

Thiết kế chiếu sáng công trình đường đô thị, đặt biệt là tại các nút giao thông trong đô thị, nhằm mục đích đảm bảo an toàn giao thông và làm đô thị đẹp hơn vào ban đêm Người thiết kế ngoài các kiến thức về kỹ thuật điện cần phải hiểu rõ về các quy luật chuyển động của dòng xe khi lưu thông trên đường, đặc biệt là khi vào nút giao thông Khi chưa có các tài liệu hướng dẫn chuyên ngành thì cần tham khảo các quy trình thiết kế đường đô thị, thiết kế chiếu sáng công trình giao thông như các tiêu chuẩn TCXDVN 104:2007, TCXDVN 333-2005, BS-

5489, AASHTO Thông qua bài báo này chúng tôi gửi đến các đọc giả một số hình thức bố trí đèn chiếu sáng tại các nút giao thông hiệu quả, tiết kiệm và đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật trong thiết kế đường đô thị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 AASHTO (2015), Roadway Lighting Design Guide, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC

2 Bộ Xây dựng (2007), Tiêu chuẩn Đường đô thị-Yêu cầu thiết kế, Tiêu chuẩn TCXDVN 104:

2007

3 Bộ Xây dựng(2005), Tiêu chuẩn Thiết kế chiếu sáng, Tiêu chuẩn TCXDVN 333-2005,

4 BS 5489-1:2003 Code of practice for the design of road lighting, BRITISH STANDARD 2003

5 FHWA (2011), European Road Lighting Technologies, Report No FHWA-PL-01-034,

Washington, DC

6 ISEBRANDS, H et al (2016), Safety Impacts of Street Lighting at Isolated Rural Intersections,

Minnesota Department of Transportation, Part II, MN/RC-2006-35

7 Nguyễn Xuân Vinh (2010), Thiết kế đường đô thị, NXB Xây dựng

8 Trần Minh Phụng, Lê Minh Quang (2018), Hạ tầng kỹ thuật đô thị, NXB Xây dựng

CHẾ TÄO B TÔNG THOÁT N ỚC DÙNG CHO LỚP PHỦ MẶT CÁC CÔNG TRÌNH HÄ TÆNG KỸ THUẬT HU DÅN C / HU ĐÔ THÐ

Nguyễn Tuấn Cường 1 , Trần Hữu Bằng 2

1 Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại TP Hồ Chí Minh,

2 Trường Đại học Thủ Dầu Một

Tóm tắt

Hiện nay, tốc độ đô thị hóa tại Việt Nam tăng nhanh gắn liền với nhu cầu phát triển hạ tầng đô thị Các công trình kết cấu hạ tầng (đường sá, sân bãi, ) chiếm dụng bề mặt tự nhiên, làm giảm năng lực tiêu thoát tự nhiên, tăng lưu lượng dòng chảy bề mặt và giảm thẩm thấu của nước xuống đất, giảm khả năng bổ sung tại chỗ nguồn nước ngầm cũng như gây đơn điệu cảnh quan, bức xạ nhiệt do bê tông hóa Nhiều đô thị có hệ thống thoát nước thường xuyên bị quá tải mặc dù đã được quan tâm đầu tư Trong phạm vi báo cáo này, nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu chế tạo loại bê tông rỗng vừa có khả năng thấm nước cao vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về cường độ (Phương N.V và nnk., 2019), đồng thời đưa ra các biện pháp bảo trì đảm bảo tính thấm theo yêu cầu (Hoàng Văn Huệ, 2009) Từ đó, đề xuất các ứng dụng của bê tông rỗng cho giải pháp thoát nước mặt các

công trình hạ tầng kỹ thuật trong đô thị, khu dân cư (Cao Xuân Thi, 2017)

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, tốc độ đô thị hóa tại Việt Nam tăng nhanh gắn liền với nhu cầu phát triển hạ tầng

đô thị Các công trình kết cấu hạ tầng đường sá, sân bãi, ) chiếm dụng bề mặt tự nhiên, làm giảm năng lực tiêu thoát tự nhiên, tăng lưu lượng dòng chảy bề mặt và giảm thẩm thấu của nước xuống đất, giảm khả năng bổ sung tại chỗ nguồn nước ngầm cũng như gây đơn điệu cảnh quan, bức xạ nhiệt do bê tông hóa Phương N.V và nnk., 2019) Nhiều đô thị có hệ thống thoát nước thường xuyên bị quá tải mặc dù đã được quan tâm đầu tư Một số dự án đã và đang được triển khai bằng nguồn vốn vay ODA tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng,

Đà Nẵng, Vinh, Nguồn vốn đầu tư này lên tới hàng tỷ USD, tuy nhiên hiệu quả của nó cũng chỉ đáp ứng tỷ lệ nhỏ (khoảng 1/6) so với yêu cầu hiện nay Hoàng Văn Huệ, 2009)

Trước tình trạng ngập lụt và ô nhiễm môi trường ngày càng diễn ra nghiêm trọng tại các

đô thị Việt Nam như hiện nay, việc áp dụng giải pháp thoát nước mặt bền vững là hết sức cần thiết Thoát nước mặt bền vững chủ yếu là giải pháp thay thế bề mặt phủ không thấm nước thành những bề mặt phủ có khả năng thấm, lưu giữ và chứa nước Gần đây, bê tông thoát nước BTTN) được xem là một trong những “ứng dụng thực tế quản lý tốt nhất” trong việc thu và làm sạch nước mưa trên thế giới Bê tông thoát nước, còn được gọi là bê tông thấm nước hoặc

bê tông không sử dụng cốt liệu nhỏ, là vật liệu phủ bề mặt thân thiện với môi trường Phương N.V và nnk., 2019; Hoàng Văn Huệ, 2009) Một cách tổng quan, BTTN bao gồm: xi măng, nước, cốt liệu thô đá) cỡ hạt đồng nhất, và ít/không sử dụng cốt liệu nhỏ (cát), dẫn đến cấu trúc

lỗ rỗng lớn và hệ thống các lỗ rỗng liên kết với nhau giữa các cốt liệu (Hình 1)

a Mặt đường BTTN, nước thoát

theo phương đứng

b Mặt đường bê tông thông thường, nước chảy tràn trên mặt theo mái đường c Đặc điểm cấu trúc BTTN

d BTTN tại một khu công viên ở

Auckland, New Zealand

(Nguồn: merzconstruction.co.nz)

e Mặt đường đi bộ sử dụng BTTN tại một khu dân cư ở New

(Nguồn: pinterest.com)

i Mặt đường xe chạy trước nhà bằng BTTN ở Concord, CA

(Nguồn: bayareapervious concrete.com)

Hình 1 Bê tông thoát nước

Hiện nay, ở Mỹ, Nhật và các nước châu Âu,… đã và đang có rất nhiều nghiên cứu về BTTN: thiết kế thành phần cấp phối và nghiên cứu các đặc tính cơ lý cũng như độ bền của loại vật liệu thân thiện môi trường và phát triển bền vững này Tuy nhiên, vấn đề tối ưu hóa quá trình thiết kế và ứng dụng đại trà của bề mặt phủ bằng BTTN vẫn là quá trình cơ lý hóa phức tạp và chưa phổ biến do phụ thuộc vào những nguyên lý thiết kế, các điều kiện đặc thù của địa phương, các đặc tính của vật liệu cũng như các cơ sở pháp lý Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu phát triển các dạng kết cấu bề mặt phủ sử dụng BTTN vẫn đang là hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xây dựng tại nhiều quốc gia Neithalath, 2004; Francis, 1965; Nader Ghafoori, 1995; Malhotra VM; Ghafoori và nnk, 1995; Lian và nnk, 2010; Paul, 2004; lalea Kia, 2017)

Ở Việt Nam, mặc dù cũng đã có một số đề tài được tiến hành nghiên cứu về bê tông

kiện áp dụng vẫn còn hạn chế (Cao Xuân Thi, 2017; Trần Hồng Hải, 2017; Chánh và nnk., 2016; Lê Thái Bình, 2013; Vũ Việt Hưng, 2019) Một trong những thách thức lớn khi triển khai đại trà kết cấu mặt phủ bằng BTTN là kết cấu phải đáp ứng các yêu cầu như: đảm bảo cường độ và độ bền, tăng cường khả năng tự thấm nước mưa, dễ thi công, bảo dưỡng, sửa chữa và giá thành hợp lý… Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện vẫn chưa có các tiêu chuẩn hay các hướng dẫn kỹ thuật để lựa chọn và kiểm tra vật liệu cũng như biện pháp thi công, bảo trì, bảo dưỡng về loại vật liệu này Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả trình bày một số kết quả nghiên cứu về chế tạo loại bê tông xi măng rỗng (dùng các cỡ đá 1.18-9.5mm và cỡ đá 1.18-4.75mm) có khả năng thấm cao và lưu giữ nước; đồng thời đưa ra các biện pháp bảo trì, bảo dưỡng để đảm bảo tính thấm theo yêu cầu Từ đó, đề xuất các ứng dụng của bê tông rỗng cho giải pháp thoát nước mặt các công trình hạ tầng kỹ thuật trong đô thị, khu dân cư

2 Thiết kế thành phần cấp phối và chế tạo mẫu bê tông thoát nước

2.1 Vật liệu và thành phần cấp phối

Trong nghiên cứu này, thành phần cấp phối của BTXMR được thiết kế dựa trên nguyên

lý thể tích đặc tuyệt đối và theo các chỉ dẫn của Báo cáo ACI 522R-10 của Viện bê tông Hoa

Kỳ (ACI Committee 522, 2010) Khung cấu trúc lỗ rỗng trong bê tông cho phép nước thấm qua từ bề mặt xuống các lớp bên dưới được hình thành bởi các cốt liệu đá có cùng kích cỡ hạt 1.18-9.5mm cho cấp phối hạt to, và kích cỡ hạt 1.18 ÷ 4.75mm cho cấp phối hạt nhỏ (Hình 4, 5) được bao bọc, kết dính vừa đủ bởi lớp hồ xi măng với thể tích hồ xi măng thiết kế là 22,5%) Bảng 1 thể hiện các đặc tính cơ bản của đá và biểu đồ thành phần hạt được trình bày

ở Hình 2, 3 Xi măng poóclăng hỗn hợp PCB-40 của Công ty Cổ phần Phát triển Sài Gòn được sử dụng với khối lượng riêng là 3,15g/cm3

và để cải thiện tính công tác của bê tông khi

đổ, phụ gia siêu dẻo giảm nước lignosulfonat được hòa tan với nước trộn bê tông, với hàm lượng 1% khối lượng xi măng Theo đó, thành phần cấp phối thiết kế của BTXMR với độ rỗng tối thiểu là 10% được thể hiện trong Bảng 2 Trong nghiên cứu BTTN, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Giao thông Vận tải đã đề xuất sử dụng 2 cỡ cột liệu thô:

+ Đá cỡ 1.18 ÷ 9.5mm cho cấp phối CP 9.5: cho bề mặt thô hơn kém thẩm mỹ, thoát nước nhanh, ít tắc nghẽn, ít bảo trì

+ Đá cỡ 1,18 ÷ 4.75mm cho cấp phối CP 4.75: cho bề mặt mịn, thẩm mỹ hơn, thích hợp cho đi bộ (không lọt gót giày cao gót), nhưng dễ bị nghẽn, bảo trì nhiều hơn Ở các khu đô thị sạch sẽ hơn, đường ít bùn cát, người đi bộ nhiều thì cấp phối này áp dụng tốt

Thành phần hạt của cỡ cốt liệu 1.18 ÷ 9.5mm và cỡ 1.18 † 4.75mm được trình bày ở Hình 2,

3 Nhận thấy rằng cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu này có thành phần cấp phối tương đối tốt, hầu như nằm trong đường bao giới hạn của tiêu chuẩn ASTM C33/C33M-16 (TCVN 3118:1993) Với thành phần cấp phối này, các hạt cốt liệu có thể lèn lại với nhau với độ chặt vừa tạo ra cấu trúc khung chịu lực cho bê tông vừa đảm bảo không lấp đầy các lỗ rỗng của BTTN

Quá trình trộn bê tông được thực hiện bằng máy trộn bê tông Đầu tiên trộn toàn bộ đá,

xi măng và một phần nước (khoảng 10%) trong 2 phút nhằm tạo một lớp xi măng bao phủ đồng đều bề mặt các hạt cốt liệu đá Hình 6.a) Sau đó, đổ toàn bộ lượng nước còn lại và trộn trong thời gian 2 phút Dừng máy và vét thành máy trộn khoảng 30 giây Kiểm tra độ đồng đều và điều chỉnh lượng phụ gia cho bê tông đạt được độ nhớt và độ sụt như yêu cầu (Hình 6.b) Tiếp tục cho máy trộn thêm 2 phút nữa trước khi đổ bê tông vào khuôn

Quá trình đổ và đầm bê tông vào khuôn được tiến hành như sau: Đổ bê tông vào khuôn hình lập phương 150 × 150 × 150 mm đã được bôi chất bôi trơn trước đó để tránh bê tông bị

dính vào thành và thuận lợi trong quá trình tháo khuôn Chia làm 3 lớp và đầm 25 lần trên mỗi lớp bằng đầm Proctor tiêu chuẩn Hình 7.a) Sau khi đầm xong 3 lớp tiến hành xử lý mặt mẫu và hoàn thiện bề mặt (Hình 7.b) Sau khi kết thúc quá trình đầm và hoàn thiện bề mặt, tiếp theo các mẫu bê tông được đánh dấu, ký hiệu và bảo dưỡng trong điều kiện nhiệt độ phòng và phủ một lớp vải ẩm bên trên để tránh mất nước trong bê tông trong vòng 24 giờ Hình 7.c) Sau đó tiến hành tháo khuôn và bảo dưỡng mẫu trong nước Những mẫu kiểm tra cường độ nén được bảo dưỡng đến 7, 14, 28 ngày; những mẫu kiểm tra độ rỗng, độ thoát

nước được bảo dưỡng đến 28 ngày rồi tiến hành thí nghiệm

Hình 6 Quá trình trộn bê tông và đo độ sụt

Hình 7 Quá trình đầm và bão dưỡng mẫu bê tông rỗng thoát nước

3 Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý điển hình củ bê tông thoát nước

3.1 Độ rỗng hở của bê tông thoát nước

Trên cơ sở tham khảo tiêu chuẩn ASTM C1754/C1754M-12 [19] về thí nghiệm xác định khối lượng riêng và độ rỗng của bê tông rỗng sau khi đã hóa cứng, tiến hành xác định theo các công thức sau:

Khối lượng riêng: khối lượng riêng =

V

A

(1) Trong đó: A - Khối lượng khô của mẫu kg); V - Thể tích của mẫu m3)

Độ rỗng được xác định dựa trên sự sai lệch giữa tổng thể tích của mẫu và phần thể tích thay đổi khi ngâm mẫu trong nước:

B-A-1

Trong đó: B: Khối lượng cân trong nước của mẫu kg); PW: Khối lượng riêng của nước (kg/m3)

Theo công thức (1) và (2), khối lượng riêng và độ rỗng trung bình của các mẫu bê tông được xác định lần lượt là 2.155 kg/m3

và 12 % Có thể thấy rằng, các giá trị đạt được nằm trong phạm vi thường gặp khi đối chiếu tham khảo với các nghiên cứu khác

Khả năng thấm

Tính thấm là một trong những đặc tính quan trọng của bê tông xi măng rỗng (BTXMR) Trong bài báo này, khả năng thấm của mẫu bê tông 500×500×100 mm được tính toán với chiều cao mực nước thay đổi trong phạm vi từ 10-15mm so với bề mặt trên của mẫu (Hình 8),

và tiến hành theo hướng dẫn của Tiêu chuẩn ASTM C1701/C1701M-17a (2017) về thí nghiệm xác định khả năng thấm của BTXMR tại hiện trường với trường hợp chiều cao mực nước gần như không thay đổi

)4(

Trong đó, I: Khả năng thấm của

mẫu bê tông (mm/s); M: Lượng nước

thấm qua mẫu (kg); D: Đường kính

trong của ống chứa nước (mm); t:

Thời gian cần thiết để lượng nước

Bảng 3 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và khả năng thấm của CP 9.5 và CP 4.75

CP Cỡ đá mm Độ rỗng thầm % Cường độ nén MPa Khả năng thấm mm/s

4 Đề xuất các biện pháp bảo trì đảm bảo tính thấm theo yêu cầu và ứng dụng củ bê tông thoát nước

4.1 Các biện pháp bảo trì đảm bảo tính thấm theo yêu cầu

Mục tiêu chính của việc bảo trì, bảo dưỡng là ngăn chặn kết cấu mặt phủ bê tông rỗng không bị tắc nghẽn bởi các loại hạt mịn Vì vậy, để đảm bảo tính thấm như ban đầu thì kết cấu phải được làm sạch thường xuyên và được phục hồi khi bị tắc nghẽn Một số nghiên cứu (National Ready Mixed Concrete Association, 2006) đã chỉ ra rằng các hạt cát có nhiều khả năng được giữ lại trên bề mặt, trong khi các hạt cặn có kích thước nhỏ hơn như đất sét thì dễ

bị lắng đọng ở đáy lớp bê tông rỗng làm tính thấm giảm dần Tuy nhiên, khi lớp bê tông rỗng

bị tắc nghẽn thì lớp này trở thành lớp bảo vệ cho các lớp phía dưới tránh khỏi sự lắng đọng của các hạt cặn Vì vậy, công tác bảo trì, bảo dưỡng là chủ yếu khôi phục tính thấm của lớp bề mặt (lớp bê tông rỗng) Bảo trì kết cấu mặt phủ là trách nhiệm của chủ sở hữu công trình và phải được lập kế hoạch bảo trì Giải pháp bảo trì tốt nhất trước hết là giải pháp có tính phòng ngừa, giữ cho bề mặt kết cấu được sạch sẽ Cần ngăn chặn không cho dòng chảy nước mưa trên bề mặt phủ mang theo những hạt cặn dễ làm tắc nghẽn lỗ rỗng, cụ thể:

– Các khu vực liền kề với bãi đất trồng, vườn hoa, tiểu cảnh v.v phải có biện pháp ngăn chặn sự rửa trôi đất trên bề mặt

– Không được đổ trực tiếp vật liệu xây dựng trên bề mặt phủ bê tông rỗng

Khi lập kế hoạch bảo trì, bước đầu tiên là phải xác định tốc độ thấm của bê tông rỗng tại hiện trường trước khi đưa kết cấu vào sử dụng Phép đo ban đầu này là cơ sở ghi lại hiệu suất tối

ưu về khả năng thấm của lớp bê tông rỗng và là cơ sở để so sánh kết quả kiểm tra khả năng thấm trong quá trình bảo trì, bảo dưỡng trong tương lai Các điểm kiểm tra ban đầu được đánh dấu, ghi chú trong nhật ký bảo trì để đảm bảo các thử nghiệm trong tương lai có kết quả tại cùng một vị trí Dựa vào kết quả của các đợt kiểm tra về khả năng thấm, xác định chu kỳ bảo trì thích hợp

Đối với mặt đường bê tông rỗng có thể chia ra các cấp độ bảo trì như sau:

1 Bảo trì định kỳ: kiểm tra định kỳ hàng tháng đối với lớp bề mặt bằng trực quan và đảm bảo bề mặt kết cấu là sạch, thoát nước tốt giữa các trận mưa Nếu ở những vị trí bị đọng tạo thành vũng nước thì đó là dấu hiệu cho thấy bề mặt phủ đã đến lúc phải được làm sạch Việc vệ sinh bảo dưỡng định kỳ sẽ được thực hiện bằng máy hút bụi hoặc máy quét chân không với chu kỳ bảo dưỡng thường 6 tháng/lần Nếu bề mặt vỉa hè đã bị tắc nghẽn đến

nỗi việc quét chân không không thể khôi phục được tính thấm thì có thể cần xử lý ở mức độ cao hơn Khi đó, có thể áp dụng kỹ thuật rửa bề mặt bê tông rỗng bằng nước sạch với áp suất thấp, sau đó là dùng máy hút bụi

Trong một số trường hợp, sự phát triển của rêu cũng là một vấn đề Khi đó, có thể sử dụng bột soda rắc lên bề mặt, sau đó sử dụng máy hút bụi trong khoảng vài tuần Cũng có thể làm chậm sự phát triển của rêu hoặc loại bỏ rêu bằng nước vôi Tuy nhiên, khi sử dụng các hóa chất này ở những khu vực nền đất có khả năng thấm tốt thì phải đánh giá tác động của chúng đối với chất lượng nước ngầm

2 Bảo trì đột xuất: đối với những khu vực không được bảo trì và làm sạch định kỳ thì kết cấu bê tông rỗng dễ bị tắc nghẽn bởi các hạt cặn theo thời gian Thông thường tốc độ thấm trung bình bị giảm 25% so với giá trị ban đầu (National Ready Mixed Concrete Association, 2006) Trong trường hợp này, cách bảo trì tốt nhất là kết hợp giữa kỹ thuật rửa bề mặt bằng áp lực nước (áp suất 860 kPa đến 3,450 kPa) và hút bụi đồng thời Tuy nhiên, tránh rửa bề mặt với áp lực nước quá cao vì sẽ làm giảm sự kết dính của xi măng và cốt liệu, gây bong bật vật liệu của kết cấu mặt phủ Mặt khác, áp suất của nước rửa bề mặt cao có thể đẩy các hạt cặn đi sâu vào trong các tầng lớp vật liệu tiếp theo nằm phía dưới lớp bê tông rỗng

Việc sử dụng hóa chất để tẩy rửa, làm sạch bề mặt bê tông rỗng cũng được đề cập nhưng phải hết sức thận trọng để ngăn ngừa tác hại đến tầng chứa nước, các vi sinh vật trong môi trường đất Ngoài ra, đối với những khu vực bị hư hỏng hoặc không thể khôi phục được khả năng thấm nước thì cần được thay thế kết cấu mặt phủ

4.2 Các ứng dụng

Trên cơ sở tham khảo thiết kế mẫu của Sở GTVT và UBND TP HCM (Quyết định 1762/QĐ-SGTVT ngày 18/06/2009; Quyết định 09/2014/QĐ-UBND ngày 20/02/2014) và các kết quả nghiên cứu khác (Permeable pavements, 2015), nhóm nghiên cứu đề xuất các ứng dụng của BTXMR cho đường nội bộ và vỉa hè cho khu dân cư/ đô thị nhằm đảm bảo thoát nước mặt bền vững như thể hiện trong Hình 10

Hình 10 Kết cấu đường nội bộ (c, d) và vỉa h đường (a, b): Sở GTVT và UBND TP

HCM (trái) và đề xuất (phải)

a) KC Đ thấm toàn bộ xuống nền

b) KC Đ thấm một phần xuống nền – không lớp lót

c) KC Đ thấm một phần xuống nền– ống thoát nước đảo ngược

d) KC Đ không thấm xuống nền – ống thoát nước đục lỗ và lớp lót không thấm

Hình 11 Cấu tạo hệ thống thoát nước

BTTN

Lớp đệm Lớp chứa nước

Đất nền

Lớp đệm Lớp chứa nước

Đất nền

Lớp đệm Lớp chứa nước

4.3 Đề xuất giải pháp cấu tạo cho hệ thống thoát nước tương thích

Ngoài các quy định về cấu tạo hệ thống thoát nước trong KC Đ theo Quyết định 3230, cần xem xét các chú ý sau:

Ngoài thiết kế kết cấu, kỹ sư phải thiết kế hệ thống mặt đường để đạt được các mục tiêu quản lý nước mưa, đồng thời xem xét các đặc điểm của địa điểm cụ thể Các mục tiêu quản lý nước mưa có thể bao gồm thiết kế để loại bỏ chất gây ô nhiễm được chọn hoặc giảm lưu lượng và/hoặc tốc độ nước mưa cực đại cơn bão thiết kế) Các đặc điểm của khu vực thiết kế, nói chung bao gồm: điều kiện thủy văn, tính thấm của đất, độ sâu của nước ngầm, các công trình dưới mặt đất tức là giếng, hệ thống tự hoại) và ngân sách dự án Các yếu tố này sẽ xác định loại mặt đường thấm phù hợp và thiết kế kết cấu/vật liệu cần thiết cho mỗi ứng dụng Theo đó, người thiết kế sẽ xác định các chi tiết cho mặt cắt của hệ thống mặt đường

Các hệ thống mặt đường BTXMR có thể được thiết kế để thấm toàn bộ, một phần hoặc không thấm nước mưa từ lớp móng đá trữ nước vào nền đất Các thiết kế thấm nước toàn bộ hoặc một phần với việc cung cấp nước cho đất bên dưới được xem một cách tự nhiên để quản

lý nước mưa thay vì xả trực tiếp nước mưa vào hệ thống thoát nước đường ống

5 Kết luận và kiến nghị

Để áp dụng giải pháp thoát nước mặt bền vững trong các đô thị, nhóm tác giả đã thực hiện nghiên cứu chế tạo loại bê tông rỗng có khả năng thấm cao và lưu giữ nước thay thế cho lớp mặt phủ bê tông truyền thống (bê tông chặt, độ rỗng nhỏ) Trong đó cấp phối CP 9.5 thoát nước tốt, ít tắc nghẽn và ít bảo trì trong khai thác hơn cấp phối CP 4.75 nhưng để mỹ quan, phục vụ tốt cho khu vực dân cư đô thị có đông người đi bộ thì cấp phối CP 4.75 có nhiều ưng hơn nhưng cấp phối CP 4.75 dễ bị tắc nghẽn hơn trong quá trình khai thác do kích thước lỗ rỗng liên thông nhỏ dễ bị các hạt nhỏ rơi vào bịt lại Từ đó, nhóm tác giả đưa ra các biện pháp bảo trì, bảo dưỡng để đảm bảo tính thấm theo yêu cầu và cũng đề xuất các ứng dụng của bê tông rỗng cho các kết cấu mặt phủ đô thị như vỉa hè, bãi đậu xe và mặt đường nội bộ trong đô thị, khu dân cư để đảm bảo thoát nước mặt bền vững

Tuy nhiên, để có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu một cách đại trà thì các cơ quan chức năng, các nhà quản lý, quy hoạch, thiết kế, thi công và những đơn vị có liên quan cần phải nhận thức được tầm quan trọng của giải pháp thoát nước mặt bền vững Ngoài ra, cần thiết lập

hệ thống chỉ dẫn thiết kế, thi công và bảo trì, bảo dưỡng khi ứng dụng bê tông thoát nước cho lớp phủ mặc các công trình hạ tầng kỹ thuật khu dân cư/khu đô thị

TÀI LIỆU THAM KHÂO

1 ACI Committee 522 Report on Pervious Concrete Farmington Hills, USA: American Concete Institute; 2010

2 Alalea Kia, Hong S Wong CRC Clogging in permeable concrete: A review 2017:221–33

3 ASTM C1701/C1701M-17a Standard Test Method for Infiltration rate of In Place Pervious Concrete 2017

4 ASTM C1754/C1754M-12 Standard Test Method for Density and Void Content of Hardened Pervious Concrete 2012

5 ASTM C33/C33M-16 Standard Specification for Concrete aggregrates 2016

6 Cao Xuân Thi (2017) Chế tạo bê tông rỗng thoát nước dùng làm gạch lát vỉa hè, nền đường

7 Chánh NV, Duy NH, Phạm H, Huân N, Kỹ K, Xây T, et al (2016) Kỹ thuật bê tông rỗng dùng xây dựng lề đường và công trình công cộng n.d.:102-7

8 Francis AM (1965), Early concrete buildings in Britain Concr Constr Eng; 60:73-5

9 Ghafoori N, Dutta S (1995), Development of no-fines concrete pavement applications J Transp

16 Neithalath N (2004), Development and Characterization of Acoustically Efficient Cementitious

Materials J Control Release, 269

17 Paul D Tennis, Michael L Leming and DJA (2004), Pervious concrete pavement Portl Cem Assoc https://doi.org/10.3141/2113-02

18 Permeable pavements, The ASCE, 2015

19 Phương NV, Nam TH, Hải PT, Cẩn KV, Ngọc NT (2019), Nghiên cứu giải pháp thiết kế thoát

nước mưa trên đường phố theo hướng bền vững Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng -

22 TCVN 3106:1993 - Tiêu chuẩn Việt Nam về hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

23 TCVN 3118:1993 - Tiêu chuẩn Việt Nam về bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén

24 Trần Hồng Hải (2017), Kết quả nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật bảo trì kết cấu bê tông rỗng thoát

nước: Tổng hợp kết quả nghiên cứu quốc tế và các đề xuất nâng cao hiệu quả ở Việt Nam Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng - ĐHXD;11:67-75

25 Vũ Việt Hưng 2019), Nghiên cứu sử dụng bê tông xi măng rỗng thoát nước mặt cho đường nội bộ

và vỉa hè đường Tạp chí Xây dựng Việt Nam,124

GIÂI PHÁP IN 3D ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH XÅY DỰNG

Ngô Đình Nguyên Khôi 1

1 Trường Đại học Thủ Dầu Một

Tóm tắt

Xây dựng đóng vai trò quan trọng trong xã hội loài người, tạo nên những cơ sở hạ tầng phục vụ và nâng cao chất lượng cuộc sống Ngành xây dựng đã sẵn sàng để đón nhận một làn sóng kỹ thuật mới gọi là công nghệ in 3D vào việc thi công các công trình xây dựng từ nhà ở… đến cầu đường Công nghệ in 3D trong xây dựng trên thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ Tại Việt Nam, nhiều cơ sở hạ tầng vẫn chưa hoàn thiện, vì vậy, công nghệ in 3D trong xây dựng sẽ có cơ hội để áp dụng rộng rãi Với ưu điểm là tiết kiệm chi phí, nhân lực, thời gian thi công nhanh, công nghệ in 3D dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai không xa Qua bài viết tác giả mong muốn cung cấp những thông tin cơ bản về lịch sử hình thành, phát triển, áp dụng giải pháp công nghệ

in 3D cho công trình xây dựng

1 Đặt vấn đề

Công nghệ in 3D được nhen nhóm từ những năm 1950 Những phát triển ban đầu trong giai đoạn 1995-2000 phải kể đến là hai phương pháp của Joseph Pegna và Behrohk Khoshnevis: kỹ thuật tạo cát và xi măng sử dụng hơi nước để liên kết các bộ phận rắn và phương pháp ép đèn, tạo hình bằng gốm mới Hai phương pháp này được đánh giá là vượt qua những kỹ thuật thời đó (Công ty CP Game & Công nghệ Digitalfuture, 2021)

Thế hệ thứ nhất (2000-2010) đánh dấu giai đoạn mang công nghệ in 3D vào các công trình xây dựng với nhiều thành công rực rỡ Các nhà sáng chế không ngừng mang đến những

kỹ thuật, cỗ máy mới khiến cho công nghệ ngày càng hoàn thiện và được công nhận bởi đông đảo mọi người

Thế hệ thứ hai từ 2010 đến hiện tại là giai đoạn phát triển cực mạnh của công nghệ in 3D trong xây dựng Ngày càng có nhiều tòa nhà, công trình được xây dựng dựa trên công nghệ này trên toàn thế giới

Từ đầu thế kỷ XX, tự động hóa sản xuất đã phát triển ở hầu hết các lĩnh vực Ứng dụng

tự động hóa trong xây dựng gặp trở ngại bởi phương pháp xây dựng, số lượng các sản phẩm hoàn thiện rất nhỏ so với các ngành khác, các thiết bị đắt tiền làm giảm tính hấp dẫn về kinh

tế và những hạn chế về vật liệu để có thể tự động hóa trong sản xuất Ngành Xây dựng hiện nay cũng phải đối mặt với nhiều vấn đề như năng suất lao động thấp, tỷ lệ tai nạn lao động cao, tính phức tạp của việc giám sát quá trình thi công, thiếu công nhân lành nghề,…

hiện đại hóa, không ngoại lệ chúng ta đã và đang đón nhận một kỹ thuật mới – công nghệ in 3D trong xây dựng vào việc thi công các công trình dân dụng từ cầu cống đến các loại kiến trúc đòi hỏi sự tinh xảo và chuyên nghiệp hơn

Ngoài lĩnh vực kỹ thuật chế tạo, mới đây công nghệ in 3D đã vượt ra ngoài khuôn khổ của các máy in, việc in 3D để tạo nên một cây cầu hay một công trình xây dựng không còn là câu chuyện của tiểu thuyết Công nghệ in 3D trong xây dựng đang rút ngắn thời gian, giảm bớt chi phí, tạo nên chất lượng tốt hơn, đẹp hơn và gần như không có chất thải của vật liệu xây dựng hay giàn giáo Việc sử dụng công nghệ này cũng giúp công nhân bảo vệ được sức khỏe của mình vì họ không phải tiếp xúc nhiều với môi trường làm việc bụi bặm và độc hại như ở các quy trình xây dựng thông thường

Có thể thấy, ngành Xây dựng là một trong những ngành tiêu thụ nhiều nhất tài nguyên không tái tạo và nguyên vật liệu tự nhiên trên thế giới Công nghệ in 3D đã giúp cho việc mở rộng không gian phát triển năng động cho nhiều lĩnh vực sản xuất In 3D giúp cho công nghệ mới phát triển trong phòng thí nghiệm đạt được tầm cao mới Công nghệ in 3D là tên gọi chung của các công nghệ sản xuất sản phẩm dựa trên dữ liệu của mô hình số hoặc C D) theo phương pháp đắp dần các lớp vật liệu Các công nghệ tổng hợp từng lớp có thể là sự đột phá đối với các cấu trúc được làm từ vật liệu gốc xi măng

Nhu cầu nhà ở và các dự án giao thông đang rất phát triển ở Việt Nam hiện nay Việc ứng dụng công nghệ in 3D để xây dựng trong thời gian ngắn nhất chính là tâm điểm của ngành xây dựng nói riêng và của thế giới công nghệ nói chung Đây cũng chính là điều mà các nhà thầu rất hài lòng so với việc thời gian thi công xây dựng kéo dài, phụ thuộc vào tay nghề của thợ xây và vào thời tiết Tuy nhiên bởi do giá thành của công nghệ này và việc chuyển giao công nghệ còn gặp nhiều khó khăn nên công nghệ in 3D tại Việt Nam vẫn chưa ứng dụng phổ biến

Để sử dụng công nghệ đắp dần trong xây dựng, cần phải phát triển và nghiên cứu các vật liệu mới sử dụng cho in 3D Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện đang gặp khó khăn trong việc lựa chọn vật liệu Sự tương tác cơ bản của công nghiệp 4.0 thiết kế – vật liệu – công nghệ) chưa được ứng dụng nhiều trong ngành Xây dựng

Trở ngại lớn nhất đối với việc phổ biến công nghệ in 3D là việc thiếu các tiêu chuẩn quốc gia về sản xuất theo phương pháp đắp dần, đặc biệt là các tiêu chuẩn về yêu cầu chung

và riêng của vật liệu, kết cấu, công nghệ, thiết bị, kiểm soát chất lượng, quản lý các tính năng

và quy trình sản xuất theo phương pháp đắp dần Hiện nay, Việt Nam chưa có các hệ thống tiêu chuẩn quốc gia về vấn đề này phân loại vật liệu, yêu cầu về chất lượng nguyên liệu, kết cấu, công nghệ, thiết bị, thống nhất các định dạng mô hình máy tính)

2 Nội dung chính

2.1 Tổng quan về công nghệ in 3D Bộ Xây dựng, 2021)

Thuật ngữ công nghệ sản xuất đắp dần “additive manufacturing” đã xuất hiện từ hơn hai thập kỷ qua Năm 1986, thiết bị tạo ra các vật thể 3D theo phương pháp khắc hình lập thể (stereolithography) đã được cấp bằng sáng chế Cho đến nay, công nghệ in 3D đã và đang được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất Đã có nhiều dự báo về mức độ phát triển của công nghệ in 3D trong nhiều công trình nghiên cứu trong thập kỷ qua Hiện nay, các nghiên cứu

khoa học nhằm giải quyết các vấn đề của công nghệ in 3D trong xây dựng đang được thực hiện tại nhiều viện nghiên cứu trên toàn thế giới Đã có rất nhiều bằng sáng chế được cấp cho các sản phẩm vữa xây dựng dành cho các máy in 3D), máy in và công nghệ in 3D

Máy in 3D (Nguồn: Bộ Xây dựng, 2021)

2.2 Các công nghệ in 3D trong xây dựng

Hiện nay, các công nghệ in 3D từ in 3D các mẫu và tạo mẫu nhanh, tới chế tạo các sản phẩm hoàn thiện cho các ngành công nghiệp khác nhau) ngày càng thu hút nhiều nhà đầu tư Tính hấp dẫn của các công nghệ in 3D được nâng cao bởi nhiều yếu tố: mức độ tự động hóa sản xuất cao, cải thiện chất lượng sản phẩm, đẩy nhanh quá trình xây dựng, khả năng tối ưu hóa các mô hình C D, giảm phế thải sản xuất Những yếu tố đó là cơ sở để chuyển đổi thành công sang khái niệm “các nhà máy số” trong tương lai Cuộc cách mạng số xem xét công nghệ số trong thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, cũng như in 3D các chi tiết, phụ kiện và chế phẩm nói chung

2.2.1 Công nghệ in the phương pháp tạo lớp: có thể chia ra hai nhóm – Bed Deposition

và Direct Deposition

Bed Deposition là loại công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột tại vị trí làm việc Việc tạo hình sản phẩm theo từng lớp nhờ nguồn nhiệt – laser (SLM), chùm electron (EBM) hay ánh sáng DLP, SL ) hoặc chất kết dính Binder Jetting), phù hợp với mô hình C D Phần bột thừa được loại bỏ, sàn làm việc được thay thế, và quy trình được lặp lại

Direct Deposition là phương pháp tạo hình, trong đó vật liệu được cấp trực tiếp tới vị trí xây dựng phù hợp với mô hình C D

Thông thường, chi phí cho công tác cốp pha chiếm từ 35-60% tổng chi phí của kết cấu

bê tông Khả năng xây dựng các kết cấu bê tông không cần cốp pha là một lợi thế quan trọng

vì giảm được chi phí, đẩy nhanh tiến độ thi công, tạo ra sự linh hoạt về kiến trúc, cũng như tạo thuận lợi cho việc lắp đặt các thiết bị tiện ích Công nghệ in 3D được xếp vào nhóm công nghệ xanh, do quá trình sản xuất hầu như không phát sinh phế thải Khả năng tự động hóa cao

và robot hóa quá trình sản xuất cho phép việc thực hiện dự án trong môi trường khắc nghiệt

mà không gây tác hại đến sức khỏe của người lao động

2.2.2 Công nghệ Contour Crafting (CC): Một trong những người đầu tiên đưa ra ý

tưởng về tự động hóa quá trình xây dựng là GS Joseph Pena - Khoa Chế tạo Máy, Trường Đại học Stanford Mỹ) Ông là người đề xuất sử dụng vật liệu gốc xi măng cho giải pháp đắp lớp

trong xây dựng GS Berokh Hoshnevis Đại học Nam California, Mỹ) là người đã đề xuất ý tưởng hiện thực hóa công nghệ in 3D trong xây dựng Vào giữa thập niên 90 thế kỷ XX, ông

đã đề xuất công nghệ cải tiến Contour Crafting CC) CC là một trong các công nghệ xây dựng bằng in 3D, có thể sử dụng để thi công các công trình quy mô lớn GS B Hoshnevis khẳng định CC cho phép in vài công trình với mỗi lần chạy và có thể sử dụng các vật liệu polymer, đất sét làm đồ gốm và bê tông Trong quá trình đùn vật liệu, các tay bay được lắp ở đầu vòi cấp vật liệu giúp cho bề mặt sản phẩm được phẳng phiu Chiều cao mỗi lớp được giới hạn bởi kích thước của bay Ngoài ra, cần lựa chọn làm sao để khi trải lớp trên thì lớp dưới đã đóng rắn và có đủ cường độ chịu tải Sử dụng công nghệ CC cho phép thiết kế các hệ thống thông tin liên lạc trong khoang rỗng của tường, gắn các thiết bị đặc biệt vào khung, có thể tự động hóa việc lắp đặt

Một thời gian sau công bố công nghệ CC của Hoshnevis, một công nghệ khác đã được giới thiệu với thế giới – công nghệ in bê tông concrete printing – CP) CP lần đầu tiên được Richard Baswell và các cộng sự tại Đại học Loughborough Vương quốc nh) giới thiệu vào năm 2009 để trình diễn những khả năng tiềm tàng của công nghệ này Kể từ đó, công nghệ đã nhanh chóng thu hút một lượng “tín đồ” đáng kể trong lĩnh vực xây dựng Về bản chất, công nghệ này tương tự CC, có nghĩa là phun từng lớp vữa xây dựng Khác biệt căn bản so với CC là: trong công nghệ CP không có các bay trên máy đùn, điều này giúp thực hiện các đường viền chu tuyến phức tạp hơn về mặt hình học Chính nhờ đặc điểm này, CP được xem là giải pháp tiềm năng nhất trong xây dựng, bởi vì việc tạo ra các tòa nhà/công trình đồng dạng đang trở thành một xu hướng ngày càng được ưu tiên và có nhu cầu nhiều hơn Nhược điểm: do không có các bay trên máy đùn, sẽ cần phải gia công bề mặt của công trình được in

2.2.3 Công nghệ Dshape: (tác giả là Enrico Dini – Tập đoàn Monolith, nh) về mặt lý

thuyết có sự khác biệt rõ rệt so với các công nghệ in 3D khác Quá trình in bằng công nghệ này được chia thành 3 giai đoạn:

– Tạo mô hình 3D của công trình;

– Xây dựng công trình;

– Thực hiện bước gia công cuối cùng

Khác với các phương pháp được mô tả ở trên, máy đùn cấp vữa xây dựng ở dạng chưa hoàn chỉnh và chất kết dính cho cát hay các vật liệu dạng bột khác Ở giai đoạn in, một lớp vật liệu dày 5-10 mm được trải đều lên khu vực cần in Sau đó, sử dụng chất kết dính phủ lên trên

bề mặt Tiếp theo, một lớp vật liệu có bề dày cần thiết lại được rải đều, và quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi công đoạn in hoàn tất

Công nghệ DShape gần như tương đồng với công nghệ Binder Jetting Một ví dụ điển hình của DShape là bức tượng điêu khắc “Radiolarias” được in từ năm 2009 Vật liệu cho bức tượng là sa thạch nhân tạo và vữa có bổ sung oxit magne được sử dụng làm chất kết dính Vật liệu tạo ra đủ cường độ để chịu được khối lượng toàn bộ kết cấu và hoàn toàn vô hại đối với môi trường xung quanh Bởi tất cả các vật liệu đều tự nhiên và chỉ qua sơ chế không đáng kể nên sản phẩm cuối cùng rất tự nhiên Hiện tại, khả năng áp dụng công nghệ này cho vật liệu

đá mặt trăng moonstone) – regolith đang được xem xét Dự kiến với các kết quả nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, DShape trong tương lai sẽ được ứng dụng để in các công trình trong không gian Nhược điểm căn bản khi ứng dụng công nghệ Dshape trong xây dựng là chỉ có thể in các công trình có kích thước nhỏ Hạn chế này liên quan đến các đặc tính

của cát và các vật liệu tương tự được sử dụng để in Như vậy có thể kết luận: với trình độ công nghệ hiện nay, công nghệ Dshape sẽ phù hợp để in các yếu tố trang trí khác nhau hơn là

để xây các tòa nhà/công trình

2.3 Các thành phần cấp phối để in 3D trong xây dựng

Hiện nay, các vật liệu được ứng dụng cho công nghệ in 3D khá phong phú, bao gồm các loại polymer và cao su khác nhau, bột thép, hợp kim titan, niken, nhôm, đồng, ceramic, composite nano, composite sinh học Phần lớn các vật liệu này được sử dụng trong chế tạo máy, hàng không và công nghiệp ô tô, sản xuất hàng tiêu dùng và thiết bị y tế Riêng trong xây dựng, các công nghệ in 3D vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi, theo đó, các vật liệu ứng dụng hiện mới đang trong giai đoạn nghiên cứu Về mặt lý thuyết, công nghệ in 3D hiện nay chưa cho phép xây các tường chịu lực và các công trình quan trọng Xi măng thường cần một khoảng thời gian khá dài để đóng rắn nên không thể đáp ứng các yêu cầu của việc in 3D Hỗn hợp vật liệu cần có tính lưu biến, tức là giảm độ chảy khi đổ và tăng độ chảy trong trạng thái nghỉ Một giải pháp vật liệu khả thi cho việc in 3D là sử dụng bê tông huỳnh - hỗn hợp gồm

có lưu huỳnh và cốt liệu Hỗn hợp này sẽ được nung nóng vượt qua giới hạn chảy của lưu huỳnh Sau khi được làm nguội, bê tông lưu huỳnh sẽ đạt cường độ mong muốn mà không cần nhiều thời gian để đóng rắn

Loại bê tông xi măng thông thường không đáp ứng yêu cầu về vật liệu cho máy in 3D

Để tối ưu quy trình in 3D cần có hai điều kiện: sự cố kết của các lớp giảm nếu khoảng thời gian in giữa hai lớp tăng; vật liệu cần đóng rắn đủ để chịu tải trọng của lớp in tiếp theo mà không bị biến dạng Nhu cầu bảo dưỡng các lớp in trước sẽ làm giảm tốc độ xây dựng Việc

so sánh hai hạn chế trên dẫn đến nghịch lý trong việc tối ưu hóa tốc độ in Quãng cách thời gian giữa hai lần in liên tiếp phải đủ dài để đảm bảo cường độ cần thiết, song cũng phải đủ ngắn để đảm bảo sự cố kết giữa các lớp

Khả năng của các lớp vật liệu được in có thể gánh được trọng lượng riêng của từng lớp

tỷ lệ thuận với giới hạn biến dạng Khi in các lớp vật liệu xây tường, lớp đầu tiên sẽ chịu tải trọng lớn nhất Để đảm bảo sự ổn định của tường trong quá trình in, giới hạn biến dạng phải

đủ để chịu tải trọng đó Mặt khác, hỗn hợp vật liệu cùng phải đủ độ chảy để máy đùn hoạt động được Để phát triển kết cấu, cần đảm bảo độ lưu động của hỗn hợp khi đùn và độ ổn định của kết cấu khi in các lớp vật liệu Ứng suất biến dạng của vật liệu gốc xi măng tăng theo thời gian nghỉ Theo các nhà khoa học của Pháp, ứng suất biến dạng thay đổi tuyến tính model Roussel) trong 40 phút đầu tiên, và trong thời gian dài hơn nếu như độ chảy của hỗn hợp cao hơn mô hình Perrault) Để thí nghiệm, các nhà khoa học đã lựa chọn cấp phối gồm: 50% xi măng; 25% đá vôi; 25% metakaolin; tỷ lệ nước/xi măng là 0,41 Polycarboxylate được

sử dụng làm phụ siêu hóa dẻo, tỷ lệ với khối lượng xi măng là 0,3% Giới hạn chảy ban đầu của vật liệu khá lớn, lên tới 4kPa, tức là trong giới hạn chảy của vật liệu được nghiên cứu tại Trường Đại học Nam California dành cho công nghệ CC

Việc bổ sung đá vôi sẽ tăng độ bền nén và uốn, đồng thời tăng tính linh động của bê tông – điều này rất quan trọng cho công tác đùn bê tông Metakaolin giúp cải thiện các thuộc tính của hỗn hợp và bê tông Các phân tử metakaolin nhỏ chen giữa các hạt xi măng tạo ra sự

ổn định của cấu trúc hỗn hợp, giảm tách nước và làm cho vi cấu trúc đồng nhất hơn Metakaolin khi được đưa vào xi măng sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông Ngoài ra, việc thay thế một phần xi măng bằng metakaolin trong bê tông sẽ giúp giảm thể tích các lỗ

hơn 3-4 lần so với sulfomelanine, sulfonaphthalene formaldehydes hoặc lignosulfonates Điều này không chỉ làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông trong các giai đoạn sớm, mà còn duy trì tính chất này trong một thời gian dài hơn, có tác động tích cực làm tăng thời gian bơm hỗn hợp qua máy đùn Hiện nay, các nhà khoa học của Đại học Loughborough đặc biệt quan tâm đến việc lựa chọn và nghiên cứu các đặc tính của hỗn hợp bê tông cho máy in 3D Nhóm nghiên cứu đã trình diễn một kết cấu có kích thước 1×2×0,8m được làm từ một loại hỗn hợp

bê tông đặc biệt, có thể bơm và đùn rất dễ dàng Thành phần hỗn hợp mới được nhóm công

bố một phần, trong đó tỷ lệ cấp phối như sau: 54% cát, 36% chất kết dính xi măng hoạt hóa,

và 10% nước Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu: cường độ của vật liệu thu được tương đương 95% cường độ bê tông thông thường

Các nhà khoa học nh cũng tham gia thiết kế cấp phối bê tông với các đặc tính phù hợp

để in 3D năng suất cao Cấp phối tối ưu gồm cát và chất kết dính theo tỷ lệ 3: 2 trong đó chất kết dính bao gồm 70% xi măng, 20% tro bay, 10% vi hạt oxit silic) và 1,2kg sợi polypropylene cho mỗi mét khối bê tông Tỷ lệ nước/xi măng là 0,26 Chất siêu hóa dẻo và chất làm chậm đông kết được bổ sung với liều lượng tương ứng 1 và 0,5% theo khối lượng Việc bổ sung vi hạt oxit silic vào thành phần bê tông đưa tới một cấu trúc đặc chắc hơn của bê tông, cải thiện cường độ uốn và giảm tính thẩm thấu Những tương tác tích cực giữa các sợi polypropylene và tro bay giúp bê tông có tính co ngót thấp khi nung sấy Hơn nữa, sợi polypropylene tuy làm giảm năng lực xây xếp của bê tông, song chất siêu dẻo lại làm vữa đủ

độ dẻo để đùn Hỗn hợp bê tông nói trên được in bằng một vòi phun đường kính 9mm, có thể phun tuần tự 61 lớp trong một phiên mà không có biến dạng đáng kể của các lớp dưới cùng Hỗn hợp đảm bảo chất lượng đùn trong 100 phút Cường độ chịu nén của bê tông vượt quá sự mong đợi – 110 MPa ở 28 ngày tuổi

Tập đoàn Winsun của Trung Quốc – một trong những người khổng lồ thế giới trong lĩnh vực in 3D – đã áp dụng thành công loại cấp phối có khả năng kháng bào mòn Crazy Magic Stone với cường độ lớn hơn cường độ của đá tự nhiên tới 4-5 lần Các đặc tính cơ học cao đạt được do

sự có mặt của cát thạch anh đã được xử lý và các sợi xơ đặc biệt Winsun cũng sử dụng rộng rãi thạch cao có bổ sung sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Gypsum-GFRG) GFRG chứa 3-25%

xơ sợi độ dài từ 1-13cm, đường kính từ 5,8-100micron Tỷ lệ nước/thạch cao trong ngưỡng từ 0,25-0,60 Sợi thủy tinh tăng sức kháng nứt của cấp phối, khiến cấp phối dẻo hơn và đạt khả năng xây xếp thuận lợi hơn Trong các vật liệu tổng hợp sử dụng sợi thủy tinh, ứng suất bền kéo dồn vào các sợi, do đó tăng đáng kể sức đề kháng kéo và kháng uốn của vật liệu

2.4 Công nghệ in nhà 3D có ưu điểm gì so với phương pháp xây dựng truyền thống?

Về thời gian xây dựng: Việc xây dựng nhà theo phương pháp in 3D thường nhanh hơn

rất nhiều lần so với phương pháp xây dựng nhà truyền thống Thông thường, thời gian thi

công chỉ mất khoảng 7 đến 10 ngày, khâu thiết kế sẽ chiếm phần lớn thời gian

Nhân công ít: Công nghệ in 3D trong xây dựng sử dụng rất ít nhân công Chỉ cần 1 đến

2 người thực hiện công việc giám sát khi máy in 3D bắt đầu hoạt động Tất cả nhân công sẽ được tập trung trong khâu chuẩn bị vật liệu và thiết kế Khi quá trình sản xuất được thực hiện hàng loạt theo các bản thiết kế đã có sẵn thì vấn đề nhân công sẽ được giải quyết một cách hiệu quả

Đa dạng vật liệu: In 3D được bắt đầu bằng vật liệu nhựa, tuy nhiên tại thời điểm này

bạn hoàn toàn có thể sử dụng đa dạng vật liệu, ngay cả kim loại thép Với sự phát triển không