Nghiên cứu này sử dụng bê tông Geopolymer  chế tạo tại chỗ để thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau. Tỷ lệ sử dụng tro bay chiếm 15% khối lượng cốt liệu. Kết quả cường độ chịu nén 28 ngày tuổi đạt từ 45,8 MPa, cường độ chịu khéo khi ép chẻ đạt từ 4,12 MPa, mô đun đàn hồi 35500 GPa.

1. Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình giao thông nói riêng được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Liên đoàn bê tông châu Á (ACF) ước tính hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu, điều nay có nghĩa có khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng cần được sử dụng. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng  khoảng trên 5% mỗi năm và tập trung chủ yếu vào các nước phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ,…[1]. Theo số liệu của tạp chí Global Cement, Việt Nam hiện đang xếp thứ 5 trên Thế giới về năng lực sản xuất xi măng chỉ sau Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ và Nga. Trong vòng mười năm kể từ 2009, năng lực sản xuất xi măng của Việt Nam tăng gần 3 lần từ 45 triệu tấn lên 120 triệu tấn [2]. Tuy nhiên ngành công nghiệp sản xuất xi măng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO₂ và bụi nhiều, tiêu tốn nhiều năng lượng và các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Sản xuất một tấn xi măng phát thải khoảng 1 - 1,2 tấn CO₂ và ngành sản xuất xi măng đóng góp 5 - 7% lượng khí thải CO2 toàn cầu cùng với một lượng khói bụi rất lớn và con số đó hiện nay thậm chí còn cao hơn [3]. Trong quá trình hiện đại hóa hiện nay, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng một cách rõ rệt, điều đó dẫn tới sự phát triển của các nhà máy nhiệt điện. Tro bay là một trong những thải phẩm của các nhà máy này. Hầu hết tro bay không được sử dụng một cách hiệu quả, phần lớn của nó được xử lý trong các bãi chôn lấp. Tại Việt Nam tỷ lệ tận dụng lại chưa cao và tốn hàng trăm hecta để làm bãi chứa tro bay và ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Để từng bước hạn chế sử dụng xi măng pooc lăng đồng thời tận dụng có hiệu quả chất thải công nghiệp tro bay nhiệt điện thì một loại chất kết dính mới đang được nghiên cứu và từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng. Chất kết dính đó sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp một số hợp chất hóa học thông thường. Chất kết dính này gọi là Geopolymer. Việc sử dụng GPC cho các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng sẽ có một ý nghĩa rất lớn trong việc hạn chế ô nhiễm môi trường, hướng tới phát triển bền vững. Ở Mỹ ứng dụng chủ yếu của chất kết dính geopolymer là sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh được ứng dụng trong các sân bay quân sự từ năm 1985, đường băng, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc. Ở Úc GPCđã và đang được ứng dụng trong thực tiễn như thanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn với yêu cầu là phải cho cường độ cao ở tuổi sớm sau khi bảo dưỡng bằng hơi nước hoặc nhiệt. Sân bay Brisbane West Wellcamp là sân bay công cộng đầu tiên của Úc được xây dựng sử dụng GPCvới khối lượng khoảng 40.000m³ (100.000 tấn) [4] (Hình 1).
  Trong ngành xây dựng cầu, hiện tại đã có những áp dụng cụ thể đưa vào thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất của GPC trong lĩnh vực này là cầu Murrarie Plant. Đây là cây cầu composit được chế tạo từ dầm cốt sợi thủy tinh đúc sẵn. Cầu đã được đúc sẵn tại nhà máy WAGNER Toowoomba CFT với sự kết hợp của GPCcường độ 40 MPa và sợi thủy tinh và được đưa tới địa điểm lắp đặt trong năm 2009 (Hình 2).

Ở Việt Nam, bê tông GPC cũng đã bắt đầu được nghiên cứu trong thời gian gần đây. Các nghiên cứu này hiện nay đang tập trung chủ yếu về xác định cấp phối, thành vật liệu chế tạo GPC [5,6]. Nghiên cứu ứng xử nứt của dầm bê tông GPC [7], dính bám giữa bê tông GPC và cốt thép [8]. Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông GPC, nghiên cứu này sẽ trình bày các nội dung nghiên cứu ứng dụng GPC cho dầm dự ứng lực của công trình cầu. Việc sử dụng GPC cho công trình cầu sẽ mang lại rất nhiều ý nghĩa thiết thực cho ngành xây dựng cầu ở Việt Nam: tránh được hiện tượng nứt do nhiệt của bê tông khối lớn khi thủy hóa, bảo vệ môi trường hướng tới phát triển bền vững. Nội dung đầu tiên của nghiên cứu sẽ giới thiệu về cấp phối vật liệu GPC và các thí nghiệm xãc định các tính chất cơ lý cơ bản của GPC do nhóm nghiên cứu thực hiện. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu về ứng dụng bê tông GPC của nhóm nghiên cứu thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau có chiều dài điển hình 33m. Nghiên cứu kết thúc bằng phần kết luận và kiến nghị.

2. Thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của GPC

2.1. Thành phần bê tông geopolymer

Vật liệu được sử dụng đề chế tạo GPC bao gồm chất kết dính (Tro bay), nước, cốt liệu thô, cốt liệu mịn và dung dịch kiềm hoạt hóa. Trong nghiên cứu này, tro bay được sử dụng là tro bay loại F được lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại có khối lượng riêng 2,45 g/cm³. Tro bay có đường kính hạt trung bình khoảng 28,47 µm, khối lượng diện tích khoảng 950 kg/m³. Chỉ số hoạt tính cường độ ở mức cao, đạt các chỉ tiêu chất lượng và phù hợp theo quy định của ASTM C618 [9].

Cốt liệu lớn sử dụng là loại đá dăm loại D10 được lấy từ mỏ đá Phủ Lý - Hà Nam. Kết quả thí nghiệm khối lượng riêng của hai loại đá tương ứng là 2,710 kg/cm³, khối lượng thể tích đầm chặt tương ứng là 1560 kg/m³. Cốt liệu nhỏ là cát vàng Sông Lô. Cát có khối lượng riêng 2630 kg/m³ và mô đun độ lớn Mk = 3,00. Phụ gia siêu dẻo là phụ gia GPS-1000 phù hợp loại D của tiêu chuẩn ASTM C494 [10].

Thành phần của GPCđược tính toán theo ACI211.1 [11] của bê tông xi măng thông thường có xét đến cấp phối cốt liệu để đảm bảo tính dễ đầm bê tông theo ACI 325.10R [12]. Phương pháp thiết kế thành phần tính toán chất kết dính như bê tông thông thường.  Phương pháp tính toán thành phần hỗn hợp cốt liệu giống như phương pháp thông thường.

Tỷ lệ thành phần các loại cốt liệu lớn đá D10, cát vàng là 0,54 và 0,23. Tỷ lệ cốt liệu được lựa chọn được so sánh đường cấp phối theo ACI 325.10R. Kết quả thiết kế hỗn hợp cốt liệu cho thấy hỗn hợp cốt liệu phù hợp để có thể trộn ở trạm trộn hiện đại ngày nay.

Tổng hàm lượng chất kết dính sử dụng là 377,15kg/m³. Tro bay được sử dụng để thay thế xi măng. GPCđược thiết kế thành phần trên nguyên tắc đảm bảo độ sụt thông thường và kể đến giảm độ sụt vẫn có thể thi công dầm được bình thường. Độ sụt mục tiêu được thiết kế cho hỗn hợp bê tông này là 12±2 cm, độ sụt được theo dõi theo thời gian. Để thi công đường bằng công nghệ đầm rung thông thường với độ sụt trên là phù hợp. Tro bay kết hợp với dung dịch kiềm hoạt hóa trong thành phần của bê tông GPC vừa có vai trò chất kết dính đồng thời có thêm vài trò vi cốt liệu cho bê tông GPC.  

2.2. Thí nghiệm xác định tính chất cơ lý bê tông GPC  
 
Các tính chất cơ lý của bê tông GPC được xác định trong nghiên cứu sử dụng trên mẫu hình trụ tiêu chuẩn 150x300mm ở 7 ngày tuổi và 28 ngày tuổi bao gồm: cường độ chịu nén của bê tông được xác định theo TCVN 3118-1993 [13]; cường độ chịu kéo khi ép chẻ được xác định theo TCVN 3119-1993 [14], mô đun đàn hồi xác định theo ASTM C496 [15]. Thành phần của các hỗn hợp bê tông GPC với cường độ mục tiêu là 45MPa.
  Hình ảnh về quá trình trộn GPC được giới thiệu trong Hình 3. 
  Sau khi trộn xong hỗn hợp GPC, tiến hành cho vào khuôn (Hình 4) để phục vụ cho công tác thí nghiệm.
    Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của  GPC được thể hiện trong Hình 5, thí  xác định cường độ chịu kéo thể hiện trong Hình 6. Các thí nghiệm này được nhóm nghiên cứu thực hiện tại các thời điểm 7 ngày và 28 ngày. 
Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông GPC ở 7 ngày và 28 ngày được thể hiện trong Bảng 1. Giá trị tính toán được lấy trung bình của 3 mẫu M1, M2, M3. Giá trị cường độ chịu nén trung bình thu được ở 7 ngày là 35,7 MPa,  và tăng rất nhanh ở 28 ngày là 45,8 MPa.  Cường độ chịu kéo trung bình khi ép chẻ của GPC ở 7 ngày là 3,5 MPa và 28 ngày là 4,12 MPa (Bảng 2).
  Môđun đàn hồi trung bình  xác định từ tổ hợp mẫu thí nghiệm ở 7 ngày và 28 ngày lần lượt là 32,4 GPa và 35,5 GPa (Bảng 3). 

3. Ứng dụng GPC thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau

Từ các giá trị tính chất cơ lý của bê tông GPC xác định bằng thực nghiệm, nghiên cứu sẽ sử dụng các giá trị này để thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau có chiều dài 33m. Các thông số đầu vào của cầu được giả thiết phù hợp với công trình cầu thực tế ở Việt Nam.

3.1. Thông số đầu vào
 
Thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau sử dụng bê tông GPC. Tiêu chuẩn thiết kế sử dụng: Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-10:2017 [16] với hoạt tải thiết kế là HL-93. Các thông số cơ bản của cầu thiết kế được thể hiện trong Bảng 4. 
 
Bê tông GPC được sử dụng cho dầm dự ứng lực, trong khí đó bê tông cốt thép thường sử dụng cho bản mặt cầu. Cáp dự ứng lực sử dụng loại có độ chùng thấp tao 12,7mm gồm 7 sợi, theo tiêu chuẩn ASTM A416-96a cấp 270 [17]. Các thông số đầu vào của vật liệu thiết kế gồm: GPC, bê tông cốt thép thường, cáp dự ứng lực được thể hiện trong Bảng 5. 
  Mặt cắt ngang dầm I được thể hiện trong Hình 7.  Các kích thước cơ bản của dầm tại mặt cắt đầu dầm và giữa nhịp được thể hiện trong Bảng 5. 
 
Dầm sử dụng 5 bó cáp dự ứng lực, mỗi bó có gồm 12 tao 12,7mm. Sơ đồ bố trí các bó cáp dự ứng lực tại mặt cắt đầu dầm và giữa nhịp được thể hiện trong Hình 8. Tọa độ các bó cáp dự ứng lực theo phương thẳng đứng được thể hiện trong Bảng 5.

3.2. Kiểm toán dầm theo các trạng thái giới hạn 

Dầm I thiết kế được chia thành 3 giai đoạn làm việc. Giai đoạn 1: chế tạo dầm, giai đoạn này chỉ có tải trọng là trọng lượng bản thân dầm chủ và 1 phần dầm ngang. Giai đoạn 2: lắp ghép dầm, tải trọng gồm trọng lượng bê tông ướt bản mặt cầu, trọng lượng dầm ngang, trọng lượng của tấm đan. Giai đoạn 3: giai đoạn khai thác, tải trọng gồm trọng lượng lan can, lớp phủ và hoạt tải xe HL-93.

Các nội dung kiểm toán gồm: Kiểm toán theo trạng thái giới hạn cường độ I (TTGHCĐ), kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng I (TTGGSD).
  Biểu đồ so sánh giữa mômen tính toán M_u và sức kháng uống của dầm M_r ở TTGHCĐ được thể hiện trong Hình 9. Kết quả cho thấy dầm thỏa mãn điều kiện về sức kháng uốn theo TTGHCĐ.
  Tương tự, dầm GPC thiết kế cũng thỏa mãn điều kiện về sức kháng cắt theo TTGHCĐ (Hình 10).

Ở TTGHSD, nghiên cứu đã tiến hành kiểm toán nội dung về ứng suất trong dầm trong quá trình thi công và khai thác. Các ứng suất ở mép dưới, mép trên của dầm, mép trên của bản được tính toán theo 3 giai đoạn làm việc. Các giá trị ứng suất này được so sánh với ứng suất kéo, nén cho phép của dầm được tính toán theo Bảng 8, Điều 9.4.2.1, Phần 5 của TCVN 11823-10:2017.
 
Kết quả kiểm toán ứng suất tính toán theo TTGHSD tại các giai đoạn được thể hiện trong Hình 11, Hình 12 và Hình 13. Kết quả kiểm toán cho thấy, ứng suất ở mép trên, mép dưới của dầm đếu nhỏ hơn giá trị cho phép ở các giai đoạn.

4. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã giới thiệu về quá trình chế tạo bê tông GPC và ứng dụng bê tông này thiết kế dầm I có chiều dài 33m dự ứng lực căng sau. Tỷ lệ sử dụng tro bay chiếm 15% khối lượng cốt liệu GPC. Kết quả cường độ chịu nén 28 ngày tuổi GPC đạt 45,8 MPa, cường độ chịu khéo khi ép chẻ đạt từ 4,12 MPa, mô đun đàn hồi 35500 GPa. Kết quả thiết kế và kiểm toán ở TTGHCĐ và TTGHSD dầm I căng sau sử dụng bê tông GPC cho thấy, các giá trị kiểm toán đều thỏa mãn yêu cầu thiết kế đề ra. Cho thấy rằng việc sử dụng bê tông GPC cho dầm dự ứng lực trong công trình cầu là rất khả thi và đảm bảo các điều kiện về mặt kỹ thuật. Việc nghiên cứu chế tạo bê tông GPC và ứng dụng thiết kế dầm I dự ứng lực trong nghiên cứu này là một bước đi mới làm tiền đề cho việc sử dụng bê tông GPC cho công trình cầu, nhằm giảm tối đa việc sử dụng xi măng portland trong công trình, từ đó giảm được ô nhiễm môi trường và hướng tới phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

Tài liệu tham khảo

[1] Baoxaydung.com.vn (2016) “Phát triển bê tông bền vững cho hiện tại và tương lai”.

[2] Baodautu.vn (2019) “Ngành xi măng những khoảng “sáng – tối”.

[3]  Mehta, P. K. 2001 “Reducing the Environmental Impact of Concrete”, ACI Concrete International 23(10):pp. 61-66.

[4] Geopolymer.org

[5] Vũ Huyền, Trân. "Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở." (2010).

[6] Phan, Đức Hùng. "Tính chất cơ học của GPCsử dụng tro bay gia cường sợi polypropylene." (2016).

[7] Đạo, Phạm Quang, and Phạm Thanh Tùng. "Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mô men kháng nứt của dầm geopolymer cốt thép." Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD 14.2V (2020): 14-25.

[8] Trần Việt Hưng, Nguyễn Ngọc Long, Đào Văn Đông, Nghiên cứu xác định khả năng dính bám với cốt thép của bê tông geopolymer tro bay. Tạp chí Giao thông Vận tải (2017).

[9] ASTM C618-19, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019, www.astm.org.

[10] ASTM-C494-05, American Society for Testing and Material (2005) Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete.

[11] ACI 211.1, Guide for selecting Proportion for No-Slump Concrete, ACI commutee 211.

[12] ACI 325.10R. 95 (2001), Report on Roller Compacted Concrete Pavement, Reapparoved 2001, pp.31-51.  

[13] TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén.

[14] TCVN 3119:1993  bê tông nặng - phương pháp xác định cường độ kéo khi uốn.

[15] ASTM C496-96, Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1996, www.astm.org.

[16] TCVN 11823-10:2017 Thiết kế cầu đường bộ.

[17] ASTM A416/A416M-12a Steel Strand, Uncoated Seven-Wire for Prestressed Concrete.