Một số kết quả nghiên cứu mới về bê tông xi măng rỗng cho giải pháp thoát nước bền vững

- MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỚI VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG CHO GIẢI PHÁP THOÁT NƯỚC BỀN VỮNG.
- Do quá trình đô thị hóa ngày càng diễn ra mạnh mẽ nên tỷ lệ bề mặt phủ không thấm nước ngày càng gia tăng, gây ra ngập lụt và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong các đô thị.
- Thoát nước mặt bền vững sử dụng bề mặt phủ có khả năng thấm, lưu giữ nước và chứa nước là giải pháp quan trọng khắc phục tình trạng trên..
- Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bày một số nghiên cứu mới nhất được thực hiện tại Trường đại học Giao thông Vận tải liên quan tới việc chế tạo loại bê tông xi măng rỗng có khả năng thấm cao và lưu giữ nước đồng thời xây dựng mô hình lý thuyết và mô phỏng số nhằm tối ưu tính toán thiết kế, từ đó đề xuất các ứng dụng của bê tông xi măng rỗng cho các kết cấu mặt phủ đô thị để đảm bảo thoát nước mặt bền vững..
- Từ khóa: bê tông xi măng, thoát nước mặt bền vững, độ rỗng, cường độ, hệ số thấm..
- Trước tình trạng ngập lụt và ô nhiễm môi trường ngày càng diễn ra nghiêm trọng trong các đô thị 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.
- Vì vậy, giải pháp thoát nước mặt bền vững không chỉ làm giảm ngập lụt, ô nhiễm môi trường mà còn tạo điều kiện cho nước mưa thấm vào nền đất, tăng trữ lượng nước ngầm, giảm hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị”, tạo điều điện cho các vi sinh vật trong môi trường đất phát triển..
- Một trong những giải pháp thay thế bề mặt phủ không thấm nước là sử dụng bề mặt phủ bằng vật liệu bê tông rỗng.
- Bê tông rỗng có thể coi là loại bê tông đặc biệt vì có độ rỗng cao, được tạo bởi thành phần hạt thô và loại chất kết dính phù hợp.
- Hiện nay, ở Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã và đang có rất nhiều nghiên cứu về bê tông rỗng, về thiết kế cấp phối và phương pháp tính toán cho loại vật liệu mới này.
- Tuy nhiên, vấn đề tối ưu hóa quá trình thiết kế bề mặt phủ bằng bê tông rỗng vẫn là quá.
- trình cơ lý hóa phức tạp do phụ thuộc vào những triết lý, nguyên lý thiết kế, các điều kiện đặc thù của địa phương và các đặc tính của chính vật liệu.
- Vì vậy, việc phát triển các dạng kết cấu bề mặt phủ bằng bê tông rỗng vẫn đang là hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xây dựng tại nhiều quốc gia .
- Phù hợp với xu thế trên, một số nghiên cứu về hệ thống thoát nước bền vững nói chung cũng như bê tông rỗng nói riêng đã được triển khai gần đây tại Trường đại học Giao thông vận tải.
- Báo cáo có nội dung chính là trình bày một số kết quả của Nhóm nghiên cứu gần đây liên quan tới chủ đề bê tông rỗng có khả năng thoát nước.
- Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mối quan hệ giữa cường độ và độ rỗng (đặc trưng quan trọng của bê tông rỗng) sẽ được giới thiệu tại Mục 2.
- Phương pháp số mô phỏng ảnh hưởng của độ rỗng tới ứng xử sau phá hủy sẽ được trình bày tại Mục 3.
- Các giải pháp bảo trì kết cấu sẽ được trình bày tại Mục 4.
- THÍ NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ RỖNG.
- Trong phạm vi nghiên cứu này, bê tông xi măng rỗng được thiết kế với tỷ lệ nước / xi măng (N/XM) và đá / xi măng (Đ/XM) lần lượt là 0,3 và 4,8.
- Để tạo nên khung cấu trúc lỗ rỗng, đá dùng trong bê tông có cùng kích cỡ hạt 5-10mm và không dùng cốt liệu nhỏ (cát).
- Thành phần cấp phối thiết kế của bê tông xi măng rỗng với độ rỗng tối thiểu là 17% được thể hiện trong Bảng 2..
- Thành phần cấp phối bê tông xi măng rỗng (kg/m 3.
- Xi măng (XM) Nước (N) Đá (Đ) Phụ gia siêu dẻo.
- Công đoạn trộn bê tông được thực hiện bằng máy trộn bê tông cưỡng bức hai trục nằm ngang.
- Dừng máy, trộn bằng tay và kiểm tra độ đồng đều, tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi.
- Cho máy trộn thêm hai phút nữa trước khi đổ bê tông vào khuôn.
- Quá trình đầm bê tông được tiến hành như sau: đổ bê tông vào khuôn hình trụ D100xH200mm chia làm hai lớp và đầm 25 lần/lớp bằng thanh thép (chiều dài 500mm và đường kính 10mm).
- đầm và hoàn thiện bề mặt, các mẫu bê tông được phủ bởi một lớp ny lông nhằm tránh mất hơi nước và bảo dưỡng trong phòng với điều kiện nhiệt độ 25oC và độ ẩm tương đối 50-60% trong vòng 24 giờ.
- Quá trình chế tạo mẫu bê tông..
- Theo tiêu chuẩn ASTM C1754/C1754M-12 [9] về thí nghiệm xác định khối lượng riêng và độ rỗng của bê tông rỗng sau khi đã hóa cứng, 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:.
- Cường độ nén 28 ngày tuổi của mẫu bê tông được xác định dựa theo tiêu chuẩn ASTM C39/C39M-17b về thí nghiệm xác định cường độ nén của mẫu bê tông hình trụ D100xH200mm (Hình 2):.
- Thí nghiệm nén mẫu bê tông xi măng rỗng D100xH200mm..
- Theo kết quả thí nghiệm, cường độ nén của bê tông xi măng rỗng trong nghiên cứu này từ 12-15 MPa và chủ yếu các mẫu bị phá hoại do vỡ đá..
- Để đối chiếu lại với kết quả thí nghiệm, chúng tôi tiến hành so sánh với mô hình lý thuyết đã được nhóm tác giả thực hiện gần đây [5].
- Kết quả trên Hình 3 cho thấy sự gắn kết giữa lý thuyết và thực nghiệm.
- Mối liên hệ lý thuyết và thực nghiệm giữa cường độ nén với độ rỗng của bê tông rỗng..
- MÔ PHỎNG SỐ ĐẶC TRƯNG PHÁ HỦY CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG RỖNG.
- Sự hình thành và phát triển của vết nứt có thể dẫn đến sự phá hoại của các cấu kiện, của kết cấu.
- Thực tế chứng minh rằng với vật liệu phức hợp như bê tông, việc dự báo các đặc trưng hư hại dựa trên các mô phỏng số đạt kết quả hợp lý nhất.
- Theo hướng nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một số công cụ số dựa trên lý thyết Trường phá (Phase-field Method) viêt tắt là PFM.
- Khởi đầu từ các nghiên cứu của Marigo và cộng sự [6], theo phương pháp này, cấu kiện được mô tả là một vật liên tục, để mô tả vùng có vết nứt và vùng không có vết nứt người ta dùng đại lượng vô hướng d.
- Về bản chất d được dùng để mô tả trạng thái hư hỏng (damage) của vật liệu, tại vùng có vết nứt, vật liệu được coi như hư hỏng hoàn toàn khi d nhận giá trị bằng 1, tại vùng không có hư hỏng d nhận giá trị bằng 0.
- Nhờ vậy trong phương pháp này việc ảnh hưởng của lưới hình học đến kết quả sẽ được giảm thiểu.
- Bên cạnh đó có thể áp dụng phương pháp này cho nhiều bài toán phức tạp (multi-physique) do ý tưởng của phương pháp này dựa trên phương pháp năng lượng.
- Tóm tắt về phương pháp này có thể được tham khảo tại [7]..
- 3.2 Áp dụng.
- Dựa trên các lý thuyết PFM, nhóm nghiên cứu phát triển nền tảng số dựa trên phần mềm MATLAB cho phép tính toán các đặc trưng hư hại của vật liệu bê tông rỗng.
- Hình 5 giới thiệu mẫu vật liệu trước và sau khi gia tải tại lỗ rỗng 10%.
- Mẫu thử nghiệm tài độ rỗng 10%.
- Quan hệ ứng suất – chuyển vị theo độ rỗng 4.
- Mục tiêu chính của việc bảo trì, bảo dường 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 [2, 3] 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.
- 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, 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:.
- 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.
- Tại 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..
- 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 Baking 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..
- 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.
- 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..
- Như đã trình bày, giải pháp 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.
- Vì vậy, tất cả những loại bề mặt phủ, những loại kết cấu của hạ tầng đô thị nếu có khả năng thay thế bằng những kết cấu thấm và lưu giữ nước thì nên áp dụng triệt để.
- Việc đó sẽ làm giảm ngập lụt, cải thiện môi trường, thậm chí trong một số trường hợp có thể làm giảm giá thành xây dựng..
- Bê tông ximăng rỗng không chỉ áp dụng làm lớp bê tông lát có khả năng thấm nước nhanh mà còn có thể làm lớp móng lưu giữ và chứa nước khi được thiết kế với độ rỗng cao (25-40%) cho các loại kết cấu mặt phủ thấm nước.
- Nước từ trong lớp móng được thoát ra ngoài nhờ khả năng thấm của đất nền hoặc hệ thống ống thoát nước đục lỗ đặt ở phía dưới đáy kết cấu.
- Chiều cao lớp móng chứa nước được tính toán thủy lực dựa vào cường độ mưa, khả năng thấm của đất nền hoặc khả năng thoát nước của hệ thống ống đục lỗ.
- Ngoài ra, kết cấu mặt phủ bằng bê tông ximăng rỗng cũng cần được kiểm toán để đảm bảo chịu được tác động của các loại tải trọng..
- Những ứng dụng khác của bê tông ximăng rỗng có thể sử dụng làm bó vỉa lưu giữ và chứa nước trên các hè, đường, trên dải phân cách hoặc sử dụng làm bồn hoa, làm lớp lát bề mặt trên các ô trồng cây xanh của đường phố v,v..
- 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 xi măng rỗng có khả năng thấm cao và lưu giữ nước thay thế cho lớp mặt phủ bê tông xi măng truyền thống (bê tông chặt, độ rỗng nhỏ).
- Các nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số, thực nghiệm sẽ cho phép tối ưu hóa quá trình chế tạo hoặc chế tạo các vật liệu có đặc tính phù hợp với yêu cầu thực tế.
- Các kết quả trình bày tại báo cáo có thể được phát triển xa hơn nhằn giải quyết các vấn đề chi tiết được đặt ra từ thực tế triển khai công trình..
- Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số .
- Ảnh hưởng của độ rỗng tới cường độ bê tông độ rỗng cao

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt