Sử dụng bê tông tính năng cao cho hệ thống đường Vành đai tại TP.HCM

1. Đặt vấn đề

Trong công cuộc hiện đại hoá cơ sở hạ tầng đô thị, việc thiết kế và xây dựng công trình mang tính thông minh hiện nay được chú trọng để mang lại hiệu quả kiến trúc, tính thân thiện với thiên nhiên và môi trường, từ đó cung cấp điều kiện sống tốt cho con người.

Một số giải pháp xây dựng mang tính thông minh có thể kể đến như sau: i) lựa chọn kiểu dáng công trình giúp tiết kiệm năng lượng, tận dụng chiếu sáng tự nhiên, ii) sử dụng cây xanh để cải thiện môi trường, iii) thiết kế hệ thống kỹ thuật xây dựng mang tính thông minh: chiếu sáng, thiết kế hệ thống cấp nước, thiết kế hệ thống điều hòa không khí, ngay cả sử dụng vật liệu xây dựng thông minh.

Trong những năm gần đây, bê tông cốt sợi có tính năng cao (High-performance fiber-reinforced concrete, HPFRC) được đánh giá là một trong những vật liệu xây dựng tiên tiến do có các tính chất cơ học ưu việt hơn nhiều so với bê tông thông thường (normal concrete, NC) (Wille và cs., 2010; Schmidt và Fehling, 2005).

Cụ thể, các tính chất cơ học vượt trội của HPFRC bao gồm cường độ chịu nén cao hơn 90 MPa (Graybeal, 2007), cường độ chịu kéo trực tiếp lên đến 10 MPa (Park và cs., 2012) và cường độ kéo uốn lớn hơn 20 MPa (Kim và cs., 2011), độ bền và khả năng hấp thụ năng lượng cũng như khả năng kháng nứt rất cao (Nguyen và cs., 2019a; Naaman và Reinhardt, 2006; Nguyen và cs., 2014; Nguyen và cs., 2022). Do đó, bê tông HPFRC đã và đang được ứng dụng trong các công trình xây dựng ngày càng nhiều để giảm kích thước của các bộ phận kết cấu, nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình.

Một số công trình hạ tầng ở Việt Nam đã sử dụng bê tông HPFRC như: cầu vượt tuyến Metro số 1 tuyến Bến Thành - Suối Tiên, TP.HCM (sử dụng cho kết cấu trụ tháp neo dây văng, xem Hình 1a), sửa chữa một phần kết cấu cầu Thăng Long, Hà Nội (sửa chữa kết cấu bản mặt cầu, xem Hình 1b).

Bên cạnh những tính chất cơ học vượt trội, HPFRC cũng có một số tính chất thông minh như tự hàn vết nứt (self crack-healing) (Kim và cs., 2014) tự dầm lèn (self-compacting) (Nguyen và cs., 2018) và tự cảm biến biến dạng-hư hỏng (self strain/damage-sensing) (Nguyen và cs., 2015; Song và cs., 2015; Kim và cs., 2018; Phan và cs., 2023a; Le và cs., 2020).

Tính chất tự hàn vết nứt của HPFRC là khả năng tự phục hồi các vết nứt nhỏ. Tính chất tự đầm lèn của HPFRC là khả năng tự chảy để làm đầy hoàn toàn khuôn đúc hoặc cốp pha, những nơi dầy đặc cốt thép mà không cần bất cứ tác động cơ học nào. Tính chất thông minh tự cảm biến của HPFRC là tính chất mà các thông số ứng suất, biến dạng, vết nứt của vật liệu HPFRC có mối liên hệ với điện trở suất (electrical resistivity), nếu xác định điện trở suất có thể định tính được các tính chất cơ học nếu trên.

Hình 1. Một số hình ảnh các công trình xây dựng sử dụng bê tông HPFRC.

Trong các tính chất thông minh của HPFRC đã đề cập ở trên, tính chất thông minh tự cảm biến được nhiều nhà nghiên cứu làm rõ thông qua thực nghiệm. Cụ thể, Nguyen và cs. (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của sáu loại sợi thép đối với khả năng tự cảm biến hư hỏng của bê tông cốt sợi dưới tải trọng kéo trực tiếp.

Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng hệ số cảm biến của bê tông cốt sợi dưới tải trọng kéo trực tiếp thay đổi từ 50 - 140. Sợi thép dài và sợi thép xoắn gia cường trong vữa bê tông cho hệ số cảm biến cao nhất, tức là khả năng cảm biến hư hỏng tốt nhất.

Trong một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Le và cs. (2020) đã nghiên cứu tính chất tự cảm biến của vật liệu thông minh bê tông siêu tính năng - UHPC có chứa cả sợi thép và cốt liệu xỉ thép dưới tác dụng của tải trọng nén. Nhóm tác giả kết luận rằng điện trở suất của vật liệu UHPC giảm rõ ràng với sự gia tăng của ứng suất nén.

Mặc dù tính chất thông minh tự cảm biến của HPFRC được các nhà nghiên cứu phân tích và làm rõ dưới các điều kiện thí nghiệm khác nhau.

Tuy nhiên, việc ứng dụng tính chất thông minh tự cảm biến của bê tông HPFRC vào các công trình xây dựng thực tế như: nhà cao tầng, cầu, công trình thủy lợi và đặc biệt là các dự án hạ tầng giao thông vẫn còn rất hạn chế và chưa được đề cập.

Do đó, trong bài viết này, nhóm tác giả đánh giá một cách toàn diện về tính chất cơ học và tính chất thông minh của HPFRC. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả đề xuất tính khả thi phát triển mặt đường cứng sử dụng HPFRC cho hệ thống đường Vành đai 4 tại TP,HCM. Việc sử dụng HPFRC cho mặt đường có thể xem là một cảm biến (sensor) có thể tự đếm xe, phân tích mật độ giao thông, dự báo đông xe, tắc đường, phục vụ tối ưu hoá điều khiển đèn tín hiệu giao thông tại nút giao, hướng đến sự phát triển bền vững và đô thị thông minh.

2. Tính chất cơ học của HPFRC dưới các loại tải trọng khác nhau

2.1. Ứng xử cơ học điển hình của HPFRC dưới các loại tải trọng

Hình 2. Ứng xử của HPFRC dưới các loại tải trọng khác nhau.
 

Bảng 1 cung cấp thành phần vật liệu của bê tông HPFRC và bê tông thường (normal concrete, NC) theo tỷ lệ trọng lượng. Theo Bảng 1, thành phần cấp phối HPFRC bao gồm: xi măng, muội silic, cát, tro bay, phụ gia hóa dẻo và nước trong khi thành phần cấp phối NC chỉ bao gồm: xi măng, cát, đá (cốt liệu lớn) và nước.
 

Bảng 1. Thành phần vật liệu của HPFRC và NC theo tỷ lệ khối lượng

 

Bảng 2 cung cấp sự so sánh về một số tính chất cơ học của bê tông HPFRC và bê tông thường (normal concrete, NC) (Boenig, 2007; Nguyen và cs., 2019b; Nguyen và cs., 2021; Shelorkar và Jadhao, 2022). Theo Bảng 2, kết quả so sánh cho thấy các thông số cơ học bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của HPFRC cao hơn so với NC.

Cụ thể, sự chênh lệch về cường độ chịu nén giữa HPFRC và NC từ 1,8 đến 7,2 lần. Sự chênh lệch về cường độ chịu uốn giữa HPFRC và NC là 5,0 lần. Sự chênh lệch về cường độ chịu kéo giữa HPFRC và NC thay đổi từ 2,5 đến 7,0 lần. Sự chênh lệch về mô đun đàn hồi giữa HPFRC và NC thay đổi từ 1,1 đến 2,0 lần. Nhìn chung, bê tông HPFRC thể hiện tính chất cơ học tốt hơn đáng kể so với bê tông NC.

Bảng 2. So sánh một số tính chất cơ học của bê tông HPFRC và bê tông NC

Bên cạnh các tính chất cơ học vượt trội, bê tông HPFRC cũng có một số tính chất thông minh hữu ích khác như khả năng tự hàn vết nứt, tự đầm lèn và tự cảm biến biến dạng hư hỏng. Chi tiết của từng tính chất thông minh này sẽ được thảo luận ở các phần dưới đây:

3.1. Đánh giá tính chất thông minh tự hàn vết nứt của HPFRC

Việc xuất hiện các vết nứt nhỏ (bề rộng vết nứt < 300 µm) trong bê tông là điều hầu như không thể tránh khỏi, các vết nứt nhỏ này không hẳn gây nguy cơ sụp đổ cho kết cấu nhưng chắc chắn sẽ làm suy giảm khả năng chịu lực, đẩy nhanh quá trình xuống cấp, giảm tuổi thọ và tính bền vững của kết cấu.

Do đó, sự phát triển tính chất thông minh của các vật liệu tự hàn vết nứt và các phương pháp sửa chữa phòng ngừa ngày càng được quan tâm trong xây dựng để đảm sự an toàn và tính bền vững của các công trình. Gần đây, tính chất thông minh tự hàn vết nứt của bê tông HPFRC đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và làm rõ (Kim và cs., 2014; Granger và cs., 2007; Homma và cs., 2009; Kwon và cs., 2013; Jacobsen và Sellevold, 1996). Kim và cs. (2014) đã nghiên cứu khả năng tự hàn vết nứt của bê tông HPFRC.

Nhóm tác giả kết luận rằng loại sợi và cát ảnh hưởng đến chiều rộng của các vết nứt nhỏ và khả năng tự hàn vết nứt của bê tông HPFRC. Hình 3 mô tả quá trình tự phục hồi vết nứt với tốc độ phục hồi khác nhau trong môi trường nước của HPFRC được gia cường 2% sợi thép có hai đầu móc trong vữa bê tông. Theo thể hiện ở Hình 3, vết nứt rộng 200 µm không phục hồi hoàn toàn ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên vết nứt càng nhỏ lại dần theo thời gian sau khi bảo quản lại trong nước.

Khi đạt đến 28 ngày, vết nứt dường như tự hàn gắn lại hoàn toàn và có sự khác nhau về màu sắc giữa vùng ban đầu và vùng tự hàn gắn. Nhóm tác giả khẳng định rằng hiện tượng tự hàn gắn này dường như có liên quan đến quá trình kết tinh bằng aluminosilicate với các ion canxi dựa trên thành phần tro bay trong vữa bê tông HPFRC chưa phản ứng.

Ngoài ra, cơ chế tự phục hồi vết nứt này cũng có thể giải thích đơn giản như sau: trong thành phần cấu trúc bê tông thông minh có hợp chất CaO, trong không khí có CO_₂, hai hợp chất này kết hợp tạo thành CaCO₃ lấp đầy khe hở của vi nứt, như mô tả ở Hình 4. Granger và cs. (2007) đã nghiên cứu khả năng tự hàn vết nứt của dầm bê tông siêu tính năng (UHPC) không có sợi thép gia cường và có khía vết nứt mồi sẵn thông qua các thí nghiệm uốn và phát xạ âm thanh.

Nhóm tác giả kết luận rằng độ cứng ban đầu của các dầm đã được phục hồi và các tinh thể mới hình thành và phát triển sau khi bảo quản lại trong nước. Trong một nghiên cứu khác của Homa và cs. (2009) đã nghiên cứu khả năng tự phục hồi của các vật liệu liên hợp xi măng cốt sợi (FRCC) với các loại sợi khác nhau.

Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng bê tông FRCC với các loại sợi khác nhau tạo ra tốc độ và khả năng tự hàn vết nứt khác nhau. Từ những thông tin đã thảo luận ở trên, có thể kết luận rằng bê tông HPFRC có khả năng hàn vết nứt rất tốt. Điều này giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và kéo dài tuổi thọ của các công trình xây dựng khi sử dụng bê tông HPFRC.

Hình 3. Quá trình tự phục hồi vết nứt của bê tông HPFRC sử dụng 2% sợi thép có móc (Kim và cs., 2014).
 

Hình 4. Cơ chế tự hàn vết nứt trong bê tông HPFRC.
 

3.2. Đánh giá tính chất thông minh tự đầm lèn của HPFRC

Bên cạnh các tính chất tự hàn vết nứt, khả năng tự đầm lèn là một tính năng hữu ích khác của HPFRC. Bê tông tự đầm lèn là bê tông có độ linh động rất cao, có khả năng chảy dưới trọng lượng bản thân và tự làm đầy hoàn toàn cốp pha thậm chí trong cả những nơi dầy đặc cốt thép mà không cần bất cứ tác động cơ học nào (như đầm rung) mà vẫn đảm bảo tính đồng nhất trong suốt quá trình thi công.

Thông số đường kính khi sụt (slump flow) được sử dụng để đánh giá khả năng tự đầm lèn của bê tông. Nhiều nhà nghiên cứu đã công bố các nghiên cứu về đặc tính tự đầm lèn của bê tông HPFRC (Nguyen và cs., 2018; Niu và Zhang, 2021; Hoang và cs., 2016; Song và cs., 2018). Nguyen và cs. (2018) đã đánh giá khả năng tự đầm lèn của bê tông HPFRC.

Nhóm tác giả kết luận rằng bê tông HPFRC có đường kính khi sụt đo được từ 60-70 cm (xem mô tả ở Hình 5a). Trong một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Niu và Zhang (2021) đã thí nghiệm khả năng tự đầm lèn của bê tông UHPC.

Kết quả của nghiên cứu này cụ thể như sau: đường kính khi sụt của hỗn hợp vữa bê tông UHPC đo được khoảng 77 cm (xem mô tả ở Hình 5b), giá trị này nằm trong phạm vi tự đầm lèn của bê tông theo Tiêu chuẩn GB/ T50080-2016. Hoàng và cs. (2016) đã thí nghiệm khả năng tự đầm lèn của bê tông UHPC có gia cường sợi thép theo Tiêu chuẩn DIN EN 12350-8. Nhóm tác giả kết luận rằng bê tông UHPC gia cường sợi thép có đường kính 0,2 mm, dài 13 mm với hàm lượng 1,5% theo thể tích đạt đường kính khi sụt là 78 cm.

Dựa vào các nghiên cứu đã đề cập về đặc tính tự đầm lèn của bê tông thông minh, có thể kết luận rằng bê tông HPFRC có khả năng tự đầm lèn rất tốt. Do đó, có thể mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng HPFRC trong lĩnh vực thiết kế và thi công xây dựng, đặc biệt đối với những kết cấu có nhiều chi tiết tinh xảo hoặc sử dụng ván khuôn phức tạp. Bên cạnh đó, áp dụng HPFRC vào các dự án xây dựng trong môi trường đô thị hoặc các khu vực yêu cầu giảm tiếng ồn, do không sử dụng máy rung có thể giúp giảm tiếng ồn và rung động trong suốt quá trình thi công.

Hình 5. Hình chụp đo đường kính sau khi sụt của bê tông thông minh.

3.3. Đánh giá tính chất thông minh tự cảm biến của HPFRC dưới các loại tải trọng

Ngoài hai tính năng thông minh vừa nêu trên, tính năng tự cảm biến ứng suất - biến dạng - hư hỏng của bê tông thông minh cũng được các nhà khoa học phát hiện và đánh giá cao. Cơ chế của tính tự cảm biến hư hỏng được diễn giải như sau: ứng suất, biến dạng, nứt của bê tông thông minh có mối liên hệ với điện trở suất (electrical resistivity), do vậy xác định điện trở suất có thể xác định các thông số cơ học nêu trên.

Hình 6 thể hiện ứng xử cơ học - điện trở điển hình của bê tông HPFRC dưới tải trọng kéo trực tiếp (Nguyen và cs., 2015). Theo Hình 6, điện trở suất tương đối của HPFRC giảm đáng kể khi số lượng các vết nứt nhỏ tăng lên trong quá trình tăng cứng cơ học trước khi vết nứt chính xuất hiện. Sau khi vết nứt chính xuất hiện, điện trở suất gần như không đổi tại giá trị nhỏ nhất do không phát sinh vết nứt.

Để định lượng đặc tính tự cảm biến của bê tông HPFRC dưới tải trọng kéo trực tiếp, hệ số cảm biến (GF) được sử dụng. Hệ số cảm biến được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng dưới tải trọng kéo trực tiếp. Vật liệu có hệ số cảm biến càng cao, đặc tính tự cảm biến của vật liệu đó càng tốt.

Hình 6. Ứng xử cơ học - điện trở điển hình của bê tông HPFRC dưới tải trọng kéo trực tiếp.

 

Hình 7. Ứng xử cơ học - điện trở điển hình của bê tông HPFRC dưới tải trọng lặp.
 

4. Khả năng ứng dụng cho mặt đường bê tông xi măng thông minh tự cảm biến

4.1. Cấu tạo chung mặt đường bê tông xi măng

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) - là loại hình mặt đường chính được sử dụng cho giao thông đường bộ và sân bay, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao thông của các khu vực.

Mặt đường BTXM là một khối vững chắc, có khả năng chịu nén, chịu uốn, va đập, chống thấm cao, ổn định với môi trường và thích hợp với mọi loại phương tiện vận tải kể cả xe bánh xích. Hình 9 mô tả cấu tạo chung của mặt đường BTXM thông thường.
 

Theo thể hiện ở Hình 9, mặt đường BTXM bao gồm hai thành phần chính: tầng mặt và tầng móng. Tầng mặt bao gồm tấm BTXM có tiết diện chữ nhật với chiều dày từ 15 - 30 cm, các khe ngang và khe uốn vồng (khe dọc).

Ngoài ra, để truyền lực giữa các tấm BTXM, thanh truyền lực bằng thép trơn có đường kính cốt thép từ 28mm đến 40mm, chiều dài thanh từ 40cm đến 60cm được bố trí giữa các tấm BTXM mặt đường. Tầng móng có thể là kết cấu áo đường mềm thông thường hoặc có thể là cát, đá, gạch vỡ,…gia cố bằng xi măng.

Chiều rộng móng phải lớn hơn chiều rộng phần xe chạy. Để đảm bảo tấm BTXM chuyển vị tự do trên tầng móng thì phải bố trí lớp phân cách. Lớp phân cách này được làm từ hai lớp giấy dầu ở giữa không dán nhựa.

4.2. Ứng xử cơ học của kết cấu mặt đường BTXM

Do kết cấu mặt đường BTXM gồm tầng mặt (tấm BTXM) đặt trên tầng móng (nền đất) nên sơ đồ làm việc của kết cấu này được quan niệm như sơ đồ tấm trên nền đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng. Dưới tác dụng tải trọng tập trung từ bánh xe truyền xuống, tấm BTXM có xu hướng uốn cong do tải phân bố không đều trên mặt tấm.

Như vậy, bên cạnh chịu nén, tấm BTXM cũng đồng thời chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng. Trong kết cấu chịu uốn sẽ có thớ chịu kéo, nên việc nghiên cứu tính cảm biến của HPFRC trong kéo và uốn là phù hợp.

4.3. Ứng dụng bê tông HPFRC cho mặt đường thông minh tự cảm biến

Tại Việt Nam, phát triển đô thị thông minh là phương thức quan trọng để tận dụng hiệu quả những cơ hội của Cuộc cách mạng Công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0) và hướng tới sự phát triển bền vững.

Để thực hiện mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại, đẩy mạnh chuyển đổi số quốc gia, phát triển kinh tế số trên nền tảng khoa học - công nghệ và đổi mới sáng tạo, phát triển đô thị thông minh là một trong những công việc tất yếu cần được quan tâm.

Việc xây dựng đô thị thông minh ở TP.HCM nói riêng và ở các tỉnh thành lớn nói chung là công việc vô cùng cần thiết bởi đây là một định hướng lớn, phù hợp với xu thế phát triển của thế giới. Cho đến nay, có nhiều giải pháp cho việc xây dựng đô thị thông minh cần được thực thi như: ban hành cơ chế và chính sách rõ ràng, xây dựng và hoàn thiện nền tảng pháp lý, ứng dụng khoa học công nghệ, thúc đẩy đổi mới và sáng tạo, quy hoạch đô thị thông minh, phát triển các tiện ích thông minh cho dân cư đô thị, khuyến khích sự tham gia của các thành phần xã hội, truyền thông hiện đại và phát triển nguồn nhân lực.

Hình 10. Giải pháp ứng dụng HPFRC cho mặt đường bê tông thông minh tự cảm biến.

Trong bài viết này, nhóm tác giả đề xuất ứng dụng khoa học, công nghệ trong công tác quy hoạch và quản lý phát triển giao thông đô thị ở TP.HCM, Cụ thể, nhóm tác giả đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu bê tông thông minh HPFRC tự cảm biến cho một phần của mặt đường BTXM trong hệ thống đường vành đai tại TP.HCM. Hình 10 mô tả giải pháp ứng dụng HPFRC cho mặt đường bê tông thông minh tự cảm biến.

Theo Hình 10, sử dụng HPFRC không những đóng vai trò như một phần kết cấu mặt đường BTXM mà còn có vai trò như một vật liệu cảm biến dựa vào ứng xử điện trở của HPFRC để phục vụ trong công tác đếm xe, phân tích mật độ giao thông, dự báo đông xe, tắc đường, theo dõi tải trọng và sự di chuyển của phương tiện nhằm tối ưu hóa hiệu quả công tác quản lý và vận hành trong mạng lưới giao thông.

5. Kết luận

Dựa trên kết quả đánh giá và phân tích trong bài báo, các nhận xét và kết luận có thể được tóm tắt sau đây:

-Tính chất cơ học của bê tông HPFRC bao gồm: cường độ chịu nén, kéo, uốn và mô đun đàn hồi được đánh giá là tốt hơn rất nhiều khi so sánh với bê tông thông thường.

- Bê tông HPFRC có đặc tính tự hàn vết nứt rất tốt. Nhờ tính chất thông minh này có thể áp dụng HPFRC vào các công trình xây dựng giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và kéo dài tuổi thọ cho công trình.

- Bê tông HPFRC có khả năng tự đầm lèn rất tốt. Có thể ứng dụng bê tông HPFRC trong lĩnh vực thiết kế và thi công xây dựng, đặc biệt đối với những kết cấu phức tạp, khó đầm lèn bằng thiết bị cơ học.

- Hệ số cảm biến của HPFRC chịu các tải trọng khác nhau được đánh giá là lớn hơn rất nhiều so với hệ số cảm biến của sensor thương mại truyền thống dùng kim loại. Do đó, việc định hướng dùng HPFRC như một loại sensor tự cảm biến là hoàn toàn khả thi.

- Một giải pháp ứng dụng HPFRC cho mặt đường bê tông thông minh tự cảm biến trong hệ thống đường vành đai tại TP.HCM đã được đề xuất với mục đích phục vụ cho công tác quản lý và vận hành trong mạng lưới đường giao thông của thành phố hướng đến sự phát triển bền vững và đô thị thông minh.

Tài liệu tham khảo

[1]. Boenig, R. (2007). Innovativer beton, ultrahochfest bis lichtdurchlässig. Heidelbergcement, Entwicklung und Anwendung, Leimen.

[2]. Granger, S., Loukili, A., Pijaudier-Cabot, G., & Chanvillard, G. (2007). Experimental characterization of the self-healing of cracks in an ultra high performance cementitious material: Mechanical tests and acoustic emission analysis. Cement and Concrete Research, 37, 519–5