TS Trần Bá Việt là tác giả của một số sáng chế về “Bê tông tính năng siêu cao – UHPC” sử dụng vật liệu sẵn có và thiết kế cấp phối phù hợp, được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng vào tháng 6/2023.
Tạp chí Xây dựng đã có cuộc trao đổi cùng TS Trần Bá Việt về hành trình nghiên cứu, sáng tạo công nghệ UHPC cũng như những cơ hội, thách thức trong việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ mới vào thực tiễn đời sống xây dựng ở Việt Nam.
♦ Thưa ông, thế giới đã ghi nhận bê tông siêu tính năng – UHPC, như là vật liệu cho xây dựng hạ tầng của thế kỷ 21, vậy chúng có những tính năng ưu việt gì?
– Bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete – UHPC) là một sản phẩm bê tông thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ những năm 1990 với các đặc tính vượt trội về cả tính chất cơ học và độ bền lâu so với bê tông thường và bê tông cường độ cao. Bên cạnh đó, loại bê tông này còn có khả năng uốn và kéo cao (do có cốt sợi phân tán) như các loại vật liệu đàn hồi – dẻo, hay có thể thay thế bê tông cốt thép thông thường, với khối lượng kết cấu giảm tới 60 – 70%.
Các ứng dụng thực tế của bê tông UHPC cũng đã thực hiện đối với kết cấu cầu, kết cấu vượt nhịp lớn… ở một số nước trên thế giới như Hoa Kỳ khoảng 300 cây cầu UHPC, Canada khoảng 99 cây cầu UHPC, Malaysia khoảng 230 cây cầu UHPC, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản…
♦ Theo ông, Việt Nam có những cơ hội nào thuận lợi nào để phát triển sản xuất UHPC?
– Chúng ta có những điều kiện thuận lợi trong việc tận dụng nguyên liệu tự nhiên, sẵn có. Một số nghiên cứu thăm dò của Viện Vật liệu xây dựng (Bộ Xây dựng), Công ty CP Sáng tạo công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã cho thấy, có thể sử dụng cát trắng thạch anh ven biển, hàm lượng thạch anh thấp hơn yêu cầu cát cho công nghiệp thuỷ tinh – là cát trắng tận thu ven biển, với các thành phần hạt phù hợp làm cốt liệu nhỏ và cốt liệu mịn trong cấp phối bê tông tính năng siêu cao UHPC.
Cát thạch anh tự nhiên có hàm lượng SiO2 chỉ từ 90 – 96% so với cát thuỷ tinh có yêu cầu SiO2 từ 98 – 99,5%. Nguồn cát này hiện nay đang làm vật liệu san nền, có nhiều tại Cam Ranh, Đà Nẵng, Quảng Bình, Quảng Nam, Bình Định và một số nơi khác, nên phù hợp với việc tận dụng để chế tạo ra bê tông tính năng siêu cao UHPC, đem lại hiệu quả cao trong sử dụng tài nguyên, giá trị thặng dư lớn khi nhân rộng trong sản xuất công nghiệp.
Có thể nói, đây là điều kiện thuận lợi về tài nguyên với chất lượng cao, cho phép giảm giá thành của sản phẩm UHPC. Từ đó, sẽ tạo điều kiện đưa sản phẩm UHPC có thể được sử dụng rộng rãi cho các công trình dân dụng hoặc hạ tầng với giá thành cạnh tranh với bê tông cốt thép truyền thống.
♦ Có ý kiến cho rằng, bê tông chất lượng siêu cao có nhiều tính năng ưu việt, như độ chảy cao, cường độ cao, độ thấm thấp và độ bền cao, tuy nhiên, trong bê tông tính năng siêu cao, lượng xi măng sử dụng rất lớn, khoảng 900 – 1000 kg/m3, điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến giá thành và tính chất của sản phẩm?
– Chính vì thế, việc nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng trong bê tông tính năng siêu cao có ý nghĩa to lớn về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường, góp phần vào mục tiêu phát triển xây dựng bền vững.
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra có thể sử dụng 10% tro bay FA, 15 – 30% xỉ hạt lò cao nghiền mịn, 7 – 10% silicafume thay thế cho xi măng để sản xuất bê tông tính năng siêu cao UHPC. Các nguyên liệu này là phụ phẩm công nghiệp luyện kim, nhiệt điện và đều phát sinh trong quá trình sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.
Các phụ gia khoáng hoạt tính tro bay, xỉ hạt lò cao nghiền mịn, SF, tro trấu nghiền mịn khi sử dụng trong bê tông sẽ có phản ứng với sản phẩm thuỷ hóa của xi măng là phản ứng pozơlanic tạo ra các sản phẩm dạng CSH độ thấp bazit và làm cho UHPC đạt cường độ cao, bền lâu với môi trường ăn mòn hơn.
Với khối lượng kết cấu giảm đi rất nhiều so với bê tông truyền thống, bê tông siêu tính năng UHPC có thể được sử dụng để xây dựng các công trình tại nhiều vị trí, địa hình địa điểm khác nhau mà vẫn đảm bảo được kết cấu vững chắc, giảm chi phí nền móng, giúp công trình bền lâu, giảm chi phí bảo trì, tăng độ tin cậy trong khai thác sử dụng.
♦ Bê tông siêu tính năng UHPC tại Việt Nam được đánh giá nhiều triển vọng, có ý nghĩa tạo động lực mới cho ngành bê tông nước nhà. Việc đưa sản phẩm công nghệ mới ứng dụng trong điều kiện xây dựng ở Việt Nam đã được thực hiện ra sao?
– Việt Nam bắt đầu nghiên cứu về UHPC trong khoảng 15 năm gần đây, ban đầu là nghiên cứu vật liệu kỹ thuật để chế tạo UHPC trong Phòng thí nghiệm. Sau đó là các nghiên cứu sử dụng nguyên vật liệu Việt Nam để thiết kế cấp phối và chế tạo UHPC trong Phòng thí nghiệm.
Năm 2014 – 2015, Viện Khoa học công nghệ xây dựng (Bộ Xây dựng) đã nghiên cứu bước đầu làm chủ các thông số công nghệ, thiết bị và thiết kế kết cấu và chế tạo dầm Double Tee nhịp 12 m, tải 0.45 HL93, và tiến hành thử tải dầm cho kết quả đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Đến năm 2016, chúng tôi đã thiết kế kết cấu và chế tạo thành công dầm UHPC mặt cắt dạng Double Tee, nhịp 18 m, tải 0.65 HL 93, rồi sử dụng dầm đó xây dựng cầu Đập Đá (TP Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang), cho kết quả tốt, đáp ứng yêu cầu thiết kế. Đây là cây cầu đầu tiên trong thực tiễn được thiết kế và xây dựng bằng dầm UHPC tại Việt Nam; là sự khích lệ lớn với các nhà nghiên cứu phát triển UHPC ở Việt Nam.
Việc ứng dụng thành công công nghệ bê tông tính năng siêu cao UHPC vào xây dựng nhịp chính công trình cầu này là một trong những kết quả kết nối cung – cầu công nghệ, dù kinh phí xây dựng không lớn, nhưng công trình mang ý nghĩa quan trọng trong việc kết nối, chuyển giao và ứng dụng thành tựu khoa học và công nghệ (KH&CN) vào thực tiễn xây dựng hạ tầng giao thông nông thôn, khẳng định hiệu quả ứng dụng của sản phẩm và mở ra tiềm năng lớn trong việc góp phần thực hiện một số nội dung của Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới.
Từ thành công bước đầu, cuối năm 2016 – 2017, tôi cùng Công ty Tư vấn cầu Thăng Long đã thiết kế, chế tạo dầm UHPC và xây dựng 11 cây cầu, mặt cắt dầm dạng Double Tee gồm 2 phiến Double Tee ghép lại rộng 4 m, nhịp từ 8 – 16 m, tải 0.65HL93 tại Hà Nội và Đà Nẵng. Các cầu này được xây dựng rất nhanh, có cầu chỉ xây dựng trong 2 tuần. Các cầu đều được thử tải và cho kết quả đáp ứng yêu cầu thiết kế. Cho tới nay các cầu đều đang được khai thác sử dụng cho kết quả tin cậy.
Thời gian gần đây, tôi cùng với các chuyên gia của Viện Vật liệu xây dựng và Hội Bê tông Việt Nam đã tư vấn sử dụng và thí nghiệm, kiểm định chất lượng tại hiện trường cho hơn 2.000 m3 bê tông UHPC với cấp mác 120/7 MPa làm lớp phủ liên hợp trong dự án sửa chữa mặt cầu Thăng Long, Hà Nội. Dự án đã được Bộ GTVT, Tổng cục Đường bộ Việt Nam quyết định lựa chọn phương án UHPC liên hợp cho sửa chữa gia cường mặt cầu Thăng Long. Giai đoạn lập dự án, thiết kế thi công Bộ GTVT đã giao cho Trường ĐH Giao thông vận tải và Công ty Cầu lớn – Hầm thực hiện.
Dầm UHPC đã sử dụng trong các dự án, hiện được thiết kế chế tạo dạng Duble Tee, Pi và I, U hở với cấp tải trọng thấp là 0.45 HL93 (cho xe 15 tấn) và 0.65 HL93 (cho xe 22 tấn), nhịp nhỏ dưới 30 m. Các kết quả nghiên cứu ứng dụng dầm UHPC này cho thấy khả năng nghiên cứu ứng dụng, lựa chọn vật liệu, thiết kế cấp phối và chế tạo dầm UHPC cấp mác 130/8 MPa là khả thi và tin cậy trong điều kiện thục tiễn Việt Nam. Các dầm và cầu này đã lần lượt được đưa vào sử dụng đáp ứng tốt các yêu cầu cấp bách về xây dựng hạ tầng giao thông ở nước ta hiện nay.
♦ Tại Việt Nam, nhiều vùng sâu, vùng xa còn bất lợi về giao thông, ông có cho rằng công nghệ cầu nông thôn bằng bê tông UHPC sẽ là giải pháp trong phát triển nông thôn mới?
– Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc đi lại, sinh hoạt, đảm bảo an toàn giao thông của người dân tại các vùng khó khăn, Thủ tướng Chính phủ ra quyết định số 330/QĐ-TTg ngày 01/3/2016 về phê duyệt danh mục dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản địa phương. Bộ GTVT cơ quan chủ quản, UBND các tỉnh thành phối hợp thực hiện, Ngân hàng Thế giới (WB) tài trợ.
Năm 2018, WB thông qua chương trình tài trợ dự án LRAMP đã xây dựng 3 cầu nông thôn ở 3 miền đất nước gồm cầu Làng Cỏ (Thái Nguyên), cầu Khe Dợn (Nghệ An) và cầu Từ Ô (Trà Vinh) sử dụng bằng bê tông siêu tính năng UHPC.
WB lựa chọn công nghệ bê tông siêu tính năng UHPC vì sản phẩm đáp ứng được các yêu cầu về địa hình, nền đất, tính ưu việt về kỹ thuật đảm bảo độ bền lâu, tuổi thọ cao, thời gian thi công nhanh, giảm phát thải CO2, giảm tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên. Đồng thời, qua chương trình dự án WB muốn lan tỏa hiệu quả của dự án đến các vùng nông thôn, vùng sâu.
Để hướng tới công trình xanh, theo đánh giá của WB, hệ thống cầu này tính theo mét vuông so với cầu bê tông thông thường giảm khoảng 20 – 25 % phát thải CO2, giảm khoảng 70% khối lượng của dầm cầu (tĩnh tải dầm), điều này đồng nghĩa giảm tiêu thụ tài nguyên, mặt khác do sử dụng công nghệ vật liệu UHPC nên tuổi thọ tăng gấp đôi so với bê tông thông thường.
Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ chế tạo UHPC và chế tạo dầm UHPC ở nước ta đã bước đầu được thiết kế, chế tạo và ứng dụng cho hơn 100 cầu nông thôn UHPC cấp 130/8 MPa tại 17 tỉnh thành trong cả nước.
Những cây cầu dân sinh sử dụng phiến dầm theo công nghệ UHPC cho phép giảm trọng lượng, giảm tiết diện, tăng độ bền, giảm chi phí bảo trì và thời gian sản xuất thi công nhanh, giảm tiêu thụ tài nguyên, giảm phát thải CO2. Dầm cầu được đúc sẵn nên việc lắp đặt nhanh, không cần giàn giáo, cây chống. Dầm cầu được chế tạo theo công nghệ UHPC được sản xuất sẵn trong nhà máy, nên chủ động trong việc vận chuyển và đặc biệt hiệu quả khi vận chuyển tại các vùng sông nước như ĐBSCL.
Theo số liệu của WB, riêng ĐBSCL đã cần xây dựng khoảng 157 nghìn cây cầu dân sinh.
♦ Dường như chi phí sản xuất cao là trở ngại lớn nhất của việc ứng dụng bê tông siêu tính năng UHPC trong lĩnh vực xây dựng. Ông đánh giá như thế nào về vấn đề này?
– UHPC bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và hạ tầng trên thế giới vì sản phẩm giảm tiêu hao vật liệu, giảm tĩnh tải, tăng tốc độ thi công, tăng tuổi thọ công trình, giảm phát thải CO2. Nó chỉ có một đặc điểm là giá tính 1 m3 UHPC cao hơn so với bê tông thông thường, nhưng nếu tính theo m2 mặt cầu, m2 xây dựng và theo tuổi thọ (chi phí vòng đời) thì giá thành chỉ bằng khoảng 70% so với kết cấu bê tông thông thường.
Kết cấu dầm thanh mảnh nên khối lượng giảm (tĩnh tải bản thân nhỏ, giảm khoảng 70% so với tĩnh tải của dầm bê tông thường) nên giảm được chi phí xây dựng móng và kết cấu mố trụ.
UHPC với các tính năng đặc biệt (chịu kéo cao, giới hạn phá hoại kéo sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên cao) áp dụng hiệu quả cho vùng có nguy cơ động đất. Thời gian thi công công trình nhanh hơn, chế tạo hàng loạt trong nhà máy sẽ cho phép giảm giá thành nhiều hơn nữa.
Với công nghệ đã được làm chủ, khi chế tạo hàng loạt, chúng tôi có thể thiết kế thành phần bê tông siêu tính năng UHPC, thiết kế kết cấu UHPC, cũng như chế tạo các phiến dầm cầu có nhịp từ 12 – 25 m. Nếu nối 3 nhịp dài 12 m thành cầu 36 m hoặc nối 2 nhịp 25 m thành cầu 50 m, thì giá thành sẽ giảm 20%, nếu tính cả mố và trụ cầu, thì tổng giá thành xây dựng cầu sẽ giảm chỉ còn 65 – 75% so với cầu bê tông truyền thống.
Đặc biệt hiệu quả với khu vực ĐBSCL vì có thể vận chuyển bằng đường thủy. Hiện nay, các nhà máy bê tông lớn đều có thể làm chủ công nghệ vật liệu, chế tạo cấu kiện dầm UHPC (Bê tông Thủ Đức 1, Sông Đà Việt Đức, Thành Hưng, Xuân Mai).
Về chi phí vận chuyển, nguồn nguyên liệu có sẵn dọc theo bờ biển Việt Nam có thể vận chuyển theo đường thủy rất thuận lợi (khi 50% của trọng lượng dầm là cát trắng thạch anh, phí vận chuyển tương đối rẻ)
Về vận chuyển cấu kiện dầm, nếu những dầm lớn sản xuất tại nhà máy thì độ tin cậy, chất lượng cao song giá thành cũng giảm so với sản xuất tại hiện trường. Thường dầm có thiết kế chiều rộng khoảng 2,5 m có thể có thể vận chuyền đường bộ, còn khu vực vùng sông nước như ĐBSCL có thể thiết kế dầm rộng tới 4 m, tiết kiệm hơn nữa, và vẫn dễ dàng vận chuyển thủy.
Khu vực miền núi phía Bắc, nhiều đồi núi có thể vận chuyển theo các phân đoạn dầm, chia cắt thành các phân đoạn, theo hình thức sản xuất để dễ dàng di chuyển đến các vùng sâu, vùng xa (sau đó đến hiện trường các đoạn dầm được nối lại theo phương pháp căng sau). Ví dụ, cầu Vàng tại Thanh Sơn, Phú Thọ (30 m x 4 nhịp, rộng 6,5 m, tải 0,65HL93) được sử dụng theo phương pháp căng sau. Do đó, tùy theo điều kiện địa hình, chúng ta có thể lựa chọn phương pháp đúc căng trước hay căng sau.
Với những dự án đủ lớn (ví dụ tuyến cầu cạn dài khoảng 30 – 50 – 100 km) có thể thiết lập xưởng di động lắp đặt tại hiện trường, với dầm dài 50 – 60 m, sau khi chế tạo, dầm sẽ được vận chuyển theo đường công vụ.
Việc thiết kế dầm 50 – 60 m sẽ giảm chi phí phần cọc – trụ, giảm gối cầu, khe co giãn. Như vậy tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công. Bù đắp cho phần giá thành vật liệu sản xuất UHPC cao hơn loại thông thường. Nếu tính tổng mức đầu tư thì chi phí xây dựng cầu cạn tại vùng đất yếu sâu (cọc khoan nhồi 50 – 60 m), đường đắp cao trên 3,5 m, có hầm chui dân sinh, thì tổng mức đầu tư không cao hơn so với phương án thông thường.
♦ Còn ở Việt Nam, với góc nhìn của một chuyên gia về lĩnh vực này, theo ông, những thách thức của việc đưa sản phẩm công nghệ mới ứng dụng trong điều kiện xây dựng ở Việt Nam là gì?
– Công nghệ về sản xuất UHPC hiện còn khá mới, chỉ có số ít đơn vị có thể sản xuất và cung ứng loại vật liệu này, dẫn đến giá thành sản xuất ban đầu chưa thực sự cạnh tranh. Ngoài ra, việc thiếu các tiêu chuẩn dành riêng cho loại bê tông này cũng ảnh hưởng đến việc thiết kế, thử nghiệm và thi công kết cấu UHPC.
Những thách thức với công nghệ mới nằm ở một số vấn đề như thói quen ngại thay đổi của một số đơn vị tư vấn; lợi ích của một số đơn vị sản xuất vật liệu cũ, thi công truyền thống ảnh hưởng trong ngắn hạn khi phải đổi mới sáng tạo. Đặc biệt, khả năng đào tạo, tiếp thu công nghệ mới trong thiết kế và thi công công trình của các kỹ sư tư vấn cũng khiến công nghệ mới chậm được áp dụng.
Trong năm 2022, Hội Bê tông Việt Nam cũng đã hoàn thành biên soạn bộ dự thảo gồm 03 tiêu chuẩn TCVN về bê tông tính năng siêu cao UHPC: TCVN 13735:2023 Bê tông – Bê tông siêu tính năng (UHPC) – Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử, TCVN 13736:2023 Bê tông – Kết cấu bê tông siêu tính năng (UHPC) – Thi công và nghiệm thu, TCVN 137..:2023 Bê tông – Kết cấu bê tông siêu tính năng (UHPC) – Yêu cầu thiết kế kết cấu.
Từ đây, mở ra cơ sở pháp lý kỹ thuật cho nghiên cứu và ứng dụng chính thức bê tông UHPC tại Việt Nam. Nguồn nguyên vật liệu bước đầu nghiên cứu đánh giá, thiết bị công nghệ, thiết bị thử nghiệm cũng đã có và dần dần được chuẩn hóa là điều kiện đảm bảo cho nghiên cứu chế tạo cấp phối, công nghệ và có thể chế tạo thử dầm UHPC nhịp lớn.
Bên cạnh đó, khi phân tích về hệ thống cao tốc miền Tây, công nghệ UHPC là một trong những giải pháp tối ưu ứng dụng cho xây dựng cao tốc. Hồ sơ phương án công nghệ UHPC đã được gửi tới Bộ GTVT. Tôi kỳ vọng trong thời gian tới Bộ GTVT, Bộ Xây dựng và các chủ đầu tư sẽ có chủ trương để áp dụng công nghệ tiên tiến UHPC trong xây dựng hạ tầng cầu dẫn, cầu cạn.
♦ Thế đâu là rào cản, thưa ông?
– Thực tiễn về mặt khoa học đã được chứng minh, còn các thủ tục, cũng như các vấn đề hành chính khác thực sự không dễ dàng! Những người làm khoa học chỉ có sản phẩm thôi, ở đây tôi nhấn mạnh là sản phẩm đích thực, có kiểm nghiệm, kiểm chứng và được đánh giá với đầy đủ cơ sở khoa học. Còn đưa được khoa học công nghệ vào thực tiễn lại là những bước đi, mà đôi khi, chúng tôi thật khó hiểu, khó lý giải nổi?! Tiền đề cho đổi mới, sáng tạo, phát triển đất nước, có lẽ, ngoài trường kỳ nghiên cứu để ra được các sản phẩm mà các nhà khoa học đã bỏ ra, chúng ta cần tháo bỏ những lực cản vô hình về mặt chính sách, thủ tục!?
Theo tôi, một trong số các giải pháp thúc đẩy ứng dụng công nghệ bê tông UHPC trong các công trình giao thông thì Bộ GTVT, Bộ Xây dựng cần có chủ trương để sớm ban hành các văn bản quy phạm pháp luật, các tiêu chuẩn hướng dẫn, định mức kinh tế kỹ thuật quy định của mỗi hạng mục trong các công trình xây dựng, giao thông.
Với vai trò là một người làm khoa học, Phó chủ tịch Hội bê tông Việt Nam, tôi và các cộng sự của mình không ngừng nghiên cứu và áp dụng công nghệ UHPC tại Việt Nam, từ đó, đưa ra các hướng dẫn và khuyến nghị tại Việt Nam, để mang đến đầy đủ những cơ hội cũng như thấy được những thách thức trong việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ này, với mong muốn hệ thống cao tốc được xây dựng tốt, nhanh, tin cậy trong khai thác, đảm bảo sự phát triển bền vững của chính hệ thống cao tốc và cho ĐBSCL.
♦ Trân trọng cảm ơn ông!
