TIẾP CẬN ĐA XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
CỦA CÁC NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM
VỀ BÊ TÔNG HIỆN NAY ThS. TRẦN THẾ TRUYỀN
Bộ môn Cầu hầm
GS. TS. NGUYỄN VIẾT TRUNG
Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố
Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo góp phần phân tích tiếp cận đa cấp trong xu hướng phát triển của các
nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về ứng xử của bê tông ở Việt nam và trên thế giới; ứng
dụng trong tính toán các công trình xây dựng, giao thông hay lò điện nguyên tử; vấn đề đặt ra
cho thực trạng nghiên cứu về vật liệu và kết cấu bê tông hiện nay ở Việt nam, và một số đề
xuất giải pháp để các nghiên cứu trong nước có thể theo kịp xu hướng phát triển của thế giới. Summary: This paper contributes to the analysis of the multi-scaling approach in the
current trend of theoretical and experimental studies on the behavior of concrete in Vietnam
and around the world; its application in calculation of civil structures, transport works or
nuclear power plants; questions proposed for the actual research into concrete materials and
structures in Vietnam; some recommendations to enable domestic studies to catch up with the
world’s development trend.
CT 2

hình đàn dẻo (Raynourd (1974), Franzetkakit (1987), Chen & Han (1988), Lubnier & Olivier
(1989), Feentra & de Borst (1995), Nedjar (2002)…), mô hình đàn hồi-dòn (Mazars (1984),
Simo & Ju (1987a,1987b), Pijaudier-cabot & Bazant (1988-1989), Jirasek (1996, 2004)…), các
mô hình nứt (Dugdale & Barenblatt (1960-1962, Hiller Borg (1984), Bazant (1983)…) cũng lần
lượt được đề nghị để tính đến ứng xử phi tuyến của bê tông sau đàn hồi, mỗi mô hình có những
ưu nhược điểm khác nhau và được dùng hợp lí cho mỗi trường hợp nhất định. Cuối cùng là các
mô hình kết hợp (Lemaitre(1992), Salari (2004), Faria (1998), Lemaitre (2000)…) đã và đang
được nhiều tác giả trên thế giới phát triển nhằm mục đích mô phỏng ứng xử cơ học của bê tông
trong trường hợp tổng quát. Các nghiên cứu thực nghiệm về mặt vĩ mô cũng được tiến hành
song song với các nghiên cứu lí thuyết để kiểm chứng các kết quả tính toán và xác định các
tham số đầu vào cho các mô hình lí thuyết. Số liệu thí nghiệm thu được được ghi nhận dưới
dạng các đáp ứng vĩ mô thông qua các thiết bị đo trong phỏng thí nghiệm. Các tương tác nội tại
của các điểm vật chất, của các đường nứt rất nhỏ, hiệu ứng của các lỗ rỗng… được bỏ qua mà
không xem xét đến trong các tiếp cận vĩ mô này.
CT 2
Điểm mạnh của các tiếp cận vĩ mô là đơn giản, dễ hiểu, các nghiên cứu lý thuyết cũng như
thực nghiệm giải thích được bản chất các đáp ứng quan sát được của bê tông khi chịu tải trọng
và trong hầu hết các trường hợp đáp ứng được các yêu cầu tính toán đủ độ chính xác. Nhược
điểm của các tiếp cận vĩ mô là không mô tả được quá trình phá huỷ nội tại bên trong vật liệu bê
tông vốn không dễ dàng quan sát được, đặc biệt là khi bê tông tương tác với các yếu tố bên
ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, chất hoá học…. Khi đó các tiếp cận vi mô sẽ là sự bổ sung cần thiết.
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 III. CÁC TIẾP CẬN VI MÔ (MICROSCOPIC) VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG
Nhược điểm của các tiếp cận vĩ mô về bê tông được khắc phục bằng các nghiên cứu theo
hướng vi mô xét đến sự tồn tại của các pha khác nhau cấu thành nên vật liệu bê tông. Một cách
tổng quát, vật liệu bê tông được cấu thành từ 3 pha : Pha rắn, pha lỏng và pha hơi (Picandet -
2001, Marta -2006):


rỗng của bê tông và chiếm khoảng 10% thể tích của bê tông. Pha hơi tồn tại cả trong vữa xi
măng lẫn trong liên kết với các hạt cốt liệu.
Như vậy trong trường hợp tổng quát, bê tông có thể tồn tại dưới 3 dạng khác nhau với cấu
trúc vi mô như sau:
Bê tông khô hay pha lỏng trong bê tông không được xét đến tương ứng với trường hợp khi
bê tông bị sấy khô đến một nhiệt độ đủ lớn (thường là > 150
o
C, Picadet-2001) trong một thời
gian nhất định để nước và hơi nước thoát ra khỏi cấu trúc vi mô. Khi đó ứng xử nhiều pha của
bê tông có thể biểu diễn lại như hình 2 sau đây.

Bê tông = Vữa xi măng N pha rỗng N pha cốt liệu

Hình 2. Cấu thành các pha của bê tông khô
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008Bê tông bão hoà một phần tương ứng với bê tông có một độ ẩm nhất định, nghĩa là tồn tại
cả pha hơi lẫn pha lỏng trong bê tông.
Bê tông bão hoà hoàn toàn tương ứng với trường hợp nước lấp đầy các lỗ rỗng trong bê
tông (có được khi ngâm bê tông trong nước trong một thời gian đủ dài).
Rõ ràng ứng xử cơ học của bê tông trong 3 trường hợp trên là hoàn toàn khác nhau. Dưới
tác dụng của tải trọng và thay đổi nhiệt độ, các đường nứt nhỏ ngày càng xuất hiện nhiều làm
cho độ rỗng của bê tông tăng dần, cấu trúc vi mô của bê tông lại càng phức tạp và đặc biệt khi
có các tác động của các chất hoá học thì ứng xử của bê tông càng phức tạp hơn nữa.
Như vậy dưới góc độ vi mô, bản chất ứng xử của bê tông đòi hỏi có những lí thuyết vi mô
để có thể mô tả đầy đủ ứng xử thực của vật liệu này. Lý thuyết cơ học vi mô (micromechanics),

cấp I
Đồn
g
nhất
cấp II
Đồn
g
nhất
cấp III
Hình 3. Nguyên lý đồng nhất hoá của tiếp cận đa cấp
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008 Một ví dụ về sử dụng kỹ thuật đa cấp trong mô phỏng phá huỷ của bê tông có tính đến tác
động của nhiệt độ được Menou-2004 đề nghị. Theo đó phá huỷ do nhiệt của bê tông gồm ba
phần : (i) ở cấp vĩ mô do tính siêu tĩnh của kết cấu (biến phá huỷ là D
macro
), (ii) ở cấp trung gian
do các biến dạng vi mô gây ra bởi sự co giãn khác nhau của vữa bê tông và các hạt cốt liệu (biến
phá huỷ là D
micro
), (iii) ở cấp độ vi mô là các phá huỷ nhiệt có nguồn gốc lý hoá (physico-
chemical) (ký hiệu biến phá huỷ là D
phyche
) trong vữa xi măng và trong liên kết giữa vữa xi măng
và các hạt cốt liệu (phá huỷ cuối cùng này không liên quan đến biến dạng). Biểu thức biểu diễn
cuối cùng của biến phá huỷ tổng cộng của bê tông do nhiệt độ và tải trọng sẽ có dạng như sau:
(1 - D) = (1 - D
mech
) (1 - D

là xu hướng chính của các nghiên cứu về bê tông trên thế giới. Kết hợp với các kỹ thuật riêng
của bản thân các phương pháp số trong lập trình để giảm thiểu thời gian và khối lượng tính toán
như kỹ thuật sử dụng kích thước phần tử hữu hạn khác nhau hay luật ứng xử khác nhau ở các
vùng chịu lực khác nhau trên toàn bộ kết cấu bê tông… đã làm cho công việc tính toán bê tông
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008ngày càng khả thi hơn và mô tả được ứng xử thực của bê tông trong các điều kiện làm việc khác
nhau.
Một số hướng nghiên cứu chính về bê tông đang được thực hiện ở Châu Âu và Mỹ hiện
nay phải dựa trên các mô hình đa cấp gồm:
- Ứng xử cơ - nhiệt đối của bê tông ở nhiệt độ cao hoặc bị cháy: Nghiên cứu ứng xử của bê
tông dưới tác dụng đồng thời của nhiệt độ và tải trọng, ứng dụng trong phân tích các kết cấu nhà
cửa hay cầu hầm chịu hoả hoạn.
- Ứng xử cơ - thuỷ đối với bê tông bảo hoà hoàn toàn hoặc một phần: Nghiên cứu ứng xử
của bê tông dưới tác động đồng thời của tải trọng và tác dụng của nước, ứng dụng trong phân
tích ứng xử của các kết cấu bê tông trong môi trường nước như mố, trụ cầu, cảng biển…
- Ứng xử cơ - hoá đối với bê tông trong môi trường chịu sự tác động của các chất hoá học:
Nghiên cứu ứng xử của bê tông dưới tác dụng của các chất hoá học có trong môi trường tự
nhiên hoặc là do con người tạo ra, ứng dụng trong phân tích sự ăn mòn bê tông và triết giảm
cường độ bê tông trong các kết cấu cầu cảng trong môi trường nước có hàm lượng muối hoá học
cao hay ứng xử của vỏ lò phản ứng hạt nhân.
- Ứng xử cơ - thủy - nhiệt đối với bê tông trong quá trình đông cứng chịu ảnh hưởng của
nhiệt độ do quá trình hydrat hoá: Nghiên cứu ứng xử của bê tông bão hoà một phần hoặc hoàn
toàn trong quá trình đông cứng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ do quá trình hydrat hoá trong bê
tông gây ra, ứng dụng trong làm chậm hoặc tăng nhanh thời gian đông cứng của bê tông cho các
công trình xây dựng nói chung.
CT 2
- Ứng xử phức tạp cơ-thuỷ-hoá-nhiệt khi bê tông làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: Là
nghiên cứu ứng xử phức tạp nhất của bê tông đòi hỏi tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm

các nghiên cứu về các vật liệu rỗng nói chung và về bê tông nói riêng trên thế giới. Một số kiến
nghị cho các nghiên cứu trong nước là cần đầu tư hơn nữa cho các phòng thí nghiệm về vật liệu
và kết cấu bê tông bằng cách mua sắm các thiết bị hiện đại trên cơ sở tham khảo cơ sở vật chất
của các phòng thí nghiệm nổi tiếng trên thế giới và mua hoặc tự xây dựng các mã nguồn phân
tích bê tông bằng các phương pháp số và phải xây dựng được đội ngũ để phát triển các nghiên
cứu của mình trên cơ sở các trang thiết bị có được.

CT 2
Tài liệu tham khảo

[1]. Bazant.Z & Drahomir.N, Propose for standard test of modulus of rupture, ACI material journal, 2001.
[2]. Bazant.Z & Os, Crack band theory for fracture of concrete, Material & Struct (RILEM) 16, 1983.
[3]. Bhushan Karihaloo, fracture mechanics & structural concrete, Longman Scientific & Technical ;
New York : Wiley, 1995.
[4]. Docmieux.L, Kondo.D, Micromechanics of damage propagation in fluide-sturated cracked media,
Revue europộenne de Genie civil.No8,2007.
[5]. Dufour.F, Side effect in geomaterials, Revue europộenne de gộnie civil, Vol 11, 10/2007.
[6]. Ignacio.C, Andres.I, Lopes.C, Caballero.I, Multiaxial behavior of concrete - A mesomechanical
approach, Revue europộenne de Genie civil.No7,2007.
[7]. Marta.C, Effet de la temperature, du chargement mecanique et de leurs interactions sur la
permeabilite du beton de structure, These doctorat, Universite de Nantes, 2006.
[8]. Menou.A, Etude du comportement thermomộcanique des bộtons a haute tempộrature : Approche
multi echelles de l’endommagement thermique, These doctorat, LCPC, 2004.
[9]. Simone.A, Continuous-discontinuous modeling of failure, Revue europộenne de Genie
civil.No7,2007.
[10]. Truyen.T.Tran, F.Collins, R.Charlier, Trung.V.Nguyen, Strain localization and nonlocal damage
model with application in the simulation of concrete structures in transportation work, Submitted to the
International Conference on Modern Design, Construction and Maintenance of Structures, MDCMS,
Hanoi, Vietnam, 12/2007.
Tạp chí KHOA HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Số 21 - 03/2008