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

Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-11- 
MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỚI VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG 
CHO GIẢI PHÁP THOÁT NƯỚC BỀN VỮNG 
Trần Bảo Việt1*, Nguyễn Thị Hồng1, Vũ Việt Hưng1, Nguyễn Thanh Sơn2 
1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội 
2 Công ty Tư vấn công trình Châu Á – Thái Bình Dương, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội 
* Tác giả liên hệ: Email: viettb@utc.edu.vn 
Tóm tắt. 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. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
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 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-12- 
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 [1, 2, 3, 4] 
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. Phần cuối là kết luận và kiến 
nghị. 
2. 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. 
Bảng 1. Thành phần cấp phối bê tông xi măng rỗng (kg/m3) 
Xi măng (XM) Nước (N) Đá (Đ) Phụ gia siêu dẻo 
341 102 1.625 1%XM 
(theo khối lượng) 
Quá trình chế tạo mẫu gồm 2 công đoạn trộn và đầm. Công đoạn trộn bê tông 
được thực hiện bằng máy trộn bê tông cưỡng bức hai trục nằm ngang. Đầu tiên trộn 
đá, một phần nước + phụ gia (10%) và một phần xi măng (10%) trong khoảng hai phút 
nhằm tạo một lớp bao phủ mỏng đồng đều cho các hạt cốt liệu đá. Sau đó, đổ toàn bộ 
các thành phần còn lại và trộn trong thời gian hai phút. 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). Sau khi đầm xong mỗi lớp, 
gõ nhẹ vào ván khuôn bằng búa cao su khoảng 10 lần. Ngay sau khi kết thúc quá trình 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-13- 
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. Sau đó, tháo ván khuôn và bảo dưỡng mẫu đến 14 ngày 
tuổi trong môi trường nước nhiệt độ 20-25oC0. Sau 14 ngày, toàn bộ các mẫu được 
bảo dưỡng trong không khí với điều kiện trong phòng như trên. Một số công đoạn trên 
được minh họa tại Hình 1. 
(a) (b) (c) 
Hình 1. 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: 
 (1) 
Trong đó: 
B = Khối lượng cân trong nước của mẫu (g) 
w = Khối lượng riêng của nước (kg/m
3) 
A = Khối lượng khô của mẫu (g) 
D = Đường kính trung bình của mẫu (mm) 
L = Chiều cao trung bình của mẫu (mm) 
K = 1.273.240 (hệ đơn vị SI) 
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): 
 [MPa] (2) 
` 
Pmax = Tải trọng nén phá hoại của mẫu (kN) 
D = Đường kính trung bình của mẫu 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-14- 
(mm) 
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. Tuy vậy, nghiêm cứu thực nghiệm cẩn mở rộng 
số lượng đo để kiểm chứng được tốt hơn. 
Hình 3. Mối liên hệ lý thuyết và thực nghiệm giữa cường độ nén với độ rỗng của 
bê tông rỗng. 
3. MÔ PHỎNG SỐ ĐẶC TRƯNG PHÁ HỦY CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG 
RỖNG 
3.1 Lý thuyết Trường pha (The Phase field method) 
Sự hình thành và phát triển của vết nứt có thể dẫn đến sự phá hoại của các cấu 
kiện, của kết cấu. Do đó việc dự báo được sự hình thành và phát triển của vết nứt đóng 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-15- 
vai trò quan trọng. 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. Vùng chuyển tiếp giữa hai phần hư hỏng 
và không hư hỏng d nhận giá trị trong phạm vi từ 0 đến 1. 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. Tại 
Hình 4, thí nghiệm kéo nén một trục được mô tả thông qua các kính thước mẫu và điều 
kiện biên. Trong ví dụ này, phân bố hạt được thể hiện tại Bảng 2. Do mang tính minh 
họa nên chúng tôi giả thiết cốt liệu, lỗ rỗng là hình tròn và bỏ qua ảnh hưởng của lớp 
chuyển tiếp (ITZ). Hàm lượng cốt liệu thô là 40%, mô đun đàn hồi là 70000 MPa, 
năng lượng phá hủy là 0,06 N/mm, hệ số nở ngang là 0,2. Các thông số tương tự cho 
vữa là 25000 Mpa; 0,05 N/mm và 0,2. 
Việc xây dựng lưới phần tử dựa trên mô phỏng Monte-Carlo cho phép tính tới yếu 
tố ngẫu nhiên của cốt liệu. Việc gia tải theo chuyển vị kết thúc tại 0,05 mm với 500 
bước lặp. 
Hình 5 giới thiệu mẫu vật liệu trước và sau khi gia tải tại lỗ rỗng 10%. Mối quan 
hệ ứng suất – chuyển vị cho các lỗ rỗng khác nhau được thể hiện tại Hình 6. 
Bảng 2. Cấp phối hạt 
Cỡ sàng 
(mm) 
 (%) 
10 90% 
5 15% 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-16- 
Hình 4. Mẫu thí nghiệm 
Hình 5. Mẫu thử nghiệm tài độ rỗng 10% 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-17- 
Hình 6. Quan hệ ứng suất – chuyển vị theo độ rỗng 
4. ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP BẢO TRÌ, BẢO DƯỠNG VÀ ỨNG DỤNG 
4.1 Các biện pháp bảo trì, bảo dưỡng 
 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: 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-18- 
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. 
Việc vệ sinh bảo dưỡng định kỳ sẽ được thực hiện bằng máy hút bụi hoặc máy quét 
chân không với chu kỳ bảo dưỡng thường 6 tháng/1lần. 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. Thông thường 
tốc độ thấm trung bình bị giảm 25% so với giá trị ban đầu. 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. 
4.2 Các ứng dụng 
 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. 
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 
-19- 
 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. 
5. KẾT LUẬN 
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. Từ đó, 
đưa ra các biện pháp thiết kế, thi công, bảo trì, nhằm đảm bảo tính thấm theo yêu cầu. 
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. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia 
(NAFOSTED) trong đề tài mã số 107.02-2018.306. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. David Butler and John W. Davies, Urban drainage - Spon Press 
[2]. Brattebo BO, Booth DB, Long-term storm water quantity and quality performance 
of permeable pavement systems, Water Research, Vol. 37(26), 2003, pp. 4369–4376. 
[3]. Bruce K. Ferguson, Porous Pavements, Integrative Studies in Water Management 
and Land Development, 2005. 
[4]. Qianqian Zhou, A Review of Sustainable Urban Drainage Systems Considering 
the Climate Change and Urbanization Impacts, Water Research, Vol. 6(4), 2014, pp. 
976-992. 
[5]. Trần Bảo Việt. Ảnh hưởng của độ rỗng tới cường độ bê tông độ rỗng cao. Tạp chí 
Khoa học GTVT, 70 (2019) 58-62. 
[6]. G. Francfort and J. Marigo. Revisiting brittle fracture as an energy minimization 
problem. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 46, (8), 1998, pp. 1319-
1342. 
[7]. T. Nguyen, Y. Yvonnet, M. Bornert, C. C. Chateau, K. Sab, R. Romani, and B. Le 
Roy. On the choice of parameters in the phase field method for simulating crack 
initiation with experimental validation. International journal of Fracture, 197, (2), 
2016, pp. 213-226.