KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2024 35
ẢNH HƯỞNG CỦA SƯỜN ĐỨNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
CỦA KHỐI XÂY BẰNG GẠCH ĐẤT KHÔNG NUNG
THE EFFECT OF VERTICAL RIBS ON THE CONCENTRATED LOAD-BEARING
CAPACITY OF NON-FIRED COMPRESSED EARTH BRICK MASONRY
LÊ TUẤN THẮNGa, TRẦN THÙY DƯƠNGb,*
aCông ty cổ phần tập đoàn xây dựng Hoà Bình
bĐại học Xây dựng Hà Nội
*Tác giả đại diện: Email: duongtt@huce.edu.vn
Ngày nhận 10/12/2024, Ngày sửa 28/12/2024, Chấp nhận 31/12/2024
https://doi.org/10.59382/j-ibst.2024.vi.vol4-5
Tóm tắt: Gạch đất không nung dạng tự chèn (gọi
tắt là gạch đất không nung) sử dụng nguồn vật liệu
tại chỗ nhằm giảm khó khăn trong việc vận chuyển
vật liệu, tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi
trường, rất phù hợp để xây dựng nhà ở thấp tầng tại
các khu vực miền núi. Trong khối xây bằng gạch đất
không nung, các viên gạch không được liên kết với
nhau bằng vữa xây như phương pháp truyền thống
mà ở dạng tự chèn (interlocking). Để tăng cường sự
liên kết giữa các viên gạch và tăng khả năng chịu nén
của khối xây, các sườn đứng được tạo ra thông qua
việc điền đầy các lỗ rỗng hình trụ trong các viên gạch
bằng vữa xi măng. Nội dung bài báo này trình bày
một nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh
hưởng của sườn đứng đến khả năng chịu nén đúng
tâm của khối xây bằng gạch đất không nung. 03 mẫu
khối xây có cùng kích thước 300 x 600 mm được chế
tạo. Trong đó 1 khối xây (M-0) không có sườn đứng
là mẫu đối chứng, 1 khối xây (M-1) có sườn đứng
bằng vữa xi măng và 1 khối xây (M-2) có sườn đứng
và gia cố thêm cốt thép dọc trong sườn. Các khối xây
chịu tác dụng của tải trọng nén đúng tâm đến khi phá
hoại. Kết quả thí nghiệm thu được cho thấy, các sườn
đứng có vai trò rõ rệt trong việc tăng khả năng chịu
nén của khối xây. Mức độ tăng khả năng chịu lực của
mẫu khối xây có sườn M-1, M-2 so với mẫu khối xây
đối chứng lần lượt bằng 42,8 và 66,7%. Kết quả này
cũng cho thấy rõ đóng góp của cốt thép trong sườn
vào khả năng chịu lực của khối xây bằng gạch đất
không nung.
Từ khóa: gạch đất không nung; khối xây; tải trọng
nén đúng tâm; sườn gia cường; nghiên cứu thực
nghiệm.
Abstract: Non-fired Interlocking compressed
earth bricks (named Non-fired compressed earth
bricks) use local materials to reduce the difficulties in
transporting materials, saving energy and protecting
environment, making them suitable for constructing
walls in low-rise houses in mountainous areas. In the
masonry made from non-fired compressed earth
bricks does not require mortar as in traditional
methods, but instead is interlocking. To enhance the
bonding between the bricks and increase the
masonry's load-bearing capacity, vertical ribs are
formed by filling the cylindrical hollow holes in the
bricks with cement mortar. This paper presents an
experimental study on the effect of vertical ribs on the
concentrated axial load-bearing capacity of masonry
made from non-fired compressed earth bricks. Three
masonry samples with the same dimensions of 300 x
600 mm were constructed. Among them, one
unreinforced vertical masonry (M-0) serves as the
control sample, one reinforced with vertical ribs made
of cement mortar without steel bars (M-1), and one
reinforced with vertical ribs made of cement mortar
with steel bars (M-2) . The masonry are subjected to
concentrated axial load until failure. The
experimental results show that vertical ribs have a
significant effect on increasing the masonry's load-
bearing capacity. The increase in load-bearing
capacity of the masonry reinforced with vertical ribs
M-1 and M-2, compared to the control sample is
42.8% and 66.7%, respectively. The results also
clearly demonstrate the contribution of the steel bars
in the ribs to the load-bearing capacity of the masonry
made from non-fired compressed earth bricks.
Keywords: Non-fired compressed earth bricks;
masonry; concentrated axial load; reinforced ribs;
experimental investigation.
1.
Đặt vấn đề
Gạch đất không nung sử dụng nguồn vật liệu đất
đồi sẵn có và không có tính năng trồng trọt) tại các địa
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
36 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2024
bàn khu vực miền núi hướng tới sử dụng vật liệu tại
chỗ nhằm giảm khó khăn trong việc vận chuyển vật
liệu, tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi
trường (không nung). Đây là dạng vật liệu hướng tới
mục tiêu vật liệu xanh, không phát thải CO2 trong quá
trình chế tạo. Theo kết quả nghiên cứu trong [1], gạch
đất không nung là vật liệu đáp ứng được các yêu cầu
kỹ thuật dùng trong xây dựng nhà ở thấp tầng (từ một
đến hai tầng). Đây là loại gạch được chế tạo từ hỗn
hợp vật liệu gồm đất (mịn), xi măng, nước. Các vật
liệu này sau khi được trộn với một tỷ lệ phù hợp sẽ
được đưa vào khuôn ép và được tạo hình bằng công
nghệ ép tĩnh (không nung). Các viên gạch đất không
nung thường có dạng tự chèn (interlocking) thông qua
các chi tiết liên kết được tạo thành trong quá trình ép
tạo hình gạch. Nhờ đó, việc thi công xây dựng khối
xây bằng loại gạch này không cần dùng đến vữa xây
như trong xây dựng bằng gạch đất sét nung truyền
thống. Các viên gạch đất không nung thường có dạng
điển hình như minh họa trên Hình 1. Trên mỗi viên
gạch, các lỗ rỗng hình trụ tròn được bố trí đối xứng,
khi xếp các viên gạch chồng lên nhau thì các lỗ rỗng
đồng trục với nhau. Ngoài việc tạo thành các mấu lồi,
lõm đảm bảo liên kết các viên gạch thì các lỗ rỗng hình
trụ trên viên gạch sẽ được lấp đầy bằng vữa xi măng
hoặc bê tông hạt mịn để tạo thành các sườn đứng dọc
theo chiều cao khối xây. Các sườn đứng có thể được
bố trí thêm cốt thép có vai trò tăng độ liên kết các viên
gạch đồng thời có thể tăng khả năng chịu nén của khối
xây bằng gạch đất không nung.
Hình 1. Hình ảnh gạch đất không nung dạng tự chèn
Từ đặc điểm về vật liệu, cách thức chế tạo cũng
như đặc điểm liên kết dạng tự chèn trong việc thi
công khối xây khác biệt so với gạch đất nung truyền
thống nên nghiên cứu về gạch đất không nung nhận
được khá nhiều sự quan tâm. Các nghiên cứu tập
trung vào một số vấn đề chính như các đặc trưng cơ
học của gạch đất không nung, độ bền lâu của gạch
đất không nung dưới tác động của điều kiện môi
trường và sự làm việc của khối xây bằng gạch đất
không nung. Ở Việt Nam, nghiên cứu về gạch không
nung đã được một số tác giả tiến hành nghiên cứu
[2-4]. Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu tập trung
vào gạch không nung dạng xi măng cốt liệu, các
nghiên cứu về gạch đất không nung và ứng xử của
khối xây sử dụng loại gạch này còn rất hạn chế.
Nguyễn Trung Hiếu và cs, 2023 [1] đã tập trung vào
việc nghiên cứu giải pháp chế tạo gạch đất không
nung từ nguồn đất đồi, không có khả năng canh tác
tại địa bàn miền núi phía Bắc nhằm mục tiêu xây
dựng nhà ở cho đồng bào dân tộc thiểu số tại các
khu vực khó khăn. Nghiên cứu đã tập trung vào đánh
giá ảnh hưởng của hàm lượng xi măng, khối lượng
thể tích đến cường độ chịu nén gạch đất không nung.
Ở ngoài nước, nghiên cứu về gạch đất không nung
cũng nhận được nhiều sự quan tâm [5-8]. Các nghiên
cứu tập trung vào làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến
cường độ của gạch đất không nung như kích thước
hình học, hàm lượng xi măng, độ ẩm của đất, lực ép
đến cường độ của gạch đất không nung. Các kết quả
nghiên cứu đều khẳng định hàm lượng xi măng bổ
sung đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo
cường độ chịu nén của gạch đất không nung. Độ bền
lâu của gạch đất không nung dưới tác động của điều
kiện môi trường khí hậu đã được các tác giả [9-11]
tiến hành nghiên cứu. Các kết quả thu được cũng
một lần nữa khẳng định vai trò của hàm lượng xi
măng bổ sung đến độ bền chịu nước của gạch đất
không nung.
Khác với khối xây truyền thống, khối xây dạng tự
chèn bằng gạch đất không nung không sử dụng vữa
để liên kết các viên gạch, do vậy khả năng chịu nén
của khối xây ngoài việc phụ thuộc vào khả năng chịu
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2024 37
nén của gạch, của sườn đứng (nếu có) còn chịu ảnh
hưởng độ bằng phẳng của các viên gạch. Thông số
này phụ thuộc vào việc đảm bảo độ đồng đều về kích
thước của các viên gạch trong quá trình chế tạo.
Khảo sát một số công trình thực tế cho thấy, khi các
viên gạch xếp chồng lên nhau mà giữa chúng có sự
sai lệch về kích thước hình học, nhất là độ dày của
các viên gạch, thường xảy ra phá hoại nứt cục bộ ở
vị trí giữa các viên gạch (Hình 2) làm giảm khả năng
chịu nén của khối xây.
Hình 2. Nứt khối xây tự chèn bằng gạch đất không nung do chênh lệch kích thước gạch
Sự làm việc của khối xây bằng gạch đất không
nung khi chịu tác dụng của tải trọng đứng (do trọng
lượng bản thân tường, mái nhà…) và tải trọng ngang
(do gió) là một nội dung nghiên cứu nhận được nhiều
sự quan tâm. Bales và cs, 2009 [12] đã trình bày
những cơ sở tính toán khối xây bằng gạch đất không
nung. Ahmad và cs, 2011 [13], Panuwat và Qudeer,
2018 [14] đã tiến hành các thí nghiệm khối xây bằng
gạch đất không nung chịu tác dụng của tải trọng nén
đúng tâm và nén lệch tâm. Kết quả thu được cho thấy
khả năng chịu nén của khối xây thấp hơn so với khả
năng chịu nén của từng viên gạch đất không nung và
khả năng chịu nén của khối xây giảm khi độ lệch tâm
của tải trọng tăng. Laursen và cs, 2013 [15] đã tiến
hành các thí nghiệm khối xây bằng gạch đất không
nung có kích thước 2400 × 1200 × 150, có các sườn
đứng bằng BTCT chịu tác dụng tải trọng ngang phân
bố đều trên bề mặt khối xây. Kết quả nghiên cứu thu
được cho thấy rõ sự suy giảm độ cứng của khối xây
theo mức độ tải trọng tác dụng và vai trò của các
sườn đứng bằng BTCT. Có thể thấy, các nghiên cứu
về sự làm việc của khối xây bằng gạch đất không
nung dạng tự chèn cũng như vai trò của sườn đứng
đối với ứng xử của khối xây còn khá hạn chế. Một số
vấn đề nghiên cứu như số lượng của sườn đứng
trong khối xây (hay tỷ lệ thể tích của sườn/khối xây),
cường độ bê tông (hoặc vữa xi măng) chế tạo sườn
đứng, hàm lượng cốt thép trong sườn… còn chưa
được làm rõ.
Nội dung bài báo này trình bày một nghiên cứu
thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của sườn đứng
(không xét đến ảnh hưởng chênh lệch kích thước hình
học của gạch gây nứt cục bộ - Hình 2) đến khả năng
chịu lực của khối xây bằng gạch đất không nung. Các
khối xây đơn có kích thước 300 x 600 mm như trên
Hình 3, với 06 viên gạch được xếp chồng lên nhau,
được tiến hành chế tạo. Việc lựa chọn chiều cao khối
xây (600 mm) dựa trên chỉ dẫn trong tiêu chuẩn BS
EN 1051-2 : 1999 [16]. 02 sườn đứng có kích thước
tiết diện ngang bằng tiết diện lỗ trụ tròn và chiều cao
bằng chiều cao khối xây được tạo thành bằng vữa xi
măng cát vàng. Các trường hợp nghiên cứu bao gồm:
khối xây không gia cường sườn đứng (mẫu đối
chứng) và khối xây có gia cường 02 sườn đứng
(không có cốt thép và có cốt thép dọc ở giữa sườn).
Kết quả thí nghiệm thu được cho thấy, các sườn đứng
có vai trò rõ rệt trong việc tăng độ cứng nén và khả
năng chịu nén của khối xây. Mức độ tăng khả năng
chịu lực của mẫu khối xây có gia cường sườn đứng
(không có cốt thép và có cốt thép) so với mẫu đối
chứng lần lượt bằng 42,8 và 66,7%. Kết quả này cũng
cho thấy rõ đóng góp của cốt thép trong sườn vào khả
năng chịu lực của khối xây bằng gạch đất không nung.
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí
nghiệm và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây
dựng Hà Nội.
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
38 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2024
Hình 3. Hình ảnh khối xây thí nghiệm
2. Nghiên cứu thực nghiệm
2.1 Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo
a.
Mẫu thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, 03 mẫu khối xây thí
nghiệm có kích thước 300 × 600 mm được tiến hành
chế tạo. Khối xây được tạo thành từ 6 viên gạch xếp
chồng lên nhau dạng tự chèn, không sử dụng vữa
xây. Kích thước mỗi viên gạch là 300 × 150 × 100
mm. Cơ chế tự chèn được tạo thành thông qua các
chi tiết liên kết (mấu lồi và lõm) ở mặt trên và mặt
dưới của viên gạch. Các mẫu khối xây thí nghiệm
được kí hiệu và có đặc điểm như sau:
- Mẫu M-0: khối xây không có sườn đứng;
- Mẫu M-1: khối xây có sườn đứng, không có cốt
thép dọc trong sườn;
- Mẫu M-2: khối xây có sườn đứng, có cốt thép dọc
10 trong sườn.
Sườn đứng trong mẫu khối xây M-1 và M-2 được
tạo thành bằng cách rót đầy vữa xi măng vào bên
trong 02 lỗ rỗng hình trụ tròn có đường kính 45 mm.
Kích thước hình học và quy cách 3 mẫu khối xây thí
nghiệm được trình bày trên Hình 4.
a ) Mẫu M-0 b) Mẫu M-1 c ) Mẫu M-2
Hình 4. Các mẫu khối xây thí nghiệm
b.
Vật liệu chế tạo
Trong nghiên cứu này, gạch đất xi măng được chế
tạo từ nguồn vật liệu đất đồi tại Hòa Bình, sử dụng chất
kết dính là xi măng PCB30 và được tạo hình bằng công
nghệ ép tĩnh (Hình 5). Thí nghiệm xác định cường độ
chịu nén được thực hiện thông qua thí nghiệm nén phá
hoại các mẫu gạch đất có kích thước 300 × 150 × 100
mm (Hình 6). Cường độ chịu nén trung bình của gạch
đất xi măng, xác định bằng trung bình cộng của 05 mẫu
gạch thí nghiệm, có giá trị bằng 2,25 MPa.
a) Mẫu gạch sử dụng trong nghiên cứu b) Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu gạch
Hình 5. Hình ảnh mẫu gạch và thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu gạch sử dụng trong nghiên cứu
100 100 100 100 100 100
600
75 150 75
300
100 100 100 100 100 100
600
300
100 100 100 100 100 100
600
75 150 75
300
Ø45 Ø10
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2024 39
Sườn đứng trong khối xây được tạo thành từ vữa
xi măng. Sử dụng xi măng PCB30 và cát hạt thô (cát
vàng) để chế tạo vữa xi măng. Cấp phối vữa được thiết
kế đảm bảo tính linh động, có thể rót theo phương
thẳng đứng và lấp đầy các lỗ rỗng hình trụ. Trên Hình
6 trình bày hình ảnh minh họa hai lỗ rỗng hình trụ được
điền đầy bằng vữa xi măng tạo thành hai sườn đứng
trong khối xây. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén
của vữa xi măng được thực hiện trên các mẫu hình lăng
trụ có kích thước 4 × 4 × 16 cm. Cường độ chịu nén
của vữa ở tuổi 28 ngày có giá trị bằng 5,8 MPa. Cốt
thép dọc trong sườn, đường kính 10, thuộc nhóm
thép CB 500V, với giới hạn chảy thu được từ thí nghiệm
kéo có giá trị bằng 510 MPa.
Hình 6. Minh họa hình ảnh sườn đứng trong mẫu khối xây
2.2 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí dụng cụ đo
Trên Hình 7 trình bày sơ đồ thí nghiệm và bố trí
dụng cụ đo. Hình 8 minh họa một thí nghiệm đang được
thực hiện. Tải trọng nén tác dụng lên khối xây được tạo
ra bằng cách sử dụng kích thủy lực kết hợp hệ khung
phản lực. Giá trị tải trọng do kích thủy lực tạo ra được
đo bằng dụng cụ đo lực điện tử (Load cell). Tải trọng
tập trung do kích thủy lực tạo ra tác dụng lên dầm phân
tải (bằng thép) được đặt trên bề mặt mẫu khối xây
nhằm đảm bảo phân bố đồng đều tải trọng nén lên khối
xây. Chuyển vị theo phương đứng của khối xây do tải
trọng thí nghiệm tạo ra được đo đạc thông qua 02 dụng
cụ đo chuyển vị điện tử, ký hiệu LVDT-1 và LVDT-3,
được bố trí ở hai cạnh bên của mẫu thí nghiệm. Biến
dạng (nén) tương đối theo phương thẳng đứng, ở vùng
giữa chiều cao của khối xây được xác định bằng cách
sử dụng dụng cụ đo chuyển vị ký hiệu LVDT-2. LVDT-
2 gắn trên hai chân đỡ (gắn lên bề mặt mẫu) tạo ra
chuẩn đo ban đầu L0 = 300 mm. Biến dạng dọc sẽ được
xác định bằng tỷ số giữa chuyển vị thẳng đo được từ
LVDT-2 và chiều dài chuẩn đo ban đầu L0. Các dụng cụ
đo lực, đo chuyển vị được kết nối với bộ thu thập và xử
lý số liệu (Data-logger) cho phép ghi nhận tự động và
đồng thời các giá trị đo.
Hình 7. Sơ đồ thí nghiệm và bố trí dụng cụ đo Hình 8. Minh họa thí nghiệm đang được thực hiện
Ngoài các dụng cụ đo được bố trí như trên, để
khảo sát sự hình thành và phát triển vết nứt trên các
mẫu khối xây thí nghiệm dưới tác dụng của tải trọng,
sử dụng phương pháp tương quan điểm ảnh (Digital