5. Tóm Tắt Latts Tiếng Việt (Ncs Lvh).Pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Lê Việt Hùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHẸ CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG HẠT VI CẦU RỖNG TỪ TRO BAY (CENOSPHERES) Chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu Mã số 952[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Lê Việt Hùng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHẸ CƯỜNG ĐỘ CAO

SỬ DỤNG HẠT VI CẦU RỖNG TỪ TRO BAY (CENOSPHERES)

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2023

Hà Nội, năm 2022

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn

Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

2 PGS.TS Lê Trung Thành

Viện Vật liệu xây dựng

Phản biện 1: PGS.TS Lương Đức Long

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Duy Hiếu

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thanh Sang

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

vào hồi giờ , ngày tháng năm 2023

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam và Thư viện Trường Đại học Xây dựng

Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu phát triển bê tông nhẹ cho các kết cấu chịu lực trong công trình đã và đang được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới Loại bê tông này vừa đảm bảo cường độ, độ bền như bê tông thông thường, vừa mang lại nhiều lợi ích như giảm tải trọng công trình, giảm kích thước kết cấu, tăng tính cách âm, cách nhiệt, chống động đất, chống cháy, dễ dàng vận chuyển, thi công, lắp đặt, v.v…Bê tông sử dụng cho kết cấu chịu lực trong công trình ngày càng yêu cầu cao về cường độ và độ bền lâu

Bê tông sử dụng cho kết cấu dự ứng lực đòi hỏi chất lượng cao hơn so với bê tông sử dụng cho kết cấu thông thường, cụ thể cường độ chịu nén thường yêu cầu lớn hơn 40 MPa, phát triển cường độ nhanh, các chỉ tiêu về chống thấm, hút nước và các chỉ tiêu về độ bền lâu khác cũng yêu cầu cao hơn

so với bê tông thông thường

Trong khoảng hơn mười năm trở lại đây, sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere- FAC) cho chế tạo các loại bê tông nhẹ cho xây dựng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển

Sử dụng FAC làm vật liệu nhẹ cho chế tạo bê tông có nhiều ưu điểm như cho cường độ có thể đạt trên 40 MPa, độ hút nước thấp, tương đương với bê tông thông thường Loại bê tông nhẹ này có thể phân loại là bê tông nhẹ cường độ cao với nhiều ưu điểm vượt trội so với loại bê tông cốt liệu nhẹ truyền thống Tuy nhiên, việc nghiên cứu và phát triển bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC hiện nay vẫn còn hạn chế trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam FAC có thể thu hồi được từ tro bay các nhà máy nhiệt điện đốt than phun tại Việt Nam với tỷ lệ 80-85% trong tổng lượng tro xỉ phát sinh khoảng

17 triệu tấn/năm (năm 2021) Với hàm lượng FAC trong tro bay trung bình khoảng 0,3-1,5 % thì tổng lượng FAC về lý thuyết có thể thu hồi được là (32.640-163.200) tấn/năm

Trên cơ sở yêu cầu từ thực tiễn và các vấn đề khoa học đặt ra đối với việc phát triển loại bê tông nhẹ cường độ cao, đề tài lựa chọn hướng nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro

bay nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam Với định hướng đó, đề tài luận án được đề xuất là “Nghiên cứu

chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)”

2 MỤC ĐÍCH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong công trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, trong đó tập trung với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Loại bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cenosphere (FAC-HSLWC) với cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có

ở Việt Nam, trong đó tập trung nghiên cứu tính chất cơ lý, ứng dụng với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3

3.2 Phạm vi nghiên cứu

✓ Lựa chọn vật liệu và thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng

từ tro bay (FAC-HSLWC) có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu trong nước Vật liệu chủ yếu gồm: xi măng poóc lăng (XM) và phụ gia khoáng (PGK) gồm silica fume (SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS); Cốt liệu: cát tự nhiên và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) và các vật liệu khác: phụ gia siêu dẻo, cốt sợi polypropylene (sợi PP)

✓ Xây dựng mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC

✓ Xây dựng phương pháp tính toán thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC

✓ Tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC: tính chất của hỗn hợp bê tông, tính cơ lý và độ bền lâu

✓ Ứng xử của cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC

4 CƠ SỞ KHOA HỌC

✓ Việc nghiên cứu chế tạo FAC-HSLWC dựa trên cơ sở lý thuyết về nâng cao về cường độ và độ bền lâu của bê tông trong đó gồm các nguyên tắc: tối ưu thành phần hạt vật liệu thành phần để hỗn hợp vật liệu có độ đặc chắc lớn nhất; tăng cường sự đồng nhất trong cấu trúc bê tông bằng lựa chọn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất phù hợp; nâng cao cường độ CKD và vùng chuyển tiếp giữa đá

xi măng và cốt liệu; nâng cao cường độ uốn/kéo, khả năng kháng nứt bằng cốt sợi phân tán

✓ Mô hình dự đoán cường độ nén được xây dựng trên cơ sở quy luật về quan hệ cường độ nén bê tông với cường độ nén xi măng, tỷ lệ nước/xi măng (N/XM) và các yếu tố chính của cấp phối đến cường độ nén Mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC được thiết lập qua các hàm hồi quy không tuyến tính từ các kết quả thực nghiệm

✓ Phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC được xây dựng trên cơ sở phương pháp tối ưu thành phần cỡ hạt các vật liệu thành phần, tỷ lệ chất kết dính/cốt liệu (CKD/CL) tối ưu, công thức tính KLTT của bê tông dựa trên tỷ lệ FAC thay thế cát, mô hình dự đoán cường độ nén theo các thông số thành phần cấp phối bê tông được thiết lập từ kết quả nghiên cứu

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:

✓ Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập các tài liệu kỹ thuật có liên quan để tổng hợp, phân tích và làm

cơ sở cho việc thiết lập chương trình nghiên cứu

✓ Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn và phương pháp phi tiêu chuẩn Phương pháp tiêu chuẩn chủ yếu thực hiện theo các TCVN và một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới Các phương pháp phi tiêu chuẩn sử dụng là các phương pháp được áp dụng phổ biến cho nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu, bê tông, kết cấu bê tông như phương pháp chụp kính hiển

vi điện từ (SEM), phân tích nhiệt vi sai (DTA/TGA), phương pháp xác định độ lèn chặt của hỗn hợp vật liệu, phương pháp xác định độ nhớt của hỗn hợp vữa xi măng

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI

✓ Đã xây dựng được mô hình dự báo cường độ nén của FAC-HSLWC có tính đến các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ nén của FAC-HSLWC bao gồm thành phần CKD (thông qua cường độ CKD), tỷ lệ CKD/cốt liệu, tỷ lệ FAC thay thế cát, Dmax cốt liệu, hàm lượng sợi PP

✓ Đã xây dựng được phương pháp thiết kế cấp phối FAC-HSLWC đảm bảo mục tiêu là cường độ nén từ 40-80 MPa và KLTT 1300-2000 kg/m3

✓ Đã xác định được một số tính chất kỹ thuật chủ yếu của FAC-HSLWC ứng dụng cho kết cấu chịu lực bao gồm: (1) các tính công tác của HHBT; (2) các tính chất cơ lý của bê tông (cường độ nén, cường độ uốn, mô đun đàn hồi, hệ số poatxon; và (3) các tính chất độ bền lầu của bê tông (độ co khô, độ hút nước, chống thấm ion clo, bền sun phát)

✓ Đã đánh giá khả năng làm việc của tấm sàn BTCT dự ứng lực sử dụng FAC-HSLWC với tấm sàn BTCT sử dụng bê tông thông thường với cùng cấp cường độ nén

1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU

1.1.1 Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu

Đối với bê tông cốt liệu nhẹ có khả năng sử dụng làm kết cấu chịu lực trong công trình, tiêu chuẩn qui định cường độ nén tối thiểu 17 MPa, trong thực tế bê tông nhẹ thường được sử dụng với loại có cường độ 21-35 MPa Các công trình như nhà cao tầng, công trình cầu đường thường sử dụng loại bê

tông nhẹ cường độ cao (cường độ nén thường trong khoảng 35-41 MPa với KLTT trong khoảng

1680-1920 kg/m3 Các loại cốt liệu sử dụng cho chế tạo các loại bê tông nhẹ này thường là cốt liệu nhẹ nhân tạo được chế tạo từ đất sét, đá phiến sét, phiến sét nung phồng nở Tùy thuộc vào chất lượng, KLTT của cốt liệu nhẹ, cường độ nén bê tông cốt liệu nhẹ đạt được trong khoảng 20-55 MPa với KLTT trong khoảng 1440-1920 kg/m3, tương ứng với cường độ riêng đạt được trong khoảng 20-30 kPa/kg.m-3 Đặc điểm của các loại cốt liệu nhẹ nung nở là có cấu trúc xốp lớn, nên chúng bị có khả năng hút nước lớn (độ hút nước thường 10-25%), điều này làm khó khăn kiểm soát tính công tác của hỗn hợp bê tông và tính năng bê tông như thay đổi KLTT, thay đổi thể tích của bê tông khi tiếp xúc môi trường ẩm

1.1.3 Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó

Theo ACI 213-14 thì bê tông nhẹ cường độ cao (High-Strength Lightweight Concrete- HSLWC) là loại bê tông nhẹ kết cấu có cường độ lớn hơn 40 MPa

1.1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ tại Việt Nam

Tại Việt Nam đã có nghiên cứu và ứng dụng các loại bê tông nhẹ phổ biến như bê tông tổ ong, bê tông cốt liệu rỗng từ keramzit, tro bay, hạt polystyrene Tuy nhiên, nghiên cứu về sử dụng FAC cho chế tạo bê tông nhẹ là vấn đề mới tại Việt Nam, hiện nay chưa có nghiên cứu nào thực hiện FAC tại Việt Nam có khả năng thu hồi với số lượng lớn từ các nhà máy nhiệt điện đốt than

1.2 BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE

1.2.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ sử dụng cenosphere

Bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere Lightweight Concrete- FAC LWC) được hiểu là loại bê tông nhẹ sử dụng hệ chất kết dính xi măng và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) có KLTT nhẹ hơn bê tông thông thường

Hình 1.1 Hạt cenosphere và cấu trúc bê tông chứa cenosphere điển hình Nghiên cứu mở đầu trong việc sử dụng FAC trong hệ chất kết dính xi măng từ năm 1984, nhưng phải đến cuối thế kỷ 20 thì nghiên cứu FAC vai trò là cốt liệu nhẹ cho bê tông nhẹ có KLTT thấp, cường

độ thấp, chủ yếu đáp ứng yêu cầu làm vật liệu cách nhiệt Gần đây một số nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông nhẹ được gọi là siêu bê tông nhẹ (ULWC) với KLTT 1154-1471 kg/m3, cường độ nén 28 ngày đạt 33,0-69,4 MPa, cường độ uốn 8 MPa, hệ số dẫn nhiệt thông thường đạt trong khoảng 0,3 đến 0,8 W/m.K, thấp hơn khá nhiều so với bê tông thông thường khoảng 1,9 W/m.K

1.2.2 Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere)

Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) là các hạt hình cầu với thành phần chính là alumo silicat tương tự như các hạt tro bay KLTT hạt của chúng thường trong khoảng 0,4-0,9 g/cm3, kích thước hạt trong khoảng 1-400 m, với các hạt chủ yếu trong khoảng 20-300 m, chiều dày thành vách trong khoảng 1-18 m Các hạt FAC có khả năng chống nén dập và khả năng chống thấm khí và nước cao Chính

vì vậy, chúng thích hợp sử dụng cho chế tạo bê tông nhẹ cường để nâng cao cường độ và giảm KLTT Hàm lượng cenosphere trong tro bay khoảng 0,3-1,5 % với ước tính lượng tro xỉ phát sinh hàng năm khoảng 17 triệu tấn thì tổng lượng cenosphere về lý thuyết có thể thu hồi được là (32.640-163.200) tấn/năm Thành phần hóa học và khoáng của cenosphere tương tự như các hạt tro bay Các hạt FAC chứa khoáng silica vô định hình có khả năng tạo phản ứng puzolanic tạo khoáng C-S-H trong hệ chất kết dính xi măng nhưng ở mức độ thấp ở nhiệt độ thường, mức độ hoạt tính này tăng lên với nhiệt độ bảo dưỡng bê tông

1.2.3 Một số tính chất của bê tông nhẹ cenosphere

1.2.3.1 Tính chất của hỗn hợp bê tông

Có rất ít các nghiên cứu xác định các tính chất của hỗn hợp bê tông FAC Tính công tác của hỗn hợp

bê tông FAC LWC được xác định qua độ chảy theo phương pháp thử độ chảy của vữa Độ chảy của hỗn hợp bê tông FAC LWC thông thường được khống chế trong khoảng 150-220 mm Hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông FAC LWC cao hơn so với bê tông thông thường

1.2.3.2 Tính chất của bê tông

1.2.3.2.1 Khối lượng thể tích và cường độ nén

Khối lượng thể tích của bê tông FAC LWC phụ thuộc nhiều vào hàm lượng FAC, tỷ lệ N/CKD và sự có mặt của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ, có thể đạt từ 1075-2000 kg/m3 Với KLTT bê tông FAC LWC nhỏ hơn 1600 kg/m3, hầu hết các nghiên cứu về bê tông FAC LWC không sử dụng cốt liệu khác ngoài FAC Các tính chất về cường độ và cường độ riêng của bê tông FAC LWC hiện nay đạt được khá tốt phổ biến từ 30-68 MPa và 40-47 kPa/kg.m-3 tương ứng

1.2.3.2.2 Cường độ uốn và cường độ uốn/kéo

Tương tự như bê tông cốt liệu nhẹ khác, bê tông FAC LWC có cường độ chịu uốn và kéo khá thấp

so với cường độ nén của nó (thể hiện tính giòn của bê tông) Chính vì vậy, các nghiên cứu về FAC LWC thường sử dụng cốt sợi như PVA, PE, PP để cải thiện khả năng kháng uốn của bê tông Cường

độ uốn bê tông FAC khi sử dụng kết hợp cốt sợi của một số nghiên cứu chủ yếu trong khoảng 5-8 MPa với KLTT 1200-1900 kg/m3

1.2.3.2.3 Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào cường độ và KLTT của chúng Do KLTT thấp, nên giống tự như các loại bê tông nhẹ khác, bê tông FAC có mô đun đàn hồi thấp so với cường độ nén của nó và giảm tỷ lệ với KLTT của chúng Với cường độ nén trong khoảng 33-69,4 MPa, cho

mô đun đàn hồi trong khoảng 10,4-17,0 GPa

1.2.3.2.4 Độ bền lâu

Khả năng chống thấm của bê tông FAC LWC chưa được nghiên cứu rõ ràng Đã có nghiên cứu chỉ

ra các hạt FAC có độ hấp thụ nước lớn hơn cát gấp 18 lần, nhưng độ hút nước chênh lệch không lớn trong khi tốc độ thấm nước lại lớn hơn bê tông thông thường Khả năng thấm nước hay chất lỏng, khí

là yếu tố quan trọng liên quan đến độ bền lâu của bê tông trong môi trường xâm thực Chính vì vây, cần phải có các nghiên cứu chuyên sâu để làm rõ tính chất này đối với bê tông FAC LWC

1.2.3.2.5 Co ngót

Cho đến nay, vẫn còn rất ít nghiên cứu về co ngót của FAC LWC, trong khi FAC LWC là hệ chất kết dính xi măng với hàm lượng xi măng lớn và không sử dụng bộ khung cốt liệu đặc chắc như bê tông thông thường, do vậy co ngót của FAC LWC sẽ lớn hơn bê tông thông thường

CƯỜNG ĐỘ NÉN VÀ THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC

Không giống như bê tông thông thường, kể cả bê tông cốt liệu nhẹ phổ biến hiện nay như keramzit, cốt liệu nhẹ tự nhiên, cốt liệu lớn thường không được sử dụng cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC (FAC-HSLWC) để đảm bảo KLTT thấp, cũng như giảm khả năng bị phân tầng Chính các đặc điểm này dẫn đến một số vấn đề cần giải quyết với thành phần cấp phối của bê tông FAC-HSLWC: 1) Diện tích bề mặt của hệ lớn dẫn đến tăng lượng nước trộn và tỷ lệ N/CKD:

Đưa một lượng lớn các hạt vi cầu rỗng FAC vào hỗn hợp bê tông để đạt được KLTT của bê tông đặt

ra sẽ kèm theo làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc các pha trong hệ, điều này làm giảm tính linh động của hỗn hợp bê tông, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm được chế tạo Ngoài ra, do độ hấp thụ nước của các FAC cũng lớn hơn cát nên điều này cũng góp phần làm tăng lượng nước nhào trộn

2) Vùng chuyển tiếp và bám dính yếu giữa đá xi măng và các hạt FAC

Các hạt vi cầu với đặc tính bề mặt nhám thấp, do vậy dẫn đến độ bám dính giữa bề mặt vi cầu và đá

xi măng thấp Điều này làm giảm tính liên kết trong vi cấu trúc bê tông dẫn đến ảnh hưởng cường độ

và độ bền của bê tông

3) Bê tông có tính giòn và độ co ngót lớn, dễ nứt

Để đảm bảo cường độ và độ bền lâu của bê tông thì cần thiết phải sử dụng hàm lượng xi măng lớn,

đi kèm với tỷ lệ N/X thấp Với hàm lượng xi măng cao và tỷ lệ N/X thấp sẽ nhiều khả năng gây ra các nội ứng suất, vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông Ngoài ra, do FAC-HSLWC không có bộ khung cốt liệu đặc chắc như bê tông thông thường và hàm lượng đá xi măng cao Các đặc tính này cũng làm tăng tính giòn của FAC- HSLWC

4) Chưa có phương pháp thiết kế cấp phối thống nhất cho bê tông sử dụng FAC

Do bê tông FAC-HSLWC không chứa cốt liệu lớn nên không thể áp dụng phương pháp thiết kế cấp phối bê tông sử dụng các loại cốt liệu nhẹ phổ biến như ACI 211.2 hay CEB/FIP Để xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối bê tông FAC-HSLWC cần thiết phải xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của bê tông, trong đó hai tính năng cơ bản là cường độ và KLTT của FAC-HSLWC Các nội dung dưới đây trình bày các cơ sở khoa học để giải quyết các vấn đề nêu trên

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHO FAC-HSLWC

2.1.1 Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu cho FAC-HSLWC

Để hạn chế phân tầng của hỗn hợp bê tông một số nguyên tắc đã được chỉ ra: (1) tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp cốt liệu làm giảm sự phân tầng; (2) hệ cốt liệu có cấp phối liên tục sẽ ít bị phân tầng hơn so với hệ cấp phối gián đoạn; (3) Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu sẽ giảm phân tầng hơn so với hệ có cùng phân bố cỡ hạt nhưng sử dụng cốt liệu có Dmax lớn hơn; (4) Tăng tỷ lệ các hạt nhỏ trong hệ làm giảm mức độ phân tầng; (5) giảm chênh lệch KLTT của các loại cốt liệu làm giảm mức độ phân tầng Theo các nguyên tắc đó, cốt liệu cho bê tông FAC-HSLWC được lựa chọn loại và cỡ hạt để đảm bảo độ lèn chặt lớn, cốt liệu Dmax nhỏ, tăng tỷ lệ các hạt mịn và sử dụng các loại vật liệu ít chênh lệch về KLTT Các hạt FAC có kích thước chủ yếu trong khoảng 45-250 m, do vậy trong nghiên cứu này cốt liệu cho FAC-HSLWC được lựa chọn gồm FAC kết hợp cốt liệu dạng cát tự nhiên với kích thước hạt lớn nhất đến 5,0 mm để đảm bảo dải hạt liên tục, hạn chế sự phân tầng

2.1.2 Cơ sở khoa học sử dụng PGK cho FAC-HSLWC

PGK trong nghiên cứu này được sử dụng đề tăng bám dính và cải thiện đặc chắc cho vùng ITZ giữa các hạt FAC và đá xi măng của FAC-HSLWC Trong nghiên cứu này, PGK trong thành phần CKD cho hệ FAC-HSLWC được định hướng là SF và GGBFS với kích cỡ hạt từ mịn đến siêu mịn Các hạt PGK này cùng với xi măng có khả năng điền vào lỗ rỗng tạo ra bởi các hạt có kích thước lớn hơn

là cát và các hạt FAC với kích thước hạt trung bình khoảng 100-120 m để tạo ra cấu trúc đặc chắc cho bê tông

2.1.3 Cơ sở khoa học dùng cốt sợi phân tán polypropylene

Sợi polypropylene (PP) là loại sợi được dùng phổ biến cho bê tông Bê tông sử dụng sợi PP được đánh giá là cải thiện khả năng kháng nứt của bê tông do kiểm soát sự lan truyền vết nứt trong cấu trúc

bê tông Các sợi PP trong bê tông có vai trò như cầu nối các vết nứt được hình thành khi bê tông chịu tác động tải trọng, do đó ngăn cản việc phát triển vết nứt Ngoài ra, sử dụng sợi PP cũng được chỉ ra biện pháp hữu hiệu để giảm co ngót của bê tông

2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ NÉN CHO HSLWC

FAC-2.2.1 Một số mô hình dự đoán cường độ bê tông

Nhiều mô hình dự đoán cường độ nén của bê tông đã được phát triển Đầu tiên có thể kể đến là mô hình của Feret (1892) Mô hình cường độ bê tông này sau đó được nhiều nhà nghiên cứu phát triển như Abrams (1919), Bolomey (1935), De Larrard (1993), Popovics (1965) Bolomey (1935) đơn giản công thức của Feret dưới dạng mô hình tuyến tính:

f′c= 24,6 [c

Mô hình của De Larrard (1993) có tính đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông như ảnh

hưởng của đá xi măng (thông qua cường độ nén của đá xi măng fc p) và cốt liệu trong bê tông (thông qua MPT):

Có thể thấy mô hình dự đoán cường độ của de Larrard khá toàn diện khi đã tính đến ảnh hưởng của tính chất của: đá xi măng (thông qua cường độ và thành phần của đái xăng dựa trên công thức của Feret); thể tích và Dmax cốt liệu (thông qua thông số MPT) Với hệ FAC-HSLWC, khi áp dụng mô hình dự đoán cường độ của de Larrard, khi đó cốt liệu sẽ là hỗn hợp của FAC và cát, Dmax cốt liệu sẽ

là Dmax của cát, CKD là hệ đa cấu tử gồm xi măng OPC và PGK Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các hệ số trong mô hình dự đoán cường độ của bê tông

2.2.2 Một số mô hình dự đoán cường độ với bê tông cốt liệu nhẹ

Một số mô hình dự đoán cường độ nén của bê tông cốt liệu nhẹ (LWAC) đã được đề xuất như của CEB/FIB (1983), các mô hình khác cũng đã được phát triển trên cơ sở cải tiến công thức của CEB/FIB hoặc dưới dạng hàm logarit của cường độ cốt liệu nhẹ và vữa Nhìn chung, các mô hình dự đoán cường độ cho LWAC hiện này đã tính đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tỷ lệ N/X, cường độ nén của xi măng hoặc vữa, KLTT LWA, cường độ nén dập LWA, thể tích của LWA Tuy nhiên, việc áp dụng các mô hình dự đoán cường độ với hệ FAC-HSLWC là khó khăn do việc xác định cường độ nén dập xi lanh của các hạt kích thước nhỏ như hạt FAC

2.2.3 Hướng đề xuất xây dựng mô hình dự đoán cường độ nén cho hệ FAC-HSLWC đề xuất

Mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC đề xuất dựa trên các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường

độ bê tông là cường độ đá CKD, hàm lượng CKD, loại và hàm lượng cốt liệu (cát và FAC), loại và hàm lượng cốt sợi phân tán Cường độ nén 28 ngày (R28) của FAC-HSLWC là hàm của các yếu tố vừa nêu Việc định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến R28 của FAC-HSLWC được thiết lập dựa theo một số công thức dự đoán cường độ bê tông như đã nêu ở phần tổng quan ở trên Chi tiết về xây dựng

mô hình dự đoán cường độ nén cho FAC-HSLWC được trình bày ở Chương 4

2.3 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC

2.3.1 Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tông nhẹ

Đối với hệ FAC-HSLWC do đặc tính khác biệt của các hạt FAC so với hạt cát nhẹ và cấp phối không

sử dụng cốt liệu lớn nên không thể sử dụng các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông nhẹ thông thường như phương pháp ACI 211.2-98 (2004) Các phương pháp thiết kế cấp phối đối với bê tông tính năng cao hiện nay cơ bản dựa trên cơ sở lựa chọn sử dụng loại vật liệu phù hợp và tối ưu hóa thành phần cỡ hạt Với hỗn hợp bê tông có cùng tỷ lệ N/CKD, nếu tăng độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu

sẽ làm tăng lượng nước tự do trong hệ, còn đối với hỗn hợp bê tông có cùng hàm lượng hồ chất kết dính, nếu độ lèn chặt của cốt liệu lớn sẽ làm tăng lượng hồ dư thừa trong hệ Một số phương pháp thiết kế cấp phối cho LWAC đã thiết lập trên cơ sở này Với cách tiếp cận này, cấp phối bê tông được thiết kế sẽ có tỷ lệ N/CKD và độ lèn chặt tốt, giảm thiểu độ rỗng giữa các cấp hạt qua đó tăng đặc chắc cấu trúc cho hệ LWAC

2.3.2 Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đề xuất

Hướng xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đảm bảo hai yếu tố là cường độ nén và KLTT của bê tông trên cơ sở sau Nguyên tắc thiết kế cấp phối FAC-HSLWC dựa trên tối ưu thành phần CKD bao gồm xi măng, SF, GGBFS trên cơ sở thực nghiệm theo phương pháp lèn chặt nén hoặc tính toán từ mô hình lèn chặt nén của De Larrard; Xây dựng mối quan hệ giữa tỷ lệ CKD/CL

và tính công tác, cường độ nén; Thiết lập mối quan hệ giữa cường độ nén với các yếu tố ảnh hưởng chính như tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ CKD/CL, tỷ lệ FAC/CL; Thiết lập mối quan hệ giữa KLTT của bê tông nhẹ, bê tông 100% cốt liệu cát để tính ra lượng cốt liệu nhẹ thay thế cốt liệu cát

3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU

3.1.1 Xi măng

Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng poóc lăng PC50 Nghi Sơn, với cỡ hạt trung bình 15

m

Hình 3.1 Mẫu cenosphere và hình dạng của nó qua chụp SEM

3.1.5 Cốt liệu cát

Cốt liệu sử dụng cho nghiên cứu là cát sông, loại cát dùng cho bê tông Cát được phân ra thành các loại theo cỡ hạt lớn nhất (Dmax) là 0,315, 0,63, 1,25, 2,5 và 5,0 mm bằng sàng

3.1.6 Phụ gia siêu dẻo

Phụ gia hóa học được sử dụng cho các mẫu thí nghiệm là phụ gia siêu dẻo ViscoCrete 3000-20 của hãng Sika Khả năng giảm nước 36,5%

3.1.7 Sợi Polypropylene (sợi PP)

Sợi polypropylene (PP) là loại sợi không thấm nước, bền kiềm và muối clorua Loại sợi sử dụng trong nghiên cứu là sợi chiều dài 12-18 mm, sợi đơn (monofilament)

3.1.8 Nước trộn

Nước dùng để trộn bê tông trong đề tài là nước máy sinh hoạt của thành phố Hà Nội Nước trộn thỏa mãn yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 “Nước trộn bê tông và vữa -Yêu cầu kỹ thuật” 3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

3.2.1 Các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn

Luận án đã sử dụng phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn Việt Nam và trên thế giới để thí nghiệm, xác định các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu sử dụng, các tính chất hồ xi măng, HHBT và bê tông

3.2.1.1 Thí nghiệm khả năng chịu tải của cấu kiện BTCT FAC-HSLWC

Cấu kiện BTCT đúc sẵn sử dụng FAC-HSLWC được thí nghiệm khả năng chịu tải theo TCVN 9347:2012 nhưng sử dụng phương pháp gia tải liên tục bằng kích thủy lực

3.2.2 Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn

Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như XRD, XRF, nhiễu xạ laze, chụp kính hiển vi điện tử (SEM); Độ nhớt của HHBT được xác định bằng nhớt kế; phương pháp phân tích nhiệt vi sai TGA xác định hàm lượng CH; Độ lèn chặt của hỗn hợp FAC-HSLWC được xác định thông qua theo

mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model - CPM) của De Larrard (1999) và kiểm chứng với xác định theo phương pháp thực nghiệm bằng rung+ép với áp lực 10 kPa

3.2.2.1 Phương pháp trộn bê tông

Máy trộn sử dụng trong nghiên cứu là máy trộn hành tinh loại 5 L, 20 L và máy trộn trục ngang 60

L

3.2.2.2 Phương pháp bảo dưỡng bê tông

Các chế độ bảo dưỡng các mẫu FAC-HSLWC sử dụng bao gồm: (1) chế độ bảo dưỡng tiêu chuẩn; (2) Chế độ bảo dưỡng nhiệt ẩm ở 70 oC, 90 oC và autoclave ở 210 oC

4 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO

FAC-HSLWC

4.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CKD PHÙ HỢP CHO FAC-HSLWC

4.1.1 Lựa chọn thành phần CKD theo độ lèn chặt tối ưu

Đầu tiên, thành phần CKD gồm XM, SF, GGBFS được lựa chọn dựa theo độ lèn chặt tối ưu của CKD Kết quả tính toán độ lèn chặt (packing density - PD) của CKD với loại và tỷ lệ PGK khác nhau thể hiện trong Hình 4.1 cho thấy độ lèn chặt của CKD chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ SF, đạt giá trị cao nhất là 0,767 với tỷ lệ SF là 30% và XM là 70% theo thể tích, tương ứng với tỷ lệ của SF và XM theo khối lượng là 23,3% và 76,7% Khi tăng SF lên trên 30% thì độ lèn chặt của CKD giảm

Hình 4.1 Độ lèn chặt của CKD bao gồm xi măng và

PGK với loại và tỷ lệ khác nhau

Hình 4.2 Bề mặt biều diễn vav biều đồ đường đồng mức độ lèn chặt với hệ CKD 3 cấu tử

(XM-SF-GGBFS)

4.1.2 Lựa chọn thành phần CKD theo phương pháp tối ưu tính công tác và cường độ nén

Từ thành phần CKD tối ưu theo phương pháp tính toán lý thuyết độ lèn chặt, thành phần hợp lý của CKD được lựa chọn trên cơ sở đảm bảo tối ưu tính công tác và cường độ nén của CKD là lớn nhất theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Bảng 4.1 Cấp phối và kết quả thí nghiệm CKD theo mô hình thiết kế tối ưu D

Độ chảy (mm)

a) Tính công tác của vữa CKD

Từ kết quả thí nghiệm như nêu trong Bảng 4.1, thông qua ứng dụng D-Optimal thu được mô hình thực nghiệm dạng bậc 2 cho tính công tác của CKD như sau:

Độ chảy = 194,6*A +19,4*B + 227,0*C + 112,1*AB -47,0*AC + 113*BC

9

Hình 4.3 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức

mô hình tính công tác của CKD

Hình 4.4 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức mô hình quan hệ giữa R28 và thành phần

của CKD

Từ bề mặt biểu diễn và đường đồng mức trên Hình 4.3 từ mô hình thực nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng SF từ 0 đến 30% thì tính công tác của vữa CKD giảm đáng kể từ khoảng 200 mm xuống còn dưới 160 mm Khi CKD chỉ gồm OPC và SF, tồn tại giá trị lớn nhất hàm lượng SF để đảm bảo tính công tác hỗn hợp vữa 180 mm trở lên, giá trị này tính từ mô hình thực nghiệm khoảng 12,5% Khi kết hợp SF với GGBFS thì tính công tác của CKD được cải thiện hơn

Hai thành phần CKD được lựa chọn là thành phần cơ sở để khảo sát các tính chất của FAC-HSLWC: 1) Hệ CKD gồm XM-SF: tỷ lệ XM/CKD = 90%; SF/CKD = 10% (các tỷ lệ tính theo khối lượng); 2) Hệ CKD gồm XM-SF-GGBFS: XM/CKD = 54%; SF/CKD = 10%; GGBFS/CKD = 36% (các

tỷ lệ tính theo khối lượng)

4.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC

4.2.1 Lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát cho FAC-HSLWC

Ảnh hưởng của Dmax của cát được đánh giá thông qua tính công tác của HHBT, tính phân tầng và cường độ nén của các cấp phối FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD=0,5, 0,4, 0,3 và tỷ lệ CKD/CL=0,667

và tỷ lệ FAC/CL=0,5 theo thể tích Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm lượng PGSD cần thiết để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông 180-200 mm tăng dần khi Dmax của cốt liệu giảm dần từ

5 mm đến 0,315 mm Kết quả thí nghiệm xác định độ phân tầng của HHBT như thể hiện trên Hình 4.5 cho thấy khi Dmax cốt tăng từ 0,315 mm đến 5 mm thì độ phân tầng của HHBT tăng rất rõ ràng, mức độ phân tầng trong khoảng (1,35-7,29)%, (3,26-10,67)%, (6,22-18,21)% tương ứng với nhóm cấp phối có tỷ lệ N/CKD=0,3, 0,4 và 0,5 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của Dmax

cốt liệu cát đến tính công tác, độ phân tầng và cường độ của FAC-HSLWC, đề tài này chọn cốt liệu cát có Dmax=0,63 mm để làm cốt liệu cơ sở cho nghiên cứu các tính chất của FAC-HSLWC

Design points above predicted value

Design points below predicted value

X1 = A: OPC X2 = B: SF X3 = C: GGBFS

Hình 4.5 Ảnh hưởng của D max cốt liệu đến độ phân tầng của HHBT

Hình 4.6 Ảnh hưởng D max cốt liệu đến R 28 của FAC-HSLWC

4.2.2 Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cho FAC-HSLWC

Trên cơ sở thành phần CKD hợp lý đã được nghiên cứu lựa chọn ở phần 4.1 với CKD lựa chọn có thành phần là 90% XM và 10% SF, nghiên cứu tiếp tục thực hiện để tối ưu tỷ lệ của hỗn hợp vật liệu cho chế tạo FAC-HSLWC gồm ba thành phần là cát, FAC và CKD Để tối ưu thành phần hạt của hỗn hợp này, đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm xác định độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu theo phương pháp đề xuất bởi De Larrard Đây là phương pháp xác định độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu hạt ở trạng thái khô có tính đến ảnh hưởng của áp lực nén

4.2.2.1 Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu và CKD theo phương pháp độ lèn chặt tối ưu

Từ các kết quả thí nghiệm như trong Bảng 4.2, mô hình dạng hàm bậc hai của độ lèn chặt hỗn hợp CKD-CL cho chế tạo FAC-HSLWC được biểu diễn như sau:

PD = 0,63*Cát+ 0,66*FAC + 0,58*CKD + 0,65*Cát*CKD+ 0,54*FAC*CKD

Bảng 4.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm theo mô hình thiết kế tối ưu D-Optimal

STT

Biến đầu vào: Hàm mục

tiêu: Bề mặt biểu diễn

1) Hệ FAC-HSLWC có cốt liệu chỉ gồm FAC: FAC/CL = 1, tỷ lệ CKD/CL = 0,667 (tính theo thể thể tích);

2) Hệ FAC-HSLWC có cốt liệu gồm Cát và FAC: tỷ lệ Cát/CL = 0,333, tỷ lệ FAC/CL = 0,667;

tỷ lệ CKD/CL= 0,667 (tính theo thể tích);

Design-Expert® Software PD

Design points above predicted value

X1 = A: Cát X2 = B: FAC X3 = C: CKD

X1 = A: Cát X2 = B: FAC X3 = C: CKD

A: Cát 1

B: FAC 1

0 PD

0.64

0.66

0.68 0.7 0.72 0.76