Nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh trong môi trường nước biển và nước ngọt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  PHAN NHẬT LONG NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU THỦY TINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN VÀ NƯỚC NGỌT... Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



PHAN NHẬT LONG

NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU THỦY TINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN VÀ NƯỚC NGỌT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trương Hoài Chính

Phản biện 1: PGS TS Trần Quang Hưng

Phản biện 2: TS Đào Ngọc Thế Lực

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công

nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07

năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường

Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay bê tông là một trong những loại vật liệu đang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng dân dụng, xây dựng cầu, đường Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng có nhiều nghiên cứu chế tạo ra các loại bê tông khác nhau, phù hợp với đặc tính của từng kết cấu công trình, môi trường làm việc… trong đó có việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu bê tông từ các nguồn rác thải tái chế

Việc sử dụng bê tông cốt liệu thủy tinh (nguồn chất thải rắn trong

đó có thủy tinh y tế) là loại vật liệu sẽ đóng góp đáng kể cho việc xử

lý môi trường chất thải, tái sử dụng nguyên liệu, tiết kiệm năng lượng, giảm diện tích bãi chôn lấp

Vấn đề đặt ra hiện nay là xác định sự phát triển cường độ của vật liệu này trong các môi trường khác nhau để từ đó có sự lựa chọn sử

dụng thích hợp trong thực tế xây dựng Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu

sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh trong môi trường nước biển và nước ngọt” là cần thiết

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Xác định sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh trong 2 môi trường nước biển và nước ngọt

- So sánh, nhận xét kết quả

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Bê tông sử dụng cốt liệu thủy tinh y tế bảo dưỡng trong môi trường nước biển và nước ngọt

- Nghiên cứu về tính chất cơ lý của bê tông cốt liệu thủy tinh

- So sánh, nhận xét các kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bê tông và thủy tinh

- Nghiên cứu thực nghiệm (thí nghiệm các mẫu bê tông cốt liệu thủy tinh được bảo dưỡng trong 2 môi trường nước biển và nước ngọt)

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học của đề tài là nghiên cứu, so sánh sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thủy tinh trong các môi trường làm việc khác nhau

Nghiên cứu thực nghiệm là cơ sở để so sánh các đặc tính của vật liệu trong môi trường làm việc thực tế Từ đó rút ra kết luận kiến nghị làm cơ sở khoa học để lựa chọn và áp dụng vật liệu bê tông cốt liệu thủy tinh trong các công trình xây dựng

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn gồm những nội dung chính như sau:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG – PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG 1.1 THÀNH PHẦN, CẤU TRÚC VÀ CÁC LOẠI BÊ TÔNG 1.1.1 Thành phần của bê tông

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lí bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Thành phần hỗn hợp

bê tông phải đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải đạt được những tính chất cho trước như cường độ, độ chống thấm v.v

1.1.1.1 Cấu trúc của bê tông

1.1.1.2 Sự hình thành cấu trúc của bê tông

Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo

1.1.1.3 Cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô

Cấu trúc vĩ mô: Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc vĩ mô phức tạp Trong một đơn vị thể tích hỗn hợp bê tông đã lèn chặt bao gồm thể tích của cốt liệu Vcl, thể tích hồ xi măng Vh và thể tích lỗ rỗng khí

Vk: Vcl + Vh+ Vk= 1

Cấu trúc vi mô của bê tông được đặc trưng bằng cấu trúc của vật rắn, độ rỗng và đặc trưng của lỗ rỗng trong từng cấu tử tạo nên bê tông (cốt liệu, đá xi măng) cũng như cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng

1.1.2 Các loại bê tông

1.1.2.1 Theo dạng chất kết dính

1.1.2.2 Theo dạng cốt liệu

1.1.2.3 Theo khối lượng thể tích

1.1.2.4 Theo công dụng

1.2 VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ 1.2.1 Phân loại thủy tinh

Thủy tinh phân làm 2 loại chính Đó là thủy tinh vô cơ và thủy tinh hữu cơ

1.2.1.1 Thủy tinh vô cơ

Được chia làm các loại cơ bản như sau:

- Thủy tinh đơn nguyên tử

- Thủy tinh oxit

- Thủy tinh halogen

1.2.1.2 Thủy tinh hữu cơ

Là một loại nhựa tổng hợp thủy tinh Nó bao gồm các hợp chất phân tử hữu cơ mà không tuân theo bất kì nguyên tắc bố trí nào nên

nó có cấu trúc vô định hình

1.2.2 Tính chất cơ lý của thủy tinh

1.2.2.1 Độ cứng của thuỷ tinh

Độ bền nén dao động từ 3000-12000 kG/cm2 Độ cứng của thủy tinh dao động từ 5-7 theo thang Mohs và thủy tinh thạch anh là thủy tinh có độ cứng lớn nhất, mềm nhất là thủy tinh giàu PbO

1.2.2.2 Tính chất nhiệt của thuỷ tinh

Để đặc trưng cho độ chịu nhiệt của thủy tinh cũng có thể dùng hệ

số K xác định bằng biểu thức:

p K

1.3 CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG

Cường độ là chỉ tiêu quan trọng, là một đặc trưng cơ bản thể hiện khả năng chịu lực của bê tông

1.3.1 Cường độ chịu nén

Hình 1.1 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén

Gọi lực phá hoại là P thì cường độ của mẫu là R được xác định như sau:

P R A

A – diện tích tiết diện ngang của mẫu

1.3.2 Cường độ chịu kéo

Hình 1.2 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo

Cường độ chịu kéo của bê tông Rbt được xác định theo công thức:

- Đối với mẫu chịu kéo trung tâm: ( )t

P R

1.3.3 Nhân tố quyết định cường độ của bê tông

1.3.3.1 Thành phần và cách chế tạo bê tông

1.3.3.2 Điều kiện thí nghiệm

Điều kiện thí nghiệm chuẩn: không bôi trơn, tốc độ gia tải 0,2M Pa/giây

1.3.4 Sự phát triển cường độ của bê tông theo thời gian

1.3.4.1 Bê tông thông thường

Tuổi của bê tông là thời gian t (tính bằng ngày) kể từ khi chế tạo đến khi thí nghiệm mẫu Kết quả thí nghiệm cho biết quan hệ giữa R

và t của bê tông dưỡng hộ trong điều kiện bình thường

Hình 1.3 Đồ thị sự phát triển cường độ của bê tông theo thời gian 1.3.4.2 Bê tông bảo dưỡng nước biển

(Akshat Dimri, 2015) Đối với bê tông thông thường và bảo

dưỡng trong môi trường nước biển, trong 7 ngày đầu tiên cường độ không bị ảnh hưởng, tuy nhiên cường độ (kéo, nén, uốn) bị giảm dần theo thời gian (28 và 90 ngày)

(Vicat, 1812) và (Prascal, 2006) đã phân tích: Phản ứng hóa học

của nước biển trên bê tông chủ yếu là do sự ăn mòn của magnesium sulphate (MgSO4) Bê tông bị ăn mòn nhanh hơn bởi chất clorua có trong nước biển làm chậm sự trương nở thế tích, đặc trưng của ăn mòn sulphate là nước biển trở nên trắng hơn, việc ăn mòn khiến bê tông cốt thép bị giãn nở dẫn tới nứt Bê tông tiếp tục bị ăn mòn và suy giảm cường độ Trong giai đoạn đầu, cường độ của bê tông có xu hướng gia tăng khi bị ăn mòn, nhưng sau đó theo sau là giảm cường

độ trước sự gia tăng của phản ứng Tương tự như vậy, kali và magnesium sulphate (KS, MgS) có trong nước muối có thể gây ra các phản ứng sulphate trong bê tông do chúng dễ dàng phản ứng với hydroxit canxi Ca(OH)2 trong xi măng thông qua quá trình hydrat hóa C3S và C2S theo các phản ứng :

S + CH + 2H – CSH2+ KH

S + CH + 2H – CSH2+ MH

Trong đó: K là KO và M là MgO

1.4 GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH VÀ GIÁ TRỊ TIÊU CHUẨN CỦA CƯỜNG ĐỘ

1.4.1 Giá trị trung bình

1.4.2 Độ lệch quân phương, hệ số biến động

1.4.3 Giá trị đặc trưng

1.4.4 Giá trị tiêu chuẩn

1.4.5 Giá trị tính toán

1.5 CẤP ĐỘ BỀN VÀ MÁC CỦA BÊ TÔNG

1.5.1 Mác theo cường độ chịu nén

1.5.2 Mác bê tông theo cường độ chịu kéo

1.5.3 Cấp độ bền chịu nén B

Theo TCXDVN356 – 2005 bê tông có các cấp độ bền B3.5; B5; B7.5; B10; B12.5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60

* Tương quan giữa M và B:

- Tương quan giữa mác M và cấp độ bền B của cùng một loại bê tông được thể hiện qua công thức: B  .M (1.6)

1.6 ĂN MÒN HÓA HỌC BÊ TÔNG

Đá xi măng bị ăn mòn chủ yếu là do sự tác dụng của các chất khí

và chất lỏng lên các bộ phận cấu thành xi măng đã rắn chắc (chủ yếu

là Ca(OH)2 và CaO.Al2O3.6H2O) Trong thực tế có rất nhiều chất gây

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo, có cấu trúc không đồng nhất

vì hình dáng, kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu

và chất kết dính không thật đồng đều

Cường độ là chỉ tiêu quan trọng, là một đặc trưng cơ bản thể hiện khả năng chịu lực của bê tông Cường độ của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau trong đó có thành phần cốt liệu và môi trường làm việc

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG – PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG 2.1 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NẶNG

2.1.1 Xi măng

2.1.1.1 Vai trò

Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bê tông, như vậy chất lượng và hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cường độ chịu lực của

bê tông

2.1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật

Chọn chủng loại xi măng: Theo kinh nghiệm nên chọn mác xi măng theo mác bê tông như sau là thích hợp:

Bảng 2.1 Bảng chọn mác xi măng theo mác bê tông Mác bê

2.1.1.3 Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của xi măng pooc lăng

Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của xi măng pooc lăng hỗn hợp được quy định trong TCVN 6260:1997

2.1.2 Nước trộn bê tông

2.1.2.1 Vai trò

Nước là thành phần giúp cho xi măng phản ứng tạo ra các sản phẩm thủy hóa làm cho cường độ của bê tông tăng lên Nước còn tạo

ra độ lưu động cần thiết để quá trình thi công được dễ dàng

2.1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật

2.1.3 Cốt liệu mịn

2.1.3.1 Vai trò

Là cốt liệu nhỏ cùng với xi măng, nước tạo ra vữa xi măng để lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn (đá, sỏi, thủy tinh) và bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu lớn tạo ra khối bê tông đặc chắc

2.1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật (TCVN 7570:2006)

Thành phần hạt của cát cần phải thỏa mãn theo TCVN 7570:2006

Hình 2.1 Biểu đồ quy định thành phần hạt của cát

2.1.4 Cốt liệu thô (thay đá dăm bằng thủy tinh)

2.1.4.1 Vai trò

Thủy tinh là cốt liệu lớn có cỡ hạt từ 5 - 70mm, chúng tạo ra bộ khung chịu lực cho bê tông

2.1.4.2 Yêu cầu kỹ thuật (TCVN 7570:2006)

Hình 2.2 Biểu đồ quy định thành phần hạt của cốt liệu lớn

2.2 TÍNH CHẤT VÀ CƯỜNG ĐỘ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG 2.2.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông

2.2.1.1 Khái niệm:

Để đánh giá tính công tác của hỗn hợp bêtông người ta thường dùng hai chỉ tiêu: độ lưu dộng và độ cứng

2.2.1.2 Độ lưu động

Bảng 2.2 Bảng chọn kích thước khuôn theo kích thước cốt liệu

Cách xác định độ lưu động của hỗn hợp bê tông

Hình 2.3 Quy trình kiểm tra độ sụt hỗn hợp bê tông

2.2.1.3 Độ cứng

Hình 2.4 Mô hình thiết bị kiểm tra độ cứng hỗn hợp bê tông

Bảng 2.3 Bảng chỉ tiêu độ lưu động và độ cứng

Loại hỗn hợp

Loại hỗn hợp bê tông

2.2.2 Cường độ của bê tông

Cường độ là một đặc trưng cơ bản của bê tông, phản ánh khả năng chịu lực của nó

Cường độ nén của viên mẫu chuẩn được xác định theo công thức:

Trong đó : - P : Tải trọng phá hoại mẫu (daN hoặc kG)

- F : Diện tích chịu lực nén của viên mẫu (cm2 )

- K: Hệ số chuyển đổi kết quả thử nén các mẫu bê tông kích thước khác chuẩn về cường độ của viên mẫu chuẩn

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát thí nghiệm 3.1.1.2 Các chỉ tiêu cơ lý

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của cát thí nghiệm

3.1.2 Cốt liệu thuỷ tinh

3.1.2.1 Thu thập, xử lý thuỷ tinh y tế

3.1.2.2 Cấp phối hạt cốt liệu thuỷ tinh

Thuỷ tinh sau khi sàng phân loại được trộn theo tỷ lệ cấp phối 0,5x1 mm (TCVN 7570:2006)

Bảng 3.3 Thành phần hạt của cốt liệu lớn

3.1.3 Nước biển (sử dụng để bảo dưỡng)

Nước biển có độ khoáng hoá rất cao, thường vào khoảng 35g/l Nồng độ muối trong nước biển lớn hơn trong nước ngọt 2000 lần

Bảng 3.4 So sánh một số thông số của vùng biển Đà Nẵng và các

khu vực Chỉ

tiêu

Đơn

vị

Vùng biển Hòn gai

Vùng biển Hải Phòng

Biển Bắc

Mỹ

Biển Bantíc

Đà Nẵng

Cát vàng (m 3 )

Thuỷ tinh (m 3 )

Nước (lít)

Cát vàng (kg)

Thuỷ tinh (kg)

Nước (lít)

3.2.1.2 Đúc mẫu bê tông

3.2.2 Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm (TCVN 8828-2011)

3.2.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông

3.2.3.1 Xác định diện tích chịu lực của mẫu

3.2.3.2 Xác định tải trọng phá hoại mẫu

3.3 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM

Hình 3.2 Sàng phân loại thuỷ

tinh

Hình 3.3 Bảo dưỡng bê tông

Hình 3.4 Kết tủa muối trong quá trình bảo dưỡng bê tông

Hình 3.5 Nén phá huỷ mẫu bê tông cốt liệu thuỷ tinh

3.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN MẪU BÊ TÔNG THUỶ TINH

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông

Tải trọng phá hoại P (kN)

Độ tuổi mẫu thí nghiệm (t ngày)

Bê tông thuỷ tinh

bảo dưỡng nước

ngọt

Bê tông thuỷ tinh

bảo dưỡng nước

Bê tông thuỷ

tinh bảo dưỡng

nước ngọt

Bê tông thuỷ

tinh bảo dưỡng

nước biển

Bảng 3.8 Bảng so sánh sự phát triển cường độ của bê tông

)

Độ tuổi mẫu thí nghiệm (t ngày)

Bê tông thuỷ tinh

bảo dưỡng nước

Bê tông thuỷ tinh

bảo dưỡng nước

So sánh chênh lệch cường

Hình 3.6 Biểu đồ sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu thuỷ tinh

bảo dưỡng môi trường nước ngọt

Hình 3.7 Biểu đồ sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu thuỷ tinh

bảo dưỡng môi trường nước biển

Hình 3.8 Biểu đồ so sánh sự phát triển cường độ bê tông cốt liệu

thuỷ tinh trong hai môi trường bảo dưỡng

3.5 NHẬN XÉT

Thông qua số liệu kết quả thí nghiệm và biểu đồ sự phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thuỷ tinh trong hai môi trường bảo dưỡng có thể rút ra một số nhận xét như sau:

- Sử dụng cấp phối đã cho trong Bảng 3.5, sử dụng cốt liệu thuỷ tinh, tại 28 ngày tuổi khi bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt, đạt cường độ trung bình 170kG/cm2; khi bảo dưỡng trong môi trường nước biển đạt cường độ trung bình 148,39kG/cm2

- Cường độ bê tông cốt liệu thuỷ tinh bảo dưỡng trong môi trường nước biển tại các ngày tuổi thí nghiệm (3, 7, 21, 28 ngày) thấp hơn cường độ bê tông cốt liệu thuỷ tinh bảo dưỡng môi trường nước ngọt Nguyên nhân của việc này là do trong nước biển có các ion 2

- Trong giai đoạn ban đầu từ 3 đến 7 ngày tuổi chênh lệch cường độ

giữa bê tông thuỷ tinh bảo dưỡng nước biển và nước ngọt khoảng 11%, đến 14 ngày tuổi và 28 ngày tuổi chênh lệch cường độ khi bảo dưỡng trong hai môi trường gần 13% Điều này cho thấy xu hướng phát triển cường độ của bê tông cốt liệu thuỷ tinh bảo dưỡng trong môi trường nước biển là phát triển nhanh cường độ trong thời gian đầu nhưng chậm dần theo thời gian