Nghiên cứu tính chất của bê tông cốt sợi polypropylene dùng cho công nghệ in 3d

Khỏa sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP, tỉ lệ N/CKD, C/CKD đến độ dẻo của bê tông, đến thời gian ninh kết của bê tông, đến độ bền ướt, đến khả năng co ngót và phát triển cường độ chịu n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN DUY THANH

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI POLYPROPYLENE DÙNG CHO CÔNG NGHỆ IN 3D

STUDY ON PROPERTIES OF POLYPROPYLENE CONCRETE FOR 3D PRINTING TECHNOLOGY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp

Mã số: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2021

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Văn Miền

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phan Hữu Duy Quốc

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Bùi Đức Vinh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 02 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:

Chủ tịch hội đồng: PGS TS Nguyễn Ninh Thụy

Thư ký: TS Bùi Phương Trinh

Thành viên: TS Phan Hữu Duy Quốc

Thành viên: TS Bùi Đức Vinh

Thành viên: TS Lê Văn Quang

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG

PGS TS NGUYỄN NINH THỤY

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN DUY THANH MSHV: 1770086

Ngày, tháng, năm sinh: 29/08/1993 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp

Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tính chất của bê tông cốt sợi Polypropylene dùng cho công nghệ in 3D

Study on properties of Polypropylene concrete for 3D printing technology

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông in 3D trong và ngoài nước

2 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo của hỗn hợp bê tông, đến phát triển cường độ bê tông

3 Nghiên cứu các tính chất của nguyên vật liệu sử dụng cho đề tài

4 Khỏa sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP, tỉ lệ N/CKD, C/CKD đến độ dẻo của bê tông, đến thời gian ninh kết của bê tông, đến độ bền ướt, đến khả năng

co ngót và phát triển cường độ chịu nén của bê tông

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/09/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/01/2021

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS TRẦN VĂN MIỀN

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2021

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN



Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tạo Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, em đã nhận được sự giúp đỡ tân tình của Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, của các Thầy Cô giáo đã giảng dạy giúp em có thêm kiến thức và hành trang phục vụ công tác và nghề nghiệp của mình

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM và các Thầy cô giáo trong Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã tận tình giúp

em suốt thời gian qua và có cơ hội hoàn thành Khóa học

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS TRẦN VĂN MIỀN đã tận tình giúp

đỡ và chỉ dạy cho em trong quá trình em làm Luận văn tốt nghiệp

Em xin cảm ơn các bạn học, các anh chị em đồng học đã góp ý kiến trong quá trình em làm luận văn để luận văn được tốt hơn

Cuối cùng con xin cảm ơn gia đình bố, mẹ, cùng tất cả những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho con học tập trong suốt thời gian qua

Tuy nhiên, vì đây là đề tài khoa học, tính chuyên môn cao, đòi hỏi sự hiểu biết tổng quát trong nhiều lĩnh vực và kinh nghiệm nghiên cứu phong phú nên sẽ có nhiều sai sót mà em khó tránh được Em mong nhận được sự góp ý thẳng thắn và nhận xét của các thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

NGUYỄN DUY THANH

Bê tông in 3D như một công nghệ mới nổi lên khi vừa có thể kết hợp giữa công nghệ

kỹ thuật số và công nghệ vật liệu, cho phép tạo ra nhiều hình dạng kiến trúc khác nhau nhưng không sử dụng cốp pha Hiện nay, các nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước về bê tông in 3D vẫn đang còn khá mới mẻ Ở luận văn này, sẽ nghiên cứu tính chất của bê tông và bê tông cốt sợi Polypropylene dùng cho công nghệ in 3D

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bê tông cốt sợi để phục vụ công tác in Nghiên cứu độ dẻo của bê tông cốt sợi, khả năng đóng rắn, tính chất hỗn hợp của vữa, sự phát triển cường độ, khả năng chịu tải ướt, …

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở khoa học: đặc trưng tính lưu biến của hỗn hợp, các yếu tố ảnh hưởng quá trình phát triển cường độ bê tông, đặc tính co ngót của bê tông, thí nghiệm vòng đo co ngót

Nghiên cứu thực nghiệm gồm các công việc:

- Ảnh hưởng của nguyên vật liệu thành phần đến độ lưu biến, độ lưu động, thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tông cốt sợi PP trong công nghệ in 3D

- Nghiên cứu tính chất độ bền ướt của bê tông cốt sợi PP trong công nghệ in 3D

- Ảnh hưởng của nguyên vật liệu thành phần đến cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của hỗn hợp bê tông cốt sợi PP trong công nghệ in 3D

- Ảnh hưởng của sợi PP đến khả năng co ngót của bê tông in 3D

4 Kết quả nghiên cứu và kết luận

- Khi tăng hàm lượng N/CKD từ 0,32 – 0,38 đối với cả cấp phối có sợi và không sợi trong hỗn hợp bê tông in 3D, độ nhớt và ứng suất chảy giảm, độ lưu động tăng, thời gian ninh kết có xu hướng kéo dài, khả năng chịu tải trọng bản thân và ứng suất tác dụng lên mẫu giảm, cường độ chịu nén và uốn giảm, thời gian co ngót cũng kéo dài

- Khi tăng hàm lượng sợi PP từ 0% đến 0,5% đến 1%, độ nhớt và ứng suất chảy tăng,

độ lưu động có xu hướng giảm (nhưng không nhiều), thời gian bắt đầu ninh kết giảm, khả năng chịu tải trọng bản thân và ứng suất tác dụng lên mẫu tốt hơn, khả năng phát triển cường độ ban đầu chịu nén của mẫu có sợi tốt hơn mẫu không sợi, cường độ chịu uốn tăng, tăng khả năng chống co ngót cho bê tông

- Khi tăng hàm lượng C/CKD từ 1 – 2, độ nhớt và ứng suất chảy tăng, độ lưu động giảm, thời gian ninh kết tăng, khả năng chịu tải trọng bản thân và ứng suất tác dụng lên mẫu tăng, cường độ chịu nén giảm

NGUYỄN DUY THANH

By applying 3D printing concrete technology it is possible to significantly reduce construction waste, as the amount of mixed concrete is carefully controlled in the automated system, the 3D printed concrete structures are capable of significant savings Significant construction costs, improved productivity and, above all, can significantly reduce the environmental impact by using less materials and generating less waste

3D printed concrete is an emerging technology that can combine digital technology and materials technology, allowing the creation of many different architectural shapes without using formwork Currently, the research in the world as well as in the country

on 3D printed concrete is still quite new In this thesis, the properties of Polypropylene fiber reinforced concrete and concrete will be studied for 3D printing technology

2 Objectives of the study

Research and manufacture fiber-reinforced concrete mixes for printing Studying the ductility of fiber-reinforced concrete, the curing capacity, the mixed properties of the mortar, the strength development, the ability to withstand wet loads,

3 Research Methods

Scientific research: rheological characteristics of the mixture, factors affecting the development of concrete strength, concrete shrinkage properties, shrinkage ring test Experimental research includes the following jobs:

- The influence of the component materials on the rheology, fluidity, setting time of the PP fiber reinforced concrete mixture in 3D printing technology

- Study on the wet strength properties of PP fiber reinforced concrete in 3D printing technology

- The influence of the component materials on the compressive strength, flexural strength of the PP fiber reinforced concrete mixture in 3D printing technology

- The influence of PP fiber on shrinkage of 3D printed concrete

4 Research results and Conclusions

- When the N/CKD content increases from 0,32 to 0,38 for both fiber and fiber-free blends in 3D printed concrete mixes, viscosity and yield stress decrease, fluidity increases, setting time tends to be prolonged, self-load capacity and stress on the specimen decrease, compressive and flexural strength decreases, shrinkage time is also prolonged

- When the PP fiber content increases from 0% to 0,5% to 1%, the viscosity and yield stress increase, the fluidity tends to decrease (but not much), the setting time is reduced, the tolerance better self-load and stress on the sample, better ability to develop the compressive initial strength of the fiber sample than the non-fiber sample, increased flexural strength, and increased resistance to shrinkage for concrete

- When the C/CKD content increases from 1-2, the viscosity and yield stress increase, the fluidity decreases, the setting time increases, the ability to bear the self-load and the stress on the sample increases, the strength of bearing reduced compression

Student

NGUYỄN DUY THANH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Trần Văn Miền

Các kết quả trong Đề cương Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

TP.HCM, ngày 6 tháng 1 năm 2021

Nguyễn Duy Thanh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ……… i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH HÌNH VẼ xii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xvi

TỔNG QUAN 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VỀ BÊ TÔNG IN 3D 2

1.2.1 Giới thiệu về bê tông in 3D 2

1.2.2 Ưu điểm bê tông in 3D [1] 3

1.2.3 Quá trình phát triển của bê tông in 3D 3

1.2.4 Tình hình nghiên cứu 6

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 18

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

CÁC TÍNH CHẤT ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ LƯU BIẾN CỦA BÊ TÔNG 19

2.1.1 Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp 19

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu biến của hổn hợp bê tông 19

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG 26

2.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ Nước / Xi măng (N/X) đến sự phát triển cường độ của

bê tông 26

2.2.2 Ảnh hưởng của cốt liệu đến sự phát triển cường độ của bê tông 27

2.2.3 Ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến sự phát triển của cường độ bê tông 28

2.2.4 Các tác nhân ảnh hưởng đến thời gian ninh kết của bê tông 29

2.2.5 Ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ bê tông 30

ĐẶC TÍNH CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG 33

2.3.1 Khái niệm [16] 33

2.3.2 Cơ chế lý hóa của co ngót bê tông [16] 34

2.3.3 Các yếu tố cải thiện tính kháng co ngót 37

THÍ NGHIỆM VÒNG CO NGÓT 39

2.4.1 Thí nghiệm đo co ngót theo tiêu chuẩn ASTM C1581 [22] 39

2.4.2 Biến dạng xảy ra trong vòng co ngót (bê tông và thép) 41

2.4.3 Áp dụng lý thuyết đàn hồi để tính tốc độ phát triển ứng suất dư 42

2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo co ngót [40] 44

HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 46

THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU 46

3.1.1 Xi măng 46

3.1.2 Cát sông 47

3.1.3 Tro bay 48

3.1.4 Silicafume 49

3.1.5 Nước 50

3.1.6 Phụ gia hóa học 50

3.1.7 Sợi Polypropylene siêu mảnh 50

PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ CẤP PHỐI 51

QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM 53

3.3.1 Quy trình thí nghiệm 53

3.3.2 Phương pháp thí nghiệm 53

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BIỆN LUẬN 72

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ĐẾN ĐỘ LƯU BIẾN HỖN HỢP BÊ TÔNG CỐT SỢI PP TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D 72

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ĐẾN ĐỘ LƯU ĐỘNG HỖN HỢP BÊ TÔNG CỐT SỢI TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D 75

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ĐẾN THỜI GIAN NINH KẾT HỖN HỢP BÊ TÔNG IN 3D 78

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐỘ BỀN ƯỚT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI PP TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D 81

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D 85

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU UỐN CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI PP TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D 91

KẾT QUẢ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỢI PP ĐẾN KHẢ NĂNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG IN 3D 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

KẾT LUẬN 104

5.1.1 Kết luận từ thí nghiệm của luận văn 104

5.1.2 Hạn chế của nghiên cứu 105

KIẾN NGHỊ 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 110

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HRWRA High-range water reducing admixture

(phụ gia giảm nước siêu cao)

(Phụ gia điều chỉnh độ nhớt)

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1-1: Máy in Contour crafting [2] 4

Hình 1-2: Hệ thống máy in D-Shape [2] 5

Hình 1-3: Tác phẩm điêu khắc in 3D được chế tạo bởi công nghệ D-Shape [2] 5

Hình 1-4: Cấu trúc tường in 3D do nhóm 3DPrinthuset thực hiện.[2] 6

Hình 1-5: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia siêu dẻo 0,5%-2% đến cường độ chịu cắt của hỗn hợp 4 [3] 9

Hình 1-6: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia làm chậm thời gian ninh kết với hỗn hợp 4 [3] 9

Hình 1-7: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia làm kéo dài thời gian ninh kết với hỗn hợp 4 [3] 10

Hình 1-8: Ảnh hưởng liều dùng phụ gia siêu dẻo đến khả năng làm việc với thời gian [3] 11

Hình 1-9: Ảnh hưởng liều dùng phụ gia siêu dẻo đến thời gian mở [3] 11

Hình 1-10: Ảnh hưởng liều dùng phụ làm chậm thời gian ninh kết đến thời gian [3] 12

Hình 1-11: Ảnh hưởng liều dùng phụ làm giảm thời gian ninh kết đến thời gian mở [3] 12

Hình 1-12: Khả năng xây dựng hỗn hợp ở cường độ chịu cắt 0,55 kPa [3] 13

Hình 1-13: Bộ thử nghiệm độ bền ướt (bên trái), cách thiết lập cách đo độ bền ướt [4] 15

Hình 1-14: Quan hệ ứng suất – biến dạng 17

Hình 2-1: Ảnh phóng to của tro bay [9] 22

Hình 2-2: Silicafume phóng to [11] 24

Hình 2-3: Cấu trúc của mẫu đá xi măng đặc chắc (a) và không đặc chắc (b) trước (trái) và sau (phải) quá trình hydrat hóa 26

Hình 2-4: Biến dạng của nền bê tông có chứa sợi trước (a) và sau (b) khi có tải trọng tác dụng và ứng suất trượt tại lớp chuyển tiếp và kéo bên trong sợi (c) 31

Hình 2-5: Sự biến đổi của ứng suất bám dính sang ứng suất ma sát trượt của sợi bên trong hệ số nền bê tông [12] 32

Hình 2-6: Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông cốt sợi 33

Hình 2-7: Thành phần biến dạng co ngót của bê tông [16] 35

Hình 2-8: Vết nứt gây ra bởi co ngót dẻo [17] 35

Hình 2-9: Áp lực mao dẫn trong các lỗ rỗng khi xảy ra sự bay hơi nước [19] 36

Hình 2-10: Sự làm việc của cốt sợi [21] 38

Hình 2-11: Mô hình biểu diễn áp lực nén của vòng bê tông lên vòng thép [23] 39

Hình 2-12: Ý nghĩa hình học của hệ số tốc độ biến dạng 40

Hình 2-13: Ứng suất đàn hồi tại mặt tiếp xúc của bê tông và thép [23] 42

Hình 2-14: Thép chịu nén và bê tông chịu kéo trong vòng co ngót 42

Hình 2-15: Phân tích ứng suất trong vòng co ngót [23] 43

Hình 2-16: Ứng suất phân bố trong hai trường hợp bê tông co ngót đều (trái) 44

Hình 3-1: Xi măng Nghi Sơn PC40 được sử dụng trong thí nghiệm 46

Hình 3-2: Cát sông được sử dụng trong phòng thí nghiệm 47

Hình 3-3: Thành phần hạt của cát sông 48

Hình 3-4: Tro bay được sử dụng trong phòng thí nghiệm 48

Hình 3-5: Silicafume được sử dụng trong phòng thí nghiệm 49

Hình 3-6: R7N được sử dụng trong phòng thí nghiệm 50

Hình 3-7: Sợi Polypropylene được sử dụng trong phòng thí nghiệm 51

Hình 3-8: Thiết bị đo lưu biến ICAR Plus [27] 54

Hình 3-9 Nguyên tắc hoạt động của máy đo lưu biến ICAR Plus [27] 54

Hình 3-10:Thí nghiệm Tăng trưởng ứng suất.[27] 56

Hình 3-11: Dao động tiêu biểu của tốc độ quay ( ) với thời gian.[27] 56

Hình 3-12 Cách thu được các tham số giá trị Y và giá trị V trong thử nghiệm đường cong dòng chảy.[27] 57

Hình 3-13: Giao diện phần mềm đo lưu biến của máy ICAR Plus.[27] 58

Hình 3-14 Thí nghiệm đo lưu biến bằng máy ICAR Plus 58

Hình 3-15: Bàn dằn 59

Hình 3-16: Đo độ xòe của hỗn hợp 59

Hình 3-17: Thí nghiệm đo độ bền ướt 60

Hình 3-18: Sơ đồ cấu tạo dụng cụ thử xuyên 61

Hình 3-19: Dụng cu đo thời gian ninh kết 62

Hình 3-20: Khuôn đúc mẫu sử dụng trong thí nghiệm 63

Hình 3-21: Mẫu sau khi đúc 64

Hình 3-22: Dưỡng hộ mẫu trước khi tháo khuôn 64

Hình 3-23: Dưỡng hộ mẫu sau khi tháo khuôn 65

Hình 3-24: Máy nén ADR Touch Control Pro 3000 Auto BS EN ELE 65

Hình 3-25: Mẫu trước và sau khi nén 66

Hình 3-26: Máy uốn Phoenix Pisces 67

Hình 3-27: Sơ đồ đặt mẫu 67

Hình 3-28: Thí nghiệm xác định cường độ uốn 68

Hình 3-29: Kích thước vòng co ngót theo ASTM C1581 68

Hình 3-30: Dụng cụ đo co ngót 69

Hình 3-31: Vòng đo co ngót 69

Hình 3-32: Dưỡng hộ ẩm cho mẫu và dán băng keo nhôm lên sau khi mẫu được tháo vòng 70

Hình 3-33: Vết nứt của mẫu 71

Hình 4-1: Biểu đồ ứng suất cắt o với tỉ lệ C/CKD là 1:1 73

Hình 4-2: Biểu đồ độ dẻo nhớt µ với tỉ lệ C/CKD là 1:1 73

Hình 4-3: Biểu đồ ứng suất cắt o với tỉ lệ C/CKD là 2:1 74

Hình 4-4: Biểu đồ độ dẻo nhớt µ với tỉ lệ C/CKD là 2:1 74

Hình 4-5: Biểu đồ độ lưu động ứng với tỉ lệ C/CKD là 1:1 77

Hình 4-6: Biểu đồ độ lưu động ứng với tỉ lệ C/CKD là 2:1 77

Hình 4-7: Biểu đồ thời gian ninh kết hỗn hợp ứng với tỉ lệ C/CKD là 1:1 79

Hình 4-8: Biểu đồ thời gian ninh kết hỗn hợp ứng với tỉ lệ C/CKD là 2:1 80

Hình 4-9: Biểu đồ độ giảm chiều cao do trọng lượng bản thân gây ra ứng với tỉ lệ C/CKD là 1:1 82

Hình 4-10: Biểu đồ độ giảm chiều cao do trọng lượng bản thân gây ra ứng với tỉ lệ C/CKD là 2:1 83

Hình 4-11: Biểu đồ ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu để mẫu có thể chịu được với C/CKD là 1:1 83

Hình 4-12: Biểu đồ ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu để mẫu có thể chịu được với C/CKD là 2:1 84

Hình 4-13: Biểu đồ cường độ chịu nén 1 ngày - C/CKD là 1:1 87

Hình 4-14: Biểu đồ cường độ chịu nén 3 ngày - C/CKD là 1:1 87

Hình 4-15: Biểu đồ cường độ chịu nén 7 ngày - C/CKD là 1:1 88

Hình 4-16: Biểu đồ cường độ chịu nén 28 ngày - C/CKD là 1:1 88

Hình 4-17: Biểu đồ cường độ chịu nén 1 ngày - C/CKD là 2:1 89

Hình 4-18: Biểu đồ cường độ chịu nén 3 ngày - C/CKD là 2:1 89

Hình 4-19: Biểu đồ cường độ chịu nén 7 ngày - C/CKD là 2:1 90

Hình 4-20: Biểu đồ cường độ chịu nén 28 ngày - C/CKD là 2:1 90

Hình 4-21: Biểu đồ cường độ chịu uốn 28 ngày - C/CKD là 1:1 93

Hình 4-22: Biểu đồ cường độ chịu uốn 28 ngày - C/CKD là 2:1 93

Hình 4-23: Biến dạng của vòng thép với cấp phối 0% PP, C/CKD là 1:1 95

Hình 4-24: Biểu dạng của vòng thép với cấp phối 0,5% PP, C/CKD là 1:1 96

Hình 4-25: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0% PP, N/CKD =0,32, C/CKD là 1:1 97

Hình 4-26: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0% PP, N/CKD =0,34, C/CKD là 1:1 97

Hình 4-27: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0% PP, N/CKD =0,36, C/CKD là 1:1 98

Hình 4-28: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0% PP, N/CKD =0,38, C/CKD là 1:1 98

Hình 4-29: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0,5% PP, N/CKD =0,32, C/CKD là 1:1 99

Hình 4-30: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0,5% PP, N/CKD =0,34, C/CKD là 1:1 99

Hình 4-31: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0,5% PP, N/CKD =0,36, C/CKD là 1:1 100

Hình 4-32: Biểu đồ thể hiện hệ số tốc độ biến dạng của mẫu với cấp phối 0,5% PP, N/CKD =0,38, C/CKD là 1:1 100

Hình 4-33: Ứng suất kéo trong vòng bê tông với cấp phối 0% PP, C/CKD là 1:1 102 Hình 4-34: Ứng suất kéo trong vòng bê tông với cấp phối 0,5% PP, C/CKD là 1:1 102

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Nguyên liệu tối ưu cho các hỗn hợp [3] 8

Bảng 1-2: Bảng cấp phối của hỗn hợp in 14

Bảng 1-3: Độ dẻo và cường độ chịu nén 7 ngày, 28 ngày của các hỗn hợp [4] 14

Bảng 1-4: Kết quả đo độ ổn định- độ bền ướt [4] 15

Bảng 1-5: Thành phần hỗn hợp bê tông từng cấp phối 16

Bảng 1-6: Kết quả nén của bê tông 17

Bảng 2-1: Tính chất của một số loại sợi được dùng trong bê tông 30

Bảng 2-2: Đánh giá khả năng kháng co ngót của cấp phối thực nghiệm 41

Bảng 3-1: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Nghi Sơn PC40 [24] 46

Bảng 3-2: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sông 47

Bảng 3-3: Tổng hợp kết quả thí nghiệm của tro bay 48

Bảng 3-4: Thành phần hóa của tro bay (%) 49

Bảng 3-5: Tổng hợp kết quả thí nghiệm của Silicafume 49

Bảng 3-6: Thành phần hóa học của silica fume 49

Bảng 3-7: Thông số Sikament R7N 50

Bảng 3-8: Thông số kỹ thuật sợi PP 51

Bảng 3-9: Bảng tính cấp phối 1 - Sợi PP / CKD = 0% (theo 1 m3) 52

Bảng 3-10: Bảng tính cấp phối 2 - Sợi PP / CKD = 0,5% (theo 1 m3) 52

Bảng 3-11: Bảng tính cấp phối 3 - Sợi PP / CKD = 1,0% (theo 1 m3) 52

Bảng 3-12: Quy trình thí nghiệm vòng co ngót theo ASTM C1581 70

Bảng 4-1: Kết quả thí nghiệm đo lưu biến 72

Bảng 4-2: Kết quả thí nghiệm độ lưu động hỗn hợp bê tông 76

Bảng 4-3: Kết quả thí nghiệm thời gian ninh kết hỗn hợp bê tông 79

Bảng 4-4: Kết quả thí nghiệm độ bền ướt 81

Bảng 4-5: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén 86

Bảng 4-6: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu uốn 92

Bảng 4-7: Tuổi nứt và tuổi nứt thực của các cấp phối thí nghiệm 94

Bảng 4-8: Khả năng kháng nứt của cấp phối thí nghiệm 101

Bảng 5-1: Giá trị một số chỉ tiêu có thể in 3D 105

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Xây dựng là một trong những ngành lớn nhất của nền kinh tế thế giới với 10 nghìn tỷ

đô tương đương với 13% tổng GDP Tuy nhiên, xây dựng cho thấy sự kém hiệu quả

so với các ngành khác Trong một số điều kiện, cơ sở hạ tầng và công nghiệp xây dựng nhà ở bị chậm trễ và không đáp ứng được yêu cầu toàn cầu

Khối lượng hàng năm của bê tông thì chạm tới gần 30 tỷ tấn trên thế giới – chiếm rất nhiều cho vật liệu xây dựng Tuy nhiên bê tông chỉ đóng vai trò một phần bởi vì cốp pha chiếm tới 35% - 60% tổng giá trị xây dựng bê tông Cốp pha là một kết cấu tạm thời để tạo hình cho bê tông ướt – thông thường cốp pha được làm bằng gỗ Cốp pha được xem là một sự lãng phí rất nhiều bởi vì nó sẽ bị vứt bỏ sau khi bê tông đã đóng rắn Theo một nghiên cứu từ năm 2011, 80% tổng sự lãng phí trên thế giới được tạo

ra là do ngành xây dựng mà cốp pha gỗ đóng vai trò to lớn Thêm vào đó, việc đổ bê tông vào cốp pha thì sẽ giới hạn sự sáng tạo về kiến trúc để xây dựng các dạng hình học khác nhau Không giống như cách tiếp cận mới trong việc đổ bê tông vào khuôn,

in 3D (3D concrete printing – 3DCP) như một công nghệ nổi lên mà kết hợp giữa công nghệ kĩ thuật số và công nghệ vật liệu cho phép tạo ra nhiều hình dạng mà không

sử dụng cốp pha 3DCP là một công nghệ sản xuất mà xây dựng theo từng lớp của vật liệu Bằng việc áp dụng công nghệ in bê tông 3D sẽ có thể giảm đáng kể chất thải xây dựng, vì lượng bê tông trộn được kiểm soát cẩn thận trong hệ thống tự động, các cấu trúc bê tông in 3D có khả năng tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng, cải thiện năng suất và trên hết, có thể hạn chế đáng kể tác động môi trường bằng cách sử dụng ít vật liệu hơn và tạo ra ít chất thải hơn [1]

Bê tông in 3D có cơ hội cách mạng hóa ngành công nghiệp xây dựng Bằng cách sử dụng quy trình in 3D, điều này có thể cho phép mang lại nhiều lợi ích liên quan đến các khía cạnh kinh tế, kết cấu, môi trường và xây dựng cho nhiều loại dự án Có rất nhiều ứng dụng cho bê tông in 3D bao gồm các cấu kiện như in tường, cột, yếu tố đúc sẵn, cấu trúc kiến trúc,

Trước khi được ứng dụng rộng rãi, nhiều lĩnh vực cần được tiến hành thử nghiệm để hiểu rõ hơn về bê tông in 3D Một trong những lĩnh vực này bao gồm: giải quyết các vấn đề của bê tông trong trạng thái dẻo, trạng thái cứng, sự phù hợp hình học và điều

khiển in Tính dẻo có thể cho thấy các vấn đề từ việc xử lý thời gian phụ thuộc vào các ứng xử của bê tông thay đổi hành vi in ở đầu và cuối của quá trình in, các vấn đề với đùn và chất lượng in, cấu trúc có thể xây dựng đúng cách và duy trì trọng lượng bản thân, biến dạng từ nhiều lớp và kiểm soát chất lượng Các vấn đề với các đặc tính cứng bao gồm liên kết giữa các lớp in, tăng cường độ bền kéo, co ngót, độ bền và đo tính chất vật liệu cứng Các vấn đề hình học có thể tạo ra các vấn đề với việc giữ hình dạng in nhất quán, kích thước chính xác được in, in đúng với các đường cong, tạo ra các thành phần dày đặc và tạo ra các phần nhô ra Các mục khác cần được nghiên cứu

để tạo ra các bản in thành công bao gồm các mục kiểm soát in như áp suất bơm, tốc

độ robot, hình dạng vòi phun và độ dài in ấn Nhìn chung, có rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu và câu hỏi mà cần phải được trả lời để giúp mang lại công nghệ này cho ngành công nghiệp xây dựng

CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VỀ BÊ TÔNG IN 3D

1.2.1 Giới thiệu về bê tông in 3D

In 3D Xây dựng hoặc In Xây dựng 3D đề cập đến các công nghệ khác nhau sử dụng

in 3D làm phương pháp cốt lõi để chế tạo các tòa nhà hoặc các cấu kiện xây dựng Các thuật ngữ thay thế cũng được sử dụng, chẳng hạn như sản xuất đắp dần quy mô lớn hoặc xây dựng tự do, cũng liên quan đến các nhóm phụ như “Bê tông 3D”, được

sử dụng để chỉ các công nghệ ép đùn bê tông [1]

Có nhiều phương pháp in 3D được sử dụng ở quy mô xây dựng, bao gồm các phương pháp chính sau: đùn (bê tông / xi măng, sáp, bọt, polymer), kết dính bột (liên kết polymer, liên kết phản ứng, thiêu kết) và hàn đắp In 3D ở quy mô xây dựng sẽ có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực tư nhân, thương mại, công nghiệp và công cộng Lợi thế tiềm năng của các công nghệ này bao gồm xây dựng nhanh hơn, chi phí lao động thấp hơn, tăng độ phức tạp hoặc độ chính xác, tích hợp nhiều hơn các chức năng

và ít chất thải sinh ra [1]

Một số phương pháp tiếp cận khác nhau đã được chứng minh cho đến nay bao gồm việc chế tạo tại chỗ và ngoài công trường các tòa nhà và các cấu kiện xây dựng, sử dụng robot công nghiệp, hệ thống cầu trục và các phương tiện tự hành Trình diễn công nghiệp in 3D xây dựng cho đến nay đã bao gồm chế tạo nhà ở, cấu kiện xây

dựng (tấm ốp và tấm kết cấu và cột), cầu và cơ sở hạ tầng dân dụng [59], rạn san hô, theo dõi và điêu khắc [1]

Công nghệ này đã gia tăng đáng kể tính phổ biến trong những năm gần đây khi nhiều công ty mới nổi lên trên thị trường, bao gồm một số công ty được hỗ trợ bởi những ông lớn trong ngành xây dựng Điều này dẫn đến một số cột mốc quan trọng, chẳng hạn như tòa nhà in 3D đầu tiên (Winsun), cây cầu in 3D đầu tiên (D-Shape), chi tiết

in 3D đầu tiên trong một tòa nhà công cộng (XtreeE), tòa nhà in 3D đầu tiên ở châu

Âu và CIS (Specavia), tòa nhà in 3D đầu tiên ở Châu Âu được chính quyền (3DPrinthuset) chấp thuận hoàn toàn và rất nhiều công trình khác [1]

1.2.2 Ưu điểm bê tông in 3D [1]

- Chế tạo được các loại cấu kiện có hình dáng phức tạp, phù hợp cho các công trình đòi hỏi kiến trúc cao

- Không sử dụng ván khuôn để tạo hình cấu kiện

- Thời gian thi công nhanh chóng

- Hoàn toàn tự động hóa do sử dụng hệ thống robot

1.2.3 Quá trình phát triển của bê tông in 3D

Hầu hết các ngành công nghiệp, ngoại trừ xây dựng, thì đã có công nghệ tự động hóa Hàng không vũ trụ, di động, bán lẻ và sản xuất là ví dụ cho một số ngành mà gặt hái được nhiều lợi ích từ việc tự động hóa trong vài thập kỉ gần đây Ngành công nghiệp xây dựng được cho là ngành cuối cùng cho việc tự động hóa Nó nên được chú ý, tuy nhiên, đã có những nỗ lực sử dụng hệ thống robot cho xây dựng tại chỗ [1]

- Cho ví dụ, hệ thống Big Canopy, được phát triển trong những năm 1980 bởi kỹ sư Nhật Bản trong việc nổ lực để phát triển hệ thống xây dựng robot tại chỗ Hệ thống bao gồm 13 tấn giá đỡ và thang máy nâng để vận chuyển vật liệu theo phương đứng

và cầu trục tự động để vận chuyển theo phương ngang Mặc dù hệ thống này dẫn đến một số cải tiến hiệu quả cho một ít kết cấu, nó cũng không thể đánh bại được xây dựng truyền thống Dựa trên việc xem xét lại từ hiệp hội xây dựng Nhật Bản, sự thất bại của Big Canopy và những dự án tương tự trong những năm 1980 và 1990 có thể được đổ cho việc không có khả năng xem xét các nghiên cứu, sự phát triển và gia

thành sản xuất cũng như không có khả năng làm giảm yêu câu lao động to lớn ngoài công trường [1]

- Năm 2003, Rupert Soar bảo đảm tài trợ và thành lập nhóm xây dựng tự do tại đại học Loughborough, Vương quốc Anh, để khám phá tiềm năng mở rộng kỹ thuật in 3D hiện có cho các ứng dụng xây dựng Năm 2005, nhóm đã bảo đảm tài trợ để xây dựng một máy in 3D có quy mô lớn sử dụng các thành phần “bên ngoài” (bơm bê tông, bê tông phun, hệ thống giàn) để khám phá các thành phần phức tạp như thế nào

và đáp ứng thực tế nhu cầu xây dựng [2]

- Contour crafting (CC) – chế tạo đường viền, được sáng chế năm 2004 bởi Dr Behrokh Khoshnevis của đại học Nam California, là công nghệ chế tạo tiên phong

mà sử dụng việc điều khiển máy tính để khai thác khả năng tạo hình bề mặt – tạo ra

bề mặt chính xác và trơn của vật liệu CC cho thấy tính khả thi cho tiến trình sản xuất mẫu phụ gia cho xây dựng Một số lợi ích quan trọng của CC bao gồm chất lượng bê mặt in chưa từng có của mẫu in, gia tăng tỉ lệ sản xuất và sự lựa chọn vật liệu to lớn Máy CC nguyên mẫu đã làm việc với kích thước 5m x 8m x 3m tường đương với 120

m2 vùng in Công nghệ CC được xem xét như là một phương phá khả thi cho các tòa nhà trung bình ờ các bề mặt Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa [2]

Hình 1-1: Máy in Contour crafting [2]

- Năm 2005 Enrico Dini, Ý, đã cấp bằng sáng chế công nghệ D-Shape, sử dụng kỹ thuật phun/kết dính bột ồ ạt trên diện tích khoảng 6m x 6m x 3m Kỹ thuật này mặc

dù ban đầu được phát triển với hệ thống liên kết nhựa epoxy sau đó được điều chỉnh

để sử dụng các chất kết dính vô cơ Công nghệ này đã được sử dụng thương mại cho

một loạt các dự án trong xây dựng và các lĩnh vực khác bao gồm cho rạn san hô nhân tạo [2]

Hình 1-2: Hệ thống máy in D-Shape [2]

Tại Ý, ông đã in 3D tác phẩm điêu khắc radiolaria nổi tiếng hiện nay, được thiết kế bởi Andrea Morgante

Hình 1-3: Tác phẩm điêu khắc in 3D được chế tạo bởi công nghệ D-Shape [2]

- Năm 2008, In 3D bê tông bắt đầu tại Đại học Loughborough, Vương quốc Anh, đứng đầu là Richard Buswell và các đồng nghiệp để mở rộng các nhóm nghiên cứu trước và xem xét các ứng dụng thương mại di chuyển từ một công nghệ dựa trên cầu

trục đến một robot công nghiệp, họ đã thành công trong việc cấp phép công nghệ cho Skanska vào năm 2014 [2]

- 3DPrinthuset, một startup in 3D thành công của Đan Mạch, cũng đã bước vào lĩnh vực xây dựng với máy in dựa trên cầu trục vào tháng 10 năm 2017 Với sự cộng tác mạnh mẽ trong khu vực Scandinavian, như NCC và Force Technology, công ty con

đã nhanh chóng đạt được lực kéo bằng cách xây dựng ngôi nhà 3DPrint đầu tiên ở châu Âu Dự án xây dựng theo yêu cầu là một khách sạn văn phòng nhỏ ở Copenhagen, khu vực Nordhavn, với các bức tường và một phần của nền được in đầy

đủ, phần còn lại của công trình được xây dựng theo truyền thống Tính đến tháng 11 năm 2017, tòa nhà đang trong giai đoạn cuối cùng của việc đưa đồ đạc và tấm lợp, trong khi tất cả các bộ phận của 3DPrinted đã được hoàn thành đầy đủ

Hình 1-4: Cấu trúc tường in 3D do nhóm 3DPrinthuset thực hiện.[2]

1.2.4 Tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

a Năm 2011, tác giả T.T.Le, S.A.Austin, S.Lim, R.A.Buswell, A.G.F.Gibb, T.Thorpe đã thực hiện “Thiết kế pha trộn và các đặc tính mới cho hiệu suất bê tông in” [3]

Bài báo này đã khảo sát và tìm ra cấp phối tối ưu nhất cho thiết kế bê tông in 3D, và một số tính chất ảnh hưởng đến đặc tính mới trong bê tông in 3D

Về vật liệu thiết kế hỗn hợp, tác giả tiến hành sử dụng hỗn hợp gồm cát có kích thước hạt 2 mm với đường kính vòi phun nhỏ 9 mm, xi măng loại I, tro bay và silicafume

Các hệ nguyên liệu này được thí nghiệm với các tỉ lệ pha trộn khác nhau để lựa chọn

tỉ lệ tối ưu Sau đó thay đổi liều lượng sử dụng phụ gia siêu dẻo, và hàm lượng sợi Polypropylen chiều dài 12 mm, đường kính 0,18 mm vào cấp phối tối ưu để chọn được liều lượng phụ gia thích hợp nhất phù hợp với yêu cầu cường độ đặt ra và độ dẻo của hỗn hợp

Về quy trình thí nghiệm tìm ra các tính chất mới trong hỗn hợp bê tông in 3D, tác giả sau khi sơ bộ tìm kiếm phân loại hạt tối ưu bao gồm cát, xi măng, tro bay và silicafume sau đó, trộn với thành phần tối ưu đã thử nghiệm với sợi và liều lượng phụ gia thay đổi để tiếp cận tính linh hoạt tối ưu, độ dẻo, thời gian mở và khả năng xây dựng Nhằm hướng đến mục tiêu thiết thực cho việc in ấn, về khả năng đùn thành sợi một lớp (khả năng mở rộng) và sau đó xây dựng thành nhiều lớp (khả năng xây dựng) Khả năng đùn là khả năng vận chuyển của bê tông thông qua một phễu và hệ thống bơm đến vòi mà nó có thể đùn ra như một dây liên tục Trong nghiên cứu, tác giả dùng vòi phun đường kính 9 mm, đùn với chiều dài dây 300 mm liên tục đến tổng chiều dài 4500 mm để kiểm tra sự tắc nghẽn đường ống, sự gãy xương giữa các dây đùn

Độ dẻo của hỗn hợp, có nhiều phương pháp kiểm tra bao gồm độ sụt và kiểm tra dòng chảy Tuy nhiên, tác giả sử dụng phương pháp đo lưu biến bằng mô hình Bingham để miêu tả

Thời gian mở là khoảng thời gian mà độ dẻo của bê tông ở mức duy trì khả năng đùn

Sự kết thúc của thời gian mở được tìm thấy là cường độ chịu cắt tăng 0,3 kPa so với cường độ chịu cắt ban đầu

Khả năng xây dựng được xác định là số lượng các lớp sợi dây có thể được xây dựng, dựa trên hình dạng được sử dụng để đánh giá tính đùn và biến dạng của các lớp bên dưới

Kết quả hỗn hợp thiết kế khảo sát sơ bộ với tỉ lệ cát/ chất kết dính khác nhau với hàm lượng cát là 75%, 70%, 65%, 60%, 55% Chất kết dính trong hỗn hợp bao gồm tỉ lệ

cố định 70% xi măng, 20% tro bay, 10% silicafume Tỉ lệ N/CKD (nước/chất kết dính) là 0,28 được chọn để thiết kế cường độ chịu nén 28 ngày đạt 100 MPa Bảng

thể hiện thành phần nguyên liệu cho năm hỗn hợp tối ưu thể hiện Bảng 1-1

Bảng 1-1: Nguyên liệu tối ưu cho các hỗn hợp [3]

sử dụng cho hỗn hợp 3 và hỗn hợp 4 để cải thiện khả năng đùn Với hỗn hợp 4, hàm lượng sợipolypropylen sử dụng tối đa 1,2 kg/ m3 Với hỗn hợp 3, hàm lượng sợi polypropylen lên tới 0,4 kg/ m3 Hỗn hợp 4 được đánh giá là hỗn hợp tối ưu trong điều kiện ép đùn và hàm lượng chất kết dính Vì hỗn hợp 5 có hàm lượng chất kết dính cao hơn hỗn hợp 4 nên không được đánh giá thêm Liên quan đến độ dẻo hỗn hợp đối với khả năng đùn, cường độ chịu cắt trong phạm vi 0,3 – 0,9 kPa (được kiểm soát bởi liều lượng phụ gia siêu dẻo) để tối ưu để in hỗn hợp 4 Thấp hơn 0,3 kPa, bê tông sẽ quá ướt nên xảy ra phân tách trong hệ thống đường ống Trên 0,9 kPa, bê tông

sẽ quá cứng, sẽ rất khó để in và không đạt được hình dạng dài 4500 mm, hỗn hợp bê tông đùn ra sẽ bị đứt gãy, ngắt quãng mà không thể in liên tục Hỗn hợp 4 được sử dụng để đánh gia và tối ưu hóa các tính chất khả năng xây dựng và thời gian mở

Về độ dẻo hỗn hợp bê tông, bị ảnh hưởng bởi hàm lượng sử dụng phụ gia siêu dẻo, phụ gia làm chậm và phụ gia tăng thời gian ninh kết Tăng phụ gia siêu dẻo từ 0 – 2%

chất kết dính sẽ tăng độ dẻo hỗn hợp tức là giảm cường độ chịu cắt (Hình 1-5), với

kết quả trung bình của ba lần thử nghiệm [3]

Hình 1-5: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia siêu dẻo 0,5%-2% đến cường độ chịu

gian ninh kết với độ dẻo hỗn hợp xuất hiện tuyến tính (Hình 1-6) Đối với phụ gia làm tăng thời gian ninh kết với độ dẻo hỗn hợp xuất hiện phi tuyến, (Hình 1-7) [3]

Hình 1-6: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia làm chậm thời gian ninh kết với hỗn

hợp 4 [3]

Hình 1-7: Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia làm kéo dài thời gian ninh kết

với hỗn hợp 4 [3]

Về thời gian mở, được khảo sát đầu tiên với sự thay đổi phụ gia siêu dẻo và không có phụ gia làm chậm thời gian ninh kết và thứ hai là với phụ gia làm chậm thời gian ninh

kết với hàm lượng 1% Hình 1-8 cho thấy tác dụng của phụ gia siêu dẻo hàm lượng

0-2% chất kết dính, đến độ dẻo hỗn hợp với thời gian Thời gian mở khi cường độ chịu cắt tăng 0,3 kPa mẫu không khuấy trộn phụ gia làm chậm thời gian ninh kết và

khuấy trộn phụ gia làm chậm thời gian ninh kết 1%, xem Hình 1-8, Hình 1-9 [3]

Mẫu phụ gia siêu dẻo 0,5% có thời gian mở 3 phút, cường độ chịu cắt ban đầu là 2,6 kPa sau 13 phút cường độ chịu cắt không đo được vì vượt quá khả năng thiết bị (3,2 kPa) Với phụ gia siêu dẻo 1% thời gian mở là 5 phút, phụ gia siêu dẻo 1,5% và 2% thời gian mở lên tới 15 phút và 18 phút Mẫu khuấy trộn phụ gia làm chậm thời gian ninh kết có thời gian mở lâu hơn, với phụ gia siêu dẻo 1% thời gian mở là 15 phút,

phụ gia siêu dẻo 1,5% và 2% thời gian mở lên tới hơn 60 phút, xem Hình 1-8 Tuy

nhiên sử dụng nhiều phụ gia siêu dẻo sẽ giảm khả năng xây dựng Do đó, phụ gia siêu dẻo 1% được chọn để đánh giá tác động của phụ gia làm chậm thời gian ninh kết

Hình 1-8: Ảnh hưởng liều dùng phụ gia siêu dẻo đến khả năng làm việc với

thời gian [3]

Hình 1-9: Ảnh hưởng liều dùng phụ gia siêu dẻo đến thời gian mở [3]

Thời gian mở bị ảnh hưởng bỡi liều lượng phụ gia làm chậm thời gian ninh kết khác nhau từ 0 - 2% theo khối lượng chất kết dính xem Hình 1-10, Hình 1-11

Đối với các mẫu không khuấy trộn phụ gia phụ gia siêu dẻo kết quả cho thấy việc sử dụng phụ gia làm chậm thời gian ninh kết ảnh hưởng không đáng kể đến thời gian

mở Sau ít hơn 10 phút cường độ chịu cắt của các mẫu tăng hơn 0,3 kPa và hiện tượng

được quan sát thấy giống tương tự đường nét đứt Hình 1-8 [3] Đối với mẫu khuấy

trộn, thời gian mở lên tới 100 phút khi 0,5% phụ gia chậm thời gian ninh kết được thêm vào Nhưng khi tăng hàm lượng phụ gia chậm thời gian ninh kết 1% thì cường

độ chịu cắt tăng thêm 0,3 kPa sau 14 phút nhưng sau đó tăng chậm trong 90 phút Với hàm lượng 1- 2% phụ gia chậm thời gian ninh kết đã làm giảm cường độ chịu nén 1

ngày dưới 1 Mpa, trong khi hàm lượng 0,5% phụ gia chậm thời gian ninh kết cường

độ chịu nén 1 ngày tăng lên đến 20 Mpa Do đó, sử dụng 0,5% phụ gia chậm thời gian ninh kết và 1% phụ gia siêu dẻo là tối ưu cho hỗn hợp ứng với thời gian mở

Hình 1-10: Ảnh hưởng liều dùng phụ làm chậm thời gian ninh kết đến thời

15 lớp chiều rộng 1 lớp và chiều cao 34 lớp chiều rộng 5 lớp Ở các chiều cao lần lượt

57, 60, 61, 61 lớp và chiều rộng đạt được lần lượt 2, 3, 4, 5 lớp tương ứng, chỉ có một

sợi ở mỗi nhóm sụp đổ, xem Hình 1-12 [9]

Hình 1-12: Khả năng xây dựng hỗn hợp ở cường độ chịu cắt 0,55 kPa [3]

Kết luận, cho thấy hỗn hợp 4 với tỉ lệ N/CKD là 0,26, tỉ lệ cát/CKD là 60/40, hàm lượng sợi polypropylen 1,2 kg/m3 Hỗn hợp cần sử dụng phụ gia siêu dẻo 1% và phụ gia làm chậm thời gian ninh kết 0,5% để đạt được khả năng làm việc tối ưu của cường

độ chịu cắt 0,55 kPa, một thời gian mở tối ưu lên tới 100 phút và khả năng xây dựng một số lượng lớn các lớp với dây tóc khác nhau các nhóm Cường độ nén của hỗn hợp này, bằng cách đúc mẫu khuôn 100×100×100 mm, tại 1, 7, 28 và 56 ngày theo

BS EN 12390-2: 2009 là 20, 80, 110 và 125 Mpa tương ứng [9]

b Năm 2017, tác giả Ali Kazemian, Xiao Yuan, Evan Cochran, Behrokh Khoshnevis đã thực hiện nghiên cứu “Vật liệu có tính xi măng trong bê tông in 3D: Các phương pháp thử nghiệm hỗn hợp bê tông in 3D” [4]

Tác giả sử dụng các hệ nguyên liệu bao gồm: cát có cỡ hạt 2,36 mm, xi măng Porland loại II (XM), Silicafume (SF), sợi Polypropylen (PP) (khối lượng riêng 0,91 kg/m3, chiều dài 6mm), phụ gia giảm nước tầm cao (HRWRA), phụ gia chống rửa trôi (VMA), đất sét attapulgite tinh khiết có khối lượng riêng 2,29 kg/m3 Trong cấp phối, tác giả giữ nguyên tỷ lệ Nước trên chất kết dính (chất kết dính gồm XM và SF)

tỉ lệ không đổi là 0,43 Bảng cấp phối được thể hiện ở

Bảng 1-2 Các hệ nguyên liệu được nhào trộn với nhau trong 8 phút

HRWRA (%)

VMA (%)

0

0

0

0 0.3

0,05 0,16 0,06 0,15

0,11

0 0,1

0 (Đơn vị % cho Nanoclay, HRWRA, VMA là phần trăm tính theo khối vật liệu xi măng Đơn vị: kg/m3 cho các cột còn lại)

Tiến hành đo độ dẻo bàn dằn theo tiêu chuẩn ASTM C1437-15, hỗn hợp được lèn chặt vào côn, nhấc côn và đầm 25 cái trong 15 giây Độ dẻo tính bằng phần trăm đường kính độ xèo của hỗn hợp và đường kính của bàn dằn Xác định cường độ chịu nén của hỗn hợp theo ASTM C109, khuôn có kích thước 505050 (mm), tốc độ gia tải 1200 N/s, ở ngày tuổi 7 ngày, 28 ngày dưỡng hộ nước Các kết quả được trình bày

ở Bảng 1-3 [4] Cường độ chịu nén của các hỗn hợp là tương tự nhau, ngoại trừ SFPM

tăng 7% cường độ 7 ngày, 12% cường độ 28 ngày so với PPM, điều này được giải thích là do phản ứng pozzolanic của Slicafume hình thành C-S-H muộn

Bảng 1-3: Độ dẻo và cường độ chịu nén 7 ngày, 28 ngày của các hỗn hợp [4]

Ký hiệu Độ dẻo (%) 7 ngày (MPa) 28 ngày (MPa)

- Các nữa hình trụ được cố định và khóa lại

- Đổ hỗn hợp bê tông vào khung chứa cao 40 mm Đầm 15 cái xung quanh mẫu

- Tương tự với lớp bê tông thứ 2, tổng chiều cao của lớp bê tông là 80 mm

- Hai nữa hình trụ được mở khóa nhẹ nhàng và ghi nhận lại chiều cao

- Đặt tải trọng 5,5 kg lên mẫu và đo độ lún của hỗn hợp

Hình 1-13: Bộ thử nghiệm độ bền ướt (bên trái), cách thiết lập cách đo độ bền

ướt [4]

Thí nghiệm này được thực hiện sau khi quy trình trộn kết thúc và thu được Bảng 1-4:

Bảng 1-4: Kết quả đo độ ổn định- độ bền ướt [4]

Giá trị trong dấu ngoặc là độ lệch chuẩn được đo từ 3 thí nghiệm lặp lại (mm)

Biến dạng lớn nhất ở hỗn hợp PPM, tiếp theo đó là hỗn hợp FRPM Hỗn hợp NCPM thể hiện độ ổn định hình dạng cao nhất Trong khi hỗn hợp SFPM có một chút biến dạng lớn hơn một ít so với hỗn hợp NCPM

Qua thí nghiệm trên, cho thấy hỗn hợp với silica fume và nanoclay giúp tăng cường

ổn định hình dạng của hỗn hợp in Trong khi hỗn hợp với sợi PP chỉ giúp cải thiện nhỏ cho sự ổn định hình dạng

c Năm 2019, tác giả Kuchem, Jonathan Thomas đã thực hiện nghiên cứu "Phát triển các phương pháp thử nghiệm để mô tả đặc tính đùn của xi măng-vật liệu dựa trên để sử dụng trong in 3D "[5]

Tác giả sử dụng xi măng Portland loại I, cát sông tự nhiên, phụ gia giảm nước MasterGlenium 7500, sợi thép chiều dài 13 mm, đường kính 0,2 mm và nước Tác

giả đánh giá giữa trên 8 hỗn hợp bao gồm hỗn hợp tham chiếu kí hiệu REF không có sợi, ba hỗn hợp sợi thép từ lốp xe tái chế với hàm lượng 0,25%, 0,5%, 0,75% kí hiệu RE-0,25; RF-0,5; RF-0,75, ba hỗn hợp của sợi thép sản xuất thông thường với tỷ lệ phần trăm tương tự như sợi tái chế ký hiệu F-0,25, F-0,5, F-0,75, hỗn hợp thứ tám là hỗn hợp ký hiệu HF với 0,25% thể tích sợi tái chế và 0,25% thể tích sợi thép Với tỉ

lệ N/CKD (nước/ chất kết dính) được giữ không đổi mức 0,4

Bảng 1-5: Thành phần hỗn hợp bê tông từng cấp phối

Ký

hiệu N/X

Xi Măng

Silica fume

Cốt liệu

Cốt liệu lớn Cát

Sợi thép

Sợi tái chế

Phụ gia

0 0,25 0,5 0,75

0

0

0 0,25

0,9

1 1,1 1,15 1,2 1,4 1,5 1,25

Nghiên cứu về tác dụng của sợi như một hệ thống gia cố trong bê tông cho thấy tác dụng và lợi ích của việc sử dụng sợi trong bê tông Tính chất cơ học của FRC đó là được làm bằng hai loại sợi được so sánh để nghiên cứu tính khả thi của việc áp dụng tái chế sợi như một lựa chọn thân thiện với môi trường để thay thế sợi sản xuất Đầu tiên ảnh hưởng của khả năng làm việc, cụ thể là nhu cầu siêu dẻo được trình bày Sau

đó là hiệu ứng về cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và hiệu suất sau nứt của bê tông mẫu được thảo luận

Kết quả của các bài kiểm tra nén là được tóm tắt trong Bảng 1-6 Năng lượng nén

tiền lên đỉnh được tìm thấy từ khu vực dưới tải đường cong lệch tới tải tối đa (hoặc cực đại) Tổng năng lượng được tìm thấy tương tự từ khu vực dưới toàn bộ đường cong cho đến khi thất bại Kết quả mô đun đàn hồi thử nghiệm, năng lượng trước đỉnh, tổng năng lượng và cường độ nén được thể hiện bảng Kết quả từ bảng này cho thấy các sợi không cung cấp nhiều cải thiện cường độ nén Một lý do tại sao các sợi không tăng cường độ nén là các sợi chủ yếu có hiệu quả để gia cố các vết nứt trong

bê tông

Bảng 1-6: Kết quả nén của bê tông

Ký hiệu

Cường độ nén

Năng lượng trước

Năng lượng đỉnh

Modul đàn hồi Trung bình

(MPa) REF

Trung bình (kN.mm) REF

Khi cho sợi, vùng sau nén sẽ kéo dài rõ rệt so với việc không có sợi thể hiện ở Hình

1-14 Đưa sợi tái chế vào trong hỗn hợp bê tông ta thấy cường độ nén của bê tông

không có sự thay đổi rõ rệt Nhưng ở cấp phối 0,5 sợi tái chế ta thấy cường độ nén giảm rõ rệt

Hình 1-14: Quan hệ ứng suất – biến dạng

Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện tại, chưa có nghiên cứu về bê tông in 3D ở trong nước

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bê tông cốt sợi (BTCS) PP để phục vụ công tác in:

- Độ dẻo của BTCS, khả năng đóng rắn, tính chất hỗn hợp của vữa

- Sự phát triển cường độ của BTCS PP

- Khả năng in được: hình dáng có ổn định, khả năng chịu tải ướt,…

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông in 3D trong và ngoài nước

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo của hỗn hợp bê tông, đến phát triển cường độ bê tông

- Nghiên cứu các tính chất của nguyên vật liệu sử dụng cho đề tài

- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP, tỉ lệ N/CKD, C/CKD đến độ dẻo của bê tông, đến thời gian ninh kết của bê tông, đến độ bền ướt, đến khả năng co ngót và phát triển cường độ chịu nén của bê tông

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập tài liệu, tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu trước, tính toán thiết kết cấp phối và thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm

Hồ xi măng cũng là hệ phân tán, cùng với sự phát triển của quá trình hydrat hóa, bề mặt phân chia pha phát triển nhanh, sẽ sinh ra một số lượng lớn những hợp chất mới làm tăng độ phân tán của những hạt pha rắn trong hồ xi măng, dẫn đến sự tăng lượng nước hấp thụ trong hệ, sự phát triển dính phân tử giữa các hạt xi măng làm tăng năng lực dính kết và tính dẻo của hồ xi măng, tăng cường vai trò liên kết của nó trong hỗn hợp bê tông

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu biến của hổn hợp bê tông

Ảnh hưởng của lượng nước nhào trộn đến độ dẻo của bê tông

Lượng nước nhào trộn là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông Lượng nước nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng và lượng nước dùng cho cốt liệu (độ cần nước) Lượng nước trong hồ xi măng xác định độ lưu biến của

hồ và do đó xác định tính chất của hỗn hợp bê tông – độ lưu động và độ cứng Khả năng hấp thụ nước (độ cần nước) của cột liệu là một đặc tính công nghệ quan trọng của nó Khi diện tích bề mặt của các hạt cốt liệu thay đổi, hay nói cách khác, tỉ

lệ các cấp hạt của cột liệu, độ lớn của nó và đặc trưng bề mặt của cốt liệu thay đổi, thì độ cần nước cũng thay đổi Vì vậy, khi xác định thành phần bê tông thì việc xác định tỉ lệ cốt liệu nhỏ - cốt liệu lớn tối ưu để đảm bảo cho hồ xi măng nhỏ nhất là rất quan trong Để đảm bảo cho bê tông có cường độ yêu cầu thì tỉ lệ nước – xi măng phải giữ ở giá trị không đổi và do đó khi độ cần nước của cốt liệu tăng thì dẫn đến chi phí quá nhiều xi măng

Giả thiết lượng nước ban đầu trong hỗn hợp bê tông bé, nước chỉ đủ bao bọc mặt ngoài hạt xi măng và tạo nên màng hấp thụ nước hấp phụ Màng nước này liến kết

rất bền chặt với hạt xi măng, có tính đàn hồi, tính chịu kéo, cường độ chống cắt và độ nhớt

Nếu lượng nước tăng lên, màng nước hấp phụ dày thêm do sức căng bề mặt của nước (lực mao dẫn) nước sẽ dịch chuyển trong các đường mao quản làm cho hỗn hợp bê tông có tính dẻo

Tiếp tục tăng lượng nước lên sẽ hình thành nước tự do phân bố vào các ống mao quản thông nhau, cũng như các hốc rỗng và có thể dịch chuyển dễ dàng trong các phần tử rỗng dưới tác dụng của trọng lực

Phần thừa của nước tự do trong hỗn hợp bê tông sẽ thâm nhập vào các khe nứt của những hạt rắn và làm dày them màng nước bọc quanh chúng Lực hút phân tử sẽ giảm đáng kể, lực mao dẫn mất đi, độ nhớt của hồ xi măng cũng như của hỗn hợp bê tông

sẽ giảm đi nhanh chóng Đối với mỗi hổn hợp bê tông tồn tại một giới hạn trên của lượng nước tự do mà giới hạn đó nước liên kết trong hỗn hợp không bị phá hoại, hỗn hợp không bị phân tầng, tách nước, có những tính chất của thể dẻo Giới hạn đó được gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp bê tông Nó phụ thuộc vào khả năng giữ nước của xi măng với các thành phần nghiền mịn khác, và cũng phụ thuộc và hàm lượng của chúng Khả năng giữ nước của xi măng Portland ≤ 1,65NTC (lượng nước tiêu chuẩn) [6]

Khi lượng nước tự do lớn hơn khả năng giữ nước thì sẽ xảy ra hiện tượng phân tầng

và tách nước Lượng nước này gọi là lượng nước thừa Theo định luật Stok, vận tốc lắng xuống của các hạt phụ thuộc vào kích thước hạt rắn, và tỉ trọng của chúng Đầu tiên xảy ra hiện tượng lắng xuống thấy được bằng mắt thường của các hạt lớn, vì độ nhớt của hồ xi măng không đủ giữ những hạt có kích thước lớn này ở trạng thái lở lửng Một thời gian ngắn tiếp theo là sự lắng xuống của những hạt có kích thước bé hơn (cát, bụi, bùn, sét, xi măng) Nước là thành phần nhẹ nhất sẽ nổi lên trên mặt tạo nên hiện tượng tách nước

Hiện tượng phân tầng và tách nước của hỗn hợp thấy được bằng mắt thườn xảy ra một thời gian ngắn Sau đó lá quá trình trầm lắng không nhìn thấy được kéo dài khá lâu của những hạt mịn, và sẽ tắt dần khi lượng nước còn lại nhỏ hơn khả năng giử nước của hồ xi măng

Ảnh hưởng của loại và lượng xi măng đến độ dẻo bê tông

Nếu trong hỗn hợp bê tông có một lượng hồ xi măng đủ để bao bọc cát hạt cốt liệu

và lấp đầy phần rỗng cốt liệu làm cho các hạt cốt liệu ít có cơ hội tiếp xúc nhau, lực

ma sát khô sẽ giảm, tính công tác của hỗn hợp sẽ tăng và ngược lại Smeplass (1994)

đã phát hiện ra rằng khi hàm lượng XM (XM với 5% SF) dẫn đến giảm cả giới hạn chảy và độ nhớt dẻo

Tính dẻo của hỗn hợp bê tông cũng thay đổi phụ thuộc vào loại XM và các loại phụ gia vô cơ nghiền mịn có trong XM Thành phần hóa học và đặc tính vật lý của XM

có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính công tác kể cả sử dụng XM cùng loại Chỉ tiêu thể hiện mức độ ảnh hưởng của XM đối với tính công tác của hỗn hợp bê tông là lượng nước tiêu chuẩn Cùng với một lượng nước nhào trộn nhất định, XM có lượng nước tiêu chuẩn lớn hơn sẽ làm cho độ nhớt của hồ xi măng đó cao hơn dẫn đến tính công tác của hỗn hợp bê tông đó sẽ kém hơn [7]

Lượng nước tiêu chuẩn thay đổi phụ thuộc vào độ mịn và thành phần khoáng vật của

XM Vom Berg (1979) xác định rằng việc tăng độ mịn của XM dẫn đến giới hạn chảy

và độ nhớt dẻo cũng tăng theo cấp số nhân Khi độ mịn của XM tăng, tổng diện tích

bề mặt hạt XM tăng, lượng nước tiêu chuẩn cũng sẽ tăng theo và do đó với một lượng nước nhào trộn nhất định, độ nhớt của hồ xi măng và của hỗn hợp bê tông sẽ tăng dẫn đến tính công tác của hỗn hợp bê tông sẽ giảm Nhưng khi độ mịn xủa xi măng tăng đến mức độ cao (ví dụ lọt qua sàng 10000 lỗ/cm2 ) thì quá trình thủy hóa XM xảy ra nhanh và triệt để hơn, quá trình hóa keo tăng nhanh làm độ nhớt của hồ xi măng và hỗn hợp bê tông giảm, tính công tác của hỗn hợp bê tông sẽ cải thiện [8]

Hope and Rose (1990) đã kiểm tra ảnh hưởng của thành phần XM đến lượng nước cần thiết cho sự chảy xòe và đưa ra kết luận rằng, lượng nước tiêu chuẩn tăng đối với

XM có hàm lượng Al2O3 hoặc C2S cao, và giảm đối với XM có lượng cacbonat hoặc hàm lượng C3S cao Sự phân bố kích thước hạt của XM rất có ý nghĩa đối với bê tông được làm bằng cốt liệu có hình dạng góc cạnh và ít rõ ràng hơn đối với bê tông được làm bằng cốt liệu có hình dạng tròn Đối với bê tông có cốt liệu có hình dạng góc cạnh, XM có kích cỡ hạt nhỏ hơn 10 μm có lượng nước tiêu chuẩn cao hơn [8]