Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vật liệu bê tông Geopolymer
2.1.1 Quá trình geopolymer hóa các nguyên liệu giàu nhôm và silic:
Vật liệu geopolymer được chế tạo dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm, nhằm tạo ra sản phẩm có độ bền và cường độ cao Hệ nguyên liệu cho geopolymer gồm hai thành phần chính: nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm; nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate để cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa Quá trình này diễn ra khi aluminosilicate phản ứng với dung dịch kiềm, hình thành mạng liên kết ba chiều ổn định và tạo ra vật liệu có tính chất cơ học tốt.
Tro bay có thành phần chính gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và được cấu tạo bởi các tinh cầu tròn, siêu mịn với độ lọt sàn từ 0,05–50 nanomet và diện tích tiếp xúc 300–600 m2/kg, nên được xem như một loại pozzolan nhân tạo chất lượng cao Việc thay thế xi măng bằng tro bay giúp giảm phát thải CO2 từ quy trình sản xuất xi măng và đồng thời tận dụng nhiều phế phẩm công nghiệp cho các công trình xây dựng, như chế tạo bê tông xanh – bê tông geopolymer Cơ chế hình thành geopolymer được nhà khoa học Pháp Joseph Davidovits đề xuất vào năm 1970 Vật liệu geopolymer từ aluminosilicate hình thành từ mạng lưới polysialate dựa trên các tứ diện SiO4 và AlO4.
Trong hệ thống geopolymer, M đại diện cho nguyên tố kiềm như K, Na, Ca; z có thể nhận các giá trị 1, 2, 3 và có thể lên tới 32; n là mức độ ngưng tụ và w là số phân tử nước tham gia phản ứng Năm 1999, Joseph Davidovits đề xuất rằng toàn bộ quá trình phản ứng hóa học hình thành geopolymer có thể được mô tả bằng hai bước phản ứng, được thể hiện qua sơ đồ phản ứng đi kèm [31].
Quá trình geopolymer hóa bắt đầu với sự hòa tan của Al và Si từ vật liệu Si –
Nhôm (Al) trong dung dịch kiềm tham gia phản ứng hydrat với NaOH và KOH, hình thành các sản phẩm hydrat và một gel có công thức [Mx(AlO2)y,(SiO2)z.nMOH.mH2O] Sau một thời gian ngắn, gel này cứng lại và biến thành geopolimer.
Theo Djwantoro Hardjito (2005) [32], quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau:
Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ các ion hydroxide có trong dung dịch, định hướng các ion này để hình thành các monomer; các monomer sau đó được liên kết với nhau thông qua phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ.
Hình 2.1: Quá trình phản ứng của vật liệu geopolymer [33]
Theo Glukhovsky, Rostovskaja và Rumyna [34], cơ chế kiềm kích hoạt bao gồm hai quá trình chính: phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định thấp và các phản ứng nội tại Khi pH kiềm tăng lên, liên kết Si-O-Si và Al-O-Si bị bẻ gãy, khiến các nhóm nguyên tố này chuyển sang hệ keo Tiếp theo là sự tích tụ của các sản phẩm bị phá hủy và phản ứng nội tại giữa chúng để hình thành cấu trúc ổn định thấp, sau đó là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc (hình 2.1) Đối với chất hoạt hóa kiềm từ tro bay, quá trình này đi kèm với tỏa nhiệt trong hòa tan và phân tách các liên kết Si-O và Al-O-Al Nhìn chung, sản phẩm phụ thuộc vào mức độ phá vỡ cấu trúc tro bay ở thời gian đầu và cuối, sau đó là quá trình ngưng kết tạo cấu trúc chuỗi có trật tự, mang lại khả năng có cường độ cơ học cao.
Quá trình tạo thành cấu trúc geopolymer có thể được biểu diễn tóm tắt theo sơ đồ sau:
Hình 2.2: Quá trình Geopolymer hóa [35]
Joseph Davidovits cho rằng dung dịch kiềm có thể phản ứng với silic và nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải như tro bay, tro trấu để chế tạo chất kết dính; quá trình hóa học này là sự trùng hợp, nên ông gọi chất kết quả là geopolymer, với các thông số quyết định tính chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer được xác định bởi tỷ lệ Si/Al.
2.1.2 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay:
Phần lớn hạt tro bay có dạng hình cầu với kích thước khác nhau; các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bao bọc và có hình dáng rất đa dạng Hạt tro bay thường được chia làm hai dạng chính: dạng đặc và dạng rỗng Hạt cầu rắn được gọi là hạt đặc, trong khi hạt cầu rỗng có phần bên trong rỗng và có mật độ thấp hơn 1,0 g/cm3 Những dạng phổ biến của tro bay được hình thành từ các hợp chất ở dạng tinh thể như thạch anh, mullite và hematite, hoặc ở dạng thuỷ tinh như oxit silic và các oxit khác Tùy thuộc vào hàm lượng cacbon, tro bay có màu xám hoặc đen; tro bay có màu sáng cho thấy hàm lượng cacbon thấp.
Hình 2.3: Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ.[36]
Hình 2.4: Biểu diễn đặc trưng dạng hình cầu của các hạt trong khoảng kích thước thường thấy nhiều hơn.[36]
Tro bay chứa các hoạt chất Si và Al, được cấu thành từ các tinh cầu siêu mịn có khả năng kích hoạt và đóng rắn khi tiếp xúc với dung dịch kiềm cao Tốc độ đóng rắn, vi cấu trúc và thành phần của các sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất ban đầu của tro bay, nồng độ và tính chất của dung dịch kích hoạt, cũng như thời gian hằng nhiệt Việc hiểu sâu mối liên hệ giữa các yếu tố này cho phép tối ưu hóa quá trình kích hoạt và cải thiện hiệu suất ứng dụng của tro bay trong các hệ xi măng và vật liệu xây dựng.
Chất kết dính geopolymer là mạng lưới các chuỗi phân tử khoáng vô định hình liên kết với nhau qua các liên kết cộng hóa trị Quá trình geopolymer hóa là quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer, liên quan đến phản ứng giữa aluminosilicate oxit (Si2O5, Al2O2) và polysilicate kiềm nhằm hình thành liên kết Si-O-Al thông qua quá trình ngưng tụ polymer Quá trình này phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al Joseph Davidovits đã phân loại polysilicate thành bốn loại dựa trên Si/Al: Poly(sialate) (-Si-O-Al-O-) với Si/Al = 1, Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-) với Si/Al = 2, Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) với Si/Al = 3, Poly(sialate-multisiloxo) với Si/Al > 3.
Hình 2.5: Sự tương tác của tro bay trong dung dịch hoạt hóa kiềm [37]
Trong mô hình hạt tro bay khi bị kích hoạt kiềm, bắt đầu bằng kiềm hóa một điểm nhỏ trên bề mặt hoạt tro bay, sau đó lan rộng và hình thành một lỗ lớn, tiếp tục phản ứng với các hạt nhỏ ở bên trong Phản ứng được duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều: từ ngoài vào trong và từ trong ra ngoài Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn, cho thấy cơ chế phản ứng hòa tan của hạt tro bay khi kích hoạt kiềm.
Quá trình gắn kết các hạt nhỏ với các hạt lớn tạo thành một ma trận dày đặc và đồng nhất cho vật liệu geopolymer Dưới tác dụng của nhiệt độ, các hạt này phản ứng với dung dịch hoạt hóa để kích hoạt quá trình và tăng cường cường độ cho vật liệu geopolymer.
2.1.3 Ảnh hưởng của cấu trúc geopolymer đến cường độ bê tông:
Bê tông là vật liệu có cấu trúc phức tạp, được tạo thành từ ba thành phần chính: cốt liệu, chất kết dính và hệ thống mao quản; trong bê tông công trình có cấu trúc liên tục, hạt cốt liệu lớn và cốt liệu mịn được phân bố tương đối đồng đều và chứa một lượng không khí đáng kể, cốt liệu lớn và cốt liệu mịn chiếm khoảng 70-80% thể tích hỗn hợp và đặc tính của cốt liệu thực sự ảnh hưởng đến tính chất của bê tông; phản ứng hóa học trong bê tông OPC và bê tông Geopolymer ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ, khi quá trình hydrate hóa liên tục lấp đầy các lỗ rỗng và sự phát triển cường độ của Geopolymer phụ thuộc vào hàm lượng dung dịch kiềm, thời gian dưỡng hộ, lượng cốt liệu và các thành phần khác; có ba yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc và cường độ bê tông là tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide, tỉ lệ dung dịch kiềm/tro bay và điều kiện thời gian dưỡng hộ, những yếu tố này làm thay đổi cấu trúc của vật liệu trong quá trình phản ứng và hình thành chuỗi polymer Si-O-Al.
Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi poly (sialates) Si-O-Al [38]
Các chỉ tiêu đặc trưng của GPC phụ thuộc vào ứng dụng, trong đó hai chỉ tiêu quan trọng là cường độ chịu nén của bê tông đặc chắc và tính công tác của hỗn hợp Các yếu tố ảnh hưởng đến những đặc trưng này gồm nồng độ dung dịch NaOH, tỷ lệ thủy tinh lỏng (TTL) và dung dịch kiềm, tỷ lệ khối lượng dung dịch kiềm so với tro bay, thời gian nhào trộn hỗn hợp ướt, nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ nhiệt.
Tỷ lệ khối lượng dung dịch kiềm trên khối lượng tro bay thường được khuyến nghị từ 0,3 đến 0,45 Tuy nhiên, theo Cherdsak Suksiripattanapong (2015), cường độ của GPC vẫn tăng khi tỷ lệ kiềm/tro bay ở mức từ 0,5 đến dưới 0,65.
Hình 2.7: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén của GPC [39]
Cọc rỗng bê tông
Cọc rỗng bê tông ứng suất trước là cọc được sản xuất bằng phương pháp quay ly tâm, cường độ nén không nhỏ hơn 60 MPa với mẫu thử là mẫu hình trụ có kích thước (150 x 300) mm, có hình trụ rỗng có chiều dài từ 6 - 30m, tiết diện cọc hình vành khuyên có đường kính ngoài 300 - 1200mm tương ứng với chiều dày thành cọc là 60 - 150mm thể hiện ở hình 2.9
D Đường kính ngoài cọc d Chiều dày thành cọc a Đầu cọc hoặc đầu mối nối b Mũi cọc hoặc đầu mối nối
Hình 2.9: Cọc rỗng bê tông ứng suất trước
Cọc rỗng bê tông ứng suất trước được sản xuất và quản lý trong môi trường nhà máy nên chất lượng đồng đều được duy trì Sử dụng bê tông mác cao 60- 80N/mm 2 cùng với quá trình quay ly tâm, và tác động của ứng suất trước làm cải thiện được kết cấu chịu lực của cọc và các tính năng ưu việt khác của cọc:
- Khả năng chịu kéo cao
- Chống ăn mòn sun phát và chống ăn mòn cốt thép
- Không xuất hiện ứng suất gây xoắn nứt trong quá trình đóng
- Cho phép đóng xuyên qua các lớp địa tầng cứng
Do sử dụng bê tông có cấp độ bền và thép cường độ cao nên giá thành cao hơn cọc bê tông cốt thép thông thường
Đây là loại cọc có nhiều ưu điểm nổi bật như độ bền cao, khả năng chịu tải lớn và thi công linh hoạt, nên được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như cầu đường, cảng biển, công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, công trình tường chắn sóng và đất nền Việc sử dụng cọc giúp tăng độ ổn định cho kết cấu, giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công và kéo dài tuổi thọ công trình Vì vậy, cọc được xem là giải pháp tối ưu cho các dự án đòi hỏi khả năng chịu lực cao và hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
2.2.4 Tính toán thiết kế cọc rỗng OPC và GPC
Cọc rỗng Bê tông tính toán tương tự tham khảo dựa theo lý thuyết từ TCVN
Tiêu chuẩn 7888:2014 quy định cọc bê tông ly tâm ứng lực trước, nhưng trong đề tài nghiên cứu tập trung vào ứng xử của cọc rỗng bê tông nên tác giả bỏ qua tính toán ứng suất trước, tức là không tiến hành căng thép để tạo ứng suất như quy định trong tiêu chuẩn.
Tính toán khả năng chịu uốn của cọc rỗng
2.3.1 Cường độ chịu uốn của cọc rỗng
Hiện nay trên thế giới và trong nước chưa có tiêu chuẩn chung để tính toán cường độ chịu uốn của cấu kiện GPC, vì vậy bài viết đề xuất vận dụng TCVN 5574:2012 để xác định khả năng chịu uốn của cọc rỗng Theo TCVN 5574:2012, mô men uốn của cọc rỗng được xác định theo trạng thái giới hạn I với các giả thiết: ứng suất kéo/nén của thép đạt tới cường độ chịu kéo/nén; ứng suất nén của bê tông bằng cường độ chịu nén của bê tông, không xét đến khả năng chịu kéo của bê tông; mặt phẳng vẫn phẳng sau biến dạng Các giá trị tính toán có ý nghĩa tham khảo.
Cường độ chịu uốn của cọc rỗng tiết diện vành khuyên có có tỷ số giữa bán kính trong và bán kính ngoài 𝑟 1
𝑟 2 > 0,5, cốt thép phân bố đều theo chu vi (số thanh cốt thép dọc không nhỏ hơn 6), được tính toán theo mục 6.2.2.9 và 6.2.2.12 của TCVN
𝜋 + 𝑅 𝑠 𝐴 𝑠,𝑡𝑜𝑡 𝜑 𝑠 𝑧 𝑠 (2.2) Trong đó: 𝑟 1 : bán kính trong tiết diện
𝑟 2 : bán kính ngoài tiết diện
𝑟 𝑚 : bán kính trung bình tiết diện
𝛾 𝑏 : hệ số điều kiện làm việc của bê tông, lấy 𝛾 𝑏 = 0,9
𝑅 𝑏 : cường độ chịu nén của bê tông 𝐴: diện tích tiết diện vành khuyên, 𝐴 = 𝜋(𝑟 2 2 − 𝑟 1 2 )
𝑅 𝑠𝑐 : cường độ chịu nén của cốt thép
𝐴 𝑠,𝑡𝑜𝑡 : tổng diện tích cốt thép
𝑟 𝑠 : bán kính qua trọng tâm tiết diện cốt thép
𝜉 𝑐𝑖𝑟 : diện tích tương đối của bê tông vùng chịu nén
Nếu 𝜉 𝑐𝑖𝑟 < 0.15 thì tính lại theo công thức:
𝜑 𝑠 : hệ số xác định theo công thức: 𝜑 𝑠 = 𝜔 1 − 𝜔 2 𝜉 𝑐𝑖𝑟
𝜔 1 : hệ số xác định theo công thức: 𝜔 1 = 𝜂 1 − 𝜎 𝑠𝑝
𝜎 𝑠𝑝 = 0 không có cốt thép dự ứng lực
𝜔 2 : hệ số xác định theo công thức: 𝜔 2 = 𝜔 1 𝛿
𝑧 𝑠 : khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo đến trọng tâm tiết diện
2.3.2 Mô men kháng nứt của cọc rỗng
Momen kháng nứt của tiết diện cọc rỗng được xác định theo mục 7.1.2.4 của TCVN 5574 : 2012 như sau:
𝑀 𝑐𝑟𝑐 = 𝑅 𝑏𝑡,𝑠𝑒𝑟 𝑊 𝑝𝑙 (2.5) Trong đó: 𝑅 𝑏𝑡,𝑠𝑒𝑟 : cường độ chịu kéo của bê tông theo TTGH II
𝑊 𝑝𝑙 : Momen kháng uốn của tiết diện quy đổi đối với thớ chịu kéo ngoài cùng, có thể được tính gần đúng theo công thức:
𝛾: hệ số tính theo công thức 𝛾 = 2 − 0,4 𝑟 1
𝑊 𝑟𝑒𝑑 : mômen kháng đàn hồi của tiết diện quy đổi đối với thớ chịu kéo ngoài cùng, được xác định:
𝑦 0 : khoảng cách từ trọng tâm tiết diện quy đổi đến mép chịu kéo, 𝑦 0 = 𝑟 2
𝐼 𝑟𝑒𝑑 : momen quán tính của tiết diện quy đổi:
2.3.3 Mô men kháng gãy của cọc rỗng
Theo TCVN 7888 : 2014 mô men kháng gãy của cọc được tính từ mô men kháng nứt thực nghiệm với quan hệ:
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu
GPC (Geopolymer Concrete) được chế tạo từ các thành phần nguyên vật liệu tương tự bê tông thông thường, nhưng khác biệt chủ yếu ở việc dùng chất kết dính geopolymer thay cho xi măng Portland Nguyên liệu cơ bản của GPC bao gồm tro bay, đá, cát và dung dịch kiềm (hỗn hợp Sodium hydroxide và Sodium silicate), mang lại liên kết bền và hiệu suất xây dựng tối ưu cho các ứng dụng bê tông geopolymer.
Hình 3.1: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu
Tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện địa phương có khối lượng riêng khoảng 2500 kg/m3 và độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ 0,08 mm.
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay
Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O + Na2O MgO SO3 MKN(*)
Kết quả thí nghiệm cho thấy tro bay có tổng hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 > 70%, hàm lượng CaO < 30% và Na2O < 1,5% Những đặc tính này đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn tro bay ASTM C618-94a và cho thấy tro bay có hoạt tính cao, có thể được sử dụng cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng có tính pozzolanic.
Dung dịch hoạt hóa là hỗn hợp gồm dung dịch sodium hydroxide (NaOH) và dung dịch sodium silicate (Na2SiO3)
Việc sử dụng dung dịch NaOH có độ sạch 98% đòi hỏi xác định nồng độ dung dịch cần thiết trước khi pha để đảm bảo kết quả đạt chuẩn Bằng công thức xác định nồng độ mol, người pha chế sẽ tính được nồng độ mong muốn và từ đó suy ra khối lượng NaOH khan cần thêm vào dung dịch để đạt được nồng độ mol yêu cầu Ví dụ với mNaOH = 100 g, ta cân chỉnh lượng NaOH khan và liều lượng dung dịch để đảm bảo dung dịch cuối cùng có nồng độ mol đúng, đồng thời duy trì tính đồng nhất và chất lượng của sản phẩm.
- mNaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào
- M là khối lượng Mol của NaOH
- Vdd là thể tích dung dịch cần pha trộn
- P là độ tinh khiết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%
Dung dịch sodium hydroxide màu trắng đục được pha chế từ Na2O, có độ tinh khiết trên 90% và khối lượng riêng 2130 kg/m 3 Để chế tạo dung dịch sodium
30 hydroxide bằng cách hòa tan NaOH dạng vảy rắn vào nước theo nồng độ 16 mol/l cho trước
3.1.4 Dung dịch Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )
Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) có màu trắng đục, độ sệt và tính sánh cao, dễ hòa tan trong nước Đây là một dung dịch có khả năng tác dụng với nhiều chất ở các trạng thái rắn, lỏng và khí Dung dịch thủy tinh lỏng dễ bị axit phân hủy, kể cả axit carbonic, và hình thành kết tủa keo silicic acid.
Dung dịch Sodium Silicate sử dụng có hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ
Để bê tông đạt chuẩn theo TCVN 7572:2006, cát được sử dụng sau khi rửa sạch và sấy khô nhằm loại bỏ tạp chất và giảm ảnh hưởng đến tính chất của bê tông Do hạn chế của nghiên cứu không thể xem xét hết sự ảnh hưởng lý hóa của tạp chất trong cát tự nhiên, nên cát được rửa sạch và sấy khô trước khi được sử dụng trong thí nghiệm Cát có mô-đul độ lớn là Mdl=2,104 và lượng sàng tích lũy A0,63; 95% thuộc cát hạt trung bình – nhỏ, cho thấy phân bố hạt tương đối đồng đều Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng riêng của cát là 2610 kg/m3, khối lượng thể tích là 1450 kg/m3 Thành phần hạt của cát được mô tả đầy đủ trong bảng phân tích kèm theo.
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm
Mô đun độ lớn TCVN 7572-2:2006 2,50 mm
Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 2,60 g/cm 3 Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2,43 g/cm 3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2,49 g/cm 3 Độ hút nước TCVN 7572-4:2006 2,9%
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-2:2006 1545 kg/m 3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-2:2006 36,4 %
Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát
Kích thước lỗ sàng vuông (mm) 5 1.25 0.63 0.315 0.14
Lượng sót sàng riêng biệt (kg) 0,09 0,35 0,64
3.1.6 Cốt liệu Đá Đá dăm sử dụng có dạng khối cầu, ít hạt dẹt và ít góc cạnh,có Dmax = 20mm, khối lượng riêng 2700 kg/cm 3 , khối lượng thể tích 1510 kg/cm 3 Thành phần hạt của đá dăm được trình bày trong Bảng 3.4 và Hình 3.3
Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm
Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 2,70 g/cm 3
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2,61 g/cm 3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2,67 g/cm 3 Độ hút nước TCVN 7572-4:2006 2,5%
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1,51 g/m 3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-6:2006 45,8 %
Hình 3.3 : Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá
Kích thước lỗ sàng vuông (mm) 20 10 5
Lượng sót sàng riêng biệt (kg) 0,09 0,35 0,64
Cấp phối bê tông GPC
Quá trình thiết kế cấp phối bê tông geopolymer ở thí nghiệm này phụ thuộc phần lớn vào các yếu tố sau: tỉ lệ cốt liệu/tro bay, alkaline/tro bay, sodium silicate/sodium hydroxide, điều kiện dưỡng hộ nhiệt và nồng độ mole
- Thành phần cấp phối được tính toán theo các nội dung sau:
Tỉ lệ Alkaline/tro bay lần lượt là: 0,6; 0,65; 0,67; 0,7 Tỉ lệ Na2SiO3/NaOH lần lượt là: 2,0 ; 2,5
Nồng độ dung dịch NaOH: 16 Mole Dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C, thời gian dưỡng hộ 12 giờ
Sự khác biệt duy nhất giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng nằm ở chất kết dính: SiO2 và Al2O3 từ tro bay phản ứng với dung dịch hoạt hóa kiềm để tạo hồ geopolymer, bao phủ cốt liệu và các vật liệu không phản ứng, từ đó hình thành bê tông geopolymer Giống như bê tông xi măng, cốt liệu thô và cốt liệu mịn chiếm khoảng 70–80% khối lượng của bê tông geopolymer Do đó, thành phần hỗn hợp của bê tông geopolymer có thể được thiết kế tương tự như bê tông xi măng.
Bảng 3.6: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m 3 )
3.2.2 Đúc mẫu xác định cường độ nén
Tiến hành nhào trộn và đúc mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén
Hình 3.4: Nhào trộn các thành phần cốt liệu bê tông geopolymer
Hình 3.5 : Đúc mẫu lăng trụ định hình và mẫu sau khi tháo khuôn
3.2.3 Dường hộ nhiệt ẩm Ở nhiệt độ phòng, phản ứng của bê tông geopolymer sử dụng tro bay và thời gian đóng rắn diễn ra rất chậm nên cường độ phát triển không cao Do đó, dưỡng hộ nhiệt ẩm là cần thiết để đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa và phát triển cường độ của bê tông
Bê tông geopolymer sau khi đúc mẫu, được dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng ổn định từ 32 – 35 0 C trong 48 giờ, sau đó tháo khuôn, đặt mẫu vào chậu chứa bằng gốm
Ở điều kiện nhiệt độ 100°C trong 12 giờ, thời gian dưỡng hộ nhiệt được tính từ khi nhiệt độ trong chậu đạt 100°C Kết thúc quá trình dưỡng hộ nhiệt, mẫu thí nghiệm được trở về nhiệt độ môi trường tự nhiên trong vòng 24 giờ bằng cách lấy mẫu ra khỏi chậu Mẫu được đặt ở nhiệt độ phòng và duy trì ở đó 20 ngày, trước khi thực hiện thí nghiệm cường độ chịu nén vào ngày thứ 21.
Hình 3.6: Dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tông geopolymer
Quá trình đúc mẫu, dưỡng hộ nhiệt ẩm và sử dụng tất cả các thiết bị phục vụ thí nghiệm được tác giả thực hiện tại xưởng chế tạo cọc bê tông ly tâm thuộc Công ty Cổ phần Xây dựng Bách Khoa, tại huyện Châu Thành, tỉnh An Giang.
Thiết kế thành phần cấp phối bê tông OPC B45 (M600)
Thiết kế thành phần bê tông là quá trình lựa chọn tỷ lệ phối trộn các thành phần nguyên vật liệu bao gồm các thành phần cơ bản như chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia (nếu có) nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và yếu tố kinh tế Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông hiện hành gồm hai giai đoạn tính toán lựa chọn cấp phối định hướng và thực nghiệm kiểm tra để hiệu chỉnh (nếu cần)
Tính toán khi không có phụ gia
- Tính Ryc và Rycc, với mẫu hình lập phương ta có:
+ Ryc = 1,15Rb = 1,15 x 60 i MPa + Rycc = Rb + 11,6 = 60+11, 6 = 71,6 Mpa
- Xác định đường kính Dmax của cốt liệu
+ Với Ryc < 75 MPa thì Dmax = 19-25, chọn Dmax = 20mm
- Xác định tỉ lệ nước /chất kết dính (N/(X+MS)) = 0,365
- Xác định lượng nước dùng, với độ sụt là 2,5cm, Dmax = 20mm lượng nước theo yêu cầu ứng với cát có độ rỗng 35% là N1 = 167,5 lít/m 3
+ Do độ rỗng của nguyên liệu là 46,04% nên cần phải tính thêm lượng nước hiệu chỉnh:
Nđc = (rc – 35)×4,7=(35,85 – 35)×4,7=3,995 lít/m 3 Vậy lượng nước cần thiết cho cấp phối là: N = N1 + Nđc = 167,5+3,995 171,5 lít/m 3
- Tính lượng xi măng và lượng Muội silic
Đối với bê tông có cường độ tối đa 60 MPa (mẫu lập phương), hàm lượng muội silic nằm trong khoảng 5-10% so với lượng xi măng Trong quá trình thiết kế, để tối ưu cường độ và các đặc tính liên quan, ta chọn hàm lượng muội silic là 8%.
- Xác định hàm lượng cốt liệu lớn
+Thể tích đá dăm đã đầm chặt: Vđ = 0,725m 3 /m 3 bê tông
- Xác định hàm lượng cốt liệu nhỏ
+𝑉 𝑎 Đ 87,5/2,78 = 391,19 lít +𝑉 𝑎 𝐾𝐾 = 20 lít (hàm lượng cuốn khí là 2%) +𝑉 𝑎 𝐶 = 1000 − 𝑉 𝑎 Đ − 𝑉 𝑎 𝑁 − 𝑉 𝑎 𝐾𝐾 − 𝑉 𝑎 𝑋 − 𝑉 𝑎 𝑀𝑆
Trong đó: 𝑉 𝑎 𝑋 , 𝑉 𝑎 𝑀𝑆 , 𝑉 𝑎 𝑁 , 𝑉 𝑎 Đ , 𝑉 𝑎 𝐾𝐾 , 𝑉 𝑎 𝐶 lần lượt là thể tích đặc của xi măng, muội silic, nước, đá, không khí và cát
+ Lượng cát được tính như sau:
- Xác định thành phần bê tông
Bảng 3.7: Thành phần cho 1m 3 bê tông Mác 600 không phụ gia
Lượng nguyên vật liệu trong 1m 3 bê tông
Xi măng Cát Đá Nước Muội silic Phụ gia N/CKD 432,2 kg 691,07 kg 1087,5 kg 171,5 lít 37,59 kg 0 lít 0,365
Cấp phối được tính toán đưa ra cho cọc OPC có cấp độ bền B45 (M600) để làm cơ sở so sánh cho cấu kiện cọc OPC và GPC
3.3.2 Đúc mẫu xác định cường độ nén
Quá trình đúc mẫu bê tông geopolymer để xác định cường độ nén được thực hiện tương tự như đối với mẫu bê tông thông thường Sau khi trộn đều cốt liệu thô gồm cát, đá, xi măng và nước, hỗn hợp được đổ vào khuôn và đúc thành mẫu trụ có kích thước 150 x 300 mm.
Sau khi mẫu bê tông GPC được đúc xong, tiến hành dưỡng hộ trong chậu gốm ở nhiệt độ 60°C trong thời gian 6 giờ để kích hoạt quá trình thủy hóa Kết thúc quá trình dưỡng hộ ở nhiệt độ cao, mẫu thí nghiệm được đưa về nhiệt độ môi trường tự nhiên.
Trong vòng 24 giờ, tiến hành lấy mẫu thí nghiệm từ chậu và chuẩn bị cho quá trình thử Đặt các mẫu ở nhiệt độ phòng và duy trì điều kiện này trong 20 ngày Đến ngày thứ 21, thực hiện thí nghiệm cường độ chịu nén để đánh giá khả năng chịu lực của mẫu.
Kích thước cọc
Do điều kiện thực tế tại hiện trường và sự phù hợp của thiết bị thí nghiệm tại nhà máy, tác giả chọn cọc có đường kính ngoài D0 mm, đường kính trong d0 mm, chiều dài 1,5 m; bố trí cốt thép dọc 6 Φ7,1 mm và thép đai xoắn Φ3 mm, bước 150 mm, làm kích thước tiêu chuẩn cho thí nghiệm xác định khả năng chịu uốn của cọc rỗng bê tông OPC và GPC.
Hình 3.7: Cấu tạo và kích thước cọc
Quy trình sản xuất thí nghiệm cấu kiện cọc rỗng bê tông GPC
Với cấp phối mẫu nêu trên, ta chuẩn bị khuôn cọc và triển khai đúc thành cọc theo một quy trình cụ thể Ứng với từng cấu kiện, trình tự thực hiện được xác định và áp dụng theo thứ tự phù hợp để đảm bảo chất lượng, an toàn và hiệu quả thi công; từ chuẩn bị vật liệu, lắp đặt khuôn cho đến đổ bê tông và kiểm tra sau khi cọc hình thành.
Bước 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, khuôn cọc
Nguyên vật liệu sử dụng đúc cọc tại mục 3.1 được chuẩn bị sẵn, riêng đối với vật liệu đá, cát được tiến hành rửa sạch và phơi khô trước khi sử dụng
Các vật liệu được tính cho từng cấu kiện cọc được tính toán và cân đo từng chủng loại Khuôn mẫu được vệ sinh và phủ một lớp chống bám dính
Bước 2: Nhào trộn và đúc cấu kiện
Trộn khô phối liệu gồm đá, cát và tro bay, đảo đều để phân bố hạt và độ ẩm đồng đều Sau khi hỗn hợp khô được trộn đều, tiến hành thêm dung dịch kiềm (alkaline) và tiếp tục trộn cho đến khi bê tông đạt yêu cầu trước khi đúc cấu kiện cọc.
Hình 3.8: Khuôn cọc và pha trộn dung dịch
Hình 3.9: Trộn cốt liệu thô
Hình 3.10: Cọc rỗng Geopolymer đổ xong và tháo khuôn
Sau khi đổ khuôn, mỗi cấu kiện cọc bê tông GPC được dưỡng hộ ở điều kiện tự nhiên trong 48 giờ đầu và sau đó được dưỡng hộ nhiệt-ẩm ở nhiệt độ 100°C với các khoảng thời gian lần lượt là 6, 7, 8, 9, 10, 11 và 12 giờ.
12 giờ Mục đích của dưỡng hộ nhiệt là để đẩy nhanh quá trình polymer hóa và làm bay hơi hoàn toàn lượng nước thừa trong bê tông
Sau khi tháo khuôn, mẫu được để trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm 20 ngày sau đó tiến hành thí nghiệm
Bảng 3.8: Khối lượng cọc thực nghiệm
Số lượng cọc thí nghiệm (cây)
Ghi chú: Mỗi cấp thời gian dưỡng hộ nhiệt đem thí nghiệm 02 cấu kiện cọc, số liệu kết quả thí nghiệm lấy trung bình cộng
Bước 4: Thí nghiệm độ bền uốn nứt thân cọc các bước theo mục 3.6.1
Hình 3.11: Cọc được tập kết và đưa vào dàn thí nghiệm
Hình 3.12: Xác định bề rộng vết nứt và hiển thị kết quả Bước 5: Thí nghiệm độ bền uốn gãy thân cọc
Các bước thí nghiệm độ bền uốn gãy thân cọc tương tự như uốn nứt chỉ khác xác định giá trị lực lớn nhất khi cọc đã gãy
Hình 3.13 Xác định lực bền gãy cọc và hiển thị kết quả
Hình 3.14: Qui trình sản xuất và thí nghiệm
Thí nghiệm cọc
3.6.1 Xác định độ bền uốn nứt thân cọc rỗng
Thí nghiệm xác định độ bền uốn nứt thân cọc rỗng được thực hiện dựa trên các chỉ dẫn của TCVN 7888:2014
Kiểm tra độ bền uốn nứt thân cọc được thực hiện cho cọc GPC Phép thử được thực hiện theo sơ đồ trên Hình 3.15
Hình 3.15: Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt thân cọc
Vận hành máy với lực tác dụng lên điểm giữa của thanh truyền lực, tăng tải từ từ và giữ tải để kiểm tra xem toàn bộ hệ thống gá lắp đã vững chắc và ổn định chưa Các thanh gối tựa và thanh truyền lực cần tiếp xúc đồng đều với cọc, bảo đảm phân bổ tải trọng chính xác và an toàn cho cấu trúc.
Tiến hành gia tải đến khi cọc xuất hiện vết nứt có chiều rộng bằng hoặc lớn hơn 0,1 mm Ghi lại tải trọng gây nứt thực tế
Biểu thị kết quả Độ bền uốn nứt thân cọc được xác định qua mômen uốn nứt thực tế của cọc thí nghiệm theo công thức:
M gmL (3.2) trong đó: M: Mômen uốn nứt thực tế, kN.m;
P: Tải trọng uốn gây nứt, kN; g: Gia tốc trọng trường, 9,81 m/s 2 ; m: Khối lượng cọc, tấn;
D: Đường kính ngoài thân cọc, m; t: Chiều dày thành cọc, m
3.6.2 Xác định độ bền uốn gãy thân cọc rỗng
Phương pháp thí nghiệm này tương tự xác định độ bền uốn nứt của thân cọc, nhưng thay vì dừng lại ở cấp tải khi vết nứt xuất hiện với kích thước bằng hoặc lớn hơn 0,1 mm, ta tiếp tục tăng tải trọng uốn cho đến khi cọc gãy Tải trọng uốn tối đa đạt được được ghi nhận làm kết quả thí nghiệm, phục vụ cho đánh giá độ bền và khả năng chịu tải của cọc trong các điều kiện thực tế.