Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite

Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép composite

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn là sự tiếp nối của các công trình nghiên cứu trước nhằm hiểu rõ hơn về

bê tông Geopolymer, mong muốn vật liệu này phát triển mạnh mẽ hơn nữa ở Việt Nam Được biết đến trên thế giới như là một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường

và đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt về cường độ, khả năng làm việc với cốt thép, khả năng chịu ăn mòn cao Tuy nhiên bê tông Geopolymer phải trải qua giai đoạn dưỡng hộ nhiệt mới đạt cường độ Vì vậy, bê tông này chỉ có thể được sử dụng với những cấu kiện đúc sẳn tại nhà máy Một số nghiên cứu với mục đích giúp bê tông Geopolymer không phải dưỡng hộ nhiệt mà vẫn đạt được cường độ bằng cách

sử dụng các chất tạo nhiệt trong quá trình đổ bê tông Geopolymer nhưng vẫn chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu

Luận văn này mở ra một hướng đi mới để ứng dụng bê tông Geopolymer vào thực

tế đó là nghiên cứu cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng Một lớp bê tông Geopolymer sẽ được đổ tại nhà máy vận chuyển đến công trình và thi công lớp còn lại bằng bê tông xi măng Chính lớp bê tông Geopolymer đã đổ trước tại nhà máy sẽ là cốp pha, thanh chống để đổ lớp bê tông xi măng Vì vậy, có thể tiết kiệm được chi phí và thời gian thi công cốp pha, thanh chống Nội dung luận văn này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm 4 dầm với hai cấp phối 20MPa và 30MPa Kết quả thực nghiệm sẽ so sánh với kết quả tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 Kết quả so sánh gồm: Chuyển vị giữa thực nghiệm và tính toán Tải trọng hình thành vết nứt và tải trọng phá hoại giữa thực nghiệm và tính toán Kết quả thực nghiệm dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp và dầm bê tông Geopolymer của nghiên cứu trước cũng được so sánh với nhau để thấy được khả năng làm việc của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng so với dầm được chế tạo từ một lớp vật liệu

ABSTRACT

The thesis is a continuation of the related previous research in order to better understand the Geopolymer concrete and expecting this material would broaden Vietnam Geopolymer concrete is known worldwide as a green material, environmentally friendly and numerous advance technical characteristics, such as the ability to work with reinforced, high corrosion resistant However the Geopolymer concrete must undergo thermal curing to reach design strength Therefore, Geopolymer concrete is only applicable as prefabricated product in factories To solve this issue, there are studies with purpose of eliminating steaming process but still make Geopolymer concrete reach it strength using advance of thermal generating chemical while pouring concrete but still stop at the research level

This thesis opens a new direction of practical use for Geopolymer concrete in which research for 2 layers Composite reinforced concrete beams of Geopolymer concrete and cement concrete A layer of Geopolymer concrete will be poured at the factory and shipped to the site while other poured as normal concrete The layer of concrete Geopolymer poured plays role as formwork, container for fresh normal concrete So, it can save the cost and time for construction formwork This thesis conducted experimental studies 4 beams with two concrete grade 20MPa and 30MPa Experimental results would be compared with the results calculated in accordance to TCVN 5574-2012 include displacements, crack load, destructive load Experimental results between 2 layers Composite reinforced beams concrete and Geopolymer concrete beams of previous studies also be compared with each other to see the work capacity of them

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Khái quát về vật liệu Geopolymer 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Quá trình nghiên cứu 1

1.1.2.1 Geopolymer 1

1.1.2.2 Bê tông Geopolymer 2

1.1.2.3 Cấu kiện Geopolymer 4

1.2 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 5

1.2.1 Vấn đề môi trường 5

1.2.2 Vấn đề tiến độ 6

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu 7

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Vật liệu Geopolymer 9

2.1.1 Tro bay 9

2.1.1.1 Giới thiệu tro bay 9

2.1.1.2 Phân loại tro bay 9

2.1.2 Geopolymer 10

2.1.2.1 Khái niệm Geopolymer 10

2.1.2.2 Cấu trúc Geopolymer 10

2.1.3 Bê tông Geopolymer 12

2.2 Vật liệu Composite 13

2.2.1 Giới thiệu 13

2.2.2 Phân loại vật liệu Composite 13

2.2.3 Đồng nhất hóa độ cứng dầm Composite 14

2.3 Lý thuyết dầm 16

2.3.1 Xác định khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1 16

2.3.1.1 Tiết diện chữ nhật cốt đơn 16

2.3.1.2 Tiết diện chữ nhật cốt kép 17

2.3.2 Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 17

2.3.2.1 Xác định độ võng tại giữa nhịp 17

2.3.2.2 Tải trọng hình thành vết nứt 18

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 19

3.1 Nguyên liệu 19

3.1.1 Tro bay 19

3.1.2 Thủy tinh lỏng 20

3.1.3 Natri hydroxit 20

3.1.4 Cốt liệu nhỏ 21

3.1.5 Cốt liệu lớn 23

3.1.6 Nước 24

3.1.7 Xi măng 24

3.1.8 Cốt thép 24

3.2 Phương pháp thí nghiệm 25

3.2.1 Tính toán cấp phối 25

3.2.1.1 Bê tông xi măng 25

3.2.1.2 Bê tông Geopolymer 25

3.2.2 Quy trình thí nghiệm mẫu 26

3.2.3 Quy trình thí nghiệm dầm 29

3.2.3.1 Gia công cốp pha 29

3.2.3.2 Gia công cốt thép 30

3.2.3.3 Nhào trộn và đúc khuôn 30

3.2.3.4 Lắp đặt và thí nghiệm 32

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 Cấp phối bê tông 36

4.1.1 Cấp phối bê tông Geopolymer 36

4.1.2 Cấp phối bê tông xi măng 37

4.2 Cấu kiện dầm 38

4.2.1 Chuyển vị tại L/4 38

4.2.2 Chuyển vị tại L/2 41

4.2.3 Biến dạng tại L/2 44

4.2.4 Tải trọng xuất hiện vết nứt và tải trọng phá hoại 46

4.3 Tính toán lý thuyết 50

4.3.1 Tính toán khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1 50

4.3.2 Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 50

4.3.3 Tải trọng hình thành vết nứt 52

4.4 So sánh đánh giá giữa thực nghiệm, tính toán 52

4.4.1 Chuyển vị 53

4.4.2 Tải trọng hình thành vết nứt 55

4.4.3 Tải trọng phá hoại 56

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Một số vấn đề tồn tại 57

5.3 Hướng phát triển đề tài 58

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của tro bay 19

Bảng 3 2 Thành phần hạt của cát 22

Bảng 3 3 Thành phần hạt của đá 23

Bảng 4 1 Cấp phối bê tông Geopolymer cho cấu kiện dầm 36

Bảng 4 2 Kết quả thí nghiệm mẫu bê tông Geopolymer 36

Bảng 4 3 Cấp phối bê tông xi măng cho cấu kiện dầm 37

Bảng 4 4 Kết quả thí nghiệm mẫu bê tông xi măng 37

Bảng 4 5 Chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm 38

Bảng 4 6 Chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm 41

Bảng 4 7 Biến dạng tại vị trí L/2 của dầm 44

Bảng 4 8 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm 46

Bảng 4 9 Tải trọng phá hoại theo tính toán 50

Bảng 4 10 Chuyển vị của dầm theo tính toán 51

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Thành phần của bê tông Geopolymer [nguồn internet] 2

Hình 1 2 Ứng dụng bê tông Geopolymer vào thực tế tại Melbourne, Victoria, Úc [13] 3

Hình 1 3 Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng [nguồn internet] 6

Hình 2 1 Cấu trúc của Geopolymer [5] 11

Hình 2 2 Mặt cắt ngang dầm Composite 2 lớp 15

Hình 2 3 Sơ đồ tính dầm đặt cốt đơn 16

Hình 2 4 Sơ đồ tính dầm đặt cốt kép 17

Hình 3 1 Tro bay sử dụng trong thí nghiệm [nguồn internet] 19

Hình 3 2 Thủy tinh lỏng [nguồn internet] 20

Hình 3 3 Natri hydroxit thể rắn [nguồn internet] 21

Hình 3 4 Cốt liệu nhỏ [nguồn internet] 21

Hình 3 5 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ 22

Hình 3 6 Cốt liệu lớn [nguồn internet] 23

Hình 3 7 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn 24

Hình 3 8 Nhào trộn và đúc mẫu 27

Hình 3 9 Bảo dưỡng bê tông 28

Hình 3 10 Thí nghiệm mẫu 28

Hình 3 11 Gia công cốp pha 29

Hình 3 12 Cấu tạo cốt thép [28] 30

Hình 3 13 Lớp bê tông Geopolymer của dầm 31

Hình 3 14 Dầm hoàn thiện 32

Hình 3 15 Lắp đặt dầm trước khi uốn 33

Hình 3 16 Thiết bị đo biến dạng, chuyển vị 34

Hình 3 17 Thiết bị ghi nhận kết quả đo chuyển vị và biến dạng 34

Hình 3 18 Quy trình nghiên cứu 35 Hình 4 1 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp

Hình 4 2 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp phối 30MPa 39Hình 4 3 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp phối 20MPa và 30MPa 40Hình 4 4 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm Composite 2 lớp và dầm Geopolymer [28] sử dụng cấp phối 30MPa 40Hình 4 5 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp phối 20MPa 42Hình 4 6 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp phối 30MPa 42Hình 4 7 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp phối 20MPa và 30MPa 43Hình 4 8 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm Composite 2 lớp và dầm Geopolymer [28] sử dụng cấp phối 30MPa 43Hình 4 9 Đường quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp phối 20MPa 45Hình 4 10 Đường quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp phối 30MPa 45Hình 4 11 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 20MPa 47Hình 4 12 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 30MPa 47Hình 4 13 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 20MPa và 30MPa 48Hình 4 14 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm Composite 2 lớp và dầm Geopolymer [28] sử dụng cấp phối 30MPa 48Hình 4 15 Vết nứt dầm khi phá hoại 50Hình 4 16 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 và L/4 của dầm sử dụng cấp phối 20MPa tính toán 51Hình 4 17 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 và L/4 của dầm sử dụng cấp phối 30MPa tính toán 52

Hình 4 18 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 20MPa tại vị trí L/4 thực nghiệm, tính toán 53Hình 4 19 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 20MPa tại vị trí L/2 thực nghiệm, tính toán 53Hình 4 20 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 30MPa tại vị trí L/4 thực nghiệm, tính toán 54Hình 4 21 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 30MPa tại vị trí L/2 thực nghiệm, tính toán 54Hình 4 22 Biểu đồ tải trọng xuất hiện vết nứt tính toán và thực nghiệm 55Hình 4 23 Biểu đồ tải trọng phá hoại của dầm tính toán và thực nghiệm 56

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về vật liệu Geopolymer

1.1.1 Giới thiệu chung

Geopolymer là một loại chất kết dính kiềm hoạt hóa đã được Joseph Davidovits nghiên cứu năm 1972 theo một quy trình tổng hợp polymer từ các khoáng chất Bằng cách trộn đất sét vào dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao

Theo Joseph Davidovits "Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu Geopolymer", như là đất sét cao lanh, đá phún xuất có nguồn gốc núi lửa hay các phế phẩm công nghiệp như xỉ

lò cao, tro bay,…

1.1.2 Quá trình nghiên cứu

1.1.2.1 Geopolymer

Geopolymer là loại vật liệu mà bản chất cơ bản của nó là một polymer vô cơ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ XX Sau khi Joseph Davidovits công bố tổng hợp thành công polymer từ các khoáng chất năm

1972 [1] Từ tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loại vật liệu xanh và

được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng

Trước đó, Purdon vào năm 1940 đã nghiên cứu vật liệu Geopolymer bằng cách

sử dụng xỉ lò cao được kích hoạt bởi dung dịch natri hydroxit Theo ông quá trình phát triển cấu trúc Geopolymer gồm 2 bước: Trước tiên xảy ra quá trình giải phóng các hợp chất nhôm – silic và canxi hydroxit Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhôm và silic đồng thời tái tạo dung dịch kiềm [2]

Cấu trúc hóa học của Geopolymer tương tự như vật liệu ziotit trong tự nhiên Nhưng cấu trúc ở dạng vô định hình thay vì dạng tinh thể (Palomo và cộng sự , 1999) [3]

Van Jaarsveld và cộng sự (2002) [4] khi nghiên cứu về các đặc tính của Geopolymer do ảnh hưởng của sự hòa tan không hoàn toàn giữa các vật liệu trong quá trình Geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của Geopolymer

Một nghiên cứu khác về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã được ứng dụng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo,…Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh ở nhiệt độ

phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100MPa sau khi bảo dưỡng 24h (Davidovits, 1999) [5]

Chất kết dính Geopolymer cũng đã được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam trong thời gian gần đây Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về loại vật liệu này như: Nguyễn và cộng sự (2008) [6] nghiên cứu về bê tông Geopolymer Nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (2010) [7] đã nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam Trịnh (2012) [8] đã nghiên cứu về tính chất cơ lý của vữa Geopolymer để chế tạo gạch nhẹ

1.1.2.2 Bê tông Geopolymer

Hình 1 1: Thành phần của bê tông Geopolymer [nguồn internet]

Bê tông là loại vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay Do đó, việc sản xuất chế tạo đòi hỏi một lượng lớn chất kết dính là xi măng Portland, kèm theo lượng khí CO2 rất lớn thải vào môi trường Khác với bê tông xi măng được chế tạo bằng cách sử dụng chất kết dính là xi măng Portland, bê tông Geopolymer được sử dụng chất kết dính Geopolymer, với lượng CO2sinh ra thấp hơn

bê tông xi măng Portland rất nhiều Theo Davidoits, bê tông Geopolymer giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính từ 26-45% so với bê tông xi măng thông thường Về khả năng chịu lực, bê tông Geopolymer gốc tro bay sau khi dưỡng hộ nhiệt sẽ đạt cường

độ cao Trong nghiên cứu về cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông Geopolymer, Nuruddin và cộng sự (2011) [9] đã khẳng định rằng sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dưỡng hộ Điều kiện dưỡng hộ thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của

Geopolymer Ngoài ra, còn có một vài yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer Patil và Manojkumar (2013) [10] đã nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông Geopolymer Ông đã thử nghiệm với nồng độ natri hydroxit khác nhau, tỉ lệ alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH để đánh giá và so sánh tỉ

lệ nào đạt cường độ cao nhất và thấp nhất

Về tính bền: Bê tông Geopolymer sử dụng tro bay có độ bền cao hơn bê tông xi măng Portland về chịu hóa học, chịu nhiệt và cả trong môi trường khắc nghiệt Hardjito và Rangan (2005) [11] cho rằng hệ số Poisson của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay từ 0,12 – 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 - 90MPa, kết quả này tương tự với bê tông xi măng truyền thống

Về sự làm việc với cốt thép: Bê tông Geopolymer có khả năng làm việc với cốt thép như bê tông xi măng Sofi và cộng sự (2007) [12] đã nghiên cứu về ứng xử giữa cốt thép và bê tông Gepolymer sử dụng tro bay Thí nghiệm này dựa trên tiêu chuẩn ASTMA944 và ông đã kết luận: Khả năng chịu kéo của thanh thép ra khỏi mẫu bê tông Geopolymer cao hơn so với mẫu bê tông xi măng có cùng cường độ

Về khả năng chịu ăn mòn: Bê tông Geopolymer chịu ăn mòn tốt hơn bê tông xi măng Trường đại học Curtin đã khảo sát độ bền cống hộp đúc sẵn từ bê tông Geopolymer chịu tác động ăn mòn cực mạnh của môi trường khô ẩm của đất lẫn nhiều muối sunphat Kết luận đưa ra là bê tông Geopolymer chịu tác động ăn mòn hóa học tốt và tốt nhất là khả năng chịu axit

a) Bê tông Geopolymer lát nền đường b) Các tấm panel bê tông Geopolymer

Hình 1 2:Ứng dụng bê tông Geopolymer vào thực tế tại Melbourne, Victoria, Úc [13]

1.1.2.3 Cấu kiện Geopolymer

Ngoài bê tông Geopolymer những cấu kiện được chế tạo từ loại bê tông này cũng được quan tâm và nghiên cứu như là: Sumajouw và Rangan (2006) [14] đã nghiên cứu ứng xử và cường độ của cấu kiện sử dụng bê tông Geopolymer gốc tro bay cho kết quả tương tự như bê tông xi măng Do đó, có thể sử dụng tiêu chuẩn thiết kế bê tông hiện hành cho việc thiết kế cấu kiện bê tông Geopolymer

Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông Geopolymer đã được nghiên cứu và so sánh là tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng Vì vậy, hoàn toàn có thể sử dụng

để chế tạo cấu kiện bê tông cốt thép Geopolymer nói chung và cho cấu kiện dầm nói riêng

Trước đó, Balaguru và cộng sự (1999) [15] cho rằng hỗn hợp Geopolymer được dùng để gia cố cho kết cấu bê tông điển hình là lớp Geopolymer bảo vệ các công trình giao thông Trong đó, hỗn hợp Geopolymer đã được ứng dụng thành công trong việc gia cố các dầm bê tông chịu lực Mặt khác so với vật liệu polymer hữu cơ, vật liệu Geopolymer có các đặc tính tốt hơn như khả năng chịu lửa, bền dưới ánh sáng tia cực tím và không chứa các thành phần độc hại

Palomo và cộng sự (2004) [16] cho rằng bê tông Geopolymer từ tro bay có thể được sử dụng để chế tạo những dầm đỡ đường sắt và cho thấy rằng các kết cấu bê tông Geopolymer có thể được chế tạo dễ dàng dựa trên công nghệ bê tông có sẵn mà không thay đổi đáng kể Các đặc tính kỹ thuật của các sản phẩm này rất tốt và có độ

và cột có thể sử dụng được cho bê tông Geopolymer

Tuy có những đặc tính tương đồng như bê tông xi măng truyền thống như là về cường độ, khả năng làm việc với cốt thép Thậm chí, bê tông Geopolymer còn có những tính chất vượt trội hơn hẳn so với bê tông xi măng truyền thống Tuy nhiên,

bê tông Geopolymer vẫn rất ít được áp dụng thực tế Bởi chúng phải trải qua giai đoạn dưỡng hộ nhiệt mới đạt cường độ chính vì thế mà nó không thể thi công đổ toàn khối ngoài công trình Đều nay cho thấy việc sử dụng bê tông Geopolymer chỉ phù hợp tại nhà máy hoặc thi công bán phần Một phần cấu kiện sử dụng bê tông

Geopolymer đổ tại nhà máy sau đó vận chuyển đến lắp dựng vào vị trí để thi công phần còn lại với bê tông xi măng truyền thống Để thực hiện được điều này cần có thêm những nghiên cứu để có những cơ sở khoa học áp dụng sau này Trong đó, Behnial và cộng sự (2016) [17] đã nghiên cứu dầm tạo từ 2 lớp bê tông Geopolymer

và bê tông xi măng Lớp bê tông Geopolymer nằm dưới chịu kéo và lớp bê tông xi măng nằm trên chịu nén, nghiên cứu đã thay đổi chiều dày lớp bê tông Geopolymer

và so sánh với dầm bê tông xi măng và dầm bê tông Geopolymer cho thấy khả năng chịu tải của của các dầm tăng cùng chiều dày lớp bê tông Geopolymer bên dưới tăng Nghiên cứu trên đã cung cấp những thông tin kỹ thuật về loại cấu kiên loại này trong quá trình thực hiện luân văn

1.2 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

1.2.1 Vấn đề môi trường

Ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng nóng dần lên của trái đất không còn là một khái niệm xa vời Hệ quả của quá trình ấy đã và đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan tâm Nguyên nhân của quá trình nóng dần lên của trái đất

là hàm lượng khí CO2 trong không khí quá cao Một trong những nguồn thải một lượng lớn khí CO2 vào bầu khí quyển là ngành công nghiệp sản xuất xi măng Hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới Bê tông thường có khối lượng thành phần bao gồm 12% xi măng, 80% cốt liệu cát đá và 8% nước ACF cho biết điều này có nghĩa là khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2,8 tỷ tấn nước được sử dụng hằng năm để chế tạo bê tông Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường xấp xỉ một tấn CO2 điều này tương đương có 4,2 tỷ tấn CO2 được sinh ra, khí thải này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất nóng lên Khí CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới Vì lý do đó, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng Portland, đó là xi măng polymer

hay còn gọi là chất kết dính Geopolymer hoặc chất kết dính kiềm hoạt hóa

Hình 1 3: Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng [nguồn internet]

Bên cạnh khí thải CO2, việc sử dụng lượng lớn than trong các nhà máy nhiệt điện

ở Việt Nam hiện nay tạo ra một nguồn tro bay khá lớn cũng góp phần gay ô nhiễm không nhỏ Theo Bộ Công thương, hiện nay, cả nước có 19 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành, với tổng công suất phát 14480 MW, mỗi năm thải khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, còn lại là xỉ Dự kiến sau năm

2020, con số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công suất 39020 MW, lượng tro xỉ thải

ra dự kiến hơn 30 triệu tấn/năm

Do tro bay có chứa nhiều thành phần oxit nhôm và oxit silic vô định hình nên Geopolymer gốc tro bay được lựa chọn để chế tạo ra vật liệu bê tông Geopolymer và nghiên cứu các đặc tính của nó

1.2.2 Vấn đề tiến độ

Bên cạnh về vấn đề môi trường tiến độ thi công là điều mà các chủ đầu tư, và các nhà thầu quan tâm nhất Trong những năm gần đây, tình trạng các dự án xây dựng không đạt tiến độ đang trở thành vấn đề nóng bỏng trong ngành xây dựng Tổng hội Xây dựng Việt Nam vừa công bố, hầu hết các dự án đầu tư tại Việt Nam đều chậm tiến độ và tỷ lệ về đích đúng hẹn chỉ chiếm chưa tới 1% Nguyên nhân dẫn đến điều này bắt nguồn chính từ việc quản lý lỏng lẻo, chênh lệch giá, năng lực yếu kém của nhà thầu…Các dự án chậm tiến độ sẽ gây thiệt hại và lãng phí vô cùng lớn Nhà nước, doanh nghiệp và xã hội bỏ vốn đầu tư vào các dự án xây dựng nhưng do chậm hoàn thành dẫn đến đình trệ sản xuất, nguồn vốn không được quay vòng kịp thời, bị chôn

vốn, phát sinh chi phí, thiếu công trình cho xã hội, cho người dân Đặc biệt, lãng phí

Việc công trình sớm đưa vào hoạt động có rất nhiều lợi ích vì vậy việc đẩy nhanh tiến độ có ý nghĩa cực kỳ quan trong đối với tất cả các bên liên quan và chủ đầu tư Một số giải pháp để đẩy nhanh tiến độ gồm: Vạch kế hoạch thi công, trình tự thi công hợp lý, tổ chức nhiều mũi đội cùng thi công, áp dụng các thành tựu công nghệ, phát huy những sáng kiến kỹ thuật trong thi công như việc sử dụng các loại phu gia trong thi công để rút ngắn thời gian ninh kết của bê tông, sử dụng những loại cốp pha đặc biệt như cốp pha đất trong thi công topdown để giảm thiểu thời gian thi công cốp pha, hoặc thi công bán phần cũng là một giải pháp cân nhắc

Trước nhu cầu giảm thiểu lượng CO2 trong quá trình sản xuất xi măng cũng như tận dụng các phế phẩm trong các nhà máy nhiệt điện dùng than và việc đẩy nhanh tiến độ thi công Các nghiên cứu để tìm ra những giải pháp đáp ứng được những yêu cầu trên và cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite chế tạo từ hai lớp vật liệu bê tông Geopolymer và bê tông xi măng là một giải pháp khả thi có thể áp dụng Bê tông Geopolymer là loại bê tông được tạo từ chất kết dính là dung dịch alkaline và tro bay

có thể hạn chế được lượng CO2 so với bê tông xi măng Lớp Bê tông Geopolymer này được thi công tại nhà máy và vận chuyển đến công trường thi công lắp ghép vào

vị trí, chính lớp bê tông này sẽ là cốp pha và hệ chống cho lớp bê tông xi măng được thi công tại công trình (đổ toàn khối với sàn) Chính vì vậy mà hạn chế được thời gian thi công cốp pha và thanh chống cho dầm khi đổ lớp còn lại tại công trình Do đó, tiết kiệm được thời gian thi công cốp pha, thanh chống và chi phí mua cốp pha, thanh chống

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer sử dụng tro bay về các nội dung: Khả năng chịu uốn, sự hình thành vết nứt, chuyển vị và biến dạng của cấu kiện

1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu, tập trung thực hiện các nội dung cụ thể:

- Khảo sát ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp vật liệu bê tông Geopolymer và bê tông xi măng

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chiếu kết quả tính toán theo Tiêu chuẩn TCVN 5574-2012

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định sự làm việc của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng

Nội dung triển khai gồm:

- Đúc mẫu và thí nghiệm xác định cường độ chịu nén với mẫu bê tông Geopolymer và bê tông xi măng với kích thước 100x200

- Đúc dầm và thí nghiệm uốn ba điểm với dầm bê tông cốt thép Composite

2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng với kích thước 200x300x3000 để xác định chuyển vị, biến dạng, tải trọng hình thành vết nứt, tải trọng phá hoại của dầm

- Sử dụng phương pháp đồng nhất hóa hai loại vật liệu Sau đó, tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 sử dụng cho bê tông xi măng để xác định khả năng chịu lực và độ võng của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu Geopolymer

2.1.1 Tro bay

2.1.1.1 Giới thiệu tro bay

Tro bay là phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện Khoảng 40 đến 50% nhà máy nhiệt điện trên toàn thế giới sử dụng than làm chất đốt cung cấp hơi nóng làm quay turbin máy phát điện Lò hơi là nơi xảy ra quá trình cháy tạo tro của than đã được nghiền Thành phần tro có kích thước hạt nhỏ sẽ theo dòng khí nóng đi lên phía trên

lò hơi qua hệ thống lọc bụi Hệ thống lọc bụi được sử dụng có thể là cyclone thu hồi, lọc bụi điện hay lọc bụi túi Tại đây bụi được thu hồi Tùy theo hệ thống lọc bụi được

sử dụng, từ 85 đến 99,9% bụi trong dòng khí nóng là tro Tro có kích thước hạt lớn

hơn nằm lại ở đáy lò, gọi là tro đáy

Tro bay với đặc tính về thành phần khoáng, kích thước hạt mịn và cấu trúc vô định hình, là một chất pozzolan Các nhà máy nhiệt điện khác nhau cho ra loại tro bay khác nhau Điều đó phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của than, mức độ nghiền của than, loại lò hơi sử dụng, điều kiện oxi hóa trong lò và phương thức tro bay được thu hồi, lưu trữ, vận chuyển Bên cạnh đó, tro bay được sinh ra từ cùng một nhà máy nhiệt điện cũng khác nhau

Một trong những ứng dụng quan trọng của tro bay là trong lĩnh vực xây dựng: Người ta dùng tro bay làm phụ gia cho bê tông và thay thế một phần xi măng Trong trường hợp này, oxit silic (SiO2) trong tro bay sẽ phản ứng với canxi hydroxit, sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng tạo thành hydro silicat canxi (C-S-H) Đây là một khoáng rất có lợi vì tăng độ bền của bê tông Mặt khác, đặc tính dạng cầu của hạt tro bay đóng vai trò cải thiện tính công tác cho hỗn hợp bê tông tươi, từ đó tăng độ đặc chắc và độ bền cho bê tông

2.1.1.2 Phân loại tro bay

Theo tiêu chuẩn ASTM C618, tro bay được phân thành hai loại sau:

- Tro bay loại F: Là tro bay được sinh ra từ than anthracite hay bitum, hàm lượng canxi oxit (CaO) trong thành phần hóa ít hơn 6%, là loại tro ít canxi, có tính chất của pozzolan và không có khả năng tự đóng rắn Mặt khác, tro bay loại F

có lượng carbon chưa cháy hơn 2% tính theo lượng mất khi nung Thành phần khoáng chủ yếu có quartz, mullite và hematite Tro bay loại này điển hình như tro bay từ miền trung, tây nước Mỹ và từ Canada Với sự có mặt của nước, tro

bay loại F sẽ tác dụng với đá vôi hay canxi hydroxit tạo thành hỗn hợp xi măng tương tự như xi măng Portland Nhiều bài nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng tro bay loại F có thể thay thế từ 15 đến 30% lượng xi măng trong bê tông Sử dụng tro bay loại F có thể giảm lượng nước trong bê tông từ đó giảm đi lượng nhiệt sinh ra do quá trình thủy hóa Ngoài ra, tro bay loại này cũng được dùng cải thiện khả năng chống ăn mòn sulfat và ion clo cho bê tông

- Tro bay loại C: Thường chứa nhiều hơn 15% canxi oxit (CaO) hay còn gọi là tro bay giàu canxi Nó được sử dụng trong công nghiệp bê tông khoảng 20 năm trở lại đây Tro bay loại này không chỉ có tính pozzolan mà còn có khả năng tự đóng rắn Khi trộn nước tro bay sẽ phản ứng tương tự như trong xi măng Portland Mức độ tự đóng rắn phụ thuộc vào canxi oxit (CaO) trong tro bay Hàm lượng CaO càng cao mức độ đóng rắn của tro bay càng cao Hàm lượng carbon chưa cháy trong tro tính theo lượng mất khi nung là ít hơn 1% Thành phần khoáng chủ yếu là anhydride, tricanxi aluminat, đá vôi, quartz, periclase, mullite, merwinite và ferrite

2.1.2 Geopolymer

2.1.2.1 Khái niệm Geopolymer

Khái niệm “Geopolymer” được đưa ra vào những năm 1970 bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits Đây là một loại vật liệu rắn tổng hợp được nhờ phản ứng hóa học giữa Aluminosilicate dạng bột với dung dịch Alkali Vật liệu Aluminosilicate được sử dụng là những nguyên liệu có chứa các oxit của silic, nhôm,…Do đó Aluminosilicate có thể là đất sét cao lanh, đá phún xuất có nguồn gốc núi lửa hay các phế phẩm công nghiệp như xỉ lò cao, tro bay,… Bài khảo sát này chủ yếu sử dụng tro bay làm nguyên liệu cung cấp SiO2 và Al2O3 Bên cạnh đó dung dịch kiềm sử dụng là hỗn hợp của dung dịch kiềm natri hydroxit và thủy tinh lỏng Vì lý

do phản ứng hóa học giữa chúng là quá trình polymer hóa nên Joseph Davidovits sử dụng danh từ Geopolymer để chỉ loại vật liệu này

2.1.2.2 Cấu trúc Geopolymer

Geopolymer thuộc lớp vật liệu polymer vô cơ Thành phần hóa học của Geopolymer giống như vật liệu Zeolite trong tự nhiên nhưng có cấu trúc vô định hình thay vì cấu trúc tinh thể như Zeolite Cũng giống như những vật liệu Aluminosilicate trong tự nhiên, cấu trúc Geopolymer lẫn Zeolite đều có đơn vị cấu trúc là những đa diện phối trí [SiO4]4-, ion Al3+ có thể thay thế một phần Si4+ trong các đa diện phối trí này và các ion kiềm (Na+, K+,…) nằm trong các lỗ rỗng nhằm cân bằng điện tích

Hình 2 1: Cấu trúc của Geopolymer [5]

Quá trình polymer hóa liên quan đến hàng loạt các phản ứng nhanh của nguyên liệu Si-Al trong điều kiện dung dịch kiềm Kết quả là tạo thành sản phẩm có cấu trúc dạng chuỗi hoặc vòng polymer bao gồm các liên kết Si-O-Al-O, nó được diễn tả theo công thức sau [5]:

Trong đó:

- M là nguyên tố kiềm hoặc cation như Natri, Kali hoặc Canxi

- Kí hiệu “-“ giữa (SiO2)z và (Al2O3) đại diện cho liên kết giữa chúng

- n là mức độ polymer hóa

- z có thể là 1,2,3 hoặc nhiều hơn có khi lên tới 32

Sự tạo thành Geopolymer có thể được diễn tả bằng hai phản ứng hóa học sau [5]:

Phương trình phản ứng trên chứng tỏ nước được sinh ra trong suốt quá trình hình thành Geopolymer Lượng nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong cả quá trình đổ khuôn cũng như dưỡng hộ nhiệt sau đó Khi đó, chúng để lại những lổ rỗng không liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer được hình thành Lượng nước trong hỗn hợp Geopolymer không có vai trò gì trong phản ứng hóa học nhưng

nó tạo nên tính công tác cho hỗn hợp khi nhào trộn Điều đó ngược với nước trong hỗn hợp xi măng Portland cần thiết cho quá trình hydrat hóa

Quá trình phản ứng trên bao gồm ba giai đoạn sau [5,18]:

- Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay,…) nhờ tác động của ion OH-

- Những phần tử trên di chuyển, định hướng và kết hợp thành những monomer

- Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có cấu trúc polymer

2.1.3 Bê tông Geopolymer

Bê tông Geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính Geopolymer) Trong quá trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác, không tham gia tạo cấu trúc Geopolymer, không tham gia phản ứng hóa học mà có thể bị loại ra trong quá trình bảo dưỡng và sấy (không giống như xi măng cần nước để thủy hóa) Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tông Geopolymer sử dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp sẽ tạo cường độ cao, co ngót ít, từ biến thấp, chịu ăn mòn sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng (Lloyd và Rangan 2010) [19]

Thông qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy ứng xử và cường độ của các cấu kiện bê tông Geopolymer gốc tro bay tương tự như bê tông thông thường [14]

Do đó, những tính toán bê tông Geopolymer cũng có thể được lấy theo trong tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574-2012 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép sử dụng chất kết dính xi măng Portland để tiến hành tính toán trong luận văn này

Bên cạnh đó, việc tính toán cường độ chịu kéo gián tiếp thông qua cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer được xác định theo công thức thực nghiệm (Rangan và Hardjito, 2014) [20]

0, 7

Môđul đàn hồi được lấy theo công thức đề xuất của viện bê tông Hoa kỳ [21]

So với vật liệu truyền thống (kim loại), vật liệu Composite có độ bền, độ cứng, độ bền mỏi, khả năng chịu va đập cao hơn, tính dẫn nhiệt kém hơn và chịu được ăn mòn cao hơn Bằng công nghệ chế tạo và lựa chọn thích hợp tỷ lệ các vật liệu thành phần,

ta có thể tạo ra một loại vật liệu Composite có những đặc tính theo yêu cầu của người

sử dụng

Song song với những ưu điểm, vật liệu Composite cũng có những hạn chế sau đây: Giá thành chế tạo cao, ứng xử cơ học của vật liệu Composite phức tạp hơn nhiều

so với kim loại

2.2.2 Phân loại vật liệu Composite

Vật liệu Composite được phân loại theo hình dạng của vật liệu tăng cường: Sợi, hạt hay mảnh hoặc theo bản chất của vật liệu nền: Polymer, kim loại, gốm, cacbon…

- Composite cốt hạt chứa các hạt nhỏ Vật liệu Composite cốt hạt xem như đẳng hướng vì hạt được phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu nền như hợp kim, gốm nhằm tăng cường độ bền, tăng khả năng chịu nhiệt và chịu oxi hóa

- Composite cốt mảnh chứa các mảnh nhỏ của vật liệu tăng cường phân bố trong vật liệu nền Vật liệu mảnh nhỏ thường là thủy tinh, mica, nhôm, bạc…Composite cốt mảnh có độ bền, độ cứng uốn cao Tuy nhiên mảnh nhỏ khó sắp xếp, và chỉ có số lượng hạn chế các vật liệu được sử dụng

- Composite cốt sợi có vật liệu tăng cường là các sợi ngắn (không liên tục), hoặc sợi dài (liên tục), chẳng hạn như sợi thủy tinh, sợi cacbon, aramid Vật liệu nền có thể là nhựa (epoxy, polymer), kim loại (nhôm), gốm Vật liệu Composite cốt sợi là vật liệu dị hướng

- Composite nanô gồm các vật liệu kích thước tương đương với nanômet (10

-9) Ở kích thước này, tính chất vật liệu hoàn toàn khác so với vật liệu thông thường

Từ những tính năng ưu việt của mình mà vật liệu Composite thường được sử dụng trong xây dựng để chế tạo cấu kiện Composite hoặc dùng gia cường cấu kiện đã xuống cấp trong xây dựng Dể thấy nhất là cấu kiện dầm gia cường tấm CFRP hoặc cấu kiện liên hợp Cấu kiện Composite có những ưu việt vì nó đã tận dụng những ưu điểm về đặc trưng cơ lý của từng loại vật liệu như cấu liên hợp thép Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ

an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực còn tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa Thực tế, cấu kiện Composite hiện nay cũng chỉ có tồn tại ở dạng cấu kiện được tạo thành từ bê tông và thép hình, chưa có có cấu kiện Composite tạo từ hai loại bê tông Chính vì vậy mà việc nghiên cứu cấu kiện này cũng là một hướng nghiên cứu mới Tuy nhiên, việc xây dựng lý thuyết tính toán cho cấu kiện loại này khá phức tạp Vì vậy, có thể tính toán cấu kiện cấu kiện loại này như là cấu kiện bê tông thường sau khi đã đồng nhất

2.2.3 Đồng nhất hóa độ cứng dầm Composite

Vì mọi tính toán sử dụng trong luận văn này là sử dụng các phép tính toán cho dầm chế tạo từ một loại bê tông, nên cần phải đồng nhất độ cứng hai tiết diệt tạo từ hai loại bê tông trên cùng một mặt cắt như sau

Hình 2 2: Mặt cắt ngang dầm Composite 2 lớp

Cho dầm có tiết diện chữ nhật được tạo từ hai loại vật liệu khác nhau

Vật liệu thứ nhất (bê tông xi măng) có môđul đàn hồi E2 và vật liệu thứ hai (bê tông Geopolymer) có môđul đàn hồi E2 kích thước tiết diện như (Hình 2.2)

Giả thuyết trục trung hòa của cấu kiện tạo từ hai loại bê tông trùng với trục trung hòa hình học thì độ cứng kháng uốn của tiết diện dầm được xác định như công thức sau:

2 1

2.3 Lý thuyết dầm

Sau khi đồng nhất hóa hai loại vật liệu là bê tông xi măng và bê tông Geopolymer trong cấu kiện dầm nhận được một cấu kiên dầm tạo từ vật liệu mới có tính chất đã được đồng nhất hóa từ hai loại vật liệu trên Mọi phép tính toán trên cấu kiện này đều thực hiện như dầm bê tông xi măng

2.3.1 Xác định khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1

2.3.1.1 Tiết diện chữ nhật cốt đơn

RbAb

R sc A sc

A s

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM

Chương này chủ yếu nói về nguyên vật liệu, quá trình đúc và thí nghiệm dầm

Composite 2 lớp từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng

Thành phần nguyên vật liệu chế tạo hai loại bê tông gần giống nhau, khác biệt chủ yếu là việc sử dụng chất kết dính Geopolymer cho bê tông Geopolymer và chất kết dính xi măng Portland cho bê tông xi măng

Nguyên liệu sử dụng bao gồm tro bay, đá, cát, dung dịch alkali (hỗn hợp của natri hydroxit và thủy tinh lỏng), cốt thép, nước và xi măng Portland

3.1 Nguyên liệu

3.1.1 Tro bay

Hình 3 1: Tro bay sử dụng trong thí nghiệm [nguồn internet]

Sử dụng tro bay loại F vì có hàm lượng CaO ít hơn 6% tiêu chuẩn ASTM C618 [22], với thành phần hóa học cho bởi bảng sau:

Bảng 3 1: Thành phần hóa học của tro bay

Oxit SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO K 2 O và

Na 2 O MgO SO 3 MKN

Hàm lượng

(%) 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63

Từ đó có thể thấy tỷ lệ SiO2 trên Al2O3 của tro bay nàylà 1,62 và hàm lượng CaO thấp nhưng hàm lượng mất khi nung khá cao (9,63%)

Các chỉ tiêu vật lý:

 Độ mịn: 94% lượng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm

3.1.2 Thủy tinh lỏng

Đây là dung dịch màu trắng trong, sệt Thành phần hóa học: SiO2=30,1%,

Na2O=9,4%, H2O=60,5% Tỷ lệ SiO2/Na2O=3,2, tỷ trọng 1,420,01 g/ml

Hình 3 2: Thủy tinh lỏng [nguồn internet]

3.1.3 Natri hydroxit

Natri hydroxit ở dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90%

Khối lượng riêng: 2130 kg/m3

Hình 3 3: Natri hydroxit thể rắn [nguồn internet]

3.1.4 Cốt liệu nhỏ

Cát được sử dụng với cỡ hạt bé hơn 5 mm TCVN 7572:2006 [23], với thành phần hạt được biểu diễn trong biểu đồ (Hình 3.5)

Khối lượng riêng: 2310 kg/m3

Hình 3 4: Cốt liệu nhỏ [nguồn internet]

Lượng sót riêng (%)

3.1.5 Cốt liệu lớn

Đá được sử dụng với cỡ hạt bé hơn 70 mm TCVN 7572:2006 [23], với thành phần hạt được biểu diễn trong biểu đồ (Hình 3.7)

Khối lượng riêng: 2510 kg/m3

Hình 3 6: Cốt liệu lớn [nguồn internet]

Bảng 3 3: Thành phần hạt của đá

Cỡ sàng (mm)

Lượng sót riêng (%)

Hình 3 7: Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn

Thép dùng làm thí nghiệm là thép Việt Nhật với thép trơn có mác là thép CB240V

và thép vằn có mác thép là thép CB300V Dung sai đường kính thép là  0, 3

3.2 Phương pháp thí nghiệm

3.2.1 Tính toán cấp phối

3.2.1.1 Bê tông xi măng

Thành phần của cấp phối bê tông xi măng được biểu thị qua khối lượng xi măng (kg) và khối lượng cốt liệu (kg) và thể tích nước (l) sử dụng chế tạo ra 1m3 khối bê tông Để xác định cấp phối bê tông có thể thực hiện bằng 2 phương pháp: Xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm hoặc xác định cấp phối bê tông bằng phương pháp tra bảng kết hợp với thực nghiệm Trong luận văn này xác định thành phần cấp phối thông qua phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm Căn cứ vào điều kiện cơ bản về nguyên vật liệu, độ sụt và mác bê tông yêu cầu, sử dụng bảng tra để xác định sơ bộ lượng nước sử dụng cho 1m3 bê tông Tiếp theo thực thiện các phép tính để xác định thành phần còn lại cho 1m3 bê tông Sau đó tiến hành kiễm tra bằng thực nghiệm theo vật liệu thực tế và điều chỉnh để có cấp phối bê tông phù hợp nhất

Các bước tính toán xác định cường độ cho bê tông xi măng được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 3318-1993 [27]

3.2.1.2 Bê tông Geopolymer

Chính vì loại bê tông này khá mới mẽ mà việc xác định cấp phối chính xác cho

bê tông này còn nhiều hạn chế Vì vậy, trong luận văn này sử dụng cấp phối của những nghiên cứu trước để tiến hành thí nghiệm và hiệu chỉnh cho phù hợp bằng cách

sử dụng những công thức về những mối quạn hệ các thành phần trong bê tông Geopolymer để tính toán xác định các thành phần cho loại bê tông này

Dựa vào một số quan hệ sau để tính toán cấp phối mẫu bê tông Geopolymer: Tổng thể tích các thành phần nguyên vật liệu được tính cho 1 3

Tỉ lệ khối lượng cốt liệu chia cho tro bay:

3.2.2 Quy trình thí nghiệm mẫu

Với từng cấp phối mẫu triển khai đúc mẫu hình trụ kích thước 100x200 (mm) để xác định cường độ và tiến hành chọn cấp phối để triển khai đúc cấu kiện dầm Composite 2 lớp chế tạo từ hai loại bê tông trên Ứng với từng tổ mẫu, việc thực hiện theo trình tự như sau:

Bước 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, khuôn mẫu

- Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu là nguyên liệu được trình bày từ mục 1.1 đến 1.8

- Đá, cát được tiến hành rửa sạch và phơi khô trước khi sử dụng

- Thủy tinh lỏng và dung dịch natri hydroxit phải được pha trước khi đổ 24h

để tăng hiệu quả kết dính khi đổ mẫu

- Các vật liệu được tính cho từng tổ mẫu (03 mẫu/1 tổ) được tính toán và cân đo từng chủng loại

- Khuôn mẫu được vệ sinh và gia công lại đảm bảo độ kín, chặt chẽ trong suốt quá trình đúc mẫu

Bước 2: Nhào trộn và đúc mẫu

- Trộn khô phối liệu bao gồm đá, cát và tro bay đối với bê tông Geopolymer Đối với bê tông xi măng thì đá, cát, xi măng

- Sau khi trộn đều phối liệu thì tiến hành đổ dung dịch thủy tinh lỏng đã pha với natri hydroxit vào và tiếp tục trộn đều cho đến khi bê tông đạt yêu cầu đối với bê tông Geopolymer Đối với bê tông xi măng thì thêm nước vào

- Đổ bê tông vào khuôn thành 3 lớp và tiến hành đầm bằng que đầm (25-30 lần/lớp)