Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao làm việc trong điều kiện biển Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:191

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao làm việc trong điều kiện biển Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về bê tông sử dụng CKD KHH TB-XLC; Phương pháp thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC; Giải pháp kéo dài thời gian đông kết của CKD KHH TB-XCL; Nghiên cứu ứng dụng BT CKD KHH TB-XLC trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao làm việc trong điều kiện biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐINH HOÀNG QUÂN NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐINH HOÀNG QUÂN NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Nguyễn Thanh Bằng 2. PGS.TS. Nguyễn Hữu Huế HÀ NỘI, NĂM 2025
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Đinh Hoàng Quân i
LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn, PGS.TS. Nguyễn Thanh Bằng và PGS.TS. Nguyễn Hữu Huế, đã truyền đạt những kinh nghiệm nghiên cứu quý báu và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án này. Tác giả xin cảm ơn ThS. Nguyễn Tiến Trung và đội ngũ cán bộ của công ty cổ phần Contech đã hỗ trợ hiệu quả trong quá trình thí nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí và dữ liệu từ Chương trình KC08.21, là nguồn lực quan trọng góp phần không nhỏ vào quá trình nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới lãnh đạo và các nhà khoa học của Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Phòng đào tạo, Khoa Công trình, Bộ môn Công nghệ và Quản lý Xây dựng của Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tác giả có thể tập trung và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ trong quá trình học tập và nghiên cứu. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................3 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................5 6. Cấu trúc của luận án ...........................................................................................6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO ...............................7 1.1 Giới thiệu chung về chất kết dính kiềm hoạt hóa ..............................................7 1.1.1 Các mốc lịch sử trong quá trình phát triển chất kết dính kiềm hoạt hóa ....7 1.1.2 Phân loại chất kết dính kiềm hoạt hóa ........................................................8 1.2 Cơ sở khoa học của việc kết hợp tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn để chế tạo CKD KHH TB-XLC....................................................................................................9 1.2.1 Cơ chế phản ứng của chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay .........................9 1.2.2 Cơ chế phản ứng của chất kết dính kiềm hoạt hóa xỉ lò cao .....................10 1.2.3 Cơ sở khoa học lựa chọn kết hợp tro bay và xỉ lò cao chế tạo bê tông chất kết dính kiềm hoạt hóa ..........................................................................................11 1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu CKD KHH TB-XLC ...............................12 1.3.1 Thành phần chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao ....................12 1.3.2 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao ........................................................................................................23 1.3.3 Độ bền của BT CKD KHH TB-XLC làm việc trong môi trường biển .....28 1.4 Đặc điểm môi trường biển Việt Nam và các tác nhân xâm thực .....................33 Kết luận chương 1 .....................................................................................................35 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO .........................................37 2.1 Cách tiếp cận và quy trình nghiên cứu.............................................................37 iii
2.1.1 Cách tiếp cận .............................................................................................37 2.1.2 Quy trình nghiên cứu.................................................................................41 2.2 Xây dựng công thức tính toán vật liệu chế tạo ................................................42 2.2.1 Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ............................................................42 2.2.2 Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng vật liệu đến tính chất của CKD KHH........................................................................................45 2.2.3 Tính toán các yếu tố đặc trưng từ các thông số cơ bản của vật liệu đầu vào và ngược lại ...........................................................................................................47 2.3 Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thí nghiệm độ sụt và cường độ nén ở 28 ngày tuổi của BT CKD KHH TB-XLC .....................................................................................56 2.4 Xây dựng mô hình học máy và mô hình toán dự đoán độ sụt và cường độ nén ở tuổi 28 ngày của BT CKD KHH TB-XLC .............................................................57 2.4.1 Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo dự đoán độ sụt và cường độ của BT CKD KHH TB-XLC .......................................................................................57 2.4.2 Xây dựng mô hình toán dự đoán độ sụt và cường độ nén của BT CKD KHH TB-XLC: ......................................................................................................65 2.5 Đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối BT CKD KHH TB-XLC ..................68 2.5.1 Lưu đồ phương pháp thiết kế cấp phối BT CKD KHH TB-XLC .............68 2.5.2 Thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC mác M30, M40 và M50 ...71 2.6 Đánh giá sự phù hợp của phương pháp thiết kế cấp phối BT CKD KHH TB- XLC ..........................................................................................................................72 2.6.1 Kế hoạch thực nghiệm...............................................................................72 2.6.2 Kết quả thí nghiệm và thảo luận ...............................................................74 Kết luận chương 2 .....................................................................................................82 CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP KÉO DÀI THỜI GIAN ĐÔNG KẾT CỦA CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO..................................................83 3.1 Nghiên cứu đề xuất giải pháp kéo dài thời gian bắt đầu đông kết của CKD KHH TB-XLC ...........................................................................................................83 3.2 Thiết lập phương trình hồi quy và tối ưu hóa CKD KHH TB-XLC một thành phần ..........................................................................................................................85 3.2.1 Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm .......................................85 3.2.2 Vật liệu, các tham số đầu vào và miền khảo sát .......................................86 3.2.3 Thực nghiệm trên mẫu vữa .......................................................................88 iv
3.2.4 Xây dựng mô hình và phương trình hồi quy cho CKD KHH TB-XLC một thành phần..............................................................................................................90 3.2.5 Tối ưu hóa thành phần CKD KHH TB-XLC một thành phần ..................95 3.3 So sánh giữa BT CKD KHH TB-XLC một thành phần và hai thành phần .....96 3.3.1 Sự suy giảm độ sụt theo thời gian và cường độ nén .................................96 3.3.2 Đánh giá hiệu quả về kinh tế ...................................................................100 Kết luận chương 3 ...................................................................................................104 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT KẾT DÍNH KIỀM HOẠT HÓA TRO BAY – XỈ LÒ CAO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN Ở VIỆT NAM.......................................................................................106 4.1 Độ bền của BT CKD KHH TB-XLC dưới tác nhân xâm thực của môi trường biển ........................................................................................................................106 4.1.1 Lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá ................................................................106 4.1.2 Độ bền kháng sulfate ...............................................................................107 4.1.3 Độ thấm ion clorua ..................................................................................110 4.1.4 Độ mài mòn trong nước ..........................................................................112 4.2 Đánh giá về hiệu quả môi trường...................................................................113 4.2.1 Đánh giá ô nhiễm thứ cấp khi sử dụng BT CKD KHH TB-XLC trong môi trường nước .........................................................................................................113 4.2.2 Đánh giá hiệu quả bảo vệ môi trường .....................................................115 4.3 Ứng dụng BT CKD KHH TB-XLC cho một công trình thực tế ...................118 4.3.1 Hiện trạng, quy mô và giải pháp kỹ thuật cho công trình thử nghiệm....118 4.3.2 Tổ chức thi công tại hiện trường .............................................................121 4.3.3 Kết quả thí nghiệm hiện trường và thảo luận ..........................................124 Kết luận chương 4 ...................................................................................................132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................133 1. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................133 2. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ..............................................134 3. TỒN TẠI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................................135 4. KIẾN NGHỊ ...................................................................................................135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................136 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................137 v
PHỤ LỤC 1. XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ VẬT LIỆU ĐẦU VÀO ẢNH HƯỞNG TỚI CƯỜNG ĐỘ CỦA CKD KHH TB-XLC ....................................................................146 PHỤ LỤC 2. THÀNH PHẦN 1 M3 BT CKD KHH TB-XLC VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .....................................................................................................................159 PHỤ LỤC 3. CODE XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ ...................................................................................................167 PHỤ LỤC 4. CODE XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO DỰ ĐOÁN ĐỘ SỤT ..........................................................................................................169 PHỤ LỤC 5. CODE DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ SỤT TỪ CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU ..........................................................................................171 PHỤ LỤC 6. CODE THIẾT KẾ CẤP PHỐI BT CKD KHH TB-XLC THEO CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ SỤT YÊU CẦU.......................................................................................174 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. Khung nghiên cứu của luận án ...........................................................................4 Hình 1.1. (a) Bến tàu Port of Brisbane, (b) Đường lên cầu Weigh Bright, (c) Sân bay Brisbane West Wellcamp Airport [11] ............................................................................8 Hình 1.2. Cơ chế phản ứng của geopolymer [9] ...........................................................10 Hình 1.3. Sự khác nhau giữa cấu trúc vi mô của BTXM và BT CKD KHH XLC [15]11 Hình 1.4. Lượng mất khi nung của tro bay tại một số nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam .......................................................................................................................................13 Hình 1.5. Cường độ nén của BTXM và BT CKD KHH XLC với loại dung dịch hoạt hóa khác nhau [45]. .......................................................................................................16 Hình 1.6. Quan hệ giữa cường độ nén với tỷ lệ N/X hoặc DDHH/CKD [79] ..............25 Hình 1.7. Quan hệ giữa giá thành và mác bê tông [84] .................................................26 Hình 2.1. Sơ đồ minh họa hồ chất kết dính dư bao quanh các hạt cốt liệu ...................40 Hình 2.2. Quy trình nghiên cứu chương 2 .....................................................................41 Hình 2.3. Quan hệ giữa mật độ sắp xếp hạt ∅A và tỷ lệ phối trộn cốt liệu y1 ...............49 Hình 2.4. Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu BT CKD KHH TB-XLC ..........................56 Hình 2.5. Mạng nơ-ron với 4 đầu vào, 1 đầu ra với 1 lớp ẩn ........................................58 Hình 2.6. Sự phát triển độ phù hợp qua các thế hệ của các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo dự đoán (a) độ sụt và (b) cường độ nén ...................................................................59 Hình 2.7. Sự tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực tế của mô hình mạng nơ- ron nhân tạo dự đoán cường độ nén trên (a) tập huấn luyện và (b) tập kiểm tra ..........60 Hình 2.8. Sự tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực tế của mô hình mạng nơ- ron nhân tạo dự đoán độ sụt trên (a) tập huấn luyện và (b) tập kiểm tra.......................60 Hình 2.9. Tầm quan trọng của các yếu tố đặc trưng đầu vào trong mô hình mạng nơ- ron nhân tạo dự đoán (a) độ sụt và (b) cường độ nén ....................................................61 Hình 2.10. Ảnh hưởng của %XLC, %Na2O và N/CKD tới cường độ nén ...................62 Hình 2.11. Ảnh hưởng của th và N/CKD tới độ sụt .......................................................64 Hình 2.12. Ví dụ về lập trình biểu thức gen ..................................................................66 Hình 2.13. Sự tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực tế của mô hình toán dự đoán độ sụt trên (a) tập huấn luyện và (b) tập kiểm tra .................................................67 Hình 2.14. Sự tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực tế của mô hình toán dự đoán cường độ nén trên (a) tập huấn luyện và (b) tập kiểm tra .....................................67 Hình 2.14. Tầm quan trọng của các yếu tố đặc trưng đầu vào trong mô hình toán dự đoán (a) độ sụt và (b) cường độ nén ..............................................................................68 Hình 2.15. Lưu đồ phương pháp thiết kế cấp phối BT CKD KHH TB-XLC ...............69 Hình 2.16. Một số hình ảnh thí nghiệm kiểm tra ..........................................................73 Hình 2.17. Kết quả cường độ nén ở 28 ngày tuổi của các mác bê tông đã thiết kế ......78 Hình 2.18. Kết quả độ sụt trung bình của các mác bê tông đã thiết kế .........................78 vii
Hình 2.19. Sự phát triển cường độ nén theo thời gian của các mác bê tông đã thiết kế .......................................................................................................................................79 Hình 2.20. Tương quan giữa cường độ nén và cường độ chịu kéo khi uốn ..................81 Hình 3.1. Mô hình thiết kế thí nghiệm cho 3 yếu tố (a) Phương pháp CDD, (b) Phương pháp Box-Behnken và (c) Phương pháp Doehlert.........................................................86 Hình 3.2. Sự tương quan giữa kết quả dự đoán và thực tế đối với (a) mô hình t1, (b) mô hình t2, and (c) mô hình R28 ...........................................................................................93 Hình 3.3. Bề mặt đáp ứng 3D của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là thời gian bắt đầu đông kết t1 (a) Ảnh hưởng của %XLC và %Na2O_NS, (b) Ảnh hưởng của %Na2O_NS và %Na2O_NC, và (c) Ảnh hưởng của %Na2O_NC và %XLC ...............94 Hình 3.4. Bề mặt đáp ứng 3D của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là thời gian kết thúc đông kết t2 (a) Ảnh hưởng của %XLC và %Na2O_NS, (b) Ảnh hưởng của %Na2O_NS và %Na2O_NC, và (c) Ảnh hưởng của %Na2O_NC và %XLC ...............94 Hình 3.5. Bề mặt đáp ứng 3D của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 (a) Ảnh hưởng của %XLC và %Na2O_NS, (b) Ảnh hưởng của %Na2O_NS và %Na2O_NC, và (c) Ảnh hưởng của %Na2O_NC và %XLC ........................................95 Hình 3.6. Biểu đồ suy giảm độ sụt theo thời gian .........................................................99 Hình 3.7. Biểu đồ so sánh cường độ nén R28 giữa các mẫu BT CKD KHH TB-XLC .99 Hình 3.8. So sánh chi phí 1m3 BT CKD KHH một thành phần và hai thành phần có cùng cấp phối ...............................................................................................................101 Hình 3.9. So sánh chi phí 1m3 BT CKD KHH hai thành phần theo 2 phương pháp phối trộn khác nhau .............................................................................................................101 Hình 3.10. So sánh chi phí 1 m3 bê tông cùng cường độ ............................................104 Hình 4.1. Thí nghiệm độ nở sulfate của thanh vữa .....................................................107 Hình 4.2. Độ nở của thanh vữa trong dung dịch sulfate theo thời gian ......................108 Hình 4.3. Sự thay đổi cường độ nén của các mẫu bê tông mác M30 theo thời gian ngâm trong dung dịch 10%MgSO4..............................................................................109 Hình 4.4. Sự thay đổi cường độ nén của các mẫu bê tông mác M40 theo thời gian ngâm trong dung dịch 10%MgSO4..............................................................................109 Hình 4.5. So sánh độ thấm ion Cl- của các mẫu bê tông M30 và M40 ở tuổi 28 ngày .....................................................................................................................................111 Hình 4.6. Thí nghiệm mài mòn thủy lực theo ASTM C1138-05 ................................112 Hình 4.7. Tổng độ mài mòn sau 72 giờ (%) của các mẫu bê tông mác M30 và M40 ở tuổi 28 ngày .................................................................................................................113 Hình 4.8. So sánh tổng lượng phát thải CO2 khi sản xuất 1 m3 BT CKD KHH TB-XLC và BTXM có mác tương đương ...................................................................................116 Hình 4.9. Tỷ lệ phát thải trung bình CO2 của các loại vật liệu dùng để sản xuất BT CKD KHH TB-XLC và BTXM ..................................................................................116 Hình 4.10. Hiện trạng kè biển tại vị trí xây dựng mô hình thử nghiệm ......................118 Hình 4.11. Mặt cắt ngang đoạn kè hiện trạng K25+320 ÷K25+340 ...........................119 viii
Hình 4.12. Mặt cắt ngang đoạn kè hoàn thiện Km25+320 ÷ Km25+340 ...................119 Hình 4.13. Cấu tạo của cấu kiện bê tông CKD KHH TB-XLC dùng để bảo vệ mái kè .....................................................................................................................................119 Hình 4.14. Sơ đồ cấu tạo dây chuyền công nghệ sản xuất BT CKD KHH .................122 Hình 4.15. Chế tạo cấu kiện bê tông ...........................................................................122 Hình 4.16. Lắp đặt cấu kiện tại hiện trường ................................................................123 Hình 4.17. Công trình thử nghiệm sau khi hoàn thành ...............................................123 Hình 4.18. Kết quả thí nghiệm độ sụt các tổ mẫu hiện trường ....................................124 Hình 4.19. Kết quả thí nghiệm cường độ các tổ mẫu hiện trường ..............................124 Hình 4.20. Hiện trạng mô hình thử nghiệm sau 12 tháng áp dụng .............................125 Hình 4.21. Bề mặt các cấu kiện BT CKD KHH TB-XLC sau 12 tháng (a) tại vùng 1, (b) tại vùng 2, và (c) tại vùng 3. ..................................................................................126 Hình 4.22. Khoan, gia công mẫu và nén mẫu khoan...................................................127 Hình 4.23. Thí nghiệm thấm ion Cl- của các mẫu khoan hiện trường ........................131 Hình PL.1. Hiện tượng dư alkali trong mẫu 10%Na2O...............................................147 Hình PL.2. Thí nghiệm đo độ xòe của vữa..................................................................149 Hình PL.3. Bề mặt đáp ứng 3D của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 (a) HP, (b) PL, và (c) FO – Ảnh hưởng của %XLC và %Na2O................154 Hình PL.4. Bề mặt đáp ứng 3D của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 (a) HP, (b) PL, và (c) FO – Ảnh hưởng của %XLC và Ms ......................154 Hình PL.5. Đường đồng mức của mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 (a) HP, (b) PL, và (c) FO – Ảnh hưởng của %Na2O và Ms với %XLC=50% .....................................................................................................................................154 Hình PL.6. Quan hệ giữa cường độ nén R28 của mẫu vữa CKD KHH TB-XLC và tỷ lệ %Na2O ứng với các tỷ lệ xỉ lò cao khác nhau .............................................................155 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thống kê cách chế tạo CKD KHH của một số nghiên cứu ..........................18 Bảng 2.1. Thành phần hóa học và các tính chất vật lý của tro bay và xỉ lò cao ............43 Bảng 2.2. Các thuộc tính cơ bản của cốt liệu ................................................................44 Bảng 2.3. Mật độ sắp xếp hạt và diện tích bề mặt của hỗn hợp cốt liệu .......................48 Bảng 2.4. Tổng hợp công thức tính toán các yếu tố đặc trưng từ các thông số cơ bản của vật liệu đầu vào .......................................................................................................51 Bảng 2.5. Tổng hợp công thức tính toán thành phần vật liệu đầu vào từ các yếu tố đặc trưng...............................................................................................................................55 Bảng 2.6. Tóm tắt khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng và kết quả nghiên cứu từ Phụ lục 2 ....................................................................................................................56 Bảng 2.7. Các siêu tham số đã tối ưu và độ chính xác của các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo dự đoán độ sụt và cường độ nén BT CKD KHH TB-XLC ............................59 Bảng 2.8. Độ chính xác của các mô hình toán dự đoán độ sụt và cường độ nén BT CKD KHH TB-XLC ......................................................................................................67 Bảng 2.9. Khoảng biến thiên và bước nhảy của các biến đầu vào ................................70 Bảng 2.10. Đơn giá vật liệu đầu vào của BT CKD KHH TB-XLC ..............................72 Bảng 2.11. Kết quả tính toán cấp phối của BT CKD KHH TB-XLC ...........................72 Bảng 2.12. Kế hoạch thực nghiệm đánh giá sự phù hợp của phương pháp thiết kế cấp phối BT CKD KHH TB-XLC .......................................................................................73 Bảng 2.13. Kết quả thí nghiệm độ sụt, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, khối lượng thể tích và độ chống thấm của BT CKD KHH TB-XLC ....................................74 Bảng 2.14. Kết quả kiểm tra, đánh giá cường độ nén ở tuổi 28 ngày R28 của BT CKD KHH TB-XLC mác M30, M40 và M50 ........................................................................76 Bảng 2.15. Kết quả kiểm tra, đánh giá độ sụt Sn của BT CKD KHH TB-XLC mác M30, M40 và M50 .........................................................................................................77 Bảng 2.16. Kết quả xác định hệ số chuyển đổi giữa cường độ nén và cường độ chịu kéo khi uốn của BT CKD KHH TB-XLC .....................................................................81 Bảng 3.1. Cường độ nén và thời gian đông kết của CKD KHH TB-XLC với các loại chất hoạt hóa khác nhau ................................................................................................84 Bảng 3.2. Giá trị các thông số đầu vào của CKD KHH TB-XLC một thành phần.......87 Bảng 3.3. Kết quả thiết kế thí nghiệm và tính toán thành phần cấp phối vữa ...............88 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm trên mẫu vữa ...........................89 Bảng 3.5. Đơn giá vật liệu .............................................................................................89 Bảng 3.6. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là thời gian bắt đầu đông kết t1 .....90 Bảng 3.7. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là thời gian kết thúc đông kết t2 ...91 Bảng 3.8. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 ......................91 Bảng 3.9. Thống kê sự phù hợp của mô hình ................................................................92 Bảng 3.10. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là chi phí 1 tấn CKD KHH .........93 x
Bảng 3.11. Các mục tiêu tối ưu hóa CKD KHH TB-XLC một thành phần ..................96 Bảng 3.12. Kết quả tối ưu hóa và kết quả thí nghiệm kiểm chứng CKD KHH TB-XLC một thành phần ..............................................................................................................96 Bảng 3.13. Cấp phối vật liệu cho 1 m3 BT CKD KHH TB-XLC một thành phần và hai thành phần mác M30, M40 và M50 ..............................................................................97 Bảng 3.14. Kết quả thí nghiệm độ sụt theo thời gian của BT CKD KHH TB-XLC .....98 Bảng 3.15. Chi phí vật liệu cho 1m3 BT CKD KHH 2TP ...........................................102 Bảng 3.16. Chi phí vật liệu cho 1m3 BTXM ...............................................................103 Bảng 3.17. Chi phí vật liệu cho 1m3 BTXM bền sulfate .............................................103 Bảng 4.1. Độ nở của thanh vữa khi ngâm trong dung dịch sulfate .............................108 Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm độ bền của bê tông trong dung dịch 10%MgSO4 ........110 Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm đo độ thấm ion Clo bằng phương pháp điện lượng .....111 Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn thủy lực theo ASTM C1138-05 ..............112 Bảng 4.5. Kết quả phân tích mẫu nước ngâm BT CKD KHH TB-XLC .....................114 Bảng 4.6. Lượng phát thải CO2 khi sản xuất 1 m3 BT CKD KHH TB-XLC..............115 Bảng 4.7. Lượng phát thải CO2 khi sản xuất 1 m3 BTXM ..........................................116 Bảng 4.8. Kết quả tính toán cấp phối của BT CKD KHH TB-XLC ...........................120 Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm nén mẫu khoan ............................................................129 Bảng 4.10. Kết quả đo độ thấm ion Cl- theo phương pháp đo điện lượng của các mẫu khoan hiện trường ........................................................................................................131 Bảng PL.1. Giá trị các thông số đầu vào theo phương pháp CCD ..............................147 Bảng PL.2. Kết quả thiết kế thí nghiệm và tính toán thành phần cấp phối vữa ..........148 Bảng PL.3. Kết quả thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm trên mẫu vữa ......................149 Bảng PL.4. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 của mẫu vữa sử dụng tro bay Hải Phòng (HP) .................................................................................151 Bảng PL.5. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 của mẫu vữa sử dụng tro bay Phả Lại (PL) ......................................................................................151 Bảng PL.6. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là cường độ nén R28 của mẫu vữa sử dụng tro bay Formosa (FO) ....................................................................................152 Bảng PL.7. Thống kê sự phù hợp của mô hình ...........................................................152 Bảng PL.8. Mô hình thực nghiệm với hàm mục tiêu là chi phí 1 tấn CKD KHH ......153 Bảng PL.9. Các mục tiêu tối ưu hóa ............................................................................156 Bảng PL.10. Kết quả tối ưu hóa và kết quả thí nghiệm kiểm chứng – xỉ lò cao Hòa Phát ..............................................................................................................................157 xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Ký hiệu viết tắt Cụm từ viết đầy đủ 1 ACE Mô hình kỳ vọng có điều kiện xen kẽ 2 ANN Mạng nơ-ron nhân tạo 3 BT Bê tông 4 BTCT Bê tông cốt thép 5 CKD Chất kết dính 6 CKD KHH Chất kết dính kiềm hoạt hóa 7 CKD KHH 1TP Chất kết dính kiềm hoạt hóa một thành phần 8 CKD KHH 2TP Chất kết dính kiềm hoạt hóa hai thành phần 9 CKD KHH TB Chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng 100% tro bay Chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng kết hợp tro bay 10 CKD KHH TB-XLC và xỉ lò cao nghiền mịn Chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng 100% xỉ lò cao 11 CKD KHH XLC nghiền mịn 12 DDHH Dung dịch hoạt hóa 13 EPR Mô hình hồi quy đa thức tiến hóa 14 GA Giải thuật di truyền 15 GEP Lập trình biểu thức gen 16 KNN Mô hình k hàng xóm gần nhất 17 MAT Mô hình toán 18 MKN Mất khi nung 19 Ms Mô đun silic 20 N/CKD Tỷ lệ nước/chất kết dính 21 NC Natri cacbonat 22 NH Natri hydroxit 23 NMLK Nhà máy luyện kim 24 NMNĐ Nhà máy nhiệt điện than 25 NS Natri silicat 26 RF Mô hình rừng ngẫu nhiên 27 TB Tro bay 28 th Chiều dày lớp hồ dư bao quanh hạt cốt liệu 29 TX Tro xỉ 30 XLC Xỉ lò cao nghiền mịn 31 XM Xi măng Phần trăm khối lượng Na2O có trong dung dịch hoạt 32 %Na2O hóa trên tổng khối lượng chất kết dính Phần trăm khối lượng xỉ lò cao nghiền mịn trên tổng 33 %XLC khối lượng tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường là hai vấn đề cấp bách toàn cầu, trong đó Việt Nam là một trong các quốc gia chịu tác động mạnh nhất do có đường bờ biển dài hơn 3200 km và 75% dân số sống gần biển. Tại Hội nghị COP 26, Thủ tướng Chính phủ đã cam kết đạt mức phát thải ròng bằng "0" vào năm 2050, thể hiện quyết tâm của Việt Nam trong việc giải quyết khủng hoảng khí hậu. Tuy nhiên, lượng khí nhà kính của Việt Nam hiện vẫn đang tăng nhanh trong những năm gần đây, từ 150,9 triệu tấn CO2 năm 2000 lên 563,8 triệu tấn năm 2020 [1]. Trong đó, ngành sản xuất xi măng của nước ta hiện đứng thứ 5 thế giới về công suất [2], đã phát thải lượng khí nhà kính chiếm khoảng 8,6% so với tổng phát thải khí nhà kính quốc gia và 79,8% so với tổng phát thải khí nhà kính lĩnh vực xây dựng [3]. Ngoài ra, ngành công nghiệp sản xuất xi măng còn gây những tác hại khôn lường đến môi trường và sinh thái khi các núi đá vôi đang dần dần biến mất. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng một loại chất kết dính mới, vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật đồng thời phải “thân thiện với môi trường”, nhằm thay thế một phần cho xi măng truyền thống là rất cần thiết. Chất kết dính kiềm hoạt hóa là loại chất kết dính mới nhằm thay thế xi măng Poóc lăng truyền thống, được tổng hợp từ các vật liệu aluminosilicate trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ phòng. Tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn là hai vật liệu chính được sử dụng. Cùng với sự phát triển công nghiệp ở nước ta, lượng phát thải tro bay và xỉ lò cao cũng tăng lên nhanh chóng. Lượng tro và xỉ thải từ các nhà máy nhiệt điện có xu hướng gia tăng hàng năm, tổng lượng phát thải là 14,8 triệu tấn năm 2020; và đến năm 2023 con số này đã vượt qua 18,07 triệu tấn. Tính đến cuối năm 2023, tổng lượng tro, xỉ tiêu thụ lũy kế trên toàn quốc đạt khoảng 83 triệu tấn, mới đạt 66,2% tổng lượng phát thải tích lũy, nên lượng tồn kho tại các bãi thải xỉ lên đến hơn 42 triệu tấn [4]. Nếu tốc độ xử lý tro, xỉ không bắt kịp với mức phát thải ngày càng gia tăng, lượng tồn đọng sẽ đạt đến ngưỡng báo động, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến quỹ đất và môi trường sinh thái. Như vậy, ngoài việc góp phần giảm lượng phát thải khí nhà kính, việc nghiên cứu sử dụng tro bay, xỉ lò cao để chế tạo bê tông chất kết dính kiềm hoạt hóa còn mang đến những lợi ích 1
khác, một mặt góp phần giải quyết được vấn đề chiếm đất và giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường do phải làm các bãi xỉ thải, mặt khác tận dụng được các vật liệu thải và do đó, tiết kiệm có hiệu quả nguồn nguyên liệu thiên nhiên không tái tạo được. Mặt khác, theo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng của Việt Nam (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2020), vào cuối thế kỷ 21, mực nước biển có thể dâng thêm 55 cm (34 cm ÷81 cm) theo kịch bản phát thải trung bình RCP4.5 và 77cm theo kịch bản phát thải cao RCP8.5 so với thời kỳ 1986 – 2005 [5]. Do đó, việc xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, hải đảo đảm bảo tính bền vững là một xu hướng tất yếu ở nước ta. Như vậy, thông qua nghiên cứu chất kết dính kiềm hoạt hóa dùng cho bê tông làm việc trong môi trường biển, loại vật liệu mới này sẽ góp phần không nhỏ phát triển kinh tế biển, ven bờ và hải đảo, công trình thích ứng biến đổi khí hậu nước biển dâng. Mặc dù có nhiều ưu điểm nổi trội so với bê tông xi măng Poóc lăng nhưng chất kết dính kiềm hoạt hóa vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Các nghiên cứu về loại chất kết dính này mới được đẩy mạnh trong khoảng vài năm gần đây và cho kết quả khả quan về khả năng ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng công trình biển với những ưu điểm như phát triển cường độ nhanh, cường độ cao, độ kháng axit và sulfate tuyệt vời... [6] [7]. Tuy nhiên, nhược điểm của chất kết dính kiềm hoạt hóa bao gồm việc chưa có các quy định thống nhất về tính toán thành phần, thời gian đông kết ngắn, chất hoạt hóa dễ gây ra tác hại đối với người lao động cùng với chi phí chế tạo cao hơn so với xi măng truyền thống làm hạn chế khả năng áp dụng rộng rãi trong thực tế. Do đó, để sử dụng loại chất kết dính này một cách hiệu quả, cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa. Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài "Nghiên cứu bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa tro bay – xỉ lò cao làm việc trong điều kiện biển Việt Nam" cho luận án tiến sĩ của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu thiết kế thành phần và chế tạo được BT CKD KHH TB-XLC đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và giá thành để có thể áp dụng cho các công trình xây dựng trong điều kiện Việt Nam, đặc biệt là các công trình làm việc trong môi trường biển. Để đạt được mục tiêu chung, luận án tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau: 2
- Xây dựng được phương pháp thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC vừa đảm bảo độ sụt và cường độ nén yêu cầu, vừa đảm bảo tính kinh tế, đồng thời phù hợp với điều kiện Việt Nam. - Đề xuất giải pháp đảm bảo thời gian đông kết của CKD KHH TB-XLC đáp ứng được yêu cầu thi công bê tông toàn khối mà vẫn đạt cường độ cao với giá thành hợp lý. - Khả năng ứng dụng của BT CKD KHH TB-XLC cho các kết cấu bê tông khi chịu tác động của các yếu tố gây xâm thực trong môi trường biển và áp dụng cho một công trình thực tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là bê tông chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng kết hợp tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn. Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu chế tạo BT CKD KHH TB-XLC, với độ sụt có thể lên tới 25 cm và cường độ nén có thể lên tới 80 MPa, áp dụng cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình làm việc trong môi trường biển với nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng cách tiếp cận nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, bao gồm cả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường. Khung nghiên cứu của luận án được thể hiện ở hình 1. Cách tiếp cận và các bước nghiên cứu cụ thể như sau: (1) Nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài nhằm tìm ra khoảng trống nghiên cứu, đồng thời nhận diện sơ bộ các yếu tố vật liệu đầu vào ảnh hưởng tới các tính chất cơ lý của BT CKD KHH TB-XLC. (2) Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC theo cách tiếp cận dựa vào lý thuyết mật độ sắp xếp hạt, lý thuyết hồ dư và sử dụng mô hình học máy hoặc mô hình toán dự đoán độ sụt và cường độ nén ở tuổi 28 ngày (thay vì cách tiếp cận truyền thống là sử dụng quan hệ giữa tỷ lệ 3
nước/chất kết dính hoặc dung dịch hoạt hóa/chất kết dính với cường độ). Ngoài ra, qua kết quả thực nghiệm và mô hình, xác định các yếu tố vật liệu đầu vào ảnh hưởng tới các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông CKD KHH TB-XLC và khoảng giá trị hợp lý của các yếu tố này nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. (3) Nghiên cứu giải pháp kéo dài thời gian đông kết của CKD KHH TB-XLC phù hợp với yêu cầu thời gian thi công mà vẫn đảm bảo cường độ và giá thành hợp lý theo hướng tiếp cận không sử dụng phụ gia. (4) Nghiên cứu khả năng ứng dụng BT CKD KHH TB-XLC trong môi trường biển thông qua các thí nghiệm mô phỏng điều kiện xâm thực biển và thông qua mô hình thực tế. Hình 1. Khung nghiên cứu của luận án Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: - Phương pháp lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các sách, báo, tài liệu của các công trình nghiên cứu và các công trình thực tế về CKD KHH. Kế thừa có chọn lọc 4
các dữ liệu, kết quả nghiên cứu đã có từ trước tới nay liên quan đến định hướng nghiên cứu của luận án, trong đó chú trọng đặc biệt đến những kết quả mới nhất. Từ đó, tổng kết tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đánh giá những kết quả đã đạt được và những tồn tại cần tiếp tục đặt ra cho nghiên cứu. - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Luận án đã sử dụng quy hoạch thực nghiệm bề mặt đáp ứng tâm xoay phức hợp, với công cụ phần mềm Design Expert 11, để thành lập phương trình hồi quy nhằm xác định mối quan hệ giữa các biến đầu vào và các mục tiêu đầu ra của CKD KHH TB-XLC. - Phương pháp kế thừa tương tự: BT CKD KHH TB-XLC là một loại vật liệu mới, chưa có tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế. Do đó, luận án sử dụng phương pháp phân tích tương tự nhằm kế thừa cách tiếp cận của phương pháp tính toán thiết kế thành phần cấp phối BTXM, khi đó xem hỗn hợp tro bay + xỉ lò cao nghiền mịn + phần rắn của chất hoạt hóa là một dạng chất kết dính (CKD) như xi măng để tính toán thiết kế thành phần cấp phối BT CKD KHH TB-XLC. - Phương pháp mô hình hóa: Luận án đã sử dụng mô hình Toufar điều chỉnh (modified Toufar’s model) dựa trên lý thuyết mật độ sắp xếp hạt (packing density) nhằm xác định tỷ lệ thành phần cốt liệu sử dụng để chế tạo BT CKD KHH TB-XLC. Ngoài ra, mô hình ANN và mô hình toán cũng được sử dụng để dự đoán một số tính chất cơ lý cơ bản của BT CKD KHH như độ sụt, cường độ nén... - Phương pháp thực nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường: Sử dụng một số thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính, vữa, hỗn hợp bê tông và bê tông CKD KHH TB-XLC. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: o Xây dựng được mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào (%XLC, %Na2O, N/CKD, th) và các chỉ tiêu cơ lý của BT CKD KHH TB-XLC (Sn, R28) thông qua phương trình hồi quy và mô hình học máy. 5
o Đề xuất được phương pháp thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC đảm bảo cường độ và độ sụt yêu cầu, phù hợp với nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam. o Xác định được loại chất hoạt hóa và thành phần phù hợp kéo dài thời gian đông kết của CKD KHH TB-XLC đáp ứng yêu cầu thời gian thi công thực tế. o Đánh giá được độ bền của BT CKD KHH TB-XLC trong môi trường xâm thực biển bằng thực nghiệm. - Ý nghĩa thực tiễn: o Đánh giá được hiệu quả về mặt bảo vệ môi trường của CKD KHH TB- XLC, tái chế được các loại phế thải công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao của các nhà máy gang thép. Đồng thời, bằng việc thay thế xi măng trong xây dựng công trình, loại vật liệu mới này cũng góp phần giảm thiểu các tác động có hại tới môi trường của nền công nghiệp xi măng truyền thống, từ đó chung tay vào việc đưa mức phát thải ròng về “0” như cam kết của nước ta trong hội nghị COP26. o Đề xuất được phương pháp chế tạo BT CKD KHH TB-XLC hài hòa giữa yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, đồng thời thành công trong việc ứng dụng vào công trình thực tế, từ đó góp phần đưa loại vật liệu mới “thân thiện với môi trường” này tiếp cận với thị trường xây dựng, đặc biệt là ở các dự án, công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 4 chương chính như sau: Chương 1. Tổng quan về bê tông sử dụng CKD KHH TB-XLC Chương 2. Phương pháp thiết kế thành phần BT CKD KHH TB-XLC Chương 3. Giải pháp kéo dài thời gian đông kết của CKD KHH TB-XCL Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng BT CKD KHH TB-XLC trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam. 6