Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam" là chế tạo thành công bê tông UHPC sử dụng hàm lượng FA lớn (HVFA UHPC) có độ lưu động lớn, cường độ nén lớn hơn 120MPa, cường độ uốn lớn hơn 15MPa, mô đun đàn hồi lớn hơn 40 GPa hướng tới ứng dụng cho kết cấu công trình trong điều kiện Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Phạm Sỹ Đồng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Phạm Sỹ Đồng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 9520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn 2. PGS.TS. Lê Trung Thành Hà Nội – Năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ Đồng
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn và PGS.TS. Lê Trung Thành đã hết lòng giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Vật liệu xây dựng, Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công Nghệ vật liệu xây dựng, Bộ môn Sức bền vật liệu, Bộ môn Hóa, Phòng thí nghiệm và nghiên cứu VLXD (LAS XD 115), Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình (LAS XD 125), đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong thời gian qua. Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự góp ý quý báu và giúp đỡ của GS.TS. Trần Minh Tú, TS. Nguyễn Công Thắng, TS. Cù Việt Hưng, PGS.TS. Bùi Hùng Cường- Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, GS.TS. Yang Keun Hyeok- Trường Đại học Kyonggi, Hàn Quốc. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm thuộc Dự án SATREPS, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng, Phòng Vật liệu - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tiến hành nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện tôi hoàn thành luận án này. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tôi đã luôn sát cánh, động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ Đồng
iii MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................iii MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài ........................................................................................................... 1 2. Mục đích nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3 4. Cơ sở khoa học .................................................................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 4 6. Ý nghĩa khoa học của luận án ............................................................................................. 4 7. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN ................................................................................... 6 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG .......................................................................................................... 6 1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ CẤP PHỐI ĐIỂN HÌNH .......................................................... 8 1.2.1 Cốt liệu (cát quắc) ...................................................................................................... 8 1.2.2 Xi măng ...................................................................................................................... 8 1.2.3 Phụ gia khoáng ........................................................................................................... 9 1.2.4 Phụ gia siêu dẻo........................................................................................................ 10 1.2.5 Cốt sợi thép .............................................................................................................. 11 1.2.6 Cấp phối điển hình ................................................................................................... 13 1.3 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................................................................................. 14 1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC trên thế giới ............................................. 14 1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC ở Việt Nam .............................................. 19 1.4 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG UHPC .................................... 23 1.4.1 Tính công tác ............................................................................................................ 23 1.4.2 Tính chất cơ học ....................................................................................................... 23 1.4.3 Co ngót ..................................................................................................................... 26 1.4.4 Độ bền lâu ................................................................................................................ 26 1.5 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG UHPC SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN .................................................................................................................................................. 27 1.5.1 Phát triển bền vững bê tông...................................................................................... 27 1.5.2 Tiềm năng sử dụng tro bay hàm lượng lớn chế tạo bê tông UHPC ......................... 29
iv 1.6 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ............................................................ 33 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN .................................................................................... 34 2.1 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG HVFA UHPC ........................ 34 2.1.1 Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu ..................................................................... 34 2.1.2 Tối ưu thành phần hạt............................................................................................... 35 2.1.3 Tăng độ đặc chắc bằng việc sử dụng hạt siêu mịn ................................................... 36 2.1.4 Cải thiện vi cấu trúc bằng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm ......................................... 37 2.1.5 Nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông....................................................................... 38 2.1.6 Cơ sở khoa học sử dụng HVFA trong bê tông ......................................................... 40 2.2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG HVFA UHPC THEO THỜI GIAN .............................................................................................................................. 46 2.3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC . 47 2.3.1 Một số lý thuyết tính toán dầm bê tông UHPC ........................................................ 48 2.3.2 Thiết lập công thức lý thuyết tính để tính toán tải trọng phá hoại dầm bê tông HVFA UHPC ................................................................................................................................ 51 2.3.3 Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS mô phỏng theo thí nghiệm thực để tính toán tải trọng phá hoại dầm bê tông HVFA UHPC ...................................... 51 CHƯƠNG 3 : VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 53 3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .............................................................. 53 3.1.1 Cốt liệu (cát quắc) .................................................................................................... 53 3.1.2 Xi măng .................................................................................................................... 53 3.1.3 Phụ gia khoáng ......................................................................................................... 54 3.1.4 Phụ gia siêu dẻo........................................................................................................ 55 3.1.5 Cốt sợi thép .............................................................................................................. 56 3.1.6 Nước ......................................................................................................................... 56 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ........................................... 56 3.2.1 Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn ................................................................. 56 3.2.2 Các phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn ........................................................... 59 3.3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG HVFA UHPC ....................................................................................................................................... 62 3.3.1 Phương pháp thiết kế tối ưu thành phần hạt bê tông HVFA UHPC ........................ 64 3.3.2 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông HVFA UHPC......................................... 67
v 3.3.3 Tính toán thành phần bê tông HVFA UHPC ........................................................... 70 3.3.4 Quy trình trộn và bão dưỡng HVFA UHPC............................................................. 70 3.3.5 Cấp phối bê tông HVFA UHPC ............................................................................... 71 CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN ........................................................ 73 4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PGK SF VÀ FA ĐẾN HÀM LƯỢNG Ca(OH)2 TRONG ĐÁ CKD CỦA BÊ TÔNG UHPC ............................................................................. 73 4.1.1 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD .................................... 73 4.1.2 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ................................... 75 4.1.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp SF và FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ........... 76 4.2 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG HVFA UHPC ....................................................................................................................................... 78 4.2.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông UHPC............................................................... 78 4.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC ..................... 80 4.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC .................... 81 4.2.4 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa SF và FA đến cường độ nén của bê tông UHPC .. 82 4.2.5 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt từ 1 đến 7 ngày đến cường độ nén 28 ngày ........................................................................................................................................... 88 4.2.6 Ảnh hưởng của kích thước mẫu đến cường độ nén của bê tông HVFA UHPC....... 92 4.2.7 Mô đun đàn hồi của bê tông HVFA UHPC ............................................................. 93 4.2.8 Cường độ ép chẻ của bê tông HVFA UHPC............................................................ 93 4.2.9 Cường độ kéo khi uốn của bê tông HVFA UHPC ................................................... 94 4.3 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA BÊ TÔNG HVFA UHPC THEO THỜI GIAN .......................................................................................... 96 4.3.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................... 96 4.3.2 Mô hình dự báo cường độ nén bê tông theo fib 2010 .............................................. 97 4.3.3 Phương trình thực nghiệm để phát triển cường độ nén .......................................... 102 4.3.4 Hiệu chuẩn các mô hình được đề xuất ................................................................... 109 4.3.5 Phát thải CO2 của bê tông HVFA UHPC ............................................................... 109 4.3.6 Kết luận .................................................................................................................. 111 CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC ........ 113 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................... 113 5.2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC CỐT THÉP ...................................................................................................................................... 114
vi 5.3 THÍ NGHIỆM UỐN 4 ĐIỂM DẦM BÊ TÔNG UHPC ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC, BIẾN DẠNG ..................................................................................................... 115 5.4 CÔNG TÁC GIA TẢI THÍ NGHIỆM UỐN CÁC DẦM BÊ TÔNG UHPC CỐT THÉP ................................................................................................................................................ 116 5.5 DỰ ĐOÁN TẢI TRỌNG THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG UHPC CỐT THÉP THEO MÔ HÌNH LÝ THUYẾT ĐỀ XUẤT ............................................................................................ 121 5.6 DỰ ĐOÁN TẢI TRỌNG PHÁ HOẠI CỦA DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC BẰNG ABAQUS ................................................................................................................................ 125 5.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn FEM ...................................................................... 125 5.6.2 Mô hình vật liệu ..................................................................................................... 126 5.6.3 Loại phần tử, chia lưới mô hình, liên kết giữa bê tông và cốt thép ........................ 127 5.6.4 Kết quả mô phỏng số.............................................................................................. 128 KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 131 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................... 133
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Kí hiệu Ý nghĩa 1 ACI Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute) 2 ASTM Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American Society for Testing and Materials) 3 AFGC-SETRA Hiệp hội xây dựng Pháp (AssociationFrançaise de Génie Civil - Service d'étudestechniquesdes routeset autoroutes) 4 BTCLSC Bê tông chất lượng siêu cao 5 BTCLC Bê tông chất lượng cao 6 BTCS Bê tông cốt sợi 7 BTCT Bê tông cốt thép 8 BTDƯL Bê tông dự ứng lực 9 BT Bê tông 10 BTT Bê tông thường 11 BSI Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial Concrete) 12 C Cát 13 Ca(OH)2 - (CH) Canxi hyđrôxit 14 C/CL Tỷ lệ cát trên cốt liệu theo khối lượng 15 C/CKD Tỷ lệ cát trên chất kết dính theo khối lượng 16 CKD Chất kết dính 17 CL Cốt liệu 18 CP Cấp phối 19 CPTU Cấp phối tối ưu 20 CPM Mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model) 21 CRC Hợp chất composit dạng nén (Compact Reinforced Composites) 22 C-S-H Hyđrôsilicat canxi 23 CS Co hóa học (Chemical Shrinkage) 24 D Độ chảy của hỗn hợp bê tông 25 DSP Hệ bê tông dạng nén sử dụng các hạt mịn (Densified with Small Particles) 26 Đ Đá dăm
viii 27 ĐC Mẫu đối chứng 28 FA Tro bay (Fly Ash) 29 FA/CKD Tỷ lệ tro bay trên chất kết dính, theo khối lượng 30 fc Cường độ chịu nén của bê tông 31 fc’ Cường độ chịu nén của bê tông tuổi 28 ngày 32 fy Cường độ chảy của cốt thép 33 FHWA Cục đường bộ Hoa Kỳ(Federation Highway Agency) 34 GBFS Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn 35 HHBT Hỗn hợp bê tông 36 HPC Bê tông chất lượng cao (High Performance Concrete) 37 HSC Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete) 38 HVFA Hàm lượng tro bay cao 39 HVFAC Bê tông hàm lượng tro bay lớn 40 LS Bột đá vôi (Lime Stone) 41 LDVT Cảm biến đo chuyển vị 42 MDF Hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect Free) 43 MKN Mất khi nung 44 MK Mêta caolanh (Meta kaolin) 45 MSFRC Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi-scale fiber reinforced concrete) 46 Mu Moment chịu uốn của dầm 47 N Nước 48 N/CKD Tỷ lệ nước trên chất kết dính theo khối lượng 49 N/XM Tỷ lệ nước trên xi măng theo khối lượng 50 OC Bê tông thường (Odinary Concrete) 51 ITZ Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu (Interfacial Transition Zone) 52 PC Xi măng poóclăng (Portland Cement) 53 PCB Xi măng poóclăng hỗn hợp 54 PGK Phụ gia khoáng 55 PGSD Phụ gia siêu dẻo 56 RHA Tro trấu (Rice Husk Ash) 57 RH Độ ẩm tương đối (Relative Humidity) 58 Rk Cường độ chịu kéo của bê tông
ix 59 Rku Cường độ chịu kéo uốn của bê tông 60 RPC Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete) 61 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) 62 SF Silica fume 63 SF/CKD Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lượng 64 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 65 TG Nhiệt vi sai trọng lượng 66 TGA Phân tích nhiệt vi sai trọng lượng 67 UHPC Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance Concrete) 68 UHPFRC Bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao (Ultra High Performance Fiber Reinforcement Concrete) 69 XM Xi măng 70 XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) 71 Wn Lượng nước liên kết hóa học (Non-evaporable water)
x DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Cấp phối hỗn hợp bê tông UHPC thương mại điển hình ....................13 Bảng 1.2 Yêu cầu vật liệu bê tông UHPC theo NF P18-470 [65] ......................15 Bảng 1.3 Một số công trình bê tông UHPC trên thế giới....................................18 Bảng 1.4 Một số công trình ứng dụng bê tông UHPC tại Việt Nam ..................21 Bảng 1.5 Phân loại hàm lượng FA để thay thế xi măng [143] ...........................32 Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của cát sử dụng trong nghiên cứu ...............................53 Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng trong nghiên cứu ......................53 Bảng 3.3 Tính chất và thành phần hạt của SF sử dụng trong nghiên cứu ..........54 Bảng 3.4 Các tính chất của FA sử dụng trong nghiên cứu .................................54 Bảng 3.5 Thành phần hóa của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính .................55 Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật của sợi thép sử dụng trong nghiên cứu ............56 Bảng 3.7 Tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................56 Bảng 3.8 Bảng các tính chất thí nghiệm đề xuất đối với hỗn hợp bê tông và bê tông ................................................................................................................................57 Bảng 3.9 Hệ số nén K ứng với PGK và mô hình khác nhau [18] .......................66 Bảng 3.10 Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao sử dụng trong nghiên cứu .....71 Bảng 4.1 Cường độ nén cao nhất trong 28 ngày của bê tông UHPC với N/CKD khác nhau. ......................................................................................................................91 Bảng 4.2 Cường độ nén của mẫu lập phương bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA ...........................................................................................................................92 Bảng 4.3 Cường độ nén của mẫu trụ tròn bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA ...........................................................................................................................92 Bảng 4.4 Mô đun đàn hồi của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA .........93 Bảng 4.5 Cường độ ép chẻ của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA .......94
xi Bảng 4.6 Cường độ kéo khi uốn của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA .......................................................................................................................................95 Bảng 4.7 Bảng hệ số hiệu chỉnh ........................................................................103 Bảng 4.8 Bảng tham số ảnh hưởng độ dốc Sl ...................................................107 Bảng 4.9 Tổng hợp các giá trị thống kê được xác định từ việc so sánh các thí nghiệm và dự báo. .......................................................................................................109 Bảng 4.10 Mức phát thải CO2 của nguyên liệu được sử dụng để tính toán lượng khí thải CO2 của bê tông HVFA UHPC [87, 138]. .....................................................110 Bảng 5.1 Cấp phối bê tông thử nghiệm với hàm lượng sợi khác nhau từ 0-3% .....................................................................................................................................115 Bảng 5.2 Các cấp gia tải thí nghiệm .................................................................116 Bảng 5.3 Bảng số liệu hình thành và phát triển vết nứt dầm ............................119 Bảng 5.4 Tính khả năng kháng uốn của dầm bê tông UHPC với hàm lượng sợi 0- 3% ................................................................................................................................123
xii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Khái niệm về UHPC với các đặc tính tổ hợp của một số loại bê tông khác ..................................................................................................................................6 Hình 1.2 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo ..................................11 Hình 1.3 Một số loại sợi dùng cho BTCS ...........................................................12 Hình 1.4 Hình ảnh cốt sợi thép phân tán và tính chất “bắc cầu” qua vết nứt .....13 Hình 1.5 Một số ứng dụng bê tông UHPC theo các ưu điểm đặc thù về độ bền lâu, tính thẩm mỹ, và chất lượng (cường độ cao và nhẹ) .....................................................14 Hình 1.6 Sự tăng trưởng của xi măng được sản xuất trong hơn 65 năm qua .....28 Hình 1.7 Phát triển bền vững của bê tông theo quan điểm của Mehta [23]........28 Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua: a) BTT; b) bê tông UHPC [60]. ...............35 Hình 2.2 Sự phân bố của các cấp hạt trong hỗn hợp ..........................................35 Hình 2.3 Vai trò của hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc của UHPC ..........36 Hình 2.4 Sự thay đổi kích thước lỗ rỗng ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt khác nhau [53].................................................................................................................................37 Hình 2.5 Mức độ phản ứng puzơlanic ở điều kiện dưỡng hộ khác nhau [53] ....37 Hình 2.6 Đặc tính cường độ uốn của BTT, BTCS và bê tông UHPC [35].........39 Hình 2.7 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ uốn của bê tông UHPC[4] ........................................................................................................................39 Hình 2.8 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng chống nứt của bê tông UHPC [4] .......................................................................................................................39 Hình 2.9 Hình ảnh vi cấu trúc của FA hình thành trong (a) quá trình phản ứng, và (b) giai đoạn đóng rắn....................................................................................................41 Hình 2.10 Hình ảnh FA theo công nghệ (a) đốt than phun, (b) đốt tầng sôi ......42 Hình 2.11 Mô hình lý thuyết tính toán theo AASHTO LFRD ...........................48
xiii Hình 2.12 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội Đường cao tốc Hoa Kỳ (FHWA) .........................................................................................................................49 Hình 2.13 Mô hình lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada .......................................................................................................................................49 Hình 2.14 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội kỹ sư dân dụng Pháp (AFGC/SETRA) ............................................................................................................50 Hình 2.15 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội kỹ sư xây dựng Nhật Bản (JSCE) ............................................................................................................................50 Hình 3.1 Thành phần hạt của các vật liệu nghiên cứu ........................................55 Hình 3.2 Sợi thép Dramix OL 13/0,20 sử dụng trong nghiên cứu .....................56 Hình 3.3 Thí nghiệm phân tích TGA ..................................................................60 Hình 3.4 Đường cong TG/DTG điển hình đối với mẫu đá xi măng trong nghiên cứu .................................................................................................................................60 Hình 3.5 Phương pháp hình học được sử dụng để xác định hàm lượng CH từ đường cong mất khối lượng trong phân tích nhiệt [22, 75] ..........................................61 Hình 3.6 Thiết kế thành phần UHPC do Le T.T đề xuất [29] ............................63 Hình 3.7 Thiết kế thành phần UHPFRC do Meng, W. đề xuất ..........................64 Hình 3.8 Ảnh hưởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [14, 15] ...............66 Hình 3.9 Phương pháp đề xuất thiết kế cấp phối bê tông HVFA UHPC ...........68 Hình 3.10 Mối quan hệ giữa độ lèn chặt và tỷ lệ C/(C+CKD), XM/CKD = 0-0,9, SF/CKD = 0,1-0,3, FA/CKD = 0-0,8. ...........................................................................69 Hình 3.11 Quy trình trộn hỗn hợp UHPC ...........................................................70 Hình 4.1 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ...................................................................74 Hình 4.2 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 .....................................................................74
xiv Hình 4.3 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16..........................................................................75 Hình 4.4 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ............................................................................75 Hình 4.5 Ảnh hưởng của tổ hợp 10% SF và (30-70)% FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ........................76 Hình 4.6 Ảnh hưởng của tổ hợp 10% SF và (30-70)% FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ...........................76 Hình 4.7 Ảnh hưởng của PGK đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng thường và bảo dưỡng nhiệt ẩm ở tuổi 28 ngày ..................................................77 Hình 4.8 Tác dụng tương hỗ của PGK SF và FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng thường ở tuổi 28 ngày .....................................................77 Hình 4.9 Tác dụng tương hỗ của PGK SF và FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm ở tuổi 28 ngày...................................................78 Hình 4.10 Quan hệ giữa lượng PGSD và PGK theo khối lượng CKD, độ chảy hỗn hợp bê tông từ 200-250 mm, N/CKD = 0,16 ................................................................79 Hình 4.11 Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy và hàm lượng sợi ...............................79 Hình 4.12 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC .......................................................................................................................................81 Hình 4.13 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC .......................................................................................................................................82 Hình 4.14 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến sự phát triển cường độ nén của bê tông ở các tuổi khác nhau, với SF = 10%, (a) 272oC, (b) 905oC ..............................83 Hình 4.15 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC với các tỷ lệ N/CKD khác nhau ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn. .............................85 Hình 4.16 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC với các tỷ lệ N/CKD khác nhau ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm .................................86
xv Hình 4.17 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt khác nhau từ 1-7 ngày đến cường độ nén 28 ngày của UHPC sử dụng hàm lượng FA và N/CKD khác nhau .......89 Hình 4.18 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ nén 28 ngày điển hình của bê tông UHPC với 30% FA. ..........................................................................................89 Hình 4.19 Mối quan hệ giữa cường độ nén tuổi 28 ngày cao nhất của bê tông UHPC với hàm lượng FA ..............................................................................................91 Hình 4.20 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ kéo uốn và độ võng dầm tuổi 28 ngày của bê tông UHPC với hàm lượng FA 50% ..................................................................95 Hình 4.21 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn .....................................................................................................................................100 Hình 4.22 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm .....................................................................................................................................101 Hình 4.23 Phân tích hồi quy cho cường độ nén 28 ngày của bê tông UHPC ...107 Hình 4.24 Mô hình hóa Sl trong công thức (1) để dự báo sự phát triển cường độ nén ...............................................................................................................................108 Hình 4.25 Phát thải CO2 của bê tông UHPC với các hàm lượng FA khác nhau trong các điều kiện bảo dưỡng khác nhau ...................................................................111 Hình 5.1 Kích thước dầm bê tông UHPC và bố trí thép ...................................115 Hình 5.2 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí các điểm đo dầm bê tông HVFA UHPC .116 Hình 5.3 Dầm bê tông HVFA UHPC 0% cốt sợi .............................................117 Hình 5.4 Dầm bê tông HVFA UHPC 1% cốt sợi .............................................118 Hình 5.5 Dầm bê tông HVFA UHPC 2% cốt sợi .............................................118 Hình 5.6 Dầm bê tông HVFA UHPC 3% cốt sợi .............................................119 Hình 5.7 Hình ảnh đo vết nứt dầm 0,1,2,3% sợi thép .......................................120 Hình 5.8 Quan hệ tải trọng và độ võng dầm bê tông HVFA UHPC 0,1,2,3% sợi thép ..............................................................................................................................120
xvi Hình 5.9 Mặt cắt tính toán của dầm bê tông UHPC .........................................122 Hình 5.10 Mô hình ABAQUS dầm HVFA UHPC ...........................................126 Hình 5.11 Các đường cong quan hệ giữa (a) ứng suất nén – biến dạng, (b) ứng suất nén – biến dạng ngoài đàn hồi, (c) ứng suất kéo – biến dạng, (d) ứng suất kéo – biến dạng ngoài đàn hồi của bê tông HVFA UHPC sử dụng hàm lượng cốt sợi 2%, (e) ứng suất kéo – biến dạng của thép ......................................................................................127 Hình 5.12 Chia lưới mô hình dầm HVFA UHPC .............................................128 Hình 5.13 Mô hình theo ABAQUS nghiên cứu ứng xử dầm HVFA UHPC ....128 Hình 5.14 Biểu đồ quan hệ độ võng và biến dạng dầm HVFA UHPC (2% sợi thép) .............................................................................................................................129
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong vài thập kỷ gần đây, quy mô và tốc độ xây dựng đặc biệt là các công trình cầu đường, nhà cao tầng, nhà siêu cao tầng sử dụng các kết cấu vỏ mỏng, kết cấu có tuổi thọ cao, kết cấu thân thiện với môi trường ngày càng phát triển trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rất phổ biến với khối lượng lớn, chiếm khoảng 60% khối lượng các kết cấu công trình xây dựng. Theo kết quả khảo sát của trường Đại học Xây dựng Hà Nội, bê tông được sử dụng cho công trình ở nước ta hiện nay phổ biến vẫn là bê tông thường với cường độ nén 15-30MPa cho công trình thấp tầng và 30-50 MPa cho nhà cao tầng và các công trình cầu hầm lớn. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học hiện đại và xu thế chung của thế giới đòi hỏi chất lượng cho bê tông trong công trình xây dựng ngày càng cần được nâng cao. Tuy nhiên, thông thường nâng cao cường độ chịu nén cho bê tông thì khả năng chịu kéo, uốn khi bê tông biến dạng cũng tăng không đáng kể. Các loại bê tông thường, bê tông cường độ cao vẫn chưa đáp ứng hết được nhu cầu sử dụng trong các công trình xây dựng có yêu cầu kỹ thuật cao về kết cấu chịu lực. Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) là một sản phẩm bê tông thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ những năm 1990 với các đặc tính vượt trội về cả tính công tác, tính chất cơ học và độ bền lâu so với bê tông thường và bê tông cường độ cao. Bên cạnh đó loại bê tông này còn có khả năng uốn và kéo (do có cốt sợi phân tán) không kém gì các loại vật liệu đàn-dẻo hay hoàn toàn có thể so sánh được với bê tông cốt thép. Các ứng dụng thực tế của bê tông UHPC cũng đã thực hiện đối với kết cấu cầu, kết cấu vỏ mỏng, kết cấu vượt nhịp lớn... ở một số nước trên thế giới. Hiện nay, các nghiên cứu về bê tông UHPC vẫn đang được tiếp tục triển khai ở nhiều đơn vị nghiên cứu khác nhau trên thế giới trong đó có Việt Nam. Tuy vậy các nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam chưa nhiều, do đó việc nghiên cứu chế tạo bê tông UHPC sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam là hướng đi khoa học tiên tiến và rất cấp thiết. Chế tạo bê tông UHPC thông thường cần một lượng chất kết dính lớn (khoảng 800-1000 kg/m3), vì vậy việc nghiên cứu sử dụng một số phế thải (công, nông nghiệp) thay thế xi măng để chế tạo bê tông UHPC có ý nghĩa rất to lớn về môi trường và phát triển bền vững loại vật liệu này. Trong các phế thải sử dụng với vai trò là phụ gia khoáng cho chế tạo xi măng và bê tông thì tro bay (FA) được đánh giá là một trong những phụ gia khoáng tiềm năng nhất. Đặc biệt, khi sử dụng FA với hàm lượng lớn trong chế tạo UHPC sẽ giải quyết đồng thời được 2 mục tiêu đó là về kỹ thuật và về kinh tế - môi trường. Xét về mặt kỹ thuật, thì FA có thành phần hoá học với tổng hàm lượng các ôxyt (SiO2+ Al2O3+
2 Fe2O3) lớn hơn 70% (FA loại F theo ASTM C618 [3]). Các oxyt hoạt tính này có khả năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoá của xi măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cường độ cao, bền với môi trường hơn. Bên cạnh đó, với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn nên việc dùng FA trong bê tông giống như vai trò của các chất bôi trơn (hiệu ứng ổ bi), từ đó làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho bê tông, dẫn đến làm tăng cường độ cũng như khả năng chống thấm của bê tông. Xét về mặt kinh tế - môi trường, việc sử dụng FA từ chỗ là phế thải công nghiệp thành nguyên liệu để chế tạo bê tông chất lượng cao góp phần quan trọng trong việc bảo vệ môi trường cũng như việc phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Bên cạnh đó, xét theo điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay về các nguồn phụ gia khoáng thì FA có nguồn cung cấp dồi dào, và cũng là một vấn đề môi trường lớn nhất cần giải quyết. Việt Nam hiện nay sự phát triển lĩnh vực năng lượng (với tổng công suất điện từ 60 GW năm 2020 tăng lên 96 GW và 130 GW đến năm 2025 và 2030 theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, QĐ 428/QĐ-TTg, năm 2016) thì nhiệt điện từ than vẫn đóng góp phần lớn (42-49%) nguồn năng lượng điện quốc gia. Nếu tính theo định mức tiêu thụ là 0,5 kg than/kWh và tỷ lệ tro, xỉ trong than dùng cho nhiệt điện là 30% thì tổng lượng tro, xỉ thải ra tương ứng năm 2025 và 2030 là 14,4 và 19,5 triệu tấn. Bên canh đó, tổng lượng FA hiện đang tồn tại các bãi chứa khoảng hơn 80 triệu tấn, đến năm 2025 là 200 triệu tấn và đến năm 2030 sẽ là 320 triệu tấn nếu không được xử lý, sẽ tạo ra những thách thức cho đất nước vì phải sử dụng diện tích đất rất lớn để làm bãi chứa và nhiều áp lực môi trường khác, nguy cơ các nhà máy phải dừng sản xuất do không có đủ bãi chứa là một thực tế. So với nguồn các phế thải khác có thể sử dụng làm phụ gia khoáng cho xi măng và bê tông ở Việt Nam như xỉ gang, thép - phế thải công nghiệp (khoảng 12 triệu tấn/năm-2020), tro trấu - phế thải nông nghiệp (43,5 triệu tấn thóc sinh ra khoảng 1,72 triệu tấn tro) thì việc nghiên cứu sử dụng FA là tiềm năng và hiệu quả nhất. Trên thực tế, việc nghiên cứu sử dụng FA chế tạo bê tông UHPC cũng đã được thực hiện, tuy vậy cho đến nay chỉ rất ít các nghiên cứu đã công bố về khả năng sử dụng FA hàm lượng lớn (High-Volume Fly Ash- HVFA với hàm lượng FA lớn hơn 50% theo lượng dùng chất kết dính) do việc thay thế xi măng bằng FA thường gây ra bất lợi lớn làm giảm cường độ của bê tông ở tuổi sớm. Xuất phát từ tình hình nghiên cứu FA chế tạo bê tông UHPC trên thế giới và điều kiện thực tiễn ở Việt Nam về sự phát triển bê tông UHPC trong bối cảnh lượng phế thải FA nhiệt điện của nước ta phát sinh rất nhiều, nghiên cứu sinh đã đề xuất đề tài nghiên cứu Tiến sĩ là “Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam”. 2. Mục đích nội dung nghiên cứu