Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tính năng bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu công trình trong môi trường biển miền Trung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tính năng bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu công trình trong môi trường biển miền Trung" nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng trong thiết kế thành phần bê tông cát; Nghiên cứu các tính năng cơ học và độ bền của bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao và phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền; Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường của việc sử dụng các loại bê tông cát mới đối với công trình trong môi trường nước biển Miền Trung.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tính năng bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu công trình trong môi trường biển miền Trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Tóm TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN TẤN KHOA NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG BÊ TÔNG CÁT SỬ DỤNG TRO BAY, XỈ LÒ CAO CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN MIỀN TRUNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình đặc biệt Mã số: 95.80.206 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Thanh Sang 2. PGS.TS. Nguyễn Viết Thanh HÀ NỘI - 2021
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống các công trình bảo vệ bờ biển, công trình giao thông ven biển, công trình cảng biển đã và đang xây dựng cho thấy sự đóng góp vô cùng quan trọng của công trình biển trong sự phát triển kinh tế khu vực cũng như cả nước. Khu vực ven biển Việt Nam nói chung, khu vực Miền Trung nói riêng có sự phát triển rất nhanh các cơ sở hạ tầng ven biển, điều này đỏi hỏi nhu cầu rất lớn về nguồn cung ứng bê tông cho xây dựng. Điều này sẽ là thách thức rất lớn cho khu vực do Miền Trung đang đối diện với vấn đề thiếu hụt trầm trọng nguồn cát sông cho lĩnh vực bê tông. Bê tông cát (BTC) là một loại bê tông hạt nhỏ, thành phần bao gồm: hỗn hợp cát thô, cát mịn, chất độn mịn, xi măng, nước và một hoặc nhiều loại phụ gia [122, 123]. Ứng dụng của BTC đối với công trình biển là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Tuy nhiên, môi trường biển là vùng có tính xâm thực mạnh, do đó BTC đồng thời phải thỏa mãn điều kiện về cường độ lẫn độ bền, trong đó độ bền là yếu tố cực kỳ quan trọng, đặc biệt là độ bền clorua và độ bền sunfat. Giải pháp thường sử dụng để nâng cao các tính chất độ bền của bê tông dùng cho công trình biển là sử dụng các loại phụ gia khoáng như tro bay (TB), xỉ lò cao nghiền mịn (XN) thay thế một phần xi măng (X). Bê tông cát sử dụng được nguồn vật liệu mịn đồi dào ở địa phương kết hợp với các phụ phẩm công nghiệp như TB, XN có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông cho công trình biển, giảm việc khai thác cát sông, cải thiện sự ô nhiễm môi trường và đa dạng hóa nguồn cung ứng bê tông khác nhau cho lĩnh vực xây dựng. Do vậy, trên cơ sở tiếp cận, phân tích, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tính năng bê tông cát cho kết cấu công trình trong môi trường biển miền Trung” là cấp thiết, có tính khoa học, tính kinh tế và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích tổng quan các nghiên cứu và ứng dụng của bê tông cát trên thế giới và ở Việt Nam Thông qua việc xây dựng mối quan hệ giữa hệ số hiệu quả (HSHQ) của tro bay, xỉ lò cao và hỗn hợp tro bay - xỉ lò cao với các thành phần vật
2 liệu đầu vào của bê tông cát có thể xác định được mức độ đóng góp của các loại phụ gia khoáng này đến tính chất cường độ chịu nén của bê tông. Thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, thiết lập mối quan hệ giữa tính chất cường độ và độ bền thấm ion clo với các yếu tố thiết kế đầu vào từ đó đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có quan tâm đến độ bền. Xác định một số tính chất của hỗn hợp, tính năng cơ học và độ bền của bê tông cát sử dụng kết hợp xỉ lò cao và tro bay đáp ứng các yêu cầu kết cấu công trình trong môi trường biển. Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường của việc sử dụng loại bê tông cát mới ứng dụng cho kết cấu thùng chìm và khối Tetrapod trong công trình đê chắn sóng ở cảng Vũng Áng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Các loại bê tông cát sử dụng tổ hợp chất kết dính xi măng - tro bay - xỉ lò cao nghiền mịn, sử dụng cát nghiền và cát mịn địa phương ở khu vực các tỉnh Miền Trung phục vụ cho việc xây dựng các công trình trong môi trường biển. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu về mặt vật liệu: Sử dụng vật liệu tro bay nhiệt điện Vũng Áng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 (loại F), xỉ lò cao Hòa Phát nghiền mịn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 11586:2016 và xi măng Poóc lăng PC40 Bút Sơn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2009. Cốt liệu liệu địa phương gồm cát nghiền và cát mịn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7572:2006. - Phạm vi nghiên cứu về mặt đặc tính vật liệu: Bê tông cát sử dụng tro bay và xỉ lò cao có cường độ trung bình từ 25 MPa đến 75 MPa; độ thấm ion clo từ 200 Culong đến 5300 Culong; Tỷ lệ N/CKD từ 0,21 đến 0,6. - Phạm vi nghiên cứu về địa lý: Địa bàn Hà Tĩnh với điều kiện vật liệu và điều kiện khí hậu đặc trưng cho khu vực Miền Trung được lựa chọn để tiến hành nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm bê tông cát. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1. Ý nghĩa khoa học
3 (1) Luận án đã phân tích và làm rõ được mức độ đóng góp về cường độ của tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, hỗn hợp tro bay- xỉ lò cao khi thay thế xi măng trong bê tông cát. (2) Phân tích và làm rõ các tính chất cường độ và độ thấm ion clo của bê tông cát sử dụng kết hợp tro bay và xỉ lò cao từ đó đưa ra được phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền lâu qua hệ số thấm ion clo. (3) Làm rõ các tính chất chủ yếu của bê tông cát cấp B45 sử dụng kết hợp tro bay và xỉ lò cao, có độ thấm ion clo < 1000 Culong dùng làm vật liệu cho các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép trong môi trường biển Miền Trung; đã ứng dụng thử nghiệm thành công loại bê tông này cho kết cấu Tetrapod tại Cảng Vũng Áng. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn (1) Đề xuất được thành phần cấp phối bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao và phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền thấm ion clo cho kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển Miền Trung. (2) Bổ sung số liệu thực nghiệm giúp khẳng định hiệu quả của việc sử dụng tro bay, xỉ lò cao trong cải thiện các tính chất độ bền thấm ion Clo, độ bền sunfat, sức kháng mài mòn trong nước của BTC. (3) Luận án đã dự báo tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cát (qua thời gian bắt đầu ăn mòn cốt thép do xâm nhập clorua) ở điều kiện thủy triều; đề xuất chiều dày lớp bê tông bảo vệ ứng với các loại bê tông cát mới trong nghiên cứu. (4) Việc sử dụng các loại vật liệu phụ phẩm công nghiệp như tro bay và xỉ lò cao thay thế một phần xi măng, sử dụng cát nghiền thay thế cát sông, tận dụng nguồn vật liệu cát mịn địa phương trong chế tạo bê tông cát góp phần giảm ô nhiễm môi trường, giảm tình trạng khai thác cát sông, đa dạng hóa nguồn cung ứng bê tông và phù hợp với định hướng phát triển bền vững của quốc gia và thế giới. 5. Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng trong thiết kế thành phần bê tông cát.
4 Chương 3: Nghiên cứu các tính năng cơ học và độ bền của bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao và phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền. Chương 4: Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường của việc sử dụng các loại bê tông cát mới đối với công trình trong môi trường biển Miền Trung. Kết luận – Kiến nghị Tài liệu tham khảo và danh mục công bố của tác giả CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 1.1. Tổng quan về môi trường biển và các công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển. 1.1.1. Định nghĩa môi trường biển 1.1.2. Đặc trưng môi trường biển Miền Trung Việt Nam 1.1.3. Một số dạng công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển 1.1.4. Sự phá hoại của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển 1.1.5. Yêu cầu đối với bê tông cho kết cấu công trình trong môi trường biển và các giải pháp tăng cường độ bền của bê tông  Yêu cầu đối với bê tông cho kết cấu công trình trong môi trường biển  Các giải pháp bảo vệ và tăng cường độ bền của bê tông trong môi trường biển  Phân tích lựa chọn giải pháp phù hợp để tăng cường độ bền của bê tông trong môi trương biển 1.2. Tổng quan về bê tông cát và ứng dụng của bê tông cát 1.2.1. Giới thiệu chung về bê tông cát - Định nghĩa bê tông cát - Phân loại bê tông cát - Nguyên tắc cấu tạo bê tông cát - Vật liệu chế tạo bê tông cát 1.2.2. Các tính chất của bê tông cát - Tính công tác
5 - Tính chất cơ học - Tính chất biến dạng - Tính chất độ bền 1.2.3. Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát - Thiết kế thành phần bê tông cát của Pháp theo phương pháp lý thuyết - Thiết kế thành phần bê tông cát của Nga 1.2.4. Các ứng dụng của bê tông cát - Ứng dụng của bê tông cát trên thế giới - Ứng dụng của bê tông cát trong nước 1.3. Hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng và sử dụng hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng trong thiết kế thành phần bê tông cát - Khái niệm hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng - Các nghiên cứu tổng quan về hệ số hiệu quả của tro bay - Các nghiên cứu tổng quan về hệ số hiệu quả của xỉ lò cao - Hệ số hiệu quả của các loại phụ gia khoáng hoạt tính trong thiết kế thành phần bê tông cát theo cường độ 1.4. Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu của luận án 1.4.1. Kết luận - Bê tông cát đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số vùng và quốc gia trên thế giới, đặc biệt ở những vùng khan hiếm nguồn cốt liệu thô nhưng dồi dào nguồn cát mịn. Do các nghiên cứu và ứng dụng hiện nay của bê tông cát tập trung chủ yếu cho các công trình giao thông, các kết cấu đúc sẵn phục vụ cho công trình dân dụng và hạ tầng ở các điều kiện môi trường thông thường nên không yêu cầu cao về tính chất độ bền, chủ yếu nghiên cứu các đặc tính cơ học của bê tông cát. - Bê tông cát mới được phát triển gần đây ở điều kiện Việt Nam với hướng nghiên cứu các tính chất bê tông tập trung cho việc sử dụng loại bê tông này trong các công trình giao thông. - Tính chất độ bền của bê tông cát như độ thấm ion clo, độ bền sunfat bắt đầu được quan tâm cải thiện trong thời gian gần đây với một số nghiên cứu ở thế giới và Việt Nam với giải pháp sử dụng tro bay, silica fume, tro trấu. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mang tính đơn lẽ, mới chỉ có các kết quả sơ khởi ban đầu mà chưa được nghiên cứu thành hệ thống.
6 - Các nghiên cứu về bê tông cát ứng dụng cho công trình biển với các yêu cầu phức tạp hơn về độ bền thấm ion clo và sunfat hầu như chưa có ở Việt Nam và trên thế giới. - Việc sử dụng kết hợp tro bay và xỉ lò cao đã được nghiên cứu sử dụng cho bê tông thường cho thấy sự hiệu quả trong việc cải thiện một số tính chất độ bền của bê tông tuy nhiên ứng dụng tổ hợp chất kết dính này vào trong bê tông cát và trong điều kiện Việt Nam chưa có nghiên cứu nào đề cập. - Đối với bê tông thường hay bê tông cát khi sử dụng các loại phụ gia khoáng như xỉ lò cao và tro bay, hệ số hiệu quả là đại lượng quan trọng cho việc dự đoán cường độ chịu nén của bê tông khi thiết kế thành phần cấp phối. Trong bê tông cát, hệ số hiệu quả của tro bay đã được nghiên cứu và sử dụng trong thiết kế thành phần nhưng hệ số này hiện nay khá thấp và không còn phù hợp với điều kiện thực tế do chất lượng tro bay đã được nâng cao hơn nhờ các công nghệ đốt lò và thu hiện đại. Hệ số hiệu quả của xỉ lò cao và xỉ lò cao kết hợp tro bay trong bê tông cát cũng chưa được nghiên cứu. 1.4.2. Định hướng nghiên cứu của luận án Trên cơ sở các phân tích trên, định hướng nghiên cứu của luận án như sau: - Phát triển loại bê tông cát sử dụng nguồn cát mịn dồi dào ở địa phương và các phụ phẩm công nghiệp dùng cho kết cấu công trình trong môi trường biển Miền Trung. - Sử dụng đồng thời tro bay và xỉ lò cao thay thế một phần xi măng với tỷ lệ hợp lý để cải thiện các tính năng độ bền thõa mãn yêu cầu đối với bê tông cho công trình biển. Trong đó, các tính chất độ bền quan trọng đối với bê tông làm việc trong môi trường biển như độ thấm ion clo, độ bền sunfat, độ mài mòn trong nước của các loại bê tông cát mới được nghiên cứu kỹ để xem xét tổng thể hiệu quả cải thiện độ bền của bê tông cát khi sử dụng thêm tro bay và xỉ lò cao. - Độ bền clorua là tính chất rất quan trọng ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép nên sẽ được quan tâm trong việc thiết kế thành phần các loại bê tông cát mới bên cạnh yếu tố cường độ chịu nén.
7 - Tiến hành đánh giá tổng thể về khả năng cải thiện tuổi thọ sử dụng, hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường để có thể đề xuất được các cấp phối bê tông cát phù hợp theo yêu cầu sử dụng của bê tông cho công trình biển. - Thi công thử nghiệm một dạng kết cấu biển sử dụng loại bê tông cát mới để đánh giá khả năng thi công và ứng dụng thực tế của loại bê tông này. 1.4.3. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn - Phương pháp thiết kế thực nghiệm - Phương pháp phân tích hệ thống CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ CỦA TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO TRONG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÁT 2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả của tro bay và xỉ lò cao trong thiết kế thành phần bê tông cát 2.2. Thiết lập quan hệ giữa hệ số hiệu quả của phụ gia khoáng với tỷ lệ N/CKD, PGK/CKD thông qua công thức Feret cải tiến áp dụng cho bê tông cát  Hệ số hiệu quả của tro bay Phương trình xác định hệ số hiệu quả của xỉ lò cao như sau: 1 (1  a)( Rs 1) (2.8) KTB  1 f 1  a  Rs  Hệ số hiệu quả của xỉ lò cao Phương trình xác định hệ số hiệu quả của xỉ lò cao như sau: 1 (1   a)( Rs  1) (2. 11) K XN  1 s 1   a  Rs  Hệ số hiệu quả của hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao Phương trình xác định hệ số hiệu quả của hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao như sau:
8 1 (1   a )( R s  1) (2. 14) K hh  1 h 1   a  Rs 2.3. Giới thiệu vật liệu chế tạo bê tông cát 2.3.1. Xi măng Nghiên cứu sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn 2.3.2. Tro bay Nghiên cứu sử dụng tro bay Vũng Áng 2.3.3. Xỉ lò cao nghiền mịn Xỉ lò cao nghiền mịn Hòa Phát 2.3.4. Cát nghiền Cát nghiền được sử dụng từ mỏ Kỳ Tân, Quân Khu 4, Hà Tĩnh. 2.3.5. Cát mịn Cát mịn được sử dụng từ mỏ Kỳ Phương, Kỳ Anh, Hà Tĩnh. 2.3.6. Hỗn hợp cốt liệu Hỗn hợp cốt liệu với tỷ lệ 60% cát nghiền và 40% cát mịn được lựa chọn làm cốt liệu cho bê tông cát. 2.3.7. Nước 2.3.8. Phụ gia siêu dẻo Nghiên cứu này là phụ gia Basf MasterGlenium SKY 8713. 2.4. Công tác chuẩn bị mẫu và thí nghiệm 2.5. Hệ số hiệu quả của tro bay trong thiết kế thành phần bê tông cát - Kế hoạch thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả của tro bay - Kết quả thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả của tro bay - Xác định hệ số hiệu quả của tro bay trong thiết kế thành phần BTC Phương trình hồi quy được trình bày ở Công thức (2.15) 2 K T B  1, 0 0 7 7  1, 3 9 7  TB  TB   0, 649   (2. 1)  CKD  CKD  2.6. Hệ số hiệu quả của xỉ lò cao trong thiết kế thành phần bê tông cát - Kế hoạch thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả của xỉ lò cao - Kết quả thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả của xỉ lò cao - Xác định hệ số hiệu quả của xỉ lò cao trong thiết kế thành phần BTC Phương trình hồi quy được trình bày ở Công thức (2.16)
9 2 N XN  XN  (2. 2) K XN  0, 7619  0, 493   1, 4553  2, 207    CKD CKD  CKD  2.7. Hệ số hiệu quả của hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao trong thiết kế thành phần bê tông cát - Kế hoạch thí nghiệm xác định HSHQ của hỗn hợp TB và XN - Kết quả thí nghiệm xác định HSHQ của hỗn hợp TB và XN - Xác định HSHQ của hỗn hợp TB và XN trong thiết kế thành phần BTC. Phương trình hồi quy được trình bày ở Công thức (2.17) 2 N TB XN  XN  K hh  0,8251  0,3733  CKD  0,9436  CKD  1, 449  CKD  2, 279    (2. 37)  CKD   TB  XN  0,953      CKD  CKD  2.8. Kết luận chương 2 (1) Trên cơ sở công thức dự đoán cường độ chịu nén cải tiến của Feret đối với bê tông cát, bằng phương pháp toán học, luận án rút ra được cách xác định hệ số hiệu quả của tro bay, xỉ lò cao và hỗn hợp tro bay - xỉ lò cao theo tỷ lệ N/CKD, TB/CKD, XN/CKD. (2) Từ kết quả phân tích hệ số hiệu quả của tro bay trong bê tông cát, khi xem xét ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD và tỷ lệ TB/CKD, luận án rút ra kết luận sau: + Khi tăng tỷ lệ thay thế tro bay thì hệ số hiệu quả của tro bay có xu hướng giảm. + Hệ số hiệu quả của tro bay chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ thay thế tro bay. Mối quan hệ phụ thuộc được xác định bằng công thức 2.15. + Với tỷ lệ thay thế tro bay từ 10% đến 70% thì KTB thay đổi từ 0,87 đến 0,35. (3) Từ kết quả phân tích hệ số hiệu quả của xỉ lò cao trong bê tông cát, khi xem xét ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ XN/CKD, luận án rút ra kết luận sau: + Khi tăng tỷ lệ thay thế xỉ lò cao thì KXN có xu hướng tăng, đạt cao nhất với tỷ lệ 30-40% sau đó giảm dần với tỷ lệ thay thế cao hơn. + Hệ số hiệu quả của xỉ lò cao phụ thuộc vào tỷ lệ XN/CKD và tỷ lệ N/CKD. Mối quan hệ phụ thuộc được xác định bằng Công thức (2.16)
10 + Với tỷ lệ thay thế xỉ lò cao từ 10 đến 80% thì KXN thay đổi từ 1,24 đến 0,35. (4) Từ kết quả phân tích hệ số hiệu quả của hỗn hợp xỉ lò cao - tro bay trong bê tông cát, khi xem xét ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ TB/CKD, tỷ lệ XN/CKD, luận án rút ra kết luận sau: + Khh phụ thuộc vào tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ XN/CKD và tỷ lệ TB/CKD. Mối quan hệ phụ thuộc được xác định bằng Công thức (2.17). + Khi tỷ lệ TB/CKD càng tăng và tỷ lệ XN/CKD càng giảm thì Khh càng giảm. Hệ số Khh đạt giá trị lớn hơn 1 với tỷ lệ TB/CKD từ 0 đến 15% và XN/CKD từ 10% đến 60% CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH NĂNG CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CÁT SỬ DỤNG TRO BAY, XỈ LÒ CAO VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÁT CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ BỀN 3.1. Giới thiệu phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu các tính chất cơ học và độ bền của bê tông cát. 3.1.1. Giới thiệu quy hoạch thực nghiệm Taguchi 3.1.2. Các bước lập quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 3.2. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi trong nghiên cứu các tính chất cơ học và độ bền thấm ion clo của bê tông cát. 3.2.1. Xác định các thông số đầu vào và đầu ra đối với quy hoạch thực nghiệm Taguchi a) Lựa chọn các thông số đầu vào b) Lựa chọn thông số khảo sát đầu ra 3.2.2. Vật liệu chế tạo và kế hoạch thí nghiệm và kế quả - Vật liệu chế tạo - Bố trí thí nghiệm theo phương pháp Taguchi - Công tác chuẩn bị và đổ bê tông - Kết quả chỉ tiêu thí nghiệm của các hỗn hợp bê tông cát theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi Kết quả các chỉ tiêu thí nghiệm cường độ chịu nén trung bình, cường độ ép chẻ trung bình, độ thấm ion clo trung bình ở 28 ngày và chỉ tiêu độ sụt của các
11 hỗn hợp bê tông cát theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi được trình bày ở Bảng 3.4. Kết quả cường độ chịu nén chi tiết được trình bày ở Phụ lục 3.1. Bảng 3. 1 Cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, độ thấm ion clo trung bình ở 28 ngày tuổi và độ sụt của các hỗn hợp bê tông cát theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi Lượng Xi Tro Xỉ lò Rn28 Rec28 Q Độ sụt STT nước măng bay cao ( lít) (kg) (kg) (kg) (MPa) (MPa) (Culong) (cm) T01 180 300 0,0 0,0 26,9 2,04 5318 3 T02 180 297,5 75 52,5 31,9 2,55 1875 8 T03 180 280 150 120 50,8 3,90 472 15 T04 180 247,5 200 202,5 60,7 4,05 357 19 T05 180 200 250 300 65,8 3,46 202 24 T06 170 255,0 150 45 36,4 3,14 1216 8 T07 170 245,0 200 105 52,8 3,97 356 14 T08 170 220 250 180 59,4 3,24 279 19 T09 170 180 0,0 270 42,8 3,70 901 4 T10 170 500 75,0 0,0 53,6 4,06 1653 3 T11 160 210 250 90 45,9 3,10 803 11 T12 160 192,5 0,0 157,5 37,8 3,33 1471 1 T13 160 160 75 240,0 42,3 3,98 524 7 T14 160 450 150 0,0 63,4 4,58 1002 6 T15 160 425 200 75 71,7 4,70 238 10 T16 150 165 75 135 45,6 4,26 300 1 T17 150 140 150 210 42,5 3,63 767 10 T18 150 400 200 0,0 56,0 3,45 1559 6 T19 150 382,5 250 67,5 73,6 4,25 390 16 T20 150 350 0,0 150 63,9 4,39 496 1 T21 140 120 200 180 48,4 3,15 394 7
12 Lượng Xi Tro Xỉ lò Rn28 Rec28 Q Độ sụt STT nước măng bay cao ( lít) (kg) (kg) (kg) (MPa) (MPa) (Culong) (cm) T22 140 350 250 0,0 62,1 3,80 801 10 T23 140 340 0,0 60 48,9 3,75 1020 0 T24 140 315 75 135 63,5 4,40 542 2 T25 140 275 150 225 75,5 5,03 283 11 3.2.3. Cường độ chịu nén của các loại BTC trong QHTN Taguchi - Ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến cường độ chịu nén của BTC N XN+X XN/(XN+X) TB 65 Cường độ chịu nén trung bình (MPa) 60 55 50 45 40 140 150 160 170 180 300 350 400 450 500 0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0 75 150 200 250 3 3 3 Lượng nước (lít/m ) XN+X (kg/m ) XN/(XN+X) Tro bay (kg/m ) Hình 3. 2. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông cát - Xây dựng quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông cát và các yếu tố đầu vào Mô hình hồi quy cường độ chịu nén với các yếu tố đầu vào được thể hiện ở Công thức (3.3) 2 N  N  Rn  157, 9  431, 2   352, 7    (3. 3) CKDhq  CKD   hq  - Phân tích tương quan giữa số liệu cường độ chịu nén thí nghiệm và cường độ chịu nén dự đoán của bê tông cát.
13 3.2.4. Cường độ ép chẻ của các loại BTC trong QHTN Taguchi. - Ảnh hưởng của yếu tố đầu vào với cường độ ép chẻ của BTC N XN+X XN/(XN+X) TB 4,4 Cường độ ép chẻ trung bình (MPa) 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 140 150 160 170 180 300 350 400 450 500 0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0 75 150 200 250 Lượng nước (lít/m3) XN+X (kg/m3) XN/(XN+X) Tro bay (kg/m3) Hình 3. 5 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến cường độ ép chẻ ở 28 ngày của bê tông cát - Xây dựng quan hệ giữa cường độ ép chẻ trung bình 28 ngày của bê tông cát và các yếu tố đầu vào Phương trình hồi quy cường độ ép chẻ được thể hiện ở Công thức (3.4) N 2 Rec  6, 443  7,6   0,00408  TB  0,000024  TB  (3. 4) CKDhq 3.2.5. Độ thấm ion clo của bê tông cát theo QHTN Taguchi - Ảnh hưởng của các đầu vào đến kết quả thấm ion clo của BTC
14 Hình 3. 6 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến độ thấm ion clo ở 28 ngày của bê tông cát - Xây dựng quan hệ giữa độ thấm ion clo và các yếu tố đầu vào của BTC Phương trình hồi quy kết quả thấm ion clo với các yếu tố đầu vào được thể hiện ở Công thức (3.5) 2 2 N  N  XLC  XLC  (3.5) Q  4126  21357   38828   5620   7554   CKDhq  CKD   CKDhq  CKD    hq   hq  - Quan hệ giữa N/CKDhq với cường độ chịu nén và kết quả thấm ion clo của bê tông cát N/CKDHQ Hình 3. 8 Quan hệ giữa độ thấm ion clo với tỷ lệ N/CKDhq và tỷ lệ XN/CKDhq trong bê tông cát 3.2.6. Mối quan hệ giữa độ sụt của các hỗn hợp bê tông cát với các thông số thiết kế đầu vào - Ảnh hưởng của thông số đầu vào với tính công tác của bê tông cát - Quan hệ giữa tính công tác và các thông số đầu vào của bê tông cát 3.3. Phương pháp thiết kết thành phần bê tông cát có xét đến độ bền Bước 1: Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt thi công bê tông Bước 2: Xác định yêu cầu độ thấm ion clo của bê tông cát Bước 3: Chọn tỷ lệ N/CKDhq Bước 4: Xác định lượng nước, hàm lượng khí và lượng CKDhq
15 Bước 5: Xác định lượng tro bay trong bê tông cát Bước 6: Lựa chọn lượng xỉ lò cao trong bê tông cát Bước 7: Xác định lượng xi măng trong bê tông cát Bước 8: Xác định lượng cát sử dụng Bước 9: Chọn tỷ lệ phụ gia siêu dẻo Bước 10: Điều chỉnh lại các thành phần bê tông phù hợp với thực tế.  Phạm vi ứng dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền thấm clorua trong nghiên cứu: - Cường độ chịu nén được dự đoán trong khoảng 25 MPa đến 75 MPa - Độ thấm ion Clo trong khoảng 200 Coloumb đến 5300 Coloumb 3.4. Tính năng cơ học và độ bền của bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển. 3.4.1. Yêu cầu thiết kế 3.4.2. Thiết kế thành phần bê tông cát và kế hoạch thí nghiệm. Bảng 3. 26 Thành phần các hỗn hợp bê tông cát Cát Cát Phụ Dự đoán Dự đoán Loại bê N X XN TB N/ 3) (kg/m3) (kg/m3) CKD nghiền mịn gia Rn28 Clo tông (lít) (kg/m (kg/m3) (kg/m3) (l/m3) (MPa) (Culong) BTTĐC 172 550 0 0,313 1035* 690** 6,29 BTCĐC 165 400 0 150 0,3 977 651 4,8 53,6 1303 BTCX10 165 345 55 150 0,3 982 655 4,6 54 772 BTCX20 165 290 110 150 0,3 977 653 4,5 54,1 427 BTCX30 165 235 165 150 0,3 977 651 4,4 53 282 BTCX40 165 180 220 150 0,3 974 650 4,4 49,7 423 3) * Đối với BTTĐC là đá 5x20 cm – 1035 (kg/m ** Đối với BTTĐC là cát sông – 690 (kg/m3) 3.4.3. Tính chất cơ học của bê tông cát - Cường độ chịu nén của bê tông cát - Cường độ ép chẻ của bê tông cát 3.4.4. Tính chất độ bền của bê tông cát - Độ bền thấm clorua của bê tông cát - Độ bền mài mòn trong nước của bê tông cát - Độ bền chống thấm nước của bê tông cát - Độ bền giãn nở của bê tông cát
16 3.4.5. Kiểm chứng phương pháp lựa chọn thành phần bê tông cát có xét đến độ bền Các thông số của các loại BTC thiết kế và kết quả thực nghiệm được trình bày ở Bảng 3.34 Bảng 3. 34 Tổng hợp kết quả dự đoán và thực nghiệm cường độ và độ bền clo của các hỗn hợp bê tông cát trong nghiên cứu. Thông số BTCĐC BTCX10 BTCX20 BTCX30 BTCX40 3 Xi măng (kg/m ) 400 345 290 235 180 Xỉ lò cao (kg/m3) 0 55 110 165 220 Tro bay (kg/m3) 150 150 150 150 150 N/CKD 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Khh 0,67 0,78 0,83 0,83 0,79 CKDhq 501 504 505 496 472 N/CKDhq 0,329 0,328 0,327 0,333 0,350 Rn28 dự đoán (MPa) 53,8 54 54,1 53,1 50,2 Rn28 thực nghiệm (MPa) 54,6 55,5 56 52,1 42,0 Clo Dự đoán (Culong) 1303 814 508 406 601 Clo thực nghiệm (Culong) 1510 902 410 305 555 3.5. Kết luận chương 3 (1) Từ kết quả thực nghiệm và phân tích số liệu Quy hoạch thực nghiệm Taguchi đối với bê tông cát có thể rút ra các kết luận như sau: - Hai yếu tố đầu vào “N” và “X+XN” trong quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng đến tỷ lệ N/CKD từ đó ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và độ thấm ion clo ở 28 ngày của các loại bê tông cát. - Khi yếu tố “XN/(X+XN)” tăng từ mức 1 đến mức 5 (từ 0% đến 60%), cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ của các loại bê tông cát ở 28 ngày cho kết quả tối ưu với “XN/(X+XN)” ở mức 4 (45%XN). Độ thấm ion clo cho thấy kết quả giảm xuống thấp nhất với “XN/(X+XN)” ở mức 4
17 (45%XN). - Yếu tố “TB” khi tăng từ mức 1 đến mức 5 (từ 0 đến 250 kg/m3), cường độ chịu nén 28 ngày của BTC có xu hướng tăng trong khi độ thấm ion clo ở 28 ngày có xu hướng giảm. - Cường độ ép chẻ ở 28 ngày tối ưu với yếu tố “TB” ở mức 3 (150 kg/m3). Lượng tro bay trong bê tông cát khi sử dụng quá nhiều (>150 kg/m3) sẽ trở nên dư thừa, với dạng tròn nên dễ trượt lên nhau làm giảm cường độ ép chẻ. (2) Từ kết quả phân tích mối quan hệ giữa cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và độ thấm ion clo của bê tông cát 28 ngày với các thành phần vật liệu đầu vào thông qua quy hoạch thực nghiệm Taguchi, có thể rút ra kết luận như sau: - Cường độ chịu nén của bê tông cát ở 28 ngày tỷ lệ bậc hai đối với N/CKDhq, mối quan hệ được thể hiện ở Công thức (3.3). - Cường độ ép chẻ của bê tông cát ở 28 ngày tỷ lệ bậc nhất đối với N/CKDhq và tỷ lệ bậc 2 đối với lượng TB sử dụng, mối quan hệ được thể hiện ở Công thức (3.4). - Độ thấm ion clo của bê tông cát ở 28 ngày tỷ lệ bậc 2 đối với N/CKDhq và XN/CKDhq, mối quan hệ được thể hiện ở Công thức (3.5). - Độ sụt của các hỗn hợp bê tông cát tỷ lệ bậc nhất đối với lượng nước và lượng TB sử dụng, mối quan hệ được thể hiện ở Công thức (3.6). (3) Từ mối quan hệ giữa N/CKDhq với cường độ chịu nén và độ thấm ion clo của bê tông cát ở 28 ngày có thể rút ra kết luận như sau: - Để thỏa mãn yêu cầu bê tông làm việc ở vùng không khí biển (Rn28 > B35, Q28 < 1000 Culong), BTC cần sử dụng tỷ lệ N/CKDhq ≤ 0,42 và tỷ lệ XN/CKDhq từ 0,3 đến 0,45. - Để thỏa mãn yêu cầu bê tông làm việc ở vùng thủy triều và vùng ngập nước (Rn28 > B45, Q28 < 1000 Culong), BTC cần sử dụng tỷ lệ N/CKDhq ≤ 0,34 và tỷ lệ XN/CKDhq từ 0,1 đến 0,5. (4) Trên cơ sở vận dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát của Pháp, nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế thành phần bê tông cát có xét đến độ bền đối với bê tông cát sử dụng tro bay và xỉ lò cao gồm 10 bước được trình bày ở mục 3.3. Cường độ chịu nén và độ thấm ion clo ở 28 ngày
18 của các loại bê tông cát được thiết kế theo quy trình được đề xuất cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thí nghiệm với kết quả dự đoán. (5) Kết quả thử nghiệm các tính năng của các loại bê tông cát mới với tỷ lệ N/CKD = 0,3, lượng tro bay sử dụng 150 kg/m3, lượng xỉ lò cao thay thế tổng chất kết dính từ 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, có thể kết luận một số vấn đề như sau: - Các loại BTC trong nghiên cứu có Rn28 đạt từ 42 MPa – 56 MPa, Rn56 đạt từ 49,1 MPa – 60,9 MPa, Rec28 đạt từ 4,12 MPa – 4,95 MPa, độ mài mòn trong nước ở 28 ngày đạt từ 2,89 g/cm2 đến 4,32 g/cm2. Cường độ và độ mài mòn trong nước ở 28 ngày của BTC đạt tối ưu với tỷ lệ thay thế 20% xỉ lò cao (BTCX20). - Độ thấm ion clo ở 28 ngày của các loại BTC trong nghiên cứu đạt từ 305 đến 1510 Culong. Các loại bê tông cát có sử dụng xỉ lò cao đều cho kết quả thấm ion clo
19 4.3.1. Xác định thông số mô hình dự báo tuổi thọ 4.3.2. Tính toán tuổi thọ của kết cấu ứng với các loại bê tông trong nghiên cứu Hình 4. 1 Mối quan hệ giữa tuổi thọ và chiều dày lớp bê tông bảo vệ của các loại bê tông trong nghiên cứu 4.3.3. Tính toán chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu khi sử dụng các loại bê tông cát trong nghiên cứu. 4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng các loại bê tông cát dùng làm kết cấu bê tông thùng chìm trong công trình đê chắn sóng ở Cảng Vũng Áng 4.5. Hiệu quả môi trường của việc sử dụng các loại bê tông cát mới dùng làm kết cấu bê tông cốt thép trong công trình biển. 4.6. Thử nghiệm chế tạo cấu kiện Tetrapod bằng bê tông cát 4.6.1. Cấu tạo khối phá sóng Tetrapod. 4.6.2. Thi công thử nghiệm khối Tetrapod bằng bê tông cát.