Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
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: Tóm tắt 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1: PGS. TS Nguyễn Văn Tuấn – Trường ĐH Xây dựng Hà Nội. 2: PGS. TS Lê Trung Thành - Viện Vật liệu Xây dựng Phản biện 1: PGS.TS. Lương Đức Long – Viện Vật liệu Xây dựng Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Duy Hiếu – Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS. Lê Thanh Hà – Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. vào hồi giờ , ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài 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. 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 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hàm lượng FA lớn (HVFA UHPC) và đánh giá các tính chất của HVFA UHPC. Từ đó, ứng dụng HVFA UHPC trong chế tạo cấu kiện dầm và nghiên cứu các ứng xử cơ học của cấu kiện này. + Phạm vi nghiên cứu Luận án được thực hiện dựa trên phạm vi nghiên cứu về các nguyên vật liệu sử dụng để chế tạo bê
2 tông HVFA UHPC đạt các tính chất theo mục tiêu đề ra, cụ thể bao gồm như sau: - Sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume (SF), FA có sẵn ở Việt Nam. Trong đó, FA sử dụng với hàm lượng lớn, trên 50% theo thể tích chất kết dính. - Sử dụng sợi thép phân tán, trong đó có nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép (hàm lượng 0-4%) đến các tính chất của bê tông UHPC. - Điều kiện dưỡng hộ: điều kiện tiêu chuẩn (27±2oC, độ ẩm ≥ 95%) và điều kiện nhiệt ẩm (90±5oC, độ ẩm ≥ 95%). - Hỗn hợp bê tông có độ chảy loang theo côn nhỏ trong khoảng 200-250 mm. Cường độ nén của bê tông ≥ 120 MPa, cường độ uốn ≥15 MPa, mô đun đàn hồi E ≥ 40 GPa. - Chế tạo và đánh giá ứng xử cơ học của cấu kiện dầm sử dụng HVFA UHPC. 4. Cơ sở khoa học Dựa trên các phân tích về bê tông UHPC và tính khả thi về phát triển loại vật liệu sử dụng hàm lượng FA lớn (HVFA) đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện nay ở Việt Nam, luận án đặt ra các cơ sở khoa học để đạt được mục tiêu nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu nâng cao chất lượng bê tông HVFA UHPC. - Nghiên cứu mô hình dự báo cường độ bê tông HVFA UHPC theo thời gian. - Nghiên cứu ứng xử cơ học của cấu kiện dầm bê tông HVFA UHPC. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu bao gồm: - Phương pháp lý thuyết; phương pháp thực nghiệm; phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm; phương pháp tính toán kết hợp với mô phỏng số; phương pháp phân tích thống kê, đánh giá tổng hợp. 6. Ý nghĩa khoa học của luận án Kết quả nghiên cứu của đề tài mang lại một số ý nghĩa khoa học về mặt lý thuyết và thực tiễn, cụ thể: + Về mặt lý thuyết: - Luận án đã phân tích và chứng minh về cơ sở khoa học của việc sử dụng FA hàm lượng lớn để chế tạo bê tông UHPC với tỷ lệ N/CKD rất thấp. Việc sử dụng có sự tương hỗ giữa các PGK hoạt tính FA, SF kết hợp với PGSD cho phép giảm lượng nước nhào trộn (N/CKD giảm). Đây là yếu tố quan trọng cải thiện tính công tác với hỗn hợp bê tông có tỷ lệ N/CKD rất thấp, tăng độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông, làm tăng độ đặc chắc cấu trúc và tăng độ bền lâu cho bê tông HVFA UHPC. Trên cơ sở đó, luận án đánh giá được vai trò của PGK và tác động tương hỗ giữa các loại PGK này ở tỷ lệ hợp lý trong bê tông UHPC. - Luận án đã nghiên cứu và chứng minh cơ sở khoa học về vai trò của sợi thép phân tán trong việc cải thiện độ bền uốn, kéo của bê tông UHPC, tăng độ bền dẻo dai bê tông UHPC. - Luận án đã xây dựng mô hình lý thuyết dự đoán cường độ của bê tông HVFA UHPC theo thời gian với các chế độ bảo dưỡng khác nhau. Đồng thời nghiên cứu lý thuyết tính toán, mô phỏng số, thực nghiệm kiểm chứng để xác định giá trị tải trọng phá hoại cấu kiện dầm chịu uốn ngang phẳng.
3 - Luận án đã nghiên cứu đánh giá ứng xử cơ học của cấu kiện bê tông HVFA UHPC có ý nghĩa rất lớn về mặt lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, đặc biệt với hệ bê tông có tỷ lệ N/CKD rất thấp sử dụng hàm lượng FA lớn. + Ý nghĩa thực tiễn: - Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu sẵn có (cát quắc, FA, SF, PGSD, cốt sợi thép) trong điều kiện chế tạo ở Việt Nam để chế tạo bê tông HVFA UHPC đảm bảo các tính chất kỹ thuật sẽ góp phần thúc đẩy phát triển xây dựng bền vững và nâng cao chất lượng bảo vệ môi trường ở Việt Nam. - Luận án đã xây dựng mô hình lý thuyết cho phép dự đoán cường độ của bê tông HVFA UHPC theo thời gian với các điều kiện bảo dưỡng khác nhau góp phần giảm thiểu các thí nghiệm, tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu, điều này có ý nghĩa thực tiễn cao trong ứng dụng bê tông HVFA UHPC ở Việt Nam. 7. Những đóng góp mới của luận án (1) Luận án đã chứng minh được việc chế tạo UHPC sử dụng hàm lượng lớn (>50%) phụ gia khoáng tro bay từ các nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam. (2) Luận án đã nghiên cứu tối ưu hóa cấp phối bê tông HVFA UHPC bằng cách thiết kế tối ưu thành phần hạt trên cơ sở mô hình De Larrard, thiết kế và tối ưu hóa cấp phối dựa trên các thí nghiệm tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. (3) Luận án đã nghiên cứu xây dựng mô hình dự đoán cường độ của bê tông HVFA UHPC theo thời gian với chế độ bảo dưỡng và hàm lượng FA khác nhau. (4) Luận án đã nghiên cứu ứng xử cơ học của cấu kiện dầm sử dụng bê tông HVFA UHPC và đánh giá tính khả thi. Luận án đã nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng. 8. Bố cục của luận án Luận án gồm: Mở đầu, Năm chương chính, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo và Phụ lục. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete- UHPC) là một thế hệ bê tông mới với các đặc tính vượt trội về tính công tác, cường độ, và độ bền lâu [128]. Thực tế có thể thấy đặc tính bê tông UHPC có sự kết hợp các đặc tính của một số loại bê tông đặc biệt khác như bê tông tự đầm (Self-Compacting Concrete- SCC), bê tông cốt sợi thép (Fiber-Reinforced Concrete- FRC) và bê tông chất lượng cao (High-Performance Concrete- HPC) [51]. Thông thường, thuật ngữ bê tông UHPC được sử dụng để mô tả hỗn hợp gồm cát quắc mịn có đường kính hạt < 0,6mm, xi măng, SF, cốt sợi thép, phụ gia siêu dẻo với tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) rất thấp. Về khía cạnh tính chất, định nghĩa về bê tông UHPC có khác nhau ở một số nước, chẳng hạn theo đề xuất của Pháp thì bê tông UHPC có thể được định nghĩa với cường độ nén lớn hơn 150 MPa [8], còn theo tiêu chuẩn của ASTM C1856 của Mỹ, bê tông UHPC được định nghĩa có cường độ nén 120 MPa [10]. Xuất phát từ những đề xuất, khuyến nghị và tiêu chuẩn còn chưa thống nhất của nhiều nước, thuật ngữ bê tông
4 UHPC đề xuất sử dụng trong luận án này có cường độ nén ≥ 120 MPa phù hợp với điều kiện nguồn nguyên vật liệu địa phương và khả năng chế tạo tại Việt Nam hiện nay. 1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ CẤP PHỐI ĐIỂN HÌNH Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm cốt liệu (cát quắc), xi măng, phụ gia khoáng, phụ gia siêu dẻo, cốt sợi thép. 1.3 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC trên thế giới 1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC ở Việt Nam 1.4 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG UHPC 1.4.1 Tính công tác 1.4.2 Tính chất cơ học: bao gồm cường độ nén và mô đun đàn hồi, cường độ kéo trực tiếp, cường độ chịu kéo khi uốn, độ bền dẻo dai, độ bền va đập, chống nứt… 1.4.3 Co ngót 1.4.4 Độ bền lâu 1.5 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG UHPC SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN 1.5.1 Phát triển bền vững bê tông 1.5.2 Tiềm năng sử dụng tro bay hàm lượng lớn chế tạo bê tông UHPC 1.6 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Dựa trên các phân tích nêu trên về bê tông UHPC và tính khả thi về phát triển loại vật liệu này đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện nay ở Việt Nam, luận án đặt ra các vấn đề khoa học cần giải quyết như sau: (1) Nghiên cứu chế tạo bê tông UHPC sử dụng hàm lượng FA lớn: thông qua nghiên cứu lựa chọn về vật liệu sẵn có, đồng thời tiến hành nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối bê tông HVFA UHPC. (2) Nghiên cứu tối ưu hóa cấp phối bê tông UHPC sử dụng hàm lượng FA lớn nhất trên cơ sở nghiên cứu các tính chất hỗn hợp bê tông và bê tông. (3) Nghiên cứu mô hình dự báo cường độ bê tông HVFA UHPC theo thời gian với các chế độ bảo dưỡng. (4) Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá ứng xử cơ học của cấu kiện dầm bê tông HVFA UHPC.
5 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN Dựa trên các phân tích về bê tông UHPC và tính khả thi về phát triển loại vật liệu sử dụng hàm lượng FA lớn (HVFA) đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện nay ở Việt Nam, luận án đặt ra các cơ sở khoa học để đạt được mục tiêu nghiên cứu như sau: 2.1 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG HVFA UHPC Đối với bê tông UHPC nói chung và bê tông HVFA UHPC nói riêng thì việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của bê tông dựa trên một số cơ sở khoa học chủ yếu sau [128, 133]: - Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu - Tối ưu thành phần hạt - `Tăng độ đặc chắc bằng việc sử dụng hạt siêu mịn - Cải thiện vi cấu trúc bằng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm - Nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông - Cơ sở khoa học sử dụng HVFA trong bê tông 2.2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG HVFA UHPC THEO THỜI GIAN Để thiết lập các phương trình thực nghiệm đơn giản cho sự phát triển cường độ nén của bê tông UHPC, Liên đoàn thế giới về kết cấu bê tông (fib) 2010 đưa ra mô hình phát triển này theo hàm số mũ. 2.3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC Trên cơ sở các tính chất cơ học khảo sát được, đề tài tiến hành nghiên cứu ứng xử cơ học của cấu kiện dầm bê tông UHPC để làm cơ sở hướng tới ứng dụng thực tế cho các kết cấu công trình. Luận điểm khoa học này được đặt ra trên cơ sở nghiên cứu các lý thuyết tính toán kết cấu và đề xuất mô hình thực nghiệm đối với cấu kiện dầm cơ bản. Từ đó đánh giá và đề xuất được lý thuyết tính toán kết cấu phù hợp, cũng như đề xuất các hệ số điều chỉnh phù hợp liên quan, chẳng hạn có kể sự ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến tính toán vùng kéo của bê tông UHPC. Từ kết quả thí nghiệm có được, hiệu chỉnh hệ số của Rk bê tông trong tính toán lý thuyết. 2.3.1 Một số lý thuyết tính toán dầm bê tông UHPC Việc nghiên cứu ứng xử cơ học của cấu kiện bê tông UHPC cũng đã và đang được nghiên cứu của nhiều các đơn vị, tổ chức trên thế giới và có thể kể đến một số lý thuyết tính toán như sau: + Theo AASHTO LFRD bê tông có cường độ nén trong khoảng từ 16 MPa đến 70 MPa + Theo Hiệp hội đường cao tốc Hoa Kỳ (FHWA) + Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada
6 + Theo Hiệp hội kỹ sư dân dụng Pháp (AFGC\SETRA) + Theo Hiệp hội kỹ sư xây dựng Nhật Bản (JSCE) 2.3.2 Thiết lập công thức lý thuyết tính để tính toán tải trọng phá hoại dầm bê tông HVFA UHPC Từ các kết quả nghiên cứu của các nước nêu trên, NCS lựa chọn tính toán lý thuyết theo mô hình quan hệ ứng suất, biến dạng vùng kéo và nén theo Hiệp hội đường cao tốc Hoa Kỳ (FHWA) xác định được hệ số Rk cho dầm bê tông UHPC. 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 Nghiên cứu tiến hành mô phỏng các thí nghiệm uốn dầm bằng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS. Phương pháp mô phỏng này đồng thời sẽ giúp giảm bớt chi phí thí nghiệm mẫu và xác định được tải trọng phá hoại mẫu một cách dễ dàng khi khảo sát sự thay đổi các thông số đầu vào khi chế tạo dầm UHPC. KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu của luận án được đề xuất trên cơ sở phân tích tổng quan về sự cần thiết phát triển bê tông UHPC ở trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, đồng thời xét trên khía cạnh cụ thể nguồn nguyên vật liệu sẵn có và phù hợp ở điều kiện Việt Nam, việc nghiên cứu và phát triển bê tông UHPC sử dụng hàm lượng tro bay lớn là một hướng đi cần thiết, hướng tới phát triển bền vững và hiệu quả về chi phí và môi trường. Để thực hiện ý tưởng này, đề tài đặt ra các luận điểm khoa học cần giải quyết bao gồm: - Nghiên cứu chế tạo bê tông UHPC sử dụng hàm lượng FA lớn là có cơ sở và khả thi, và việc nghiên cứu các tính chất của bê tông HVFA UHPC dựa trên cơ sở nghiên cứu và đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối bê tông HVFA UHPC, đồng thời nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông này trên các kết quả thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng. Bên cạnh đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng FA lớn đến quá trình thủy hóa xi măng trong bê tông UHPC thông qua sự thay đổi hàm lượng CH theo thời gian cũng được phân tích đánh giá. - Nghiên cứu và đề xuất mô hình dự báo cường độ bê tông HVFA UHPC theo thời gian. - Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cơ học của cấu kiện dầm bê tông HVFA UHPC, từ đó đề xuất phương pháp tính toán kết cấu phù hợp. Trên cơ sở phân tích về nhược điểm của loại bê tông sử dụng hàm lượng FA lớn này, mục tiêu đầu tiên đặt ra của luận án là chế tạo được bê tông HVFA UHPC sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam bằng cách hướng tới các giải pháp lựa chọn và sử dụng vật liệu, cải thiện thủy hóa và phát triển vi cấu trúc, trên cơ sở đó đề xuất phương pháp thiết kế bê tông.
7 CHƯƠNG 3 : VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 3.1.1 Cốt liệu (cát quắc): Cốt liệu mịn sử dụng trong đề tài là cát quắc có cỡ hạt từ 100-600 µm. 3.1.2 Xi măng: Xi măng được sử dụng trong nghiên cứu là xi măng Nghi Sơn PC50. 3.1.3 Phụ gia khoáng a. Silica fume: Đề tài sử dụng SF dạng hạt rời không nén (condensed/undensified) của hãng Elkem. b. Tro bay: Đề tài sử dụng FA mịn loại F của nhà máy nhiệt điện Phả lại. c. Thành phần hóa học của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính 3.1.4 Phụ gia siêu dẻo: Đề tài sử dụng phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate dạng lỏng, hàm lượng chất khô là 30%. 3.1.5 Cốt sợi thép: Sợi thép sử dụng trong đề tài là sợi Dramix OL13/0,20. 3.1.6 Nước: Nước sử dụng trong đề tài thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn Việt Nam. 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 3.2.1 Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn 3.2.2 Các phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn 3.3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG HVFA UHPC 3.3.1 Phương pháp thiết kế tối ưu thành phần hạt bê tông HVFA UHPC Mô hình lèn chặt dạng nén [14, 15] bao gồm quá trình lèn chặt để đạt được độ lèn chặt lý thuyết i, được xác định là khối lượng thể tích lèn chặt lớn nhất của các hạt, khi các hạt được thay thế từng phần. Công thức tính toán về độ lèn chặt tối ưu với n cấp hạt và i cấu tử theo công thức (3-2) như sau: 𝛽𝑖 i = 𝛽𝑖 (3-2) 1 1−∑𝑗=1[1−𝛽𝑖 +𝑏𝑖𝑗 (1− )𝑦𝑗 −∑𝑛 𝑖−1 𝑗=𝑖+1[1−𝑎𝑖𝑗 𝛽 ]𝑦𝑗 𝛽𝑗 𝑗 Hiệu ứng lỏng lẻo (aij): xảy ra khi các hạt nhỏ điền đầy và kích thước vượt quá khoảng trống giữa các nhóm hạt lớn hơn khi sắp xếp tự nhiên, khi đó các hạt lớn hơn sẽ bị đẩy ra xa nhau (lỏng lẻo) và ảnh hưởng của hiệu ứng này được kể đến trong tính toán trong công thức (3-3) như sau: d aij = √1 − (1 − dj )1,02 (3-3) i Hiệu ứng tường chắn (bịj): xảy ra khi những hạt lớn hơn sẽ tạo ra các bề mặt (dạng tường chắn) và có 1 vài khoảng không gần bề mặt này không cho phép các hạt nhỏ sắp xếp được tự nhiên và điền
8 đầy vào các khoảng trống này, tạo ra hệ thống lỗ rỗng bao quanh các hạt lớn hơn, ảnh hưởng của hiệu ứng này được kể đến trong tính toán theo công thức (3-4) như sau: bij = 1 – (1-di/dj)1,50 (3-4) Đối với một cấp hạt thì j có thể được xác định theo công thức sau: 𝛽𝑗 j = 1 (3-5) 1+ 𝐾 Hệ số lèn chặt được xác định như sau: yi n n i K   Ki   (3-6) 1 1 i 1 i 1   i 3.3.2 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông HVFA UHPC Tăng tỷ lệ N/CKD (+) (-) Lượng PGSD lớn nhất Lựa chọn vật liệu đầu vào (-) D = 200 - 250 mm Tăng hàm lượng PGSD (Cát, xi măng, SF, FA) (+) (-) Tính toán tối ưu thành Tốc độ rắn chắc hợp lý phần hạt (de Larrard) (+) Bảo dưỡng tiêu chuẩn, Lựa chọn tỷ lệ C/CKD, nhiệt ẩm SF/CKD, FA/CKD Rn > 120 MPa (-) (bảo dưỡng tiêu chuẩn); Rn > 150 MPa Lựa chọn tỷ lệ N/CKD (bảo dưỡng nhiệt ẩm) (+) (-) Thay đổi tỷ lệ FA/CKD Tỷ lệ FA/CKD lớn nhất (+) Bảo dưỡng nhiệt ẩm (1-2-3-4-5-6-7 ngày) Cấp phối HVFA UHPC Hình 3.9 Phương pháp đề xuất thiết kế cấp phối bê tông HVFA UHPC 3.3.3 Tính toán thành phần bê tông HVFA UHPC Như vậy, các tỷ lệ thành phần vật liệu đã biết, khi đó hoàn toàn xác định được cấp phối bê tông UHPC ban đầu. ∑ Va material +  = 1000 (3-7)
9 3.3.4 Quy trình trộn và bão dưỡng HVFA UHPC 3.3.5. Cấp phối bê tông HVFA UHPC KẾT LUẬN Trong chương này tác giả đã trình bày các phương pháp nghiên cứu (luận chứng) cần thiết để triển khai và chứng minh các luận điểm khoa học của luận án về chế tạo bê tông HVFA UHPC sử dụng cho kết cấu công trình, Chương này trình bày hai mảng phương pháp chính được áp dụng trong nghiên cứu của luận án, bao gồm: - Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn: áp dụng cho đánh giá các nguyên vật liệu đầu vào, và tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. - Các phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn: áp dụng cho nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông HVFA UHPC, nghiên cứu quá trình thủy hóa, nghiên cứu mô hình dự báo cường độ nén theo thời gian, nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông HVFA UHPC. CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN 4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PGK SF VÀ FA ĐẾN HÀM LƯỢNG Ca(OH)2 TRONG ĐÁ CKD CỦA BÊ TÔNG UHPC 4.1.1 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng CH trong đá CKD. 0.035 0.030 Hàm lượng CH, g/g XM 0.025 Ref 0.020 10%SF 20%SF 0.015 0.010 0.005 0.000 3 7 8 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày 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
10 0.035 0.030 Hàm lượng CH, g/g XM Ref 0.025 10%SF 20%SF 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 3 87 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày 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 4.1.2 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng CH trong đá CKD. 0.035 0.030 Hàm lượng CH, g/g XM 0.025 0.020 0.015 0.010 Ref 30%FA 0.005 50%FA 0.000 3 78 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày 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 0.035 0.030 Hàm lượng CH, g/g XM 0.025 0.020 0.015 0.010 Ref 0.005 30%FA 50%FA 0.000 3 78 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày
11 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 4.1.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp SF và FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD Ảnh hưởng của SF và FA đến hàm lượng CH trong đá CKD. 0.035 Ref 10%SF + 30%FA 0.030 10%SF + 50%FA 10%SF + 70%FA Hàm lượng CH, g/g XM 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 3 78 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày 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 0.035 0.030 Ref Hàm lượng CH, g/g XM 0.025 10%SF + 30%FA 10%SF + 50%FA 0.020 10%SF + 70%FA 0.015 0.010 0.005 0.000 3 87 13 18 23 28 Tuổi mẫu, ngày 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
12 0.040 0.0287 Bảo dưỡng tiêu chuẩn 0.0237 Hàm lượng CH, g/g XM 0.030 Bảo dưỡng nhiệt ẩm 0.0184 0.0162 0.0162 0.0150 0.0145 0.0133 0.0129 0.0120 0.020 0.0060 0.0037 0.0026 0.0018 0.010 0.0008 0.0000 0.000 10%SF+30%FA 10%SF+50%FA 10%SF+70%FA 30%FA 50%FA 100%XM 20%SF 10%SF Mẫu 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 4.2 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG HVFA UHPC 4.2.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông UHPC Lượng dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) được điều chỉnh để hỗn hợp bê tông UHPC để đạt được giá trị đường kính độ chảy loang trung bình từ 200-250mm được thể hiện trong Hình 4.8. 1.0 0.8 FA Hàm lượng PGSD, % SF 0.6 10%SF+FA 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hàm lượng PGK, % Hình 4.8 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 Tính công tác của hỗn hợp giảm tuyến tính khi tăng hàm lượng sợi. Tăng hàm lượng sợi từ 0 đến 1,2,3,4% để xác định tính công tác của hỗn hợp bê tông.
13 300 250 230 205 200 180 Độ chảy, mm 150 150 115 100 50 0 1 0 21 32 43 54 Hàm lượng cốt sợi, % Hình 4.9 Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy và hàm lượng sợi 4.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC. 200 200 a) t=27oC 3 ngày 7 ngày 28 ngày b) t=90oC 3 ngày 7 ngày 28 ngày Cường độ nén, MPa 150 150 Cường độ nén, MPa 100 100 50 50 0 0 0 10 20 30 0 10 20 30 Hàm lượng SF, % Hàm lượng SF, % Hình 4.10 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC (a) 272oC, (b) 905oC 4.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC.
14 Hình 4.11 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC (a) 272oC, (b) 905oC 4.2.4 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa SF và FA đến cường độ nén của bê tông UHPC Ảnh hưởng của hàm lượng SF và FA đến cường độ nén của bê tông UHPC. 200 a) t=27oC 3 ngày 7 ngày 28 ngày Cường độ nén, MPa 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Hàm lượng FA, % 200 b) t=90oC 3 ngày 7 ngày 28 ngày Cường độ nén, MPa 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Hàm lượng FA, % Hình 4.12 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
15 4.2.5 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt từ 1 đến 7 ngày đến cường độ nén 28 ngày 200 REF 20%FA 30%FA 50%FA 70%FA Cường độ nén, MPa 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 Thời gian bảo dưỡng nhiệt, ngày (b) N/CKD = 0,16 Hình 4.17 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt khác nhau từ 1-7 ngày đến cường độ nén 28 ngày của bê tông UHPC sử dụng hàm lượng tro bay và N/CKD khác nhau 200 Cường độ nén lớn nhất tuổi 28 ngày, MPa 175 y = -0.0146(Rf)2 + 0.5437(Rf) + 162.68 150 150 125 y = -0.0187(Rf)2 + 0.6082(Rf) + 140.94 120 100 75 Bảo dưỡng tiêu chuẩn Bảo dưỡng nhiệt ẩm 52,5% 50 0 10 20 30 40 50 60 70 Hàm lượng FA, % Hình 4.19 Mối quan hệ giữa cường độ nén tuổi 28 ngày cao nhất của bê tông UHPC với hàm lượng FA 4.2.6 Ảnh hưởng của kích thước mẫu đến cường độ nén của bê tông HVFA UHPC 4.2.7 Mô đun đàn hồi của bê tông HVFA UHPC Thí nghiệm mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn ASTM C469 cho mẫu trụ ở tuổi 28 ngày. E=σ/ɛ (4-1)
16 4.2.8 Cường độ ép chẻ của bê tông HVFA UHPC Thí nghiệm ép chẻ để xác định cường độ ép chẻ được thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C496 cho mẫu trụ ở tuổi 28 ngày. Rk=2P/πdl (4-2) 4.2.9 Cường độ kéo khi uốn của bê tông HVFA UHPC Thí nghiệm uốn 4 điểm để xác định cường độ kéo khi uốn được thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C1018 cho mẫu dầm ở tuổi 28 ngày. Rku=P.L/b.h2 (4-3) 4.3 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA BÊ TÔNG HVFA UHPC THEO THỜI GIAN 4.3.1 Giới thiệu chung Để thiết lập các phương trình thực nghiệm đơn giản cho sự phát triển cường độ nén của bê tông UHPC, Liên đoàn thế giới về kết cấu bê tông (fib) đã đưa ra mô hình phát triển này theo hàm số mũ (fib 2010). 4.3.2 Mô hình dự báo cường độ nén bê tông theo fib 2010 Hình 4.22 cho thấy sự phát triển cường độ nén điển hình (c(t)) được chuẩn hóa bằng cường độ nén 28 ngày cho hỗn hợp bê tông UHPC với N/CKD là 0,16. 1.4 1.2 1.0 0.8 Series6 fc(t)/f'c fib 2010 Series1 R f = 0% 0.6 Series2 Rf = 20% 0.4 Series3 R f = 30% 0.2 Series4 R f = 50% Series5 R f = 70% 0.0 0 50 100 150 200 Tuổi mẫu, ngày (b) N/CKD = 0,16 Hình 4.21 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn
17 1.4 1.2 1.0 0.8 fc(t)/f'c Series6 fib 2010 0.6 RSeries1 f = 0% Series2 Rf = 20% 0.4 RSeries3 f = 30% 0.2 RSeries4 f = 50% Series5 Rf = 70% 0.0 0 50 100 150 200 Tuổi mẫu, ngày (b) N/CKD = 0,16 Hình 4.22 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm 4.3.3 Phương trình thực nghiệm để phát triển cường độ nén Để xây dựng các phương trình thực nghiệm đơn giản đánh giá sự phát triển cường độ nén của bê tông UHPC, nghiên cứu hiện tại tuân theo hàm mũ được xác lập trong mô hình fib 2010 [13]: 28 0.5 fc (t)/fc' = EXP [Sl (1- ( t ) )] (4-4) Từ cách tiếp cận NLRA, c’, cho bê tông UHPC với FA có thể được ước tính như sau : fc' = 6.4[(M/M0 )1.3 /(N/CKD)]0.4 fc0 (4-5) Trong đó  là hệ số phụ thuộc vào hàm lượng tro bay R như sau:  = (1 + R f )0.1 với R f ≤ 0.3 (4-6a)  = (1-R f ) với R f > 0.3 (4-6b) Hệ số  là để giải thích ảnh hưởng của FA trên c’, chỉ ra rằng c’ tăng lên với sự gia tăng của R lên đến 30%, ngoài ra c’ giảm dần, như được hiển thị trong Hình 4.23. 21 18 15 12 f'c / fco Hàm nội suy 9 y = 6.4x0.4 R² = 0.80 6 3 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 ξ(M/Mo)1.3/(W/B) Hình 4.23 Phân tích hồi quy cho cường độ nén 28 ngày của bê tông UHPC
18 Từ NLRA xem xét các thông số ảnh hưởng này, tham số Sl trong công thức (4-4) được thể hiện dưới hình thức sau đây Hình 4.ình 4.24. Sl = 0.083[(1 + R f )3 /(N/CKD)0.3 ]0.65 cho điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn (4-7a) Sl = 0,02 cho điều kiện bảo dưỡng nhiệt (ở 90°C) (4-7b) 0.5 0.4 Tham số βc 0.3 0.2 Hàm nội suy y = 0.083x0.65 0.1 R² = 0.88 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (1+Rf) /(W/B)0.3 Hình 4.24 Mô hình hóa Sl trong công thức (1) để dự báo sự phát triển cường độ nén 4.3.4 Hiệu chuẩn các mô hình được đề xuất Bảng 4.9 Tổng hợp các giá trị thống kê được xác định từ việc so sánh các thí nghiệm và dự báo. Tỷ lệ cường độ nén thí nghiệm và dự báo ở các độ tuổi khác nhau, ngày Điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn Điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm 3 7 28 90 180 Tổng 3 7 28 90 180 Tổng 𝛾𝑚 0,95 0,93 0,99 0,99 0,97 0,97 1,08 1,09 1,09 1,06 1,01 1,07 𝛾𝑠 0,15 0,13 0,12 0,10 0,10 0,12 0,12 0,12 0,11 0,11 0,12 0,12 4.3.5 Phát thải CO2 của bê tông HVFA UHPC 4.3.6 Kết luận Dựa trên kết quả thí nghiệm, các kết luận sau đây có thể được rút ra liên quan đến tính chất vật liệu và phương pháp được sử dụng: (1) Tỷ lệ cường độ nén bảo dưỡng nhiệt ẩm so với bảo dưỡng tiêu chuẩn (c’)H/(c’)S tăng không nhiều khi thời gian bảo dưỡng nhiệt tăng lên đến 2 ngày, ngoài ra nó bị ảnh hưởng không đáng kể bởi thời gian bảo dưỡng nhiệt, khi mà (c’)H là cường độ nén 28 ngày của bê tông UHPC ở các độ tuổi bảo dưỡng nhiệt khác nhau và (c’)S là mẫu bê tông UHPC đối chứng được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn. Điều này khẳng định rằng bảo dưỡng nhiệt 2 ngày là đủ để bê tông UHPC đạt được cường độ cao. (2) Với cùng thời gian bảo dưỡng nhiệt ẩm, giá trị cao hơn của (c’)H/(c’)S đã được quan sát thấy đối với cấp phối bê tông UHPC với hàm lượng FA lớn và tỷ lệ N/CKD thấp hơn. Ngoài ra, với điều kiện