BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Trần Việt Hưng NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM Ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành: Xây dựng Cầu hầm Mã số: 62.58.02.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Đào Văn Đông 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường theo Quyết định Số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm 2017 họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải, vào hồi 8h30 ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu Luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải -1MỞ ĐẦU Đặt vấn đề nghiên cứu Sản xuất xi măng poóclăng cho gây ô nhiễm nghiêm trọng mức độ phát thải khí CO2 bụi nhiều, tiêu tốn nhiều lượng nguồn tài nguyên thiên nhiên Để bước hạn chế việc sử dụng xi măng poóclăng xây dựng, đồng thời tận dụng có hiệu chất thải cơng nghiệp tro bay nhiệt điện loại chất kết dính nghiên cứu bước ứng dụng vào thực tế xây dựng Chất kết dính sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp với số hợp chất hố học thơng thường Chất kết dính gọi chất kết dính geopolymer Đại học Curtin, Australia có nghiên cứu sâu phát triển, trình chế tạo, ứng xử ứng dụng bê tông geopolymer (GPC) Các kết nghiên cứu cho thấy GPC đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, giá cạnh tranh tính thân thiện với mơi trường so với bê tông xi măng truyền thống Tuy nhiên, vấn đề mẻ Việt Nam, đặc biệt lĩnh vực vật liệu xây dựng ứng dụng kết cấu Kết cấu bê tông geopolymer cốt thép (RGPC) chưa sâu nghiên cứu Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử GPC vào kết cấu chịu lực, có kết cấu dầm cầu chịu uốn cần thiết Mục tiêu nghiên cứu • • • Xác định thành phần GPC sử dụng kết cấu cầu Xác định mơ hình học vật liệu GPC dùng để tính tốn chịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép Xác định phù hợp mơ hình tính tốn với kết thí nghiệm ứng xử uốn dầm bê tơng geopolymer có cốt thép Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết để định hướng dự kiến kết đạt được, dùng thực nghiệm để kiểm chứng -24 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu • Nêu rõ chất chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm GPC khả sử dụng vật liệu xây dựng • Đề xuất phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với vật liệu Việt Nam • Xác định số tính chất lý quan trọng cấp bê tơng geopolymer tro bay chế tạo • Đề xuất phương pháp xác định sức kháng uốn mặt cắt dầm bê tơng geopolymer tro bay cốt thép • Cung cấp thực nghiệm khả chịu uốn dầm bê tơng geopolymer tro bay cốt thép • Kiến nghị nguyên tắc thiết kế dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép • Về thực tiễn: Đề xuất giải pháp kỹ thuật để tận dụng vật liệu có nguồn gốc thải phẩm cơng nghiệp (tro bay nhiệt điện) để thay chất kết dính xi măng poóclăng truyền thống sản xuất vật liệu xây dựng Việt Nam Trên sở góp phần phát triển hệ vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TƠNG GEOPOLYMER TRO BAY 1.1 Bê tông xi măng Sản xuất xi măng phát thải khoảng 1-1,2 CO2, loại khí nhà kính gây nóng lên tồn cầu Hơn 7% sản lượng CO2 giới liên quan đến sản xuất xi măng [65] Vì vậy, việc tìm kiếm chất kết dính thay xi măng pclăng đáp ứng u cầu phát triển ngành công nghiệp xây dựng bền vững, thân thiện môi trường cần thiết Tuy nhiên, vật liệu chất kết dính cần có cường độ đạt yêu cầu tính chất độ bền tương tự xi măng truyền thống “Geopolymer” nghiên cứu dần cho thấy góp phần đa dạng hóa giải pháp chất kết dính, thay phần thị trường xi măng Ngồi ra, geopolymer tận dụng ngun liệu chất thải công nghiệp tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… geopolymer đáp - 3ứng yêu cầu môi trường chất kết dính xanh thân thiện 1.2 Nghiên cứu chất kết dính geopolymer giới Thuật ngữ “geopolymer” lần giới thiệu với giới vào năm 1978 nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits Geopolymer hợp chất polymer vơ Thành phần hóa học vật liệu geopolymer tương tự vật liệu zeolite tự nhiên, vi cấu trúc vơ định hình [72, 103] Q trình geopolymer hóa liên quan đến phản ứng hóa học xảy nhanh oxit aluminosilicat silicat khác điều kiện kiềm mạnh Bất kỳ dung dịch kiềm mạnh sử dụng để làm chất kích hoạt cho việc tạo geopolymer Hiện nay, dung dịch kiềm kích hoạt thường sử dụng phổ biến NaOH KOH kết hợp với Na2SiO3 K2SiO3 Bất kỳ nguyên liệu chứa oxit silic oxit nhôm dạng vô định hình sử dụng để tạo geopolymer Trong đó, geopolymer tạo thành từ nguyên liệu nung metakaolanh, tro bay xỉ có cường độ nén cao so sánh với việc tổng hợp chúng từ vật liệu không nung đất sét, kao lanh khoáng tự nhiên [26] Metakaolanh đánh giá nguyên liệu tinh khiết nhơm silic dạng vơ định hình thích hợp cho việc geopolymer hóa Tuy nhiên, ứng dụng thương mại geopolymer dựa metakaolanh thường bị hạn chế chi phí tăng cao nung cao lanh cường độ sản phẩm tạo thấp Xỉ lò cao thường có thành phần hóa học phức tạp, khơng đồng Kích thước hạt xỉ thường lớn phải tốn chi phí nghiền muốn sử dụng Việc sử dụng xỉ làm nguyên liệu geopolymer gặp nhiều khó khăn nguyên nhân kể Tro bay ngun liệu thích hợp cho geopolymer có chứa tinh thể aluminosilicat hoạt tính có kích thước hạt mịn, có lợi cho phản ứng hóa học Điều làm cho tro bay trở nên lý tưởng để thay metakaolanh giảm chi phí vật liệu đầu vào Đồng thời, tro bay nguyên liệu phổ biến toàn giới phát triển ngành công nghiệp nhiệt điện, nhiệt điện chạy than Geopolymer tro bay có tiềm thương mại lớn tính kinh tế đặc điểm vật chất chúng Hiện nay, phần -4rất tro bay sử dụng ngành công nghiệp xi măng bê tông, ứng dụng địa kỹ thuật… [19, 53] Phần tro bay chưa sử dụng lại đổ vào bãi chơn lấp xả cách trực tiếp vào đại dương [63] Do đó, vật liệu có giá trị tiềm khơng lãng phí, mà làm tổn hại đến mơi trường Hình 1.7: Mơ hình kích hoạt kiềm tro bay [46] Geopolymer tro bay sản phẩm phản ứng kiềm kích hoạt tro bay Mơ hình việc hòa tan hạt tro bay mơi trường kiềm thể Hình 1.7 Việc kích hoạt tro bay tỷ lệ hòa tan phụ thuộc nhiều vào độ PH dung dịch kích hoạt số điều kiện khác [46] 1.3 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay giới 1.3.1 Khái niệm bê tông geopolymer tro bay Bê tông geopolymer tro bay nghiên cứu rộng rãi sản phẩm bê tơng geopolymer nói chung Thành phần bê tơng geopolymer tro bay gồm: • Ngun liệu geopolymer tro bay (FA); • Dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) • Cốt liệu bao gồm cốt liệu thô (đá dăm, sỏi) cốt liệu mịn (cát) 1.3.2 Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay Năm 2008, B V Rangan đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối cho GPC dựa nhiều năm nghiên cứu ơng [82] Cường độ nén tính cơng tác GPC bị ảnh hưởng tỷ lệ tính chất thành phần nguyên liệu tạo nên chất kết dính geopolymer Kết thực nghiệm Hardjito Rangan sau [52]: - 5• Nồng độ mol dung dịch NaOH cao cho cường độ nén GPC cao • Tỷ lệ khối lượng dung dịch natri silicat với dung dịch natri hydroxit cao cho cường độ chịu nén GPC cao • Độ sụt hỗn hợp GPC tươi tăng thành phần nước hỗn hợp tăng • Việc bổ xung siêu dẻo cải thiện tính cơng tác GPC tươi, nhiên có sụt giảm cường độ bê tơng cứng • Khi tỷ lệ mol H2O/Na2O tăng, cường độ nén GPC giảm Khi thiết kế bê tông geopolymer tro bay với hàm mục tiêu cường độ nén, có xét đến tính cơng tác phù hợp dựa theo Bảng 1.5 sau: Bảng 1.5: Kết thí nghiệm xác định ảnh hưởng tỷ lệ AAS/FA [82] Tỷ lệ khối lượng Tỷ lệ W/GPS Tính cơng tác Cường độ thiết kế (MPa) AAS/FA 0,30 0,165 Cứng 58 0,35 0,190 Vừa phải 45 0,40 0,210 Vừa phải 37 0,45 0,230 Cao 32 Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit dung dịch kiềm kích hoạt tốt 2,5 để đảm bảo tối ưu cường độ giá thành Chức cốt liệu bê tông geopolymer cho giống bê tơng xi măng Chất kết dính geopolymer liên kết hạt cốt liệu lại bảo dưỡng, tạo cường độ ổn định khối lượng cho GPC 1.3.3 Công nghệ chế tạo thi công bê tông geopolymer tro bay Bê tơng geopolymer tro bay sản xuất cách áp dụng kỹ thuật thông thường sử dụng sản xuất bê tông xi măng bao gồm trình trộn, đúc mẫu đầm nén Bê tơng geopolymer tro bay bảo dưỡng điều kiện thường OPC Tuy nhiên, bảo dưỡng nhiệt thường khuyến cáo sử dụng Chế độ bảo dưỡng hiệu dành cho GPC 60oC 24 lò sấy khơ 1.3.4 Các tính chất kỹ thuật chủ yếu bê tơng geopolymer tro bay Tính cơng tác GPC cho thấp Điều hồ geopolymer có tính dính độ nhớt cao [95] Khối lượng đơn vị bê tông geopolymer tro bay tuổi 28 ngày thường khoảng 2360 ± 60 kg/m3 [52] -6Mô đun đàn hồi GPC có giá trị thấp so với OPC có cường độ nén [87] Hệ số Poisson GPC có cường độ nén tương ứng từ 40 đến 90 MPa nằm khoảng từ 0,12-0,16 [52] Cường độ kéo GPC cao tất giá trị tính tốn theo khuyến cáo theo tiêu chuẩn Úc AS3600 tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode [90] Co ngót khơ từ biến GPC đánh giá nhỏ nhiều so với bê tông xi măng [81] GPC có tính bền axit, bền sunfat bền nhiệt cao [84] Phản ứng kiềm cốt liệu bê tơng xi măng [14] 1.3.5 Lợi ích sử dụng bê tông geopolymer tro bay Giá GPC ước tính rẻ OPC khoảng 10%-30% [80] Bê tơng geopolymer tro bay có độ co khơ ít, từ biến thấp, bền axit bền sunfat tốt, nên mang lại lợi ích kinh tế bổ xung giảm chi phí vòng đời dự án Lượng khí CO2 thải GPC thấp 9% so với việc sản xuất bê tơng sử dụng 100% xi măng pclăng [94] 1.3.6 Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer Công ty Zeobond có trụ sở Melbourne phát triển nhà máy sản xuất sản phẩm bê tông E-Crete(TM), cho dự án hạ tầng sở dân dụng lớn bao gồm dự án mở rộng đường cao tốc xây dựng, sửa chữa cơng trình dân dụng khác Cơng ty Rocla, sản xuất thương mại cấu kiện bê tơng geopolymer đúc sẵn ống nước, cống hộp, tà vẹt đường sắt, hầm mộ nghĩa trang…[98] Công ty WAGNERS có trụ sở bang Queensland, phát triển sản phẩm bê tông thương mại trộn sẵn EFC (Earth Friendly Concrete),có lượng thí thải cacbon thấp tiêu thụ lượng từ năm 2005 EFC sử dụng chất kết dính geopolymer làm từ hai thải phẩm cơng nghiệp tro bay xỉ lò cao Hình 1.19: Dầm sàn Tòa nhà Global Change Institute Hình 1.20: Sân bay Wellcamp xây dựng bê tông EFC [98] -71.4 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay Việt Nam Tại Việt Nam, có sản phẩm thương mại sử dụng công nghệ geopolymer gạch đất không nung công ty Huệ Quang - gạch silicat Các nghiên cứu bê tông geopolymer từ tro bay Việt Nam chưa có nhiều PGS.TS Nguyễn Văn Dũng nghiên cứu chế tạo GPC từ tro bay, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông geopolymer môđun silicat, nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ lượng nước trộn [3] PGS TS Nguyễn Văn Chánh xác định ảnh hưởng nhiệt độ bảo dưỡng đến thời gian ninh kết, cường độ nén GPC GPC có độ bền chống ăn mòn cao hai dung dịch axit HCl 5% H2SO4 10% [34] PGS.TS Đào Văn Đông xác định thành phần, tính chất học cường độ nén, kéo, uốn, tính chất độ bền môi trường biển chịu nhiệt độ cao vữa bê tông geopolymer tro bay [5, 6, 7, 8] TS Lê Anh Tuấn thực số nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện gia nhiệt, chất xúc tác sinh nhiệt đến trình geopolymer hóa vữa; ảnh hưởng tro trấu, silica fume, cốt sợi… đến cường độ vữa geopolymer [68] Chương 2: THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 2.1 Yêu cầu việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay Thành phần GPC bao gồm cốt liệu thô (đá), cốt liệu mịn (cát), tro bay dung dịch kiềm kích hoạt Trong luận án này, tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm nồng độ mol dung dịch kiềm kích hoạt tỷ lệ khối lượng AAS/FA tối ưu dành cho bê tông geopolymer tro bay Hàm mục tiêu lựa chọn cường độ nén GPC tuổi 28 ngày giống quan niệm bê tông truyền thống 2.2 Vật liệu sử dụng Tro bay sử dụng thí nghiệm mua từ nhà máy tro bay Vina F&C, nguồn lấy từ tro thải nhiệt điện Phả Lại Thành phần hóa học đạt yêu cầu tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618 - 03 [33] Dung dịch kiềm kích hoạt phải chuẩn bị cách hòa tan NaOH dạng vảy khơ vào nước theo nồng độ yêu cầu, sau trộn dung dịch NaOH dung dịch Na2SiO3 theo tỷ lệ định trước -8Cốt liệu lớn sử dụng cho bê tơng thí nghiệm đá dăm, có nguồn gốc đá bazan, mua từ mỏ đá Hòa Thạch - Hà Nội, phối trộn lại để thỏa mãn thành phần hạt theo qui định tiêu chuẩn ASTM C33-99 [29] Cốt liệu nhỏ dùng để chế tạo bê tơng thí nghiệm cát vàng thơ có thành phần hạt theo tiêu chuẩn ASTM C136-01 [31] 2.3 Chế tạo mẫu thử bê tơng geopolymer tro bay Trong phòng thí nghiệm, cốt liệu đá, cát tro bay trộn khô với máy trộn cưỡng khoảng phút Dung dịch kiềm kích hoạt được pha sẵn theo nồng độ tỷ lệ yêu cầu từ ngày hơm trước Dung dịch sau thêm vào ngun liệu khô tiếp tục trộn phút Bê tơng tươi đúc, đầm nén phương pháp thông thường bê tông xi măng [52, 84, 92] Hình 2.6: Cơng tác trộn vật liệu Hình 2.7: Chế tạo mẫu thử Hình 2.10: Bảo dưỡng mẫu Lựa chọn chế độ bảo dưỡng mẫu hiệu sấy mẫu 60oC 24 để đảm bảo cường độ lượng tiêu thụ [52] 2.4 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay Do chưa có tiêu chuẩn thiết kế thành phần bê tông nên luận án chọn phương pháp thiết kế thành phần Rangan [82], kết hợp với phương pháp quy hoạch thực nghiệm Lựa chọn vật liệu thành phần theo kinh nghiệm Rangan [82] sau: • • • Tro bay Phả Lại, đạt loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33] Tỷ lệ khối lượng dung dịch 𝑁𝑎2 𝑆𝑖𝑂3 ⁄𝑁𝑎𝑂𝐻 = 2,5; Cốt liệu lựa chọn có khối lượng 75% - 80% khối lượng bê tông Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả lựa chọn hai yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén nồng độ mol dung dịch kiềm NaOH (biến X1) tỷ lệ khối lượng dung dịch kiềm kích hoạt/tro bay (AAS/FA - biến X2) sau: - 15 nghiên cứu ứng xử chịu uốn dầm bê tơng Geopolymer cốt thép, xây dựng mơ hình học vật liệu GPC tính tốn chịu uốn dầm RGPC trạng thái giới hạn cường độ 4.2 Chuẩn bị mẫu dầm tiến hành thí nghiệm Bê tông dùng cho việc chế tạo mẫu thử dầm GPC cốt thép bê tơng có thành phần cấp phối tương tự G_40 thiết kế Chương 2, tính chất học xác định thí nghiệm Chương Các dầm thí nghiệm phải thiết kế để phá hoại uốn đạt trạng thái giới hạn cực hạn Lựa chọn mơ hình thí nghiệm uốn với hai lực tập trung đối xứng (uốn bốn điểm) 6D8 6D6@100 2D14 2D16 2D18 230 6D6@100 2400 8D6@100 125 Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo dầm thí nghiệm Cốt thép dọc chủ chịu kéo: loại CB-400v có gờ fy=400 MPa Cốt thép đai D6 cốt thép dọc chịu nén D8 trơn loại CB-300v, fy=300 MPa Hình 4.3: Q trình sản xuất dầm thí nghiệm Các dầm thí nghiệm đúc khn thép, đầm chặt đầm dùi Sau dưỡng hộ tủ sấy nhiệt độ 60oC 24 tháo khn lưu phòng thí nghiệm cho đủ 28 ngày đem thử nghiệm Bố trí thiết bị thí nghiệm Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 4.5: Gắn thiết bị thí nghiệm - 16 4.3 Kết thí nghiệm 120 40 100 Momen (KN.m) T¶i träng (KN) 80 60 40 30 20 10 20 0 10 D18_1 D16_1 D14_1 D18_2 D16_2 D14_2 D18_3 D16_3 D14_3 15 20 25 D14_1 D16_1 D18_1 0,00 0,01 0,02 D14_2 D16_2 D18_2 D14_3 D16_3 D18_3 0,03 0,04 §é cong dầm (10^-6 rad/m) Độ võng dầm (mm) Hỡnh 4.6: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm thí nghiệm Hình 4.8: Quan hệ momen - độ cong mặt cắt nhịp dầm 80 T¶i träng (KN) 100 T¶i träng (KN) 80 60 60 40 40 20 20 BiÕn d¹ng -4 -2 00 BiÕn d¹ng -6 Hình 4.9: Biến dạng cốt thép chịu kéo mặt bê tông chịu nén dầm D_14 -4 -2 00 Hình 4.10: Biến dạng cốt thép chịu kéo mặt bê tơng chịu nén dầm D_16 T¶i träng (kN) 100 80 60 40 20 BiÕn d¹ng -6 -4 -2 00 Hình 4.11: Biến dạng cốt thép chịu kéo mặt bê tơng chịu nén dầm D_18 Hình 4.12: Dầm bị phá hoại vỡ bê tông vùng nén Nhận xét kết thí nghiệm: • Cả ba nhóm dầm với hàm lượng cốt thép chịu kéo khác thể rõ ba giai đoạn chịu lực tương đối giống • Các biểu đồ tuyến tính trước xuất vết nứt • Ở giai đoạn phát triển vết nứt, biểu đồ thể tính tuyến tính Độ dốc biểu đồ giảm hiệu ứng giảm cứng nứt gây - 17 • • Điểm chảy biểu đồ thực nghiệm thể rõ ràng Ở giai đoạn phá hoại, tải trọng (mô men) không tăng nhiều mà độ võng (độ cong, biến dạng) lại tăng nhanh phá hoại • Hàm lượng cốt thép khơng ảnh hưởng đến tải trọng gây nứt, tải trọng chảy dẻo cực hạn khác nhiều 4.4 Mô hình hóa dầm phần mềm ABAQUS Một mơ hình ba chiều thiết lập để mô ứng xử uốn dầm bê tơng geopolymer cốt thép Trong đó, Mơ hình đàn hồi dẻo sử dụng để mơ tính chất vật liệu cốt thép; Mơ hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity - CDP) sử dụng để mơ tả tính chất vật liệu bê tông geopolymer Các thông số vật liệu GPC lấy từ kết Chương 2, Phần vật liệu bê tông chia thành phần tử khối ba chiều nút tuyến tính C3D8R thép chia thành phần tử hai chiều kéo nén dạng T3D2 Sau chia phần tử, tiến hành gán tải trọng vị trí lực tập trung đối xứng điều kiện biên hai vị trí gối, tiến hành phân tích kết mơ hình Hình 4.18: Mơ hình phần tử sử dụng mơ hình hóa dầm Hình 4.19: Chia lưới phần tử ABAQUS 4.5 Phân tích ứng xử uốn dầm bê tơng geopolymer tro bay 4.5.1 Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt Kết so sánh giá trị mô men gây nứt thể Hình 4.22 Nhận xét: • • • Giá trị momen gây nứt thực nghiệm gần với kết tính tốn ABAQUS với tỷ lệ 0,85 đến 1,05 lần Giá trị thực nghiệm cao nhiều so với tính tốn theo lý thuyết đàn hồi với tỷ lệ 1,2-1,3 lần Khơng có khác biệt lớn giá trị mô men gây nứt tiết diện hàm lượng cốt thép nhóm dầm khác - 18 10 45 8,82 8,63 8,57 8,48 8,39 7,27 6,94 6,64 1,0 ABAQUS Thùc nghiÖm AASHTO 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 40 Mô men chảy dẻo My (KN.m) Mô men g©y nøt Mcr (KN.m) 9,45 35 39,73 37,09 34,61 32,32 30,26 30 25 24,57 23,53 20 21,32 27,59 Thùc nghiÖm ABAQUS AASHTO 15 10 1,0 2,2 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Hàm l-ợng cốt thép (%) Hàm l-ợng cốt thÐp (%) Hình 4.22: Biểu đồ so sánh giá trị momen gây nứt thực nghiệm tính tốn Hình 4.24: Biểu đồ so sánh giá trị momen chảy dẻo thực nghiệm tính tốn 4.5.2 Giai đoạn II - bê tông vùng kéo nứt, bê tông vùng nén làm việc giới hạn đàn hồi So sánh giá trị mô men gây chảy dẻo cốt thép Hình 4.24 Nhận xét: • Khơng có chênh lệch lớn giá trị thực nghiệm tính tốn • Momen chảy dẻo từ thí nghiệm lớn giá trị tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn với tỷ lệ 1,00-1,11 lần • Khi so sánh với tính tốn theo lý thuyết đàn hồi mơ men chảy dẻo thực nghiệm cao từ 1,10-1,20 lần 4.5.3 Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm TTGH Cường độ f cu f’c 0.85f’c fcu Ec 0 e’c e cu = 35,893. f c 0,592 R = 0,936 00 BiÕn d¹ng e cu e c = 7,461. f c 0, 274 ecu R = 0,878 30 40 50 60 C-êng ®é nÐn (MPa) Hình 4.26: Quan hệ ứng suất - biến dạng theo mơ hình Hognestad [54] Hình 4.27: Quan hệ biến dạng cường độ nén GPC Nếu tải trọng tiếp tục tăng ứng suất bê tơng fc  0,5 fc' phân bố ứng suất bê tơng có dạng đường cong Dầm bị phá hoại bê tông vùng nén bị ép vỡ cốt thép vùng kéo bị kéo đứt GPC loại vật liệu mới, nên giá trị biến dạng lớn dùng để tính tốn ecu cần thiết phải xác định Theo Eivind Hognestad [54], giá trị biến dạng lớn ecu theo mơ hình quan hệ ứng suất - biến dạng lấy tương ứng với biến - 19 dạng giá trị ứng suất fcu =0,85 fc’ nhánh giảm tải Dựa quan hệ ứng suất - biến dạng nén GPC trình bày mục 3.5, ta xác định giá trị biến dạng Hình 4.27 Từ đó, đề xuất giá trị ecu sau: Bảng 4.12: Đề xuất giá trị biến dạng nén lớn GPC dùng tính toán Hỗn hợp GPC e c ( 00) e cu ( 00) G_30 G_40 G_50 2,74 2,56 2,45 4,00 3,60 3,20 Trên sở đó, tác giả xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật tương đương cho bê tông vùng nén dầm TTGH cường độ sau: b d’ c dx e a1 fc' fc' ecu Cs k2c  x C=k1 f'c bc Bảng 4.14: Tính tốn giá trị hệ số khối ứng suất chữ nhật Cs b1 c C d jd ey Biến dạng T =As fy T =As fy Hệ số G_30 G_40 G_50 a1 0,92 0,91 0,93 b1 0,82 0,79 0,74 Ứng suất Hình 4.28: Mơ hình khối ứng suất cho dầm mặt cắt chữ nhật [55] Mô men kháng uốn mặt cắt dầm tính theo cơng thức:   M n = a1 fc' bb1c  d  b1c    As f s  d  d  ' ' '  (4.22) Các dầm thí nghiệm luận án, sử dụng bê tơng geopolymer G_40, tác giả tính tốn sức kháng uốn thơng qua hệ số khối ứng suất chữ nhật đề suất, hệ số khối tính theo quy định tiêu chuẩn AASHTO-2007 tính tốn theo phần mềm ABAQUS để so sánh với kết thí nghiệm sau: Bảng 4.17: Giá trị hệ số khối ứng suất sử dụng tính toán Hế số a1 b1 GPC AASHTO 0,91 0,79 0,85 0,76 Kết tính tốn so sánh thể Hình 4.31 sau: - 20 Giá trị momen cực hạn thực nghiệm cao tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 1,09-1,16 lần cao nhiều giá trị tính tốn theo 30 AASHTO 1,19-1,29 lần Tỷ lệ đảm bảo tính an tồn cao 20 Thùc nghiƯm Giá trị momen uốn đề xuất có giá trị ABAQUS §Ị xt tương tự tính tốn theo phương AASHTO 10 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 pháp PTHH, lớn tính tốn theo Hµm l-ỵng cèt thÐp (%) AASHTO khoảng 8,2-9,9% Giá trị Hình 4.31: Biểu đồ so sánh giá trị phù hợp tiêu chuẩn AASHTO momen cực hạn thực nghiệm, tính việc tính tốn dầm bê tơng tốn đề xuất geopolymer cốt thép 4.5.4 Độ võng dầm theo giai đoạn chịu lực 43,35 39,1 38,79 35,86 40 Mô men uốn cực hạn (KN.m) 35,94 31,97 31,33 27,71 28,83 24,84 24,69 22,46 80 100 80 T¶i träng (KN) T¶i träng (KN) 60 40 60 40 20 (1) (2) (3) (4) 0 20 D_14 trung b×nh thÝ nghiƯm % (ABAQUS_D14) % (AASHTO_D14) % (§Ị xt_D14) 40 60 80 §é (mm) (1) (2) (3) (4) 20 0 20 D_16_trung bình thí nghiệm ABAQUS_D16 AASHTO_D16 Đề xuất_D16 40 60 80 §é (mm) Hình 4.33: So sánh quan hệ tải trọng độ võng dầm D_14 thí nghiệm tính tốn Hình 4.34: So sánh quan hệ tải trọng độ võng dầm D_16 thí nghiệm tính tốn 120 100 T¶i träng (KN) 80 60 40 (1) (2) (3) (4) 20 0 20 (D18_trung b×nh thÝ nghiƯm) (ABAQUS_D18) (AASHTO_D18) (§Ị xt_D18) 40 60 §é (mm) Hình 4.35: So sánh quan hệ tải trọng độ võng dầm D_18 thí nghiệm tính tốn Kết cho thấy việc phân tích theo mơ hình phần tử hữu hạn ABAQUS gần với kết thí nghiệm Các đường quan hệ tải trọng - độ võng tính theo mơ hình mặt cắt theo AASHTO cho giá trị tương đối an toàn so với kết ABAQUS thí nghiệm Giá trị tải trọng phá hoại TTGH cường độ theo đề xuất phù hợp với kết thí nghiệm ABAQUS - 214.5.5 Dạng phá hoại dầm Hình 4.37, 38, 39: Dạng phá hoại hình thành vết nứt nhóm dầm D_16, D_17, D_18 Vùng xuất vết nứt tương ứng với vùng có ứng suất kéo lớn lý thuyết tính tốn mơ phần tử hữu hạn; Mức độ hình thành phát triển vết nứt nhóm dầm thí nghiệm phù hợp với hàm lượng cốt thép chịu kéo thiết kế; Cách phân bố vết nứt ba nhóm dầm giống Khoảng cách vết nứt tương đối đều; Về loại vết nứt : thấy nhóm dầm D_14 xuất thêm vết nứt xiên dầm D_16 D_18 vết nứt xiên 4.6 Nguyên tắc tính tốn thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tơng geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp bê tông G_40 1) Triết lý thiết kế lấy theo TTGH theo tiêu chuẩn 22TCN272-05 2) Chấp nhận giả thiết tính tốn giống tiêu chuẩn 22TCN-272-05 3) Các thơng số TTGH cường độ lấy theo giá trị đề xuất nêu bao gồm fc′ = 40,46 MPa, ɛ cu = 3,6 ‰, tham số khối ứng suất chữ nhật 𝛼1 = 0,91 b1 = 0,79 Các quy định chiều dài phát triển lực, khoảng cách trống cốt thép lấy giống tiêu chuẩn Khoảng cách trống cốt thép cự ly 4) Các thông số TTGH sử dụng lấy theo giá trị đề xuất Ec' = 26,379 GPa , tỷ số mô đun đàn hồi n = Es / Ec 4.7 Phân tích ứng xử uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép TTGH cường độ Lựa chọn hỗn hợp bê tông geopolymer G_40 để thiết kế dầm cầu mặt cắt chữ T có chiều dài L=12m, bê tông cốt thép thường, tiến hành phân tích tính tốn theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [2] Kết so sánh với dầm cầu mặt cắt chữ T thiết kế với bê tông xi măng cấp 40 - 22 Bảng 4.20: Các giá trị tính tốn G_40 dùng cho thiết kế dầm cầu Ký hiệu 𝑓𝑐′ 𝑓𝑟′ 𝐸𝑐′ e𝑐𝑢 a1 b1 Giá trị tính tốn G_40 theo thí nghiệm 40,46 (MPa) 5,02 (MPa) 26,379 (GPa) 3,6 (‰) 0,91 0,79 Giá trị tính tốn OPC cấp 40 40 3,98 31,975 (‰) 0,85 0,76 Kích thc kt cu nhp nh sau: 1/2 MặT CắT GIữA NHIP 300 1800 300 1800 300 1750 175 500 610 1750 1/2 MặT CắT TRÊN GốI 3x2100 8000 Hỡnh 4.42: Mặt cắt ngang cầu Lựa chọn mặt cắt ngang dầm chủ sau: B c bw a b Hg d hf Kích thước (mm) Hg = 950 B = 1800 B = 1750 hf = 175 d = 150 bw = 170 m = 340 a = 200 b = 85 Hình 4.43: Mặt cắt ngang nhịp dầm cầu chữ T-12m Lựa chọn cốt thép dọc chủ gồm 12 29 bố trí bầu dầm Kết kiểm toán dầm chịu lực độ võng thể Bảng 4.23: Bảng 4.23: Kết kiểm toán dầm cầu T12 m Nội dung Ký hiệu Mô men uốn tính tốn (KN.m) Sức kháng uốn (KN.m) Mu Mn Dầm T12_G40 1404 2160 Dầm T12_OPC 1404 2155 - 23 Tỷ lệ Mn/Mu Kiểm tra độ võng dầm Độ võng xe tải thiết kế: ∆0 = (1+IM)*(∆P1+∆P2+∆P3) (mm) Độ võng dầm tải trọng ∆4 (mm) Độ võng dầm hoạt tải ∆h = 0,25*∆0+∆4 (mm) Độ võng tức thời dầm ∆ = max(∆0, ∆h) (mm) Độ võng cho phép (L/800) (mm) 1,54 (Đạt) 1,53 (Đạt) 11,88 11,53 3,31 6,28 11,88 14 3,21 6,10 11,53 14 Kết so sánh với dầm cầu bê tông cốt thép thường sức kháng dầm cầu geopolymer đảm bảo Khả chịu uốn chịu cắt tăng không đáng kể Dầm cầu T-12m bê tông geopolymer tro bay thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 hồn tồn đảm bảo khả chịu lực độ võng giống dầm cầu bê tông xi măng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Với nội dung nghiên cứu đề cập Luận án này, số kết luận kiến nghị sau rút từ kết nghiên cứu: Kết luận 1.1 Đề tài đưa giải pháp kỹ thuật chế tạo thành công bê tông geopolymer từ tro bay nhiệt điện chất kích hoạt Sản phẩm tạo góp phần đa dạng hóa lựa chọn bê tơng xây dựng, giảm thiểu chất thải cơng nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường 1.2 Về thành phần: thiết kế thành phần ba hỗn hợp GPC có cường độ tương ứng đạt cấp 30, 40 50 MPa phương pháp quy hoạch thực nghiệm 1.3 Về tính năng: Mô đun đàn hồi GPC đánh giá thấp so với tính tốn theo tiêu chuẩn hành giành cho bê tông xi măng từ 10%-30%, cường độ kéo uốn lại cao từ 7%-27% Cường độ dính bám với cốt thép có giá trị cao tính tốn theo cơng thức theo tiêu chuẩn MC-90 dành cho bê tông xi măng Khả chống thấm nước đạt mức B12, mức cao theo TCVN 3116-1993 1.4 Về mơ hình vật liệu bê tơng geopolymer tro bay phân tích tính tốn kết cấu dầm GPC cốt thép: Quan hệ ứng suất biến dạng nén GPC xác định tuân theo quy luật Sargin với tham số ảnh hưởng đến độ dốc nhánh giảm tải phương trình D tác giả điều chỉnh cho phù hợp - 24 1.5 Biến dạng tương ứng với ứng suất cực đại GPC nằm khoảng 2, 45  2,75 00 Biến dạng lớn nén GPC xác định theo phương trình e cu = 35,893  fc'  0,592 ( 00) Giá trị biến dạng lớn sử dụng để tính tốn GPC lớn giá trị dùng để tính tốn cho bê tơng xi măng 3‰ chứng tỏ bê tơng geopolymer tro bay có tính dẻo lớn bê tông xi măng cường độ 1.6 Nghiên cứu từ thực nghiệm làm việc dầm bê tông geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp G_40 có cường độ 40,46 MPa Kết cho thấy dầm RGPC làm việc theo giai đoạn chịu lực giống dầm bê tông cốt thép thông thường tương tự giai đoạn làm việc dầm mơ phần mềm ABAQUS Việc tính tốn giai đoạn làm việc dầm RGPC theo tiêu chuẩn AASHTO dành cho bê tông xi măng cho phù hợp thiên an tồn Tính toán dầm RGPC trạng thái giới hạn cường độ theo mơ hình vật liệu đề xuất tác giả phù hợp với khả chịu lực thực tế dầm 1.7 Phương pháp tính toán thiết kế dầm cầu RGPC sử dụng hỗn hợp bê tông G_40: Dựa triết lý thiết kế chấp nhận giả thiết tính tốn tiêu chuẩn 22TCN-272-05 sử dụng hệ số khối ứng suất chữ nhật đề xuất cho tính tốn mặt cắt dầm a1 = 0,91 b1 = 0,79 1.8 Ví dụ tính tốn cho dầm cầu T12m bê tơng geopolymer tro bay chịu uốn cho thấy: dầm đảm bảo khả chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ độ võng đảm bảo nằm giới hạn cho phép trạng thái giới hạn sử dụng Hướng nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia đến tính cơng tác hỗn hợp bê tông cường độ bê tông geopolymer tro bay - Nghiên cứu tìm loại phụ gia tăng nhanh q trình đóng rắn bê tơng geopolymer tro bay mà không cần phải bảo dưỡng nhiệt - Ứng xử uốn dầm bê tông geopolymer cốt thép tác dụng tải trọng động, ứng xử cắt dầm bê tông geopolymer cốt thép - Ứng xử dài hạn bê tơng geopolymer tro bay: • Quan hệ ứng suất - biến dạng dài hạn; • Đặc tính dính bám tải trọng tác dụng dài hạn… DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ [1] Trần Việt Hưng, Đào Văn Đơng, Nguyễn Ngọc Long (2015), “Phân tích số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học vữa Geopolymer tro bay”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số đặc biệt, trang 91-94 (10/2015) [2] Tran Viet Hung, Dao Van Dong and Nguyen Ngoc Long (2016), "Mix design for low calcium of fly ash base Geopolymer concrete", The 7th International Conference of Asian Concrete Federation “SUSTAINABLE CONCRETE FOR NOW AND THE FUTURE”, Hanoi, Vietnam [3] Trần Việt Hưng, Đào Văn Đơng, Nguyễn Ngọc Long (2017), “Nghiên cứu tính chất học bê tông Geopolymer tro bay”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 1/2017 [4] Hung Tran Viet, Dong Dao Van, Long Nguyen Ngoc and Hien Ta Duy (2017), “Study on the Mechanical Properties of the Fly Ash Geopolymer Concrete”, International Journal of Civil Engineering & Technology (IJCIET), Scopus Indexed, Volume 08, Issue 3, pp.950– 957 [5] Trần Việt Hưng, Phạm Duy Hữu, Đào Văn Đông, Nguyễn Ngọc Long (2017), “Mơ hình ứng suất biến dạng nén bê tơng Geopolymer tro bay”, Tạp chí Giao thông Vận tải, Số 5/2017 [6] Trần Việt Hưng, Đào Văn Đông, Nguyễn Ngọc Long (2017), “Nghiên cứu khả dính bám với cốt thép bê tơng geopolymer tro bay”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 6/2017 [7] Trần Việt Hưng, Đào Văn Đông, Nguyễn Ngọc Long (2017), “Nghiên cứu ứng xử uốn dầm bê tông Geopolymer tro bay cốt thép”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 8/2017 ... Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay giới 1.3.1 Khái niệm bê tông geopolymer tro bay Bê tông geopolymer tro bay nghiên cứu rộng rãi sản phẩm bê tơng geopolymer nói chung Thành phần bê tơng geopolymer. .. Nam, đặc biệt lĩnh vực vật liệu xây dựng ứng dụng kết cấu Kết cấu bê tông geopolymer cốt thép (RGPC) chưa sâu nghiên cứu Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử GPC vào kết cấu chịu lực, có kết cấu dầm cầu. .. dùng để tính tốn cho bê tông xi măng 3‰ chứng tỏ bê tơng geopolymer tro bay có tính dẻo lớn bê tông xi măng cường độ 1.6 Nghiên cứu từ thực nghiệm làm việc dầm bê tông geopolymer cốt thép sử dụng