đặc tính cơ học của bê tông cốt sợi polypropylene phân lớp chức năng sử dụng cốt liệu tái chế được xử lý bằng huyền phù xi măng tro bay na2so4

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.37 MB, 104 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>

---

<b>NGUYỄN CAO HỒNG LONG </b>

<b>ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI </b>

<b>POLYPROPYLENE PHÂN LỚP CHỨC NĂNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG HUYỀN PHÙ </b>

<b>XI MĂNG – TRO BAY – Na</b>

<b>SO</b>

<b>EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FUNCTIONALLY GRADED POLYPROPYLENE FIBER </b>

<b>REINFORCED CONCRETE USING </b>

<b>RECYCLED CONCRETE AGGREGATE TREATED BY CEMENT – FLY ASH – Na</b>

<b>SO</b>

<b> SLURRY </b>

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Bùi Phương Trinh

Thành phố Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch hội đồng: PGS. TS. Hồ Đức Duy

2. Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu3. Phản biện 2: TS. Bùi Đức Vinh

4. Ủy viên: TS. Khổng Trọng Toàn5. Thư ký: TS. Thái Sơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn cà Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1997 Nơi sinh: An Giang

“ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TƠNG CỐT SỢI POLYPROPYLENE PHÂN LỚP CHỨC NĂNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG HUYỀN

PHÙ XI MĂNG – TRO BAY – Na2SO4”

(EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF

FUNCTIONALLY GRADED POLYPROPYLENE FIBER REINFORCED CONCRETE USING RECYCLED CONCRETE AGGREGATE TREATED BY

CEMENT – FLY ASH – Na2SO4 SLURRY)

<b>II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:</b>

1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nước về bê tơng sử dụng cốt liệu tái chế, bêtông cốt sợi polypropylene và bê tông phân lớp chức năng;

2. Đề xuất hệ nguyên vật liệu để chế tạo bê tông phân lớp chức năng và thiết kế cấp phốibê tông phân lớp chức năng;

3. Đề xuất và tiến hành các phương pháp thực nghiệm để đánh giá đặc tính cơ học củabê tông phân lớp chức năng sử dụng cốt liệu bê tông tái chế được xử lý bằng huyền phù xi măng – tro bay – Na2SO4 và kết hợp sợi polypropylene.

<i>TP. HCM, ngày … tháng … năm 2024 </i>

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Bùi Phương Trinh PGS. TS. Bùi Phương Trinh

<b>TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG </b>

(Họ tên và chữ ký)

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng là đề tài nghiên cứu, tìm hiểu chuyên sâu về kiến thức chuyên ngành, cùng với tính ứng dựng cao và thực tế của mỗi học viên, và là mảnh ghép cuối cùng của chương trình đào tạo thạc sĩ tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Tơi xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

Sau khoảng thời gian tiến hành nghiên cứu, tơi cũng đã hồn thành nội dung của Luận văn thạc sĩ. Để có thể hồn thành được Luận văn, bên cạnh sự số gắng và nổ lực của bản thân, tơi cịn nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều Thầy, Cô tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM, đặc biệt là các thầy cơ thuộc bộ mơn Cơng trình và Bộ môn Vật liệu Xây dựng đã tận tâm hưỡng dẫn và truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu. Bên cạnh đó, tơi cũng đã nhận được sự giúp đỡ và hợp tác nghiên cứu các bạn học viên và sinh viên K18 và K19 đang theo học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Vật liệu Xây dựng nói riêng và sinh viên khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP. HCM.

Tơi xin bày tỏ lịng trân q và biết ơn sâu sắc đến cô TS. Bùi Phương Trinh – người trực tiếp hướng dẫn khoa học, đã luôn dành thời gian, công sức và sự tận tâm hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện Luận văn thạc sĩ, giúp cho tơi có những nhận định đúng đắn về đề tài nghiên cứu cũng như phương pháp tiếp cận tốt nhất đối với một vấn đề mới trong chuyên ngành xây dựng.

Luận văn thạc sĩ đã được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước từ nhiều tác giả và các tổ chức,… Luận văn chắc hẳn sẽ không thể tránh khỏi những hạn chế và thiết sót. Tơi mong rằng sẽ nhận được nhiều đóng góp đến từ Q Thầy Cơ. Kính mong Thầy Cô chỉ dẫn và bổ sung những kiến thức để tơi có thể hồn thiện luận văn thạc sĩ tốt nhất.

<i>Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024 </i>

Học viên Cao học

Nguyễn Cao Hoàng Long

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Q trình đơ thị hóa kéo theo sự phát triển của cơ sở hạ tầng, đã và đang tạo ra một lượng lớn phế thải xây dựng nhưng không được quản lý và xử lý một cách triệt để. Bên cạnh đó, việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên để sản xuất bê tông gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (recycled concrete aggregate – RCA) từ phế thải xây dựng có thể được xem là một giải pháp hợp lý trong phát triển bền vững. Ngồi ra, bê tơng phân lớp chức năng (functionally graded concrete – FGC) còn được xem là một giải pháp vật liệu mới, có thể điều chỉnh các lớp vật liệu với các thành phần hỗn hợp khác nhau sao cho phù hợp với các yêu cầu tính năng của cấu kiện.

Nghiên cứu này tập trung đánh giá các chỉ tiêu cơ học của FGC; trong đó, FGC gồm hai lớp bê tơng có sự kết hợp giữa RCA (áp dụng cho bê tông lớp trên và bê tông lớp dưới) và sợi polypropylene (PP) (chỉ áp dụng cho bê tông lớp dưới). Bê tông được dùng để chế tạo FGC gồm bê tông thông thường (NC) với cường độ thiết kế là 70 MPa ở 28 ngày tuổi, bê tơng thơng thường có kết hợp sợi PP với hàm lượng 0.3% theo thể tích (NP), bê tông sử dụng RCA (đã xử lý và không xử lý) thay thế 50% đá dăm không kết hợp sợi PP (U.RCA và T.RCA), bê tông sử dụng RCA (đã xử lý và không xử lý) thay thế 50% đá dăm có kết hợp sợi PP với hàm lượng 0.3% theo thể tích (U.RCA.P và T.RCA.P). Các chỉ tiêu kỹ thuật của FGC được đánh giá, bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ va đập.

Kết quả cho thấy, cường độ chịu nén của mẫu FGC sử dụng RCA đã xử lý cao hơn các mẫu FGC sử dụng RCA chưa xử lý ở 28 ngày tuổi. Các mẫu FGC có kết hợp sợi PP có cường độ chịu kéo khi uốn cao hơn so với các mẫu FGC không kết hợp sợi ở lớp dưới. Độ va đập của các mẫu FGC có kết hợp sợi PP cao hơn so với các mẫu FGC khơng kết hợp sợi. Ngồi ra, FGC với lớp trên là bê tông thông thường và lớp dưới là bê tông cốt liệu tái chế đã xử lý kết hợp sợi PP (NC–T.RCA.P) cho kết quả tối ưu nhất trong nghiên cứu này. Việc sử dụng bê tông cốt liệu tái chế ở lớp dưới kết hợp với sợi PP góp phần cải thiện tính chất của bê tông, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>ABSTRACT </b>

The urbanization process has led to infrastructure development, generating a large amount of construction waste that is not properly managed and processed. Additionally, excessive exploitation of natural resources for concrete production negatively impacts the environment. The use of recycled concrete aggregate (RCA) from construction waste can be considered a sustainable development solution. In addition, functionally graded concrete (FGC) is considered a novel material that allows to adjust material layers with different composite components to meet the functional requirements of structures.

This study focuses on evaluating the mechanical characteristics of FGC which consisted of two layers of concrete with RCA (applied for top and bottom layers) and polypropylene (PP) fibers (applied for top layer). The concrete used to produce FGC included normal concrete (NC) with a designed strength of 70 MPa at 28 days, normal concrete with 0.3% PP fibers (NP), concrete with treated and untreated RCA replacing 50% of coarse aggregates and without PP fibers (U.RCA and T.RCA), and concrete with treated and untreated RCA replacing 50% of coarse aggregates and with 0.3% PP fibers (U.RCA.P and T.RCA.P). Mechanical properties of FGC were evaluated, including compressive strength, flexural strength, and impact resistance.

The results showed that the compressive strength of FGC samples with treated RCA was higher than that with untreated RCA at 28 days. The FGC samples with PP fiber exhibited higher flexural strength than those without PP fiber in the bottom layer. The impact resistance of FGC samples with PP fiber was also higher compared to that without PP fiber. Furthermore, FGC with a normal concrete at a top layer and a concrete with treated RCA combined with PP fibers (NC–T.RCA.P) at a bottom layer showed the optimum FGC in this study. The use of RCA combined with PP fiber in the bottom layer contributed to improving concrete properties, conserving natural resources, and promoting sustainability.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là cơng trình nghiên cứu được tôi và các cộng sự thực hiện và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Phương Trinh. Các số liệu và những kết luận trong bài nghiên cứu này là hoàn toàn trung thực và chưa từng xuất hiện trên các tài liệu trước đây.

Tơi xin cam kết chịu hồn tồn trách nhiệm về lời cam đoan trên.

<b>Nguyễn Cao Hồng Long </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ... 4</b>

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ... 4

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ... 16

<b>1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ... 21</b>

<b>1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ... 22</b>

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC ... 23</b>

2.1.1. Tính chất của các loại sợi polymer ... 23

2.1.2. Cơ chế hoạt động của sợi ... 24

2.2.1. Giới thiệu về bê tông cốt liệu tái chế ... 26

2.2.2. Tính chất kỹ thuật của RCA ... 26

2.2.3. Tính chất của bê tơng chứa RCA (RAC)... 27

2.2.4. Cấu trúc của RAC ... 27

2.2.5. Vùng chuyển tiếp trong bê tông sử dụng cốt liệu bê tông tái chế ... 28

2.2.6. Cơ chế cải thiện RCA bằng huyền phù xi măng – tro bay – natri sunfat ... 29

2.3.1. Phương pháp chế tạo ... 33

2.3.2. Khả năng ổn định bề mặt tiếp xúc ... 34

2.3.3. Tái phân bố lực tác dụng lên các lớp bê tông ... 34

<b>CHƯƠNG 3: HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ... 36</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>3.2. THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ CHI TIẾT MẪU THÍ NGHIỆM ... 44</b>

3.2.1. Cấp phối bê tông ... 44

3.2.2. Chi tiết mẫu thí nghiệm ... 46

<b>3.3. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ... 48</b>

3.3.1. Quy trình xử lý RCA ... 48

3.3.2. Xác định thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tơng ... 48

3.3.3. Quy trình nhào trộn hỗn hợp bê tơng ... 50

3.3.4. Tạo mẫu thí nghiệm ... 52

3.3.5. Phương pháp thử độ sụt hỗn hợp ... 52

3.3.6. Quá trình chuẩn bị mẫu ... 54

3.3.7. Phương pháp dưỡng hộ bê tông ... 55

3.3.8. Phương pháp thử cường độ chịu nén ... 56

3.3.9. Phương pháp thử cường độ chịu kéo khi uốn ... 57

3.3.10. Phương pháp thử độ va đập ... 59

<b>CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ... 62</b>

<b>4.1. THỜI GIAN NINH KẾT VÀ ĐỘ LIÊN KẾT GIỮA HAI LỚP BÊ TÔNG TRONG FGC ... 62</b>

4.1.1. Thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tông ... 62

4.1.2. Khả năng làm việc và độ liên kết giữa hai lớp bê tông trong FGC ... 63

<b>4.3. CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG ... 64</b>

<b>4.4. CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO KHI UỐN CỦA BÊ TÔNG ... 68</b>

4.4.1. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông ... 68

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

4.4.2. Mối quan hệ giữa cường độ chịu kéo của uốn và cường độ chịu nén của bê tơng

<b>DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 79</b>

<b>LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ... 88</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của một số loại sợi [40] ... 23

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của xi măng Hà Tiên Portland loại I ... 36

Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Hà Tiên Portland loại I ... 36

Bảng 3.3. Chỉ tiêu kỹ thuật của cát sông ... 37

Bảng 3.4. Thành phần hóa học của tro bay ... 38

Bảng 3.5. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay ... 38

Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật của sợi PP ... 39

Bảng 3.7. Các chỉ tiêu kỹ thuật của đá dăm ... 40

Bảng 3.8. Các chỉ tiêu kỹ thuật của RCA ... 42

Bảng 3.9. Thông số của phụ gia Sika ViscoCrete 3168 ... 43

Bảng 3.10. Ký hiệu và thành phần các loại bê tông 1 lớp và FGC ... 45

Bảng 3.11. Cấp phối cho 1m<small>3</small> bê tông ... 46

Bảng 3.12. Khối lượng thành phần huyền phù xử lý với 1000 kg RCA ... 48

Bảng 3.13. Đầu kim của máy HG80s ... 50

Bảng 3.14. Cấp chống nứt của kết cấu bê tông thép và giá trị bề rộng vết nứt giới hạn 1 (acrc1) và giới hạn 2 (acrc2) nhằm bảo vệ an toàn cho cốt thép [75] ... 60

Bảng 4.1. Thời gian bắt đầu và kết thúc của hỗn hợp bê tông ... 62

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 1.1. Q trình đơ thị hóa “Nguồn từ tác giả”... 1 Hình 1.2. Khai thác đá [4] ... 2 Hình 1.3. Chất thải rắn từ việc phá dở cơng trình [5]... 3 Hình 1.4. Bãi chứa tro, xỉ của các nhà máy đang hoạt động ở Trung tâm nhiệt điện Vĩnh Tân thuộc huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận [7] ... 3 Hình 1.5. Bê tơng phân lớp chức năng ... 4 Hình 1.6. Loại bỏ vữa cũ bám trên RCA bằng phương pháp nhiệt trong nghiên cứu của Mulder et al. [9] ... 5 Hình 1.7. Loại bỏ vữa cũ bằng máy nghiền trong nghiên cứu của Pepe et al. [11] ... 5 Hình 1.8. Quy trình xử lý RCA bằng huyền phù trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] ... 6 Hình 1.9. Độ hút nước của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] ... 7 Hình 1.10. Độ rỗng của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] ... 8 Hình 1.11. Độ nén dập của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] ... 8 Hình 1.12. RCA trước và sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng và vật liệu pozzolanic trong nghiên cứu của Zhao et al. [14] ... 9 Hình 1.13. Quy trình chế tạo của a) phương pháp trộn bình thường, b) phương pháp trộn 2 giai đoạn trong nghiên cứu của Tam et al. [15] ... 10 Hình 1.14. Phương pháp trộn 3 giai đoạn trong nghiên của Kong et al. [16] ... 10 Hình 1.15. Độ sụt của hỗn hợp bê tơng có và khơng có sợi PP trong nghiên cứu của Dharan et al. [19] ... 11 Hình 1.16. Cường độ chịu nén của các mẫu bê tơng có và khơng có sợi trong nghiên cứu của Dharan et al. [19] ... 12 Hình 1.17. Cường độ chịu kéo khi uốn của các mẫu bê tơng có và khơng có sợi trong nghiên cứu của Dharan et al. [19]... 12 Hình 1.18. Số lần va đập của bê tông sử dụng sơi PP với các hàm lượng khác nhau trong nghiên cứu của Alhozaimy et al. [20] ... 13 Hình 1.19. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP đến cường độ chịu kéo khi uốn trong nghiên cứu của Mashrei et al. [21] ... 13 Hình 1.20. Các mẫu bê tơng được dùng trong nghiên cứu của Liu et al. [23] ... 14

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 1.21. Chi tiết thành phần các mẫu FGC trong nghiên cứu của Prasal và Murali

Hình 1.26. Cấu tạo mẫu FGC được đúc trong nghiên cứu của Nguyễn et al. [33] ... 19

Hình 1.27. Cường độ chịu kéo khi uốn của a) FGC sử dụng bê tơng thường có và khơng có sợi PP, b) FGC sử dụng bê tông tro bay có và khơng có sợi PP trong nghiên cứu của Võ et al.[35] ... 20

Hình 1.28. Độ va đập của a) FGC sử dụng bê tơng thường có và khơng có sợi PP, b) FGC sử dụng bê tơng tro bay có và khơng có sợi PP trong nghiên cứu của Võ et al. [35] ... 20

Hình 2.1. Biến dạng của hệ nền bê tơng có chứa sợi a) trước và b) sau khi tải trọng tác dụng; c) Ứng suất trượt tại lớp chuyển tiếp và ứng suất kéo bên trong sợi [41] ... 25

Hình 2.2. Ứng suất của sợi khi bê tông xuất hiện vết nứt [42] ... 26

Hình 2.3. ITZ và hiệu ứng bức tường trong cấu trúc bê tông [46] ... 28

Hình 2.4. Các loại ITZ trong (a) bê tơng cốt liệu tái chế và (b) bê tông thông thường [47] ... 29

Hình 2.5. Ảnh SEM các hạt tro bay a) chưa phản ứng và b) đang phản ứng [49] ... 30

Hình 2.6. Quá trình phản ứng của tro bay trong hệ nền với nồng độ pH thay đổi [51] 31 Hình 2.7. Ảnh SEM của RCA a) trước khi xử lý và b) sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng tro bay [13] ... 32

Hình 2.8. Mô phỏng mặt cắt ngang của phương pháp tạo hình theo phương ngang (a) ổn định và (b) mất ổn định [24] ... 33

Hình 2.9. Ứng xử giữa các lớp bê tông trong FGC sử dụng các hàm lượng sợi PP khác nhau trong nghiên cứu của Naghibdehi et al. [55] ... 34

Hình 2.10. Mơ đun đàn hồi khác nhau của từng lớp bê tông theo Naghibdehi et al. [55] ... 35

Hình 3.1. Xi măng Hà Tiên ... 36

Hình 3.2. Cát sơng ... 37

Hình 3.3. Thành phần hạt của cát sông ... 37

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 3.11. Nước ... 42

Hình 3.12. Phụ gia hóa học Sika ViscoCrete 3168 ... 43

Hình 3.13. Hỗn hợp huyền phù a) xi măng – b) tro bay – c) Na2SO4 ... 44

Hình 3.14. Mẫu FGC hai lớp với h=h’=H/2 ... 46

Hình 3.15. Các loại bê tơng với mẫu lập phương có kích thước 100×100×100 mm .... 47

Hình 3.16. Các loại bê tơng với mẫu dầm có kích thước 100×100×400 mm ... 47

Hình 3.17. Các loại bê tơng với mẫu trụ có kích thước d150×h63 mm ... 47

Hình 3.18. Quy trình xử lý RCA ... 48

Hình 3.19. Quy trình nhào trộn hỗn hợp bê tơng FGC ... 51

Hình 3.20. Máy trộn bê tơng cưỡng bức với thể tích 50 lít ... 51

Hình 3.21. Cách thức đúc mẫu hai lớp ... 52

Hình 3.22. Máy HG80s ... 49

Hình 3.23. Thí nghiệm xác định thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tơng ... 50

Hình 3.24. Dụng cụ đo độ sụt ... 53

Hình 3.25. Cách đặt thước và cơn khi đo độ sụt ... 54

Hình 3.26. Các khuôn đã được chuẩn bị trước khi nhào trộn ... 55

Hình 3.27. (a) Khn đã được làm dấu với chiều cao h; (b) Đo lại chiều cao sau khi đổ bê tơng lớp dưới ... 55

Hình 3.28. Dưỡng hộ nước ... 56

Hình 3.29. Máy nén bê tơng tại phịng thí nghiệm ... 56

Hình 3.30. Chiều nén của mẫu FGC... 57

Hình 3.31. Máy WEW-100B ... 58

Hình 3.32. Đánh dấu vị trí các khớp gối ... 58

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình 3.33. Dụng cụ thí nghiệm tải trọng tác động (độ va đập) ... 59 Hình 3.34. (a) Mẫu xuất hiện vết nứt đầu tiên trên bề mặt mẫu thử; (b) mẫu bị phá hoại hồn tồn ... 60 Hình 4.1. Thời gian ninh kết của hỗn hợp bê tông xác định dựa trên cường độ kháng xuyên của hỗn hợp đo được bằng máy HG80s... 62 Hình 4.2. Độ sụt của các hỗn hợp bê tơng ... 63 Hình 4.3. Cường chịu nén của các mẫu FGC ở 3, 7, 28 và 56 ngày tuổi ... 65 Hình 4.4. Tốc độ phát triển cường độ chịu nén của các mẫu FGC ở 3, 7 và 56 ngày tuổi so với 28 ngày tuổi ... 68 Hình 4.5. Cường độ chịu kéo khi uốn của các mẫu FGC ở 7, 28 và 56 ngày tuổi ... 71 Hình 4.6. (a) Dầm bê tơng trước khi uốn; (b) dầm bê tông sau khi uốn ... 71 Hình 4.7. Mối quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén của các mẫu FGC ở 7, 28 và 56 ngày tuổi ... 72 Hình 4.8. Số lần va đập của các mẫu FGC bắt đầu xuất hiện vết nứt cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn ở 7 ngày tuổi ... 73 Hình 4.9. Số lần va đập của các mẫu FGC bắt đầu xuất hiện vết nứt cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn ở 28 ngày tuổi ... 74 Hình 4.10. Số lần va đập của các mẫu FGC bắt đầu xuất hiện vết nứt cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn ở 56 ngày tuổi... 75

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>DANH MỤC THUẬT NGỮ VIÊT TẮT </b>

ASTM American Society for Testing and Materials

Hội thử nghiệm và vật liệu Mỹ

NSF Nano – Silica fune Nano – Silica fune

<b>ITZ </b> Interfacial transition zone Vùng chuyển tiếp TCVN Vietnamese standard Tiêu chuẩn Việt Nam

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b> CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ </b>

Thế giới đang phát triển kéo theo quá trình đơ thị hóa với tốc độ vơ cùng nhanh chóng, xem Hình 1.1. Q trình đơ thị hóa được thể hiện rõ trong ngành xây dựng, kéo theo đó là sự phát triển trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông và sự ra đời của các loại bê tông đặc biệt như bê tông cường độ siêu cao, bê tông tự lèn, bê tông chất lượng cao với hàm lượng tro bay lớn và còn rất nhiều chủng loại bê tông khác hiện đại hơn góp phần vào sự phát triển ngành xây dựng. Mặc dù vậy, q trình này đi đơi với việc duy trì hệ sinh thái và bảo vệ mơi trường, do đó cần phát triển hơn các chủng loại vật liệu mới thân thiện với mơi trường.

<i>Hình 1.1. Q trình đơ thị hóa “Nguồn từ tác giả” </i>

Nhìn chung, bê tông là loại liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới, sau nước. Theo thống kê, tổng khối lượng bê tơng sử dụng trên tồn thế giới là 2 tỷ tấn vào năm 1960, sau đó tăng từ 5 đến 6 tỷ tấn vào năm 1980 và đến năm 2004, tổng khối lượng đạt 13 tỷ tấn [1]. Liên đồn Bê tơng Châu Á ước tính khoảng 35 tỷ tấn bê tơng được sản xuất trên tồn cầu hiện nay và sản lượng bê tơng có xu hướng tăng lên trong những năm sắp tới [2]. Cốt liệu (gồm cát và đá) chiếm 60 – 75% khối lượng thành phần trong bê tơng thường; do đó, khoảng 28 tỷ tấn đá được sử dụng hàng năm để chế tạo bê tơng [2]. Có thể thấy, đá đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong việc chế tạo bê tơng, chiếm tỷ lệ nhiều nhất và đóng vai trị là bộ khung chịu lực của bê tơng. Tuy nhiên, hiện nay sản lượng đá sản xuất ngày càng giảm do việc khai thác quá mức và gây nhiều tác

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

động đến môi trường và đời sống dân cư xung quanh khu vực [3], xem Hình 1.2. Việc giảm sản lượng đá khai thác có thể giảm thiểu được một số tác động môi trường và đời sống xã hội. Hơn thế nữa, đây là vật liệu tự nhiên không thể tái tạo. Tuy nhiên, do nhu cầu cao về sản xuất bê tông trong lĩnh vực đã và đang kéo theo nhu cầu khai thác đá ngày càng tăng.

Mặt khác, chất thải rắn là một loại sản phẩm khơng thể tránh khỏi trong q trình cơng nghiệp hóa xã hội, xem Hình 1.3. Đây là một kết quả của quá trình tăng trưởng kinh tế làm phát sinh lượng lớn chất thải rắn thường không được xử lý và đổ tại các bãi chôn lấp và gây ôn nhiễm môi trường đất, nước và không khí do các chất độc hại như hóa chất xây dựng, kim loại nặng,… và sự khan hiếm khu vực chôn lấp. Từ đó, để bảo vệ mơi trường, việc tìm kiếm một loại vật liệu mới có tính bền vững và có thể tái sử dụng là yêu cầu rất cần thiết đối với lĩnh vực xây dựng ngày nay. Một trong những vật liệu bền vững được quan tâm hiện nay là bê tông cốt liệu tái chế.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<i>Hình 1.3. Chất thải rắn từ việc phá dở cơng trình [5] </i>

Bên cạnh đó, khoảng 16 triệu tấn tro bay, xỉ được thải ra từ các nhà máy nhiệt điện than hàng năm ở nước ta hiện nay [6]. Với lượng lớn tro và xỉ thải ra hàng năm, đòi hỏi cần lượng lớn quỹ đất làm bãi chữa, điều này lâu dài sẽ có những tác động xấu đến mơi trường nếu khơng có phương pháp tận dụng và xử lý phù hợp [6], xem Hình 1.4.

<i>Hình 1.4. Bãi chứa tro, xỉ của các nhà máy đang hoạt động ở Trung tâm nhiệt điện Vĩnh Tân thuộc huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận [7] </i>

Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên, cần nghiên cứu và tạo ra một loại bê tông mới mang tính bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Để sản xuất bê tông tiết kiệm và bền vững, các yếu tố như độ bền, các tính chất cơ học; đặc biệt là, thành phần và chức năng của bê tông cần được xem xét và thay đổi sao cho phù hợp. Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu đã kết hợp sợi polypropylene (PP) nhằm mục đích tăng cường độ chịu kéo và độ dẻo dai của bê tông. Sợi PP là một loại polymer nhiệt dẻo tơ mảnh được sản xuất bằng công nghệ kéo sợi ly tâm, pha thêm phụ gia để tăng cường

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

độ, đồng thời được xử lý bề mặt và được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng để sản xuất bê tông cốt sợi. Trong nghiên cứu này, sử dụng sợi PP, nhằm tăng sự dẻo dai trong bê tông và cốt liệu bê tông tái chế cũng được sử dụng để thay thế đá dăm nhằm giúp tiết kiệm đá trong sản xuất bê tơng. Do đó, đề xuất và nghiên cứu việc ứng dụng bê tông phân lớp chức năng (functionally graded concrete – FGC), xem Hình 1.5.

<b>1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới </b>

Phế thải xây dựng được sản sinh với số lượng ngày càng tăng, gây tác động xấu đối với mơi trường và mỹ quan độ thị, cần có những định hướng mới để giải quyết vấn đề này. Do đó, phương pháp tái chế các phế thải xây dựng được đề xuất trong sản xuất bê tông để phục vụ cho nhu cầu sử dụng bê tông ngày càng tăng hiện nay. Một số nghiên cứu đã thực hiện việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (recycled concrete aggregate - RCA) vào sản xuất bê tông cốt liệu tái chế (recycled aggregate concrete - RAC); kết quả cho thấy cường độ chịu nén và độ bền của bê tông giảm. Điều này là do sự gia tăng hàm lượng RCA đã gây ảnh hưởng bất lợi đến cường độ chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, với một số trường hợp khác, khi thay thế với hàm lượng nhỏ RCA có thể làm tăng cường độ của bê tơng do việc kiểm sốt và phân loại tốt [8].

Do đó, có nhiều phương pháp giúp cải thiện đặc tính cơ lý của RCA mang lại hiệu quả tối ưu. Đặc biệt là cải thiện bề mặt của RCA do lớp vữa cũ bám trên bề mặt của RCA có ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ học của RCA.

Theo nghiên cứu của Mulder et al. [9], bằng cách nung RCA với nhiệt độ 700C, xem Hình 1.6. Kết quả cho thấy, lượng vữa cũ cịn bám lại trên bề mặt RCA chỉ còn 2%. Bên cạnh đó, việc cho RCA vào nước lạnh sau khi nung giúp loại bỏ vữa cũ hiệu quả

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

hơn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của Al–Bayati et al. [10] chỉ ra rằng, khi nung RCA với nhiệt độ cao (> 500C) làm ảnh hưởng đến cường độ của RCA do lúc này tính chất của RCA sẽ bị thay đổi.

<i>Hình 1.6. Loại bỏ vữa cũ bám trên RCA bằng phương pháp nhiệt trong nghiên cứu của Mulder et al. [9] </i>

Trong nghiên cứu của Pepe et al. [11], lớp vữa cũ bám trên RCA được loại bỏ bằng máy nghiền thông qua việc dùng lực cơ học để loại bỏ vữa cũ hoàn toàn trên bề mặt RCA, xem Hình 1.7. Tuy nhiên, việc dùng lực cơ học để loại bỏ vữa cũ có thể tạo ra vết nứt và thay đổi cấu trúc bề mặt của RCA.

<i>Hình 1.7. Loại bỏ vữa cũ bằng máy nghiền trong nghiên cứu của Pepe et al. [11] </i>

Nghiên cứu của Sui et al. [12] đã đề xuất kết hợp giữa phương pháp loại bỏ vữa cũ bằng nhiệt và cơ học. Trong nghiên cứu này, phương pháp xử lý bằng nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ trong khoảng 300 - 500C trong 30 phút; sau đó, được xử lý cơ học bằng máy nghiền trong 3 – 14 phút và cho kết quả tối ưu trong khoảng thời gian 5 phút. Phương pháp xử lý này cải thiện một phần những nhược điểm trong nghiên cứu của Mulder et al. [9] và nghiên cứu của Pepe et al. [11]. Tuy nhiên, loại bỏ vữa cũ bám trên

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

RCA bằng phương pháp nhiệt và cơ học đồng thời cũng tạo ra các vết nứt vi mô, gây ảnh hưởng đến tính chất của bê tơng sau này.

Ngồi những phương pháp cải thiện tính chất của RCA bằng cách loại bỏ vữa cũ bám trên bề mặt, còn có những nghiên cứu về việc cải thiện tính chất của lớp vữa cũ nhằm cải thiện tính chất của RCA bằng vật liệu pozzolanic. Trong cứu của Shaban et al. [13], lớp vữa cũ được cải thiện bằng cách ngâm RCA trong các huyền phù pozzolanic khác nhau (tro bay, silica fume và nano – silica fume) với các hàm lượng và thời gian ngâm khác nhau. Các tính chất cơ lý và độ nén dập của RCA có mối quan hệ chặt chẽ với độ hút nước và độ rỗng. Cụ thể, tỷ lệ hỗn hợp của các loại vật liệu pozzolanic được trình bày ở Bảng 1.1. Quy trình xử lý được minh họa ở Hình 1.8.

<i>Bảng 1.1. Tỷ lệ vật liệu pozzolanic trong huyền phù trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Kết quả nghiên cứu cho thấy, thành phần hạt của RCA tăng lên và độ hút nước của RCA giảm, xem Hình 1.9, điều này chỉ ra rằng việc xử lý bề mặt của RCA bằng vật liệu pozzolanic có hiệu quả giúp cải thiện phần lớn vữa cũ của RCA. Đồng thời, khi xử lý RCA bằng huyền phù FA&SF ở các tỷ lệ và thời gian ngâm khác nhau giúp giảm khoảng 23% độ rỗng của RCA, xem Hình 1.10. Ngoài ra, với hai loại huyền phù FA&C và NSF, kết quả cho thấy sự giảm độ rỗng đáng kể với thời gian ngâm là 4 giờ. Phản ứng pozzolanic của tro bay và xi măng đóng vai trị vô cùng quan trọng trong việc lấp đầy lỗ rỗng, giúp làm giảm độ rỗng, từ đó giúp cải thiện bề mặt của RCA [13]. Hình 1.11 thể hiện độ nén dập của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13], kết quả cho thấy độ nén đập của RCA được cải thiện sau khi được xử lý với các tỷ lệ và thời gian ngâm khác nhau. Kết quả ghi nhận được, độ nén dập giảm 44% với 40%FA, 60FA&C, 3%NSF và giảm 39% khi xử lý với 40%FA&SF ngâm trong 4 giờ. Điều này chứng minh rằng việc xử lý RCA bằng huyền phù pozzolanic giúp cải thiện bề mặt của RCA [13].

<i>Hình 1.9. Độ hút nước của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<i>Hình 1.10. Độ rỗng của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] </i>

<i>Hình 1.11. Độ nén dập của RCA trước và sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban et al. [13] </i>

Trong nghiên cứu của Zhao et al. [14], xử lý bề mặt của RCA bằng cách ngâm trong các loại huyền phù khác nhau; cụ thể, có 10 loại huyền phù (xi măng – tro bay – silica fume) với tỷ lệ nước/xi măng khác nhau và ngâm trong khoảng thời gian 5 - 10 phút. Sau khi được xử lý trong huyền phù tối ưu nhất, RCA được cho vào bê tông với tỷ lệ nước/xi măng là 0.4, xi măng được thay thế bằng silica fume với hàm lượng 20%, và đá dăm được thay thế bằng RCA với hàm lượng 30%. Kết quả chỉ ra rằng, lớp phủ

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

bao bọc RCA quá mỏng hoặc quá dày có thể ảnh hưởng đến cường độ của RCA. Cường độ chịu nén của bê tông chứa RCA được xử lý bằng huyền phù được cải thiện với tỷ lệ nước/xi măng cao nhất. RCA được xử lý bằng huyền phù được bao bọc xung quanh bởi lớp huyền phù xi măng và vật liệu pozzolanic, từ đó giúp cải thiện tính chất của RCA. Bên cạnh đó, lớp phủ này giúp cải thiện cường độ không chỉ cho RCA mà cịn với cả bê tơng chứa RCA. Tuy nhiên, thời gian ngâm quá ngắn để hấp thụ huyền phù giúp cải thiện tính chất vữa cũ và cơ chế cải thiện RCA vẫn chưa được làm rõ. Hình 1.12 thể hiện RCA trước và sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng và vật liệu pozzolanic trong

<i>nghiên cứu của Zhao et al. [14]. </i>

<i>Hình 1.12. RCA trước và sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng và vật liệu pozzolanic trong nghiên cứu của Zhao et al. [14] </i>

Ngoài phương pháp cải thiện RCA bằng cách ngâm trong huyền phù, Tam et al. [15] đề xuất phương pháp trộn 2 giai đoạn. Hình 1.13 thể hiện quy trình chế tạo bê tơng của phương pháp nhào trộn thông thường và phương pháp nhào trộn 2 giai đoạn. Khác với phương pháp nhào trộn thông thường; ở giai đoạn 1, tro bay và RCA được trộn trước trong 60 giây và sau đó, cho một nửa lượng nước vào và trộn trong 60 giây; ở giai đoạn 2, cho xi măng vào và trộn trong 30 giây, cuối cùng cho phần nước còn lại và trộn trong 120 giây để có được hỗn hợp bê tơng. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi thay thế 20% RCA cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông, cường độ chịu nén tăng 21% so với phương pháp nhào trộn thông thường. Bằng phương pháp trộn 2 giai đoạn, vùng ITZ giữa RCA và hệ nền bê tông được cải thiện nhờ lớp phủ xi măng bao bọc bên ngồi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i>Hình 1.13. Quy trình chế tạo của a) phương pháp trộn bình thường, b) phương pháp trộn 2 giai đoạn trong nghiên cứu của Tam et al. [15] </i>

Nghiên cứu của Kong et al. [16] đã đề xuất phương pháp nhào trộn 3 giai đoạn, xem Hình 1.14. Ở giai đoạn 1, cốt liệu ở trạng thái ẩm được trộn với vật liệu pozzolanic hình thành lớp phủ trên bề mặt cốt liệu. Ở giai đoạn 2, xi măng được thêm vào hình thành lớp phủ thứ 2 bao bọc cốt liệu từ xi măng. Giai đoạn 3, cho phần nước còn lại cùng với phụ gia vào hỗn hợp bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ chịu nén của bê tông dùng phương pháp trộn 3 giai đoạn cao hơn so với phương pháp trộn 2 giai đoạn. Một số nhận định được đưa ra từ nghiên cứu, ở giai đoạn 1 của phương pháp trộn 3 giai đoạn, cốt liệu được bao bọc xung quanh bởi một lớp pozzolanic giúp cải thiện tính chất của RCA bằng việc tiêu thụ Ca(OH)2 trong vữa cũ hình thành các C–S–H; ở giai đoạn 2, vùng ITZ giữa RCA và hệ nền bê tông được cải thiện nhờ lớp xi măng bao phủ bên ngồi cốt liệu.

<i>Hình 1.14. Phương pháp trộn 3 giai đoạn trong nghiên của Kong et al. [16] </i>

Sợi PP ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tơng như khả năng thi công; mô đun đàn hồi; độ bền nén, uốn, kéo; độ dẻo dai;… Vì thế, cần lưu ý việc sử dụng sợi trong bê tơng có những hạn chế nhất định về số lượng, hình dạng và độ mảnh của sợi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Tuy nhiên, sợi PP được đánh giá là thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí, mang lại hiệu quả kinh tế, điều này đã được kết luận bởi J. Blazy [17].

Aslani và Nejadi [18] đã kết luận rằng, sự kết hợp giữa sợi thép và sợi PP giúp tăng cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi. Sợi PP đóng vai trị chính trong cấu trúc bê tơng là làm giảm các vết nứt cho co ngót; đồng thời, các tính chất cơ lý của bê tơng được cải thiện khi thêm sợi PP với hàm lượng nhất định, nếu hàm lượng vượt cho phép sẽ gây những ảnh hưởng tiêu cực đối với bê tông.

Dharan et al. [19] đã chỉ ra rằng hàm lượng sợi PP làm ảnh hưởng đến tính cơng tác của hỗn hợp bê tông và cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng sợi PP làm giảm tính cơng tác của hỗn hợp bê tơng, xemHình 1.15. Cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông khi hàm lượng sợi PP tăng, xem Hình 1.16 và Hình 1.17.

<i>Hình 1.15. Độ sụt của hỗn hợp bê tơng có và khơng có sợi PP trong nghiên cứu của Dharan et al. [19] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<i>Hình 1.16. Cường độ chịu nén của các mẫu bê tơng có và khơng có sợi trong nghiên cứu của Dharan et al. [19] </i>

<i>Hình 1.17. Cường độ chịu kéo khi uốn của các mẫu bê tơng có và khơng có sợi trong nghiên cứu của Dharan et al. [19] </i>

Alhozaimy et al. [20] đã thực hiện nghiên cứu về bê tông cốt sợi PP với các hàm lượng sợi lần lượt là 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3% và 0.5%. Kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng 0.2% sợi PP giúp cải thiện đáng kể số lần va đập đạt cao nhất, xem Hình 1.18. Số lần va đập mẫu phá hoại hoàn toàn cao hơn gấp đôi so với số lần va đập khi xuất hiện vết nứt đầu tiên.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i>Hình 1.18. Số lần va đập của bê tông sử dụng sơi PP với các hàm lượng khác nhau trong nghiên cứu của Alhozaimy et al. [20] </i>

Mashrei et al. [21] nghiên cứu với các hàm lượng sợi PP lần lượt là 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3% và 0.5% trong bê tông cốt sợi. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với hàm lượng sợi là 0.3% thì cường độ chịu kéo khi uốn tăng và đạt giá trị cao nhất, xem Hình 1.19.

<i>Hình 1.19. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP đến cường độ chịu kéo khi uốn trong nghiên cứu của Mashrei et al. [21] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Sự chuyển đổi trong ngành xây dựng kéo theo đó là sự chuyển đổi đối với phương pháp sản xuất thông thường. Những tiến bộ mới tạo nên nền tảng cho việc sản xuất bê tông mới – bê tông phân lớp chức năng (FGC). Với FGC, có thể điều chỉnh các lớp vật liệu với các thành phần hỗn hợp khác nhau sao cho phù hợp với các yêu cầu tính năng của cấu kiện. Tuy nhiên, để sản xuất thành công FGC, địi hỏi cần có sự hiểu biết về q trình đúc nguyên khối của các phần tử nhiều lớp, không chỉ thời gian ninh kết khác nhau mà còn với các hỗn hợp bê tông khác nhau [22].

Liu et al. [23] đã nghiên cứu về hai loại FGC, gồm bê tông cốt liệu tái chế cốt sợi (fibre reinforced recycled aggregate concrete – FRRAC), bê tông cốt sợi (fibre reinforced concrete – FRC) và bê tông thông thường (PPC), được đúc gồm 5 mẫu, xem Hình 1.20 và Bảng 1.2. Kết quả cho thấy, các mẫu FGC có sợi thép ở lớp dưới có cường độ chịu kéo khi uốn cao hơn so với các mẫu bê tông còn lại (giá trị cao nhất ở mẫu C). Việc sử dụng RCA làm giảm các tính chất cơ học và có cường độ thấp hơn so với bê tơng thơng thường.

<i>Hình 1.20. Các mẫu bê tơng được dùng trong nghiên cứu của Liu et al. [23] Bảng 1.2. Giá trị cường độ chịu nén của các mẫu bê tông trong nghiên cứu của Liu et </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Bê tông cốt liệu tái chế cốt sợi (FRRAC) 29.53 1.08

Bê tông cốt liệu tái chế cốt sợi (FRRAC) 28.23 9.32

Torelli et al. [24] đã tổng hợp các nghiên cứu trước về FGC có hai lớp với các thành phần gồm lớp trên (bê tông thường, bê tông cốt sợi), lớp dưới (bê tông thường, bê tông cốt sợi, bê tông tro bay hàm lượng cao, bê tông cố liệu tái chế,…) được chế tạo bằng nhiều phương pháp, hình dạng và thời gian đúc giữa các lớp khác nhau. Kết quả của các nghiên cứu cho thấy, bề rộng vết nứt giảm 80%, tăng 30% khả năng chịu tải, tăng 70% khả năng biến dạng, hàm lượng xi măng giảm khoảng 10%, giảm khoảng 48% lượng carbon,… Như vậy, khi so sánh với bê tông thông thường, FGC mang lại nhiều cải thiện như độ bền và độ dẻo dai của bê tông.

Prasad và Murali [25] đã chế tạo mẫu FGC có một lớp, hai lớp và ba lớp để đánh giá khả năng chịu kéo khi uốn và khả năng chống va đập của FGC sử dụng sợi PP (PF) và sợi thép (SF) với hàm lượng cụ thể được thể hiện ở Hình 1.21. Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ va đập của các mẫu FGC được cải thiện khi sử dụng sợi PP và sợi thép so với các mẫu FGC một lớp, hai lớp và ba lớp khơng chứa sợi.

<i>Hình 1.21. Chi tiết thành phần các mẫu FGC trong nghiên cứu của Prasal và Murali [25] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Trong nghiên cứu của Yazhini và Chithra [26], FGC được kết hợp sợi thép macro và sợi bazan với các hàm lượng sợi 0.25%, 0.5% và 0.75%. Kết quả cho thấy, ở thời gian đầu, bê tông được gia cường bằng sợi thép macro có tính chất cơ học cao hơn so với bê tông được gia cường bằng sợi bazan; trong khi, sợi bazan thể hiện vai trò tốt hơn trong giai đoạn sau khi vỡ. FGC được gia cường bằng sợi thép macro có tính chất cơ học cao hơn so với bê tông gia cường bằng sợi bazan và bê tơng thơng thường.

<b>1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước a) Bê tông cốt liệu tái chế </b>

Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu về việc sử dụng các chất thải rắn xây dựng ứng dụng vào trong ngành xây dựng cũng được thực hiện. Tô et al. [27] đã sử dụng cốt liệu nhỏ tái chế để sản xuất gạch bê tông không nung. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi của tất cả các cấp phối có sử dụng cốt liệu tái chế đều thấp hơn so với cấp phối đối chứng. Đồng thời, cường độ tăng khi tỷ lệ cốt liệu tái chế thay thế đá giảm.

Nguyễn et al. [28] đã nghiên cứu các mẫu bê tông sử dụng cốt liệu tái chế (cốt liệu lớn) từ phế thải xây dựng với các tỷ lệ khác nhau lần lượt là 0%, 50%, 100% thay thế cốt liệu tự nhiên. Kết quả thực nghiệm cho thấy, cường độ chịu nén của bê tông tái chế giảm từ 9.5 – 16% ở 28 ngày tuổi và mô đun đàn hồi giảm từ 12.8 – 24.2% so với bê tông cốt liệu tự nhiên. Hàm lượng cốt liệu thay thế ảnh hưởng ít đối với cường độ chịu nén của bê tông. Mô đun đàn hồi của bê tông tái chế giảm tuyến tính với hàm lượng cốt liệu thay thế.

Từ bất lợi của việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế trong bê tông, Đinh et al. [29] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng huyền phù (xi măng – tro bay) đến cải thiện tính chất của RCA; trong đó, RCA được ngâm trong huyền phù với tỷ lệ theo khối lượng giữa RCA với chất kết dính lần lượt 30%, 50% và 70% và ngâm trong 48 giờ, 72 giờ và 744 giờ. Bê tông được chế tạo với phần trăm cốt liệu tái chế thay thế theo thể tích gồm 0%, 25% và 50%. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với tỷ lệ RCA và chất kết dính là 50%, độ nén dập của RCA sau khi xử lý giảm; đồng thời, thời gian xử lý ở 72 giờ cho kết quả tối ưu nhất trong nghiên cứu, xem Hình 1.22. Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của bê tông sử dụng RCA thấp hơn so với mẫu đối chứng ở 7 ngày tuổi; tuy nhiên, với tỷ lệ 25% RCA thay thế đá tự nhiên, bê tông chứa RCA xử lý và khơng xử lýcó cường độ

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

chịu nén tương đương nhau. Với tỷ lệ thay thế 50%, cường độ chịu nén của bê tông sử dụng RCA xử lý cao hơn so với bê tông sử dụng RCA không xử lý và đề xuất sử dụng tỷ lệ thay thế 50% để có thể thấy được sự khác biệt rõ rệt giữa mẫu dùng RCA đã xử lý và khơng xử lý, xem Hình 1.23.

<i>Hình 1.22. Độ nén dập của RCA với thời gian ngâm và hàm lượng khác nhau trong nghiên cứu của Đinh et al. [29] </i>

<i>Hình 1.23. Cường độ chịu nén của bê tông chứa RCA xử lý và không xử lý so với mẫu chuẩn trong nghiên cứu của Đinh et al. [29] </i>

Nguyễn và Trần [30] đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi với các loại sợi gồm sợi thép, sợi bazan và sợi PP. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

lượng và loại sợi ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tơng. Khi sử dụng sợi thép, các tính chất cơ học (nén, kéo, uốn và dẻo dai) của bê tông đều tăng đáng kể so với bê tông thường. Khi sử dụng các loại sợi mềm (sợi PP và sợi bazan), các tính chất cơ học của bê tông hầu như không thay đổi với hàm lượng sợi 0.5 – 2%; tuy nhiên, có cải thiện về tính chất dẻo dai của bê tông khi sử dụng loại sợi này.

Trần và Lê [31] đã đánh giá về đặc tính co ngót của bê tơng cốt sợi trong quá trình phát triển cường độ bằng việc sử dụng sợi PP trong bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng giảm co ngót tự sinh và co ngót khơ của bê tơng sau khi gia cường sợi PP so với bê tông đối chứng.

Lê [32] đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của bê tông cốt sợi PP với các hàm lượng 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5% như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và mô đun đàn hồi. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, hàm lượng sợi PP làm tăng đáng kể cường độ chịu kéo khi uốn, xem Hình 1.24, nhưng khơng ảnh hưởng nhiều đến cường độ chịu nén so với bê tông đối chứng [32].

<i>Hình 1.24. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tơng có sử dụng sợi PP với các hàm lượng khác nhau trong nghiên cứu của Lê [32] </i>

Bê tông phân lớp chức năng đang là một định hướng mới trong ngành xây dựng đã và đang được quan tâm hiện nay. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế trong việc nghiên cứu bởi cần sự đồng bộ giữa các tiêu chuẩn trong và ngoài nước. Nguyễn et al. [33] đã nghiên cứu về FGC kết hợp giữa bê tông chống nước và bê tông chống cháy với bê tông thường nhằm ứng dụng cho các đoạn hầm giao thơng, xem Hình 1.25.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<i>Hình 1.25. a) Phân lớp cấu tạo mẫu, b) kích thước cấu tạo mẫu (mm) trong nghiên cứu của Nguyễn et al. [33] </i>

Lớp chống thấm (lớp trên): gồm cấp phối M2 và M3, đó là loại bê tơng được kết hợp giữa bê tông sử dụng silica fume thay thế một phần xi măng và bê tông tự lèn, tạo thành lớp bê tơng có khả năng chống thấm tốt và tiết kiệm khi so với bê tông thông thường, xem Hình 1.26.

Lớp chống cháy (lớp dưới): gồm cấp phối M4 và M5, đó là loại bê tơng kết hợp từ bê tông sử dụng sợi PP và cốt liệu nhẹ và bê tông tự lèn, tạo thành lớp bê tơng có khả năng chịu nhiệt cao, xem Hình 1.26. Loại này được xem là rào cản làm chậm sự xâm nhập của nhiệt độ, giúp cho lớp bê tông bên trong (bê tông thông thường) giảm thiểu các hư hại đáng kể.

<i>Hình 1.26. Cấu tạo mẫu FGC được đúc trong nghiên cứu của Nguyễn et al. [33] </i>

Như vậy, thay vì sử dụng bê tơng đồng nhất, có chiều dày lớn, chi phí cao thì với FGC giúp tiết kiệm phần lớn cũng như hiệu quả làm việc vào thực tế. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ thử nghiệm với mẫu bê tông chuẩn 150150150 mm, vẫn chưa thử nghiệm với

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

mẫu có kích thước lớn hơn để chắc chắn khả năng làm việc khi áp dụng cho bê tông khối lớn như hầm giao thông trong nghiên cứu.

Võ et al. [34]đã đánh giá cường độ và độ va đập của FGC có hai lớp sử dụng tro bay thay thế 20% xi măng kết hợp với 0.3% sợi PP theo thể tích bê tơng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc gia cường sợi PP ở lớp dưới giúp bê tông cải thiện đáng kể cường độ chịu kéo khi uốn, xem Hình 1.27. Đồng thời, sợi PP trong bê tông giúp cải thiện độ va đập của bê tông nhờ đặc tính liên kết các vết nứt nhỏ trong bê tơng, xem Hình 1.28. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế trong việc nghiên cứu và sử dụng do nhiều lý do khách quan.

<i>Hình 1.27. Cường độ chịu kéo khi uốn của a) FGC sử dụng bê tơng thường có và khơng có sợi PP, b) FGC sử dụng bê tông tro bay có và khơng có sợi PP trong </i>

<i>nghiên cứu của Võ et al.[35] </i>

<i>Hình 1.28. Độ va đập của a) FGC sử dụng bê tơng thường có và khơng có sợi PP, b) FGC sử dụng bê tông tro bay có và khơng có sợi PP trong nghiên cứu của Võ et al. </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Từ khi được nghiên cứu và chế tạo, đã có một số nghiên cứu chuyên sâu về FGC và các ứng dụng của nó. Hiện nay, nghiên cứu về FGC được chưa thành 4 nhánh chủ đạo, gồm [36]:

(1) Phân tích ứng suất nhiệt và các ứng dụng với mục tiêu làm giảm ứng suất nhiệt và sử dụng mơ hình đàn hồi nhiệt của Von Karman;

(2) Mơ hình cơ học tính tốn ổn định cho các ứng dụng cho tấm, vỏ làm bằng FGC bằng phương pháp giải chính xác là sử dụng mơ hình đàn hồi 3 chiều hoặc 2 chiều với khái niệm “tấm tương đương”. Sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn dựa vào lý thuyết biến dạng cắt bậc 3 và phương pháp giải của Navier.

(3) Các mơ hình tính tốn cơ học rạn nứt phối hợp với mơ hình phần tử hữu hạn và mơ hình phá hủy đẳng hướng của vật liệu chức năng.

(4) Dao động và các ứng dụng kiểm soát dao động. Sự biến đổi nhiệt độ được giải thiết là chỉ xảy ra theo phương tấm dày. Mơ hình tính tốn thường dùng là mơ hình phân tử tự do Galerkin.

Việc nghiên cứu tính tốn về FGC địi hỏi các cơng cụ tính tốn hỗ trợ và liên quan đến nhiều lĩnh vực như Khoa học vật liệu, cơ học, động lực học và tính tốn số…

<b>1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU </b>

Dựa trên tình hình các nghiên cứu trong và ngồi nước, mục tiêu chính là tạo ra loại bê tơng xanh, bền vững góp phần bảo vệ môi trường từ việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới. Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu FGC – bê tông phân lớp chức năng, được tạo thành giữa bê tông thường và bê tơng cốt liệu tái chế có kết hợp với sợi PP để cải thiện cường độ và độ dẻo dai của bê tông, đây vốn là điểm yếu của bê tông thường và bê tông cốt liệu tái chế. Do đó, cần tiến hành cái nghiên cứu sau để có thể đạt được mục tiêu trên:

- Lựa chọn hệ vật liệu địa phương để chế tạo FGC.

- Thiết kế cấp phối bê tơng thơng thường có cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 70 MPa.

- Nghiên cứu chế tạo mẫu FGC có hai lớp bê tông (1 lớp trên và 1 lớp dưới). - Nghiên cứu đặc trưng cơ học của FGC chứa RCA được xử lý bằng huyền phù xi măng – tro bay – Na2SO4 và sợi PP và so sánh với bê tông một lớp thông thường.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

<b>1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU </b>

Nghiên cứu được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Bộ mơn Vật liệu Xây dựng của trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm kiểm định vật liệu và kết cấu cơng trình LAS – XD712 với các thông số sau:

- Hệ nguyên vật liệu địa phương, gồm: xi măng, cát sông, đá dăm, RCA, nước, tro bay, natri sulfat, sợi PP và phụ gia Sika ViscoCrete 3168.

- Về yêu cầu kỹ thuật: FGC trong nghiên cứu có cấp phối bê tơng được thiết kế theo ACI 318-11 [37] và ACI 211.1-91 [38], với cường độ chịu nén của bê tông thiết kế 70 MPa ở 28 ngày tuổi và độ sụt SN 18  2 cm.

- Hàm lượng RCA thay thế đá dăm theo phần trăm khối lượng thể tích là 50%. Tỷ lệ sợi PP/bê tông được giữ cố định là 0.3% theo phần trăm thể tích.

- Thời gian đổ giữa hai lớp bê tông dựa trên thời gian ninh kết của lớp bê tông bên dưới.

- Đặc tính cơ học gồm:

+ Cường độ chịu nén được thí nghiệm với mẫu lập phương có kích thước 100×100×100 mm, mẫu được tháo khn và dưỡng hộ nước đến 3, 7, 28 và 56 ngày tuổi.

+ Cường chịu kéo khi uốn được thí nghiệm với mẫu dầm có kích thước 100×100×400 mm, mẫu được tháo khn và dưỡng hộ trong nước đến 7, 28 và 56 ngày tuổi.

+ Độ va đập được thực hiện với mẫu trụ có kích thước d150×h63.5 mm, mẫu được thí nghiệm sau khi được đúc và dưỡng hộ trong nước đến 7, 28 và 56 ngày tuổi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<b> CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC </b>

<b>2.1.1. Tính chất của các loại sợi polymer </b>

Bê tông cốt sợi là bê tông được trộn thêm sợi để gia tăng độ bền kéo và kiểm soát vết nứt trong bê tông. Việc bổ sung sợi polypropylene (PP) ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của bê tông như khả năng thi công; mô đun đàn hồi; độ bền nén, uốn, kéo, độ dẻo dai;… Ngoài ra, sợi PP cịn giúp giảm tính thấm, hạn chế các vết nứt do co ngót dẻo và co ngót khơ gây ra, cải thiện độ mài mịn của bê tơng [39]. Những khả năng này, chứng tỏ được sự ưu việt của bê tông cốt sợi so với các loại bê tơng thơng thường; do đó, bê tơng cốt sợi đã được sử dụng rộng rãi hơn trong sản xuất và ứng dụng trong đời sống. Bên cạnh đó, bê tơng cốt sợi cịn tồn tại nhiều khuyết điểm như mơ đun đàn hồi thấp, tính liên kết giữa sợi và hệ nền kém, dễ bị oxy hóa và nhạy cảm dưới bức xạ mặt trời [40].

Mỗi loại sợi đều có các tính chất cơ học khác nhau (Bảng 2.1), các tính chất cơ học của sợi ảnh hưởng đến khả năng làm việc của sợi và hệ nền, khả năng hạn chế vết nứt, tăng cường tính chất của hệ nền và ứng xử của hệ nền xi măng – sợi [41].

<i>Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của một số loại sợi [41] </i>

Loại sợi

Đường kính (m)

Khối lượng riêng (g/cm<small>3</small>)

Cường độ chịu kéo

(GPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Độ dãn dài (%)

<i>b) Hàm lượng sợi trong bê tông </i>

Hàm lượng sợi trong bê tông được định nghĩa là tỷ lệ thể tích sợi trên tổng thể tích bê tông, đây là yếu tố vô cùng quan trọng [41]. Khi sử dụng sợi với tỉ lệ thấp, sợi

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

đóng vai trị chủ yếu là giúp hấp thụ năng lượng trong bê tông, bê tông đạt ứng suất tới hạn khi ứng suất của hệ nền đạt tới hạn [41]. Với tỉ lệ sợi cao, cường độ chịu kéo của hệ nền được tăng cường; do đó, dạng phá hoại của bê tơng cũng thay đổi [41].

<i>a) Ảnh hưởng của sợi và hệ nền đến tính chất cơ học của bê tông cốt sợi </i>

Chất lượng của bê tông cốt sợi được tạo nên bởi sự tương tác của sợi và hệ nền, điều này ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tơng cốt sợi [41]. Các quá trình liên quan đến sự tương tác giữa sợi và hệ nền thường xảy ra chủ yếu tại vùng tiếp xúc giữa sợi và hệ nền. Do hệ nền của bê tơng và sợi có tính chất và độ cứng khác nhau, nên việc truyền ứng suất giữa sợi và hệ nền được nghiên cứu ở 2 trường hợp, gồm trước và sau khi nứt [41], như sau:

<i>Trước khi nứt: q trình hydrat hóa của xi măng trong bê tông làm tăng ứng suất </i>

của sợi và vật liệu nền. Khi vật liệu chịu tải trọng, một phần tải trọng được truyền vào sợi, cho nên ứng suất trượt phát triển dọc theo bề mặt sợi do độ cứng của sợi và hệ nền khác nhau [25].

<i>Sau khi nứt: khi độ cứng của sợi lớn hơn độ cứng của hệ nền, trường hợp này xảy </i>

ra ở sợi thép và các loại sợi khoáng vật, sự mất liên kết giữa sợi và hệ nền xung quanh sợi xảy ra nhỏ. Ngược lại, khi độ cứng của sợi nhỏ hơn độ cứng của hệ nền, trường hợp này xảy ra đối với các loại sợi polymer và sợi thiên nhiên, các hiện tượng ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, ứng suất biến dạng và sự mất liên kết làm ảnh hưởng đến sự truyền ứng suất trong bê tông, xem Hình 2.1.

Để có thể giải quyết vấn đề trên, cần đơn giản hóa vấn đề bằng cách dựa vào một số giả thuyết cho rằng hệ nền bê tông và sợi đều ở giai đoạn đàn hồi, như:

- Lớp bề mặt chuyển tiếp giữa hệ nền bê tông và sợi mỏng. - Bề mặt chuyển tiếp được xem là liên kết hoàn hảo.

- Quy luật sắp xếp sợi.

- Biến dạng kéo của hệ nền (m) tại vùng bám dính chứa sợi là tương đương biến dạng kéo của bê tông cốt sợi.

Sự mất liên kết dọc theo bề mặt chuyển tiếp giữa sợi và hệ nền bê tông xảy ra khi chịu đủ tải trọng, quá trình truyền ứng suất từ hệ nền bê tông sang sợi sẽ trở thành ma

</div>