Nghiên cứu thành phần, đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay và ứng dụng cho kết cấu Cầu hầm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.72 MB, 166 trang )
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 TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ
ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 11/2017
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 TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ
ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM
Ngành
: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Chuyên ngành
: Xây dựng cầu hầm
Mã số
: 6258020503
DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đào Văn Đông
PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long
Hà Nội – 11/2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác.
Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017
Tác giả
Trần Việt Hưng
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Đào Văn Đông
và PGS.TS Nguyễn Ngọc Long. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ
dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Phạm Duy Hữu đã đóng góp các ý kiến quý
báu cho luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải,
lãnh đạo khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Kết
Cấu, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây
dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi cũng xin trân trọng cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao
thông Vận tải, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực
nghiệm và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017
Tác giả
Trần Việt Hưng
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... II
MỤC LỤC .............................................................................................................................. III
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. VIII
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. XII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU .................................................................XIV
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG
GEOPOLYMER TRO BAY .................................................................................................... 5
1.1. Bê tông xi măng ................................................................................................................. 5
1.1.1. Sự phát triển của xi măng và bê tông ............................................................................ 5
1.1.2. Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng .................................................................... 6
1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới .................................................. 6
1.2.1. Nguồn gốc tên gọi ......................................................................................................... 6
1.2.2. Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer ..................................................... 7
1.2.3. Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer ..................................... 8
1.2.4. Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa ............................................................................... 9
1.2.5. Dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................................... 12
1.2.6. Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer ............................................................. 13
1.2.6.1. Nguyên liệu alumino-silicat ................................................................................. 13
1.2.6.2. Tro bay ................................................................................................................. 14
1.2.6.3. Sản lượng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam .................................................... 16
1.2.7. Geopolymer tro bay .................................................................................................... 17
1.3. Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới ............................................ 18
1.3.1. Khái niệm cơ bản về bê tông geopolymer tro bay ...................................................... 18
1.3.2. Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay ....................................................... 19
1.3.2.1. Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp ..................................................................... 19
1.3.2.2. Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS).......................................................... 20
1.3.2.3. Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA) ............. 21
1.3.2.4. Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit .................................................................... 21
1.3.2.5. Cốt liệu ................................................................................................................. 22
1.3.3. Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay....................................... 22
1.3.3.1. Công tác trộn, đổ khuôn và đầm nén.................................................................... 22
1.3.3.2. Công tác bảo dưỡng ............................................................................................. 23
1.3.4. Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay ................................ 24
1.3.4.1. Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi ........................................................... 24
1.3.4.2. Tỷ trọng ................................................................................................................ 25
iv
1.3.4.3. Mô đun đàn hồi .................................................................................................... 25
1.3.4.4. Hệ số Poison ......................................................................................................... 25
1.3.4.5. Cường độ kéo gián tiếp ........................................................................................ 26
1.3.4.6. Sự phát triển của cường độ nén theo thời gian ..................................................... 26
1.3.4.7. Co ngót và từ biến ................................................................................................ 26
1.3.4.8. Bền Sunfat ............................................................................................................ 27
1.3.4.9. Bền axit ................................................................................................................ 28
1.3.4.10. Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR) ..................................... 28
1.3.4.11. Tính ổn định nhiệt .............................................................................................. 29
1.3.5. Các lợi ích về kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer ...................... 30
1.3.5.1. Lợi ích về kinh tế ................................................................................................. 30
1.3.5.2. Lợi ích về môi trường........................................................................................... 30
1.3.6. Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer ................................................................ 32
1.3.7. Tiêu chuẩn tính toán thiết kế dành cho bê tông Geopolymer ..................................... 36
1.3.8. Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay ............................................ 36
1.3.9. Những hạn chế của việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay................................. 37
1.4. Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam .................................................. 38
1.5. Những yêu cầu nghiên cứu đặt ra cho luận án ............................................................. 39
1.6. Kết luận Chương 1 .......................................................................................................... 40
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY .... 41
2.1. Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay ........................... 41
2.2. Các tính chất của vật liệu được sử dụng ....................................................................... 42
2.2.1. Tro bay ........................................................................................................................ 42
2.2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tro bay ................................................................... 42
2.2.1.2. Tro bay sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................ 43
2.2.2. Dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................................... 43
2.2.2.1. Dung dịch Natri Hydroxyt ................................................................................... 43
2.2.2.2. Dung dịch Natri Silicat......................................................................................... 44
2.2.2.3. Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt........................................................................ 44
2.2.3. Cốt liệu lớn ................................................................................................................. 44
2.2.4. Cốt liệu nhỏ ................................................................................................................. 45
2.3. Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay............................................................... 46
2.3.1. Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay ............................................... 46
2.3.2. Bảo dưỡng mẫu ........................................................................................................... 47
2.4. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay .................................. 48
2.4.1. Lựa chọn hàm mục tiêu............................................................................................... 48
2.4.2. Xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ GPC ......................................................... 49
2.4.3. Xác định lượng cốt liệu thô và cốt liệu mịn ................................................................ 50
v
2.4.4. Xác định khối lượng của tro bay (FA) và dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) .............. 50
2.5. Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu ...................................................................... 50
2.6. Phân tích kết quả thí nghiệm .......................................................................................... 53
2.6.1. Phân tích hồi quy - phương sai ................................................................................... 53
2.6.2. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu .................................................................................................. 55
2.7. Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay................................ 55
2.8. Thí nghiệm kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC thiết kế ................................... 57
2.9. Sơ bộ tính toán giá thành của bê tông geopolymer tro bay đã thiết kế ...................... 61
2.10. Kết luận Chương 2 ........................................................................................................ 63
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN
CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY ..................................................................... 64
3.1. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................................... 64
3.2. Kế hoạch thí nghiệm ........................................................................................................ 64
3.3. Xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn ............................................................ 65
3.3.1. Chuẩn bị mẫu và tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 65
3.3.2. Mô đun đàn hồi của GPC ............................................................................................ 71
3.3.3. Cường độ kéo uốn ....................................................................................................... 72
3.4. Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép..................................................... 73
3.4.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 73
3.4.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 74
3.4.3. Trình tự thí nghiệm ..................................................................................................... 75
3.4.4. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 75
3.4.5. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm ....................................................................... 77
3.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC........................................................... 79
3.5.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 79
3.5.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 79
3.5.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 80
3.5.4. Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén của dầm bê tông geopolymer
chịu uốn................................................................................................................................. 83
3.5.4.1. Lý thuyết của Sargin, Hognestad và Popovics về thiết lập mô hình ứng suất - biến
dạng khi nén ...................................................................................................................... 83
3.5.4.2. Xây dựng mô hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer trên cơ
sở kết quả thí nghiệm ........................................................................................................ 84
3.6. Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC ............................................................ 87
3.6.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 87
3.6.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 87
3.6.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 88
3.6.4. Nhận xét kết quả ......................................................................................................... 89
vi
3.7. Kết luận Chương 3 .......................................................................................................... 90
CHƯƠNG 4.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM
GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP ............................................................................ 91
4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ..................................................................................................... 91
4.2. Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm ................................................................. 91
4.2.1. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm.............................................................................. 91
4.2.2. Hỗn hợp cấp phối ........................................................................................................ 92
4.2.3. Thiết kế và sản xuất các mẫu dầm thí nghiệm ............................................................ 92
4.2.4. Quá trình thí nghiệm ................................................................................................... 94
4.3. Kết quả thí nghiệm .......................................................................................................... 96
4.3.1. Quan hệ tải trọng - độ võng ........................................................................................ 96
4.3.2. Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm ................. 97
4.3.3. Nhận xét kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 99
4.3.4. Biến dạng của cốt thép chịu kéo và bê tông mặt trên của dầm ................................... 99
4.3.5. Xác định tải trọng - độ võng tại các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm ........... 101
4.4. Mô hình hóa dầm thí nghiệm bằng phần mềm ABAQUS ......................................... 102
4.4.1. Cốt thép ..................................................................................................................... 103
4.4.2. Bê tông ...................................................................................................................... 103
4.4.3. Chia phần tử .............................................................................................................. 105
4.5. Phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông Geopolymer tro bay .................................... 106
4.5.1. Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt.................................................................. 106
4.5.1.1. Trạng thái làm việc............................................................................................. 106
4.5.1.2. Momen gây nứt .................................................................................................. 107
4.5.2. Giai đoạn II - Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai
đoạn đàn hồi ........................................................................................................................ 108
4.5.2.1. Trạng thái làm việc............................................................................................. 108
4.5.2.2. Momen chảy dẻo cốt thép của mặt cắt ............................................................... 109
4.5.3. Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm ở trạng thái giới hạn về cường độ ....................... 111
4.5.3.1. Trạng thái làm việc............................................................................................. 111
4.5.3.2. Đề xuất giá trị biến dạng cực đại ɛcu của bê tông vùng nén trên dầm ................ 112
4.5.3.3. Xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật của mặt cắt dầm RGPC ........................ 115
4.5.3.4. Tính toán hệ số khối ứng suất chữ nhật cho mặt cắt dầm RGPC ....................... 117
4.5.3.5. So sánh với các đề xuất biến dạng nén lớn nhất của bê tông xi măng ............... 121
4.5.3.6. Momen cực hạn của mặt cắt dầm RGPC ........................................................... 124
4.5.4. Độ võng của dầm theo các giai đoạn chịu lực .......................................................... 126
4.5.5. Tính dẻo của dầm ...................................................................................................... 129
4.5.6. Dạng phá hoại trên dầm ............................................................................................ 130
4.5.7. Nhận xét về thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép.......... 132
vii
4.6. Nguyên tắc tính toán thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép sử dụng
hỗn hợp bê tông G_40 .......................................................................................................... 133
4.7. Phân tích ứng xử của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép ở trạng thái giới hạn
cường độ ................................................................................................................................ 134
4.7.1. Tiêu chuẩn sử dụng ................................................................................................... 134
4.7.2. Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông
Geopolymer tro bay ............................................................................................................ 134
4.7.3. Các thông số của dầm cầu tính toán.......................................................................... 135
4.7.3.1. Kết cấu nhịp ....................................................................................................... 135
4.7.3.2. Lựa chọn mặt cắt ngang dầm ............................................................................. 136
4.7.3.3. Bố trí cốt thép ..................................................................................................... 137
4.7.3.4. Đặc trưng hình học của mặt cắt .......................................................................... 138
4.7.4. Tính nội lực dầm ....................................................................................................... 138
4.7.5. Nội dung tính duyệt dầm .......................................................................................... 138
4.7.5.1. Sức kháng uốn .................................................................................................... 138
4.7.5.2. Kiểm tra độ võng ................................................................................................ 139
4.7.5.3. Kết quả tính duyệt .............................................................................................. 139
4.8. Kết luận Chương 4 ........................................................................................................ 140
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................. 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................... 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 144
viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70] ........................................................... 5
Hình 1.2: Sự gia tăng các trung tâm nghiên cứu và các xuất bản về geopolymer [98] .............. 8
Hình 1.3: Phương trình phản ứng geopolymer hóa [40] .......................................................... 10
Hình 1.4: Mô hình lý thuyết của quá trình geopolymer hóa [42] ............................................. 11
Hình 1.5: Hình ảnh của hạt tro bay loại F ................................................................................ 15
Hình 1.6: Bãi thải tro bay nhiệt điện ........................................................................................ 17
Hình 1.7: Mô hình kích hoạt kiềm của tro bay [46] ................................................................. 17
Hình 1.8: Vi cấu trúc của hạt tro bay phản ứng [46] ................................................................ 18
Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ W/GPS đến cường độ chịu nén của GPC [52]........................ 20
Hình 1.10: Ranh giới giữa chất kết dính và cốt liệu trong GPC (a), (b) và OPC (c) [48]. ....... 22
Hình 1.11: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52] ..................... 23
Hình 1.12: Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52] ................. 24
Hình 1.13: Co ngót khô của GPC bảo dưỡng nhiệt và điều kiện thường [81] ......................... 27
Hình 1.14: Ảnh hưởng của cường độ nén đến từ biến của GPC bảo dưỡng nhiệt [81] ........... 27
Hình 1.15: Độ bền axit sunfuric của bê tông geopolymer tro bay [84] .................................... 28
Hình 1.16: Tóm tắt các quá trình phát thải khí CO2 của GPC và OPC cùng cấp 40 [94] ........ 31
Hình 1.17: Sản phẩm bê tông tươi E-Crete™ và các công trình sử dụng [100]....................... 33
Hình 1.18: Sản phẩm thương mại GPC của Rocla ................................................................... 33
Hình 1.19: Tòa nhà Global Change Institute, trường Đại học Queensland .............................. 34
Hình 1.20: Sân bay Wellcamp xây dựng bằng bê tông EFC [98]. ........................................... 34
Hình 1.21: Mặt đường trong thành phố Toowoomba - bang Queensland, Australia ............... 35
Hình 1.22: Tường chắn EFC bằng các tấm panel đúc sẵn 40MPa ........................................... 35
Hình 1.23: Mặt đường EFC tại cảng Brisbane ......................................................................... 35
Hình 1.24: Các đoạn vỏ hầm EFC đúc sẵn của WAGNERS được sản xuất tại Australia và
Malaysia ................................................................................................................................... 36
Hình 1.25: Cầu bản trên đường ô tô bằng EFC cường độ 40MPa tại thành phố Toowoomba 36
Hình 2.1: Tro bay tại phòng thí nghiệm ................................................................................... 43
Hình 2.2: Vật liệu của dung dịch kiềm kích hoạt ..................................................................... 44
Hình 2.3: Cấp phối cát, đá dăm sau khi sàng trên máy theo ASTM C136-01 [31].................. 44
Hình 2.4: Biểu đồ cấp phối hạt của đá theo ASTM C33-99 [29] ............................................. 45
Hình 2.5: Biểu đồ cấp phối hạt của cát theo ASTM C136 - 01 [31]. ....................................... 46
Hình 2.6: Công tác cân và trộn vật liệu .................................................................................... 46
Hình 2.7: Đo độ sụt, đầm nén và chế tạo mẫu thử. .................................................................. 46
ix
Hình 2.8: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13] ........................ 47
Hình 2.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13]...................... 47
Hình 2.10: Bảo dưỡng mẫu thử trong lò sấy khô ..................................................................... 48
Hình 2.11: Phát triển cường độ nén theo thời gian [13] ........................................................... 49
Hình 2.12: Sơ đồ thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay-mặt ............................................................... 51
Hình 2.13: Chế tạo mẫu cho thí nghiệm tâm xoay-mặt ............................................................ 51
Hình 2.14: Đồ thị đánh giá số dư.............................................................................................. 54
Hình 2.15: Đồ thị đường mức và đồ thị bề mặt cho hàm hồi quy ............................................ 55
Hình 2.16: Kết quả hồi quy cho các cường độ yêu cầu của GPC............................................. 56
Hình 2.17: Các mẫu thử kiểm tra cường độ của các cấp phối GPC nghiên cứu ...................... 57
Hình 2.18: Kết quả kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC đã thiết kế ................................ 61
Hình 2.19: So sánh giá thành của 1m3 GPC với OPC .............................................................. 62
Hình 3.1: Quá trình đúc các mẫu dầm và trụ để xác định tính chất cơ học .............................. 65
Hình 3.2: Các mẫu xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn ......................................... 65
Hình 3.3: Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn .................................... 65
Hình 3.4: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén của GPC........................................ 71
Hình 3.5: Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của GPC .................................... 73
Hình 3.6: Quan hệ ứng suất dính bám và chuyển vị trượt thanh thép [47] .............................. 74
Hình 3.7: Sơ bộ cấu tạo mẫu thí nghiệm xác định ứng xử dính bám ....................................... 74
Hình 3.8: Chuẩn bị đúc bê tông mẫu thí nghiệm dính bám với thanh thép 22 mm .............. 75
Hình 3.9: Mẫu thí nghiệm dính bám sau khi đúc ..................................................................... 75
Hình 3.10: Bố trí mẫu thí nghiệm trên máy kéo ....................................................................... 75
Hình 3.11: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_30 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.12: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_40 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.13: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_50 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.14: Mô hình quan hệ ứng suất dính bám - chuyển vị trượt thanh thép theo MC 90 [27]
.................................................................................................................................................. 77
Hình 3.15: So sánh ứng suất dính bám trung bình của GPC thí nghiệm với
max theo MC-90
.................................................................................................................................................. 78
Hình 3.16: Dạng phá hoại mẫu bê tông trong thí nghiệm dính bám ........................................ 78
Hình 3.17: Thí nghiệm xác định quan hệ ứng suất biến dạng GPC ......................................... 79
Hình 3.18: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_30 ..................................... 82
Hình 3.19: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_40 ..................................... 82
x
Hình 3.20: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_50 ..................................... 82
Hình 3.21: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_30 .... 85
Hình 3.22: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_40 .... 85
Hình 3.23: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_50 .... 85
Hình 3.24: Quan hệ ứng suất - biến dạng đặc trưng khi nén của GPC..................................... 86
Hình 3.25: Sơ đồ thiết bị máy thử độ chống thấm nước .......................................................... 87
Hình 3.26: Mẫu thử thí nghiệm chống thấm nước ................................................................... 88
Hình 3.27: Kết quả thấm nước của mẫu GPC ở mức áp lực B12............................................. 89
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm uốn hai lực tập trung đối xứng [10] ............................................. 92
Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo của dầm thí nghiệm............................................................................ 93
Hình 4.3: Quá trình sản xuất 9 dầm thí nghiệm........................................................................ 94
Hình 4.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm (kích thước mm) .................................................. 95
Hình 4.5: Gắn các thiết bị thí nghiệm trên dầm ....................................................................... 95
Hình 4.6: Quan hệ tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm ............................................... 97
Hình 4.7: Độ cong của dầm ...................................................................................................... 97
Hình 4.8: Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm ............... 98
Hình 4.9: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_14 ..................... 99
Hình 4.10: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_16 ................. 100
Hình 4.11: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_18 ................. 100
Hình 4.12: Dầm bị phá hoại do vỡ bê tông vùng nén ............................................................. 100
Hình 4.13: Xác định các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm ........................................... 101
Hình 4.14: Vị trí các gối và tải trọng trong mô hình .............................................................. 102
Hình 4.15: Quan hệ ứng suất - biến dạng khai báo của cốt thép ............................................ 103
Hình 4.16: Mặt phá hoại của bê tông trong ứng suất phẳng ................................................... 104
Hình 4.17: Mô hình cứng hóa biến dạng của bê tông............................................................. 104
Hình 4.18: Mô hình phần tử sử dụng mô hình hóa dầm ......................................................... 105
Hình 4.19: Chia lưới phần tử trong ABAQUS ....................................................................... 105
Hình 4.20: Biến dạng trên dầm mô hình bằng ABAQUS ...................................................... 106
Hình 4.21: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn I [10] ..................................... 106
Hình 4.22: Biểu đồ so sánh giá trị momen gây nứt giữa thực nghiệm và tính toán ............... 108
Hình 4.23: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn II [10] .................................... 109
Hình 4.24: Biểu đồ so sánh giá trị momen chảy dẻo giữa thực nghiệm và tính toán ............. 110
Hình 4.25: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn III [10] .................................. 111
Hình 4.26: Quan hệ ứng suất - biến dạng theo mô hình của Hognestad [54]......................... 113
xi
Hình 4.27: Quan hệ giữa biến dạng nén và cường độ nén của GPC ...................................... 114
Hình 4.28: Mô hình khối ứng suất cho dầm mặt cắt chữ nhật [55] ........................................ 115
Hình 4.29: Tính gần đúng tích phân theo công thức Simpson ............................................... 117
Hình 4.30: Mô men uốn danh định tính theo biến dạng lớn nhất ɛcu...................................... 123
Hình 4.31: Biểu đồ so sánh giá trị momen cực hạn giữa thực nghiệm, tính toán và đề xuất . 125
Hình 4.32: Mô hình thí nghiệm và biến dạng trong thí nghiệm uốn bốn điểm ...................... 126
Hình 4.33: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_14 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.34: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_16 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.35: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_18 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.36: Quan hệ chỉ số dẻo của dầm và hàm lượng cốt thép chịu kéo ............................. 129
Hình 4.37: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_14 ................................. 130
Hình 4.38: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_16 ................................. 130
Hình 4.39: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_18 ................................. 131
Hình 4.40: Ứng suất theo phương dọc trục dầm thời điểm xuất hiện vết nứt ........................ 131
Hình 4.41: Vùng có khả năng xuất hiện vết nứt của dầm mô hình bằng ABAQUS .............. 131
Hình 4.42: Mặt cắt ngang cầu................................................................................................. 135
Hình 4.43: Mặt cắt ngang tại giữa nhịp dầm cầu chữ T-12m ................................................. 137
Hình 4.44: Bố trí cốt thép dọc chủ trên mặt cắt ngang dầm cầu ............................................ 137
xii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các dạng cấu trúc phân tử và ứng dụng của geopolymer [37, 38]: ........................... 9
Bảng 1.2: Nguyên liệu aluminosilicat phổ biến cho việc tổng hợp geopolymer [83] .............. 13
Bảng 1.3: Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 .................................................. 15
Bảng 1.4: Dữ liệu cho thiết kế hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay ít canxi [82]: ................. 21
Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ AAS/FA [82] ............................. 21
Bảng 2.1: Chỉ tiêu chất lượng của tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33].......... 42
Bảng 2.2: Thành phần hoá học của tro bay tính theo % khối lượng ........................................ 43
Bảng 2.3: Thành phần hạt của tro bay sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 43
Bảng 2.4: Khối lượng của NaOH rắn cần thiết để tạo thành 1kg dung dịch NaOH [52] ......... 44
Bảng 2.5: Thành phần cấp phối đá theo sau khi phối trộn tiêu chuẩn ASTM C33-99 [29] ..... 45
Bảng 2.6: Thành phần hạt của cát thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C136-01 [31]. ............. 45
Bảng 2.7: Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng ........................................... 49
Bảng 2.8: Bảng khối lượng của Na2SiO3 và NaOH cho 1m3 bê tông ...................................... 50
Bảng 2.9: Bảng mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm ............................... 51
Bảng 2.10: Kết quả thí nghiệm theo kế hoạch hỗn hợp tâm xoay-mặt .................................... 52
Bảng 2.11: Thông tin mô hình hồi quy cho kết quả thí nghiệm nén ........................................ 53
Bảng 2.12: Phân tích phương sai ANOVA cho mô hình hồi quy đã xây dựng........................ 53
Bảng 2.13: Quy định về cường độ nén trung bình yêu cấu theo ACI 318-11 [17] .................. 55
Bảng 2.14: Giá trị hai biến ứng với cường độ GPC yêu cầu .................................................... 56
Bảng 2.15: Thành phần cấp phối của GPC cấp 30, 40, 50 MPa .............................................. 57
Bảng 2.16: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 ........... 58
Bảng 2.17: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 ........... 59
Bảng 2.18: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 ........... 60
Bảng 2.19: Sơ bộ tính toán giá thành 1m3 bê tông Geopolymer tro bay .................................. 61
Bảng 2.20: Sơ bộ tính toán giá thành của 1m3 bê tông xi măng cùng cường độ:..................... 62
Bảng 3.1: Số lượng mẫu thí nghiệm các tính chất cơ học ........................................................ 64
Bảng 3.2: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 .......... 66
Bảng 3.3: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 .......... 67
Bảng 3.4: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 .......... 68
Bảng 3.5: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 ...... 69
Bảng 3.6: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 ...... 69
Bảng 3.7: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 ...... 70
Bảng 3.8: Kết quả mô đun đàn hồi thực nghiệm và tính toán .................................................. 71
xiii
Bảng 3.9: Kết quả cường độ kéo uốn thực nghiệm và tính toán .............................................. 72
Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm xác định ứng suất dính bám của GPC .................................... 78
Bảng 3.11: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_30 ........................................... 80
Bảng 3.12: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_40 ........................................... 81
Bảng 3.13: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_50 ........................................... 81
Bảng 3.14: Các thông số của quan hệ ứng suất biến dạng GPC theo mô hình Sargin ............. 83
Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm chống thấm ............................................................................. 88
Bảng 4.1: Thành phần và tính chất của bê tông Geopolymer G_40 dùng chế tạo dầm RGPC 92
Bảng 4.2: Cấu tạo, diện tích và tỷ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo .......................................... 93
Bảng 4.3: Chủng loại và số lượng thiết bị đo bố trí cho 01 dầm trong thí nghiệm .................. 95
Bảng 4.4: Số liệu kết quả quan hệ tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm ...................... 96
Bảng 4.5: Số liệu kết quả quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của dầm thí nghiệm
.................................................................................................................................................. 98
Bảng 4.6: Tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng tại các thời điểm đặc biệt .......... 101
Bảng 4.7: Các thông số của cốt thép sử dụng trong khai báo ABAQUS ............................... 103
Bảng 4.8: Các thông số của bê tông Geopolymer sử dụng trong khai báo ABAQUS ........... 103
Bảng 4.9: So sánh Momen gây nứt giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán ........................ 107
Bảng 4.10: So sánh Momen chảy dẻo giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán .................... 109
Bảng 4.11: Số liệu tính toán biến dạng cực đại của bê tông vùng nén trên dầm .................... 113
Bảng 4.12: Đề xuất giá trị biến dạng nén lớn nhất của GPC dùng tính toán.......................... 114
Bảng 4.13: Số liệu quan hệ ứng suất - biến dạng đặc trưng dùng tính toán
k1, k2 ................ 117
Bảng 4.14: Tính toán giá trị hệ số khối ứng suất chữ nhật ..................................................... 120
Bảng 4.15: Giá trị các hệ số khối ứng suất chữ nhật sử dụng tính toán ................................. 121
Bảng 4.16: Giá trị mô men uốn danh định tính theo biến dạng lớn nhất ɛcu .......................... 122
Bảng 4.17: Giá trị các hệ số khối ứng suất sử dụng tính toán ................................................ 124
Bảng 4.18: So sánh Momen cực hạn giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán ...................... 124
Bảng 4.19: Chỉ số dẻo của các dầm thí nghiệm...................................................................... 129
Bảng 4.20: Các giá trị tính toán của G_40 dùng cho thiết kế dầm cầu .................................. 135
Bảng 4.21: Kích thước hình học giữa nhịp của dầm cầu chữ T-12m ..................................... 137
Bảng 4.22: Đặc trưng hình học mặt cắt dầm .......................................................................... 138
Bảng 4.23: Kết quả kiểm toán dầm cầu T12 m ...................................................................... 139
xiv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
AAS:
Dung dịch kiềm kích hoạt (Alkaline activator solution).
ASR:
Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction).
FA:
Tro bay (Fly ash).
GP:
Geopolymer
GPC:
Bê tông geopolymer (Geopolymer concrete).
GPS:
Chất rắn geopolymer (Geopolymer solid).
C-S-H:
Calcium-silicate-hydrate.
GGBS:
Xỉ lò cao (Ground Granulated Blast Furnace Slag).
OPC:
Xi măng Poóclăng thông thường (Ordinary Portland Cement).
RGPC:
Bê tông geopolymer cốt thép (Reinforced geopolymer concrete).
ROPC:
Bê tông xi măng cốt thép (Reinforced ordinary portland concrete).
SSS:
Dung dịch natri silicat (Sodium Silicate Solution).
W/C:
Tỷ lệ nước/ xi măng (Water/Cement ratio).
TTGH:
Trạng thái giới hạn.
PTHH:
Phần tử hữu hạn.
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình giao
thông nói riêng được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu
công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Đa số các công trình xây dựng đều theo
hướng sử dụng bê tông với chất kết dính xi măng poóclăng. Đây là chất kết dính có ưu
điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy. Bê tông cốt thép truyền thống luôn được ưu
tiên lựa chọn do có những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như giá thành xây dựng.
Tuy nhiên, sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do
mức độ phát thải khí CO2 và bụi nhiều. Việc sản xuất một tấn xi măng phát ra khoảng
hơn một tấn carbon dioxide vào bầu khí quyển, điều này cũng dẫn đến nhiều hệ lụy, đặc
biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường. Sản xuất xi măng không chỉ tiêu tốn nhiều năng
lượng, mà còn tiêu thụ đáng kể các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa với tốc độ tăng trưởng kinh tế
cao, khoảng 6%/năm. Quá trình công nghiệp hoá đòi hỏi ngành sản xuất điện phát triển
ngày càng nhiều các nhà máy nhiệt điện chạy than. Tro bay là một thải phẩm của các
nhà máy này. Hầu hết tro bay không được sử dụng một cách hiệu quả, phần lớn của nó
được xử lý trong các bãi chôn lấp. Việc nghiên cứu tận dụng các chất thải công nghiệp,
như tro bay nhiệt điện, ngày càng trở nên cấp thiết ở trên thế giới và cả Việt Nam. Vì
vậy, giảm dần lượng xi măng sử dụng và tìm kiếm một loại chất kết dính “xanh” thân
thiện với môi trường là yêu cầu được đặt ra. Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định
nghĩa là các vật liệu được chế tạo và sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi
trường. Quá trình sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho hoặc có thể kết
hợp sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra, hoặc giảm thiểu tối đa sự phát tán
chất thải. Đây là xu hướng đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng poóclăng trong xây dựng, đồng thời
tận dụng có hiệu quả chất thải công nghiệp tro bay nhiệt điện thì một loại chất kết dính
mới đang được nghiên cứu và từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng. Chất kết dính
đó sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp với một số hợp chất hoá học thông thường. Cơ
chế của chất kết dính mới này là quá trình polymer hoá các thành phần đioxít silíc trong
tro bay để tạo ra lực dính kết, hình thành bộ khung vô cơ bền vững và có khả năng chịu
lực. Chất kết dính mới này được gọi là chất kết dính geopolymer.
Vật liệu geopolymer là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm chất kết
dính geopolymer và các thành phần chất độn. Sau khi nhào trộn, đầm nén, tạo hình và
2
dưỡng hộ sản phẩm phát triển cường độ và đạt được các tính chất kỹ thuật cần thiết.
Chất kết dính geopolymer có tính dính kết cao và có khả năng dính kết với hầu hết các
loại cốt liệu trong quá trình rắn chắc. Vật liệu sử dụng chất kết dính geopolymer được
gọi là vật liệu geopolymer.
Vật liệu geopolymer được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1970 bởi nhà
khoa học người Pháp là Joseph Davidovits. Sau đó nó được tiếp tục nghiên cứu và ứng
dụng ở các nước Châu Âu, Mỹ, Úc và một số quốc gia phát triển khác và đã đạt được
những thành tựu khả quan.
Viện công nghệ Geopolymer của Pháp “Geopolymer Institude” đã nghiên cứu và
chế tạo thành công các sản phẩm từ chất kết dính geopolymer như: khuôn đúc cho các
dụng cụ công nghệ cao; sản xuất gạch, vật liệu xây dựng với chi phí thấp; vật liệu chịu
lửa, chịu nhiệt trong các ứng dụng cho kết cấu vỏ bảo vệ phạm vi nhiệt độ từ 300oC đến
1000oC; vật liệu cho các công trình che chắn, ngăn chặn lâu dài ảnh hưởng của các chất
thải độc hại và chất phóng xạ...
Đại học Curtin, Australia đã có các nghiên cứu sâu về sự phát triển, quá trình chế
tạo, ứng xử và các ứng dụng của bê tông geopolymer. Bê tông geopolymer tro bay chế
tạo được có các tính chất như: cường độ cao, chống thấm, bền hóa chất và cách nhiệt
tốt…Các nghiên cứu bước đầu đã thử nghiệm bê tông geopolymer cốt thép cho các mẫu
cột, dầm trong xây dựng dân dụng, các cầu bản và cầu dầm bê tông geopolymer cốt thép
đúc sẵn…Các kết quả nghiên cứu nêu trên cho thấy bê tông geopolymer tro bay đáp ứng
được các yêu cầu về kỹ thuật, giá cạnh tranh và nhất là tính thân thiện với môi trường
so với bê tông xi măng truyền thống.
Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực vật
liệu xây dựng và các ứng dụng trong các kết cấu. Kết cấu bê tông geopolymer tro bay
cốt thép hiện vẫn chưa được đi sâu nghiên cứu. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử của bê
tông geopolymer tro bay vào các kết cấu chịu lực, trong đó có kết cấu dầm chịu uốn là
cần thiết.
2. Đối tượng nghiên cứu
-
Thành phần của bê tông geopolymer tro bay.
-
Các tính chất cơ học chủ yếu của các hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay có
cường độ đặc trưng 30-50 MPa gồm: cường độ nén, mô đun đàn hồi, cường độ
kéo uốn, khả năng dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất biến dạng khi nén, và
độ bền chống thấm nước.
-
Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
3
3. Mục tiêu nghiên cứu
-
Xác định được thành phần của bê tông geopolymer có thể sử dụng được trong kết
cấu cầu.
-
Xác định được mô hình cơ học của vật liệu bê tông geopolymer dùng để tính toán
chịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép.
-
Xác định sự phù hợp của mô hình tính toán với kết quả thí nghiệm ứng xử uốn
của dầm bê tông geopolymer có cốt thép.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt được, dùng thực
nghiệm để kiểm chứng. Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng lý thuyết
quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm theo phương pháp thống kê toán học để đánh
giá và xử lý số liệu thu được.
5. Phạm vi nghiên cứu
-
Phạm vi nghiên cứu của vật liệu thành phần:
Tro bay sử dụng là tro bay đạt loại F ít can xi theo tiêu chuẩn ASTM C61803;
Dung dịch kiềm kích hoạt có nguồn gốc từ Natri bao gồm xút NaOH và
thủy tinh lỏng Na2SiO3;
Các cốt liệu của bê tông geopolymer bao gồm đá, cát được lựa chọn giống
như đối với bê tông xi măng để đảm bảo độ chặt của hỗn hợp.
-
Phạm vi nghiên cứu về các tính chất cơ học của bê tông geopolymer:
Cường độ chịu nén;
Cường độ kéo uốn;
Mô đun đàn hồi;
Khả năng dính bám với cốt thép;
Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén;
Mô hình cơ học của vật liệu khi sử dụng để tính toán dầm bê tông
geopolymer cốt thép chịu uốn.
Khả năng chống thấm nước.
-
Phạm vi nghiên cứu của kết cấu bê tông geopolymer cốt thép:
Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm;
Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm chịu uốn,
4
Xác định lại sự phù hợp của việc tính toán dầm dựa trên mô hình vật liệu
đã đề xuất với kết quả trên các dầm thực nghiệm;
Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-
Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm của bê tông
geopolymer cũng như khả năng sử dụng của vật liệu này trong xây dựng.
-
Đề xuất được phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với các vật liệu
Việt Nam.
-
Xác định được một số tính chất cơ lý quan trọng của các cấp bê tông geopolymer
tro bay đã chế tạo.
-
Đề xuất được phương pháp xác định sức kháng uốn của mặt cắt dầm bê tông
geopolymer tro bay cốt thép.
-
Cung cấp được bằng thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông geopolymer
tro bay cốt thép.
-
Kiến nghị nguyên tắc thiết kế dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
-
Về thực tiễn: Đề xuất một giải pháp kỹ thuật mới để tận dụng vật liệu có nguồn
gốc thải phẩm công nghiệp (tro bay nhiệt điện) để thay thế chất kết dính xi măng
poóclăng truyền thống trong sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam. Trên cơ sở
đó góp phần phát triển một loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ
BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
1.1. Bê tông xi măng
1.1.1. Sự phát triển của xi măng và bê tông
Kể từ khi phát minh ra xi măng poóclăng, bê tông xi măng đã trở thành vật liệu
xây dựng phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Năm 1900, tổng sản
lượng xi măng của thế giới là khoảng 10 triệu tấn [20] và đã tăng lên tới 3,31 tỷ tấn
trong năm 2010 [96]. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5%
mỗi năm và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ…
Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70]
Ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam đã có lịch sử phát triển trên 100 năm,
bắt đầu từ Nhà máy xi măng Hải Phòng được thành lập năm 1899. Từ năm 1991 đến
nay là giai đoạn phát triển mạnh nhất của ngành xi măng Việt Nam. Năm 2010, tổng
công suất thiết kế của các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần, đạt 63 triệu tấn/năm và
Việt Nam trở thành nước đứng đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng, về cơ bản cung
đã vượt cầu. Theo định hướng quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam, tổng công
suất năm 2015 là 94 triệu tấn và đến năm 2030 là 139 triệu tấn [11].
Kể từ khi xi măng poóclăng ra đời, ngành công nghiệp xi măng và bê tông đã
phải đối mặt với các vấn đề lớn về môi trường và năng lượng. Việc sản xuất xi măng
không chỉ tiêu thụ đáng kể năng lượng và tài nguyên thiên nhiên mà còn thải ra một
lượng lớn bụi và khí nhà kính như CO2, NO2 và CH4… Khi các quốc gia xây dựng chính
sách phát triển bền vững, thì những ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng hoặc tài
6
nguyên thiên nhiên nhiều hơn sẽ phải chịu chính sách mức giá cao hơn để khuyến khích
phát triển thị trường theo hướng bền vững hơn. Các ngành công nghiệp xi măng và bê
tông cũng nằm trong số các ngành công nghiệp đó.
1.1.2. Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng
Quá trình sản xuất xi măng tiêu thụ rất nhiều năng lượng và các nguồn tài nguyên
thiên nhiên không tái tạo như trầm tích đá vôi, than đá… Sản xuất một tấn xi măng phát
thải khoảng 1-1,2 tấn CO2, một loại khí nhà kính gây nóng lên toàn cầu. Hơn 7% sản
lượng CO2 trên thế giới là do liên quan đến sản xuất xi măng [65]. Vì vậy, việc tìm kiếm
chất kết dính mới thay thế xi măng poóclăng đáp ứng yêu cầu phát triển ngành công
nghiệp xây dựng bền vững, thân thiện môi trường là cần thiết. Tuy nhiên, vật liệu chất
kết dính mới cũng cần có cường độ đạt yêu cầu và tính chất độ bền ít nhất tương tự như
xi măng truyền thống.
Trong khoảng bốn thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nghiên cứu sâu
rộng với mục đích tạo ra những công trình xây dựng thân thiện với môi trường hơn. Một
trong các hướng nghiên cứu đó là tìm kiếm các vật liệu có thể thay thế xi măng poóclăng
trong sản xuất bê tông. “Geopolymer” đã được nghiên cứu và dần cho thấy nó có thể
góp phần đa dạng hóa các giải pháp về chất kết dính, có thể thay thế một phần thị trường
của xi măng. Ngoài ra, geopolymer còn tận dụng nguyên liệu là các chất thải công nghiệp
như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer còn đáp ứng những yêu cầu về
môi trường đối với chất kết dính xanh hơn và thân thiện hơn.
1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới
1.2.1. Nguồn gốc tên gọi
Thuật ngữ “geopolymer” lần đầu tiên được giới thiệu với thế giới vào năm 1978
bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits. Ông giải thích rằng việc sản xuất đất
đá nhân tạo ở nhiệt độ dưới 100oC tạo ra sản phẩm có đặc tính như đá tự nhiên là một
lĩnh vực khoa học mới. Davidovits đề xuất rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để
phản ứng với một nguyên liệu chứa nhiều khoáng silic (Si) và nhôm (Al) (nguyên liệu
aluminosilicat), có nguồn gốc địa chất (cao lanh, tro bụi núi lửa…) hoặc các thải phẩm
công nghiệp (tro bay, tro trấu, xỉ lò cao…) để tạo ra chất kết dính. Các phản ứng hóa
học diễn ra trong trường hợp này là một quá trình polymer hóa nên Davidovits đã đặt ra
thuật ngữ “geopolymer” để đại diện cho các chất kết dính này [36, 37].
7
Thuật ngữ “geopolymer” hiện nay đã trở nên phổ biến để đại diện cho vật liệu
tổng hợp kiềm aluminosilicat. Một số tên gọi khác của các tác giả khác nhau được đặt
ra để mô tả những vật liệu tương tự geopolymer như polymer vô cơ, chất kết dính kiềm
kích hoạt… Tuy nhiên, thuật ngữ được sử dụng phổ biến hơn cả là “geopolymer” sẽ
được dùng trong suốt luận án này.
1.2.2. Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer
Trong cuốn sách “Kim tự tháp: Một lời giải bí ẩn”, Davidovits đã giải thích về
khả năng geopolymer được người Ai Cập sử dụng để xây dựng các kim tự tháp, dựa trên
các mẫu vật rải rác trong các công trình của Ai Cập cổ đại [41].
Tuy nhiên, sản phẩm thực sự hiện đại dựa trên alumino-silicat có thể được bắt
nguồn từ những năm 1930 khi nhà khoa học người Bỉ là Purdon sử dụng phản ứng giữa
các oxit kiềm với xỉ luyện kim để tạo ra một chất kết dính cứng nhanh chóng, có thể
thay thế được xi măng trong bê tông [76]. Trong những năm 1950, quân đội Hoa Kỳ sử
dụng NaOH kích hoạt xỉ để sản xuất chất kết dính sử dụng trong các ứng dụng quân sự
[64]. Vào những năm 1970-1973, Davidovits phát triển những vật liệu này cho các ứng
dụng chịu nhiệt sau một loạt các vụ cháy ở châu Âu và các sản phẩm ra đời sau đó được
ứng dụng cho việc phòng cháy trên tàu du lịch, và nhiều ứng dụng khác [40].
Sau khi Davidovits đưa ra những kết quả nghiên cứu mới của ông về chất kết
dính aluminosilicate là “geopolymer” lần đầu tiên (được tổng hợp bằng cách kích hoạt
cao lanh, đất sét nung với dung dịch natri silicat ở nhiệt độ thấp) vào năm 1991 [40], thì
động lực nghiên cứu vào lĩnh vực geopolymer đã được bắt đầu. Các nghiên cứu thời kỳ
này chủ yếu thực hiện dựa trên các nguyên liệu metakaolanh và xỉ.
Nghiên cứu về geopolymer tro bay được bắt đầu phát triển từ báo cáo của
Wastiels tại hội nghị quốc tế về quản lý chất thải rắn năm 1993 tại Philadelphia [97].
Đây là báo cáo đầu tiên, đáng tin cậy chỉ ra geopolymer tính năng cao được chế tạo bằng
cách kích hoạt kiềm của tro bay và sản phẩm thu được có thể được ứng dụng trong các
lĩnh vực xây dựng. Đến nay, phần lớn các nghiên cứu ứng dụng về vật liệu geopolymer
đều tập trung vào việc sử dụng nguyên liệu từ tro bay.
Khoa học về geopolymer đã được nghiên cứu ở một số phòng thí nghiệm, các
trường đại học và một số tổ chức. Đã có sự gia tăng mạnh mẽ trong nghiên cứu
geopolymer trong khoảng gần 10 năm trở lại đây (Hình 1.2).
8
Hình 1.2: Sự gia tăng các trung tâm nghiên cứu và các xuất bản về geopolymer [98]
Từ năm 2009, Viện Geopolymer của Pháp và Đại học ILLINOIS, Hoa Kỳ đã
thống nhất tổ chức hai hội nghị khoa học chính thức về geopolymer mỗi năm bao gồm:
Hội nghị chuyên đề tháng Giêng được tổ chức tại Daytona Beach, Florida nằm trong
khung của Hội nghị quốc tế về gốm sứ và Composite ICACC và Hội nghị tháng Bảy
GeopolymerCamp được tổ chức tại Saint-Quentin, Pháp [98].
1.2.3. Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer
Geopolymer là một trong các hợp chất polymer vô cơ. Thành phần hóa học của
vật liệu geopolymer tương tự như các vật liệu zeolite tự nhiên, nhưng vi cấu trúc là vô
định hình [72, 103].
Davidovits cho rằng bộ xương cấu trúc của geopolymer này là “poly-sialate”. Poly
là nhiều và sialate là viết tắt của silico-oxo-aluminate. Các mạng poly-sialate là một
khung bao gồm các cấu trúc ba chiều rất cứng chắc của SiO4
4
và AlO4 ở dạng tứ
5
diện liên kết theo mọi hướng bằng cách chia sẻ các nguyên tử oxy với các mức độ khác
nhau để thay thế aluminat (nhôm ở dạng oxit) [40]. Các ion dương (cation) phải có mặt
để trung hòa điện tích âm của các đơn vị tứ diện AlO4 trong mạng poly-sialate [59].
5
Các cation có thể là bất kỳ một trong các kim loại kiềm hoặc kiềm thổ có sẵn như
Na , K , Li , Ca2 , Ba2 ... Poly-sialate có công thức tổng quát sau đây [40]:
M n - SiO 2 z - AlO 2
Trong đó:
M
n
z
n
. wH 2 O
là một cation (ion dương);
là số chỉ mức độ trùng ngưng;
chỉ ra là sự hiện diện của 1 liên kết;
là mức độ thay thế aluminat [40, 59].
(1.1)
9
Các mức độ thay thế aluminat khác nhau sẽ tạo ra các cấu trúc phân tử geopolymer
khác nhau. Tỷ lệ nguyên tử Si:Al trong cấu trúc sialate sẽ xác định các tính chất và định
hướng ứng dụng của geopolymer [37].
Bảng 1.1: Các dạng cấu trúc phân tử và ứng dụng của geopolymer [37, 38]:
Phân loại
Tỷ lệ
Sơ đồ cấu trúc
Si / Al
Poly-sialate
(PS)
1
Gạch, gốm sứ và vật
liệu phòng cháy
2
Chất kết dính cho bê
tông, bao bọc chất
phóng xạ và độc hại
3
Vật liệu tổng hợp
chịu nhiệt 200oC1000oC và các
khuôn đúc
>3
- Vật liệu gắn kín
cho công nghiệp
200oC-600oC,
- Vật liệu chịu lửa
Poly-sialatesiloxo
(PSS)
Poly-sialatedisiloxo
(PSDS)
Poly-silatemultisiloxo
(PSMS)
Liên kết các Sialate
Cấu tạo không gian
Ứng dụng
1.2.4. Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa
Quá trình geopolymer hóa liên quan đến một phản ứng hóa học xảy ra nhanh giữa
các oxit aluminosilicat và các silicat khác nhau trong điều kiện kiềm mạnh. Đó là một
phản ứng tỏa nhiệt. Sự hình thành vật liệu geopolymer có thể được mô tả từ các phương
trình 1.2 và 1.3 [40].
Các phương trình 1.2 và 1.3 cho thấy, nước là một trong những sản phẩm cuối
cùng của quá trình geopolymer hóa. Nước bị loại khỏi chất kết dính geopolymer trong
suốt quá trình bảo dưỡng và trong suốt thời kỳ hóa rắn và để lại các lỗ rỗng nhỏ kích
thước nano không liên tục trong chất kết dính [52]. Hardjito và Rangan còn cho rằng
nước trong hỗn hợp geopolymer không có vai trò trong quá trình geopolymer hóa. Do
đó, nước không có vai trò trong khi phản ứng hóa học diễn ra, trái ngược với phản ứng
hóa học của nước trong hỗn hợp bê tông xi măng, nó chỉ đơn thuần làm tăng tính công
tác của hỗn hợp [52].
