Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao dùng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và PGSD để chế tạo bê tông VHSC có độ chảy cao đạt từ 550÷850 mm, cường độ nén ở tuổi 28 ngày ≥100MPa, cường độ uốn >10MPa trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao dùng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Lưu Văn Sáng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO DÙNG HỖN HỢP PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME, TRO BAY VÀ CÁC VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 9520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Phạm Hữu Hanh 2. PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Hà Nội – Năm 2021
MỤC LỤC Lời cam đoan ............................................................................................................... i Danh mục các ký hiệu, cụm từ viết tắt ....................................................................... ii Danh mục các bảng ................................................................................................... iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................................v MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ...................................................................................2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................2 4. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN ...................................................................2 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................................3 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................3 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .............................................................5 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO.................... 5 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO ..................................5 1.1.1 Khái niệm bê tông cường độ rất cao ...............................................................5 1.1.2 Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ rất cao ...............................................5 1.1.3 Vật liệu chế tạo bê tông cường độ rất cao VHSC ...........................................6 1.1.4 Một số tính chất của bê tông cường độ rất cao. ............................................10 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRÊN THẾ GIỚI .............................................................................................12 1.2.1 Tình hình nghiên cứu VHSC.........................................................................12 1.2.2 Tình hình ứng dụng VHSC ...........................................................................18 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO Ở VIỆT NAM ..................................................................................................21 1.4 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM .....................................................................................................22 2 Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO VHSC ........................................... 26 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ......................26
2.1.1 Nâng cao cường độ đá chất kết dính .............................................................26 2.1.2 Nâng cao chất lượng cốt liệu.........................................................................26 2.1.3 Tăng khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng .....................................27 2.1.4 Nâng cao cường độ bê tông bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt................27 2.1.5 Nâng cao cường độ uốn bê tông bằng cách sử dụng cốt sợi .........................31 2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG TRONG BÊ TÔNG . .......................................................................................................................33 2.2.1 Vai trò của PGK trong bê tông......................................................................33 2.2.2 Cơ sở khoa học đánh giá vai trò của tác dụng vật lý và hóa học khi sử dụng phụ gia khoáng trong bê tông ....................................................................................38 2.2.3 Cơ sở khoa học đánh giá hiệu ứng tương hỗ trong bê tông ..........................42 3 Chương 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . ....................................................................................................................... 46 3.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU SỬ DỤNG..................................46 3.1.1 Xi măng .........................................................................................................46 3.1.2 Phụ gia khoáng ..............................................................................................47 3.1.3 Phụ gia trơ .....................................................................................................48 3.1.4 Cốt liệu ..........................................................................................................49 3.1.5 Cốt sợi ...........................................................................................................50 3.1.6 Phụ gia siêu dẻo ............................................................................................51 3.1.7 Nước ..............................................................................................................51 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..........................51 3.2.1 Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn.......................................................51 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn .......................................................52 3.2.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông. ....................................................53 3.2.4 Phương pháp xác định vai trò vật lý và hóa học của phụ gia khoáng ...........54 3.2.5 Phương pháp xác định định lượng hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK .......56 4 Chương 4 VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ TRO BAY TRONG HỆ CHẤT KẾT DÍNH .................................................................. 57
4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PGK ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH ...............................................................................57 4.1.1 Ảnh hưởng của phụ gia khoáng SF và FA tới tính công tác của hồ CKD ....58 4.1.2 Ảnh hưởng của PGK SF và FA tới cường độ của CKD ...............................60 4.2 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ TƯƠNG HỖ CỦA TỔ HỢP PGK SF VÀ FA ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CKD ........................................................................65 4.2.1 Cải thiện tính công tác của hồ CKD .............................................................65 4.2.2 Cải thiện cường độ đá CKD ..........................................................................66 4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng sự tương hỗ của tổ hợp PGK đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng........................................................................................................69 4.2.4 Ảnh hưởng sự tương hỗ đến lượng nước liên kết trong đá xi măng. ............72 4.2.5 Ảnh hưởng phụ gia khoáng đến cấu trúc của đá xi măng. ............................73 5 Chương 5 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VHSC ......................................................................................... 77 5.1 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VHSC ..............................................................77 5.1.1 Thiết kế thành phần hạt cho VHSC ..............................................................77 5.1.2 Tính toán thành phần bê tông cường độ rất cao ............................................80 5.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của của các loại vật liệu đến tính chất bê tông ........81 5.1.4 Tối ưu hóa thành phần vật liệu cấp phối VHSC ...........................................85 5.2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VHSC SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ TRO BAY ................................................................................91 5.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến tính công tác của hỗn hợp bê tông.....92 5.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến co nội sinh bê tông ............................93 5.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến cường độ của bê tông VHSC.............96 5.3 VAI TRÒ VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ TRO BAY TRONG VHSC ....................................................................98 5.3.1 Vai trò vật lý và hóa học của SF ...................................................................99 5.3.2 Vai trò của phụ gia khoáng tro bay .............................................................102
5.4 HIỆU QUẢ TƯƠNG HỖ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ TRO BAY TRÊN HỆ BÊ TÔNG ...........................................................................105 5.4.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng tương hỗ đến tính công tác của hỗn hợp bê tông106 5.4.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng tương hỗ đến co nội sinh trong bê tông ..............106 5.4.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng tương hỗ đến cường độ của VHSC ....................107 5.4.4 Tính chất độ bền lâu của VHSC..................................................................109 5.5 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT SỢI THÉP ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VHSC .....................................................................................................................112 5.5.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến tính công tác của HHBT ...........................112 5.5.2 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến cường độ nén và khối lượng thể tích.........113 5.5.3 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến cường độ uốn và độ bền dẻo dai ...............114 5.5.4 Mô đun đàn hồi của bê tông. .......................................................................115 5.6 ỨNG DỤNG VHSC TRÊN KẾT CẤU DẠNG DẦM ...............................116 5.6.1 Cấp phối chế tạo dầm VHSC trong điều kiện phòng thí nghiệm................116 5.6.2 Quá trình đúc và thử nghiệm.......................................................................116 5.6.3 Kết quả nghiên cứu và bàn luận ..................................................................118 6 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 122 7 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................. 124 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 125 9 PHỤ LỤC ............................................................................................................PL1
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Hữu Hanh và PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn đã hết lòng giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng, Khoa Vật liệu xây dựng, Khoa Sau đại học, Phòng Thí nghiệm và Nghiên cứu Vật liệu xây dựng (LAS XD 115), Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công nghệ Vật liệu xây dựng, Bộ môn Hóa, Phòng Thí nghiệm Công Trình (LAS XD 125) đã giúp đỡ trong thời gian qua. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Sư phạm, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tiến hành nghiên cứu của luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động viên, khích lệ tôi hoàn thành luận án này. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tôi đã luôn sát cánh, giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Tác giả luận án Lưu Văn Sáng
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lưu Văn Sáng
ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CỤM TỪ VIẾT TẮT BT : Bê tông BTCĐC : Bê tông cường độ cao BTCLC : Bê tông chất lượng cao BTCS : Bê tông cốt sợi BTCT : Bê tông cốt thép C : Cát C/CL : Tỷ lệ cát/Cốt liệu, theo khối lượng CĐC : Cường độ cao CKD : Hỗn hợp chất kết dính CKD/CL : Tỷ lệ chất kết dính/ cốt liệu, theo khối lượng CL : Cốt liệu CLC : Chất lượng cao C/CL : Tỷ lệ Cát/Cốt liệu, theo khối lượng FA : Tro bay FE : Hiệu ứng điền đầy (Filler Effect) GGBFS : Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn HHBT : Hỗn hợp bê tông HSC : Bê tông cường độ cao N : Nước N/CKD : Tỷ lệ nước/chất kết dính, theo khối lượng PC : Xi măng Pooclăng (Portland Cement) PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp (Blended Portland Cement) PGK : Phụ gia khoáng PGSD : Phụ gia siêu dẻo PE : Hiệu ứng puzơlanic (Pozzolanic Effect) SCC : Bê tông tự lèn (Self CoMPacting Concrete) SF : Silica fume TE : Hiệu ứng tổng (Total Effect) Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance UHPC : Concrete) VHSC : Bê tông cường độ rất cao (Very High Strength Concrete) XM : Xi măng
iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại bê tông theo Hiệp hội Xi măng thế giới [103] .............................5 Bảng 1.2 Độ bền của VHSC so với các loại bê tông khác2 ......................................12 Bảng 1.3 Một số dự án sử dụng bê tông [58, 72, 132] ..............................................19 Bảng 3.1 Các tính chất cơ bản của xi măng PC40 Bút Sơn ......................................46 Bảng 3.2 Thành phần hóa của xi măng và các phụ gia khoáng ................................46 Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật của SF sử dụng trong nghiên cứu .................................47 Bảng 3.4 Các tính chất cơ bản của tro bay ................................................................48 Bảng 3.5 Các tính chất cơ bản của bột ôxit titan ......................................................48 Bảng 3.6 Kết quả tính chất cơ bản của cốt liệu nhỏ ..................................................49 Bảng 3.7 Kết quả tính chất cơ bản của cốt liệu lớn sử dụng trong nghiên cứu ........50 Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của sợi thép ..................................................................51 Bảng 4.1 Ảnh hưởng hàm lượng PGK đến tính chất hồ CKD..................................57 Bảng 4.2 Ảnh hưởng PGK đến cường độ đá CKD tại tỷ lệ N/CKD=0,22 ...............60 Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm tính chất hồ CKD khi sử dụng PGK khác nhau .........65 Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm cường độ CKD với các PGK khác nhau ....................67 Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm hàm lượng CH............................................................70 Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm lượng nước liên kết ....................................................72 Bảng 4.7 Ảnh hưởng loại PGK đến cấu trúc lỗ rỗng đá CKD .................................73 Bảng 5.1 Kết quả thành phần vật liệu đến độ lèn chặt hỗn hợp hạt .........................78 Bảng 5.2 Bảng đánh giá mô hình thí nghiệm xác định độ chặt ...............................79 Bảng 5.3 Tỷ lệ phối hợp tối ưu của các cấp hạt trong bê tông..................................80 Bảng 5.4 Tỷ lệ và lượng dùng vật liệu của VHSC theo phương pháp thành phần hạt ...................................................................................................................................81 Bảng 5.5 Các vật liệu thành phần của cấp phối BT theo phương pháp tối ưu hóa thành phần hạt sau khi hiệu chỉnh. ......................................................................................81 Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần và kết quả khảo sát ảnh hưởng loại và lượng dùng vật liệu đến tính chất HHBT và bê tông.................................................................................81 Bảng 5.7 Bảng mã hóa các biến và hàm mục tiêu ....................................................86
iv Bảng 5.8 Giá trị mã hóa các biến số..........................................................................86 Bảng 5.9 Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm theo biến mã và biến thực.............86 Bảng 5.10 Kết quả hàm mục tiêu theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai ...................87 Bảng 5.11 Kiểm tra các hệ số phương trình hồi quy ................................................88 Bảng 5.12 Thành phần bê tông tại các giá trị cực trị theo lý thuyết và thực nghiệm90 Bảng 5.13 Tỷ lệ và thành phần cấp phối hợp lý bê tông M100 ................................91 Bảng 5.14 Bảng cấp phối nghiên cứu tính chất của VHSC ......................................91 Bảng 5.15 Tính công tác của VHSC ở các hàm lượng PGK khác nhau ...................92 Bảng 5.16 Ảnh hưởng của PGK đến co nội sinh theo thời gian ...............................96 Bảng 5.17 Cường độ VHSC sử dụng PGK khác nhau..............................................96 Bảng 5.18 Kết quả thí nghiệm đánh giá vai trò vật lý và hóa học của SF ...............99 Bảng 5.19 Kết quả thí nghiệm đánh giá vai trò vật lý và hóa học của FA ............102 Bảng 5.20 Tỷ lệ thành phần vật liệu đánh giá hiệu quả tương hỗ của SF-FA .......105 Bảng 5.21 Ảnh hưởng của đơn và tổ hợp PGK đến tính công tác HHBT .............106 Bảng 5.22 Định lượng hiệu ứng tương hỗ của SF và FA ......................................108 Bảng 5.23 Cấp phối sử dụng nghiên cứu độ bền lâu của VHSC ............................109 Bảng 5.24 Kết quả nghiên cứu độ bền lâu của VHSC ............................................110 Bảng 5.25 Kết quả của quá trình ăn mòn clo đo theo phương pháp gia tốc ...........111 Bảng 5.26 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến các tính chất VHSC .............................112 Bảng 5.27 Cấp phối hợp lý chế tạo dầm VHSC .....................................................116 Bảng 5.28 Tính chất cơ lý của bê tông M100 có sợi và không sợi .........................117 Bảng 5.29 Các giá trị đặc trưng cho sự làm việc của các mẫu dầm .......................119 Bảng 5.30 Các giá trị biến dạng tương đối của BT đặc trưng cho sự làm việc của dầm .................................................................................................................................120
v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lượng khí thải CO2 từ thành phần vật liệu sử dụng trên một đơn vị chiều dài cột [135] ................................................................................................................6 Hình 1.2 Quan hệ giữa cường độ nén dọc trục với cường độ nén VHSC ................10 Hình 1.3 Quan hệ giữa cường độ uốn với cường độ nén VHSC ..............................10 Hình 1.4 Mối quan hệ giữa ứng suất- biến dạng các loại BT [93]............................11 Hình 1.5 Mối quan hệ giữa cường độ- biến dạng VHSC [132] ................................11 Hình 1.6 Mối quan hệ giữa cường độ nén bê tông và chiều sâu cacbonat hóa của bê tông [32] ....................................................................................................................12 Hình 1.7 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến cường độ nén VHSC [75] .........................16 Hình 1.8 Một số công trình nhà siêu cao tầng sử dụng VHSC ................................19 Hình 2.1 Ảnh hưởng các hiệu ứng hạt đến độ lèn chặt theo De Larrard .................31 Hình 2.2 Ứng xử của BTCS khi chịu kéo ................................................................32 Hình 2.3 Sự truyền tải trọng của sợi qua vết nứt trong BTCS[60] ...........................33 Hình 2.4 Vai trò của PGK mịn trong BT [52] ..........................................................41 Hình 2.5 Hiệu ứng tương hỗ của hỗn hợp PGK (FA+SF), (FA+RHA) đối với mô đun đàn hồi [61] ...............................................................................................................42 Hình 2.6 Tác dụng tương hỗ của hệ 3 cấu tử XM– FA – SF ....................................45 Hình 3.1 Sự phân bố thành phần hạt của các vật liệu CKD ......................................47 Hình 3.2 Ảnh SEM của phụ gia khoáng sử dụng trong đề tài ..................................49 Hình 3.3 Cốt sợi sử dụng trong nghiên cứu .............................................................51 Hình 3.4 Sơ đồ thiết kế và tối ưu thành phần VHSC ................................................54 Hình 3.5 Hiệu ứng vật lý và hóa học theo Goldman và Bentur ................................55 Hình 4.1 Ảnh hưởng của loại và hàm lượng PGK đến tính công tác hồ CKD .........58 Hình 4.2 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 ..............61 Hình 4.3 Ảnh hưởng SF đến mức độ tăng cường độ CKD tại N/CKD=0,22 ...........61 Hình 4.4 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến mức độ đóng góp cường độ CKD tại N/CKD=0,22 .............................................................................................................61 Hình 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng FA đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 .............62
vi Hình 4.6 Ảnh hưởng FA đến mức độ tăng cường độ CKD tại N/CKD=0,22 ..........62 Hình 4.7 Ảnh hưởng hàm lượng FA đến mức độ đóng góp cường độ CKD tại N/CKD=0,22 .............................................................................................................63 Hình 4.8 Ảnh hưởng tổ hợp 10SF+ FA đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 ........64 Hình 4.9 Ảnh hưởng tổ hợp 10SF+ FA đến mức tăng cường độ trên 1%XM.........64 Hình 4.10 Ảnh hưởng tổ hợp 20FA+ SF đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 .....64 Hình 4.11 Ảnh hưởng 20FA+SF đến mức tăng cường độ CKD trên 1%XM ..........64 Hình 4.12 Ảnh hưởng PGK đến điểm bão hòa PGSD tại N/CKD=0,22-0,18 .........66 Hình 4.13 Ảnh hưởng của PGK đến tính công tác hồ CKD tại N/CKD=0,22-0,18 66 Hình 4.14 Ảnh hưởng của loại PGK đến cường độ CKD tại các tỷ lệ N/CKD khác ...................................................................................................................................67 Hình 4.15 Ảnh hưởng PGK đến mức tăng cường độ theo CKD tại các tỷ lệ N/CKD khác nhau...................................................................................................................67 Hình 4.16 Ảnh hưởng của PGK đến mức tăng cường độ tính theo 1%XM ở các tỷ lệ N/CKD khác nhau .....................................................................................................67 Hình 4.17 Đường cong phân tích nhiệt .....................................................................70 Hình 4.18 Kết quả phân tích bột XM ........................................................................70 Hình 4.19 Ảnh hưởng PGK đến hàm lượng CH theo CKD .....................................70 Hình 4.20 Ảnh hưởng PGK đến hàm lượng CH theo 1 % XM ................................70 Hình 4.21 Ảnh hưởng PGK đến hàm lượng nước liên kết theo 100%CKD .............72 Hình 4.22 Ảnh hưởng PGK đến lượng nước liên kết theo 1 % XM.........................72 Hình 4.23 Ảnh hưởng của PGK đến sự phân bố lỗ rỗng trong đá CKD ở tuổi 28 ngày ...................................................................................................................................74 Hình 4.24 Ảnh hưởng của PGK đến sự phân bố lỗ rỗng trong đá CKD ở tuổi 28 ngày ...................................................................................................................................75 Hình 5.1 Biểu diễn bề mặt độ lèn chặt hỗn hợp gồm 3 thành phần CKD-Cát-Đá ..78 Hình 5.2 Ảnh hưởng lượng dùng CKD đến cường độ BT ........................................82 Hình 5.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ của bê tông ...........................83 Hình 5.4 Ảnh hưởng kích thước cốt liệu lớn đến tính công tác và cường độ BT .....84
vii Hình 5.5 Ảnh hưởng loại cốt liệu đến cường độ BT.................................................84 Hình 5.6 Ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu nhỏ đến tính công tác và cường độ BT ....85 Hình 5.7 Biểu diễn bề mặt không gian của hàm Y theo 2 biến mã X1, X2 .............89 Hình 5.8 Biểu diễn bề mặt không gian của hàm Y theo 2 biến mã X1, X2 .............89 Hình 5.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ X1 đến hàm mục tiêu Y ...........................................90 Hình 5.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ X2 đến hàm mục tiêu Y .........................................90 Hình 5.11 Mối quan hệ giữa độ nhớt của hồ CKD và độ chảy của HHBT .............93 Hình 5.12 Ảnh hưởng của PGK đến thời gian kết thúc đông kết của bê tông .........93 Hình 5.13 Ảnh hưởng loại PGK SF đến co ngót nội sinh của bê tông ....................94 Hình 5.14 Ảnh hưởng loại PGK FA đến co ngót nội sinh của bê tông ...................95 Hình 5.15 Ảnh hưởng tổ hợp 10SF+FA đến co ngót nội sinh của bê tông .............95 Hình 5.16 Ảnh hưởng tổ hợp SF+20FA đến co ngót nội sinh của bê tông .............95 Hình 5.17 Ảnh hưởng của PGK đến cường độ nén và uốn bê tông.........................97 Hình 5.18 Mối quan hệ giữa cường độ nén và uốn VHSC ở 28 ngày. ...................98 Hình 5.19 Mức độ tăng cường độ PGK SF và TiO2-M đến cường độ CKD và BT tại N/CKD=0,18 .............................................................................................................99 Hình 5.20 Vai trò vật lý và hóa học của SF cải thiện cường độ VHSC theo 1% xi măng ở 10%SF tại N/CKD=0,18 ............................................................................101 Hình 5.21 Vai trò vật lý và hóa học của SF cải thiện cường độ VHSC theo 1%XM ở hàm lượng SF khác nhau tại N/CKD=0,18 .............................................................101 Hình 5.22 Mức độ cải thiện cường độ của FA trên hệ CKD và BT ......................102 Hình 5.23 Vai trò vật lý và hóa học của FA theo 1% xi măng. .............................104 Hình 5.24 Vai trò vật lý và hóa học của FA theo 1%XM ở hàm lượng FA khác nhau .................................................................................................................................104 Hình 5.25 Ảnh hưởng loại PGK đến co ngót của bê tông tại N/CKD=0,18...........106 Hình 5.26 Ảnh hưởng của loại PGK đến cường độ nén của BT tại N/CKD=0,18 .107 Hình 5.27 Ảnh hưởng của loại PGK đến mức tăng cường đô của BT tại N/CKD=0,18 .................................................................................................................................107 Hình 5.28 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến hiệu quả tương hỗ .........................109
viii Hình 5.29 Ảnh hưởng hàm lượng FA đến hiệu quả tương hỗ ...............................109 Hình 5.30 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến tính công tác của HHBT .....................112 Hình 5.31 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ nén và KLTT của VHSC .................................................................................................................................113 Hình 5.32 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ uốn của bê tông.....114 Hình 5.33 Ảnh hưởng hàm lượng sợi thép đến độ bền dẻo dai của bê tông ..........114 Hình 5.34 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu VHSC ........................115 Hình 5.35 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu VHSC- cốt sợi ...........115 Hình 5.36 So sánh mô đun đàn hồi của VHSC có sợi và không sợi ......................116 Hình 5.37 Mặt cắt dầm bê tông cốt thép ................................................................117 Hình 5.38 Sơ đồ gia tải thí nghiệm .........................................................................117 Hình 5.39 Sơ đồ bố trí dụng cụ, thiết bị đo .............................................................117 Hình 5.40 Bộ thu thập và xử lý số liệu (Data logger) .............................................118 Hình 5.41 Hình ảnh thí nghiệm dầm VHSC trong phòng thí nghiệm ....................118 Hình 5.42 Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ võng của các mẫu thí nghiệm. ...............119 Hình 5.43 Biểu đồ quan hệ tải trọng- độ võng của dầm 1- VHSC-M100 .............119 Hình 5.44 Biểu đồ quan hệ tải trọng –độ võng của dầm khi có cốt sợi ..................120 Hình 5.45 Biến dạng của bê tông vùng kéo và vùng nén (Dầm 1-VHSC-M100) ..120 Hình 5.46 Biến dạng của bê tông vùng kéo và vùng nén dầm VHSC khi có sợi ...120
1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay nhu cầu phát triển xây dựng ở Việt Nam thường hướng đến các công trình đặc biệt như nhà siêu cao tầng, các cầu nhịp lớn, kết cấu vỏ mỏng. Với các ứng dụng này thì bê tông cường độ cao/chất lượng cao (HSC) hiện nay đang có ở Việt Nam đáp ứng chưa tốt. Theo tiến trình phát triển tất yếu này, các loại bê tông chất lượng cao hơn như bê tông cường độ rất cao (VHSC), bê tông cường độ siêu cao (UHPC) phải được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng. Tuy nhiên nhược điểm của bê tông UHPC (cường độ ≥ 150 MPa) là sử dụng lượng CKD lớn ≥ 800÷1000 kg/m3 dẫn đến giá thành rất cao khiến khả năng ứng dụng thực tế còn hạn chế. Vì vậy, nghiên cứu và phát triển hệ VHSC với cường độ từ 100÷150 MPa là thực tế hơn. Trên thế giới việc sử dụng bê tông cường độ nén lớn hơn 100 MPa sử dụng trong các công trình xây dựng có từ đầu thế kỷ 20 và hiện nay bắt đầu ứng dụng bê tông UHPC. Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ứng dụng loại VHSC còn rất mới và ít được đề cập đến, chỉ có một số trạm trộn bê tông cung cấp được bê tông có cường độ nén khoảng 50-70 MPa, như nhà máy bê tông Sông Đà- Việt Đức, Licogi. Một vấn đề đặt ra nghiên cứu là khả năng nâng cao giá trị cường độ nén và uốn của bê tông khi sử dụng các vật liệu sẵn có và áp dụng các công nghệ chế tạo thông thường ở Việt Nam để chế tạo được bê tông VHSC. Điều đó có thể nghiên cứu chế tạo được các sản phẩm có kích thước mỏng hơn, tuổi thọ lớn hơn, tiết kiệm tài nguyên, hướng sự phát triển bền vững khi ứng dụng loại bê tông này trong thời gian sắp tới ở Việt Nam. Cũng tương tự như bê tông thông dụng, VHSC được chế tạo từ hỗn hợp bao gồm đá dăm, cát, xi măng, phụ gia khoáng, nước và phụ gia siêu dẻo. Tuy nhiên VHSC có giới hạn về cường độ nén cao hơn (100÷150 MPa) vì vậy phụ gia khoáng hoạt tính cao như silica fume (SF) và phụ gia siêu dẻo (PGSD) đóng vai trò rất quan trọng. Nhược điểm của loại bê tông này thường sử dụng một lượng xi măng lớn làm tăng giá thành sản phẩm, ảnh hưởng đến các tính chất kỹ thuật và môi trường. Để khắc phục nhược điểm này các nghiên cứu khác thường sử dụng phụ gia khoáng (PGK) để thay thế một phần xi măng trong bê tông nhằm tăng hiệu quả về mặt kinh tế, kỹ thuật
2 và môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng PGK để chế tạo VHSC trong điều kiện ở Việt Nam có một ý nghĩa khoa học quan trọng, đồng thời còn đóng góp vai trò lớn về kinh tế và môi trường trong việc nghiên cứu và ứng dụng hệ bê tông này hướng tới phát triển bền vững. Đây là vấn đề cần được đặt ra trong nghiên cứu. Có nhiều phụ gia khoáng được sử dụng trong chế tạo bê tông chất lượng rất cao, tuy nhiên hệ hỗn hợp phụ gia khoáng SF và tro bay (FA) có tiềm năng rất lớn khi xét đến tính chất kỹ thuật, khả năng cung ứng và giá thành. Vấn đề nghiên cứu đặt ra trong luận án là sử dụng SF và FA kết hợp với các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo bê tông VHSC. Xuất phát từ thực tiễn về mặt khoa học và ứng dụng trên, luận án này được đề xuất là: “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao dùng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sử dụng tổ hợp PGK silica fume, tro bay và PGSD để chế tạo bê tông VHSC có độ chảy cao đạt từ 550÷850 mm, cường độ nén ở tuổi 28 ngày ≥ 100MPa, cường độ uốn > 10MPa trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Hỗn hợp bê tông có độ chảy loang cao, cường độ nén bê tông đạt: 100÷150 MPa Bê tông sử dụng phụ gia khoáng SF, FA và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam. 3.2 Phạm vi nghiên cứu  Sử dụng cốt liệu lớn đá bazan có: Dmax = 10÷ 20 mm  Sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng FA và SF  Hỗn hợp bê tông có độ chảy loang: 550÷850 mm  Cường độ nén ≥ 100÷150 MPa  Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm 4. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN - Lý thuyết về cơ sở nâng cao cường độ các thành phần trong bê tông gồm: Nâng cao cường độ chất kết dính, nâng cao chất lượng cốt liệu và nâng cao cường độ vùng
3 chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu. Nâng cao cường độ bê tông dựa trên lý thuyết về tối ưu hóa các thành phần hạt. Nâng cao cường độ uốn của bê tông bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán. - Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng trong bê tông dựa trên lý thuyết về ảnh hưởng của quá trình thủy hóa và phát triển vi cấu trúc của xi măng khi có mặt của đơn phụ gia khoáng và tổ hợp phụ gia khoáng. Ảnh hưởng PGK ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông do vai trò vật lý và hóa học: kích thước hạt điền đầy và do hoạt tính của PGK. Sự tương hỗ của tổ hợp PGK do vai trò của vật lý và hóa học. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Luận án đã sử dụng phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn Việt Nam và trên thế giới để thí nghiệm, xác định các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu sử dụng, các tính chất hồ xi măng, HHBT và bê tông. - Một số phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn được sử dụng như: Xác định độ lèn chặt theo phương pháp khô, xác định độ nhớt hồ CKD, phương pháp thí nghiệm đo co nội sinh trong bê tông, phương pháp đo đường kính lỗ rỗng trung bình bằng phương pháp BJH, phương pháp phân tích nhiệt vi sai - DTA/TGA, xác định hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng, xác định lượng nước liên kết, phương pháp xác định ăn mòn cốt thép, phương pháp định lượng để xác định vai trò vật lý và hóa học của phụ gia khoáng của tác giả Goldman và Bentur, phương pháp định lượng để xác định hiệu quả tương hỗ của tổ hợp PGK theo tác giả Isaia. 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN  Luận án đã nghiên cứu sử dụng hệ CKD gồm xi măng PC40, tổ hợp PGK SF-FA và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo VHSC với các tính chất: Hỗn hợp bê tông có độ chảy cao 550÷850 mm, cường độ nén bê tông ≥ 100 MPa, cường độ uốn bê tông > 10 MPa.  Luận án xây dựng được quy trình thiết kế thành phần VHSC và tối ưu hóa thành phần hạt bê tông đồng thời đánh giá ảnh hưởng các loại vật liệu sẵn có ở Việt Nam đến độ chảy và cường độ VHSC.  Luận án đã đánh giá được vai trò vật lý và hóa học của PGK SF, FA trong việc
4 cải thiện cường độ của bê tông qua đó khẳng định vai trò quan trọng của hiệu ứng vật lý và hóa học trong việc cải thiện cường độ CKD và VHSC.  Luận án đã chứng minh trên hệ VHSC với tỷ lệ N/CKD thấp khi sử dụng SF và FA với hàm lượng hợp lý thì tồn tại hiệu ứng tương hỗ giữa hai PGK này, đặc biệt hiệu ứng tương hỗ trong việc cải thiện cường độ khi giảm tỷ lệ N/CKD. 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 7.1 Ý nghĩa khoa học của luận án  Khẳng định được vai trò của PGK SF, FA trong việc chế tạo VHSC.  Đánh giá cơ chế và hiệu ứng tương hỗ của PGK, trong việc cải thiện các tính chất của HHBT và VHSC.  Thiết kế tối ưu thành phần hạt của bê tông sử dụng tổ hợp PGK SF và FA để thiết kết thành phần bê tông và tối ưu hóa thành phần VHSC bằng công cụ toán quy hoạch thực nghiệm.  Đánh giá được ảnh hưởng hàm lượng sợi thép đến các tính chất của HHBT và VHSC. Đánh giá được ứng xử cơ học của dầm VHSC. Khẳng định được vai trò cốt sợi thép trong việc tăng khả năng vùng chịu nén của bê tông cốt sợi VHSC trên kết cấu dầm. 7.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án  Vấn đề nâng cao độ bền lâu, kéo dài tuổi thọ các công trình xây dựng đang được quan tâm nhất trong khoa học vật liệu. Do đó việc nghiên cứu chế tạo VHSC có độ bền lớn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Luận án đánh giá khả năng sử dụng vật liệu địa phương chế tạo VHSC ở Việt Nam nhằm ứng dụng trong xây dựng các nhà siêu cao tầng và cầu nhịp lớn.  Việc sử dụng phế thải công nghiệp là PGK FA, SF để thay thế xi măng sẽ cải thiện tính chất của HHBT và VHSC, góp phần làm giảm giá thành cho sản phẩm bê tông, nâng cao ý nghĩa về môi trường, xây dựng phát triển bền vững, từ đó sẽ mở rộng thêm khả năng ứng dụng loại bê tông này vào thực tế xây dựng ở nước ta.  Nghiên cứu, đánh giá ứng xử cơ học của kết cấu dầm bê tông VHSC qua đó hướng đến ứng dụng VHSC trong xây dựng thực tế ở Việt Nam.
5 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO 1.1.1 Khái niệm bê tông cường độ rất cao Bê tông cường độ rất cao (Very High Strength Concrete-VHSC) là loại bê tông có cường độ nén rất cao từ 100÷150 MPa [48, 74, 94, 103, 132]. Trong thành phần bê tông bao gồm xi măng, cát, đá, phụ gia khoáng, phụ gia siêu dẻo và nước, trong đó tỷ lệ nước/ chất kết dính (N/CKD) thường nhỏ hơn 0,3 (tính theo khối lượng). Khái niệm này được Hiệp hội Xi măng thế giới đưa ra như sau (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Phân loại bê tông theo Hiệp hội Xi măng thế giới [103] Loại Bê tông Bê tông cường Bê tông cường Bê tông cường Đặc tính thường độ cao độ rất cao độ siêu cao Cường độ, MPa 150 Tỷ lệ N/CKD >0,45 0,45-0,3 0,3-0,25 10 -10 10 -11 10-12
6 Nghiên cứu của Yamamoto [135] chỉ ra rằng việc sử dụng VHSC cho phép giảm được kích thước các cấu kiện trong các công trình nhà siêu cao tầng; điều này cho phép các kỹ sư có thể áp dụng các cấu kiện đúc sẵn trong việc thi công các công trình nhà siêu cao tầng quản lý chất lượng được dễ dàng, rút Hình 1.1 Lượng khí thải CO2 từ thành phần vật liệu sử dụng trên một đơn vị chiều dài ngắn thời gian thi công, điều này cũng cột [135] làm giảm lượng bê tông sử dụng, kéo theo giảm lượng dùng vật liệu và đặc biệt giảm rất lớn lượng dùng xi măng từ đó giảm được lượng phát thải CO2 sinh ra trong quá trình sản xuất xi măng, mang đến hiệu quả rất lớn về môi trường hướng đến phát triển bền vững (Hình 1.1). Ngoài ra việc sử dụng các phụ gia khoáng như FA, GGBFS… (phế thải trong nhà máy nhiệt điện, luyện kim) thay thế một phần xi măng sẽ vừa giảm giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế, đồng thời còn làm giảm lượng phế thải ra ngoài môi trường và góp phần phát triển xây dựng bền vững. 1.1.2.2 Nhược điểm Trong VHSC thường sử dụng lượng dùng chất kết dính lớn dẫn đến co ngót lớn, giá thành vật liệu cao vì vậy cần thiết phải sử dụng các PGK có thể thay thế một phần xi măng và nâng cao hiệu quả về mặt kỹ thuật và môi trường. Do bê tông VHSC có những yêu cầu đặc thù về vật liệu chế tạo, vì vậy trong điều kiện Việt Nam vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu địa phương để chế tạo VHSC là cần thiết. Hiện nay trên thế giới chưa thống nhất về phương pháp thiết kế thành phần bê tông, chưa có tiêu chuẩn ban hành VHSC vì vậy việc thiết kế và ứng dụng VHSC gặp nhiều khó khăn trong thực tế. 1.1.3 Vật liệu chế tạo bê tông cường độ rất cao VHSC 1.1.3.1 Xi măng Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông, trong đó