Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu "Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong công trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, trong đó tập trung với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3 .

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Lê Việt Hùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHẸ CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG HẠT VI CẦU RỖNG TỪ TRO BAY (CENOSPHERES) Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2023 Hà Nội, năm 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn Trường Đại học Xây dựng Hà Nội 2. PGS.TS. Lê Trung Thành Viện Vật liệu xây dựng Phản biện 1: PGS.TS. Lương Đức Long Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Duy Hiếu Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thanh Sang Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. vào hồi giờ , ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam và Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
1 MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu phát triển bê tông nhẹ cho các kết cấu chịu lực trong công trình đã và đang được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới. Loại bê tông này vừa đảm bảo cường độ, độ bền như bê tông thông thường, vừa mang lại nhiều lợi ích như giảm tải trọng công trình, giảm kích thước kết cấu, tăng tính cách âm, cách nhiệt, chống động đất, chống cháy, dễ dàng vận chuyển, thi công, lắp đặt, v.v…Bê tông sử dụng cho kết cấu chịu lực trong công trình ngày càng yêu cầu cao về cường độ và độ bền lâu. Bê tông sử dụng cho kết cấu dự ứng lực đòi hỏi chất lượng cao hơn so với bê tông sử dụng cho kết cấu thông thường, cụ thể cường độ chịu nén thường yêu cầu lớn hơn 40 MPa, phát triển cường độ nhanh, các chỉ tiêu về chống thấm, hút nước và các chỉ tiêu về độ bền lâu khác cũng yêu cầu cao hơn so với bê tông thông thường. Trong khoảng hơn mười năm trở lại đây, sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere- FAC) cho chế tạo các loại bê tông nhẹ cho xây dựng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển. Sử dụng FAC làm vật liệu nhẹ cho chế tạo bê tông có nhiều ưu điểm như cho cường độ có thể đạt trên 40 MPa, độ hút nước thấp, tương đương với bê tông thông thường. Loại bê tông nhẹ này có thể phân loại là bê tông nhẹ cường độ cao với nhiều ưu điểm vượt trội so với loại bê tông cốt liệu nhẹ truyền thống. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và phát triển bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC hiện nay vẫn còn hạn chế trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam. FAC có thể thu hồi được từ tro bay các nhà máy nhiệt điện đốt than phun tại Việt Nam với tỷ lệ 80-85% trong tổng lượng tro xỉ phát sinh khoảng 17 triệu tấn/năm (năm 2021). Với hàm lượng FAC trong tro bay trung bình khoảng 0,3-1,5 % thì tổng lượng FAC về lý thuyết có thể thu hồi được là (32.640-163.200) tấn/năm. Trên cơ sở yêu cầu từ thực tiễn và các vấn đề khoa học đặt ra đối với việc phát triển loại bê tông nhẹ cường độ cao, đề tài lựa chọn hướng nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam. Với định hướng đó, đề tài luận án được đề xuất là “Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)”. 2. MỤC ĐÍCH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong công trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, trong đó tập trung với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Loại bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cenosphere (FAC-HSLWC) với cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, trong đó tập trung nghiên cứu tính chất cơ lý, ứng dụng với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3. 3.2 Phạm vi nghiên cứu ✓ Lựa chọn vật liệu và thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu trong nước. Vật liệu chủ yếu gồm: xi măng poóc lăng (XM) và phụ gia khoáng (PGK) gồm silica fume (SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS); Cốt liệu: cát tự nhiên và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) và các vật liệu khác: phụ gia siêu dẻo, cốt sợi polypropylene (sợi PP). ✓ Xây dựng mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC. ✓ Xây dựng phương pháp tính toán thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC. ✓ Tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC: tính chất của hỗn hợp bê tông, tính cơ lý và độ bền lâu. ✓ Ứng xử của cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC.
2 4. CƠ SỞ KHOA HỌC ✓ Việc nghiên cứu chế tạo FAC-HSLWC dựa trên cơ sở lý thuyết về nâng cao về cường độ và độ bền lâu của bê tông trong đó gồm các nguyên tắc: tối ưu thành phần hạt vật liệu thành phần để hỗn hợp vật liệu có độ đặc chắc lớn nhất; tăng cường sự đồng nhất trong cấu trúc bê tông bằng lựa chọn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất phù hợp; nâng cao cường độ CKD và vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu; nâng cao cường độ uốn/kéo, khả năng kháng nứt bằng cốt sợi phân tán. ✓ Mô hình dự đoán cường độ nén được xây dựng trên cơ sở quy luật về quan hệ cường độ nén bê tông với cường độ nén xi măng, tỷ lệ nước/xi măng (N/XM) và các yếu tố chính của cấp phối đến cường độ nén. Mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC được thiết lập qua các hàm hồi quy không tuyến tính từ các kết quả thực nghiệm. ✓ Phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC được xây dựng trên cơ sở phương pháp tối ưu thành phần cỡ hạt các vật liệu thành phần, tỷ lệ chất kết dính/cốt liệu (CKD/CL) tối ưu, công thức tính KLTT của bê tông dựa trên tỷ lệ FAC thay thế cát, mô hình dự đoán cường độ nén theo các thông số thành phần cấp phối bê tông được thiết lập từ kết quả nghiên cứu. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: ✓ Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập các tài liệu kỹ thuật có liên quan để tổng hợp, phân tích và làm cơ sở cho việc thiết lập chương trình nghiên cứu. ✓ Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn và phương pháp phi tiêu chuẩn. Phương pháp tiêu chuẩn chủ yếu thực hiện theo các TCVN và một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới. Các phương pháp phi tiêu chuẩn sử dụng là các phương pháp được áp dụng phổ biến cho nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu, bê tông, kết cấu bê tông như phương pháp chụp kính hiển vi điện từ (SEM), phân tích nhiệt vi sai (DTA/TGA), phương pháp xác định độ lèn chặt của hỗn hợp vật liệu, phương pháp xác định độ nhớt của hỗn hợp vữa xi măng. 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI ✓ Đã xây dựng được mô hình dự báo cường độ nén của FAC-HSLWC có tính đến các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ nén của FAC-HSLWC bao gồm thành phần CKD (thông qua cường độ CKD), tỷ lệ CKD/cốt liệu, tỷ lệ FAC thay thế cát, Dmax cốt liệu, hàm lượng sợi PP. ✓ Đã xây dựng được phương pháp thiết kế cấp phối FAC-HSLWC đảm bảo mục tiêu là cường độ nén từ 40-80 MPa và KLTT 1300-2000 kg/m3. ✓ Đã xác định được một số tính chất kỹ thuật chủ yếu của FAC-HSLWC ứng dụng cho kết cấu chịu lực bao gồm: (1) các tính công tác của HHBT; (2) các tính chất cơ lý của bê tông (cường độ nén, cường độ uốn, mô đun đàn hồi, hệ số poatxon; và (3) các tính chất độ bền lầu của bê tông (độ co khô, độ hút nước, chống thấm ion clo, bền sun phát). ✓ Đã đánh giá khả năng làm việc của tấm sàn BTCT dự ứng lực sử dụng FAC-HSLWC với tấm sàn BTCT sử dụng bê tông thông thường với cùng cấp cường độ nén. 7. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Kết cấu luận án gồm phần Mở đầu, 6 chương, Kết luận chung và kiến nghị, 36 bảng, 97 biểu đồ, được trình bày trên 149 trang không kể phần phụ lục. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU 1.1.1 Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ 1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu Đối với bê tông cốt liệu nhẹ có khả năng sử dụng làm kết cấu chịu lực trong công trình, tiêu chuẩn qui định cường độ nén tối thiểu 17 MPa, trong thực tế bê tông nhẹ thường được sử dụng với loại có cường độ 21-35 MPa. Các công trình như nhà cao tầng, công trình cầu đường thường sử dụng loại bê
3 tông nhẹ cường độ cao (cường độ nén thường trong khoảng 35-41 MPa với KLTT trong khoảng 1680- 1920 kg/m3. Các loại cốt liệu sử dụng cho chế tạo các loại bê tông nhẹ này thường là cốt liệu nhẹ nhân tạo được chế tạo từ đất sét, đá phiến sét, phiến sét nung phồng nở. Tùy thuộc vào chất lượng, KLTT của cốt liệu nhẹ, cường độ nén bê tông cốt liệu nhẹ đạt được trong khoảng 20-55 MPa với KLTT trong khoảng 1440-1920 kg/m3, tương ứng với cường độ riêng đạt được trong khoảng 20-30 kPa/kg.m-3. Đặc điểm của các loại cốt liệu nhẹ nung nở là có cấu trúc xốp lớn, nên chúng bị có khả năng hút nước lớn (độ hút nước thường 10-25%), điều này làm khó khăn kiểm soát tính công tác của hỗn hợp bê tông và tính năng bê tông như thay đổi KLTT, thay đổi thể tích của bê tông khi tiếp xúc môi trường ẩm. 1.1.3 Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó Theo ACI 213-14 thì bê tông nhẹ cường độ cao (High-Strength Lightweight Concrete- HSLWC) là loại bê tông nhẹ kết cấu có cường độ lớn hơn 40 MPa. 1.1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ tại Việt Nam Tại Việt Nam đã có nghiên cứu và ứng dụng các loại bê tông nhẹ phổ biến như bê tông tổ ong, bê tông cốt liệu rỗng từ keramzit, tro bay, hạt polystyrene. Tuy nhiên, nghiên cứu về sử dụng FAC cho chế tạo bê tông nhẹ là vấn đề mới tại Việt Nam, hiện nay chưa có nghiên cứu nào thực hiện. FAC tại Việt Nam có khả năng thu hồi với số lượng lớn từ các nhà máy nhiệt điện đốt than. 1.2 BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE 1.2.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ sử dụng cenosphere Bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere Lightweight Concrete- FAC LWC) được hiểu là loại bê tông nhẹ sử dụng hệ chất kết dính xi măng và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) có KLTT nhẹ hơn bê tông thông thường. Hình 1.1 Hạt cenosphere và cấu trúc bê tông chứa cenosphere điển hình Nghiên cứu mở đầu trong việc sử dụng FAC trong hệ chất kết dính xi măng từ năm 1984, nhưng phải đến cuối thế kỷ 20 thì nghiên cứu FAC vai trò là cốt liệu nhẹ cho bê tông nhẹ có KLTT thấp, cường độ thấp, chủ yếu đáp ứng yêu cầu làm vật liệu cách nhiệt. Gần đây một số nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông nhẹ được gọi là siêu bê tông nhẹ (ULWC) với KLTT 1154-1471 kg/m3, cường độ nén 28 ngày đạt 33,0-69,4 MPa, cường độ uốn 8 MPa, hệ số dẫn nhiệt thông thường đạt trong khoảng 0,3 đến 0,8 W/m.K, thấp hơn khá nhiều so với bê tông thông thường khoảng 1,9 W/m.K. 1.2.2 Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere) Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) là các hạt hình cầu với thành phần chính là alumo silicat tương tự như các hạt tro bay. KLTT hạt của chúng thường trong khoảng 0,4-0,9 g/cm3, kích thước hạt trong khoảng 1-400 m, với các hạt chủ yếu trong khoảng 20-300 m, chiều dày thành vách trong khoảng 1-18 m. Các hạt FAC có khả năng chống nén dập và khả năng chống thấm khí và nước cao. Chính vì vậy, chúng thích hợp sử dụng cho chế tạo bê tông nhẹ cường để nâng cao cường độ và giảm KLTT. Hàm lượng cenosphere trong tro bay khoảng 0,3-1,5 % với ước tính lượng tro xỉ phát sinh hàng năm khoảng 17 triệu tấn thì tổng lượng cenosphere về lý thuyết có thể thu hồi được là (32.640-163.200) tấn/năm. Thành phần hóa học và khoáng của cenosphere tương tự như các hạt tro bay. Các hạt FAC chứa khoáng silica vô định hình có khả năng tạo phản ứng puzolanic tạo khoáng C-S-H trong hệ chất kết dính xi măng nhưng ở mức độ thấp ở nhiệt độ thường, mức độ hoạt tính này tăng lên với nhiệt độ bảo dưỡng bê tông.
4 1.2.3 Một số tính chất của bê tông nhẹ cenosphere 1.2.3.1 Tính chất của hỗn hợp bê tông Có rất ít các nghiên cứu xác định các tính chất của hỗn hợp bê tông FAC. Tính công tác của hỗn hợp bê tông FAC LWC được xác định qua độ chảy theo phương pháp thử độ chảy của vữa. Độ chảy của hỗn hợp bê tông FAC LWC thông thường được khống chế trong khoảng 150-220 mm. Hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp bê tông FAC LWC cao hơn so với bê tông thông thường. 1.2.3.2 Tính chất của bê tông 1.2.3.2.1 Khối lượng thể tích và cường độ nén Khối lượng thể tích của bê tông FAC LWC phụ thuộc nhiều vào hàm lượng FAC, tỷ lệ N/CKD và sự có mặt của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ, có thể đạt từ 1075-2000 kg/m3. Với KLTT bê tông FAC LWC nhỏ hơn 1600 kg/m3, hầu hết các nghiên cứu về bê tông FAC LWC không sử dụng cốt liệu khác ngoài FAC. Các tính chất về cường độ và cường độ riêng của bê tông FAC LWC hiện nay đạt được khá tốt phổ biến từ 30-68 MPa và 40-47 kPa/kg.m-3 tương ứng. 1.2.3.2.2 Cường độ uốn và cường độ uốn/kéo Tương tự như bê tông cốt liệu nhẹ khác, bê tông FAC LWC có cường độ chịu uốn và kéo khá thấp so với cường độ nén của nó (thể hiện tính giòn của bê tông). Chính vì vậy, các nghiên cứu về FAC LWC thường sử dụng cốt sợi như PVA, PE, PP để cải thiện khả năng kháng uốn của bê tông. Cường độ uốn bê tông FAC khi sử dụng kết hợp cốt sợi của một số nghiên cứu chủ yếu trong khoảng 5-8 MPa với KLTT 1200-1900 kg/m3. 1.2.3.2.3 Mô đun đàn hồi Mô đun đàn hồi của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào cường độ và KLTT của chúng. Do KLTT thấp, nên giống tự như các loại bê tông nhẹ khác, bê tông FAC có mô đun đàn hồi thấp so với cường độ nén của nó và giảm tỷ lệ với KLTT của chúng. Với cường độ nén trong khoảng 33-69,4 MPa, cho mô đun đàn hồi trong khoảng 10,4-17,0 GPa. 1.2.3.2.4 Độ bền lâu Khả năng chống thấm của bê tông FAC LWC chưa được nghiên cứu rõ ràng. Đã có nghiên cứu chỉ ra các hạt FAC có độ hấp thụ nước lớn hơn cát gấp 18 lần, nhưng độ hút nước chênh lệch không lớn trong khi tốc độ thấm nước lại lớn hơn bê tông thông thường. Khả năng thấm nước hay chất lỏng, khí là yếu tố quan trọng liên quan đến độ bền lâu của bê tông trong môi trường xâm thực. Chính vì vây, cần phải có các nghiên cứu chuyên sâu để làm rõ tính chất này đối với bê tông FAC LWC. 1.2.3.2.5 Co ngót Cho đến nay, vẫn còn rất ít nghiên cứu về co ngót của FAC LWC, trong khi FAC LWC là hệ chất kết dính xi măng với hàm lượng xi măng lớn và không sử dụng bộ khung cốt liệu đặc chắc như bê tông thông thường, do vậy co ngót của FAC LWC sẽ lớn hơn bê tông thông thường. 2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƯỜNG ĐỘ NÉN VÀ THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC Không giống như bê tông thông thường, kể cả bê tông cốt liệu nhẹ phổ biến hiện nay như keramzit, cốt liệu nhẹ tự nhiên, cốt liệu lớn thường không được sử dụng cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC (FAC-HSLWC) để đảm bảo KLTT thấp, cũng như giảm khả năng bị phân tầng. Chính các đặc điểm này dẫn đến một số vấn đề cần giải quyết với thành phần cấp phối của bê tông FAC-HSLWC: 1) Diện tích bề mặt của hệ lớn dẫn đến tăng lượng nước trộn và tỷ lệ N/CKD: Đưa một lượng lớn các hạt vi cầu rỗng FAC vào hỗn hợp bê tông để đạt được KLTT của bê tông đặt ra sẽ kèm theo làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc các pha trong hệ, điều này làm giảm tính linh động của hỗn hợp bê tông, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm được chế tạo. Ngoài ra, do độ hấp thụ nước của các FAC cũng lớn hơn cát nên điều này cũng góp phần làm tăng lượng nước nhào trộn. 2) Vùng chuyển tiếp và bám dính yếu giữa đá xi măng và các hạt FAC Các hạt vi cầu với đặc tính bề mặt nhám thấp, do vậy dẫn đến độ bám dính giữa bề mặt vi cầu và đá xi măng thấp. Điều này làm giảm tính liên kết trong vi cấu trúc bê tông dẫn đến ảnh hưởng cường độ và độ bền của bê tông.
5 3) Bê tông có tính giòn và độ co ngót lớn, dễ nứt Để đảm bảo cường độ và độ bền lâu của bê tông thì cần thiết phải sử dụng hàm lượng xi măng lớn, đi kèm với tỷ lệ N/X thấp. Với hàm lượng xi măng cao và tỷ lệ N/X thấp sẽ nhiều khả năng gây ra các nội ứng suất, vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông. Ngoài ra, do FAC-HSLWC không có bộ khung cốt liệu đặc chắc như bê tông thông thường và hàm lượng đá xi măng cao. Các đặc tính này cũng làm tăng tính giòn của FAC- HSLWC. 4) Chưa có phương pháp thiết kế cấp phối thống nhất cho bê tông sử dụng FAC Do bê tông FAC-HSLWC không chứa cốt liệu lớn nên không thể áp dụng phương pháp thiết kế cấp phối bê tông sử dụng các loại cốt liệu nhẹ phổ biến như ACI 211.2 hay CEB/FIP. Để xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối bê tông FAC-HSLWC cần thiết phải xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của bê tông, trong đó hai tính năng cơ bản là cường độ và KLTT của FAC-HSLWC. Các nội dung dưới đây trình bày các cơ sở khoa học để giải quyết các vấn đề nêu trên. 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHO FAC-HSLWC 2.1.1 Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu cho FAC-HSLWC Để hạn chế phân tầng của hỗn hợp bê tông một số nguyên tắc đã được chỉ ra: (1) tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp cốt liệu làm giảm sự phân tầng; (2) hệ cốt liệu có cấp phối liên tục sẽ ít bị phân tầng hơn so với hệ cấp phối gián đoạn; (3) Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu sẽ giảm phân tầng hơn so với hệ có cùng phân bố cỡ hạt nhưng sử dụng cốt liệu có Dmax lớn hơn; (4) Tăng tỷ lệ các hạt nhỏ trong hệ làm giảm mức độ phân tầng; (5) giảm chênh lệch KLTT của các loại cốt liệu làm giảm mức độ phân tầng. Theo các nguyên tắc đó, cốt liệu cho bê tông FAC-HSLWC được lựa chọn loại và cỡ hạt để đảm bảo độ lèn chặt lớn, cốt liệu Dmax nhỏ, tăng tỷ lệ các hạt mịn và sử dụng các loại vật liệu ít chênh lệch về KLTT. Các hạt FAC có kích thước chủ yếu trong khoảng 45-250 m, do vậy trong nghiên cứu này cốt liệu cho FAC-HSLWC được lựa chọn gồm FAC kết hợp cốt liệu dạng cát tự nhiên với kích thước hạt lớn nhất đến 5,0 mm để đảm bảo dải hạt liên tục, hạn chế sự phân tầng. 2.1.2 Cơ sở khoa học sử dụng PGK cho FAC-HSLWC PGK trong nghiên cứu này được sử dụng đề tăng bám dính và cải thiện đặc chắc cho vùng ITZ giữa các hạt FAC và đá xi măng của FAC-HSLWC. Trong nghiên cứu này, PGK trong thành phần CKD cho hệ FAC-HSLWC được định hướng là SF và GGBFS với kích cỡ hạt từ mịn đến siêu mịn. Các hạt PGK này cùng với xi măng có khả năng điền vào lỗ rỗng tạo ra bởi các hạt có kích thước lớn hơn là cát và các hạt FAC với kích thước hạt trung bình khoảng 100-120 m để tạo ra cấu trúc đặc chắc cho bê tông. 2.1.3 Cơ sở khoa học dùng cốt sợi phân tán polypropylene Sợi polypropylene (PP) là loại sợi được dùng phổ biến cho bê tông. Bê tông sử dụng sợi PP được đánh giá là cải thiện khả năng kháng nứt của bê tông do kiểm soát sự lan truyền vết nứt trong cấu trúc bê tông. Các sợi PP trong bê tông có vai trò như cầu nối các vết nứt được hình thành khi bê tông chịu tác động tải trọng, do đó ngăn cản việc phát triển vết nứt. Ngoài ra, sử dụng sợi PP cũng được chỉ ra biện pháp hữu hiệu để giảm co ngót của bê tông. 2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ NÉN CHO FAC- HSLWC 2.2.1 Một số mô hình dự đoán cường độ bê tông Nhiều mô hình dự đoán cường độ nén của bê tông đã được phát triển. Đầu tiên có thể kể đến là mô hình của Feret (1892). Mô hình cường độ bê tông này sau đó được nhiều nhà nghiên cứu phát triển như Abrams (1919), Bolomey (1935), De Larrard (1993), Popovics (1965). Bolomey (1935) đơn giản công thức của Feret dưới dạng mô hình tuyến tính: c f′c = 24,6 [ − 0,5] (2.1) w Mô hình của De Larrard (1993) có tính đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông như ảnh hưởng của đá xi măng (thông qua cường độ nén của đá xi măng fcp) và cốt liệu trong bê tông (thông qua MPT): f′c = fcp × MPT −r (2.2)
6 Có thể thấy mô hình dự đoán cường độ của de Larrard khá toàn diện khi đã tính đến ảnh hưởng của tính chất của: đá xi măng (thông qua cường độ và thành phần của đái xăng dựa trên công thức của Feret); thể tích và Dmax cốt liệu (thông qua thông số MPT). Với hệ FAC-HSLWC, khi áp dụng mô hình dự đoán cường độ của de Larrard, khi đó cốt liệu sẽ là hỗn hợp của FAC và cát, Dmax cốt liệu sẽ là Dmax của cát, CKD là hệ đa cấu tử gồm xi măng OPC và PGK. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các hệ số trong mô hình dự đoán cường độ của bê tông. 2.2.2 Một số mô hình dự đoán cường độ với bê tông cốt liệu nhẹ Một số mô hình dự đoán cường độ nén của bê tông cốt liệu nhẹ (LWAC) đã được đề xuất như của CEB/FIB (1983), các mô hình khác cũng đã được phát triển trên cơ sở cải tiến công thức của CEB/FIB hoặc dưới dạng hàm logarit của cường độ cốt liệu nhẹ và vữa. Nhìn chung, các mô hình dự đoán cường độ cho LWAC hiện này đã tính đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tỷ lệ N/X, cường độ nén của xi măng hoặc vữa, KLTT LWA, cường độ nén dập LWA, thể tích của LWA. Tuy nhiên, việc áp dụng các mô hình dự đoán cường độ với hệ FAC-HSLWC là khó khăn do việc xác định cường độ nén dập xi lanh của các hạt kích thước nhỏ như hạt FAC. 2.2.3 Hướng đề xuất xây dựng mô hình dự đoán cường độ nén cho hệ FAC-HSLWC đề xuất Mô hình dự đoán cường độ cho FAC-HSLWC đề xuất dựa trên các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ bê tông là cường độ đá CKD, hàm lượng CKD, loại và hàm lượng cốt liệu (cát và FAC), loại và hàm lượng cốt sợi phân tán. Cường độ nén 28 ngày (R28) của FAC-HSLWC là hàm của các yếu tố vừa nêu. Việc định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến R28 của FAC-HSLWC được thiết lập dựa theo một số công thức dự đoán cường độ bê tông như đã nêu ở phần tổng quan ở trên. Chi tiết về xây dựng mô hình dự đoán cường độ nén cho FAC-HSLWC được trình bày ở Chương 4. 2.3 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC 2.3.1 Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tông nhẹ Đối với hệ FAC-HSLWC do đặc tính khác biệt của các hạt FAC so với hạt cát nhẹ và cấp phối không sử dụng cốt liệu lớn nên không thể sử dụng các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông nhẹ thông thường như phương pháp ACI 211.2-98 (2004). Các phương pháp thiết kế cấp phối đối với bê tông tính năng cao hiện nay cơ bản dựa trên cơ sở lựa chọn sử dụng loại vật liệu phù hợp và tối ưu hóa thành phần cỡ hạt. Với hỗn hợp bê tông có cùng tỷ lệ N/CKD, nếu tăng độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu sẽ làm tăng lượng nước tự do trong hệ, còn đối với hỗn hợp bê tông có cùng hàm lượng hồ chất kết dính, nếu độ lèn chặt của cốt liệu lớn sẽ làm tăng lượng hồ dư thừa trong hệ. Một số phương pháp thiết kế cấp phối cho LWAC đã thiết lập trên cơ sở này. Với cách tiếp cận này, cấp phối bê tông được thiết kế sẽ có tỷ lệ N/CKD và độ lèn chặt tốt, giảm thiểu độ rỗng giữa các cấp hạt qua đó tăng đặc chắc cấu trúc cho hệ LWAC. 2.3.2 Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đề xuất Hướng xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đảm bảo hai yếu tố là cường độ nén và KLTT của bê tông trên cơ sở sau. Nguyên tắc thiết kế cấp phối FAC-HSLWC dựa trên tối ưu thành phần CKD bao gồm xi măng, SF, GGBFS trên cơ sở thực nghiệm theo phương pháp lèn chặt nén hoặc tính toán từ mô hình lèn chặt nén của De Larrard; Xây dựng mối quan hệ giữa tỷ lệ CKD/CL và tính công tác, cường độ nén; Thiết lập mối quan hệ giữa cường độ nén với các yếu tố ảnh hưởng chính như tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ CKD/CL, tỷ lệ FAC/CL; Thiết lập mối quan hệ giữa KLTT của bê tông nhẹ, bê tông 100% cốt liệu cát để tính ra lượng cốt liệu nhẹ thay thế cốt liệu cát. 3 CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 3.1.1 Xi măng Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng poóc lăng PC50 Nghi Sơn, với cỡ hạt trung bình 15 m.
7 3.1.2 Silica fume Silica fume (SF) sử dụng trong nghiên cứu là sản phẩm microsilica dạng rời không nén, với cỡ hạt trung bình 0,151 m. 3.1.3 Xỉ hạt lò cao nghiền mịn Xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS) sử dụng cho nghiên cứu là loại S95, dải hạt chủ yếu trong khoảng 1-45 m, cỡ hạt trung bình 7,8 m. 3.1.4 Cenosphere Đề tài sử dụng cenosphere (FAC) được tuyển từ tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. FAC sử dụng có dải hạt trong khoảng 10-300 m, nhưng tập trung chủ yếu trong khoảng 45-250 m, kích thước hạt trung bình 117 m. Hình 3.1 Mẫu cenosphere và hình dạng của nó qua chụp SEM 3.1.5 Cốt liệu cát Cốt liệu sử dụng cho nghiên cứu là cát sông, loại cát dùng cho bê tông. Cát được phân ra thành các loại theo cỡ hạt lớn nhất (Dmax) là 0,315, 0,63, 1,25, 2,5 và 5,0 mm bằng sàng. 3.1.6 Phụ gia siêu dẻo Phụ gia hóa học được sử dụng cho các mẫu thí nghiệm là phụ gia siêu dẻo ViscoCrete 3000-20 của hãng Sika. Khả năng giảm nước 36,5%. 3.1.7 Sợi Polypropylene (sợi PP) Sợi polypropylene (PP) là loại sợi không thấm nước, bền kiềm và muối clorua. Loại sợi sử dụng trong nghiên cứu là sợi chiều dài 12-18 mm, sợi đơn (monofilament). 3.1.8 Nước trộn Nước dùng để trộn bê tông trong đề tài là nước máy sinh hoạt của thành phố Hà Nội. Nước trộn thỏa mãn yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 “Nước trộn bê tông và vữa -Yêu cầu kỹ thuật”. 3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.2.1 Các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn 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. 3.2.1.1 Thí nghiệm khả năng chịu tải của cấu kiện BTCT FAC-HSLWC Cấu kiện BTCT đúc sẵn sử dụng FAC-HSLWC được thí nghiệm khả năng chịu tải theo TCVN 9347:2012 nhưng sử dụng phương pháp gia tải liên tục bằng kích thủy lực. 3.2.2 Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như XRD, XRF, nhiễu xạ laze, chụp kính hiển vi điện tử (SEM); Độ nhớt của HHBT được xác định bằng nhớt kế; phương pháp phân tích nhiệt vi sai TGA xác định hàm lượng CH; Độ lèn chặt của hỗn hợp FAC-HSLWC được xác định thông qua theo mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model - CPM) của De Larrard (1999) và kiểm chứng với xác định theo phương pháp thực nghiệm bằng rung+ép với áp lực 10 kPa. 3.2.2.1 Phương pháp trộn bê tông Máy trộn sử dụng trong nghiên cứu là máy trộn hành tinh loại 5 L, 20 L và máy trộn trục ngang 60 L. 3.2.2.2 Phương pháp bảo dưỡng bê tông Các chế độ bảo dưỡng các mẫu FAC-HSLWC sử dụng bao gồm: (1) chế độ bảo dưỡng tiêu chuẩn; (2) Chế độ bảo dưỡng nhiệt ẩm ở 70 oC, 90 oC và autoclave ở 210 oC.
8 4 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC- HSLWC 4.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CKD PHÙ HỢP CHO FAC-HSLWC 4.1.1 Lựa chọn thành phần CKD theo độ lèn chặt tối ưu Đầu tiên, thành phần CKD gồm XM, SF, GGBFS được lựa chọn dựa theo độ lèn chặt tối ưu của CKD. Kết quả tính toán độ lèn chặt (packing density - PD) của CKD với loại và tỷ lệ PGK khác nhau thể hiện trong Hình 4.1 cho thấy độ lèn chặt của CKD chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ SF, đạt giá trị cao nhất là 0,767 với tỷ lệ SF là 30% và XM là 70% theo thể tích, tương ứng với tỷ lệ của SF và XM theo khối lượng là 23,3% và 76,7%. Khi tăng SF lên trên 30% thì độ lèn chặt của CKD giảm. Hình 4.1 Độ lèn chặt của CKD bao gồm xi măng và Hình 4.2 Bề mặt biều diễn vav biều đồ đường PGK với loại và tỷ lệ khác nhau đồng mức độ lèn chặt với hệ CKD 3 cấu tử (XM-SF-GGBFS) 4.1.2 Lựa chọn thành phần CKD theo phương pháp tối ưu tính công tác và cường độ nén Từ thành phần CKD tối ưu theo phương pháp tính toán lý thuyết độ lèn chặt, thành phần hợp lý của CKD được lựa chọn trên cơ sở đảm bảo tối ưu tính công tác và cường độ nén của CKD là lớn nhất theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Bảng 4.1 Cấp phối và kết quả thí nghiệm CKD theo mô hình thiết kế tối ưu D Thành phần CKD (% wt) Vữa CKD STT Tỷ lệ cát/CKD PGSD Độ chảy R3 R28 OPC SF GGBFS (theo KL) (%wt CKD) (mm) (MPa) (MPa) 1 0,90 0,00 0,10 3,0 0,44 198 37,5 58,9 2 0,90 0,00 0,10 3,0 0,44 195 37,4 59,2 3 0,85 0,15 0,00 3,0 0,44 180 42,2 65,6 4 0,75 0,10 0,15 3,0 0,44 188 36,8 61,8 5 0,70 0,30 0,00 3,0 0,44 148 44,5 68,3 6 0,70 0,30 0,00 3,0 0,44 145 44,6 68,9 7 0,64 0,00 0,36 3,0 0,44 195 34,7 57,6 8 0,60 0,15 0,25 3,0 0,44 182 35,7 61,4 9 0,51 0,00 0,49 3,0 0,44 215 27,2 56,4 10 0,51 0,00 0,49 3,0 0,44 216 26,8 55,9 11 0,46 0,30 0,24 3,0 0,44 162 39,0 64,4 12 0,45 0,16 0,39 3,0 0,44 185 35,3 61,52 13 0,30 0,30 0,40 3,0 0,44 168 35,8 60,3 14 0,30 0,30 0,40 3,0 0,44 166 35,5 60,6 15 0,30 0,10 0,60 3,0 0,44 212 26,5 55,75 16 0,30 0,10 0,60 3,0 0,44 210 26,4 54,7 a) Tính công tác của vữa CKD Từ kết quả thí nghiệm như nêu trong Bảng 4.1, thông qua ứng dụng D-Optimal thu được mô hình thực nghiệm dạng bậc 2 cho tính công tác của CKD như sau: Độ chảy = 194,6*A +19,4*B + 227,0*C + 112,1*AB -47,0*AC + 113*BC
Design-Expert® Software Design-Expert® Software Component Coding: Actual Component Coding: Actual Độ chảy vữa (mm) Design points above predicted value Rn28 (MPa) 9 Design points above predicted value Design points below predicted value Design points below predicted value 145 216 54.25 65.9 220 66 X1 = A: OPC X1 = A: OPC X2 = B: SF X3 = C: GGBFS X2 = B: SF 64 X3 = C: GGBFS 200 62 60 180 Độ chảy vữa (mm) Rn28 (MPa) 58 160 56 54 140 52 A (1) A (1) B (0) B (0) C (0.7) C (0.7) C (0) C (0) A (0.3) A (0.3) B (0.7) B (0.7) Hình 4.3 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức Hình 4.4 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mô hình tính công tác của CKD mức mô hình quan hệ giữa R28 và thành phần của CKD Từ bề mặt biểu diễn và đường đồng mức trên Hình 4.3 từ mô hình thực nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng SF từ 0 đến 30% thì tính công tác của vữa CKD giảm đáng kể từ khoảng 200 mm xuống còn dưới 160 mm. Khi CKD chỉ gồm OPC và SF, tồn tại giá trị lớn nhất hàm lượng SF để đảm bảo tính công tác hỗn hợp vữa 180 mm trở lên, giá trị này tính từ mô hình thực nghiệm khoảng 12,5%. Khi kết hợp SF với GGBFS thì tính công tác của CKD được cải thiện hơn. b) Cường độ nén của CKD Từ kết quả thí nghiệm như nêu trong Bảng 4.1, thông qua ứng dụng D-Optimal thu được mô hình thực nghiệm cho cường độ nén ở ngày 28 ngày như sau: R28 = 59*A + 56,8*B + 50,1*C + 32,4*AB + 12,5*AC + 30,8*BC Kết quả thể hiện trên Hình 4.4 cho thấy cường độ nén của CKD tăng khi hàm lượng SF tăng từ 0 đến 30%. Tuy nhiên mức độ tăng cường độ nén CKD có xu hướng không tăng khi tăng hàm lượng SF lên trên khoảng 20%. Ngược lại với sự có mặt của SF, tăng hàm lượng của GGBFS từ 0 đến 60% làm giảm cường độ tuổi sớm của CKD, nhưng đến tuổi 28 ngày thì tồn tại một tỷ lệ GGBFS tối ưu (khoảng 36%) để cường độ R28 của CKD đạt giá trị lớn nhất, sau đó cường độ của CKD giảm khi tăng hàm lượng GGBFS. Kết quả này cũng tương đồng với kết quả thí nghiệm sự phụ thuộc độ lèn chặt của hỗn hợp CKD theo các thành phần vật liệu là SF và GGBFS như đã nêu ở mục trên. c) Tối ưu hóa thành phần CKD chứa OPC-SF-GGBFS Hai thành phần CKD được lựa chọn là thành phần cơ sở để khảo sát các tính chất của FAC-HSLWC: 1) Hệ CKD gồm XM-SF: tỷ lệ XM/CKD = 90%; SF/CKD = 10% (các tỷ lệ tính theo khối lượng); 2) Hệ CKD gồm XM-SF-GGBFS: XM/CKD = 54%; SF/CKD = 10%; GGBFS/CKD = 36% (các tỷ lệ tính theo khối lượng). 4.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC 4.2.1 Lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát cho FAC-HSLWC Ảnh hưởng của Dmax của cát được đánh giá thông qua tính công tác của HHBT, tính phân tầng và cường độ nén của các cấp phối FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD=0,5, 0,4, 0,3 và tỷ lệ CKD/CL=0,667 và tỷ lệ FAC/CL=0,5 theo thể tích. Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm lượng PGSD cần thiết để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông 180-200 mm tăng dần khi Dmax của cốt liệu giảm dần từ 5 mm đến 0,315 mm. Kết quả thí nghiệm xác định độ phân tầng của HHBT như thể hiện trên Hình 4.5 cho thấy khi Dmax cốt tăng từ 0,315 mm đến 5 mm thì độ phân tầng của HHBT tăng rất rõ ràng, mức độ phân tầng trong khoảng (1,35-7,29)%, (3,26-10,67)%, (6,22-18,21)% tương ứng với nhóm cấp phối có tỷ lệ N/CKD=0,3, 0,4 và 0,5. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của Dmax cốt liệu cát đến tính công tác, độ phân tầng và cường độ của FAC-HSLWC, đề tài này chọn cốt liệu cát có Dmax=0,63 mm để làm cốt liệu cơ sở cho nghiên cứu các tính chất của FAC-HSLWC.
10 Hình 4.5 Ảnh hưởng của Dmax cốt Hình 4.6 Ảnh hưởng Dmax cốt liệu liệu đến độ phân tầng của HHBT đến R28 của FAC-HSLWC 4.2.2 Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cho FAC-HSLWC Trên cơ sở thành phần CKD hợp lý đã được nghiên cứu lựa chọn ở phần 4.1 với CKD lựa chọn có thành phần là 90% XM và 10% SF, nghiên cứu tiếp tục thực hiện để tối ưu tỷ lệ của hỗn hợp vật liệu cho chế tạo FAC-HSLWC gồm ba thành phần là cát, FAC và CKD. Để tối ưu thành phần hạt của hỗn hợp này, đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm xác định độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu theo phương pháp đề xuất bởi De Larrard. Đây là phương pháp xác định độ lèn chặt hỗn hợp vật liệu hạt ở trạng thái khô có tính đến ảnh hưởng của áp lực nén. 4.2.2.1 Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu và CKD theo phương pháp độ lèn chặt tối ưu Từ các kết quả thí nghiệm như trong Bảng 4.2, mô hình dạng hàm bậc hai của độ lèn chặt hỗn hợp CKD-CL cho chế tạo FAC-HSLWC được biểu diễn như sau: PD = 0,63*Cát+ 0,66*FAC + 0,58*CKD + 0,65*Cát*CKD+ 0,54*FAC*CKD Bảng 4.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm theo mô hình thiết kế tối ưu D-Optimal Hàm mục Biến đầu vào: Design-Expert® Software Component Coding: Actual Bề mặt biểu diễn tiêu: STT PD Độ lèn chặt Design points above predicted value 0.8 A (Cát) B (FAC) C (CKD) Design points below predicted value 0.636 (PD) 0.776 0.75 1 0 1 0 0,667 0.7 X1 = A: Cát 2 0,75 0 0,25 X2 = B: FAC 0,742 PD 0.65 X3 = C: CKD 3 0,5 0 0,5 0,767 0.6 4 0,1875 0,5625 0,25 0,751 A (1) B (0) 5 0,5 0 0,5 0,764 C (1) 6 0 0,75 0,25 0,748 C (0) A (0) 7 1 0 0 0,639 B (1) 8 0,6875 0,1875 0,125 0,698 Design-Expert® Software A: Cát 9 0 1 0 0,667 Component Coding: Actual 1 0.64 2 PD 10 0 0,5 0,5 0,758 0.636 Design Points 0.776 11 0,4375 0,1875 0,375 0,776 X1 = A: Cát X2 = B: FAC 0.66 12 0 0,5 0,5 0,753 X3 = C: CKD 0 2 0.68 0.7 0.72 2 0 0.74 13 1 0 0 0,636 0.76 14 0,5 0,5 0 0,659 0.76 15 0,5 0,5 0 0,652 1 2 2 0 1 B: FAC C: CKD 16 0,1875 0,6875 0,125 0,695 PD Sử dụng công cụ tối ưu hóa của phần mềm Design-Expert để tìm tối ưu thành phần Cát, FAC và CKD cho FAC-HSLWC trên cơ sở độ lèn chặt lớn nhất. Với hệ cốt liệu gồm cát+FAC thì tỷ lệ Cát:FAC:CKD=0,20:0,39:0,41; với hệ cốt liệu chỉ gồm FAC thì tỷ lệ FAC:CKD=0,60:0,40. Hai thành phần vật liệu được lựa chọn là thành phần cơ sở để khảo sát các tính chất của FAC-HSLWC, quy đổi ra các thông số Cát/CL, FAC/CL và CKD/CL như sau: 1) Hệ FAC-HSLWC có cốt liệu chỉ gồm FAC: FAC/CL = 1, tỷ lệ CKD/CL = 0,667 (tính theo thể thể tích); 2) Hệ FAC-HSLWC có cốt liệu gồm Cát và FAC: tỷ lệ Cát/CL = 0,333, tỷ lệ FAC/CL = 0,667; tỷ lệ CKD/CL= 0,667 (tính theo thể tích);
11 4.2.3 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ CKD và cốt liệu theo phương pháp đúc mẫu Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CKD đến tính công tác và cường độ nén của FAC-HSLWC, đề tài nghiên cứu khảo sát hàm lượng CKD với chất kết dính có cùng tỷ lệ N/CKD (cố định thành phần của CKD). Như vậy, với mỗi CKD có tỷ lệ N/CKD xác định, ảnh hưởng của thành phần vật liệu đến tính chất của bê tông chủ yếu phụ thuộc vào 3 biến tỷ lệ Cát/VLK, FAC/VLK và CKD/VLK, trong đó VLK bao gồm CKD, cát và FAC. Mô hình cường độ nén của FAC-HSLWC được thiết lập dưới dạng hàm bậc 2 được xây dựng dựa trên một kế hoạch thực nghiệm. Từ bề mặt biểu diễn ảnh hưởng của 3 thành phần và đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của hai thành phần đến cường độ nén R28 trong Hình 4.7a, b, c tương ứng với nhóm cấp phối có tỷ lệ N/CKD=0,5, 0,4 và 0,3 có thể thấy R28 chịu ảnh hưởng nhiều nhất của tỷ lệ CKD/VLK. Khi tỷ lệ CKD/VLK tăng từ 0,25 đến 0,5 thì cường độ R28 có xu hướng tăng đến một giá trị nhất định sau đó giảm. Căn cứ và kết quả thí nghiệm và mô hình thực nghiệm của R28 thì với mỗi nhóm cấp phối với tỷ lệ N/CKD khác nhau tồn tại một giá trị của hàm lượng hồ CKD để R28 của bê tông đạt giá trị lớn nhất, khi lượng hồ bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu có chiều dày mỏng hơn Design-Expert® Software Design-Expert® Software R28 (MPa) hoặc dày hơn giá trị tối ưu sẽ làm giảm cường độ nén của bê tông. Component Coding: Actual Design points above predicted value Design-Expert® Software Component Coding: Actual Component Coding: Actual R28 (MPa) R28 (MPa) Design points above predicted value 44.6 Design points below predicted value 59.4 (a) N/CKD=0,5 57.1 Design points above predicted value Design points below predicted value 69.4 (b) N/CKD=0,4 Design points below predicted value (c) N/CKD=0,3 69.3 78.6 X1 = A: Cát/VLK X2 = B: FAC/VLK X1 = A: Cát/VLK X3 = C: CKD/VLK X2 = B: FAC/VLK X1 = A: Cát/VLK X3 = C: CKD/VLK 70 80 X2 = B: FAC/VLK 60 X3 = C: CKD/VLK 68 78 55 66 76 50 64 74 R28 (MPa) R28 (MPa) R28 (MPa) A (0.75) 62 45 72 60 C (0.25) 40 70 A (0.65) 58 A (0.700) B (0) B (0.000) B (0) 56 68 C (0.300) C (0.35) B (0.75) C (1) A (0) A (0.000) C (1.000) A (0) B (0.700) B (0.65) C (1) Hình 4.7 Bề mặt biểu diễn quan hệ của R28 với tỷ lệ thành phần vật liệu của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD khác nhau Sử dụng công cụ tối ưu hóa của phần mềm Design-Expert để tìm ra thành phần hợp vật liệu hợp lý cho chế tạo FAC-HSLWC. Căn cứ vào các tiêu chí đưa ra để xác định thành phần vật liệu tối ưu được lựa chọn là cường độ nén R28 lớn nhất. Căn cứ vào các tiêu chí này phần mềm đưa ra được thành phần vật liệu tối ưu như sau: với tỷ lệ N/CKD=0,5 thì tỷ lệ Cát/VLK: FAC/VLK: CKD/VLK=0,60:0,00:0,40; với tỷ lệ N/CKD=0,4 thì tỷ lệ Cát/VLK: FAC/VLK: CKD/VLK=0,58:0,00:0,42; với tỷ lệ N/CKD=0,3 thì tỷ lệ Cát/VLK: FAC/VLK: CKD/VLK=0,55:0,00:0,45. Kết quả thí nghiệm cho thấy quan hệ giữa tỷ lệ CKD/VLK và R28 của có thể biểu diễn dạng đường cong parabol. Do vậy, tồn tại tỷ lệ phối hợp giữa các thành phần vật liệu cát, FAC, CKD/VLK để cường độ nén 28 ngày của FAC-HSLWC là lớn nhất. Với kết quả phân tích từ mô hình thực nghiệm thì tỷ lệ CKD/VLK tối ưu (cho cường độ nén lớn nhất) dao động trong khoảng 0,40-0,45 khi tỷ lệ N/CKD từ 0,5 đến 0,3. Có thể thấy tỷ lệ CKD/VLK tối ưu có xu hướng tăng nhẹ khi tỷ lệ N/CKD giảm nhưng mức độ không lớn. Hình 4.8 Quan hệ giữa tỷ lệ CKD/VLK và Hình 4.9 Quan hệ giữa hàm lượng hồ R28 của FAC-HSLWC CKD và R28 của FAC-HSLWC
12 4.2.4 Thí nghiệm kiểm chứng thành phần cấp phối cơ sở của FAC-HSLWC Từ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài: cường độ bê tông > 40 MPa; KLTT: 1300-1600 kg/m3. Cấp phối FAC-HSLWC được lựa chọn theo kết quả nghiên cứu ở trên để tiến hành tính toán cấp phối theo các thông số cấp phối tối ưu đề xuất và thí nghiệm kiểm chứng. Thành phần cấp phối định hướng được thí nghiệm kiểm chứng như sau: CKD có thành phần gồm 90% XM và 10% SF; Cốt liệu gồm hai loại (1) chỉ gồm FAC; (2) gồm cát+FAC với tỷ lệ FAC/CL=0,667. Hàm lượng PGSD được điều chỉnh để độ chảy của HHBT 180-200 mm, hàm lượng bọt khí giả định 4,5%. Căn cứ vào phương pháp thể tích tuyệt đối, khối lượng vật liệu thành phần được xác định. Kết quả tính toán thành phần cấp phối thể hiện trong Bảng 4.3. Bảng 4.3 Thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở theo phương pháp tối ưu thành phần hạt Thông số cấp phối Thành phần cấp phối bê tông (kg/m3) Cấp N/ Cát FAC CKD CKD phối CKD /CL /CL /CL XM SF FAC Cát PGSD Nước (kg/m3) (%wt) (%vol) (%vol) (%vol) CP1 0,4 0 1,0 0,667 764 687 76 297 - 4,5 306 CP2 0,4 0,333 0,667 0,667 761 685 76 197 338 4,5 304 Kết quả thí nghiệm tính chất của 2 cấp phối cơ sở thể hiện trong Bảng 4.3 cho tính công tác của HHBT đạt theo yêu cầu (trong khoảng 180-200 mm), cường độ nén 28 ngày của cấp phối CP1 và CP2 tương ứng là 62,6 và 67,7 MPa (> 40 MPa), KLTT tương ứng đạt 1322 kg/m 3 và 1568 kg/m3 (phù hợp trong khoảng 1300-1600 kg/m3). Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm cấp phối FAC-HSLWC cơ sở KLTT ở tuổi Thông số cấp phối Độ chảy Cường độ nén (MPa) Ký hiệu (kg/m3) xòe cấp phối N Cát/ FAC/ CKD/ (mm) 3 ngày 28 ngày 3 ngày 28 ngày /CKD CL CL CL CP1 0,4 0 1,0 0,667 182 42,5 62,6 1348 1312 CP2 0,4 0,333 0,667 0,667 191 46,5 67,4 1621 1608 5 CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC Đối với FAC-HSLWC, do những khác biệt về thành phần và tính chất vật liệu so với bê tông thông thường, nên không thể áp dụng các công thức của bê tông thông thường hay một số loại bê tông nhẹ phổ biến cho loại bê tông này. Đây cũng là vấn đề khoa học cần phải giải quyết nhằm hỗ trợ việc thiết kế thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC. 5.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA FAC-HSLWC Kết quả nghiên cứu lý thuyết và các kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy, cường độ nén của bê tông chịu ảnh hưởng của một số yếu tố chính, bao gồm: (1) Hàm lượng hồ CKD (2) Cường độ hồ CKD; (2) Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu (3) Độ lèn chặt và đặc tính của cốt liệu; (4) Ảnh hưởng của cốt sợi phân tán (khi sử dụng); (5) điều kiện dưỡng hộ. Trong nghiên cứu này, để đơn giản hóa, xem xét sự phát triển cường độ của FAC-HSLWC trong cùng điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn, khi đó cường độ nén của FAC-HSLWC sẽ làm hàm của các yếu tố: Rn = f(Rckd, Vckd, Dmax, Vfac/cl, Vs) trong đó: Rn, Rckd là cường độ chịu nén của FAC-HSLWC và CKD; Vckd là hàm lượng hồ CKD hay tỷ lệ Vckd/Vcl, Dmax là kích thước lớn nhất của cốt liệu; Vfac/cl là thể tích thay thế cát của FAC để đảm bảo KLTT của BTN yêu cầu; Vs là hàm lượng sợi sử dụng. Việc định lượng hóa ảnh hưởng của các yếu tố vừa nêu đến Rn của FAC-HSLWC được thực hiện theo nguyên tắc: coi bê tông với cốt liệu chỉ có cát (FAC=0%) là bê tông nền, bê tông FAC-HSLWC được hình thành trên cơ sở thay thế dần cát bằng FAC (theo thể tích). Trên cơ sở đó, thiết lập các hệ số ảnh hưởng của từng yếu tố đến cường độ chịu nén của bê tông nền. Cuối cùng, cường độ của FAC-HSLWC sẽ là cường độ chịu nén của bê tông nền nhân với các hệ số ảnh hưởng của các yếu tố. Lưu ý, hệ số ảnh hưởng của mỗi yếu tố sẽ là một hàm phụ thuộc vào yếu tố đó và tỷ lệ N/CKD.
13 5.1.1 Ảnh hưởng của cường độ đá CKD Ảnh hưởng của cường độ đá CKD đến cường FAC-HSLWC đánh giá thông qua ảnh hưởng của hoạt tính cường độ CKD và tỷ lệ N/CKD. Ba hệ CKD được khảo sát gồm (1) hệ CKD gồm XM và SF; (2) hệ CKD gồm XM+10%SF+GGBFS; (3) hệ CKD gồm XM và GGBFS. Từ kết quả khảo sát cường độ, bằng phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến tính (non-linear regression analysis - NLRA) thu được công thức dự đoán cường độ CKD theo cường độ xi măng và tỷ lệ P/X (PGK/XM) như sau: (1) Với hệ CKD = XM+SF thì: 𝑃 2,47𝑃 R 28𝑐𝑘𝑑 = R 28opc (−7,08( )2 + + 1) (5.1) 𝑋 𝑋 (2) Với hệ CKD=XM+10%SF+(20-60)% GGBFS thì: 𝑃 0,289𝑃 R 28𝑐𝑘𝑑 = R 28opc (−0,133( )2 + + 1) (5.2) 𝑋 𝑋 (3) Với hệ CKD=XM+(20-60)% GGBFS thì: 𝑃 0,185𝑃 R 28𝑐𝑘𝑑 = R 28opc (−0,153( )2 + + 1) (5.3) 𝑋 𝑋 Xét ở cùng một độ tuổi thì cường độ của đá CKD ảnh hưởng chủ yếu bởi hoạt tính cường độ CKD và tỷ lệ N/CKD. Do vậy, quan hệ giữa cường độ bê tông và cường độ CKD có thể biểu diễn dưới dạng công thức Bolomey như sau: 1 R 28 = AR 28𝑐𝑘𝑑 ( 𝑁 − 𝐵) (5.4) 𝐶𝐾𝐷 Ảnh hưởng của thành phần CKD đến cường độ của CKD được xác định theo phương pháp mẫu vữa tiêu chuẩn với cát ISO. Cường độ CKD xác định được trong khoảng 44-70 MPa với tỷ lệ N/CKD từ 0,3 đến 0,5. Lưu ý rằng, các cấp phối này cốt liệu chỉ bao gồm một loại cát giống nhau có Dmax = 0,63 mm. Bằng phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến thu được công thức cường độ nén của FAC- HSLWC như sau: 1 R 28 = 0,26R 28𝑐𝑘𝑑 ( 𝑁 + 1,56) (5.5) 𝐶𝐾𝐷 Hệ số tương quan R2 trong công thức (5.5) là 0,80. 5.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD đến tính chất của FAC-HSLWC trong đề tài này được đánh giá thông qua các thông số: (1) chiều dày lớp hồ bao bọc xung quanh hạt cốt liệu (ký hiệu CPT); (2) hệ số dư hồ CKD (ký hiệu Kd); (3) Chiều dày lớp hồ CKD lớn nhất (ký hiệu MPT). 5.1.2.1 Đánh giá ảnh hưởng các thông số hàm lượng hồ CKD đến cường độ nén của FAC- HSLWC Các cấp phối bê tông thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng các thông số BPT, Kd và MPT đến tính chất bê tông FAC-HSLWC được lấy theo các cấp phối thí nghiệm lựa chọn tỷ lệ CKD và cốt liệu như nêu ở mục 4.3.2. Tổng cộng có 48 cấp phối thí nghiệm tương ứng với 3 tỷ lệ N/CKD là 0,5, 0, 4 và 0,3 (16 thí nghiệm cho mỗi tỷ lệ N/CKD). Hình 5.1 Quan hệ giữa Kd và R28 Hình 5.2 Quan hệ giữa Kd và R28 Hình 5.3 Quan hệ giữa Kd và KKd của FAC-HSLWC với tỷ lệ của FAC-HSLWC với tỷ lệ với tỷ lệ FAC/CL=0 và tỷ lệ N/CKD và FAC/CL khác nhau FAC/CL=0 và N/CKD khác nhau N/CKD khác nhau
14 Quan hệ giữa Kd với R28 của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD 0,5, 0,4 và 0,3 với trường hợp cốt liệu gồm cát và FAC thể hiện trong Hình 5.1 và trong trường hợp cốt liệu là cát thể hiện trong Hình 5.2. Từ đồ thị có thể thấy tương tự như tỷ lệ CKD/VLK, mối quan hệ giữa Kd và R28 có thể biểu diễn dạng đường cong parabol, điều này cũng có nghĩa tồn tại giá trị Kd để cường độ R28 của bê tông là lớn nhất. Kd tối ưu phụ thuộc vào tỷ lệ N/CKD nhưng mức độ dao động không lớn. Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD thông qua thông số hệ số dư hồ CKD (Kd) đến cường độ FAC- HSLWC được thiết lập thông qua công thức như sau: 1 R 28 = 0,26R 28𝑐𝑘𝑑 ( 𝑁 + 1,56) Κ 𝐾𝑑 (5.6) 𝐶𝐾𝐷 trong đó: 𝐾 𝐾 𝑑 là hệ số ảnh hưởng của hệ số dư hồ CKD. Bằng phân tích hồi quy từ kết quả thực nghiệm, hệ số ảnh hưởng của hệ số dư hồ CKD, 𝐾 𝐾 𝑑 , trong công thức trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau: 𝑁 𝐾 𝐾 𝑑 = 0.913 𝐶𝐾𝐷 (−0.69𝐾 2 + 2.61𝐾 𝑑 − 1.46) 𝑑 (5.7) Hệ số tương quan R = 0,94. 2 5.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL Hệ số Kfac được tính bằng tỷ số giữa cường độ nén R28 của các cấp phối với tỷ lệ FAC/CL từ 0 đến 1 với R28 của các cấp phối có tỷ lệ FAC/CL=0. Mối quan hệ giữa Kfac với tỷ lệ FAC/CL thể hiện trong Hình 5.5. Bằng phân tích hồi quy từ kết quả thí nghiệm, hệ số ảnh hưởng của FAC/CL (theo thể tích) trong công thức trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau: 𝑁 𝑉 𝑓𝑎𝑐 𝐾 𝑓𝑎𝑐 = 0,994 𝐶𝐾𝐷 (1 − 0,143 ) (5.8) 𝑉 𝑐𝑙 Hình 5.4 Quan hệ giữa tỷ lệ FAC/CL và R28 Hình 5.5 Quan hệ giữa KFAC và tỷ lệ FAC/CL của FAC-HSLWC của FAC-HSLWC Vì FAC được sử dụng thay thế một phần hoặc toàn bộ cát để giảm KLTT của bê tông nên, do vậy mối quan hệ giữa KLTT của bê tông nhẹ với tỷ lệ cốt liệu nhẹ trong cốt liệu (Vfac/Vcl) cần phải được thiết lập. Công thức tính thể tích cốt liệu (Vcl) và thể tích FAC (Vfac) trong bê tông nhẹ như sau: 1000 − 𝑉 𝑝𝑔𝑠𝑑 − 𝑉𝑠 − 𝑉 𝑘 𝑉 𝑐𝑙 = 𝑁 (5.9) 1 + Γ 𝑐𝑘𝑑 + 𝐶𝐾𝐷 ∙ 𝜌 𝑐𝑘𝑑 ∙ Γ 𝑐𝑘𝑑 𝛾 𝑏𝑡𝑛 − 1,2 ∙ 𝑉 𝑐𝑙 ∙ Γ 𝑐𝑘𝑑 ∙ 𝜌 𝑐𝑘𝑑 − 𝑉 𝑐𝑙 ∙ 𝜌 𝑐á𝑡 𝑉𝑓𝑎𝑐 = (5.10) 𝜌 𝑓𝑎𝑐 − 𝜌 𝑐á𝑡 Từ đó Kfac trong công thức (5.8) có thể tính được khi biết tỷ lệ N/CKD và tỷ lệ Vfac/Vcl, trong đó Vfac/Vcl tính được khi biết KLTT mục tiêu của FAC-HSLWC (btn), tỷ lệ Vckd/Vcl, cát, fac theo công thức (5.31) và (5.32). 5.1.4 Ảnh hưởng của Dmax cốt liệu Mối quan hệ giữa KDmax với Dmax cốt liệu thể hiện trong Hình 5.7.
15 Hình 5.6 Quan hệ giữa Dmax cốt liệu và R28 của Hình 5.7 Quan hệ giữa KDmax và Dmax cốt liệu FAC-HSLWC của FAC-HSLWC Hệ số 𝐾 𝐷 𝑚𝑎𝑥 được thiết lập thông qua ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD và thông số là tỷ lệ của Dmax cốt liệu và Dmin cốt liệu. Bằng phân tích hồi quy từ kết quả thí nghiệm, hệ số ảnh hưởng kích thước cốt liệu đến R28 của FAC-HSLWC, KDmax, trong công thức (5.11) có thể biểu diễn như sau: 𝑁 𝐷 𝑚𝑎𝑥 −1,14 𝐾 𝐷 𝑚𝑎𝑥 = 0,999 𝐶𝐾𝐷 [1,06 − 0,37 ( ) ] (5.11) 𝐷 𝑚𝑖𝑛 Hệ số tương quan trong công thức (5.11) là R2 = 0,88. 5.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi PP Hệ số Ks được tính bằng tỷ số giữa cường độ nén R28 của các cấp phối với hàm lượng cốt sợi Vs khác nhau từ 0 đến 1,5% vol. với R28 của các cấp phối có Vs=0. Bằng phân tích hồi quy phi tuyến từ kết quả thí nghiệm, hệ số ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP (theo thể tích) trong công thức trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau: 𝑁 𝐾 𝑠 = 0,962 𝐶𝐾𝐷 (1,02 − 0,07 ∙ 𝑉𝑠 ) (5.12) Tổng kết lại, cường độ nén R28 của FAC-HSLWC có thể dự đoán theo công thức sau: 1 R 28 = 0,27R 28𝑐𝑘𝑑 ( 𝑁 + 1,56) Κ 𝐾 𝑑 Κ 𝐹𝐴𝐶 Κ 𝐷 𝑚𝑎𝑥 Κ 𝑠 (5.13) 𝐶𝐾𝐷 trong đó: 𝑅28𝑐𝑘𝑑 , Κ 𝐾 𝑑 , 𝐾 𝐹𝐴𝐶 , Κ 𝐷 𝑚𝑎𝑥 , và 𝐾 𝑠 được xác định theo các công thức (5.5), (5.13), (5.15), (5.19) và (5.21) tương ứng. 5.1.6 Nghiên cứu tốc độ phát triển cường độ nén theo thời gian Ảnh hưởng thời gian đến cường độ nén của FAC-HSLWC được biểu diễn dưới dạng: R (𝑡) = 𝑅28 Φ(𝑡) (5.14) trong đó: R28 là cường độ nén 28 ngày của FAC-HSLWC (MPa); (t) là tỷ lệ cường độ nén theo thời gian so với cường độ nén của nó ở tuổi 28 ngày. (t) phụ thuộc chủ yếu vào thời gian và hoạt tính cường độ của xi măng hay CKD khi xi măng sử dụng kết hợp với PGK. Chính vì vậy, theo fib 2010 [1], (t) có thể được biểu diễn theo công thức: 28 0,5 Φ(𝑡) = 𝐸𝑋𝑃 [𝑠 ∙ (1 − ( ) )] (5.15) 𝑡 trong đó: 𝑠 là hệ số dốc của đường quan cong quan hệ giữa thời gian và cường độ của bê tông (độ dốc đường cong phát triển cường độ); t là tuổi của bê tông (ngày). Từ kết quả thí nghiệm, bằng phân tích hồi quy phi tuyến tính (NLRA), Φ(𝑡) có thể biểu diễn theo các công thức tương ứng với CKD có thành phần khác nhau như dưới đây: a) Với CKD gồm (90% XM+10% SF) thì: 𝑁 0,083 28 0,5 Φ(𝑡) = 𝐸𝑋𝑃 [(( ) − 0,693) ∙ (1 − ( ) )] (5.16) 𝐶𝐾𝐷 𝑡 Hệ số tương quan R2 của công thức (5.16) là 0,98. b) Với CKD gồm (XM+10% SF+(2060)% GGBFS) thì: 0,885 𝑁 0,081 28 0,5 Φ(𝑡) = 𝐸𝑋𝑃 [(1 + 𝑅 𝑝 ) (( ) − 0,745) ∙ (1 − ( ) )] (5.17) 𝐶𝐾𝐷 𝑡
16 trong đó 𝑅 𝑝 là tỷ lệ của SF+GGBFS trong CKD tính theo khối lượng. 𝑅 𝑝 trong khoảng 0 đến 0,7. Hệ số tương quan R2 của công thức (5.17) là 0,98. c) Với CKD gồm (XM+(2060)% GGBFS) thì: 0,98 𝑁 0,059 28 0,5 Φ(𝑡) = 𝐸𝑋𝑃 [(1 + 𝑅 𝑔𝑠 ) (( ) − 0,736) ∙ (1 − ( ) )] (5.18) 𝐶𝐾𝐷 𝑡 trong đó 𝑅 𝑔𝑠 là tỷ lệ của GGBFS trong CKD tính theo khối lượng. 𝑅 𝑔𝑠 trong khoảng 0 đến 0,6. Hệ số tương quan R2 của công thức (5.18) là 0,98. 5.1.7 Kiểm tra sự phù hợp của mô hình đề xuất Kiểm tra sự phù hợp của mô hình cường độ nén 28 ngày của FAC-HSLWC với các tỷ lệ N/CKD khác nhau được thể hiện trong Hình 5.8a và mô hình dự đoán phát triển cường độ nén theo thời gian (từ 3 đến 91 ngày) thể hiện trong Hình 5.8b. Kết quả cho thấy các mô hình dự đoán đề xuất cho phép dự đoán cường độ 28 ngày và phát triển cường độ nén tuổi 3 đến 91 ngày của FAC-HSLWC ở mức lệch so với kết quả thí nghiệm không quá 15%. Kiểm tra sự phù hợp của mô hình cường độ nén từ 3 đến 91 ngày của FAC-HSLWC với các CKD có thành phần khác nhau được thể hiện trong Hình 5.9. 90 80 +15% 70 +15% Cường độ dự đoán (MPa) 60 R2=0,98 50 -15% R2=0,98 -15% 40 30 3 ngày 20 7 ngày 10 91 ngày 0 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 Cường độ thí nghiệm (MPa) Hình 5.8 Cường độ nén tuổi 28 ngày của FAC-HSLWC tình theo mô hình đề xuất và thí nghiệm 90 90 CKD: OPC+SF+GGBFS CKD: OPC+GGBFS 80 80 70 +15% 70 Cường độ dự đoán (MPa) Cường độ dự đoán (MPa) 60 60 +15% 50 50 R2=0,98 -15% -15% 40 R2=0,98 40 30 3 ngày 30 3 ngày 7 ngày 7 ngày 20 20 28 ngày 28 ngày 10 91 ngày 91 ngày 10 0 0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 Cường độ thí nghiệm (MPa) Cường độ thí nghiệm (MPa) Hình 5.9 Cường độ nén ở các tuổi khác nhau của FAC-HSLWC theo mô hình và thí nghiệm 5.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC 5.2.1 Nguyên tắc chung Phương pháp thiết kế cấp phối đề xuất trong đề tài này dựa theo các nguyên tắc sau: Tối ưu hóa thành phần CKD bao gồm 2 hoặc 3 cấu tử XM, SF và GGBFS; Lựa chọn tỷ lệ CKD/CL và tỷ lệ N/CKD; KLTT mục tiêu của bê tông nhẹ đạt được trên cơ sở sử dụng cốt liệu nhẹ là hạt cenosphere để thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu cát; Tỷ lệ N/CKD được kiểm chứng theo công thức dự đoán cường độ nén của FAC-HSLWC để đảm bảo cường độ nén của bê tông theo yêu cầu; Cốt sợi phân tán PP được sử dụng khi có yêu cầu cao về giảm co ngót và tăng cường độ uốn, kháng nứt của bê tông; Phụ gia siêu dẻo được sử dụng để điều chỉnh tính công tác của hỗn hợp bê tông nhẹ theo yêu cầu (thường trong khoảng 180-200 mm).
17 5.2.2 Các bước thiết kế cấp phối FAC-HSLWC Các bước phương pháp thiết kế cấp phối FAC HSLWC đề xuất trong nghiên cứu này được trình bày trong Hình 5.10. Hình 5.10 Sơ đồ các bước thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC 6 CHƯƠNG 6. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA FAC-HSLWC Chương này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ FAC thay thế cát, ảnh hưởng của PGK thay thế xi măng, ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ (tiêu chuẩn và nhiệt ẩm) đến các tính chất của FAC- HSLWC. Tỷ lệ FAC thay thế cát từ 0, 50, 70 và 100 % tính theo thể tích, tương ứng với KLTT của bê tông trong khoảng 1300-1600 kg/m3 và mẫu đối chứng với cốt liệu 100% cát (tỷ lệ FAC=0%). PGK sử dụng thay thế xi măng gồm các loại 10% SF; 20%, 40 % GGBFS; 10% SF + 20%, 40%, 60% GGBFS (tính bằng %wt CKD). Các cấp phối FAC-HSLWC được tính toán dựa theo thông số cấp phối lựa chọn theo kết quả nghiên cứu trình bày trong Chương 3 như sau tỷ lệ CKD/CL = 0,667, tỷ lệ N/CKD được lấy bằng 0,4 tính theo khối lượng.
18 6.1 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG FAC-HSLWC 6.1.1 Tính công tác Kết quả thí nghiệm như thể hiện trong Hình 6.1a cho thấy khi hàm lượng FAC tăng thì độ chảy xòe của HHBT có xu hướng giảm. Với các cấp phối sử dụng XM kết hợp với SF và GGBFS, độ chảy xòe của HHBT giảm khi sử dụng 10% SF, tính lưu động của HHBT được cải thiện hơn khi sử dụng kết hợp SF với GGBFS ở các tỷ lệ 20, 40 và 60% (Hình 6.1b). (a) Độ chảy-nhóm thay cát (b) Độ chảy-nhóm PGK % so ĐC % so ĐC 250 0 200 0 Độ chảy xòe (mm) Độ chảy xòe (mm) 190 Sai số so ĐC (%) Sai số so ĐC (%) 200 -5 -4 150 -10 180 -8 100 -15 170 160 -12 50 -20 150 -16 0 -25 FAC0 FAC50 FAC70 FAC100 Cấp phối Cấp phối Hình 6.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông FAC-HSLWC 6.1.2 Độ nhớt Độ nhớt của hỗn hợp bê tông FAC-HSLWC được xác định trên các cấp phối có cốt liệu chỉ bao gồm FAC. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi có mặt của SF và GGBFS trong thành phần CKD thì đều làm giảm độ nhớt của hỗn hợp bê tông. Tuy nhiên, nếu tăng hàm lượng SF lên quá cao sẽ làm tăng đáng kể lượng nước của hệ do diện tích bề mặt của hạt SF rất lớn so với xi măng. Ngoài ra, có thể thấy hiệu quả giảm độ nhớt của hồ CKD giảm rất rõ khi tăng hàm lượng GGBFS từ 0, 20, 40 và 60%. 6.1.3 Độ tách nước Kết quả thí nghiệm xác định độ tách nước với các cấp phối bê tông cho thấy các mẫu HHBT thí nghiệm đều không có hiện tượng tách nước trên bề mặt. Do vậy có thể coi độ tách nước của các HHBT này bằng 0. 6.1.4 Độ phân tầng (a) (b) Hình 6.2 Độ phân tầng của HHBT FAC-HSLWC khi chịu tác động rung Kết quả thí nghiệm xác định độ phân tầng với các cấp phối FAC-HSLWC trong Hình 6.2a cho thấy độ phân tầng có xu hướng giảm rõ ràng khi thay thế cốt liệu cát với FAC. Về ảnh hưởng của PGK đến độ phân tầng của HHBT FAC-HSLWC, kết quả thí nghiệm như thể hiện trong Hình 6.2b cho thấy độ phân tầng tương đồng với độ chảy xòe của HHBT. Sử dụng 10% SF trong CKD làm giảm độ phân tầng và độ phân tầng tăng lên khi tiếp tục thay thế xi măng với 20-60% GGBFS. 6.1.5 Hàm lượng bọt khí Hàm lượng bọt khí có xu hướng tăng từ mức 3,2% của mẫu 100% cát (FAC0) lên mức 4,3% khi thay thế 100% cát bằng FAC (mẫu FAC100). Với CKD sử dụng PGK là 10% SF và (20-60)% GGBFS thì hàm lượng bọt khí tăng nhẹ từ mức 4,2% (mẫu OPC100) lên mức 4,5% khi thay thế xi măng bởi 10% SF trong CKD (mẫu SF10GS0). Khi tiếp tục thay thế xi măng bởi GGBFS 20, 40 và 60% trong CKD thì hàm lượng bọt khí có xu hướng giảm nhẹ từ 4,5% xuống 4,2% (mẫu 60% GGBFS). 6.1.6 Thời gian đông kết Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của HHBT với cốt liệu 100% cát tương ứng là 5h-30 min và 7h-20 min tăng dần khi cát được thay thế bằng FAC. Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết tăng tỷ