Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng do co ngót và từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Vũ Thành Quang NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN ĐẾN MẤT MÁT ỨNG SUẤT TRƯỚC CỦA DẦM CẦU BÊ TÔNG GEOPOLYMER ỨNG SUẤT TRƯỚC CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành : Xây dựng Cầu hầm Mã số : 9580205-1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Vũ Thành Quang NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN ĐẾN MẤT MÁT ỨNG SUẤT TRƯỚC CỦA DẦM CẦU BÊ TÔNG GEOPOLYMER ỨNG SUẤT TRƯỚC CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành : Kỹ thuật XD công trình Giao thông-Xây dựng Cầu hầm Mã số : 9580205-1 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bình Hà 2. TS. Nguyễn Quốc Bảo Hà Nội, năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, đã được công bố trên các tạp chí thuộc danh mục tạp chí khoa học được tính điểm công trình khoa học quy đổi khi xét công nhận đạt tiêu chuẩn chức danh giáo sư, phó giáo sư và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Vũ Thành Quang ii LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến tập thể hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bình Hà và TS Nguyễn Quốc Bảo đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo sau đại học, nay là Phòng Quản lý đào tạo, Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và Công ty Bê tông Xuân Mai đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập nghiên cứu và thực nghiệm. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cầu và Công trình ngầm, các thầy cô và chuyên gia trong và ngoài trường, các thầy công tác tại Phòng thí nghiệm LAS-XD125 - Đại học Xây dựng Hà Nội đã có những đóng góp ý kiến quý báu cho luận án. Cuối cùng, NCS bày tỏ cảm ơn tới các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã luôn động viên khích lệ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả luận án Vũ Thành Quang iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................viii DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... xi DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... xvii MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VIỆC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .............................................................. 5 1.1. Giới thiệu về GPC ....................................................................................... 5 1.1.1. Cấu trúc hình thành CKD geopolymer .................................................... 5 1.1.2. Những ưu nhược điểm của GPC ............................................................. 7 1.1.3. GPC sử dụng tro bay và xỉ lò cao ............................................................ 9 1.2. Các đặc trưng cơ học của bê tông GPC ..................................................... 11 1.2.1. Cường độ chịu nén ................................................................................ 11 1.2.2. Quan hệ ứng suất biến dạng .................................................................. 11 1.2.3. Cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo ............................................. 16 1.2.4. Mô đun đàn hồi và hệ số poisson .......................................................... 18 1.2.5. Tính chất co ngót ................................................................................... 20 iv 1.2.6. Tính chất từ biến .................................................................................... 29 1.3. Những nghiên cứu và áp dụng GPC trên thế giới ..................................... 32 1.4. Những nghiên cứu và áp dụng GPC tại Việt Nam .................................... 38 1.5. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................... 43 1.6. Xây dựng giả thuyết nghiên cứu ............................................................... 45 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 47 2.1. Phương pháp thí nghiệm cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn ASTM C39, TCVN 3118-2022 ...................................................................................... 47 2.1.1. Thiết bị dụng cụ ..................................................................................... 47 2.1.2. Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử ............................................................... 48 2.1.3. Cách tiến hành ....................................................................................... 49 2.1.4. Xác định diện tích chịu lực của viên mẫu. ............................................ 49 2.1.5. Xác định tải trọng phá hủy viên mẫu. ................................................... 49 2.2. Thí nghiệm xác định quan hệ ứng suất - biến dạng và mô đun đàn hồi của bê tông theo ASTM C469. ............................................................................. 51 2.3. Co ngót của bê tông ................................................................................... 51 2.3.1. Co ngót tự sinh (Autogenous Shrinkage) .............................................. 53 2.3.2. Co ngót khô ........................................................................................... 55 2.3.3. Một số mô hình dự báo biến dạng co ngót của bê tông trong các tiêu chuẩn v hiện hành .................................................................................................... 56 2.3.4. Thực nghiệm xác định biến dạng co ngót TCVN 3117-2022 [20] và ASTM C157/C157M-17 [37]. ................................................................... 63 2.4. Từ biến của bê tông ................................................................................... 67 2.4.1. Những vấn đề cơ bản về từ biến của bê tông ........................................ 67 2.4.2. Xác định đặc trưng từ biến theo AASHTO-LRFD 2017 và TCVN 11823- 2017 ........................................................................................................... 70 2.4.3. Thực nghiệm đo đạc biến dạng từ biến theo ASTM C512 [38] ............ 71 2.5. Thiết kế mô hình dầm thí nghiệm ............................................................. 72 2.6. Nhận xét chương 2..................................................................................... 74 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI, CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, QUAN HỆ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG, HỆ SỐ TỪ BIẾN VÀ CO NGÓT CỦA GPC ................................................ 75 3.1. Thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm và dầm GPC UST ......................... 75 3.2. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông GPC ................. 77 3.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất biến dạng ........ 80 3.3.1. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi ...................................................... 80 3.3.2. Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất - biến dạng ................................. 83 3.4. Thực nghiệm đo đạc biến dạng co ngót của GPC ..................................... 86 3.4.1. Tính toán và xử lý kết quả ..................................................................... 87 vi 3.4.2. Kết quả tính toán biến dạng tỷ đối do co ngót ...................................... 87 3.5. So sánh kết quả thực nghiệm co ngót GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017 .......................................... 91 3.6. Kết quả đo biến dạng từ biến GPC .......................................................... 100 3.6.1. Kết quả đo đạc biến dạng từ biến ........................................................ 101 3.6.2. Kết quả tính toán hệ số từ biến của GPC ............................................ 102 3.7. So sánh kết quả thực nghiệm từ biến của GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017 ........................................ 106 3.8. Nhận xét chương 3................................................................................... 112 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, ĐÚC DẦM THÍ NGHIỆM, THEO DÕI MMUST TRONG CÁP UST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN ..................... 114 4.1. Thiết kế dầm GPC UST tiết diện T dài 10,4m phục vụ thí nghiệm ........ 114 4.1.1. Mục tiêu của thí nghiệm ...................................................................... 114 4.1.2. Cơ sở xây dựng mô hình ..................................................................... 114 4.1.3. Xác định kích thước dầm .................................................................... 115 4.1.4. Bố trí thiết bị đo MMUST do co ngót và từ biến ................................ 117 4.2. Công tác đúc dầm thí nghiệm .................................................................. 118 4.2.2. Mất mát ứng suất trong cáp UST dầm thực nghiệm ........................... 125 4.2.3. Kết quả đo thực nghiệm ...................................................................... 125 4.3. Nhận xét chương 4................................................................................... 135 vii CHƯƠNG 5. ÁP DỤNG GPC VÀO CẦU DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP GIẢN ĐƠN 33M, SO SÁNH MMUST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN KHI SỬ DỤNG GPC VÀ OPC..................................................................... 136 5.1. Các thông số thiết kế của dầm I33m ....................................................... 136 5.1.1. Thông số vật liệu ................................................................................. 136 5.1.2. Thông số cầu thiết kế ........................................................................... 137 5.1.3. Thông số kích thước mặt cắt ngang, cáp dứng suất trước dầm I33m . 138 5.2. Kiểm toán dầm theo các TTGH cường độ và sử dụng ............................ 140 5.2.1. Kiểm toán dầm theo TTGH sử dụng ................................................... 140 5.2.2. Kiểm toán dầm theo TTGH cường độ ................................................. 143 5.3. So sánh mất mát ứng suất trước của dầm I33m sử dụng vật liệu GPC và vật liệu OPC .................................................................................................. 146 5.3.1. Thông số cầu dầm I33m sử dụng OPC ............................................... 146 5.3.2. Kết quả tính toán giá trị ứng suất còn lại trong cáp sau khi trừ đi các MMUS ..................................................................................................... 146 5.4. Nhận xét chương 5................................................................................... 148 KẾT LUẬN ............................................................................................... 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 151 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Chữ cái Latinh viết hoa Kí hiệu Diễn giải Hệ tiêu chuẩn tham chiếu AASHTO LRFD Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Mỹ ASTM Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu ACI Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của Viện bê tông của Hoa Kỳ AAF Tro bay hoạt tính kiềm AAS Xỉ hoạt tính kiềm AASF Hỗn hợp tro bay xỉ hoạt tính kiềm ACT Chất hoạt hóa B Cấp độ bền nén của bê tông TCVN 5574: 2018 BFS Xỉ lò cao BTCT Bê tông cốt thép BTXM Bê tông xi măng BTUST Bê tông ứng suất trước C Cát CHH Chất hoạt hoá CKD Chất kết dính D Đá Eb Mô đun đàn hồi bê tông TCVN 5574: 2018 ix Ecm Mô đun đàn hồi trung bình của bê tông EC2 EC2 Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép của châu Âu FA Tro bay GGBFS Xỉ lò cao nghiền mịn GP Chất kết dính geopolymer GPC Bê tông geopolymer MMUS Mất mát ứng suất MMUST Mất mát ứng suất trước N Nước OPC Bê tông xi măng TCVN Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 5574: 2018 Tiêu chuẩn Việt Nam - Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 1823:2017 Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam Chữ cái Latinh viết thường Kí hiệu Diễn giải Hệ tiêu chuẩn tham chiếu fy Giới hạn chảy của cốt thép f’c Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông fc Ứng suất nén của bê tông fck Cường độ chịu nén đặc trưng của bê x tông fcm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông fct Cường độ chịu kéo dọc trục fct,sp Cường độ chịu kéo ép chẻ fr Cường độ chịu kéo uốn fu Giới hạn bền của cốt thép xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Các dạng cấu trúc phân tử của geopolymer [27] ................................. 6 Hình 1-2. Ranh giới giữa CKD và cốt liệu trong GPC (a, b) và OPC (c) [27] .... 7 Hình 1-3. Hình ảnh chụp Xray sản phẩm sau phản ứng của (a) xỉ lò cao (b) tro bay (c) Xi măng .................................................................................. 9 Hình 1-4. Cơ chế hình thành cường độ của bê tông GPC sử dụng cả tro bay và xỉ lò cao (nhánh bên trái) [66] .............................................................. 10 Hình 1-5. Quan hệ ứng suất – biến dạng với các mẫu thí nghiệm có cường độ 40MPa và 60MPa của Hardjito & Rangan (2005) [63] ................... 12 Hình 1-6. So sánh ứng suất – biến dạng mẫu 23 với phương trình Collins [63] 13 Hình 1-7. So sánh Ứng suất – biến dạng mẫu 24 với phương trình Collins [63] .......................................................................................................... 13 Hình 1-8. So sánh Ứng suất – biến dạng mẫu 26 với phương trình Collins [63] .......................................................................................................... 13 Hình 1-9. Biểu đồ ứng suất-biến dạng của mẫu GPC tro bay thực nghiệm và với mô hình Popovis được tính từ cường độ cực hạn của GPC tro bay . 14 Hình 1-10. Biểu đồ ứng suất-biến dạng của mẫu GPC xỉ lò cao thực nghiệm và với mô hình Popovis được tính từ cường độ cực hạn của GPC xỉ lò cao [83]. ............................................................................................ 14 Hình 1-11. Quan hệ ứng suất biến dạng của GPC [59] ...................................... 15 Hình 1-12. Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông GPC [12] .................. 18 Hình 1-13. Sự ngót của GPC [51] ...................................................................... 21 Hình 1-14. Co ngót của GPC bảo dưỡng nhiệt và điều kiện thường [40] .......... 21 xii Hình 1-15. Co ngót tự sinh của vữa AAF với hàm lượng SiO2 và Na2O khác nhau, ở 400C [93] ....................................................................................... 22 Hình 1-16. So sánh giữa biến dạng co ngót của GPC sử dụng xỉ lò cao và OPC [43] ................................................................................................... 23 Hình 1-17. Biểu đồ so sánh biến dạng co ngót khi thay đổi tỷ lệ GGBFS/FS [85] .......................................................................................................... 23 Hình 1-18. Biến dạng co ngót của GPC và OPC trong thời gian 1 năm [54] .... 24 Hình 1-19. Co ngót tự sinh của vữa AAS với lượng gel nano C-A-S-H khác nhau [39] ................................................................................................... 25 Hình 1-20. Độ co ngót của bê tông AAS (trái: w/b=0,45, phải: w/b=0,52) với các liều lượng khác nhau (0%, 5% và 10%) Ca(OH)2 [92] .................... 26 Hình 1-21. Độ co ngót tự sinh (AS) của bê tông AAS và AASF [96] ............... 27 Hình 1-22. Sự co ngót tự sinh của AAS và AASF [96]. .................................... 28 Hình 1-23. Co ngót tổng và co ngót tự sinh của GPC và OPC [46] .................. 28 Hình 1-24. Từ biến theo các cấp cường độ chịu nén GPC bảo dưỡng nhiệt [40] .......................................................................................................... 30 Hình 1-25. Hệ số từ biến của GPC và OPC [54] ................................................ 31 Hình 1-26. So sánh hệ số từ biến của GPC và OPC thời điểm 650 ngày tuổi [46] .......................................................................................................... 31 Hình 1-27. So sánh hệ số từ biến của GPC và OPC thời điểm 120 ngày tuổi [46] .......................................................................................................... 32 Hình 1-28. Sản phẩm bê tông tươi E-Crete™ và các công trình sử dụng [90] .. 33 Hình 1-29. Ứng dụng GPC trong công trình nhà ............................................... 33 xiii Hình 1-30. Sản phẩm từ GPC của công ty ROCLA [34] ................................... 34 Hình 1-31. Sân bay Wellcamp xây dựng bằng bê tông EFC [64] ...................... 35 Hình 1-32. Sử dụng GPC làm tường chắn và bể chứa nước [60] ...................... 35 Hình 1-33. Cầu Murrarie Plant sử dụng GPC [73] ............................................. 36 Hình 1-34. Cầu bản trên đường ô tô GPC 40MPa tại thành phố Toowoomba [73] .......................................................................................................... 36 Hình 1-35. Tấm panel bê tông E-Crete 55MPa đúc sẵn ở Cầu Phố Salmon, Cảng Melbourne, Victoria, Úc [90] ........................................................... 37 Hình 1-36. Thử nghiệm sử dụng GPC UST cho tà vẹt tại Ấn Độ [7] ................ 37 Hình 2-1. Dạng phá huỷ không phù hợp của mẫu trụ ........................................ 50 Hình 2-2. Biến dạng co ngót trong bê tông thông thường .................................. 52 Hình 2-3. Các giai đoạn của biến dạng co ngót trong bê tông thông thường .... 53 Hình 2-4. Co ngót tự sinh và co ngót hóa học .................................................... 54 Hình 2-5. Co ngót tự sinh trong bê tông OPC - (Vật liệu thủy hóa - hình màu tối; các mao mạch nước - Hình màu xám; các mao mạch rỗng - Hình màu trắng .................................................................................................. 54 Hình 2-6. Co ngót tự sinh và co ngót hóa học theo thời gian............................. 55 Hình 2-7. Quá trình gây ứng suất kéo khi nước bị bốc hơi trong co ngót khô .. 55 Hình 2-8. Biến dạng co ngót của bê tông theo BS 8110 .................................... 60 Hình 2-9. Thiết bị đo độ co................................................................................. 63 Hình 2-10. Tính chất thay đổi theo thời gian của từ biến ................................... 67 Hình 2-11. Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng do từ biến ........................ 69 xiv Hình 2-12. Hệ gia tải và sơ đô thí nghiệm từ biến ............................................. 71 Hình 3-1. Tổ mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén .............................................. 78 Hình 3-2. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén (trái) và mẫu nén bị phá huỷ (phái) .......................................................................................................... 78 Hình 3-3. Mẫu nén bị phá huỷ ............................................................................ 79 Hình 3-4. Thí nghiệm mô đun đàn hồi của GPC ................................................ 81 Hình 3-5. Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu GPC1 (Đến 40% f’c) .................... 81 Hình 3-6. Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu GPC2 (Đến 40% f’c) .................... 82 Hình 3-7. Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu GPC3 (Đến 40% f’c) .................... 82 Hình