Luận án 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2023 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: 92520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn 2. PGS.TS. Lê Trung Thành Hà Nội - Năm 2023 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 NCS. Lê Việt Hùng ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn và PGS.TS. Lê Trung Thành 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 Hà Nội, Khoa Vật liệu xây dựng, Phòng Quản lý đào tạo, Phòng Thí nghiệm xi măng và bê tông - Viện Vật liệu xây dựng (LAS XD 1133), Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công nghệ Vật liệu xây dựng, Phòng Thí nghiệm công trình (LAS XD 125) - Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Phòng thí nghiệm LAS-XD 28 - Công ty Bê tông Xuân Mai đã giúp đỡ trong thời gian qua. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Vật liệu xây dựng 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 NCS. Lê Việt Hùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... xv MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................... 1 2. MỤC ĐÍCH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................... 3 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. 3 3.1 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 3 3.2 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3 4. CỞ SỞ KHOA HỌC...................................................................................... 3 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 4 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI .......................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE ........................................................................................................... 6 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU ........................................... 6 1.1.1 Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ ................................................... 6 1.1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu ......................... 7 1.1.3 Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó ............................. 10 1.1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ tại Việt Nam ............. 11 1.2 BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE ............................................. 13 1.2.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ sử dụng cenosphere ..................................... 13 1.2.2 Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere)............................................... 15 1.2.3 Một số tính chất của bê tông nhẹ cenosphere ....................................... 20 1.2.4 Nhận xét chung ..................................................................................... 29 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC 32 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHO FAC-HSLWC ......... 33 2.1.1 Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu cho FAC-HSLWC ........................... 33 2.1.2 Cơ sở khoa học sử dụng PGK cho FAC-HSLWC ................................ 35 iv 2.1.3 Cơ sở khoa học dùng cốt sợi phân tán polypropylene .......................... 39 2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CHO FAC-HSLWC........................................................................... 40 2.2.1 Một số mô hình dự đoán cường độ bê tông .......................................... 40 2.2.2 Một số mô hình dự đoán cường độ với bê tông cốt liệu nhẹ ................ 43 2.2.3 Hướng đề xuất xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén cho hệ FAC-HSLWC đề xuất ........................................................................................ 46 2.3 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC ............................................................... 46 2.3.1 Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tông nhẹ ................. 46 2.3.2 Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC- HSLWC đề xuất ................................................................................................. 50 CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......... 51 3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ....................................... 51 3.1.1 Xi măng ................................................................................................. 51 3.1.2 Silica fume ............................................................................................ 51 3.1.3 Xỉ hạt lò cao nghiền mịn ....................................................................... 52 3.1.4 Cenosphere ............................................................................................ 54 3.1.5 Cốt liệu cát ............................................................................................ 55 3.1.6 Phụ gia siêu dẻo .................................................................................... 57 3.1.7 Sợi Polypropylene (sợi PP) ................................................................... 58 3.1.8 Nước trộn .............................................................................................. 58 3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................ 58 3.2.1 Các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn ...................................... 58 3.2.2 Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn ........................................ 62 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC- HSLWC ..................................................................................................................... 69 4.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CKD PHÙ HỢP CHO FAC- HSLWC ................................................................................................................. 69 4.1.1 Lựa chọn thành phần CKD theo độ lèn chặt tối ưu .............................. 69 4.1.2 Lựa chọn thành phần CKD theo phương pháp tối ưu tính công tác và cường độ chịu nén .............................................................................................. 71 4.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC .................... 75 4.2.1 Lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát cho FAC-HSLWC ...................... 75 v 4.2.2 Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cho FAC-HSLWC .................................. 77 4.2.3 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ CKD và cốt liệu theo phương pháp đúc mẫu 80 4.2.4 Thí nghiệm kiểm chứng thành phần cấp phối cơ sở của FAC-HSLWC 86 CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC ................................................. 88 5.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FAC- HSLWC ................................................................................................................. 88 5.1.1 Ảnh hưởng của cường độ đá CKD ....................................................... 89 5.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD ..................................................... 90 5.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL ............................................................... 97 5.1.4 Ảnh hưởng của Dmax cốt liệu ................................................................. 99 5.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi PP.............................. 100 5.1.6 Nghiên cứu tốc độ phát triển cường độ chịu nén theo thời gian ......... 102 5.1.7 Kiểm tra sự phù hợp của mô hình đề xuất .......................................... 102 5.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC- HSLWC ............................................................................................................... 103 5.2.1 Nguyên tắc chung ............................................................................... 103 5.2.2 Các bước thiết kế cấp phối FAC-HSLWC ......................................... 104 CHƯƠNG 6. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA FAC-HSLWC ............ 108 6.1 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG FAC-HSLWC ....................... 108 6.1.1 Tính công tác ...................................................................................... 108 6.1.2 Độ nhớt ............................................................................................... 111 6.1.3 Độ tách nước ....................................................................................... 111 6.1.4 Độ phân tầng ....................................................................................... 112 6.1.5 Hàm lượng bọt khí .............................................................................. 112 6.1.6 Thời gian đông kết .............................................................................. 113 6.2 MỨC ĐỘ THỦY HÓA VÀ VI CẤU TRÚC ............................................ 115 6.2.1 Hàm lượng CH .................................................................................... 115 6.2.2 Vi cấu trúc của FAC-HSLWC ............................................................ 118 6.3 TÍNH CHẤT CƠ LÝ ................................................................................. 122 6.3.1 Khối lượng thể tích và cường độ chịu nén.......................................... 122 vi 6.3.2 Cường độ chịu nén ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm khác nhau .......... 124 6.3.3 Cường độ chịu kéo khi uốn ................................................................. 126 6.3.4 Mô đun đàn hồi và hệ số poatxon ....................................................... 128 6.4 ĐỘ BỀN LÂU ........................................................................................... 131 6.4.1 Độ co khô ............................................................................................ 131 6.4.2 Độ hút nước ........................................................................................ 134 6.4.3 Độ bền chống thấm ion clo ................................................................. 135 6.4.4 Khả năng bền sun phát ........................................................................ 136 6.5 KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FAC- HSLWC ............................................................................................................... 138 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 140 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 140 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................... 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 143 PHỤ LỤC 1 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHẤT KẾT DÍNH CHO CHẾ TẠO FAC- HSLWC ................................................................................................................. PL-1 PHỤ LỤC 2 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG FAC- HSLWC ................................................................................................................. PL-2 PHỤ LỤC 3 - KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHƯƠNG SAI CÁC MÔ HÌNH CHO CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH VÀ FAC-HSLWC ............................... PL-16 PHỤ LỤC 4 - HỆ SỐ QUY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FAC-HSLWC VỚI MẪU THÍ NGHIỆM CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC MẪU LẬP PHƯƠNG TIÊU CHUẨN 15x15x15 CM ...................................................................................... PL-19 PHỤ LỤC 5 - KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FAC- HSLWC ............................................................................................................... PL-21 5.1 MÔ TẢ CẤU KIỆN BTCT THÍ NGHIỆM .......................................... PL-21 5.2 SƠ ĐỒ VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .................................................. PL-23 5.3 ỨNG XỬ KHI CHỊU TẢI TRỌNG CỦA TẤM SÀN THÍ NGHIỆM . PL-24 5.3.1 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng .................................................. PL-24 5.3.2 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng của bê tông ........................... PL-26 5.4 KẾT LUẬN ........................................................................................... PL-29 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Yêu thuật với bê tông nhẹ kết cấu của một số tiêu chuẩn ........................... 7 Bảng 1.2 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới . 9 Bảng 1.3 Thành phần hóa của một số loại FAC [56] ................................................ 17 Bảng 1.4 Một số tính chất vật lý của FAC [90] ........................................................ 19 Bảng 1.5 Tổng hợp kết quả nghiên cứu về hệ vật liệu chất kết dính xi măng sử dụng cenosphere ................................................................................................................. 22 Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của xi măng PC50 Nghi Sơn ............................................ 51 Bảng 3.2 Thành phần hóa của xi măng PC50 Nghi Sơn ........................................... 51 Bảng 3.3 Thành phần hóa của SF.............................................................................. 52 Bảng 3.4 Tính chất và thành phần hạt của SF ........................................................... 52 Bảng 3.5 Thành phần hóa của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ........................... 53 Bảng 3.6 Tính chất cơ lý của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................ 53 Bảng 3.7 Thành phần hạt của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................ 53 Bảng 3.8 Thành phần hóa của cenosphere sử dụng trong nghiên cứu ...................... 54 Bảng 3.9 Tính chất cơ lý của cenosphere sử dụng cho nghiên cứu .......................... 54 Bảng 3.10 Thành phần hạt của các cenosphere sử dụng trong nghiên cứu .............. 55 Bảng 3.11 Tính chất vật lý của các mẫu cát sử dụng trong nghiên cứu ................... 56 Bảng 3.12 Phân bố thành phần cỡ hạt của các mẫu cát sử dụng trong nghiên cứu .. 56 Bảng 3.13 Tổng hợp thành phần cỡ hạt các vật liệu dạng hạt sử dụng cho chế tạo FAC- HSLWC ........................................................................................................... 56 Bảng 3.14 Tính chất của phụ gia hóa học cho bê tông sử dụng trong nghiên cứu ... 57 Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật của sợi PP .................................................................. 58 Bảng 3.16 Phương pháp tiêu chuẩn xác định tính chất của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ................................................................................................................. 59 Bảng 3.17 Phương pháp tiêu chuẩn áp dụng xác định tính chất của FAC- HSLWC trong nghiên cứu........................................................................................................ 60 Bảng 3.18 Hệ số nén K với các quá trình lèn chặt khác nhau[38] ............................ 67 Bảng 3.19 Quy trình bảo dưỡng nhiệt ẩm ................................................................. 68 Bảng 4.1 Độ lèn chặt của hệ CKD gồm XM kết hợp với GGBFS và SF ................. 69 Bảng 4.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm CKD theo mô hình thiết kế tối ưu D ...... 71 Bảng 4.3 Thành phần CKD tối ưu theo mô hình thực nghiệm cường độ chịu nén của CKD và lựa chọn tỷ lệ thành phần CKD hợp lý ....................................................... 74 viii Bảng 4.4 Cấp phối và kết quả thí nghiệm theo mô hình thiết kế tối ưu D-Optimal . 78 Bảng 4.5 Thành phần hỗn hợp vật liệu tối ưu theo mô hình thực nghiệm và lựa chọn tỷ lệ thành phần vật liệu hợp lý cho chế tạo FAC-HSLWC ..................................... 79 Bảng 4.6 Cấp phối thí nghiệm xây dựng mô hình hồi quy cường độ chịu nén theo các tỷ lệ vật liệu khô của FAC-HSLWC ......................................................................... 82 Bảng 4.7 Thành phần hỗn hợp vật liệu tối ưu theo mô hình thực nghiệm và lựa chọn tỷ lệ thành phần vật liệu hợp lý cho chế tạo FAC-HSLWC ..................................... 84 Bảng 4.8 Thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở theo phương pháp tối ưu thành phần hạt ..................................................................................................................... 86 Bảng 4.9 Thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở sau hiệu chỉnh ........................ 87 Bảng 4.10 Kết quả thí nghiệm cấp phối FAC-HSLWC cơ sở .................................. 87 Bảng 6.1 Thành phần cấp phối vật liệu của FAC-HSLWC cho khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tông ................................................................................................ 110 Bảng 6.2 Tiêu chuẩn đánh giá độ chống thấm của bê tông thông qua RCPT và BERT ................................................................................................................................. 136 Bảng PL 1.1 Kết quả thí nghiệm độ chảy xòe và cường độ chịu nén của CKD có thành phần khác nhau sử dụng cho FAC-HSLWC ......................................................... PL-1 Bảng PL 2.1 Bảng quy hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm cho xây dựng mô hình cường độ chịu nén theo tỷ lệ vật liệu khô của FAC-HSLWC ...................... PL-2 Bảng PL 2.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hệ số dư hồ CKD (Kd) đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC............................................................ PL-5 Bảng PL 2.3 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của Dmax cốt liệu đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ............................................................................. PL-6 Bảng PL 2.4 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ............................................................................. PL-7 Bảng PL 2.5 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ CKD đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC .................................................................. PL-8 Bảng PL 2.6 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ................................................................ PL-10 Bảng PL 2.7 Cấp p