Luận án Nghiên cứu thành phần, đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay và ứng dụng cho kết cấu cầu hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 11/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm Mã số : 6258020503 DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đào Văn Đông PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long Hà Nội – 11/2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả Trần Việt Hưng ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Đào Văn Đông và PGS.TS Nguyễn Ngọc Long. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Phạm Duy Hữu đã đóng góp các ý kiến quý báu cho luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Kết Cấu, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm và nghiên cứu. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả Trần Việt Hưng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... II MỤC LỤC .............................................................................................................................. III DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. VIII DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ................................................................. XIV MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY .................................................................................................... 5 1.1. Bê tông xi măng ................................................................................................................. 5 1.1.1. Sự phát triển của xi măng và bê tông ............................................................................ 5 1.1.2. Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng .................................................................... 6 1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới .................................................. 6 1.2.1. Nguồn gốc tên gọi ......................................................................................................... 6 1.2.2. Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer ..................................................... 7 1.2.3. Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer ..................................... 8 1.2.4. Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa ............................................................................... 9 1.2.5. Dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................................... 12 1.2.6. Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer ............................................................. 13 1.2.6.1. Nguyên liệu alumino-silicat ................................................................................. 13 1.2.6.2. Tro bay ................................................................................................................. 14 1.2.6.3. Sản lượng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam .................................................... 16 1.2.7. Geopolymer tro bay .................................................................................................... 17 1.3. Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới ............................................ 18 1.3.1. Khái niệm cơ bản về bê tông geopolymer tro bay ...................................................... 18 1.3.2. Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay ....................................................... 19 1.3.2.1. Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp ..................................................................... 19 1.3.2.2. Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS).......................................................... 20 1.3.2.3. Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA) ............. 21 1.3.2.4. Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit .................................................................... 21 1.3.2.5. Cốt liệu ................................................................................................................. 22 1.3.3. Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay ....................................... 22 1.3.3.1. Công tác trộn, đổ khuôn và đầm nén .................................................................... 22 1.3.3.2. Công tác bảo dưỡng ............................................................................................. 23 1.3.4. Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay ................................ 24 1.3.4.1. Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi ........................................................... 24 1.3.4.2. Tỷ trọng ................................................................................................................ 25 iv 1.3.4.3. Mô đun đàn hồi .................................................................................................... 25 1.3.4.4. Hệ số Poison ......................................................................................................... 25 1.3.4.5. Cường độ kéo gián tiếp ........................................................................................ 26 1.3.4.6. Sự phát triển của cường độ nén theo thời gian ..................................................... 26 1.3.4.7. Co ngót và từ biến ................................................................................................ 26 1.3.4.8. Bền Sunfat ............................................................................................................ 27 1.3.4.9. Bền axit ................................................................................................................ 28 1.3.4.10. Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR) ..................................... 28 1.3.4.11. Tính ổn định nhiệt .............................................................................................. 29 1.3.5. Các lợi ích về kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer ...................... 30 1.3.5.1. Lợi ích về kinh tế ................................................................................................. 30 1.3.5.2. Lợi ích về môi trường ........................................................................................... 30 1.3.6. Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer ................................................................ 32 1.3.7. Tiêu chuẩn tính toán thiết kế dành cho bê tông Geopolymer ..................................... 36 1.3.8. Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay ............................................ 36 1.3.9. Những hạn chế của việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay................................. 37 1.4. Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam .................................................. 38 1.5. Những yêu cầu nghiên cứu đặt ra cho luận án ............................................................. 39 1.6. Kết luận Chương 1 .......................................................................................................... 40 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY .... 41 2.1. Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay ........................... 41 2.2. Các tính chất của vật liệu được sử dụng ....................................................................... 42 2.2.1. Tro bay ........................................................................................................................ 42 2.2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tro bay ................................................................... 42 2.2.1.2. Tro bay sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................ 43 2.2.2. Dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................................... 43 2.2.2.1. Dung dịch Natri Hydroxyt ................................................................................... 43 2.2.2.2. Dung dịch Natri Silicat ......................................................................................... 44 2.2.2.3. Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................ 44 2.2.3. Cốt liệu lớn ................................................................................................................. 44 2.2.4. Cốt liệu nhỏ ................................................................................................................. 45 2.3. Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay ............................................................... 46 2.3.1. Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay ............................................... 46 2.3.2. Bảo dưỡng mẫu ........................................................................................................... 47 2.4. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay .................................. 48 2.4.1. Lựa chọn hàm mục tiêu ............................................................................................... 48 2.4.2. Xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ GPC ......................................................... 49 2.4.3. Xác định lượng cốt liệu thô và cốt liệu mịn ................................................................ 50 v 2.4.4. Xác định khối lượng của tro bay (FA) và dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) .............. 50 2.5. Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu ...................................................................... 50 2.6. Phân tích kết quả thí nghiệm .......................................................................................... 53 2.6.1. Phân tích hồi quy - phương sai ................................................................................... 53 2.6.2. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu .................................................................................................. 55 2.7. Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay ................................ 55 2.8. Thí nghiệm kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC thiết kế ................................... 57 2.9. Sơ bộ tính toán giá thành của bê tông geopolymer tro bay đã thiết kế ...................... 61 2.10. Kết luận Chương 2 ........................................................................................................ 63 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY ..................................................................... 64 3.1. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................................... 64 3.2. Kế hoạch thí nghiệm ........................................................................................................ 64 3.3. Xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn ............................................................ 65 3.3.1. Chuẩn bị mẫu và tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 65 3.3.2. Mô đun đàn hồi của GPC ............................................................................................ 71 3.3.3. Cường độ kéo uốn ....................................................................................................... 72 3.4. Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép ..................................................... 73 3.4.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 73 3.4.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 74 3.4.3. Trình tự thí nghiệm ..................................................................................................... 75 3.4.4. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 75 3.4.5. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm ....................................................................... 77 3.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC ........................................................... 79 3.5.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 79 3.5.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 79 3.5.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 80 3.5.4. Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén của dầm bê tông geopolymer chịu uốn ................................................................................................................................. 83 3.5.4.1. Lý thuyết của Sargin, Hognestad và Popovics về thiết lập mô hình ứng suất - biến dạng khi nén ...................................................................................................................... 83 3.5.4.2. Xây dựng mô hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer trên cơ sở kết quả thí nghiệm ........................................................................................................ 84 3.6. Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC ............................................................ 87 3.6.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 87 3.6.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 87 3.6.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 88 3.6.4. Nhận xét kết quả ......................................................................................................... 89 vi 3.7. Kết luận Chương 3 .......................................................................................................... 90 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP ............................................................................ 91 4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ..................................................................................................... 91 4.2. Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm ................................................................. 91 4.2.1. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .............................................................................. 91 4.2.2. Hỗn hợp cấp phối ........................................................................................................ 92 4.2.3. Thiết kế và sản xuất các mẫu dầm thí nghiệm ............................................................ 92 4.2.4. Quá trình thí nghiệm ................................................................................................... 94 4.3. Kết quả thí nghiệm .......................................................................................................... 96 4.3.1. Quan hệ tải trọng - độ võng ........................................................................................ 96 4.3.2. Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm ................. 97 4.3.3. Nhận xét kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 99 4.3.4. Biến dạng của cốt thép chịu kéo và bê tông mặt trên của dầm ................................... 99 4.3.5. Xác định tải trọng - độ võng tại các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm ........... 101 4.4. Mô hình hóa dầm thí nghiệm bằng phần mềm ABAQUS ......................................... 102 4.4.1. Cốt thép ..................................................................................................................... 103 4.4.2. Bê tông ...................................................................................................................... 103 4.4.3. Chia phần tử .............................................................................................................. 105 4.5. Phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông Geopolymer tro bay .................................... 106 4.5.1. Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt .................................................................. 106 4.5.1.1. Trạng thái làm việc ............................................................................................. 106 4.5.1.2. Momen gây nứt .................................................................................................. 107 4.5.2. Giai đoạn II - Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai đoạn đàn hồi ........................................................................................................................ 108 4.5.2.1. Trạng thái làm việc ............................................................................................. 108 4.5.2.2. Momen chảy dẻo cốt thép của mặt cắt ............................................................... 109 4.5.3. Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm ở trạng thái giới hạn về cường độ ....................... 111 4.5.3.1. Trạng thái làm việc ............................................................................................. 111 4.5.3.2. Đề xuất giá trị biến dạng cực đại ɛcu của bê tông vùng nén trên dầm ................ 112 4.5.3.3. Xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật của mặt cắt dầm RGPC ........................ 115 4.5.3.4. Tính toán hệ số khối ứng suất chữ nhật cho mặt cắt dầm RGPC ....................... 117 4.5.3.5. So sánh với các đề xuất biến dạng nén lớn nhất của bê tông xi măng ............... 121 4.5.3.6. Momen cực hạn của mặt cắt dầm RGPC ........................................................... 124 4.5.4. Độ võng của dầm theo các giai đoạn chịu lực .......................................................... 126 4.5.5. Tính dẻo của dầm ...................................................................................................... 129 4.5.6. Dạng phá hoại trên dầm ............................................................................................ 130 4.5.7. Nhận xét về thực nghiệm ứn