Luận án Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột bê tông cốt thép sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Hongsa - CHDCND Lào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI VONGCHITH SYKHAMPHA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HONGSA - CHDCND LÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI VONGCHITH SYKHAMPHA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HONGSA - CHDCND LÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN TRƯỜNG THẮNG Hà Nội - Năm 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Vongchith SYKHAMPHA ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy hướng dẫn luận án tiến sĩ: PGS. TS. Nguyễn Trường Thắng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án tiến sĩ và sinh sống tại Việt Nam. Đặc biệt, thầy Nguyễn Trường Thắng đã tặng một món quà lớn nhất cho em và gia đình. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo trong Bộ môn Công trình bê tông cốt thép, Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Khoa Đào tạo Sau đại học, Phòng Quản lý đào tạo, Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ, hướng dẫn, nhận xét và phản hồi cho quá trình thực hiện luận án của em. Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Nguyễn Trung Hiếu và các cán bộ kỹ thuật của Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình LAS XD-125 đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện các thí nghiệm trong khuôn khổ của luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ ở Đại sứ quán Việt Nam tại Lào và Chính phủ Việt Nam đã tặng học bổng tiến sĩ qua chương trình Học bổng của Chính phủ Việt Nam dành cho con em Việt kiều tại Lào. Tác giả xin chân thành cảm ơn cơ quan công tác là Công ty Điện lực Lào (Electricite Du Laos) đã cung cấp hỗ trợ bằng những chính sách rất ưu đãi và thuận lợi. Tác giả xin chân thành cảm ơn anh Sitthidet SOUKHATHAMMAVONG ở Lao Holding State Enterprise đã hỗ trợ một số tài liệu tham khảo và tro bay cho chương trình nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè đã ủng hộ, động viên trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thiện luận án và sinh sống tại Việt Nam. Đặc biệt là bạn thân Nithone BOUDDAVONG đã hỗ trợ tại phòng thí nghiệm; Và em Oudomphone SIVONGSA đã hỗ trợ việc tài liệu và phục vụ trong phòng họp. iii Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong luận án này không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Tác giả kính mong quý thầy cô, các chuyên gia, và đồng nghiệp có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thành viên trong gia đình, đó là mẹ Khammeung VORACHITH và chị Thongsi VONGPHACHAN đã hỗ trợ và tạo điều kiện về tài chính; vợ Boualoy, con gái Jindavon và con trai Thavixay đã tạo điều kiện thuận lợi và hy sinh chia sẻ những khó khăn của gia đình trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại Việt Nam. Xin trân trọng cảm ơn! iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. viii DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... xv MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 8 TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................................................................. 8 1.2.1. Xi măng poóc lăng ..................................................................................... 8 1.2.2. Tro bay ..................................................................................................... 10 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 39 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 3 3. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 4 4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 4 5. Cơ sở khoa học của luận án ........................................................................... 5 6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 5 7. Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 6 8. Nội dung và cấu trúc của luận án ................................................................... 6 1.1. Mở đầu ........................................................................................................... 8 1.2. Một số vật liệu được sử dụng làm chất kết dính trong bê tông ...................... 8 1.3. Sử dụng tro bay trong sản xuất bê tông ....................................................... 22 1.4. Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông tro bay ........................................ 27 1.5. Cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm ............................................................... 29 1.6. Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo để dự báo tính chất cơ lý của bê tông ..... 34 1.7. Kết luận Chương 1 ....................................................................................... 36 v XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY L-FA. ..................................................................................................................... 39 2.2.1. Tro bay ..................................................................................................... 40 2.2.2. Xi măng poóc lăng ................................................................................... 41 2.2.3. Cốt liệu nhỏ .............................................................................................. 41 2.2.4. Cốt liệu lớn .............................................................................................. 43 2.2.5. Nước ........................................................................................................ 46 2.3.1. Nguyên tắc xác định các cấp phối bê tông .............................................. 46 2.3.2. Trình tự chế tạo và đúc mẫu bê tông ....................................................... 47 2.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ......................................................................... 47 2.4.1. Độ sụt ....................................................................................................... 48 2.4.2. Khối lượng thể tích .................................................................................. 49 2.4.3. Cường độ chịu nén ................................................................................... 52 2.4.4. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ................................................................. 59 2.4.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng .................................................................. 61 2.5.1. Các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng .................................. 68 2.5.2. Dự báo cường độ chịu nén của bê tông tro bay bằng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo DNN và BNN ...................................................................................... 73 2.5.3. Dự báo đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông tro bay bằng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo DNN và BNN ................................................................ 77 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 81 2.1. Mở đầu ......................................................................................................... 39 2.2. Vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông ................................................................. 39 2.3. Chế tạo bê tông sử dụng L-FA ..................................................................... 46 2.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bê tông sử dụng L-FA ............................ 48 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần cấp phối tới tính chất cơ lý của bê tông tro bay dựa trên mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) .......................................... 68 2.6. Kết luận Chương 2 ....................................................................................... 78 vi XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO BAY L-FA ....................................................................................................... 81 3.2.1. Nguyên tắc phân tích khả năng chịu lực của cột BTCT .......................... 81 3.2.2. Mô hình biến dạng phi tuyến của bê tông OPC theo TCVN 5574:2018 . 82 3.2.3. Đề xuất mô hình biến dạng phi tuyến của bê tông sử dụng 20% L- FA/OPC .......................................................................................................... 83 3.2.4. Mô hình biến dạng phi tuyến của cốt thép ............................................... 85 3.2.5. Phương pháp phân tích tiết diện thẳng góc của cột BTCT ...................... 86 3.2.6. Phương pháp xây dựng mặt tương tác của cột BTCT tiết diện chữ nhật 88 3.2.7. Phương pháp kiểm tra hệ số dự báo kp .................................................... 91 3.4.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................. 94 3.4.2. Thiết kế mẫu thí nghiệm .......................................................................... 96 3.4.3. Chế tạo mẫu thí nghiệm ........................................................................... 98 3.4.4. Xác định cường độ của viên mẫu bê tông sử dụng L-FA ...................... 101 3.4.5. Xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT sử dụng L-FA .... 105 3.4.6. Kết quả thí nghiệm ................................................................................. 108 3.6.1. Mô hình Quá trình hồi quy Gauss (GPR) .............................................. 119 3.6.2. Dữ liệu thực nghiệm sử dụng để huấn luyện mô hình hồi quy GPR ..... 122 3.6.3. Phân tích và đánh giá ............................................................................. 127 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 130 DANH MỤC BÀI BÁO VÀ CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ................ 133 3.1. Mở đầu ......................................................................................................... 81 3.2. Phương pháp tính toán sử dụng mô hình biến dạng phi tuyến .................... 81 3.3. Kiểm chứng phương pháp đề xuất với cột BTCT sử dụng bê tông OPC .... 92 3.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên cột BTCT sử dụng L-FA .............................. 94 3.5. Kiểm chứng phương pháp đề xuất với cột BTCT sử dụng L-FA .............. 113 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của độ lệch tâm e1 tới khả năng chịu lực của cột BTCT sử dụng bê tông L-FA dựa trên phương pháp học máy .......................................... 119 3.7. Kết luận Chương 3 ..................................................................................... 128 vii TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 134 PHỤ LỤC 1 ......................................................................................................... PL1-1 PHỤ LỤC 2 ......................................................................................................... PL2-1 PHỤ LỤC 3 ......................................................................................................... PL3-1 PHỤ LỤC 4 ......................................................................................................... PL4-1 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ cái Latinh viết hoa Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham chiếu A Diện tích tiết diện ngang của mẫu thử ACI Viện Bê tông Hoa kỳ ACI 318-19 hoặc ACI 318 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của Viện Bê tông Hoa kỳ AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence) ANN Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial neural network) ASEAN Đông Nam Á As Điện tích tiết diện tính toán của cốt thép chịu kéo A’s Điện tích tiết diện tính toán của cốt thép chịu nén Ast Điện tích tiết diện ngang của mẫu thử ASTM C618-12a hoặc ASTM C618 Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho tro bay than và Pozzolan tự nhiên thô hoặc nung để sử dụng trong bê tông của Hoa Kỳ BNN Mạng nơ-ron Bayesian (Bayesian neural network) BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép CHDCND Lào Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào C-FA Tro bay loại C ASTM C618 CI Khoảng tin cậy (confidence interval) CKD Chất kết dính COV Hệ số biến động TCVN 5574: 2018 CSA Theo tiêu chuẩn Canada ix D Độ cứng của cấu kiện ở trạng thái giới hạn về độ bền TCVN 5574: 2018 D Đường kính đáy mẫu trụ TCVN 8862:2011 DNN Mạng nơ-ron Dropout E Mô đun đàn hồi bê tông ASTM C 469 E0 Mô đun đàn hồi bê tông TCVN 5726:1993 Eb Mô đun đàn hồi bê tông TCVN 5574:2018 E’b Mô đun biến dạng của bê tông sử dụng L- FA EC2 Tiêu chuẩn thiết kế kết bê tông cốt thép của Chau Âu Ec Mô đun đàn hồi trung bình của BT ACI 318 Ecm Mô đun đàn hồi trung bình của BT EC2 Es Mô đun đàn hồi của cốt thép FA Tro bay FAC Bê tông tro bay (Fly ash in concrete) F-FA Tro bay loại F ASTM C618 GPR Qúa trình hồi quy Gauss (Gaussian Process Regression) H chiều cao của mẫu trụ TCVN 8862:2011 HVFAC Tro bay khối lượng lớn trong bê tông KL Sai số Kullback-Leiber L0 Chiều dài tính toán của cấu kiện L Lớp của mạng L-FA Tro bay nhà máy nhiệt điện Hongsa ở CHDCND Lào LS 442-2019 Tiêu chuẩn tro bay than dùng cho bê của CHDCND Lào LVDT Dụng cụ đo chuyển vị M Mô men uốn Mđl Mô đun độ lớn của vật liệu MHT Mẫu thử bê tông hình trụ ML học máy (Machine Learning) x MLT Mẫu thử bê tông hình lập phương MH2ĐT Mô hình vật liệu phi tuyến hai đoạn thẳng TCVN 5574:2018 MH3ĐT Mô hình vật liệu phi tuyến ba đoạn thẳng TCVN 5574:2018 Mx Mô men uốn theo trục x My Mô men uốn theo trục y N Lực tác dụng dọc TCVN 5574:2018 N Khối lượng nước TCVN 5574:2018 N Số lượng dữ liệu huấn luyện của mạng nơ-ron Nph Tải trọng phá hoại N-FA Tro bay loại N ASTM C618 Nnt Giá trị lực dọc phá hoại thu được từ thí nghiệm Nph Tải trọng phá hoại OPC Xi măng poóc lăng Pph Tải trọng khi phá hoại mẫu trụ Rb Cường độ chịu nén tính toán của bê tông R’b Cường độ chịu nén tính toán của bê tông sử dụng L-FA Rbk Cường độ kéo khi ép chẻ của bê tông TCVN 8862:2011 Rbk TB Cường độ kéo trung bình khi ép chẻ của bê tông TCVN 8862:2011 ReH Cường độ giới hạn chảy của cốt thép theo thực nghiệm ReH TB Cường độ giới hạn chảy của cốt thép trung bình theo thực nghiệm Rm Cường độ giới hạn bền kéo của cốt thép theo thực nghiệm Rn Cường độ chịu nén của bê tông TCVN 3118:1993 Rn TB Cường độ chịu nén trung bình của bê tông TCVN 3118:1993 Rs Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép As xi R’s Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép A’s Rlt Cường độ chịu nén của mẫu trụ S1 Ứng suất ban đầu theo ε = 0,000050 ASTM C 469 S2 Ứng suất tại 40%fc’ ASTM C 469 V Thể tích của viên mẫu Chữ cái Latinh viết thường Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham chiếu a Khoảng cách từ mép bê tông chịu kéo đến trọng tâm tiết diện cốt thép chịu kéo ACI 318 a' Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén đến trọng tâm tiết diện cốt thép chịu nén b Bề rộng thiết diện ngang của cột TCVN 5574:2018, ACI 318, EC2 e Khoảng cách từ điểm đặt lực dọc N e0 Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N e1 Độ lệch tâm tĩnh học ea Độ lệch tâm ngẫu nhiên ex Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N theo trục x ey Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N theo trục y fc' Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông ACI 318 fcm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông EC2 fctm Cường độ chịu nén của bê tông mẫu trụ trung bình fy Giới hạn chảy của cốt thép ACI 318, EC2 fy Cường độ đặc trưng của cốt thép TCVN 5574:2018 h Chiều cao tiết diện ngang của của cột ACI 318, EC2, TCVN 5574:2018 h0 Chiều cao làm việc của bê tông 𝑗 Nút của mạng xii kE Hệ số giảm cường độ chịu nén của bê tông tro bay trong MH3ĐT do ảnh hưởng của mô đun đàn hồi kp Hệ số dự báo kη Hệ số so sánh giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm m khối lượng của viên mẫu ở trạng thái cần thử 𝑙 Số lớp của mạng nơ-ron nhân tạo 𝑟𝑗𝑙 Biến nhị phân của mạng nơ-ron nhân tạo x Chiều cao của vùng nén bê tông TCVN 5574:2018 xi Dữ liệu đầu vào của mạng nơ-ron nhân tạo xij Số lượng đơn vị cơ bản (perceptron) khác nhau của mạng nơ-ron nhân tạo y Kết quả đầu ra của mạng nơ-ron nhân tạo Chữ cái Hy lạp Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham chiếu Δ Chuyển vị ngang ở giữa cột εb Biến dạng của bê tông η Hệ số uốn dọc TCVN 5574:2018 ηtn Hệ số uốn dọc thực nghiệm γ Khối lượng thể tích của vật liệu γL-FA Hệ số giảm cường độ chịu nén của bê tông sử dụng L-FA ρ Khối lượng riêng của vật liệu σb Ứng suất trong bê tông σs Ứng suất trong cốt thép ξ Tỷ lệ giữa chiều cao vùng nén/chiều cao làm (x/h0) TCVN 5574:2018 ξR Hệ số giới hạn chiều cao vùng nén TCVN 5574:2018 xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hóa học của xi măng poóc lăng .............................................. 9 Bảng 1.2. Một số thành phần khoáng và tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng [151] ................................................................................................................................... 10 Bảng 1.3. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu ASTM C618 [74,150] ......... 14 Bảng 1.4. Yêu cầu hàm lượng CaO theo tiêu chuẩn Canada (CSA A3000-03) [86]14 Bảng 1.5. Các yêu cầu khác giữa ASTM C618 và AASHTO M295 [100] .............. 15 Bảng 1.6. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu LS 442-2019 [120] .............. 16 Bảng 1.7. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu TCVN 10302:2014 [46] ...... 17 Bảng 1.8. Thành phần hóa học của tro bay L-FA ..................................................... 19 Bảng 1.9. Thành phần hóa học của tro bay Lào và các nước trong khu vực ............ 20 Bảng 1.10. Khối lượng riêng tro bay của Lào và các nước trong khu vực ............... 20 Bảng 1.11. Giá trị khối lượng riêng cao nhất trong năm của tro bay ....................... 21 Bảng 1.12. Tỷ lệ sản xuất và sử dụng tro bay toàn cầu năm 2008 [84] ................... 22 Bảng 1.13. Lượng nước có thể giảm cho bê tông sử dụng tro bay [150] ................. 25 Bảng 2.1. Thành phần khoáng và tính chất cơ lý của L-FA ..................................... 40 Bảng 2.2. Tính chất cơ lý của cát .............................................................................. 42 Bảng 2.3. Đặc tính của cát thiên nhiên Lào so sánh với Việt Nam ...........