Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến ứng xử của cọc rỗng bê tông Geopolymer
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ DƢỠNG HỘ ĐẾN ỨNG XỬ
CỦA CỌC RỖNG BÊ TÔNG GEOPOLYMER
STUDY ON THE IMPACT OF THE TEMPERATURE TEMPERATURE TO THE
CASE OF GEOPOLYMER FORESTS
Pham Duc Thien1, Nguyen Thanh Tan
1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bê tông geoplymer là vật liệu xanh được nghiên cứu để thay thế bê tông xi măng. Bê tông
geopolymer có nhiều ứng dụng trong kết cấu các công trình xây dựng cần được nghiên cứu và
phân tích đánh giá chính xác trong các mô hình tính toán. Trong bài báo này kết quả thí nghiệm
cọc rỗng bê tông geopolymer ở 06 mức nhiệt độ dưỡng hộ khác nhau 40ºC, 60ºC, 80ºC, 100ºC,
110ºC, 120ºC trong 12 giờ được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết theo TCVN 5574:2012,
TCVN 7888:2014. Bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm. Kết
quả thí nghiệm cho thấy cọc rỗng bê tông geopolymer và cọc rỗng bê tông xi măng cùng cấp độ
bền B45 cho cường độ chịu uốn và chống nứt tương đương nhau.
Từ khóa: ứng xử chịu uốn, bê tông geopolymer, cọc rỗng geopolymer, dưỡng hộ nhiệt ẩm.
ABSTRACT
Geoplymer concrete is a green material studied to replace cement concrete. Geopolymer
concrete has many applications in the structure of construction work should be studied and
analyzed accurately in the calculation model. In this article the results of the geopolymer
concrete pile experiment at six different curing temperatures of 40°C, 60°C, 80°C, 100°C, 110°C,
120°C for 12 hours were compared with those of theoretical calculation according to TCVN
5574: 2012 , TCVN 7888: 2014. Geopolymer concrete is cured in warm moist conditions.
Experimental results show that concrete piles geopolymer concrete and cement piles at the same
level of durability B45 for equal strength bending and anti-cracking.
Keywords: flexural behavior, geopolymer concrete, hollow geopolymer piles, moist heat
có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ
ban đầu rất tốt với tên gọi là xi măng
polymer. Công nghệ này nhanh chóng phát
triển trên toàn thế giới và đang có ưu thế hơn
xi măng protland do có ưu điểm về nguyên
liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân
thiện với môi trường [1-10]
1. GIỚI THIỆU
Gepolymer là sản phẩm của quá trình
phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và
nhôm với dung dịch kiềm có trong tro bay
thảy ra từ việc đốt than của những nhà máy
công nghiệp. Hiện nay Geopolymer đã và
đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy
khả năng là vật liệu xanh thay thế bê tông xi
măng trong một số ứng dụng do bê tông
geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt,
đồng thời giảm khả năng gây hiệu ứng nhà
kính khi thay thế xi măng pooclăng.
Nghiên cứu trong nước:
TS.Phan Đức Hùng [11]: Kiểm chứng
ứng xử chịu uốn của dầm bê tông
geopolymer cốt thép sử dụng tro bay. Bài báo
trình bày so sánh kết quả thực nghiệm với
kết quả tính toán và mô phỏng trên các dầm
bê tông cốt thép sử dụng bê tông geopolymer
với tro bay là vật liệu nền. Kết quả thí
nghiệm đã phản ánh đúng thực tế trong việc
thiết kế cấp phối. Căn cứ các yếu tố ảnh
Nhà hóa học người Pháp Joseph
Davidovits đã nghiên cứu và chế tạo thành
công một loại xi măng mới bằng cách kết
hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt
tính cao, tạo thành chất kết dính vô cơ mới
1
hưởng đến cường độ bê tông để thí nghiệm
và chọn cấp phối phối ưu trước khi tiến hành
đúc cấu kiện. Khi cấu kiện chịu tải trọng đạt
từ 80% trở lên so với tải trọng phá hoại,
chuyển vị dầm tăng nhanh, nguyên nhân do
độ cứng của dầm giảm mạnh do các vết nứt
phát triển nhanh. So với kết quả thí nghiệm
thì kết quả tính toán lý thuyết thiên về an
toàn và có thể sử dụng phần mềm mô phỏng
để dự đoán ứng xử của cấu kiện thật.
Xi măng Đá 1x2
Cát
Nước
Ký hiệu
( kg )
( kg )
( kg )
( kg )
OPC
937
1102
179
240
Bê tông mẫu trụ OPC và GPC bằng nhau
cường độ với độ bền là B45.
2.1.2 Cƣờng độ mẫu nén OPC và GPC
Mẫu bê tông lăng trụ kích thước 150x300mm
OPC và GPC sau khi dưỡng hộ theo đúng
quy trình và thí nghiệm khả năng chịu nén,
cường độ chịu nén bê tông được quy đổi về
mẫu chuẩn lập phương theo tiêu chuẩn như
bảng 3
- TS. Lê Anh Tuấn, TS.Nguyễn Tấn
Khoa,TS.Phan Đức Hùng [12]: Nghiên cứu
phân tích ứng xử của dầm bê tông
Geopolymer bằng phương pháp phần tử hữu
hạn. Sau khi nghiên và thí nghiệm rút ra các
kết luận như sau: Sự sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn mô phỏng quá trình làm
việc của dầm bê tông geopolymer cốt thép
cho kết quả gần tương đồng với thực nghiệm.
Mối quan hệ giữa các tính chất cơ học của bê
tông geopolymer khi sử dụng mô phỏng số là
tương đối phù hợp với mô hình bám dính,
điều kiện dính bám này cũng tương tự khi sử
dụng cho bê tông xi măng. Các ứng xử cơ
học của bê tông geopolymer cũng có tính
chất tương đồng như bê tông xi măng.
Bảng 3: Tổng hợp cường độ chịu nén của
các cấp phối bê tông OPC và GPC
Cƣờng
độ chịu
nén
Cấp phối AL/FA
SS/SH
(MPa)
OPC
58,5
GPC1
0,6
2
58,20
2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG
PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu sử dụng đúc cấu kiện
cọc rỗng bê tông geopolymer là tro bay, cát,
đá và dung dịch hoạt hóa alkaline. Dung dịch
hoạt hóa là sự kết hợp giữa sodium
hydroxide và sodium silicate.
2.2 Cọc rỗng bê tông geopolymer
Cấu tạo
Chọn cọc rỗng có đường kính ngoài
300mm, đường kính trong 140mm, chiều dài
1,5m, cốt thép dọc 67.1, thép đai 3, được
bố trí như Hình 1,2.
Chọn cấp phối bê tông geopolymer có
cường độ cao nhất mang ra đúc cấu kiện cọc
rỗng bê tông geopolymer.
2.1 Cấp phối
2.1.1 Cấp phối mẫu GPC và OPC
Bảng 1: Cấp phối đúc cấu kiện cọc rỗng GPC
(Lượng vật liệu trong 1m3 bê tông.)
Tro
bay
(kg)
412,0
Na2Si NaOH
Ký
hiệu
Đá
(kg)
Cát
(kg)
O3
16M
(kg)
82,4
(kg)
GPC1 1076
593
164,8
Hình 1: Chi tiết mẫu cọc ( Khuôn mẫu và
lồng thép )
Bảng 2: Cấp phối đúc cấu kiện cọc rỗng OPC
(Lượng vật liệu trong 1m3 bê tông.)
2
Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt
Biểu thị kết quả:
6 Þ 7.1
Þ3a150
1
2
gmL2 3PL
M
40
20
trong đó: M: Mômen uốn nứt thực tế,
kN.m;
Hình 2: Chi tiết cấu tạo cốt thép dọc và cốt
thép đai cọc rỗng OPC và GPC
P: Tải trọng uốn gây nứt, kN;
g: Gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2;
m: Khối lượng cọc, tấn;
Lý thuyết tính toán
- Cường độ chịu uốn của cọc rỗng:
theo mục 6.2.2.9 và 6.2.2.12 của TCVN 5574:
2012
m 2,5t(D t)
, tấn;
( )
L: Chiều dài cọc, m;
D: Đường kính ngoài thân cọc, m;
- Mô men kháng nứt: theo mục 7.1.2.4
của TCVN 5574:2012
- Mô men kháng gãy: theo TCVN
7888:2014 [5]
t: Chiều dày thành cọc, m.
Độ bền uốn gãy thân cọc rỗng
Phương pháp thí nghiệm tương tự như
xác định độ bền uốn nứt thân cọc nhưng khi
gia tải không dừng lại khi xuất hiện vết nứt
mà vẫn tiếp tục gia tải đến khi cọc bị gãy và
ghi lại tải trọng lớn nhất.
Qui trình sản xuất:
- Bước 1: chuẩn bị nguyên vật liệu,
khuôn cọc.
- Bước 2: nhào trộn và đúc cấu kiện.
- Bước 3: dưỡng hộ nhiệt 40ºC, 60ºC,
80ºC, 100ºC, 110ºC, 120ºC trong 12 giờ, đặt
mẫu trong điều kiện tự nhiên 20 ngày, sau đó
đem đi nén.
- Bước 4: thí nghiệm độ bền uốn nứt
thân cọc.
- Bước 5: thí nghiệm độ bền uốn gãy
thân cọc.
Khả năng chịu tải theo lý thuyết
Bê tông B45: Rb = 25 MPa; Rbt,ser = 2,2
MPa.
Thép: Rs = 1300 MPa; Rsc = 500 MPa
Kết quả tính toán theo lý thuyết như bảng 5:
Bảng 4. Mô men tính toán
Mtt (kNm)
Mcrc (kNm)
20,2
Mbr (kNm)
30,3
- Bước 6: Kiểm tra độ võng khi uốn
nứt thân cọc.
2.3 Phƣơng pháp thí nghiệm
* Ghi chú: Mtt: tính toán theo TTGH I
Mtt: tính toán theo TTGH II
Độ bền uốn nứt thân cọc rỗng
Tiến hành gia tải đến khi cọc xuất hiện
vết nứt có chiều rộng bằng hoặc lớn hơn 0,1
mm. Ghi lại tải trọng gây nứt thực tế. Sơ đồ
thí nghiệm như hình 2
3. KẾT QUẢ
3.1 Khả năng bền nứt thân cọc
Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc OPC
Mtn = 20,82 kNm phù hợp với lý thuyết
crc
tính toán Mttcrc = 20,2 kNm. Chênh lệch nhau
3,07%.
3
3.2 Khả năng bền gãy thân cọc
Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc OPC
Mtn = 36,96 kNm chưa phù hợp với lý
br
thuyết tính toán Mtt = 30,30 kNm, sai lệch
br
21,98 %..
Hình 4. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
đến tải trọng gây nứt.
Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc GPC
dưỡng hộ nhiệt 100ºC trong 12 giờ Mtn
20,88 kNm phù hợp với mô men uốn nứt
thực nghiệm cọc OPC là Mtncrc = 20,82 kNm.
Chênh lệch nhau 2,9%.
=
crc
Hình 6. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
đến tải trọng uốn gãy thân cọc.
Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc GPC
dưỡng hộ nhiệt 100ºC trong 12 giờ Mtn
=
br
33,66 kNm phù hợp với mô men uốn gãy
thực nghiệm cọc OPC là Mtnbr = 36,96 kNm,
sai lệch 9,8 %.
Hình 5. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
đến mô men uốn nứt.
Khi cọc dưỡng hộ nhiệt thấp hơn
1000C, cường độ vật liệu chưa đạt tương
đương cấp độ bền B45 (như tính toán lý
thuyết), cho nên mô men kháng uốn và
kháng nứt thực nghiệm cho giá trị nhỏ hơn
tính toán theo lý thuyết.
Hình 7. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
đến mô men uốn gãy thân cọc.
Tải trọng uốn gãy cọc rỗng OPC cao hơn
cọc rỗng GPC, cho thấy khả năng dính bám
cốt liệu: cát, xi măng, thép của cọc rỗng
GPC kém hơn cọc rỗng OPC. Nhưng vấn đề
này có thể cải thiện khi điều chỉnh tỉ lệ dung
Khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ từ 40ºC
đến 100ºC, khả năng chịu uốn nứt tăng
khoảng 74%. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ
dưỡng hộ từ 100ºC đến 120ºC khả năng
chịu uốn nứt tăng không đáng kể, do vậy
trong giai đoạn này tăng thêm nhiệt hoặc
kéo dài thời gian dưỡng hộ thì hiệu quả
kinh tế sẽ không cao. Trong tương lai có thể
sử dụng bê tông Geopolymer đúc cọc rỗng
GPC dưỡng hộ ở nhiệt độ 100ºC, trong thời
gian 12 giờ cho các cấu kiện bê tông sau
này.
dịch
alkaline/tro
bay
và
tỉ
lệ
Na2SiO3/NaOH.
Cũng tương tự mô men uốn nứt, khi tăng
nhiệt độ dưỡng hộ từ 40ºC đến 100ºC, mô
men uốn gãy tăng khoảng 69%. Nhiệt độ
dưỡng hộ từ 100ºC đến 120ºC khả năng chịu
uốn gãy tăng không đáng kể, do vậy trong
giai đoạn này tăng thêm nhiệt hoặc kéo dài
thời gian dưỡng hộ thì hiệu quả kinh tế sẽ
không cao. Trong tương lai có thể sử dụng bê
4
tông Geopolymer đúc cọc rỗng GPC dưỡng
hộ ở nhiệt độ 100ºC, trong thời gian 12 giờ
cho các cấu kiện bê tông sau này.
Hình 9: Biểu đồ độ võng khi uốn nứt của cọc
rỗng OPC và GPC
Độ võng khi uốn nứt thực tế của cọc rỗng
OPC và cọc rỗng GPC chênh lệch nhau đối
với cọc rỗng OPC dưỡng hộ nhiệt ở 120ºC và
cọc rỗng OPC ở nhiệt độ phòng 32ºC đến 35
ºC trong vòng 28 ngày dưỡng hộ. Cụ thể:
- Cọc GPC võng 11,96 mm
- Cọc OPC võng 11,55 mm
3.3 Mô men uốn nứt – gãy từ thực
nghiệm
3.5 Tải trọng uốn nứt và độ võng khi uốn
nứt
Hình 8: Mô men uốn nứt – gãy
Hình 10: Biểu đồ tải trọng và độ võng uốn
nứt
Tóm lại: Nhiệt độ dưỡng hộ từ 40ºC đến
nhiệt độ 100ºC, cường độ uốn nứt tăng
khoảng 77%, cường độ uốn gãy tăng khoảng
70%, mô men uốn nứt tăng khoảng 74%, mô
men uốn gãy tăng khoảng 69%. Nhiệt độ
dưỡng hộ từ 100ºC đến 120ºC cường độ tăng
không đáng kể, do vậy trong giai đoạn này
tăng thêm nhiệt hoặc kéo dài thời gian dưỡng
hộ thì hiệu quả kinh tế sẽ không cao. Trong
tương lai có thể sử dụng bê tông Geopolymer
đúc cọc rỗng GPC dưỡng hộ ở nhiệt độ
100ºC, trong thời gian 10 giờ cho các cấu
kiện bê tông sau này.
Độ võng tăng theo tải trọng uốn nứt, cho
thấy cấu trúc cơ lý của cọc rỗng GPC ở nhiệt
độ dưỡng hộ thấp từ 40⁰C đến 80⁰C không
bền vững. Lúc đó độ võng chưa cao thì cọc
xảy ra hiện tượng răng nứt cọc ( vết nứt δ
=1mm). Khi dưỡng hộ ở nhiệt độ từ 100⁰C
đến 120⁰C cọc có độ bền cao và độ võng tăng
lên khi xuất hiện vết nứt.
3.6 Mô men uốn nứt và độ võng khi uốn
nứt
3.4 Độ võng khi uốn nứt cọc rỗng OPC
và GPC
5
cấp độ bền chịu nén, trong khi mô men uốn
gãy của cọc rỗng OPC lớn hơn của cọc rỗng
GPC này khoảng 9,7%.
- Từ kết quả thực nghiệm, xác định lại được
quan hệ giữa mô men uốn nứt và mô men
uốn gãy của cọc rỗng GPC cho từng trường
hợp nhiệt độ dưỡng hộ.
- Nhiệt độ dưỡng hộ từ 40ºC đến 80ºC trong
12 giờ không đủ cung cấp nhiệt lượng để vật
liệu được polymer hóa hoàn toàn do đó
cường độ và khả năng chịu uốn của cọc
không cao và chưa đạt giá trị tối ưu. Nhiệt độ
dưỡng hộ lớn hơn 100ºC không có lợi về mặt
kinh tế.
Hình 11: Biểu đồ mô men và độ võng uốn
nứt
Tải trọng và mô men tăng tỷ lệ thuận khi
dưỡng hộ nhiệt độ tăng dần, do đó vết nứt
xuất hiện thì độ võng tăng theo. Nhiệt độ
dưỡng hộ 40ºC thì độ võng 1,22 mm, mô
men uốn nứt 5,39 kN.m, khi nhiệt độ dưỡng
hộ tăng lên 120ºC thì độ võng tăng 90 %, mô
men tăng 75%.
Nghiên cứu trên tạo tiền đề cho việc ứng
dụng cọc rỗng GPC rộng rải trong các công
trình xây dựng thấp tầng, cao tầng, nhằm đưa
cọc rỗng bê tông Geopolymer ứng dụng rộng
rãi trong ngành xây dựng. Sử dụng nguyên
liệu có sẳn thải ra từ các nhà máy nhiệt điện,
với giá thành thấp, giảm thiểu những tác hại
do ô nhiễm môi trường gây ra.
4. KẾT LUẬN:
Bài báo trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ
dưỡng hộ đến ứng xử của cọc rỗng bê tông
Geopolymer. Trong đó, cọc rỗng bê tông
Geopolymer được chế tạo và dưỡng hộ ở 6
mức nhiệt độ từ 40ºC đến 120ºC. Cọc bê
tông xi băng có cùng cấp độ bền cũng được
sản xuất và thí nghiệm làm cơ sở so sánh.
Một số kết luận được rút ra như sau:
Thực tế cho thấy, việc sử dụng bê tông
gepolymer để sản xuất các cấu kiện bê tông
đúc sẵn như dầm, cống, tấm panel, tấm lát
vĩa hè… là rất phù hợp, vẫn đãm bảo chất
lượng,làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường,
tiết kiện kinh phí, cần được đầu tư nghiên
cứu và mở rộng các ứng dụng. Cần tiếp tục
nghiên cứu đặc tính của cấu kiện GPC cũng
như tìm ra những chỉ dẫn tính toán cụ thể về
loại cọc này để có thể thương mại hóa sản
phẩm ở quy mô lớn và phát triển trên thị
trường hiện nay cũng như trong tương lai./.
- Mẫu bê tông Geopolymer dưỡng hộ nhiệt ở
100ºC trong vòng 12 giờ cho cường độ chịu
nén tương đương với mẫu bê tông xi măng
và cả 2 đạt cấp độ bền B45. Cả 2 cấp phối
này được dùng để sản xuất cọc bê tông rỗng.
- Cọc rỗng GPC dưỡng hộ nhiệt ở 100ºC cho
kết quả mô men kháng uốn, mô men kháng
nứt tương đồng với cọc rỗng OPC có cùng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Davidovits (1991), Geopolymers - Inorganic polymeric new materials, Journal of
Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 37, pp. 1633 - 1656.
[2] J. Davidovits (1994), Properties of Geopolymer cement, Proceding first International
conference on Akaline cements and concretes, pp. 131-149.
[3] J. Davidovits (2011), Geopolymer Chemistry and Applications, Saint-Quentin, France,
Geopolymer Institute.
[4] ThS. Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, TS. Lê Trung Thành: Bê tông geopolymer –
những thành tựu, tính chất và ứng dụng.
[5] Roy Della M. (1999) Alkali-activated cements. Opportunities and challenges. Cement
6
Concrete Research 29:249-254.
[6]
Djwantoro Hardjito, S.E.W., Dody M.J.Sumajouw and B.VRanagn, Factors
influencing the compressive strength of fly ash based Geopolymer concrete. Civile Engineering
Dimension, 2004.
[7]
Suresh.G.Patil and Manojkumar, Factors influencing compressive strength of
Geopolymer concrete. IJRET : Inetrnational Journal of Research in Engineering and
Technology, 2013.
[8]
Nuruddin, M.F., et al., Compressive strength and interfacial transition zone
characteristic of Geopolymer concrete with different cast In-Situ curing conditions.
International Scholarly and Scientific Research&Innovation, 2011.
[9]
Bakri, A.M.M.A., H.Kamarudin, and M.Binhussain, Microstructure study in
optimization of high strength fly ash based geopolymer. Advanced Material Research, 2012:
p. 2173- 2180.
[10]
Zejak, R., I. Nikolic, and D. Blecic, Mechanical and microstruture properties of the fly
ash based Geopolymer paste and mortar. Materials and technology, 2012: p. 535-540.
[11] TS.Phan Đức Hùng : Kiểm chứng ứng xử chịu uôn của dầm bê tông geopolymer cốt thép
sử dụng tro bay.
[12] TS. Phan Đức Hùng, Nguyễn Tấn Khoa và TS.Lê Anh Tuấn: Nghiên cứu phân tích ứng
xử của dầm bê tông geopolymer bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Thanh Tân
Đơn vị: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng và Khu vực Phát triển Đô thị An Giang
Điện thoại: 0913124953
Email: [email protected]
Xác nhận của Giáo viên hƣớng dẫn
TS. Phạm Đức Thiện
7
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến ứng xử của cọc rỗng bê tông Geopolymer", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
nghien_cuu_anh_huong_cua_nhiet_do_duong_ho_den_ung_xu_cua_co.pdf

