Nghiên cứu ảnh hưởng của sợi gia cường đến khả năng chịu uốn và chống cắt của cọc rỗng bê tông Geopolymer
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỢI GIA CƯỜNG
ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU UỐN VÀ CHỐNG CẮT CỦA CỌC RỖNG BÊ
TÔNG GEOPOLYMER
RESEARCH: THE IMPACT OF REINFORCE FIBER TO BENDING
STRENGTH AND SHEARING STRENGTH OF HOLLOW GEOPOLYMER
CONCRETE PILE
Pham Duc Thien1, Nguyen Phu Tan
1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bê tông geopolymer là vật liệu có các tính chất cơ lý tương tự như bê tông xi măng truyền thống
và thể hiện tính ưu việt của một loại vật liệu xanh vì không cần sử dụng xi măng. Ngoài ra tính
giòn của bê tông geopolymer có khả năng được khắc phục bằng sợi poly propylene. Bài báo
nghiên cứu sợi poly propylene có chiều dài 19mm được bổ sung với hàm lượng 0%, 0.5%, 1%,
1.5% và 2% theo thể tích để đánh giá ảnh hưởng của sợi đến khả năng chịu uốn và chống cắt
của cấu kiện cọc rỗng bê tông geopolymer. Kết quả cho thấy, bê tông geopolymer sử dụng sợi
poly propylene với hàm lượng từ 0 đến 2% cải thiện tốt cả mô men uốn nứt, mô men uốn gãy và
khả năng chống cắt qua nhưng cho thấy chưa có dấu hiệu đạt giá trị tối ưu. Mặc khác kết quả
cũng cho thấy khả năng chịu uốn và chống cắt của cọc rỗng bê tông geopolymer khá tương đồng
với cọc rỗng bê tông xi măng khi có cùng cấp độ bền không gia cường sợi.
Từ khóa: ứng xử chịu uốn, bê tông geopolymer, sợi poly propylene.
ABSTRACT
Geopolymer concrete is the material with physico-mechanical properties similar to cement
concrete pile yet having the advantages of eco-friendly materials because of the absent of
cement. Besides, the shortness of geopolymer concrete can be reduced by reinforce it with
polypropylene fiber. The research paper examines when concrete mixture added 19mm
polypropylene fiber at 0%, 0.5%, 1%, 1.5% and 2% in portion to analyse bending and shearing
strength of hollow geopolymer concrete pile. The result shown that geopolymer concrete pile
with the mentioned mixture with reinforce fiber strengthen bending-crack, bending-break and
shearing resistance however it is yet to reach maximum value. On the other hand, examination
result also shows that bending and shearing resistance of hollow geopolymer concrete pile are
very similar with hollow cement concrete pile when having equivalent tensile strength (without
reinforce fiber)
Keywords: flexural behavior, geopolymer concrete, poly-propylene fiber.
1
1. GIỚI THIỆU
được tính toán theo TCVN 5574:2014 và
phương pháp thực nghiệm tham khảo theo
TCVN 7888:2014.[7-8]
Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng vào
thực tiễn các vật liệu xanh, thân thiện với
môi trường nhằm hạn chế hiệu ứng nhà kính
ngày càng được phát triển, đặc biệt là vật liệu
bê tông geopolymer. Vật liệu này đang được
nghiên cứu chứng minh có các tính chất cơ
học tương tự như bê tông truyền thống, ngoài
ra nó còn giúp xử lý trữ lượng lớn những phụ
phẩm của nghành công nghiệp nhiệt điện là
tro bay. Bê tông geopolymer đã được giáo sư
Joseph Davidovit nghiên cứu và giới thiệu
vào những năm 1970 [1,2]
2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP THÍ NGHIỆM
2.1 Nguyên vật liệu
Cốt liệu đá
Đá sử dụng là đá Biên Hòa có
Dmax=20mm, khối lượng riêng D=2,7 g/cm3,
khối lượng thể tích 1,62 g/cm3. Các chỉ tiêu
cơ lý đáp ứng TCVN 7572:2006 và
7570:2006.
Bảng 1. Thành phần hạt của đá (trong
100kg)
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho
thấy ứng xử và cường độ của các cấu kiện bê
tông geopolymer gốc tro bay khá tương đồng
như bê tông truyền thống[3-6]. Tính giòn của
bê tông geopolymer là một đặc điểm và có
khả năng khắc phục bằng các sợi như poly
propylene. Sự làm việc của bê tông
geopolymer gia cường cốt sợi phân bố trong
cấu kiện cần được nghiên cứu để từ đó xác
định được hàm lượng sợi tối ưu với cấp phối
được lựa chọn làm tăng các đặc tính có lợi và
hạn chế nhược điểm của bê tông geopolymer.
Cỡ sàng (mm)
Lượng sót trên
sàn (kg)
20
2
10
48
5
100
Cốt liệu cát
Cát sử dụng là cát sông, khối lượng
riêng là 2,67g/cm3, khối lượng thể tích là 1,7
g/cm3. Cát sử dụng cho bê tông có chỉ tiêu cơ
lý đáp ứng theo TCVN 7572:2006 và
7570:2006. [9-10]
Tro bay
Sử dụng tro bay loại F có nguồn gốc từ
nhà máy nhiệt điện địa phương, khối lượng
riêng 2,5g/cm3, độ mịn 94% lượng lọt qua
sàng có cỡ sàng là 0,08 mm.
Bài báo xác định ảnh hưởng của sợi poly
propylene đến khả năng chịu uốn và chống
cắt của cấu kiện cọc rỗng bê tông
geopolymer. Sợi poly propylene được sử
dụng với hàm lượng 0%, 0.5%, 1%, 1.5% và
2% theo thể tích phân bố ngẫu nhiên trong
quá trình nhào trộn bê tông geopolymer và
kiểm chứng khả năng chịu uốn cấu kiện cọc
Bảng 2. Thành phần hóa học tro bay
T
P
SiO Al2
Fe2
O3
Ca K2O Mg
O3
O
O
2
+Na2
2
O
NaO
H
Cát Tro Na2SiO
Đá
Ký
%
51, 31,9 3,48 1,2 1,02
0,81
bay
3
(kg
16M
hiệu
(kg)
7
1
)
(kg)
(kg)
(kg)
Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa
GPC 107
412,
0
593
164,8
82,4
1
6
sodium hydroxide (NaOH) và sodium
silicate (Na2SiO3). Dung dịch sodium
hydroxide, NaOH dạng vảy rắn được hòa tan
vào nước theo nồng độ 16mol/l cho trước.
Dung dịch có màu trắng đục có độ tinh khiết
trên 90% và khối lượng riêng là 2,13g/cm3.
Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm
lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36 ÷ 38 %,
tỷ trọng 1.42±0.01 g/ml.
Cường độ mẫu nén OPC và GPC
Mẫu bê tông geopolymer và bê tông xi
măng sau khi dưỡng hộ được đưa đi thí
nghiệm thí nghiệm xác định cường độ chịu
nén bê tông như bảng 5.
Bảng 5. Cường độ chịu nén của bê tông
OPC và GPC
Rb
(MPa)
CP
AL/FA
SS/SH
2.2 Cấp phối
58,72
OPC
Bê tông OPC
Cấp phối bê tông xi măng cho cọc OPC
đối chứng có cấp độ bền B45.
0,6
2
58,20
GPC1
Kết quả thực nghiệm công tác nén mẫu
xác định cường độ bê tông geopolymer và bê
tông xi măng tương đương cấp độ bền B45.
Cấp phối này phù hợp với mục tiêu nghiên
cứu chế tạo cọc rỗng cường độ cao.
Bảng 3. Thành phần trong 1m3 bê tông.
Muội Phụ
XM
Cát
Đá Nước
silic gia
(kg) (lít)
(kg) (kg) (kg) (lít)
2.3 Cọc rỗng bê tông geopolymer
Cấu tạo
432,2 739,4 1120
80
37,59 3,76
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.
Tỉ lệ CKD:C:Đ:N:PG = 1:1,57:2,38 : 0,17
0,008
Bê tông GPC
Cấp phối bê tông xi măng cho cọc GPC
có cấp độ bền B45.
Bảng 4. Thành phần trong 1m3 bê tông.
3
2.4 Phương pháp thí nghiệm
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 uốn gây nứt thực tế. Sơ
đồ thí nghiệm như hình 2
Hình 1. Cấu tạo thép cọc
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
Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt
Biểu thị kết quả:
푠푖푛휋휉푐푖푟
푀 = (훾푏푅푏퐴푟푚 + 푅푠푐퐴푠,푡표푡푟푠)
+ 푅푠퐴푠,푡표푡휑푠푧푠
휋
gmL2 3PL
M
40
20
- Mô men kháng nứt: theo mục 7.1.2.4
của TCVN 5574:2012
trong đó: M: Mômen uốn nứt thực tế, kN.m;
푀푐푟푐 = 푅푏푡,푠푒푟푊푝푙
P: Tải trọng uốn gây nứt, kN;
g: Gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2;
m: Khối lượng cọc, tấn;
- Mô men kháng gãy: theo TCVN
7888:2014
푀푏푟 = 1,5푀푐푟푐
Qui trình sản xuất:
m 2,5t(D t)
, tấn;
- Bước 1: chuẩn bị nguyên vật liệu,
khuôn cọc.
L: Chiều dài cọc, m;
- Bước 2: nhào trộn và đúc cấu kiện.
Sợi PP được làm tới nhuyễn ra
trước khi trộn phối liệu khô)
Trộn khô phối liệu gồm cát, đá,
tro bay, và sợi PP. Sau đó cho
dung dịch Na2SiO3 và NaOH
vào tiếp tục trộn đều và đúc cấu
kiện cọc.
D: Đường kính ngoài thân cọc, m;
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 gia
tải đến khi cọc bị phá hủy và ghi lại tải trọng
phá hủy lớn nhất.
- Bước 3: dưỡng hộ nhiệt (tĩnh định 48
giờ; dưỡng hộ nhiệt ở 100oC 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.
- Bước 6: thí nghiệm bền cắt thân cọc.
4
Thép: Rs = 1300 MPa; Rsc = 500 MPa
Kết quả tính toán theo lý thuyết như bảng 6:
Bảng 6. Mô men tính toán
Mtt (kNm) Mcrc (kNm) Mbr (kNm)
9,69
20,22
30,33
* Ghi chú: Mtt: tính toán theo TTGH I
Mtt: tính toán theo TTGH II
Hình 4. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến
mô men uốn nứt Mtn
crc
3. KẾT QUẢ
Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc GPC
3.1 Khả năng bền nứt thân cọc
gia cường sợi 0% đạt Mtn = 20,16 kNm,
crc
Khả năng chịu tải cọc OPC cấp độ bền
B45 theo thực nghiệm phù hợp với kết quả
tính toán. Kết quả cũng cho thấy mô men
khi tăng hàm lượng sợi lên 2% thì mô men
uốn nứt Mtncrc tăng 40,01%.
uốn nứt thực nghiệm Mtn cọc GPC gia
crc
3.2 Khả năng bền gãy thân cọc
Mô men uốn gãy thực nghiệm Mtncrc của
cường sợi 0% tương đương khả năng chịu
uốn nứt thực nghiệm cọc OPC B45 thông
thường.
cọc GPC gia cường sợi 0% tương đối phù
hợp với mô men uốn nứt thực nghiệm Mtn
crc
cọc OPC, chênh lệch xấp xỉ 11,48%.
Hình 5. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến
tải trọng gãy Pcr
Hình 3. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến
tải trọng gây nứt Pcrc
Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc GPC
gia cường sợi 0% đạt Mtnbr = 33,78 kNm, khi
Mô men uốn nứt thực nghiệm Mtn cọc
crc
GPC gia cường sợi 0% phù hợp với mô men
uốn nứt thực nghiệm Mtncrc cọc OPC.
5
tăng hàm lượng sợi lên 2% thì mô men uốn
gãy Mtnbr tăng 37,37%.
Hình 7. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến
lực cắt Qtn
cu
Hàm lượng sợi 2% chưa cho được giá trị
cực trị của khả năng chống cắt và chịu uốn
nứt cũng như uốn gãy của cấu kiện. Do đó
cần có thêm các nghiên cứu để tìm ra hàm
lượng tối ưu.
Hình 6. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến
mô men uốn gãy Mtn
br
Kết quả thực nghiệm phản ánh tương đối
đúng thực tế trong việc thiết kế cấp phối cọc
bê tông geopolymer và cọc bê tông xi măng
OPC thông thường có cấp độ bền B45 cho
kết quả về khả năng chịu tải (mô men uốn
nứt, uốn gãy) gần như phù hợp.
3.4 Quan hệ giữa lực cắt cọc và chuyển vị
từ thực nghiệm
3.3 Khả năng bền cắt thân cọc
Khả năng bền cắt Qtn của cọc bê tông
cu
GPC gia cường sợi 0% đạt 43,10 kN, giá trị
này tương đương vơi cọc OPC, chứng tỏ sự
tương đồng trong ứng xử và khả năng làm
việc của của OPC và GPC không gia cường
sợi.
tn
Hình 8. Mối quan hệ giữa Qcu và
chuyển vị cọc GPC
Khi tăng hàm lượng sợi gia cường lên
2% thì khả năng bền cắt Qtn tăng lên
cu
Ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP đến
khả năng bền cắt thông qua chuyển vị của thí
nghiệm. Khả năng chịu tải của cấu kiện càng
lớn khi đạt tới cấp tải và chuyển vị nhất định
cấu kiện mới xuất hiện vết nứt. Chuyển vị
41,58%. Chứng tỏ sợi PP gia cường có khả
năng làm tăng sức chịu tải cọc cả về khả
năng chịu uốn và chống cắt.
6
được xác định khi xuất hiện vết nứt bề rộng
Từ thực nghiệm ta tìm lại quan hệ giữa
Mtnbr Mtn
Wc=0,1mm .
crc
3.5 Quan hệ lực gây nứt uốn và chuyển vị
từ thực nghiệm
Hàm
lượng
sợi PP
(%)
0
Mtn
Mtn
crc
br
Tương tự như mục 3.4 khả năng chịu tải
của cấu kiện càng lớn khi đạt tới cấp tải và
chuyển vị nhất định cấu kiện mới xuất hiện
vết nứt.
(kNm) (kNm)
20,16
21,99
23,82
26,67
28,22
33,78 1,68
36,84 1,68
39,04 1,64
41,57 1,56
46,41 1,64
0,5
1,0
1,5
2,0
Với các kết quả thực nghiệm có thể ước
lượng quan hệ Mtnbr – Mtn
:
crc
Mtnbr = (1,56÷1,68) Mtn
crc
Ngoài ra khoảng gia số (1,56 – 1,68) có
giá trị trung bình xấp xỉ giá trị 1,5 được cho
trong TCVN 7888:2014. Điều này khẳng
định độ tin cậy cao.
Hình 9. Mối quan hệ lực gây nứt uốn Ptn
crc
và chuyển vị cọc GPC
4. KẾT LUẬN
Mẫu trụ bê tông geopolymer dưỡng hộ ở
100oC trong thời gian 10 giờ cho cường độ
chịu nén tương đương bê tông xi măng cả 2
đạt cấp độ bền B45.
Mô men uốn nứt thực nghiệm Mtncrc phù
hợp với mô men uốn nứt tính toán cho cả 2
trường hợp cọc OPC và GPC không gia
cường sợi.
Hình 10. Mối quan hệ mô men uốn nứt
Mtncrc và chuyển vị cọc GPC
Cọc rỗng GPC gia cường sợi 0% dưỡng
hộ nhiệt ở 100oC trong 12 giờ cho Mtncrc, và
Qtncu tương đồng với cọc rỗng OPC có cùng
cấp độ bền chịu nén, trong khi mô men uống
3.6 Quan hệ giữa mô men uốn nứt Mtn
crc
và mô men uốn gãy Mtn
br
7
gãy của cọc rỗng OPC lớn hơn của cọc rỗng
GPC khoảng 11,48%.
rỗng GPC cho từng trường hợp hàm lượng
sợi gia cường Mtn = (1,56÷1,68) Mtn
br
crc
Từ kết quả thực nghiệm, xác định lại
được quan hệ giữa Mtn và Mtn của cọc
crc
br
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D. Hardjito and B.V. Rangan (2005), “Development and properties of low-calcium fly
ash-based geopolymer concrete”, Research Report GC1 Faculty of Engineering Curtin
University of Technology Perth, Australia.
[2] J. Davidovits (2011), Geopolymer Chemistry and Application, 3rd edition, Geopolymer
Institute.
[3] A. Palomo. (1992), Physical, chemical and mechanical characterization of
Geopolymers, 9th International Congress on Chemistry of Cements, National Council for
Cement and Building Materials.
[4] J.L. Provis. (2008), Valorisation of fly ash by Geopolymer isation, Global NEST
Journal, 11.
[5] A. M. Mustafa Al Bakri. (2011), Microstructure of different NaOH molarity of fly
ash-based green polymeric cement, Journal of Engineering and Technology Research, vol.
3, pp. 44-49.
[6] J.L. Provis. (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial
applications, Woodhead Publishing, Abingdon UK
[7] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5574 : 2012 - Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - tiêu
chuẩn thiết kế
[8] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7888 : 2014 – Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước
[9] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7572:2006 – Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử
[10] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7570:2006 – Cốt liệu cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Phú Tân
Đơn vị: Sở Giao thông Vận tải tỉnh An Giang
Điện thoại: 0908 117 191
Email:[email protected]
8
1
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.
10 trang
12/01/2024
19080
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ảnh hưởng của sợi gia cường đến khả năng chịu uốn và chống cắt 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_soi_gia_cuong_den_kha_nang_chiu_uon.pdf
