Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông Geopolymer

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN DƯỠNG HỘ NHIỆT

ĐẾN ỨNG XỬ CỦA CỌC RỖNG BÊ TÔNG GEOPOLYMER

RESEARCH: THE IMPACT OF CURING TIME ON THE REACTION

OF GEOPOLYMER HOLLOW CONCRETE PILE

Pham Duc Thien¹, Nguyen Thanh Tam

¹Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Nhu cầu sử dụng các loại vật liệu xanh trong xây dựng ngày càng lớn nhằm giảm gây tác

động hiệu ứng nhà kính. Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã cho thấy có thể sử dụng bê

tông geopolymer sử dụng tro bay có các đặc tính tương tự vật liệu bê tông truyền thống. Bài báo

nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử chịu uốn (uốn nứt, gãy) của cọc

bê tông geopolymer sử dụng tro bay. Kết quả phân tích được tính toán lý thuyết và kiểm chứng so

sánh với kết quả thực nghệm từ hiện trường. Kết quả cho thấy khi cọc geopolymer dưỡng hộ nhiệt

ở điều kiện 100^oC từ 10 giờ đến 12 giờ cho khả năng chịu uốn nứt khá tương đồng cọc rỗng bê

tông xi măng truyền thống.

Từ khóa: ứng xử chịu uốn, bê tông geopolymer, cọc rỗng geopolymer, dưỡng hộ nhiệt ẩm.

ABSTRACT

The demand for environmental friendly material in construction industry has been

increasing recently in order to reduce green-house effect. Several research in recent years has

found that Geopolymer concrete using flying ashes can have similar character to tradition

concrete cast. This research reports on the impact of curing time on the bending-cracking

resistance of Geopolymer concrete piles using flying ash in its mixture. Analyses were calculated

theoretically and practically and compared with lab examinations. The results show that when

Geopolymer concrete piles are cured at 100 Celsius Degrees from 10 to 12 hours, the bending-

cracking resistance will be similar to normal cement hollow concrete pile.

Keywords: flexural behavior, geopolymer concrete, hollow geopolymer piles, moist heat

điện trong nước. Vật liệu geopolymer được

nhà khoa học Davidovits [1-3] công bố và có

1. GIỚI THIỆU

Bê tông geopolymer sử dụng tro bay

được chế tạo để thay thế bê tông truyền thống

góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính và tận

dụng được nguồn nguyên liệu phế thải có

chứa aluminosilicate từ các nhà máy nhiệt

thể ứng dung vào công trınh xây dưng như chế

̀

taọ “bê tông xanh – bê tông Geopolymer”.

Thành phần quan trọng thay thế xi măng

truyền thống trong cấp phối bê tông

1

geopolymer là tro bay và dung dịch hoạt hóa

alkaline. Quá trình trùng ngưng tro bay và

dung dịch hoạt hóa dưới tác dụng của nhiệt độ

giúp bê tông geopolymer đạt cường độ với

thời gian dưỡng hộ phù hợp. 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 thông thường.[4-7]

Bảng 1. Thành phần hóa học tro bay

K₂O

TP SiO₂Al₂O₃Fe₂O₃CaO

MgO

+Na₂O

%

51.7 31.9

3.48

1.21 1.02

0.81

 Dung dịch hoạt hóa

Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa

sodium hydroxide và sodium silicate. Dung

dịch sodium hydroxide màu trắng đục có độ

tinh khiết trên 90% và khối lượng riêng là

2130kg/m³. Để tạo dung dịch sodium

hydroxide, NaOH dạng vảy rắn được hòa tan

vào nước theo nồng độ 16mol/l cho trước.

Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm

lượng Na₂O và S_iO₂dao động từ 36 đến 38 %,

tỷ trọng 1.42±0.01 g/ml.

Bài báo kiểm nghiệm khả năng chịu uốn

cấu kiện cọc được tính toán theo TCVN

5574:2014 và phương pháp thực nghiệm tham

khảo theo TCVN 7888:2014.[8-9]

2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG

PHÁP THÍ NGHIỆM

2.1 Nguyên vật liệu

 Cốt liệu đá

2.2 Cấp phối

Bê tông sử dụng đá dăm có dạng hình

tròn, ít hạt dẹt và ít góc cạnh có D_max=20mm,

khối lượng riêng D=2700 kg/m³, khối lượng

thể tích 1510 kg/m³. Các chỉ tiêu cơ lý đáp

ứng TCVN 7572:2006.[10]

 Bê tông OPC

Cấp phối bê tông xi măng cho cọc OPC

đối chứng có cấp độ bền B45.

Bảng 2. Lượng vật liệu trong 1m³bê

tông.

 Cốt liệu cát

Cát sử dụng có mô đun độ lớn M_dl=2,104

và lượng sót sàng tích lũy A_0.63=21,95 %

thuộc cát hạt trung bình – nhỏ, khối lượng

riêng là 2610kg/m3, khối lượng thể tích là

1450 kg/m³. Cát sử dụng cho bê tông có chỉ

tiêu cơ lý đáp ứng theo TCVN 7572:2006.

Nướ Muộ

XM

(kg)

Cát

(kg)

Đá

N/CK

D

c

i silic

(kg)

432,

2

691,0

7

1087,

5

171,5 37,59

0,365

Tỉ lệ CKD:C:Đ:N:PG = 1:1,47:2,31:0,37:0

 Tro bay

Sử dụng tro bay loại F có nguồn gốc từ

nhà máy nhiệt điện địa phương, khối lượng

riêng 2500 kg/m³, độ mịn 94% lượng lọt qua

sàng có cỡ sàng là 0,08 mm.

 Bê tông GPC

Tương tự, cấp phối bê tông xi măng cho

cọc GPC có cấp độ bền B45.

Bảng 3. Lượng vật liệu trong 1m³bê tông.

Tro

bay

NaOH

16M

Đá

Cát

Na₂SiO₃

(kg)

Ký

hiệu

(kg) (kg)

(kg)

2

GPC1 1076 593 412,0

GPC2 1076 593 399,5

GPC3 1076 593 387,8

GPC4 1145 617 352,5

164,8

185,5

181,0

167,9

82,4

64,2

90,5

67,2

 Cường 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 4

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

푠푖푛휋휉_푐푖푟

Bảng 4. Cường độ chịu nén của bê tông

푀 = (훾_푏푅_푏퐴푟_푚+ 푅_푠푐퐴_{푠,푡표푡}푟_푠)

휋

OPC và GPC

+ 푅_푠퐴_{푠,푡표푡}휑_푠푧_푠

R_b

(MPa)

- Mô men kháng nứt: theo mục 7.1.2.4

của TCVN 5574:2012

CP

AL/FA

SS/SH

푀_푐푟푐= 푅_{푏푡,푠푒푟}푊_푝푙

59,74

OPC

- Mô men kháng gãy: theo TCVN

7888:2014

0,6

0,65

0,7

2

58,20

50,29

40,36

28,23

GPC1

GPC2

GPC3

GPC4

푀_푏푟= 1,5푀_푐푟푐

 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 (tĩnh định 48

giờ; dưỡng hộ nhiệt 100^oC ở các mốc thời gian

lần lượt 6 giờ, 7 giờ, 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11

giờ, 12 giờ), đặt mẫu trong điều kiện tự nhiên

20 ngày, sau đó đem đi nén.

2,5

2

0,67

2,5

Khi SS/SH=2 thay đổi tỷ lệ AL/FA từ 0,6

÷ 0,7 thì cường độ giảm từ 58,20 MPa (GPC1)

xuống 40,36 MPa (GPC3), giảm 44,20%.

- Bước 4: thí nghiệm độ bền uốn nứt

thân cọc.

- Bước 5: thí nghiệm độ bền uốn gãy

thân cọc.

Khi SS/SH=2,5 thay đổi tỷ lệ AL/FA từ

0,65 ÷ 0,67 thì cường độ giảm từ 50,29 MPa

(GPC2) xuống 28,23 MPa (GPC4), giảm

78,14%.

2.4 Phương pháp thí nghiệm

 Độ bền uốn nứt thân cọc rỗng

2.3 Cọc rỗng bê tông geopolymer

 Cấu tạo

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

Chọn cọc rỗng có đường kính ngoài

300mm, đường kính trong 140mm, chiều dài

1,5m, cốt thép dọc 67.1, thép đai 3, được

bố trí như Hình 1.

3

3. KẾT QUẢ

3.1 Khả năng bền nứt thân cọc

Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc OPC

M^tn_crc= 20,61 kNm phù hợp với lý thuyết

tính toán M^tt_crc= 20,3 kNm.

Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt

Biểu thị kết quả:

gmL²3PL

M 



40

20

trong đó: M: Mômen uốn nứt thực tế, kN.m;

P: Tải trọng uốn gây nứt, kN;

g: Gia tốc trọng trường, 9,81 m/s²;

m: Khối lượng cọc, tấn;

m  2,5t(D  t)

, tấn;

L: Chiều dài cọc, m;

Hình 3. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ

nhiệt đến tải trọng gây nứt P^tn

crc

D: Đường kính ngoài thân cọc, m;

Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc GPC

dưỡng hộ nhiệt 12 giờ M^tn_crc= 20,16 kNm phù

hợp với mô men uốn nứt thực nghiệm cọc

OPC là M^tn_crc= 20,61 kNm.

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.

 Khả năng chịu tải theo lý thuyết

Bê tông B45: R_b= 25 MPa; R_bt,ser= 2,2

MPa.

Thép: R_s= 1300 MPa; R_sc= 500 MPa

Kết quả tính toán theo lý thuyết như bảng 5:

Bảng 5. Mô men tính toán

Hình 4. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ

nhiệt đến mô men uốn nứt M^tn

crc

M_tt(kNm) M_crc(kNm) M_br(kNm)

Mô men uốn nứt thực nghiệm cọc GPC

dưỡng hộ nhiệt trong 6 giờ đạt M^tn_crc= 14,91

kNm, khi dưỡng hộ nhiệt tăng lên 12 giờ mô

men uốn nứt M^tn_crctăng 35,25%.

9,69

20,22

30,33

* Ghi chú: Mtt: tính toán theo TTGH I

Mtt: tính toán theo TTGH II

4

Mô men uốn nứt thực nghiệm M^tncọc

crc

GPC dưỡng hộ nhiệt từ 6 ÷ 7 giờ biến thiên

tăng 14,28%. Trong khi, M^tn_crcdưỡng hộ nhiệt

từ 8 ÷ 12 giờ biến thiên trung bình 1 giờ tăng

2,4%.

Quá trình polymer hóa tạo cường độ của

vật liệu diễn ra với tốc độ nhanh ở thời gian 8

giờ đầu và chậm dần về sau. Do đó, cần

nghiên cứu lựa chọn thời gian dưỡng hộ phù

hợp tối ưu về kinh tế.

3.2 Khả năng bền gãy thân cọc

Hình 6. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ

Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc OPC

M^tn_br= 36,63 kNm chưa phù hợp với lý thuyết

tính toán M^tt_br= 30,33 kNm, sai lệch 19,88%..

nhiệt đến mô men uốn gãy M^tn

br

Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc GPC

dưỡng hộ nhiệt trong 6 giờ đạt M^tn= 22,19

br

kNm, khi dưỡng hộ nhiệt tăng lên 12 giờ mô

men uốn gãy M^tn_brtăng 52,24%.

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.

3.3 Quan hệ lực và độ võng từ thực nghiệm

Hình 5. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ

nhiệt đến tải trọng gãy P^cr

Mô men uốn gãy thực nghiệm cọc GPC

dưỡng hộ nhiệt 12 giờ M^tn_br= 33,78 kNm phù

hợp với mô men uốn gãy thực nghiệm cọc

OPC là M^tn_br= 36,63 kNm, sai lệch 8,42%.

Hình 7. Mối quan hệ giữa P^tn_crcvà độ võng

cọc GPC

5

Mô men uốn nứt thực nghiệm M^tn_crcphù

hợp với mô men uốn nứt tính toán cho cả 2

trường hợp cọc OPC và GPC.

Cọc rỗng GPC dưỡng hộ nhiệt ở 100^oC

trong 12 giờ cho M^tt, và M^tn_crctương đồng với

cọc rỗng OPC có cùng cấp độ bền chịu nén,

trong khi mô men uống gãy của cọc rỗng GPC

lớn hơn của cọc rỗng OPC khoảng 8,42%.

Từ kết quả thực nghiệm, xác định lại

được quan hệ giữa M^tn_crcvàM^tn_brcủa cọc rỗng

GPC cho từng trường hợp nhiệt độ dưỡng hộ

Hình 8. Mối quan hệ giữa M^tn_crcvà độ võng

cọc GPC

M^tn_br= (1,34÷1,68) M^tn

crc

Dưỡng hộ nhiệt ở 100^oC từ 6÷10 giờ

không đủ nhiệt lượng cho kết quả R_bvà khả

năng chị uốn của cọc đạt giá trị tối ưu. Thời

gian dưỡng hộ nhiệt lớn hơn 10 giờ không có

lợi về mặt kinh tế.

4. KẾT LUẬN

Mẫu trụ bê tông geopolymer dưỡng hộ ở

100^oC trong thời gian 12 giờ cho cường độ

chịu nén tương đương bê tông xi măng cả 2

đạt cấp độ bền B45.

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] A. Palomo. (1992), Physical, chemical and mechanical characterization of Geopolymers,

9th International Congress on Chemistry of Cements, National Council for Cement and

Building Materials.

[5] J.L. Provis. (2008), Valorisation of fly ash by Geopolymer isation, Global NEST

Journal, 11.

[6] 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.

[7] J.L. Provis. (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial

applications, Woodhead Publishing, Abingdon UK

[8] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5574 : 2012 - Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - tiêu

chuẩn thiết kế

[9] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7888 : 2014 – Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

[10] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7572:2006 – Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử

6

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Nguyễn Thành Tâm

Đơn vị: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng và Khu vực PTĐT tỉnh An Giang

Điện thoại: 0949 191 989

Email: [email protected]m

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 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.