Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP COMPOSITE 2 LỚP
STUDY BEHAVIOR TWO-LAYER COMPOSITE REINFORCED BEAMS
LÊ KHÁNH THẢO1, PHAN ĐỨC HÙNG2
1Học viên cao học, Khoa Xây dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
2Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Tóm tắt: Bài báo sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán lý thuyết theo tiêu chuẩn
TCVN 5574-2012 sử dụng cho bê tông tạo từ chất kết dính xi măng Portland để nghiên cứu ứng
xử của cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi
măng. Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng xử uốn của dầm thực nghiệm tương đồng với kết quả tính
toán theo TCVN 5574-2012 khi dầm đạt 85% khả năng chịu lực. Tải trọng phá hủy của dầm khi
tiến hành thực nghiệm phù hợp với tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 chênh lệch 7%.
Tải trọng hình thành vết nứt của việc tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 có sự chênh lệch
lớn hơn 28,7% so với thực nghiệm.
Từ khóa: Geopolymer, Bê tông Geopolymer, Composite, Dầm bê tông cốt thép.
Abstract: This paper uses the experimental method and calculating according to standard TCVN
5574-2012 for concrete made from Portland cement adhesives to study the behavior of 2 layers
Composite reinforced concrete beam composite made of Geopolymer concrete and concrete of
cement. The results show that the bending behavior of the beam is similar to calculating according
to standard in TCVN 5574-2012 when the beam reaches 85% bearing capacity. The destructive
load of the beams when carried out in accordance with the calculation TCVN 5574-2012 difference
from 7%. The load cracks forming calculated according to TCVN 5574-2012 have a difference
from more than 28,7% compared with experimental.
Key words: Geopolymer, Geopolymer concrete, Composite, Reinforced concrete beams.
cho thấy việc sử dụng bê tông Geopolymer chỉ
phù hợp tại nhà máy hoặc thi công bán phần.
Một phần cấu kiện sử dụng bê tông
Geopolymer đổ tại nhà máy, sau đó vận chuyển
đến lắp dựng vào vị trí tại công trình và thi
công phần còn lại với bê tông xi măng.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Geopolymer là loại vật liệu mà bản chất cơ
bản của nó là một polymer vô cơ, đã được các
tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm
cuối của thế kỷ XX. Sau khi Joseph Davidovits
là đã công bố đã tổng hợp thành công polymer
từ các khoáng chất năm 1972 (Davidovits,
1972) [1]. Từ tiền đề trên, Geopolymer được
xem như là một loại vật liệu xanh và được
nghiên cứu ứng dụng trong ngành vật liệu và
dùng chế tạo bê tông trong xây dựng.
Trong bài báo này tập trung thực hiện khảo
sát ứng xử của dầm bê tông cốt thép Composite
2 lớp vật liệu bê tông xi măng và bê tông
Geopolymer bằng phương pháp thực nghiệm,
so sánh với việc tính toán lý thuyết theo TCVN
5574-2012 sử dụng cho bê tông sử dụng chất
kết dính xi măng portland.
Tuy có những đặc tính tương đồng như bê
tông truyền thống như là về cường độ, khả
năng làm việc với cốt thép (Sofi, 2007) [2].
Thậm chí, bê tông Geopolymer còn có những
tính chất vượt trội hơn hẳn so với bê tông
truyền thống hạn chế được khí thải CO2 khi sản
xuất so với bê tông xi măng tạo từ chất kết dính
xi măng portland. Tuy nhiên, bê tông
Geopolymer vẫn rất ít được áp dụng thực tế bởi
chúng phải trải qua giai đoạn dưỡng hộ nhiệt
mới đạt cường độ chính vì thế mà nó không thể
thi công đổ toàn khối ngoài công trình. Đều nay
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tính toán cấu kiện dầm Composite 2
lớp
Thông qua kết quả nghiên cứu ứng xử và
cường độ của các cấu kiện bê tông Geopolymer
gốc tro bay tương tự như bê tông xi măng
(Sumajouw, 2006) [3]. Do đó, trong nghiên
cứu này những tính toán cho cấu kiện dầm
Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông
1
Geopolymer và bê tông xi măng sẽ được lấy
theo trong tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574-
2012 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép [4],
sau khi đã đồng nhất hóa hai lớp vật liệu.
(1)
EI E1I1 E2I2
Trong đó:
-
I1 là moment quá tính của tiết diện tạo
từ vật liệu thứ nhất đối với trục trung
2.2. Đồng nhất hóa dầm Composite 2 lớp
y,y1,y2
hòa.
b h3
12
A y12
1
1
(2)
I1
1
-
I2 là moment quá tính của tiết diện tạo
từ vật liệu thứ hai đối với trục trung
hòa.
1
2
x1
x
b2 h23
12
A y22
(3)
I2
2
x2
3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1. Nguyên vật liệu
3.1.1. Nguyên vật liệu chế tạo bê tông
Geopolymer
Hình 2. Mặt cắt ngang dầm Composite 2 lớp
Nguyên vật liệu chế tạo bê tông
Geopolymer bao gồm: Tro bay có hàm lượng
calcium thấp, dung dịch hoạt hóa, cốt liệu lớn,
cốt liệu nhỏ.
Cho dầm có tiết diện chữ nhật được tạo từ
hai loại vật liệu khác nhau.
E
Vật liệu thứ nhất có môđul đàn hồi 1 và
E
vật liệu thứ hai có môđul đàn hồi kích thước
2
Tro bay loại F được sử dụng để chế tạo bê
tông Geopolymer có khối lượng riêng 2150
kg/m3 , độ mịn 94% lượng tro bay lọt qua sàng
có cỡ sàng là 0,08 mm. Thành phần hóa học
được trình bày bảng 1.
tiết diện như (Hình 2).
Giả thuyết trục trung hòa của cấu kiện tạo
từ hai loại bê tông, trùng với trục trung hòa
hình học thì độ cứng kháng uốn của tiết diện
dầm khi đó sẽ được xác đinh theo công thức
(1).
Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay
K2O và
Oxit
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO
MgO
SO3
MKN
Na2O
Hàm lượng (%)
51,7
31,9
3,48
1,21
1,02
0,81
0,25
9,63
Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa natri
hydroxit và thủy tinh lỏng. Natri hydroxit ở
dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên
90%, có khối lượng riêng 2130 kg/m3. Thủy
tinh lỏng là dung dịch có màu trắng trong, sệt.
Thành phần hóa học: SiO2=30,1%,
2310kg/m3 và 2510kg/m3. Cở hạt lớn nhất của
đá là Dmax=20mm. Cát có môđul độ lớn là 2,57.
3.1.2. Nguyên vật liệu chế tạo bê tông xi
măng
Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông
xi măng cũng giống bê tông Geopolymer, khác
biệt chủ yếu là việc sử dụng chất kết dính
Geopolymer cho bê tông Geopolymer và chất
kết dính xi măng Portland với nước cho bê tông
xi măng.
Na2O=9,4%,
H2O=60,5%.
Tỷ
lệ
0,01 g/ml.
SiO2/Na2O=3,2, tỷ trọng 1,42
Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ được sử dụng
là đá và cát, có khối lượng riêng lần lượt là
2
Xi măng sử dụng trộn bê tông lấy theo
TCVN 6260:2009. Xi măng Portland hổn hợp
– yêu cầu kỹ thuật.
Nước sử dụng trộn bê tông theo TCVN
4560:2012. Nước trộn bê tông và vữa – yêu cầu
kỹ thuật. Nước được sử dụng trong thí nghiệm
là nước thủy cục.
3.2. Cấp phối
Bảng 2. Cấp phối 1 m3 bê tông Geopolymer cho cấu kiện dầm
Đá
(kg)
Cát
(kg)
Tro bay
(kg)
TTL
(kg)
NaOH
(kg)
TTL/
NaOH
Mol
(M)
STT
Cấp phối
CP1-1
(20MPa)
1
2
1079
1061
593
584
418
441
185
189
75
2,5
2,5
16
16
CP1-2
(30MPa)
75,6
Bảng 3. Cấp phối 1 m3 bê tông xi măng cho cấu kiện dầm
Đá
(kg)
Cát
(kg)
Nước
(lít)
Xi măng
STT
Cấp phối
(kg)
CP2-1
(20MPa)
1
2
1238,4
1209,6
676,2
630
185
185
278
CP2-2
(30MPa)
370
liên kết của hai lớp bê tông và tránh sự tách lớp
giữa hai lớp bê tông khi chịu lực.
3.3. Phương pháp thí nghiệm
Dầm được chế tạo với kích thước
200x300x3300mm, số lượng 4 dầm, ký hiệu
lần lượt là D1, D2, D3, D4 để nghiên ứu ứng
xử dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp tạo
từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng
bằng phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm tại
phòng thí nghiệm công trình, Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Trong đó, dầm D1,
D2 sử dụng cấp phối 20MPa và D3, D4 sử
dụng cấp phối 300MPa.
Chuyển vị, biến dạng của dầm được đo
bằng những thiết lần lượt là Strain Gauges và
đầu đo chuyển vị. Những thiết bị này được gắn
trực tiếp vào những vị trí khảo sát (tại vị trí L/2,
L/4 đối với đầu đo chuyển vị, tại vị trí L/2 đối
với Strain Gauges) và kết nối với một thiết bị
ghi nhận kết quả.
Vết nứt được quan sát bằng mắt thường và
ghi nhận lại ở những cấp tải. Thí nghiệm sẽ kết
thúc khi tải trọng thí nghiệm đạt đến cấp tải phá
hoại của dầm.
Bề mặt tiếp xúc của hai lớp bê tông đươc
xử lý mặt bằng một lớp sika latex nhằm tăng
P
200
150
3000
150
Hình 2. Cấu tạo và sơ đồ thí nghiệm dầm Composite 2 lớp
3
4. KẾT QUẢ, SO SÁNH
4.1. Chuyển vị
120
100
80
60
40
20
0
120
100
0
0
0
20
0
0
10
20
30
0
10
20
30
40
Chuyển vị (mm)
Chuyển vị (mm)
D1
D2
Tính toán
D1
D2
Tính toán
a) Cấp phối 20MPa, vị trí L/4
b) Cấp phối 20MPa, vị trí L/2
120
100
80
60
40
20
0
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
0
10
D3
20
30
40
50
Chuyển vị (mm)
Chuyển vị (mm)
D3
D4
Tính toán
D4
Tính toán
c) Cấp phối 30MPa, vị trí L/4
b) Cấp phối 20MPa, vị trí L/2
Hình 3. Đường quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng
Kết quả đo chuyển vị từ thực nghiệm cho
thấy, giá trị độ võng của cả hai cấp phối khi tải
trọng đạt đến 80 KN phát triển tuyến tính phù
hợp với kết quả tính toán lý thuyết theo tiêu
chuẩn TCVN 5574-2012 sử dụng cho cấu kiện
bê tông và bê tông cốt thép. Tuy nhiên khi tải
trọng lớn hơn 80KN thì độ võng của cấu kiện
sử dụng hai cấp phối 20MPa và 30MPa bị phân
tán và có xu hướng tăng nhanh và phá hoại. Khi
cấu kiện dầm chịu tại trọng tới hạn (từ cấp tải
80KN trở lên) thì giá trị độ võng của cấu kiện
sử dụng cấp phối 20MPa tăng nhanh và cao
hơn so với cấp phối 30MPa. Điều này cho thấy
cường độ chịu nén của bê tông vùng nén khi
uốn của cấp phối 30MPa tốt hơn so với cấp
phối 20MPa và phù hợp với lý thuyết.
4.2. Biến dạng
4
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
2000
4000
Biến dạng μ)
6000
8000
D4
10000
Biến dạng μ)
D1
D3
D2
a) Cấp phối 20MPa
b) Cấp phối 30MPa
Hình 4. Đường quan hệ giữa biến dạng và tải trọng
Quan sát biểu đồ cho thấy, khi tải trọng
tăng biến dạng tăng. Khi tải trọng nhỏ hơn
80kN, biểu đồ biến dạng tuyến tính ở cả 2 cấp
phối. Tuy nhiên, biến dạng tăng nhanh khi tải
trọng lớn hơn 80KN. Điều này cho thấy dầm
không còn ở trạng thái ứng xử tuyến tính mà
đã chuyển sang trạng thái ứng xử phi tuyến cho
đến khi phá hoại.
4.3. Tải trọng hình thành vết nứt và phá hoại
70
60
0
0
0
0
10
0
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
0
2
4
6
8
Thứ tự vết nứt
Thứ tự vết nứt
D3
D4
D1
D2
a) Cấp phối 20MPa
b) Cấp phối 30MPa
Hình 5. Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm tiến hành thí nghiệm
Sự hình thành vết nứt: Quan sát thực
nghiệm ta thấy dầm có hai loại vết nứt đó là vết
nứt dọc do moment tại giữa dầm gay ra và vết
nứt ngang do sự trượt bề mặt của hai lớp bê
tông. Vết nứt dọc xuất hiện đầu tiên tại vị trí
giữa dầm, đối với dầm sử dụng cả hai cấp phối,
khi tải trọng tăng dần, các vết nứt dọc tiếp theo
phát triển dần sang hai bên và có tính chất đối
xứng. Số lượng vết nứt xuất hiện ở cả hai cấp
phối cho đến khi cấu kiện bị phá hoại là tương
đương nhau. Điều đó cho thấy sự làm việc của
cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite tạo
từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng là
phù hợp với thực tế. Vết nứt ngang xuất hiện
và phát triển khi chuyển vị của dầm tăng
nhanh, khi dầm chuẩn bị chuyển sang giai đoạn
phá hoại. Tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên
và các cấp tải xuất hiện vết nứt tiếp theo của
cấp phối 30MPa có giá trị cao hơn so với cấp
5
phối 20MPa tuy nhiên, khoảng cách là không
lớn.
thấy khả năng chịu lực còn cấu kiện dầm còn
phụ thuộc vào yếu tố khác ngoài bê tông, đặc
biệt là sự làm việc giữa cốt thép và hai loại bê
tông. Tải trọng phá hoại: Tải trọng phá hoại
trung bình của cấu kiện sử dụng cấp phối
20MPa đạt khoảng 91,5KN thấp hơn khoảng
2,6% so với cấp phối 30MPa là 94KN.
Khả năng chịu lực của cấu kiện theo tính
toán dầm sử dụng cấp phối 30MPa lớn hơn cấp
phối 20MPa. Tuy nhiên sự chênh lệch này
không đáng kể (phù hợp kết quả thí nghiệm)
mặc dù cường độ chịu nén của hai cấp phối có
sự chênh lệch rất cao (10MPa). Điều đó cho
a) Vết nứt giữa dầm
b) Vết nứt mặt tiếp xúc 2 lớp bê tông
Hình 6. Vết nứt dầm khi phá hoại tiến hành thí nghiệm
100
80
0
0
20
0
39.56
36.2
94
97
40.00
20.00
0.00
91
89
87.35
35.12
33.1
84.77
30.14
21.46
20MPa
30MPa
D3, D4
20MPa
30MPa
Cấp phối
D1, D2
Cấp phối
Lý thuyết
D1,D2
D3, D4
Lý thuyết
a) Tải trọng xuất hiện vết nứt
b) Tải trọng phá hoại
Hình 7. Tải trọng xuất hiện vết nứt và phá hoại của dầm thí nghiệm và tính toán
Từ kết quả tải trọng xuất hiện vết nứt của
dầm của cả hai cấp phối cho thấy có một sự
chênh lệnh lớn tải trọng xuất hiện vết nứt tính
toán lý thuyết theo tiêu chuẩn TCVN 5574-
2012 là bé hơn so với thực nghiệm chênh lệch
khoảng 27,8% điều này có hai nguyên nhân.
Thứ nhất lý thuyết theo tiêu chuẩn TCVN
5574-2012 không phù hợp áp dụng cho cấu
kiện loại này. Thứ hai cường độ chịu kéo của
bê tông Geopolymer tính theo những nghiên
cứu trước là chưa phù hợp vì nguồn nguyên
liệu chế tạo chất kết dính khác nhau.
Tải trọng giới hạn của dầm sử dụng hai cấp
phối tiến hành tính toán lý thuyết theo tiêu
chuẩn TCVN 5574-2012 dành cho cấu kiện bê
tông xi măng và kết quả thực nghiệm có sự
tương đồng chênh lêch khoảng 7%.
6
và bê tông cốt thép hoặc cường độ chịu
kéo của bê tông Geopolymer tính theo
những nghiên cứu trước chưa phù hợp.
Thứ hai dầm Composite 2 lớp có xuất hiện
vết nứt ngang tại mặt phân cách của hai
lớp bê tông khi dầm chuyển sang giai đoạn
phá. Vì vậy, vết nứt này không ảnh hưởng
đến khả năng chịu tải của dầm.
5. KẾT LUẬN
Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cấu
kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế
tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng.
Các kết quả thí nghiệm được so sánh với kết
quả tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-
2012 của dầm sử dụng 2 cấp phối 20MPa và
30MPa có một số kết luận sau:
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Kết quả độ võng của dầm đo từ thí nghiệm
và tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574-
2012 của hai cấp phối 20MPa va 30MPa
có sự tương đồng nhau khi tải trọng nhỏ
hơn 80KN chuyển vị phát triển tuyến tính
với tải trọng. Khi tải trọng lớn hơn 80KN
chuyển vị nhanh dầm chuyển sang phi
tuyến vì dầm đang bước vào giai đoạn phá
hoại.
[1] Davidovits J., “Process for the
fabrication of sintered panels and panels
resulting from the application of this process”,
Institut Géopolymère, 2015.
[12] Sofi M, Van Deventer J.S.J, Mendis
P.A & Lukey C.C., “Bond performance of
reinforcing bars in inorganic polymer concrete
pp3107-3116, 2007.
- Tải trọng phá hoại của dầm bê tông cốt
thép Composite 2 lớp thì phù hợp với kết
quả nghiên cứu Behnial et al. (2016) [5].
Lý do, tải trọng phá hoại của dầm
Composite 2 lớp nằm giữa tải trọng phá
hoại tính toán theo TCVN 5574-2012 đại
diện cho dầm bê tông xi măng và tải trọng
phá hoại dầm Geopolymer. Điều này cho
thấy sự phân lớp bê tông không ảnh hưởng
đến khả năng chịu tải của dầm.
[3] Sumajouw M.D.J, Rangan B.V., “Low-
calcium fly ash-based geopolymer concrete
structural members: Beams and columns”.
Research Report GC-2, Faculty Engineering
and Computing, Curtin University of
Technology, Perth Western Australia, 2006.
[4] TCVN 5574:2012, “Kết cấu bê tông và
bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế”.2012
[5] Behnia A, Ranjbar N, Chai H.K,
Ubagaram J.A & Jumaat M.Z., “Fracture
- Sự hình thành và phát triển vết nứt của
dầm thực nghiệm và tính toán lý thuyết có
2 sự khác biệt. Thứ nhất tải trọng hình
thành vết nứt dọc của dầm bê tông xi
măng lớn hơn dầm Composite 2 lớp. Điều
này cho thấy tính toán nứt cho cấu kiện
dầm Composite 2 lớp từ bê tông
Geopolymer và bê tông xi măng theo tiêu
chuẩn TCVN 5574-2012 kết cấu bê tông
Evaluation
of
Multi-layered
Precast
Reinforced Geopolymer Concrete Composite
Beams by Incorporating Acoustic Emission
into
Mechanical
Analysis”,
Journal
Construction and Building Materials, vol.127,
pp 274-283, 2016.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Lê Khánh Thảo
Đơn vị:
Xác nhận của giảng viên hướng dẫn
Điện thoại: 097.7749.083
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 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.
8 trang
12/01/2024
22480
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_ung_xu_dam_be_tong_cot_thep_composite_2_lop.pdf
