Tên luận án:
NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM
Ngành:
Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án này tập trung nghiên cứu thành phần, đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay (GPC) và ứng dụng của nó trong kết cấu cầu hầm, nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do sản xuất xi măng poóclăng truyền thống và tận dụng tro bay nhiệt điện. Nghiên cứu đã xác định và thiết kế thành công ba hỗn hợp GPC đạt các cấp cường độ 30, 40 và 50 MPa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, sử dụng các vật liệu sẵn có tại Việt Nam.
Các tính chất cơ học chính của GPC được đánh giá bao gồm mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn, quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén, ứng xử dính bám với cốt thép và tính thấm nước. Kết quả chỉ ra rằng mô đun đàn hồi của GPC thấp hơn bê tông xi măng truyền thống từ 10-30%, nhưng cường độ kéo uốn cao hơn 7-27%, và cường độ dính bám với cốt thép cũng cao hơn khi so sánh với tính toán theo công thức MC-90. GPC đạt mức chống thấm B12, mức cao nhất theo TCVN 3116-1993, và biến dạng nén lớn nhất cao hơn bê tông xi măng cùng cường độ, chứng tỏ tính dẻo tốt hơn. Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén của GPC được mô tả bằng phương trình Sargin, với tham số D được tác giả điều chỉnh cho phù hợp với kết quả thí nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép (RGPC) sử dụng hỗn hợp G_40 cường độ 40,46 MPa cho thấy dầm làm việc theo ba giai đoạn chịu lực tương tự dầm bê tông cốt thép thông thường và kết quả mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS. Luận án cũng đề xuất một mô hình vật liệu GPC và các hệ số khối ứng suất chữ nhật (α₁=0,91 và β₁=0,79) để tính toán dầm RGPC ở trạng thái giới hạn cường độ. Ví dụ tính toán cho dầm cầu chữ T dài 12m bằng GPC tro bay cấp 40 cho thấy khả năng chịu lực và độ võng của dầm hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05, tương đương với dầm bê tông xi măng cấp 40. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của GPC tro bay như một giải pháp vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, bền vững cho kết cấu cầu hầm tại Việt Nam.
Mục lục chi tiết:
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. Phương pháp nghiên cứu
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm của GPC cũng như khả năng sử dụng của vật liệu này trong xây dựng.
- Đề xuất được phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với các vật liệu Việt Nam.
- Xác định được một số tính chất cơ lý quan trọng của các cấp bê tông geopolymer tro bay đã chế tạo.
- Đề xuất được phương pháp xác định sức kháng uốn của mặt cắt dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
- Cung cấp được bằng thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
- Kiến nghị nguyên tắc thiết kế dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
- Về thực tiễn: Đề xuất một giải pháp kỹ thuật mới để tận dụng vật liệu có nguồn gốc thải phẩm công nghiệp (tro bay nhiệt điện) để thay thế chất kết dính xi măng poóclăng truyền thống trong sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam. Trên cơ sở đó góp phần phát triển một thế hệ vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
1.1. Bê tông xi măng
1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới
1.3. Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới
- 1.3.1. Khái niệm về bê tông geopolymer tro bay
- 1.3.2. Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay
- 1.3.3. Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay
- 1.3.4. Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay
- 1.3.5. Lợi ích khi sử dụng bê tông geopolymer tro bay
- 1.3.6. Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer
1.4. Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam
Chương 2: THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
2.1. Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay
2.2. Vật liệu sử dụng
2.3. Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay
2.4. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay
2.5. Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu:
2.6. Phân tích kết quả thí nghiệm
2.7. Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay
2.8. Thí nghiệm kiểm tra cường độ các hỗn hợp GPC thiết kế
Chương 3: XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
3.1. Mục đích nghiên cứu
3.2. Kế hoạch thí nghiệm
3.3. Mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn
3.4. Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép
3.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC
3.6. Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM GEOPOLYMER CỐT THÉP
4.1. Đặt vấn đề
4.2. Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm
4.3. Kết quả thí nghiệm
4.4. Mô hình hóa dầm bằng phần mềm ABAQUS
4.5. Phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay
- 4.5.1. Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt
- 4.5.2. Giai đoạn II - bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giới hạn đàn hồi
- 4.5.3. Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm ở TTGH Cường độ
- 4.5.4. Độ võng dầm theo các giai đoạn chịu lực
- 4.5.5. Dạng phá hoại trên dầm
4.6. Nguyên tắc tính toán thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp bê tông G_40
4.7. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép ở TTGH cường độ
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
1. Kết luận
- 1.1. Đề tài đã đưa ra một giải pháp kỹ thuật mới là chế tạo thành công bê tông geopolymer từ tro bay nhiệt điện và các chất kích hoạt. Sản phẩm tạo ra sẽ góp phần đa dạng hóa các lựa chọn về bê tông trong xây dựng, giảm thiểu các chất thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường.
- 1.2. Về thành phần: đã thiết kế thành phần được ba hỗn hợp GPC có cường độ tương ứng đạt cấp 30, 40 và 50 MPa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
- 1.3. Về tính năng: Mô đun đàn hồi của GPC được đánh giá là thấp hơn so với tính toán theo các tiêu chuẩn hiện hành giành cho bê tông xi măng từ 10%-30%, nhưng cường độ kéo uốn lại cao hơn từ 7%-27%. Cường độ dính bám với cốt thép có giá trị cao hơn khi tính toán theo công thức theo tiêu chuẩn MC-90 dành cho bê tông xi măng. Khả năng chống thấm nước đạt mức B12, mức cao nhất theo TCVN 3116-1993.
- 1.4. Về mô hình vật liệu bê tông geopolymer tro bay trong phân tích tính toán kết cấu dầm GPC cốt thép: Quan hệ ứng suất biến dạng khi nén của GPC được xác định là tuân theo quy luật của Sargin với tham số ảnh hưởng đến độ dốc của nhánh giảm tải trong phương trình D được tác giả điều chỉnh cho phù hợp.
- 1.5. Biến dạng tương ứng với ứng suất cực đại của GPC nằm trong khoảng 2,45-2,75 ‰. Biến dạng lớn nhất khi nén của GPC có thể được xác định theo phương trình εcu = 35,893.(fc')-0,592 (‰). Giá trị biến dạng lớn nhất sử dụng để tính toán của GPC lớn hơn giá trị dùng để tính toán cho bê tông xi măng là 3‰ chứng tỏ bê tông geopolymer tro bay có tính dẻo lớn hơn bê tông xi măng cùng cường độ.
- 1.6. Nghiên cứu từ thực nghiệm sự làm việc của các dầm bê tông geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp G_40 có cường độ 40,46 MPa. Kết quả cho thấy các dầm RGPC làm việc theo 3 giai đoạn chịu lực giống như dầm bê tông cốt thép thông thường và tương tự như các giai đoạn làm việc của dầm mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS. Việc tính toán các giai đoạn làm việc của dầm RGPC theo tiêu chuẩn AASHTO dành cho bê tông xi măng được cho là vẫn phù hợp nếu thiên về an toàn. Tính toán các dầm RGPC ở trạng thái giới hạn cường độ theo mô hình vật liệu đề xuất của tác giả có thể sẽ phù hợp hơn với khả năng chịu lực thực tế của dầm.
- 1.7. Phương pháp tính toán thiết kế dầm cầu RGPC sử dụng hỗn hợp bê tông G_40: Dựa trên triết lý thiết kế và chấp nhận các giả thiết tính toán của tiêu chuẩn 22TCN-272-05 và sử dụng hệ số khối ứng suất chữ nhật đề xuất cho tính toán mặt cắt dầm là α1 =0,91 và β1 = 0,79 .
- 1.8. Ví dụ tính toán cho dầm cầu T12m bê tông geopolymer tro bay chịu uốn cho thấy: dầm đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ và độ võng đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép ở trạng thái giới hạn sử dụng.
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến tính công tác của hỗn hợp bê tông và cường độ của bê tông geopolymer tro bay.
- Nghiên cứu tìm loại phụ gia có thể tăng nhanh quá trình đóng rắn bê tông geopolymer tro bay mà không cần phải bảo dưỡng nhiệt.
- Ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép dưới tác dụng của tải trọng động, ứng xử cắt của dầm bê tông geopolymer cốt thép.
- Ứng xử dài hạn của bê tông geopolymer tro bay:
- Quan hệ ứng suất - biến dạng dài hạn;
- Đặc tính dính bám khi tải trọng tác dụng dài hạn...
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ