Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của dầm bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI NGỌC VŨ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI NGỌC VŨ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 858 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN CHÍNH Đà Nẵng, năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của dầm bê tông cốt thép” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Chính được Hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Quyết định giao nhiệm vụ tại Quyết định số 1549/QĐ-ĐHBK, ngày 14 tháng 9 năm 2018. Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác ./. Tác giả Bùi Ngọc Vũ TÓM TẮT: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Bùi Ngọc Vũ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 858 02 01 Khóa: K34 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN - Luận văn nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông cốt thép. Các mẫu dầm bê tông cốt thép, kích thước (100x150x1.000)mm được đúc trong đó cốt thép đặt ở vùng chịu kéo của dầm dùng 28 tròn trơn; tỷ lệ tro bay thay thế cho xi măng ở các mẫu dầm là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40%. Cốt thép trong dầm được gia tốc ăn mòn sử dụng phương pháp gia tốc ăn mòn cốt thép với hiệu điện thế không đổi U=10V. Kết quả cho thấy tro bay góp phần nâng cao khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông, tỉ lệ tro bay thay thế xi măng càng lớn thì khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông càng tăng. Từ khóa: dầm bê tông cốt thép, Tro bay, ăn mòn cốt thép; gia tốc ăn mòn; Abstract: The thesis studied the effect of fly ash on the corrosion resistance of steel in reinforced concrete beams. Reinforced concrete beams dimensions of 100x150mm in cross section and 1000mm in length were cast, in which 2 steel diameter of 8mm were used as the tensile reinforcment, fly ash was used to replace cement at the proportions of 0% (the control beam), 10%, 20% and 40% respectively. The reinforcing steel bars were accelerated corrosion by means of impressed voltage methods of 10V. The results show that the fly ash improves the corroison resistance of steel in concrete beams, the more fly ash replaced the better corrosion resistance. Key words: reinforced concrete beams, fly ash, corrosion, impressed voltage method. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cần thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 5. Kết quả dự kiến ...................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP .....................................................................................................................4 1.1. TỔNG QUANG VỀ TRO BAY ...............................................................................4 1.1.1. Khái niệm, thành phần ..................................................................................4 1.1.2. Các nghiên cứu trước đây về tro bay trong lĩnh vực xây dựng ....................7 1.2. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP .....................................7 1.2.1. Bê tông ..........................................................................................................7 1.2.2. Bê tông cốt thép ............................................................................................ 8 1.2.3. Các nhân tố đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép ...............8 1.2.4. Ưu điểm và nhược điểm của Bê tông cốt thép .............................................8 1.3. DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP...................................................................................9 1.3.1.Cấu tạo của dầm............................................................................................. 9 1.3.2. Sự làm việc của dầm .....................................................................................9 1.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................11 CHƯƠNG 2. ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP .......................................................................................................................................13 2.1. ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG ........................................................... 13 2.1.1. Cơ chế ăn mòn của cốt thép trong bê tông .................................................13 2.1.2. Các nguyên nhân ăn mòn ............................................................................14 2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA KÉT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ........................................................................................ 16 2.3. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TRÊN THẾ GIỚI BỊ PHÁ HOẠI DO ĂN MÒN .........16 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN VÀ SỬA CHỮA KẾT CẤU ĐÃ BỊ ĂN MÒN ....................................................................................................................... 17 2.4.1. Một số phương pháp chống ăn mòn ........................................................... 17 2.4.2. Sửa chữa kết cấu đã bị ăn mòn ...................................................................23 2.5. GIA TỐC ĂN MÒN CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ....................................................................................................................... 24 2.5.1. Khái niệm về thí nghiệm gia tốc .................................................................24 2.5.2. Gia tốc ăn mòn của cốt thép trong bê tông sử dụng nguồn điện một chiều24 2.5.3. Định luật Faraday’s ..................................................................................... 25 2.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................26 CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP.... .......................................................................................................................................27 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................... 27 3.2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM .........................................................................27 3.2.1. Tiêu chuẩn áp dụng ..................................................................................... 27 3.2.2.Vật liệu, dụng cụ và thiết bị thí dùng để nghiệm .........................................28 3.2.3. Thành phần cấp phối và chế tạo dầm bê tông cốt thép ............................... 37 3.2.4. Gia tốc ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông ................................................41 3.2.5. Vệ sinh dầm và thực hiện uốn dầm ............................................................ 42 3.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................45 3.3.1. Độ sụt và cường độ chịu nén của mẫu (100x100x100)mm ....................... 45 3.3.2. Cường độ dòng điện.................................................................................... 45 3.3.3. Kết quả tính toán mật độ dòng điện ............................................................ 47 3.3.4. Hình ảnh dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn ..................................................50 3.3.5. Thực hiện uốn dầm BTCT ..........................................................................51 3.3.6. Thu hồi các thanh thép sau khi thí nghiệm. ................................................53 3.3.7. Tính ăn mòn thực tế và lý thuyết ................................................................ 55 3.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM 5 1.2. Kết quả phân tích tro bay. 6 3.1. Thành phần hạt của cốt liệu lớn 28 3.2. Thành phần hạt của cát 29 3.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật do nhà sản xuất công bố 30 3.4. Các chỉ tiêu phân tích của tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 (Tro bay loại F theo Tiêu chuẩn ASTM) 31 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion 33 3.5. clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa 3.6. Các chỉ tiêu kỹ thuật do nhà sản xuất công bố 34 3.7. Kết quả thí nghiệm kéo thép tại phòng thí nghiệm 35 3.8. Thành phần cấp phối cho một mẽ trộn. 37 3.9. Số liệu các thanh thép sau khi gia công để thực hiện thí nghiệm 38 3.10 . Chi tiết dầm bê tông thí nghiệm 39 3.11. Số lượng mẫu - đo độ sụt khi tạo mẫu 39 3.12. Kết quả đo độ sụt và nén mẫu (100*100*100) mm. 45 3.13. Kết quả đo cường độ dòng điện trong quá trình gia tốc ăn mòn 46 3.14. Kết quả tính toán mật độ dòng diện. 48 3.15. Giá trị lực trong quá trình thực hiện uốn dầm 52 3.16. Số liệu các thanh thép sau khi thực hiện thí nghiệm và thu hồi 54 3.17. Kết quả tính toán ăn mòn theo Định luật Fraday’s . 55 3.18. Kết quả tính toán khối lượng ăn mòn sau khí thi nghiệm. 56 3.19. Khối lượng thép bị ăn mòn giữa thực tế và lý thuyết tính toán . 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Số hiệu hình vẽ và sơ đồ Tên hình vẽ và sơ đồ Trang 1.1. Tro bay 4 1.2. Sơ đồ tách lọc tro bay 4 1.3. Các dạng khe nứt trong dầm đơn giản 10 1.4. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc 11 2.1. Sơ đồ quá trình gỉ cốt thép do ăn mòn điện hóa 14 2.2. Hình ảnh kết cấu bị ăn mòn 16 2.3. Cầu Silver sập năm 1965 17 2.4. Cầu qua sông Mississippi sập năm 2007 17 2.5. Bảo vệ điện cực âm sử dụng nguồn điện bên ngoài. 21 2.6. Thi công hệ thống điện cực dương 22 2.7. Phương pháp chống ăn mòn sử dụng điện cực dương hy sinh 22 2.8. Thi công biện pháp chống ăn mòn bằng cực dương huy sinh 23 3.1. Đá 1x2, mỏ đá Phước Tường 28 3.2. Cát đúc bê tông, mỏ cát Túy Loan 29 3.3. Xi măng Sông Gianh PCB 40 30 3.4. Tro bay Vĩnh Tân 2 31 3.5. Thép 8 tròn trơn - Việt Mỹ (VAS) 33 3.6. Thí nghiệm kéo thép 34 3.7. Muối NaCl REFINED SALT 35 3.8. Ván khuôn tạo mẫu 35 3.9. Một số thiết bị và dụng cụ phục vụ thí nghiệm 36 3.10. Một số thiết bị và dụng cụ phục vụ thí nghiệm 37 3.11. Gia công và cân thép 38 3.12. Dầm BTCT (100x150x1.000)mm. 39 3.13. Đo độ sụt, đúc mẫu và bảo dưỡng 40 3.14. Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong phòng thí nghiệm 41 3.15. Thực hiện thí nghiệm ăn mòn 41 Số hiệu hình Tên hình vẽ và sơ đồ vẽ và sơ đồ Trang 3.16. Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 43 3.17. Sơ đồ uốn dầm 04 điểm 43 3.18. Lắp đặt dầm vào gối để thực hiện uốn dầm 44 3.19. Thực hiện nén mẫu 45 3.20. Theo dõi đo cường độ dòng điện bằng camera 46 3.21. Ảnh hưởng tro bay đến mật độ dòng điện ăn mòn của cốt thép trong dầm 49 3.22. Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 50 3.23. Vết nứt Dầm sau khi thí nghiệm ăn mòn 50 3.24. Hình ảnh dầm bị phá hoại khi thí nghiệm uốn dầm 51 3.25. Hình ảnh vết nứt dầm khi bị phá hoại 51 3.26. Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa dầm 52 3.27. Cốt thép bị ăn mòn trong dầm bê tông. 53 3.28. Hình ảnh các thanh thép bị ăn mòn (Trước khi vệ sinh). 53 3.29. Hình ảnh các thanh thép bị ăn mòn (Sau khi vệ sinh). 54 3.30. Biểu đồ khối lượng thép bị ăn mòn theo tỷ lệ tro bay thay thế xi măng 57 TỪ NGỮ VIẾT TẮT AC BD BTCT DC M TB ƯS ƯLT XM VAS Dòng diện xoay chiều Biến dạng Bê tông cốt thép Dòng điện một chiều Momen Tro bay Ứng suất Ứng lực trước Xi măng Thép Việt Mỹ 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cần thiết của đề tài Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế tạo từ các loại vật liệu rời (cát, đá, sỏi...), chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể có thêm phụ gia [11]. Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt là 0,05 micromet. Nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt (đạt khoảng 1.4000C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao, có độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay. Dầm bê tông cốt thép là 01 loại cấu kiện chịu uốn, được sử dụng phổ biến trong kết cấu công trình bê tông cốt thép. Cốt thép dọc chịu lực trong dầm đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt thép dọc chịu lực đặt ở vùng nén của dầm. Bê tông và cốt thép có thể cùng chịu lực được nhờ lực dính giữa hai loại vật liệu đó, đảm bảo cho bê tông và cốt thép cùng biến dạng, đảm bảo sự truyền lực qua lại [11]. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào cường độ của bê tông, cường độ của cốt thép và lực dính giữa bê tông và cốt thép. Nhưng một điều bất lợi đối với bê tông là cường độ chịu kéo khá nhỏ so với cường độ chịu nén nên chúng rất dễ nứt tại vùng kéo khi chịu lực, do đó hầu như toàn bộ toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu. Ăn mòn cốt thép là một hiện tượng phổ biến trong kết cấu bê tông cốt thép, quá trình thủy hóa xi măng làm cho bê tông tăng cường độ nhưng đồng thời cũng làm giảm độ pH có trong bê tông, điều này làm cho cốt thép bị mất tính chống rỉ thụ động. Với sự xâm nhập của muối, oxy, độ ẩm và co2 vào trong lớp bảo vệ bê tông và sau đó dẫn đến ăn mòn của cốt thép bên trong bê tông. Quá trình phá hoại của bê tông và quá trình ăn mòn cốt thép có môi quan hệ mật thiết với nhau [8]. Khi cốt thép trong dầm bê tông bị ăn mòn sẽ làm suy giảm khả năng chịu lực của dầm khi chịu tải trọng và dẫn đến dầm bị phá hoại; do ăn mòn làm giảm kích thước tiết diện ngang của cốt thép, cốt thép trở nên dòn hơn; thể tích các sản phẩm ăn mòn tăng lên gây ra nội ứng suất trong bê tông dẫn đến xuất hiện các vết nứt trong bê tông; ngoài ra khi cốt thép bị ăn mòn còn ảnh hưởng đến lực dính giữa bê tông và cốt thép [8]. Những nghiên cứu trước đây cho thấy khi kết hợp tro bay với ximăng portland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công 2 do không phải xử lý nhiệt... ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể. Với ưu điểm như trên, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới và Việt Nam sử dụng sản phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu [13]. Khả năng chống thấm của bê tông có tro bay dự đoán góp phần làm giảm sự xâm nhập của chloride và các nhân tố có hại vào bê tông nên giảm nguy cơ ăn mòn cốt thép trong bê tông. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến ăn mòn cốt thép trong bê tông nói chung và trong dâm bê tông nói riêng. Đây chính là lý do tác giả làm đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của dầm bê tông cốt thép”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của các dầm bê tông cốt thép. Các dầm có tỉ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 0%, 10%, 20% và 40%. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Bằng kết quả thực nghiệm (gia tốc ăn mòn trong phòng thí nghiệm) để đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông cốt thép, với tỷ lệ tro bay thay thế lượt là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40% (tỷ lệ tro bay thay thế xi măng cho chương trình thí nghiệm dựa trên tỷ lệ tro bay thay thế xi măng đã được nghiên cứu tại đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến sự phát triển cường độ chịu nén của Bê tông” [1]. - Các loại vật liệu: Cát Túy Loan (Hòa Vang, TP Đà Nẵng); đá Phước Tường (TP Đà Nẵng); xi măng Sông Gianh PCB 40; tro bay Công ty Nhiệt điện Vĩnh Tân (Bình Thuận); Sắt 8 tròn trơn Việt Mỹ (VAS). - Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết về ăn mòn cốt thép trong bê tông và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép. - Các dầm bê tông cốt thép có kích thước tiết diện là (100x150)mm, chiều dài dầm 1.000mm, trong đó các tỷ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40%. - Số lượng dầm ở các thành phần tỷ lệ tro bay thay thế xi măng là 1 dầm (tổng cộng 1*4=4 dầm). - Cốt thép dọc đặt trong vùng kéo của dầm dùng 28 tròn trơn. - Mẫu bê tông (100x100x100)mm ở các thành phần tỷ lệ tro bay thay thế xi măng là 3 mẫu (tổng cộng 3*4=12 mẫu). - Nguồn điện dùng để gia tốc ăn mòn sử dụng nguồn điện 1 chiều có hiệu điện thế không đổi U=10V. - Ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông được gia tốc sử dụng phương pháp điện thế 3 không đổi. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp lý thuyết các kết quả nghiên cứu trước đó về ăn mòn của cốt thép trong bê tông và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực của một số cấu kiện bê tông cốt thép. - Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn: TCVN 3105:1993: Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử; TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt; TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén; - Đúc dầm BTCT kích thước (100x150x1.000)mm trong đó tro bay được sử dụng để thay thế xi măng với các tỉ lệ là 0% (mẫu đối chứng), 10%, 20% và 40%. Ngoài ra đúc các mẫu bê tông kích thước (100x100x100)mm để xác định thực nghiệm cường độ chịu nén của bê tông. - Gia tốc ăn mòn cốt thép trong dầm BTCT tại phòng thí nghiệm sử dụng phương pháp điện thế không đổi U=10V. - Nén mẫu bê tông xác định cường độ chịu nén của mỗi bê tông ở tuổi 28 ngày. - Sau khi hết thời gian gia tốc ăn mòn thực hiện nén mẫu và uốn dầm. - Phân tích các kết quả thí nghiệm. + Khối lượng cốt thép bị ăn mòn. + Biểu đồ lực và chuyển vị của dầm. + Vết nứt của dầm. - Đánh giá sự ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống ăn mòn của các dầm bê tông cốt thép. 5. Kết quả dự kiến - Xác định khả năng sử dụng tro bay trong thành phần cấp phối bê tông đảm bảo khả năng chống ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông. - Đưa ra các kiến nghị khi ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông có sử dụng tro bay trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1. TỔNG QUANG VỀ TRO BAY 1.1.1. Khái niệm, thành phần Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Hình 1.1. Tro bay Hình 1.2. Sơ đồ tách lọc tro bay 5 Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F . Bảng 1.1. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM Đơn Lớn nhất Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 Nhóm F Nhóm C vị /nhỏ nhất Yêu cầu hóa học SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % nhỏ nhất 70 50 SO3 % lớn nhất 5 5 Hàm lượng ẩm % lớn nhất 3 3 Hàm lượng mất khi nung % lớn nhất 5 5 1,5 1,5 Yêu cầu hóa học không bắt buộc Chất kiềm % Yêu cầu vật lý Độ mịn (+325) % lớn nhất 34 34 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày) % nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày) % nhỏ nhất 75 75 Lượng nước yêu cầu % lớn nhất 105 105 Độ nở trong nồi hấp % lớn nhất 0,8 0,8 Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % lớn nhất 5 5 Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % lớn nhất 5 5 * Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM: - Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) > 70%. - Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) < 70%. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicát bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,... Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện [22]. - Kết quả phân tích thành phần hóa học tro bay của Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân - Bình Thuận thể hiện ở Bảng 1.2. 6 Bảng 1.2. Kết quả phân tích tro bay. 1. Hàm lượng Carbon (DB) Phương pháp thử nghiệm ASTM D3176 2. Hàm lượng Hydro (DB) ASTM D3176 % - 0,04 3. Hàm lượng Nitơ (DB) ASTM D3176 % - 0,12 4. ASTM D3176 % 0,01 5. Hàm lượng lưu huỳnh (DB) Hàm lượng Oxy (DB) ASTM D3176 % - Không phát hiện 0,84 6. Tro (DB) % - 98,55 7. % - 0,03 8. Hàm lượng lưu huỳnh (DB) Chất bốc % - 1,92 9. Cỡ hạt (0-15)mm % - 100 10. Hàm lượng SO3/ash TCVN 1732011 TCVN 1751995 TCVN 1742011 TCVN 251 2007 AST D1757 % - 0,15 11. Nhiệt lượng Cal/g - 0 12. Nhiệt độ nóng chảy của tro TCVN 200 2011 TCVN 4917 2001 - T1 1310 T2 1433 T3 1477 STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Lod Kết quả % - 0,45 0 C 13. CaO % - 12,2 14. MgO % - 2,18 15. ZnO % - 0,01 16. MnO % - 0,08 ASTM D6349 17. Fe2O3 % - 17,1 18. Al2O3 % - 15,8 19. TiO2 % - 0,69 20. Na2O % - 0,93 21. K2 O % - 1,85 22. P2O3 % - 0,01 22. SiO2 % - 48,1 7 * Nhận xét: Căn cứ kết quả phân tích trên của tro bay và đối chiếu với tiêu chuẩn ASTM ta có (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) = ( 48,1+15,8+17,1) % = 81% > 70%, vậy tro bay của Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 (Bình Thuận) là tro bay loại F. 1.1.2. Các nghiên cứu trước đây về tro bay trong lĩnh vực xây dựng 1.1.2.1. Nghiên cứu đặt trưng nhiệt của bê tông sử dụng hàm lượng tro bay lớn Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng tro bay sử dụng thay thế xi măng PC càng tăng thì khả năng giảm nhiệt độ trong tâm của khối bê tông và giảm chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối bê tông và nhiệt độ môi trường xung quanh càng nhiều, đồng thời thời gian phát triển nhiệt độ trong bê tông được kéo dài ra, điều này có tác dụng hạn chế ứng suất nhiệt và từ đó làm giảm nứt trong bê tông khối lớn [12]. 1.1.2.2. Nghiên cứu Chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng Silica Fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng này cải thiện đáng kể tính công tác và tăng cường độ nén của bê tông. Điều này góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng loại bê tông này trong công nghiệp xây dựng ở Việt Nam [10]. 1.1.1.3. Nghiên cứu Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy tro bay làm suy giảm cường độ chịu nén của bê tông ở giai đoạn đầu (trước 56 ngày), tuy nhiên càng về sau 56 ngày, tro bay góp phần gia tăng cường độ chịu nén thậm chí co mẫu có cường độ chịu nén cao hơn mẫu đối chứng [1]. 1.2. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.2.1. Bê tông - Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia. Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn. Loại bé là cát có kích thước (1-5)mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5 - 40)mm. Chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác. - Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng. - Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dạng kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một số ít nước thừa và lỗ rỗng li ti ( do nước thừa bốc hơi). 8 - Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo. - Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong quá trình sử dụng. Có nhiều loại phụ gia như phụ gia nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông, nâng cao cường độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm… 1.2.2. Bê tông cốt thép - Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và hiệu quả. - Bê tông đã là một vật liệu phức hợp bao gồm cốt liệu (cát, đá, sỏi...) và chất kết dính (Xi măng) kết lại với nhau thành một loại đá nhân tạo. Về mặt chịu lực, Bê tông chịu nén tốt hơn chịu kéo từ 8-15 lần. - Cốt thép chịu nén và chịu kéo đều tốt và tốt hơn bê tông nhiều lần. Nếu đặt một lượng cốt thép thích hợp và miền chịu kéo của dầm thi khả năng chịu kéo của miền này tăng lên rất nhiều, tương ứng với khả năng chịu nén của miền bê tông phía trên. Do đó tăng đươc khả năng chịu lực của kết cấu (dầm bê tông cốt thép có khả năng chịu lực lớn hơn dầm bê tông không cốt thép hàng chục lần). - Cốt thép chịu nén cũng rất tốt nên cốt thép được đặt vào trong cấu kiện chịu nén như cột, thanh nén của dàn, vòm..để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện, chịu các lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên. 1.2.3. Các nhân tố đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép - Lực dính: Có ý nghĩa quyết định sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép. Nhờ lực dính mà cường độ bê tông cốt thép mới được khai thác, bề rộng khe nứt trong vùng kéo mới được hạn chế. - Giữa bê tông cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học , bê tông bảo vệ cốt thép chống ăn mòn của môi trường. - Hệ số dãn nở dài của cốt thép và bê tông xắp xỉ nhau, do đó sự thay đổi nhiệt độ trong phạm vi thông thường (<1000c) trong cấu kiện không xảy ra nội ứng suất, không phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt thép. 1.2.4. Ưu điểm và nhược điểm của Bê tông cốt thép 1.2.4.1. Ưu điểm - Có khả năng sử dụng vật liệu địa phương (Xi măng, cát, đá..). - Có khả năng chịu lưc lớn hơn so với kết cấu gạch, đá, gỗ, có thể chịu tốt tải trọng rung động, động đất. 9 - Vừa bền, vừa ít tốn tiền bão dưỡng. Chịu lửa tốt hơn so với thép và gỗ. Bê tông bảo vệ cốt thép không bị nung nóng nhanh đến nhiệt độ nguy hiểm. - Giữa bê tông và thép không có phản ứng hóa học làm ảnh hưởng đến từng loại vật liệu, ngoài ra do cốt thép đặt bên trong bê tông nên còn được bê tông bảo vệ khỏi ăn mòn do tác động môi trường. - Có thể tạo được kết cấu có hình dạng bất kỳ theo yêu cầu về cấu tạo, sử dụng cũng như kiến trúc. 1.2.4.2. Nhược điểm - Trọng lượng bản thân lớn nên khó làm được những kết cấu có nhịp lớn bằng Bê tông cốt thép thường. - Cách âm và cánh nhiệt kém. - Công tác thi công tại chỗ tương đối phức tạp, chịu ảnh hưởng của thời tiết, khó kiểm tra chất lượng. - Dưới tác dụng của tải trọng và các tác động khác, bê tông cốt thép dễ bị nứt, làm ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng, tuổi thọ của kết cấu, vẽ mỹ quan. - Khả năng tái sử dụng thấp: Việc tháo dỡ, vận chuyển và tái sử dụng bê tông sau khi sử dụng rất tốn kém và tiêu hao nhiều công sức. 1.3. DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.3.1.Cấu tạo của dầm - Dầm là cấu kiện mà chiều cao và chiều rộng của tiết diện ngang khá nhỏ so với chiều dài của nó. Tiết diện có thể là chữ nhật, I, T, hộp ….Tỷ số chiều cao h và chiều rộng b: h/b=2-:-4; chiều cao h = 1/8-:-1/20 nhịp của dầm. - Dầm bê tông cốt thép là 01 loại cấu kiện chịu uốn, được sử dụng phổ biến trong kết cấu công trình bê tông cốt thép. Cốt thép dọc chịu lực trong dầm đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt thép dọc chịu lực đặt ở vùng nén của dầm. Bê tông và cốt thép có thể cùng chịu lực được nhờ lực dính giữa hai loại vật liệu đó, đảm bảo cho bê tông và cốt thép cùng biến dạng, đảm bảo sự truyền lực qua lại [11]. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép phụ thuộc chủ yếu vào cường độ của bê tông, cường độ của cốt thép và lực dính giữa bê tông và cốt thép. Nhưng một điều bất lợi đối với bê tông là cường dộ chịu kéo khá nhỏ so với cường độ chịu nén nên chúng rất dễ nứt tại vùng kéo khi chịu lực, do đó hầu như toàn bộ toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu. 1.3.2. Sự làm việc của dầm Khi tải trọng đủ lớn sẽ thấy xuất hiện những khe nứt thẳng góc với trục dầm nơi có momen lớn và khe nứt nghiêng ở khu vực gần gối tựa là chỗ có lực cắt lớn. Khi tải trọng khá lớn thì dầm có thể bị phá hoại tại tiết diện có khe nứt thẳng góc hoặc tại tiết diện có khe nứt nghiêng [11]. 10 Khe nứt thẳng góc Khe nứt nghiêng Hinh 1.3. Các dạng khe nứt trong dầm đơn giản Việc tính toán dầm theo cường độ chính là bảo đảm cho dầm không bị phá hoại trên tiết diện thẳng góc (tính toán cường độ trên tiết diện thẳng góc), và không bị phá hoại trên tiết diện nghiêng (tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng). Theo dõi sự phát triển ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc ta có thể chia thành các giai đoạn sau: 1.3.2.1. Giai đoạn I Khi M (Momen) bé (tải trọng nhỏ), có thể xem như vật liệu làm việc đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là đường thẳng, sơ đồ ứng suất pháp có dạng tam giác. Khi M tăng lên biến dạng dẻo trong bê tông phát triển. Sơ đồ ứng suất pháp có dạng đường cong. Khi sắp sửa nứt, ứng suất kéo trong bê tông đạt đến giới hạn cường độ chịu kéo Rbt. Ta gọi trạng thái giữa ứng suất và biến dạng này là trạng thái Ia. Muốn cho dầm không bị nứt thì ứng suất pháp trên tiết diện không được vượt quá trạng thái Ia [11]. 1.3.2.2. Giai đoạn II Khi M tăng lên miền bê tông chịu kéo bị nứt, khe nứt phát triển dần lên phía trên, hầu như toàn bộ lực kéo là do cốt thép chịu. Nếu lượng thép chịu kéo không nhiều lắm thì khi M tăng lên, ứng suất trong cốt thép có thể đạt đến giới hạn chảy Rs. Ta gọi trạng thái này là trạng thái Iıa [11] . 1.3.2.3. Giai đoạn III ( Giai đoạn phá hoại ) Khi M tiếp tục tăng lên, khe nứt tiếp tục tăng lên phía trên, vùng bê tông chịu nén thu hẹp lại, ứng suất trong vùng bê tông nén tăng lên trong khi ứng suất trong cốt thép không tăng (vì cốt thép đã chảy) khi ứng suất pháp trong vùng bê tông nén đạt đến giới hạn cường độ chịu nén Rb thì dầm bị phá hoại. Sự phá hoại khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy và ứng suất trong bê tông đạt đến Rb gọi là sự phá hoại dẻo. Trường hợp phá hoại này gọi là trường hợp phá hoại thứ nhất, đã tận dụng được khả năng chịu lực của Bê tông và cốt thép. Nếu cốt thép vùng kéo quá nhiều, ứng suất trong cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy mà bê tông vùng nén đã bị phá hoại thì dầm cũng bị phá hoại. Khi đó không xảy ra trạng thái IIa. Đây là sự phá hoại dòn, cốt thép chưa chảy dẻo, trường hợp này gọi là trường hợp phá hoại thứ hai. Trường hợp này cần tránh vì không tận dụng hết khả năng chịu lực của cốt thép và cũng nguy hiểm vì dầm bị phá hoại khi biến dạng còn nhỏ nên khó đề phòng.