Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có tro bay thay thế xi măng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG DI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TRO BAY THAY THẾ XI MĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ng ih ng d n h h c: TS NGUYỄN VĂN CH NH Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có tro bay thay thế xi măng” 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 1528/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 luận văn Nguyễn Hoàng Di TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TRO BAY THAY THẾ XI MĂNG Học viên: Nguyễn Hoàng D - Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD và CN Mã số: 60.58.02.08 - Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Đề tài nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép khi tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân được sử dụng để thay thế xi măng với các thành phần tỉ lệ tương ứng là 0%, 10%, 20% và 40%. 12 dầm BTCT kích thước tiết diện ngang là 100x150 và chiều dài là 1000mm được đúc và dưỡng hộ trong môi trường nước. Các dầm được thí nghiệm uốn theo sơ đồ 4 điểm lần lượt tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 90 ngày. Kết quả cho thấy rằng khi sử dụng tro bay Vĩnh Tân thay thế một phần xi măng, hình dạng đường cong quan hệ lực chuyển vị của dầm bê tông cốt thép dường như không đổi nhiều. Tro bay góp phần suy giảm rất ít khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép dù tỉ lệ tro bay thay thế xi măng lên đến 40%. Trong giới hạn tỉ lệ tro bay thay thế xi măng từ 10%, 20% và 40% tất cả các dầm bê tông cốt thép đều phá hoại uốn. Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn có thể kết luận rằng tro bay có thể được sử dụng để thay thế một phần xi măng trong dầm bê tông cốt thép. Những nghiên cứu sâu hơn cần được thực hiện với các tỉ lệ thay thế khác nhau và với các loại tro bay tại các nhà máy nhiệt điện khác nhau. Từ hó : Tro bay, dầm bê tông cốt thép, khả năng chịu uốn, lực, chuyển vị. Project title: EXPERIMENTAL STUDY OF BENDING RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE BEAMS WITH FLY ASH REPLACING CEMENT Abstract: The project studied the flexural performance of reinforced concrete beams in which fly ash from Vinh Tan power station was used to replace cement in the proportions of 0%, 10%, 20% and 40%. Twelve reinforced concrete beams, dimensions of 100x150mm in cross section and 1000mm in longitudinal were cast and cured in water. These beams were flexurally tested under 4 points bending at 28 days, 56 days and 90 days respectively. The results show that fly ash does not affect the load and deflection curves. Fly ash reduced slightly the flexural loads of reinforced concrete beams even when 40% was used to replace cement. Whithin the range of proportion replacement from 10% to 40%, all beams were failed in flexure. With in the range of investigation, fly ash can be used to replace cement in RC beams. Further research should be conducted at varied proportions of fly ash replacement and for different sources of fly ash. Key words: fly ash, reinforced concrete beam, flexural performance, load, deflection. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ..............................................................................................2 . Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu. ...........................................................................................2 5. Bố cục của luận văn ............................................................................................3 CHƯƠNG 1. T NG UAN V B T NG, TRO BAY VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ...................................................................................................................... 4 1.1. B T NG VÀ B T NG CỐT THÉP ....................................................................4 1.1.1. Khái niệm thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông ...................................4 1.1.2. Cường độ của bê tông. ..................................................................................5 1.1. . Cốt thép. ........................................................................................................8 1.1.4. Bê tông cốt thép ............................................................................................9 1.2. T NG UAN VÀ PH M VI NG DỤNG C A TRO BAY TRONG X Y DỰNG .............................................................................................................................9 1.2.1. Khái nệm chung ............................................................................................9 1.2.2. Phân loại .......................................................................................................9 1.2. . Thành phần hóa học ....................................................................................11 1.2.4. Ảnh hưởng của tro bay đến một số đặc tính của bê tông ...........................12 1.2.5. Một số công trình ứng dụng tro bay ở Việt Nam.......................................14 1.2.6. ng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và công trình trên thế giới ..........15 1. . SỰ LÀM VIỆC C A DẦM B T NG CỐT THÉP ............................................16 1. .1. Sự làm việc của dầm BTCT ........................................................................16 1. .2. Các hình thức phá hoại của dầm .................................................................17 1. . . Trạng thái ứng suất biến dạng tại tiết diện thẳng góc dầm BTCT ..............18 1.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................20 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .......................... 21 2.1. VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM ...................................................21 2.1.1. Cát (Cốt liệu nhỏ) .......................................................................................21 2.1.2. Đá dăm (Cốt liệu lớn) .................................................................................22 2.1. . Xi măng.......................................................................................................24 2.1.4. Nước............................................................................................................25 2.1.5. Tro bay ........................................................................................................27 2.1.6. Cốt thép .......................................................................................................31 2.2. THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM .....................................................32 2.2.1.Ván khuôn ....................................................................................................32 2.2.2. Đầm bê tông ................................................................................................32 2.2.3. Máy nén ......................................................................................................32 2.2.4. Phòng dưỡng hộ mẫu ..................................................................................33 2.2.5. Máy trộn bê tông: sử dụng máy trộn dung tích 00l ..................................34 2.2.6. Thiết bị uốn dầm bê tông: ...........................................................................34 2. KẾT LUẬN .............................................................................................................35 CHƯƠNG . NGHI N C U THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN C A DẦM B T NG CỐT THÉP CÓ TRO BAY THAY THẾ XI MĂNG ................................. 36 .1. GIỚI THIỆU CHUNG ...........................................................................................36 .2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM .........................................................................36 .2.1. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ..............................................................36 .2.2. Chi tiết về chương trình thí nghiệm. ...........................................................36 .2. . Chi tiết về mẫu dầm BTCT sử dụng trong thí nghiệm. ..............................37 .2.4. Đúc mẫu và dưỡng hộ mẫu .........................................................................37 .2.5. Xác định độ sụt của các thành phần cấp phối .............................................39 .2.6. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông .................................40 .2.7. Thí nghiệm uốn dầm BTCT ........................................................................42 . . KẾT UẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................43 . .1. Độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi .................................................................43 . .2. Cường độ chịu nén của bê tông ..................................................................43 . . . uan hệ lực uốn- chuyển vị giữa dầm của các dầm BTCT ........................44 . .4. Hình dạng vết nứt .......................................................................................48 .4 KẾT LUẬN CHƯƠNG ...........................................................................................49 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KİẾN NGHỊ ........................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO UYẾT ĐỊNH GIAO Đ TÀI LUẬN VĂN TH C SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN C A HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT C A CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hệ số chất lượng vật liệu A và A1...................................................................8 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM ....................................................................10 Bảng 1. . Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [4]....................................11 Bảng 1.4. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau .................................................................................................................12 Bảng 2.1. Thành phần hạt của cát..................................................................................21 Bảng 2.2. Hàm lượng ion Cl- trong cát .........................................................................21 Bảng 2. . Thành phần hạt của cốt liệu lớn ....................................................................22 Bảng 2.4. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập ......................................23 Bảng 2.5. Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm ..............................................23 Bảng 2.6. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng ............................................24 Bảng 2.7. So sánh chỉ tiêu chất lượng của Xi măng Sông Gianh PCB40 với TCVN ...25 Bảng 2.8. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sun at, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa ................................................................26 Bảng 2.9. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sun at, ion clorua và cặn không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông ..........26 Bảng 2.10. Các yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa ...........................................................................................................27 Bảng 2.11. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây ..........................28 Bảng 2.12. Kết quả thí nghiệm tro bay..........................................................................29 Bảng 2.1 . Kết quả kéo thép .........................................................................................32 Bảng .1. Chương trình thí nghiệm ...............................................................................37 Bảng .2. Tỉ lệ thành phần cấp phối của bê tông đúc dầm ............................................37 Bảng . . Kết quả độ sụt ...............................................................................................43 Bảng .4. Kết quả cường độ chịu nén của bê tông ........................................................43 Bảng .5. Kết quả uốn dầm bê tông cốt thép ................................................................44 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc của bê tông ........................................................................................4 Hình 1.2. Đồ thị tăng cường độ theo thời gian ................................................................6 Hình 1. . Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn ................7 Hình 1.4. Các dạng khe nứt trong dầm đơn giản ...........................................................16 Hình 1.5. Phá hoại ở dầm ..............................................................................................17 Hình 1.6. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc. ..19 Hình 2.1. Cát đúc bê tông, mỏ cát Túy Loan ................................................................22 Hình 2.2. Đá 1x2, mỏ đá Phước Tường.........................................................................22 Hình 2. . Xi măng Sông Gianh PCB 40 ........................................................................24 Hình 2.4. Tro bay Vĩnh Tân 4 .......................................................................................27 Hình 2.5. Hình về chứng thư của tro bay ......................................................................29 Hình 2.6. Hình về chứng thư của tro bay ......................................................................30 Hình 2.7. Thép 8 tròn trơn - Việt Mỹ (VAS) ............................................................31 Hình 2.8. Thí nghiệm kéo thép ......................................................................................31 Hình 2.9. Ván khuôn đúc mẫu nén và đo độ sụt bê tông...............................................32 Hình 2.10. Máy nén bê tông ..........................................................................................33 Hình 2.11. Khu Thí nghiệm và bể ngâm bảo dưỡng mẫu .............................................33 Hình 2.12. Lắp đặt dầm vào gối để thực hiện uốn dầm ................................................34 Hình 2.1 . Thiết bị đo lực và đọc số liệu ......................................................................34 Hình 2.14. Thiết bị đo chuyển vị ...................................................................................35 Hình .1. Chi tiết dầm BTCT ........................................................................................37 Hình .2. Cân, đo các thành phần cấp phối và trộn bê tông ..........................................38 Hình . . Dưỡng hộ mẫu dầm BTCT ............................................................................39 Hình .4. Đo độ sụt ........................................................................................................39 Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình .5. Tiến hành đo độ sụt .......................................................................................40 .6. uá trình nén mẫu .........................................................................................40 .7. Mẫu nén sau gia tải ........................................................................................41 .8. Kết quả từ phần mềm R = P/A ......................................................................41 .9. Hình vẽ thí nghiệm uốn dầm 4 điểm .............................................................42 .10. Hệ thống thí nghiệm uốn dầm bốn điểm .....................................................42 .11. Thí nghiệm uốn dầm theo sơ đồ 4 điểm ......................................................42 3.12. Biểu đồ quan hệ lực uốn và chuyển vị giữa dầm của các dầm nhóm 1 (28 ngày) ........................................................................................................45 Hình .1 . Biểu đồ quan hệ lực uốn và chuyển vị giữa dầm của các dầm nhóm 2 (56 ngày) ..................................................................................................46 Hình 3.14. Biểu đồ quan hệ lực uốn và chuyển vị giữa dầm của các dầm nhóm (90 ngày) ..................................................................................................47 Hình .15. Dạng phá hoại của dầm và hình ảnh vết nứt nhóm 1(28 ngày) ...................48 Hình .16. Dạng phá hoại của dầm và hình ảnh vết nứt nhóm 2 (56 ngày). .................48 Hình .17. Dạng phá hoại của dầm và hình ảnh vết nứt nhóm (90 ngày) ..................49 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết củ đề tài Trong nhiều thế kỷ qua, con người luôn tìm kiếm một vật liệu xây dựng thỏa mãn các yêu cầu về sử dụng, chịu lực, độ bền và hiệu quả kinh tế. Cùng với sự phát triển của khoa học nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và chế tạo thành công trong đó có tro bay để thay thế xi măng. 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 nên có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao [13]. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng puzzolan hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông có khả năng tăng mác bê tông, giảm khả năng xâm thực của nước, chống chua mặn; chống rạn nứt, giảm co gãy, cải thiện bề mặt sản phẩm và có tính chống thấm cao; tính chịu lực cao của bê tông; chống được sự xâm nhập của acid sul uric của bê tông hiện đại; tạo tính bền sul at cho bê tông của xi măng portland; hạ nhiệt độ cho bê tông [14]. Bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép, bê tông là một loại đá nhân tạo, giòn có cường độ chịu nén (Rb) tốt, cường độ chịu kéo (Rbt) kém. Thép là loại vật liệu đàn hồi có độ dẻo tương đối lớn có cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khá cao. Bê tông và cốt thép là sự kết hợp hợp lý giữa hai loại vật liệu có tính chất cơ học khác nhau để tạo nên một loại vật liệu mới có nhiều ưu điểm. Bê tông và cốt thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do lực dính, chúng có thể truyền lực từ bê tông sang cốt thép hoặc ngược lại. Lực dính có tầm quan trọng hàng đầu đối với bê tông cốt thép, nhờ lực dính mà cường độ cốt thép mới được khai thác triệt để, giảm bề rộng vết nứt ở miền bê tông chịu kéo, [4]. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (BTCT) phụ thuộc chủ yếu vào cường độ chịu nén, kéo của bê tông, cường độ chịu kéo, nén của cốt thép và lực dính giữa bê tông và cốt thép. Các lý thuyết tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thép thường giả thiết bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông, toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu, và lực dính giữa bê tông và cốt thép phải lớn để đảm bảo biến dạng của cốt thép và bê tông tại bề mặt tiếp xúc với cốt thép là như nhau. Tuy nhiên thực tế làm việc của dầm bê tông cốt thép không hoàn toàn như các giả thiết nêu trên, khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép chịu ảnh hưởng của lực dính giữa bê tông và cốt thép cũng như khả năng chịu kéo của bê tông miền kéo. 2 Các nghiên cứu trước đó chỉ ra rằng khi tro bay được sử dụng để thay thế xi măng thì cường độ chịu nén, kéo của bê tông sẽ giảm ở giai đoạn trước 28 ngày nhưng sau đó sẽ tăng, thời gian và mức độ tăng cường độ phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần tro bay thay thế xi măng và loại tro bay [5]. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu thực nghiệm cụ thể nào về ảnh hưởng của tro bay đối với sự làm việc chung của bê tông và cốt thép cũng như khả năng chịu uốn của dầm BTCT. Đây chính là lý do tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có tro bay thay thế xi măng”. 2 Mục tiêu củ đề tài - Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm BTCT khi bê tông sử dụng đúc dầm có tro bay thay thế xi măng. Các tỉ lệ tro bay thay thế xi măng lần lượt là 10%, 20% và 40%. - Xem xét sự ảnh hưởng của tro bay đối với sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép trong dầm BTCT thông qua các thông số đo được từ thực nghiệm như trình bày ở mục . Đối t ng nghiên c u - Các loại vật liệu địa phương: Cát k lam (huyện Điện Bàn tỉnh uảng Nam), đá Phước Lý (tp Đà N ng), xi măng sông Gianh; cốt thép tròn trơn Ф8; - Dầm bê tông cốt thép có kích thước tiết diện 100x150mm và chiều dài dầm là 1000mm, trong đó bê tông đúc dầm có tro bay được sử dụng để thay thế xi măng với các tỉ lệ là 10%, 20% và 40%. Cốt thép trong dầm có cốt dọc chịu lực dùng thép Ф8 tròn trơn. - Thí nghiệm khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép tại các thời điểm 28, 56, 90 ngày. - Các thông số cần đo đạc và đánh giá: Biểu đồ quan hệ giữa lực - chuyển vị đứng tại vị trí giữa dầm; hình dánh, chiều dài và bề rộng của vết nứt trên dầm bê tông cốt thép. 4 Phạm vi nghiên c u. - Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc của dầm bê tông cốt thép và các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép. - Nghiên cứu tổng quan về vai trò của tro bay đối với sự phát triển cường độ chịu nén, kéo của bê tông. - Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn: TCVN 105:199 : Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử; TCVN 106:199 : Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt; TCVN 118:199 : Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén. - Thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép dựa vào phương pháp uốn 4 điểm theo 3 tiêu chuẩn TCVN 119 : 199 . - Phân tích các kết quả thí nghiệm về khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép dựa vào biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị giữa dầm và vết nứt của dầm bê tông cố thép. - Đánh giá sự ảnh hưởng của tro bay thay thế xi măng đến khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép dựa vào việc phân tích kết quả trên. 5 Bố cục củ luận văn Chương 1: Tổng quan về bê tông, dầm bê tông cốt thép và tro bay, ứng dụng của tro bay trong xây dựng. Chương 2: Vật lıệu sử dụng và thıết bị thí nghıệm. Chương : Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép. 4 T NG CHƯƠNG 1 UAN V BÊ TÔNG TRO BAY VÀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1. BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 1 1 Khái niệm thành phần cấu trúc và phân l ại bê tông Bê tông là một loại đá 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 [4]. 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…[4]. 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 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 dáng, 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 ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi). uá 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. Hình 1.1. Cấu trúc của bê tông 5 Bê tông được phân loại như sau: Theo cấu trúc: Bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng (dùng ít cát), bê tông tổ ong, bê tông xốp. Theo dung trọng: bê tông nặng (γ = 2200 ÷ 2500 daN/m3); bê tông nặng cốt liệu bé (γ = 1800 ÷ 2200 daN/m3); bê tông nhẹ (γ < 1800 daN/m3); bê tông đặc biệt nặng ( γ > 2500 daN/m3). Theo chất kết dính: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông chất dẻo, bê tông thạch cao, bê tông xỉ, bê tông sillicat. Theo phạm vi sử dụng: bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tông chịu nóng, bê tông cách nhiệt, bê tông chống xâm thực v.v… Theo thành phần hạt: bê tông thông thường, bê tông cốt liệu bé, bê tông chèn đá hộc. 1.1.2. C ng độ củ bê tông. Cường độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Với bê tông cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo. Cường độ chịu nén được xác định dựa và việc thí nghiệm nén mẫu. Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau như lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có s n. Mẫu đúc từ hỗn hợp bê tông có hình dáng là khối vuông cạnh a (a = 100; 150; 200mm), khối hình trụ có đáy vuông hoặc tròn, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28 ngày. Bê tông thông thường có R= 5÷ 0 Mpa. Bê tông có R> 40Mpa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R≥ 80Mpa [3]. Cường độ chịu kéo được đo trên cơ sở uốn dầm bê tông. Thông thường cường độ chịu kéo bằng khoảng 10-20% cường độ chịu nén của bê tông, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng của các loại cốt liệu. Tuy nhiên việc xác định mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông một cách chính xác nhất là thông qua việc thực hiện thí nghiệm mẫu [3]. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông bao gồm: +Thành phần và công nghệ chế tạo: Cường độ của BT lớn hay bé là do thành phần và công nghệ chế tạo quyết định. Một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cường độ BT như Chất lượng và số lượng xi măng; Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu; Tỷ lệ giữa nước và xi măng; Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện bảo dưỡng BT. Nói chung các nhân tố trên ảnh hưởng quyết định đến R, Rt nhưng mức độ có khác nhau. Ví dụ tỷ lệ nước trên ximăng N/XM có ảnh hưởng rất lớn đến R và có phần 6 ít hơn đối với Rt; độ sạch cốt liệu ảnh hưởng lớn đến R và rất lớn đối với Rt cũng như khả năng chịu cắt của BT [3]. + Tuổi của bê tông: Tuổi là thời gian t (ngày) tính từ lúc chế tạo BT đến khi nó chịu lực. Cường độ của bê tông tăng theo thời gian. Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần. Với BT dùng xi măng pooclăng chế tạo và bảo dưỡng trong điều kiện bình thường, cường độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu [3]. Để biểu diễn sự tăng của R theo t có thể dùng một số công thức thực nghiệm. Công thức của B.G. XKramtaep (1935) theo qui luật logarit, với t = 7÷ 00 ngày: R R28 Rt 0 28 t Hình 1.2. Đồ thị tăng cường độ theo thời gian Trong môi trường thuận lợi (nhiệt độ dương, độ ẩm cao) sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm. Còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cường độ trong thời gian sau này là không đáng kể. Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng BT làm cho cường độ tăng rất nhanh trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho BT trở nên dòn hơn và có cường độ cuối cùng thấp hơn so với BT được bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn [3]. +Ảnh hưởng của tốc độ gia tải và thời gian tác dụng của tải trọng Tốc độ gia tải khi thí nghiệm cũng ảnh hưởng đến cường độ của mẫu. Tốc độ gia tải qui định bằng 2kg/cm2/giây và cường độ đạt được là R. Khi gia tải rất chậm, cường độ BT chỉ đạt khoảng (0,85-0.90)R. Khi gia tải nhanh, cường độ BT có thể đạt (1,151,20)R. Thí nghiệm nén mẫu bê tông đến ứng suất 0,90 đến 0,95R, rồi giữ nguyên lực nén trong thời gian dài thì một lúc nào đó mẫu cũng bị phá hoại. Đó là hiện tượng bê tông bị giảm +Ảnh hưởng của tỉ lệ N/X đến cường độ chịu nén, chịu uốn của bê tông Đá xi măng (mác xi măng và tỷ lệ X/N ) có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê 7 tông. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ X/N thực chất là phụ thuộc vào thể tích rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa. Hình 1.3 biểu thị mối quan hệ giữa cường độ bê tông và lượng nước nhào trộn. Độ rỗng tạo ra do lượng nước thừa có thể xác định bằng công thức: r= N x .100(%) 1000 Trong đó: - N, X : Lượng nước và lượng xi măng trong 1m bê tông (kg). : Lượng nước liên kết hóa học tính bằng % khối lượng xi măng. Ở tuổi - 28 ngày lượng nước liên kết hóa học khoảng 15 - 20%. 40 bª t«ng khi nÐn, mpa C-êng ®é giíi h¹n cña a b c d 30 20 1 0 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 l-îng n-íc nhµo trén, kg/m3 Hình 1.3. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn Ghi chú: a-Vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được; b-Vùng hỗn hợp bê tông có cường độ và độ đặc cao; c-Vùng hỗn hợp bê tông dẻo; d-Vùng hỗn hợp bê tông chảy Mối quan hệ giữa cường độ bê tông với mác xi măng, tỷ lệ X/N được biểu thị qua công thức Bolomey-Skramtaev sau: Đối với bê tông có X/N = 1,4 2,5 thì: Rb = A. Rx ( – 0,5) Đối với bê tông có X/N > 2,5 thì: Rb = A1. Rx ( + 0,5) 8 Trong đó: - Rb: Cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày (kG/cm2). - Rx: Mác của xi măng (cường độ) (kG/cm2). - A, A1 là hệ số được xác định theo chất lượng vật liệu và phương pháp xác định mác xi măng (bảng 1-1). - X/N là Tỉ lệ Xi măng/nước. Bảng 1.1. Hệ số chất lượng vật liệu A và A1 Hệ số A và A1 ứng với Chất lượng vật liệu Chỉ tiêu đánh giá phương pháp thử mác xi măng. TCVN TCVN 6016:95 4032:85 A1 A1 A A - Xi măng hoạt tính cao không trộn phụ Tốt gia thuỷ. 0.54 0.34 0.6 0.38 0.5 0.32 0.55 0.35 - Cốt liệu: Đá có 1chỉ tiêu chưa phù hợp 0.45 0.29 0.5 0.32 - Cốt liệu: Đá sạch, cường độ cao, cấp phối hạt tốt. Cát sạch, Mdl = 2.4 2.7 - Xi măng hoạt tính trung bình, xi măng poóc lăng hỗn hợp chứa 10 15% phụ gia Trung bình thuỷ. - Cốt liệu: Đá có chất lượng phù hợp TCVN1771:1987. Cát phù hợp TCVN 1770:1986, có Mdl = 2 2.4 - Xi măng hoạt tính thấp, xi măng poóc lăng hỗn hợp chứa trên 15% phụ gia thuỷ. Kém TCVN 1771:1987. Cát nhỏ Mdl<2. 1.1.3. Cốt thép. Cốt thép có Φ ≥ 10mm được sản xuất thành thanh có chiều dài thường không quá 1 m (thường là 11,7m). Cốt thép có Φ < 10mm được sản xuất thành cuộn, mỗi cuộn có trọng lượng dưới 500kg. Sau khi sản xuất cốt thép bằng phương pháp cán nóng, cốt thép được đem dùng để xây dựng công trình. Một số cốt thép còn có thể được gia công nguội (kéo nguội, dập nguội) hoặc gia công nhiệt (tôi) [6]. Thép kéo nguội được thực hiện bằng cách kéo các cốt thép sao cho ứng suất vượt quá giới hạn chảy của nó, làm như vậy sẽ tăng cường độ của thép nhưng làm giảm độ 9 dẻo. Dây thép kéo nguội còn có thể được chuốt qua các khuôn có đường kính nhỏ dần để nâng cường độ lên cao hơn nữa. Dây thép kéo nguội thường có đường kính ÷ 8 mm. Thép được gia công nhiệt bằng cách nung nóng đến nhiệt độ 950oC trong khoảng một phút rồi tôi nhanh vào nước hoặc dầu, sau đó nung trở lại đến 400oC và để nguội từ từ. Làm như vậy sẽ nâng cao cường độ của cốt thép và giữ được độ dẻo cần thiết [6]. Về hình thức cốt thép được sản xuất thành các thanh có tiết diện tròn, mặt ngoài nh n (cốt thép tròn trơn) hoặc mặt ngoài có gờ (cốt thép có gờ hoặc cốt thép vằn). Các gờ trên bề mặt cốt thép có tác dụng nâng cao khả năng dính bám của nó với bê tông. Để làm cốt cho bê tông cũng có thể dùng các thanh thép hình như thép góc, thép chữ U, chữ I. Đó là cốt thép cứng có khả năng chịu lực khi thi công. 1.1.4. Bê tông cốt thép Bê tông là vật liệu đá nhân tạo giòn có cường độ chịu nén Rb tốt, nhưng cường độ chịu kéo Rbt kém, thép là loại vật liệu đàn hồi có độ dẻo tương đối lớn có cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khá cao. Bê tông và cốt thép là sự kết hợp hợp lý giữa hai loại vật liệu có tính chất cơ học khác nhau để tạo nên một loại vật liệu mới có nhiều ưu điểm. Bê tông cốt thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do [6]: - Bê tông và cốt thép dính chặt với nhau nhờ lực dính nên có thể truyền lực từ bê tông sang cốt thép, hoặc ngược lại. Lực dính có tầm quan trọng hàng đầu đối với bê tông cốt thép, nhờ lực dính mà cường độ cốt thép mới được khai thác triệt để, giảm bề rộng vết nứt ở miền bê tông chịu kéo… Chính vì thế ta phải tìm ra các biện pháp để tăng cường lực dính giữa bê tông và cốt thép. - Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, đồng thời bê tông còn bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mòn của môi trường. - Cốt thép và bêtông có hệ số giãn nở nhiệt α gần bằng nhau (αbt = 0,000010 đến 0,000015; αct = 0,000012). Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường (dưới 100oC) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa bêtông và cốt thép. 1.2. T NG UAN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG X Y DỰNG 1 2 1 Khái nệm chung Tro bay là phế thải sinh ra khi đốt các nguyên liệu hóa thạch như than đá, than nâu….Trong các Nhà máy nhiệt điện nơi sử dụng lượng lớn nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện năng thì ngoài lượng tro xỉ nằm lại dưới lò những hạt tro rất nhỏ được cuốn theo các luồn khí trong các ống khói của nhà máy thải ra bên ngoài. 1 2 2 Phân l ại Trước đây ở châu u cũng như ở Vương quốc Anh phần tro này thường được 10 cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn . Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí. Và thuật ngữ tro bay ( ly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện. Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay theo các loại khác nhau. Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải, Trung uốc, tro bay được phân làm hai loại là tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao. Tro bay có chứa hàm lượng canxi 8% hoặc cao hơn (hoặc CaO tự do trên 1%) là loại tro bay có hàm lượng canxi cao. Do đó, CaO trong tro bay hoặc CaO tự do được sử dụng để phân biệt tro bay có hàm lượng canxi cao với tro bay hàm lượng canxi thấp. Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám. Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại: - Loại F : Hàm lượng CaO ít hơn 8% - Loại CI : Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20% - Loại C : Hàm lượng CaO lớn hơn 20% 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 [11]. Bảng 1.2. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM [5] Các yêu cầu the tiêu chuẩn ASTM Đơn L n nhất Nhóm Nhóm C618 vị /nhỏ nhất F C 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 % Độ mịn (+ 25) % 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 % lớn nhất 105 105 Yêu cầu vật lý Lượng nước yêu cầu 11 Các yêu cầu the tiêu chuẩn ASTM C618 Đơn vị L n nhất /nhỏ nhất Nhóm F Nhóm C 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) lớn hơn 70%. - Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%. 1 2 Thành phần hó h c Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá [1]. Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra. Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat 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. Bảng 1.3. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [4] Khoảng (% khối lượng) Thành phần Châu Âu Mỹ Trung uốc Ấn Độ Australia SiO2 28,5-59,7 37,8-58,5 35,6-57,2 50,2-59,7 48,8-66,0 Al2O3 12,5-35,6 19,1-28,6 18,8-55,0 14,0-32,4 17,0-27,8 Fe2O3 2,6-21,2 6,8-25,5 2,3-19,3 2,7-14,4 1,1-13,9 CaO 0,5-28,9 1,4-22,4 1,1-7,0 0,6-2,6 2,9-5,3 MgO 0,6-3,8 0,7-4,8 0,7-4,8 0,1-2,1 0,3-2,0 Na2O 0,1-1,9 0,3-1,8 0,6-1,3 0,5-1,2 0,2-1,3 K2 O 0,4-4,0 0,9-2,6 0,8-0,9 0,8-4,7 1,1-2,9 P2O5 0,1-1,7 0,1-0,3 1,1-1,5 0,1-0,6 0,2-3,9 TiO2 0,5-2,6 1,1-1,6 0,2-0,7 1,0-2,7 1,3-3,7 MnO 0,03-0,2 0,5-1,4 SO3 0,1–12,7 0,1–2,1 1,0–2,9 0,1–0,6 MKN 0,8–32,8 0,2–11,0 0,5-5,0 Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [1]: 12 Bảng 1.4. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau Thành phần (%) Loại tro bay SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO Than đen ZS- 14 54,1 28,5 5,5 1,1 1,9 1,8 ZS- 17 41,3 24,1 7,1 1,0 2,0 2,7 Than nâu ZS- 13 27,4 6,6 3,8 1,0 8,2 34,5 ZS-16 47,3 31,4 7,7 1,6 1,9 1,7 Kết quả trên cho thấy,thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat. Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-1 ) là loại canxi silicat. Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự. Đa số các mẫu tro bay ở Trung uốc có thành phần chủ yếu là SiO2 và Al2O3, hàm lượng của chúng vào khoảng 650 g/kg đến 850 g/kg. Các thành phần khác bao gồm lượng than chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO. Tro bay Trung uốc chứa hàm lượng than chưa cháy cao là do hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung uốc. Theo tiêu chuẩn phân loại ASTM C 618 thì tro bay Trung uốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung uốc [1]. 1.2.4 Ảnh h ởng củ tr b y đến một số đặc tính củ 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. Trong quá trình thủy hóa lượng nước bốc hơi tạo ra các lỗ rỗng giữa các cốt liệu làm ảnh hưởng rất lớn đến cường độ trong bê tông. Chính vì vậy để hạn chế các lổ rỗng giữa các cốt liệu ta nên tăng cường độ kết dính. - Tăng mác vữa xi măng: Tro bay khi trộn với xi măng Portland và cát sạch sẽ tạo vữa xi măng có mác 10 hay 15 Mpa (N/mm2). Hơn nữa, thêm một ưu điểm của Tro bay là nếu được sáy khô trong 12 giờ trở lại (gọi là lưu hóa) thì vữa xi măng có trộn Tro bay sẽ đạt mác 20 hoặc cao hơn. - Giảm khả năng xâm thực của nước, chống chua mặn: Nước mặn có Clo sẽ ăn mòn cốt thép làm hỏng công trình qua các khe nứt hay lỗ châm kim. Phương pháp khắc phục là trộn vữa Tro bay với xi măng để trám các khe nứt, hạn chế lỗ châm kim. Đây là một giải pháp vừa hiệu quả, vừa kinh tế nhất cho các công trình ở vùng biển, vùng nước mặn. - Chống rạn nứt, giảm co gảy, cải thiện bề mặt sản phẩm và có tính chống thấm