THÔNG TIN TÀI LIỆU
Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (08/2019), 85-94 Transport and Communications Science Journal DEGREE OF HYDRATION AND STRENGTH DEVELOPMENT IN HIGH-STRENGTH CONCRETE Do Anh Tu1,*, Vu Xuan Thanh2, Hoang Viet Hai1, Hoang Thi Tuyet1, Nguyen Hoai Nam3 University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam Hanoi Department of Construction, 52 Le Dai Hanh Street, Hanoi, Vietnam Phuc Yen City Investment & Construction Project Management Unit, 145 Tran Hung Dao, Phuc Yen, Vinh Phuc, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 1/7/2019 Revised: 12/8/2019 Accepted: 12/8/2019 Published online: 15/11/2019 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.2.1 * Corresponding author Email: doanhtu@utc.edu.vn; Tel: 0947989218 Abstract This paper presents a relationship between the strength development in a highstrength concrete (HSC) mix and the degree of cement hydration Compressive strength and splitting tensile strength development was experimentally obtained for the HSC mix, while the adiabatic temperature rise was measured from an adiabatic calorimeter The hydration parameters consisting of time and shape parameters were determined using the curve fitting method The concrete compressive strength and degree of hydration had a linear relationship, similar to normal concrete However, the HSC mix had a greater splitting tensile strength development rate compared with that of normal ones Keywords: high-strength concrete, adiabatic temperature rise, hydration parameters, degree of hydration, compressive strength, splitting tensile strength © 2019 University of Transport and Communications 85 Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Tập 70, Số (08/2019), 85-94 Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải MỨC ĐỘ THỦY HÓA VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ TRONG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO Đỗ Anh Tú1,*, Vũ Xuân Thành2, Hoàng Việt Hải1, Hoàng Thị Tuyết1, Nguyễn Hoài Nam3 Trường Đại học Giao thông Vận tải, số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam NCS, Sở Xây dựng Thành phố Hà Nội, 52 Phố Lê Đại Hành, Hà Nội, Việt Nam Ban Quản Lý Dự án Đầu Tư & Xây Dựng Thành phố Phúc Yên, 145 Trần Hưng Đạo, Thành phố Phúc Yên, Vĩnh Phúc, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 1/7/2019 Ngày nhận sửa: 12/8/2019 Ngày chấp nhận đăng: 12/8/2019 Ngày xuất Online: 15/11/2019 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.2.1 * Tác giả liên hệ Email: doanhtu@utc.edu.vn; Tel: 0947989218 Tóm tắt Bài báo trình bày mối quan hệ phát triển cường độ bê tông cường độ cao (BTCĐC) mức độ thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt Trong đó, liệu cần thiết lấy từ kết thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ nhiệt độ đoạn nhiệt hỗn hợp BTCĐC Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số thời gian tham số hình dạng tính tốn dựa vào đường cong đoạn nhiệt, từ xác định mức độ thủy hóa Đối với hỗn hợp BTCĐC thí nghiệm, cường độ chịu nén có quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa, tương tự bê tơng thường Tuy nhiên cường độ ép chẻ BTCĐC có tốc độ phát triển nhanh so với bê tông thường, gần tỷ lệ thuận với cường độ chịu nén Từ khóa: bê tơng cường độ cao, nhiệt độ đoạn nhiệt, tham số nhiệt thủy hóa, mức độ thủy hóa, cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ © 2019 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, lĩnh vực xây dựng cầu, bê tông cường độ cao (BTCĐC) sử dụng phổ biến cho cơng trình địi hỏi độ nhịp lớn thời gian thi công nhanh BTCĐC thường sử dụng hàm lượng xi măng cao thành phần cấp phối nhiệt tỏa q trình thủy hóa xi măng lớn so với hỗn hợp bê tông thường [1,2] Đối với công 86 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (08/2019), 85-94 trình cầu sử dụng BTCĐC, việc kiểm soát nhiệt độ bê tông giai đoạn thi công quan trọng nhằm đảm bảo kết cấu không xuất vết nứt nhiệt làm ảnh hưởng đến khả khai thác độ bền sau Các nghiên cứu nhiệt thủy hóa xi măng cho bê tơng thường thực Việt Nam [3,4], nhiên nghiên cứu BTCĐC bê tơng tính cao cịn hạn chế Ở nghiên cứu gần đây, tác giả [5] tiến hành thực nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt cho bê tơng tính cao dựa vào thiết bị thí nghiệm theo phương pháp đoạn nhiệt Dựa vào kết thực nghiệm đoạn nhiệt, tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số thời gian () tham số hình dạng () xác định Các tham số nhiệt thủy hóa xác định mức độ thủy hóa xi măng theo thời gian Hơn nữa, từ mức độ thủy hóa dự đốn xu hướng phát triển cường độ bê tơng trình bày nghiên cứu Schutter [6] bê tông thông thường Bài báo thiết lập mối quan hệ cường độ tuổi sớm mức độ thủy hóa dựa kết thực nghiệm cường độ nhiệt độ đoạn nhiệt hỗn hợp BTCĐC VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thực nghiệm xác định cường độ hỗn hợp BTCĐC Thành phần hỗn hợp BTCĐC lựa chọn dựa vào số hỗn hợp bê tông sử dụng xây dựng cầu, thể Bảng Hỗn hợp bê tông sử dụng xi măng VICEM Bút Sơn PC40 có thành phần hóa học khoáng vật cho Bảng Bảng Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông N/X N/CKD Tro bay (%) Nước (l) Xi măng (kg) Tro bay (kg) Đá 5x10 (kg) Cát vàng (kg) Cát nghiền (kg) Phụ gia siêu dẻo (kg) 0,40 0,32 20% 170 424 106 1050 278 278 7,5 Bảng Thành phần hóa học của xi măng (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O MKN 21,49 5,40 3,49 63,56 1,40 1,65 0,15 0,70 1,20 Bảng Thành phần khoáng vật của xi măng (%) C3S C2S C3A C4AF 51,74 24,20 8.16 10,35 Sau lựa chọn thành phần cấp phối bê tơng trên, tiến hành đúc mẫu thí nghiệm xác định cường độ nén ép chẻ BT 1, 2, 3, 7, 28 ngày tuổi Kết thí nghiệm cho Bảng 2.2 Thực nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt cho hỗn hợp BTCĐC Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt độ theo phương pháp đoạn nhiệt [7] cho mẫu bê tông tươi minh họa Hình Thiết bị thí nghiệm đo nhiệt thiết kế chế tạo Trung tâm Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Giao thông vận tải Trong cấu hình thí nghiệm này, mẫu bê tơng đặt vào hộp cách nhiệt (ở sử dụng vật liệu xốp thay 87 Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Tập 70, Số (08/2019), 85-94 cho khơng khí), hộp lại đặt thùng có vỏ cách nhiệt chứa đầy nước Một cảm biến nhiệt độ (T1) đặt tâm mẫu bê tông cảm biến khác (T2) đặt nước để đo nhiệt độ bê tông nước liên tục theo thời gian Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến T1 theo dõi máy tính thơng qua thẻ chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) Một gia nhiệt đặt thùng nước điều khiển tự động bật/tắt để giữ cho nhiệt độ nước với nhiệt độ khối bê tông Điều đảm bảo không xảy trao đổi nhiệt mẫu bê tơng mơi trường xung quanh Thí nghiệm thường tiến hành từ trộn bê tông xong thời điểm nhiệt độ mẫu thí nghiệm không tăng nữa, thông thường khoảng thời gian từ đến ngày Thiết bị đo nhiệt lượng cân chỉnh thơng qua thơng số cài đặt sẵn phần mềm điều khiển Trước thí nghiệm đoạn nhiệt tiến hành, nhiệt độ nước thùng điều chỉnh với nhiệt độ bê tông tươi (nhiệt độ bắt đầu thí nghiệm) Ngay sau đặt mẫu bê tơng vào hộp chứa mẫu, lắp cảm biến nhiệt, đổ đầy nước vào thùng tiến hành đo nhiệt độ đoạn nhiệt bê tơng (Hình 2, 3) Trong thí nghiệm này, tần suất quét nhiệt cảm biến 10 Hz, đủ lớn để đảm bảo độ xác Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt Hình Đặt mẫu bê tơng vào thùng, kết nối cảm biến nhiệt 88 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (08/2019), 85-94 Hình Màn hình theo dõi nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông 2.3 Kết thực nghiệm thảo luận Kết thí nghiệm cường độ hỗn hợp bê tông thể Bảng Bảng Kết thí nghiệm nén ép chẻ mẫu Tuổi (ngày) Cường độ nén trung bình (MPa) Cường độ ép chẻ trung bình (MPa) 16,8 1,1 38,69 2,55 47,75 3,48 55,96 3,77 28 66,34 4,62 Đối với thí nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt, sau khử nhiễu tín hiệu nhiệt độ, nhiệt độ đoạn nhiệt đo mẫu BTCĐC trình bày Hình Nhiệt độ ban đầu mẫu 22,2C Nhiệt độ mẫu đạt mức tối đa 76,7C thời điểm khoảng 50 sau trộn bê tông Do hỗn hợp bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo Silkroad SPR3000 giảm nước – có tác dụng làm chậm q trình đơng kết xi măng, thấy biểu đồ, nhiệt độ tăng chậm từ bắt đầu xảy phản ứng thủy hóa Sau khoảng 16 giờ, phản ứng thủy hóa gia tốc, làm nhiệt độ mẫu tăng nhanh khoảng thời gian từ 16 đến 35 Do lượng nước hỗn hợp (tỉ lệ N/CKD = 0,32) q trình thủy hóa diễn nhanh chóng Sau 40 giờ, nhiệt lượng tăng từ từ gần không tăng lên sau 50 89 Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Tập 70, Số (08/2019), 85-94 Hình Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của mẫu bê tơng thí nghiệm 2.4 Xác định mức độ thủy hóa Tốc độ tỏa nhiệt q trình thủy hóa chất kết dính phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ chất thời điểm Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phản ứng thủy hóa chất kết dính [8] Trong thực tế, phận cấu kiện BT có điều kiện biên bề mặt khác (tiếp xúc với ván khuôn, với lớp vật liệu cách nhiệt, trực tiếp với khơng khí,…), điểm khác BT có nhiệt độ khác tốc độ sinh nhiệt điểm khác Để ước lượng nhiệt tỏa q trình thủy hóa, van Breugel [9], Schindler Folliard [10] đưa quan hệ mức độ thủy hóa xi măng với nhiệt lượng tích lũy thời điểm t theo công thức đây: H (t ) (t ) = (1) Hu đó: (t) - mức độ thủy hóa thời điểm t; H(t) - tổng nhiệt lượng tỏa tính đến thời điểm t (J/g); Hu - tổng nhiệt lượng tỏa thời điểm cuối trình thủy hóa (J/g), xác định theo cơng thức (2) (3) (2) H u = H cem pcem + 461 pslag + 1800 pFA pFA−CaO H cem = 500 pC3S + 260 pC2 S + 866 pC3 A + 420 pC4 AF + 624 pSO3 + 1186 pFreeCa + 850 pMgO (3) Hcem – tổng nhiệt lượng thủy hóa xi măng (J/g) Để mô tả mức độ thủy hóa theo tuổi tương đương bê tơng, mơ hình toán học lũy thừa với tham số [11] sử dụng phổ biến: (4) (te ) = u exp − s te đó: (te) - mức độ thủy hóa thời điểm t; u - mức độ thủy hóa thời điểm cuối q trình thủy hóa; te – tuổi tương đương bê tông (h); - tham số thời gian (h); - tham số độ dốc 90 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (08/2019), 85-94 Mức độ thủy hóa thời điểm cuối xác định sau [12]: 1.031w / c u = (5) 0.194 + w / c đó: w/c – tỷ lệ nước chất kết dính Tuổi tương đương bê tơng tính theo cơng thức [13]: t E 1 (6) te = exp − a − dt R 273 + T 273 + T c r n E 1 hay: (7) te = exp − a − ti i =1 R 273 + Tc 273 + Tr đó: Ea - lượng kích hoạt biểu kiến, (J/mol); R - số khí, R= 8,314 J/K-mol; Tc - nhiệt độ trung bình bê tơng khoảng thời gian ti, (°C); Tr - nhiệt độ tham chiếu (thông thường 20°C 23°C); ti = ti − ti-1 - khoảng thời gian bước thời gian liên tiếp ti ti-1 (h); i - bước thời gian thứ i, i = − n Năng lượng kích hoạt biểu kiến thước đo độ nhạy nhiệt độ phản ứng hydrat hóa, xác định theo cơng thức thực nghiệm thiết lập Poole [14] sau: Ea = 41230 + 1416000 pC3 A + pC4 AF pcem pSO3 pcem ( ) −347000 pNa2Oeq − 19.8Blaine + 29600 pFA pFA-CaO (8) +16200 pslag − 51600 pSF − 3090000WRRET − 345000 ACCL đó: pFA – tỷ lệ tro bay theo hàm lượng chất kết dính, pFA-CaO – tỷ lệ CaO có tro bay, pslag – tỷ lệ xỉ theo hàm lượng chất kết dính, pSF – tỷ lệ silica fume theo hàm lượng chất kết dính, Blaine - độ mịn xi măng, nghiên cứu lấy 375 (m2/kg), pX – tỷ lệ hàm lượng chất X (cem = xi măng, C3A, C4AF, SO3) có toàn xi măng, pNa2Oeq – tỷ lệ phần trăm Na2O tương đương có xi măng, WRRET – tỷ lệ phần trăm phụ gia giảm nước ASTM loại B D theo khối lượng chất kết dính, ACCL – tỷ lệ phần trăm phụ gia tăng tốc ASTM loại C Từ tỷ lệ thành phần hóa học khống vật xi măng, lượng kích hoạt biểu kiến hỗn hợp bê tông xác định Ea = 34454 (J/mol), mức độ thủy hóa thời điểm cuối u = 0.642 Để vẽ đường cong mức độ thủy hóa mẫu bê tơng từ nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm, cần phải xác định tuổi tương đương bê tông theo công thức (7) Mức độ thủy hóa tỷ lệ thuận với nhiệt lượng tích lũy hay nhiệt độ đoạn nhiệt theo cơng thức (1), vẽ đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm theo tuổi tương đương bê tơng Hình Để sử dụng đường cong mức độ thủy hóa trình bày cơng thức (4), cần phải xác định tham số từ kết thực nghiệm đoạn nhiệt Giá trị phù hợp tham số xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu Đối với hỗn hợp BTCĐC thí nghiệm tham số nhiệt thủy hóa xác định là: = 24,98 h, = 1,842, với R2 = 0,9949 Đường cong thực nghiệm đường cong hồi quy mức độ thủy hóa thể Hình 91 Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Tập 70, Số (08/2019), 85-94 Hình Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm hồi quy 2.5 Thảo luận mối quan hệ mức độ thủy hóa cường độ Nghiên cứu Schutter [6] cường độ chịu nén tuổi sớm bê tơng thường có mối quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa () Sự tương quan tuyến tính kiểm chứng khẳng định nghiên cứu Lin Chen [15] Tuy nhiên, hỗn hợp bê tơng cường độ cao có sử dụng hàm lượng chất kết dính phụ gia siêu dẻo lớn chưa hai đại lượng có mối tương quan chặt hỗn hợp bê tông thường Để tìm hiểu mối quan hệ hai đại lượng trên, giá trị cường độ chịu nén thực nghiệm vẽ theo mức độ thủy hóa ngày tuổi tương đương bê tơng Hình 6a Có thể dễ dàng nhận thấy phát triển cường độ chịu nén hỗn hợp bê tơng có quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu xác định hàm tương quan cường độ chịu nén mức độ thủy hóa sau: fc = y = 94,94 - 4,68 (MPa), với R2 = 0,993 (9) Hình Tương quan hồi quy cường độ chịu nén mức độ thủy hóa Tác giả Wight MacGregor [16] trình bày tương quan chặt cường độ ép chẻ bậc hai cường độ chịu nén bê tông thường dựa sở liệu lớn: fct = 0.53 fc (10) Hai cơng thức dự đốn mối quan hệ cường độ chịu ép chẻ cường độ chịu nén cho 92 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (08/2019), 85-94 hỗn hợp BTCĐC đề xuất sau: f ct = a f c (11) fct = A f c B (12) a, A, B hệ số xác định từ đường cong hồi quy theo phương pháp bình phương tối thiểu Đường cong hồi quy xác định sau: f ct = 0.46 f c (MPa) với R2 = 0,766 fct = 0.072 fc 0.989 (MPa) với R2 = 0,981 (13) (14) Có thể thấy Hình 7, cơng thức (14) thể mối quan hệ cường độ ép chẻ cường độ chịu nén tốt công thức (13) cho hỗn hợp BTCĐC nghiên cứu Hệ số B cho thấy cường độ ép chẻ hỗn hợp BTCĐC có tốc độ phát triển nhanh so với bê tơng thường Hình Tương quan hồi quy cường độ ép chẻ cường độ chịu nén KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ nhiệt độ đoạn nhiệt hỗn hợp BTCĐC có tỉ lệ N/CKD = 0,32 với hàm lượng tro bay thay xi măng 20% Từ kết thí nghiệm đoạn nhiệt, tham số nhiệt thủy hóa hàm mũ bao gồm tham số thời gian ( = 24,98 h) tham số hình dạng ( = 1,842) xác định dựa vào đường cong hồi quy theo phương pháp bình phương tối thiểu Đối với hỗn hợp BTCĐC nghiên cứu này, cường độ chịu nén có quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa, giống bê tông thường Tuy nhiên cường độ ép chẻ có tốc độ phát triển nhanh so với bê tông thường, gần tỷ lệ thuận với phát triển cường độ chịu nén Kết nghiên cứu thực hỗn hợp BTCĐC, chưa mang 93 Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Tập 70, Số (08/2019), 85-94 tính đại diện cho BTCĐC, cần phải thực thí nghiệm nhiều hỗn hợp BTCĐC để kiểm chứng tinh chỉnh phương trình tương quan thiết lập báo LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.02-2016.25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Anh Tú (2017), Hiệu ứng nhiệt bê tông, NXB Xây dựng, Hà Nội [2] Do, T A., Chen, H L., Leon, G., & Nguyen, T H (2019) A combined finite difference and finite element model for temperature and stress predictions of cast-in-place cap beam on precast columns Construction and Building Materials, 217, 172-184 [3] Hồ Ngọc Khoa, Vũ Chí Cơng (2012), “Phân tích trường nhiệt độ ứng suất bê tơng khối lớn phương pháp phần tử hữu hạn”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, số 14/12- 2012 [4] Trần Văn Miền, Nguyễn Lê Thi (2013), “Nghiên cứu đặc trưng nhiệt bê tông sử dụng hàm lượng tro bay lớn”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, số 3+4/2013 [5] Đỗ Anh Tú, Vũ Xuân Thành, Trần Đức Tâm, Nguyễn Thị Mỹ Linh, Nguyễn Thị Hà Ly, Nguyễn Đăng Thanh (2019), “Thực nghiệm xác định nhiệt thủy hóa cho bê tơng tính cao theo phương pháp đoạn nhiệt”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số [6] De Schutter, G (2002), Fundamental study of early age concrete behaviour as a basis for durable concrete structures Materials and Structures, 35(1): p 15 [7] RILEM 119-TCE1 (1997), Adiabatic and Semi-Adiabatic Calorimetry to Determine the Temperature Increase in Concrete due to Hydration Heat of Cement, Materials and Structures, 30, pp 451-457 [8] Riding, K A., Poole, J L., Folliard, K J., Juenger, M C., & Schindler, A K (2012) Modeling hydration of cementitious systems ACI Materials Journal, 109(2), 225-234 [9] van Breugel, K (1997) Simulation of hydration and formation of structure in hardening cementbased materials Ph D thesis 2nd ed., TU Delft [10] Schindler, A K., & Folliard, K J (2005), Heat of hydration models for cementitious materials ACI Materials Journal, 102(1), 24 [11] Hansen, P.F and E.J Pedersen (1977), Maturity computer for controlled curing and hardening of concrete, Nordisk Concreteg Stockholm (1977) 19–34 [12] Mills, R (1966), Factors influencing cessation of hydration in water cured cement pastes Highway Research Board Special Report, (90) [13] Hansen, P.F and E Pedersen (1984), Curing of concrete structures BKI [14] Poole, J L (2007), Modeling temperature sensitivity and heat evolution of concrete, The University of Texas at Austin [15] Lin, Y and H.-L Chen (2016), Thermal analysis and adiabatic calorimetry for early-age concrete members Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 124(1): p 227-239 [16] Wight, J.K and J.G MacGregor (2009), Reinforced concrete: Mechanics and design ed 2009: Prentice Hall Upper Saddle River, NJ 94 ... of structure in hardening cementbased materials Ph D thesis 2nd ed., TU Delft [10] Schindler, A K., & Folliard, K J (2005), Heat of hydration models for cementitious materials ACI Materials Journal,... tải, s? ?? [6] De Schutter, G (2002), Fundamental study of early age concrete behaviour as a basis for durable concrete structures Materials and Structures, 35(1): p 15 [7] RILEM 119-TCE1 (1997), Adiabatic... finite difference and finite element model for temperature and stress predictions of cast-in-place cap beam on precast columns Construction and Building Materials, 217, 172-184 [3] Hồ Ngọc Khoa,
Ngày đăng: 07/02/2022, 18:48
Xem thêm: