Nghiên cứu sự làm việc của dầm bê tông cốt sợi polyetylen từ rác thải nhựa luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI POLYETYLEN TỪ RÁC THẢI NHỰA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐỒNG NAI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI POLYETYLEN TỪ RÁC THẢI NHỰA CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐỒNG NAI, NĂM 2022 LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu để hồn thành đề tài nghiên cứu cách thuận lợi, tác giả nhận giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình Thầy/Cơ giáo trường Đại Học Lạc Hồng Với tình cảm chân thành, tác giả bày tỏ lòng biết ơn trực tiếp đến Thầy TS , Khoa Sau Đại Học, Khoa Kỹ Thuật Cơng Trình – Trường Đại Học Lạc Hồng Thầy/Cô giáo tham gia quản lý, giảng dạy giúp đỡ cho tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng suốt q trình thực đề tài, song cịn có mặt hạn chế, thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp dẫn thầy giáo bạn đồng nghiệp Sau xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể cán công nhân viên chức Trường Đại Học Lạc Hồng Kính chúc Thầy Cơ tràn đầy hạnh phúc, thành đạt dồi sức khỏe để tiếp tục người đưa đò mang nguồn tri thức đến với hệ sinh viên Trân trọng cảm ơn! Đồng Nai, ngày … tháng … năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tác giả: Sinh ngày: Quê quán: Nơi công tác: Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu với đề tài ‘‘Nghiên cứu sự làm việc của dầm bê tông cốt sợi polyetylen từ rác thải nhựa” công trình nghiên cứu riêng tác giả Các số liệu, kết nêu trong luận văn trung thực chưa công bố nơi khác Các thơng tin trích dẫn nguồn gốc rõ ràng Kết tính tốn dựa tiêu chuẩn xây dựng hành Nếu không điều nêu trên, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đề tài Đồng Nai, ngày … tháng … năm 2022 Tác giả TÓM TẮT LUẬN VĂN Rác thải nhựa vấn đề cấp bách xã hội lý tính tiện dụng ô nhiễm trường sau sử dụng Việc tái sử dụng xử lý rác thải nhựa đề tài thu hút nhiều nhà nghiên cứu phủ quan tâm Trong nghiên cứu này, ứng dụng từ sản phẩm nhựa rác thải sợi polyetylen trộn vào bê tông để tăng tính chất lý bê tơng Hàm lượng cốt sợi polyetylen hợp lý mục tiêu nghiên cứu Kết đánh giá thông qua thí nghiệm dầm chịu uốn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH PHẦN MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu chung Tổng quan vật liệu bê tông cốt thép Mục tiêu nghiên cứu 4 Phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .6 1.1 Tổng quan bê tông cốt thép 1.2 Công nghệ tạo sợi Polyetylen từ rác thải nhựa 1.3 Các nghiên cứu cốt sợi nước .11 1.3.1 Tình hình nghiên cứu bê tơng cốt sợi dầm bê tông cốt thép giới .11 1.3.2 Ứng dụng nghiên cứu bê tông cốt sợi dầm bê tông cốt thép giới .13 1.3.3 Ứng dụng nghiên cứu bê tông cốt sợi dầm bê tông cốt thép nước 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Ứng sử kết cấu BTCT chịu tải trọng 16 2.1.1 Ứng sử vật liệu bê tông .16 2.1.1.1 Ứng xử chịu kéo trục 16 2.1.1.2 Ứng xử nén trục 17 2.1.1.3 Ứng xử nén ba trục 18 2.1.1.4 Ứng xử trạng thái ứng xuất phẳng .19 2.1.2 Ứng xử vật liệu thép 20 2.1.3 Liên kết bê tông cốt thép 21 2.2 Khả chịu cắt dầm BTCT 22 2.2.1 Khả chịu cắt dầm BTCT theo tiêu chuẩn TCVN5574-2012 22 2.2.1.1 Tính tốn dải nghiêng chịu nén vết nứt xiên .22 2.2.1.2 Tính tốn tiết diện nghiêng chịu cắt .23 2.2.1.3 Tính tốn theo giáo trình kết cấu bê tơng cốt thép 25 2.2.1.2.1 Dầm chịu tải phân bố 25 2.2.1.2.2 Dầm chịu tải tập trung .26 2.2.2 Lý thuyết miền nén miền cải tiến – CFT (Compression Field Theory) .28 2.2.3 Khả chịu cắt dầm theo tiêu chuẩn ACI 318-2003 33 2.2.3.1 Khả chịu cắt bê tông .33 2.2.3.1.1 Khi khơng có lực dọc tác dụng lên cấu kiện dầm .33 2.2.3.1.2 Khi có lực dọc tác dụng lên cấu kiện dầm 35 2.2.3.2 Khả chịu cắt cốt thép đai 36 2.2.3.2.1 Khả chịu cắt cốt thép đai .36 2.2.3.2.2 Thiết kế cốt thép chịu cắt 37 2.2.4 Khả chịu cắt dầm theo tiêu chuẩn EN:1992-1-1 39 2.2.4.1 Khả chịu cắt bê tông .39 2.2.4.2 Điều kiện hạn chế 40 2.2.4.3 Khả chịu cắt cốt thép đai 41 2.2.4.3.1 Khả chịu cắt cốt thép đai 41 2.2.4.3.2 Thiết kế cốt thép chịu cắt 41 2.3 Tính tốn kết cấu BTCT bằng phương pháp số .42 2.3.1 Cơ sở khoa học 42 2.3.2 Phương pháp phân tích PTHH 45 2.3.2.1 Giới thiệu chung 45 2.3.2.2 Mơ hình hố PTHH .45 2.3.2.2.1 Mơ hình hố hình học 46 2.3.2.2.2 Mơ hình hố vật liệu 47 2.3.2.2.3 Mơ hình hoá liên kết 47 2.3.2.2.4 Mơ hình hố tải trọng 48 2.4 Ứng dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu BTCT 48 2.4.1 Một số phần mềm ứng dụng điển hình 48 2.4.1.1 ABAQUS 48 2.4.1.2 DIANA 49 2.4.1.3 ATENA .49 2.4.2 Lựa chọn phần mềm mô 49 2.4.3 Mơ hình PTHH với phần mềm ABAQUS 50 2.4.3.1 Mơ hình vật liệu bê tông .50 2.4.3.2 Mơ hình vật liệu cốt thép 52 2.4.3.3 Mơ hình bám dính bê tơng cốt thép .52 2.4.3.4 Mơ hình phần tử bê tơng cốt thép 52 2.5 Kiểm định kết tính tốn bằng phần mềm ABAQUS 54 2.6 Nhận xét chương 55 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56 3.1 Giới thiệu chung 56 3.2 Mẫu thí nghiệm .57 3.2.1 Mục tiêu tham số thí nghiệm 57 3.2.2 Mẫu thí nghiệm kích thước vật liệu .58 3.3 Các bước thí nghiệm .61 3.4 Kết thí nghiệm 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 Kiến Nghị 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tham số vật liệu bê tông sử dụng ABAQUS……… ……….51 Bảng 2.2: Sự biến thiên ngẫu nhiên tham số vật liệu……… ………….51 Bảng 3.1: Các thơng số mẫu thí nghiệm…………………… …………57 Bảng 3.2: Bảng cấp phối bê tông…………………………… …………… 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quy trình sản xuất nhựa tái chế PE Hình 1.2: Các loại hạt nhựa tái chế Hình 1.3: Sử dụng nhựa tái chế để lát mặt đường Hà Lan Hình 1.4: Mơ hình MR6 sử dụng nhựa tái chế Cumbira, Anh 10 Hình 1.5: Nga áp dụng cơng nghệ biến rác thải thành xăng dầu 10 Hình 1.6: Công nghệ sinh học tái chế nhựa PET Áo 11 Hình 2.1: Biểu đồ lực – chuyển vị ứng xử chiều 16 Hình 2.2: Ứng xử mẫu bê tông chịu kéo 17 Hình 2.3: Thí nghiệm nén mẫu bê tơng hình trụ 18 Hình 2.4: Bê tơng bị kéo nén ba trục 19 Hình 2.5: Bê tơng chịu kéo nén trục a) Các kết thí nghiệm Kupfer (1973), Von Mier (1986); b) Giới hạn chảy lý tưởng 20 Hình 2.6: Thí nghiệm kéo mẫu thép có chiều dài tự 750mm 20 Hình 2.7: Quan hệ dính bám bê tông cốt thép 21 Hình 2.8: Sơ đồ nội lực tiết diện nghiêng với trục dọc cấu kiện bê tông cốt thép tính tốn độ bền chịu lực cắt 24 Hình 2.9: Sơ đồ dầm chịu tải trọng phân bố 25 Hình 2.10: Sơ đồ tính tốn dầm chịu tải tập trung 27 Hình 2.11: Mơ hình dàn với góc nghiêng 450 29 Hình 2.12: Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông vùng nứt chịu nén 30 Hình 2.13: Cân bằng theo trị số ứng suất trung bình 31 Hình 2.14: Cân bằng theo ứng suất cục vết nứt 32 Hình 2.15: Một số PTHH thông dụng 46 Hình 3.1: Mặt cắt dầm sử dụng cốt sợi 0% 59 Hình 3.2: Mặt cắt dầm sử dụng cốt sợi 1% 59 Hình 3.3: Mặt cắt dầm sử dụng cốt sợi 1.5% 60 Hình 3.4: Mặt cắt dầm sử dụng cốt sợi 2.5% 60 Hình 3.5: Mặt cắt dầm sử dụng cốt sợi 3% 61 Hình 3.6: Mơ hình thí nghiệm thể điểm đặt lực dầm cốt nhựa 0% 61 Hình 3.7: Mơ hình thí nghiệm thể điểm đặt lực dầm cốt nhựa 1% 62 64 Dựa vào mơ hình ta chia lực tập trung P thành lực nhỏ tác dụng vào dầm bê tông cốt thép Sử dụng lực tập trung dầm thể rõ vết nứt so với lực phân bố Và mơ hình dầm sử dụng cốt nhựa 0% bình thường dùng để so sánh vết nứt tạo từ xem xét khả chịu lực dầm BTCT gia cơờng bằng cốt sợi nhựa PE Các bước chuẩn bị: - Sử dụng cốt dọc 10 cốt đai  6a100 cho dầm bê tơng cốt thép có kích thước 80x150x1200 mm - Lần lượt gia cường bê tông bằng cách cho thêm cốt sợi nhựa PE vô với tỉ lệ lần lơợt 0%, 1%, 1.5%, 2.5% 3% (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.11: Cớt thép sử dụng cho các dầm BTCT nghiên cứu (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.12: Hình ảnh tác giả làm khung dầm thép 65 Tiếp tục sử dụng ván nhựa để làm khung để đổ dầm bê tơng cốt thép Đóng khn có kích thước chuẩn dầm 80x150x1200 mm để gắn cốt thép sau đổ bê tơng (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.13: Cố định cốt thép trước đổ bê tông Lưu ý: đổ bê tơng cần phải chêm đế cho khoảng cách lớp bê tông bảo vệ 15mm đặc biệt phải đầm tay để bê tông không bị rỗ (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.14: Quá trình đở bê tơng làm mặt cho mẫu dầm 66 Các dầm thi cơng theo trình tự hình đổ bê tơng q trình làm phẳng bề mặt dầm BTCT (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.15: Dầm BTCT sau dỡ khn Dầm sau đổ xong phủ bao bố tưới nước thường xuyên, sau ngày dỡ khn hình 3.16 sau dùng mẫu để bao bố tưới nước để đảm bảo đủ cường đô bê tông Các dầm đánh dấu để phân biệt đầu mẫu dầm gia cường thêm cốt sợi PE để q trình nén mẫu xác khơng bị nhầm tổ hợp mẫu dầm 67 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.16: Thí nghiệm dầm bê tơng gia cường cớt đai xiên Thí nghiệm uốn thực bằng máy nén thủy lực với sơ đồ dầm điểm Tải trọng phân vị trí 1/3 chiều dài dầm Hình 3.15 ghi lại trạng thái thí nghiệm dầm có độ võng quan sát bằng mắt thường cách dễ dàng Và hình máy nén Trường Đại Học Lạc Hồng Khoa Kỹ Thuật Công Trình Trong trình nén mẫu để lấy số liệu thể trực quan vết nứt dùng máy hình 3.15 3.4 Kết quả thí nghiệm Từ hình ảnh 3.17 thí nghiệm ta thấy dầm bắt đầu phá hoại khoảng 15KN Khi vùng bụng bê tông bắt đầu xuất số vết nứt lan rộng Vì lần nghiên cứu quan tâm đến cốt sợinên không bố trí thép dọc bụng để tăng khả chịu uốn bụng dầm Và tới khoảng 32KN bên bụng dầm bắt đầu xuất vết nứt xiên 68 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.17: Thí nghiệm nén tổ hợp dầm không sử dụng cốt sợi polyetylen Các vết nứt xuất lực cắt tạo dầm Nhìn tổng quan vết nứt đẹp, vết nứt xiên lực cắt xuất phát từ điểm đặt lực phía dầm hướng xuống với góc khoảng 450 50 45 Tải trọng (KN) 40 35 30 25 20 15 M0-1 10 M0-2 M0-3 0 10 12 Chuyển vị của dầm vị trí giữa nhịp (mm) 14 16 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm phụ thuộc vào tải trọng M0 Biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm tải trọng tác dụng vào dầm Hình 3.18 Các mẫu dầm M0 sử dụng cốt đai bình thường cho thấy mẫu dầm tương đối Chuyển vị lớn tổ hợp dầm M0 khoảng 14mm 69 a) Thí nghiệm phá hoại dầm M1-1 b) Thí nghiệm phá hoại dầm M1-2 c) Thí nghiệm phá hoại dầm M2-3 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.19: Thí nghiệm nén tở hợp dầm cốt sợi nhựa polyerylen 1% Trạng thái phá huỷ dầm sử dụng cốt sợi nhựa tổng hợp polyetylen 1% có khác biệt so với sử dụng cốt đai bình thường Ở bụng vết nứt giống xuất khoảng 22-24KN vết nứt xiên phải tới 30KN mẫu dùng cốt xiên bắt đầu có vết nứt xiên Qua thấy phần gia cường bằng cốt nhựa polyetylen 1% tăng khả chịu uốn cấu kiện dầm BTCT Để giải thích cho dạng phá hủy này: - Ngẫu lực mô men gây gia tải Dưới tác dụng tải trọng, kết cấu bị uốn cong theo hướng xuống 70 - Bê tông phần chịu nén cốt thép gia cường bê tông phần chịu kéo Hai loại lực ngược chiều gây lực trượt bê tông Tại vị trí gần gối có lực cắt lớn, lực gây trượt lớn - Cũng lực ngược chiều định đến trạng thái ứng suất bê tông mà cụ thể trạng thái ứng suất có phương xiên Khi ứng suất kéo lớn cường độ chịu kéo bê tơng, tạo vết nứt xiên Vết nứt tiếp tục phát triển theo gia tăng tải trọng 45 40 Tải trọng (KN) 35 30 25 20 15 M1-1 10 M1-2 M1-3 0 10 12 Chuyển vị của dầm vị trí giữa nhịp (mm) 14 16 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm phụ thuộc vào tải trọng mẫu M1 Các quan hệ chuyển vị – tải trọng mẫu dầm BTCT thể hở hình 3.20 Ở thể dầm gia cường bằng cốt nhựa polyetylen 1% dầm thể miền chảy dẻo lớn có chuyển vị tới hạn gần 15mm Ở trạng thái này, dầm có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với chiều dài 1.25% Tải trọng lớn mà dầm M2-1 chịu 42.4KN, vết nứt xiên tác động lực cắt gây phải tới 30KN xuất vết nứt Qua thấy khả chịu lực uốn cốt nhựa polyetylen sử dụng 1% cao so với sử dụng cốt đai bố trí bình thường 71 Tuy nhiên qua biểu đồ hình ảnh thí nghiệm phía ta thấy sử dụng 1% chuyển vị khả chịu uốn cấu kiện có tăng lên khả chịu cắt có dấu hiệu giảm a) Thí nghiệm phá hoại dầm M2-1 b) Thí nghiệm phá hoại dầm M2-2 c) Thí nghiệm phá hoại dầm M2-3 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.21: Thí nghiệm nén tở hợp dầm cớt sợi nhựa polyerylen 1.5% So sánh mẫu nén tổ hợp dầm M2 sử dụng cốt nhựa polyetylen 1.5% ta thấy vết nứt bụng bắt đầu có gần 40 KN để xuất vết nứt xiên lên 31 KN Qua cho thấy rõ sợi nhựa polyetylen có cường độ chịu uốn cao, sử dụng thêm 1.5% sợi polyetylen làm tăng đáng kể khả chịu uốn Mặc dù khả chịu cắt cấu kiện giảm đi, yếu tố nên cân nhắc sủ dụng thêm cốt sợi nhựa vô cấu kiện BTCT cần tăng khả chịu uốn số cấu kiện sàn hay dầm 72 40 35 Tải trọng (KN) 30 25 20 15 M2-1 10 M2-2 M2-3 0 10 12 14 16 18 Chuyển vị của dầm vị trí giữa nhịp (mm) (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm phụ thuộc vào tải trọng mẫu M2 Từ biểu đồ tải trọng chuyển vị ta thấy kết thí nghiệm tổ hợp dầm M2 gia cơờng bằng cốt nhựa polyetylen 1.5% hình ba kết đểu gần giống Chuyển vị dầm đểu đạt 15mm Tải trọng gây nứt bụng mẫu dầm M2 đạt 30KN Tuy nhiên khả chịu uốn mẫu M2 cao mẫu M1 M0 Để gây nứt xéo tác dụng lực cắt phải tới 36-40KN Như vậy, khả chịu uốn cấu kiện tăng lên, vết nứt dần bé sợi polyetylen làm tăng khả chịu uốn Nhưng vết nứt xiên tăng lên khả chịu cắt cất kiện có phần giảm Cũng qua hình ảnh biểu đồ quan hệ lực chuyển vị tổ hợp mẫu M2 trạng thái chảy dẻo thép bê tơng có phần bằng 73 a) Thí nghiệm phá hoại dầm M3-1 b) Thí nghiệm phá hoại dầm M3-2 c) Thí nghiệm phá hoại dầm M3-3 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.23: Thí nghiệm nén tở hợp dầm cớt sợi nhựa polyerylen 2.5% Tại thời điểm phá hoại dẩm gần vết nứt xiên hai bên, vết nứt bụng nhỏ nhiều so với bê tơng bình thường Trong trường hợp tổ hợp mẫu dầm M3 dầm gần xố bỏ lực uốn gây Cũng hình kết thí nghiệm cịn cho thấy vết nứt bụng vết nứt xiên rõ rệt 74 40 35 Tải trọng (KN) 30 25 20 15 M3-1 10 M3-2 M3-3 0 10 12 14 16 Chuyển vị của dầm vị trí giữa nhịp (mm) 18 20 (Nguồn: Tác giả nghiên cứu) Hình 3.24: Biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm phụ thuộc vào tải trọng M3 Dựa vào biểu đồ hình 3.24 ta thấy sử dụng cốt sợi nhựa tổng hợp Polyetylen chuyển vị mẫu tăng lên mẫu dẩm khác