Nghiên cứu ứng xử cơ điện của bê tông tính năng cao dưới tải trọng uốn trùng phục

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN TẤN DUY

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ-ĐIỆN CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO DƯỚI TẢI TRỌNG UỐN TRÙNG PHỤC

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

Mã số: 8 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Duy Liêm

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Lê Bá Khánh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đặng Đăng Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Lê Anh Thắng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Chủ tịch

2 PGS.TS Lê Văn Phúc Thư ký

3 PGS.TS Đặng Đăng Tùng Phản biện 1

4 PGS.TS Lê Anh Thắng Phản biện 2

5 TS Đỗ Thành Chung Uỷ viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN TẤN DUY MSHV: 2170826

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1998 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 8 58 02 05

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử cơ-điện của bê tơng tính năng cao

dưới tải trọng uốn trùng phục (Study on electromechanical behavior of high-performance fiber-reinforced concrete under flexure with repetitive loading)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Làm rõ tính chất thơng minh tự cảm biến trong giai đoạn đàn hồi của bê tơng tính năng cao thơng qua ứng xử của điện trở dưới tải trọng uốn trùng phục ở cả vùng chịu nén và vùng chịu kéo của mẫu thí nghiệm

2 Đề xuất một mơ hình để xác định hệ số cảm biến thông qua ứng xử cơ-điện của bê tơng tính năng cao dưới tác dụng của tải trọng uốn trùng phục trong giai đoạn đàn hồi

3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất thơng minh tự cảm biến của bê tơng tính năng cao

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/8/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Duy Liêm, TS Lê Bá Khánh

Tp HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 (Họ tên và chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hỗ trợ tài chính từ Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) dưới dự án có mã số 107.01-2021.69 Trước hết, em xin gửi lời tri ân chân thành đến người thầy PGS.TS Nguyễn Duy Liêm và thầy TS Lê Bá Khánh đã gợi mở và định hình ý tưởng ban đầu cho đề tài này cũng như kiểm tra khối lượng nghiên cứu, tính mới của đề tài

Em muốn gửi lời tri ân đến quý Thầy (Cô) thuộc bộ môn Cầu Đường, khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức giá trị trong chuyên ngành Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các phòng ban trong trường đã cung cấp và hỗ trợ điều kiện cũng như cơ sở vật chất, trang thiết bị trong suốt quá trình học tập tại trường Và cuối cùng, lòng biết ơn sâu sắc của em tặng cho gia đình, bạn bè, đặt biệt là các bạn trong lớp Cao học luôn ln ủng hộ trong suốt q trình học tập và làm việc tại trường

Luận văn thạc sĩ được hoàn thành trong khung thời gian quy định với sự dốc lòng của bản thân em, nhưng em thừa nhận rằng luận văn này vẫn có thể chứa đựng những lỗi sai Em mong nhận được sự thấu hiểu và những góp ý q báu từ q Thầy (Cơ) cũng như tất cả các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu và đánh giá tính chất thơng minh tự cảm biến của bê tơng tính năng cao, viết tắt là HPFRC (high-performance fiber-reinforced concrete) khi chịu tác dụng tải trọng uốn trùng phục dựa trên các thí nghiệm Bốn loại HPFRC được chế tạo từ một loại vữa bê tông giống nhau nhưng sử dụng các loại sợi thép không giống nhau để gia cường: bê tông không gia cường sợi thép (gọi tắt là HPFRC0), bê tông được gia cường sợi thép to với hàm lượng 1,5% theo thể tích (gọi tắt là HPFRC1), bê tông được gia cường sợi thép nhỏ với hàm lượng 1,5% theo thể tích (gọi tắt là HPFRC2) và bê tông dùng sợi thép hỗn hợp gồm hàm lượng 1,0% sợi to kết hợp 0,5% sợi nhỏ theo thể tích (gọi tắt là HPFRC3) Tất cả mẫu uốn HPFRC

có cùng hình dạng lăng trụ với kích thước 40×40×160 mm3 (rộng×cao×chiều dài)

Tất cả các mẫu HPFRC được thí nghiệm theo sơ đồ uốn ba điểm, với ba mức biên độ tải lặp khác nhau trong giai đoạn đàn hồi Đầu tiên, tính chất tự cảm biến của tất cả

mẫu thí nghiệm HPFRC được phân tích dựa trên sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ (FCR

) trong suốt q trình áp tải thí nghiệm Kết quả chỉ ra rằng những loạt mẫu HPFRC có tính chất tự cảm biến cực kì tốt khi chịu tác động của tải trọng lặp Khi tỷ lệ ứng suất mỏi gia tăng từ 0,15 lên 0,5 thì tính chất tự cảm biến của tất cả bê tông HPFRC

cho thấy chiều hướng giảm dần Chỉ số của sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ (FCR) tại

Trang 6

ABSTRACT

The thesis deals with the self-sensing characteristic of high-performance fiber-reinforced concretes (HPFRCs) under bending with cyclic loading through the experimental produce Four series of the studied HPFRCs have same concrete mixture but unlike added fiber properties as follows: HPFRC0 (embedded no fiber with 0.0% by volume content), HPFRC1 (embedded macro hooked fiber with 1.5% by volume content), HPFRC2 (added micro smooth fiber with 1.5% by volume content), and HPFRC3 (added hybrid fiber system containing 1.0% by volume macro hooked fiber and 0.5% by volume micro smooth fiber) Firstly, all bending specimens

with their same dimension of 40 x 40 x 160 mm3 (width x depth x length) were tested

under three-point bending (3PB) using three unlike repeated loading amplitudes within the elastic phase The self-sensing characteristic of examined HPFRCs was explored through their electromechanical behavior The self-sensing characteristic of the examined HPFRCs was assessed through the fractional change in electrical

resistance (FCR) during loading The results showed that all HPFRC series clearly

exhibited self-sensing ability under flexure with repetitive loading The self-sensing ability of all HPFRC series decreased with the increase in the ratio of fatigue stress

changing from 0.15 to 0.5 The FCRvalue at the compressive zone raised, whereas

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Em cam kết rằng công việc này được tiến hành bởi chính em thơng qua sự chỉ dẫn và giám sát của thầy PGS.TS Nguyễn Duy Liêm cùng thầy TS Lê Bá Khánh

Tất cả số liệu, hình ảnh và nhận định trong nghiên cứu này là hồn tồn khơng ngụy tạo và không xuất hiện trong các dự án nghiên cứu khác

"Em cam kết chịu trách nhiệm pháp lý về cơng việc mà mình đã thực hiện

Tp HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH viiiDANH MỤC BẢNG BIỂU xMỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xiCHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 11.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

1.4.1 Cách tiếp cận 4

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện 4

1.5.1 Nội dung nghiên cứu 4

1.5.2 Tiến độ thực hiện 5

1.6 Đóng góp của nghiên cứu 5

1.6.1 Đóng góp về mặt học thuật 5

1.6.2 Đóng góp về mặt thực tiễn 5

1.7 Bố cục của luận văn 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 6

2.1 Tổng quan về bê tơng tính năng cao 6

2.2 Cơ sở lý thuyết 7

Trang 9

2.2.2 Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp 9

2.3 Tổng quan về khả năng thông minh tự cảm biến của HPFRC 11

2.3.1 Nghiên cứu về tính chất tự cảm biến của HPFRC trên thế giới 11

2.3.2 Nghiên cứu tính chất thơng minh tự cảm biến của HPFRC tại Việt Nam 13

2.4 Nhận xét từ kết quả nghiên cứu tổng quan 14

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM 15

3.1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm 15

3.1.1 Xi măng 17

3.1.2 Tro bay 18

3.1.3 Muội silic 20

3.1.4 Cát thạch anh 22

3.1.5 Phụ gia siêu dẻo 23

3.1.6 Nước 24

3.1.7 Sợi thép gia cường 25

3.2 Qui trình trộn và chuẩn bị mẫu thí nghiệm 27

3.2.1 Qui trình trộn HPFRC 27

3.2.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 28

3.2.3 Gia công mài mẫu và lắp đặt các điện cực 30

3.3 Thiết lập thí nghiệm 33

3.3.1 Thí nghiệm đo điện trở của bê tơng HPFRC dưới tải trọng uốn lặp 33

3.3.2 Thí nghiệm đo điện trở của HPFRC với các mức nhiệt độ khác nhau 37 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 39

4.1 Ứng xử cơ-điện của HPFRC khi chịu tải trọng lặp 39

4.2 Sự phụ thuộc vào tỷ số ứng suất mỏi đối với thông số cơ-điện của HPFRC 49 4.3 Phát triển mơ hình xác định hệ số cảm biến của bê tông HPFRC 53

4.4 Ứng xử của điện trở suất của HPFRC dưới các mức nhiệt độ khác nhau 56

Trang 10

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

5.1 Kết luận 65

5.2 Kiến nghị 65

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ 73

Trang 11

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Thành phần chính hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến 2

Hình 1 2 Lắp đặt hệ thống cảm biến tại cơng trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1] 2

Hình 2 1 Ứng xử kéo uốn điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng tĩnh 8

Hình 2 2 Phân bố mơ men - độ cong và lực cắt - biến dạng trượt của dầm HPFRC 9 Hình 2 3 Đường cong mỏi điển hình của vật liệu 11

Hình 3 1 Sơ đồ thể hiện quy trình thí nghiệm trong luận văn này 16

Hình 3 2 Ảnh chụp xi măng INSEE PC40 sử dụng trong nghiên cứu 18

Hình 3 3 Ảnh chụp tro bay 19

Hình 3 4 Ảnh chụp muội silic 21

Hình 3 5 Ảnh chụp cát trắng 22

Hình 3 6 Ảnh chụp phụ gia ADVA CAST 512 dùng trong luận văn 23

Hình 3 7 Ảnh chụp nước sử dụng trong luận văn 24

Hình 3 8 Ảnh chụp sợi thép dùng trong luận văn 25

Hình 3 9 Minh hoạ qui trình trộn vật liệu HPFRC 28

Hình 3 10 Kích thước mẫu uốn HPFRC 29

Hình 3 11 Chuẩn bị ván khn và chế tạo mẫu 29

Hình 3 12 Máy mài và cơng tác làm phẳng bề mặt mẫu trước khi thí nghiệm 30

Hình 3 13 Băng đồng dùng tạo điện cực 31

Hình 3 14 Keo dẫn điện dùng dán băng đồng 31

Hình 3 15 Chi tiết mẫu thí nghiệm sau khi lắp đặt các điện cực 32

Hình 3 16 Máy Dynamic Testing System dùng uốn mẫu dưới tải lặp 34

Hình 3 17 Đồng hồ đo vạn năng Fluke 8846A 35

Hình 3 18 Thiết lập thí nghiệm đo điện trở của HPFRC dưới tải trọng lặp 35

Hình 3 19 Hình dạng tải trọng trùng phục dùng trong thí nghiệm uốn 36

Hình 3 20 Thí nghiệm đo điện trở của HPFRC ứng với các cấp nhiệt độ thay đổi 38 Hình 4 1 Tính chất cơ-điện của HPFRC0 dưới tải trọng lặp 45

Hình 4 2 Tính chất cơ-điện của HPFRC1 khi chịu tải trọng lặp 46

Hình 4 3 Tính chất cơ-điện của HPFRC2 khi chịu tải trọng lặp 47

Trang 12

Hình 4 5 Ảnh hưởng của tỷ số ứng suất mỏi đến biên độ điện trở của các HPFRC 50

Hình 4 6 Ảnh hưởng của tỷ số ứng suất mỏi đến thông số FCR của các HPFRC 51

Trang 13

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Bảng tiến độ tiến hành nghiên cứu trong Luận văn 5

Bảng 3 1 Cấp phối vật liệu HPFRC theo tỉ lệ trọng lượng 17

Bảng 3 2 Tính chất cơ lý của xi măng INSEE PC40 18

Bảng 3 3 Tính chất của tro bay 20

Bảng 3 4 Tính chất của muội silic 22

Bảng 3 5 Tính chất của cát trắng 23

Bảng 3 6 Tính chất của phụ gia ADVA CAST 512 24

Bảng 3 7 Tiêu chuẩn về tính chất nước sử dụng trong thí nghiệm 25

Bảng 3 8 Thơng số sợi thép nhỏ 26

Bảng 3 9 Thông số sợi thép to 26

Bảng 3 10 Tổng hợp tổ hợp mẫu thử 33

Bảng 3 11 Thông số tải trọng dùng trong nghiên cứu này 37

Bảng 4 1 Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC0 từ thí nghiệm 40

Bảng 4 2 Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC1 từ thí nghiệm 42

Bảng 4 3 Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC2 từ thí nghiệm 43

Bảng 4 4 Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC3 từ thí nghiệm 44

Trang 14

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt

ASTM : Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ

(American Society for Testing and Materials)

DC : Dòng điện một chiều (Direct Current)

DTS : Máy thí nghiệm động (Dynamic Testing System)

EN : Tiêu chuẩn của Châu Âu (European Norms)

FCR : Sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ (Fraction Change Resistivity)

HPC : Bê tông hiệu suất cao (High Performance Concrete)

HPFRC : Bê tông tính năng cao (High Performance Fiber Reinforced

Concrete)

HSC : Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete)

LOP : Giới hạn tuyến tính (Limit of Proportionality)

MOR : Điểm phá hoại (Modulus of Rupture)

N/X : Tỷ lệ nước / xi măng

NC : Bê tông thường (Normal Concrete)

SHM : Quan trắc sức khỏe cơng trình (Structural Health Monitoring)

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

UHPFRC : Bê tông cốt sợi hiệu suất cực cao (Ultra high Performance

Fiber Reinforced Concrete)

Ký hiệu

LOP

 : Độ võng tại LOP

LOP

f : Cường độ chịu uốn tại LOP

OR

M

 : Độ võng tại MOR

MOR

f : Cường độ chịu uốn tại MOR

L : Chiều dài nhịp

b : Chiều rộng tiết diện ngang của mẫu uốn

h : Chiều cao tiết diện ngang của mẫu uốn

MOR

Trang 15

MOR

M : Mô men tại MOR

V

 : Độ võng do lực cắt

M

 : Độ võng do mô men

LOP

P : Tải trọng tại LOP

LOP

 : Độ cong của dầm tại LOP

MOR

 : Độ cong của dầm tại MOR

/

h L : Tỷ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp của mẫu

 : Hệ số Poisson

N : Số chu kỳ tải trọng khi vật liệu bị phá hoại

a

f : Một nửa của tổng phạm vi ứng suất mỏi

maxf : Ứng suất mỏi lớn nhất minf : Ứng suất mỏi nhỏ nhất R : Hệ số sửa đổi maxf

 : Biên độ ứng suất mỏi

max/ MOR

ff

 : Tỷ số giữa biên độ ứng suất mỏi và cường độ uốn tại MOR

min

P : Tải trọng lặp tối thiểu

Trang 16

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Đối với các cơng trình dân dụng và cơ sở hạ tầng hiện đại như cầu lớn, toà nhà cao tầng, đập thuỷ lợi…, việc theo dõi sức khỏe kết cấu, gọi tắt là SHM (structural health monitoring), đóng một vai trị thiết yếu trong q trình khai thác Mục đích của công tác SHM là giúp xác định các nguy cơ xuống cấp, mức giảm khả năng chịu lực của công trình trong suốt thời gian sử dụng và khai thác Việc theo dõi sức khỏe của cơng trình khơng chỉ giúp nhận diện các hư hỏng của kết cấu mà còn cung cấp dữ liệu quý giá về ứng xử và hiệu suất vận hành của cơng trình tại thời điểm cụ thể Điều này bao gồm việc xác định sự tiến triển của các hư hỏng, mức độ giảm chất lượng kết cấu, đánh giá hiệu quả hoạt động thực tế của kết cấu và phản đoán ứng xử của nó trong các tình huống bất thường hoặc sự cố Dựa vào những thơng tin này, cơng trình có thể được đề nghị giảm tải, lập kế hoạch cho việc duy tu, sửa chữa đúng lúc, bảo dưỡng, và thậm chí là thay thế, nhằm đảm bảo cơng trình hoạt động một cách ổn định

và an toàn, hoặc đề xuất phương pháp thiết kế xây dựng mới cơng trình

Trang 17

Hệ thống cápBộcảm biến Thiết bị điện tửCác đầu thu nhận tín hiệu Phần cứng và phần mềm máy tính

Hình 1 1 Thành phần chính hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến

Theo Hình 1.1, hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến có 5 thành phần thiết yếu như sau: (1) cảm biến, (2) cáp chuyển tải tín hiệu từ hệ thống các cảm biến về thiết bị thu nhận dữ liệu, (3) các thiết bị điện tử (bộ nhớ, thiết bị xử lý hình ảnh, thiết bị lưu trữ, hệ điều hành và vi xử lý, hệ thống màn hình có chức năng phân tích và truyền tải tín hiệu, (4) các thiết bị thu và nhận tín hiệu được lắp đặt dài hạn để giám sát trong quá trình sử dụng và (5) hệ thống máy tính (phần cứng và phần mềm) đóng vai trị quản lý bộ dữ liệu từ các cảm biến Hình 1.2 thể hiện hệ thống cảm biến thực tế tại

cơng trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1]

Cảm biến (sensors)

Hình 1 2 Lắp đặt hệ thống cảm biến tại cơng trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1]

Trang 18

liên quan đến mơi trường và điều kiện thời tiết, vì vậy theo thời gian sẽ dẫn đến hư hỏng Bên cạnh đó, hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến địi hỏi một qui trình rất phức tạp

Ngày nay, bê tơng tính năng cao gọi tắt là HPFRC (high performance fiber reinforced concretes) là vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực xây dựng vì có nhiều tính chất cơ học ưu việt hơn so với bê tông thông thường (normal concrete, NC) và bê tông cường độ cao, gọi tắt là HSC (high-strength concrete) Bê tông HPFRC mang nhiều đặc điểm cơ học nổi trội, bao gồm: cường độ và độ bền cao, khả năng chống nứt tốt, độ hấp thụ năng lượng rất lớn cùng với đó là tuổi thọ cao Ngồi ra, bê tơng HPFRC cịn được nhận định sở hữu một số đặc tính thơng minh như khả năng tự động phục hồi vết nứt và cảm biến hư hỏng Cơ chế cho tính năng tự cảm biến hư hỏng của HPFRC hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và nứt nẻ của vật liệu với điện trở suất Do đó, việc tính tốn thơng số điện trở suất giúp ta có thể dễ dàng đánh giá các thơng số cơ học được đề cập ở trên Đề tài luận văn sẽ tập trung nghiên cứu ứng xử cơ-điện của bê tông HPFRC chịu tải dụng của tải trọng uốn lặp, đặc biệt là đánh giá tính chất thơng minh tự cảm biến trong miền đàn hồi với nhiều loại cốt sợi gia cường khác nhau Việc hiểu rõ ứng xử cơ-điện của HPFRC sẽ giúp ứng dụng vật liệu bê tông HPFRC trong các dự án thực tế như phát triển hệ thống các tòa nhà cao ốc, hệ thống giao thông, với mục tiêu hướng đến sự phát triển cơng trình xanh và bền vững

1.2 Mục tiêu

Dựa vào chế tạo, tiến hành thí nghiệm và phân tích, nghiên cứu ứng xử cơ-điện và định lượng tính chất tự cảm biến của bê tơng HPFRC dưới tải trọng lặp

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Bê tơng tính năng cao

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Trang 19

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Cách tiếp cận

- Tìm hiểu lý thuyết cơ chế phá hoại của vật liệu bê tơng nói chung dưới tải trọng tĩnh và tải trọng trùng phục;

- Tìm các cơng trình nghiên cứu được xuất bản tại trong và ngoài quốc gia liên quan đến ứng xử cơ - điện của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng lặp;

- Xác minh những khía cạnh và thông tin chưa được làm sáng tỏ, đồng thời xác định những điểm cần được khám phá thêm, dẫn đến việc đặt ra mục tiêu cho nghiên cứu; - Thực hiện các thí nghiệm nhằm chi tiết hóa và xác nhận đặc điểm tự cảm biến của bê tông hiệu suất cao;

- Tiến hành thiết lập mơ hình, cơng thức dự báo các thông số cơ-điện trên cơ sở kết quả thực nghiệm

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Áp dụng phương pháp thống kê và tổng hợp: thu thập dữ liệu, phân loại và đánh giá các nghiên cứu liên quan đến ứng xử cơ-điện của bê tông HPFRC từ Việt Nam và thế giới;

- Áp dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên thí nghiệm: các thử nghiệm được thực hiện trên mẫu thử tại phịng thí nghiệm; dữ liệu thí nghiệm thu được sau đó sẽ được phân tích thống kê để đảm bảo mức độ độ tin cậy mong muốn;

- Sử dụng phương pháp phân tích và đối chiếu: đánh giá và đối sánh kết quả thu thập từ thực nghiệm với những dữ liệu thí nghiệm đã xuất bản trước đó hoặc so với kết quả dựa trên lý thuyết

1.5 Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện 1.5.1 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu và tổng hợp tính chất tự cảm biến của bê tơng HPFRC - Hoạch định tổng thể các thí nghiệm, thiết kế và đúc mẫu thí nghiệm - Thí nghiệm mẫu

- Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm

Trang 20

1.5.2 Tiến độ thực hiện

Bảng 1 1 Bảng tiến độ tiến hành nghiên cứu trong Luận văn

STT Các nội dung, công việc

thực hiện

Thời gian

(số tháng) Người thực hiện

1

Tìm hiểu và tổng hợp tính chất tự cảm biến của bê tông

HPFRC

2 tháng

KS Phan Tấn Duy, PGS.TS Nguyễn Duy Liêm,

TS Lê Bá Khánh 2

Chế tạo và thí nghiệm mẫu 4 tháng KS Phan Tấn Duy

3 Phân tích, kết luận 4 tháng

KS Phan Tấn Duy, PGS.TS Nguyễn Duy Liêm,

TS Lê Bá Khánh

1.6 Đóng góp của nghiên cứu 1.6.1 Đóng góp về mặt học thuật

Cung cấp dữ liệu từ kết quả nghiên cứu cho cộng đồng khoa học về vật liệu Thêm vào đó, những kết quả này cũng sẽ phục vụ như một nguồn tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên trong lĩnh vực xây dựng

1.6.2 Đóng góp về mặt thực tiễn

Cung cấp dữ liệu hữu ích về khả năng tự cảm biến thơng minh của bê tơng tính năng cao khi chịu tải trọng lặp Kết quả nghiên cứu này cũng góp phần vào việc tích hợp đặc tính thơng minh của HPFRC vào hệ thống các toà nhà cao tầng, tiện ích hạ tầng, nhằm tiến tới sự phát triển bền vững và hình thành các đơ thị hiện đại, thông minh

1.7 Bố cục của luận văn

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Thiết lập thí nghiệm

Trang 21

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Tổng quan về bê tơng tính năng cao

Trang 22

2.2 Cơ sở lý thuyết

Luận văn này sử dụng cùng loại bê tông HPFRC đã được nghiên cứu các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, kéo và uốn ở luận văn Thạc sỹ Nguyễn Trí Thơng

[2] Do đó, trong luận văn này chỉ tóm tắt các tính chất cơ học chính của HPFRC sử

dụng để khẳng định bê tông nghiên cứu trong luận văn này là bê tông HPFRC Theo

kết quả nghiên cứu của Nguyễn Trí Thơng [2], mẫu bê tơng tính năng cao hình lăng

trụ trịn, có đường kính d=100 mm và d=150 mm, chiều cao mẫu bằng 2 lần đường kính, chịu tác dụng của tải trọng nén dọc trục lần lượt đạt cường độ chịu nén là

'

79,10

c

f = MPa và fc' =77.42MPa Mẫu bê tơng tính năng cao với rộng × cao ×

chiều dài là 40 × 40 × 160 mm3 dạng lăng trụ (chiều dài nhịp 120 mm) dưới tải trọng

uốn 3 điểm đạt cường độ chịu uốn là fr =36,83MPa Mẫu bê tơng tính năng cao có

dạng hình quả tạ với kích thước làm việc 30 x 50 x 100 mm (chiều dày ×chiều rộng × chiều dài đo) dưới sơ đồ kéo trực tiếp có cường độ chịu kéo và biến dạng tương đối

tại vết nứt đầu tiên (cũng là giới hạn đàn hồi) là cc =3,41 Mpa và cc=0,044% Tại

nứt cuối cường độ kéo phá hoại là pc=9,81 MPa tương ứng với biến dạng kéo tương

đối là pc=0,37%

2.2.1 Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn tĩnh

Dưới tải uốn tĩnh, ứng xử HPFRC có thể là giảm mềm cơ học hoặc tăng cứng cơ học tùy thuộc vào loại và hàm lượng thể tích của sợi được sử dụng trong vữa bê tông

HPFRC [2-4] Tăng cứng cơ học là một trong những tính chất cơ học ưu việt nhất của

vật liệu HPFRC, tính chất này ln đi kèm với nhiều vi nứt xuất hiện trong suốt quá trình gia tăng tải trọng Kết quả là, HPFRC có độ bền cao, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng cực kì lớn Hình 2.1 mơ tả biểu đồ ứng xử tăng cứng cơ học điển hình

của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn tĩnh [5] Theo Hình 2.1, có 2 điểm quan trọng

là A và B: điểm A (LOP, fLOP), là giới hạn đàn hồi (LOP) và được định nghĩa là điểm

xuất hiện vết nứt đầu tiên; điểm B (MOR, fMOR) là đỉnh của đường cong và được định

nghĩa là điểm xuất hiện vết nứt cuối cùng (MOR) [5] Điều kiện để vật liệu tăng cứng

Trang 23

tức là fMOR fLOP Giai đoạn OA là giai đoạn đàn hồi tuyến tính, giai đoạn AB là giai đoạn hình thành các vi nứt và giai đoạn BC là giai đoạn mở rộng vết nứt chủ Mối liên hệ giữa mô men, tải trọng uốn và ứng suất kéo uốn tại MOR lần lượt được xác định theo các phương trình (2.1) và (2.2) dưới sơ đồ uốn 3 điểm Trong phương trình (2.1) và (2.2), thông số L, b và h lần lượt là chiều dài nhịp, chiều rộng và chiều cao

của mẫu thí nghiệm; PMOR là tĩnh tải tập trung lớn nhất; MMOR mô men tại giữa nhịp

ứng với PMOR OR226 32MORMORMMPLfbhbh= = (2.1) 4MORMORPLM = (2.2)

Cần lưu ý rằng, cường độ chịu uốn fMOR được lấy làm thông số đầu vào để xác định

biên độ tải lặp (Pmax) trong nghiên cứu này

Ứng suất kéouốnTăng cứng cơ họcfMORGiảm mềm cơ họcfLOPMOR/LLOP/LfMOR > fLOPĐộ võng tương đối, /LAB CTạo nhiều vi nứtTuyến tínhChưa nứt

A - LOP (giới hạn tuyến tính)B - MOR (điểm phá hoại)

Mở rộng vết nứt

O

Hình 2 1 Ứng xử kéo uốn điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng tĩnh Độ võng của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn ba điểm bao gồm độ võng do lực cắt

(V ) và độ võng do mômen (M) Theo Nguyen và cộng sự [6], biểu đồ của độ cong

và biến dạng trượt phân bố dọc theo dầm của vật liệu HPFRC với ứng xử tăng cứng

cơ học được thể hiện ở Hình 2.2 Độ võng giữa nhịp tại MOR (MOR) được xác định

Trang 24

2OR 222OR2(1 )24 61LOPLOPMMORMORMORMLOPLOPMORPPPPLLhLPP        −  −       +  =  +       + +          (2.3)

Trong đó, PLOPvà PMOR lần lượt là tải trọng tại LOP và MOR; LOPvà MOR là độ cong

của dầm tại LOP và MOR; h L/ là tỷ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp của mẫu; 

là hệ số Poisson M=PL/4PMBiểu đồ M do P

Biểu đồ tại MOR

Do M

L/2L/2

Do V

Biểu đồ V do P

Biểu đồ tại MOR

2OR2OR222241(1)6LOPLOPMMORMORMLOPLOPMORMORMMMMLMMLhL      −  −      =  +++  +   1 /R=Trục trung hoàxdd1 /R=hORMLOPLOPV=P/2V=P/2+-ORMORM+

-Hình 2 2 Phân bố mơ men - độ cong và lực cắt - biến dạng trượt của dầm HPFRC dưới thí nghiệm uốn ba điểm

2.2.2 Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp

Đường cong mỏi với mối quan hệ S−N (xem Hình 2.3), được biết đến với tên gọi

đường cong Wöhler, được áp dụng để phân tích ứng xử mỏi của vật liệu khi chịu tải

Trang 25

hoại, trong khi S được áp dụng theo nhiều dạng khác nhau Dạng điển hình ban đầu

của S liên quan đến thông số fa Thông số fa là biên độ ứng suất (

maxmin

() / 2

a

f = f − f ), với fmax và fmin được kí hiệu là ứng suất mỏi lớn nhất và nhỏ

nhất [7,8] Dạng thứ hai củaS liên quan đến fmax / fMOR [9-11], dạng này theo hàm số tuyến tính, được thể hiện ở phương trình (2.4) Có một số tài liệu đã xuất bản đưa

ra phương trình mỏi với hệ số điều chỉnh (R) R= fmin / fmax Biểu thức tuyến tính

được điều chỉnh bằng hệ số Rđược biểu diễn tại phương trình (2.5) [9, 12-13] Để

sử dụng phương trình (2.5), R có giá trị dao động trong khoảng (0,1), nhưng fmin

hoặc fmax = fmax − fmin phải thay đổi Trong đó, a, b và  là các hệ số liên quan đến tính chất vật liệu max10ORlog ( )MfSa bNf= = + (2.4) max10OR1 (1 ) log ( )MfSRNf = = − − (2.5)

Trong luận văn này, để duy trì ứng suất kéo ở thớ dưới trong quá trình chịu tải trọng lặp, các mẫu thử uốn HPFRC được thiết kế thí nghiệm sao cho fmax> fmin> 0 Thông số S sẽ được sử dụng dưới dạng tỷ số như sau: tử số là biên độ ứng suất mỏi,

max(maxmin)

fff

=− , và mẫu số là cường độ uốn tĩnh tại MOR, như được trình bày

trong biểu thức (2.6)

maxmaxmin

OROR( )MMfffSff −= = (2.6)

Trong đó, fmax là ứng suất uốn lớn nhất và fmin là ứng suất uốn nhỏ nhất dưới tải

Trang 26

kNN0 N0SSkS

Hình 2 3 Đường cong mỏi điển hình của vật liệu

2.3 Tổng quan về khả năng thông minh tự cảm biến của HPFRC 2.3.1 Nghiên cứu về tính chất tự cảm biến của HPFRC trên thế giới

Đặc tính thơng minh tự cảm biến của một số vật liệu làm từ xi măng được các nhà nghiên cứu trên thế giới phát hiện và không ngừng phát triển Để đánh giá khả năng tự cảm biến của vật liệu người ta thường dùng hệ số tự cảm biến, thường được định nghĩa trong mẫu kéo hay nén dọc trục là độ thay đổi điện trở suất tương đối trong 1

đơn vị biến dạng tương đối dọc trục [14,15] Hiện nay thông tin về tính chất thơng

minh tự cảm biến của HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp là có nhưng chưa nhiều Một số nghiên cứu đã làm rõ tính chất tự cảm biến của vật liệu xây dựng chế tạo từ xi măng có thể liệt kê như sau:

- Chen cùng với Chung [14] đã tiến hành đánh giá thực nghiệm về thông số điện trở

suất của bê tông sử dụng sợi cacbon trong thành phần vữa Họ đưa ra kết luận rằng bê tơng có chứa thể tích sợi cacbon (0,2 - 0,5%) có khả năng phát hiện biến dạng trong miền đàn hồi và biến dạng không phục hồi cũng như vết nứt Trong một bài báo khoa học riêng biệt, họ cũng đã xác định được tính chất tự cảm biến của vữa bê tơng

được gia cường sợi cacbon (hàm lượng từ 0,2–4,2%) khi chịu tải trọng kéo [15]

- Wen cùng các đồng tác giả [16] đã đối chiếu tính năng tự cảm biến giữa hai vật liệu

Trang 27

vật liệu gốc xi măng có chứa sợi thép với hàm lượng 0,36% theo thể tích là 1290 khi chịu kéo và 720 khi chịu nén Khi sợi thép gia cường với hàm lượng là 0,72% theo thể tích, hệ số cảm biến đạt đến 4560 khi chịu kéo và 200 khi chịu nén Ngoài ra, tác giả cũng kết luận rằng khả năng cảm biến của vật liệu làm từ xi măng có chứa sợi thép là do sự thay đổi tương tác giữa các sợi thép trong vữa bê tông, trong khi của vật liệu làm từ xi măng có chứa sợi carbon chủ yếu đến từ sự thay đổi tiếp xúc giữa các sợi carbon và vữa bê tông.

- Teomete và Kocyigit [17] đã nghiên cứu mối quan hệ giữa sự thay đổi điện trở và

tải trọng / biến dạng của bê tông gia cường cốt sợi thép phủ đồng thau dài 6 mm dưới tải trọng ép chẻ thông qua phương pháp đo bốn điện cực DC Tác giả chỉ ra rằng điện trở của bê tông này tăng dần khi tăng tải trọng ép chẻ và có hệ số cảm biến cao nhất là 5195, cao hơn gần 2600 lần so với thiết bị đo biến dạng đối với kim loại với hệ số cảm biến là 2

- Banthia cùng các đồng tác giả [18] đã thí nghiệm thơng số điện trở suất của bê tông

được gia cường bằng hai loại sợi thép khác nhau (sợi thép và sợi cacbon) Họ đưa ra phán đoán rằng, khi tăng cường bằng sợi thép và sợi cacbon, điện trở suất của vữa bê tông giảm một cách rõ rệt Hơn nữa, kết quả cho thấy việc bổ sung sợi cacbon vào vữa bê tông mang lại hiệu suất cao hơn so với việc sử dụng sợi thép

- Trong một công trình nghiên cứu riêng biệt, Azhari cùng Banthia [19] đã đưa ra kết

quả về việc kết hợp giữa sợi cacbon và ống nano cacbon, cho thấy khả năng cảm biến được nâng cao hơn so với việc chỉ dùng sợi cacbon, khi tiến hành thí nghiệm nén ở các tốc độ áp tải khác nhau

- Demircilioglu cùng các đồng tác giả [20] đã làm rõ khả năng tự cảm biến của bê

tông được gia cường cốt liệu lớn với đường kính lên tới 15 mm và sợi thép dài 13 mm với đường kính sợi thép là 0,25 mm khi chịu tải trọng nén dọc trục Kết luận từ nghiên cứu cho thấy khả năng cảm biến tăng cao và có sự ảnh hưởng đáng kể hơn khi tăng hàm lượng sợi thép trong hỗn hợp bê tông

- Nguyen cùng các đồng tác giả [21] đã tiến hành thí nghiệm về ảnh hưởng từ sáu loại

Trang 28

gia cường cốt sợi giảm một cách rõ rệt sau khi xuất hiện nứt chủ và có mối liên hệ mật thiết với sự hình thành nhiều vi nứt li ti khi vật liệu này tăng cứng cơ học Thêm vào đó, tất cả các mẫu bê tơng thí nghiệm đều cho thấy hệ số cảm biến dao động trong khoảng 50 - 140 Mẫu thử gia cường bằng sợi thép dài và có độ xoắn tương đối tạo ra hệ số cảm biến cao nhất (giá trị là 140), có nghĩa là khả năng tự cảm biến hư hại cao nhất

- Gần đây, Le cùng các đồng tác giả [22] đã nghiên cứu tính chất tự cảm biến của bê tơng siêu hiệu suất (UHPC) gia cường bằng hai vật liệu khác nhau (sợi thép và xỉ thép) khi chịu tải trọng nén dọc trục Kết quả cho thấy, với sự tăng của ứng suất nén, thông số điện trở suất của UHPC giảm một cách đáng kể.

- Kim cùng các đồng tác giả [23] đánh giá khả năng tự cảm biến của bê tơng cốt sợi

tính năng siêu cao (UHPFRC) gia cường hỗn hợp sợi thép dài, trơn có đường kính là 0,3 mm và chiều dài là 30 mm, và sợi ngắn, trơn có đường kính là 0,2 mm và chiều dài là 19 mm) dưới tải trọng kéo tực tiếp Kết quả cho thấy rằng UHPFRC, với cường độ chịu nén là 180 MPa, thể hiện khả năng tự cảm biến cao nhất với hệ số cảm biến trong giai đoạn đàn hồi (trước vết nứt đầu tiên xảy ra) là 433, trong khi UHPFRC với cường độ chịu nén 152 MPa thể hiện cao nhất khả năng cảm biến hư hỏng với hệ số cảm biến là 73,7 trong giai đoạn từ khi xuất hiện vết nứt đầu tiên đến khi xuất hiện vết nứt cuối cùng

- Sun cùng các đồng tác giả [24] đã thí nghiệm tính chất thơng minh tự cảm biến của

cột bê tông cường độ cao gia cường sợi thép mạ đồng thau với hàm lượng 0,5% theo thể tích khi chịu tác dụng của tải trọng nén lặp Họ kết luận rằng bê tơng nghiên cứu có khả năng thông minh tự cảm biến: bê tông nghiên cứu rất nhạy cảm trong giai đoạn

tuyến tính, nhạy trung bình trong giai đoạn phi tuyến.

2.3.2 Nghiên cứu tính chất thông minh tự cảm biến của HPFRC tại Việt Nam

Trang 29

2.4 Nhận xét từ kết quả nghiên cứu tổng quan

Trang 30

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM 3.1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm

Tất cả các cơng việc thí nghiệm và nghiên cứu trong luận văn này được trình bày chi tiết trong Hình 3.1 Theo Hình 3.1, có hai mục tiêu chính của đề tài nghiên cứu này là: (1) làm rõ ứng xử cơ-điện của bê tơng tính năng cao (HPFRC) dưới tải trọng lặp và (2) khám phá ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến tính chất thơng minh tự cảm biến của HPFRC Vật liệu HPFRC bao gồm 04 loại: bê tông không gia cường sợi thép (gọi tắt là HPFRC0), bê tông được gia cường sợi thép to với hàm lượng 1,5% theo thể tích (gọi tắt là HPFRC1), bê tơng được gia cường sợi thép nhỏ với hàm lượng 1,5% theo thể tích (gọi tắt là HPFRC2) và bê tơng dùng sợi thép hỗn hợp gồm hàm lượng 1,0% sợi to kết hợp 0,5% sợi nhỏ theo thể tích (gọi tắt là HPFRC3) Trong mục tiêu (1), bốn loại bê tông HPFRC0, HPFRC1, HPFRC2 và HPFRC3 lần lượt được áp tải với ba cấp tỉ lệ ứng suất fmax / fMOR như sau: mức 1 vớifmax / fMOR =0,15, mức 2 với

max / MOR 0,30

ff

 = và mức 3 với fmax / fMOR =0,50 Trong mục tiêu (2), có ba mức

nhiệt độ được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến tính chất thơng minh tự

cảm biến của các HPFRC như sau: mức 1 với nhiệt độ 0 oC, mức 2 với nhiệt độ 25

Trang 31

a) Mục tiêu 1 HPFRC0(không sợi)t=0oCĐiện trở suấtĐiện trở suấtHPFRC1(Sợi to, 1.5%)HPFRC2(Sợi nhỏ, 1.5%)HPFRC3(Sợi hỗn hợp, 1.5%)t=25oCt=50oCẢnh hưởng nhiệt độ ?Ảnh hưởng nhiệt độ ?b) Mục tiêu 2

Hình 3 1 Sơ đồ thể hiện quy trình thí nghiệm trong luận văn này

Trang 32

thành phần vật liệu cần tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành Chi tiết cấp phối cho việc

chế tạo mẫu HPFRC được trình bày tại Bảng 3.1 [2,25]

Bảng 3 1 Cấp phối vật liệu HPFRC theo tỉ lệ trọng lượng

Ghi chú: giá trị cường độ nén dùng mẫu lăng trụ trịn có đường kính × chiều cao là

100 × 200 mm [2]

Theo Bảng 3.1, thiết kế thành phần cấp phối bê tơng HPFRC có chứa thành phần xi măng, muội silic, cát thạch anh, tro bay, kết hợp với phụ gia hóa dẻo, nước Vai trị và u cầu của tất cả thành phần vật liệu chế tạo HPFRC sẽ được trình bày chi tiết và được mơ tả qua ảnh chụp thực tế ở phần dưới

3.1.1 Xi măng

Xi măng trong bê tơng giữ một vị trí quan trọng, chiếm khoảng 10 – 25% khối lượng cho mỗi m3 bê tơng Chức năng chính của nó là kết nối các vật liệu cốt với nhau và giúp bê tông đông cứng Khi pha với nước, xi măng tạo ra một hỗn hợp vữa có khả năng linh hoạt và dẻo dai, giúp tạo ra khối bê tông cụ thể Hơn nữa, vữa này khi kết hợp với cốt thép tạo nên các cấu kiện đa dạng Dựa trên loại xi măng, có thể tạo ra nhiều dạng bê tơng khác nhau, ví dụ như xi măng Portland Trong thực tế xây dựng, mỗi cơng trình cần sử dụng các loại bê tơng với tính chất khác nhau, điều này dẫn đến nhu cầu về nhiều chủng loại xi măng Trong bài nghiên cứu này, loại xi măng được chọn để tạo HPFRC là INSEE PC40, được trình bày chi tiết trong Hình 3.2 Bảng 3.5 cung cấp tính chất cơ lý của xi măng INSEE PC40 tuân thủ theo TCVN 2682: 2009 [26]

Xi

măng Muội silic Cát Tro bay

Phụ gia hóa

dẻo Nước Cường độ

nén (MPa)

Trang 33

Hình 3 2 Ảnh chụp xi măng INSEE PC40 sử dụng trong nghiên cứu Bảng 3 2 Tính chất cơ lý của xi măng INSEE PC40

3.1.2 Tro bay

Trong nghiên cứu hiện tại, phụ gia tro bay sử dụng là sản phẩm của nhà máy nhiệt

điện Vĩnh Tân, nằm ở Bình Thuận, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 10302-2014 [27]

Tro than, sau khi qua quy trình nhiệt điện, thường được chia thành hai loại chính: tro thơ và tro mịn Tro thơ bắt nguồn từ việc đốt than ở đáy lò của nhà máy nhiệt điện Còn tro bay, với hạt siêu mịn và cấu trúc tròn, tạo ra bằng cách thổi dòng khí mạnh

Tính chất Mác PC40 Đơn vị

Trọng lượng riêng 3,13 g/cm3

Giới hạn bền nén 3 ngày không nhỏ hơn 22 N/mm2

Giới hạn bền nén 28 ngày không nhỏ hơn

42 N/mm2

Độ tinh khiết

Tỷ lệ cịn lại trên lưới kích thước 0,08 mm Diện tích bề mặt dựa trên kỹ thuật đo Blaine

< 15 >2700

% cm2/g

Thời gian bắt đầu ninh kết < 45 phút

Thời gian kết thúc ninh kết > 375 phút

Trang 34

qua lượng tro, loại bỏ hạt thô và giữ lại phần mịn Khi tro bay đạt chất lượng (với tỷ lệ mất khi nung < 6%), nó có thể kết hợp với xi măng để tạo nên dạng xi măng tro bay, thích hợp cho việc xây lắp các cấu trúc bê tông lớn Tro bay, bên cạnh việc lấp đầy các không gian trống trong bê tơng, cịn giúp tăng tính linh hoạt của bê tông và giảm lượng nước cần thiết do kích thước nhỏ và dạng hạt trịn hồn hảo của nó Thêm vào đó, tro bay giúp kiểm sốt nhiệt độ trong quá trình kết cứng, giảm sự phân lớp và thẩm thấu nước Đặc biệt, khi sử dụng cho bê tông khối lớn, thay thế 15%-30% xi măng trong hỗn hợp bằng tro bay giúp giảm rủi ro nứt nẻ và tăng cường độ Đối với các công trình ngầm hoặc các kết cấu có tiềm năng tiếp xúc với axit, việc thêm tro sẽ

cung cấp khả năng chống axit tăng cường [28,29] Hình 3.3 thể hiện ảnh chụp thành

phần vật liệu tro bay sử dụng để chế tạo HPFRC trong nghiên cứu này Bảng 3.3 tóm tắt tính chất của tro bay (tính chấy hố học và vật lý) Theo Bảng 3.3, thành phần

chính của tro bay là SiO2 và Al2O3 với tổng trọng lượng của chúng nhiều hơn 76%

Ngoài ra, tro bay sử dụng có khối lượng riêng là 2,50 g/cm3 và khối lượng thể tích là

1,41 g/cm3

Trang 35

Bảng 3 3 Tính chất của tro bay Tính chất Giá trị Các thành phần hóa học (%) SiO2 56,26Al2O3 20,03CaO 1,90MgO 1,30Fe2O3 3,49SO3 0,57K2O +Na2O 1,03MKN 9,51Tính chất vật lý

KLR (khối lượng riêng, g/cm3) 2,50

KLTT (khối lượng thể tích, g/cm3) 1,41

3.1.3 Muội silic

Trong đề tài luận văn này, phụ gia muội silic có nguồn gốc mua từ công ty Vi Khanh,

đảm bảo yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 8827: 2011 [30] được sử dụng Muội silic

có tác dụng như một chất Pozzolan trong hoá học Phản ứng Pozzolan là một q trình hóa học diễn ra giữa dioxyt silic (SiO2) (có nồng độ cao >85%) trong muội silic

và Ca(OH)2 sinh ra từ q trình thuỷ hố xi măng Kết quả của phản ứng này là hình

thành gel CSH, một vật liệu có khả năng liên kết chặt chẽ với cốt liệu, đồng thời giảm

lượng Ca(OH)2 không mong muốn trong bê tơng Ca(OH)2, với tính chất yếu, khơng

Trang 36

thay thế cho 3 đến 4 kg xi măng nhưng ít tác động đến thơng số cường độ chịu nén của bê tơng Ở khía cạnh vật lý, muội silic hoạt động như một chất kết dính, chủ yếu là do kích thước hạt của nó nhỏ hơn hạt xi măng từ 100 đến 150 lần Muội silic với tính chất siêu mịn của nó có thể chui vào và lấp đầy những khơng gian rỗng nhỏ trong matrix xi măng, nơi mà nước tự do có thể tồn tại Điều này giúp giảm khả năng của nước tự do trong việc tạo ra lỗ rỗng và ngăn chặn việc thốt nước, từ đó làm giảm

đáng kể tính chất thẩm nước của bê tơng.Hơn nữa, với kích thước siêu nhỏ của muội

silic, nó có thể đi vào những lỗ rỗng vi mơ giữa các hạt xi măng, làm giảm khả năng thấm và tăng cường độ bám dính giữa cốt liệu và hồ xi măng Điều này dẫn đến việc tăng khả năng liên kết giữa vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và hồ xi măng, làm tăng độ bền và độ dẻo của bê tông Như vậy, việc sử dụng muội silic khơng chỉ cải thiện tính chất kỹ thuật của bê tơng mà cịn giúp kéo dài tuổi thọ và độ bền của nó Hình 3.4 thể hiện ảnh chụp thành phần vật liệu muội silic sử dụng để đúc mẫu HPFRC trong nghiên cứu này Bảng 3.4 tóm tắt tính chất kỹ thuật của muội silic Theo Bảng

3.4, muội silic có hàm lượng SiO2 lớn hơn 85% và lượng mất khi nung nhỏ hơn 6%

Trang 37

Bảng 3 4 Tính chất của muội silic

3.1.4 Cát thạch anh

Đối với thành phần bê tông HPFRC, cát trắng được xem như là cốt liệu lớn trong khi muội silic và tro bay đóng vai trị là cốt liệu nhỏ Cần chú ý rằng, cát cho bê tông yêu cầu không bị nhiễm mặn, nhiễm phèn, ít lẫn tạp chất Cát chứa nhiều tạp chất như bụi, bùn, sét… sẽ làm giảm tính kết dính dẫn đến làm giảm cường độ của bê tông do những tạp chất này tạo nên một màng mỏng trên bề mặt cốt liệu ngăn cản sự tiếp xúc giữa xi măng và các cốt liệu khác Trong luận văn này, cát trắng được sử dụng có nguồn gốc Cam Ranh – tỉnh Khánh Hịa của cơng ty UHPC Việt Loại cát này không lẫn tạp chất, đáp ứng quy định hiện hành Hình 3.5 minh họa cát trắng sử dụng để chế tạo HPFRC Bảng 3.5 cung cấp các chỉ tiêu cơ lý của cát trắng Theo Bảng 3.5, cát

trắng dùng trong thực nghiệm có các tính chất sau: trọng lượng riêng 2,65 g/cm3, khối

lượng thể tích của cát trắng là 1,56 g/cm3 với đường kính hạt của cát lớn nhất 1 mm

Hình 3 5 Ảnh chụp cát trắng Hàm lượng SiO2 (%) H% (độ ẩm) LMKN

(lượng mất khi nung) (%)

Tỷ diện (m2/g)

Lớn hơn 85 Nhỏ hơn 3 Nhỏ hơn 6 Khoảng

Trang 38

Bảng 3 5 Tính chất của cát trắng

Tính chất Giá trị

KLR (khối lượng riêng, g/cm3) 2,65

KLTT (khối lượng thể tích, g/cm3) 1,56

Dmax (đường kính hạt lớn nhất, g/cm3) 1,00

3.1.5 Phụ gia siêu dẻo

Trong đề tài luận văn này, phụ gia giảm nước và nhanh ninh kết cao cấp (siêu dẻo) loại ADVA CAST 512 của công ty Vi Khanh được dùng trong thí nghiệm, tuân thủ

yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 8826 – 2011 [31]; ASTM C494 -86 Vai trò của phụ

gia ADVA CAST 512 giúp làm giảm lượng nước nhào trộn, tăng cường tính linh động của vữa bê tơng và đặc biệt không gây ra tác động tiêu cực về mặt cơ học của bê tơng Hình 3.6 thể hiện phụ gia ADVA CAST 512 sử dụng trong luận văn này để chế tạo HPFRC Bảng 3.6 tóm tắt các thông số kỹ thuật của phụ gia ADVA CAST 512 Theo Bảng 3.6, phụ gia dùng trong thực nghiệm có khối lượng thể tích thay đổi

trong khoảng từ 1,19 đến 1,22 g/cm3

Trang 39

Bảng 3 6 Tính chất của phụ gia ADVA CAST 512

Chỉ tiêu cơ lý Giá trị

Nguồn gốc về hóa học NFS

(Naphtalen Formadehyt Sulfonat)

Hàm lượng dùng 0,6 – 2 trên 100 kg xi măng

KLTT (khối lượng thể tích, g/cm3) Từ 1,19 đến 1,22

3.1.6 Nước

Nước dùng trong luận văn này là nước thủy cục, đáp ứng tiêu chuẩn nêu trong Bảng

3.7 theo tiêu chuẩn TCVN 4506 – 2012 [32] Yêu cầu của nước dùng trộn hỗn hợp

hồ vữa bê tông không lẫn tạp chất vượt quá giới hạn cho phép Độ bền và độ kết dính của hồ vữa và các cốt liệu hoặc thời gian tĩnh định và đóng rắn của bê tơng có thể bị ảnh hưởng khi sử dụng nước có lẫn nhiều tạp chất Hình 3.7 thể hiện ảnh chụp của nước sử dụng để trộn vật liệu HPFRC Hàm lượng tối đa cho phép của muối hịa tan

trong nước trộn bê tơng và vữa theo TCVN 4506:2012 [32] được cung cấp trong Bảng

3.7

Trang 40

Bảng 3 7 Tiêu chuẩn về tính chất nước sử dụng trong thí nghiệmVai trịHàm lượng lớn nhất Muối hòa tan Ion sunfat (SO4-2) Ion clo (Cl-) Cặn không tan Nước trộn dùng trong bê tông và vữa

bơm giúp bảo vệ cốt thép của các kết cấu bê tông được ứng lực trước

2 000 600 350 200

Nước dùng để trộn bê tông và vữa sử dụng trong việc chèn mối nối của các kết cấu bê tông cốt thép

5 000 2 000 1 000 200

Nước được sử dụng để trộn bê tông dành cho các kết cấu không sử dụng cốt thép Nước dùng trong việc trộn vữa cho công việc xây dựng và trát bề mặt

10 000 2 700 3 500 300

3.1.7 Sợi thép gia cường

Sợi thép gia cường sử dụng trong nghiên cứu này đảm bảo yêu cầu theo TCVN

12392-1 [33]; ASTM A820/A820M-04; EN 14889-1 Có 2 loại sợi thép có hình dạng khác

nhau được gia cường trong vật liệu HPFRC bao gồm sợi thép nhỏ và sợi thép to Sợi thép nhỏ là loại sợi thẳng có hàm lượng trộn 1.5 % theo thể tích như thể hiện ở Hình 3.8a Sợi thép to có hai đầu móc với hàm lượng trộn 1.5% theo thể tích như mơ tả trong Hình 3.8b Bảng 3.8 và 3.9 lần lượt cung cấp tính chất của hai loại sợi này

df=0.2mm, lf=13mmdf=0.5mm, lf=35mm

a) Sợi thép nhỏ b) Sợi thép to