Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất của bê tông sợi polymer trong kết cấu bê tông cốt thép

MỤC LỤC Trang i Lời cam đoan Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình đồ thị iv Danh mục bảng V Danh mục từ viết tắt vi Chương 1: TỎNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tình hình phát triển việc nghiên cứu ứng dụng bê tông sợi polymer kểt cấu bê tông giới 1.2.1 Nghiên cứu bê tông cốt sợi thể giới 1.2.2 ứng dụng cuả bê tông cốt sợi thể giới 1.3 Tình hình phát triển việc ứng dụng bê tông sợi polyme vào kết cấu bê tông Việt Nam 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.5 Quy mô nghiên cứu Chương 2: sơ LÝ THUYẾT 2.1 Q trình đóng rắn phát triển cường độ cuả bê tông 2.1.1 Cơ sở hóa học 2.1.2 Cơ sở vật lý 2.2 Ảnh hưởng cuả phụ gia khống đến tính chất cuả bê tông 2.2.1 Các loại phụ gia khống hoạt tính 11 2.2.2 Ảnh hưởng cuả phụ gia khống đến tính chất cuả bê tơng 11 2.3 Bê tông cốt sợi 12 2.3.1 Sợi acrylic 13 2.3.2 Sợi polypropylene 13 2.3.3 Sợi nylon 14 2.3.4 Sợi polyester 14 2.3.5 Sợi polyethylene 15 2.4 Ảnh hưởng sợi polymer đến tính chất bê tơng 16 2.4.1 Kiểu sợi 16 2.4.2 Hàm lượng sợi 17 2.4.3 Sụ định hướng sợi 17 2.4.4 Tính chất bê tơng cốt sợi (bê tông tươi) 17 2.4.5 Tính chất bê tơng cốt sợi hoá cứng 18 2.5 Tương tác giưã sợi vật liệu 18 2.5.1 Tương tác giưã sợi vật liệu chưa nứt 19 2.5.2 Tương tác giưã sợi vật liệu nứt 22 2.5.3 Quá trình phát triển vết nứt 23 Chương 3: THựC NGHIỆM NGHIÊN cứu CHÉ TẠO BÊ TÔNG SỢI POLYMER 25 3.1 Xác định cường độ chịu nén cuả bê tông sợipolymer 25 3.2 Xác định cường độ chịu uốn cuả bê tông sợipolymer 26 3.3 Thành phần vật liệu chế tạo bê tông sợi polymer 26 3.3.1 Xi măng 26 3.3.2 Phụ gia khoáng siêu mịn 28 3.3.3 Cốt liệu nhỏ (cát) 29 3.3.4 Cốt liệu lớn (đá) 30 3.3.5 Sợi 31 3.4 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm 31 3.4.1 Thiết kế thành phần cấp phối bê tơng thí nghiệm 31 3.4.2 Cấp phối bê tông cốt sợi cho m3 bê tông 34 3.4.3 Cấp phối bê tông cốt sợi cho mẫu bê tông khối trụ 35 3.4.4 Phương pháp tạo mẫu 36 3.4.5 Phương pháp dưỡng hộ 36 3.4.6 Phương pháp thí nghiệm 36 3.4.7 Kết thí nghiệm 44 Chương 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA KHỐNG ĐÉN CƯỜNG Độ BÊ TƠNG SỢI POLYMER 46 4.1 So sánh ảnh hưởng cuả silicafume tro bay đến cường độ bê tông sợi polymer 46 4.2 Ảnh hưởng cuả hàm lượng silicafume đến cường độ bê tông sợi polymer 50 4.3 Ảnh hưởng hàm lượng sợi polymer đến cường độ bê tơng sử dụng phụ gia khống silicafume 53 4.4 Ảnh hưởng cuả hàm lượng tro bay đến cường độ bê tông sợi polymer 55 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng sợi polymer đến cường độ bê tông sử dụng phụ gia khoáng tro bay 58 Chương 5: PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG NÉN UÔN DẦM BÊ TÔNG SỢI POLYMER 61 5.1 Thực nghiệm nén uốn dầm bê tông sợi polymer 61 5.2 Phân tích mơ nén uốn dầm bê tông sợi polymer 64 5.2.1 Phân tích phương pháp phần tử hữu hạn 64 5.2.2 Phân tích mơ xác định độ võng ứng suất giưã dầm 70 5.2.3 Quá trình phát triển vết nứt phá hủy 75 5.3 Phân tích mơ so sánh ưu nhược điểm cuả bê tông sợi polymer 79 KÉT LUẬN VÀ ĐÓNG GÓP CUẢ NGHIÊN cứu 81 A Kết luận 81 B Đóng góp hướng nghiên cứu phát triển đề tài 82 c ứng dụng thực tế hoàn cảnh Việt Nam 82 iii DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỊ THỊ Trang Hình 2.1: Phụ gia khóng tro bay Hình 2.2: Phụ gia khống silicafume Hình 2.3: Phụ gia khóng xỉ quặng 10 Hình 2.4: Phụ gia khống puzolan 12 Hình 2.5: Sợi tổng hợp acrylic 13 Hình 2.6: Sợi tổng hợp polypropylene 14 Hình 2.7: Sợi tổng hợp nylon 14 Hình 2.8: Sợi tổng hợp polyester 15 Hình 2.9: Sợi tổng hợp polyethylene 15 Hình 2.10: Mơ hình mơ tương tác giưã sợivà vật liệu 19 Hình 2.11: Mơ tả sợi vật liệu - biến dạng ứng suất xung quanh sợi 20 Hình 2.12: Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt - chuyển vị 21 Hình 2.13: Phân bố ứng suất trượt mặt phân cách dọc theo giao điểm vết nứt với sợi sau nứt 23 Hình 3.1: Ảnh hưởng tỉ lệ cốt sợi đến cường độ chịu nén 25 Hình 3.2: Ảnh hưởng tỉ lệ thể tích sợi thép đến ứng suất kéo 26 l / df tới cường độ chịu nén 26 Hình 3.4: Xi măng PC40 27 Hình 3.5: Cát vàng xây dựng 29 Hình 3.6: Đá dăm xây dựng 30 Hình 3.7: Cân định lượng phụ gia khoáng trước trộn 37 Hình 3.8: Cân định lượng sợi trước trộn 38 Hình 3.9: Cân định lượng xi măng trước trộn 38 Hình 3.10: Nhào trộn bê tông sợi polymer 39 Hình 3.11: Hỗn hợp bê tơng sợi polymer sau nhào trộn 39 Hình 3.12: Chuẩn bị khn trước đổ bê tơng 40 Hình 3.13: Đổ bê tông vào khuôn 40 Hình 3.14: Đầm chặt bê tông 41 Hình 3.15: Hồn thiện bề mặt mẫu bê tông 41 Hình 3.16: Mầu bê tơng hồn thiện 42 Hình 3.17: Nén mẫu bê tông sợi polymer 43 Hình 3.3: Ảnh hưởng hệ số Hình 3.18: Mầu bê tơng sợi polymer bị phá hủy 43 Hình 4.1: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng silicafume tro bay đến cường độ bê tông với hàm lượng sợi 0% 46 Hình 4.2: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng silicafume tro bay đến cường độ bê tông với hàm lượng sợi 0.5% 48 Hình 4.3: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng silicafume tro bay đến cường độ bê tông với hàm lượng sợi 1% 49 Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ hàm lượng silicafume cường độ chịu nén bê tông sợi polymer 51 Hình 4.5: Biểu đồ thể gia tăng (giảm) cường độ chịu nén ứng với hàm lượng phụ gia silicafume 51 Hình 4.6: Biểu đồ quan hệ hàm lượng sợi polymer cường độ chịu nén bê tông sợi polymer có phụ gia khống silicafume 54 Hình 4.7: Biểu đồ thể giảm cường độ chịu nén ứng với hàm lượng sợi polymer sử dụng phụ gia silicafume 55 Hình 4.8: Biểu đồ quan hệ hàm lượng phụ gia tro bay cường độ chịu nén bê tông sợi polymer có phụ gia khống tro bay 56 Hình 4.9: Biểu đồ thể gia tăng (giảm) cường độ chịu nén ứng với hàm lượng phụ gia tro bay 56 Hình 4.10: Biểu đồ quan hệ hàm lượng sợi polymer cường độ chịu nén bê tơng sợi polymer có phụ gia khống tro bay 59 Hình 4.11: Biểu đồ thể giảm cường độ chịu nén ứng với hàm lượng sợi polymer sử dụng phụ gia tro bay 60 Hình 5.1: Biểu đồ quan hệ giưã lực nén uốn chuyển vị giưã dầm trường hợp sử dụng phụ gia tro bay 62 Hình 5.2: Thí nghiệm nén uốn dầm bê tơng có 10% tro bay 5% sợi 62 Hình 5.3: Biểu đồ quan hệ giưã lực nén uốn chuyển vị giưã dầm trường hợp sử dụng phụ gia silicafume 63 Hình 5.4: Thí nghiệm nén uốn dầm bê tơng có 10% silicafume 5% sợi 64 Hình 5.5: Sơ đồ phân tích nứt dầm bê tộng sử dụng ANSYS Workbench 64 Hình 5.6: Các phần tử sử dụng để phân tích 65 Hình 5.7: Dầm bê tơng sau cắt thành phần (a), mặt phẳng tiếp xúc phần tử bê tông gối thép(b) 67 Hình 5.8: Chia lưới lục diện cho dầm sau mơ hình hóa 68 Hình 5.9: Mơ hình tổng qt sau áp đặt tải ràng buộc 69 Hình 5.10: Phương pháp thiết lập gối xoay 69 Hình 5.11: Chuyển vị ứng suất ứng với cấp tải 73 Hình 5.12: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải 0.8T 75 Hình 5.13: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải 0.9 T 76 Hình 5.14: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải T 76 Hình 5.15: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải 1.1 T 77 Hình 5.16: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải 1.2-1.3 T 78 Hình 5.17: Mơ phát triển vết nứt ứng suất ứng với cấp tải 1.4 T 78 Hình 5.18: Phân tích vịm 79 Hình 5.19: Tấm vịm có bê tơng cốt thép 79 Hình 5.20: Tấm vịm có sợi polymer 0.5% 80 IV DANH MỤC BANG Trang Bảng 1.1: Ảnh hưởng hàm lượng sợi tổng hợp đến tính chấtcủa bê tông Bảng 1.2: Kết nghiên cứu sử dụng bê tơng cốt sợi cho cơng trình giaothơng Mỹ Bảng 2.1: Thành phần hóa học chủ yểu Bảng 2.2: Thành phần khoáng lượng nhiệt phát sinh q trình thuỷ hố Bảng 3.1: Đặc tính hóa học tro bay 28 Bảng 3.2: Đặc tính hóa học muội silic 28 Bảng 3.3: Kết phân tích thành phần hạt thí nghiệm cát 29 Bảng 3.4: Các tiêu kỹ thuật sợi polymer 31 Bảng 3.5: Đường kính lớn cốt liệu thô 32 Bảng 3.6: Dự tính lượng nước trộn cần thiết hàm lượng khơng khí của bê tơng tươi sở sử dụng cát có độ rỗng 35% 32 Bảng 3.7: Thể tích đá đầm chặt đơn vị thể tích bê tông 33 Bảng 3.8: cấp phối bê tông cốt sợi có hàm lượng sợi từ 0%,0.5%, % có sử dụng phụ gia khống silicafume hàm lượng từ 0%,5%, 10%, 15% 34 Bảng 3.9: cấp phối bê tông cốt sợi pp có hàm lượng sợi từ 0%,0.5%,l% có sử dụng phụ gia khoáng tro bay hàm lượng từ 0%,5%,10%,15% 35 Bảng 3.10: cấp phối bê tông cốt sợi có hàm lượng sợi từ 0%,0.5%,l% có sử dụng phụ gia khoáng silicafume hàm lượng từ 0%,5%,10%,l5% dành cho mẫu trụ 35 Bảng 3.11: cấp phối bê tông cốt sợi có hàm lượng sợi từ 0%,0.5%,l% có sử dụng phụ gia khoáng tro bay hàm lượng từ 0%,5%, 10%, 15% dành cho mẫu trụ 36 Bảng 5.1: Kết nén uốn dầm bê tơng có 10% tro bay và0.5% sợi 61 Bảng 5.2: Ket nén uổn dầm bê tơng có 10% silicafumevà 0.5% sợi 62 Bảng 5.3 Thông sổ vật liệu bê tông 65 Bảng 5.4: Thông số vật liệu cốt sợi 66 Bảng 5.5: Thông số vật liệu gối thép 66 Bảng 5.6: Quan hệ tải chuyển vị dầm mơ 74 V TĨM TẮT LUẬN VÀN Trong năm gần đây, kinh tế ngày phát triển, đất nước đường cơng nghiệp hóa, đại hóa Nên địi hỏi phải có sở hạ tầng phát triển đồng bộ, nhu cầu nhu cầu xây dựng ngày lớn kèm với dự án có quy mơ lớn địi hỏi cơng lớn Trong bê tơng đóng vai trị quan trọng tấc loại cơng trình phải có tính cao Bê tông cốt sợi polymer đời nhàm đáp ứng điều đó, cơng nghệ đánh giá cao tính hữu dụng, sợi polymer tăng cường tính thống bê tơng kết cấu Bê tơng sợi polymer có khả chịu nội lực phát sinh kết cấu khả chịu uổn chịu kéo nén tốt bê tông thông thường, hạn chế khe nứt, tăng khả chịu uốn cấu kiện, nâng cao độ an toàn, đạt chất lượng ổn định sau đổ Luận văn tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng phụ gia khống silicafume tro bay đến tính chất lý, cường độ bê tông sợi polymer Ảnh hưởng hàm lượng sợi polymer đến tính chất bê tơng sợi polymer, phân tích so sánh loại bê tơng sợi polymer có phụ gia khống khác ứng với hàm lượng khác Kết thực nghiệm cho thấy, sử dụng phụ gia silicafume, với hàm lượng sợi tăng từ 0% lên 0.5%, cường độ bê tơng giảm nhanh khơng có phụ gia 5.1%, có phụ gia 15% 5.8% giảm dần hàm lượng phụ gia 5% 1.9%, hàm lượng phụ gia 10% 1.6% Khi hàm lượng siliciime tăng dần lên từ 0% đến 10% hạn chế việc giảm cường độ hàm lượng sợi bê tông tăng lên Cường độ bê tông sợi polymer đạt 363 kg/cm2 ứng với 0.5% sợi 10% silicafume Khi hàm lượng sợi tăng từ 0.5% lên 1%, cường độ bê tông sợi giảm mạnh ứng với hàm lượng silicafume 0%, 5%, 10%, 15% 7.2%, 9.5%, 11.2%, 8.8% Điều cho thấy hàm lượng sợi vượt 0.5% ứng với hàm lượng phụ gia silicafume, cường độ bê tông giảm mạnh Đối với phụ gia tro bay, với hàm lượng sợi tăng từ 0% lên 0.5%, cường độ bê tông giảm nhanh khơng có phụ gia 5.1%, có phụ gia 15% cường độ giảm 6.1% giảm dần hàm lượng phụ gia 5% 1.1%, hàm lượng phụ gia 10% 0.8% Khi hàm lượng tro bay tăng dần lên từ 0% đến 10% hạn chế việc giảm cường độ hàm lượng sợi bê tông tăng lên Cường độ bê tông sợi polymer đạt 355 kg/cm2 ứng với 0.5% sợi 10% tro bay Khi hàm lượng sợi tăng từ 0.5% lên 1%, cường độ bê tông sợi giảm mạnh ứng với hàm lượng tro bay 0%, 5%, 10%, 15% 7.2%, 10.2%, 12.1%, 9.8% Vì hàm lượng sợi vượt 0.5% ứng với hàm lượng phụ gia tro bay, cường độ bê tông giảm mạnh VI GVHD: TS Lê Anh Tuấn HVTH: Cao Ngọc Thái Bảo Chương 1: TÔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung: Trong năm gần đây, kinh tế ngày phát triển, Đất nước đường cơng nghiệp hóa, đại hóa Nên địi hỏi phải có sở hạ tầng phát triển đồng bộ, nhu cầu nhu cầu xây dựng ngày lớn kèm với dự án có quy mơ lớn địi hỏi cơng lớn Trong bê tơng đóng vai trị quan trọng tấc loại cơng trình, nên địi hỏi phải có loại bê tơng có tính cao để thi cơng cơng trình đặc biệt địi hỏi chất lượng cao như: Đường hầm, cầu cảng, ống bê tơng đường kính lớn, nhà máy xử lý nước, mỏng, kết cấu chịu va đập, kết cấu chịu tải trọng động, cơng trình sửa chữa gia cố lại Các loại bê tông phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cường độ cao, ổn định kích thước, bám dính tốt, khơng phân tầng, không tách nước, không rạn nứt, chịu uốn, chịu cắt, chịu kéo Một loại bê tông bê tơng cốt sợi polymer, cơng nghệ đánh giá cao tính hữu dụng như, giảm giá thành xây dựng nhờ rút ngắn thời gian thi công, tăng khả chịu lực nâng cao tuổi thọ kết cấu Sợi polymer tăng cường tính thống bê tơng kết cấu, bê tơng sợi polymer có khả chịu nội lực phát sinh kết cấu khả chịu uốn chịu kéo nén tốt bê tông thông thường Bên cạnh bê tơng cốt sợi polymer cịn có ưu điểm giúp kéo dài tuổi thọ cho cơng trình xây dựng, hạn chế khe nứt, tăng khả chịu uổn cấu kiện, nâng cao độ an toàn, đạt chất lượng ổn định sau đổ Được biết bê tông cốt sợi ứng dụng nhiều lĩnh vực xây dựng như, mặt đường ôtô, mặt đường sân bay, mặt câu đường hầm, giữ ổn định mái dốc, sàn nhà công nghiệp, kết cấu chịu tải trọng động Với ưu việt bê tông sợi polymer, đặc biệt kết hợp với phụ gia tro bay, muội silic, xỉ hạt lò cao tạo nên loại vật liệu phù hợp với khí hậu Việt Nam, bê tơng cốt sợi polymer giúp cho nhà đầu tư gia tăng hiệu kinh tế, tiết kiệm thời gian lao động trường, thời gian lắp đặt cốt thép, đẩy nhanh tiến độ thi công không cần nhân cơng trình độ cao, giảm giá thành thi cơng xây dựng 1.2 Tình hình phát triển việc nghiên cứu ứng dụng bê tông sọi polymer kết cấu bê tông giới: 1.2.1 Nghiên cứu bê tông cốt sợi giới [5,7]: Bêtông cốt sợi nghiên cứu rộng khắp giới nhiều thập kỷ qua, có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vê khả ứng xử bê tông côt sợi từ trạng thái hỗn hợp đến rắn độ bền bêtông cốt sợi điêu Luận văn Cao học ngành XDDD CN Trang GVHD: TS Lê Anh Tuấn HVTH: Cao Ngọc Thái Bảo kiện làm việc khác nhau, khả ứng xử bê tông cốt sợi trạng thái hổn hợp Tại Mỹ tiến hành nghiên cứu ảnh huởng sợi tổng hợp lên hổn hợp bê tơng, bê tơng khơng gia cường sợi có mác thiết kế 20 Mpa, hàm lượng sợi sử dụng bê tông thay đổi từ 0.075% đến 0.5% theo thể ích bê tông Những loại sợi tổng hợp nghiên cứu bao gồm: sợi nylon, polypropylene, polyester Những loại sợi có chiều dài 19 mm, 25 mm 38 mm Qua kết nghiên cứu, người viết thấy rằng: cường độ chịu nén bê tông: hàm lượng sợi Nylon thay đổi từ 0% đến 1% thể tích hổn hợp bê tơng cường độ bê tơng thay đổi khơng đáng kể tính dẻo bê tơng: hổn hợp bê tơng có độ dẻo giảm cho vào hổn hợp hàm lượng sợi định Khi hàm lượng sợi tăng lên độ dẻo hổn hợp giảm độ dẻo hổn hợp khác cho vào hổn hợp bê tông loại sợi khác Khi chiều dài sợi tăng lên độ dẻo hổn hợp bê tông giảm (Bảng 1.1) dẻo dai khả chịu va đập bê tơng: tiến hành thí nghiệm uốn tầm tiêu chuẩn 150x150x600mm thí nghiệm búa rơi tự Với cách loại sợi sữ dụng: sợi nilon 6, sợi polyethylene sợi polyester sợi Polyester có chiều dài 19mm với hàm lượng từ 0.075% đến 0.5% dạng mảnh đơn, kết sử dụng 0.5% hàm lượng cốt sợi tính dẻo dai cộng với khả chịu va đập bê tông tăng lên Bảng 1.1: Ảnh hưởng hàm lượng sợi tổng hợp đến tính chất bê tông [7] Mẩu nghiên cứu Loại sợi Đối chứng Hàm lượng sợi (kg) Độ sụt (mm) Khối lượng thể tích (kg/m3) 178 2331 NL1 Nylonó 0,45 140 2371 NL2 Nylonó 0,6 133 2290 NL3 Nylonó 0,9 102 2358 PP1 Polypropylene 0,6 133 2371 PP2 Polypropylene 0,9 165 2317 Polyetylene 0,6 133 2371 PE Đổ tiến hành nghiên cứu bê tông cường độ cao gia cường cốt sợi cho cơng trình cầu đường.Trường Đại học Michigan, Hoa Kỳ tiến hành nghiên cứu với cường độ theo yêu cầu 35ữdaN / cm1 vòng 24 với sợi polypropylene(PP) sợi thép với hàm lượng dao động từ 1% đến 2%.Sợi thép có loại có đường kính 0.5mm chiều dài 30mm 50mm.Sợi PP: có loại có đườnh kính 0.095mm chiều dài 12mm 19mm.Kết cho thấy rằng: cường độ chịu nén bê tơng: u cầu đạt cường độ 350íta7V7 cm2 khó đạt 24 sử dụng sợi pp, cường độ bê tông giảm xuống đáng kể sử dụng sợi pp hàm lượng từ 1% đến 2% Ngược lại cường độ bê tông đạt hay vượt Luận văn Cao học ngành XDDD CN Trang