Luận văn thạc sĩ Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng: Nghiên cứu ứng xử cơ học cấu kiện dầm bê tông cốt thép Geopolymer sử dụng tro bay

LÊ HỮU QUỐC PHONG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP GEOPOLYMER SỬ DỤNG TRO BAY Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ vật liệu xây dựng Mã số: 605880 LUẬN VĂN THẠC SĨ

CƠ SỞ KHOA HỌC

QUÁ TRÌNH GEOPOLYMER HÓA

Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ Geopolymer để giới thiệu loại polymer mới được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm Aluminoilicate Thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si 2  ,Al 3  và

Vật liệu Geopolymer có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên hoặc sản phẩm từ sản xuất, khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình.

Cấu trúc vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ lưới cấu trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate Sialate là viết tắt của Silic- Oxy-Nhôm Các cầu nối –Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố Oxy Những ion dương (Na + , K + , Li + , Ca 2+ , Ba 2+ , NH 4+ , H3O - ) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của

Al 3  [5] và hình thành monomer mới như hình bên dưới :

Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu geopolymer gọi là quá trình Geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một các rõ rang Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt (Palomo et al 1999) [2]

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086

Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer có thễ diễn ra theo 1 trong 2 phương trình (2-2) hoặc (2-3) bên dưới [2] [7] :

Theo D.Hardjito (2005) [34], quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau :

 Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung dịch

 Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer

 Đóng rắn các monomer thong qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ

Hình 2.1 : Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate

Glukhovshy [35] đã đưa ra một cơ chế tổng quát cho sự hoạt hóa kiềm đối với vật liệu có chứa oxit silic và oxit nhôm hoạt tính Những năm gần đây, nhiều tác giả đã mở rộng lý thuyết của Glukhovshky, áp dụng vào lĩnh vực tổng hợp zeolite và giải thích quá trình Geopolymer hóa nói chung như hình 2.1 Cơ chế phản ứng trong sơ đồ trên phác thảo quá trình chuyển hóa từ vật liệu alumosilicat rắn sang vật liệu kiềm alumosilicat tổng hợp Những quá trình này có thể xảy ra tuần tự như trên hoặc xảy ra đồng thời

Alumosilicat rắn hòa tan trong dung dịch kiềm sinh ra những dạng hợp chất silicat và hợp chất nhôm Chính sự hòa tan của các phân tử hạt rắn trên bề mặt đã giải phóng ra những hợp chất silicat và hợp chất nhôm này vào trong dung dịch Đây là cơ chế chuyển hóa của những phân tử rắn khi tham gia vào quá trình Geopolymer hóa

Những hợp chất được giải phóng khỏi bề mặt hạt rắn bằng cách hòa tan trong dung dịch thì lại kết hợp với nhau trong pha lỏng Một hỗn hợp của các chất silicate, aluminate và aluminosilicate được tạo thành Những hợp chất aluminosilicate vô định hình hòa tan nhanh chóng ở môi trường có pH cao và tạo ra dung dịch aluminosilicate quá bão hòa Khi dung dịch trở nên đậm đặc hơn thì các gel oligomer bắt đầu sinh ra và trở thành một mạng lưới lớn khi dung dịch càng cô đặc

Quá trình này còn giải phóng ra nước trong quá trình hòa tan Nước đóng vai trò chất trung gian phản ứng nhưng nước được giải phóng ra lại tồn tại bên trong của gel Loại cấu trúc gel này có hai pha là chất rắn aluminosilicate và nước

Thời gian để dung dịch aluminosilicate quá bão hòa tạo thành gel thì khác nhau đối với các loại vật liệu ban đầu, quá trình phản ứng, thành phần dung dich và điều kiện tổng hợp khác nhau Mặc dù vậy có những hệ thóng không bao giờ tạo thành gel

Hệ gel liên tục tổ chức lại và mạng lưới gel mở rộng, tạo thành mạng aluminosilicat ba chiều Hình 2.1 mô tả quá trình này bằng sự xuất hiện của nhiều giai đoạn gel Quá trình hòa tan, tạo thành nhân và polymer hóa vật liệu aluminosilicat phụ thuộc vào các thông số nhiệt động và động học ở hai bước đầu tiên của quá trình do Glukhovsky đề xuất.

CƠ CHẾ HÓA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER TRO BAY

Theo định nghĩa về công nghệ của Davidovits, bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer [7] Cơ chế đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản ứng công nghệ geopolyer được trình bày ở trên

Trong công nghệ geopolymer tro bay thì tốc độ phản ứng kích hoạt cũng như các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩn phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể là sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt [36]

Hình 2.2 : Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay

(a) Tro bay ban đầu (b) Tro bay được kích hoạt với NaOH (c) Tro bay được kích hoạt với Na2SiO3 [37]

Quan sát hình 2.1 ta thấy hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ qua phương pháp SEM Hình 2.1a thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau, cấu trúc thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó Hình 2.1b và 2.1c là những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm và thời gian hằng nhiệt, ta thất kết quả phản ứng là một loại gel Natri-Silicat mới hình thành qua quá trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm Tuy nhiên phản ứng không xảy ra hoàn toàn nhanh chóng, vẫn còn một số thành phần tro bay phản ứng chậm

Hình 2.3 : Mô hình miêu t ả kích hoạt kiề m tro bay (Fernandez Jimanez et al.2005) [16]

Sự kích hoạt kiềm trên hạt tro bay bắt đầu bằng một điểm nhỏ trên bề mặt, sau đó lan rộng tạo lỗ lớn và phản ứng với hạt bên trong Phản ứng diễn ra theo hai chiều từ ngoài vào trong và ngược lại cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn Cơ chế phản ứng là gắn kết các hạt nhỏ hơn bên trong hạt lớn hơn bằng một ma trận dày đặc, tùy thuộc vào kích thước hạt và nồng độ dung dịch tại từng vị trí.

THÀNH PHẦN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG TRO BAY

Bê tông là vật liệu đá có cấu trúc phức tạp, được tạo nên bởi ba thành phần sau : cốt liệu, chất kết dính và hệ thống mao quản Với bê tông công trình có cấu tạo toàn

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086 khối liện tục, trong đó hạt cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và chất kết dính được phân bố tương đối đồng đều, ngoài ra còn chứa một lượng lớn không khí Cốt liệu lớn và cốt liệu mịn chiếm khoảng 60-80% thể tích của hỗn hợp bê tông Các tính chất cốt liệu thực sự ảnh hưởng đến tính chất của bê tông [38] Hàm lượng cốt liệu ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống ăn mòn của bê tông, thực tế cho thất quá trình ăn mòn thường xảy ra trên vữa của chất kết dính

Khối lượng cốt liệu của bê tông Geopolymer được sử dụng cũng giống như hỗn hợp bê tông truyền thống khoảng 60-75% Khác với bê tông OPC, trong hỗn hợp bê tông Geopolymer tỉ lệ cốt liệu/tro bay chỉ là một yếu tố quyết định đến đặc tính về cường độ của bê tông Nó còn ảnh hưởng bởi tỉ lệ các thành phần cấu tạo như tỉ lệ alkaline/tro bay, tỉ lệ sodium silicate/ sodium hydroxide Hàm lượng cốt liệu lớn trong hỗn hợp làm cho bê tông ít co ngót, ít mất nước và lỗ rỗng nhỏ hơn [18] Trái ngược với bê tông truyền thống, bê tông Geopolymer không tồn tại sự tương quan giữa hàm lượng cốt liệu và cường độ tối ưu Sự gia tăng hàm lượng cốt liệu trong bê tông Geopolymer thường hiệu quả với một lượng nhỏ hỗn hợp alkaline phản ứng với tro bay Tuy nhiên, không có hiệu tượng giảm cường độ cơ học vể sau [39]

Bê tông geopolymer sử dụng chất kết dính geopolymer thay cho xi măng thông thường Nước chỉ đóng vai trò làm tăng tính công tác, tạo độ sệt cho bê tông trong quá trình thi công mà không tham gia phản ứng hóa học Sau khi thi công, nước có thể bị loại bỏ trong quá trình dưỡng hộ và sấy.

Có thể thấy rằng, có một sự liên kết tốt giữa cốt liệu và vữa Geopolymer làm biến độ bề mặt tiếp xúc (ITZ) trong vi cấu trúc Geopolymer Một sự hòa tan riêng biệt trên bề mặt cốt liệu với gel của Geopolymer là nguyên nhân dẫn đến vùng tiếp xúc (ITZ) không tồn tại, đặc biệt khi Geopolymer phản ứng với thủy tinh lỏng [40]

Lưu ý rằng trong hỗn hợp khi có một lượng nhỏ kiềm cùng với hàm lượng cốt liệu lớn sẽ khiến hỗn hợp có tính công tác và khả năng tự chảy thấp.

ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

Ứng xử cơ học chính của dầm bê tông cốt thép là ứng xử uốn, qua thí nghiệm có thể thấy rằng trạng thái ứng suất biến dạng của cấu kiện từ lúc đặt tải đến lúc phá hoại có thể chia thành ba giai đoạn sau [41] :

Hình 2.4 : Tr ạng thái phá hủy dầm

 Khi momen còn nhỏ (tải trọng nhỏ), vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng là đường thẳng, sơ đồ ứng suất pháp có hình tam giác, gọi là giai đoạn 1

Khi mô men tác dụng tăng lên, bê tông bắt đầu biến dạng dẻo, biểu hiện trên biểu đồ ứng suất - biến dạng dạng đường cong Đến lúc ứng suất kép trong bê tông đạt tới giới hạn cường độ kéo Rbt, đây được gọi là giai đoạn 1a.

 Khi momen tăng lên  bk R bt thì miền bê tông chịu kéo xuất hiện khe nứt và khe nứt phát triển lên phía trên, tại ke nứt nội lực do cốt thép chịu Ở miền bê tông chịu nén biến dạng dẻo tiếp tục phát triển, lúc đó ứng suất trong cốt thép là  s , ứng suất trong bê tông chịu nén là  b , gọi là giai đoạn 2

 Nếu lượng cốt thép chịu kéo đặt không nhiều lắm thì khi momen tăng lên, ứng suất trong cốt thép có thể đạt đến giới hạn chảy  s R s trong khi đó ứng suất miền bê tông chịu nén  b R b , gọi là giai đoạn 2a

 Khi momen tăng lên, khe nứt tiếp tục phát triển lên phía trên, vùng bê tông chịu nén thu hẹp lại, ứng suất vùng bê tông chịu nén tăng lên trong khi ứng suất cốt thép không tăng nữa (vì cốt thép trong giai đoạn chảy dẻo)

 Khi ứng suất bê tông chịu nén đạt đến giới hạn chịu nén  b R b , ứng suất cốt thép chịu kéo  s R s thì dầm bị phá hoại (phá hoại cả hai miền kéo và nén) gọi là phá hoại dẻo hay trường hợp phá hoại thứ nhất Đó là trường hợp phá hoại hợp lý nhất do tận dụng hết khả năng chịu lực của vật liệu bê tông và cốt thép

 Nếu cốt thép chịu kéo đặt quá nhiều thì ứng suất trong cốt thép chưa đạt đến cường độ giới hạn  s R s , trong khi ứng suất bê tông chịu nén b R b

  thì xem như cấu kiện bị phá hoại Khi đó kết cấu không qua giai đoạn 2a, nghĩa là cấu kiện từ giai đoạn 2 chuyển sang giai đoạn 3 trường hợp 2 Đây là sự phá hoại dòn, phá hoại đột ngột từ vùng bê tông chịu nén còn gọi là trường hợp phá hoại thứ 2 Trường hợp phá hoại này không tận dụng được hết khá năng chịu lực của cốt thép và cũng nguy hiểm vì biến dạng của dầm còn nhỏ nên khó đề phòng

Hình 2.5 : Các giai đoạn của trạng thái ứng suất – bi ến dạng dầm BTCT

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT NGUYÊN VẬT LIỆU, THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU

Tro bay được lấy từ nhà máy nhiệt điện, có thành phần hóa học như sau :

B ảng 3.1 : Thành phần hóa học của nhà máy nhiệt điện

Thành phần hóa học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO SO3 MKN

Tính chất vật lý của tro bay :

B ảng 3.2 : Khảo sát tính chất cơ lý tro bay

Thành phần vật lý thí nghiệm

Hàm lượng lọt sàng 0.05mm

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)

Lượng mất sau khi nung

Hỗn hợp dung dịch Polymer hoạt hóa dùng để tạo phản ứng kết dính vật liệu hỗn hợp chính là dung dịch Sodium silicate (Na2SiO3) và dung dịch Sodium hydroxit (NaOH)

Sodium silicate trong thí nghiệm nghiên cứu này có tỉ lệ thành phần là SiO20.1%, Na2O=9.4%, H2O`.5% Hàm lượng SiO2/Na2O=3.2, tỷ trọng 1.42±0.01g/ml Dung dịch có màu trắng đục

Dung dịch NaOH được pha chế từ Natri nguyên chất dạng rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2.130kg/m3 Nồng độ pha chế và sử dụng trong thí nghiệm là 18M

Lượng nước thêm vào để tạo dung dịch và pha loạng dung dịch là nước sạch, lượng nước thêm vào từ 18% đến 22% khối lượng đúc mẫu Lượng nước này có tác dụng chủ yếu là làm tăng độ ẩm và tính dẻo để quá trình Geopolymer tốt hơn

Dung dịch pha trộn có màu trắng đục, không mùi

Cát dùng cho nghiên cứu phải thỏa mãn các yêu cầu của TCVN 7572:2006 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”

Cát được sử dụng là cát sạch, cỡ hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt… cũng được thí nghiệm theo TCVN Cát đã được làm sạch và sấy khô trước khi đưa vào sử dụng

B ảng 3.3 : Kết quả thí nghiệm cát

STT Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Kết quả Phương pháp thử nghiệm

1 Khối lượng riêng g/cm 3 2,63 TCVN7572-4:2006

Khối lượng thể tích -Trạng thái thô -Trạng thái bão hòa nước g/cm 3 2.56

Khối lượng thể tích xốp -Không lèn chặt ở trạng thái tự nhiên

5 Hàm lượng bụi bùn sét % 0,9 TCVN7572-8:2006

6 Cỡ hạt lớn hơn 5mm % 6.1 TCVN7572-8:2006

B ảng 3.4 : Thành phần hạt cốt liệu nhỏ (cát)

3.1.4 Đá Đá dăm sử dụng loại Dmax mm cho bê tông thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 “Cốt liệu cho bê tông và vữa” Đá được sử dụng là đá sạch và được sấy khô trước khi đưa vào sử dụng, cỡ hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt… cũng được thí nghiệm theo TCVN

B ảng 3.5 : Kết quả thí nghiệm đá

STT Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Kết quả Phương pháp thử nghiệm

1 Khối lượng riêng g/cm 3 2.83 TCVN 7572-4 : 2006

2 Khối lượng thể tích g/cm 3 2.77 TCVN 7572-4 : 2006

B ảng 3.6 : Thành phần hạt cốt liệu lớn (đá)

Lượng sót tích lũy yêu cầu (%)

Nước dùng phải theo TCVN 302:2004 “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”

Nước chế tạo bê tông Geopolymer phải đảm bảo không chứa các thành phần hóa học tạp chất để không ảnh hưởng xấu đến thời gian tĩnh định và rắn của bê tông geopolymer.

ĐIỀU KIỆN DƯỠNG HỘ

Một điều quan trọng của bê tông Geopolymer là được dưỡng hộ bởi nhiệt đồ ngoài dưỡng hộ bằng nhiệt độ phòng đã được thực hiện Ở nhiệt độ phòng, phản ứng của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay diễn ra rất chậm và nhìn chung cho thời gian đóng rắn chậm và cường độ phát triển cường độ không cao Do đó, dưỡng hộ nhiệt là cần thiết để tăng năng lượng động học và mức độ phản ứng [42]

Bê tông Geopolymer sau khi đúc mẫu vào khuôn sẽ được bảo hộ ngoài môi trường ở nhiệt độ phòng ổn định 32-35 0 C trong 24h, sau đó tháo khuôn và đem đi dưỡng hộ ở các cấp nhiệt độ 60 0 C, 90 0 C và 120 0 C ở các khoảng thời gian tương ứng 4h, 6h, 8h và 10h.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẤP PHỐI, TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN NGUYÊN VẬT LIỆU CHO BÊ TÔNG GEOPOLYMER

Quá trình thiết kế cấp phối bê tông Geopolymer phụ thuộc phần lớn vào yêu cầu đặc tính mong muốn từ cường độ đến độ bền Nhằm đạt được những yêu cầu này, ta cần xác định các thông số về tỉ lệ cốt liệu/tro bay, alkaline/tro bay, sodium silicate/sodium hydroxide và điều kiện dưỡng hộ

Thành phần cấp phối được tính toán cho từng thành phần nghiên cứu :

 Tỉ lệ Alkaline/tro bay lần lượt là 0.4, 0.5, 0.6

 Tỉ lệ TTL/NaOH lần lượt là 2.5, 2, 1

 Tỉ lệ thành phần của dung dịch hoạt hóa là Na2SiO 3 /NaOH là 2.5

 Dưỡng hộ ở các mức nhiệt độ 60 0 C,90 0 C,120 0 C lần lượt trong thời gian dưỡng hộ 4h, 6h, 8h và 10h

Điểm khác biệt duy nhất giữa bê tông Geopolymer và bê tông xi măng chính là chất kết dính SiO2 và Al2O3 trong tro bay phản ứng với dung dịch hoạt hóa (dung dịch alkaline) tạo thành hồ Geopolymer bao phủ cốt liệu và các vật liệu không phản ứng, tạo nên bê tông Geopolymer Tương tự như bê tông xi măng, cốt liệu thô và cốt liệu mịn chiếm tới 70-80% khối lượng bê tông Geopolymer Hỗn hợp thành phần của bê tông Geopolymer có thể được thiết kế tương tự như bê tông xi măng.

Lấy GPC1 để làm ví dụ thiết kế : Khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer = 2350 kg/m 3 Khối lượng cốt liệu = 70-80% (chọn 70%) = 1672 kg/m 3 Khối lượng tro bay và dung dịch alkaline = 2350-1672g8 kg/m 3 Chọn tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay là 0.6

Khối lượng tro bay = 418 kg/m 3

Khối lượng dung dịch alkaline = 678-418&0 kg/m 3 Chọn tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit là 2.5 Khối lượng sodium silicate = 179 kg/m 3

Khối lượng sodium hydroxit (18M) = 72 kg/m 3 Tính toán tương tự cho các cấp phối còn lại cấp phối được thể hiện trong bảng 3.7

B ảng 3.7 : Thành phần cấp phối dùng cho thí nghiệm (kg/m 3 )

Ký hiệu Đá Cát Tro bay

PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU VÀ THÍ NGHIỆM

Vật liệu bê tông geopolymer sử dụng tro bay được thiết kế với M200 và M300, cấp phối chọn Dmax mm, các tổ mẫu có kích thước như sau :

 Mẫu vật liệu hình lăng trụ có kích thước 100x200mm cho thí nghiệm xác định : khối lượng thể tích, cường độ chịu nén, cường độ nén bửa

 Mẫu vật liệu hình lăng trụ có kích thước 150x300mm cho thí nghiệm xác định như : hệ số Poission và Module đàn hồi

 Mẫu hình trụ 100x100x400mm xác định cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer và bê tông cốt thép Geopolymer

Hình 3.1 : Mẫu hình trụ thí nghiệm cường độ chịu nén

Hình 3.2 : Sơ đồ thực nghiệm

 Cường độ ch ị u nén (Compressive Strength)

Cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer được tính toán theo ASTM C39 [44] Mẫu được dưỡng hộ theo đúng điền kiện và nén ở 7 ngày tuổi

Hình 3.3 : Xác định cường độ chịu nén

 Cường độ ch ị u kéo gián ti ế p (Spliting strength) : Cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer được tính toán dựa vào ASTM

Mẫu C496 được dưỡng hộ tĩnh định trong môi trường trong 2 ngày Sau đó, mẫu được dưỡng hộ nhiệt trong lò sấy và tiến hành xác định cường độ chịu kéo gián tiếp khi mẫu đạt 7 ngày tuổi.

Hình 3.4 : Thí nghiệm xác định cường độ nén bửa

 Cường độ ch ị u u ố n (Flexural Strength) :

Cường độ chịu uốn của bê tông địa trùng hợp được xác định dựa trên tiêu chuẩn ASTM C78 Mẫu dầm bê tông kích thước 100x100x400mm được chế tạo và thử nghiệm cho các cấp phối khác nhau Các mẫu dầm bê tông cốt thép 100x100x400mm được bảo dưỡng theo quy trình tiêu chuẩn ở nhiệt độ 60°C, 90°C và 120°C trong 10 giờ, tương ứng với cấp phối GPC1, GPC2 và GPC3 Sau khi bảo dưỡng đúng thời gian quy định, các mẫu được nén ở tuổi 7 ngày.

Hình 3.5 : Chi tiết cấu tạo dầm bê tông cốt thép Geopolymer

Hình 3.6 : Xác định cường độ chịu uốn dầm bê tông cốt thép Geopolymer

 H ệ s ố Poission và Module đàn hồ i (Modulus of Elasticity and Poission’s Ratio) :

Hệ số Poission và Module đàn hồi của bê tông Geopolymer được tính toán dựa vào ASTM C469 [47] Mẫu có kích thước 150x300 được dưỡng hộ ở 60 0 C, 90 0 C, 120 0 C trong 10h tương ứng với GPC1, GPC2 GPC3 Mẫu được dưỡng hộ theo đúng điền kiện và thử nghiệm ở 7 ngày tuổi

Hình 3.7 : Xác định Module đàn hồi và hệ số Poission

MÔ PHỎNG ANSYS

Để so sánh với thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép Geopolymer, phần mềm ANSYS 14.0 được sử dụng để mô phỏng lại quá trình uốn của dầm bê tông cốt thép Geopolymer Sử dụng các giá trị về ứng suất, biến dạng, hệ số Poission và Module đàn hồi làm hệ thống số liệu đầu vào

Sử dụng cấp phối GPC1, GPC2 và GPC3 để đúc dầm Mẫu được dưỡng hộ nhiệt ớ 60 0 C, 90 0 C và 120 0 C trong 10h

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC GEOPOLYMER ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG

Cường độ chịu nén của bê tông xi măng và bê tông địa polyme phụ thuộc vào các tác động cơ học khác nhau xảy ra trong vữa Quá trình hydrat hóa liên tục làm lấp đầy các lỗ rỗng trong bê tông OPC, từ đó tạo nên cường độ cho bê tông Sự phát triển cường độ của bê tông địa polyme lại phụ thuộc vào hàm lượng dung dịch kiềm, điều kiện bảo dưỡng và hàm lượng cốt liệu trong bê tông Trong số đó, ba yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cấu trúc làm thay đổi cường độ của bê tông địa polyme là tỷ lệ dung dịch kiềm/tro bay, tỷ lệ silicate natri/hydroxit natri và điều kiện bảo dưỡng Những yếu tố này làm thay đổi cấu trúc của vật liệu trong quá trình phản ứng tạo nên chuỗi polymer Si-O-Al.

Hình 4.1 : Cấu trúc polymer từ quá trình tổng hợp các monomer

Cường độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc nhiều vào quá trình phản ứng giữa tro bay và dung dịch alkaline Cường độ của bê tông Geopolymer chịu ảnh hưởng của vữa và hồ Geopolymer Khi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và tỉ lệ Na2SiO3/NaOH thay đổi dẫn đến cường độ và cấu trúc của Geopolymer thay đổi

Quá trình geopolymer hóa dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và từ đó dẫn đến cường độ cũng thay đổi theo

Hình 4.2 : Sự thay đổi cường độ giữa hồ và vữa Geopolymer khi thay đổi tỉ lệ sodium silicate/ sodium hydroxit [16]

Có thể thấy rằng cường độ của vữa cao hơn cường độ của hồ Geopolymer khoảng 1.5 lần Theo Radomir Zejak [16] cho rằng một trong những nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi cường độ này là sự liên kết tốt giữa cát và cường độ của hồ Geopolymer Cường độ của cả hồ và vữa Geopolymer đều tăng khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit tăng

Khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit thay đổi dẫn đến cấu trúc của Geopolymer thay đổi, điều này làm cho cường độ của vữa và hồ cũng thay đổi

Hình 4.3 : Cấu trúc Geopolymer khi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH là 1.5 [16]

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086 Đặc trưng cấu trúc của vữa Geopolymer là sự liên kết giữa cát và hồ Geopolymer (Hình 4.3a) Vữa Geopolymer bao gồm pha gel (A) và những hạt tro bay chưa hoạt hóa (B), (hình 4.3b) Cường độ vữa Geopolymer phụ thuộc vào cường độ của gel, sự liên kết giữa gel và cốt liệu dẫn đến cường độ trong cấu trúc của vữa Ngoài ra, những hạt tro bay chưa hoạt hóa đóng vai trò là những hạt cốt liệu siêu nhỏ góp phần tạo nên cường độ tối đa cho vữa Geopolymer

Theo Mustafa Al Bakri [15] cho rằng cường độ bê tông Geopolymer cao nhất khi tỉ lệ dung dịch alkaline/ tro bay=0.5 và Na2SiO 3 /NaOH=2.5 đạt cường độ 70MPa ở 7 ngày và nhiệt độ dưỡng hộ là 70 0 C (hình 4.3) Khi Na 2 SiO 3 /NaOH=3.0 thì cường độ Geopolymer giảm ở tất cả các tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay

Hình 4.4 : Cường độ Geopolymer khi thay đổ tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và sodium silicate/sodium hydroxit [15]

Cấu trúc của Geopolymer khi thay đổi các thành phần tỉ lệ được thể hiện qua kính hiểm vi điện tử SEM Hình 4.5 từ (a) đến (c) thể hiện hình thái cấu trúc Geopolymer ở những cấp phối tốt nhất (cường độ cao) khi thay đổi tỉ lệ AA/FA từ 0.4, 0.5 và 0.66 Nó cho thấy vật liệu không đồng nhất với tro bay chưa hạt hóa tồn tại dày đặc trong chất kết dính Hình 4.4b cho thấy nhiều chất kết dính hơn và ít tro bay chưa hoạt hóa góp phần làm tăng cường độ Hàm lượng dung dịch trong cấu trúc ảnh hưởng đến mức độ bảo hòa ion và cường độ của Geopolymer Khi tro bay

Để tăng tốc quá trình ninh kết vữa, người ta trộn thêm một lượng nhỏ dung dịch kiềm Bằng cách này, thời gian ninh kết của vữa sẽ được rút ngắn đáng kể.

Do đó, làm cho các gel (sản phảm của quá trình hoạt hóa) không có không gian để kết tinh thành tinh thể Với tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay=0.5 là tỉ lệ tốt nhất làm phát triển cường độ cao cho Geopolymer

Hình 4.5 : Hình chụp SEM của vữa Geopolymer : (a) AA/FA=0.66 và Na2SiO3/NaOH=2.5, (b) AA/FA=0.5 và Na2SiO3/NaOH=2.5, (a) AA/FA=0.4 và

Nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu rằng, thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geoplymer Nhiệt độ càng cao và thời gian dưỡng hộ càng dài sẽ làm tăng cường độ của bê tông Geopolymer, làm quá trình Geopolymer hóa diễn ra nhanh hơn

Mặc dù bê tông Geopolymer sử dụng tro bay có thể dưỡng hộ trong điều kiện môi trường nhưng dưỡng hộ nhiệt vẫn được Davidovits [7] khuyến cáo nên sử dụng Dưỡng hộ nhiệt làm cho quá trình geopolymer hóa diễn ra nhanh hơn và sớm

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086 đạt được cường độ như mong muốn Cả thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông Geopolymer

Theo Arioz [48], giá trị cường độ chịu nén Geopolymer tăng khi thời gian dưỡng hộ kéo dài Sự phát triển cường độ đáng kể nhất trong khoảng thời gian từ 6 đến 15 giờ Khi thời gian dưỡng hộ lên đến 15 giờ, cường độ chịu nén tăng gấp 3 lần so với 6 giờ dưỡng hộ (hình)

Hình 4.6 : Cường độ chịu nén của hồ Geopolymer ở 120 0 C khi thay đổi thời gian dưỡng hộ [48]

Phân tích SEM cho mẫu ở thời gian dưỡng hộ 15 và 24 giờ (Hình 4.7) Có thể thấy với mẫu ở 15 giờ vẫn chưa đồng nhất và còn hạt tro bay chưa phản ứng Các tinh thể dạng kim vẫn được tìm thấy trong cấu trúc mẫu Ở mẫu dưỡng hộ 24 giờ có thể thấy dung dịch NaOH không phản ứng đã kết tủa lại dẫn đến bốc hơi nước ở nhiệt độ cao [49] Lỗ rỗng được tìm thấy ngoài những hạt tro bay chưa phản ứng và tinh thể

Hình 4.7 : Cấu trúc mẫu Geopolymer dưỡng hộ nhiệt ở 120 0 C trong 15 giờ và 24 giờ [48]

Có thể thấy rằng quá trình Geopolymer hóa không diễn ra hoàn toàn khi thời gian dưỡng hộ dưới 6 giờ Vì điều đó nên cường độ chịu nén tăng khi thời gian dưỡng hộ kéo dài và không thay đổi khi thời gian càng dài [48]

ĐẶC TÍNH CƠ HỌC BÊ TÔNG GEOPOLYMER

Có rất nhiều quan điểm khác nhau về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và đặc tính cơ học của vật liệu Geopolymer Palomo et.al [8] nói rằng yếu tố quan trong ảnh hưởng đến cường độ là nhiệt độ dưỡng hộ thời gian dưỡng hộ và loại dung dịch hoạt hóa Một số nghiên cứu khác cho biết các thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình polymer hóa là hàm lượng nước, mối quan hệ giữa Si-Al-Na, loại dung dịch hoạt hóa, mức độ phản ứng của Si với tỉ lệ Si/Al trong dung dịch và nhiệt độ dưỡng hộ [50]

4.2.1 Cường độ kéo gián tiếp bê tông Geopolymer

Sử dụng cấp phối GPC1, GPC2, GPC3 tiến hành làm thí nghiệm với thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay từ 0.4 đến 0.6, tỉ lệ Na2SiO 3 /NaOH là 2.5 Mẫu được dưỡng hộ tĩnh định trong 24 giờ, tiến hành dưỡng hộ nhiệt ở 60, 90, 120 0 C trong 4,6,8 và 10 giờ Cường độ kéo gián tiếp được xác định ở tuổi 7 ngày

Biểu đồ 4.5 : Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer

Cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer cao hơn 20% so với bê tông OPC, đạt từ 3,0 đến 4,5 Mpa Nó chịu ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng, tăng theo nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng Cả cường độ kéo gián tiếp và cường độ của bê tông đều có mối tương quan thuận với nhau ở cả bê tông Geopolymer và OPC.

Do cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer cao hơn bê tông OPC khoảng 20% nên bê tông Geopolymer nên được ứng dụng trong kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường nước biển Cường độ kéo gián tiếp thấp làm cho vật liệu dễ bị ăn mòn do sự phát triển biến dạng hoặc các vết nứt do co ngót khi hàm lượng không khí và hơi nước trong bê tông tăng Ngược lại, cường độ kéo gián tiếp cao có thể làm giảm mức độ ăn mòn cốt thép trong cấu kiện [51]

Cường độ kéo gián tiếp của Geopolymer cao hơn bê tông OPC có thể hiểu rằng do phát triển sự liên kết giữa chất kết dính Geopolymer với bề mặt cốt liệu ở vùng tiếp xúc về mặt Sự liên kết chặt chẻ giữa chất kết dính Geopolymer và cốt liệu làm cho cốt liệu khó bị kéo ra Sự tương tác hóa học giữa cốt liệu và dung dịch hoạt hóa (alkaline) được cho là nguyên nhân dẫn đến sự liên kết này[52]

Theo Joshep Davidovits [7], cho rằng cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer có giá trị cao hơn so với bê tông OPC và đã đề xuất 2 công thức tính toán cường độ kéo gián tiếp (fct) cho bê tông OPC thông qua cường độ chịu nén (fcm) để so sánh với bê tông Geopolymer :

+ fcm : cường độ chịu nén (MPa)

+ fct : cường độ chịu kéo gián tiếp (MPa)

Năm 2005, Hardjito [24] đã từng đề xuất công thức tính toán cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer thông qua cường độ chịu nén

Biểu đồ 4.6 : Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer

Mối quan hệ giữa cường độ kéo gián tiếp với cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer được thể hiện ở biểu đồ 4.6 Biểu đồ 4.6 sẽ giúp so sánh rõ hơn sự chênh lệch cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer và bê tông OPC Có thể thấy rõ sự chênh lệch giữa thực nghiệm và tính toán Cường độ chịu nén càng lớn thì cường độ kéo giá tiếp càng tăng, nhưng có thể thấy khi cường độ chịu nén có giá trị tương đối lớn khoảng từ 50-60MPa thì giá trị cường độ chịu kéo gián tiếp vẫn tăng nhưng không đáng kể Thông qua thực nghiệm cường độ kéo gián tiếp, đưa ra vùng quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ kéo gián tiếp Thông qua vùng này có thể rà soát được cường độ chịu kéo gián tiếp chiếm bao nhiêu phần trăm cường độ chịu nén Có thể thấy rằng cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer theo thực nghiệm đạt khoảng 8-13% của cường độ chịu nén

Biểu đồ 4.6 cho thấy bê tông Geopolymer có cường độ kéo gián tiếp cao hơn bê tông OPC Kết quả thí nghiệm phù hợp với công thức tính toán của Hardjito, chênh lệch khoảng 10-15% Do đó, có thể sử dụng công thức của Hardjito (2005) để ước tính cường độ kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer dựa trên cường độ nén.

Qua kết quả thực nghiệm đã xác định mối quan hệ giữa cường độ kéo gián tiếp và cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer là : y 0.0006x 2 0.0901x1.3254

4.2.2 Cường độ chịu uốn bê tông Geopolymer

Sử dụng cấp phối GPC1, GPC2, GPC3 tiến hành làm thí nghiệm với thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay từ 0.4 đến 0.6, tỉ lệ Na2SiO3/NaOH là 2.5 Mẫu được dưỡng hộ tĩnh định trong 24 giờ, tiến hành dưỡng hộ nhiệt ở 60, 90, 120 0 C trong 4,6,8 và 10 giờ Cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer được xác định ở tuổi 7 ngày

Hình 4.10 : Mẫu dầm bê tông Geopolymer bị phá hủy

Sử dụng công thức tính trong AS3600 để tính toán cường độ chịu uốn của bê tông xi măng thong qua cường độ chịu nén

Biểu đồ 4.7 : Ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ đến cường độ chịu uốn của bê tông

Cường độ chịu uốn trung bình của bê tông Geopolymer và bê tông OPC được thể hiện trong biểu đồ 4.7 Cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cho giá trị từ 4.25 đến 7.70 MPa cao hơn bê tông OPC (tính toán theo AS3600 khi biết cường độ chịu nén của bê tông) khoảng 40% Có thể thấy rằng cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cũng bị ảnh hưởng khi thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và thay đổi điều kiện dưỡng hộ Cường độ chịu uốn tăng khi cường độ chịu nén tăng (cả bê tông OPC và bê tông Geopolymer)

Trong Nghiên cứu về T ổ ng h ợ p th ự c nghi ệ m v ề đặc tính cơ họ c c ủ a bê tông Geoplymer [20], K.Vijai đã đề xuất công thức tính toán cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer thông qua cường độ chịu nén

Biểu đồ 4.8 : Mối quan hệ cường độ chịu nén đến cường độ chịu uốn

Biểu đồ 4.8 thể hiện rõ rằng cường độ chịu uốn của bê tong Geopolymer có giá trị cao hơn so với bê tông OPC Vùng quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén tương đối khá rộng, cường độ chịu uốn chiếm khoảng 12-22% cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer, trong khi đối với bê tông xi măng khoảng từ 8-

12% Nó có thể hiểu rằng silicate trong hỗn hợp Geopolymer tạo nên sự liên kết tốt giữa chất kết dính và cốt liệu, từ đó ảnh hưởng đến đặc tính biến dạng của bê tông

Tương tự như cường độ chịu kéo gián tiếp, cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay cao có lợi cho các công trình trong môi trường biển do làm giảm mức độ vết nứt do xâm thực trong cốt thép, đặc biệt trong môi trường nước biển

Giá trị thực nghiệm chênh lệch so với công thức (4.4) mà Vijai đề xuất khoảng 10% Do đó, có thể sử dụng công thức f fs 1.104 f ck (MPa) để tính toán cường độ chịu uốn khi biết cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer Thực nghiệm đã xác định mối quan hệ giựa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer : y  2 10  5 x 2 0.1484x0.2607

4.2.3 Hệ số Poission và Module đàn hồi :

MÔ PHỎNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP GEOPOLYMER TRÊN

Dầm bê tông cốt thép Geopolymer có kích thước 100x100x400 Sử dụng cấp phối GPC1, GPC2, GPC3 ứng với thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay từ 0.4 đến 0.6, tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide là 2.5 Tiến hành dưỡng hộ ở 60,90,120 0 C trong thời gian 10h Mẫu được thực hiện uốn tại phòng thí nghiệm BKSEL trường Đại học Bách Khoa TPHCM, dầm được đặt theo như mô hình với tốc độ gia tải 50N/s Để so sánh ứng xử giữa bê tông xi măng và bê tông Geopolymer, ta sử dụng thiết kế thêm M250&M400R28 sử dụng xi măng PCB

B ảng 4.4 : Cấp phối bê tông xi măng M250&M400 (kg/m3)

Cấp phối Xi măng Đá Cát Nước Phụ gia

Hình 4.11 : Thí nghiệm uốn dầm GPC1

Số liệu thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép Geopolymer được tổng hợp vào bảng 4.4

B ảng 4.5 : Kết quả thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép Geopolymer và bê tông xi măng

Cường độ nén bê tông

Lực gây vết nứt đầu tiên (kN)

Tất cả các dầm bê tông cốt thép Geopolymer hay bê tông cốt thép sử dụng xi măng PCB40 đều có dạng hư hỏng đặc trưng: tải trọng tăng dẫn đến vết nứt ở vùng chịu uốn Khi tải trọng tiếp tục tăng, vết nứt lan rộng và tạo thành vết nứt mới dọc theo nhịp dầm Vết nứt ở hai gối dầm mở rộng và lan dần lên đỉnh dầm, nơi đặt tải trọng, dẫn đến hư hỏng Độ võng của dầm tăng đáng kể, cho thấy thép chịu kéo đã bị biến dạng Hư hỏng cuối cùng của dầm xảy ra khi bê tông chịu nén bị phá hủy, đặc trưng cho mẫu hư hỏng của dầm bê tông cốt thép Geopolymer.

Bảng 4.5 còn cho thấy rằng, lực phá hủy của dầm bê tông cốt thép sử dụng xi măng PCB cao hơn bê tông cốt thép Geopolymer 25%, chuyển vị cũng gần như tương đồng Nếu xét về thời gian chịu tải dẫn đến phá hủy có thể thấy rằng cấu kiện dầm bê tông cốt thép Geopolymer sẽ lâu phá hủy hơn bê tông thường Điều này có

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086 thể lý giải thời gian chịu biến dạng của bê tông Geopolymer lâu hơn do đặc tính cấu trúc được hình thành bởi các chuỗi nối dài liên tục Si-O-Al

Quá trình ứng xử của bê tông cốt thép Geopolymer tương tự như bê tông xi măng Nhờ đó, phần mềm ANSYS có thể mô phỏng lại vết nứt, cho phép so sánh độ chuyển vị giữa thực nghiệm và tính toán trong ANSYS.

Hình 4.12 : Dạng vết nứt thực nghiệm dầm GPC1-120-10h, GPC1-90-10h

Hình 4.13 : Dạng vết nứt thực nghiệm dầm M400, M500

Vết nứt ở đây thường nằm ở vùng tiếp xúc ITZ giữa vữa và cốt liệu thô Hình 4.13 cho thấy vùng ITZ của bê tông Geopolymer đã được dưỡng hộ nhiệt [14]

Khoảng cách này làm giảm cường độ của bê tông bằng cách kết nối với các vết nứt

GVHD : TS LÊ ANH TUẤN HVTH : LÊ HỮU QUỐC PHONG TS NGUYỄN SỸ LÂM MSHV : 12194086 tế vi trong cấu trúc Sự tốn tại khoảng cách giữa cốt liệu và hồ Geopolymer dẫn đến phản ứng trùng ngưng không thể hoàn thành

Hình 4.14 : Cấu trúc SEM mẫu Geopolymer đã dưỡng hộ [14]

Dùng dầm bê tông cốt thép Geopolymer GPC1-120-10h và dầm bê tông cốt thép M500 để mô phỏng vết nứt so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết của dầm bê tông cốt thép Geopolymer, ANSYS 14.0 được sử dụng để mô phỏng lại quá trình uốn dầm Sử dụng các thông số đã thí nghiệm trên bê tông Geopolymer và các thông số qui định trong tiêu chuẩn về bê tông xi măng như hệ số Poission và Module đàn hồi được dùng làm hệ số đầu vào cho ANSYS

Phần tử SOLIDE65 và BEAM188 được dùng để định nghĩa cho bê tông Geopolymer và cốt thép trong ANSYS vì nó có khả năng thể hiện được vết nứt của bê tông Geopolymer Phần tử SOLIDE65 có 8 nút với 3 trục và tự do ở mỗi nút

Hình 4.15 : Cấu trúc phần tử Solid65 và Beam188

Với bê tông, số liệu đầu vào trong ANSYS được thể hiện ở bảng 4.5 :

B ảng 4.6 : Đặc tính bê tông Geopolymer trong ANSYS 14.0 Đặc tính vật liệu Ký hiệu GPC1-120 M500

Module đàn hồi (MPa) Ec 24200 36000

Cường độ nén bê tông (Mpa) fc 57.2 55.8

Shear coefficient for open crack  t 0.3 0.3 Shear coefficient for closed crack t 0.7 1

Bê tông Geopolymer được mô phỏng trong ANSYS 14.0 như ở hình 4.16 (Xem phụ lục)

Hình 4.16 : Mô phỏng dầm bê tông Geopolymer trong ANSYS 14.0

Hình 4.17 : Chuyển vị dầm GPC1-120 (f’cW.2MPa)

Theo tính toán trong ANSYS thì chuyển vị lớn nhất ở giữa dầm là 4.92 mm như hình 4.17 Sai số chuyển vị so với thực nghiệm khoảng 12% Kết quả cho thấy rằng sự làm việc giữa thực nghiệm và mô phỏng ANSYS cho kết quả tương đương nhau

Hình 4.18 So sánh mô hình vết nứt dầm bê tông cốt thép Geopolymer GPC1-120

Hình 4.18 cho thấy sự so sánh về mô hình phát triển vết nứt trong dầm bê tông cốt thép Geopolymer Mô hình vết nứt được tổng hợp bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn hội tụ và các dạng vết nứt xuất hiện trên dầm thực nghiệm có tương đồng tốt Hình dạng và hướng lan truyền vết nứt của mô hình tương đương như thực tế uốn dầm bê tông cốt thép Geopolymer Độ cứng trong mô hình phần tử hữu hạn thường yếu hơn so với dầm thực nghiệm về khoảng tuyến tính do không bao hàm cả lực dính giữa bê tông và cốt thép và chia lưới của mô hình [26] Trong khi, mô hình dầm thực tế có những vết nứt tế vi dẫn đến sự hư hỏng đột ngột

Tiêu đề	Nghiên cứu ứng xử cơ học cấu kiện dầm bê tông cốt thép Geopolymer sử dụng tro bay
Tác giả	Lê Hữu Quốc Phong
Người hướng dẫn	TS. Lê Anh Tuấn, TS. Nguyễn Sỹ Lâm
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Chuyên ngành	Vật liệu và Công nghệ vật liệu xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	3,78 MB