Murahari và Rao [3] đã nghiên cứu ảnh hường của sợi polypropylene trong bê tông tro bay với hàm lượng sợi thấp kết luận cường độ chịu nén tăng lên với hàm lượng sợi 0.15% đến 0.3%.. Ảnh
Trang 1CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG
SỢI POLYPROPYLENE VÀ SILICA FUME COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE USING
POLYPROPYLENE FIBER AND SILICA FUME
TS Phan Đức Hùng – Khoa Xây Dựng và Cơ học ứng dụng, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bài báo xem xét ảnh hưởng của sợi
polypropylene và silica fume đến cường
độ chịu nén của bê tông Các cấp phối kết
hợp sử dụng sợi polypropylene với hàm
lượng 0.5 và 1% theo thể tích và silica
fume thay thế xi măng với tỷ lệ 5, 10 và
15% theo khối lượng và cấp phối đối
chứng Nghiên cứu chỉ ra việc sử dụng
phụ phẩm như silica fume thay thế từ 5
đến 10% khối lượng xi măng giúp cải
thiện cường độ chịu nén của bê tông
Ngoài ra, kết quả cho thấy cường độ chịu
nén giảm từ 5 đến 12% khi thêm từ 0.5
đến 1% sợi polypropylene Tuy nhiên,
nghiên cứu cho thấy việc sử dụng 5 hoặc
10% silica fume kết hợp với hàm lượng
sợi 0.5% theo thể tích cho cường độ chịu
nén cao hơn so với mẫu đối chứng
Từ khóa: Sợi polypropylene, silica fume,
bê tông, cường độ chịu nén
ABSTRACT
The paper considers the effect of
polypropylene fibers and silica fume on
compressive strength of concrete Many
mixes have been studied by combination
between polypropylene fibers with the
fractions of 0.5 and 1% by volume and
silica fume with cement replacement of 5,
10 and 15% by weight in addition to reference mix The study revealed that the use of waste material like silica fume improved the compressive strength of concrete as a partial replacement of cement about 5-10% by weight Besides, the results showed that the compressive strength decreases by about 5-12% when adding 0.5-1% polypropylene fibers However, results show that the use of 5%
or 10% silica fume combined with 0.5% fiber volume fraction results in higher compressive strength of concrete comparing to reference mix
Keywords: Polypropylene fiber, silica
fume, concrete, compressive strength
1 GIỚI THIỆU
Sự phát triển của nền kinh tế đòi hỏi sự phát triển đồng bộ của cơ sở hạ tầng, trong
đó các loại bê tông sử dụng cho các công trình cần có tính năng cao như khả năng chịu kéo, va đập, chịu tải trọng động, hạn chế khe nứt,… Bê tông truyền thống có cường độ chịu nén tốt nhưng khả năng chịu kéo và khả năng chống va đập kém Việc sử dụng sợi gia cường giúp tăng khả
Trang 2năng chịu lực và nâng cao tuổi thọ kết cấu
thông qua khả năng chịu uốn và chịu kéo
tốt hơn bê tông thông thường Do đó bê
tông cốt sợi được ứng dụng nhiều trong
lĩnh vực xây dựng như, mặt đường ôtô,
mặt đường sân bay, bản mặt cầu đường
hầm, giữ ổn định mái dốc, sàn nhà công
nghiệp, kết cấu chịu tải trọng động Tính
dẻo của sợi gia cường phụ thuộc vào đặc
tính bắc cầu khi vết nứt xuất hiện và khả
năng biến dạng của sợi [1] Ngoài ra sợi
poly-propylene không phản ứng với vác
chất hóa học nên khi có sự tác động của
các chất hóa học, bê tông luôn bị phá hoại
trước sợi Vai trò chính của sợi trong bê
tông là kiểm soát vết nứt, tăng cường khả
năng chịu kéo, độ cứng và biến dạng, tuy
nhiên chúng còn phụ thuộc vào loại sợi sử
dụng [2]
Khi kết hợp với các phụ gia khoáng như
tro bay, silica fume, xỉ hạt lò cao,… bê
tông sợi có khả năng tạo nên vật liệu rất
phù hợp với tình hình Việt Nam, giúp gia tăng hiệu quả kinh tế, hạn chế gây ô nhiễm môi trường Murahari và Rao [3] đã nghiên cứu ảnh hường của sợi polypropylene trong bê tông tro bay với hàm lượng sợi thấp kết luận cường độ chịu nén tăng lên với hàm lượng sợi 0.15% đến 0.3%
Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi polypropylene trong bê tông sử dụng silica fume thay thế một phần xi măng Từ đó tìm ra loại, hàm lượng sợi và silica fume thích hợp và tính chất của bê tông này
2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1.Nguyên vật liệu
2.2.1 Cốt liệu Cốt liệu nhỏ sử dụng cát tự nhiên sạch, có khối lượng riêng 2.67g/cm3, khối lượng thể tích 1.7g/cm3 Thành phần hạt thể hiện trong Bảng 1
Bảng 1 Thành phần hạt của cát
Cỡ sàng (mm) 5 2.5 1.25 0.63 0.315 0.14 Đáy sàng Lượng sót riêng biệt (%) 0 42 483 630 525 210 105
Cốt liệu thô sử dụng đá sạch, có khối
lượng riêng 2.78g/cm3, khối lượng thể tích
1.5g/cm3, Dmax bằng 15mm
2.2.2 Xi măng
Sử dụng xi măng pooclăng PC40 trở lên
với thành phần hóa học, độ mịn phải phù
hợp với các tiêu chuẩn TCVN 2682-91 và TCVN 2682-89 với các đặc tính cơ lý của
xi măng như khối lượng riêng 3.1g/cm3 3.3.2 Silica fume
Silica fume sử dụng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu lực, giảm độ
Trang 3thấm nước có đặc tính được thể hiện trong Bảng 2
Bảng 2 Thành phần hóa học của silicafume
Hàm lượng SiO2 (%) Độ ẩm (%) Lượng mất khi nung (%) Tỷ diện (m2/g)
> 85 < 3 < 6 15-30
2.2.3 Sợi
Trong nghiên cứu này, sử dụng loại sợi
tổng hợp poly-propylene (PP) có tỷ lệ
chiều dài trên đường kính sợi (l/d) là 150
và các thông số kỹ thuật theo nhà sản xuất được trình bày trong Bảng 3
Bảng 3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của sợi polymer
Đường
kính (mm)
KL riêng
(tấn/m3)
Mođun đàn hồi (GPa)
Cường độ chịu kéo (GPa)
Độ dãn dài tương đối (%)
Kháng kiềm, muối, axit 0.3 0.9 3.5 (0.55-0.76) 15-25 Cao
Hình 1 Sợi poly-propylene gia cường trong bê tông
2.2.Cấp phối
Các cấp phối bê tông có sử dụng sợi
polypropylene với hàm lượng thay đổi là 0,
0.5, 1% và silica fume với hàm lượng thay
đổi là 0, 5, 10, 15% Cấp phối và cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi được trình bày trong Bảng 4
Bảng 4 Cấp phối và cường độ chịu nén (MPa)
STT Nước
(kg/m3)
Xi măng (kg/m3)
Đá (kg/m3)
Cát (kg/m3)
Silica fume Sợi Cường độ
chịu nén (MPa)
% kg/m3 % kg/m3 S1 172 382.2 1042 840.6 0 0.0 0 0 35.0 S2 172 382.2 1042 872.8 0 0.0 0.5 4.75 33.2 S3 172 382.2 1042 859.4 0 0.0 1 9.5 30.8 S4 172 364 1042 831.2 5 19.2 0 0 36.4 S5 172 364 1042 819.7 5 19.2 0.5 4.75 35.7 S6 172 364 1042 806.4 5 19.2 1 9.5 32.3
Trang 4S7 172 344 1042 825.6 10 38.2 0 0 36.9 S8 172 344 1042 812.2 10 38.2 0.5 4.75 36.3 S9 172 344 1042 798.9 10 38.2 1 9.5 32.2 S10 172 324.8 1042 818 15 57.3 0 0 36.1 S11 172 324.9 1042 804.7 15 57.3 0.5 4.75 34.0 S12 172 324.9 1042 791.3 15 57.3 1 9.5 31.0
3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng silica
fume đến cường độ chịu nén
Kết quả biểu diễn trên Hình 2 cho thấy sự
ảnh hưởng của phụ gia khoáng silicafume
đến cường độ chịu nén của bê tông với hàm
lượng thay đổi từ 0 đến 15% Cường độ
chịu nén của bê tông đều có khuynh hướng
tăng khi sử dụng phụ gia khoáng silica
fume với hàm lượng từ 5 đến 10% So với
mẫu đối chứng, mức tăng cường độ tương
ứng là 4 và 5.4% khi thay thế xi măng bằng
silica fume với hàm lượng tương ứng là 5
và 10% Tuy nhiên khi hàm lượng silica fume tăng lên 15% thì cường độ chịu nén của cấp phối bê tông này lại giảm xuống 2.2% so với cấp phối sử dụng hàm lượng silica fume 10%
Theo Shanmugavalli [4], cấp phối sử dụng 10% silicafume thay thế xi măng sẽ cải thiện đáng kể khả năng chịu nén của bê tông do có hàm lượng pozzolanic tự nhiên cao, giúp phản ứng với calcium hydroxide
để hình thành thể gel calcium hydroxide hydrate tăng cường cơ tính cho bê tông
Hình 2 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng silica fume
35
36.4
36.9
36.1
34.0 34.5 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0
Hàm lượng silica fume (%)
Trang 5Hình 3 Mối quan hệ giữa hàm lượng sợi, hàm lượng silica fume và cường độ chịu nén
3.2.Xác định ảnh hưởng của hàm lượng
sợi đến cường độ chịu nén
Sự ảnh hưởng của sợi poly-propylene và
phụ gia khoáng silica fume đến cường độ
chịu nén của bê tông được trình bày trong
Hình 3
Kết quả cho thấy khi kết hợp sử dụng sợi
polypropylene thì cường độ chịu nén của
bê tông có sử dụng phụ gia khoáng silica
fume có xu hướng thay đổi cường độ gần
giống nhau Cường độ chịu nén càng giảm
khi hàm lượng sợi sử dụng càng tăng, so
với mẫu không sử dụng sợi (hàm lượng
sợi 0% - mẫu S1) cường độ chịu nén giảm
5.1% và 12% tương ứng với cấp phối chứa
0.5% và 1% hàm lượng sợi polypropylene
Trong nghiên cứu của mình, Zinkaah [5]
cũng chỉ ra sự giảm cường độ chịu nén khi
sử dụng sợi poly-propylene trong bê tông
Tuy nhiên kết quả thí nghiệm cũng cho
thấy khi kết hợp sử dụng sợi và phụ gia
khoáng với một hàm lượng nhất định trong bê tông có khả năng làm tăng cường
độ chịu nén cho bê tông so với mẫu đối chứng không có sợi và phụ gia khoáng Cụ thể khi sử dụng hàm lượng sợi 0.5%, nên kết hợp với việc thay thế 5 hoặc 10% xi măng bằng silica fume sẽ cho giá trị cường độ chịu nén tăng tương ứng là 2.0
và 3.7% so với mẫu đối chứng
4 KẾT LUẬN
Nghiên cứu sử dụng các loại phụ phẩm công nghiệp như silica fume để chế tạo bê tông có khả năng cải thiện cơ tính của bê tông Kết hợp với việc sử dụng sợi polypropylene, một vài kết luận có thể rút
ra từ kết quả thí nghiệm như sau:
- Có thể sử dụng silica fume thay thế từ
5 đến 10% hàm lượng xi măng, cường
độ chịu nén đạt giá trị cao ứng với hàm lượng 10%
30
31
32
33
34
35
36
37
Hàm lượng Silicafume (%)
30 31 32 33 34 35 36 37
Hàm lượng sợi (%)
0% Silicafume 5% Silicafume 10% Silicafume 15% Silicafume
Trang 6- Cường độ chịu nén của bê tông có
khuynh hướng giảm khi chỉ thêm sợi
polypropylene vào cấp phối, giảm
khoảng từ 5 đến 12% so với cấp phối
không gia cường sợi
- Tuy nhiên nếu kết hợp với hàm lượng
nhất định phụ gia khoáng silica fume
thay thế xi măng vẫn có thể đảm bảo
gia tăng về cường độ chịu nén
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Madhavi T.C, Raju L.S., Mathur D
(2014), “Polypropylene Fiber
Reinforced Concrete- A Review”,
International Journal of Emerging
Technology and Advanced
Engineering, Vol 4(4), pp.114-119
[2] Don Wimpenny et al (2010), “The
use of steel and synthetic fibres in
concrete under extreme conditions”,
Science Agenda Investment Fund
[3] Murahari K., Rao R.M (2013),
“Effects of Polypropylene fibres on
the strength properties of fly ash
based concrete”, International
Journal of Engineering Science
Invention, Vol.2(5), pp.13-19
[4] Raj I.R.I, Shanmugavalli B (2015),
“A study on the effect of silica
fume on the properties of recycled
aggregate concrete”, Journal of
Mechanical And Civil Engineering,
Vol.2(3), pp.5-15
[5] Othman Hameed Zinkaah (2014),
“Effect of hybrid micro steel-polypropylene fibers on high strength concrete with micro silica fume”, Journal for Engineering Sciences, Vol.3(1), pp.90-102