NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐỨC THIỆN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016 Tạ Tuấn Anh iii CẢM TẠ Trước tiên, tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Phạm Đức Thiện Thầy TS Phan Đức Hùng người giúp xây dựng ý tưởng đề tài, mở hướng đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Thầy có nhiều ý kiến đóng góp quý báu giúp đỡ nhiều thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa Xây dựng học ứng dụng, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức cho tơi suốt khóa Cao học Tơi xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Hữu Hải đóng góp công sức cho đề tài nghiên cứu thực nghiệm tơi Mặc dù cố gắng q trình thực hiện, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý kiến quý Thầy cô bạn bè Tp HCM, ngày … tháng … năm 2016 Tạ Tuấn Anh iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn tiếp nối cơng trình nghiên cứu trước, nhằm hiểu rõ vật liệu geopolymer, mong muốn vật liệu phát triển mạnh mẽ Việt Nam Bởi biết đến giới vật liệu xanh, thân thiện với mơi trường đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt Một cách tổng quát, vật liệu geopolymer hình thành từ nguyên liệu ban đầu là: tro bay, kaolin, metacaolin, nano silicat, tro trấu dung dịch hoạt hố là: NaOH, KOH, Ca(OH)2 Qua nghiên cứu trước thường đề cập đến làm việc bề mặt tiếp xúc cốt thép bê tơng geopolymer, bê tơng geopolymer thực nghiệm với năm loại cấp phối thay đổi tỉ lệ thành phần dung dịch như: alkaline/tro bay Na2SiO3/NaOH, cốt thép sử dụng có đường kính Ø12, 14, 16, 20 Ø14 thép trơn lại thép gân Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu vào lực kéo tuột cốt thép khỏi mẫu bê tơng geopolymer Do luận văn nghiên cứu với vấn đề sau bao gồm khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén thay đổi tỉ lệ thành phần nguyên vật liệu bê tông Geopolymer độ bám dính cấp phối bê tơng Geopolymer loại thép có đường kính khác Các kết nghiên cứu giúp mở rộng ứng dụng vật liệu geopolymer đến gần với ứng dụng thực tế vật liệu vào kết cấu chịu lực cơng trình v ABSTRACT The current thesis is considered as an extension of the previous research with the aim to obtain the better comprehensive insights into geopolymer – the newly material having considerable potential for being widely applied in Vietnam Currently, it is largely accepted that geopolymer is a preferable material thanks to its environmentally friendly features and magnificent specifications Generally, geopolymer material is a compound or mixture of fly ash, kaolin, metacaolin, nano silica, rice husk ash and alkaline liquid such as NaOH, KOH, Ca(OH)2 Nevertheless, previous studies have not offered a large amount of information at the contact surface about the bond strength of steel bar in geopolymer conrete, and geopolymer concrete used in the experiment was designed with types of gradation with the corresponding reliability level of B50; B40; B32,5; B45; B43,5 These kinds have changes about: Alkaline/fly ash and Na2SiO3/NaOH The steel used in the experiments is of Ø12, 14, 16, and 20 in diameters The Ø14 diameter steel is smooth and the others are ribbed Therefore, there is an urgent need for studying the traction slip into reinfoced conrete samples out of geopolymer Offal the purposes of this experimental research are to address the following include Survey of factors affecting the compressive strength by changing the ratio of the component materials of geopolymer concrete and the adhesion of the geopolymer concrete aggregate for all kinds of different diameter steel The results obtained from this study would contribute to the widespread applications of geopolymer material in general as well as show its remarkable potential for the main load bearing structure of the building vi MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC… …… ………………………………………………… ….i LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………… …… iii CẢM TẠ……………………………………………………………………… …….iv TÓM TẮT…………………………………………………………………… …… v ABSTRACT………………………………………………………………… …… vi MỤC LỤC…….……………………………………………………………… …….vii DANH SÁCH CÁC HÌNH…………………………………………………… … x DANH SÁCH CÁC BẢNG…………………………………………………… ……xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI…………………………………… ……… 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU…………………………… … 1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI………………… ….7 1.2.1 Nghiên cứu giới……………………………………………… … … 1.2.2 Nghiên cứu nước…………………………………………….……… ….12 1.3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ………………………………………………… ….12 1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU……………………………………… ………… 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………………………… 14 2.1 Q TRÌNH GEOPOLYMER HĨA………………………………… ……… 14 2.2 CƠ CHẾ HĨA HỌC CỦA CƠNG NGHỆ GEOPOLYMER TRO BAY……… 17 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC GEOPOLYMER ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN……………………………………………………………………………….….19 2.4 NHỮNG ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER………………23 2.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………… ……………………24 2.5.1 Lý thuyết…………………………………………………………….………….24 2.5.2 Thực nghiệm…………………………………………………… …………… 25 2.6 ĐỘ BÁM DÍNH GIỮA BÊ TƠNG VÀ CỐT THÉP …………………………… 26 vii 2.6.1 Thí nghiệm xác định lực dính………………………………………………… 26 2.6.2 Các nhân tố tạo nên lực bám dính……………………………………………….27 2.6.3 Các nhân tố ảnh hưởng………………………………………………………….27 2.6.4 Trị số bám dính………………………………………………………………….28 2.6.5 Lực kéo đứt cốt thép …………………………… …………………………….28 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ……29 3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU………………………………………………… …….… 29 3.1.1 Tro bay………………………………………………………………… ….… 29 3.1.2 Dung dịch hoạt hóa…………………………………………………………… 30 3.1.3 Cát…………………………………………………………… ……………….31 3.1.4 Đá………………………………………………………………… ……….….33 3.1.5 Nước pha dung dịch NaOH…………………………………………………… 34 3.1.6 Cốt thép………………………………………………………… ……….……34 3.2 THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM……………………35 3.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối……………………………………………………35 3.2.2 Phương pháp thí nghiệm……………………………………………………… 37 3.2.2.1 Đúc mẫu xác định cường độ chịu nén……………………………………… 37 3.2.2.2 Xác định khối lượng cốt liệu mẫu thí nghiệm……………………………37 3.2.2.3 Nhào trộn đúc mẫu…………………………………………………………38 3.2.2.4 Dưỡng hộ nhiệt……………………………………………………………… 40 3.2.2.5 Thí nghiệm kéo tuột………………………………………………………… 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ…………………… 43 4.1 CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN MẪU BÊ TÔNG GEOPOLYMER………………… 43 4.2 CÁC DẠNG PHÁ HOẠI ĐIỂN HÌNH………………………………………… 45 4.3 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO TUỘT VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT BỊ KÉO…48 4.4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO VÀ ĐƯỜNG KÍNH THÉP…………………50 4.5 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO, ĐƯỜNG KÍNH THÉP VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT BỊ KÉO……………………………………………………… …………… 52 viii 4.6 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KÉO TUỘT………………………………………… 55 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI…… ….…… 62 5.1 KẾT LUẬN………………………………………………………………… … 62 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI…………………………………………… ….63 ix DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thành phần tro bay theo ASTM C618-94a …………… 29 Bảng 3.2: Thành phần hóa học tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Phả Lại .30 Bảng 3.3: Thành phần hóa học tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Fomosa .30 Bảng 3.4: Thành phần vật lý tro bay .30 Bảng 3.5: Thành phần hạt cát (trong 100 kg) .31 Bảng 3.6: Kết thí nghiệm hạt cát 32 Bảng 3.7: Thành phần hạt đá (trong 100 kg) 33 Bảng 3.8: Kết thí nghiệm đá .33 Bảng 3.9: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3) .36 Bảng 3.10: Khối lượng cốt liệu viên mẫu .38 Bảng 4.1: Cường độ chịu nén bê tông geopolymer .43 Bảng 4.2: Giá trị lực kéo tuột max (thép trơn Ø14) 51 x x Đối với thép gân, đường kính cốt thép tăng lực kéo tuột lớn Thép trơn có lực kéo nhỏ thép gân có đường kính x Khơng thể kéo tuột thép gân có đường kính Ø 20 với chiều dài đoạn tiếp xúc 100 mm bê tơng Geopolymer có cường độ chịu nén 56 MPa Tất thép bị đứt, mẫu bê tông không bị phá hoại 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Nghiên cứu tạo tiền đề áp dụng bê tông Geopolymer vào cấu kiện cơng trình, đưa bê tơng Geopolymer vào sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng Vì thời gian có hạn lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn nên đề tài chưa thể mối liên hệ bao quát lực kéo tuột loại cốt thép gân, trơn với bê tơng Geopolymer có cường độ chịu nén khác do: thay đổi tỉ lệ thành phần dung dịch, nồng độ mole NaOH, chiều dài tiếp xúc cốt thép bê tơng, vị trí đặt cốt thép bê tông, thời gian nhiệt độ dưỡng hộ Từ nghiên cứu định hướng phát triển đề tài sau: x Nghiên cứu ảnh hưởng dung dịch NaOH cốt thép bê tông Geopolymer x Nghiên cứu ảnh hưởng hệ số phụ thuộc bề mặt cho nhiều cấp phối nhiều loại đường kính khác để tính lực bám dính mang tính xác x Nghiên cứu làm việc chung cốt thép bê tông OPC so với bê tông Geopolymer 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguồn tro bay phong phú , internet: http://trobay.vn/Tin-tuc/ngun-tro-bay-phong-phu.html, 24/08/2016 [2] The European Cement Association, Activity report 2013, 2013 [3] PBL Netherlands Environmental Assessment Agency, Trends in global CO2 emissions: 2014 Report, 2014 [4] Sustainable concrete for Now and the Future, internet: https://www.acf2016.vn/vn, 24/08/2016 [5] Trần Quyết-Văn Chương Cảnh báo mưa axit từ dự án Trung Quốc, internet: http://moitruong.com.vn/moi-truong-sos/canh-bao-mua-mua-a-xit-tu-du-an-cua trung-quoc-11251.htm, 30/08/2016 [6] Tường Vi Vòng quanh giới: than đá nước, internet: http://m.tinmoitruong.vn/moi-truong/vong-quanh-the-gioi than-da-vanuoc_4_32197_1.htmlnuoc_4_32197_1.html, 30/08/2016 [7] Phạm Huyền Hơn 10 triệu tro than “Phủ” đầu người dân Internet: http://baotainguyenmoitruong.vn/moi-truong-va-phat-trien/201507/can-co-che-uudai-xu-ly-tro-xi-nhiet-dien-than-603867/, 11/03/2015 [8] Mai Phương Khắc phục tình trạng xã khói đen Nhiệt điện Vĩnh Tân 2, internet http://www.vietnemplus.vn/khac-phuc-tinh-trang-xa-khoi-den-cua-nhiet-dienvinh-tan-2/332854.vnp, 30/08/2016 [9] J.Davidovits, D., R., and James, The Proceeding of Geopolmer 99 2nd International Conference on Geopolymers, 1999: p 368 [10] Dacidovits, P.D.J., Geopolymer Chemistry&Applications, ed J 3th edition2011, Institut Géopolymère 630 [11] Davidovits, Joseph, and Michel Davidovics "Geopolymer poly (sialate)/poly (sialate-siloxo) mineral matrices for composite materials." International 64 Conference on Composite Materials, th, and European Conference on Composite Materials, nd, London, England 1987 [12] Palomo, A., Grutzeck, M.W., & Blanco, M.T., Alkali-activated fly ash cement for furthure Cement and Concrete Research, 1999 [13] Van Jaarsveld, J.G.S., Van Deventer J.S.J., & Lukey, G.C., The effect off composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite-based geopolymers Chemical Engineering, 2002 [14] Djwantoro Hardjito, S.E.W., Dody M.J.Sumajouw and B.VRanagn, Factors influencing the compressive strength of fly ash based Geopolymer concrete Civile Engineering Dimension, 2004 [15] Rangan, D.H.a.B.V., Development and Properties of Low-calcium fly ash based Geopolymer concrete, in Research report GC12005: Faculty of Engineering Curtin University of Technology Perth, Australia p 103 [16] Suresh.G.Patil and Manojkumar, Factors influencing compressive strength of Geopolymer concrete IJRET : Inetrnational Journal of Research in Engineering and Technology, 2013 [17] Nuruddin, M.F., et al., Compressive strength and interfacial transition zone characteristic of Geopolymer concrete with different cast In-Situ curing conditions International Scholarly and Scientific Research&Innovation, 2011 [18] Bakri, A.M.M.A., H.Kamarudin, and M.Binhussain, Microstructure study in optimization of high strength fly ash based geopolymer Advanced Material Research, 2012: p 2173-2180 [19] Zejak, R., I Nikolic, and D Blecic, Mechanical and microstruture properties of the fly ash based Geopolymer paste and mortar Materials and technology, 2012: p 535-540 [20] Olivia, M., Durability Related Properties of Low Calcium Fly ash based Geopolymer Concrete, in Civil Engineering 2011, Curtin University of Technology 65 [21] Rangan, V B., M Sumajouw, S Wallah, and D Hardjito 2006.“Heat-Cured Low Calcium Fly Ash-Based Reinforced Geopolymer Concrete Beams and Columns.” In 5th Asian Symposium on Polymers in Concrete, Sep 11, 2006 [22] M Sofi , J S J van Deventer, P A Mendis, G C Lukey.“Bond performance of reinforcing bars in inorganic polymer concrete (IPC)” [23] Sarker, PK 2011.“ Bond strength of reinforcing steel embedded in fly ash-based geopolymer concrete.” Materials and Structures 44 (5): 1021-1030 [24] Kiên, N.T.T.T., T.P.T.V Lanh, and T.L.T Thành, Bê tông Geopolymer - Những thành tựu, tính chất ứng dụng Hội nghị khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Việ KHCN Xây dựng [25] Hoan, N.V., Nghiên cứu sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay xỉ lò cao sở chất kết dính Geopolymer Viện Vật liệu xây dựng, 2012 [26] Skvara, P., Alkali active material or geopolymer 2007 [27] D.Hardjito, Development and properties of low-calcium fly ash based geopolymer concrete Curtin University of Technology Perth, Austalia, 2005 [28] VD, G., R GS, and R GV, High strength slag alkaline cements Proceedings of the seventh international congrees on the chemistry of cement, 1980 3: p 164-168 [29] Institution, A.C., State of the art of high strength concrete, in ACI Committee 3631993 [30] A., F.-J., Microstructure development of Alkali-activated fly ash cement : a descriptive model Cement and Concrete Research, 2005 35 [31] Phan Quang Minh, Ngơ Thế Phong, Nguyễn Đình Cống Kết cấu bê tơng cốt thép – phần cấu kiện Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006, tr (22 – 23); (38 – 41) trang 365 [32] Zejak, R., I Nikolic, and D Blecic, Mechanical and microstruture properties of the fly ash based Geopolymer paste and mortar Materials and technology, 2012: p 535-540 66 [33] E.Arioz and O.M.Kockar, Mechanical and microstructure properties of fly ash based Geopolymer International Journal of Chemical Engineering and Applications, 2013 397-400 [34] Fly ash and raw or calcined natural Pozzolan use as a mineral admixture in Portland Cement Concrete, in ASTM C6181994 [35] Khang, P.H., Tro bay Ứng dụng xây dựng đường ô tô sân bay điều kiện Việt Nam, 2002 [36] Trung, B.D., Nghiên cứu chế tạo bê tông bền vững không sử dụng xi măng Portland, in HCM city University of Technology2008 p 103.[31] [37] Hùng, Tuấn., Khả bám dính cốt thép bê tơng Geopolymer, 2016 p [38] ACI Committee 408 (2003), Bond and development of straight reinforcing bar in tension (ACI 408R-03), American concrete institute, pp.9-25 [39] Xiao, J., Li, J., and Zha Q (2004), Experimental study on bond behavior between FRP and concrete, Construction and building materials, 18 (10), pp 745-752 [40] Foroughi-Asl, A., Dilmaghani, S., and Famili, H., (2008), Bond strength of reinforcement steel in self-compacting concrete, International journal of civil engineering, 6(1), pp 24-33 [41] Xiao, J., and Falkner, H., (2007), Bond behavior between recycled aggregate concrete and steel bars, Construction and Building materials, 21(2), pp 395-401 [42] Mạnh Thân Tìm hiểu bê tông Geoplymer, internet: http://vatlieuxaydung.org.vn/vlxd-ket-cau/be-tong/tim-hieu-ve-be-tonggeopolymer-5729.htm, 30/08/2016 [43] TCVN 5574:2012, internet: https://www.google.com.vn/search?safe=active&site=&source=hp&q=tcvn+5574 +2012&oq=tcvn+5574+2012&gs_l=hp.3 14608.24438.0.25642.16.16.0.0.0.0.44 5.2644.0j14j1j0j1.16.0 1c.1.64.hp 0.10.1506.0 0j35i39k1j0i131k1j0i22i30k 1.2LEp1sH4bYY, 30/08/2016 67 PHỤ LỤC Kết hình ảnh biểu đồ sau kết thúc thí nghiệm Thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892;1998 Hình 1: Biểu đồ quan hệ gữa lực kéo chuyển vị thiết bị kéo (CP1, Ø12) Hình 2: (CP2, Ø12) 68 Hình 3: (CP3, Ø12) Hình 4: (CP4, Ø12) 69 Hình 5: (CP5, Ø12) Hình 6: (CP1, Ø14) 70 Hình 7: (CP2, Ø14) Hình 8: (CP3, Ø14) 71 Hình 9: (CP4, Ø14) Hình 10: (CP5, Ø14) 72 Hình 11: (CP1, Ø16) Hình 12: (CP2, Ø16) 73 Hình 13: (CP3, Ø16) Hình 14: (CP4, Ø16) 74 Hình 15: (CP5, Ø16) Hình 16: (CP1, Ø20) 75 Hình 17: (CP2, Ø20) Hình 18: (CP3, Ø20) 76 Hình 19: (CP4, Ø20) Hình 20: (CP5, Ø20) 77