Nghiên cứu ảnh hưởng của pha trộn phụ gia khoáng vật hoạt tính thay thế một phần xi măng đối với tính năng mỏi của bê tông - TS. Đỗ Văn Toán

Mời các bạn cùng tham khảo bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của pha trộn phụ gia khoáng vật hoạt tính thay thế một phần xi măng đối với tính năng mỏi của bê tông dưới đây để nắm bắt được ứng dụng để nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của bê tông có dùng phụ gia khoáng hoạt tính trong thiết kế cấp phối bê tông. Với các bạn chuyên ngành Xây dựng thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TRỘN PHỤ GIA KHOÁNG VẬT HOẠT TÍNH THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG ĐỐI VỚI TÍNH NĂNG MỎI CỦA BÊ TƠNG TS Đỗ Văn Toán – Trường Đại học thủy lợi Đặt vấn đề Hiện bê tông khối lớn bê tông đầm lăn dùng phụ gia hoạt tính thay phần xi măng trộn vào hỗn hợp vữa bê tông theo tỷ lệ từ 30% (đối với bê tông khối lớn) 30% đến 65% (cho bê tong đầm lăn) tính theo trọng lượng chất keo dính Ảnh hưởng việc pha trộn khống hoạt tính thay phần xi măng tính mỏi bê tơng người ta phân biệt dùng 30%, 50% (tính theo trọng lượng) tro bay 30%, 50%, 80% xỉ lò cao nghiền mịn thay xi măng vữa bê tơng đo kiểm tra tính kháng uốn mỏi nó, đồng thời kết hợp chế phá hoại mỏi bê tong, phân tích khống vật hoạt tính thay ảnh hưởng lý tính mỏi bê tơng Kết cho thấy, việc trộn phụ gia khống vật hoạt tính cải thiện kết cấu khu độ mặt tiếp giáp, từ nâng cao hệ số triết giảm cường độ mỏi bê tơng tính mỏi chu kỳ cao bê tơng nâng cao Còn ảnh hưởng khống thay hoạt tính ảnh hưởng tính mỏi chu kỳ thấp bê tông định khống vật thay hoạt tính ảnh hưởng cường độ bê tông, cường độ bê tông cao, tính mỏi chu kỳ thấp tốt Đồng thời thiết kế vận hành làm để nâng cao tuổi thọ tính mỏi bê tơng Sử dụng phụ gia khống hoạt tính thay bê tơng điều chỉnh, cải thiện tính bê tơng giảm phát nhiệt cao, để hạ ứng suất nhiệt, tăng tính bền, tăng cường độ, tăng khả chống thấm mà tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm ảnh hưởng có hại cho mơi trường, có lợi 152 cho việc phát triển ngành nghề xi măng, bê tông Bê tông đại ngày gần thiếu thành phần phụ gia khống hoạt tính Nhiều cấu kết cơng trình bê tơng mặt đường, đường băng sân bay, mặt cầu, tà vẹt đường sắt…trong trình làm việc chịu tải trọng có tính chu kỳ tác dụng mặt khác thay đổi nhân tố môi trường nhiệt độ thay đổi theo ngày theo mùa, vùng cao, vùng núi phía Bắc có đóng băng, tan băng gây nên ứng lực dao biến thay vật liệu nội kết cấu, làm cho chịu tác dụng tải trọng chu kỳ Từ sản sinh tổn thương mỏi bê tông dẫn đến làm hiệu kết cấu mà nguyên nhân chủ yếu phá hoại tính bền vững bê tơng Nhờ có tác dụng cài tạo tính bê tơng, Phụ gia khống hoạt tính sử dụng nhiều để sản xuất bê tông đầm lăn cấu kiện, kết cấu bê tông… chịu tác dụng tải trọng mỏi Tìm hiểu khống vật thay hoạt tính ảnh hưởng tính mỏi vật liệu bê tông Đối với kết cấu bê tông tương ứng, đưa tiền đề sở để thiết kế tính kháng mỏi cho chúng Một số nước nghiên cứu tính mỏi bê tơng cường độ cao, cấp phối bê tông dùng số loại phụ gia khống hoạt tính Ở nước ta vấn đề tính mỏi bê tơng có hàm lượng phụ gia khống hoạt tính cấp phối bê tơng chưa tìm hiểu nghiên cứu nhiều Bài báo đặt vấn đề nghiên cứu ứng dụng để nâng cao hiệu kỹ thuật kinh tế bê tơng có dùng phụ gia khống hoạt tính thiết kế cấp phối bê tong, điều kiện nước ta phong phú chủng loại trữ lượng phụ gia khống hoạt tính có nhiều mỏ Puzolan, có nhiều nhà máy nhiệt điện chạy than đá, có triển vọng có lượng tro bay dồi dào, xỉ lò cao sẵn (các nhà máy nhiệt điện có: Phả Lại, ng Bí 1, ng Bí 2, Cẩm Phả, Thủy Nguyên…và tiếp tục xây dựng) Tất cóvchỉ tiêu tính vật lý thành phần tương tự bảng Thí nghiệm Vật liệu 2.1 Vật liệu thí nghiệm - Tro bay (flyash) chọn loại F có hàm lượng canxi thấp (nhà máy nhiệt điện cung cấp) - Xỉ lò cao nghiền mịn (Ground granlad blast furnace Slag - GGBFS) (khi nghiền có cho thêm lượng thạch cao) - Xi măng: dùng xi măng Pooc-lăng PII 42,5 có thành phần xi măng (tỉ lệ theo trọng lượng) gồm: W(C3S) = 55,5%; W(C2S) = 20,3%; W(C3A) = 7,1%; W(C4AF) = 12,8% Các tính vật lý xi măng, tro bay, xỉ lò cao xem bảng 1, 2, Bảng Chỉ tiêu tính vật lý vật liệu thí nghiệm Tỉ diện tích (m2.kg-1) Khối lượng riêng (kg.m-3) Độ mịn dư thừa % Tro bay 665.0 2480.0 8.0 Xi măng 309.0 3115.0 2.6 Xỉ lò cao Vật liệu 426.0 2860.0 Bảng Thành phần hóa học vật liệu làm thí nghiệm CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O TiO2 3.1 SO3 IL Tro bay 4.09 47.86 32.50 4.52 1.05 0.55 1.62 1.25 0.20 4.34 Xỉ lò cao 35.81 32.07 14.68 0.97 9.30 0.64 0.53 1.52 2.51 0.86 Clanke 64.89 21.68 5.64 4.22 0.81 0.20 0.76 0.28 0.23 0.54 Bảng Tính vật lý lực học xi măng Yêu cầu nước cho độ dẻo Xác định thời gian/h: Ứng suất uốn Ứng suất nén bình thường (tính % (s) (MPa) (MPa) khối lượng) Bắt đầu Kết thúc 3d 28 d 3d 28 d 26.4 1:40 3:00 5.04 6.85 22.5 46.7 - Cốt liệu mịn: cát sông thiên nhiên, modun hạt m=2,6; γa = 2640kg/m3 - Cốt liệu thô: đá dăm (huyền vũ) với đường kính từ 5-25 mm cấp phối liên tục, khối lượng riêng 2870 kg/m3, phụ gia giảm nước mạnh JM-13, lượng giảm nước 24% Nước trộn bê tông nước thiên nhiên phù hợp tiêu chuẩn dùng nước cho trộn bê tong 2.2 Cấp phối thí nghiệm, gia công mẫu thi nghiệm dưỡng hộ 2.2.1.Vật liệu - Hàm lượng cát bê tông lấy 38% - Lượng dùng chất keo dính (C+F) cố định 460kg/m3 - Tỷ lệ N/CKD = 0,35 - Dùng phụ gia hoạt tính thay xi măng (khối lượng nhau) - Tro bay phân biệt thay 30% 50% lượng xi măng; - Xỉ lò cao phân biệt thay 30%, 50% 80% lượng xi măng (theo chuyên đề Việt Nam nên dùng xỉ lò cao tốn cơng nghiền mịn, giá thành cao khó thi cơng) 153 Bảng Hỗn hợp Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Xi măng 1.0 0.7 0.5 0.2 0.7 0.5 Tỷ lệ cấp phối bê tơng thí nghiệm mỏi Thành phần hỗn hợp (kg.m-3) Tro bay Xỉ lò cao Cát Sỏi 0 1.47 2.4 0.3 1.47 2.4 0.5 1.47 2.4 0.8 1.47 2.4 0.3 1.47 2.4 0.5 1.47 2.4 Tỉ lệ N/X 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 2.2.2 Gia cơng mẫu thí nghiệm tĩnh, số lại làm thí nghiệm tính mỏi Chọn kích thước cho mẫu thí nghiệm mỏi Các mẫu sau làm xong thí nghiệm đo bê tơng có hình lăng trụ 100 x 100 x cường độ kháng uốn mỏi, dùng máy cưa cắt 400mm đầu mẫu (xem hình 2) mẫu lập phương Khi đúc mẫu cần thơng qua điều chỉnh kích thước 100 x 100 x 100 mm tiến lượng phụ gia giảm nước khống chế độ sụt hành cường độ kháng nén Khi thí nghiệm lực bê tơng (80 ± 20)mm, môi trường tĩnh, phương thức khống chế lực tác dụng với nhiệt độ (20 ± 5)oC, phòng sương tốc độ tăng tải 0.05 MPa/s nước có độ ẩm >90%, dưỡng hộ 90 ngày, sau chuyển sang phòng bình thường Dùng vải chất dẻo bọc che đậy định kỳ phun nước, giữ cho mặt mẫu trạng thái ẩm ướt Chú ý: dựa vào đặc diểm phản ứng phụ gia khống hoạt tính, tất mẫu thí nghiệm bảo dưỡng, tạo điều kiện cường độ bê tông phát triển đầy đủ, đảm bảo kết Sơ đồ bố trí vị trí lực thí nghiệm thí nghiệm mỏi xác kháng uốn mỏi 2.3 Tham số thiết bị thí nghiệm tính mói cảu bê tơng Thí nghiệm mỏi bê tơng tiến hành máy thí nghiệm mỏi PW-8100B Khoảng cách điểm gia tải 100mm (xem hình 1) Mức độ ứng lực lớn Smax phân biệt lấy 0.90, 0.85, 0.80, 0.75, 0.70, 0.65, giá trị R đặc Sơ đồ bố trí cưa cắt đầu mẫu thí nghiệm trưng tải trọng tuần hồn 0.1, gia tải hình tạo mẫu lập phương sóng sóng hình sin; Smax > 0.75 tần suất gia tải 2~3Hz, Smax < 0.75 tần suất gia 2.4 Kết phân tích thí nghiệm Kết tải 10Hz thí nghiệm Trong nhóm 10 mẩu thí nghiệm tùy ý rút Bảng hình thể kết thí nghiệm 3~4 mẫu làm thí nghiệm cường độ kháng uốn Bảng Kết thí nghiệm cường độ chịu lực tác dụng tĩnh mẫu bê tơng có cấp phối khác Ứng suất PL1 PL2 PL3 PL4 PL5 PL6 Ứng suất uốn 7.6 7.9 7.1 5.9 7.5 6.1 Ứng suất nén 69.7 70.2 65.8 56.6 67.5 60.6 154 PL1 PL2 PL3 PL4 PL6 PL5 Hình Quan hệ kết thí nghiệm ứng lực lớn Smax mẫu bê tong có cấp phối khác Lấy trị số lgN (N tuổi thọ mỏi mẫu bê tơng có cấp phối khác nhau) phân bố tuổi thọ mỏi bê tông tác dụng mức ứng lực khác Quan sát hình ta thấy: Khi trộn lượng phụ gia khống hoạt tính tương đối thấp, mức ứng lực lớn Smax với lgN, quan hệ tuyến tính Nhưng lượng pha trộn tro bay đạt đến 50% (cấp phối PL6), hoăc lượng pha trộn xỉ lò cao đạt 80% (cấp phối PL4), đường cong khơng góc nghiêng vị trí Smax =0.8~0.85 (đường cong có chỗ gẫy) Trong mẫu (PL4 PL6) có thành phần cấp phối chịu lực tác dụng tuần hoàn lớn 2x106 (lần) với mức ứng lực 0,65 mà chưa bị phá hoại Nhận thất hai mẫu có thành phần tỉ lệ cấp phối hợp lý nên cần ý nghiên cứu mẫu khác gần có quan hệ tuyến tính phù hợp với ứng lực với lgN vật liệu bê tông 2.5 Ảnh hưởng phụ gia khống hoạt tính tính mỏi chu kỳ thấp chu kỳ cao bê tơng Căn số lần tuần hồn ứng lực vật liệu kết cấu bê tơng trước phá hoại mỏi chia làm loại: chu kỳ cao 155 chu kỳ thấp Mỏi chu kỳ cao mức độ ứng lực thấp Số lần tuần hoàn ứng lực vật liệu kết cấu trước bị phá hoại đạt n=(103~ 107) cấp số lượng Ví dụ: Đường băng sân bay, đường cái, cầu đường sắt mặt đường bộ… thuộc kiểu mỏi Mỏi chu kỳ thấp, mức ứng lực S tương đối cao, số lần ứng lực tuần hồn n0.8, trị số bình quân tuổi thọ mỏi bê tông thường n = 103 cấp số lượng, lúc thuộc mỏi chu kỳ thấp Khi S ≤ 0.8, trị số bình quân tuổi thọ mỏi bê tông > 103, lúc thuộc mỏi chu kỳ cao Hình 4.Tuổi thọ mỏi BT tùy thuộc vào xu biến hóa lượng khống vật thay hoạt tính trộn vào Từ hình cho thấy: Khống vật thay hoạt tính ảnh hưởng tuổi thọ mỏi chu kỳ cao, chu kỳ thấp bê tông tồn xu rõ ràng khác Tuổi thọ mỏi bê tông tùy xu thay đổi lượng khống vật thay hoạt tính trộn vào có quan hệ với mức ứng lực S Khi S ≥ 0.8 tuổi thọ mỏi N bê tông tùy thuộc vào lượng phụ gia khống hoạt tính xỉ lò cao tro bay tăng mà giảm nhỏ Khi S 0.8 xu hoàn toàn ngược lại, tức cường độ kháng uốn bê tơng cao lgN lớn Trong nghiêm cứu phát tác dụng mức ứng lực cao tính mỏi bê tơng cường độ cao tốt bê tông cường độ thấp, tức mức độ cường độ ứng lực cao tuổi thọ mỏi bê tông tùy thuộc nâng cao cường độ bê tông mà tăng lên Ủy ban bê tông châu Âu quốc tế nghiên cứu báo cáo: phá hoại mỏi vật liệu bê tông tồn chế: + Giữa đá xi măng vật liệu thơ thối hóa dính kết; + Nứt phát triển bên Hai chế đơn độc tồn Có tài liệu đề xuất: tác dụng tải trọng mỏi chu kỳ thấp, phá hoại trước chiếm vai trò chủ yếu Dưới tác dụng tải trọng phá hoại mỏi chu kỳ cao mặt tiếp giáp khối vật liệu làm cho vật liệu mỏi tác dụng chiếm vai trò chủ yếu Nhận thấy mỏi chu kỳ thấp biên độ cao, tác dụng tải trọng mỏi tương đối cao, ứng biến tiến vào phạm vi tính dẻo, nứt nhỏ phát triển đến phận bên vữa xi măng cát có tính liên tục mà hình thành “nứt xuyên” dẫn đến phá hoại mỏi vật liệu Dưới tác dụng tải trọng mỏi chu kỳ cao biên độ thấp, nứt nhỏ sản sinh mặt kết hợp cốt liệu thô với vữa xi măng cát cốt liệu thô, cốt liệu mịn với đá xi măng cứng hóa (tức nứt dính kết), dần phát triển dẫn đến phá hoại mỏi vật liệu Trong tình trạng tập trung vật liệu định, cường độ bê tông định cường độ đá xi măng, suất lỗ rỗng đá xi măng thấp số lượng lỗ rỗng bê tông cường độ bê tơng cao Tương ứng lực khống chế nứt phát triển bê tông mạnh Căn chế phá hoại mỏi bê tơng, tình trạng mức ứng lực tương đối cao, trình phá hoại dựa vào nứt mỏi đá xi măng phát triển hình thành mạng lưới nứt Vì cường độ bê tơng cao, lực kiềm chế phát triển nứt mạnh Trước bị phá hoại chịu số lẫn mỏi tuần hoàn nhiều, tuổi thọ mỏi bê 157 tông dài Giữa đá xi măng cốt liệu tồn vùng độ mặt giao tiếp gọi tắt (ITZ) có kết cấu khơng chặt chẽ, có sản vật từ phản ứng Hydrat Ca(OH)2 Al2O3, Fe2O3 có số lượng lớn Tác dụng ngoại lực vùng dễ xuất nứt, chịu lực kém, khuếch tán, tính chống thấm Nhưng có khống vật thay hoạt tính có phản ứng thứ cấp dính kết thành đá nhân tạo, trực tiếp cải tạo vùng (ITZ) Nghiên cứu Sunwei số người khác là: cho thêm (15~20)% bột đá Silic hoạt tính vào bê tơng, cải thiện lớn vùng (ITZ), chí làm (ITZ) biến mất, cải thiện tốt tính mỏi bê tơng , nâng cao khả kiềm chế nứt vùng (ITZ), nâng cao tính mỏi chu kỳ thấp bê tông Kết luận (1) Khi tuổi thọ bê tơng N = x 106 lực tuần hồn, hệ số triết giảm cường độ mỏi bê tông tùy theo tăng giảm lượng pha trộn khoáng vật hoạt tính thay mà tăng giảm theo Bê tơng có lượng pha trộn lớn hệ số triết giảm cường độ mỏi lớn loại có lượng pha trộn nhỏ rõ rệt (2) Hiệu ứng hoạt tính khống vật thay hoạt tính có khả cải thiện kết cấu khu độ mặt tiếp xúc bên bê tông, làm tăng khả kiềm chế nứt mỏi bê tông phát triển, điều làm tính mỏi chu kỳ cao làm tăng hệ số triết giảm cường độ mỏi bê tông (3) Khống vật thay hoạt tính có độ mịn lớn, khả lấp đầy tốt, làm giảm độ rỗng bê tơng nhờ làm tăng cường độ tính kháng mỏi bê tơng (4) Tính mỏi chu kỳ thấp bê tơng tùy thuộc vào nâng cao cường độ bê tông mà tốt lên (5) Cần chu đáo, kỹ thiết kế để đảm bảo tương xứng đối tượng sử dụng mức ứng suất S = 0,8 (6) Trong khai thác cần khống chế tải tức khống chế mức ứng suất S< 0,8 để đảm bảo tuổi thọ mỏi cơng trình, tránh cho cơng trình bị ứng suất mỏi phá hoại sớm gây lãng phí lớn (7) Cần làm thí nghiệm trường để kiểm chứng lại trước ứng dụng rộng rãi (8) Vật liệu phụ gja hoạt tính dùng loại Tro bay (Flyash) xỉ lò cao (Slag) Nên ý uu tiên dùng tro bay giá thành rẻ Vì xỉ lò cao rắn, khó nghiền mịn, giá thành cao Có thể thí nghiệm dùng Puzơlan, loại phụ gia hoạt tính có sẵn Việt Nam với khối lượng lớn, lại có tính tương ứng hai loại Có thể hạ giá thành cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tuyển tập Tôn Vĩ - Trung Quốc, xuất năm 2008 [2] Giáo trình Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Thuỷ lợi [3] Sức bền Vật liệu – Đại học Thuỷ lợi Điện lực Vũ Hán – Trung Quốc [4] Ứng dụng tro bay bê tông thuỷ công – Trung Quốc, xuất năm 1992 [5] Nghiên cứu ứng dụng đập bê tông RCC trọng lực Việt Nam – Đỗ Văn Toán – Luận văn Tiến sĩ, năm 2000 Abstract: INFLUENCE OF ACTIVE MINERAL ADMIXTURES ON FATIGUN BIHAVIOR OF CONCRETE We used active admixture with the rate ≤ 30% to produce CVC which release low temperature to make bulk concrete (up to 30%-70%) to produce RCC This article focus on the effects of the active mineral additives to the fatigue strength of the concrete which includes 30%-50% fly-ash (mass fraction) or 30%, 50% and 80% blast furnace slag (used for the fatigue test) The results of the fatigue strength to crack of the concrete are up to 2000000 period of the bending load Mineral admixtures can exert beneficial effect on hi-cycle fatigue behavior of concrete for the improvement of transition zone, as for low-cycle fatigue behavior of concrete effect of mineral admixtures depend on their influence on concrete strength 158 ... mẫu có thành phần tỉ lệ cấp phối hợp lý nên cần ý nghiên cứu mẫu khác gần có quan hệ tuyến tính phù hợp với ứng lực với lgN vật liệu bê tông 2.5 Ảnh hưởng phụ gia khống hoạt tính tính mỏi chu kỳ... lượng khống vật thay hoạt tính trộn vào Từ hình cho thấy: Khống vật thay hoạt tính ảnh hưởng tuổi thọ mỏi chu kỳ cao, chu kỳ thấp bê tông tồn xu rõ ràng khác Tuổi thọ mỏi bê tơng tùy xu thay đổi... cát bê tông lấy 38% - Lượng dùng chất keo dính (C+F) cố định 460kg/m3 - Tỷ lệ N/CKD = 0,35 - Dùng phụ gia hoạt tính thay xi măng (khối lượng nhau) - Tro bay phân biệt thay 30% 50% lượng xi măng;