Đánh giá hiệu quả của tro bay đối với hiện tượng nứt của bê tông sớm tuổi

Nghiên cứu đã thí nghiệm trên các tâm bê tông có chiều dày khác nhau 40mm, 60mm và 80mm, kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc dùng kết hợp 1% phụ gia giảm co ngót và 7.5% phụ gia giãn nở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN MINH

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA TRO BAY ĐỐI VỚI HIỆN TƯỢNG NỨT CỦA BÊ TÔNG SỚM TUỔI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD & CN

Mã số : 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRẦN QUANG HƯNG

Phản biện 1: PGS.TS Trương Hoài Chính

Phản biện 2: PGS.TS Phạm Thanh Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 20 tháng 4 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tượng nứt của bê tông sớm tuổi là ứng xử cơ học của vật liệu do sự giảm thể tích và do sự dịch chuyển của các pha khi bê tông không còn tính dẻo Nguyên nhân của hiện tượng này là do: Co ngót hóa học (Chemical shrinkage), co ngót dẻo (Plastic shrinkage), co ngót khô (drying shrinkage), biến dạng nhiệt (thermal deformation) và nứt do hiện tượng phân tầng và tách nước (Plastic Settlement Cracks) Sự nứt của bê tông tuổi sớm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tính chất vật liệu, kết cấu công trình, thi công, điều kiện môi trường, Hiện tượng nứt của bê tông

ở độ tuổi sớm (early age) trước trong và sau khi bê tông khô cứng xảy ra rất phổ biến, nó mang đến hậu quả là giảm chất lượng, giảm độ bền công trình và chi phí xử lý rất tốn kém Vấn đề này đã và đang thu hút sự nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới, hướng nghiên cứu có thể tiếp cận từ thực nghiệm [1-3] hay mô hình [3,

4] và nhiều nghiên cứu về giải pháp khắc phục [5-7] Cụ thể Dong et al

[3] đã nghiên cứu vòng elíp đo co ngót của bê tông sớm tuổi để thay thế cho vòng đo co ngót hình tròn theo tiêu chuẩn ASTM và AASHTO, đồng thời kết hợp với phương pháp mô phỏng bằng mô hình số Nhóm nghiên cứu đã kiến nghị rằng việc dùng vòng đo co ngót dạng hình elíp

có thể cho kết quả nhanh hơn và đáng tin cậy hơn; Yoo et al [6] đã

nghiên cứu hiệu quả kết hợp của việc dùng phụ gia giảm co ngót và phụ gia giãn nở đối với ứng về co ngót và nứt non tuổi của tấm bê tông tính năng cao dùng sợi thép gia cường Nghiên cứu đã thí nghiệm trên các tâm bê tông có chiều dày khác nhau (40mm, 60mm và 80mm), kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc dùng kết hợp 1% phụ gia giảm co ngót và 7.5% phụ gia giãn nở đã mang lại hiệu quả cải thiện cường độ cơ học và giảm co ngót tự do khoảng 36÷42% ở thời điểm 7 ngày so với mẫu đối

chứng Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào loại bê tông tính năng cao (HPC), phương pháp của nhóm nghiên cứu xác định co nứt do co ngót của bê tông ở độ tuổi sớm là dùng thí nghiệm trên vòng tròn đo co ngót (ring test) và mô phỏng bằng mô hình số, ngoài ra Nguyễn Quang Phú và cộng sự cũng đã nghiên cứu giải pháp dùng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng để hạn chế hiện tượng nứt do co ngót của bê tông ở độ tuổi sớm

Do vậy, đề tài “ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA TRO BAY ĐỐI VỚI HIỆN TƯỢNG NỨT CỦA BÊ TÔNG SỚM TUỔI” sẽ ứng dụng thiết bị thí nghiệm xác định thời điểm gây nứt cũng như đánh giá mức độ tiềm năng gây nứt (Potential for cracking classification) của cấp phối bê tông theo Tiêu chuẩn ASTM C1581-04, đồng thời đề xuất giải pháp sử dụng tro bay nhằm hạn chế hiện tượng nứt của bê tông tuổi sớm Tro bay là một loại phụ gia khoáng hoạt tính, do vậy

nó hứa hẹn có khả năng giảm co ngót hóa học cho hỗn hợp chất kết dính của bê tông non tuổi

2 Mục tiêu của đề tài

- Xác định quá trình co ngót và thời điểm nứt của bê tông tuổi sớm thông qua đo đạc thực nghiệm;

- Đánh giá được hiệu quả của tro bay trong việc giảm vết nứt của

bê tông sớm tuổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Bê tông

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Nứt do co ngót của bê tông ở độ tuổi sớm

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận:

Kế thừa kết quả nghiên cứu trên thế giới về co ngót và nứt do co ngót của bê tông tuổi sớm

4.2 Phương pháp nghiên cứu:

Phân tích lý thuyết kết hợp thí nghiệm

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng nứt của bê tông ở

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả của đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị thiết kế và thi công tham khảo trong việc sử dụng phụ gia tro bay trong thiết kế cấp phối bê tông nhằm nâng cao cường độ bê tông, giảm lượng xi măng sử dụng và hạn chế thời gian gây nứt và ứng suất gây nứt trong bê tông sớm tuổi

7 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc luận văn gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận kiến nghị

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng nứt của bê tông ở độ tuổi sớm

Chương 2: Xây dựng thí nghiệm xác định thời điểm gây nứt

và ứng suất gây nứt của bê tông ở độ tuổi sớm

Chương 3: Đánh giá hiệu quả của tro bay đến vết nứt bê tông sớm tuổi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NỨT CỦA BÊ TÔNG Ở ĐỘ

TUỔI SỚM 1.1 Quá trình hydrat của xi măng

1.1.1 Phản ứng thủy hóa của xi măng

1.1.2 Quá trình rắn chắc của hồ xi măng

1.2 Sự phát triển về cấu trúc của bê tông sớm tuổi

1.2.1 Cấu trúc hồ đá xi măng

1.2.2 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông

1.3 Tổng quan về tính chất của bê tông tươi và bê tông cứng rắn

1.3.1 Lực giữa các phân tử trong bêtông

1.3.2 Sự hấp thụ (sự hút)

1.3.3 Cơ chế của các hệ thống keo

1.3.4 Tính chất lưu biến của bêtông tươi

1.4 Tổng quan về hiện tượng và nguyên nhân nứt của bê tông sớm tuổi

1.4.1 Khái niệm gây ra nứt

1.4.2 Nguyên nhân gây ra vết nứt thường gặp trong bêtông

1.5 Tổng quan các phương pháp đo co ngót của bê tông tuổi sớm

1.5.1 Nhóm đo theo biến dạng dài

1.5.2 Nhóm đo theo biến dạng thể tích

1.6 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH

THỜI ĐIỂM VÀ ỨNG SUẤT GÂY NỨT CỦA BÊ TÔNG Ở ĐỘ

TUỔI SỚM 2.1 Vật liệu thí nghiệm

2.1.1 Xi măng

Để phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm, đề tài đã sử dụng xi

măng Pooc lăng Nghi Sơn PCB40

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý của xi măng (theo TCVN 2682:2009)

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của cát (theo TCVN 7570:2006)

Lọt sàng tích lũy từng sàng (%)

Lƣợng sót tích lũy (%)

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ lý của đá

Phương pháp

- Bắt đầu Giờ:phút Muộn

hơn 1:11

1:00 Không muộn hơn 3:30

hơn 1:42

Không muộn hơn 3:30

5 Hàm lượng ion

TCVN 8826:2011

2.1.6 Tro bay

Bảng 2.7 Phân tích thành phần hợp chất của tro bay và xi măng Portland

Trong luận văn này sử dụng tro bay có nguồn gốc từ Nhà máy nhiệt điện FHS (Nhà máy nhiệt điện của Công ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh) Dưới đây là các thí nghiệm để xác định thành phần hóa của loại tro bay này

2.2 Thí nghiệm xác định tính chất của tro bay

2.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định tính chất của tro bay

2.2.2 Các kết quả thu được từ các phương pháp thí nghiệm

a Xác định hoạt tính của tro bay

Bảng 2.9 Cấp phối mẫu hồ tro bay – vôi xác định độ hoạt tính IL,

Mullite, syn, Al4.75 Si1.25 O9.63, 01-079-1454

Hình 2.5 Giản đồ XRD (phân tích cấu trúc tro bay phương pháp XRD)

Hình 2.6 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của mẫu hồ tro bay

– vôi ở các thời điểm phân tích 3, 7, 14 và 28 ngày

Bảng 2.11 Kết quả tính toán độ hoạt tính của tro bay

theo phương pháp nhiệt trọng lượng

3 27.850 214.413 212.489 1.924 7.913 8.893 0.98 11.02

7 23.203 213.720 212.266 1.454 5.980 7.409 1.429 19.29

14 20.721 206.519 205.423 1.096 4.508 6.617 2.109 31.88

28 23.415 205.887 204.830 1.057 4.347 7.477 3.130 41.86

Hình 2.7 Kết quả xác định lượng Ca(OH) 2 phản ứng ở các thời

điểm phân tích 3, 7, 14 và 28 ngày Bảng 2.12 Kết quả tính toán chỉ số hoạt tính cường độ IR

Hình 2.8 Quá trình phát triển cường độ và chỉ số hoạt tính cường

Cấp phối thiết kế được áp dụng để chế tạo hai mẫu thí nghiệm dùng để xác định thời điểm gây nứt của bê tông sử dụng thiết bị đo là

bộ thiết bị ring-test DUT

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA TRO BAY ĐẾN VẾT NỨT

BÊ TÔNG SỚM TUỔI 3.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm

3.1.1 Thiết kế cấp phối bê tông

Để chế tạo mẫu thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến thời điểm và ứng suất vê tông ở tuổi nứt sớm hai mẫu thí nghiệm có

và không có tro bay được thiết lập Theo đó hai cấp phối bê tông tương ứng được thiết kế để áp dụng vào mẫu thí nghiệm Định mức

vật liệu cho các cấp phối mô tả như Bảng 3.1

Bảng 3.1 Cấp phối vật liệu cho 1m 3

Đá 1×2 (kg)

Đá mi (kg)

Nước (lít)

Phụ gia (lít)

Tro bay (kg)

Ghi chú: M1 là mẫu có sử dụng tro bay; M2 là mẫu không sử dụng tro bay

Vì sự có mặt của tro bay sẽ làm thay đổi tính chất của hỗn hợp

bê tông do đó các thí nghiệm về độ sụt và cường độ của hai cấp phối mẫu được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của tro bay

Hình 3.1 Độ sụt của hai mẫu thí nghiệm theo thời gian

Qua đồ thị Hình 3.1 ta thấy mẫu M1 sử dụng tro bay làm cho

độ sụt của mẫu cao hơn so với mẫu M2 Điều này là do, mẫu M1 sử dụng tro bay nên lượng xi măng xử dụng ít lại nên quá trình thủy hóa nhiệt lượng tỏa ra ít hơn so với mẫu M2 làm giảm tốc độ bốc hơi nước mẫu ít bị khô cứng hơn nên hỗn hợp vữa bê tông dẻo hơn so với mẫu M2

b Đánh giá cường độ

Thực hiện thí nghiệm nén mẫu bê tông 150x150x150 cho hai

tổ mẫu M1 và M2 Kết quả thí nghiệm ở tuổi 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày được tổng hợp như sau

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu không

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu có tro

Hình 3.2 So sánh sự thay đổi cường độ nén của hai mẫu thí

nghiệm theo thời gian

Đồ thị Hình 3.2 cho thấy thời gian đầu cường độ bê tông mẫu

không có tro bay lớn hơn so với mẫu có tro bay do quá trình thủy hóa của mẫu nhanh hơn làm tăng cường độ sớm, càng về sau mẫu có tro bay cường độ phát triển nhanh hơn Điều này là do trong tro bay có chứa oxit của silit phản ứng với sản phẩm thủy hóa của xi măng là Ca(OH)2 tạo ra các liên kết mới C-S-H (đây là cơ chế thứ cấp) làm tăng cường độ của bê tông

Như vậy, sự có mặt của tro bay làm tăng độ linh động và cường độ của bê tông

c Bộ côn đo độ xòe d Thiết bị RING TEST

Hình 3.3 Các thiết bị sử dụng cho thí nghiệm

* Thiết bị đo nứt RING-TEST

Sơ đồ thiết kế thiết bị thí nghiệm được thể hiện như ở Hình 3.4 Thiết bị gồm hai vòng đồng tâm đặt trên tấm đáy nhẵn: vòng

trong bằng thép có đường kính ngoài 330 ± 3 mm, dày 12.5 ± 0.13

mm và độ nhẵn mặt ngoài đạt 1.6 µm; vòng ngoài có đường kính trong 406 ± 3 mm Ở mặt trong của vòng trong được gắn bốn cảm

biến đo độ căng KFGS-5-120-C1-11 (Hình 3.4)

Số liệu của thí nghiệm được đo bằng thiết bị thu nhận dữ liệu NI9237 kết nối với máy tính thông qua cổng giao tiếp NI USB9162;

để thu thập số liệu một cách tự động và liên lục với tần suất đo thay

đổi theo yêu cầu, tác giả đã xây dựng chương trình trên nền ngôn ngữ

lập trình LabVIEW, giao diện của phần mềm được mô tả Hình 2.14

Thiết bị thí nghiệm trong nghiên cứu này là RING TEST - DUT (Ring Test – Danang University of Science and Technology), thiết bị

thiết bị thí nghiệm lý số liệu của thiết bị RING TEST-DUT

Nguyên lý hoạt động của thiết bị RING TEST-DUT có thể mô

tả như sau: cho một mẫu vữa bê tông mới trộn vào một khuôn tròn xung quanh một vòng thép để đúc thành khối vòng, áp lực nén phát triển trong vòng thép gây ra bởi sự co rút bị hạn chế của vữa bê tông được đo đến thời điểm nứt Nứt mẫu thử được chỉ định bằng sự giảm đột ngột áp lực nén trong vòng thép, độ tuổi nứt và tốc độ phát triển ứng suất kéo trong mẫu thử là các chỉ số về khả năng chống chịu nứt của vật liệu dưới sự co ngót hóa học

b Trình tự thí nghiệm

- Trộn bê tông: Quy trình và các điều kiện trộn mẫu tuân theo tiêu chuẩn TCVN 6017-2015 Thí nghiệm được thực hiện cho bê tông tự lèn M600 Cấp phối dùng cho 1m3

bê tông thí nghiệm cho

trong Bảng 2.14 và Bảng 2.15

- Rót bê tông vào giữa hai vòng thép;

Hình 3.7 Chế tạo mẫu thí nghiệm

- Lắp đặt thiết bị kết nối máy tính, đo áp lực do co ngót tự sinh tác dụng lên vòng tròn trong bằng cảm biến microstrain;

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo biến dạng bê tông

- Thu thập số liệu: Thu thập số liệu thông qua cảm biến microstrain, bộ truyền và chuyển đổi tín hiệu NI 9237, USB NI9162

kết nối với máy tính chạy trên giao diện lập trình LabVIEW (Hình 3.8) Số liệu được tự động thu thập tùy vào sự thiết lập thời gian lấy

mẫu trong chương trình của người lập trình Việc thu thập số liệu được thiến hành liên tục cho đến khi mẫu bị nứt hoặc đến giới hạn co ngót tự sinh Trong thí nghiệm này quá trình thu thập dữ liệu của thí nghiệm thực hiện trong vòng 100 giờ liên tục tương ứng 4 ngày 4 giờ, với tần suất lấy mẫu 30 phút một lần nên ta được 201 lần lấy mẫu;

Quá trình thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm chuẩn với nhiệt độ trung bình là 25°C

c.Kết quả thí nghiệm

Xu hướng phát triển nứt trong quá trình thí nghiệm: khoảng 2 giờ đầu tiên khi đổ xong bê tông tông ứng suất trong mẫu tăng chưa đáng kể vì thời điểm này là thời điểm ngủ của bê tông nên độ nứt vẫn còn khá nhỏ do vậy đường biểu đồ vẫn còn đi ngang; Sau đó bê tông bắt đầu quá trình Hydrat hóa và bắt đầu ngưng kết khi đó thì hiện tượng co ngót bắt đầu xuất hiện vì vậy đã gây ra nứt trong bê tông cho nên đường biểu đồ cũng đi xuống rất mạnh; Khi đã đạt đến độ nứt cực đại thì bê tông cũng kết thúc quá trình ngưng kết và bắt đầu hình thành cường độ cho nên khi đó ứng suất trong bê tông giảm dần theo thời gian vì vậy mà đường biểu đồ có bước nhảy rất mạnh

Hình 3.9 Kết quả thí nghiệm Ring test của mẫu bê tông không có tro bay

Hình 3.10 Kết quả thí nghiệm Ring test của mẫu bê tông có tro bay

Hình 3.11 So sánh kết quả thí nghiệm ring test giữa mẫu không và có tro

bay

Kết quả thí nghiệm cho thấy, với mẫu có tro bay biến dạng của

bê tông nhỏ hơn so với mẫu có tro bay trong cùng một thời điểm, và biến dạng nứt của tro bay kéo dài hơn so với mẫu có tro bay 1,5 ngày Điều này có thể hiểu do sự có mặt của tro bay nên làm giảm hàm lượng xi măng sử dụng, do đó làm giảm biến dạng nhiệt do thuyết hóa xi măng gây ra nên thời điểm xuất hiện vết nứt chậm hơn

Hình 3.12 Hình ảnh vết nứt trên mẫu sau thí nghiệm

3.2 Các biện pháp giảm hiện tƣợng nứt

3.2.1 Các giải pháp liên quan đến vật liệu

Giảm thiểu lượng nước trộn bằng các cách như: Tăng kích thước và khối lượng cốt liệu lớn đồng thời sử dụng cốt liệu co ngót ít;

Sử dụng phụ gia hóa dẻo để giảm tỷ lệ N/CKD;

Sử dụng nước với vai trò tạo khả năng công tác cho hỗn hợp

bê tông ở mức độ thấp nhất, không cho phép độ lưu động vượt mức cho phép;

Tránh sử dụng hàm lượng chất kết dính quá nhiều vượt mức cho phép; Với kết cấu bê tông khối lớn có thể sử dụng xi măng nhiệt thủy hóa thấp để sản xuất bê tông;

Xem xét việc sử dụng phụ gia nhằm làm giảm sự biến đổi thể tích của bê tông để giảm nứt như phụ gia giảm co ngót hay phụ gia trương nở hay phụ gia khoáng hoạt tính để giảm nhiệt thủy hóa; Xem xét việc sử dụng các loại sợi tổng hợp nhằm giúp cho việc kiểm soát nứt do co dẻo;

Tro bay (Fly Ash - FA): Phế thải mịn thu được từ việc đốt than

ở nhà máy nhiệt điện, có dạng hình cầu, kích thước mịn nhỏ, hàm lượng SiO2 chưa kết tinh cao Tro bay muốn sử dụng tốt phải tuyển

để giảm lượng cacbon xuống mức tối thiểu Bởi đặc điểm dạng cầu nên tro bay hoạt động trong hỗn hợp bê tông có thể tăng tác dụng bôi trơn và giảm lượng cần nước trong bê tông Lượng khuyến cáo dùng của loại phụ gia này là 10÷30% thay thế xi măng

3.2.2 Các giải pháp liên quan đến thi công

Ngăn sự mất nước bề mặt nhanh trong khi bê tông vẫn còn ở trạng thái dẻo bằng cách sử dụng trợ giúp phun nước, phun hơi hay dùng các tấm nhựa che chắn khi còn ở giai đoạn hoàn thiện để tránh hiện tượng nứt do co dẻo;