Nghiên cứu tính năng bê tông cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu công trình trong môi trường biển miền trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGUYỄN TẤN KHOA NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG BÊ TƠNG CÁT SỬ DỤNG TRO BAY, XỈ LỊ CAO CHO KẾT CẤU CƠNG TRÌNH TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN MIỀN TRUNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGUYỄN TẤN KHOA NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG BÊ TƠNG CÁT SỬ DỤNG TRO BAY, XỈ LỊ CAO CHO KẾT CẤU CƠNG TRÌNH TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN MIỀN TRUNG CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 95.80.206 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Sang PGS.TS Nguyễn Viết Thanh HÀ NỘI - 2021 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan môi trường biển dạng cơng trình bê tơng bê tơng cốt thép môi trường biển 1.1.1 Định nghĩa môi trường biển 1.1.2 Đặc trưng môi trường biển Miền Trung Việt Nam 1.1.3 Một số dạng cơng trình bê tông bê tông cốt thép môi trường biển 1.1.4 Sư phá hoại kết cấu bê tông, kết cấu bê tông cốt thép môi trường biển 11 1.1.5 Yêu cầu bê tông dùng cho kết cấu bê tông, kết cấu bê tông cốt thép môi trường biển giải pháp tăng cường độ bền bê tông 13 1.2 Tổng quan bê tông cát ứng dụng bê tông cát xây dựng Việt Nam giới 18 1.2.1 Giới thiệu chung bê tông cát 18 1.2.2 Các tính chất bê tơng cát 21 1.2.3 Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cát 31 1.2.4 Các ứng dụng bê tông cát 34 1.3 Hệ số hiệu phụ gia khoáng sử dụng hệ số hiệu phụ gia khoáng thiết kế thành phần bê tông cát 37 1.3.1 Khái niệm hệ số hiệu phụ gia khoáng 37 1.3.2 Các nghiên cứu tổng quan hệ số hiệu tro bay 37 1.3.3 Các nghiên cứu tổng quan hệ số hiệu xỉ lò cao 39 1.3.4 Hệ số hiệu loại phụ gia khoáng thiết kế thành phần bê tông cát theo cường độ 40 1.4 Kết luận chương định hướng nghiên cứu luận án 41 1.4.1 Kết luận 41 1.4.2 Định hướng nghiên cứu luận án 42 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 44 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ CỦA TRO BAY VÀ XỈ LÒ CAO TRONG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÁT 45 2.1 Phương pháp xác định hệ số hiệu tro bay xỉ lò cao thiết kế thành phần bê tông cát 45 2.2 Thiết lập quan hệ hệ số hiệu phụ gia khoáng với tỷ lệ N/CKD, PGK /CKD thông qua Công thức Feret cải tiến áp dụng cho bê tông cát 45 2.3 Giới thiệu vật liệu chế tạo bê tông cát 48 2.3.1 Xi măng 48 2.3.2 Tro bay 50 2.3.3 Xỉ lò cao nghiền mịn 50 2.3.4 Cát nghiền 51 2.3.5 Cát mịn 51 2.3.6 Hỗn hợp cốt liệu 52 2.3.7 Nước 54 2.3.8 Phụ gia siêu dẻo 55 2.4 Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm 55 2.5 Hệ số hiệu tro bay thiết kế thành phần bê tông cát 56 2.5.1 Kế hoạch thí nghiệm xác định hệ số hiệu tro bay 56 2.5.2 Kết thí nghiệm xác định hệ số hiệu tro bay 57 2.5.3 Xác định hệ số hiệu tro bay thiết kế thành phần bê tông cát 58 2.6 2.6.1 Hệ số hiệu xỉ lị cao thiết kế thành phần bê tơng cát 61 Kế hoạch thí nghiệm xác định hệ số hiệu xỉ lò cao 61 2.6.2 Kết thí nghiệm xác định hệ số hiệu xỉ lò cao 62 2.6.3 Xác định hệ số hiệu xỉ lò cao thiết kế thành phần bê tông cát 63 2.7 Hệ số hiệu hỗn hợp tro bay xỉ lò cao thiết kế thành phần bê tông cát 65 2.7.1 Kế hoạch thí nghiệm xác định hệ số hiệu hỗn hợp tro bay xỉ lị cao 65 2.7.2 Kết thí nghiệm xác định hệ số hiệu hỗn hợp tro bay xỉ lò cao 66 2.7.3 Xác định hệ số hiệu hỗn hợp tro bay xỉ lò cao thiết kế thành phần bê tông cát 67 2.8 Kết luận chương 69 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH NĂNG CƠ HỌC VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CÁT SỬ DỤNG TRO BAY, XỈ LÒ CAO VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TƠNG CÁT CĨ XÉT ĐẾN ĐỘ BỀN 71 3.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu tính chất học độ bền bê tông cát 71 3.1.1 Giới thiệu quy hoạch thực nghiệm Taguchi 71 3.1.2 Các bước lập quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 72 3.2 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi nghiên cứu tính chất học độ thấm ion clo bê tông cát 73 3.2.1 Xác định thông số đầu vào đầu quy hoạch thực nghiệm Taguchi 73 3.2.2 Vật liệu chế tạo kế hoạch thí nghiệm kết 75 3.2.3 Phân tích kết cường độ chịu nén hỗn hợp bê tông cát 79 3.2.4 Phân tích cường độ ép chẻ hỗn hợp bê tông cát 84 3.2.5 Phân tích độ thấm ion clo hỗn hợp bê tông cát 87 3.2.6 Mối quan hệ độ sụt hỗn hợp bê tông cát với thông số đầu vào 92 3.3 Phương pháp thiết kết thành phần bê tông cát có xét đến độ bền 95 3.4 Tính học độ bền bê tơng cát sử dụng tro bay, xỉ lò cao cho kết cấu bê tông bê tông cốt thép môi trường biển 99 3.4.1 Yêu cầu thiết kế 99 3.4.2 Thiết kế thành phần bê tơng cát kế hoạch thí nghiệm 99 3.4.3 Tính chất học bê tông cát 104 3.4.4 Tính chất độ bền bê tông cát 107 3.4.5 3.5 Kiểm chứng phương pháp thiết kế thành phần bê tơng cát có xét đến độ bền 113 Kết luận chương 115 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ, KỸ THUẬT, MÔI TRƯỜNG KHI SỬ DỤNG CÁC LOẠI BÊ TƠNG CÁT MỚI cho CƠNG TRÌNH TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN MIỀN TRUNG 117 4.1 Giới thiệu Cảng Vũng Áng kết cấu đê chắn sóng Cảng Vũng Áng 117 4.1.1 Điều kiện tự nhiên khu vực Cảng Vũng Áng 117 4.1.2 Giới thiệu kết cấu đê chắn sóng Cảng Vũng Áng 118 4.2 Đánh giá khả đáp ứng yêu cầu kỹ thuật loại bê tông cát dùng làm kết cấu đê chắn sóng Cảng Vũng Áng 121 4.3 Tuổi thọ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thùng chìm bê tơng cát cơng trình đê chắn sóng Cảng Vũng Áng 122 4.3.1 Xác định thơng số mơ hình dự báo tuổi thọ 124 4.3.2 Tính tốn tuổi thọ kết cấu ứng với loại bê tông nghiên cứu 126 4.3.3 Tính tốn chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tối thiểu kết cấu sử dụng loại bê tông cát nghiên cứu 127 4.4 Đánh giá hiệu kinh tế sử dụng loại bê tông cát dùng làm kết cấu bê tơng thùng chìm cơng trình đê chắn sóng Cảng Vũng Áng 128 4.5 Hiệu môi trường việc sử dụng loại bê tông cát dùng làm kết cấu bê tông cốt thép cơng trình biển 129 4.6 Thử nghiệm chế tạo cấu kiện Tetrapod bê tông cát 130 4.6.1 Cấu tạo khối phá sóng Tetrapod 130 4.6.2 Thi công thử nghiệm khối Tetrapod bê tông cát 131 4.7 Kết luận chương 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135 I Các kết đạt Luận án 135 II Những đóng góp Luận án 136 III Kiến nghị 137 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Tấn Khoa, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các nội dung kết nghiên cứu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khoa học TÁC GIẢ Nguyễn Tấn Khoa i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu, giúp đỡ quý thầy cô, Trường Đại học Giao Thông Vận Tải, tơi hồn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu tính bê tơng cát sử dụng tro bay, xỉ lị cao cho kết cấu cơng trình mơi trường biển miền Trung” Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, khoa Cơng trình, mơn Cơng trình Giao thơng Thành phố Cơng trình thủy, cán tồn thể q thầy tham gia giảng dạy tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập hồn thành luận án Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, đến quý thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thanh Sang PGS.TS Nguyễn Viết Thanh tận tình hướng dẫn tác giả suốt q trình nghiên cứu hồn thiện Luận án Xin cảm ơn quý Giáo sư, nhà khoa học, chuyên gia ngồi trường, q thầy đồng nghiệp, đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án Xin trân trọng cảm ơn! TÁC GIẢ Nguyễn Tấn Khoa ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chũ viết tắt AASHTO Tiếng Anh Tiếng Việt American Association of Hiệp hội người làm đường vận State Highway and tải toàn nước Mỹ ACI Transportation Officials American Concrete Viện bê tông Mỹ Adj MS Institute Adjusted mean squares Adj SS ASTM Adjusted sums of squares American Society for Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Mỹ Testing and Materials BTBV Bê tông bảo vệ BTC BTCĐC Bê tông cát Bê tông cát đối chứng BTCT BTCXN BTXM BTT BTTĐC Bê tơng cốt thép Bê tơng cát sử dụng xỉ lị cao nghiền mịn Bê tông xi măng Bê tông thường Bê tông thường đối chứng C CCL CCR CS CĐN CKD CKDhq CKDPT Coef Dt Cát Nồng độ clo Nồng độ clo tới hạn gây ăn mòn cốt thép Nồng độ clo bề mặt Cát đụn nghiền Chất kết dính Chất kết dính hiệu Chất kết dính phụ thêm Hệ số Hệ số khuyếch tán clo bê tông thời điểm t Hệ số khuyếch tán clo bê tông 28 ngày Bậc tự Cát đụn Đại lượng thống kê F-Value Tỷ lệ tro bay chất kết dính Coefficient D28 DF DS F-Value f Dune sand iii f’c Cường độ chịu nén f’cn f’r Cường độ nén đặc trưng Cường độ kéo uốn f’sp FA Cường độ ép chẻ Tro bay Fly Ash HH Hỗn hợp tro bay xỉ lò cao nghiền mịn HSHQ kc Hệ số hiệu Hệ số xét đến điều kiện bảo dưỡng bê tông ke Hệ số xét đến điều kiện môi trường tiếp xúc K Khh Hệ số hiệu Hệ số hiệu hỗn hợp tro bay xỉ KTB lò cao Hệ số hiệu tro bay KXN KSF KK KQTN KCBT KCBTCT P-Value PC PCB PGK PGK/CKD PGSD RHA SF m MK N N/CKD N/X Q QHTN Rn3 Rn7 Hệ số hiệu xỉ lò cao Hệ số hiệu Silica Fume Khơng khí Kết thí nghiệm Kết cấu bê tông Kết cấu bê tông cốt thép Đại lượng thống kê P-Value Xi măng pooc lăng Xi măng pooc lăng hỗn hợp Phụ gia khoáng Tỷ lệ phụ gia khoáng chất kết dính Phụ gia siêu dẻo Tro trấu Muội silic Hệ số tuổi Mê ta cao lanh Nước Tỷ lệ nước chất kết dính Tỷ lệ nước xi măng Điện lượng thấm ion clo Quy hoạch thực nghiệm Cường độ chịu nén tuổi ngày Cường độ chịu nén tuổi ngày Portland Cement Portland Cement Blended Rice Husk Ash Silica fume Metakaolin iv 4.7 - Kết luận chương Xét mặt kỹ thuật, loại bê tơng BTCX10, BTCX20, BTCX30 có tính cường độ độ bền đáp ứng đầy đủ yêu cầu để làm vật liệu bê tông cho cơng trình biển làm việc vùng thủy triều theo TCVN 12041:2017 CSA A 23.1: 2004 - Theo mơ hình dự báo tuổi thọ kết cấu theo thời gian khởi đầu ăn mòn, tuổi thọ kết cấu với loại bê tông cát sử dụng tro bay xỉ lò cao cho kết vượt trội so với BTTĐC BTCĐC BTCX30 với chiều dày lớp bê tơng bảo vệ xd = 70 mm có tuổi thọ sử dụng gấp 13,5 lần so với BTTĐC, 7,1 lần so với BTCĐC - Đối với kết cấu sử dụng BTC có yêu cầu tuổi thọ thiết kế 50 năm làm việc vùng thủy triều điều kiện mơi trường biển Vũng Áng, sử dụng loại bê tông BTCX10, BTCX20, BTCX30, BTCX40 với chiều dày lớp bê tông bảo vệ cần lớn 70 mm - Xét chi phí vật liệu cho m3 bê tông, loại bê tông cát sử dụng tro bay xỉ lị cao có chi phí sản xuất thấp so với thi cơng BTTĐC Tỷ lệ thay xỉ lị cao tăng mức độ chi phí cho m3 bê tơng cát giảm - Xét việc phát thải CO2 vào mơi trường, BTC sử dụng tro bay xỉ lị cao làm giảm 26,2 – 64,2% tổng lượng phát thải vào môi trường so với BTTĐC Tỷ lệ thay xỉ lị cao bê tơng cát tăng, lượng phải thải CO2 giảm - Nghiên cứu thi công thử nghiệm thực tế chế tạo cấu kiện khối Tetrapod trạm trộn bê tông với thành phần cấp phối loại bê tông cát BTCX30 Kết cho thấy tính cơng tác, cường độ chịu nén độ thấm ion clo bê tông cát 28 ngày loại bê tông cát BTCX30 thi công trường cho kết tương tự phịng thí nghiệm Như vậy, ứng dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tơng cát có xét đến độ bền việc thi công cấu kiện bê tông cát trường - Cấp phối BTCX30 thi công trường thử nghiệm môi trường biển thực tế cảng Vũng Áng cho kết cường độ chịu nén sau tháng tiếp tục tăng so với 28 ngày; độ thấm ion clo sau tháng tiếp tục giảm thấp so với 28 ngày Như vậy, tác dụng cải thiện cường độ độ giảm thấm dài hạn tro bay xỉ lò cao phát huy hiệu môi trường biển thực tế 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm phòng thi công kết cấu thử nghiệm trường tính chất chủ yếu bê tơng cát sử dụng tro bay, xỉ lị cao xây dựng cơng trình biển rút số kết luận sau: I Các kết đạt Luận án 1) Qua thực nghiệm, luận án xác lập mối tương quan hệ số hiệu tro bay, hệ số hiệu xỉ lò cao, hệ số hiệu hỗn hợp tro bay - xỉ lò cao với N/CKD, TB/CKD, XN/CKD để ứng dụng dự đoán cường độ chịu nén thiết kế thành phần bê tông cát thông qua công thức (2.15), (2.16) (2.17); 2) Luận án xây dựng mối quan hệ cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, độ thấm ion clo BTC 28 ngày với yếu tố N/CKDhq, XN/CKDhq, TB thông qua Cơng thức (3.3), (3.4) (3.5) Từ xây dựng quy trình thiết kế thành phần bê tơng cát sử dụng tro bay xỉ lị cao có xét đến độ bền ứng dụng cho cơng trình biển; 3) Đề xuất thành phần bê tông cát sử dụng tro bay xỉ lị cao cấp B45, có độ thấm ion clo