Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong bê tông để sử dụng cho dầm bê tông cốt thép

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG MIỀN TRUNG Bùi Lý Vĩ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO BAY THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG ĐỂ SỬ DỤNG CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Phú Yên, tháng năm 2021 BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG MIỀN TRUNG Bùi Lý Vĩ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO BAY THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG ĐỂ SỬ DỤNG CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP MÃ SỐ: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Th.s Huỳnh Quốc Hùng Phú Yên, tháng năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay phần xi măng bê tông để sử dụng cho dầm Bê tông cốt thép” thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lương - Thạc sĩ Huỳnh Quốc Hùng Tôi cam đoan trung thực nguồn gốc đề tài chưa cơng bố Tuy Hịa, ngày……tháng 02 năm 2021 Học viên Bùi Lý Vĩ LỜI CẢM ƠN Tác giả hoàn thành sau năm học tập nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực kỹ thuật xây dựng với giảng dạy truyền đạt kiến thức nhiệt tình giúp đỡ nguồn tài liệu suốt trình khóa học Để tỏ lịng biết ơn tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo Nhà trường, Khoa xây dựng Phòng Đào tạo Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Để có kết ngày hơm nay, với cố gắng nổ lực thân giúp đỡ, động viên thầy cơ, bạn bè, đồng nghiệp gia đình suốt trình học tập thực luận văn Đặc biệt, tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lương - Thạc sĩ Huỳnh Quốc Hùng đồng hành, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thiện đề tài nghiên cứu khoa học Luận văn hồn thành khơng thể tránh khỏi thiếu sót hạn chế Rất mong nhận đóng góp q thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tuy Hòa, ngày …tháng 02 năm 2021 Học viên Bùi Lý Vĩ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT i DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv LỜI MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRO BAY VÀ DẦM BTCT 1.1 Tổng quan tro bay 1.1.1 Tổng quan tro bay 1.1.3 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông 1.1.4 Thành phần mẫu tro bay 1.1.5 Tro bay cường độ nén bê tông chất lượng siêu cao [4] 13 1.1.6 Ứng dụng tro bay xu hướng phát triển 14 1.1.7 Một số nghiên cứu ứng dụng tro bay 18 1.2 Tổng quan làm việc dầm Bê tông cốt thép 19 1.2.1 Giới thiệu tổng quan dầm Bê tông cốt thép 19 1.2.2 Sự làm việc dầm Bê tông cốt thép 20 1.3 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BTCT CÓ SỬ DỤNG TRO BAY THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG 22 2.1 Cơ sở lý thuyết cường độ 22 2.1.1 Xác định cường độ chịu nén mẫu bê tông [7] 22 2.1.2 Xác đinh mô đun đàn hồi hệ số poisson [8] 22 2.2 Lý thuyết tính tốn dầm Bê tơng cốt thép theo TCVN 5574-2018 [6] 23 2.2.1 Lý thuyết tính tốn dầm Bê tơng cốt thép theo điều kiện nội lực tới hạn 23 2.2.2 Lý thuyết tính tốn độ võng dầm Bê tơng cốt thép theo TCVN 5574-2018 24 2.2.3 Tính tốn khả chịu cắt dầm Bê tông cốt thép theo TCVN 5574-2018 31 2.2.4 Tính tốn lý thuyết cho mẫu thí nghiệm 34 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP B20 CĨ SỬ DỤNG HÀM LƯỢNG TRO BAY THAY THẾ XI MĂNG 37 3.1 Vật liệu sử dụng thí nghiệm 37 3.1.1 Cát (cốt liệu nhỏ) 37 3.1.2 Xi măng 37 3.1.3 Đá dăm 1x2 (cốt liệu lớn) 38 3.1.4 Tro bay 39 3.1.5 Thép 39 3.2 Thiết bị sử dụng thí nghiệm 40 3.2.1 Trong chuẩn bị mẫu 40 3.2.2 Trong chương trình thí nghiệm 41 3.3 Chương trình thí nghiệm 41 3.3.1 Chuẩn bị mẫu 41 3.3.2 Xác định cường độ chịu nén, Module đàn hồi (TCVN 3118 – 1993) 47 3.3.3 Thực nghiệm khả chịu uốn 50 3.3 Phân tích, nhận xét 60 3.4.1 Về cường độ chịu nén 60 3.4.2 Về khả chịu uốn theo thực nghiệm 61 3.4.3 Nhận xét: 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 4.1 Kết luận 63 4.2 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT CHỮ CÁI LA TINH As Tổng diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu kéo As' Tổng diện tích tiết diện ngang cốt thép chịu nén Ec Mô đun tổng thể bê tông Eb Mô đun đàn hồi bê tông Es Mô đun đàn hồi thép I Mơ men qn tính tiết diện xem đồng M Mơ men uốn tính tốn M gh Mô men uốn trạng thái giới hạn P Ngoại lực tác dụng b Bề rộng tiết diện dầm h Chiều cao tiết diện dầm L Nhịp tính tốn dầm x Chiều cao vùng bê tông chịu nén fc Cường độ chịu nén vật liệu bê tông fc f cc' Cường độ chịu nén bê tông không kiềm chế nở ngang đại giá trị cực đại Cường độ chịu nén bê tông kiềm chế nở ngang đại giá trị cực đại f ck Cường độ đặc trưng mẫu trụ vật liệu bê tông fy Cường độ vật liệu thép trạng thái chảy f cm Cường độ chịu kéo bê tông (theo tiêu chuẩn EC) f ctm Cường độ chịu nén bê tông (theo tiêu chuẩn EC) fy Cường độ chịu kéo cốt thép (theo tiêu chuẩn EC) Rbt ,cer Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn bê tông (theo TCVN) Rb,cer Cường độ chịu nén tiêu chuẩn bê tông (theo TCVN) ii Rsw,cer fm BT BTCT BTCLSC Cường độ chịu cắt tiêu chuẩn bê tông (theo TCVN) Độ võng lớn dầm BTCT tác dụng ngoại lực Bê tông Bê tông cốt thép Bê tông cất lượng siêu cao CHỮ CÁI HY LẠP c Biến dạng nén bê tông  c0 Biến dạng nén bê tơng khơng bị kiềm chế có giá trị cực  cc Biến dạng nén bê tông bị kiềm chế có giá trị cực đại  cu Biến dạng nén bê tông bị kiềm chế trạng thái giới hạn s Biến dạng cốt thép  b1 Hệ số xét đến ảnh hưởng từ biến ngắn hạn bê tông b s b đại Hệ số xét đến ảnh hưởng từ biến dài hạn bê tơng đến biến dạng cấu kiện khơng có vết nứt Hệ số xét đến làm việc bê tơng vùng chịu kéo đoạn có vết nứt Hệ số xét đến phân bố không biến dạng thớ bê tơng chịu nén ngồi chiều dài đoạn có vết nứt  Chiều cao tương đối vùng chịu nén bê tông v Chiều cao tương đối vùng chịu nén bê tông iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông [3] Bảng 1.2 Thành phần hóa học tro bay [3] 13 ‘ Bảng 2.1 Kết tính tốn tải trọng độ võng theo lý thuyết 36 ‘ Bảng 3.1 Kết thí nghiệm Cát 37 Bảng 3.2 Kết thí nghiệm Xi măng 38 Bảng 3 Kết thí nghiệm đá 39 Bảng 3.4 Kết qủa thí nghiệm kéo, uốn 40 Bảng 3.5 Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông 41 Bảng 3.6 Số lượng mẫu thí nghiệm nén 42 Bảng 3.7 Mẫu dầm BTCT: Số lượng mẫu thí nghiệm uốn 42 Bảng 3.8 Kết khảo sát Module đàn hồi hệ số poisson 50 Bảng 3.9 Kết Thí nghiệm uốn tổ hợp mẫu 57 Bảng 3.10 Tổng hợp kết tính tốn lý thuyết, thực nghiệm 61 51 Hình 3.13 Lắp đặt mẫu, Loadcell, LDVT Hình 3.14 Số liệu Hệ thống đo STS-WiFi 52 3.3.3.2 Kết thí nghiệm uốn dầm Hình 3.15 Mẫu thí nghiệm bị phá hoại cắt Hình 3.16 Mẫu B20-0-2 bị phá hoại uốn phá hoại cắt 53 Hình 3.17 Mẫu B20-15-1 bị phá hoại uốn phá hoại cắt Hình 3.18 Mẫu B20-15-2 bị phá hoại uốn 54 Hình 3.19 Mẫu B20-20-1 bị phá hoại uốn phá hoại cắt Hình 3.20 Mẫu B20-20-2 bị phá hoại uốn phá hoại cắt 55 Hình 3.21 Mẫu B20-25-1 bị phá hoại uốn phá hoại cắt Hình 3.22 Mẫu B20-25-2 bị phá hoại uốn phá hoại cắt 56 Hình 3.23 Mẫu B20-40-1 bị phá hoại uốn phá hoại cắt Hình 3.24 Mẫu B20-40-2 bị phá hoại uốn phá hoại cắt Thí nghiệm uốn tổ hợp mẫu dầm B-0; B-15; B-20; B-25 B-40, thu thập sử lý số liệu, kết trình bày 57 Bảng 3.9 Kết Thí nghiệm uốn tổ hợp mẫu STT BẢNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT Cường độ nén tính tốn Lực Phá hoại TỔ MẪU Rb (Mpa) P (kN) B20-0 20,32 49,29 B20-15 21,18 49,09 B20-20 23,41 49,29 B20-25 19 49,15 B20-40 17,48 48,9 Hình 3.25 Quan hệ tải trọng chuyển vị Mẫu đối chứng 58 Hình 3.26 Quan hệ tải trọng chuyển vị (mẫu B-15) Hình 3.27 Quan hệ tải trọng chuyển vị (mẫu B-20) 59 Hình 3.28 Quan hệ tải trọng chuyển vị (mẫu B-25) Hình 3.29 Quan hệ tải trọng chuyển vị (mẫu B-40) 60 80 70 Tải trọng KN 60 50 40 30 20 B-0 10 B-15 B-20 B-25 B-40 0 ĐỘ VÕNG f (mm) Hình 3.30 Biểu đồ tổng hợp so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị tổ mẫu thí nghiệm 3.3 Phân tích, nhận xét 3.4.1 Về cường độ chịu nén Ở thời điểm ngày tuổi, mẫu đối chứng phát triển 52% cường độ; Mẫu B-15 Phát triển 37 % cường độ; Mẫu B-20 đạt 46%; mẫu B-25 đạt 49%; mẫu B-40 đạt 33% cường độ so với mẫu đối chứng 28 ngày tuổi Ở thời điểm ngày tuổi, mẫu đối chứng phát triển 70% cường độ; Mãu B-15 Phát triển 66% cường độ; Mẫu B-20 đạt 67%; mẫu B-25 đạt 64%; mẫu B-40 đạt 50% cường độ so với mẫu đối chứng 28 ngày tuổi Ở thời điểm ngày tuổi, mẫu đối chứng phát triển 100% cường độ; Mãu B-15 Phát triển 104% cường độ; Mẫu B-20 đạt 115%; mẫu B-25 đạt 94%; mẫu B-40 đạt 86% cường độ so với mẫu đối chứng 28 ngày tuổi Khi thay 15% hàm lượng xi măng tro bay bê tông làm cường độ bê tông phát triển chậm ngày đầu Tới 28 ngày tuổi, cường độ bê tông xấp xỉ cường độ mẫu đối chứng Khi thay 20% ( Mẫu B-20) hàm lượng xi măng tro bay làm cường độ bê tông phát triển chậm ngày tuổi đầu, đến ngày tuổi cường độ 61 phát triển tương đương mẫu đối chứng Đến 28 ngày tuổi, Mẫu B-20 có cường độ cao mẫu đối chứng Khi thay 25% ( Mẫu B-25) hàm lượng xi măng tro bay làm cường độ bê tông phát triển chậm ngày tuổi đầu, đến ngày tuổi cường độ phát triển xấp xỉ mẫu đối chứng Đến 28 ngày tuổi, Mẫu B-20 có cường độ gần mẫu đối chứng Khi thay 40% ( Mẫu B-40) hàm lượng xi măng tro bay làm cường độ bê tông phát triển chậm khoảng từ đến ngày tuổi đến 28 ngày tuổi, Mẫu B-40 có cường độ thấp hẳn mẫu đối chứng 3.4.2 Về khả chịu uốn theo thực nghiệm Mẫu đối chứng B-0 Chuyển vị lớn 3.511mm tương ứng với tải trọng phá hoại 73.01kN Mẫu B-15 Chuyển vị lớn 5.709 mm tương ứng với tải trọng phá hoại 72.09kN Mẫu B-20 Chuyển vị lớn 4.594 mm tương ứng với tải trọng phá hoại 71.78 kN Mẫu B-25 Chuyển vị lớn 4.789 mm tương ứng với tải trọng phá hoại 71.33kN Mẫu B-40 Chuyển vị lớn 6.341 mm tương ứng với tải trọng phá hoại 66.27kN 3.4.3 Nhận xét: Bảng 3.10 Tổng hợp kết tính tốn lý thuyết, thực nghiệm STT TÊN MẪU B20 -0 B20-15 B20-20 B20-25 B20-40 P Lý thuyết (kN) 49,29 49,09 49,29 49,15 48,9 P Thực nghiệm (kN) 73,48 72,09 71,78 71,33 67,59 Chuyển vị Lý thuyết (MM) 7,12 7,01 6,77 7,28 7,48 Chuyển vị Thực nghiệm (MM) 3,511 5,709 4,594 4,789 6,34 62 Kết tổng hợp tính tốn lý thuyết thực nghiệm thể hiện: - Tải trọng phá hoại mẫu thí nghiệm thí nghiệm khơng sai khác nhiều (chưa tới 2%); - Mẫu thí nghiệm B20-20 Có tải trọng phá hoại lớn (71,245kN) chuyển vị nhỏ (6,77mm) Ở hình 3.25; 3.26 3.27 cho thấy đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu B20-0; B20-15 B20-20 tương đồng có sai khác hình 3.28 3.29 Hình thái phá hoại mẫu dầm theo lý thuyết thực nghiệm tương đồng, thực nghiệm uốn dầm điểm cho kết đáng tin cậy 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Khi thay từ 15% đến 20% hàm lượng xi măng tro bay bê tông, cường độ chịu nén bê tơng có phát triển chậm khoản thời gian trước 28 ngày tuổi Nhưng đến 28 ngày tuổi, bê tông đảm bảo cường độ nén theo yêu cầu Khi sử dụng tro bay thay xi măng, hình dạng đường cong quan hệ lực chuyển vị dầm bê tông cốt thép dường không đổi nhiều Khi thay từ 15% đến 20% xi măng tro bay làm việc dầm bê tơng cốt thép bị ảnh hưởng Khi tăng hàm lượng thay xi măng tro bay lên 25% đến 40% khả làm việc dầm BTCT bắt đầu bị suy giảm Trong giới hạn tỉ lệ tro bay thay xi măng từ 15%, 20%, 40% 25% tất dầm bê tông cốt thép phá hoại dẻo 4.2 Kiến nghị Nên sử dụng tro bay để thay phần xi măng bê tông Tro bay dùng chế tạo bê tơng giảm nhiều kinh phí để xử lý loại phế thải công nghiệp, hạn chế việc ô nhiễm môi trường tro bay gây ra; đồng thời, hạn chế việc sử dụng xi măng tức hạn chế việc khai thác tài nguyên, hạn chế việc ô nhiễm mơi trường q trình sản xuất xi măng Tác giả nhận thấy cần nghiên cứu mẫu có hàm lượng tro bay thay xi măng với tỷ lệ chi tiết khoảng từ 15% đến 20% để có đánh giá tổng quan hơn, xác định đượng hàm lượng tối ưu sử dung cho cấu kiện dầm bê tơng cốt thép Ngồi cần nghiên cứu xác định tỷ lệ nước bột sử dụng tro bay thay xi măng cấu kiện dầm bê tông cốt thép 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh L Paoletti, M Diociaiuti, A.Gianfagna, G Viviano (1994),” Physicochemical characterization of crystalline phases in fly ash” Microchimica Acta, 114(1), 397-404 Bamforth, P.B (1980.), In Situ Measurement of the Effect of Partial Portand Cement Replacement Using Either Fly Ash or Ground Granulated Blast Furnace Slag on the Performance of Mass Concrete, Proc Inst Civil Engrs Part 2, pp 777 – 800 Tiếng Việt TCVN 10302:2014 phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tơng, vữa xây xi măng ThS Nguyễn Công Thắng, TS Nguyễn Văn Tuấn, PGS.TS Phạm Hữu Hanh, ThS Nguyễn Trọng Lâm (2013) – “Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗm hợp phụ gia khoán Silca fume tro bay sẵn có Việt Nam”, Trường Đại học Xây dựng TCVN 8262:2009 Tro bay - Phương pháp phân tích hóa học TCVN 5574: 2018 Kết cấu Bê tông Bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 3118: 1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén TCVN 5726:1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ lăng trụ Mô đàn hồi nén tĩnh Ảnh hưởng tỷ lệ tro bay đến phát triển cường độ vữa xi măng – Nguyễn Văn Vinh LV Thạc sĩ năm 2018 Đại học Đà nẵng 10 Nguyễn Văn – Đặng Văn Mến: “Ảnh hưởng tro bay nhà máy nhiệt điện duyên hải đến cường độ chịu nén khả thấm bê tơng” ISSN 1859-1531 Tạp chí KH-CN Đại học Đà Nẵng 11.Lâm, N T., Linh, N N., Nam, T V., Kiên, V D., Khải T V., & Hiếu P Đức (2020) Ảnh hưởng tro bay thay phần xi măng đến tính chất 64 bê tơng thương phẩm Tạp Chí Khoa Học Cơng Nghệ Xây Dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 14(4V), 96-105 ... hưởng tro bay làm việc chung bê tông cốt thép khả chịu uốn dầm BTCT Đây lý tác giả làm đề tài nghiên cứu: ? ?Nghiên cứu ứng dụng tro bay thay phần xi măng bê tông để sử dụng cho dầm bê tông cốt thép? ??... MIỀN TRUNG Bùi Lý Vĩ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO BAY THAY THẾ MỘT PHẦN XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG ĐỂ SỬ DỤNG CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP MÃ SỐ: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN... dựng để giảm tải cho bãi thải nhà máy nhiệt điện, góp phần bảo vệ mơi trường Trong ứng dụng tro bay để thay xi măng bê tông đàn thực Các nghiên cứu trước tro bay sử dụng để thay xi măng cường độ