7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay
Theo Cho.HB và các cộng sự [56] thì mô hình đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ
tro bay / CKD (f) và tỷ lệ nước / CKD (ω) đến hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông và vữa xi măng tro bay có sự tương đồng. Vì vậy có thể tiến hành thí nghiệm đối với mẫu thử là vữa để xây dựng mô hình xác định hệ số k theo f và ω.
Hiện nay tro bay có thể được sử dụng trong bê tông từ hàm lượng thấp (< 15 %) đến rất cao (50 ÷ 70 %) và với tỷ lệ nước / CKD phổ biến từ 0,35 ÷ 0,5 [50],[55],[86]. Vì vậy cần lựa chọn 9 loại tỷ lệ tro bay / CKD (f = 0 ; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50 và 70 %) và 3 loại tỷ lệ nước / CKD (ω = 0,35; 0,4 và 0,5) để tiến hành thí nghiệm.
Với BTXM tro bay, cường độ thiết kế thường được xác định ở tuổi 56 ngày. Tuy nhiên với mặt đường ô tô do yêu cầu về thông xe nên quy định cường độ thiết kế phải đạt được ở 28 ngày [12],[13],[63],[64]. Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm TT Chỉ tiêu Tỷ lệ nước / CKD (ω)
0,35 0,4 0,5
I Tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN 3121–11:2003 [20] Tuổi mẫu thí nghiệm (ngày) 28 28 28 II Số lượng mẫu / 1 tổ mẫu 1 T ỷ l ệ tro bay / CKD ( f ) 0,00 6 6 6 2 0,10 6 6 6 3 0,15 6 6 6 4 0,20 6 6 6 5 0,25 6 6 6 6 0,30 6 6 6 7 0,40 6 6 6 8 0,50 6 6 6 9 0,70 6 6 6 Tổng cộng 162 mẫu / 27 tổ mẫu 2.2.1. Vật liệu và nội dung thí nghiệm a) Vật liệu thí nghiệm
* Xi măng: Để đảm bảo yêu cầu về cường độ và độ ổn định, trên thế giới [64] và Việt Nam [1],[8] đều đưa ra các khuyến nghị nên sử dụng loại xi măng poóc lăng để
chế tạo bê tông làm mặt đường ô tô. Qua tìm hiểu các loại xi măng hiện có ở nước ta cho thấy, xi măng poóc lăng PC40 Nghi Sơn có chất lượng tốt, các thành phần khoáng hoá đạt yêu cầu và có tính ổn định cao (SO3 <3,5 % và LOI < 6 %); các chỉ
tiêu cơ lý đã được kiểm chứng theo chứng chỉ chất lượng của nhà sản xuất cung cấp và đạt các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 2682:2009 và có R28n = 54,3 MPa.
Các chỉ tiêu cơ lý chi tiết của xi măng được trình bày tại Phụ lục 1.
* Tro bay: Hiện nay ở khu vực phía Bắc, tro bay thương phẩm được sản xuất chủ
yếu từ các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Uông Bí, Ninh Bình, Cao Ngạn. Qua khảo sát thực tế tại của nhà máy nhiệt điện Phả Lại (PHALAMI) tại địa chỉ Thị trấn Phả
Lại – Chí Linh – Hải Dương (Hình 2.1) và từ kết quả kiểm định chất lượng của Viện Vật liệu xây dựng (Bảng 2.2) cho thấy đây là loại tro bay thương phẩm phổ
biến trên thị trường, có chất lượng tốt đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn ASTM C618–08. Các chỉ tiêu cơ lý của tro bay được trình bày tại Phụ lục 1.
Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu của ASTM C618 loại F Phương pháp thử 1 Chỉ số hoạt tính cường độ, phần trăm so với mẫu đối chứng + 7 ngày + 28 ngày % % 82,3 84,73 Min 75 ASTM C311 ASTM C109 2
Lượng nước yêu cầu, phần trăm so với mẫu
đối chứng
% 96,7 Max 105 ASTM C311 3 Độ nở trong autoclave % 0,06 Max 0,8 ASTM C151 4 Độ mịn trên sàng
45μm % 10,6 Max 34
Máy LS particle size
analyser
5 MKN (LOI) % 0,73 Max 6 ASTM C311
Độẩm % 0,10 Max 3 ASTM C311 6 SiO2 % 65,72 Min 70 TCVN 7131:2002 Fe2O3 % 5,59 Al2O3 % 22,94 7 SO3 % 0,17 Max 5 TCVN 6882:2001
Hình 2.1 – Khảo sát vật liệu tại nhà máy tro bay Phả Lại - PHALAMI
* Cát tiêu chuẩn: Cát tiêu chuẩn ISO dùng cho thí nghiệm được sản xuất tại Trung tâm xi măng, Viện Vật liệu xây dựng – Bộ xây dựng.
* Nước: Nước để thí nghiệm là nước sạch dùng cho sinh hoạt.
b) Nội dung thí nghiệm
Hỗn hợp được chế tạo theo các quy định trong tiêu chuẩn TCVN 6016:1995 [20]. Quá trình thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm đường bộ cao tốc (LAS 72) Trường Đại học Công nghệ GTVT với các trang thiết bịđầy đủ và đã
được kiểm định (Hình 2.2). Tỷ lệ khối lượng chất kết dính / cát tiêu chuẩn là 1:3, mỗi mẻ thử gồm 450g chất kết dính và 1350g cát tiêu chuẩn.
* Bảo dưỡng mẫu: Mẫu sau khi đúc còn trong khuôn được đặt trong tủ
dưỡng hộở nhiệt độ 27oC, độẩm tương đối 95 % trong 24 giờ. Sau đó tháo khuôn, các mẫu tiếp tục được ngâm trong nước ở nhiệt độ 27oC cho đến ngày thí nghiệm.
* Sau thời gian bảo dưỡng, tiến hành thí nghiệm cường độ nén theo TCVN 3121–11:2003. Máy nén được gia tải với cấp tăng tải 2400 N/s cho đến khi mẫu bị
phá hoại. Chi tiết kết quả thí nghiệm cường độ nén được trình bày tại Phụ lục 2.
2.2.2. Kết quả thí nghiệm
Sau khi loại bỏ các sai số thô thu được kết quả thí nghiệm cường độ nén của từng tổ mẫu, từđó xác định hệ số RS theo công thức (2.3) trong Bảng 2.3 như sau:
Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén TT
Tỷ lệ tro bay/ CKD
(f)
Cường độ nén (MPa) Hệ số cường độ RS ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5 ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5 1 0,00 41,13 38,51 35,05 1,000 1,000 1,000 2 0,10 35,12 34,73 31,56 0,854 0,902 0,900 3 0,15 37,17 36,87 34,11 0,904 0,957 0,973 4 0,20 34,46 33,98 31,39 0,838 0,882 0,895 5 0,25 32,87 31,92 30,83 0,799 0,829 0,880 6 0,30 32,27 29,77 29,54 0,785 0,773 0,843 7 0,40 31,12 26,95 22,81 0,757 0,700 0,651 8 0,50 26,86 23,06 18,73 0,653 0,599 0,534 9 0,70 11,44 9,14 6,91 0,278 0,237 0,197
Từ Bảng 2.3, vẽ biểu đồ quan hệ giữa hệ số Rs với các loại tỷ lệ tro bay / CKD từ 10 % ÷ 70 % theo 3 loại tỷ lệ nước / CKD là 0,35; 0,4 và 0,5 như Hình 2.3.
Hình 2.3 – Quan hệ
giữa hệ số RS với tỷ lệ f và tỷ lệω
Từ biểu đồ trên cho thấy, hệ số Rs phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) ở cả 3 loại
tỷ lệ nước / CKD (ω); trong đó Rs đều đạt giá trị lớn nhất khi f = 15 %. Thậm chí ở
tỷ lệ này cường độ vữa xi măng tro bay xấp xỉ bằng cường độ vữa xi măng không tro bay. Khi f lớn hơn 15 % thì Rs giảm và giảm nhanh khi f lớn hơn 30 %.
Tỷ lệ tro bay /CKD từ 10 ÷ 15 %, đồ thị có xu hướng đi lên. Điều này được giải thích là do oxit Ca(OH)2 sinh ra từ phản ứng thuỷ hoá đã tham gia phản ứng puzơlan với các thành phần oxit hoạt tính trong tro bay (SiO2, Al2O3) tạo ra khoáng CHS mới làm tăng cường độ.
Tuy nhiên khi tỷ lệ tro bay /CKD lớn hơn 15 % và đạt đến 70 %, lượng xi măng trong hỗn hợp giảm đi, trong khi đó một lượng lớn tro bay không tham gia phản ứng mà chỉ đóng vai trò như là thành phần cốt liệu hỏ lấp trong các lỗ rỗng do vậy cường độ của vữa xi măng tro bay bị giảm đi so với vữa xi măng không tro bay.
2.2.3. Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước / chất kết dính
2.2.3.1. Phương pháp phân tích hồi quy tương quan đa biến
Áp dụng công thức hồi quy (2.8) và tiến hành phân tích phương sai nhằm
đánh giá ảnh hưởng của các tham số f và ω–1 tới hệ số thực nghiệm Rs. Ảnh hưởng của f và ω–1 tới Rs được xem xét với mức ý nghĩa α = 0,05 (độ tin cậy 95 %).
a. Kiểm định phương trình hồi quy: Kiểm tra sự tồn tại của hệ số tương quan R bằng tiêu chuẩn Fisher:
+ Giả thiết H0 – Phương trình hồi quy không thích hợp; H1 – Phương trình hồi quy thích hợp khi tồn tại bj; + Kiểm định Ftính < Fα;df=p&n–p–1
b. Kiểm định các hệ số bj: Kiểm tra sự tồn tại của hệ số bj bằng tiêu chuẩn tstar, các hệ số bj tồn tại khi Pvalue < 0,05.
+ Giả thiết H0 – Các hệ số hồi quy không có ý nghĩa (bj = 0); H1 – Có ít nhất vài hệ số hồi quy có ý nghĩa (bj≠ 0). + Kiểm định t < tα,n–2.
Mức độ tương quan được đánh giá là chặt khi hệ số R có giá trị lớn hơn 0,7.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến số độc lập cần sử dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA). Dựa trên kết quả xác định các hệ số hồi quy chuẩn hoá (Standard Regression Coefficients) đểđánh giá tầm quan trọng của các biến số độc lập trong mô hình. Sử dụng phương pháp phân tích phương sai hai tham số
không lặp để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ nước / CKD (ω–1) trên các kết quả Rs thu được. Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) bằng
ứng dụng phần mềm SPSS 16.0 của hãng IBM (Statistical Package for Social Sciences) được trình bày dưới đây.
2.2.3.2. Thiết lập hàm số tương quan
Từ biểu đồ Hình 2.3 cho thấy, khi xem xét quan hệ giữa hệ số RS và tỷ lệ f thì chia thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất có tỷ lệ f = 10 ÷ 15 % và Nhóm thứ hai có tỷ lệ f lớn hơn 15 % đến 70 %.
a) Phân tích kết quả tương quan với Nhóm thứ nhất có tỷ lệ f từ 10 ÷ 15 %
- Phương trình hồi quy hai biến thu được có dạng:
Rs = 0,67. f – 0,063 . ω–1 + 1,018 (2.9) trong đó: Rs là hệ số cường độ;
f và ω là tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD. - Kiểm định phương trình hồi quy:
F(P) = 0,0316 < 0,05 do đó tồn tại phương trình hồi quy. Hệ số cường độ Rs tương quan với f và / hoặc ω–1. - Kiểm tra sự tồn tại của các hệ số bj: + Với biến sốω-1, Pvalue = 0,0359 < 0,05 do đó ω–1 có ảnh hưởng đến Rs. + Với biến số f, Pvalue = 0,0338 < 0,05 do đó f ảnh hưởng đến Rs. - Đánh giá hệ số R: + R2 = 0,899 do đó mức độ tương quan rất chặt. - Đánh giá mức độảnh hưởng của tỷ lệ f và ω-1đến Rs:
+ Tỷ lệ f và ω–1 có mức độ ảnh hưởng đến hệ số Rs là tương đương nhau do có các hệ sốảnh hưởng β tương đương nhau (0,677 và 0,662).
b) Phân tích kết quả tương quan với Nhóm thứ hai có tỷ lệ tro bay / CKD trên 15 %
* Phương trình hồi quy hai biến thu được có dạng:
Rs = 0,071. f + 0,034 . ω–1 + 0,09 (2.10) - Kiểm định phương trình hồi quy:
F(P) = 1,1E–08 << 0,05 do đó tồn tại phương trình hồi quy. Hệ số cường độ
Rs tương quan với f và / hoặc ω–1. - Kiểm tra sự tồn tại của các hệ số bj:
+ Với biến số ω–1, Pvalue = 0,246 > 0,05 điều đó có nghĩa là tỷ lệ ω–1 không có nhiều ảnh hưởng đến hệ số Rs.
+ Với biến số f, Pvalue = 2,5E–09 < 0,05 điều đó có nghĩa là tỷ lệ f ảnh hưởng
đến Rs.
- Đánh giá mức độảnh hưởng của tỷ lệ f và ω–1đến Rs:
+ Tỷ lệ f có mức độảnh hưởng đến Rs nhiều hơn so với tỷ lệω–1 do có hệ số ảnh hưởng là | β(f) | = 0,071 lớn hơn nhiều so với hệ số | β(ω) | = 0,034.
Như vậy, khi vữa xi măng tro bay có tỷ lệ f lớn hơn 15 % thì biến sốω–1 có
ảnh hưởng không đáng kể đến hệ số cường độ Rs. Do đó cần loại bỏ biến số này và tiến hành phân tích hồi quy lại như sau:
* Phương trình hồi quy một biến (sau khi loại bỏ biến sốω–1) có dạng:
Rs = –1,093. f + 1,149 (2.11)
- Kiểm định phương trình hồi quy: F(P) = 1,4E–09 < 0,05 do đó tồn tại phương trình hồi quy. Hệ số cường độ Rs tương quan với tỷ lệ f.
- Kiểm tra sự tồn tại của các tham số bj: Với biến số f, Pvalue = 5,84E–17 < 0,05 điều
đó có nghĩa là tỷ lệ f có ảnh hưởng đến Rs.
- Đánh giá hệ số: R2 = 0,884 do đó mức độ tương quan rất chặt. * Tổng hợp kết quả phân tích tương quan của hai nhóm như Bảng 2.4:
Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD
Tỷ lệ (f) Phương trình hồi quy Hệ số R2
10 ÷ 15 % Rs = 0,67. f – 0,063. ω–1 + 1,018 0,899 (2.12) 15 ÷ 70 % Rs = – 1,093. f + 1,149 0,884 (2.13) trong đó: Rs là hệ số cường độ; f là tỷ lệ tro bay / CKD và ω là tỷ lệ nước / CKD
2.2.4. Xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD
Từ các phương trình hồi quy Rsở Bảng 2.4 thay vào công thức (2.7) để thiết lập phương trình thực nghiệm xác định hiệu quả tro bay (k) như sau:
Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay
Tỷ lệ (f) Hệ số hiệu quả tro bay (k) 10 ÷ 15 % =−0,063 1 −0,335 +0,051−0,009 +1,67 f f f k ω ω ω (2.14) 15 ÷ 70 % =0,546 +0,149 1 −0,0074 −0,093 f f k ω ω (2.15) trong đó: Rs là hệ số cường độ; f là tỷ lệ tro bay / CKD và ω là tỷ lệ nước / CKD
Từ các công thức (2.14) và (2.15) cho thấy, hệ số k có dạng hàm số gồm hai biến số là f và ω. Thay các biến số f và ω có giá trị từ 0,1 ÷ 0,7 và từ 0,35 ÷ 0,5 thu
được các giá trị hệ số k theo Bảng 2.6 như sau:
Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay TT Tỷ lệ tro bay / CKD (f) Tỷ lệ nước / CKD (ω ) ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5 1 0,10 0,220 0,423 0,695 2 0,15 0,664 0,794 0,965 3 0,20 0,713 0,721 0,739 4 0,25 0,590 0,602 0,627 5 0,30 0,508 0,523 0,553 6 0,40 0,406 0,424 0,460 7 0,50 0,344 0,364 0,404 8 0,70 0,274 0,296 0,340
2.2.5. Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông
Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong Bảng 2.6 được thực hiện với vữa xi măng tro bay. Theo kết quả nghiên cứu của Cho.HB và các cộng sự [55],[56] thì ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD đến hệ số hiệu quả tro bay trong vữa và trong bê tông có sự tương đồng. Tuy nhiên bê tông có nhiều thành phần vật liệu hơn so với vữa nên đã có ảnh hưởng nhất định đến giá trị hệ số k. Vì vậy, hệ số
k của bê tông chỉ nên lấy bằng 0,9 ÷ 1,0 lần so với thí nghiệm vữa. Đểđảm bảo mức
độ tin cậy cao, lấy hệ số k của bê tông bằng 0,9 lần của vữa từ đó thiết lập biểu đồ
quan hệ giữa hệ số hiệu quả k với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD của bê tông như Hình 2.4.
Hình 2.4 – Quan hệ giữa hệ số hiệu quả tro bay với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ
nước / CKD trong bê tông
Trên biểu đồ Hình 2.4 cho thấy, đường cong hệ số k có dạng tương đồng ở cả
3 loại tỷ lệ nước / CKD. Khi tỷ lệ tro bay / CKD từ 10 ÷ 15 % đồ thị có xu hướng đi lên (k tăng), phản ứng puzơlan đã tạo ra khoáng CHS mới bền vững hơn nhờđó làm tăng dần cường độ. Hệ số k có giá trị cực đại khi tỷ lệ tro bay / CKD là 15 %.
Khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 15 % và đạt đến 70 %, lượng xi măng trong hỗn hợp giảm đi đáng kể, đồng thời lượng tro bay tăng lên nhiều hơn nhưng chỉ một phần tham gia phản ứng puzơlan và cũng không đủ bù đắp sự thiếu hụt cường độ
của lượng xi măng giảm đi. Trong khi đó một lượng lớn tro bay chỉ đóng vai trò