3.1.1 Tro bay:
Tro bay (Fly Ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, sản phẩm phế thải đƣợc tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện. Tro bay đƣợc thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những thành phần hạt nhỏ hơn sẽ đƣợc thu gom ở cuối đƣờng ống khói. Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, cỡ hạt từ 1-20 µm, tỷ diện khoảng 250 - 600 m2/kg [33]
Theo tiêu chuẩn ASTM 618-94a [34], tro bay đƣợc phân thành 3 loại sau: • lass N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạo thành.
• lass F: là sản phẩm của quá trình đốt cháy than bitum và than anthracite trong nhà máy nhiệt điện, có hàm lƣợng than chƣa cháy từ 2 – 10 %. Tro bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vô cơ hoạt tính). Hàm lƣợng aO trong loại này thƣờng nhỏ hơn 10%.
• lass : có tính chất gần giống nhƣ trong bay class F nhƣng là sản phẩm thu đƣợc từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lƣợng than chƣa cháy thƣờng ít hơn 2 %. Hàm lƣợng aO trong loại này thƣờng lớn hơn 10 %. Loại tro bay này chất lƣợng cao nhƣng khó sản xuất.
ông nghệ Geopolymer dùng chủ yếu 2 loại tro bay: class F và class C
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay ASTM C618-94a[34]
Thành phần hóa học (%) Loại N Loại F Loại Min (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) 70 70 50
Max SO3 4 5 5
Max ( lƣợng mất khi nung ) 10 6 6 Max (CaO) 5 10 30
25
Bảng 3.2: Thành phần hóa học tro bay loại F, nhà máy phát điện Phả Lại [35]
Thành phần hóa học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O % Khối lƣợng 53,2 24,2 6,38 2,17 0,44
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy phát điện Fomosa [37]
Thành phần hóa học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO SO3 MKN % Khối lƣợng 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63
Từ kết quả thí nghiệm (%) thành thần hóa học : tổng thành phần phần trăm (%) của (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) > 70 %, % CaO < 30 % và % Na2O < 1,5 %. iều này phù hợp theo yêu cầu tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618-94a và chứng tỏ tro bay từ hai nguồn cung cấp này có hoạt tính cao có thể dùng nghiên cứu tốt.
Tro bay trong thực nghiệm sử dụng loại F có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Formosa có khối lƣợng riêng 2,5 g/cm3, độ mịn 66 % lƣợng lọt qua sàng có cở sàng là 0,05 mm. Thành phần hóa học của tro bay đƣợc trình bày trong ảng 3.3.
Hình 3.1: Tro bay
3.1.2 Dung dịch hoạt hóa
ung dịch hoạt hóa là sự kết hợp giữa sodium hydroxide và sodium silicate. ung dịch sodium hydroxide màu trắng đục có độ tinh khiết trên 90% và khối lƣợng riêng là 2130 kg /m3. ể tạo dung dịch sodium hydroxide, NaOH dạng vảy rắn đƣợc
26
hòa tan vào nƣớc với nồng độ 16mol/l cho trƣớc. ung dịch sodium hydroxide sử dụng với hàm lƣợng Na2O và SiO2 dao động từ 36 đến 38%, tỷ trọng 1,42 ±0,042 g/ml.
Hình 3.2: Thủy tinh lỏng và NaOH
Hình 3.3: ân thủy tinh lỏng và trộn NaOH
3.1.3 Cát
át vàng đƣợc sử dụng là cát sông, rửa sạch, phơi khô, sang lọc bớt hàm lƣợng hạt nhỏ. ác chỉ tiêu và cấp phối thành phần hạt của cát đƣợc trình bày lần lƣợt trong bảng 3.4 và Hình 3.4.
27 Bảng 3.4: Thành phần hạt cát Thành Phần Hạt ỡ sàng Lƣợng sót trên từng sàng Lƣợng sót tích lũy trên sàng GIỚI H N THEO T VN 7572 - 1÷ 20:2006 [37] (mm) (g) (%) (%) Biên
dƣới Biên trên
2,5 31,66 3,2 3,2 0 20 1,25 71,45 7,2 10,4 15 45 0,63 209,10 21,0 31,4 35 70 0,315 363,38 36,5 67,8 65 90 0,14 278,59 28,0 95,8 90 100 0 41,65 4,2 100,0 100 100
--- ƣờng biểu diễn mẫu
Hình 3.4: iểu đồ thành phần hạt cát
ác chỉ tiêu cơ lý của cát vàng sử dụng đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7572 -1÷ 20:2006 [37]
3.1.4 Đá
ê tông Geopolymer trong loạt thí nghiệm này đƣợc chế tạo với cốt liệu lớn sử dụng đá dăm sử dụng loại max = 20 mm, khối lƣợng riêng 2,73 g/cm3 và thỏa mãn
28
yêu cầu kỹ thuật theo T VN 7570:2006 “ ốt liệu cho bê tông và vữa”. Thành phần hạt của đá dăm đƣợc trình bày trong ảng 3.5 và hình 3.5.
á đƣợc sử dụng là đá sạch và đƣợc sấy khô trƣớc khi đƣa vào sử dụng, cỡ hạt thô. ác tính chất cơ lý nhƣ khối lƣợng riêng, khối lƣợng thể tích, thành phần hạt cũng đƣợc thí nghiệm theo T VN 7572 -1÷ 20:2006 [37].
Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá
Cỡ sàng Lƣợng sót trên từng sàng Lƣợng sót tích lũy trên sàng
Đƣờng bao vùng chuẩn
(mm) (g) (%) (%) iên dƣới Biên trên
70 0 0,0 0,0 0 0 40 0 0,0 0,0 0 10 20 5117 51,2 51,2 40 70 10 4084 40,9 92,0 90 100 5 625 6,3 98,3 100 100 0 170 1,7 100,0 100 100
--- ƣờng biểu diễn mẫu _________ ƣờng bao vùng chuẩn
29
ác chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7572 -1÷ 20:2006 [37]
Bảng 3.6: ác tính chất cơ lý của đá
Chỉ tiêu thí nghiệm Phƣơng pháp thí
nghiệm Kết quả thí nghiệm Mô đun độ lớn TCVN 7572-2:2006 2,09 mm Khối lƣợng riêng TCVN 7572-4:2006 2,66 g/m3 Khối lƣợng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2,58 g/m3 Khối lƣợng thể tích ở trạng thái bảo hòa
TCVN 7572-4:2006 2,61 g/m3 ộ hút nƣớc TCVN 7572-4:2006 1,1 % Khối lƣợng thể tích xốp TCVN 7572-2:2006 1.510 kg/m3 ộ hút nƣớc TCVN 7572-4:2006 1,1 % Hàm lƣợng bụi, bùn, sét TCVN 7572-4:2006 0,9 Lƣợng hạt lớn hơn 5mm TCVN 7572-4:2006 0,10 %
3.1.5 Nƣớc pha dung dịch NaOH
Nƣớc dùng phải theo T VN 302:2004 “ Nƣớc trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật ”
Nƣớc dùng pha loãng NaOH khan phải đãm bảo không lẫn tạp chất để không ảnh hƣởng xấu đến thời gian tĩnh định và đóng rắn của bê tông Geopolymer. ác nguồn nƣớc uống đều có thể dùng đƣợc. Không dùng nƣớc thải của các nhà máy, nƣớc bẩn từ hệ thống nƣớc sinh hoạt, nƣớc ao hồ chứa nhiều bùn, nƣớc lẫn dầu mở để sử dụng pha loãng NaOH khan.
3.1.6 Cốt thép:
Sử dụng cốt thép chủ cƣờng độ cao 6 Ø7.1, thép đai Ø3.0 a150 ốt thép sản xuất cọc phù hợp với các tiêu chuẩn tƣơng ứng:
30
Thép cốt và thép đai phù hợp với T VN 1651-1:2008; TCVN 1651-2:2008 hoặc tiêu chuẩn theo thiết kế quy định [38].
3.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM MẪU TRỤ BÊ TÔNG:
3.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông Geopolymer:
ƣờng độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc phần lớn vào các yếu tố nhƣ: tỉ lệ cốt liệu/tro bay, alkaline/tro bay (AL/FA), sodium silicate/sodium hydroxide (Na2SiO3/NaOH hoặc SS/SH), điều kiện dƣỡng hộ nhiệt và nồng độ mole.
Thành phần cấp phối bê tông geopolymer trong loạt thí nghiệm này có: Tỉ lệ Alkaline/tro bay: 0,6; Tỉ lệ Na2SiO3/NaOH: 2,0; Nồng độ dung dịch NaOH: 16 Mole; ƣỡng hộ ở nhiệt độ 100º ; thời gian dƣỡng hộ 12 giờ.
Sự khác biệt duy nhất giữa bê tông Geopolymer và bê tông xi măng nằm ở chất kết dính SiO2SiO3 và Al2O3 trong tro bay phản ứng với dung dịch hoạt hóa (dung dịch alkaline) tạo nên hồ Geopolymer bao phủ cốt liệu và những vật liệu không phản ứng tạo nên bê tông Geopolymer. Nhƣ bê tông xi măng, cốt liệu thô và cốt liệu mịn chiếm khoảng 70 – 80 % khối lƣợng của bê tông Geopolymer. Nên hỗn hợp thành phần của bê tông Geopolymer có thể đƣợc thiết kế tƣơng tự nhƣ bê tông xi măng.
Bảng 3.7: Thành phần cấp phối bê tông GEO ( 1m3 ) Ký hiệu á (kg) Cát (kg) Tro bay (kg) Na2SiO3 (kg) NaOH 16M (kg) AL/FA SS/SH GPC1 1076 593 412,0 164,8 82,4 0,6 2
3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng:
Thành phần cát, đá sử dụng thiết kế cấp phối giống nhƣ cát, đá của cấp phối GPC, còn lại xác định lƣợng xi măng, nƣớc.
■ Thành phần cấp phối bê tông xi măng:
31 Ký hiệu Xi măng ( kg ) á 1x2 ( kg ) Cát ( kg ) Nƣớc ( kg ) OPC 937 1102 179 240
ƣờng độ bê tông xi măng là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. ƣờng độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. ể xác định cƣờng độ trƣớc khi đúc cấu kiện 02 cọc rỗng bê tông xi măng, tiến hành đúc mẫu dƣỡng hộ 28 ngày tiến hành nén mẫu để xác định cƣờng độ.
Khi bị nén ngoài biến dạng co ngắn theo hƣớng tác dụng của lực, bê tông còn bị nở ngang. Thông thƣờng chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn máy nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo 02 hình tháp đối đỉnh nhau. Nếu bôi trơn mặt bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra.
3.2.3 Phƣơng pháp thí nghiệm
3.2.3.1 Đúc mẫu xác định cƣờng độ chịu nén cho mẫu trụ OPC và GPC
Tiến hành nhào trộn đúc mẫu bê tông để xác định cƣờng độ chịu nén, từ đó lựa chọn cho đƣợc cấp phối khi đúc mẫu xong dƣỡng hộ nhiệt mang đi nén có cƣờng độ cao nhất, chọn làm cấp phối đúc cấu kiện cọc bê tông cốt thép Geopolymer. Sử dụng T VN 3105:1993 Hổn hợp bê tông nặng – Phƣơng pháp thử độ sụt [39].
3.2.3.2 Nhào trộn và đúc mẫu :
ối với mẫu trụ GP thực hiện nhƣ sau: Tất cả các thành phần nguyên vật liệu đƣợc định lƣợng, sao đó nhào trộn trong khoảng thời gian 2 phút bằng cối trộn nhà máy, cho hổn hợp đều, sau đó cho dung dịch NaOH vào trộn khoảng 3 phút cho đều, sau cùng cho nƣớc vào trộn khảng 2 phút cho bê tông bê tông vào cọc đã đặt chờ sẳn tại phểu đổ. Hỗn hợp bê tông đƣợc tạo theo tiêu chuẩn ASTM 780: Kích thƣớc mẫu trụ 150 x 300 mm, thời gian dƣỡng hộ nhiệt 12 giờ cho mỗi mức dƣỡng hộ khác nhau. Nhiệt độ dƣỡng hộ ở 06 mức nhiệt độ từ 40º , 60º , 80º , 100º , 110ºC, 120ºC.
32
Hình 3.6: Pha trộn cấp phối và đúc mẫu
Hình 3.7: úc mẫu trụ bê tông GEO
33
3.2.3.3 Dƣỡng hộ nhiệt:
Ở nhiệt độ phòng, phản ứng geopolymer hóa diễn ra rất chậm do vậy cƣờng độ phát triển không cao. ho nên dƣỡng hộ nhiệt là cần thiết cho quá trình geopolymer hóa và phát triển cƣờng độ của bê tông.
ê tông geopolymer sau khi đúc mẫu, đƣợc dƣỡng hộ ở nhiệt độ tƣơng đối ổn định từ 32º đến 35º trong vòng 48 giờ, sau đó tháo ván khuôn, dƣỡng hộ nhiệt trong một cái lò gốm và phủ bao nhƣ hình 3.9, tiến hành cung cấp nhiệt để dƣỡng hộ ở nhiệt độ 100º trong vòng 12 giờ, thời gian dƣỡng hộ nhiệt đƣợc tính khi nhiệt độ đạt 100º . Xong quá trình dƣỡng hộ nhiệt, đặt mẫu thí nghiệm ở môi trƣờng tự nhiên trong 20 ngày, tiến hành nén mẫu.
Hình 3.9: ƣỡng hộ nhiệt
3.2.3.4 Thí nghiệm nén mẫu bê tông Geopolymer :
Sử dụng T VN 3118:1993: ê tông nặng – Phƣơng pháp xác định cƣờng độ [40] để thí nghiệm. Mẫu bê tông xi măng sau khi dƣỡng hộ ở nhiệt độ 60⁰ trong 6 giờ, sau 28 ngày tiến hành thí nghiệm nén mẫu. Mẫu bê tông geopolymer dƣỡng hộ nhiệt 100⁰ , trong 12 giờ, sau 20 ngày tiến hành nén mẫu. Mẫu đƣợc mang đến phòng thí nghiệm và gia công cho phẳng mặt, có gia cố sika ở hai mặt tiếp xúc để 3 ngày bắt đầu cho vào máy ép. Từ đồng hồ ta ghi đƣợc số liệu nén mẫu và tra bảng tính ra đƣợc cƣờng độ.
34
Hình 3.10: Thí nghiệm nén mẫu trụ
Mẫu bê tông geopolymer và bê tông xi măng dùng để thí nghiệm cƣờng độ chịu nén là mẫu trụ có kích thƣớc 150 x 300. Theo T VN 4453:1995 [41], cƣờng độ chịu nén của mẫu đƣợc quy về mẫu chuẩn lập phƣơng cạnh 150 mm theo công thức:
Rb= 1,2 Rb,tr (3.1)
3.2.4 Chế tạo cấu kiện cọc OPC:
Số lƣợng cọc rỗng bê tông xi măng thí nghiệm là 02 cọc, dài L=1,5 m, đƣờng kính cọc Ø300, thành cọc dầy 80 mm.
ùng cấp phối đã thí nghiệm từ việc nén mẫu thử để sử dụng cho công tác đúc cấu kiện cọc OPC.
ối với cọc OP sau khi đúc xong, tiến hành bảo dƣỡng ở môi trƣờng bình thƣờng 32° – 35°C trong vòng 28 ngày mang tới phòng thí nghiệm và ghi số liệu đạt đƣợc để sử dụng so sánh ƣu, khuyết điểm với cọc GPC.
Hình 3.12 thể hiện chi tiết cấu tạo cốt thép dọc và cốt thép đai trong cọc rỗng OP và GP , khuôn mẫu và cấu tạo cốt thép thực tế chuẩn bị đúc cọc đƣợc thể hiện trong hình 3.11;3.12.
35
Hình 3.11: hi tiết mẫu cọc ( Khuôn mẫu và lồng thép )
2 Þ3a150
1 6 Þ 7.1
Hình 3.12: hi tiết cấu tạo cốt thép dọc và cốt thép đai cọc rỗng OP và GP
3.2.5 Yêu cầu đối với cọc OPC :
3.2.5.1 Khái niệm:
ê tông cốt thép là loại vật liệu xây dựng phức hợp do bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau.
ê tông đƣợc chế tạo từ xi măng và cát sỏi thành một thứ đá nhân tạo có khả năng chịu nén khá nhƣng khả năng chịu kéo lại rất kém. Trong khi đó cốt thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt. o vậy ngƣời ta đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu, từ đó sản phẩm sinh ra là bê tông cốt thép. ọc bê tông xi măng cốt thép cũng không ngoại lệ. ấu trúc vật liệu cũng nhƣ bê tông
36
cốt thép. Nhƣng khác hơn là dùng để gia cố nền cho đất chặt lại ( cọc ma sát), dùng khả năng chịu lực ( cọc chống) cho khối công trình bên trên.
3.2.5.2 Ƣu khuyết, điểm:
Sức chịu tải của cọc thay đổi phụ thuộc vào kích thƣớc tiết diện và chiều dài cọc. Thực tế cho thấy trong các đồ án thiết kế, việc lựa chọn kích thƣớc tiết điện và chiều dài cọc còn mang tính chủ quan, dựa vào kinh nghiệm mà ít có sự phân tích, so sánh và hiệu chỉnh. Kết quả thƣờng là sức chịu tải của cọc đƣợc chọn theo đất nền là nhỏ hơn rất nhiều so với sức chịu tải vật liệu cọc và do đó, gây nên sự lãng phí, nhất là đối với cọc đặc. Sử dụng cọc rỗng là một giải pháp giảm nhiều chi phí do thừa vật liệu khi sử dụng cọc vuông thông thƣờng. Tuy nhiên do điều kiện công nghệ chế tạo hạn chế mà các loại cọc rỗng chƣa đƣợc dùng nhiều trong các dự án. ũng vì lý do đó mà các nghiên cứu sử dụng hợp lý cọc rỗng hầu nhƣ rất ít tại thời điểm hiện nay.
3.2.5.3 Phạm vi ứng dụng:
ọc T T đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong kết cấu móng của đa số các công trình xây dựng, từ dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, giao thông cho đến hạ tầng kỹ thuật. Trong ngành cảng nói riêng, hiện nay cọc ống T T đang dần thay thế cho loại cọc vuông đặc truyền thống vì những ƣu điểm vƣợt trội của nó (trong khi ở các nƣớc tiên tiến điều này đã diễn ra từ mấy thập kỷ trƣớc!).
3.2.5.4 Vật liệu sản xuất xi măng cốt thép:
3.2.5.4.1 Yêu cầu chung:
ác vật liệu để sản xuất bê tông phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo các tiêu chuẩn hiện hành, đồng thời đáp ứng các yêu cầu bổ sung của thiết kế.
Trong quá trình lƣu kho, vận chuyển và chế tạo bê tông, vật liệu phải đƣợc bảo quản, tránh bẩn hoặc bị lẫn lộn cỡ và chủng loại. Khi gặp các trƣờng hợp tên, cần có ngay biện pháp khắc phục để đảm bảo sự ổn định về chất lƣợng.