Việc sử dụng bê tông geopolymer trên cơ cở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa có khả năng góp phần giảm hiện tƣợng nóng dần của trái đất. Theo avidoits [31] , bê tông geopolymer có khả năng gây hiệu ứng nhà kính giảm 26-45% so với bê tông xi măng thông thƣờng. iều này có thể giải thích do: việc sản xuất 1 tấn xi măng thƣờng tạo ra 0.55 tấn O2 từ các phản ứng phân hủy khoáng cacbonat và cũng tạo ra khoảng 0.42 tấn O2 do đốt các nhiên liệu các bon, nhƣ vậy xấp xỉ 1 tấn O2 sinh ra khi sản xuất 1 tấn xi măng. Tuy nhiên việc sản xuất 1 tấn chất kết dính geopolymer từ tro bay chỉ tạo ra khoảng 0.180 tấn O2 từ sự đốt cháy nhiên liệu các bon. Nhƣ vậy, so với 1 tấn O2 sinh ra khi sản xuất xi măng thì sản xuất chất kết dính geopolymer thấp hơn gần 6 lần. Hay nói cách khác, có thể sản xuất ra lƣợng chất kết dính tăng lên 6 lần cho phát triển hạ tầng và xây dựng với cùng lƣợng khí CO2 thải ra môi trƣờng [31].
ên cạnh đó, chất kết dính geopolymer cũng tận dụng các phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp nhƣ tro bay của nhà máy nhiệt điện; xỉ lò cao của nhà máy luyện gang, thép; ... ho nên việc sử dụng bê tông geopolymer trong công nghiệp xây dựng còn có thể mang lại nhiều lợi ích khác nhƣ: giảm nguy cơ chất thải công nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện chất lƣợng ở tuổi dài ngày của bê tông(co ngót khô rất thấp, từ biến thấp, khả năng chống ăn mòn sunphat và axit rất tốt), từ đó giảm chi phí đầu tƣ và b ảo trì các kết cấu sử dụng bê tông geopolymer,...
Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay chỉ bằng một phần nhỏ so với giá của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của bê tông geopolymer tro bay sẽ thấp hơn khoảng 10-30% so với giá của bê tông xi măng [2] .
Ngoại trừ các ƣu điểm, bê tông geopolymer vẫn đƣợc cho là khó có thể phổ biến trên thị trƣờng hiện nay. Lý do chính cho điều này là phần lớn các nhà máy xi măng còn lo ngại về nguy cơ sụt giảm lợi nhuận khi đầu tƣ .
22
2.2 TÍNH KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA CỌC THEO LÝ THUYẾT MLT
2.2.1 Cƣờng độ chịu uốn của cọc rỗng
Hiện nay chƣa có các tiêu chuẩn và chỉ dẫn cụ thể để tính toán cƣờng độ chịu uốn của cấu kiện GP . o đó luận văn vận dụng T VN 5574:2012 [32]để tính toán cho cấu kiện cọc rỗng GP , các giá trị tính toán có ý nghĩa tham khảo tƣơng đối.
Theo tiêu chuẩn T VN 5574:2012 [32] mô men uốn cọc rỗng đƣợc xác định nhƣ cấu kiện chịu uốn tính toán theo trạng thái giới hạn I với các giả thuyết: ứng suất kéo/nén của thép đạt cƣờng độ chịu kéo/nén; ứng suất nén của bê tông bằng cƣờng độ chịu nén của bê tông, không xét đến khả năng chịu kéo của bê tông, mặt phẳng vẫn phẳng sau biến dạng
ƣờng độ chịu uốn của cọc rỗng tiết diện vành khuyên có có tỷ số giữa bán kính trong và bán kính ngoài , cốt thép phân bố đều theo chu vi (số thanh cốt thép dọc không nhỏ hơn 6), đƣợc tính toán theo mục 6.2.2.9 và 6.2.2.12 của TCVN 5574 : 2012 [32]nhƣ sau:
(2.1)
Trong đó: : bán kính trong tiết diện : bán kính ngoài tiết diện
: bán kính trung bình tiết diện
: hệ số điều kiện làm việc của bê tông, lấy : cƣờng độ chịu nén của bê tông
: diện tích tiết diện vành khuyên, : cƣờng độ chịu nén của cốt thép
: tổng diện tích cốt thép
: bán kính qua trọng tâm tiết diện cốt thép
: diện tích tƣơng đối của bê tông vùng chịu nén
23 : hệ số xác định theo công thức:
: hệ số xác định theo công thức: không có cốt thép dự ứng lực
,1 đối với cốt thép nhóm I, II, III : hệ số xác định theo công thức:
, lấy theo MPa
: khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo đến trọng tâm tiết diện
2.2.2 Tính monen kháng nứt của cọc rỗng
Momen kháng nứt của tiết diện cọc rỗng đƣợc xác định theo mục 7.1.2.4 của T VN 5574 - 2012 [32]nhƣ sau:
(2.2)
Trong đó: : cƣờng độ chịu kéo của bê tông theo TTGH II
: Momen kháng uốn của tiết diện quy đổi đối với thớ chịu kéo ngoài cùng, có thể đƣợc tính gần đúng theo công thức:
(2.3) : hệ số tính theo công thức
: mômen kháng đàn hồi của tiết diện quy đổi đối với thớ chịu kéo ngoài cùng, đƣợc xác định:
(2.4)
khoảng cách từ trọng tâm tiết diện quy đổi đến mép chịu kéo, : momen quán tính của tiết diện quy đổi:
24
CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU: 3.1.1 Tro bay: 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