Bảng 4.8. Độ võng tại vị trí giữa nhịp và L/3 theo mô phỏng bằng phần mềm Abaqus
Tải trọng P (kN) Chuyển vị (mm) L/2 L/3 0 0 0 2 2.000 1.380 4 4.890 3.374 6 7.410 5.113 8 9.460 6.527 10 13.070 9.018 12 15.380 10.612 14 18.500 12.765 16 21.029 14.510 18 23.034 15.893 20 26.354 18.184 22 28.199 19.457 24 30.522 21.060 26 31.779 21.928
28 34.221 23.612
30 36.123 24.925
32 37.232 25.690
34 38.905 26.844
36 39.377 27.170
Hình 4.9. Chuyển vị theo vị trí L/2 và L/3 của sàn bê tơng geopolymer theo mơ phỏng bằng phần mềm Abaqus
Nhìn chung, các giá trị kết quả về chuyển vị của sàn tại vị trí giữa nhịp theo kết quả thực nghiệm có cao hơn so với tính tốn theo lý thuyết nhưng lại thấp hơn so với giá trị mô phỏng bằng phần mềm Abaqus. Giá trị chuyển vị cao nhất tại giữa sàn theo thực nghiệm là 37.5 (mm) lớn hơn 18% so với giá trị chuyển vị lớn nhất theo tính tốn lý thuyết (33.37 mm) và thấp hơn 5% so với mơ phỏng (39.37mm)
Hình 4.11. Chuyển vị tại vị trí L/3 nhịp sàn theo các phương pháp thực nghiệm, mơ phịng và tính theo lý thuyết
Giá trị chuyển vị cao nhất tại vị trí L/3 nhịp sàn theo thực nghiệm là 34.57 (mm) lớn hơn 49% so với giá trị chuyển vị lớn nhất theo tính tốn lý thuyết (23.03 mm) và 27% so với mô phỏng (27.17mm)
Ở cấu kiện sàn được thí nghiệm tại hiện trường có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện như chất lượng bê tông, hệ khung thép trong sàn, kỹ thuật buộc thép, công tác đúc cấu kiện cũng như điều kiện dưỡng hộ, bảo dưỡng, cẩu lắp và quy trình thí nghiệm. Ở tính tốn theo lý thuyết thì khơng tính sự cộng hưởng, tương tác làm việc giữa bê tơng và cốt thép trong q trình uốn cấu kiện nên độ võng tính tốn thấp hơn so với thực nghiệm cũng như mô phỏng. Ở phương pháp mô phỏng cấu kiện tuy khả năng chịu uốn của cấu kiện cao hơn thực nghiệm nhưng kết quả đạt được lại gần sát với kết quả thực nghiệm nhất do có xét đến khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông cũng như một số yếu
tố khác như cường độ bê tông, độ bền kéo của thép, v.v … Bên cạnh đó, khi thay đổi một số thuộc tính, giá trị đầu vào của mơ hình thì cách ứng xử chịu uốn của sàn cũng thay đổi linh hoạt theo và có kết quả gần như sát với thí nghiệm hiện trường.
CHƯƠNG 5:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1 Kết luận
Theo phương pháp thí nghiệm thực tế, kết quả đo chuyển vị từ thực nghiệm cho thấy khi gia tải từ 0 đến 18 kN thì mức tăng độ võng của cả ba cấu kiện phát triển khá đồng đều với nhau. Sau đó độ võng ở sàn 2 và sàn 3 có mức phát triển độ võng tăng lớn hơn so với sàn 1, cao nhất lên đến 20 mm ở sàn 3 khi tải trọng được tăng từ 20 đến 24 kN. Ở cấu kiện sàn 1 có mức phát triển độ võng đồng đều trong suốt quá trình gia tải trên sàn. Khi tải trọng <10kN thì biểu đồ có dạng tuyến tính ở cả ba cấu kiện sàn. Hình dạng biểu đồ của cấu kiện sàn 1 và sàn 2 tương đối giống nhau nhưng biến dạng của cấu kiện sàn 2 dừng lại khi đạt tải trọng 24kN vì cấu kiện bị phá hủy ở tải trọng này. Ở cấu kiện sàn 1 thì biến dạng tiếp tục tăng dần và đạt giá trị cao nhất khi đạt tải trọng 38 kN. Riêng cấu kiện sàn 3 có sự tăng đột ngột biến dạng ngay khi chịu tải 16kN và khi đạt 22kN thì cấu kiện bị phá hoại hồn tồn. Qua đó cho thấy cấu kiện sàn 3 có mức tăng biến dạng cao nhất.
Từ kết quả thí nghiệm mẫu ta thấy các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực bao gồm chủng loại cốt thép là cốt thép gân hoặc cốt thép trơn, đường kính các loại cốt thép khác nhau từ Φ8 đến Φ 10 và Φ 12 đều ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn geopolymer. Kết quả này là phù hợp với các kết quả khác đã nghiên cứu ở những cấu kiện sử dụng bê tơng xi măng thơng thường. Qua đó cho thấy ứng xử của các cấu kiên sử dụng bê tông geopolymer là tương đồng với các cấu kiện thơng thường.
Bên cạnh đó, các giá trị kết quả về chuyển vị của sàn tại vị trí giữa nhịp theo kết quả thực nghiệm có cao hơn so với tính tốn theo lý thuyết nhưng lại thấp hơn so với giá trị mô phỏng bằng phần mềm Abaqus. Ở tính tốn theo lý thuyết thì khơng tính sự cộng hưởng, tương tác làm việc giữa bê tông và cốt thép trong q trình uốn cấu kiện nên độ võng tính tốn thấp hơn so với thực nghiệm cũng như mô phỏng. Ở phương pháp mô phỏng cấu kiện tuy khả năng chịu uốn của cấu kiện cao hơn thực nghiệm nhưng kết quả đạt được lại gần sát
với kết quả thực nghiệm nhất do có xét đến khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông cũng như một số yếu tố khác như cường độ bê tông, độ bền kéo của thép, v.v …
Khi tải trọng đạt đến khoảng từ 22 đến 24 kN thì hai cấu kiện sàn 2 và sàn 3 bị phá hủy hoàn toàn. Riêng cấu kiện sàn 1 bị phá hoại khi tải trọng đạt 36 kN.
Các lý thuyết tính tốn của sàn bê tơng Geoplymer có thể sử dụng lý thuyết tính tốn của vật liệu bê tơng xi măng theo tiêu chuẩn hiện hành.
Khả năng chịu tải trọng tới hạn của dầm bê tông geopolymer trong thực nghiệm là tương đương và cao hơn so với kết quả tính tốn theo TCVN 5574-2012.
Kết quả độ võng của sàn theo mơ phỏng và thực nghiệm có giá trị lớn hơn khi tính tốn theo TCVN 5574.
5.2 Hướng phát triển của đề tài
Từ việc nghiên cứu ứng xử cũng như khả năng chịu lực của cấu kiện sàn bê tơng geopolymer, đề tài có thể được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố sau:
- Sự tương tác, làm việc cùng nhau giữa thép và bê tông geopolymer trong cấu kiện - Dự đoán phá hủy cấu kiện
- Mở rộng nghiên cứu sàn hai phương theo từng loại bản sàn (bản kê 2 cạnh, bản kê 4 cạnh, bản ngàm, …)
- Sử dụng nhiều kiểu đan thép tạo khung cho cấu kiện sàn geopolymer (đan chéo, đan hình bình hành, đan vng góc, …) để đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sirje V, Tarja H (1998). Environmental Burdens of Concrete and Concrete products.
Technical Research Centre of Finland.
2. J. Davidovits, D., R., and James, The Proceeding of Geopolmer 99. 2nd International Conference on Geopolymers. (1999) p. 368.
3. B. Vijaya Rangan (2014), Geopolymer Concrete for environmental protection.
4. Nataraja M, C , Flexural behavior of reinforced geo-polymer concrete beam,
international journal of civil and structural engineering.
5. Muthumani, K, Behavior of concrete beams under low energy repeated impact loading, PhD thesis. December 1995.
6. Palomo, Ana Fernandez-Jimenez (2011), Alkaline activation, procedure for stranforming fly ashes into new materials.
7. Palomo A, Grutzeck M.W. Blanco M.T., (1999), Alkali-Activated Fly Ashes – A Cement for Future, Cem. Con. Res. 29, 1323-1329.
8. Mo Bing-Hui (2014), Effect of curing temperature on geopolymerization of metakaolin-based geopolymers.
9. Rangan, D.H.a.B.V., Development and Properties of Low-calcium fly ash based Geopolymer concrete, in Research report GC12005: Faculty of Engineering Curtin
University of Technology Perth, Australia. p. 103.
10. Olivia, M., Durability Related Properties of Low Calcium Fly ash based Geopolymer Concrete, in Civil Engineering2011, Curtin University of Technology.
11. Manish Chand Kumain, Seema Rani (2015), An experimental study of fiber reinforced Geo-polymer concrete slab for continously increasing height of impact load.
12. Madheswaran C K, J K Dattatreya, P S Ambily & Karansingh P R, Investigation on
behavior of reinforced geopolymer concrete slab under repeated low velocity impact loading, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and
13. S. Nagan and R. Mohana, Behaviour of geopolymer ferrocement Slabs subjected to impact IJST, Transactions of Civil Engineering, Vol. 38, No. C1+, pp 223-233, 2014.
14. Dr. Abdulkader Ismail Al-Hadithi, Dr.Khalil Ibrahim Aziz and Mohammed Tarrad Nawar Al-Dulaim, Behavior of ferro-cement slabs modified by polymer under low velocity impact Advanced Materials Research Vol. 925 (2014) pp 3-7
15. T Kiran, Sadath Ali Khan Zai, Srikant Reddy S (2015), Impact test on Geopolymer Concrete Slabs.
16. Nguyễn Văn Chánh, trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2008), Bê tơng Geopolymer.
17. Nhóm nghiên cứu, trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2010), Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam.
18. Nhóm nghiên cứu, trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Vữa và bê tông sử dụng chất kết dính geopolymer vơ cơ.
19. Vũ Huyền Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo (2009), Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở, tuyển tập báo cáo hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 8 – đại học
Đà Nẵng.
20. TS Phan Đức Hùng, TS Lê Anh Tuấn, Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến tính chất co ngót của bê tơng geopolymer. Ảnh hưởng của mơi trường hoạt hóa và đk dưỡng hộ đến bê tông Geopolymer cường độ cao. Kiểm chứng ứng xử chịu uốn của dầm bê tông Geopolymer cốt thép sử dụng tro bay. Phân tích ảnh hưởng của thành phần dung dịch hoạt hóa đến cường độ của bê tông Geopolymer bằng phương pháp Taguchi. Ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tơng Gepolymer. Tính chất cơ học của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi Poly-propylene. Ảnh hưởng của sợi Micro Poly- propylene đến tính chất cơ lý của bê tơng Geopolymer.
21. HardjitoD,Wallah SE,Sumajouw MJ etal (2005) The stress–strain behaviour of fly ash-based geopolymer concrete. In: Developments in mechanics of structures and materials. A A Balkema Publishers, The Netherlands, pp831–834
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP GEOPOLYMER
RESEARCH OF BENDING RESISTANCE OF REINFORCED GEOPOLYMERS CONCRETE FLOOR
TRÀ CHÍ NHẤT – Học viên cao học, Khoa XD, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM PHAN ĐỨC HÙNG – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu khả năng chịu lực của sàn bê tông geopolymer sử dụng
tro bay và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết tính tốn và kết quả mơ phỏng bằng phần mềm Abapus. Kết quả phân tích cho thấy sàn bê tơng cốt thép sử dụng chất kết dính geopolymer có ứng xử chịu uốn tương tự với sàn bê tông xi măng truyền thống. Đề tài nghiên cứu xác định khả năng chịu uốn của sàn Geopolymer, ảnh hưởng của việc thay đổi điều kiện dưỡng hộ nhiệt cũng như kích thước cốt thép trong sàn đến khả năng chịu lực của cấu kiện; từ đó vẽ các biểu đồ ảnh hưởng và rút ra kết luận. Từ kết quả thí nghiệm các cấu kiện sàn cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực bao gồm chủng loại cốt thép là cốt thép gân hoặc cốt thép trơn , đường kính các loại cốt thép khác nhau từ Φ8 đến Φ 10 và Φ 12 đều ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn geopolymer. Kết quả này là phù hợp với các kết quả khác đã nghiên cứu ở những cấu kiện sử dụng bê tơng xi măng thơng thường. Qua đó cho thấy ứng xử của các cấu kiên sử dụng bê tông geopolymer là tương đồng với các cấu kiện thông thường.
Từ khóa: sàn bê tơng cốt thép Geopolymer, tro bay, geopolymer, …
Abstract: This thesis studies the bearing capacity of the concrete floor using fly ash
geopolymer and compare experimental results with theoretical calculations and simulation results by software Abapus. Results showed that the floor analysis of reinforced concrete using geopolymer binder with flexural behavior similar to floor traditional concrete. Research topics defined bending resistance of geopolymer floor, the effects of changing conditions steam curing as well as the size of the floor reinforcement to the bearing capacity of the structures; thereby drawing the chart impact and draw conclusions. From the experimental results the floor structures shows that the factors affecting the bearing capacity of reinforced categories include Ferro-Ferro or tendon is smooth, the diameter of the reinforced type different from Φ and Φ 10 to 12 Φ8 are affecting bending resistance of floor constructions of geopolymers. This result is consistent with other results investigated in the precast concrete using conventional cement. That shows the behavior of the structure consistently using geopolymers concrete is similar to the conventional constructions.
1. GIỚI THIỆU
Với phần lớn kết cấu chịu lực của các cơng trình xây dựng hiện nay đều là hệ bê tơng cốt thép tồn khối thì bê tơng đã trở thành là một trong những loại sản phẩm được sử dụng nhiều nhất trong ngành xây dựng.
Chất kết dính thơng thường để sản xuất bê tơng là cement Portland. Tuy nhiên, song hành cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất cement đã gây ra nhiều ảnh hưởng nặng nề đến môi trường tự nhiên và một số hệ lụy khác.
Ngành công nghiệp sản xuất cement đã đòi hỏi việc khai thác một trữ lượng lớn về ngun vật liệu; đó chính là các nguồn tài nguyên thiên thiên không thể tái tạo như đá vôi và đất sét, … Hiện tại, trữ lượng đá vơi đang ngày giảm một cách nhanh chóng cũng như việc khai thác đất sét đã làm tiêu tốn một trữ lượng đáng kể diện tích đất trồng cây lương thực.
Ngồi ra, cùng với q trình nung trong lị tạo “Clanh-ke” cho việc sản xuất cement thì cũng làm lãng phí rất nhiều nhiệt năng. Từ đó lại dẫn đến sự tổn hao cho các nguồn tài nguyên khác như than đá, dầu, điện, … và gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe con người vì khí thải CO2 trong ngành công nghiệp ngày càng tăng. Để sản xuất ra một tấn cement sẽ có 770 kg khí thải vào khơng khí sau những công đoạn nung nguyên liệu. Năng lượng để sản xuất cement chỉ đứng thứ ba sau sản xuất thép và nhơm.
Để góp phần hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất cement hay gạch nung truyền thống; đồng thời tận dụng
nguồn tro bay - loại phế phẩm của ngành cơng nghiệp nhiệt điện thì cơng nghệ Geopolymer đã và đang được nghiên cứu, áp dụng để thay thế Cement Portland - chất kết dính trong sản xuất bê tông thông thường. Sản phẩm của cơng nghệ này chính là bê tơng và vữa Geopolymer – đây là một trong những sản phẩm xanh, thân thiện với môi trường của ngành vật liệu xây dựng hiện nay. Bê tông Geopolymer đã được quan tâm, nghiên cứu và phát triển ngày càng nhiều vì những ưu điểm nổi bật như: khả năng chịu lực, khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt, cách âm, độ co ngót nhỏ hay khả năng gắn kết tốt với cốt thép trong bê tông, …
Công nghệ Geopolymer hiện nay đang được nghiên cứu đa dạng hơn khi áp dụng cho các cấu kiện khác nhau, điển hình như dầm
Geopolymer của M.V.Nataraja hay
Muthumani, … Đi cùng với xu hướng ấy, đề tài “Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tơng cốt thép Geopolymer” sẽ nghiên cứu tính ứng dụng của cơng nghệ này.
2. NGUN VẬT LIỆU VÀ
PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu
Nguyên vật liệu để chế tạo bản sàn bê tông Geopolymer bao gồm: Thép, tro bay, dung dịch NaOH và dung dịch Na2SiO3, cốt liệu lớn (Đá) và cốt liệu nhỏ (Cát).
2.1.1. Thép
Thép sử dụng trong đề tài là thép Việt Nhật với ba loại kích thước đường kính khác nhau là d8, d10 và d12 để thí nghiệm cho ba cấu kiện sàn bê tông cốt thép Geopolymer.
2.1.2 Tro bay
Tro bay (FA) loại F sử dụng trong thí nghiệm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện với thành phần hóa được trình bày trong Bảng 3.
Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay
Thàn h phần hố học SiO2 Al2O 3 Fe2O 3 Ca O Mg