Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến khả năng kháng nứt của bê tông tự lèn

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. HCM
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Tro Bay Đến Khả Năng Kháng Nứt Của Bê Tông Tự Lèn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH CO NGÓT TRONG BÊ TÔNG
• 2.1. Quy trình thiết kế
• 2.2. Nguyên liệu và thông số trên
• 2.3. Quy trình thi công
• 2.4. Điều kiện môi trường
• 2.5. Ảnh hưởng của tro bay
• 3. THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 3.1. Thiết kế thí nghiệm
• 3.2. Quy trình nhào trộn
• 3.3. Phương pháp đo co ngót
• 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Bê tông tự lèn (BTTL) là một loại vật liệu xây dựng tiên tiến, được phát triển để giải quyết các vấn đề về tính dễ thi công và khả năng chịu lực. Trong quá trình thi công, bê tông thường gặp phải hiện tượng co ngót, gây ra nứt và ảnh hưởng đến độ bền của công trình. Một trong những giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng kháng nứt của bê tông là sử dụng tro bay như một thành phần thay thế trong hỗn hợp bê tông. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của tro bay đến khả năng kháng nứt của bê tông tự lèn thông qua các thí nghiệm và phân tích hóa lý của vật liệu.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Trong những năm gần đây, việc sử dụng tro bay trong ngành xây dựng đã trở thành một xu hướng nổi bật. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro bay không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học của bê tông mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường bằng cách sử dụng chất thải từ quá trình sản xuất điện. Theo nghiên cứu của ASTM C1581, việc bổ sung tro bay với tỷ lệ thích hợp có thể làm giảm hiện tượng co ngót, từ đó nâng cao khả năng kháng nứt của bê tông. Các nghiên cứu trước đó đã chứng minh rằng việc sử dụng tro bay từ 15% đến 35% có thể tạo ra những cải tiến đáng kể trong khả năng chịu lực và độ bền của bê tông.

II. Tác động của tro bay đến khả năng kháng nứt

Việc sử dụng tro bay trong bê tông đã cho thấy những tác động tích cực đến khả năng kháng nứt của vật liệu. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tro bay được bổ sung vào trong hỗn hợp bê tông với tỷ lệ từ 25% đến 35%, khả năng kháng nứt của bê tông tự lèn được cải thiện rõ rệt. Các thí nghiệm cho thấy rằng bê tông chứa tro bay có độ co ngót thấp hơn so với bê tông truyền thống, nhờ vào khả năng hấp thụ nước và cải thiện cấu trúc vi mô của bê tông. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình xây dựng lớn, nơi mà sự ổn định và độ bền của bê tông là rất cần thiết.

2.1. Phân tích khả năng kháng nứt

Phân tích khả năng kháng nứt được thực hiện thông qua các thí nghiệm vòng kiềm chế theo tiêu chuẩn ASTM C1581. Kết quả cho thấy rằng bê tông tự lèn chứa tro bay có khả năng kháng nứt tốt hơn so với bê tông không có tro bay. Sự cải thiện này được giải thích bởi khả năng kết dính và cấu trúc vi mô của bê tông, giúp giảm thiểu sự hình thành các vết nứt trong quá trình đông cứng. Các số liệu thu được từ thí nghiệm cho thấy rằng bê tông với tỷ lệ tro bay từ 25% trở lên có khả năng chịu lực và độ bền cao hơn, đồng thời giảm thiểu tình trạng nứt trong suốt quá trình thi công.

III. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng tro bay là một giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng kháng nứt của bê tông tự lèn. Kết quả cho thấy rằng, với tỷ lệ tro bay từ 25% đến 35%, bê tông không chỉ giảm thiểu hiện tượng co ngót mà còn nâng cao độ bền và khả năng chịu lực. Do đó, khuyến nghị rằng các nhà thiết kế và kỹ sư nên xem xét việc sử dụng tro bay trong các dự án xây dựng để tối ưu hóa hiệu suất của bê tông và giảm thiểu tác động môi trường.

3.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để tiếp tục nâng cao hiểu biết về ảnh hưởng của tro bay, cần thực hiện thêm nhiều nghiên cứu về các loại vật liệu xây dựng khác nhau, cũng như các tỷ lệ thay thế khác nhau của tro bay trong bê tông. Việc nghiên cứu sâu hơn về các tác động lâu dài của tro bay đến tính chất cơ học và độ bền của bê tông sẽ giúp cải thiện các tiêu chuẩn thiết kế và thi công trong ngành xây dựng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng hiện đại, bê tông tự lèn (Self-Compacting Concrete - SCC) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng thi công thuận tiện và chất lượng công trình cao. Tuy nhiên, hiện tượng co ngót khô trong bê tông tự lèn vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ công trình. Theo báo cáo của ngành, tỷ lệ co ngót khô có thể gây ra các vết nứt trên bề mặt bê tông, làm giảm khả năng chịu lực và tăng nguy cơ thấm nước, ăn mòn cốt thép. Nghiên cứu này tập trung khảo sát ảnh hưởng của việc thay thế xi măng bằng tro bay và thời gian dưỡng ẩm đến khả năng kháng co ngót của bê tông tự lèn có cường độ thiết kế 60 MPa.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 8/2019 đến tháng 1/2020, sử dụng phương pháp thí nghiệm vòng kiềm chế theo tiêu chuẩn ASTM C1581 để đánh giá khả năng kháng co ngót. Mục tiêu chính là xác định tỷ lệ thay thế tro bay tối ưu (15%, 25%, 35%, 50%) và thời gian dưỡng ẩm (1, 3, 7 ngày) nhằm cải thiện tính kháng co ngót của SCC. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hỗn hợp bê tông tự lèn phù hợp, giảm thiểu nứt do co ngót, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về co ngót bê tông, bao gồm:

• Hiện tượng co ngót tỏa sinh: Do sự tiêu thụ nước trong quá trình thủy hóa xi măng, gây giảm thể tích bê tông.
• Co ngót khô: Xảy ra khi nước trong bê tông bốc hơi ra môi trường bên ngoài, tạo ra ứng suất kéo bên trong bê tông dẫn đến nứt.
• Phản ứng pozzolanic của tro bay: Tro bay chứa silica và alumina hoạt tính, phản ứng với canxi hydroxide sinh ra các sản phẩm hydrat giúp cải thiện cấu trúc bê tông, giảm co ngót và tăng cường độ.

Các khái niệm chính bao gồm: độ chảy (slump flow), thời gian chảy qua phễu V (V-funnel), thời gian chảy 500 mm (T500), ứng suất kéo phát triển trong vòng kiềm chế, và tỷ lệ thay thế tro bay.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu bê tông tự lèn được chế tạo với cường độ thiết kế 60 MPa, sử dụng tro bay thay thế xi măng với tỷ lệ 15%, 25%, 35% và 50%. Các mẫu được dưỡng ẩm trong các khoảng thời gian 1, 3 và 7 ngày. Thí nghiệm vòng kiềm chế được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C1581 nhằm đo ứng suất kéo phát triển và thời gian nứt của bê tông.

Cỡ mẫu gồm 5 nhóm hỗn hợp với các tỷ lệ tro bay khác nhau, mỗi nhóm có ít nhất 3 mẫu thử để đảm bảo tính đại diện. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên, phân tích số liệu sử dụng phần mềm thống kê để so sánh hiệu quả kháng co ngót giữa các nhóm. Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ chuẩn bị vật liệu, thi công mẫu, thí nghiệm đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến kháng co ngót: Mẫu bê tông với tỷ lệ tro bay thay thế xi măng từ 25% đến 35% cho thấy khả năng kháng co ngót cao nhất, giảm ứng suất kéo trung bình khoảng 15-25% so với mẫu đối chứng không sử dụng tro bay.

2. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng ẩm: Dưỡng ẩm ít nhất 3 ngày giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng co ngót, với ứng suất kéo giảm trung bình 20% so với dưỡng ẩm 1 ngày. Thời gian dưỡng ẩm 7 ngày không cho hiệu quả cải thiện đáng kể hơn so với 3 ngày.

3. Tính công tác của hỗn hợp: Các hỗn hợp SCC có độ chảy (slump flow) từ 650 đến 780 mm, thời gian T500 từ 2 đến 5 giây và thời gian chảy qua phễu V từ 6 đến 12 giây, đảm bảo tính công tác phù hợp cho thi công.

4. Ứng suất kéo phát triển theo thời gian: Ứng suất kéo tăng nhanh trong 7 ngày đầu, sau đó ổn định, phù hợp với mô hình lý thuyết về phát triển ứng suất do co ngót trong bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện kháng co ngót là do tro bay có tính pozzolanic, phản ứng với canxi hydroxide tạo thành các sản phẩm hydrat bền vững, làm giảm lỗ rỗng mao dẫn và tăng cường cấu trúc bê tông. Điều này làm giảm sự thoát hơi nước và ứng suất kéo phát sinh trong quá trình co ngót khô.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của một số nghiên cứu gần đây cho thấy tro bay thay thế xi măng trong khoảng 25-35% là tối ưu để giảm co ngót và tăng cường độ bê tông. Thời gian dưỡng ẩm tối thiểu 3 ngày cũng được khuyến nghị để đảm bảo quá trình thủy hóa diễn ra đầy đủ, giảm thiểu nứt do co ngót.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất kéo theo thời gian và bảng so sánh tỷ lệ co ngót giữa các nhóm mẫu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của tro bay và dưỡng ẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng tỷ lệ tro bay thay thế xi măng từ 25% đến 35% trong thiết kế hỗn hợp bê tông tự lèn nhằm tối ưu khả năng kháng co ngót, giảm thiểu nứt và tăng tuổi thọ công trình.

2. Thực hiện dưỡng ẩm tối thiểu 3 ngày sau khi đổ bê tông để đảm bảo quá trình thủy hóa hoàn chỉnh, nâng cao tính kháng co ngót và độ bền của bê tông.

3. Kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu công tác của hỗn hợp SCC như độ chảy, thời gian T500 và thời gian chảy qua phễu V để đảm bảo thi công thuận lợi và chất lượng bê tông đồng đều.

4. Áp dụng thí nghiệm vòng kiềm chế ASTM C1581 trong quá trình kiểm tra chất lượng bê tông tại công trường để đánh giá sớm khả năng kháng co ngót và điều chỉnh công thức hỗn hợp kịp thời.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 6 tháng đầu triển khai dự án xây dựng, do các chủ đầu tư, nhà thầu thi công và các đơn vị tư vấn thiết kế chịu trách nhiệm phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu bê tông: Nắm bắt các giải pháp giảm co ngót, tối ưu tỷ lệ tro bay và dưỡng ẩm để thiết kế hỗn hợp bê tông tự lèn phù hợp với yêu cầu công trình.

2. Nhà thầu thi công bê tông: Áp dụng các chỉ tiêu công tác và quy trình dưỡng ẩm hợp lý nhằm đảm bảo chất lượng thi công, giảm thiểu nứt do co ngót.

3. Chuyên gia kiểm định chất lượng vật liệu xây dựng: Sử dụng phương pháp thí nghiệm vòng kiềm chế ASTM C1581 để đánh giá khả năng kháng co ngót của bê tông tại hiện trường.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp phân tích ứng suất kéo trong bê tông tự lèn, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tro bay lại giúp giảm co ngót bê tông?
   Tro bay có tính pozzolanic, phản ứng với canxi hydroxide tạo thành các sản phẩm hydrat bền vững, làm giảm lỗ rỗng mao dẫn và tăng cường cấu trúc bê tông, từ đó giảm sự thoát hơi nước và ứng suất kéo phát sinh.

2. Thời gian dưỡng ẩm tối ưu cho bê tông tự lèn là bao lâu?
   Dưỡng ẩm ít nhất 3 ngày được khuyến nghị để đảm bảo quá trình thủy hóa diễn ra đầy đủ, giúp cải thiện khả năng kháng co ngót và tăng cường độ bê tông.

3. Phương pháp thí nghiệm vòng kiềm chế ASTM C1581 có ưu điểm gì?
   Phương pháp này cho phép đánh giá sớm khả năng phát triển ứng suất kéo do co ngót trong bê tông, giúp dự đoán nguy cơ nứt và điều chỉnh công thức hỗn hợp kịp thời.

4. Tỷ lệ tro bay thay thế xi măng tối ưu là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ từ 25% đến 35% là tối ưu để cải thiện khả năng kháng co ngót mà vẫn đảm bảo tính công tác và cường độ bê tông.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại bê tông khác không?
   Kết quả chủ yếu áp dụng cho bê tông tự lèn cường độ cao (60 MPa), tuy nhiên nguyên lý về tác động của tro bay và dưỡng ẩm có thể tham khảo cho các loại bê tông khác với điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

• Tro bay thay thế xi măng từ 25% đến 35% giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng co ngót của bê tông tự lèn.
• Dưỡng ẩm tối thiểu 3 ngày là cần thiết để đảm bảo quá trình thủy hóa và giảm nứt do co ngót.
• Các chỉ tiêu công tác của hỗn hợp SCC được duy trì trong phạm vi phù hợp cho thi công.
• Phương pháp thí nghiệm vòng kiềm chế ASTM C1581 là công cụ hiệu quả để đánh giá khả năng kháng co ngót.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng thiết kế và thi công bê tông tự lèn, giảm thiểu rủi ro nứt, tăng tuổi thọ công trình.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế hỗn hợp bê tông tại các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của các phụ gia khác và điều kiện môi trường đến co ngót bê tông.

Call to action: Các đơn vị thiết kế và thi công bê tông tự lèn nên tích hợp các giải pháp nghiên cứu này để nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu chi phí bảo trì trong tương lai.