Luận án tiến sĩ evaluation of the cementing efficiency factor of lowcalcium fly ash for strength development and chloridepenetration resistance of concretes

Luận án tiến sĩ nghiên cứu evaluation of the cementing efficiency factor of lowcalcium fly ash for strength development and, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

Trường đại học

Hiroshima University

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2021

108
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Đặt vấn đề

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của xi măng từ tro bay canxi thấp trong việc phát triển cường độ bê tông và khả năng chống thấm clorua. Tro bay là sản phẩm phụ chính từ các nhà máy điện than, được sử dụng rộng rãi nhờ vào những lợi ích kinh tế và môi trường. Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay không chỉ giúp giảm chi phí xây dựng mà còn cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ mối quan hệ giữa tro bay và các tính chất của bê tông, đặc biệt là trong việc phát triển cường độ và khả năng chống thấm clorua.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của loại xi măng và tỷ lệ nước trên chất kết dính (W/B) đến hiệu quả của tro bay canxi thấp trong việc phát triển cường độ của bê tông. Nghiên cứu sẽ thực hiện các thí nghiệm để xác định k-value của tro bay trong việc phát triển cường độ và khả năng chống thấm clorua của bê tông. Kết quả sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế hỗn hợp bê tông có chứa tro bay như một vật liệu kết dính bổ sung.

II. Tài liệu tham khảo

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu trước đây liên quan đến tro bay và hiệu quả của nó trong bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro bay có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Đặc biệt, tro bay canxi thấp đã được chứng minh là có khả năng cải thiện khả năng chống thấm clorua, một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo độ bền lâu dài của bê tông. Việc hiểu rõ các tính chất của tro bay và cách nó tương tác với xi măng là rất cần thiết để phát triển các giải pháp bền vững cho ngành xây dựng.

2.1 Tính chất của tro bay

Tro bay được biết đến như một vật liệu pozzolanic, có khả năng phản ứng với xi măng để tạo ra các sản phẩm có tính chất kết dính. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro bay canxi thấp có thể cải thiện tính chất cơ học của bê tông thông qua việc tăng cường độ bền nén và khả năng chống thấm. Việc sử dụng tro bay không chỉ giúp giảm lượng xi măng cần thiết mà còn góp phần giảm thiểu khí thải CO2 từ quá trình sản xuất xi măng.

III. Phương pháp thí nghiệm

Chương này mô tả chi tiết về phương pháp thí nghiệm được sử dụng để đánh giá hiệu quả của tro bay canxi thấp trong bê tông. Các mẫu bê tông được chuẩn bị với tỷ lệ thay thế tro bay từ 20% đến 40% so với xi măng. Các thí nghiệm được thực hiện để đo lường cường độ nén và khả năng chống thấm clorua. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả của tro bay trong việc cải thiện các tính chất của bê tông.

3.1 Thí nghiệm cường độ nén

Thí nghiệm cường độ nén được thực hiện để đánh giá sự phát triển cường độ của các mẫu bê tông chứa tro bay. Kết quả cho thấy rằng việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể dẫn đến sự gia tăng cường độ nén, đặc biệt là ở các mẫu có tỷ lệ thay thế thấp. Điều này cho thấy rằng tro bay không chỉ là một vật liệu thay thế mà còn có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng tro bay canxi thấp có thể cải thiện đáng kể khả năng chống thấm clorua của bê tông. Các mẫu bê tông với tỷ lệ thay thế tro bay cao cho thấy khả năng chống thấm tốt hơn so với các mẫu bê tông thông thường. Điều này có thể được giải thích bởi sự cải thiện trong cấu trúc lỗ rỗng của bê tông, dẫn đến việc giảm thiểu sự thẩm thấu của ion clorua. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng có mối liên hệ tích cực giữa k-value của tro bay và khả năng chống thấm clorua.

4.1 Mối quan hệ giữa k value và khả năng chống thấm

Phân tích cho thấy rằng k-value của tro bay có thể được sử dụng như một chỉ số để dự đoán khả năng chống thấm clorua của bê tông. Kết quả cho thấy rằng tro bay không chỉ cải thiện cường độ mà còn có tác động tích cực đến độ bền của bê tông trong môi trường có ion clorua. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng tro bay trong các ứng dụng xây dựng bền vững.

V. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro bay canxi thấp trong bê tông không chỉ giúp giảm chi phí mà còn cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Kết quả cho thấy rằng tro bay có thể được sử dụng như một vật liệu kết dính bổ sung hiệu quả, góp phần vào việc phát triển các giải pháp xây dựng bền vững. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng tro bay trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc phát triển các loại bê tông có khả năng chống thấm clorua tốt.

5.1 Đề xuất cho nghiên cứu tương lai

Cần có thêm các nghiên cứu để đánh giá sâu hơn về ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất khác của bê tông, cũng như khả năng ứng dụng của nó trong các điều kiện môi trường khác nhau. Việc nghiên cứu thêm về mối quan hệ giữa k-value và các yếu tố khác trong bê tông sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng tro bay trong xây dựng.

06/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

EVALUATION OF THE CEMENTING EFFICIENCY FACTOR OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR STRENGTH DEVELOPMENT AND CHLORIDE-PENETRATION RESISTANCE OF CONCRETES (コンクリートの強度発現性および塩分浸透抵抗性に関するフライアッ シュのセメント有効係数の評価) March 2021 Huynh Tan Phat EVALUATION OF THE CEMENTING EFFICIENCY FACTOR OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR STRENGTH DEVELOPMENT AND CHLORIDE-PENETRATION RESISTANCE OF CONCRETES (コンクリートの強度発現性および塩分浸透抵抗性に関するフライアッ シュのセメント有効係数の評価) Huynh Tan Phat A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF ENGINEERING DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING HIROSHIMA UNIVERSITY March 2021 ABSTRACT Fly ash which is a principal by-product of coal-fired power plants is used enormously due to its economic, environmental, and technical advantages. Besides the mitigation of the CO2 emission, the use of fly ash to replace a part of cement in concrete leads to (1) a reduction in the construction cost, (2) an increase of the workability of fresh concretes, (3) improvement of the mechanical and durability properties of concretes, and so on. Fly ash is known as a pozzolanic material, which possesses a little or no cementitious value. When fly ash is used to replace part of the cement in the concrete, its cementing efficiency factor (k-value) that indicates its contribution to the mechanical and durability properties of concretes has been investigated by several studies.

The quantity of the fly ash in concrete can be multiplied by the k-value to estimate the equivalent cement content, which can be added to the existing cement content for the determination of the water-to-cement ratio in the mixture. This leads to the more effective design of concrete mixture proportion that contains the fly ash as a supplementary cementitious material. Most of the proposed methods for determining the k-value of fly ash are for the compressive strength of concretes due to the simplicity and reliability of compression tests. Only a few studies have evaluated the k-value of fly ash for the durability of concretes, especially for the chloride-penetration resistances.

Additionally, the effects of cement type and water-to-binder (W/B) ratio on the k-value of fly ash for strength development of concretes have not been evaluated in a chemical approach yet. There is a lack of research evaluating the effect of fly ash reaction degree on its k-value, and the correlation between the k-value of fly ash for strength development and that for chloride-penetration resistance of concretes has not been discussed in previous studies. Therefore, the three objectives of this research are the following: (1) evaluation of the effect of cement type and W/B ratio on the k-value of fly ash for the concrete-strength development for a long period, (2) investigation in a simple approach the k-value of fly ash for the chloride-penetration resistance of concretes using the chloride- i penetration depth as a concrete-durability property (3) experimental evaluation of the effect of fly ash reactions on its k-value for the concrete-strength development and chloride-penetration resistance of concretes. In addition to these, the correlation between the k-value of fly ash for the strength and durability of the concrete is obtained.

The discussion on these evaluations would be shown by using the results of chemical analysis and/or pore structure analysis. To deal with these problems, this thesis is organized as follow: Chapter 1 provides the background and motivation of this study. Chapter 2 presents a brief review on fly ash and its k-value for the concrete-strength development and chloride-penetration resistance of concretes. Chapter 3 describes the experimental program consisting of materials and mixture proportions, the mixing, casting, and curing condition for the paste and concrete specimens.

The test procedures were conducted to evaluate the k-value of fly ash. This study uses a low- calcium fly ash which is one of the most popular fly ashes in Japan. Control concrete samples with W/B ratios of 0.60 by mass were prepared to experimentally evaluate the k-value of fly ash. Cement was partially replaced with fly ash at ratios of 20% to 40% by mass for the paste and concrete specimens with a W/B ratio of 0.

To evaluate the k-value of fly ash for the strength development of concretes, two types of cement, namely, ordinary Portland cement (OPC) and high-early-strength Portland cement (HSPC) were used for making paste and concrete specimens. In addition, a W/B ratio of 0.30 was further used for making OPC specimens to investigate effect of W/B ratio on the k-value of fly ash for the concrete- strength development. For evaluation of the k-value of fly ash for the chloride-penetration resistance of concretes, only the OPC and two fly ash replacement ratios of 20% (F20) and 40% (F40) by mass for the paste and concrete specimens with a W/B ratio of 0. A sodium chloride solution (10% NaCl) was used for the immersion test.

ii Chapter 4 investigates the effects of cement type and W/B ratio on the k-value of low- calcium fly ash for the concrete-strength development by (1) examining the degree of fly ash reaction in pastes and analyzing hydration product using the X-ray diffraction analysis, (2) evaluating the Portlandite (CH) content in pastes as well as calculating the CH consumption by the pozzolanic reaction of fly ash, and (3) determining the compressive strength of concretes. The obtained results indicate that the cement type strongly affects the k-value of fly ash for concrete-strength development because of the significant difference in the Blaine fineness between cement and fly ash as well as the difference in the relationships between cement-to- water ratio and compressive strength of the control concretes. With the presence of calcite (approximate 4% by mass) in the OPC, the stabilization of monocarbonate indirectly resulting in the stabilization of ettringite led to a more significant increase in the compressive strength of OPC concrete containing fly ash despite a low degree of fly ash reaction in OPC paste compared with HSPC paste. For OPC concrete, a lower W/B ratio has a higher k-value at the early ages mainly because of cement-hydration-enhancement effect of fly ash, and all k-values increased significantly after 28 days due to the pozzolanic reaction of fly ash.

Further, a modified equation of the CH consumption taking the cement-hydration-enhancement effect into account was firstly proposed to evaluate precisely the CH consumption in fly-ash cement paste. This result is consistent well with the result of the degree of fly ash reaction, especially for OPC paste with a low W/B ratio of 0. Chapter 5 aims at simply evaluating the k-value of low-calcium fly ash for the chloride- penetration resistance of concretes using the chloride-penetration depth (xd). The chloride concentration profile and the xd are examined, whereas the k-value of fly ash for the chloride- penetration resistance of concretes is evaluated by using the apparent diffusion coefficient (Dapp) of chloride ion as well as the xd.

Additionally, the results of pore size distribution in pastes are presented in this chapter. Results indicate that xd could be used as a concrete- iii durability property to obtain the k-value of fly ash in a simple approach compared to the Dapp. The k-values of fly ash based on the xd of the concrete after the immersion periods of 13, 26, and 39 weeks ranged from 2.69 for F20 and F40 samples, respectively. The replacement of 40% or less cement by fly ash in the concretes with a W/B ratio of 0.50 yielded chloride-penetration resistance that is as good as that of plain cement concrete with a W/B ratio of 0.30 after 39 weeks of exposure to a 10% NaCl solution with regard to the chloride-diffusion coefficient.

In addition, the results of pore size distribution in pastes indicated that the refinement effect of the fly ash reaction related to the significant reduction of the volume of pore in the diameter range of 0.33 µm could improve the chloride-penetration resistance of concretes. Chapter 6 discusses (1) the relationship between the k-value of fly ash for concrete- strength development and the degree of fly ash reaction, (2) the effect of the degree of fly ash reaction on the k-value for the chloride-penetration resistance of concretes, and (3) the difference between the k-value for the compressive strength and that for the chloride- penetration resistance. Briefly, the k-value of fly ash for the strength development of concretes increased linearly with an increase in the degree of fly ash reaction regardless of cement type and W/B ratio. Also, the k-value of fly ash based on the xd of concretes increased linearly with the increment in the degree of fly ash reaction subsequent to the start of immersion.

For OPC concretes with a W/B ratio of 0.50, the k-value of fly ash for the chloride-penetration resistance of the concrete was approximately 2.5 higher than that for the concrete-strength development at each corresponding time. Chapter 7 summaries the conclusions of this study. Recommendations for the future research are suggested as well. iv ACKNOWLEDGEMENTS First of all, I would like to express my great gratitude to my supervisor, Prof.

Kenji Kawai for giving me the continuous support and valuable guidance throughout this study. This dissertation would not have been completed without the great help, trust and patience of my supervisor. I would also like to gratefully acknowledge my co-supervisors, Prof. Kenichiro Nakarai, Prof.

Toshirou Hata, and Prof. Takaaki Ookubo for their kind assistance and supervision. I am particularly grateful to Prof. Ryoichi Sato, Dr.

Bui Phuong Trinh, Asst. Riya Catherine George, Assoc. Naser Khaji, Ms. Yoko Kuromura, Ms.

Mihoko Hayashi, my tutor (Mr. Kitagawa), my teammates (Mr. Insako, and Mr. Okamoto), the laboratory technicians (Mr.

Matsuyama and Mr. Kyoizumi), and other students of the Structural Materials and Concrete Structures Laboratory of Hiroshima University for their kind support and assistance with the experimental campaign. This research would have been impossible without the great guidance, supervision, and direct support of Asst. I would like to thank the Japanese Government (Monbukagakusho: MEXT) Scholarship Student for the funding support during my doctoral course.

Additionally, I am grateful to Hiroshima University and Ho Chi Minh City University of Technology (in Vietnam) for giving me the opportunity of this course. Finally, I sincerely thank my parents, my wife Doan Nhu Quynh, my son Huynh Nam, my sisters, and all of my family members for their love, great support, and patience during my study. Also, I would like to express my deep gratitude to my teachers, Dr. Kim Huy Hoang and senior lecturer Duong Thi Bich Huyen, for giving me the nonstop encouragement and trust.

v CONTENTS ABSTRACT i ACKNOWLEDGEMENTS v CONTENTS vi LIST OF FIGURES x LIST OF TABLES xiii CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 AIMS OF THE RESEARCH 3 1.3 SCOPE OF THE RESEARCH 4 1.4 THESIS OUTLINE 5 References in chapter 1 7 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEWS 2.1 Fly ash properties 11 2.2 Properties of fly-ash concrete 17 2.2 CEMENTING EFFICIENCY FACTOR (K-VALUE) 22 2.1 K-value of fly ash for the strength development of concretes 22 2.2 K-value of fly ash for the chloride-penetration resistance of concretes 24 2.3 SUMMARY 25 References in chapter 2 26 vi CHAPTER 3: EXPERIMENTAL PROGRAM 3.3 MIXING, CASTING AND CURING 38 3.1 Compressive strength of concretes 38 3.2 Immersion test for concrete specimens 38 3.3 Degree of fly ash reaction in pastes 40 3.4 X-ray diffraction (XRD) analysis 42 3.5 Portlandite (CH) content in pastes 42 3.6 Pore size distribution of pastes 43 3.5 SUMMARY 44 References in chapter 3 44 CHAPTER 4: EFFECTS OF CEMENT TYPE AND WATER-TO-BINDER RATIO ON THE K-VALUE OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR THE STRENGTH DEVELOPMENT OF CONCRETES 4.1 RESULTS OF DEGREE OF FLY ASH REACTION IN PASTES AND X-RAY DIFFRACTION ANALYSIS 47 vii 4.1 Results of degree of fly ash reaction in pastes 47 4.2 Results of XRD analysis 48 4.2 CH CONTENT AND EVALUATION OF CH CONSUMPTION IN PASTES 50 4.1 CH content in pastes 50 4.2 Evaluation of CH consumption in pastes 52 4.3 COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETES AND EVALUATION OF K-VALUE OF FLY ASH FOR CONCRETE-STRENGTH DEVELOPMENT 55 4.1 Compressive strength of concretes 55 4.2 Evaluation of k-value of fly ash for the strength development of concretes 57 4.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Đánh giá hiệu quả xi măng của tro bay canxi thấp trong phát triển cường độ và chống thấm clorua của bê tông" cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc sử dụng tro bay canxi thấp như một phụ gia trong bê tông, nhằm cải thiện cường độ và khả năng chống thấm clorua. Nghiên cứu này không chỉ chỉ ra những lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường trong xây dựng. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách tối ưu hóa tính năng của bê tông, từ đó nâng cao chất lượng công trình.

Nếu bạn muốn mở rộng kiến thức về các ứng dụng trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng, hãy tham khảo bài viết "Luận văn thạc sĩ chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu lựa chọn thông số thiết kế cọc đất xi măng xử lý nền đường ở sóc trăng trà vinh ứng dụng cho đường vào cầu c16 khu kinh tế định an". Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về thiết kế cọc đất xi măng trong các công trình hạ tầng.

Ngoài ra, bạn cũng có thể tìm hiểu thêm về "Luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất gia cố nền công trình xây dựng trên địa bàn thành phố hội an quảng nam", nơi bạn sẽ khám phá thêm về ứng dụng của cọc xi măng trong các công trình thủy.

Cuối cùng, bài viết "Luận văn thạc sĩ chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu giải pháp móng cọc cho công trình thấp tầng trên địa bàn thành phố sóc trăng" sẽ cung cấp cho bạn những giải pháp thiết thực cho việc thiết kế móng cọc trong các công trình thấp tầng. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các phương pháp và kỹ thuật trong xây dựng hiện đại.