Luận án tiến sĩ: Đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay và ứng dụng cho kết cấu cầu hầm

• Tác giả: Trần Việt Hưng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đào Văn Đông
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Tính Cơ Lý Bê Tông Geopolymer Tro Bay Và Ứng Dụng Trong Kết Cấu Cầu Hầm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
• 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
• 1.1. Bê tông xi măng
• 1.2. Sự phát triển của xi măng và bê tông
• 1.3. Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng
• 1.4. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới
• 1.5. Nguồn gốc tên gọi
• 1.6. Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer
• 1.7. Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer
• 1.8. Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa
• 1.9. Dung dịch kiềm kích hoạt
• 1.10. Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer
• 1.11. Nguyên liệu alumino-silicat
• 1.12. Sản lượng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.13. Geopolymer tro bay
• 1.14. Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới
• 1.15. Khái niệm cơ bản về bê tông geopolymer tro bay
• 1.16. Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay
• 1.17. Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp
• 1.18. Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS)
• 1.19. Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA)
• 1.20. Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit
• 1.21. Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay
• 1.22. Công tác trộn, đổ khuôn và đầm nén
• 1.23. Công tác bảo dưỡng
• 1.24. Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay
• 1.25. Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi
• 1.26. Mô đun đàn hồi
• 1.27. Hệ số Poison
• 1.28. Cường độ kéo gián tiếp
• 1.29. Sự phát triển của cường độ nén theo thời gian
• 1.30. Co ngót và từ biến
• 1.31. Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR)
• 1.32. Tính ổn định nhiệt
• 1.33. Các lợi ích về kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer
• 1.34. Lợi ích về kinh tế
• 1.35. Lợi ích về môi trường
• 1.36. Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer
• 1.37. Tiêu chuẩn tính toán thiết kế dành cho bê tông Geopolymer
• 1.38. Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay
• 1.39. Những hạn chế của việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay
• 1.40. Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam
• 1.41. Những yêu cầu nghiên cứu đặt ra cho luận án
• 1.42. Kết luận Chương 1
• 2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
• 2.1. Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay
• 2.2. Các tính chất của vật liệu được sử dụng
• 2.3. Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tro bay
• 2.4. Tro bay sử dụng trong thí nghiệm
• 2.5. Dung dịch kiềm kích hoạt
• 2.6. Dung dịch Natri Hydroxyt
• 2.7. Dung dịch Natri Silicat
• 2.8. Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt
• 2.9. Cốt liệu lớn
• 2.10. Cốt liệu nhỏ
• 2.11. Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay
• 2.12. Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay
• 2.13. Bảo dưỡng mẫu
• 2.14. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay
• 2.15. Lựa chọn hàm mục tiêu
• 2.16. Xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ GPC
• 2.17. Xác định lượng cốt liệu thô và cốt liệu mịn
• 2.18. Xác định khối lượng của tro bay (FA) và dung dịch kiềm kích hoạt (AAS)
• 2.19. Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu
• 2.20. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 2.21. Phân tích hồi quy - phương sai
• 2.22. Đồ thị bề mặt chỉ tiêu
• 2.23. Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay
• 2.24. Thí nghiệm kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC thiết kế
• 2.25. Sơ bộ tính toán giá thành của bê tông geopolymer tro bay đã thiết kế
• 2.26. Kết luận Chương 2
• 3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
• 3.1. Mục đích nghiên cứu
• 3.2. Kế hoạch thí nghiệm
• 3.3. Xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn
• 3.4. Chuẩn bị mẫu và tiến hành thí nghiệm
• 3.5. Mô đun đàn hồi của GPC
• 3.6. Cường độ kéo uốn
• 3.7. Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép
• 3.8. Mục đích thí nghiệm
• 3.9. Phương pháp và mẫu thí nghiệm
• 3.10. Trình tự thí nghiệm
• 3.11. Kết quả thí nghiệm
• 3.12. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm
• 3.13. Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC
• 3.14. Mục đích thí nghiệm
• 3.15. Phương pháp và mẫu thí nghiệm
• 3.16. Kết quả thí nghiệm
• 3.17. Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén của dầm bê tông geopolymer chịu uốn
• 3.18. Lý thuyết của Sargin, Hognestad và Popovics về thiết lập mô hình ứng suất - biến dạng khi nén
• 3.19. Xây dựng mô hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer trên cơ sở kết quả thí nghiệm
• 3.20. Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC
• 3.21. Mục đích thí nghiệm
• 3.22. Phương pháp và mẫu thí nghiệm
• 3.23. Kết quả thí nghiệm
• 3.24. Nhận xét kết quả
• 3.25. Kết luận Chương 3
• 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP
• 4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu
• 4.2. Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm
• 4.3. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm
• 4.4. Hỗn hợp cấp phối
• 4.5. Thiết kế và sản xuất các mẫu dầm thí nghiệm
• 4.6. Quá trình thí nghiệm
• 4.7. Kết quả thí nghiệm
• 4.8. Quan hệ tải trọng - độ võng
• 4.9. Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm
• 4.10. Nhận xét kết quả thí nghiệm
• 4.11. Biến dạng của cốt thép chịu kéo và bê tông mặt trên của dầm
• 4.12. Xác định tải trọng - độ võng tại các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm
• 4.13. Mô hình hóa dầm thí nghiệm bằng phần mềm ABAQUS
• 4.14. Chia phần tử
• 4.15. Phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông Geopolymer tro bay
• 4.16. Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt
• 4.17. Trạng thái làm việc
• 4.18. Momen gây nứt
• 4.19. Giai đoạn II - Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai đoạn đàn hồi
• 4.20. Trạng thái làm việc
• 4.21. Momen chảy dẻo cốt thép của mặt cắt
• 4.22. Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm ở trạng thái giới hạn về cường độ
• 4.23. Trạng thái làm việc
• 4.24. Đề xuất giá trị biến dạng cực đại ɛcu của bê tông vùng nén trên dầm
• 4.25. Xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật của mặt cắt dầm RGPC
• 4.26. Tính toán hệ số khối ứng suất chữ nhật cho mặt cắt dầm RGPC
• 4.27. So sánh với các đề xuất biến dạng nén lớn nhất của bê tông xi măng
• 4.28. Momen cực hạn của mặt cắt dầm RGPC
• 4.29. Độ võng của dầm theo các giai đoạn chịu lực
• 4.30. Tính dẻo của dầm
• 4.31. Dạng phá hoại trên dầm
• 4.32. Nhận xét về thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép
• 4.33. Nguyên tắc tính toán thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp bê tông G_40
• 4.34. Phân tích ứng xử của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép ở trạng thái giới hạn cường độ
• 4.35. Tiêu chuẩn sử dụng
• 4.36. Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông Geopolymer tro bay
• 4.37. Các thông số của dầm cầu tính toán
• 4.38. Kết cấu nhịp
• 4.39. Lựa chọn mặt cắt ngang dầm
• 4.40. Bố trí cốt thép
• 4.41. Đặc trưng hình học của mặt cắt
• 4.42. Tính nội lực dầm
• 4.43. Nội dung tính duyệt dầm
• 4.44. Sức kháng uốn
• 4.45. Kiểm tra độ võng
• 4.46. Kết quả tính duyệt
• 4.47. Kết luận Chương 4
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông geopolymer tro bay

Bê tông geopolymer tro bay là một loại vật liệu xây dựng mới, được phát triển nhằm thay thế cho bê tông truyền thống. Bê tông geopolymer sử dụng tro bay như một thành phần chính, kết hợp với dung dịch kiềm để tạo ra một chất kết dính mạnh mẽ. Việc sử dụng tro bay không chỉ giúp giảm thiểu lượng xi măng cần thiết mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tái sử dụng chất thải từ các nhà máy nhiệt điện. Nghiên cứu cho thấy, bê tông geopolymer có khả năng chịu lực tốt, độ bền cao và khả năng chống lại các tác động hóa học. Theo một nghiên cứu, cường độ nén của bê tông geopolymer có thể đạt đến 50 MPa, cao hơn so với nhiều loại bê tông truyền thống. Điều này mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đặc biệt là trong kết cấu cầu hầm.

1.1. Đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer

Đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer được xác định qua nhiều yếu tố như tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS) và tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các tỷ lệ này có thể nâng cao đáng kể cường độ và độ bền của bê tông geopolymer. Hơn nữa, bê tông geopolymer còn có khả năng chống co ngót và từ biến tốt hơn so với bê tông truyền thống. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các công trình cầu hầm, nơi mà sự ổn định và độ bền lâu dài là rất cần thiết.

II. Ứng dụng bê tông geopolymer trong kết cấu cầu hầm

Việc ứng dụng bê tông geopolymer trong kết cấu cầu hầm mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Đầu tiên, bê tông geopolymer có khả năng chịu lực tốt, giúp tăng cường độ bền cho các kết cấu cầu hầm. Thứ hai, nhờ vào tính chất thân thiện với môi trường, việc sử dụng tro bay trong sản xuất bê tông geopolymer giúp giảm thiểu lượng khí CO2 phát thải trong quá trình sản xuất. Theo một nghiên cứu, việc sử dụng bê tông geopolymer có thể giảm đến 80% lượng khí thải CO2 so với bê tông truyền thống. Hơn nữa, bê tông geopolymer còn có khả năng chống lại các tác động hóa học, giúp tăng tuổi thọ cho các công trình cầu hầm.

2.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Sử dụng bê tông geopolymer không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa kinh tế lớn. Chi phí sản xuất bê tông geopolymer thường thấp hơn so với bê tông truyền thống do giảm thiểu việc sử dụng xi măng. Hơn nữa, việc tái sử dụng tro bay giúp giảm chi phí xử lý chất thải. Theo một báo cáo, chi phí cho 1m3 bê tông geopolymer có thể thấp hơn từ 10-20% so với bê tông xi măng thông thường. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí cho các nhà thầu mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tạo ra một giải pháp bền vững cho ngành xây dựng.