Nghiên cứu ứng xử chịu uốn dầm bán lắp ghép bê tông geopolymer và bê tông xi măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép. So sánh hiệu quả giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng.

• Tác giả: Trần Lê Khải
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm bán lắp ghép dùng 2 loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu dầm bán lắp ghép chịu uốn

Dầm bán lắp ghép là giải pháp kết cấu tiên tiến trong xây dựng hiện đại. Kết cấu này kết hợp ưu điểm của bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ. Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép sử dụng hai loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng đang thu hút sự quan tâm lớn. Bê tông geopolymer là vật liệu thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2 đáng kể so với bê tông xi măng truyền thống. Nghiên cứu này đánh giá khả năng chịu tải, biến dạng và cơ chế phá hoại của cấu kiện dầm. Kết quả thí nghiệm cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng bê tông geopolymer trong xây dựng kết cấu bê tông cốt thép.

1.1. Định nghĩa dầm bán lắp ghép trong xây dựng

Dầm bán lắp ghép là loại kết cấu bao gồm hai phần: phần dưới đúc sẵn và phần trên đổ tại chỗ. Phần đúc sẵn được sản xuất tại nhà máy với chất lượng kiểm soát chặt chẽ. Phần đổ tại chỗ tạo sự liên kết liền khối với sàn và cột. Kiểu kết cấu này giúp giảm thời gian thi công, tiết kiệm cốp pha và đảm bảo chất lượng công trình.Ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công nghiệp và dân dụng.

1.2. Vai trò của bê tông geopolymer trong nghiên cứu

Bê tông geopolymer sử dụng nguồn liệu phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao. Quá trình trùng hợp kiềm tạo ra vật liệu có cường độ cao và độ bền tốt. So với bê tông xi măng, geopolymer giảm 80% phát thải CO2. Nghiên cứu ứng dụng geopolymer trong dầm bán lắp ghép mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành xây dựng. Vật liệu này có tiềm năng thay thế bê tông xi măng truyền thống.

II. Phân tích đặc tính vật liệu bê tông geopolymer và xi măng

Bê tông geopolymer và bê tông xi măng có những khác biệt cơ bản về thành phần và tính chất cơ học. Bê tông xi măng sử dụng xi măng Portland làm chất kết dính chính. Bê tông geopolymer dùng hệ thống kích hoạt kiềm với nguồn liệu chứa silic và nhôm. Nghiên cứu cho thấy bê tông geopolymer đạt cường độ chịu nén tương đương hoặc vượt trội bê tông xi măng cùng cấp độ bền. Mô-đun đàn hồi của hai loại vật liệu có sự khác biệt đáng kể. Đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm bán lắp ghép. Phân tích so sánh giúp đánh giá ưu nhược điểm của từng loại vật liệu trong ứng dụng thực tế.

2.1. Tính chất cơ học của bê tông geopolymer

Bê tông geopolymer có cường độ chịu nén phát triển nhanh trong giai đoạn đầu. Sau 28 ngày, cường độ đạt giá trị thiết kế tương đương bê tông xi măng C30-C50. Mô-đun đàn hồi của geopolymer thường thấp hơn 10-15% so với bê tông xi măng cùng cấp. Biến dạng co ngót của geopolymer nhỏ hơn đáng kể, giúp giảm nguy cơ nứt kết cấu trong quá trình sử dụng.

2.2. So sánh ứng xử chịu nứt của hai loại bê tông

Bê tông geopolymer thể hiện khả năng chịu nứt tốt hơn bê tông xi măng trong điều kiện tải trọng tĩnh. Vết nứt đầu tiên xuất hiện ở tải trọng tương đương nhưng phát triển chậm hơn ở geopolymer. Chiều rộng vết nứt giới hạn của geopolymer nhỏ hơn 15-20% so với bê tông xi măng. Đặc tính này cải thiện độ bền và tuổi thọ của cấu kiện dầm bán lắp ghép trong môi trường khắc nghiệt.

III. Phương pháp thí nghiệm và mô phỏng dầm bán lắp ghép

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp thí nghiệm thực tế và mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS. Mẫu thí nghiệm gồm 3 dầm bán lắp ghép với kích thước và cốt thép giống nhau. Hai mẫu sử dụng bê tông geopolymer cho phần đúc sẵn và đổ tại chỗ. Một mẫu dùng bê tông xi măng để so sánh đối chứng. Thí nghiệm tải trọng tĩnh bốn điểm được thực hiện để đánh giá ứng xử chịu uốn. Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS sử dụng mô hình phá hoại dẻo (CDP). Cốt thép được mô phỏng bằng mô hình đàn hồi - dẻo với hệ số cứng hóa. Kết quả mô phỏng số phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm thực tế.

3.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm dầm bán lắp ghép

Mẫu dầm có kích thước tiết diện 150x300mm, khẩu độ tính 3000mm. Phần đúc sẵn chiếm 2/3 chiều cao tiết diện. Cốt thép dọc chịu kéo gồm 3φ18, cốt thép đai φ8@150mm. Bề mặt tiếp xúc giữa hai phần được xử lý tạo nhám để đảm bảo liên kết. Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn 28 ngày trước khi thí nghiệm.

3.2. Mô hình vật liệu trong phần mềm ABAQUS

Mô hình CDP mô tả ứng xử phi tuyến của bê tông chịu nén và chịu kéo. Thông số đầu vào bao gồm mô-đun đàn hồi, hệ số Poisson, cường độ chịu nén và kéo. Mô hình thép sử dụng quan hệ ứng suất-biến dạng đàn hồi-dẻo với hệ số cứng hóa. Phân tích phi tuyến được thực hiện bằng phương pháp Newton-Raphson cải tiến cho kết quả chính xác.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đánh giá thành công ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép dùng bê tông geopolymer và bê tông xi măng. Kết quả cho thấy dầm geopolymer có khả năng chịu tải tương đương dầm xi măng truyền thống. Cơ chế phá hoại của cả hai loại dầm đều là phá hoại dẻo với vết nứt phân bố đều. Dầm geopolymer thể hiện độ cứng ban đầu cao hơn và hạn chế sự thay đổi độ cứng đột ngột. Mô hình mô phỏng số ABAQUS cho kết quả phù hợp với thí nghiệm với sai số dưới 10%. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng bê tông geopolymer trong xây dựng công trình thực tế.

4.1. Ứng dụng bê tông geopolymer trong xây dựng

Bê tông geopolymer phù hợp cho các công trình yêu cầu bền vững và thân thiện môi trường. Ứng dụng trong dầm bán lắp ghép giúp giảm thời gian thi công và chi phí bảo dưỡng. Vật liệu này đặc biệt hiệu quả cho công trình gần vùng biển, khu công nghiệp có môi trường ăn mòn. Tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.

4.2. Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng với số lượng mẫu lớn hơn và đa dạng cấp độ bền. Đánh giá ứng xử động và mỏi của dầm bán lắp ghép geopolymer. Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng lâu dài và môi trường khắc nghiệt. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu bê tông geopolymer tại Việt Nam để ứng dụng rộng rãi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nhiều năm trở lại đây, nhu cầu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước tạo điều kiện cho các công trình xây dựng “mọc lên” ngày càng nhiều cả về quy mô, số lượng lẫn chất lượng. Việc nghiên cứu chế tạo các cấu kiện đúc sẵn sử dụng nguyên vật liệu “xanh” và áp dụng các phương pháp thi công hiệu quả để lắp dựng chúng ngày càng trở nên là những giải pháp khả thi trước những yêu cầu đặt ra về chất lượng, giá thành sản phẩm, thời gian hoàn thành công trình cũng như phần nào đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường. Đa số các công trình xây dựng hiện nay đều theo hướng sử dụng bê tông với chất kết dính xi măng poóclăng – loại nguyên vật liệu có ưu điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy. Bê tông cốt thép truyền thống luôn được ưu tiên lựa chọn do có những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như giá thành xây dựng.

Tuy nhiên, việc sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO2 và bụi. Năm 1900, tổng sản lượng xi măng của thế giới là khoảng 10 triệu tấn [1] và đã tăng lên tới 3,31 tỷ tấn trong năm 2010 [2]. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5% mỗi năm và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ… [2] Hình 1. 1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 – 2050 [2] 1 Để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường sấp xỉ một tấn CO2, khí này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất nóng lên.

Khí CO 2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO 2 trên toàn thế giới. Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Poóc lăng đang ở mức đáng quan tâm. Khi sản lượng xi măng Poóc lăng tăng nhanh ở các nước đang phát triển điển hình như Trung Quốc chiếm 57,3 % trong 3,6 tỷ tấn xi măng và có xu hướng không đổi tại các nước phát triển như Mỹ, châu Âu trong đó Mỹ chỉ chiếm 1.9 % trong 3,6 tỷ tấn xi măng của thế giới năm 2012 [2] Hình 1. 2: Sản lượng sản xuất xi măng của các quốc gia trên thế giới [2] Từ năm 1991 đến nay là giai đoạn phát triển mạnh nhất của ngành xi măng Việt Nam.

Năm 2010, tổng công suất thiết kế của các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần, đạt 63 triệu tấn/năm và Việt Nam trở thành nước đứng đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng, về cơ bản cung đã vượt cầu. Theo định hướng quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam, tổng công suất năm 2015 là 94 triệu tấn và đến năm 2030 là 139 triệu tấn [3]. 2 Geopolymer lần đầu tiên được giới thiệu như là một chất kết dính mới vào năm 1972 bởi Davidovits J. và dần cho thấy nó có thể góp phần đa dạng hóa các giải pháp về chất kết dính, có thể thay thế một phần thị trường của xi măng.

Ngoài ra, geopolymer còn tận dụng nguyên liệu là các chất thải công nghiệp như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer còn đáp ứng những yêu cầu về môi trường đối với chất kết dính xanh hơn và thân thiện hơn. Do đặc tính vượt trội của chúng về độ bền so với xi măng Poóc lăng, geopolymer được xem là vật liệu xây dựng tiềm năng cho ngành công nghiệp bê tông - bê tông cốt thép đúc sẵn [4-7]. Công nghệ bê tông đúc sẵn không phải là mới vì nó đã được sử dụng bởi người La Mã cổ đại cách đây hàng nghìn năm [8]. So với cấu trúc bê tông đúc tại chỗ thông thường, bê tông đúc sẵn có lợi thế về chất lượng sản phẩm, hiệu quả chi phí và tốc độ xây dựng [9-11].

Để tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm ô nhiễm môi trường, kết cấu bê tông đúc sẵn cũng được coi là công trình “xanh” thân thiện với môi trường [12-13]. Ở nhiều quốc gia bao gồm Hoa Kỳ, Nhật Bản và Trung Quốc, các hệ thống bê tông đúc sẵn đã và đang được triển khai cho cả các tòa nhà dân cư và công nghiệp. Về thành phần cấu trúc, dầm và cột phù hợp cho việc tiêu chuẩn hóa, hoàn thiện và mô đun hóa, dẫn đến khung bê tông đúc sẵn là một lựa chọn tốt hơn nữa cho ngành bê tông đúc sẵn [14] Việc áp dụng phương pháp thi công bê tông cốt thép đúc tại chỗ thông thường (bê tông cốt thép toàn khối) có nhược điểm là tốn vật liệu làm ván khuôn [15]. [16] cho rằng việc xây dựng sử dụng ván khuôn gỗ là không kinh tế vì ván khuôn bằng gỗ đòi hỏi một số lượng nhất định gỗ, tre… tùy thuộc vào diện tích ván khuôn yêu cầu cho bê tông.

Diện tích ván khuôn yêu cầu càng lớn thì càng cần nhiều vật liệu hơn. Việc xây dựng cũng đòi hỏi kỹ năng, kinh nghiệm và thời gian thi công ván khuôn gỗ. Điều này đồng nghĩa là phương pháp thi công đúc bê tông truyền thống cần nhiều tiền hơn cho vật liệu và nhân công. Một bất lợi có thể thấy của phương pháp xây dựng này là sau khi hoàn thành công trình, lượng ván khuôn 3 bằng gỗ không thể sử dụng lại sẽ thải ra đáng kể và khi có nhiều hơn số lượng nhà ở, nhà cao tầng được xây dựng thì sẽ có thêm nhiều ván khuôn bằng gỗ được sử dụng và thải ra hơn.

Tình trạng này có thể trái ngược với chương trình bảo tồn nguồn gỗ để chống lại sự nóng lên toàn cầu. Như một nỗ lực để giải quyết vấn đề còn tồn tại ở trên, phương pháp thi công bê tông bán lắp ghép đã được giới thiệu, ứng dụng thực tế vào các công trình xây dựng và nhân rộng trên toàn thế giới. 3: Ứng dụng của dầm bê tông cốt thép lắp ghép [17] Lấy ý tưởng từ hình 1.3 [17] và để đơn giản cho việc nghiên cứu, đề tài lựa chọn mô hình thí nghiệm dầm đơn giản 2 gối tựa và sơ đồ dầm uốn 4 điểm, dầm bán lắp ghép với đoạn dầm ở giữa nhịp sử dụng bê tông Geopolymer đúc sẵn và 2 đoạn dầm ở 2 gối là bê tông xi măng đổ sau. Nhằm khảo sát khả năng chịu uốn của dầm bán lắp ghép và khả năng liên kết của các đoạn dầm đúc sẵn bê tông Geopolymer – dầm đổ sau bê tông xi măng thì vị trí liên kết của các đoạn dầm cũng sẽ được bố trí gần với vị trí gia tải trong sơ đồ uốn 4 điểm để đảm bảo khảo sát được khả năng chịu uốn của dầm bán ghép cũng như khả năng làm việc của vị liên kết (hình dạng liên kết cũng được khảo sát) dưới tác động của cả momen uốn và lực cắt.

Có thể áp dụng dầm bán lắp ghép cho các khung chịu lực các công trình thực tế tương tự như hình 1.3 bằng cách thi công đổ trước các cột bê tông cốt thép và để chờ cốt thép liên kết tại vị 4 trí nút liên kết cột - dầm, dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép sẽ được đúc sẵn một phần bê tông Geopolymer ở đoạn giữa nhịp và để chờ thép ở 2 đoạn dầm 2 bên gần gối (cốt thép chờ chịu lực sẽ được bố trí chiều dài neo nối cho phù hợp với miền làm việc của dầm), sau khi định vị và cố định vị trí dầm đúc sẵn so với cột và neo nối cốt thép dầm – cột thì tiến hành đổ phần đoạn dầm bê tông xi măng gần gối còn lại. 4: Ứng dụng của dầm bán lắp ghép Các đoạn dầm bê tông Geopolymer đúc sẵn có thể được đúc sẵn kết hợp với các tấm sàn Geopolymer, các tấm sàn Geopolymer đúc sẵn này sẽ được liên kết với các tấm sàn bê tông xi măng đổ sau tạo thành hệ kết cấu khung sàn bê tông Geopolymer – bê tông xi măng, bề rộng cánh chữ T của tấm sàn Geopolymer và cách liên kết tấm sàn Geopolymer – sàn bê tông xi măng sẽ được nghiên cứu ở một đề tài khác một cách thích hợp. Tuy ở phương pháp thi công bán lắp ghép còn một vài trở ngại như: việc tổ chức sản xuất và lắp ghép còn có phần phức tạp và phải chú ý xử lý tốt mặt nối giữa bê tông đúc sẵn và bê tông đổ sau nhưng ưu điểm của nó là độ cứng cao, bớt được ván khuôn, loại bỏ được cột chống [15] là rất đáng ghi nhận. Trước những yêu cầu đặt ra về chất lượng, giá thành sản phẩm, thời gian hoàn thành công trình và phải đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường, hướng nghiên cứu của đề tài này có thể sẽ góp được một phần nhỏ vào một trong những giải pháp khả thi để giải quyết những yêu cầu đặt ra ở trên.

Tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu của Marthong C. và các công sự [18] cho thấy mặt phá hoại xảy ra chủ yếu ngay tại vị trí giao điểm giữa dầm và cột chứ không phải tại vị trí tiếp giáp giữa 2 lớp bê tông đúc sẵn và đổ tại chỗ. Mẫu thí nghiệm sử dụng bê tông hạt min (micro concrete) kết hợp cốt liệu thô tái chế làm liên kết cho nút dầm và cột cho thấy khả năng chịu tải trọng cực hạn, độ dẻo và ứng suất chính danh nghĩa được tăng cường.

Sự suy giảm độ cứng tại nút liên kết của mẫu thí nghiệm RCA-micro thấp hơn so với mẫu thí nghiệm RC, hạn chế được sự thay đổi độ cứng đột ngột mà mẫu RC gặp phải. Nghiên cứu của Kang S. H [19] chỉ ra sự phá hoại của mẫu thí nghiệm xảy ra ở vị trí nút liên kết của dầm và cột. Việc bố trí, gia cường cốt thép cũng như chuẩn bị bề mặt liên kết giữa dầm bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ cũng ảnh hưởng đến sự phá hoại của nút liên kết.

Kết quả thí nghiệm của Guan D. và các cộng sự [14] cho thấy sự phá hoại xảy ra tại vị trí kết nối giữa phần cấu kiện bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ, độ cứng của phần cấu kiện bê tông đúc sẵn ban đầu thấp hơn so với phần bê tông đổ tại chỗ, tuy nhiên sau đó phần bê tông đổ tại chỗ có sự suy giảm độ cứng nhanh hơn. Các thanh thép dọc được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng, các thanh thép gia cường được thêm vào để bù vào sự gián đoạn của các phần cấu kiện đúc sẵn theo kinh nghiệm.