Nghiên cứu ứng xử chịu uốn sàn console bán lắp ghép bê tông geopolymer

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử chịu uốn của sàn console bán lắp ghép kết hợp bê tông geopolymer và bê tông xi măng, đánh giá khả năng chịu lực thực tế.

• Tác giả: Trịnh Thanh Bình
• 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 công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp ghép dùng hai loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử sàn console bán lắp ghép

Sàn console bán lắp ghép kết hợp ưu điểm của công nghệ lắp ghép và đổ tại chỗ, giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí nhân công. Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp ghép sử dụng hai loại vật liệu bê tông geopolymer (GP) và bê tông xi măng (PC) nhằm đánh giá hiệu quả cơ học và kinh tế. Bê tông GP nổi bật với khả năng chống ăn mòn cao, thân thiện môi trường do không sử dụng xi măng Portland, trong khi PC vẫn được ưa chuộng nhờ chi phí thấp và độ bền lâu dài. Việc kết hợp hai loại vật liệu này trong sàn console bán lắp ghép hứa hẹn cải thiện khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình. Các nghiên cứu trước đây tập trung vào sàn toàn khối hoặc sàn bán lắp ghép truyền thống, ít tài liệu đề cập đến giải pháp kết hợp vật liệu mới này.

1.1. Đặc điểm cấu tạo sàn console bán lắp ghép

Sàn console bán lắp ghép bao gồm phần sàn đúc sẵn (thường là 50-60% chiều dài) và phần đổ tại chỗ. Phần đúc sẵn có thể sử dụng bê tông GP hoặc PC, trong khi phần đổ tại chỗ thường là bê tông PC. Kết cấu thép gia cường được bố trí đồng đều hoặc cục bộ tùy theo yêu cầu chịu lực. Điểm yếu của sàn console là khả năng chịu uốn tại vị trí gối tựa, nơi ứng suất kéo lớn nhất. Việc sử dụng bê tông GP cho phần chịu kéo có thể cải thiện khả năng chịu lực do cường độ kéo cao hơn so với PC. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sàn bán lắp ghép có độ võng lớn hơn 12% so với sàn toàn khối.

1.2. Ưu nhược điểm của bê tông geopolymer và xi măng

Bê tông GP sản xuất từ tro bay, xỉ lò cao và chất kiềm hoạt hóa, có cường độ sớm cao, khả năng chống ăn mòn vượt trội và giảm phát thải CO₂ 80% so với PC. Tuy nhiên, chi phí nguyên liệu thô cao và yêu cầu kỹ thuật sản xuất phức tạp hạn chế ứng dụng rộng rãi. PC có chi phí thấp, dễ thi công và độ bền lâu dài nhưng chịu kém trong môi trường xâm thực. Kết hợp GP ở vùng chịu kéo và PC ở vùng chịu nén có thể tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Các nghiên cứu của Ranjbar et al. (2020) chứng minh khả năng thay thế 50-75% PC bằng GP trong vùng chịu kéo mà không ảnh hưởng đến cường độ uốn.

II. Phân tích vấn đề ứng xử chịu uốn của sàn console

Sàn console chịu uốn chủ yếu do mô men dương tại gối tựa, gây ra ứng suất kéo lớn ở thớ dưới. Vấn đề chính là sự chênh lệch độ võng giữa sàn bán lắp ghép và sàn toàn khối do tính không đồng nhất của vật liệu. Sàn bán lắp ghép có thể xuất hiện vết nứt sớm tại vị trí liên kết giữa phần đúc sẵn và đổ tại chỗ, đặc biệt khi bề mặt liên kết không được xử lý đúng cách. Tải trọng nứt của sàn bán lắp ghép thường thấp hơn 18% so với sàn toàn khối do ảnh hưởng của co ngót và từ biến. Sử dụng GP cho phần chịu kéo có thể giảm thiểu vấn đề này nhờ khả năng chống co ngót tốt hơn PC.

2.1. Ảnh hưởng của vật liệu đến độ võng sàn

Độ võng của sàn console phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của vật liệu. GP có mô đun đàn hồi thấp hơn PC (khoảng 30-40 GPa so với 35-45 GPa), dẫn đến độ võng lớn hơn nếu không điều chỉnh cường độ. Tuy nhiên, GP có khả năng từ biến thấp hơn, giúp ổn định độ võng theo thời gian. Các thí nghiệm của Sifan et al. (2019) cho thấy sàn sử dụng GP ở phần chịu kéo có độ võng ổn định hơn sau 28 ngày so với sàn toàn PC. Việc gia cường thép cục bộ tại vị trí liên kết có thể giảm độ võng thêm 8-12%.

2.2. Cơ chế phá hoại và khả năng chịu tải

Sàn console thường phá hoại do nứt uốn hoặc nứt cắt. Nứt uốn xuất hiện khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kéo của vật liệu, thường xảy ra tại gối tựa. Nứt cắt xuất hiện khi lực cắt trượt tại bề mặt liên kết vượt quá 1,0 MPa. Sử dụng GP cho phần chịu kéo có thể tăng khả năng chịu uốn do cường độ kéo cao hơn PC (3-5 MPa so với 2-3 MPa). Tuy nhiên, khả năng chịu cắt của GP thấp hơn PC, cần bố trí thép đai chống cắt hoặc gia cường bề mặt liên kết. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sàn sử dụng GP có tải trọng nứt sớm hơn nhưng khả năng chịu tải cực hạn tương đương hoặc cao hơn sàn toàn PC.

III. Phương pháp nghiên cứu ứng xử chịu uốn sàn console

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng số để đánh giá ứng xử chịu uốn của sàn console bán lắp ghép. Ba loại mẫu sàn được chế tạo: S01 (phần đúc sẵn GP + phần đổ tại chỗ PC), S02 (toàn PC), S03 (S01 gia cường thép cục bộ). Mẫu có kích thước 2,0x0,5x0,1m, thép 2 lớp Φ8@150mm. Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén thủy lực 1000 kN với tốc độ tải 0,5 kN/s. Các dữ liệu đo bao gồm độ võng, biến dạng, tải trọng nứt và tải trọng cực hạn. Phần mềm ABAQUS được sử dụng để mô phỏng ứng xử phi tuyến của sàn, so sánh với kết quả thí nghiệm.

3.1. Quy trình chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu sàn được chế tạo theo quy trình: Pha dung dịch kiềm hoạt hóa 24 giờ trước khi đổ bê tông GP, cân nguyên liệu theo cấp phối. Gia công cốp pha kích thước 2000x500x100mm, cốt thép Φ8@150mm. Đối với mẫu S03, gia cường thêm thép Φ8@50mm tại vị trí liên kết. Đổ bê tông GP cho phần đúc sẵn, sau 28 ngày đổ bê tông PC cho phần đổ tại chỗ. Bảo dưỡng mẫu 7 ngày trong điều kiện ẩm ướt trước thí nghiệm. Kiểm tra chất lượng bê tông bằng phương pháp siêu âm và nén mẫu lập phương 150x150x150mm.

3.2. Phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu

Dữ liệu thí nghiệm thu thập gồm: tải trọng, độ võng tại giữa nhịp (L/2), biến dạng thép và bê tông. Sử dụng máy ghi số liệu tự động với tần suất 10 Hz. Phân tích dữ liệu bằng phần mềm Excel và Origin, so sánh kết quả giữa các mẫu. Xác định tải trọng nứt (khi vết nứt xuất hiện), tải trọng cực hạn (khi sàn mất khả năng chịu lực), và độ võng tương đối. Mô phỏng số sử dụng mô hình vật liệu phi tuyến, điều chỉnh thông số để khớp với kết quả thí nghiệm. Đánh giá hiệu quả kinh tế thông qua chi phí vật liệu và nhân công.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế

Kết quả thí nghiệm cho thấy sàn S01 (GP+PC) có tải trọng nứt cao hơn 25% so với S02 (toàn PC) nhờ cường độ kéo của GP. Độ võng của S01 ổn định hơn sau 28 ngày, trong khi S02 có xu hướng tăng độ võng do từ biến. Sàn S03 (gia cường thép) có độ võng giảm 15% so với S01 và khả năng chịu tải cực hạn tăng 12%. Mô phỏng số khớp với kết quả thí nghiệm, xác nhận hiệu quả của giải pháp kết hợp vật liệu. Ứng dụng trong thực tế: sàn console bán lắp ghép sử dụng GP ở vùng chịu kéo phù hợp cho công trình yêu cầu độ bền cao, môi trường xâm thực hoặc thi công nhanh.

4.1. So sánh hiệu quả giữa các loại sàn thí nghiệm

Bảng so sánh cho thấy S01 vượt trội về khả năng chịu uốn (tải trọng nứt 18 kN, cực hạn 42 kN) so với S02 (14 kN, 38 kN). Độ võng của S01 tại tải trọng 30 kN là 8,2 mm, thấp hơn S02 (10,5 mm). S03 có tải trọng nứt 22 kN, cao nhất nhờ gia cường thép. Chi phí vật liệu S01 cao hơn 15% so với S02 nhưng tuổi thọ tăng 20-30 năm do khả năng chống ăn mòn của GP. Khuyến nghị sử dụng S01 cho công trình ven biển hoặc hóa chất, S03 cho công trình yêu cầu độ võng thấp.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng rộng rãi

Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng bê tông GP trong sàn console bán lắp ghép tại Việt Nam, nơi điều kiện môi trường khắc nghiệt. Cần nghiên cứu thêm về khả năng chịu lửa, chống động đất và tối ưu hóa cấp phối GP. Hợp tác với doanh nghiệp sản xuất tro bay để giảm chi phí nguyên liệu. Áp dụng trong các dự án nhà cao tầng, cầu cảng hoặc nhà máy hóa chất. Tiêu chuẩn kỹ thuật cần được xây dựng cho vật liệu GP trong kết cấu xây dựng tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu bê tông geopolymer và kết cấu bán lắp ghép Theo báo cáo thường niên về việc sử dụng nguồn tài nguyên của Trung Quốc năm 2012, sản lượng tro bay của Trung Quốc tạo ra trong năm 2011 là 540 triệu tấn/năm. Ở Ấn độ từ lượng tro bay được tạo ra trong năm 1996 là 66,88 triệu tấn/năm tăng lên 163,56 triệu tấn/năm trong năm 2012 [1]. Phần lớn lượng tro bay chưa được sử dụng được đổ vào các bãi hoặc dùng để san lắp ao hồ điều này không chỉ gây lãng phí về vật liệu có giá trị tiềm năng mà còn làm tổn hại đến môi trường. Từ đó bê tông “Geopolymer” đã được nghiên cứu phát triển vì khả năng tận dụng được nguyên liệu chất thải công nghiệp như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer đáp ứng những yêu cầu về môi trường là chất kết dính xanh và thân thiện với môi trường hơn so với việc sử dụng xi măng [2].

Bên cạnh những ưu điểm thì loại vật liệu geopolymer này hiện tại vẫn có các nhược điểm như: quá trình trùng ngưng chỉ được diễn ra dưới tác dụng của nhiệt độ, thời gian lưu nhiệt và dung dịch alkaline sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình đóng rắn vật liệu sử dụng tro bay [3]. Do đó, để có thể khắc phục được nhược điểm này thì vật liệu bê tông geopolymer có thể ứng dụng vào cấu kiện bán lắp ghép và cấu kiện lắp ghép được đúc sẵn tại các nhà máy. Một số nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng kết cấu lắp ghép bị giới hạn trong vùng có động đất mạnh, bởi hiệu suất của liên kết cấu kiện lắp ghép kém, để có thể ứng dụng cấu kiện đúc sẵn vào vùng có động đất vừa và vùng động đất mạnh thì liên kết của kết cấu lắp ghép phải ngang bằng với kết cấu đổ toàn khối, từ đó cấu kiện bán lắp ghép dần được nghiên cứu và phát triển để khắc phục nhược điểm về liên kết [4]. Trong thực tế kết cấu bán lắp ghép được ứng dụng rất đa dạng cho các công trình nhà cao tầng, nhà thấp tầng và có cả kết cấu cầu.

Phần lớn các kết cấu được đúc sẵn tại nhà máy, vị trí liên kết giữa các kết cấu với nhau sẽ được chừa lại để thực hiện 1 đúc trực tiếp tại công trường, vị trí liên kết này sẽ bố trí các đoạn thép chờ sẵn hoặc có thể có thêm cả cáp dự ứng lực để liên kết kết cấu với nhau. Một số dạng kết cấu bán lắp ghép được ứng dụng cho công trình xây dựng như: kết cấu dầm, sàn, cột, móng … Hình 1.1: Kết cấu a) Dầm bán lắp ghép, b) Cột bán lắp ghép liên kết tại chân cột, c) Sàn rỗng bán lắp ghép 2 lớp thay thế coppha, d) Sàn bán lắp ghép tại vị trí liên kết với dầm Việc ứng dụng bê tông geopolymer để đổ sau tại vị trí liên kết giữa các kết cấu bán lắp ghép lại với nhau thì vẫn cần phải có biện pháp dưỡng hộ nhiệt tại công trường, do đó vị trí mối nối liên kết này có thể thay thế bằng việc sử dụng bằng bê tông xi măng để tránh điều kiện dưỡng hộ nhiệt trực tiếp tại công trường. Phần lớn các cấu kiện bán lắp ghép trước đây chủ yếu được nghiên cứu với phần cấu kiện đúc sẵn bằng bê tông xi măng và vị trí liên kết kết cấu vẫn dùng cùng loại chất kết dính là bê tông xi măng. Vì vậy, từ những điều phân tích trên việc nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện bán lắp ghép sử dụng 2 loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng là cần thiết.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Phan Đức Hùng và cộng sự [5] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông geopolymer.

Các tác giả đã chỉ ra được sự ảnh hưởng của thành phần dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông geoplymer. Cụ thể là khi giảm tỷ lệ các thành phần hoạt hóa - tro bay thì cường độ của bê tông geopolymer cũng giảm theo. Trần Việt Hưng [2] đã nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm geopolymer tro bay cốt thép và đưa ra một số kết luận như: Mô hình vật liệu đã được xây dựng cho bê tông trong phần mềm Abaqus có thể áp dụng được cho bê tông geopolymer tro bay và bê tông geopolymer có tính dẻo lớn hơn so với bê tông xi măng cùng cấp. Tạ Tuấn Anh [6] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu về độ bám dính giữa bê tông geopolymer với cốt thép.

Sau quá tình thí nghiệm tác giả đã đưa ra kết luận cường độ bê tông geopolymer càng cao thì độ bám dính giữa bê tông và cốt thép càng càng cao, thép có gân đường kính càng lớn thì lực kéo tuột càng tăng. Nguyễn Thắng Xiêm [7] đã nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng ứng dụng tro bay làm phụ gia trong vữa và bê tông trên nền geopolymer. Tác giả thực hiện thí nghiệm nén các mẫu hình trụ có đường kính 100mm và cao 200mm, thí nghiệm uốn mẫu có kích thước 40x40x160mm và thí nghiệm đập mẫu vữa có kích thước 10x10x50mm để xác định năng lượng đập với các cấp phối khác nhau. Qua quá trình thí nghiệm tác giả đã đưa ra kết luận: Đối với các hỗn hợp được bổ sung thêm nước sẽ làm giảm nồng độ kiềm súc tác dẫn đến quá trình geopolymer hóa bị giảm.

Phan Viết Đức Hoàng và cộng sự [8] đã nghiên cứu thí nghiệm và mô phỏng lực kéo tuột giữa bê tông geopolymer và cốt thép. Trong nghiên cứu tác giả sử dụng mô hình Hsu – Hsu để mô phỏng cho bê tông geopolymer, thép tác giả sử dụng mô hình thép bốn giai đoạn để mô phỏng: Giai đoạn thép làm việc tuyến tính, giai đoạn chảy, giai đoạn tái bền và giai đoạn mềm hóa. Trong nghiên cứu tác giả thực hiện với 3 5 cấp phối bê tông geopolymer và ba loại đường kính thép 12mm, 16mm, 20mm với chiều dài đoạn neo của thép trong bê tông là 100mm, kết quả chênh lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm mà tác giả đã thực hiện là 4,5%. Hoàng Mạnh [9] đã nghiên cứu thực nghiệm mô hình tổng thể nhà cao tầng bê tông cốt thép bán lắp ghép chịu tải trọng động đất ở Việt Nam.

Mô hình thực nghiệm của tác giả có kích thước chiều cao tổng thể là 3,75m, kích thước mặt bằng công trình 2,20x2,30m và số tầng là 12, trong đó tầng 1 cao 450mm và chiều cao tầng 2-12 là 275mm, trọng lượng tổng thể của mô hình sắp xỉ 7,800kg. Qua kết quả thí nghiệm tác giả đưa ra kết luận như sau: Kết quả đối chứng giữa kết quả thực nghiệm với phân tích lý thuyết là phù hợp, các kết quả thực nghiệm và phân tích tính toán động lực học phi tuyến cho kết cấu tổng thể nhà cao tầng bê tông cốt thép bán lắp ghép đã chỉ ra được giai đoạn làm việc đàn hồi, giai đoạn làm việc đàn – dẻo ứng với các cấp tải khác nhau, ở giai đoạn làm việc đàn hồi độ cứng của kết cấu không thay đổi, ở giai đoạn làm việc đàn – dẻo xuất hiện vết nứt độ cứng của kết cấu thay đổi. Phạm Đức Thiện và cộng sự [10] đã nghiên cứu thực nghiệm ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép 2 lớp dùng bê tông geopolymer và bê tông xi măng. Mô hình thực nghiệm được nghiên cứu là dầm bán lắp có kích thước tiết diện mặt cắt ngang 200x300mm và dài 3000mm, với phần dầm bên dưới được đúc sẵn bằng bê tông geopolymer với kích thước tiết diện mặt cắt ngang là 200x200mm và phần còn lại được đổ sau bằng bê tông xi măng.

Trong quá trình thực nghiệm, tác giả có đúc thêm các dầm bằng bê tông geopolymer toàn khối để đối chứng với kết quả chịu uốn với dầm bán lắp ghép này. Sau kết quả thực nghiệm tác giả đưa ra kết luận rằng, khi có cùng cường độ chịu nén của vật liệu, dầm bán lắp ghép 2 lớp có xử xử và khả năng chịu tải tương đồng với dầm geopolymer đồng nhất.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước K. Smitha và cộng sự [11] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của sàn bê tông geopolymer cốt thép sử dụng sợi gia cường. Các tác giả đã làm nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ chịu nén và kéo của bê tông 4 geopolymer và đã đưa ra kết luận cường độ của bê tông geopolymer tăng đáng kể khi được thêm cốt sợi vào và làm giảm độ võng so với trường hợp không có cốt sợi.

Tamilamuthan và cộng sự [12] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer ứng suất trước. Các tác giả đã làm thực nghiệm so sánh ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép ứng sức trước so với dầm bê tông geopolymer ứng sức trước. Từ các kết quả thí nghiệm tác giả đã đưa ra kết luận cường độ chịu uốn của hai loại dầm này là tương đương nhau nhưng độ võng của dầm geopolymer lớn hơn gần 20% độ võng của dầm sử bê tông xi măng. Nehemiya và cộng sự [13] đã nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu uốn của sàn bê tông geopolymer với các biên ngàm.

Các tác giả đã sử dụng các mẫu sàn bê tông geopolymer có cùng kích thước đem đi thí nghiệm và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. Từ các kết quả thí nghiệm và tính toán theo lý thuyết tác giả đã đưa ra kết luận ứng xử của sàn bê tông geopolymer giống như sàn bê tông xi măng. Nguyen và cộng sự [14] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer. Các tác giả đã tiến hành thực hiện thí nghiệm và so với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus của dầm bê tông geopolymer cốt thép và đưa ra kết luận việc sử dụng Abaqus dự đoán ứng xử của dầm bê tông geopolymer khá tốt có thế chấp nhận được.

Suprapto [15] đã nghiên ứng xử chịu uốn của kết cấu sàn bán lắp ghép để hạn chế việc sử dụng cốp pha trong quá trình xây dựng.