NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN ĐẾN MẤT MÁT ỨNG SUẤT TRƯỚC CỦA DẦM CẦU BÊ TÔNG GEOPOLYMER ỨNG SUẤT TRƯỚC CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM

• Tác giả: Vũ Thành Quang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Bình Hà
• Trường học: Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng do co ngót và từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VIỆC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
• 1.1.1. Giới thiệu về GPC
• 1.1.2. Cấu trúc hình thành CKD geopolymer. Những ưu nhược điểm của GPC
• 1.1.3. GPC sử dụng tro bay và xỉ lò cao
• 1.1.4. Các đặc trưng cơ học của bê tông GPC
• 1.1.4.1. Cường độ chịu nén
• 1.1.4.2. Quan hệ ứng suất biến dạng
• 1.1.4.3. Cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo
• 1.1.4.4. Mô đun đàn hồi và hệ số poisson
• 1.1.5. Tính chất co ngót
• 1.1.6. Tính chất từ biến
• 1.1.7. Những nghiên cứu và áp dụng GPC trên thế giới
• 1.1.8. Những nghiên cứu và áp dụng GPC tại Việt Nam
• 1.1.9. Những vấn đề còn tồn tại. Xây dựng giả thuyết nghiên cứu
• 1.2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Phương pháp thí nghiệm cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn ASTM C39, TCVN 3118-2022
• 1.2.2. Thiết bị dụng cụ
• 1.2.3. Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử
• 1.2.4. Cách tiến hành
• 1.2.4.1. Xác định diện tích chịu lực của viên mẫu. Xác định tải trọng phá hủy viên mẫu.
• 1.2.4.2. Thí nghiệm xác định quan hệ ứng suất - biến dạng và mô đun đàn hồi của bê tông theo ASTM C469.
• 1.2.5. Co ngót của bê tông
• 1.2.5.1. Co ngót tự sinh (Autogenous Shrinkage)
• 1.2.5.2. Co ngót khô
• 1.2.5.3. Một số mô hình dự báo biến dạng co ngót của bê tông trong các tiêu chuẩn hiện hành.
• 1.2.5.4. Thực nghiệm xác định biến dạng co ngót TCVN 3117-2022 [20] và ASTM C157/C157M-17 [37].
• 1.2.6. Từ biến của bê tông
• 1.2.6.1. Những vấn đề cơ bản về từ biến của bê tông
• 1.2.6.2. Xác định đặc trưng từ biến theo AASHTO-LRFD 2017 và TCVN 11823-2017
• 1.2.6.3. Thực nghiệm đo đạc biến dạng từ biến theo ASTM C512 [38].
• 1.2.7. Thiết kế mô hình dầm thí nghiệm
• 1.2.8. Nhận xét chương 2
• 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI, CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, QUAN HỆ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG, HỆ SỐ TỪ BIẾN VÀ CO NGÓT CỦA GPC
• 2.1. Thành phần cấp phối mẫu thí nghiệm và dầm GPC UST
• 2.2. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông GPC
• 2.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và quan hệ ứng suất biến dạng
• 2.3.1. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi
• 2.3.2. Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất - biến dạng
• 2.4. Thực nghiệm đo đạc biến dạng co ngót của GPC
• 2.5. Tính toán và xử lý kết quả
• 2.5.1. Kết quả tính toán biến dạng tỷ đối do co ngót
• 2.5.2. So sánh kết quả thực nghiệm co ngót GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017
• 2.6. Kết quả đo biến dạng từ biến GPC
• 2.6.1. Kết quả đo đạc biến dạng từ biến
• 2.6.2. Kết quả tính toán hệ số từ biến của GPC
• 2.6.3. So sánh kết quả thực nghiệm từ biến của GPC với OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017, TCVN 11823:5 2017
• 2.7. Nhận xét chương 3
• 3. THIẾT KẾ, ĐÚC DẦM THÍ NGHIỆM, THEO DÕI MMUST TRONG CÁP UST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN
• 3.1. Thiết kế dầm GPC UST tiết diện T dài 10,4m phục vụ thí nghiệm
• 3.2. Mục tiêu của thí nghiệm
• 3.3. Cơ sở xây dựng mô hình
• 3.4. Xác định kích thước dầm
• 3.5. Bố trí thiết bị đo MMUST do co ngót và từ biến
• 3.6. Công tác đúc dầm thí nghiệm
• 3.7. Mất mát ứng suất trong cáp UST dầm thực nghiệm
• 3.8. Kết quả đo thực nghiệm
• 3.9. Nhận xét chương 4
• 4. ÁP DỤNG GPC VÀO CẦU DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP GIẢN ĐƠN 33M, SO SÁNH MMUST DO CO NGÓT VÀ TỪ BIẾN KHI SỬ DỤNG GPC VÀ OPC
• 4.1. Các thông số thiết kế của dầm I33m
• 4.2. Thông số vật liệu
• 4.3. Thông số cầu thiết kế
• 4.4. Thông số kích thước mặt cắt ngang, cáp dứng suất trước dầm I33m
• 4.5. Kiểm toán dầm theo các TTGH cường độ và sử dụng
• 4.5.1. Kiểm toán dầm theo TTGH sử dụng
• 4.5.2. Kiểm toán dầm theo TTGH cường độ
• 4.6. So sánh mất mát ứng suất trước của dầm I33m sử dụng vật liệu GPC và vật liệu OPC
• 4.7. Thông số cầu dầm I33m sử dụng OPC
• 4.8. Kết quả tính toán giá trị ứng suất còn lại trong cáp sau khi trừ đi các MMUS
• 4.9. Nhận xét chương 5
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về dầm cầu bê tông Geopolymer tại Việt Nam

Tại Hội nghị COP 26, Việt Nam cam kết phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Ngành sản xuất xi măng, với 667.57kg CO2 phát thải trên mỗi tấn, cần có giải pháp giảm thiểu. Bê tông Geopolymer (GPC), không sử dụng xi măng và tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, là một lựa chọn tiềm năng. GPC được biết đến trên thế giới như một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường, và có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt. Các đặc tính này bao gồm khả năng hạn chế ăn mòn hóa học, tính bền trong môi trường xâm thực, sự phát triển cường độ nhanh chóng, và khả năng chịu nhiệt tốt.

1.1. Giới thiệu về ứng dụng bê tông Geopolymer tại Việt Nam

Hiện tại, các công trình cầu ở Việt Nam chủ yếu sử dụng bê tông xi măng (OPC), đặc biệt là trong kết cấu dầm chủ yếu. Việc áp dụng GPC ứng suất trước (UST) vào công trình cầu sẽ giúp giảm phát thải CO2 đáng kể. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng ứng dụng GPC UST, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững.

1.2. Ưu điểm của bê tông Geopolymer so với bê tông thường

Bê tông Geopolymer có nhiều ưu điểm vượt trội so với bê tông xi măng truyền thống, bao gồm độ bền cao hơn, khả năng chống ăn mòn tốt hơn và thân thiện với môi trường hơn. Việc sử dụng các vật liệu tái chế như tro bay và xỉ lò cao giúp giảm thiểu lượng chất thải và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Thách thức mất mát ứng suất trước dầm cầu Geopolymer

Khi thiết kế kết cấu BT ứng suất trước (UST), việc xác định chính xác mất mát ứng suất trước (MMUST) là rất quan trọng. MMUST bao gồm mất mát do ma sát, co ngắn đàn hồi, tụt neo, chùng dão, co ngót và từ biến. Đặc biệt, mất mát theo thời gian do co ngót và từ biến rất quan trọng và khó khăn để xác định. Các nghiên cứu về kết cấu GPC UST còn hạn chế, đặc biệt về biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến. Các kết quả nghiên cứu hiện có còn phân tán và chưa thống nhất.

2.1. Tầm quan trọng của việc xác định mất mát ứng suất trước

Việc xác định chính xác mất mát ứng suất trước là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của dầm cầu. Sai sót trong việc tính toán MMUST có thể dẫn đến giảm khả năng chịu tải, nứt vỡ và thậm chí là sụp đổ công trình. Vì vậy, nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến MMUST là vô cùng cần thiết.

2.2. Sự thiếu hụt nghiên cứu về co ngót và từ biến của GPC UST

Hiện nay, số lượng nghiên cứu về co ngót và từ biến của GPC UST còn rất hạn chế so với bê tông xi măng. Điều này gây khó khăn cho các kỹ sư trong việc thiết kế và xây dựng dầm cầu GPC UST một cách an toàn và hiệu quả. Cần có thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng để làm rõ các đặc tính này.

III. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng co ngót từ biến lên dầm cầu

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của co ngót và ảnh hưởng của từ biến đến mất mát ứng suất trước của dầm cầu bê tông Geopolymer ứng suất trước chế tạo tại Việt Nam. Mục tiêu là nghiên cứu về MMUST do co ngót, từ biến của dầm cầu GPC UST, sử dụng vật liệu địa phương. Đề tài đặt ra các mục tiêu cụ thể, bao gồm tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng GPC trên thế giới và ở Việt Nam, đề xuất đường quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC sử dụng vật liệu tại Việt Nam, và nghiên cứu thực nghiệm về co ngót, từ biến của GPC, đo đạc MMUST trong cáp UST do co ngót, từ biến theo thời gian của dầm GPC UST.

3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sử dụng trong luận án

Luận án sử dụng kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, bao gồm nghiên cứu tài liệu, lý thuyết, thực nghiệm và xử lý thông tin. Phương pháp thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đường quan hệ ứng suất biến dạng, co ngót, từ biến, mất mát ứng suất trước do co ngót, từ biến theo thời gian.

3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu chính là quan hệ ứng suất biến dạng khi nén; MMUST do co ngót và từ biến của dầm cầu GPC UST. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở GPC được chế tạo từ các vật liệu của Việt Nam và GPC UST được áp dụng cho công trình cầu. Nghiên cứu này góp phần thúc đẩy ứng dụng bê tông Geopolymer trong ngành xây dựng cầu tại Việt Nam.

3.3. Tổng quan về vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các vật liệu sẵn có tại Việt Nam để chế tạo bê tông Geopolymer. Các vật liệu này bao gồm tro bay từ các nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao từ các nhà máy luyện kim. Việc sử dụng các vật liệu này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng các chất thải công nghiệp.

IV. Kết quả nghiên cứu mô đun đàn hồi co ngót từ biến GPC

Luận án đã xác định được mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, quan hệ ứng suất - biến dạng, biến dạng dài hạn do co ngót và từ biến trong 180 ngày. Kết quả biến dạng của GPC được so sánh với mô hình co ngót và từ biến của OPC theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2017. Kết quả thực nghiệm đo đạc MMUST do co ngót và từ biến (bỏ qua mất mát do chùng dão) trong thời gian 6 tháng trên mô hình dầm GPC UST tiết diện chữ T dài 10,4m.

4.1. So sánh đặc tính cơ học của GPC và OPC

Kết quả nghiên cứu cho thấy GPC có những đặc tính cơ học tương đương, thậm chí vượt trội so với OPC. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc thay thế OPC bằng GPC trong các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình cầu. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các đặc tính dài hạn của GPC.

4.2. Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến co ngót và từ biến

Điều kiện bảo dưỡng có ảnh hưởng đáng kể đến co ngót và từ biến của GPC. Cần có quy trình bảo dưỡng phù hợp để đảm bảo GPC phát huy tối đa các đặc tính cơ học và giảm thiểu MMUST. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin quan trọng để xây dựng quy trình bảo dưỡng tối ưu cho GPC.

V. Ứng dụng thực tế GPC trong dầm cầu I33m tại Việt Nam

Luận án đã sử dụng các hệ số co ngót và từ biến, cường độ, mất mát ứng suất do co ngót và từ biến để tính toán dầm cầu liên hợp I33m bằng GPC. Các kết quả tính toán được so sánh với dầm tương tự sử dụng OPC, cho thấy rằng sự làm việc của dầm GPC UST tương tự như dầm OPC UST. Nghiên cứu này mở ra cơ hội ứng dụng GPC rộng rãi trong xây dựng cầu tại Việt Nam, góp phần giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường.

5.1. Phân tích so sánh hiệu quả kinh tế của GPC và OPC

Ngoài các ưu điểm về kỹ thuật và môi trường, việc sử dụng GPC còn mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Việc tận dụng các vật liệu phế thải công nghiệp giúp giảm chi phí sản xuất, đồng thời giảm chi phí xử lý chất thải. Cần có phân tích chi tiết về hiệu quả kinh tế để thúc đẩy ứng dụng GPC trong các dự án xây dựng.

5.2. Đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế cho dầm cầu GPC UST

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng GPC trong xây dựng cầu, cần có các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp. Nghiên cứu này cung cấp các thông tin quan trọng để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế cho dầm cầu GPC UST tại Việt Nam, giúp các kỹ sư thiết kế và thi công một cách an toàn và hiệu quả.

VI. Tiềm năng Hướng phát triển bê tông Geopolymer cầu

Nghiên cứu này là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng bê tông Geopolymer vào xây dựng cầu tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy GPC có tiềm năng lớn để thay thế bê tông xi măng truyền thống, góp phần giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các đặc tính dài hạn của GPC và xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp.

6.1. Các hướng nghiên cứu tiếp theo về bê tông Geopolymer

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền của GPC, nghiên cứu các phương pháp tăng cường độ bền cho GPC, và nghiên cứu ứng dụng GPC trong các loại kết cấu khác nhau. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và các nhà sản xuất để thúc đẩy ứng dụng GPC rộng rãi trong ngành xây dựng.

6.2. Chính sách hỗ trợ phát triển ứng dụng bê tông Geopolymer

Để thúc đẩy ứng dụng GPC trong xây dựng, cần có các chính sách hỗ trợ từ phía nhà nước, chẳng hạn như các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu xanh, các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và phát triển, và các chính sách ưu đãi thuế cho các doanh nghiệp sản xuất GPC. Sự hỗ trợ từ phía nhà nước sẽ tạo động lực cho các doanh nghiệp đầu tư vào sản xuất và ứng dụng GPC.