CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đã cho ra đời nhiều loại vật liệu mới mang tính tối ưu hơn về chất lượng, thẩm mỹ tốt hơn, hiệu quả cao về kinh tế và tăng phần thân thiện với môi trường. Các ngành, lĩnh vực đều có các loại vật liệu riêng nhằm phục vụ cho sự phát triển của ngành. Đối với ngành xây dựng vật liệu phổ biến nhất trong các công trình dân dụng, công nghiệp, đập thủy điện, bờ kè, cầu đường. là bê tông và thép.
Trong đó, bê tông là loại vật liệu có giá thành tiết kiệm nhiều hơn so với thép nhưng nhược điểm của bê tông là vật liệu giòn, chịu kéo kém. Bê tông được chia thành nhiều loại: Bê tông nhẹ, bê tông nặng, bê tông siêu nặng,. Tùy vào mục đích từng công trình mà sử dụng loại bê tông khác nhau. Thép là một loại vật liệu có khả năng chịu nén và chịu kéo tốt.
Do đó, để tối ưu về mặt kinh tế, người ta đã kết hợp hai loại vật liệu này để tạo nên một loại vật liệu gọi là bê tông cốt thép. Nhưng chưa dừng lại ở đó, hiện nay các phế phẩm công nghiệp luyện thép xỉ thép rất nhiều, người ta đã sử dụng xỉ thép, để làm cốt liệu lớn chế tạo bê tông điều này giúp giảm thiểu chi phí, tiết kiệm được nguồn vật liệu tự nhiên và bảo vệ môi trường giúp đất nước phát triển bền vũng hơn. Việc nghiên cứu xác định các thông số kỹ thật, tính chất cơ lý, đặc trưng cơ học của bê tông xỉ thép đã được nhiều nghiên cứu thực hiện , đã cung cấp số liệu làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế và đề ra phương án kế cấu sao cho hợp lý nhất và tối ưu về mặt kinh tế. Bên cạnh đó, số liệu thực nghiệm còn là cơ sở để xây dụng, đề xuất ra luật ứng xử nhằm đáp ứng cho việc mô phỏng tính toán mô phỏng số, nhằm dự đoán ứng xử các cấu kiện sử dụng bê tông xỉ thép.
1 Luan van Bê tông nói chung và bê tông xỉ thép nói riêng được hình thành từ cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ, chúng được liên kết với nhau bởi chất kết dính là vữa xi măng. Mỗi loại bê tông khác nhau, đều có đặc trưng là vật liệu có cốt liệu rời rạc và ứng sử theo cơ chế phá hoại giòn. Thực tế việc mô tả vật liệu bê tông nói chung và bê tông xỉ thép là môi trường liên tục thực sự chưa phù hợp với chỉ tiêu cơ lý của chúng. Cùng với sự phát triển của khoa học tính toán, phương pháp phần tử rời rạc(DEM) đã được cho ra đời, so với phương pháp phần tử hữu hạn thì phương pháp phần tử rời rạc cho phép mô phỏng đúng bản chất rời rạc của vật liệu.
Có nhiều phương pháp phần tử rời rạc đã được cho ra đời, luận văn này tác giả sử dụng phương pháp phần tử rời rạc cổ điển do Cundall & Strack đề xuất 1979[1]. Đây là phương pháp phần tử rời rạc được sử dụng trong mô phỏng địa kỹ thuật cũng như bê tông. Phương pháp này cho phép mô tả đúng bản chất vật lý của các vật liệu có tính rời rạc như bê tông xỉ thép. Việc ứng dụng DEM vào mô phỏng bê tông xỉ thép cho phép kết quả tính toán chính xác hơn và thể hiện đúng bản chất của nhằm mô phỏng chính xác hơn các ứng xử của vật liệu.
Từ việc mô phỏng số được ứng xử của vật liệu còn có thể áp dụng vào mô phỏng tính toán dự đoán được ứng xử của kết cấu nhằm đưa ra biện pháp thiết kế hiệu quả, đảm bảo an toàn cho công trình. Bên cạnh đó rời rạc hoá theo đúng bản chất vật liệu, phương pháp phần tử rời rạc cho phép quan sát mô phỏng được vết nứt từ sự hình thành các dải phá huỷ của các phẩn tử rời rạc(DE). Phương pháp trên còn quan sát được sự phát triển của lực tương tác giữa các phần tử rời rạc từ đó đánh giá được cơ chế sự hình thành vết nứt hay cơ chế phá huỷ của vật liệu khi chịu tải trọng. Tuy nhiên, bên cạnh những tiện lợi nói trên với số lượng phần tử lớn thì đòi hỏi sử dụng máy tính có cấu hình mạnh mới thực hiện được quá trình mô phỏng.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.1 Nghiên cứu thực nghiệm Xỉ thép đã được nghiên cứu chế tạo bê tông bởi nhiều tác giả [2], [3], [4], [5], [6], [7].
Kết quả nghiên cứu cho thấy loại bê tông xỉ thép này có cường độ chịu nén 2 Luan van và module lớn hơn bê tông truyền thống, nhưng cường độ chịu uốn thì kém hơn bê tông truyền thống[2], [3], [4], [5], [6], [7]. Trong nghiên cứu trên, tác giả đã xác định các đặc trưng cơ học của bê tông gồm: xác định Module đàn hồi và hệ số poison, sự phát triển cường độ chịu nén theo thời gian và sự ảnh hưởng của tỷ lệ nước trên xi măng đến cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và sự phát triển cường độ chiụ uốn theo thời gian[2] Ngoài việc thay thế cốt liệu lớn còn có thể sử dụng xỉ thép để thay thế một phần cốt liệu nhỏ với việc nghiền nhỏ như tác giả M. Chen và cộng sự [3] đã làm thí nghiệm xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) với vữa. Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng cát xỉ thép có thể giảm liều lượng xi măng.
Nghiên cứu sử dụng xỉ hạt lò cao thay cốt liệu mịn trong bê tông, kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tỉ lệ GGBs/cát (Ground Granulated Blast Furnace Slag) được điều chỉnh theo tiêu chuẩn để đạt hiệu quả về đặc tính cường độ và độ bền[4]. Bên cạnh đó, việc thay thế một phần cát trong bê tông bằng tinh xỉ GBF (Grannulated blast furnace) cho thấy cốt liệu thô tự nhiên với tinh xỉ ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo, độ bền uốn và nén của bê tông. Việc thay thế một phần cốt liệu tự nhiên có cốt liệu xỉ cho phép tăng cường độ dài hạn nhưng thay thế toàn bộ cốt liệu tự nhiên ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ[5]. Nghiên cứu trên cho thấy bê tông có thể sử dụng ở các vùng địa lý có nhiệt độ mùa đông hầu như không bao giờ giảm xuống dưới 32F (0˚C).
Khi thay đổi thành phần cốt liệu trong bê tông dẫn đên cường độ bê tông thay đổi, tính chất vật lý thay đổi. Điều này đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả[7]. Nghiên cứu này sử dụng thép tái chế tại các nhà máy cho cốt liệu mịn trong vữa xi măng. Việc thay thế 40% thép tái chế cho cốt liệu mịn làm tăng cường độ nén đến 40%, co ngót khô thấp hơn khi sử dụng thép[7].
Xi măng là chất liệu kết dính tuyệt vời trong bê tông nhưng tài nguyên thiên nhiên là có hạn. Những nghiên cứu thay thế một phần xi măng trong bê tông xỉ thép rất đáng khích lệ, để có thêm nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Bên cạnh đó trong bê 3 Luan van tông thường cũng có những nghiên cứu giúp giảm hàm lượng xi măng sử dụng trong bê tông được nghiên cứu bởi các tác giả[8], [9], [10], [11]. Khi sử dụng xỉ LF (Laddle Furnace) bão hoà thay cốt liệu mịn trong bê tông giúp làm giảm hàm lượng vôi tự do khi liên kết khí CO2 trong cacbonat rắn.
Xỉ LF bão hoà được sử dụng như cốt liệu mịn khi độ sụt bằng 0 của những mẫu vữa rắn chịu nén. Cường độ của những mẫu vữa 28 ngày tuổi gần như bằng với cường độ vữa cát sông[8]. Trong nghiên cứu trên, khi so sánh bê tông làm bằng xỉ vói bê tông làm bằng xỉ thép và các phế thải kính nhận thấy bê tông xỉ thép có cường độ chịu nén cao hơn bê tông làm bằng phế thải kính[9]. Ngoài ra, bột xỉ thép còn có tính dễ tạo hình và cải thiện tính cơ học của bê tông.
Kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất cơ học có thể được cải thiện hơn nữa do tác dụng hiệp đồng và kích hoạt lẫn nhau khi trộn hỗn hợp các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lò cao trong bê tông[10]. Khi thay thế một số phần trăm cốt liệu tự nhiên bằng cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông. Hàm lượng xỉ thép tối đa dùng thay thế có thể đạt đến 70%[11].2 Nghiên cứu mô phỏng số Đã có nhiều phương pháp mô phỏng số được áp dụng để mô phỏng ứng xử của bê tông, bê tông cốt thép như: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử rời rạc,. Các nghiên cứu về mô phỏng dầm bê tông, dầm bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã được thực hiện bởi các tác giả[12], [13], [14], [15], [16], [17].
Trong đó, Dung Le Dang[12] đã tiến hành khảo sát sự phá hủy của nút khung khi thay đổi độ lệch tâm giữa dầm và cột. Ứng xử phi tuyến của các cấu kiện dầm cột bê tông cốt thép đã được Nguyễn Trần Trung và cộng sự[13] sử dụng phần tử SOLID, LINK còn được dùng để mô phỏng. Bên cạnh đó, phương pháp phần tử hữu hạn còn được dùng để mô phỏng ứng xử bám dính giữa hai lớp vật liệu bê tông và lưới dệt sử dụng để mô tả sự làm việc, cơ chế phá hoại của kết cấu dầm được gia cường[14]. 4 Luan van Để mô phỏng ứng xử của dầm bê tông cốt thép tác giả Wahalathantri.L và cộng sự [15] đề xuất mô hình quan hệ ứng suất biến dạng miền nén, và sự phá hoại miền kéo.
Ngoài ra, mô hình phá hoại dẻo được sử dụng mô phỏng dầm chịu uốn và phân tích ứng xử sự làm việc, phá hoại của dầm[16].Chaudhari và cộng sự [17] đã sử dụng đồng thời mô hình phá hoại dẻo và mô hình vết nứt rời rạc để mô phỏng tính toán các cấu kiện chịu uốn qua đó so sánh sự chính xác của hai mô hình. Từ một số nghiên cứu trên, cho ta thấy chưa có nhiều nghiên cứu mô phỏng về bê tông xỉ thép mà chỉ mới tập chung vào mô phỏng bê tông cốt liệu đá thông thường. Đồng thời, đa số mô hình mô phỏng chủ yếu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và còn nhiều hạn chế nhất đinh trong việc mô tả ứng xử cơ lý của bê tông và bê tông xỉ thép. Do đó, trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử rời rạc đã được ứng dụng để mô phỏng ứng xử của bê tông xỉ thép dựa trên những ưu điểm của phương pháp này đã được nêu ở mục 1.