Luận án Nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng phụ gia Nano SiO2 và Silica Fume trong kết cấu mặt dường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ - Trần Hữu Bằng

MỞ ĐẦU 1

1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu 1

2. Mục đích nghiên cứu của luận án 3

3. Phạm vi nghiên cứu của luận án 3

4. Phương pháp nghiên cứu 4

5. Bố cục của luận án 4

6. Những đóng góp mới của luận án 4

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

Chương 1 6

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO SiO2 VÀ SILICA FUME LÀM PHỤ GIA CHO

BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 6

1.1 Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng của vật liệu nano trong bê tông 6

1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano 6

1.1.2 Phân loại vật liệu nano 6

1.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume cho bê tông xi măng 8

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume

trên thế giới 8

1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong bê tông 8

1.2.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu silica Fume vào trong bê tông 16

1.2.2 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume

ở Việt Nam 17

1.2.2.1 Phụ gia khoáng silica từ tro trấu và nano SiO2 từ tro trấu 17

1.2.2.2 Phụ gia khoáng silica Fume 20

1.3 Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông xi măng cho thiết kế kết cấu mặt đường

ô tô 22

1.3.1 Cường độ của bê tông xi măng 23

1.3.2 Mô đun đàn hồi 23

1.3.3 Độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt tấm bê tông xi măng 24

1.3.4 Độ mài mòn 25

1.4 Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu của luận án 26

Chương 2 28iv

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VIỆC SỬ DỤNG PHỤ GIA SILICA FUME VÀ

NANO SiO2 ĐIỀU CHẾ TỪ TRO TRẤU CHO VỮA - BÊ TÔNG XI MĂNG 28

2.1 Nghiên cứu các loại phụ gia cho bê tông xi măng 28

2.1.1 Khái niệm phụ gia 28

2.1.2 Phân loại phụ gia 28

2.1.2.1 Phụ gia khoáng 28

2.1.2.2 Phụ gia hóa học 31

2.2 Quá trình thủy hóa của xi măng pooclăng 32

2.3 Giới thiệu tro trấu và kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu

khu vực miền Tây Nam Bộ 33

2.3.1 Giới thiệu tro trấu 33

2.3.2 Kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu 34

2.4 Cơ sở khoa học kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 và silica Fume 38

2.4.1 Ảnh hưởng của các hạt nano SiO2 tăng cường độ của bê tông xi măng 38

2.4.1.1 Đặc tính của nano SiO2 (NS) 38

2.4.1.2 Tác động của nano SiO2 đến hồ xi măng, vữa và bê tông 39

2.4.1.3 Phân tán hạt nano Silica 39

2.4.2 Ảnh hưởng của các hạt silica Fume đến cường độ của bê tông xi măng 41

2.4.2.1 Đặc tính của silica Fume (SF) 41

2.4.2.2 Tác động của silica Fume đến hồ xi măng, vữa và bê tông 42

2.4.2.3 Phân tán hạt silica Fume 43

2.5 Nghiên cứu thực nghiệm nano SiO2 để nâng cao tính năng của vữa xi măng 44

2.5.1 Giới thiệu 44

2.5.2 Thiết kế thành phần chế tạo của vữa xi măng theo tỉ lệ nano SiO2 45

2.5.3 Thiết bị, dụng cụ và phương pháp thử 46

2.5.4 Kết quả cường độ chịu nén và kéo uốn của vữa xi măng 47

2.5.5 Cấu trúc của vữa xi măng có sử dụng phụ gia nano SiO2 52

2.6 Kết luận chương 2 53

Chương 3 55

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHỤ GIA NANO SiO2 VÀ SILICA FUME NÂNG

CAO TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG 55v

3.1 Các yêu cầu của xi măng và bê tông xi măng dùng trong xây dựng mặt đường

ôtô ở Việt Nam 55

3.1.1 Các yêu cầu đối với xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 55

3.1.2 Đối với BTXM dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 55

3.2 Vật liệu chế tạo bê tông xi măng 57

3.2.1 Xi măng 57

3.2.2 Phụ gia khoáng 58

3.2.2.1 Nano SiO2 điều chế từ tro trấu 58

3.2.2.2 Silica Fume 58

3.2.3 Cốt liệu lớn 58

3.2.4 Cốt liệu nhỏ 60

3.2.5 Nước 62

3.3 Thiết kế thành phần bê tông xi măng 62

3.3.1 Phương pháp ACI 211 62

3.3.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông 67

3.3.3 Tính toán lượng vật liệu dùng cho một mẻ trộn bê tông 68

3.3.4 Công tác đúc mẫu và bảo dưỡng các mẫu bê tông 69

3.4 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của BTXM 71

3.4.1 Phân tích, đánh giá, nhận xét các kết quả thí nghiệm cường độ Rn và Rku của bê

tông xi măng 73

3.4.1.1 Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm 73

3.4.1.2 Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê cường độ nén, cường độ kéo uốn

của bê tông cấp C30, C35 và C40 theo tỷ lệ NS ở các ngày tuổi. 75

3.4.1.3 Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê cường độ nén, cường độ kéo uốn

của bê tông cấp C35 theo tỷ lệ NS+SF ở các ngày tuổi. 82

3.5 Nghiên cứu các tính chất chủ yếu của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica

Fume 89

3.5.1 Thí nghiệm mô đun đàn hồi 89

3.5.2 Khả năng chống mài mòn của bê tông xi măng 94

3.5.3 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) 96

3.5.4 Thí nghiệm xác định độ chống thấm nước và độ thấm sâu của BTXM 98

3.5.5 Thí nghiệm độ thấm ion clo của bê tông xi măng 102vi

3.6 Kết luận chương 3 107

Chương 4 109

NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NANO SiO2 VÀ SILICA

FUME TRONG KẾT CẤU MẶT DƯỜNG Ô TÔ KHU VỰC MIỀN TÂY NAM BỘ

4.1 Khái quát về mạng lưới giao thông khu vực miền Tây Nam Bộ 109

4.2 Các yêu cầu chung về thiết kế kết cấu mặt đường bê tông xi măng 1 112

4.2.1 Mặt đường BTXM thường có khe nối (JPCP) 113

4.2.2 Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (JRCP) 113

4.2.3 Mặt đường bê tông cốt thép liên tục (CRCP) 113

4.2.4 Phân cấp giao thông [28] 114

4.2.5 Nội dung yêu cầu cơ bản thiết kế mặt đường bê tông xi măng 114

4.2.5.1 Nội dung thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường 114

4.2.5.2 Yêu cầu chung đối với thiết kế mặt đường BTXM thông thường 115

4.3 Phân tích khả năng ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica

Fume làm mặt đường ô tô 116

4.3.1 Khả năng đáp ứng về cường độ 116

4.3.1.1 Cường độ chịu kéo uốn của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.1.2 Cường độ chịu nén của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.1.3 Mô đun đàn hồi của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.2 Độ mài mòn của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF 118

4.3.3 Độ thấm ion clo, khả năng chống thấm nước và độ thấm xuyên sâu của BTXM sử

dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF 118

4.3.4 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF 119

4.3.5 Tính công tác của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume 119

4.3.5.1. Độ sụt của hỗn hợp BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 119

4.3.5.2 Thời gian đông kết chất kết dính của hỗn hợp BTXM sử dụng phụ gia NS

và NS+SF 120

4.3.6 Đề xuất ứng dụng BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF cho cấp đường ô

tô khu vực miền Tây Nam Bộ 120

4.4 Đề xuất các dạng kết cấu áo đường BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF

khu vực miền Tây Nam Bộ 121

4.4.1 Các số liệu phục vụ thiết kế 121vii

4.4.1.1 Cấp thiết kế 121

4.4.1.2 Dự kiến kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và phụ gia

NS+SF 122

4.4.1.3 Kiểm toán trạng thái làm việc kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia

nano SiO2 và BTXM sử dụng phụ gia NS+SF 122

4.4.2 Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng 124

4.4.3 Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình 125

4.4.4 Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường bê tông xi măng. 126

4.5 Kết luận chương 4 127

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 128

I. Kết luận 128

II. Những giới hạn, tồn tại và định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án 130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ I

TÀI LIỆU THAM KHẢO II

PHỤ LỤC A: THỰC NGHIỆM CHỈ TIÊU Rku VÀ Rn VỮA XI MĂNG IX

A.1 Thiết bị, dụng cụ và phương pháp thử IX

A.2 Xử lý kết quả thực nghiệm và phân tích bằng phần mềm Minitab XII

PHỤ LỤC B: THỰC NGHIỆM CHỈ TIÊU Rku VÀ Rn BÊ TÔNG XI MĂNG XIV

B.1 Thiết kế thành phần bê tông xi măng XIV

B.2 Kết quả thực nghiệm Rn và Rku của các loại bê tông xi măng ở các ngày tuôi theo

tỉ lệ phụ gia NS XXIII

B.3 Kết quả thực nghiệm Rn và Rku của các loại bê tông xi măng ở các ngày tuổi theo

tỉ lệ phụ gia NS+SF XXVIII

PHỤ LỤC C: BẢNG TÍNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BTXM (ĐÍNH KÈM)

PHỤ LỤC D: PHIẾU KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM (ĐÍNH KÈM)

pdf174 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 390 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng phụ gia Nano SiO2 và Silica Fume trong kết cấu mặt dường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ - Trần Hữu Bằng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Khi có phụ gia khoáng NS và SF khối lượng cát được tính theo công thức: C = [1000 - X x - NS ns - SF sf - Đ đ - N - VKK]. c (kg) (3.18) Trong đó: 66 - X,N,C,Đ,NS,SF: Là khối lượng xi măng, nước, cát, đá, nano SiO2 và silica Fume tính cho một m3 bê tông xi măng; - x, c, đ, ns, sf : Là khối lượng riêng xi măng, cát, đá, nano SiO2 và Silica Fume . - VKK: Thể tích không khí lọt vào trong bê tông. * Bước 9: Chọn tỉ lệ phụ gia siêu dẻo Cần sử dụng phụ gia siêu dẻo trong bê tông. Khi dùng phụ gia siêu dẻo thì lượng nước có thể giảm từ 8 - 15%. Có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp mà không cần điều chỉnh các tỉ lệ hỗn hợp để cải thiện tính công tác của bê tông. Liều lượng sử dụng phụ gia siêu dẻo thông qua các khuyến cáo của các nhà sản xuất và các thí nghiệm. Thường từ 0,50 – 2,0 lít/100 kg xi măng và có thể nhiều hơn tùy theo yêu cầu về độ sụt và đặc tính của kết cấu. * Bước 10: Các hỗn hợp thử nghiệm Các hỗn hợp thử nghiệm theo tỉ lệ đã tính ở trên cần tạo ra một tập hợp các thử nghiệm để xác định tính công tác và các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Các khối lượng của cốt liệu, nước phải điều chỉnh cho phù hợp về độ ẩm. Nếu các đặc tính mong muốn của bê tông không đạt được thì các tỉ lệ hỗn hợp ban đầu cần được điều chỉnh theo hướng dẫn sau đây để tạo ra tính công tác mong muốn: - Độ sụt ban đầu: Nếu độ sụt ban đầu của hỗn hợp thử nghiệm không nằm trong phạm vi mong muốn thì cần phải điều chỉnh lại lượng nước trộn. Trọng lượng của vật liệu kết dính trong hỗn hợp cũng nên điều chỉnh để duy trì tỉ lệ N/CKD mong muốn. Hàm lượng cát sau đó cũng được điều chỉnh để đảm bảo sản lượng bê tông. - Nếu phụ gia siêu dẻo được sử dụng thì nên thử với các liều lượng khác nhau để xác định ảnh hưởng của nó đến cường độ và tính công tác của bê tông. - Hàm lượng khí: Nếu hàm lượng không khí đo được khác xa với trị số mong muốn thì nên điều chỉnh lại hàm lượng khí và các thành phần cũng được điều chỉnh. - Tỉ lệ N/CKD: Nếu cường độ của bê tông không đạt được khi sử dụng các tỉ lệ N/CKD đã chọn thì các hỗn hợp trộn thử nghiệm phụ thêm có tỉ lệ N/CKD thấp hơn cần phải được kiểm tra. Nếu vẫn không tăng cường độ nén thì cần xem xét lại sự thích hợp của các vật liệu sử dụng * Bước 11: Lựa chọn thành phần bê tông 67 Khi các tỉ lệ trộn thử nghiệm đã được điều chỉnh để tạo ra tính công tác mong muốn và các đặc tính về cường độ, các mẫu thử cường độ nên được lấy từ các mẻ trộn thử nghiệm tiến hành dưới các điều kiện gần giống với điều kiện ngoài thực tế theo các bước khuyên dùng trong tài liệu ACI 211.1 để tiến hành điều chỉnh các mẻ trộn thử nghiệm. Tính thực tế sản xuất và các thao tác cần kiểm tra chất lượng sẽ được đánh giá tốt hơn khi các mẻ trộn thử nghiệm với qui mô sản xuất được tiến hành bằng cách sử dụng các thiết bị và công nhân mà nó đã từng sử dụng trong thực tế. Các kết quả về cường độ nên được trình bày theo một cách để cho phép lựa chọn các tỉ lệ có thể chấp nhận đối với công việc được dựa trên cơ sở các yêu cầu về cường độ và chi phí. 3.3.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông Trong phạm vi nghiên cứu của luận án tác giả kế thừa kết quả nghiên cứu thực nghiệm nano SiO2 để nâng cao tính năng của vữa xi măng mục 2.5 Chương 2. Cụ thể luận án đã chọn (0.5-2.0)% nano SiO2 cho hỗn hợp BTXM cấp 30, 35, 40 MPa và sự kết hợp hai loại phụ theo tỉ lệ nano SiO2 (0.5-2.0)% + silica Fume (5-15)% trong thành phần hỗn hợp BTXM cấp 35 MPa, độ sụt của các hỗn hợp bê tông dao động (2,0 - 4,0)cm. Trình tự tính toán thành phần BTXM theo (Phụ lục B mục B.1). Kết quả được tổng hợp theo bảng 3.18 và bảng 3.19 Bảng 3.18 - Thành phần bê tông cấp 30, 35 và 40 MPa Bê tông 30 MPa Kí hiệu Bê tông X (kg) N (lít) NS (kg) CKD (kg) Đ (kg) C (kg) N/CKD (kg) Sika Viscocrete 3000 – 20 (lít) C30 NS0 420 185 0 420 1046,5 753 0,44 - C30 NS0,5 417,9 185 2,10 420 1046,5 750 0,44 - C30 NS1,0 415,8 185 4,20 420 1046,5 746 0,44 - C30 NS1,5 413,7 185 6,30 420 1046,5 743 0,44 - C30 NS2,0 411,6 185 8,40 420 1046,5 740 0,44 - Bê tông 35 MPa Kí hiệu Bê tông X (kg) N (lít) NS (kg) CKD (kg) Đ (kg) C (kg) N/CKD (kg) Sika Viscocrete 3000 – 20 (lít) C35 NS0 440 185 0 440 1046,5 736 0,42 - C35 NS0,5 437,8 185 2,20 440 1046,5 732 0,42 - C35 NS1,0 435,6 185 4,40 440 1046,5 729 0,42 - C35 NS1,5 433,4 185 6,60 440 1046,5 725 0,42 - C35 NS2,0 431,2 185 8,80 440 1046,5 722 0,42 - Bê tông 40 MPa 68 Kí hiệu Bê tông X (kg) N (lít) NS (kg) CKD (kg) Đ (kg) C (kg) N/CKD (kg) Sika Viscocrete 3000 – 20 (lít) C40 NS0 454 168 0 454 1159,2 661,20 0,37 3,15 C40 NS0,5 417 168 2,27 454 1159,2 657,65 0,37 3,66 C40 NS1,0 415,8 168 4,54 454 1159,2 654,10 0,37 3,78 C40 NS1,5 413,7 168 6,81 454 1159,2 650,58 0,37 3,99 C40 NS2,0 411,6 168 9,08 454 1159,2 647,05 0,37 4,18 Bảng 3.19 - Thành phần bê tông cấp 35MPa sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume Bê tông 35 MPa Kí hiệu Bê tông X (kg) N (lít) NS (kg) SF (kg) CKD (kg) Đ (kg) C (kg) N/CKD (kg) Sika Viscocrete 3000 – 20 (lít) C35 NS0,5SF5,0 415,8 185 2,2 22 440 1046,5 730 0,42 3,960 C35 NS0,5SF10 393,8 185 2,2 44 440 1046,5 724 0,42 4,620 C35 NS0,5SF15 371,8 185 2,2 66 440 1046,5 719 0,42 4,840 C35 NS1,0SF5,0 413,6 185 4,4 22 440 1046,5 729 0,42 4,180 C35 NS1,0SF10 391,6 185 4,4 44 440 1046,5 723 0,42 4,480 C35 NS1,0SF15 369,6 185 4,4 66 440 1046,5 718 0,42 5,060 * Nhận xét: Thành phần bê tông xi măng ở bảng 3.22 và bảng 3.23 cho thấy rằng hỗn hợp bê tông xi măng giảm giá trị độ sụt khi các hạt nano SiO2 và silica Fume tăng. Sự tăng lên khối lượng phụ gia SN+SF có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nước cần thiết trong hỗn hợp bê tông tươi do kích thước cực mịn của nó [80]. Phản ứng này nói lên một thực tế rằng việc bổ sung các hạt có tỉ diện tích bề mặt cao vào hỗn hợp bê tông xi măng sẽ cần lượng nước nhiều hơn để duy trì độ sụt mong muốn của hỗn hợp [55]. Để tăng độ dẻo của hỗn hợp BTXM sử dụng phụ gia NS+SF thì việc sử dụng phụ gia hóa học siêu dẻo là cần thiết. 3.3.3 Tính toán lượng vật liệu dùng cho một mẻ trộn bê tông Lượng vật liệu cho một mẻ trộn gồm 12 mẫu hình lăng trụ kích thước (150x150x600) mm để thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn và 12 mẫu hình trụ kích thước (150x300) mm để thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, xác định cường độ kéo uốn và nàn ở 3, 7, 28 và 60 ngày tuổi. Mẫu thử thấm 6 mẫu hình trụ (150x150)mm ở 28 ngày tuổi. Khối lượng thể tích bê tông cần cho một mẻ trộn là: 69 Vbt = 12 x 3.14 x (0.15)2 4 x 0.3 + 12x0.15x0.60 + 6 x 3.14 x (0.15)2 4 x 0.15 = 0.23 m3 Chọn Vbt = 0,25 m3 lượng vật liệu hỗn hợp bê tông cần cho một mẻ trộn của các cấp phối bê tông 30, 35 và 40 MPa được ghi ở bảng 3.18 và bảng 3.19. Số lượng mẫu được tổng hợp trong bảng 3.20 Bảng 3.20 - Số lượng các mẫu BTXM dùng thí nghiệm Loại bê tông Tuổi thí nghiệm (Ngày) Mẫu nén (Mẫu) Mẫu kéo uốn (Mẫu) Mẫu thử thấm (Mẫu) C30 C30 NS0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C30 NS0,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C30 NS1,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C30 NS1,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C30 NS2,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 C35 NS0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS0,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS1,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS 1,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS2,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C40 C40 NS0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C40 NS0,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C40 NS1,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C40 NS1,5 3, 7, 28, 60 12 12 6 C40 NS2,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 C35 NS0,5SF5,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS0,5SF10 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS0,5SF15 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS1,0SF5,0 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS1,0SF10 3, 7, 28, 60 12 12 6 C35 NS1,0SF15 3, 7, 28, 60 12 12 6 Tổng số mẫu 252 252 126 3.3.4 Công tác đúc mẫu và bảo dưỡng các mẫu bê tông * Cân đong vật liệu Các loại vật liệu được tính cho mẻ trộn tương ứng với thể tích thùng trộn, cân đong theo khối lượng bằng cân tự động, riêng phụ gia siêu dẻo được cân đong theo thể tích. Các loại vật liệu cho một mẻ trộn phải điều chỉnh theo độ ẩm của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ trước khi đưa vào mẻ trộn. * Kiểm tra độ sụt Độ sụt của hỗn hợp bê tông được thử nghiệm theo TCVN 3106 – 1993 [30]. Độ sụt của các hỗn hợp bê tông dao động (2,0 - 4,0)cm phù hợp theo yêu cầu thiết kế. 70 Hình 3.2 - Công tác trộn và thí nghiệm độ sụt bê tông xi măng * Công nghệ trộn, đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu BTXM sử dụng phụ gia NS và SF Các loại cốt liệu đã được tính cho mẻ trộn. Trước khi trộn, NS được trộn đều vào trong nước bằng máy trộn vữa tốc độ cao, sử dụng một cối trộn bằng thép không gỉ, có dung tích 5 lít (lượng nước khoảng 3 lít và lượng phụ gia nano SiO2 theo tỉ lệ mẻ trộn), cối được gắn vào khung máy trộn sao cho trong suốt thời gian trộn độ an toàn được đảm bảo, chiều cao của cối tương xứng với cánh trộn sao cho khe hở giữa cánh và cối trộn có thể vi chỉnh và cố định được. Cánh trộn chuyển động quay xung quanh trục của nó do chuyển động hành trình của nó quanh trục cối ở các tốc độ được điều khiển bởi một động cơ điện. Hai chiều quay ngược nhau và tỷ số giữa hai tốc độ không phải là một số nguyên (hành trình chiều đi là 80 giây và chiều về là 60 giây). Bê tông được trộn trong máy trộn cưỡng bức với nhiệt độ phòng là 30oC. Sau đó đổ vào trong pha khô (đá, cát, xi măng) đã được trộn đều và tiến hành trọn trong vòng 1 phút. Tiếp theo thêm cho các phụ gia vào (NS+SF), phụ gia siêu dẻo nếu có và trộn trong vòng từ 1-2 phút đến khi hỗn hợp bê tông đồng đều. Bê tông đúc trụ (15x15x30) cm thí nghiệm cường độ nén, mẫu kéo uốn (15x15x60) cm thí nghiệm cường độ kéo uốn, mẫu hình trụ (15x15) cm thí nghiệm cấp chống thấm bê tông xi măng, mẫu trụ (10x20) cm để thí nghiệm thấm nhanh ion clo và mẫu thử chống thấm (15x15) cm. Các mẫu bê tông sau khi đúc được phủ lớp vải trên bề mặt để tránh mất nước trong vòng 24h, sau đó tháo khuôn và đưa vào bể bảo dưỡng cho đến khi thí nghiệm. Công tác đúc và bảo dưỡng mẫu bê tông được tiến hành theo TCVN 3105 – 1993 [29]. Một số ảnh thực nghiệm BTXM thể hiện hình 3.28. 71 Hình 3.3 - Công tác chuẩn bị đúc mẫu BTXM khuôn mẫu trộn BTXM 3.4 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của BTXM Thí nghiệm được tiến hành tại: Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng LAS – XD 238 – Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ và Thiết bị Công nghiệp của Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và phòng thí nghiệm Kiểm định Xây dựng LAS – XD 498 của Liên hiệp khoa học địa chất – Kiểm định nền móng – Xây dựng – Sài gòn. Một số ảnh thực nghiệm thể hiện hình 3.4. 72 Hình 3.4 - Thí nghiệm cường độ nén và kéo uốn mẫu của các mẫu bê tông xi măng * Trình tự thí nghiệm Rku và Rn của bê tông xi măng như sau: - Thí nghiệm cường độ kéo uốn của các mẫu dầm bê tông thực hiện theo TCVN 3119- 1993 [31]. Cường độ kéo uốn của từng mẫu từng mẫu dầm bê tông được xác định theo công thức: Rku = ɣ P.l a.b2 (MPa) (3.19) Trong đó: + P: Tải trọng uốn gẫy của mẫu, kN; + l: Khoảng giữa hai gối tựa, l = 45 cm; + a: Chiều rộng tiết diện ngang của mẫu, a = 15 cm; + b: Chiều cao tiết diện ngang của mẫu, b = 15 cm; + ɣ: Hệ số tính đổi cường độ kéo uốn từ các mẫu kích thước khác dầm chuẩn sang dầm kích thước chuẩn (150x150x600) mm, ɣ = 1,0. - Thí nghiệm cường độ nén của các mẫu bê tông thực hiện theo TCVN 3118-1993. Cường độ nén của từng mẫu từng mẫu dầm bê tông được xác định theo công thức: Rn = P F (MPa) (3.20) Trong đó: + P: Tải trọng uốn gẫy của mẫu, kN; + F: Diện tích chịu nén của viên mẫu (cm2). 73 3.4.1 Phân tích, đánh giá, nhận xét các kết quả thí nghiệm cường độ Rn và Rku của bê tông xi măng 3.4.1.1 Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu thí nghiệm bao gồm các bước sau: a. Đánh giá số mẫu trong tổ mẫu Việc lựa chọn số mẫu trong tổ mẫu rất quan trọng, nếu số mẫu quá ít sẽ không đánh giá được chính xác kết quả thí nghiệm và ngược lại nếu số mẫu quá nhiều sẽ kéo dài thời gian thí nghiệm dẫn đến kết quả bị ảnh hưởng bởi tuổi mẫu và kinh phí thực hiện tăng lên. Các tiêu chuẩn thí nghiệm đều quy định thường là 3, hoặc 2 mẫu mỗi tổ mẫu, kết quả thí nghiệm được đánh giá đảm bảo độ chụm. Số mẫu trong 1 tổ mẫu chọn là 3, kết quả thí nghiệm được đánh giá độ chụm theo các tiêu chuẩn tương ứng. Sử dụng phần mềm thống kê Minitab 18 đánh giá lại số mẫu với tiêu chuẩn t-test, power=0.75 (hệ số  tính toán bằng 1-0.75=0.25) và mức ý nghĩa =0.05. Hình 3.5 - Phân tích lựa chọn số mẫu cho 1 tổ mẫu 1-Sample t Test: Testing mean = null (versus ≠ null) Calculating power for mean = null + difference α = 0.05 Assumed standard deviation = 1 Difference Sample Size Power 3 3 0.75 Để kết quả đủ độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, nghiên cứu được thực hiện với 3 mẫu/tổ mẫu, phát hiện mức sai lệch ±3.0σ với power tính toán được là 0.75 ở mức ý nghĩa =0.05. 74 b. Loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm Độ chụm là mức độ gần nhau giữa các kết quả thử nghiệm độc lập nhận được trong điều kiện quy định. Độ chụm thể hiện chất lượng công tác thí nghiệm, đảm bảo cơ sở khoa học để phân tích đưa ra những kết luận và kiến nghị của đề tài nghiên cứu. Sau khi có kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, đánh giá loại bỏ số liệu ngoại lai (outlier) theo ASTM E178-2015, đánh giá độ chụm theo ASTM C670-2015 với giới hạn chấp nhận được quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm tương ứng. Tiêu chuẩn Grubbs được sử dụng để đánh giá, loại bỏ số liệu ngoại lai của các kết quả thí nghiệm. Hình 3.6 - Minh họa loại bỏ số liệu ngoại lai Rn C35 theo tiêu chuẩn Grubbs – ASTM E178 Đối với mỗi tiêu chuẩn thí nghiệm đều quy định độ chụm tương ứng. Các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành chưa có chuẩn đánh giá độ chụm nên sử dụng các tiêu chuẩn AASHTO và ASTM. Ví dụ với thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn AASHTO T97-2014 thì hệ số biến sai Cv trong phòng thí nghiệm là 5.7%. Theo ASTM C670-2015 độ lệch tối đa giá trị max và min với tổ mẫu có 3 mẫu sẽ là 3.3 Cv. Hình 3.6 và bảng 3.21 ví dụ loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm của cường độ chịu kéo uốn của bê tông C30 ở 28 ngày tuổi, tùy thuộc vào tỷ lệ NS. Kết quả cho thấy không có giá trị ngoại lai (sai số thô) trong tập kết quả và đảm bảo độ chụm. Bảng 3.21 - Ví dụ đánh giá độ chụm của kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn C30 ở 28 ngày TT Chỉ tiêu Mẫu C30T28 NS0 C30T28 NS0.5 C30T28 NS1.0 C30T28 NS1.5 C30T28 NS2.0 1 Cường độ kéo uốn C30 ở tuổi 28 ngày với các tỷ lệ NS, MPa 1 5.32 5.67 5.80 5.67 5.68 2 5.28 5.58 5.87 5.60 5.58 3 5.35 5.63 5.85 5.69 5.68 TB 5.31 5.62 5.84 5.65 5.64 2 Khoảng chênh lệch R: max-min MPa 0.07 0.09 0.07 0.09 0.10 3 Hệ số biến sai cho phép [Cv] % 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 4 Khoảng chấp nhận cho phép so với giá trị trung bình: 3.3xCv % 18.81 18.81 18.81 18.81 18.81 602873 55 50 45 40 35 3 36.16 40.16 2.0 0.635 7 41.32 43.14 2.15 0.396 28 49.7 55.53 1.45 1.000 60 51.89 56.45 1.37 1.000 Tuổi Min Max G P Grubbs' Test Tuổi (ngày) Rn (M Pa ) Biểu đồ loại bỏ số liệu ngoại lai C35 75 5 Giá trị độ lệch cho phép MPa 0.08 0.10 0.08 0.09 0.14 6 Đánh giá: So sánh (2) và (5) - Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt c. Thiết kế thực nghiệm và đánh giá kết quả Thiết kế thực nghiệm DoE (Design of Experiments) và phân tích thống kê với phần mềm Minitab 18 ở độ tin cậy 95%, mức ý nghĩa α=5%. Số mẫu thí nghiệm 3 mẫu/tổ mẫu đảm bảo phát hiện sai khác trong phạm vi ±3α. Thiết kế thí nghiệm tổng quát (General full factorial design). Phân tích phương sai ANOVA và phân tích hậu định phát hiện sai khác theo chuẩn Turkey. 3.4.1.2 Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê cường độ nén, cường độ kéo uốn của bê tông cấp C30, C35 và C40 theo tỷ lệ NS ở các ngày tuổi. Sử dụng phần mềm Minitab18 thiết kế thí nghiệm tổng quát (General full factorial design) và phân tích kết quả. Các biến đầu vào của thiết kế thực nghiệm: 3 biến - Cấp bê tông: Có 3 loại là: C30, C35, C40 - Ngày tuổi: Có 4 ngày là: 3, 7, 28, 60 - Tỷ lệ NS: Có 5 tỷ lệ là: 0% (đối chứng); 0.5%; 1.0%; 1.5%; 2.0% Số mẫu trong tổ mẫu là 3 mẫu. Các kết quả đầu ra cần phân tích thống kê: 2 chỉ tiêu - Cường độ chịu nén Rn - Cường độ chịu kéo uốn Rku Tổng số thí nghiệm: 3x4x5x3 = 180 (mẫu), kết quả được tổng hợp (Phụ lục B mục B.2). a. Phân tích thống kê cường độ nén Rn Kết quả phân tích tất cả các biến số và tổ hợp các biến đều ảnh hưởng đến cường độ chịu nén có ý nghĩa thống kế. Hình 3.7 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rn 76 Biểu đồ phần dư ở hình 3.7 cho thấy phần dư tuân theo quy luật phân bố chuẩn, các giá trị ngẫu nhiên, không theo quy luật và phân bố đều hai bên qua đường “0” như vậy thỏa mãn các điều kiện áp dụng phương pháp thống kê thực nghiệm. Hình 3.8 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rn Biểu đồ Pareto ở hình 3.8 cho thấy tất cả các biến và tương tác giữa các biến (tích các biến) đều ảnh hưởng đến Rn có ý nghĩa thống kê. General Factorial Regression: Rn versus Cấp BT, Tuổi, NS Factor Information Factor Levels Values Cấp BT 3 C30, C35, C40 Tuổi 4 3, 7, 28, 60 NS 5 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 Analysis of Variance Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value Model 35 8337.84 238.22 750.99 0.000 Linear 9 7908.35 878.71 2770.08 0.000 Cấp BT 2 733.24 366.62 1155.75 0.000 Tuổi 3 6724.35 2241.45 7066.07 0.000 NS 4 450.77 112.69 355.26 0.000 2-Way Interactions 26 429.49 16.52 52.08 0.000 Cấp BT*Tuổi 6 325.75 54.29 171.15 0.000 Cấp BT*NS 8 35.84 4.48 14.12 0.000 Tuổi*NS 12 67.90 5.66 17.84 0.000 Model Summary (Tổng hợp mô hình) S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 0.563217 99.46% 99.32% 99.15% Kết quả phân tích ANOVA hệ số xác định điều chỉnh R2đc=99.32%, tất cả các biến và tổ hợp đều có hệ số p-value<<0.05 đảm bảo mức ý nghĩa 95%. Hình 3.9 - Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rn 77 Hình 3.9 thể hiện biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rn. Khi cấp bê tông từ cấp C30, C35 và C40 thì hiển nhiên Rn tăng lên, mức độ tăng khá tương đồng thể hiện độ dốc các đường C30-C35, C35-C40 gần giống nhau. Cường độ nén tăng theo số ngày tuổi, tuy nhiên ở giai đoạn đầu từ 3-7-28 (ngày tuổi) thì cường độ nén phát triển nhanh, từ 28-60 (ngày tuổi) thì mức độ tăng giảm đi. Khi tỷ lệ NS thay đổi thì cường độ nén thay đổi theo và đạt cực trị lớn nhất ở tỷ lệ 1.0% như vậy với tỷ lệ này hợp lý nhất để chế tạo bê tông xi măng làm mặt đường ô tô. Hình 3.10 thể hiện ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến Rn. Với ảnh hưởng Cấp BT*Tuổi thì ở tuổi 28 và 60 (ngày tuổi) với cấp bê tông C35, C40 ảnh hưởng đến Rn lớn hơn so với các ngày tuổi 3, 7 (ngày tuổi). Ảnh hưởng tương tác giữa Cấp BT*NS và Tuổi*NS thì ở tỷ lệ NS=1.0% ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ chịu nén của bê tông. Hình 3.10 - Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rn Regression Analysis: Rn versus Tuổi, NS, Cấp BT Analysis of Variance (Phân tích phương sai ANOVA) Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value Regression 6 7747.59 1291.27 351.28 0.000 Tuổi 1 2586.68 2586.68 703.69 0.000 NS 1 402.62 402.62 109.53 0.000 Cấp BT 2 733.24 366.62 99.74 0.000 Tuổi*Tuổi 1 1257.24 1257.24 342.02 0.000 NS*NS 1 367.80 367.80 100.06 0.000 Model Summary (Tổng hợp mô hình) S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 1.91726 92.41% 92.15% 91.79% 78 Hình 3.11 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C30 95% CI. Hình 3.12 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C35 95% CI. Hình 3.13 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C40 95% CI. Tuổi NS 602873 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 70 60 50 40 30 20 10 0 R n 44 .8 1 47 .2 43 3 49 .6 96 7 48 .0 73 3 42 .6 76 7 42 .7 93 3 45 .1 5 46 .8 5 45 .6 56 7 40 .9 23 3 38 .5 53 3 40 .6 06 7 40 .8 23 3 39 .4 33 3 36 .2 06 7 33 .9 46 7 35 .8 63 3 36 .8 83 3 35 .6 8 32 .5 9 95% CI for the Mean Individual standard deviations are used to calculate the intervals. Biểu đồ cường độ nén Rn-C30 Tuổi NS 602873 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 70 60 50 40 30 20 10 0 Rn 49 .4 26 7 49 .9 56 7 54 .1 53 3 49 .5 4 47 .2 13 3 48 .0 43 3 48 .1 06 7 52 .4 26 7 48 .0 06 7 45 .7 03 3 39 .8 63 3 40 .0 03 3 41 .1 4 39 .4 63 3 38 .9 3 35 .0 66 7 35 .4 36 7 35 .7 73 3 35 .1 56 7 33 .2 3 95% CI for the Mean Individual standard deviations are used to calculate the intervals. Biểu đồ cường độ nén Rn-C35 Tuổi NS 602873 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 2. 01.51.00. 5 0. 0 70 60 50 40 30 20 10 0 Rn 53 .7 6 54 .0 86 7 58 .0 7 53 .9 46 7 51 .5 6 50 .9 23 3 53 .0 6 56 .7 97 53 .0 13 3 50 .3 4 40 .242 .1 36 7 43 .3 26 7 41 .8 43 3 40 35 .4 13 3 35 .9 96 7 36 .7 7 36 .1 63 3 35 .5 9 95% CI for the Mean Individual standard deviations are used to calculate the intervals. Biểu đồ cường độ nén Rn-C40 79 * Nhận xét: Kết quả các hình 3.11, hình 3.12 và hình 3.13 là biểu đồ cường độ nén của bê tông các cấp 30, 35 và 40 MPa với khoảng tin cậy 95%. Nhận thấy các kết quả đảm bảo độ chụm, có sự khác biệt cường độ nén theo ngày tuổi và ứng với tỷ lệ NS=1.0% thì cường độ nén cho giá trị lớn nhất có ý nghĩa thống kê. Phương trình hồi quy cường độ nén của bê tông các cấp theo tuổi và NS xác định với các hệ số đều có ý nghĩa thống kê p-value<<0.05 và hệ số xác định điều chỉnh R2đc=92.15% (khoảng nghiên cứu 3 ngày tuổi đến 60 ngày tuổi). C30 Rn = 29.392 + 0.7538 Tuổi + 7.457 NS - 0.008075 Tuổi*Tuổi - 3.417 NS*NS (3.21) C35 Rn = 31.501 + 0.7538 Tuổi + 7.457 NS - 0.008075 Tuổi*Tuổi - 3.417 NS*NS (3.22) C40 Rn = 34.319 + 0.7538 Tuổi + 7.457 NS - 0.008075 Tuổi*Tuổi - 3.417 NS*NS (3.23) Phương trình hồi quy có dạng giống nhau, các hệ số của các phương trình C30, C35 và C40 giống nhau nhưng các số hạng tự do khác nhau lần lượt là 29.392, 31.501 và 34.319. b. Phân tích thống kê cường độ kéo uốn Rku Kết quả phân tích tất cả các biến số và tổ hợp các biến đều ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo uốn có ý nghĩa thống kế. Hình 3.14 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rku Biểu đồ phần dư ở hình 3.14 cho thấy phần dư tuân theo quy luật phân bố chuẩn, các giá trị ngẫu nhiên, không có quy luật và phân bố đều hai bên qua đường “0” như vậy thỏa mãn các điều kiện áp dụng phương pháp thống kê thực nghiệm. Hình 3.15 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rku 80 Biểu đồ Pareto ở hình 3.15 cho thấy tất cả các biến và tương tác giữa các biến (tích các biến) đều ảnh hưởng đến Rku có ý nghĩa thống kê. General Factorial Regression: Rku versus Cấp BT, Tuổi, NS Factor Information Factor Levels Values Cấp BT 3 C30, C35, C40 Tuổi 4 3, 7, 28, 60 NS 5 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 Analysis of Variance Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value Model 35 150.376 4.2964 267.28 0.000 Linear 9 147.311 16.3679 1018.23 0.000 Cấp BT 2 16.455 8.2276 511.83 0.000 Tuổi 3 127.169 42.3897 2637.03 0.000 NS 4 3.687 0.9216 57.33 0.000 2-Way Interactions 26 3.065 0.1179 7.33 0.000 Cấp BT*Tuổi 6 1.080 0.1800 11.20 0.000 Cấp BT*NS 8 1.358 0.1698 10.56 0.000 Tuổi*NS 12 0.626 0.0522 3.25 0.000 Model Summary (Tổng hợp mô hình) S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 0.126786 98.48% 98.12% 97.63% Kết quả phân tích ANOVA hệ số xác định điều chỉnh R2đc=98.12%, tất cả các biến và tổ hợp đều có hệ số p-value<<0.05 đảm bảo mức ý nghĩa 95%. Hình 3.16 - Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rku * Nhận xét: Hình 3.16 thể hiện biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rku. Các quy luật cũng tương tự như đối với thí nghiệm nén. Khi cấp bê tông từ cấp C30, C35 và C40 thì hiển nhiên Rku tăng lên, mức độ tăng khá tương đồng thể hiện độ dốc các đường C30-C35, C35-C40 gần giống nhau. Cường độ kéo uốn tăng theo số ngày tuổi, tuy nhiên ở giai đoạn đầu từ 3-7-28 (ngày tuổi) thì cường độ kéo uốn phát triển nhanh, từ 28-60 (ngày tuổi) thì mức độ tăng giảm đi. Khi tỷ lệ NS thay đổi thì cường độ kéo uốn thay đổi theo và đạt cực trị lớn nhất ở tỷ lệ 1.0% như vậy với tỷ lệ này hợp lý nhất để chế tạo bê tông xi măng làm mặt đường ô tô. 81 Hình 3.17 thể hiện ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến Rku. Với ảnh hưởng Cấp BT*Tuổi thì ở tuổi 28 và 60 (ngày tuổi) với cấp bê tông C35, C40 ảnh hưởng đến Rku lớn hơn so với các ngày tuổi 3, 7 (ngày tuổi). Ảnh hưởng tương tác giữa Cấp BT*NS và Tuổi*NS thì ở tỷ lệ NS=1.0% ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ kéo uốn của bê

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_be_tong_xi_mang_su_dung_phu_gia_nano_sio2.pdf
Tài liệu liên quan