Luận án Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam

1. 127 14 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 Ứng suất kéo (MPa) kéo suất Ứng Ứng suất kéo (MPa) kéo suất Ứng 2 2 0 0 0 0.002 0.004 0.006 0 0.002 0.004 0.006 Biến dạng Biến dạng ngoài đàn hồi (c) ứng suất kéo – biến dạng BT (d) ứng suất kéo – biến dạng ngoài ĐH BT 400 350 300 250 200 150 100 Ứng suất kéo (MPa) kéo suất Ứng 50 0 0 0.01 0.02 0.03 Biến dạng (e) ứng suất kéo – biến dạng của thép Hình 5.11 Các đường cong quan hệ giữa (a) ứng suất nén – biến dạng, (b) ứng suất nén – biến dạng ngoài đàn hồi, (c) ứng suất kéo – biến dạng, (d) ứng suất kéo – biến dạng ngoài đàn hồi của bê tông HVFA UHPC sử dụng hàm lượng cốt sợi 2%, (e) ứng suất kéo – biến dạng của thép 5.6.3 Loại phần tử, chia lưới mô hình, liên kết giữa bê tông và cốt thép Phần tử khối 3 chiều 8 nút tuyến tính được gán cho các phần tử bê tông và thanh cốt thép. Các phần tử được chia tự động dưới dạng phân vùng có kích thước khoảng 20mm cho vật liệu bê tông và cốt thép. Các phần tử cốt thép dọc và bê tông được coi có liên kết bám dính tuyệt đối.
2. 129 120 100 80 60 40 Tải trọng (kN) trọng Tải 20 0 0 5 10 15 20 25 Độ võng (mm) Hình 5.14 Biểu đồ quan hệ độ võng và biến dạng dầm HVFA UHPC (2% sợi thép) Với hàm lượng cốt sợi 2% tải trọng phá hoại xác định được theo ABAQUS là 111,48KN. So với kết quả thực nghiệm Pph là 105KN thì việc dự đoán bằng mô phỏng cho kết quả có độ chính xác đến 94,19%. Nhận xét: - Xét theo điều kiện bền, tải trọng phá hoại của mẫu dầm 0%, 1%, 2%, 3% lần lượt là 67; 99; 105; 115KN. Như vậy so với mẫu dầm đối chứng 0% cốt sợi thì tải trọng phá hoại của mẫu dầm 1%, 2%, 3% cốt sợi tăng lần lượt là 147,8%; 156,7%; 171,64%. - Xét theo điều kiện cứng, tải trọng gây ra độ võng lớn nhất tại giữa dầm ymax/L=1/200 (tương ứng với ymax=10mm) của mẫu dầm 0%, 1%, 2%, 3% lần lượt là 60,78; 90,37; 101,9; 111,37KN. Như vậy so với mẫu dầm đối chứng 0% cốt sợi thì tải trọng phá hoại xét theo điều kiện cứng của mẫu dầm 1%, 2%,3% cốt sợi tăng lần lượt là 148,68%; 167,65%; 182,69%. - Xét theo điều kiện mở rộng vết nứt, tải trọng mở rộng vết nứt lớn nhất của mẫu dầm 0%, 1%, 2%, 3% lần lượt là 25, 56, 85, 100KN. Như vậy so với mẫu dầm đối chứng 0% cốt sợi thì tải trọng phá hoại xét theo điều kiện mở rộng vết nứt của mẫu dầm 1%, 2%, 3% cốt sợi tăng lần lượt là 224%, 340%, 400%. Từ kết quả nghiên cứu ứng xử dầm bê tông HVFA UHPC thấy rằng hoàn toàn có thể sử dụng cấp phối bê tông HVFA UHPC để chế tạo các chi tiết kết cấu chịu lực cho công trình. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tìm được hệ số Rk =0,8 cho dầm bê tông HVFA UHPC.
3. 131 KẾT LUẬN KẾT LUẬN Dựa trên các kết quả nghiên cứu đạt được, luận án đưa ra một số kết luận như sau: (1) Trên cơ sở các nguyên lý khoa học về UHPC và các vật liệu sẵn có (gồm xi măng PC50, FA, SF, PGSD, sợi thép phân tán) và điều kiện máy móc, thiết bị trong phòng thí nghiệm ở Việt Nam hoàn toàn chế tạo được HVFA UHPC với hàm lượng FA sử dụng lớn hơn 50% để đạt được cường độ nén trên 120 MPa, cường độ uốn đạt trên 15 MPa (khi sử dụng cốt sợi thép phân tán), và mô đun đàn hồi lớn hơn 40 GPa. (2) Khi sử dụng phụ gia đơn khoáng FA chỉ có thể chế tạo bê tông UHPC có cường độ nén lớn hơn 120 MPa với hàm lượng FA sử dụng tối đa là 30%. Tuy vậy, khi kết hợp với 10%SF cường độ nén của bê tông UHPC đã đạt được 120 MPa ở điều kiện bảo dưỡng thường, và đặc biệt ở bảo dưỡng nhiệt ẩm, hoàn toàn có thể sử dụng 50%FA để chế tạo bê tông UHPC với cường độ nén đạt 127-135 MPa ở tuổi sớm 3 ngày đến 28 ngày. Đây là một trong các quy luật khoa học được chứng minh trong luận án này, theo đó sự kết hợp FA với PGK hoạt tính mạnh SF và bảo dưỡng nhiệt ẩm đã nâng cao chất lượng HVFA UHPC. (3) Đã xây dựng được mối quan hệ giữa cường độ UHPC lớn nhất có thể đạt được với hàm lượng FA tương ứng. Từ đó cho thấy hàm lượng FA lớn nhất để chế tạo bê tông HVFA UHPC đạt được cường độ nén 120 MPa ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn và 150 MPa ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm là 52,5%, trong đó bê tông đã chứa 10%SF, nghĩa là tổng hàm lượng phụ gia khoáng là 62,5%, hàm lượng xi măng khi đó là 37,5% (tương đương 450 kg) để chế tạo bê tông UHPC. Trong trường hợp đạt cường độ nén 120 MPa thì với điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm có thể sử dụng đến trên 80% phụ gia khoáng, nghĩa là ít hơn 220 kg xi măng cần sử dụng để chế tạo bê tông UHPC. (4) Phương pháp thiết kế thành phần bê tông HVFA UHPC được thiết lập thông qua 5 bước dựa trên cơ sở (1) nghiên cứu lựa chọn vật liệu đầu vào, (2) tối ưu hóa về thành phần hạt của các vật liệu theo mô hình lèn chặt dạng nén De Larrard, đồng thời có xét đến (3) sự lựa chọn và điều chỉnh tỷ lệ N/CKD và (4) điều kiện bảo dưỡng, kể cả (5) thời gian bảo dưỡng nhiệt ẩm tối ưu cho HVFA UHPC. (5) Mô hình dự báo cường độ HVFA UHPC theo thời gian với chế độ bảo dưỡng khác nhau đã được thiết lập trên cơ sở mô hình của fib 2010, trong đó có kể đến hàm lượng FA sử dụng. ' 4 fc = 6 4[(M M ) (N CKD)] fc
4. 133 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Pham Sy Dong, Le Trung Thanh, Nguyen Van Tuan and Nguyen Cong Thang (2018), Sustainable development of ultra high performance concrete mixture using high volume of fly ash in Vietnam, Proceedings of the 2nd International Conference on UHPC Materials and Structures UHPC – China (PRO-129), RILEM, pp. 161-170. (ISBN:978- 2-35158-219-0). 2. Sy Dong Pham, Van Tuan Nguyen, Trung Thanh Le, Cong Thang Nguyen (2019), Possibility of using high volume fly ash to produce low cement Ultra High Performance Concrete, Proceedings of the International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture (ICSCEA), Ho Chi Minh city, Vietnam, pp. 589- 597, ISBN 978-981-15-5144-4, ISSN 2366-2557, DOI 981-15-5144-4_56 (Indexed by SCOPUS). 3. Pham Sy Dong, Nguyen Van Tuan*, Le Trung Thanh, Nguyen Cong Thang, Viet Hung Cu and Ju-Hyun Mun (2020), Compressive Strength Development of High- Volume Fly Ash Ultra-High-Performance Concrete under Heat Curing Condition with Time, Applied Sciences 2020, 10, 7107, ISSN 2076-3417, IF=2.474, ISSN 2076-3417, DOI: (SCIE, Q2). 4. Pham Sy Dong, Le Trung Thanh, Nguyen Van Tuan*, Nguyen Cong Thang, Yang Keun-Hyeok (2021), Mix design of High Volume Fly Ash Ultra High Performance Concrete, Journal of Building Science and Technology, Vietnam, pp. 197-208, ISSN 1859-2996, 15(4) (10-2021), DOI: 15(4)-17 (ACI).
5. 135 [16] de Larrard .F and Sedran .T (1994). Optimization of ultra-high-performance concrete by the use of a packing model. Cement and Concrete Research, 24(6): pp. 997-1009. [17] Huu P.D. (2011). Research on production technology of super high strength concrete for application in bridge and high rise building. Project for Science and technology of Ministry, B2010-04-130-TĐ, 2011. [18] Jones M., Zheng L., and Newlands M. (2002). Comparison of particle packing models for proportioning concrete constitutents for minimum voids ratio. Materials and Structures, 35(5): pp. 301-309. [19] Kim S.W., Kang S.T., and Koh K.T. (2008). Influence of the Ingredients on the Compressive Strength of UHPC as a Fundamental Study to Optimize the Mixing Proportion. in Proceedings of the 2nd International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel, Germany: pp. 105-112. [20] Ma J. and Dietz J. (2002). Ultra High Performance Self Compacting Concrete. LACER No. 7, 2002, p.33-42. [21] Ma J., Orgass M., Dehn F., Schmidt F., and Tue N.V. (2004). Comparative Investigations on Ultra-High Performance Concrete with and without Coarse Aggregates. Proceedings of the 1st International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel, Germany: pp. 205-212. [22] Marsh B.K. and Day R.L. (1988). Pozzolanic and cementitious reactions of fly ash in blended cement pastes. Cement and Concrete Research, 18(2): pp. 301-310. [23] Mehta P.K. and Malhotra V. (2008). High performance, high volume fly ash concrete. ACCA. [24] Mehta P.K. and Monteiro P.J.M. (2011). Concrete Microstructure, Properties and Materials, ed. the First Edition. University of California. [25] MidgleyH.G (1979). The determination of calcium hydroxide in set Portland cements. , Cement and Concrete Research, 9(1): pp. 77-82. [26] Richard P. and Cheyrezy M.H. (1994). Reactive Powder concretes with high ductility and 200-800 MPa compressive strength. ACI Special Publication, V. 144, 1994, pp. 507–518. doi:10.14359/4536. [27] Richard .P and Cheyrezy M.H (1994). "Reactive Powder concretes with high ductility and 200-800 MPa compressive strength." in Mehta, P.K. (ED). Concrete Technology: Past, Present and Future, Proceedings of the V. Mohan Malhotra Symposium: pp. ACI SP 144-24, 507-518, 507. [28] Soutsos M., Millard S.G., and Karaiskos K. (2005). Mix Design, Mechanical Properties and Impact Resistance of Reactive Powder Concrete (RPC). in International Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications, RILEM. Hawaii, USA, pp. [29] Thanh L.T. (2008). Ultra Performance Fibre Reinforced Concrete paving Flags. University of Liverpool. [30] Trinh B.P., Hoang K.H., and Chanh N.V. (2009). Recent Research On New Ultra High Performance Concrete. International Conference on Civil and EnvironmentalEngineering, ICCEE-2009, Pukyong National University: pp. 1-8.
6. 137 [47] Birchall J., Howard A., and Kendall K. (1981). Flexural strength and porosity of cements. Nature, 289(5796): pp. 388-390. [48] Blais P.Y. and Couture M. (1999). Precast, prestressed pedestrian bridge-world's first reactive powder concrete bridge. PCI journal, 44(5). [49] Buck J.J., McDowell D.L., and Zhou M. (2013). Effect of microstructure on load- carrying and energy-dissipation capacities of UHPC. Cement and concrete research, 43: pp. 34-50. [50] Bunje K. and Fehling E. (2002). About the fatigue limit (mechanical durability) of Ultra High Performance Concrete. in 4 th International Ph. D. Symposium in Civil Engineering. pp. 21. [51] Camacho E. (2013). Dosage optimization and bolted connections for UHPFRC ties. Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Doctor of Science UPV, Universitat Politectica de Valencia. [52] Camões A. (2006). Durability of high volume fly ash concrete. [53] Cheyrezy M., Maret V., and Frouin L. (1995). Microstructural analysis of RPC (reactive powder concrete). Cement and concrete research, 25(7): pp. 1491-1500. [54] Chindaprasirt P., Jaturapitakkul C., and Sinsiri T. (2005). Effect of fly ash fineness on compressive strength and pore size of blended cement paste. Cement and Concrete Composites, 27(4): pp. 425-428. [55] Chindaprasirt P., Homwuttiwong S., and Jaturapitakkul C. (2007). Strength and water permeability of concrete containing palm oil fuel ash and rice husk–bark ash. Construction and Building Materials, 21(7): pp. 1492-1499. [56] Corvez D. and Masson B. (2013). UHPFRC solutions for the retrofit of nuclear reactor containment walls. Proceedings UHPFRC: pp. 147-156. [57] Delplace G., Hajar Z., Simon A., Chanut S., and Weizmann L. (2013). Precast thin UHPFRC curved shells in a waste water treatment plant. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, France. pp. 49-58. [58] Denarié E. (2005), SAMARIS D22-Full scale application of UHPFRC for the rehabilitation of bridges–from the lab to the field, SAMARIS. [59] Deschner F., Winnefeld F., Lothenbach B., Seufert S., Schwesig P., Dittrich S., Goetz- Neunhoeffer F., and Neubauer J. (2012). Hydration of Portland cement with high replacement by siliceous fly ash. Cement and Concrete Research, 42(10): pp. 1389- 1400. [60] Dhir R.K., Hewlett P.C., and Csetenyi L.J. (2002). Innovations and developments in concrete materials and construction: proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 9-11 September 2002. Thomas Telford. [61] Dunstan M., Thomas M., Cripwell J., and Harrison D. (1992). Investigation into the long-term in-situ performance of high fly ash content concrete used for structural applications. Special Publication, 132: pp. 1-20. [62] Edwards P. (2015), The rise and potential peak of cement demand in the urbanized World, Cornerstone, 16 June 2015.
7. 139 bridge. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, France. pp. 117-126. [78] Halse Y., Pratt P., Dalziel J., and Gutteridge W. (1984). Development of microstructure and other properties in flyash OPC systems. Cement and Concrete Research, 14(4): pp. 491-498. [79] Heidrich C. (2002). Ash Utilisation-An Australian Perspective. in Geopolymers 2002 International Conference, Melbourne, Australia, Siloxo. pp. [80] Jammes F.-X., Cespedes X., and Resplendino J. (2013). Design of offshore wind turbines with UHPC. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, France. pp. 443-452. [81] Jo B.-W., Kim C.-H., Tae G.-h., and Park J.-B. (2007). Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles. Construction and building materials, 21(6): pp. 1351- 1355. [82] Jooss M. and Reinhardt H.W. (2002). Permeability and diffusivity of concrete as function of temperature. Cement and Concrete Research, 32(9): pp. 1497-1504. [83] Kamen A., Denarié E., Sadouki H., and Brühwiler E. (2008). Thermo-mechanical response of UHPFRC at early age—Experimental study and numerical simulation. Cement and Concrete Research, 38(6): pp. 822-831. [84] Kaptijn N. and Blom J. (2002). A New Bridge Deck for the Kaag Bridges The First CRC (Compact Reinforced Composite) Application in Civil Infrastructure. Science and Engineering of Composite Materials, 10(6): pp. 397-402. [85] Kiattikomol K., Jaturapitakkul C., Songpiriyakij S., and Chutubtim S. (2001). A study of ground coarse fly ashes with different finenesses from various sources as pozzolanic materials. Cement and concrete composites, 23(4-5): pp. 335-343. [86] Kim B.-S., Kim S., Kim Y.-J., Park S.Y., Koh K.-T., and Joh C. (2013). Application of ultra high performance concrete to cable stayed bridges. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. Marseille, France. pp. 413-422. [87] King D. (2012), The effect of silica fume on the properties of concrete as defined in Concrete, in Society Report 74, Cementitious Materials. 37th Our World in Concrete & Structures: 29–31 August 2012, Singapore. [88] Klee H. (2009). The cement sustainability initiative: recycling concrete. World Business Council for Sustainable Development (WBCSD): Geneva, Switzerland. [89] Lam L., Wong Y., and Poon C. (2000). Degree of hydration and gel/space ratio of high-volume fly ash/cement systems. Cement and Concrete Research, 30(5): pp. 747-756. [90] Le T.T. (2008). Ultra high performance fibre reinforced concrete paving flags. University of Liverpool. [91] Lee M.-G., Wang Y.-C., and Chiu C.-T. (2007). A preliminary study of reactive powder concrete as a new repair material. Construction and building Materials, 21(1): pp. 182-189. [92] Lei V.-Y., Nematollahi B., Said A.B.M., Gopal B.A., and Yee T.S. (2012). Application of ultra high performance fiber reinforced concrete–The Malaysia perspective.
8. 141 [107] Mills R. (1966). Factors influencing cessation of hydration in water cured cement pastes. Highway Research Board Special Report,(90). [108] Mindess S. and Young J.F. (1981). Concrete. Prentice-Hall. 671. [109] MONTEIRO P. (1985). Microstructure of Concrete and Its Influence on the Mechanical Properties, Berkeley: University of California, 153 p. Thesis, Doctor of Philosophy in Civil Engineering)–Graduate Division . [110] Moreillon L. and Menétrey P. (2013). Rehabilitation and strengthening of existing RC structures with UHPFRC: various applications. in RILEM-fib-AFGC Int. Symposium on Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete, France: RILEM Publication SARL. pp. 127-136. [111] Muttoni A., Brauen U., Jaquier J.-L., and Moullet D. (2013). A new roof for the olympic museum at Lausanne, Switzerland. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. pp. 69-76. [112] Nath P. and Sarker P. (2011). Effect of fly ash on the durability properties of high strength concrete. Procedia Engineering, 14: pp. 1149-1156. [113] Nematollahi B., Saifulnaz M., Jaafar S., and Voo Y.L. (2012). A review on ultra high performance ‘ductile’concrete (UHPdC) technology. International Journal of Civil & Structural Engineering, 2(3): pp. 1003-1018. [114] Ngo T., Mendis P., and Krauthammer T. (2007). Behavior of ultrahigh-strength prestressed concrete panels subjected to blast loading. Journal of Structural Engineering, 133(11): pp. 1582-1590. [115] Nguyen V.T. (2011). Rice husk ash as a mineral admixture for ultra high performance concrete. [116] Nöldgen M., Fehling E., Riedel W., and Thoma K. (2012). Ultra high performance concrete structures under aircraft engine missile impact. in Proceedings of the 3rd international symposium on ultrahigh performance concrete and nanotechnology for high performance construction materials, Kassel. pp. 593-600. [117] Obla K.H., Hill R.L., Thomas M.D., Shashiprakash S.G., and Perebatova O. (2003). Properties of concrete containing ultra-fine fly ash. ACI materials journal, 100(5): pp. 426-433. [118] Obla K.H., Lobo C.L., and Kim H. (2012). The 2012 NRMCA supplementary cementitious materials use survey. NRMCA Concrete Infocus, Summer. [119] Ono T. (2011). Application of Ultra‐high‐strength Fiber‐reinforced Concrete for Irrigation Channel Repair Works. Designing and Building with UHPFRC: pp. 541- 552. [120] Perry V. (2006). Ductal®-A revolutionary new material for new solutions. Association of Professional Engineers and Geoscientists of the Province of Manitoba (APEGM)[download apegm. mb. ca/pdnet/papers/ductal. pdf][Accessing date 20th Nov. 2010]. [121] Plank J., Schroefl C., Gruber M., Lesti M., and Sieber R. (2009). Effectiveness of polycarboxylate superplasticizers in ultra-high strength concrete: the importance of PCE compatibility with silica fume. Journal of Advanced Concrete Technology, 7(1): pp. 5-12.
9. 143 [137] Shi C., Wu Z., Xiao J., Wang D., Huang Z., and Fang Z. (2015). A review on ultra high performance concrete: Part I. Raw materials and mixture design. Construction and Building Materials, 101: pp. 741-751. [138] Shi Y., Long G., Ma C., Xie Y., and He J. (2019). Design and preparation of ultra-high performance concrete with low environmental impact. Journal of Cleaner Production, 214: pp. 633-643. [139] Siddique R. and Khan M.I. (2011) Ground granulated blast furnace slag, in Supplementary cementing materials. Springer. p. 121-173. [140] Siddique R. and Khan M.I. (2011). Supplementary cementing materials. Springer Science & Business Media. [141] Tai Y. (2009). Flat ended projectile penetrating ultra-high strength concrete plate target. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 51(2): pp. 117-128. [142] Tanaka Y., Maekawa K., Kameyama Y., Ohtake A., Musha H., and Watanabe N. (2011). The innovation and application of UHPFRC bridges in Japan. Designing and Building with UHPFRC: pp. 149-188. [143] Thomas M. (2007). Optimizing the use of fly ash in concrete. Vol. 5420. Portland Cement Association Skokie, IL. [144] Tirimanna D. and Falbr J. (2013). FDN modular UHPFRC bridges. in Proceedings of International Symposium on Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete. pp. 0395-0404. [145] Toutlemonde F. and Resplendino J. (2011). Designing and Building with UHPFRC: State of the Art and Development. ISTE. [146] Van V.T.A. (2013). Characteristics of rice husk ash and application in Ultra-High Performance Concrete. [147] Vande Voort T.L., Suleiman M.T., and Sritharan S. (2008), Design and performance verification of UHPC piles for deep foundations, Iowa State University. Center for Transportation Research and Education. [148] Verbeck G.J. and Helmuth R.A. (1968), Structures and physical properties of cement paste, in The 5th Int. Symp. On the Chemistry of Cement, Tokyo. p. 1-32. [149] Vernet C.P. (2004). Ultra-durable concretes: structure at the micro-and nanoscale. MRS bulletin, 29(5): pp. 324-327. [150] Voo Y. and Poon W. (2009). Ultra High performance ductile concrete (UHPdC) for Bridge engineering. in Proceedings of the International Conference and Exhibition on Bridge Engineering, Kuala Lumpur. pp. [151] Voo Y. (2017). Ultra High Performance Concrete”-Technology for Present and Future ACI Singapore. in Building Construction Authority Joint Seminar on Concrete for Sustainability, Productivity and The Future. pp. [152] Voo Y.L. and Foster S.J. (2010). Characteristics of ultra-high performance ‘ductile’concrete and its impact on sustainable construction. The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering, 3(3): pp. 168-187.