Luận văn Ứng xử cấu kiện bê tông cốt thép cốt liệu xỉ thép (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng xử cấu kiện bê tông cốt thép cốt liệu xỉ thép (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒNG VŨ ỨNG XỬ CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU XỈ THÉP NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 S K C0 0 4 6 6 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. MỤC LỤC CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 9 1.1 Tổng quan 9 1.1.1 Nguồn gốc xỉ thép 9 1.1.2 Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép 10 1.1.2.1 Xỉ thép 10 1.1.2.2 Bê tông cốt liệu xỉ thép 12 1.1.2.3 Cấu kiện xỉ thép 15 1.1.3 Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép 15 1.2 Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu 15 1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài 15 1.2.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 16 1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16 1.2.4 Phương pháp nghiên cứu 17 1.2.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 18 CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP 19 2.1 Mối tương quan giữa cốt liệu xỉ và cốt liệu thiên nhiên 19 2.1.1 Khái quát về xỉ thép 19 2.1.2 Tính chất hoá học của xỉ thép 20 2.1.3 Tính chất cơ lý của xỉ thép 22 2.1.4 Ưu điểm của xỉ thép 23 2.1.5 Ứng dụng của xỉ thép 23 2.1.6 Vai trò của xỉ thép 24 2.2 Khả năng sử dụng xỉ trong bê tông 26 1
3. 2.2.1 Một số kết quả nghiên cứu 26 2.2.2 Thiết kế cấp phối bê tông xỉ và vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 34 2.2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp 34 2.2.2.2 Các bước thực hiện: 35 2.2.3 Bảng tra thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông thông thường 38 2.2.4 So sánh bê tông xỉ và bê tông thường 40 2.3 Khả năng sử dụng bê tông xỉ cho các cấu kiện dầm 40 2.4 Khả năng chịu lực của cấu kiện dầm 43 2.4.1 Các đặc trưng ký hiệu 43 2.4.2 Tính toán khả năng chịu lực của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ nhất (TCVN 5574:2012) 44 2.4.3 Tính toán độ võng của dầm bê tông theo trạng thái giới hạn thứ hai (TCVN 5574:2012) 45 2.4.4 Vết nứt 46 CHƯƠNG III: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 49 3.1 Nguyên liệu sử dụng 49 3.1.1 Cốt liệu xỉ thép 49 3.1.2 Cốt liệu lớn (đá dăm) 51 3.1.3 Cốt liệu mịn (cát vàng) 53 3.1.4 Nước 54 3.1.5 Xi măng 55 3.2 Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép 56 3.3 Thí nghiệm cấu kiện dầm 57 3.3.1 Mục đích thí nghiệm 57 3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm 57 2
4. 3.3.2.1 Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gage (cảm biến điện trở dây) 58 3.3.2.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) 58 3.3.2.3 Máy uốn cấu kiện 59 3.3.2.4 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger) 60 3.3.3 Công tác chuẩn bị 61 3.3.4 Trình tự thí nghiệm 61 3.3.5 Kiểm tra mẫu thử 63 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP 65 4.1 Kết quả thí nghiệm 65 4.1.1 Kết quả nén mẫu bê tông 65 4.1.2 Kết quả uốn cấu kiện dầm bê tông cốt thép 67 4.1.2.1 Biến dạng 69 4.1.2.2 Chuyển vị giữa dầm 77 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết 84 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 85 5.1 Kết luận và đánh giá 85 5.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 3
5. DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Thành phần hoá học của xỉ thép (đơn vị %) 21 Bảng 2. So sánh tính vật lý của xỉ thép với đá vôi tự nhiên và đá bazan 23 Bảng 3. Ứng dụng từ xỉ thép (Nguồn : Euroslag 2006) 24 3 Bảng 4. Khối lượng cần thiết cho 1m bê tông xỉ 26 Bảng 5. Cường độ tại 28 ngày tuổi của bê tông xỉ thép 26 Bảng 6. Cường độ chịu nén tại 28, 90, 180 và 360 ngày tuổi 26 Bảng 7. Cấp phối sử dụng trong thí nghiệm 28 Bảng 8. Thành phần hoá học của xỉ sắt 30 Bảng 9. So sánh các tính chất của đá dăm và xỉ sắt 30 Bảng 10. Cấp phối bê tông cốt liệu xỉ sắt 30 Bảng 11. Những tính chất của bê tông dùng cốt liệu xỉ 31 Bảng 12. Độ bền của bê tông dùng cốt liệu xỉ 31 Bảng 13. Kết quả so sánh bê tông sử dụng 60% đá dăm và bê tông sử dụng cốt liệu xỉ lần lượt 45%, 50%, 55%, 60% và 65% 32 Bảng 14. Cấp phối bê tông mác 500, 600, 700 dùng cốt liệu là xỉ sắt 32 Bảng 15. Thành phần cỡ hạt của xỉ trong bê tông asphalt 33 Bảng 16. Mẻ trộn bê tông nén 36 Bảng 17. Bảng tra cấp phối 1 38 Bảng 18. Bảng tra cấp phối 2 39 Bảng 19. Bảng tra cấp phối 3 39 Bảng 20. Bảng tra cấp phối 4 39 Bảng 21. Bảng tra cấp phối 5 40 Bảng 22. Bảng cấp phối và đặc trưng mẫu thử 41 Bảng 23. Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN 50 4
6. Bảng 24. Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép 51 Bảng 25. Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng 52 Bảng 26. Các chi tiêu cơ lý của cát sử dụng 54 Bảng 27. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng sử dụng 55 3 Bảng 30. Bảng cấp phối thay thế xỉ cho đá tự nhiên (1m ) 56 Bảng 31. Kết quả chịu nén của mẫu 65 Bảng 32. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết 84 5
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1. Công trình cổ đại 9 Hình 2. Xỉ thép 11 Hình 3. Xỉ thép nghiền thay thế cốt liệu mịn 13 Hình 4. Gạch xỉ thép 13 Hình 5. Quy trình sản xuất thép lò điện hồ quang 20 Hình 6. Thành phần khoáng trong xỉ thép 22 Hình 7. Ứng dụng xỉ thép vào các mục đích chính (Nguồn : Euroslag 2006) 24 Hình 8. Quy trình tái chế xỉ thành sản phẩm có ích (Euroslag 2006) 25 Hình 9. Cường độ chịu nén tại 28 , 90, 180, 360 ngày với các tỉ số N/CKD khác nhau 27 Hình 10. Cường độ nén theo thời gian 28 Hình 11. So sánh cường độ nén tại 28 ngày 29 Hình 12. Độ giãn nở của vữa xi măng cát và xỉ 29 Hình13. Đường cong cấp phối cùa cốt liệu xỉ sắt cho bê tông xi măng theo ASTM C33 32 Hình 14. Mô hình tính toán 41 Hình 15. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 41 Hình 16. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị 42 Hình 17. Quan hệ giữa moment và vết nứt 42 Hình 18. Quan hệ giữa moment và độ cong 43 Hình 19. Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất 44 Hình 20. Vết nứt do ứng suất pháp 46 Hình 21. Xỉ thép thay cốt liệu thô tự nhiên 50 Hình 22. Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép sử dụng 51 6
8. Hình 23. Đá dăm 52 Hình 24. Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng 53 Hình 25. Cát vàng 53 Hình 26. Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 54 Hình 27. Xi măng 55 Hình 28. Strain gauge 58 Hình 29. Thiết bị đo chuyển vị 59 Hình 30. Máy uốn cấu kiện 60 Hình 31. Máy ghi số liệu thực nghiệm 60 Hình 32. Gia công cốt thép và ván khuôn 61 Hình 33. Quá trình trộn bê tông 62 Hình 34. Công tác đầm dùi 62 Hình 35. Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm 63 Hình 36. Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 300 mm 63 Hình 37. Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm 64 Hình 38. Thiết kế dầm tính toán 64 Hình 39. Vị trí Strain gauge và LVDT 64 Hình 40. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm 67 Hình 41. Tải trọng phá hoại các mẫu dầm thí nghiệm 68 Hình 42. Quan hệ lực và biến dạng CPĐ1 69 Hình 43. Mẫu Đ1-1 xuất hiện vết nứt 70 Hình 44. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt Đ1-1 70 Hình 45. Mẫu Đ1-1 bị phá huỷ hoàn toàn 71 Hình 46. Mẫu Đ1-2 xuất hiện vết nứt 71 Hình 47. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt Đ1-2 71 7
9. Hình 48. Mẫu Đ1-2 bị phá huỷ 71 Hình 49. Quan hệ lực và biến dạng CPX1 72 Hình 50. Mẫu X1-1 xuất hiện vết nứt 73 Hình 51. Mẫu X1-1 bị phá huỷ hoàn toàn 73 Hình 52. Mẫu X1-2 xuất hiện vết nứt 74 Hình 53. Lực tại vị trí xuất hiện vết nứt X1-2 74 Hình 54. Mẫu X1-2 bị phá huỷ hoàn toàn 74 Hình 55. Quan hệ lực và biến dạng CPX2 75 Hình 56. Quan hệ lực và biến dạng của CPX1 và CPX2 76 Hình 57. Quan hệ lực và biến dạng của CPĐ1 và CPX1 76 Hình 58. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ1 vị trí giữa dầm 77 Hình 59. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ2 vị trí giữa dầm 78 Hình 60. Quan hệ chuyển vị và lực của CPĐ1, CPĐ2 và CPĐ3 vị trí giữa dầm 79 Hình 61. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX1 vị trí giữa dầm 79 Hình 62. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX2 vị trí giữa dầm 80 Hình 63. Quan hệ chuyển vị và lực của CPX1 và CPX2 vị trí giữa dầm 81 Hình 64. Quan hệ giữa lực và chuyển vị CPĐ1 và CPX1 vị trí giữa dầm 82 Hình 65. Quan hệ giữa lực và chuyển vị CPĐ2 và CPX2 vị trí giữa dầm 83 Hình 66. Phần mềm Abaqus 87 1 8
10. CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan 1.1.1 Nguồn gốc xỉ thép Thép và xỉ thép đã được sử dụng từ rất lâu đời. Theo hiệp hội Xỉ thép Châu Âu (Euroslag, 2006), người đầu tiên là Aristotle - Nhà Triết học, khoa học Hy Lạp cổ đại đã ứng dụng xỉ thép cho các mục đích xây dựng, y tế vào năm 350 trước công nguyên. Hình 1. Công trình cổ đại Cách đây hơn 2.000 năm, đế chế La Mã đã sử dụng xỉ thép (từ các lò rèn binh khí) để xây dựng các con đường của thành Rome, thậm chí đấu trường Colosseum danh tiếng cũng được xây dựng từ một phần vật liệu có nguồn gốc từ xỉ thép. Theo dòng chảy của thời gian, xỉ thép đã được bắt đầu ứng dụng rộng rãi hơn ở những thế kỷ tiếp theo như: đúc đạn cho súng thần công ở Đức (1589), 9
11. làm bến cảng ở Anh (1652), sản xuất sợi và bông từ xỉ ở xứ Wales (1840), sản xuất xi măng xỉ ở Đức (1852), làm bê tông xỉ cốt thép ở Đức và Châu Âu (1892), gạch không nung từ xỉ và đá vôi ở Nhật (1901). Ngày nay, tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu xỉ đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quy định bắt buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp. Các sản phẩm xỉ đã qua xử lý được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, phát triển giao thông, hạ tầng kỹ thuật, sản xuất nông nghiệp và công nghiệp xử lý chất thải. 1.1.2 Các nghiên cứu sử dụng xỉ thép Tại Châu Âu, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới, xỉ thép không được xem là chất phế thải nếu xỉ đã qua quá trình xử lý phù hợp để tái chế, tái sử dụng lại. Các sản phẩm xỉ thép đã qua xử lý gồm: xỉ đã được nghiền thành hạt, xỉ đã được hóa rắn thành dạng viên hoặc tấm, xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định sẽ được sử dụng thay thế vật liệu tự nhiên. Khảo sát một số đề tài nghiên cứu về xỉ thép. 1.1.2.1 Xỉ thép Chen Meizhu Error! Reference source not found. làm việc với xỉ thép nghiền mịn (cát xỉ thép) và vữa để tạo các hạt đất lò cao, thạch cao, clinker. Các kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng cát xỉ thép có thể giảm liều lượng xi măng clinker và tăng lượng thay thế phế phẩm công nghiệp sử dụng cát xỉ thép. Isa Yuksel Error! Reference source not found. sử dụng thử nghiệm xỉ hạt hạt lò cao thay cốt liệu mịn trong bê tông. Nghiên cứu kết luận rằng tỉ lệ 10
12. 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. Hình 2. Xỉ thép Juan M. Manso Error! Reference source not found. thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu sản xuất bê tông chất lượng tốt bằng cách oxy hoá xỉ EAF (Electric Arc Furnace) thay cho các cốt liệu mịn và thô. Bê tông được thử nghiệm tính bền, độ ngậm nước, sự ngưng kết nhanh Độ bền của bê tông xỉ EAF được tính toán có thể chấp nhận được, đặc biệt là ở các vùng địa lý sử dụng chúng, nơi nhiệt độ mùa đông hầu như không bao giờ giảm xuống dưới 32F (0˚C). Keun Hyeok Yang Error! Reference source not found. nghiên cứu các loại vữa kiềm hoạt tính và bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén của vữa kiềm hoạt tính giảm tuyến tính với sự gia tăng mức độ thay thế cốt liệu trọng lượng nhẹ, không phụ thuộc vào tỷ lệ chất kết dính và nước. Li Yun-feng Error! Reference source not found. tìm ra tác dụng của bột xỉ thép dựa trên tính dễ tạo hình và 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 đồng thời và 11
13. tương tác lẫn nhau khi trộn hỗn hợp các phụ gia khoáng với bột xỉ thép và bột xỉ lò cao trong bê tông. Jigar P.Patel [6] nghiên cứu về xỉ thép đã chỉ ra rằng việc thay thế một số phần trăm cốt liệu tự nhiên bởi cốt liệu xỉ thép không gây ảnh hưởng đáng kể nào về cường độ và lượng xỉ thép thay thế có thể đạt đến 70%. Tính khả thi của hỗn hợp bê tông là một vấn đề quan trọng đòi hỏi lượng nước giảm, tăng phụ gia để đạt giảm được độ sụt tối thiểu. Kết quả cho thấy rằng khi thay thế khoảng 50- 75% cốt liệu xỉ thép cho cốt tự nhiên sẽ không gây hại cho bê tông và cũng không có bất kỳ tác dụng phụ về cường độ và độ bền. 1.1.2.2 Bê tông cốt liệu xỉ thép Lun Yunxia, Xu Fang [7]. Xỉ thép được sử dụng như cốt liệu mịn để tăng cường ổn định khối lượng của vữa. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ bột của vôi tự do và tỷ lệ mở rộng tuyến tính có thể diễn đạt sự cải thiện ổn định khối lượng của các phương pháp ứng xử khác nhau. Quá trình sử dụng lò hấp trong tiến trình xử lý hơi nước đạt hiệu quả hơn trong việc tăng cường sự ổn định của khối lượng xỉ thép. L. Zeghichi Error! Reference source not found.thí nghiệm thay thế cát bằng tinh xỉ GBF (Ground Blast Furnace). Thử nghiệm được thực hiện trên khối bê tông đã cho thấy hiệu quả của các phần thay thế cát bằng xỉ hạt (30%, 50%) và tổng lượng thay thế dựa trên sự tăng của độ bền nén. Kết quả kiểm tra cường độ chịu nén tại 3, 7, 28, 60 ngày và 5 tháng làm cứng bê tông, kết luận rằng lượng thay thế của 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 12
14. 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. Saud Al-Otaibi [9] Error! Reference source not found.đã nghiên cứu 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. Hình 3. Xỉ thép nghiền thay thế cốt liệu mịn Sean Monkman [10] Error! Reference source not found.kiểm tra khả năng sử dụng xỉ LF (Laddle Furnace) bão hoà thay cốt liệu mịn trong bê tông. Xỉ được xử lý với CO2 để 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 sử dụng xỉ cát bão hoà có thể so sánh với cường độ vữa cát sông. Xỉ LF bão hoà phù hợp để sử dụng như một cốt liệu nhỏ. Một lượng đáng kể carbon riêng biệt có thể được nhận ra ở dạng tiềm năng hữu ích khi sử dụng một loại vật liệu xỉ thải. Vữa bão hoà sử dụng cát xỉ LF cho lợi ích về mặt hấp thu CO2. 13
15. Hình 4. Gạch xỉ thép Tarun R Naik [11] Error! Reference source not found.nghiên cứu ứng dụng vật liệu sản phẩm phụ lò đúc trong sản xuất bê tông và gạch. Cường độ nén của bê tông giảm nhẹ do sự thay thế của cốt liệu thô thường với xỉ đúc, tuy nhiên cường độ này thích hợp dùng cho bê tông kết cấu. Nguyễn Văn Chánh [12] nghiên cứu sử dụng xỉ thép để làm vật liệu thay thế đá, đất, sẽ giảm được một phần sức ép về nguồn cung cấp vật liệu xây dựng, giảm tình trạng khai thác cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và góp phần bảo vệ môi trường, giúp các nhà máy thép thay đổi hình ảnh theo hướng tích cực về bảo vệ môi trường. Tác giả dùng phế thải xỉ thép tái chế làm cốt liệu trong chế tạo bê tông, nhựa đường asphalt. Trần Văn Miền [14] đã nghiên cứu thuộc tính cơ lý và các thành phần khoáng của xỉ thép. Sau đó sử dụng chúng thay thế 100% cốt liệu thô cho bê tông cường độ cao để đạt được những cường độ nén khác nhau như 60, 70 đến 80 MPa vào các cấu kiện dầm. Kết quả cho thấy rằng cường độ của bê tông sử dụng xỉ thép tổng hợp là tương đương với bê tông thông thường. Tuy nhiên, độ bền của bê tông cốt liệu xỉ thép là tốt hơn so với bê tông thông thường về khả năng chống xâm nhập clorua và điện trở suất. Hơn nữa, kích thước của vữa xi măng xỉ thép rất ổn định. 14
16. Trong thí nghiệm của tác giả, cốt liệu thô chiếm một khối lượng lớn trong bê tông, khối lượng cốt liệu thô chiếm đóng có thể khác nhau từ 50% đến 70%. Xỉ thép đã được sử dụng thay cốt liệu thô tự nhiên với khối lượng lớn như thay thế khoáng andesit, đá bazan và đá vôi trong sản xuất bê tông. Kết quả là cốt liệu xỉ làm cho các tính chất cơ học của bê tông tốt hơn về cường độ chịu kéo, chịu uốn và mô đun đàn hồi so với bê tông cốt liệu tự nhiên. 1.1.2.3 Cấu kiện xỉ thép T.Vijaya Gowri [13] Error! Reference source not found.đã thay thế 50% cốt liệu xỉ thép cho xi măng với các tỉ lệ nước và chất kết dính khác nhau để tìm ra cường độ chịu nén, chịu kéo và độ bền uốn của bê tông dầm ở tuổi 28 ngày, 90 ngày, 180 ngày và 360 ngày. Sang Woo Kim [15] nghiên cứu đánh giá ứng xử dầm bê tông chịu uốn cốt liệu xỉ thép. Tác giả dùng xỉ thép thay thế lần lượt các cốt liệu mịn (cát tự nhiên ) và cốt liệu thô (đá tự nhiên ) cho những dầm bê tông cốt thép đơn giản nhằm xem xét các biến dạng, chuyển vị, mô măng vết nứt, . 1.1.3 Những khó khăn trong sử dụng cốt liệu xỉ thép Dựa trên những cơ sở ứng dụng xỉ thép ở Việt Nam cũng như trên thế giới, việc xử lý xỉ thép khá phức tạp do chúng đều bắt đầu từ nguyên tắc làm giảm kích thước, tuyển từ để tách thép phế liệu còn lẫn trong xỉ và sàng phân loại để thu được các sản phẩm hạt xỉ có kích thước khác nhau dùng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, nó đòi hỏi công nghệ xử lý, tái chế xỉ thép phải đạt trình độ cao, hiện đại. Ở Việt Nam, việc sử dụng xỉ làm cốt liệu cho bê tông để đạt đến cường độ chịu nén 80 MPa như tiến sĩ Trần Văn Miền thực hiện cũng đòi hỏi tỉ số giữa 15
17. nước và chất kết dính khá cao (khoảng 0.33; 0.36; 0.39), rất khó để tiến hành thí nghiệm [14] . 1.2 Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài Một trong những phát minh lớn nhất trong kỹ thuật xây dựng ở thế kỷ 20 là bê tông cốt thép, một loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến. Sản phẩm của nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện chịu lực của các công trình xây dựng. Tuy nhiên, theo xu hướng phát triển thời đại, việc sử dụng các thành phần cốt liệu của bê tông phần nào làm ảnh hưởng đến môi trường sống, làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên quốc gia. Trước tình trạng đó, việc phát triển, sản xuất và sử dụng vật liệu xanh ngày càng được đánh giá cao. Và Xỉ, một phế phẩm trong ngành công nghiệp sản xuất thép đã và đang được nghiên cứu để có thể thay thế các thành phần cốt liệu trong bê tông. Sử dụng Xỉ phần nào giảm bớt việc chôn lấp tốn kém, vừa tiết kiệm quỹ đất, tránh lãng phí nguồn tài nguyên, ô nhiễm Do vậy việc: “Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nói chung và trong xây dựng nói riêng” của chuyên đề này là cần thiết và đúng hướng. 1.2.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng xỉ thép tái chế thay thế cho cốt liệu lớn tự nhiên (đá dăm) nhằm phân tích, đánh giá tính chất, khả năng ứng xử của xỉ thép trong bê tông so với cốt liệu đá tự nhiên truyền thống. Trình bày các kết quả nghiên cứu giữa thực nghiệm kết hợp với lý thuyết tính toán. Đưa ra những kết luận, đánh giá chính xác về vật liệu xỉ tái chế, từ đó 16
18. đề xuất, kiến nghị sử dụng rộng rãi nguồn vật liệu này theo tiêu chí phát triển bền vững cho ngành xây dựng ở Việt nam. Tuy nhiên, để có được những kết luận sâu sắc hơn về vấn đề này, cần có những nghiên cứu tiếp theo cả về lý thuyết và thực nghiệm. 1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu xỉ thép tái chế bao gồm các thành phần hạt, tính chất của xỉ thép tái chế, độ bền nén của bê tông xỉ, ứng xử của cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép thay thế. Phạm vi nghiên cứu - Lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật của xỉ thép ứng dụng trong bê tông xỉ. - Ảnh hưởng của cốt liệu xỉ thép đến cấp phối bê tông. - Ứng dụng xỉ thép tái chế cho bê tông xỉ và cấu kiện xỉ trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. - Ứng xử và cường độ của dầm bê tông xỉ thép dưới tác dụng của tải trọng tác động (khả năng chịu uốn, hình dạng vết nứt, hình dạng phá hủy ). - So sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn áp dụng đối với cấu kiện tương tự áp dụng vật liệu thông thường. 1.2.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thay thế hoàn toàn xỉ thép cho cốt liệu thô tự nhiên dựa trên các phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam. - Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 và TCVN 7572 : 2006. - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử bê tông hạt thô chất lượng cao theo TCVN 3105: 1993. 17
19. - Xác định độ sụt của bê tông theo TCVN 3106 : 1993. - Xác định khối lượng thể tích cốt liệu theo TCVN 3108 : 1993. - Xác định độ mài mòn của bê tông theo TCVN 3114 : 1993. - Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993. - Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông theo TCVN 3119 : 1993. Đề tài trình bày các ứng xử của cấu kiện dầm bê tông xỉ thép theo các tiêu chuẩn hiện hành trong nước và trên thế giới. Bên cạnh đó, đề tài còn sử dụng các biện pháp thực nghiệm để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của cấu kiện như nguồn nguyên vật liệu trong nước, các điều kiện bảo dưỡng và thí nghiệm. Kết hợp giữa các kết quả tính toán lý thuyết và so sánh với các kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế, ứng dụng cấu kiện bê tông xỉ vào sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. 1.2.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Hoàn thiện thêm lý thuyết về cấu trúc của loại vật liệu mới như xỉ thép tái chế. - Khả năng ứng dụng xỉ trong bê tông so với bê tông cốt liệu tự nhiên. - Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê tông xỉ và cấu kiện bê tông xỉ đặc biệt là các tính chất của loại bê tông này khi có thêm chất phụ gia, cốt liệu sợi Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và sản xuất các thành phần cốt liệu phục vụ trong các lĩnh vực khác nhau. Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị xây dựng công trình, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học và sau đại học. 18
20. 2 CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỈ TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Mối tương quan giữa cốt liệu xỉ và cốt liệu thiên nhiên 2.1.1 Khái quát về xỉ thép Xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép. Các thành phần hóa học chính của xỉ thép là Ôxít Canxi CaO, Sắt FexOy, Magiê MgO, Mangan MnO2, Silic SiO2 và Nhôm Al2O3, ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò. Xỉ lò điện hồ quang phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ 1600oC. Ở nhiệt độ này, các kim loại nặng, chất hữu cơ, chất dễ bay hơi độc hại hoàn toàn không có mặt trong xỉ thép vì ở nhiệt độ lớn hơn 1.200oC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn. Xỉ thép có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được so sánh tương tự hoặc tốt hơn so với cấu trúc của đá tự nhiên. Xỉ thép có những ưu điểm sau: nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên; độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt; độ bền cao và chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu. Vì vậy, xỉ thép được dùng để thay thế các loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nhằm hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng. Hiện nay, trên thế giới, thép được sản xuất bằng hai công nghệ chính: Công nghệ lò cao - đúc liên tục và Công nghệ lò điện hồ quang. Ở Việt Nam, phần lớn thép được sản xuất bằng công nghệ lò điện hồ quang – đúc liên tục. 19
21. Hình 5. Quy trình sản xuất thép lò điện hồ quang 2.1.2 Tính chất hoá học của xỉ thép Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạng cục như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa. Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF là Ôxít Canxi CaO, Sắt FexOy, Magiê MgO, Mangan MnO2, Silic SiO2 và Nhôm Al2O3, ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò. 20