Đánh giá khả năng sử dụng cát nghiền nguồn gốc đá vôi cho cột BTCT chịu nén (P2)

>> Đánh giá khả năng sử dụng cát nghiền nguồn gốc đá vôi cho cột BTCT chịu nén (P1)

3. Kết quả và Thảo luận

3.1. Cường độ chịu nén và Mô đun đàn hồi của bê tông

Hình 5. Biểu đồ phát triển cường độ chịu nén trung bình theo thời gian của bê tông sử dụng cát tự nhiên (CTN) và cát nghiền nhân tạo (CN).

Hình 6. Biểu đồ phát triển mô đun đàn hồi theo thời gian của bê tôngsử dụng cát tự nhiên (CTN) và cát nghiền nhân tạo (CN).

Sau khi đúc, các mẫu được bảo quản trong điều kiện khí hậu trong phòng thí nghiệm và mẫu được ngâm nước bảo dưỡng sau khi tháo khuôn. Tại các ngày tuổi 7, 14 và 28 ngày, các tổ mẫu lập phương và mẫu trụ được nén xác định cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi theo TCVN 3118:1993 và ASTMC469/ C469M - 14e1. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong các Hình 5 và 6.

Từ Hình 5 cho thấy, kết quả thí nghiệm của bê tông thường sử dụng cát tự nhiên CTN đạt cấp độ bền B20 ở tuổi 28 ngày theo như cấp phối thiết kế (R^tb₂₈= 26,2 MPa so với giá trị thiết kế 25 MPa). Tuy nhiên với bê tông sử dụng cát nghiền nhân tạo (CN), cường độ chịu nén trung bình ở tuổi 28 ngày đạt được lớn hơn 157% so với dự kiến (R^tb₂₈= 39,3 MPa so với giá trị thiết kế 25 MPa).

Sự ảnh hưởng của loại cát đến cường độ nén và mô đun đàn hồi của bê tông còn được quan sát rõ khi đối chiếu hai hình Hình 5 và 6. Về chỉ tiêu cường độ, Hình 5 cho thấy cường độ bê tông phát triển nhanh trong 7 ngày đầu, sau đó giảm dần sau 14 và 28 ngày. Tuy nhiên trong Hình 6, nhận thấy về chỉ tiêu độ cứng (mô đun đàn hồi) của bê tông sử dụng cát nghiền cho tốc độ phát triển đều trong 14 ngày đầu, sau đó giảm dần đạt ổn định tương đối ở 28 ngày tuổi. Điều này có thể do cường độ nén và mô đun đàn hồi ở tuổi sớm phụ thuộc chủ yếu vào cường độ bám dính giữa bề mặt hạt cốt liệu và lớp đá chất kết dính xi măng trong bê tông, còn ở tuổi muộn các tính chất này lại phụ thuộc chủ yếu vào cường độ lớp đá xi măng, cường độ bám dính cốt liệu - xi măng và cường độ cốt liệu [21]. Trong bê tông sử dụng cát nghiền, cường độ bám dính giữa hạt cát và đá xi măng cao hơn và phát triển nhanh hơn so với trong bê tông sử dụng cát tự nhiên.

3.2. Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép

Hình 7. Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị trượt thanh thép - bê tông sử dụng.

Hình 8. Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị trượt thanh thép - bê tông sử dụng CN.

Lực bám dính trung bình giữa bê tông và cốt thép được xác định theo công thức (2):

(2)

trong đó P là lực kéo (hoặc nén) làm cốt thép tụt ra khỏi bê tông; Φ là đường kính thanh thép, Φ=14 mm; l là chiều dài đoạn cốt thép neo trong bê tông, l =70mm. Quan hệ giữa lực kéo P tại trạng thái gây tuột thanh thép ra khỏi mẫu bê tông được thể hiện trong Hình 7 và 8 cho hai loại bê tông nghiên cứu. Kết quả phân tích cho thấy lực bám dính giữa cốt thép và hai loại bê tông là khá tương đồng: với bê tông sử dụng cát nghiền CN cho lực dính cao hơn so vớibê tông cát tự nhiên CTN khoảng 6% (Bảng 2). Điều này chứng tỏ đặc tính bề mặt nhám ráp của CN đã làm tăng khả năng liên kết bám dính giữa lớp bê tông và bề mặt thanh cốt thép.

3.3. Thí nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm

Hình 9. Trạng thái phá hoại của cột khi chịu nén đúng tâm - Mẫu được bó đai thép đỉnh cột.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở trạng thái giới hạn về cường độ, bê tông cột bị phá vỡ ở giữa cột. Đồng thời sự phá hoại cho quan sát thấy trạng thái mất ổn định uốn dọc của cốt thép dọc ở giữa hai cốt đai a200 (Hình 9). Đây là trạng thái phá hoại nén đúng tâm đúng theo lý thuyết thực nghiệm [22]. Kết quả thí nghiệm đo ở trạng thái giới hạn phá hoại được tổng hợp thống kê trong Bảng 3.

Hình 10. Biểu đồ so sánh quan hệ giữa tải trọng và biến dạng bê tông cột.

Hình 11. Biểu đồ so sánh quan hệ giữa tải trọng và biến dạng cốt thép cột.

Quan sát đường cong tải trọng - biến dạng trong hai Hình 10 và 11 nhận thấy: (i) biến dạng của bê tông và cốt thép cho mỗi mẫu cột là tương đồng nhau, thể hiện sự làm việc đồng thời giữa hai vật liệu và lực bám dính được phát huy tốt trong quá trình truyền lực giữa cốt thép và bê tông sử dụng hai loại cát CTN và cát CN; (ii) Tại trạng thái phá hoại, biến dạng nén của bê tông cột đạt giá trị tương đồng (Hình 10). Cụ thể bê tông biến dạng co ngắn 0,14±0,02% cho cột sử dụng CTN, và biến co ngắn 0,15±0,02% cho cột sử dụng cát CN.

Quan sát giá trị tải trọng giới hạn đo tại trạng thái cột bị phá hoại cho hai loại bê tông, so sánh với giá trị tải thí nghiệm giới hạn xác định theo TCVN 5574-2432018 [18] như nêu trong Bảng 4 nhận thấy:

- So với giá trị giới hạn xác định theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 [18] khi sử dụng cường độ vật liệu xác định trực tiếp trên mẫu (bê tông, cốt thép), kết quả thí nghiệm xác định lực nén giới hạn với trên mẫu cột sử dụng bê tông cát nghiền nhân tạo cho giá trị nhỏ hơn, thiên về thiếu an toàn.

- So sánh giá trị lực nén giới hạn xác định theo thực nghiệm giữa hai loại bê tông sử dụng CTN(128.3 T) và CN(112.1 T), đối chiếu kết quả nén mẫu theo xu hướng ngược lại khi cường độ nén trung bình của bê tông sử dụng CN lớn gấp 39,3/26,2 = 1,5 lần so với BT sử dụng CTN, nhận thấy sự suy giảm mạnh về cường độ chịu nén của bê tông CN khi chuyển đổi từkích thước mẫu thí nghiệm 253(15x15x15cm) sang kích thước cấu kiện. Sự suy giảm này có thể liên quan đến độ đồng nhất của mẫu cột và quá trình bảo dưỡng [15], do đó làm giảm mức độ thủy hóa xi măng dính kết trong bê tông.

∗ Lực nén giới hạn xác định theo TCVN 5574:2018 [18] được xác định theo công thức:N_u=_φ(R_bA_b+R_scA_s,t), trong đó: (i)_φ=0,925 cho cột có L/h=5 chịu tải trọng tức thời; (ii) nhằm đánh giá trực tiếp sự thay đổi cường độ nén mẫu khi chuyển sang kích thước cấu kiện, giá trị R_b cho hai loại bê tông CTN và CN được lấy theo giá trị cường độ chịu nén trung bình ở 28 ngày tuổi được xác định ở mục 3.1.

4. Kết luận

Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng thay thế cát tự nhiên của cát nhân tạo nghiền từ đá vôi đã đạt được một số kết quả như sau:

- Kết quả thí nghiệm về cường độ nén ở 28 ngày tuổi của bê tông sử dụng cát nghiền vượt 157% so với giá trị thiết kế khi thiết kế cấp phối cho bê tông B20 theo TCVN 9382:2012 [11]. Kết quả đo cho thấy sự biến động lớn về kết quả thí nghiệm trên mẫu thử lập phương.

- Nghiên cứu thí nghiệm trên cấu kiện chịu nén, kích thước mẫu 20×20×100 cm khi so sánh với mẫu bê tông cát tự nhiên, nhận thấy có hiện tượng suy giảm mạnh về cường độ chịu nén của bê tông cát nghiền khi chuyển từ mẫu thí nghiệm 15×15×15 cm sang mẫu cột kích thước 20×20×100 cm. Kết quả thí nghiệm cho lực nén giới hạn thiếu an toàn, giảm 30% so với giá trị xác định theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 [18]. Sự suy giảm này có thể được giải thích bởi sự hút nước mạnh của cát nghiền trong bê tông cột, làm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng đóng rắn bê tông.

Kết quả quan sát cần được phân tích chuyên sâu hơn để kiểm chứng, làm rõ mức độ ảnh hưởng của tính chất của cát nghiền, điều kiện chế tạo, chế độ bảo dưỡng mẫu kích thước cấu kiện đến sự ổn định đặc tính cơ lý của bê tông khi sử dụng cát nhân tạo nghiền từ nguồn gốc đá vôi thay thế cho cát tự nhiên.

Tài liệu tham khảo

[1] Kiên, T. T., Thiên, B. Đ. (2018). Tuyển tập Báo cáo hội thảo Khoa học công nghệ toàn quốc Cát nghiền thay thế cát tự nhiên, Vật liệu thân thiện với môi trường. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[2] Wigum, B. J., Danielsen, S. W. (2009). Production and Utilisation of Manufactured sand. State-of-the-art report, COIN project report 12 - 2009, Norway.

[3] Mundra, S., Sindhi, P. R., Chandwani, V., Nagar, R., Agrawal, V. (2016). Crushed rock sand – An economical and ecological alternative to natural sand to optimize concrete mix. Perspectives in Science, 8:345–347.

[4] BS 882:1992. Specification for aggregates from natural sources for concrete. UK.

[5] XP P18-540. Granulats: Définition, conformité, spécification, Normalisation franc¸aise. France.

[6] ASTM 33:1990 (1990). Standard Specification for Concrete Aggregates. USA.

[7] Sahu, A. K., Sunil, K. S. (2003). Quarry stone waste as fine aggregate for concrete. Indian Concrete Journal, 845–848.

[8] Ilangovana, R., Mahendrana, N., Nagamanib, K. (2008). Strength and durability properties of concrete containing quarry rock dust as fine aggregate. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(5):20–26.

[9] Vijaya, B. (2020). Microstructural study on the concrete containing manufactured sand. Journal of Critical Reviews, 7(4):1560–1564.

[10] TCVN 9205:2012. Cát nghiền cho bê tông và vữa. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[11] TCVN 9382:2012. Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông sử dụng cát nghiền. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[12] Chương, N. H. (2008). Nghiên cứu khả năng sử dụng đá mạt - phế thải của công nghiệp gia công đá để chế tạo vữa và bê tông xi măng. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Xây dựng.

[13] Chương, N. H., Lự, P. V., Phát, N. M. (2009). Nghiên cứu sử dụng đá mạt trong sản xuất bê tông nghèo xi măng. Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 3(1):11–19.

[14] Cung, N. Q. (2004). Nghiên cứu cát nhân tạo sử dụng cho bê tông và vữa nhân tạo. Tuyển tập các công trình NCKH công nghệ VLXD, NXB Xây dựng.

[15] Đoàn, N. V. (2018). Sử dụng cát nghiền để chế tạo bê tông và vữa xây dựng. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc - Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 116–129.

[16] Hiếu, N. D., Xuân, T. T. K., Toàn, Đ. T., Vân, H. H. (2018). Kết hợp cát nghiền và cát mịn trong chế tạo bê tông. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc - Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 130–139.

[17] Kiên, T. T., Hân, T. H., Hương, C. T. (2018). Nghiên cứu khả năng sử dụng các sản phẩm từ đá cát kết thay thế cát tự nhiên trong xây dựng các công trình. Tuyển tập Báo cáo Hội thảo KHCN toàn quốc – Cát nghiền thay thế cát tự nhiên - Vật liệu thân thiện môi trường, NXB Xây dựng, 83–91.

[18] TCVN 5574:2018. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[19] TCVN 3108:1993. Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp xác định khối lượng thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[20] RILEM 7-II-128 (1994). RC6 : Bond test for reinforcing steel. 1. Pull-Out Test. RILEM technical recommendations for the testing and use of construction materials (pp. 102-105). London : E & FN Spon.

[21] Neville, A. M. (1996). Properties of concrete. New York: Wiley.

[22] Minh, P. Q., Phong, N. T., Cống, N. Đ. (2008). Kết cấu bê tông cốt thép. Phần 1: Cấu kiện cơ bản. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)