Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột bê tông cốt thép sử dụng tro bay nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN

LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO

BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HONGSA - CHDCND LÀO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN

LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO

BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HONGSA - CHDCND LÀO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 9580201

Hà Nội - Năm 2023

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả

trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào

khác.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023

Nghiên cứu sinh

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo trong Bộ môn Công trình

bê tông cốt thép, Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Khoa Đào tạo Sau đại

học, Phòng Quản lý đào tạo, Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Xây dựng Hà

Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ, hướng dẫn, nhận xét và phản hồi cho quá trình thực hiện luận

án của em.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ ở Đại sứ quán Việt Nam tại Lào và

Chính phủ Việt Nam đã tặng học bổng tiến sĩ qua chương trình Học bổng của Chính

phủ Việt Nam dành cho con em Việt kiều tại Lào.

Tác giả xin chân thành cảm ơn cơ quan công tác là Công ty Điện lực Lào

(Electricite Du Laos) đã cung cấp hỗ trợ bằng những chính sách rất ưu đãi và thuận

lợi.

Tác giả xin chân thành cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy

hướng dẫn luận án tiến sĩ: PGS. TS. tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và

động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án tiến sĩ và

sinh sống tại Việt Nam. Đặc biệt, thầy Nguyễn Trường Thắng đã tặng một món quà

lớn nhất cho em và gia đình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. và các cán bộ kỹ thuật của

Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình LAS XD-125 đã nhiệt tình giúp đỡ

trong quá trình thực hiện các thí nghiệm trong khuôn khổ của luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn anh o Holding State Enterprise đã hỗ trợ

một số tài liệu tham khảo và tro bay cho chương trình nghiên cứu thực nghiệm

của luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè đã ủng hộ, động viên trong quá trình

học tập, nghiên cứu, hoàn thiện luận án và sinh sống tại Việt Nam. Đặc biệt là bạn

thân hỗ trợ tại phòng thí nghiệm; Và em hỗ trợ việc tài liệu và phục vụ trong phòng

họp.

iii

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong luận án này không tránh khỏi những thiếu

sót, hạn chế. Tác giả kính mong quý thầy cô, các chuyên gia, và đồng nghiệp có

những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thành viên

trong gia đình, đó là mẹ và chị HAN đã

hỗ trợ và tạo điều kiện về tài chính; vợ Boualoy, con gái và con trai đã tạo

điều kiện thuận lợi và hy sinh chia sẻ những khó khăn của gia đình trong suốt thời

gian tôi học tập và nghiên cứu tại Việt Nam.

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii

MỤC LỤC................................................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................. viii

DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................xv

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................8

TỔNG QUAN VỀ TRO BAY, BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG

CHO CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP .............................................................................8

1.2.1. Xi măng poóc lăng.....................................................................................8

1.2.2. Tro bay.....................................................................................................10

CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................39

1. Lý do chọn đề tài............................................................................................1

2. Mục đích nghiên cứu......................................................................................3

3. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................4

4. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................4

5. Cơ sở khoa học của luận án ...........................................................................5

6. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................5

7. Những đóng góp mới của luận án..................................................................6

8. Nội dung và cấu trúc của luận án...................................................................6

1.1. Mở đầu ...........................................................................................................8

1.2. Một số vật liệu được sử dụng làm chất kết dính trong bê tông......................8

1.3. Sử dụng tro bay trong sản xuất bê tông .......................................................22

1.4. Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông tro bay........................................27

1.5. Cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm...............................................................29

1.6. Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo để dự báo tính chất cơ lý của bê tông.....34

1.7. Kết luận Chương 1 .......................................................................................36

v

XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY

L-FA…......................................................................................................................39

2.2.1. Tro bay.....................................................................................................40

2.2.2. Xi măng poóc lăng...................................................................................41

2.2.3. Cốt liệu nhỏ..............................................................................................41

2.2.4. Cốt liệu lớn ..............................................................................................43

2.2.5. Nước ........................................................................................................46

2.3.1. Nguyên tắc xác định các cấp phối bê tông ..............................................46

2.3.2. Trình tự chế tạo và đúc mẫu bê tông .......................................................47

2.3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.........................................................................47

2.4.1. Độ sụt.......................................................................................................48

2.4.2. Khối lượng thể tích ..................................................................................49

2.4.3. Cường độ chịu nén...................................................................................52

2.4.4. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ .................................................................59

2.4.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng ..................................................................61

2.5.1. Các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng..................................68

2.5.2. Dự báo cường độ chịu nén của bê tông tro bay bằng mô hình mạng nơ-ron

nhân tạo DNN và BNN ......................................................................................73

2.5.3. Dự báo đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông tro bay bằng mô hình

mạng nơ-ron nhân tạo DNN và BNN ................................................................77

CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................81

2.1. Mở đầu .........................................................................................................39

2.2. Vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông .................................................................39

2.3. Chế tạo bê tông sử dụng L-FA.....................................................................46

2.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bê tông sử dụng L-FA............................48

2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần cấp phối tới tính chất cơ lý của bê tông

tro bay dựa trên mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) ..........................................68

2.6. Kết luận Chương 2 .......................................................................................78

vi

XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG

TRO BAY L-FA .......................................................................................................81

3.2.1. Nguyên tắc phân tích khả năng chịu lực của cột BTCT ..........................81

3.2.2. Mô hình biến dạng phi tuyến của bê tông OPC theo TCVN 5574:2018 .82

3.2.3. Đề xuất mô hình biến dạng phi tuyến của bê tông sử dụng 20% L￾FA/OPC…..........................................................................................................83

3.2.4. Mô hình biến dạng phi tuyến của cốt thép...............................................85

3.2.5. Phương pháp phân tích tiết diện thẳng góc của cột BTCT ......................86

3.2.6. Phương pháp xây dựng mặt tương tác của cột BTCT tiết diện chữ nhật 88

3.2.7. Phương pháp kiểm tra hệ số dự báo kp ....................................................91

3.4.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm..............................................................94

3.4.2. Thiết kế mẫu thí nghiệm..........................................................................96

3.4.3. Chế tạo mẫu thí nghiệm...........................................................................98

3.4.4. Xác định cường độ của viên mẫu bê tông sử dụng L-FA......................101

3.4.5. Xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT sử dụng L-FA ....105

3.4.6. Kết quả thí nghiệm.................................................................................108

3.6.1. Mô hình Quá trình hồi quy Gauss (GPR)..............................................119

3.6.2. Dữ liệu thực nghiệm sử dụng để huấn luyện mô hình hồi quy GPR.....122

3.6.3. Phân tích và đánh giá.............................................................................127

KẾT LUẬN.............................................................................................................130

DANH MỤC BÀI BÁO VÀ CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ................133

3.1. Mở đầu .........................................................................................................81

3.2. Phương pháp tính toán sử dụng mô hình biến dạng phi tuyến ....................81

3.3. Kiểm chứng phương pháp đề xuất với cột BTCT sử dụng bê tông OPC....92

3.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên cột BTCT sử dụng L-FA..............................94

3.5. Kiểm chứng phương pháp đề xuất với cột BTCT sử dụng L-FA..............113

3.6. Khảo sát ảnh hưởng của độ lệch tâm e1 tới khả năng chịu lực của cột BTCT

sử dụng bê tông L-FA dựa trên phương pháp học máy ..........................................119

3.7. Kết luận Chương 3 .....................................................................................128

vii

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................134

PHỤ LỤC 1.........................................................................................................PL1-1

PHỤ LỤC 2.........................................................................................................PL2-1

PHỤ LỤC 3.........................................................................................................PL3-1

PHỤ LỤC 4.........................................................................................................PL4-1

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ cái Latinh viết hoa

Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham

chiếu

A Diện tích tiết diện ngang của mẫu thử

ACI Viện Bê tông Hoa kỳ

ACI 318-19 hoặc

ACI 318

Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của

Viện Bê tông Hoa kỳ

AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence)

ANN Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial neural

network)

ASEAN Đông Nam Á

As Điện tích tiết diện tính toán của cốt thép

chịu kéo

A’s Điện tích tiết diện tính toán của cốt thép

chịu nén

Ast Điện tích tiết diện ngang của mẫu thử

ASTM C618-12a

hoặc ASTM C618

Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho tro bay

than và Pozzolan tự nhiên thô hoặc nung

để sử dụng trong bê tông của Hoa Kỳ

BNN Mạng nơ-ron Bayesian (Bayesian neural

network)

BT Bê tông

BTCT Bê tông cốt thép

CHDCND Lào Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào

C-FA Tro bay loại C ASTM C618

CI Khoảng tin cậy (confidence interval)

CKD Chất kết dính

COV Hệ số biến động TCVN 5574: 2018

CSA Theo tiêu chuẩn Canada

ix

D Độ cứng của cấu kiện ở trạng thái giới

hạn về độ bền

TCVN 5574: 2018

D Đường kính đáy mẫu trụ TCVN 8862:2011

DNN Mạng nơ-ron Dropout

E Mô đun đàn hồi bê tông ASTM C 469

E0 Mô đun đàn hồi bê tông TCVN 5726:1993

Eb Mô đun đàn hồi bê tông TCVN 5574:2018

E’b Mô đun biến dạng của bê tông sử dụng L￾FA

EC2 Tiêu chuẩn thiết kế kết bê tông cốt thép

của Chau Âu

Ec Mô đun đàn hồi trung bình của BT ACI 318

Ecm Mô đun đàn hồi trung bình của BT EC2

Es Mô đun đàn hồi của cốt thép

FA Tro bay

FAC Bê tông tro bay (Fly ash in concrete)

F-FA Tro bay loại F ASTM C618

GPR Qúa trình hồi quy Gauss (Gaussian

Process Regression)

H chiều cao của mẫu trụ TCVN 8862:2011

HVFAC Tro bay khối lượng lớn trong bê tông

KL Sai số Kullback-Leiber

L0 Chiều dài tính toán của cấu kiện

L Lớp của mạng

L-FA Tro bay nhà máy nhiệt điện Hongsa ở

CHDCND Lào

LS 442-2019 Tiêu chuẩn tro bay than dùng cho bê của

CHDCND Lào

LVDT Dụng cụ đo chuyển vị

M Mô men uốn

Mđl Mô đun độ lớn của vật liệu

MHT Mẫu thử bê tông hình trụ

ML học máy (Machine Learning)

x

MLT Mẫu thử bê tông hình lập phương

MH2ĐT Mô hình vật liệu phi tuyến hai đoạn thẳng TCVN 5574:2018

MH3ĐT Mô hình vật liệu phi tuyến ba đoạn thẳng TCVN 5574:2018

Mx Mô men uốn theo trục x

My Mô men uốn theo trục y

N Lực tác dụng dọc TCVN 5574:2018

N Khối lượng nước TCVN 5574:2018

N Số lượng dữ liệu huấn luyện của mạng

nơ-ron

Nph Tải trọng phá hoại

N-FA Tro bay loại N ASTM C618

Nnt Giá trị lực dọc phá hoại thu được từ thí

nghiệm

Nph Tải trọng phá hoại

OPC Xi măng poóc lăng

Pph Tải trọng khi phá hoại mẫu trụ

Rb Cường độ chịu nén tính toán của bê tông

R’b Cường độ chịu nén tính toán của bê tông

sử dụng L-FA

Rbk Cường độ kéo khi ép chẻ của bê tông TCVN 8862:2011

RbkTB Cường độ kéo trung bình khi ép chẻ của

bê tông

TCVN 8862:2011

ReH Cường độ giới hạn chảy của cốt thép theo

thực nghiệm

ReH

TB Cường độ giới hạn chảy của cốt thép

trung bình theo thực nghiệm

Rm Cường độ giới hạn bền kéo của cốt thép

theo thực nghiệm

Rn Cường độ chịu nén của bê tông TCVN 3118:1993

Rn

TB Cường độ chịu nén trung bình của bê

tông

TCVN 3118:1993

Rs Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép

As

xi

R’s Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép

A’s

Rlt Cường độ chịu nén của mẫu trụ

S1 Ứng suất ban đầu theo ε = 0,000050 ASTM C 469

S2 Ứng suất tại 40%fc’ ASTM C 469

V Thể tích của viên mẫu

Chữ cái Latinh viết thường

Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham

chiếu

a Khoảng cách từ mép bê tông chịu kéo

đến trọng tâm tiết diện cốt thép chịu kéo

ACI 318

a' Khoảng cách từ mép bê tông chịu nén

đến trọng tâm tiết diện cốt thép chịu nén

b Bề rộng thiết diện ngang của cột TCVN 5574:2018,

ACI 318, EC2

e Khoảng cách từ điểm đặt lực dọc N

e0 Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N

e1 Độ lệch tâm tĩnh học

ea Độ lệch tâm ngẫu nhiên

ex Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N theo

trục x

ey Độ lệch tâm ban đầu của lực dọc N theo

trục y

fc' Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông ACI 318

fcm Cường độ chịu nén trung bình của bê

tông

EC2

fctm Cường độ chịu nén của bê tông mẫu trụ

trung bình

fy Giới hạn chảy của cốt thép ACI 318, EC2

fy Cường độ đặc trưng của cốt thép TCVN 5574:2018

h Chiều cao tiết diện ngang của của cột ACI 318, EC2,

TCVN 5574:2018

h0 Chiều cao làm việc của bê tông

�� Nút của mạng

xii

kE Hệ số giảm cường độ chịu nén của bê

tông tro bay trong MH3ĐT do ảnh hưởng

của mô đun đàn hồi

kp Hệ số dự báo

kη Hệ số so sánh giữa tính toán lý thuyết và

thực nghiệm

m khối lượng của viên mẫu ở trạng thái cần

thử

�� Số lớp của mạng nơ-ron nhân tạo

����

�� Biến nhị phân của mạng nơ-ron nhân tạo

x Chiều cao của vùng nén bê tông TCVN 5574:2018

xi Dữ liệu đầu vào của mạng nơ-ron nhân

tạo

xij Số lượng đơn vị cơ bản (perceptron) khác

nhau của mạng nơ-ron nhân tạo

y Kết quả đầu ra của mạng nơ-ron nhân tạo

Chữ cái Hy lạp

Kí hiệu Diễn giải Tiêu chuẩn tham

chiếu

Δ Chuyển vị ngang ở giữa cột

εb Biến dạng của bê tông

η Hệ số uốn dọc TCVN 5574:2018

ηtn Hệ số uốn dọc thực nghiệm

γ Khối lượng thể tích của vật liệu

γL-FA Hệ số giảm cường độ chịu nén của bê

tông sử dụng L-FA

ρ Khối lượng riêng của vật liệu

σb Ứng suất trong bê tông

σs Ứng suất trong cốt thép

ξ Tỷ lệ giữa chiều cao vùng nén/chiều cao

làm (x/h0)

TCVN 5574:2018

ξR Hệ số giới hạn chiều cao vùng nén TCVN 5574:2018

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của xi măng poóc lăng ..............................................9

Bảng 1.2. Một số thành phần khoáng và tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng [151]

...................................................................................................................................10

Bảng 1.3. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu ASTM C618 [74,150].........14

Bảng 1.4. Yêu cầu hàm lượng CaO theo tiêu chuẩn Canada (CSA A3000-03) [86]14

Bảng 1.5. Các yêu cầu khác giữa ASTM C618 và AASHTO M295 [100]..............15

Bảng 1.6. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu LS 442-2019 [120]..............16

Bảng 1.7. Tính chất hóa học của tro bay theo yêu cầu TCVN 10302:2014 [46]......17

Bảng 1.8. Thành phần hóa học của tro bay L-FA.....................................................19

Bảng 1.9. Thành phần hóa học của tro bay Lào và các nước trong khu vực ............20

Bảng 1.10. Khối lượng riêng tro bay của Lào và các nước trong khu vực...............20

Bảng 1.11. Giá trị khối lượng riêng cao nhất trong năm của tro bay .......................21

Bảng 1.12. Tỷ lệ sản xuất và sử dụng tro bay toàn cầu năm 2008 [84]...................22

Bảng 1.13. Lượng nước có thể giảm cho bê tông sử dụng tro bay [150] .................25

Bảng 2.1. Thành phần khoáng và tính chất cơ lý của L-FA .....................................40

Bảng 2.2. Tính chất cơ lý của cát..............................................................................42

Bảng 2.3. Đặc tính của cát thiên nhiên Lào so sánh với Việt Nam ..........................43

Bảng 2.4. Tính chất cơ lý của đá dăm.......................................................................44

Bảng 2.5. Đặc tính của đá dăm Lào so sánh với Việt Nam ......................................45

Bảng 2.6. Thành phần cấp phối bê tông....................................................................46

Bảng 2.7. Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của bê tông và bê tông L-FA.....50

Bảng 2.8. Kết quả tính toán khối lượng thể tích của bê tông và bê tông L-FA........51

Bảng 2.9. Khối lượng thể tích và lượng nước hao hụt của bê tông và bê tông L-FA do

chất kết dính và nước đã phản ứng thủy hóa.............................................................51

Bảng 2.10. Kết quả cường độ chịu nén của bê tông và bê tông L-FA - mẫu trụ ......55

Bảng 2.11. Cường độ chịu nén của bê tông và bê tông L-FA - mẫu lập phương .....55

Bảng 2.12. Tỷ lệ cường độ chịu nén (RMHT/RMLP).....................................................55