Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu

MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài Bê tông là một vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới bởi nó có nhiều tính năng đáp ứng được yêu cầu của nhiều loại kết cấu khác nha

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP

CÔNG TRÌNH CẦU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP

CÔNG TRÌNH CẦU

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 9 58 02 05 Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI - 2022

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu vàkết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giảnào hay ở bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Bản Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải

dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS TS và Thầy PGS TS

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về

định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt

quá trình nghiên cứu, có những lúc Nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục

nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các Thầy cộng với sự nỗ lực

không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành Nghiên cứu

sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các Nhà khoa học trong và ngoài nước, Tác

giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên

cứu hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau

Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận

tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình

nghiên cứu của mình

Cuối cùng là sự biết ơn đến Gia đình đã liên tục động viên để duy trì nghị

lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía

cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN… ii

MỤC LỤC…… iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT xiv

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1 1 Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học 6

1 1 1 Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học 6

1 1 2 Khái niệm về nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông 19

1 1 3 Các quy định về kiểm soát vết nứt phi kết cấu cho các công trình cầu ở Việt Nam 31

1 2 Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông cốt thép ở tuổi sớm trên thế giới và tại Việt Nam 32

1 2 1 Các phương pháp trên thế giới 32

1 2 2 Các phương pháp ở Việt Nam 35

1 3 Một số giải pháp phòng chống, hạn chế nứt không do lực tác động trong kết cấu bê tông, bê tông cốt thép của mố trụ cầu ở giai đoạn thi công 36

1 3 1 Phương pháp hạ nhiệt cốt liệu 36

1 3 2 Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt 36

1 3 3 Bảo dưỡng bê tông 36

1 3 4 Khống chế nhiệt độ bê tông trong quá trình thi công 37

1 3 5 Sử dụng phụ gia khoáng 37

1 4 Kết luận chương 1 39

Trang 6

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA LỚP BÊ TÔNG CỐT

THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA 40

2 1 Tổng quan về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu 40

2 1 1 Ứng xử vật liệu 40

2 2 2 Khái niệm đa cấp độ 41

2 2 3 Khái niệm đồng nhất hóa 41

2 2 4 Đồng nhất hóa vật liệu theo bài toán nhiệt 44

2 2 5 Đồng nhất hóa vật liệu theo với điều kiện biên theo biến dạng để xác định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT 47

2 2 Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa 53

2 2 1 Phương trình vi phân của quá trình truyền nhiệt 54

2 2 2 Các thông số tính toán nguồn nhiệt 54

2 2 3 Công thức quá trình truyền nhiệt trong phương pháp phần tử hữu hạn 56 2 3 Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, chiều dày của lớp BTCT sau khi đồng nhất hóa và nhiệt dung riêng của lớp BTCT 57

2 3 1 Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương 57

2 3 2 Xác định chiều dày của lớp BTCT 60

2 3 3 Xác định nhiệt dung riêng của lớp BTCT 60

2 4 Xây dựng chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT 60

2 4 1 Sơ đồ khối của chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương 60

2 4 2 Xác định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT thay đổi theo thời gian bằng phương pháp đồng nhất hóa 69

2 5 Khảo sát ảnh hưởng của cấp bê tông và biện pháp thi công đến khả năng gây nứt của trụ cầu BTCT 73

2 5 1 Mô hình bài toán 74

Trang 7

2 5 2 Bê tông thông thường 75

2 5 3 Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ lớn 78

2 5 4 Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ nhỏ 82

2 6 Kết luận chương 2: 88

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ĐOẠN NHIỆT TỪ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG CHO BÊ TÔNG THÔNG THƯỜNG DÙNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU 90

3 1 Mục đích thí nghiệm 90

3 2 Thực nghiệm xác định nhiệt phát sinh trong đơn vị thể tích của bê tông tuổi sớm sử dụng cho mố và trụ cầu 90

3 2 1 Lựa chọn cấp phối thí nghiệm 90

3 2 2 Quy trình thực hiện thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt cho bê tông 91

3 2 3 Đánh giá đặc trưng nhiệt của các mẫu bê tông 98

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG KẾT CẤU TRỤ CẦU BTCT Ở TUỔI SỚM 105

4 1 Thiết lập quá trình đo nhiệt thủy hóa của xi măng của thân trụ BTCT ngoài hiện trường 106

4 2 Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian và sự phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT thực tế 108

4 3 Mô phỏng sự thay đổi ứng suất do nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT thực tế 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

PHỤ LỤC……… 136

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ 1

Hình 2 Ví dụ về các kết cấu bê tông thường xuất hiện vết nứt phi kết cấu: a) tấm móng bè, b) đập bê tông, c) Bể chứa, d) tháp tỏa nhiệt của lò phản ứng, e) móng tuabin gió, f) cọc, g) các đoạn đúc sẵn (đường hầm, bản mặt cầu), h) các khối bê tông chắn sóng, i) trụ cầu và (j) tường chắn 2

Hình 1 1 a) Hình ảnh đập tràn đang được xây dựng, b, c) các vết nứt do nhiệt gây ra và d, e) kết quả từ các mô phỏng số [9] 7

Hình 1 2 a) Khối đúc đập điển hình [13], b) sơ đồ vết nứt của khối đúc, c) kết quả phân bố nhiệt độ từ FEM và d) chỉ số nứt (ứng suất kéo / độ bền kéo) 8

Hình 1 3 a) Bố trí cốt thép mặt cắt ngang trụ, b) chi tiết diện tích bề mặt được gia cố, c) khối bị nứt sau 1 năm với các vết nứt dọc, d) hình ảnh chi tiết của một lõi khoan qua vết nứt dọc rộng 0,4 mm 10

Hình 1 4 Mô phỏng khối móng trụ: a) diễn biến nhiệt độ trong lõi và b) trạng thái nứt ở 720 ngày sau khi đúc 11

Hình 1 5 a) Hình ảnh bệ trụ IOB Một số vết nứt đã sửa chữa, b) Chỉ số nứt FEA của móng IOB ở 116 giờ sau khi đúc, c) Chỉ số nứt FEA của bệ trụ SBB ở 86 giờ sau khi đúc và d) Chỉ số nứt FEA của bệ trụ WBB ở 156 giờ sau khi đúc [16] 13

Hình 1 6 Các vết nứt điển hình trên trụ: a) ngang, b) dọc và c) hướng ngẫu nhiên [17] 15

Hình 1 7 Nứt do Sa lắng 16

Hình 1 8 Nứt do co dẻo 17

Hình 1 9 Nứt nhiệt thủy hóa xi măng tại trụ cầu Vĩnh Tuy 17

Hình 1 10 Nứt do co khô 18

Hình 1 11 Nứt do rỉ cốt thép 18

Hình 1 12 Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng 25

Hình 1 13 Ứng xử nhiệt của bê tông 27

Trang 9

Hình 1 14 Ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tông theo thời gian 27

Hình 1 15 Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng poóclăng 28

Hình 2 1 Quá trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) Cấp độ kết cấu; (b) phần tử thể tích đặc trưng REV; (c) Môi trường đồng nhất tương đương 42

Hình 2 2 Phần tử thể tích đặc trưng REV chứa hai vật liệu thành phần 45

Hình 2 3 Phần tử thể tích đặc trưng REV của vật liệu BTCT ( hình tròn là cốt thép, phần còn lại là bê tông): (a) phần tử thể tích đặc trưng REV; (b) chia lưới tam giác cho REV 48

Hình 2 4 Các giá trị thành phần chuyển vị tại nút của phần tử: (a) 11e1e1 , 1 (b) 22e2 e2 , (c) 12 (e1 e2 e2 e1) 52

2 Hình 2 5 Quá trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) kết cấu không đồng nhất; (b) kết cấu đồng nhất; (c) REV 58

Hình 2 6 Chia lưới tam giác trong khối vật thể đặc trưng REV của vật liệu BTCT 59

Hình 2 7 Giá trị nhiệt độ tại các nút phần tử tam giác 59

Hình 2 8 Sơ đồ qui trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn 61

Hình 2 9 Giao diện chương trình Tcon1 62

Hình 2 10 Mô hình vật liệu bê tông cốt thép 63

Hình 2 11 Hệ số dẫn nhiệt tương đương theo thời gian 63

Hình 2 12 Kích thước khối BTCT được đồng nhất hóa (a) và chia lưới của khối (b) 64

Hình 2 13 Trường nhiệt độ trong khối bê tông 64

Hình 2 14 Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 18mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 50mm 65

Trang 10

Hình 2 15 Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 20mm, bề

dày lớp bê tông bảo vệ 50mm 65

Hình 2 18 Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt tương đương và đường kính cốt thép, bề dày lớp bê tông bảo vệ 68

Hình 2 19 Hệ số truyền nhiệt tương đương theo thời gian với trường hợp đường kính cố thép chủ D32mm và cốt thép đai D25mm 68

Hình 2 20 Mô đun đàn hồi Ex của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian 72

Hình 2 21 Mô đun đàn hồi Ey của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian 73

Hình 2 22 Mô hình trụ đặc BTCT 75

Hình 2 23 Biến thiên ứng suất trong thân trụ 75

Hình 2 24 Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M250 76

Hình 2 26 Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m 78

Hình 2 27 Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,8m 79

Hình 2 32 Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m 83

Trang 11

Hình 3 1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt 94

Hình 3 2 Trộn vật liệu hỗn hợp BT 95

Hình 3 3 Đặt mẫu bê tông vào khay, kết nối cảm biến nhiệt 95

Hình 3 4 Đặt khay mẫu vào thùng đoạn nhiệt, nối cảm biến với máy đo 96

Hình 3 5 Máy tính theo dõi và lưu dữ liệu đo nhiệt 97

Hình 3 6 Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của 2 hỗn hợp bê tông 99

Hình 3 7 Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm và hồi quy 102

Hình 3 8 Nhiệt lượng sinh ra do nhiệt thủy hóa xi măng theo thời gian 103

Hình 4 1 Sơ đồ chương trình tính toán sự phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa…106 Hình 4 2 Thân trụ dùng để thực nghiệm: (a) kích thước thân trụ; (b) Bố trí cốt thép mặt cắt ngang, (c) Bố trí các đầu đo nhiệt độ trên mặt cắt ngang 107

Hình 4 3 Nhiệt độ đo được tại các đầu đo bằng Thermometer ngoài hiện trường 108

Hình 4 4 Chia lưới hai lớp vật liệu theo mô hình phần tử hữu hạn 109

Hình 4 5 Phân bố nhiệt của mặt cắt ngang thân trụ tại thời điểm 120 giờ 110

Hình 4 6 So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí điểm đo: (a) Mô phỏng nhiệt độ thay đổi theo giờ (b) So sánh nhiệt độ trên cạnh dài (c) So sánh nhiệt độ trên cạnh ngắn 111

Hình 4 7 Nhiệt độ tại các vị trí đầu đo phụ thuộc khoảng cách tới tâm trụ theo cạnh dài thân trụ: (a) Mô phỏng, (b)Thực đo 111

Trang 12

Hình 4 8 Nhiệt độ tại các vị trí đầu đo phụ thuộc khoảng cách tới tâm trụ theo cạnhngắn thân trụ: (a) Mô phỏng (b)Thực đo 112Hình 4 9 So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo phụ thuộckhoảng cách tới tâm trụ theo cạnh dài thân trụ của mô phỏng và thực đo 112Hình 4 10 So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo phụ thuộckhoảng cách tới tâm trụ theo cạnh ngắn thân trụ của mô phỏng và thực đo 113Hình 4 11 So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo theo môphỏng của vật liệu BTCT và vật liệu thuần bê tông 114Hình 4 12 Hình dạng trụ cầu trên mô hình 116Hình 4 13 Khai báo ảnh hưởng của từ biến và co ngót : (a) Hiển thị trên phầnmềm ; (b) Việt hóa tương ứng 117Hình 4 14 Hàm ảnh hưởng do từ biến của vật liệu theo thời gian: (a) Hiển thị trênphần mềm ; (b) Việt hóa tương ứng 118Hình 4 15 Hàm ảnh hưởng do co ngót của vật liệu theo thời gian: (a) Hiển thị trênphần mềm ; (b) Việt hóa tương ứng 119Hình 4 16 Chia lưới trong mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu 120Hình 4 17 Điều kiện biên với mặt cắt thân trụ cầu bị ngăn cản chuyển vị theophương pháp tuyến với mặt cắt 120Hình 4 18 Hàm nhiệt độ môi trường xung quanh: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b)Việt hóa tương ứng 121Hình 4 19 Hàm đối lưu bề mặt thân trụ: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b) Việt hóatương ứng 122Hình 4 20 Ứng suất lớn nhất do nhiệt thủy hóa xi măng tại bề mặt bê tông lớn nhất

ở thời điểm 60 giờ 124Hình 4 21 Ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng tại thời điểm 1000 giờ 125Hình 4 22 Thay đổi ứng suất nhiệt trên bề mặt khối bê tông và cường độ chịu kéocủa bê tông 125

Trang 13

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thông tin liên quan đến nứt móng cầu [16] 11

Bảng 1 2 Kết quả nhiệt từ các mô phỏng trong [16] 12

Bảng 1 3 Thông tin liên quan đến các trụ cầu bị nứt trong [15] 14

Bảng 1 4 Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông ninh kết 16

Bảng 1 5 Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông non tuổi : 17

Bảng 1 6 Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông đạt cường độ 18

Bảng 1 7 Quá trình thủy hóa điển hình của xi măng 29

Bảng 2 1 Hệ số dẫn nhiệt tương đương (W/mK) của BTCT cho một số loại đường kính cốt thép điển hình 67

Bảng 2 2 Chiều dày của lớp BTCT (mm) sau đồng nhất cho một số loại đường kính cốt thép điển hình 67

Bảng 2 3 Mô đun đàn hồi Ex đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép điển hình 70

Bảng 2 4 Mô đun đàn hồi Ey đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép điển hình 70

Bảng 2 5 Hệ số Poisson yx đồng nhất cho một số đường kính cốt thép điển hình 71

Bảng 2 6 Nhiệt dung riêng (J/kg K) của kết cấu BTCT cho một số đường kính cốt thép điển hình 71

Bảng 2 7 Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng với Mác và bề dày a 76

Bảng 2 8 Tương quan giữa a và M 77

Bảng 2 9 Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày thân trụ 78

Bảng 2 10 Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt 81

Bảng 2 11 Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt 82

Trang 14

Bảng 2 12 Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày

thân trụ 82

Bảng 2 13 Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt 85

Bảng 2 14 Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt 88

Bảng 3 1 Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông 91

Bảng 3 2 Thành phần hóa học của xi măng (%) 91

Bảng 3 3 Thành phần khoáng vật của xi măng (%) 91

Bảng 3 4 So sánh các phương pháp đo nhiệt lượng 92

Bảng 3 5 Kết quả đo nhiệt độ đoạn nhiệt của mẫu bê tông 97

Bảng 4 1 Các thông tin cơ bản về vật liệu trong kết cấu 116

Bảng 4 2 Điều kiện biên tỏa nhiệt 123

Trang 15

STT Tên viết tắt Nguyên nghĩa

Officials (Hiệp hội Giao thông và Vận tải đường bộ Hoa Kỳ)

Kỳ)

liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ)

dụng Hoa kỳ)

cấu bê tông)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

Trang 16

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông là một vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới bởi

nó có nhiều tính năng đáp ứng được yêu cầu của nhiều loại kết cấu khác nhau, khảnăng tạo hình cao, tính chất kết cấu tốt và độ bền cao so với các loại vật liệu xâydựng khác Điều này, cùng với việc các thành phần cốt liệu rẻ và dễ tiếp cận, đã làmcho nó trở thành vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất cho các kết cấu hiệnnay Nhưng quá trình xây dựng, trong kết cấu bê tông cốt thép xuất hiện sự hìnhthành nhiệt độ ở tuổi sớm do ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa Đây là một trong nhữngvấn đề quan trọng cần nghiên cứu do phân bố nhiệt độ này có ảnh hưởng trực tiếpđến trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu BTCT ở giai đoạn thi công

Cụ thể, ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ, nhiệt của quá trìnhthủy hóa và điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiệnbiên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông Bất cứ khi nàoứng suất như vậy đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra,

do đó có thể làm giảm khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu Sự phân bố ứngsuất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tôngđược thể hiện như Hình 1 Việc xử lý, sửa chữa, khắc phục các vết nứt này đều gâytốn kém về kinh phí và gây khó khăn, phức tạp trong xây dựng, cũng như công tácbảo trì, khai thác công trình

Hình 1 Phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ

Trang 17

Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳnghạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng, đập và các bộ phận công trìnhcầu như trình bày trong Hình 2 Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt độtrong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môitrường khi thi công và nhiệt độ bê tông tươi, đặc điểm hình học của các kết cấu

Hình 2 Ví dụ về các kết cấu bê tông thường xuất hiện vết nứt phi kết cấu: a) tấm móng bè, b) đập bê tông, c) Bể chứa, d) tháp tỏa nhiệt của lò phản ứng, e) móng tuabin gió, f) cọc, g) các đoạn đúc sẵn (đường hầm, bản mặt cầu), h) các khối bê

tông chắn sóng, i) trụ cầu và (j) tường chắn

Sự hình thành nguồn nhiệt độ trong cấu kiện bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, trong đó những yếu tố quan trọng là cấp phối bê tông và công nghệ xây dựng Nhiều nghiên cứu trước đây đã phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như:tốc độ thi công, kích thước khối đổ, hàm lượng xi măng, nhiệt lượng tỏa ra của 1 kg

xi măng, nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, thời điểm xây dựng đến phân bốnhiệt trong khối bê tông cốt thép [14, 44]

Ở Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 “Bê tông khối lớn – Thi công

và nghiệm thu” [1], để ngăn ngừa sự hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông,chúng ta phải bảo đảm hai yếu tố: Độ chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa các điểm hoặc

Trang 18

Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ- mức chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm trong khối

dụng các bê tông có cường độ cao (từ cấp 25MPa đến 40MPa) nên cần xem xét lại

do một số yếu tố như sau: Bê tông cường độ cao thường sử dụng hàm lượng xi

hơn nhiều so với bê tông đầm lăn và bê tông thủy công Đặc biệt kết cấu bê tôngtrụ cầu sử dụng cốt thép tại biên gần mặt bê tông, do đó chúng làm thay đổi hệ sốdẫn nhiệt và khả năng chịu kéo trên bề mặt của bê tông

Nghiên cứu về nguồn nhiệt độ, trường ứng suất của cấu kiện bê tông (trạngthái phân bố nhiệt độ và biến dạng) được nhiều nhà khoa học quan tâm: Một

nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước kết cấu bê tông khối lớn đến sự hình thànhtrường nhiệt độ và vết nứt do thủy hóa xi măng của [3] đã xem xét ảnh hưởng củakích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ ở tuổi sớm ngày, các kích thước củakhối là 2x2x2m, 3x3x3m, 4x4x4m và 5x5x5m nhưng là khối bê tông đồng nhấtkhông có lớp cốt thép bên trong kết cấu Một nghiên cứu khác về mức độ thủy hóa

và sự phát triển cường độ trong bê tông cường độ cao của [7] đã dựa vào mức độthủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt Trong đó, các dữ liệu cần thiếtđược lấy từ kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ và nhiệt độ đoạn nhiệtcủa 1 hỗn hợp bê tông cường độ cao Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham sốthời gian và tham số hình dạng được tính toán dựa vào đường cong đoạn nhiệt, từ

đó xác định được mức độ thủy hóa Đối với hỗn hợp bê tông cường độ cao thínghiệm, cường độ chịu nén cũng có quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa, tương

tự như bê tông thường Một nghiên cứu khác về xác định và đánh giá nhiệt thủy hóacủa một số hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông sử dụng cho kết cấu bê tông khốilớn của [5] trình bày phương pháp đo nhiệt lượng đẳng nhiệt để xác định nhiệt thủyhóa cho hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông Thí nghiệm được thực hiện cho 8hỗn hợp bê tông khối lớn sử dụng trong công trình cầu ở Florida, Mỹ Kết quảnghiên cứu cho thấy hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/xi măng, loại phụ gia khoáng

và tỷ lệ phụ gia khoáng thay thế xi măng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt thủy hóa

Trang 19

của hỗn hợp bê tông Việc sử dụng hàm lượng lớn tro bay thay thế xi măng khi thiết

kế thành phần hỗn hợp bê tông khối lớn sẽ làm giảm lượng nhiệt thủy hóa và do đógiảm thiểu khả năng nứt của bê tông Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn có hạn chế

là kết cấu còn đơn giản chỉ thuần túy là khối bê tông không có cốt thép và cấp phối

bê tông thí nghiêm chưa phải là cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần dưới củacông trình cầu (cấp C30 và C35)

Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Ứng dụng lý

thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu” để góp phần đề

xuất mô hình tính toán lý thuyết, có kiểm chứng qua thực đo ngoài hiện trường đểphân tích, đánh giá ứng xử do nhiệt thủy hóa xi măng trong kết cấu BTCT

Trong đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận ánđược tóm tắt như sau:

2 Mục tiêu của luận án:

Nội dung của luận án nhằm thực hiện các mục tiêu dưới đây:

Mục tiêu thứ nhất là: xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, phạm vi ảnhhưởng và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT với một số loạiđường kính cốt thép điển hình

Tiếp theo, mục tiêu thứ hai là: thực hiện thí nghiệm đoạn nhiệt trong phòngcho một số loại bê tông thông thường sử dụng cho công trình cầu để xây dựngđường cong nhiệt độ đoạn nhiệt của chúng

Cuối cùng, mục tiêu thứ ba là: sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh đượcthí nghiệm trong phòng và giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, đặc trưng vật liệutương đương của vật liệu BTCT để xây dựng chương trình phân tích sự phân bốnhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu BTCT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

Về kết cấu: Nghiên cứu với một thân trụ cầu ngoài thực tế với kích thước

lớn, phân tích sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng

Về vật liệu: Nghiên cứu với loại bê tông và cốt thép đáp ứng với điều kiện

Trang 20

thi công các bộ phận kết cấu của công trình cầu: Bê tông cấp C30 và C35 trongphòng thí nghiệm và bê tông cấp C30 với một thân trụ cầu thực tế

Về tải trọng: Cơ bản xác định sự phân bố nhiệt độ và biến dạng do ảnh

hưởng của nhiệt thủy hóa xi măng, không xét tới tác động cơ học

4 Cấu trúc của luận án: Luận án ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị,

Danh mục công bố của tác giả còn bao gồm bốn chương có cấu trúc như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về sự hình thành vết nứt trong kếtcấu BTCT; Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măngtrong kết cấu bê tông ở thời kỳ đầu của các tác giả trong và ngoài nước; Giới thiệucác phương pháp phòng chống, hạn chế nứt kết cấu bê tông trụ, mố cầu khi không

có lực tác động cơ học ở giai đoạn thi công Chương 2 xác định hệ số dẫn nhiệttương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT bằng phươngpháp đồng nhất hóa Tiếp theo đó, kết quả của một số thí nghiệm xác định nhiệt độđoạn nhiệt từ quá trình thủy hóa của xi măng cho bê tông thông thường dùng chocông trình cầu được thực hiện ở Chương 3 của luận án Chương 4 là việc ứng dụng

lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất donhiệt thủy hóa xi măng ở giai đoạn hình thành cường độ của khối BTCT trụ cầu

5 Những đóng góp mới của luận án

Thứ nhất, xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng nhiệt của bê tôngcốt thép bằng lý thuyết đồng nhất hóa (Chương trình TCon1): hệ số dẫn nhiệt tươngđương, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng nhất hóa vật liệu BTCT cho các cấu tạo lớp

vỏ BTCT đặc trưng của trụ cầu

Thứ hai, xây dựng đường cong đoạn nhiệt cho một số cấp phối bê tông sửdụng trong kết cấu phần dưới của công trình cầu (bê tông C30, C35) theo phươngpháp đoạn nhiệt trong phòng thí nghiệm và phương pháp bán đoạn nhiệt tại hiệntrường

Thứ ba, xây dựng chương trình tính toán sự phân bố và thay đổi nhiệt độ vàứng suất theo thời gian do nhiệt thủy hóa xi măng (Chương trình TCon2) để so sánhvới kết quả thực đo ngoài hiện trường

Trang 21

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 1 Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu

ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học

1 1 1 Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học

Các loại vết nứt do nhiệt độ trong quá trình thủy hóa xi măng, do co ngót, từbiến của kết cấu bê tông và do kiềm chế biến dạng trong khối bê tông khi tuổi sớm

là các loại vết nứt không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học Ứng suất kéo

do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ, nhiệt của quá trình thủy hóa và điều kiện môitrường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tácđộng nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông Bất cứ khi nào ứng suất như vậy đạtđến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra, do đó có thể làm giảmkhả năng sử dụng và độ bền của kết cấu Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông nontuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng,đập và các bộ phận công trình cầu Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt

độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môitrường khi thi công và nhiệt độ bê tông tươi, đặc điểm hình học của các kết cấu Trạng thái giới hạn sử dụng của vết nứt trong kết cấu bê tông do các biến dạng

bị kiềm chế, do các tác động nhiệt và co ngót bị gây ra do quá trình thủy hóa ximăng đã là một chủ đề liên tục nghiên cứu và quan tâm của cả thiết kế và thi công[18] Ngoài tác động tiêu cực đến thẩm mỹ, các vết nứt như vậy cũng có thể thúcđẩy sự ăn mòn của cốt thép và cuối cùng làm giảm độ bền của kết cấu bê tông [52]hoặc thậm chí có thể gây ra việc giảm khả năng chịu tải của kết cấu Trong các loạikết cấu bê tông cụ thể, vết nứt cũng có thể làm suy giảm chức năng một cách đáng

kể Ví dụ, nứt do tuổi sớm của bê tông có thể là một trong những nguyên nhânchính gây ra rò rỉ trong các kết cấu bê tông giữ chất lỏng [15], hơn nữa ở các kếtcấu của lò phản ứng hạt nhân đặc biệt quan tâm về tính an toàn, độ kín không khí,điện trở bức xạ được kiểm soát phần lớn thông qua đặc điểm vết nứt [21] Do đó,chi phí bổ sung để xác định các vết nứt phi kết cấu này, phân tích nguyên nhân vàcác công việc sửa chữa nó có thể được yêu cầu [10], trong khi rủi ro về tăng chi phípháp lý cao và gây thiệt hại cho các bên liên quan như thiết kế và thi công rất

Trang 22

nghiêm trọng [35] Một vài ví dụ dưới đây để phân tích sự hình thành và nguyênnhân gây nên các vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tácđộng cơ học:

a Kết cấu BTCT của đập tràn ở Nam Mỹ

Trong kết cấu này [30] (Hình 1 1), kích thước của khối đập là 35x15x7,5m,

môi trường khi thi công là khoảng 32°C, rất gần với ngưỡng giới hạn do các tài liệuhướng dẫn về đổ bê tông trong thời tiết nóng, chẳng hạn như [54] Đáng chú ý làkhông có biện pháp làm mát trước và sau khi thi công Chúng ta thấy có nhiều vếtnứt xuất hiện trên bề mặt bên của đập, các vết nứt này có chiều rộng đáng kể từ 0,2đến 1,2mm Một quá trình điều tra và đánh giá cho thấy vết nứt xuất hiện là do ứngsuất nhiệt sinh ra trong lõi khối đập do nhiệt thủy hóa của xi măng, trong lõi củakhối nhiệt độ lên tới 62,5°C, nhiệt độ môi trường lúc thi công do ảnh hưởng của vánkhuôn làm cho sự chênh lệch nhiệt độ lên tới 42°C Quá trình đánh giá chỉ ra rằngcác vết nứt này có thể bắt đầu từ 10 ngày tới 100 ngày sau khi đúc do kích thướccủa đập tăng lên

Hình 1 1 a) Hình ảnh đập tràn đang được xây dựng, b, c) các vết nứt do nhiệt gây

ra và d, e) kết quả từ các mô phỏng số [18]

Trang 23

b Kết cấu BTCT của đập Itaipu ở Brazil/Paragoay

Trong công trình đập Itaipu ở Brazil/Paragoay [36] với cấu trúc bằng bê tông

(Hình 1 2), nhiệt độ bê tông tươi thiết kế là 7°C [13], sau khi đổ nhiệt độ tối đatrong lõi là 36°C, và nhiệt độ bề mặt là 22°C

Hình 1 2 a) Khối đúc đập điển hình [20], b) sơ đồ vết nứt của khối đúc, c) kết quả phân bố nhiệt độ từ phương pháp PTHH, d) chỉ số nứt (ứng suất kéo / độ bền kéo)

Đối với công trình này, có hai loại bê tông được sử dụng để xây dựng các khốiđầu tiên Loại thứ nhất, được sử dụng cho 6 lớp đầu tiên, có hàm lượng xi măng là

kính cốt liệu lớn nhất của bê tông này là 76 mm và cường độ nén thiết kế là 21 MPa

loại bê tông thứ hai này là 152 mm và cường độ nén thiết kế của nó là 14 MPa ở

Trang 24

360 ngày [16]

Các vết nứt đầu tiên được nhận thấy bằng cách kiểm tra vào tháng 8 năm 1980

Đã có những vết nứt ở 34 trong số 47 khối được xây dựng, chủ yếu nằm ở phầnsườn chống, và đôi khi ở đầu các khối này Các vết nứt dọc, bắt đầu từ mặt móng vànằm ở thượng lưu Các vết nứt này nông, có độ rộng thay đổi từ 0,3 đến 0,9 mm vàdài từ 10 m đến 20 m, như được thể hiện trong Hình 1 2 Các vết nứt này đượcPhòng thí nghiệm Itaipu đánh giá do ảnh hưởng của sự kiềm chế biến dạng trongkết cấu bê tông khi non tuổi và sự co ngót, từ biến của kết cấu bê tông Điều nàycho thấy các vết nứt không do tác dụng cơ học trong kết cấu bê tông, bê tông cốtthép thường xuyên xảy ra, nó gây một tác động rất xấu tới khả năng chịu tải, tínhliền khối của kết cấu trong quá trình sử dụng Việc tìm hiểu nguyên nhân và tìmcách khắc phục, hạn chế hiện tượng này là một vấn đề rất cấp bách hiện nay [20]

c Kết cấu BTCT của trụ cầu ở Cộng hòa Séc

Khối trụ cầu này với kích thước 5x5x4,57m, cấp bê tông là C35/45, bê tông

bố trí theo phương thẳng đứng bằng ba lớp cốt thép có đường kính 32 mm nằm cách

bề mặt bên ngoài 500 mm Với tổng số 248 cốt thép, như trong Hình 1 3a, b, tỷ lệ

cốt thép dọc là 0,8% Theo chiều ngang, các cốt đai có đường kính 10 và 12 mmđược lắp đặt thành hai lớp, với khoảng cách dọc là 200 mm, dẫn đến tỷ lệ cốt théptheo hướng dọc chỉ là 0,019% Sau khoảng 1 năm kể từ khi đổ bê tông, các vết nứtdọc có chiều rộng từ 0,1 đến 0,5 mm đã được phát hiện, như trong Hình 1 3c, d Một số mẫu khoan từ lõi sâu 600 mm cho thấy các vết nứt chạy vào khối vượt quacác lớp gia cố Quá trình nghiên cứu đánh giá đã xác nhận rằng nguyên nhân gâynứt là nhiệt thủy hóa xi măng [23] Một mô phỏng số đã dự đoán tăng nhiệt độ từnhiệt độ ban đầu 20°C đến tối đa 61°C sau 9 ngày, xem Hình 1 4a, trong khi khốinguội xuống nhiệt độ môi trường xung quanh sau khoảng 100 ngày Quá mô phỏng

có tính đến độ tự chùng và co ngót của bê tông, cũng như cơ học phá hủy Mô hình

Trang 25

tài liệu được sử dụng cho độ tự chùng và co ngót [17] có tính đến các biến dạngnhiệt độ và sự co ngót tự sinh, trong khi nó bỏ qua sự co ngót do sấy khô do kíchthước lớn của phần tử Người ta tính toán rằng chiều rộng vết nứt dự đoán trungbình là khoảng 0,23 mm, nằm trong phạm vi chiều rộng vết nứt đo được trên bề mặt

bê tông (0,1– 0,5 mm), xem Hình 1 4b Một nghiên cứu đánh giá chi tiết trên mộtcấu trúc tương tự trong cùng một nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ cốt thép dọc tốithiểu có hiệu quả trong việc ngăn chặn vết nứt cục bộ thành một vài vết nứt chianhỏ là 0,3% Tỷ lệ cốt thép là 0,4% có thể giữ cho vết nứt có chiều rộng dưới 0,25

mm cả ở bề mặt và lõi Tuy nhiên, tỷ lệ cốt thép thực tế thấp hơn nhiều so với yêucầu, dẫn đến việc kiểm soát vết nứt không đủ

Hình 1 3 a) Bố trí cốt thép mặt cắt ngang trụ, b) chi tiết diện tích bề mặt được gia

cố, c) khối bị nứt sau 1 năm với các vết nứt dọc, d) hình ảnh chi tiết của một lõi

khoan qua vết nứt dọc rộng 0,4 mm

Trang 26

Thông số Móng của kết cấu được khảo sát

Hình 1 4 Mô phỏng khối móng trụ: a) diễn biến nhiệt độ trong lõi và b) trạng thái

nứt ở 720 ngày sau khi đúc

d Khối bệ móng trụ cầu tại Mỹ

Một quá trình kiểm tra chuyên sâu được mô tả trong [28] cho thấy vết nứt xuấthiện nhiều trong các móng cầu bê tông kích thước lớn trong môi trường ven biển ởBắc Carolina (NC), Hoa Kỳ Các cây cầu được kiểm tra bao gồm Cầu Đảo Oak

(OIB), Cầu Bãi biển Sunset (SBB) và Cầu Bypass Wilmington 17 của Hoa Kỳ

(WBB) Các cuộc kiểm tra với mục đích chính là đánh giá tình trạng kết cấu và sự

xuất hiện của vết nứt

Bảng 1 1 Thông tin liên quan đến nứt móng cầu [28]

Trang 27

-Thời gian phát triển nhiệt

-Sự chênh lệch nhiệt độ tối

-Thời gian lúc chênh lệch

Bảng 1 2 Kết quả nhiệt từ các mô phỏng trong [28]

Trang 28

Hình 1 5 a) Hình ảnh bệ trụ IOB Một số vết nứt đã sửa chữa, b) Chỉ số nứt FEA của móng IOB ở 116 giờ sau khi đúc, c) Chỉ số nứt FEA của bệ trụ SBB ở 86 giờ sau khi đúc và d) Chỉ số nứt của bệ trụ WBB ở 156 giờ sau khi đúc [28]

Các đặc tính của vật liệu và nhiệt độ ghi lại được cung cấp để bổ sung cho cáckết quả kiểm tra, như được chỉ ra trong Bảng 1 1 Trong hầu hết các trường hợp, cácbiện pháp kiểm soát nhiệt bổ sung đã được thực hiện trong quá trình xây dựng,chẳng hạn như áp dụng các tấm đệm nhiệt và sử dụng ván khuôn thép được giữnguyên trong vòng 1 hoặc 2 tuần Tuy nhiên, với các biện pháp này, các vết nứt đãxảy ra theo cả hướng dọc và ngang trên cầu WBB

Một phân tích phần tử hữu hạn (PTHH) cũng được trình bày trong các nghiêncứu, với mục đích chính là tính toán chỉ số nứt do nhiệt, tại các trường hợp là các

Trang 29

Đường kính (m) Ngày (sau khi đúc) Nhiệt độ (°C)

là tương đối cao đối với tất cả các móng được phân tích, nhưng đáng chú ý nhất làđối với WBB, nó bị nứt nặng nhất so với OIB và SBB, vì chênh lệch nhiệt độ tínhtoán vượt quá 50°C Điều này được cho là do kích thước của móng và việc loại bỏván khuôn sớm cũng như từ quan điểm thiết kế hỗn hợp bê tông, chỉ có 25–30% trobay để thay thế có thể không đủ để kiểm soát nứt do nhiệt thủy hóa

e Khối trụ cầu ở Ý

Một trường hợp khác có vết nứt do hiệu ứng nhiệt thủy hóa ở một số trụ bêtông kích thước lớn trong một cầu cạn ở Ý được nghiên cứu và phát triển thêm bởi[19] xuất phát từ nghiên trước đó được đưa ra trong [17] Các trụ của cầu cạn cóchiều cao thay đổi từ 7,50 đến 10 m, đường kính 3,5m hoặc 4,5 m và nằm trênmóng trụ dày 2m (trung bình) Hỗn hợp bê tông được sử dụng có tỷ lệ nước/ xi

nhiệt độ của quá trình thủy hóa xi măng Bê tông được đúc trong những tháng nhiệt

độ thấp trong khi ván khuôn được tháo dỡ 1 ngày sau khi đúc Các thông tin về thờigian đúc, loại bỏ ván khuôn, nhiệt độ đúc và sự xuất hiện vết nứt được nêu trongBảng 1 3 Sau vài ngày đầu tiên kể từ khi tháo ván khuôn, vết nứt đã được quan sátthấy trên một số lượng trụ khá nhiều theo cả phương thẳng đứng và phương ngang,với chiều rộng vết nứt thay đổi từ 0,05 đến 0,3 mm như trong Hình 1 6

Bảng 1 3 Thông tin liên quan đến các trụ cầu bị nứt trong [17]

Trang 30

Đường kính (m) Ngày (sau khi đúc) Nhiệt độ (°C)

Kích thước của các kết cấu quy định sự cần thiết phải thực hiện các biện pháp

phòng ngừa để giảm thiểu nguy cơ nứt do nhiệt thủy hóa Mặc dù nhiệt thủy hóa

của xi măng khá thấp (268 kJ / kg), điều này được chứng minh điều kiện giảm

lượng xi măng trong thiết kế hỗn hợp bê tông là không đủ để giảm nứt nhiệt Phân

tích sâu hơn cho thấy rằng nhiệt độ trong lõi của các trụ đạt tới 65°C, tạo ra các

gradient nhiệt độ đáng kể được coi là nguyên nhân gây nứt Các biện pháp khác cần

được thực hiện để tăng cường khả năng chống nứt do nhiệt của các trụ, như được

mô tả trong [17], chẳng hạn như kết hợp các giai đoạn xây dựng, ván khuôn cách

nhiệt được giữ trong vài ngày, kết hợp một hệ thống ống làm mát trong các trụ hoặc

các trụ rỗng thay vì chủ yếu là các trụ đặc

Trang 31

Kiểu nứt Dạng nứt Nguyên nhân chủ yếu Thời gian

xuất hiện

dư nước, đầm lâu

10’ - 3h

rải rác

Các dạng vết nứt xuất hiện trên bề mặt của các bộ phận cầu trên thế giới đều

liên quan tới nhiệt thủy hóa trong bê tông còn tuổi sớm không do tác động cơ học

bên ngoài, mặc dù đã có nhiều biện pháp để hạn chế các dạng vết nứt này nhưng

chúng vẫn xuất hiện khá nhiều, ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của kết cấu khi

khai thác Điều này cho thấy dạng vết nứt do nhiệt thủy hóa trong bê tông còn non

tuổi cần phải được quan tâm và nghiên cứu một cách nghiêm túc để khắc phục các

hiện tượng nứt này

f Một vài dạng vết không do tác dụng cơ học xuất hiện trong các bộ phận

công trình cầu tại Việt Nam

Dưới đây là một vài hình ảnh của vết nứt không do tác dụng cơ học xuất hiện

trong các bộ phận công trình cầu được phân tích nguyên nhân hình thành và hình

dạng vết nứt được trình bày từ Bảng 1 4 tới Bảng 1 6 và từ Hình 1 7 tới Hình 1 11

Bảng 1 4 Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông đông kết

Hình 1 7 Nứt do sa lắng

Trang 32

Kiểu nứt Dạng nứt Nguyên nhân chủ yếu Thời gian xuất hiện

Giãn, co nhiệt

(nhiệt thủy hóa)

nhiệt lớn

1 ngày đến 2- 3 tuần

Hình 1 8 Nứt do co dẻo Bảng 1 5 Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông non tuổi :

Hình 1 9 Nứt nhiệt thủy hóa xi măng tại trụ cầu Vĩnh Tuy

Trang 33

Kiểu nứt Dạng nứt Nguyên nhân chủ yếu Thời gian

Vài tuần đếnvài tháng

Các dạng vết nứt xuất hiện trong mố trụ cầu ở trên đều liên quan đến sự làm

việc chung giữa bê tông và cốt thép, quá trình tác động từ bê tông sang cốt thép và

Trang 34

ngược lại, vấn đề hình thành lực dính bám giữa bê tông và cốt thép Do đó ta thấyviệc hình thành các loại vết nứt này đều có liên quan đến nhiệt độ và chủ yếu là vếtnứt do quá trình nhiệt thủy hóa trong bê tông, xuất hiện trong giai đoạn bê tông cònnon tuổi không phải do chịu lực trong quá trình khai thác gây ra

1 1 2 Khái niệm về nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông

Nhiệt thủy hóa là nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình thủy hóa xi măng là

nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian là 72 giờ đầu Nhiệt thủy hóa xi măng làm tăng nhiệt độ không đồng đều trong khối bê tông, tạonên Gradient nhiệt độ và sự giãn nở nhiệt thể tích là một trong những nguyên nhân

có thể gây nứt cấu kiện BTCT

a Xi măng poóclăng

Để làm rõ hơn cấu trúc và tính chất của bê tông xi măng poóclăng, mục này

sẽ trình bày khái niệm, thành phần hóa học của xi măng poóclăng và quá trình rắnchắc của xi măng poóclăng để tạo thành bê tông xi măng poóclăng

Xi măng poóclăng là chất kết dính vô cơ rắn trong nước và khi cứng rắn thì

có thể bền nước, chứa khooảng 70 - 80% silicat canxi và 15% aluminat canxi Nó là

sản phẩm của quá trình nghiền mịn của cơlanhke với phụ gia thạch cao (3 - 5%) Cơlanhke ở dạng hạt được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp chứa cacbonat canxi(đá vôi) và alumosilicat (đất sét, đá macna, xỉ lò cao,…) cho đến kết khối ở 1450C

- 1550C Thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết của xi măng Ngoài

với nước sẽ tạo thành hỗn hợp vữa nhão được gọi là hồ xi măng

Khi nghiền để điều chỉnh tính chất và giá thành có thể cho thêm phụ gia, hỗnhợp phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ Thành phần phụ gia được quyết định bởi nhucầu của sản phẩm xi măng

Xi măng poóclăng được sản xuất tại Anh năm 1824 và ngày càng được cảitiến, có những ưu điểm nổi bật như cường độ cao, rắn chắc nhanh, v v… Xi măngpoóclăng là chất kết dính vô cơ chủ yếu trong xây dựng dân dụng, giao thông, thủy

Trang 35

lợi và các công trình xây dựng khác Xi măng có đặc tính kết dính và liên kết cáccốt liệu trở thành một khối rắn chắc có độ bền và cường độ thích hợp đó là bê tông

xi măng poóclăng

b Thành phần hóa học và khoáng vật của cơlanhke

Cơlanhke thường ở dạng hạt có đường kính từ 10 - 40m, cấu trúc gồmnhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình Chất lượngcủa cơlanhke phụ vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất Tínhchất của xi măng do chất lượng của cơlanhke quyết định

Thành phần hóa học của cơlanhke

Thành phần hóa học của cơlanhke biểu thị bằng hàm lượng các oxit có trong

lớn và ít nhiều có hại đến chất lượng của xi măng

Thành phần hóa học của cơlanhke thay đổi thì tính chất của xi măng cũngthay đổi Nếu tăng CaO thì xi măng thường rắn rất nhanh, kém bền nước, còn nếu

Trong quá trình nung đến nhiệt độ kết khối, các oxit chủ yếu kết hợp lại tạothành các silicat, aluminat và alumoferit canxi ở dạng các khoáng có cấu trúc tinhthể, một số ít chuyển sang dạng vô định hình

Thành phần khoáng vật của cơlanhke

Cơlanhke có 4 loại khoáng vật chính là alit, belit, aluminat tricanxit vàferoaluminat tetracanxit

Alit: 3CaO SiO2, viết tắt là C3S, chiếm khoảng 45 - 60%, là dung dịch rắn

nhiệt thủy hóa lớn và tạo cường độ ban đầu cao

Trang 36

Các tạp chất này có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của alit Alit cóthể kết tinh ở 6 dạng hình khác nhau Trong cơlanhke, tinh thể alit thường có hình 6cạnh hoặc hình chữ nhật với kích thước 3 – 20m

Alit là khoáng quan trọng nhất của cơlanhke, nó quyết định cường độ và cáctính chất khác của xi măng

Belit: 2CaO SiO2, viết tắt là C2S, là khoáng silicat làm cho xi măng pháttriển cường độ dài ngày chiếm 20 – 30% trong cơlanhke, nó rắn chắc chậm nhưngđạt cường độ cao ở tuổi muộn Trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến nhiệt

độ 1500C, belit có 5 dạng tinh thể Trong cơlanhke, belit là dung dịch rắn của β–

tính dính kết) Belit có cấu trúc dạng hạt đặc tròn, kích thước 20 - 50 µm

Tổng hàm lượng silicat trong cơlanhke khoảng 75%, còn lại 25% là cáckhoáng nằm ở khoảng giữa alit và belit

Aluminat tricanxit: 3CaO Al2O3, viết tắt là C3A, chiếm khoảng 4 - 12% Ởnhiệt độ nung thích hợp, tinh thể có dạng lập phương kích thước 10 15 µm, có

độ không lớn Nó rất dễ bị ăn mòn sunfat, nên trong xi măng bền sunfat phải khống

Feroaluminat tetracanxit: 4CaO Al2O3 Fe2O3, viết tắt là C4AF, chiếmkhoảng 10-12%, có khối lượng riêng lớn nhất trong các khoáng cơlanhke (3,77

tốc độ rắn chắc trung gian giữa alit và belit, vì vậy không ảnh hưởng lớn đến tốc độrắn chắc và sự tỏa nhiệt của xi măng poóc-lăng

Trang 37

Các chất oxit cơlanhke chiếm khoảng 5 - 15%, bao gồm chủ yếu là CaO,

Oxit magiê: MgO, là thành phần của pha feroaluminat và thủy tinh

cơlanhke, đồng thời tồn tại ở dạng tinh thể tự do, thủy hóa rất chậm Sự thủy hóa

thể tích của pha rắn Cho nên hàm lượng của MgO > 5% sẽ gây mất tính ổn định thểtích của xi măng

Oxit canxi tự do ở dạng hạt, thường có trong cơlanhke mới nung xong Quy

định hàm lượng của nó không được vượt quá 1%, vì nó gây ra tính không ổn định

thể tích của xi măng

Kiềm: Na2O, K2O: có trong pha feroaluminat của cơlanhke cũng như ở dạngsunfat Để tránh gây ra nứt nẻ kết cấu, hàm lượng của chúng phải rất hạn chế khi

dùng với cốt liệu (cát, đá) có chứa oxit vô định hình

c Quá trình rắn chắc của xi măng

Xi măng sau khi nhào trộn với nước trải qua 3 giai đoạn Trong khoảng 45

phút đến 1 giờ sau khi nhào trộn, hỗn hợp có dạng vữa nhão được gọi là hồ xi măng

(có tính dẻo và dễ tạo hình) bắt đầu đông kết Hỗn hợp đặc dần lại và mất dần tính

dẻo nhưng cường độ không lớn Giai đoạn này kết thúc trong 5 - 10 giờ sau khi

nhào trộn Khi đó hỗn hợp chuyển từ trạng thái đặc sệt sang trạng thái rắn chắc, có

nghĩa là kết thúc ninh kết và bắt đầu rắn chắc Giai đoạn rắn chắc đặc trưng bằng sự

tăng nhanh cường độ

Phản ứng thủy hóa

Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng

nhanh của alit với nước tạo ra hydrosilicat canxi và hydroxit canxi:

2(3CaO SiO2 ) 6H 2O 3CaO 2SiO2 3H 2O 3Ca(OH )2 (1 1)

Vì đã có hydroxit canxi tách ra từ alit nên belit thủy hóa chậm hơn alit và tách

Trang 38

2(2CaO SiO2 ) 4H 2O 3CaO 2SiO2 2H 2O Ca(OH )2 (1 2)Hydrosilicat canxi hình thành khi thủy hóa hoàn toàn đơn khoáng silicat

tricanxi ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hòa hydroxit canxi Tỷ lệ

thành phần vật liệu, điều kiện rắn chắc và các yếu tố khác Pha chứa alumo chủ

Ngay sau khi trộn với nước, trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp,

Dạng ổn định, sản phẩm phản ứng nhanh với nước của nó là hydro-aluminat 6

3CaO Al2O3 6H 2O 3CaO Al2O3 6H 2O (1 3)

Để làm chậm quá trình đông kết, khi nghiền cơlanhke cần cho thêm một lượngthạch cao từ 3 - 5% so với khối lượng xi măng Sunfat canxi đóng vài trò là chất

hoạt động hóa học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxi ngay từ đầu để tạo

thành sunphoaluminat canxi ngậm nước (khoáng ettringite):

3CaO Al2O3 3(CO4 2H 2O) 26H 2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H 2O (1 4)

hòa sẽ làm giảm nồng độ hydroxit canxi trong dung dịch và ettringite chuyển sang

tinh thể dạng sợi, taọ ra cường độ ban dầu cho xi măng Ettringite có thể lớn gấp 2

lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp các lỗ rỗng của

đá xi măng, làm cường độ và độ ổn định của đá xi măng tăng lên, cấu trúc của đá xi

măng cũng sẽ tốt hơn do hạn chết được những chỗ yếu của hydroaluminat canxi

sunfat:

Trang 39

3 3 4 3 4

2(3CaO Al2O )3CaO Al2O 3CaSO 32H2O 22H2O 3(3CaO Al2O CaSO 18H2O) (1 5)Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi:

4CaO Al2O3 Fe2O3 mH 2O 3CaO Al2O3 6H 2O CaO Fe2O3 nH 2O (1 6)

Hydroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gen xi măng, còn hyfroaluminat sẽ

tác dụng với thạch cao như phản ứng trên

d Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng

Hồ xi mặng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là loại huyền phù đặc

của nước, có tính chất của cấu trúc phân tán xét về mặt cường đọ cấu trúc, độ nhớt

cấu trúc, độ dẻo cấu trúc và tính xúc biến

Trước khi tạo hình hỗn hợp bê tông và bắt đầu đông kết, hồ xi măng có các cấu

trúc ngưng tụ Trong đó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vandecvan và liên kết với

nhau bằng lớp vỏ hydrat Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi có lực cơ học tác dụng

(nhào trộn, rung, v v…) Do ứng suất trượt giảm đi đột ngột, cấu trúc bị phá hủy nó

trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy mang đặc

trưng xúc biến, có nghĩa là khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên kết cấu trúc

trong hệ lại được phục hồi

Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ diễn ra như sau: những

phân tố cấu trúc đầu hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là ettringite

hydrooxit canxi và các sợi gen CSH Ettringite dạng lăng trụ lục giác được tạo

hydrosilicat canxi đầu tiên ở dạng hình kim, sau đó tiếp tục phát triển, phân nhánh

làm đặc chắc hơn hồ xi măng

Hình 1 12 giới thiệu sự phát triển cấu trúc của hồ xi măng theo thời gian Cấu

trúc ban đầu là khung không gian kém bền, tạo ra từ các hạt phân tán của sản phẩm

thủy hóa liên kết với nhau bằng lực Vandecvan và màng nước hấp phụ của các hạt

đó Đến cuối giai đoạn ninh kết cấu trúc cơ bản của hồ xi măng được hình thành

Trang 40

làm cho nó biến đổi thành đá xi măng

Hình 1 12 Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng 1- Ca(OH) 2 ; 2- Entringite; 3- Hydrosilicat Canxi dài; 3b- Hydrosilicat Canxi sợi ngắn; 4- 3CaO Al 2 O 3 CaSO 4 12H 2 O; 5- 4CaO Al 2 O 3 CaSO 4 13H 2 O;

6- Đường cong thay đổi thể tích lỗ rỗng I- Cấu trúc không bền; II- Hình thành cấu trúc cơ bản;

III- Ngưng tụ cấu trúc để thành cấu trúc bền

Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hóa lý phức tạp đi kèm theo cácphản ứng hóa học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho

xi măng khi nhào trộng với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau khi biến thành đácứng có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoảng vớinước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫnnhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ lẫn nhau và với các khoángkhác của clinker để hình thành những liên kết mới Do đó, hồ xi măng là một hệ rấtphức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắnchắc người ta thường dùng thuyết của Baikov – Rebinder Theo thuyết này, quátrình rắn chắc của xi măng được chia thành 3 giai đoạn:

Định dạng
Số trang	170
Dung lượng	6,3 MB