Tóm tắt LA (tiếng việt): Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.

Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ NHIỆT VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP KIỂM SOÁT NHIỆT, HẠN CHẾ VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TUỔI SỚM KẾT CẤU CẦU

Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số : 9580205

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI- 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường tại Trường Đại học

Giao thông Vận tải, vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:

- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải;

- Thư viện Quốc Gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông với chất kết dính chính là xi măng Pooc-lăng được sử dụng nhiều trong xây dựng hạ tầng giao thông vận tải Nhiệt được giải phóng trong quá trình thủy hóa xi măng gây ra sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong kết cấu bê tông Vấn đề này có thể nghiêm trọng hơn khi bê tông trong giai đoạn đông cứng: nhiệt vẫn được sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng trong khi bề mặt của bê tông đang nguội dần theo nhiệt độ môi trường Sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi bê tông và bề mặt bên ngoài của nó có thể gây ra ứng suất kéo đáng kể có thể làm tăng nguy cơ nứt ở bê tông tuổi sớm Nứt trong các cấu kiện bê tông khối lớn (BTKL) do ứng suất nhiệt là một vấn đề đã xuất hiện từ lâu, rõ ràng nhất là khi nó được phát hiện lần đầu tiên trong các công trình đập thủy điện trên thế giới từ đầu thế kỷ XX Khái niệm "bê tông khối lớn" từ đó cũng thường được hiểu là các kết cấu BT có kích thước lớn như đập, khối móng lớn Tuy nhiên gần đây, thuật ngữ này cũng được sử dụng cho các bộ phận công trình cầu có kích thước lớn như

bệ móng, trụ, xà mũ, dầm hộp, Các tiêu chuẩn về BTKL luôn yêu cầu phải kiểm soát

sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt của BT, từ đó giảm thiểu hoặc hạn chế vết nứt nhiệt ngay trong giai đoạn xây dựng

Hiện nay, ngành xây dựng cầu đã ứng dụng nhiều loại vật liệu bê tông cường độ cao, tính năng cao, siêu cao Khái niệm bê tông khối lớn không còn đơn thuần là kết cấu có kích thước lớn nữa, mà ngay cả các kết cấu thanh mảnh cũng có nguy cơ nứt nhiệt khi sử dụng bê tông cường độ cao (có hàm lượng xi măng lớn) Khi đó vấn đề về nứt nhiệt cần phải được xem xét kỹ càng

Xu thế hiện nay khi chế tạo bê tông cường độ cao, tính năng cao, là sử dụng hàm lượng xi măng Pooc-lăng lớn và giảm tỉ lệ nước/xi măng Ngoài ra, các phụ gia khoáng hoạt tính như muội silic, xỉ lò cao, tro bay, cũng được sử dụng nhằm giảm bớt lượng xi măng, giảm nhiệt tỏa ra, nhưng phần nào đó vẫn đảm bảo bê tông đạt được cường độ mong muốn Các hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay, xỉ lò cao còn góp phần giảm khí thải CO2 ra môi trường Nhiều quan điểm trên thế giới và một số nghiên cứu ở Việt Nam cho rằng đưa tro bay vào bê tông sẽ làm giảm nhiệt thủy hóa đáng kể, điều này là hiển nhiên Tuy nhiên các nghiên cứu đó ko xét được một cách định lượng, việc thay thế xi măng bằng tro bay như vậy sẽ giảm được nhiệt bao nhiêu và cường độ bê tông sẽ giảm như thế nào, có đảm bảo được cường độ mục tiêu (mong muốn) hay không?

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt, hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm kết cấu cầu” sẽ góp phần giải

quyết câu hỏi nêu trên Luận án sẽ tiến hành thực nghiệm về nhiệt và cường độ cho một

số hỗn hợp bê tông cường độ cao có sử dụng phụ gia khoáng là tro bay Dựa vào kết quả thực nghiệm sẽ đánh giá định lượng được ảnh hưởng của tỉ lệ % tro bay đến nhiệt và cường độ và khả năng nứt nhiệt của bê tông

2 Mục tiêu của luận án

- Xác định được các đặc trưng nhiệt thủy hóa bao gồm: độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, nhiệt lượng tích lũy, tốc độ sinh nhiệt, các tham số đường cong nhiệt thủy hóa của

BTCĐC có sử dụng phụ gia khoáng tro bay bằng thực nghiệm

- Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ % tro bay thay thế xi măng đến hiệu ứng nhiệt, sự phát triển cường độ và khả năng nứt nhiệt của trụ cầu, từ đó đưa ra được giải pháp vật liệu bê tông tro bay cường độ cao hợp lý

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Các tham số và thuộc tính về nhiệt của bê tông tro bay cường độ cao, ứng suất nhiệt, nứt nhiệt của bê tông ở tuổi sớm

b) Phạm vi nghiên cứu

- Bê tông cường độ cao (cường độ nén đặc trưng 55 MPa) có sử dụng phụ gia khoáng tro bay thay thế xi măng từ 0 ÷30%; kết cấu trụ cầu có kích thước mặt cắt ngang 2,0 m × 3,0 m ở tuổi sớm từ 0 – 7 ngày tuổi

- Chưa xét đến các ảnh hưởng về co ngót và phân bố cốt thép

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông và thí nghiệm cường độ bê tông

- Nghiên cứu lý thuyết: thiết lập các mối quan hệ toán học trên các dữ liệu thí nghiệm đã có, lập mô hình tính toán theo phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn để khảo sát và đánh giá

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã nghiên cứu thực nghiệm cường độ ở tuổi sớm và các tham số nhiệt thủy hóa từ phép đo nhiệt lượng đoạn nhiệt của một số cấp phối BTCĐC có sử dụng tro bay Qua so sánh, luận án đã tìm ra được hàm lượng thay thế tro bay hợp lý từ 10÷20% (trong dải từ 0% đến 30%) đảm bảo rủi ro nứt nhiệt thấp Đây có thể được coi là một giải pháp vật liệu để kiểm soát nhiệt và hạn chế nứt nhiệt trong cấu kiện bê tông công trình cầu

Phương pháp luận nghiên cứu của luận án có thể được áp dụng để phân tích, đánh giá cho các loại BT khác nhau và các cấu kiện khác nhau của công trình cầu, giúp đảm

bảo sự toàn vẹn, khả năng chịu lực và tuổi thọ khai thác của kết cấu

6 Điểm mới của luận án

- Luận án đã xác định được nhiệt thủy hóa của 4 hỗn hợp BTCĐC bằng phép đo nhiệt lượng đoạn nhiệt Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (trừ đi nhiệt độ ban đầu) của các hỗn hợp lần lượt là 58,1; 55,5; 52,9 và 47,9C ghi nhận được tại các mẫu CĐC-TB00, CĐC-TB10, CĐC-TB20 và CĐC-TB30 Hỗn hợp CĐC-TB00 có độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lớn nhất do có hàm lượng xi măng lớn nhất Ngược lại, hỗn hợp CĐC-TB30 có độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt nhỏ nhất do hàm lượng xi măng thấp nhất trong các hỗn hợp

- Luận án đã xác định được tốc độ sinh nhiệt, thời điểm và trị số của đỉnh nhiệt chính theo tiêu chuẩn ASTM C1679-08 Đỉnh nhiệt của các hỗn hợp CĐC-TB00, CĐC-TB10, CĐC-TB20 và CĐC-TB30 lần lượt là: 4107; 2,95107; 2,31107 và 1,4107

(J/h/m3), diễn ra ở thời điểm khoảng 9,5 h

- Luận án đã xác định được bộ tham số nhiệt thủy hóa quan trọng của BTCĐC, bao gồm αu,  và  dựa vào đường cong thực nghiệm sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất Trong đó mức độ thủy hóa cuối cùng αu tăng khi tăng hàm lượng tro bay thay thế xi măng: Các giá trị αu lần lượt bằng 0,6100; 0,6515; 0,7027 và 0,7136 tương ứng với các hỗn hợp CĐC-TB00; CĐC-TB10; CĐC-TB20 và CĐC-TB30

- Mức độ thủy hóa cuối cùng cho 4 hỗn hợp CĐC được xác định bằng thực nghiệm, có giá trị nhỏ hơn giá trị tính toán theo công thức của Shindler và Folliard Luận

án đề xuất điều chỉnh hệ số thể hiện mức độ ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến αucho BTCĐC là 0,4 thay vì 0,5 như bảng sau:

Shindler và Folliard (2005) Công thức kiến nghị

có rủi ro nứt nhiệt cao hơn so với các hỗn hợp còn lại Kết hợp với các lợi ích mà tro bay đem lại về cả kinh tế, kỹ thuật và môi trường thì việc sử dụng hỗn hợp bê tông tro bay cường độ cao với hàm lượng tro bay thay thế từ 10÷20% là hợp lý để giảm thiểu rủi

ro nứt nhiệt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG TUỔI SỚM KẾT CẤU CẦU VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ KIỂM SOÁT

NHIỆT VÀ HẠN CHẾ VẾT NỨT 1.1 Quá trình thủy hóa của xi măng Pooc lăng

1.1.1 Các phản ứng của quá trình thủy hóa

Quá trình thủy hóa của xi măng là phản ứng của các khoáng vật thành phần xi măng với nước dẫn đến các thay đổi hóa học và cơ lý Quá trình này sinh ra một lượng nhiệt nhất định nào đó Nhiệt thủy hóa là một đặc tính của xi măng Poóc –lăng, lượng nhiệt được giải phóng phụ thuộc vào thành phần xi măng, nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệ nước/xi măng và độ mịn của xi măng

1.1.2 Nhiệt thủy hóa

Dưới các điều kiện thông thường, luồng nhiệt sản sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng được phân thành 5 giai đoạn (Hình 1.1)

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

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng nhiệt thủy hóa và sự phát triển nhiệt thủy hóa 1.1.4 Mức độ thủy hóa

Một số tác giả đã đề xuất các phương trình thực nghiệm để xác định mức độ thủy hóa có thể đạt được đối với xi măng Poóc-lăng (Bảng 1.3) Trong các mô hình này, w/c là tỷ lệ nước/xi măng và Slag, FA là hàm lượng xỉ và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính

Bảng 1 3 Các mô hình mức độ thủy hóa cuối cùng của xi măng Pooc lăng

Các nhà nghiên cứu Mức độ thủy hóa cuối cùng αu

Powers và Brownyard (1947) min (1; w /

1.2 Các đặc tính của bê tông ở tuổi sớm

Tuổi sớm là vài giờ hoặc vài ngày đầu sau khi trộn bê tông, được đặc trưng bởi hai quá trình chính: đông kết (mất dần trạng thái dẻo) và đóng rắn (tăng cường độ) Trong các quá trình này, kết cấu đa pha chất lỏng của bê tông tươi chuyển thành kết cấu cứng do tiến trình của các phản ứng thủy hóa, dẫn đến sự phát triển của các tính chất cơ học, giải phóng nhiệt và các biến dạng co ngót Do đó, sự liên kết giữa các đặc tính nhiệt

và cơ học của bê tông tuổi sớm là quan trọng hơn rất nhiều so với bê tông ở tuổi dài ngày Hơn nữa, việc bảo dưỡng hợp lí sau khi đổ bê tông là vô cùng quan trọng để duy trì độ ẩm và nhiệt độ thích hợp trong bê tông ở giai đoạn đầu này để các đặc tính mong muốn có thể phát triển sau đó

1.3 Hiệu ứng nhiệt của bê tông ở tuổi sớm

Trong suốt giai đoạn tuổi sớm, sự phân bố trường nhiệt độ không đều gây mất

cân đối trong sự giãn nở nhiệt của kết cấu bê tông Bề mặt với nhiệt độ thấp hơn phải chịu ứng suất kéo do sự giãn nở nhiệt của phần bê tông phía trong Bề mặt của bê tông chịu ứng suất kéo ngay từ khi bê tông đông kết cho đến khi nhiệt thủy hóa phân tán hoàn toàn ra môi trường xung quanh (Hình 1.6) Việc ứng suất kéo cao tại bề mặt có thể gây

ra nứt nhiệt hay không phụ thuộc vào tỉ số ứng suất kéo/cường độ chịu kéo Trong suốt quá trình thủy hóa của bê tông tuổi sớm, cả ứng suất nhiệt và cường độ của bê tông đều được phát triển nhưng ở tốc độ khác nhau Khi ứng suất nhiệt từ sự mở rộng này vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu, bê tông sẽ nứt (Hình 1.7) Hiện tượng này được coi

là vấn đề nứt nhiệt

1.4 Các giải pháp vật liệu để kiểm soát nhiệt độ và hạn chế nứt nhiệt tuổi sớm

Vật liệu bê tông có thể được tối ưu hóa để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trong

bê tông và do đó kiểm soát các ứng suất nhiệt Hầu hết các biện pháp tập trung vào việc gián tiếp giảm khả năng nứt bằng cách giảm chênh lệch nhiệt độ và gradients nhiệt trong

bê tông

Thiết kế hỗn hợp bê tông tối ưu được coi là cách dễ nhất để giảm thiểu các tác động tiêu cực trong bê tông tuổi sớm Việc lựa chọn các hỗn hợp thích hợp để giảm thiểu sự phát triển nhiệt thường dựa trên sự kiểm soát của một hoặc một số biến vật liệu sau:

 loại, lượng và độ mịn của xi măng, bao gồm loại và lượng phụ gia khoáng hoạt tính,

 lượng nước và tỷ lệ nước/chất kết dính

 loại và thành phần của cốt liệu,

Để hạn chế sự tăng nhiệt độ trong kết cấu bê tông, các phụ gia khoáng (muội silic, tro bay, xỉ lò cao) được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế một phần xi măng Pooc-lăng

* Ảnh hưởng của tro bay khi thay thế xi măng đến sự phát triển cường độ và nhiệt thủy hóa:

Hình 1.7 Ứng suất nhiệt và cường độ chịu Kéo của bê tông theo thời gian

Hình 1.6 Sự phát triển nhiệt và hình thành

vết nứt trong bê tông khối lớn

Trước đây tro bay được sử dụng thay thế một phần khối lượng hoặc một phần thể tích của xi măng poóc lăng vì lý do kinh tế Khi việc sử dụng tro bay tăng lên, các nhà nghiên cứu đã nhận ra tiềm năng cải thiện các đặc tính của bê tông có chứa tro bay

Khi sử dụng phụ gia khoáng như tro bay, silic oxit và nhôm oxit trong phụ gia khoáng sẽ phản ứng với canxi hydroxit Ca(OH)2 tương ứng tạo ra C-S-H, C-A-H làm tăng sự dính kết và làm giảm nhân tố gây ăn mòn trong bê tông Ngoài ra, tro bay có thể làm tăng khả năng chống hư hỏng khi tiếp xúc với sunfat, cải thiện tính công tác, giảm tính thấm và giảm đỉnh nhiệt độ trong bê tông khối lớn

Tro bay làm giảm tốc độ phản ứng thủy hóa nhưng cũng làm giảm sự phát triển cường độ Tác dụng bôi trơn của các hạt tro hình cầu làm tăng tính công tác cho hỗn hợp

bê tông, giảm lượng cần nước làm cho bê tông ít bị tách nước

Trên cơ sở thay thế khối lượng như nhau của xi măng poóc lăng bằng tro bay, cường độ nén sớm (dưới 7 ngày) có thể thấp hơn Sau khi tốc độ đóng góp cường độ của

xi măng pooclăng chậm lại, khả năng tiếp tục phản ứng pozzolanic của tro bay góp phần làm tăng cường độ ở các tuổi sau nếu bê tông được giữ nguyên độ ẩm đã làm cho nó trở thành một thành phần rất hữu ích trong sản xuất bê tông cường độ cao

1.5 Các giải pháp kết cấu và biện pháp thi công để kiểm soát nhiệt độ và hạn chế nứt nhiệt tuổi sớm

Biện pháp giảm nhiệt độ hỗn hợp bê tông:

- Xi măng để nguội

- Làm mát cốt liệu : Che chắn, phun nước lạnh

- Dùng nước lạnh trộn bê tông

- Đổ bê tông ban đêm, hạn chế mùa hè

- Bao phủ xe bồn, ống dẫn BT khi bơm xa

Biện pháp hạn chế chênh lệch nhiệt độ trong bê tông:

- Đưa nhiệt trong khối BT ra ngoài: Cooling Pipe

- Bọc vật liệu cách nhiệt, tháo bỏ ở thời điểm phù hợp

- Tăng nhiệt độ cho vùng BT giảm nhiệt nhanh

- Phân chia khối đổ

Các biện pháp khác:

- Giảm cản trở bên ngoài: Trải tấm lót hoặc rải cát trên nền đá

- Sử dụng phụ gia trương nở để bù co ngót

- Tăng cốt thép để giúp phân tán vết nứt

- Định hướng vết nứt bằng mối nối làm giảm tiết diện bê tông

- Sử dụng băng sợi thủy tinh (thay vai trò thép) để phân tán ứng suất

1.6 Tổng quan về nghiên cứu ứng xử nhiệt của bê tông ở tuổi sớm

1.6.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trước đây, việc sử dụng các biện pháp kiểm soát nhiệt độ chỉ giới hạn ở đập và

các kết cấu rất lớn Kiểm soát nhiệt độ và sự phát triển ứng suất nhiệt trong cấu kiện bê tông nhỏ hơn như các cấu kiện của công trình cầu, thường không được xem xét

Với sự ra đời của bê tông cường độ cao, nứt ở giai đoạn tuổi sớm không còn là đặc thù của các kết cấu khối lớn Thuật ngữ bê tông khối lớn được sử dụng theo nghĩa rộng, bao gồm tất cả các loại cấu kiện bê tông mà tác động của quá trình thủy hóa xi măng có thể dẫn đến rủi ro nứt nhiệt

Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE 2007 và JCI 2008, các kết cấu sàn có độ dày trên 80 cm và tường bị kiềm chế chuyển vị, có độ dày trên 50 cm đã có thể được coi là kết cấu bê tông khối lớn và đòi hỏi phải có biện pháp kiểm soát nhiệt thủy hóa

Theo Neville khi độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và lõi của khối bê tông vượt quá 20C thì vết nứt bắt đầu hình thành, có thể tại bề mặt của bê tông hoặc bên trong của khối

Sở giao thông Florida (FDOT) cho phép độ chênh nhiệt độ tối đa là 20oC(hoặc

35oF) giữa nhiệt độ lõi và bề mặt ngoài của cấu kiện bê tông khi đo bằng các cảm biến nhiệt độ (FDOT 2007)

ACI 207.2R 1997 cũng khuyến nghị độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 20oC và nhiệt

độ tối đa bên trong (thường là 71oC) để kiểm soát nứt nhiệt và hình thành ettringite muộn (DEF)

Năm 2001, ACI 363 đã thông qua định nghĩa sau của bê tông CĐC: bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén đặc trưng 8000 psi (55 MPa) hoặc lớn hơn Nhu cầu sử dụng bê tông CĐC bắt đầu từ những năm 1970, chủ yếu trong xây dựng các cột

và tường nhà cao tầng Sau đó bê tông CĐC tiếp tục được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới

Việc sử dụng bê tông CĐC trong xây dựng cầu đã bắt đầu ở Hoa Kỳ vào giữa những năm 1990 thông qua một loạt các dự án Bê tông cường độ cao cũng được sử dụng trong cầu dầm hộp nhịp dài và cầu dây văng

Các mẫu bê tông CĐC có xu hướng nứt nhiều hơn do co ngót của nhiệt và khô tăng lên Các vết nứt trên mũ trụ cầu xuất hiện là do việc sử dụng lượng lớn xi măng trong bê tông Trong 1 cuộc khảo sát năm 1995, Chương trình nghiên cứu hợp tác đường quốc lộ (NCHRP) của Mỹ đã báo cáo qua khảo sát một loạt sàn cầu bê tông tại Mỹ cho thấy đầy đủ chiều sâu của vết nứt ngang, ngay cả khi các cấu trúc mới hình thành chưa được 1 tháng

1.6.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Năm 2012 Bộ Xây dựng đã ra tiêu chuẩn TCXD VN 9341:2012 '' Bê tông khối lớn - Thi công và nghiệm thu" trong đó quy định kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông, làm nứt bê tông, và do

đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt

Một số các nghiên cứu điển hình phải kể đến như nghiên cứu của Đỗ Văn Lượng (2005), Nguyễn Thống (2010), Hồ Ngọc Khoa và Nguyễn Chí Công (2012), Lê Quốc

Toàn (2015), Nguyễn Văn Liên (2018) và Nguyễn Văn Hướng (2019) Các nghiên cứu này đa số đề cập đến các kết cấu sử dụng bê tông thường, và đưa ra một số giải pháp hạn chế nhiệt và nứt nhiệt trong BTKL

Các kết cấu bê tông lớn như bệ móng và trụ cầu với hỗn hợp nhiều xi măng có đỉnh nhiệt độ cao hơn, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi tăng lên có thể làm tăng rủi ro nứt nhiệt Hình 1.10 thể hiện vết nứt ở trụ cầu Vĩnh Tuy, được kết luận là nứt do chênh lệch nhiệt độ trong bê tông trụ cầu ở tuổi sớm trong giai đoạn thi công

- Cho đến nay, các công trình nghiên cứu tại Việt Nam chủ yếu nghiên cứu phân

bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông thông thường, thí nghiệm trong giai đoạn nhiệt thủy hóa Các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng đường cong lý thuyết cho đặc trưng nhiệt của bê tông làm đầu vào cho mô hình tính toán Các quy định trên thế giới và ở Việt Nam về khống chế nhiệt của bê tông đều lấy ngưỡng chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi là 20C Ở Việt Nam hiện nay chưa có các quy định hay tiêu chí nào để đánh giá và kiểm soát về nhiệt của bê tông có hàm lượng xi măng cao sử dụng cho kết cấu cầu

- Việc sử dụng tro bay thay thế xi măng đem đến nhiều lợi ích khác như làm tăng tính công tác của bê tông, làm giảm lượng nước yêu cầu, làm tăng độ bền của bê tông Bên cạnh đó sử dụng tro bay còn là một cách tận dụng bụi khí thải ra từ nhà máy nhiệt điện chạy thangóp phần bảo vệ môi trường

- Các nghiên cứu ở Việt Nam và trên thế giới đều thừa nhận việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong các hỗn hợp bê tông truyền thống có thể làm giảm nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa của xi măngTuy nhiên việc sử dụng lượng tro bay với hàm lượng thay thế xi măng là bao nhiêu để vừa có lợi về nhiệt, mà vẫn đảm bảo được

cường độ vẫn chưa được nghiên cứu và chưa được định lượng hóa

Từ những nhận xét trên, tác giả lựa chọn nghiên cứu phân tích sự phát triển nhiệt

độ và ứng suất trong bộ phận công trình cầu bê tông tro bay cường độ cao để tìm ra hàm

lượng thay thế tro bay tối ưu vừa giảm nhiệt thủy hóa vừa đảm bảo sức kháng của cấu

kiện

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT TRONG KẾT

CẤU BÊ TÔNG TUỔI SỚM 2.1 Cơ sở lý thuyết về dẫn nhiệt

Phương trình vi phân truyền nhiệt trong không gian 3 chiều có xét đến nguồn sinh

nhiệt bên trong, có thể áp dụng để mô tả quá trình phát sinh và truyền nhiệt của bê tông

trong quá trình thủy hóa xi măng

qh - tốc độ nhiệt lượng sinh ra trong 1 đơn vị thể tích (W/m3),

ρ - khối lượng riêng của bê tông (kg/m3),

cp - nhiệt dung riêng của bê tông (J/kg.°C),

k - hệ số dẫn nhiệt của bê tông (W/m.°C),

T - nhiệt độ (°C),

t - thời gian (s)

2.2 Truyền nhiệt qua đối lưu

Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất

lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ

rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại, được thể hiện qua định luật Newton về

trạng thái làm mát:

q  hA T  T (2.9) Trong đó:

qc - tốc độ truyền nhiệt qua đối lưu (W)

Mô hình toán học biểu diễn quá trình sinh nhiệt được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay là mô hình kết hợp phương pháp tuổi tương đương của bê tông (equivalent age

maturity method) và đường cong dạng mũ mức độ thủy hóa của xi măng Phương pháp này dùng để xác định tốc độ phát sinh nhiệt, biểu diễn bởi phương trình (2.11) Tuổi tương đương (te) và mức độ hydrat hóa cuối cùng (u) có thể được tính tương ứng bằng phương trình (2.12) và phương trình (2.13) Các tham số nhiệt thủy hóa,  và  có thể được xác định từ dữ liệu thực nghiệm bằng phương pháp mịn hóa đường cong

( )

t

a e

2.4 Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt

Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (không có trao đổi nhiệt với bên ngoài) được xác định

từ nhiệt lượng tích lũy theo quan hệ (2.20) dưới đây

ΔQ - độ tăng nhiệt lượng (J),

m - khối lượng của mẫu (kg),

C p - nhiệt dung riêng của mẫu (J/kg.°C),

ΔT - thay đổi về nhiệt độ hay độ tăng nhiệt độ (°C)

Quá trình tính toán:

Chương trình máy tính “EACTSA” kết hợp phương pháp SPHH và PTHH được dùng để phân tích nhiệt và ứng suất Trong quá trình phân tích, chương trình EACTSA

thực hiện tính toán nhiệt độ trước Dữ liệu nhiệt độ tại mỗi phần tử sau đó được sử dụng

để tính ứng suất So với các phần mềm thương mại (như Midas Civil) thì ở đây chương trình tính có những ưu điểm như sau:

1- Tính toán được tốc độ sinh nhiệt tại từng điểm khác nhau trong BT, ngoài việc phụ thuộc vào bản chất của loại hỗn hợp BT, còn xét được ảnh hưởng của nhiệt độ tại điểm đó theo thời gian: q(te) = q(t,T) Nói cách khác, mỗi điểm trong BT sẽ có tốc độ sinh nhiệt khác nhau

2- Ứng xử đàn nhớt của BT ở tuổi sớm cũng được xét đến chi tiết theo từng giờ thông qua hàm tuân thủ từ biến, bằng việc sử dụng mô đun đàn hồi hiệu dụng

Eeff để đưa vào công thức phần tử hữu hạn

Quá trình phân tích sử dụng bước thời gian là 1h Sơ đồ khối thuật toán được trình bày dưới đây:

2.8 Các mô hình số mô phỏng ứng xử nhiệt tuổi sớm của bê tông

Các nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào việc sử dụng các hàm lý thuyết

mô tả sự phát sinh nhiệt trong quá trình thủy hóa xi măng để tính toán độ tăng nhiệt độ

Hình 2.7 Sơ đồ khối tính toán quá

trình sinh nhiệt và truyền nhiệt

Hình 2.8 Sơ đồ khối tính toán ứng

suất nhiệt

đoạn nhiệt, sau đó áp dụng vào mô hình tính

Các mô hình tính toán trên thế giới gần đây đã xét đến vai trò của các phụ gia khoáng hoạt tính trong hỗn hợp bê tông và sự phức tạp của tải trọng nhiệt không đồng đều từ nhiệt thủy hóa cũng như đặc tính vật liệu của bê tông tuổi sớm không đều phụ thuộc nhiệt độ đã được đưa vào tính toán để dự đoán tốt hơn về ứng xử của bê tông Các

mô hình số ngày càng phức tạp để gần hơn với thực tế cả về mặt hình học và hiện tượng học được xem xét để đánh giá ứng suất nhiệt trong kết cấu

2.9 So sánh các mô hình tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt

Các phần mềm ABAQUS, TNO DIANA, ANSYS, và Midas Civil có ưu nhược điểm riêng, được so sánh ở Bảng 2.1 thông qua các tiêu chí là tham số đầu vào và kết quả đầu ra

Bảng 2.1 So sánh các tham số đầu vào và kết quả đầu ra của các mô hình/phần mềm

tính toán

Midas Civil EACTSA

Tham số vật liệu đầu vào:

Mô đun đàn hồi, E Có Có Có Có Có

Mô đun đàn hồi hiệu

dụng, Eeff

Người dùng lập trình

Người dùng lập trình

Người dùng lập trình

Người dùng lập trình

Phân tích phản ứng

thủy hóa/tốc độ tỏa

nhiệt phụ thuộc vào

Người dùng lập trình

Người dùng lập trình

Người dùng lập trình