Luận án 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

Hiện tại, công trình cầu thường sử 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

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, khả năng tạo hình cao, tính chất kết cấu tốt và độ bền cao so với các loại vật liệu xây dựng khác Điều này, cùng với việc các thành phần cốt liệu rẻ và dễ tiếp cận, đã làm cho nó trở thành vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất cho các kết cấu hiện nay Nhưng quá trình xây dựng, trong kết cấu bê tông cốt thép xuất hiện sự hình thành nhiệt độ ở tuổi sớm do ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa Đây là một trong những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu do phân bố nhiệt độ này có ảnh hưởng trực tiếp đến 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 trình thủy hóa và điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông Bất cứ khi nào ứng 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 ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tông được thể hiện như Hình 1 Việc xử lý, sửa chữa, khắc phục các vết nứt này đều gây tốn kém về kinh phí và gây khó khăn, phức tạp trong xây dựng, cũng như công tác bảo trì, khai thác công trình

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

Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng, đập và các bộ phận công trình cầu như trình bày trong Hình 2 Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môi trường 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 bố nhiệt 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 các vùng trong khối bê tông không vượt quá 20oC: ∆T < 20oC; Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ MT giữa các điểm trong khối BT đạt không quá 50oC/m; MT< 50oC/m

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

bê tông cách nhau 1m Đơn vị tính là oC/m Hiện tại, công trình cầu thường sử 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 măng lớn (có thể hơn 400kg/m3) dẫn đến nhiệt lượng do thủy hóa của xi măng lớn hơn nhiều so với bê tông đầm lăn và bê tông thủy công Đặc biệt kết cấu bê tông trụ cầu sử dụng cốt thép tại biên gần mặt bê tông, do đó chúng làm thay đổi hệ số dẫn 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 (trạng thái 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 thành trường nhiệt độ và vết nứt do thủy hóa xi măng của [3] đã xem xét ảnh hưởng của kích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ ở tuổi sớm ngày, các kích thước của khối là 2x2x2m, 3x3x3m, 4x4x4m và 5x5x5m nhưng là khối bê tông đồng nhất không 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 độ thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt Trong đó, các dữ liệu cần thiết được lấy từ kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ và nhiệt độ đoạn nhiệt của 1 hỗn hợp bê tông cường độ cao Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số thời 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 thí nghiệm, 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 hóa của một số hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông sử dụng cho kết cấu bê tông khối lớn của [5] trình bày phương pháp đo nhiệt lượng đẳng nhiệt để xác định nhiệt thủy hóa cho hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông Thí nghiệm được thực hiện cho 8 hỗn hợp bê tông khối lớn sử dụng trong công trình cầu ở Florida, Mỹ Kết quả nghiên 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

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 đó giảm 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 của công 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 để phân 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 án được 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 ảnh hưởng và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT với một số loại đường kính cốt thép điển hình

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

Cuối cùng, mục tiêu thứ ba là: sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh được thí nghiệm trong phòng và giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, đặc trưng vật liệu tương đương của vật liệu BTCT để xây dựng chương trình phân tích sự phân bố nhiệt 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

thi công các bộ phận kết cấu của công trình cầu: Bê tông cấp C30 và C35 trong phòng 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 kết cấu BTCT; Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông ở thời kỳ đầu của các tác giả trong và ngoài nước; Giới thiệu các 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 nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa Tiếp theo đó, kết quả của một số 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 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 do nhiệt 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 tông cốt thép bằng lý thuyết đồng nhất hóa (Chương trình TCon1): hệ số dẫn nhiệt tương đương, 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 sử dụng trong kết cấu phần dưới của công trình cầu (bê tông C30, C35) theo phương pháp đoạn nhiệt trong phòng thí nghiệm và phương pháp bán đoạn nhiệt tại hiện trường

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

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, từ biến 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 môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông Bất cứ khi nào ứng 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 Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi 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 môi trường 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 xi măng 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 thúc đẩy 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 loại kết 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 nhân chính gây ra rò rỉ trong các kết cấu bê tông giữ chất lỏng [15], hơn nữa ở các kết cấu 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 và các công việc sửa chữa nó có thể được yêu cầu [10], trong khi rủi ro về tăng chi phí pháp lý cao và gây thiệt hại cho các bên liên quan như thiết kế và thi công rất

nghiêm trọng [35] Một vài ví dụ dưới đây để phân tích sự hình thành và nguyên nhân gây nên các vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động 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, hỗn hợp bê tông chứa 350 kg xi măng /m3 và tỷ lệ nước/xi măng là 0.52, nhiệt độ môi trường khi thi công là khoảng 32°C, rất gần với ngưỡng giới hạn do các tài liệu hướng dẫn về đổ bê tông trong thời tiết nóng, chẳng hạn như [54] Đáng chú ý là không có biện pháp làm mát trước và sau khi thi công Chúng ta thấy có nhiều vết nứt xuất hiện trên bề mặt bên của đập, các vết nứt này có chiều rộng đáng kể từ 0,2 đến 1,2mm Một quá trình điều tra và đánh giá cho thấy vết nứt xuất hiện là do ứng suất nhiệt sinh ra trong lõi khối đập do nhiệt thủy hóa của xi măng, trong lõi của khối nhiệt độ lên tới 62,5°C, nhiệt độ môi trường lúc thi công do ảnh hưởng của ván khuôn làm cho sự chênh lệch nhiệt độ lên tới 42°C Quá trình đánh giá chỉ ra rằng các vết nứt này có thể bắt đầu từ 10 ngày tới 100 ngày sau khi đúc do kích thước của 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]

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 (khoảng 13.000.000 m3), tổng cộng với 83 khối bê tông có kích thước 17x35x85m (Hình 1.2), nhiệt độ bê tông tươi thiết kế là 7°C [13], sau khi đổ nhiệt độ tối đa trong 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 khối đầu tiên Loại thứ nhất, được sử dụng cho 6 lớp đầu tiên, có hàm lượng xi măng là

169 kg/m3, hàm lượng tro bay là 20 kg/m3 và hàm lượng nước là 108 kg/m3 Đường kính cốt liệu lớn nhất của bê tông này là 76 mm và cường độ nén thiết kế là 21 MPa

ở 360 ngày Loại thứ hai có hàm lượng xi măng Pooclăng là 108 kg/m3, hàm lượng tro bay là 13 kg/m3 và hàm lượng nước là 85 kg/m3 Đường kính cốt liệu tối đa của loại bê tông thứ hai này là 152 mm và cường độ nén thiết kế của nó là 14 MPa ở

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 phần sườn chống, và đôi khi ở đầu các khối này Các vết nứt dọc, bắt đầu từ mặt móng và nằm ở thượng lưu Các vết nứt này nông, có độ rộng thay đổi từ 0,3 đến 0,9 mm và dài từ 10 m đến 20 m, như được thể hiện trong Hình 1.2 Các vết nứt này được Phòng thí nghiệm Itaipu đánh giá do ảnh hưởng của sự kiềm chế biến dạng trong kết cấu bê tông khi non tuổi và sự co ngót, từ biến của kết cấu bê tông Điều này cho thấy các vết nứt không do tác dụng cơ học trong kết cấu bê tông, bê tông cốt thép thường xuyên xảy ra, nó gây một tác động rất xấu tới khả năng chịu tải, tính liền khối của kết cấu trong quá trình sử dụng Việc tìm hiểu nguyên nhân và tìm cách 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 bao gồm chất kết dính, kết hợp 400 kg xi măng/m3, 40 kg/m3 tro bay, 175 kg/m3nước, 1809 kg/m3 cốt liệu mịn và thô kết hợp và 7 kg/m3 phụ gia Khối trụ cầu được

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 mm được lắp đặt thành hai lớp, với khoảng cách dọc là 200 mm, dẫn đến tỷ lệ cốt thép theo hướng dọc chỉ là 0,019% Sau khoảng 1 năm kể từ khi đổ bê tông, các vết nứt dọc 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 qua các lớp gia cố Quá trình nghiên cứu đánh giá đã xác nhận rằng nguyên nhân gây nứt là nhiệt thủy hóa xi măng [23] Một mô phỏng số đã dự đoán tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu 20°C đến tối đa 61°C sau 9 ngày, xem Hình 1.4a, trong khi khối nguội 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

tài liệu được sử dụng cho độ tự chùng và co ngót [17] có tính đến các biến dạng nhiệt độ và sự co ngót tự sinh, trong khi nó bỏ qua sự co ngót do sấy khô do kích thước lớn của phần tử Người ta tính toán rằng chiều rộng vết nứt dự đoán trung bình 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 một cấu trúc tương tự trong cùng một nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ cốt thép dọc tối thiểu có hiệu quả trong việc ngăn chặn vết nứt cục bộ thành một vài vết nứt chia nhỏ 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 yêu cầu, 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

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 xuất hiện nhiều trong các móng cầu bê tông kích thước lớn trong môi trường ven biển ở Bắc 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]

Thông số Móng của kết cấu được khảo sát

Kích thước (m)

18.5 x6.1x 1.83 12.8 x 8.3 x 1.83

28.4 x18.6x 4.5 21.5x 7.8x 2.7 6.0 x7.0x 2.5

Thời gian phát triển nhiệt

Sự chênh lệch nhiệt độ tối

Thời gian lúc chênh lệch

Thời gian lúc chênh lệch nhiệt độ cực đại (giờ) 116 86 156

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 các kết quả kiểm tra, như được chỉ ra trong Bảng 1.1 Trong hầu hết các trường hợp, các biện 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 giữ nguyên trong vòng 1 hoặc 2 tuần Tuy nhiên, với các biện pháp này, các vết nứt đã

xảy ra theo cả hướng dọc và ngang trên cầu WBB

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

khoảng thời gian khác nhau, xem Hình 1.5 Do việc theo dõi nhiệt độ chỉ có sẵn cho OIB, mức tăng và chênh lệch nhiệt độ tối đa dựa vào kết quả phân tích phần tử hữu hạn, được thể hiện trong Bảng 1.2 Nó đã chứng minh rằng xác suất xảy ra nứt

là tương đối cao đối với tất cả các móng được phân tích, nhưng đáng chú ý nhất là đối với WBB, nó bị nứt nặng nhất so với OIB và SBB, vì chênh lệch nhiệt độ tính toán vượt quá 50°C Điều này được cho là do kích thước của móng và việc loại bỏ ván khuôn sớm cũng như từ quan điểm thiết kế hỗn hợp bê tông, chỉ có 25–30% tro bay 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 bê tông 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 có chiều cao thay đổi từ 7,50 đến 10 m, đường kính 3,5m hoặc 4,5 m và nằm trên móng trụ dày 2m (trung bình) Hỗn hợp bê tông được sử dụng có tỷ lệ nước/ xi măng 0,43 và chứa 330 kg xi măng/ m3, thiết kế hỗn hợp bê tông như vậy để giảm 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 thời gian đúc, loại bỏ ván khuôn, nhiệt độ đúc và sự xuất hiện vết nứt được nêu trong Bảng 1.3 Sau vài ngày đầu tiên kể từ khi tháo ván khuôn, vết nứt đã được quan sát thấy 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]

Đường kính (m)

Đường kính (m)

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

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

xuất hiện

Sa lắng Quanh khu vực cốt thép Cấp phối thiết kế kém dẫn đến

dư nước, đầm lâu

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

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

Giãn, co nhiệt

(nhiệt thủy hóa)

Ngang Sinh nhiệt nhiều, chênh

nhiệt lớn

1 ngày đến 2- 3 tuần

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

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

Vài tuần đến vài tháng

ngược lại, vấn đề hình thành lực dính bám giữa bê tông và cốt thép Do đó ta thấy việc hình thành các loại vết nứt này đều có liên quan đến nhiệt độ và chủ yếu là vết nứt do quá trình nhiệt thủy hóa trong bê tông, xuất hiện trong giai đoạn bê tông còn non 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, tạo nên 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 rắn chắc 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

ra trong nguyên liệu xi măng còn chứa axit khác như Fe2O3 Khi nhào trộn xi măng 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, hỗn hợp phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ Thành phần phụ gia được quyết định bởi nhu cầu của sản phẩm xi măng

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

lợi và các công trình xây dựng khác Xi măng có đặc tính kết dính và liên kết các cốt 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 gồm nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình Chất lượng của cơlanhke phụ vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất Tính

chất 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 clinker, dao động trong giới hạn sau: CaO: 63-66%, SiO2: 21-24%, Al2O3: 4-8%,

Fe2O3: 2-4% Tổng hàm lượng các oxit chủ yếu này là 95 - 97%

Các oxit khác (MgO, SO2, K2O, Na2O, TiO, Cr2O, P2O5) chiếm tỉ lệ không 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 cũng thay đổi Nếu tăng CaO thì xi măng thường rắn rất nhanh, kém bền nước, còn nếu tăng SiO2 thì ngược lại

Trong quá trình nung đến nhiệt độ kết khối, các oxit chủ yếu kết hợp lại tạo thành cácsilicat, aluminat và alumoferit canxi ở dạng các khoáng có cấu trúc tinh thể, 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 và

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

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

Belit: 2CaO.SiO2, viết tắt là C2S, là khoáng silicat làm cho xi măng phát triển cường độ dài ngày chiếm 20 – 30% trong cơlanhke, nó rắn chắc chậm nhưng đạt 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–silicat bicanxit (β-C2S) và một lượng nhỏ (1-3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3,… Ở nhiệt độ 250C, β-C2S có thể chuyển thành –C2S, C2S tồn tại ở 1470C, còn

C2S’ ở - C2S có cấu tạo xốp hơn (khối lượng riêng của β–C2S là 3,28kg/m3, của

-C2S là 2,97 kg/m3), thể tích tăng lên 10%, làm hạt cơlanhke rã ra thành bột dễ nghiền Nhưng -C2S không tác dụng với nước ngay ở nhiệt độ 100C (không có 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 các khoáng nằm ở khoảng giữa alit và belit

Aluminat tricanxit: 3CaO.Al2O3,viết tắt là C3A, chiếm khoảng 4 - 12% Ở nhiệt độ nung thích hợp, tinh thể có dạng lập phương kích thước 10  15 µm, có khối lượng riêng 3,04 kg/m3, tốc độ thủy hóa và rắn chắc rất nhanh, nhưng cường

độ không lớn Nó rất dễ bị ăn mòn sunfat, nên trong xi măng bền sunfat phải khống chế hàm lượng C3A (nhỏ hơn 5%)

Feroaluminat tetracanxit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3, viết tắt là C4AF, chiếm khoảng 10-12%, có khối lượng riêng lớn nhất trong các khoáng cơlanhke (3,77 kg/m3) Nó là dung dịch rắn của feroaluminat canxi có thành phần khác nhau Trong clinker của xi măng poóc-lăng, dung dịch rắn này thường gần với C4AF C4AF có tốc độ rắn chắc trung gian giữa alit và belit, vì vậy không ảnh hưởng lớn đến tốc độ rắn chắc và sự tỏa nhiệt của xi măng poóc-lăng

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

Al2O, Fe2O3, MgO, K2O và Na2O

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 MgO kéo dài rất lâu (đến vài năm) và khi chuyển hóa thành Mg(OH)2 thì làm tăng thể tích của pha rắn Cho nên hàm lượng của MgO > 5% sẽ gây mất tính ổn định thể tích 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 dạng sunfat 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

(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 CaO/SiO2 trong các hydrosilicat trong hồ xi măng có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, điều kiện rắn chắc và các yếu tố khác Pha chứa alumo chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi 3CaO.Al2O3, đây là pha hoạt động nhất Ngay sau khi trộn với nước, trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền của xi măng Dạng ổn định, sản phẩm phản ứng nhanh với nước của nó là hydro-aluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương (3CaO.Al2O3.6H2O):

(1.3)

Để làm chậm quá trình đông kết, khi nghiền cơlanhke cần cho thêm một lượng thạch 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):

(1.4) Trong dung dịch bão hòa Ca(OH)2 ngay từ đầu ettringite sẽ tách ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al2O3 làm chậm sự thủy hóa của nó và kéo dài thời gian ninh kết của xi măng Sự đông kết của Ca(OH)2 từ dung dịch quá bão 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 Sau đó ettringite còn tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn lại để tạo thành muối kép một sunfat:

(1.5) Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi:

(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 thành sau 2 phút, còn mầm tinh thể Ca(OH)2 xuất hiện sau vài giờ Phần gen của hydrosilicat canxi đầu tiên ở dạng hình kim, sau đó tiếp tục phát triển, phân nhánh trở thành dạng “bó” Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2làm 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

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 các phản 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 đá cứng có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoảng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ lẫn nhau và với các khoáng khác của clinker để hình thành những liên kết mới Do đó, hồ xi măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắn chắc người ta thường dùng thuyết của Baikov – Rebinder Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia thành 3 giai đoạn:

Giai đoạn hòa tan: khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng

của clinker sẽ tác dụng với nước ở ngay trên bề mặt hạt xi măng Những sản phẩm mới tạo được như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ bị hòa tan Nhưng vì độ hòa tan không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên bão hòa

Giai đoạn hóa keo: trong dung dịch quá bão hòa, các sản phẩm Ca(OH)2,3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm ettringite, CSH vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng tiếp tục tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo

Giai đoạn kết tinh: nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm

mới càng nhiều lên Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hóa cứng và cường độ tăng

e Đặc tính của nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa của xi măng

Khi bê tông mới được đổ, bê tông ở trạng thái dẻo, có nhiệt độ đồng đều và gần như không có cường độ Sau đó, nhiệt độ của bê tông tăng dần lên, bề mặt bên ngoài của khối bê tông được tiếp xúc với môi trường xung quanh nguội đi nhanh hơn phần lõi của bê tông, dẫn đến sự chênh lệch về nhiệt độ (Hình 1.13a và b) Phần lõi của bê tông có nhiệt độ cao hơn lớp bên ngoài do đó bị giãn nở cục bộ như thể hiện trên Hình 1.13c Lớp bê tông bên ngoài với nhiệt độ thấp hơn có xu hướng tạo thành lớp vỏ kiềm chế sự giãn nở của phần lõi bê tông, tạo ra sự co giãn không đều giữa bề mặt và phần lõi bê tông Trong các khối bê tông có kích thước lớn, nhiệt lượng sinh ra có thể lớn đến mức mà độ chênh nhiệt độ giữa lõi và bề mặt bê tông tạo ra ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo tuổi sớm của bê tông (Hình 1.14), làm xuất hiện các vết nứt tại bề mặt và lan truyền vào bên trong (Hình 1.13d)

Hình 1 13 Ứng xử nhiệt của bê tông: (a) khối bê tông vừa đổ; (b) thoát nhiệt bề

mặt; (c) giãn nở cục bộ do chênh nhiệt; (d) vết nứt do chênh nhiệt

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

Bê tông bị nứt sẽ gây ảnh hưởng đến sự toàn vẹn của kết cấu, gây ăn mòn cốt thép, làm suy giảm khả năng chịu lực, khai thác và tuổi thọ của kết cấu Việc xác định nhiệt thuỷ hoá của xi măng và từ đó dự đoán phân bố nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu bê tông trong giai đoạn tuổi sớm là rất cần thiết để xác định liệu một

hỗn hợp bê tông có thể có vấn đề về nứt khi đưa ra sử dụng hay không, để điều chỉnh thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông trước khi áp dụng nó, hoặc có các biện pháp nhằm phòng ngừa việc hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông trong quá trình thi công

Quá trình thủy hóa của xi măng gây ra bởi các khoáng chất thành phần sinh ra một lượng nhiệt nhất định nào đó Lượng nhiệt đó có thể được theo dõi và đo bằng một thiết bị đo đẳng nhiệt 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 Quá trình thủy hóa điển hình được trình bày trên Hình 1.15 Dữ liệu có được từ các nghiên cứu về nhiệt thủy hóa của xi măng có thể sử dụng để mô tả và đặc tính hóa quá trình đông kết và đóng rắn của xi măng, ngoài ra còn dự đoán sự phát triển nhiệt trong bê tông

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

 Giai đoạn I (giai đoạn hòa tan):

Phản ứng hóa học xảy ra ngay sau khi xi măng tiếp xúc với nước bởi vì các ion hòa tan trong nước sẽ phản ứng với C3A và thạch cao Sự hình thành ettringite sau phản ứng hydrat hóa ban đầu sẽ làm giảm mạnh tốc độ của phản ứng hóa học trong thời điểm cuối của giai đoạn I Giai đoạn này có ảnh hưởng rất nhỏ đến sự hình thành cường độ của bê tông Hỗn hợp sẽ ngay lập tức bước sang giai đoạn ngủ đông

 Giai đoạn II (giai đoạn ngủ đông):

Trong giai đoạn này, nồng độ của các ion trong dung dịch sẽ giảm từ từ theo dung dịch của pha rắn Hồ xi măng giữ nguyên trạng thái dẻo Giai đoạn này không

hỗ trợ gì trong việc phát triển cường độ của bê tông Tuy nhiên, giai đoạn này lại có

ý nghĩa quyết định cho tính công tác của bê tông, cho phép vận chuyển bê tông đến công trình

 Giai đoạn III (giai đoạn gia tốc):

Alit (C3S) và belit (C2S) trong xi măng bắt đầu hydrat hóa và tỏa nhiệt Trong giai đoạn này, sự ninh kết của bê tông được bắt đầu, tốc độ tỏa nhiệt tăng lên rất nhanh kèm theo đó là lượng nhiệt tỏa ra rất lớn Silicat sẽ đạt được tốc độ tỏa nhiệt cao ở cuối giai đoạn này Cường độ của bê tông được phát triển trong giai đoạn gia tốc này, trong đó quá trình đông kết sẽ kết thúc và sự đóng rắn sớm sẽ bắt đầu Do

đó, giai đoạn gia tốc đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành

bê tông

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

TT Giai đoạn phản ứng Động học phản ứng Quá trình hóa học

1 Hòa tan Điều khiển hóa chất;

2 Ngủ đông Điều khiển hạt nhân;

3 Gia tốc Điều khiển hóa chất;

nhanh

Bắt đầu hình thành các hợp chất thủy hóa

4 Giảm tốc Kiểm soát hóa chất và

khuếch tán; chậm

Tiếp tục hình thành các hợp chất thủy hóa

5 Ổn định Kiểm soát khuếch tán;

chậm

Các hợp chất thủy hóa được hình thành chậm lại

 Giai đoạn IV (giai đoạn giảm tốc):

Tốc độ phát sinh nhiệt thủy hóa giảm và chuyển sang quá trình kiểm soát khuếch tán Trong giai đoạn này, bề dày của các hạt ngậm nước tăng lên và diện tích bề mặt

của các phần không ngậm nước giảm xuống Lớp xi măng đã thủy hóa đóng vai trò như một bề mặt khuếch tán và đóng vai trò quan trọng đến tính thấm của nước và các ion tan rã, còn ettringite được chuyển sang pha monosulfat

 Giai đoạn V (giai đoạn ổn định):

Lớp xi măng đã thủy hóa xung quanh các hạt xi măng dày lên, làm giảm đáng kể tốc độ phát nhiệt thủy hóa Trong giai đoạn này, hợp chất xi măng đã thủy hóa rất khó kết tủa do phần khoảng trống ban đầu được lấp đầy bởi nước được bao phủ bằng xi măng đã thủy hóa Sự thủy hóa của xi măng hoàn toàn được điều khiển bởi quá trình khuếch tán

Sau khi đổ bê tông, nhiệt độ trong khối bê tông sẽ không ngừng tăng lên do quá trình thủy hóa xi măng, do tính dẫn nhiệt của bê tông kém nên nhiệt lượng sinh

ra tập trung trong khối bê tông làm tăng nhiệt độ trong khối bê tông và gây ra chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối bê tông Nhiệt độ bên trong khối bê tông lớn hơn nhiệt độ bên ngoài khối bê tông Theo thời gian nhiệt độ trong khối bê tông sẽ giảm dần tới mức ổn định Nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình nhiệt thủy hóa đã được hiệp hội kỹ sư Mỹ ASCE công nhận:

24 1

24 . .

t max

f Ảnh hưởng của quá trình nhiệt thủy hóa đến việc hình thành nứt trong bê tông

Nhiệt lượng thuỷ hoá xi măng trong bê tông nếu không kịp thời thoát ra mà tích tụ lại sẽ làm cho nội bộ bê tông thể tích lớn phát sinh tăng nhiệt tương đối cao

Sự thay đổi nhiệt độ của khối bê tông làm cho nó biến đổi hình dạng và sinh ra ứng suất Bê tông đã cứng trong quá trình nhiệt tăng lên hình thành áp suất nén nhưng trong quá trình hạ nhiệt lại phát sinh co ngót Khi co ngót bị ràng buộc, trong nội bộ

bê tông phát sinh ứng suất kéo Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kháng kéo, ứng

suất trong bê tông phát sinh do sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê tông gọi là ứng suất nhiệt Khe nứt do sự thay đổi nhiệt độ gây ra làm hạ thấp tính hoàn chỉnh kết cấu của bê tông, tính chống thấm và tính vững bền, làm cho toàn bộ độ an toàn của kết cấu bị hạ thấp

Bê tông đổ xong, vừa sinh ra nhiệt thủy hoá vừa đông kết nên xảy ra quá trình thay đổi nhiệt độ Ràng buộc bên trong là ràng buộc nội bộ do nhiệt độ bản thân khối bê tông phân bố và thay đổi không đều dẫn đến Nguyên nhân ràng buộc bên trong rất nhiều, nhưng do ràng buộc trong nội bộ dẫn đến khe nứt phần nhiều là khe nứt bề mặt, tính nguy hại tương đối ít Tuy vậy, đối với mặt lớp nghỉ ngắt quãng nằm ngang trong thời gian nghỉ nếu nhiệt độ khống chế thấp sẽ tạo thành chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài rất lớn, sẽ xuất hiện khe nứt bề mặt trên diện tích rộng, nhất

là sau khi che lớp bê tông tầng trên sẽ thành khe nứt nội bộ, tạo thành khu vực yếu trong nội bộ bê tông

Có hai dạng vết nứt thường xuất hiện trên trụ cầu do quá trình nhiệt thủy hóa gây ra là nứt dọc thân trụ và nứt tại vị trí phân đoạn thi công

Phương trình truyền nhiệt ở trong bê tông có dạng như sau:

trong đó: q- Nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích (kJ/m3)

 T - gia tăng nhiệt độ trong khoảng thời gian t (giờ)

- Khối lượng thể tích của vật liệu (kg/m3)

C- Nhiệt dung riêng của vật liệu (kJ /kg.K)

kx, ky- hệ số khuếch tán nhiệt theo mỗi hướng x,y (m2/s)

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

Theo Tiêu chuẩn TCVN 11823 :2017: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu trên đường ô tô” [2] chỉ ra để kiểm soát nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của xi măng hình thành vết nứt phi kết cấu: Đối với bê tông dùng cho kết cấu ở trong và trên mặt nước mặn và vùng bờ biển, tỷ lệ nước/xi măng không được vượt quá 0,45 ; Tổng cộng lượng xi

măng Pooclăng và các vật liệu chứa xi măng khác không được vượt quá 475 kg/m3

bê tông, ngoại trừ bê tông tính năng cao thì lượng xi măng Pooclăng và xi măng khác không vượt quá 593 kg/m3

Theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 [1] chỉ ra việc sử dụng vật liệu xi măng pooclăng thông thường, có lượng nhiệt thủy hóa sau 7 ngày không quá 70cal/g ; Xi măng ít tỏa nhiệt, có lượng nhiệt thủy hóa sau 7 ngày không quá 60 Cal/g ; Xi măng pooclăng - puzơlan (có hàm lượng puzơlan từ 15% đến 40% khối lượng), hoặc xi măng pooclăng - xỉ (có hàm lượng xỉ lò cao 20% ¸ 70% khối lượng), các xi măng này nên sử dụng cho các công trình xây dựng ở vùng ven biển có tiếp xúc với nước chua phèn Hơn nữa, ngay sau khi đổ bê tông phát sinh hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá của

xi măng, xuất hiện ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của bê tông gây nên các vết nứt bê tông khối lớn bị nứt do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá xi măng khi có đủ 2 yếu tố sau đây:

- Độ chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa các điểm hoặc các vùng trong khối BT vượt quá 20oC: ∆T > 20oC

- Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ MT giữa các điểm trong khối BT đạt không dưới 50oC/m; MT ≥ 50oC/m Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ-Mức chênh lệch nhiệt

độ giữa hai điểm trong khối BT cách nhau 1m Đơn vị tính là oC/m

Hiện tại trong trụ cầu thường sử dụng các bê tông có cường độ khá lớn (từ cấp 25MPa đến 40MPa) nên cần xem xét lại một số yếu tố như sau:

- Bê tông có cấp thiết kế từ 25MPa đến 40MPa thường sử dụng hàm lượng

xi măng lớn (có thể hơn 400kg/m3) dẫn đến nhiệt lượng do thủy phân xi măng lớn hơn nhiều so với bê tông đầm lăn, bê tông thủy công

- Bê tông trong trụ cầu có sử dụng cốt thép tại biên, làm thay đổi hệ số dẫn nhiệt và khả năng chịu kéo trên bề mặt của bê tông

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

1.2.1 Các phương pháp trên thế giới

Một nghiên cứu thực nghiệm về nứt ở giai đoạn tuổi sớm của bê tông trong các

cấu kiện tương đối mỏng, trong đó có sự tản nhiệt nhanh và nguy cơ nứt tại khu vực ranh giới giữa các đốt kết cấu xảy ra do các hiệu ứng co ngót [50] Tiếp theo, một nghiên cứu về một kết cấu có kích thước lớn, trong đó, nhiệt độ trong lõi của khối lớn hơn ở bề mặt, dẫn đến xuất hiện ứng suất nén trong lõi nóng và ứng suất kéo ở

bề mặt nguội hơn [41] Trong thời gian làm nguội đến bằng nhiệt độ môi trường xung quanh, sự phân bố ứng suất nghịch đảo có thể xảy ra, với ứng suất nén ở bề mặt và ứng suất kéo trong lõi Do sự chênh nhiệt giữa vùng gần bề mặt giữa lõi và

bề mặt kết cấu, xảy ra trước khi lõi nguội thực sự, các vết nứt bề mặt hình thành trước đó có thể giảm độ rộng Những vết nứt này thường gây ảnh hưởng cho tuổi thọ của bê tông Trong các kết cấu đập khối lớn, việc làm mát theo nhiệt độ môi trường xung quanh có thể mất nhiều năm và các vết nứt có thể xuất hiện thậm chí nhiều năm sau khi xây dựng Ví dụ, trong trường hợp xây dựng đập Orlik ở Cộng hòa Séc, 40 vết nứt bề mặt có chiều rộng tới 3 mm xuất hiện sau một năm kể từ khi thi công với nhiệt độ lõi và bề mặt lần lượt là 40°C và gần bằng 0°C, và độ sâu vết nứt 3m được báo cáo trong [37]

Nguy cơ nứt do nhiệt có thể được giảm thiểu nếu các biện pháp thích hợp được

áp dụng ở giai đoạn xây dựng, do đó có thể yêu cầu phân tích cơ - nhiệt chi tiết (ví dụ: dựa trên phương pháp PTHH) được thực hiện trong quá trình thiết kế Điều này đang dần được áp dụng cho các dự án cơ sở hạ tầng lớn [51] Một trong những lý do hạn chế áp dụng là sự thiếu rõ ràng trong các hướng dẫn liên quan đến việc phân loại các kết cấu bê tông lớn Ví dụ, ACI 116R [11] định nghĩa bê tông khối lớn là

‘‘bất kỳ khối lượng bê tông nào có kích thước đủ lớn để yêu cầu thực hiện các biện pháp để đối phó với sự sinh nhiệt từ quá trình thủy hóa xi măng và sự thay đổi thể tích để giảm thiểu nứt ” Rõ ràng là khi thiết kế phải đưa ra một quyết định khó khăn về lựa chọn kích thước kết cấu, nếu không chính xác kích thước này thì nguy

cơ có thể xảy ra nứt do nhiệt sau khi thi công

Một trong những cách tiếp cận khá hoàn chỉnh để đánh giá kích thước của khối kết cấu là phương pháp xác định đặc trưng của sự khuếch tán nhiệt thủy hóa được

đề xuất bởi Ulm và Coussy [55], phương pháp này xem xét cả kích thước của kết

cấu và các đặc tính dẫn nhiệt của nó Một cách tiếp cận khác liên quan đến đặc trưng hình học của kết cấu Thông thường, có thể đánh giá kích thước của kết cấu bằng cách liên hệ giữa thể tích của nó với diện tích các bề mặt Thể tích kết cấu gây tác động đến độ lớn của nhiệt độ lõi, trong khi diện tích bề mặt gây tác động đến sự chênh lệch nhiệt độ Cách tiếp cận như vậy để đánh giá kích thước khối được đề xuất bởi ACI 207.2R [12]

Tiếp đó, De Schutter và Taerwe [26] đã nghiên cứu các khái niệm của Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI) về kích thước khối và đưa ra kết luận rằng không phải lúc nào cũng có một mối quan hệ duy nhất giữa kích thước kết cấu và nhiệt độ/ gradient nhiệt độ trong cấu kiện bộ phận bằng bê tông, đặc biệt là đối với các cấu kiện có hình học phức tạp Do đó, họ đề xuất sử dụng độ dày tương đương làm thước đo kích thước của kết cấu d eq =a.M , trong đó M là khối lượng của kết cấu và γa là hệ

số hình dạng theo dòng nhiệt

Một phân tích cơ- nhiệt sử dụng phương pháp PTHH để đánh giá độ an toàn kết cấu dựa trên FIB Model Code 2010 [24] bằng việc phân tích phi tuyến [23] để đánh giá độ an toàn cho bệ móng trụ điện gió sử dụng bê tông cường độ cao và các

vỏ hầm bằng bê tông được gia cố hoặc không gia cố cốt sợi với sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng ở tuổi sớm của bê tông

Tiếp theo, một nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng [9] phân tích các hiệu ứng nhiệt trên kết cấu bê tông khối lớn ở vùng nhiệt đới như châu Phi Một nghiên cứu về sự gia tăng nhiệt độ của khối bê tông thử nghiệm 1,1x1,1x1,1m không có cốt thép Một mô hình PTHH đã được xác nhận đã được sử dụng để dự đoán sự phát triển nhiệt độ của khối bê tông này Phân tích ứng suất nhiệt được thực hiện để đưa

ra ước tính về ứng suất gây ra bởi gradient nhiệt tại các mặt cắt của khối bê tông và chỉ số vết nứt được sử dụng để xác định xác suất nứt do nhiệt thủy hóa xi măng Một nghiên cứu này cũng chỉ ra ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích (SVR) của bê tông khối lớn đã được thực hiện để xác định gradient nhiệt tối đa cho phép cũng như ứng suất nhiệt có thể gây ra vết nứt nhiệt

1.2.2 Các phương pháp ở Việt Nam

Nghiên cứu về nguồn nhiệt độ, trường ứng suất của cấu kiện bê tông (trạng thái 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 thành trường nhiệt độ và vết nứt do thủy hóa xi măng của [3] đã xem xét ảnh hưởng của kích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ ở tuổi sớm ngày, các kích thước của khối là 2x2x2m, 3x3x3m, 4x4x4m và 5x5x5m nhưng là khối bê tông thuần túy không 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 độ thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt Trong đó, các dữ liệu cần thiết được lấy từ kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ và nhiệt độ đoạn nhiệt của 1 hỗn hợp bê tông cường độ cao Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số thời 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 thí nghiệm, 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 hóa của một số hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông sử dụng cho kết cấu bê tông khối lớn của [5] trình bày phương pháp đo nhiệt lượng đẳng nhiệt để xác định nhiệt thủy hóa cho hỗn hợp phụ gia khoáng trong bê tông Thí nghiệm được thực hiện cho 8 hỗn hợp bê tông khối lớn sử dụng trong công trình cầu ở Florida, Mỹ Kết quả nghiên 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 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 đó giảm 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 nghiệm chưa phải là cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần dưới của công trình cầu (cấp C30 và C35)

Các nghiên cứu được liệt kê ở trên có thể dùng phương pháp mô phỏng bằng PTHH hoặc phương pháp thực nghiệm, hoặc phương pháp điều tra số liệu thực tế nhưng chưa có nghiên cứu nào đề cập tới phương pháp đồng nhất hóa vật liệu BTCT của lớp vỏ kết cấu Điều này thúc đẩy nghiên cứu sinh áp dụng phương pháp đồng nhất hóa này để xác định các tham số vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT, trong phạm vi luận văn, để phân tích phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của kết cấu BTCT dùng trong công trình cầu

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

1.3.1 Phương pháp hạ nhiệt cốt liệu

Che chắn ánh nắng cho cốt liệu, kho chứa vật liệu, Tưới nước lên đá dăm hoặc làm lạnh vật liệu bằng nước lạnh Giải pháp làm lạnh chân không…Cách hạ thấp nhiệt độ nước trộn, đổ bê tông: Giải pháp làm lạnh nước bằng nitrogen lỏng: Dẫn khí nitrogen lỏng -196 độ C đi qua nước Biện pháp này có khả năng làm nhiệt độ thấp đến một °C.Mặt khác cũng cần che đậy hỗn hợp be tông đã đổ xong giảm thiểu các bức xạ mặt trời, kể cả lúc sản phẩm bê tông ở tại máy bơm bê tông tươi

1.3.2 Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt

Các loại xi măng khác nhau có nhiệt toả ra thay đổi rất lớn Hỗn hợp bê tông ít toả nhiệt là sự lựa chọn tối ưu cho cho bê tông khối lớn để hạn chế đến mức thấp nhất khả năng nứt do nhiệt Hỗn hợp này sử dụng một lượng cực đại tro bay hoặc xỉ

để thay thế xi măng hay chứa lượng chất kết dính thấp nhất mà không làm thay đổi nhiều tính chất của bê tông và vẫn đạt những yêu cầu đã đề ra Tro bay thường được dùng để thay thế xi măng ở tỉ lệ 15%-20% Xỉ lò cao nghiền mịn được dùng thay thế 65%-80% lượng xi măng để làm giảm nhiệt hydrat hoá

1.3.3 Bảo dưỡng bê tông

Bảo dưỡng bằng tưới nước được thực hiện theo yêu cầu của TCVN

5592-1991 Việc tưới nước phải đáp ứng yêu cầu thoát nhiệt nhanh khỏi khối bê tông Vì vậy chu kỳ tưới nước cần đảm bảo cho bề mặt bê tông luôn ướt

Bảo dưỡng bằng vật liệu bọc cách nhiệt: có thể dùng vật liệu tấm xốp Polystyrene hoặc Polyurethane (chiều dày 4-5cm), có khối lượng thể tích không dưới 20kg/m3 Bọc xung quanh khối đổ (bao gồm ốp mặt ngoài cốp pha thành trước lúc đổ bê tông và phủ mặt bê tông)

1.3.4 Khống chế nhiệt độ bê tông trong quá trình thi công

a Giải pháp về vật liệu chế tạo bê tông

Hiện tượng nứt bê tông do ứng suất kéo phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa của xi măng cần phải được quan tâm xem xét cả trên bề mặt và ngay trong bản thân khối bê tông Một trong những giải pháp hữu hiệu để có thể phòng và tránh được hiện tượng nứt bê tông do nhiệt là kiểm soát nhiệt của hỗn hợp bê tông khi thi công Kiểm soát nhiệt của hỗn hợp bê tông có thể thực hiện thông qua các biện pháp sau:

- Hạn chế lượng xi măng sử dụng: dùng phụ gia khoáng thay thế cho một phần

xi măng trong bê tông, dùng phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo để giảm lượng nước trộn, từ đó giảm được lượng xi măng

- Dùng loại xi măng ít tỏa nhiệt hoặc xi măng pooclăng hỗn hợp

b Giải pháp trước và sau khi thi công

Hạ nhiệt độ hỗn hợp bê tông (hạ nhiệt độ cốt liệu, hạ nhiệt độ nước dùng để trộn bê tông, che đậy hỗn hợp bê tông), làm lạnh nước trộn, trộn bê tông bằng một phần nước đá

Kiểm soát nhiệt độ của khối bê tông có thể được thực hiện một cách hiệu quả bằng việc tuần hoàn nước lạnh qua hệ thống ống kim loại mỏng đã được lắp đặt sẵn trong khối bê tông Lượng nhiệt được đưa ra ngoài khối bê tông phụ thuộc vào kích

cỡ đường ống kim loại, thể tích và nhiệt độ đầu vào của nước tuần hoàn Lượng nhiệt trong khối bê tông được đưa ra ngoài sau một vài ngày kể từ khi tiến hành đổ

bê tông sẽ làm giảm được đáng kể giá trị nhiệt độ cực đại tại tâm của khối bê tông ống kim loại được sử dụng để giải phóng nhiệt có thể là ống nhôm hoặc ống thép mỏng có đường kính trong khoảng 25-30mm và thành ống dày 1,5mm Nước được

hệ thống bơm bơm chảy qua hệ thống ống thoát nhiệt có vận tốc trong khoảng

15-17 lít/phút

1.3.5 Sử dụng phụ gia khoáng

Có nhiều loại phụ gia khoáng hoạt tính có tính chất lý hóa có thể thay thế xi măng để giảm thiểu xi măng trong bê tông như tro bay, puzơlan, xỉ lò cao… Các loại phụ gia trên phải đảm bảo yêu cầu chính:

Tổng lượng SiO2+ Al2O3 + FeO3% > 70%

Puzơlan là vật liệus hoặc silic và alumin, có ít hoặc không có tính dính kết, nhưng ở dạng hạt mịn và mặt của nước, ẩm sẽ có tác dụng hóa học với canxihiđroxít ở nhiệt độ thường để tạo thành hợp chất có tính chất dính kết puzơlan thiên nhiên nguyên khai hay qua nung phù hợp với các yêu cầu áp dụng như một vài loại đất diatomit, đá mảnh opan và diệp thạch, tuyp và tro núi lửa hoặc đá bột, trong

đó có loại qua nung và không qua nung, các loại vật liệu khác yêu cầu được nung để cho các tính chất thỏa mãn như một vài loại đất và diệp thạch

Cường độ ban đầu của bê tông dùng xi măng pooclăng và puzơlan dự đoán là thấp hơn bê tông xi măng pooclăng, nhưng càng về sau thì cường độ đạt thiết kế

Xỉ lò cao dạng hạt được nghiền mịn cũng có thể sử dụng như một thành phần riêng rẽ với xi măng pooclăng như vật liệu dính kết trong bê tông Các yêu cầu về xỉ nghiền mịn dùng trong bê tông được quy định trong ASTMC989

Có nhiều giải pháp để phòng chống, hạn chế nứt bê tông khối lớn mố trụ cầu nhưng trong phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ nghiên cứu về ảnh hưởng của

kích thước nhỏ nhất của khối đổ, hàm lượng xi măng, cấp, mác bê tông và chiều cao khối đổ đến sự xuất hiện nứt trên thân trụ đặc

1.4 Kết luận chương 1

Chương này nghiên cứu tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học Những dạng vết nứt này thường phát sinh trong giai đoạn thi công bao gồm những vết nứt do nhiệt thủy hóa

xi măng, co ngót, từ biến của kết cấu BTCT và do sự kiềm chế biến dạng trong khối

bê tông ở tuổi sớm Đồng thời nghiên cứu nguyên nhân hình thành các vết nứt trong công trình có kích thước lớn như đập thủy điện, kết cấu móng mố trụ cầu tại Việt Nam và trên thế giới, từ những kết cấu bê tông có cường độ bê tông thấp (hàm lượng xi măng thấp) tới kết cấu bê tông có cường độ cao (hàm lượng xi măng cao)

Từ đó, đưa ra cách nhìn nhận và đánh giá sự hình thành vết nứt và phân tích, xử lý các dạng vết nứt này Các phân tích, đánh giá có thể được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm hiện trường và phương pháp mô phỏng qua các phần mềm phân tích kết cấu (FEM/FEA)

Một số nghiên cứu phân tích, đánh giá ở Việt Nam và trên thế giới có nhược điểm là thường sử dụng phương pháp gần đúng như việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của lớp BTCT giống/ gần giống với hệ số dẫn nhiệt của bê tông dẫn tới phân tích sự hình thành vết nứt ở tuổi sớm của kết cấu BTCT chưa chính xác Hơn nữa, trong các tiêu chuẩn hiện hành ở Việt Nam hiện nay chưa đề cập tới việc thi công và nghiệm thu bê tông khối lớn với cấp bê tông thông thường sử dụng cho công trình cầu hiện tại (cấp từ 25MPa tới 40MPa), điều này khiến cho việc khó có thể chọn ra hàm lượng xi măng phù hợp để tránh được hiện tượng nứt do thủy hóa xi măng trong bê tông khối lớn Do đó, để khắc phục các nhược điểm trên, trong chương 2 tôi sẽ trình bày khái niệm, quy trình thực hiện của phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để xác định các đặc trưng vật liệu và hệ số dẫn nhiệt của lớp BTCT được chọn

để đồng nhất với mục đích nâng cao tính chính xác và độ tin cậy trong phân tích sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu BTCT cho cấp bê tông thông thường được sử dụng trong các bộ phận công trình cầu ở tuổi sớm

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 2.1 Tổng quan về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu

2.1.1 Ứng xử vật liệu

Trong bài toán thiết kế thông thường như thiết kế cầu, đường, nhà cửa hay trong các giáo trình sách Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu, Nguyên lý máy vật liệu được xem như là môi trường liên tục của các chất điểm Khái niệm môi trường được dùng để chỉ vật thể với ý nghĩa kích thước vật thể lớn hơn nhiều so với chất điểm, các đại lượng vật lý đặc trưng cho vật liệu do đó là các hàm biến thiên liên tục Cơ học môi trường liên tục xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc thiết lập quy luật vận động của các đặc trưng vật liệu ta gọi chung là quy luật ứng xử vật liệu Để xác định quy luật ứng xử của vật liệu, phương pháp thông thường là ta tiến hành thí nghiệm,

từ đó xây dựng các công thức lý thuyết mô tả phù hợp với miền kết quả thí nghiệm Phương pháp xây dựng này gọi là phương pháp tiếp cận hiện tượng/ thực nghiệm Cách tiếp cận này chỉ quan tâm tới kết quả cuối cùng do đó ít phức tạp và có hiệu quả trong các ứng dụng thực tế Tuy vậy các quy luật ứng xử dựa trên tiếp cận thực nghiệm bị khống chế bởi các vật liệu và tác động của tải trọng cụ thể Chỉ cần thay đổi nhẹ trong công tác chế tạo vật liệu hay tác động vượt quá miền thí nghiệm, các quy luật này không còn đủ lý lẽ khoa học để áp dụng Một ví dụ đơn giản, bê tông

xi măng portland ở điều kiện sử dụng bình thường có ứng xử đàn hồi tuyến tính (đặc trưng bằng hai thông số đàn hồi) và phá hoại giòn (đặc trưng bằng cường độ chịu kéo và nén) Công việc xây dựng luật ứng xử bắt đầu từ quan sát thực nghiệm

và sử dụng lý thuyết đàn hồi tuyến tính để mô tả quy luật Tuy vậy, trong quá trình chế tạo, nếu tăng một chút lỗ rỗng hoặc tăng cường một số chất phụ gia hoặc điều kiện biên chịu lực đặc biệt như nhiệt độ cao hoặc tải trọng kéo dài, ứng xử của bê tông sẽ thay đổi và quá trình xây dựng các quy luật ứng xử cho các trường hợp cụ thể quay trở lại các trình tự từ việc quan sát thực nghiệm tới tổng hợp lý thuyết

Để khắc phục các hạn chế từ phương pháp tiếp cận hiện tượng và cũng nhằm