Nghiên cứu mối quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu biện pháp thi công bê tông khối lớn, quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông để lựa chọn biện pháp thi công bê tông hợp lý cho đập dâng Tân Mỹ - Dự án hệ t

LỜI CẢM ƠN

Luận văn đã được thực hiện trong thời gian ngắn với sự nỗ lực của bản thân,

tác giả đã hoàn thành với đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn” Trong quá trình thực

hiện, tác giả nhận được sự giúp đỡ tận tình của Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, khoa Công trình – Trường Đại học Thủy lợi cùng các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người thân và các đồng nghiệp luôn động viên và chia sẻ những khó khăn, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, tác giả chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Trọng Tư

đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình tác giả trong quá trình thực hiện luận văn

Với hiểu biết và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên nội dung của luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của thầy cô giáo, các độc giả quan tâm và đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 11 năm 2012

Tác giả

Vũ Đình Thắng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép từ

bất kì công trình nghiên cứu nào khác

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả

Vũ Đình Thắng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÁC BIỆN PHÁP THI CÔNG BÊ TÔNG KHỐI LỚN VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT TRONG BÊ TÔNG 3

1.1 Tổng quan về các công trình thi công bê tông khối lớn trong và ngoài nước 3

1.1.1 Khái niệm bê tông khối lớn 3

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới .6

1.1.3 Tình hình xây dựng đập bê tông ở Việt Nam 8

1.2 Giới thiệu các biện pháp thi công bê tông khối lớn trong và ngoài nước 11

1.2.1 Các biện pháp thi công bê tông khối lớn trên thế giới .11

1.2.1.1 Giai đoạn trước năm 1900 11

1.2.1.2 Giai đoạn từ 1900 đến 1930 11

1.2.1.3 Giai đoạn từ 1930 đến 1970 13

1.2.1.4 Giai đoạn từ 1970 đến nay .14

1.2.2 Các biện pháp thi công bê tông khối lớn tại Việt Nam 20

1.2.2.1 Giai đoạn trước 1945 20

1.2.2.2 Giai đoạn từ 1945 đến 1975 21

1.2.2.3 Giai đoạn từ 1975 đến nay .22

1.3 Quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông .26

1.4 Kết luận chương 1 .27

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA BIỆN PHÁP THI CÔNG VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN .28

2.1 Đặc điểm các phương pháp phân chia khoảnh đổ và điều kiện thi công bê tông khối lớn .28

2.1.1 Cơ sở phân chia khoảnh đổ .28

2.1.2 Phương pháp phân chia khoảnh đổ .29

2.1.2.1 Phương pháp kiểu xây gạch .29

2.1.2.2 Phương pháp hình trụ 29

2.1.2.3 Phương pháp lên đều 29

2.2 Nghiên cứu diễn biến nhiệt trong bê tông 30

2.2.1 Diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn trong quá trình thi công .30

2.2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn .30

2.2.1.2 Nhiệt thủy hóa của xi măng .30

2.2.1.3 Diễn biến nhiệt độ của bê tông 31

2.2.2 Lựa chọn kích thước khoảnh đổ 34

2.3 Mối quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn .35

2.3.1 Hình thức phân khoảnh kiểu trụ 37

2.3.2 Hình thức phân khoảnh kiểu lên đều 39

2.3.3 Hình thức phân khoảnh kiểu xây gạch 41

2.4 Kết luận chương 2 .43

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN BIỆN PHÁP THI CÔNG BÊ TÔNG HỢP LÝ ĐẬP DÂNG TÂN MỸ - DỰ ÁN HỆ THỐNG THỦY LỢI TÂN MỸ 45

3.1 Phân tích quá trình biến đổi nhiệt ảnh hưởng đến ứng suất, chất lượng công trình 45

3.1.1 Nứt bề mặt 45

3.1.2 Nứt xuyên 47

3.2 Lựa chọn biện pháp thi công hợp lý cho đập dâng Tân Mỹ - Dự án thủy lợi Tân Mỹ 50

3.2.1 Thông số kỹ thuật công trình .50

3.2.2 Khí tượng thủy văn 52

3.2.3 Các hạng mục kết cấu công trình chính .55

3.2.4 Tiến độ thực hiện dự án 58

3.2.5 Các vật tư, vật liệu sử dụng và các đặc trưng .59

3.2.5.1 Xi măng 59

3.2.5.2 Sắt thép 59

3.2.5.3 Khớp nối 59

3.2.5.4 Xăng dầu 60

3.2.5.5 Nhựa đường 60

3.2.6 Thi công bê tông 60

3.2.6.1 Tính toán nhiệt độ trong quá trình thi công bê tông: 60

3.2.6.2 Trạm trộn bê tông 69

3.2.6.3 Máy trộn bê tông 70

3.2.6.4 Trình tự đổ các thành phần của bê tông vào máy trộn 70

3.2.6.5 Vận chuyển hỗn hợp bê tông 71

3.2.6.6 Đổ bê tông 72

3.2.6.7 Bảo vệ và bảo dưỡng bê tông 78

3.3 Kết luận chương 3 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 7

Hình 1.2: Ảnh Đập bê tông Krasnoiarxki 15

Hình 1.3: Đập Miel 1 được xây dựng ở Columbia 15

Hình 1.4: Đập Miyagase cao 156m – Nhật Bản 16

Hình1.5: Đập Giang Á cao 13m – Trung Quốc 16

Hình 1.6: Đập dâng tràn Cầu Sơn 17

Hình 1.7: Đập Bái Thượng 17

Hình 1.8: Tràn xả lũ Đại Ninh 18

Hình 1.9: Nhìn từ hạ lưu đập Tân Giang – Ninh Thuận 18

Hình 1.10: Đập Lòng Sông - Bình Thuận 19

Hình 1.11: Toàn cảnh đập Định Bình 19

Hình 2.1: Phương pháp phân khoảnh đổ 30

Hình 2.2: Quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn 31

Hình 2.3: Lượng nhiệt thủy hóa tích lũy của bê tông 32

Hình 2.4: Mặt bằng phân khối đổ 36

Hình 2.5: Quan hệ đặc điểm hình dạng khoảnh và chiều cao khoảnh đổ 40

Hình 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt hydrat hóa đến chất lượng công trình 45

Hình 3.2: Ứng suất nhiệt phát sinh trong khối đổ bê tông 46

Hình 3.3: Biến hình do nhiệt độ và ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông mới đổ 48

Hình 3.4: Kết quả thí nghiệm quang đàn hồi về sự kiềm chế của nền 49

Hình 3.5: Cắt ngang và cắt dọc khối bê tông tính toán 63

Hình 3.6: Chia block và lưới phần tử khối đập 64

Hình 3.7: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 1.000giờ 65

Hình 3.8: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 2000 giờ 65

Hình 3.9: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 3.000giờ 66

Hình 3.10: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 5.000giờ 66

Hình 3.11: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 11.000giờ 67

Hình 3.12: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 18.000giờ 67

Hình 3.13: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 25.000giờ 68 Hình 3.14: Bản đồ phân bố nhiệt độ trong đập dâng tại thời điểm 50.000giờ 68 Hình 3.15: Đồ thị phân bố nhiệt độ trong thân đập dâng 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thống kê số lượng đập của các châu lục 6

Bảng 1.2: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam 8

Bảng 1.3: Danh sách các đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam đến năm 2013 10

Bảng 1.4: Những đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam trước 1945 21

Bảng 2.1: Nhiệt thủy hóa của các loại xi măng 31

Bảng 2.2: Hệ số phát nhiệt (m) của xi măng 32

Bảng 2.3: Kích thước khoảnh đổ trung bình ở một số công trình đã thi công 35

Bảng 3.1: Hệ số ảnh hưởng kiềm chế của nền R 49

Bảng 3.2: Các thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình 51

Bảng 3.3: Mạng lưới các trạm khí tượng và trạm đo mưa 53

Bảng 3.4: Mạng lưới trạm thủy văn 53

Bảng 3.5: Phân phối số giờ nắng trong năm 54

Bảng 3.6: Các đặc trưng nhiệt độ không khí 54

Bảng 3.7: Phân phối các đặc trưng độ ẩm tương đối 54

Bảng 3.8: Vận tốc gió trung bình trạm Phan Rang và Nha Hố 54

Bảng 3.9: Kết quả tính toán tần suất gió lớn nhất thiết kế (đơn vị: m/s) 54

Bảng 3.10: Phân phối lượng bốc hơi trong năm 55

Bảng 3.11: Phân phối tổn thất bốc hơi DZ trong năm 55

Bảng 3.12: Lượng mưa ngày lớn nhất các trạm (mm) 55

Bảng 3.13: Các số liệu đầu vào sử dụng trong tính toán 62

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đầu thế kỷ 20, đối với vấn đề quá trình thay đổi nhiệt trong thân đập bê tông

và hậu quả của nó người ta chưa biết nhiều, vì thế trong thiết kế và thi công thiếu sự chú ý cần thiết Sau đó trong thực tế phát hiện trong thân đập xuất hiện nhiều khe nứt có tính chất không giống nhau, đã làm rõ ứng suất nhiệt là nguyên nhân chủ yếu làm xuất hiện khe nứt ở đập bê tông thể tích lớn, từ đó mới bắt đầu đi sâu nghiên cứu vấn đề thay đổi nhiệt độ, vấn đề ứng suất nhiệt và biện pháp thi công nhằm khống chế nhiệt Thực tế đã thu được rất nhiều thành tựu Trước mắt trong thiết kế bất kỳ một công trình bê tông khối lớn nào đều đặt vấn đề biện pháp thi công nhằm khống chế nhiệt là một trong những nội dung quan trọng

Đề tài nghiên cứu quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn từ đó đề ra biện pháp thi công bê tông khối lớn một cách hiệu quả và kinh tế nhất

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu biện pháp thi công bê tông khối lớn, quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông để lựa chọn biện pháp thi công bê tông hợp lý cho đập dâng Tân Mỹ -

Dự án hệ thống thủy lợi Tân Mỹ

CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cách tiếp cận

Nghiên cứu các tài liệu về thiết kế, các tiêu chuẩn thiết kế, điều kiện kỹ thuật trong nước và trên thế giới cho công tác thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong

bê tông khối lớn

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các tài liệu thiết kế, thi công các công trình bê tông khối lớn điển hình Phân tích tổng hợp các biện pháp thi công

Phân tích quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn

Nghiên cứu mối quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Thiết lập mối quan hệ giữa biện pháp thi công và diễn biến nhiệt trong bê

tông khối lớn – lựa chọn biện pháp thi công hợp lý cho đập dâng Tân Mỹ - Dự án

hệ thống thủy lợi Tân Mỹ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÁC BIỆN PHÁP THI CÔNG BÊ TÔNG KHỐI LỚN VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT TRONG BÊ TÔNG

1.1 Tổng quan về các công trình thi công bê tông khối lớn trong và ngoài nước

1.1.1 Khái niệm bê tông khối lớn

Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R-90), bê tông khối lớn được định nghĩa là một thể tích bê tông có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với

sự phát nhiệt do xi măng thủy hóa và sự biến đổi thể tích kèm theo để giảm nứt nẻ

Kích thước của bê tông khối lớn được quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam và nước ngoài Bê tông khối lớn có kích thước nhỏ nhất không nhỏ hơn 2,5m chiều dày lớn hơn 0,8m

Có 2 loại bê tông thường được dùng làm bê tông khối lớn:

- Bê tông truyền thống (kí hiệu là CVC) là bê tông thông thường được đầm chặt bằng phương pháp chấn động

- Bê tông đầm lăn (kí hiệu là RCC) là bê tông sử dụng các nguyên liệu tương

tự bê tông truyền thống, nhưng rất khô và được đầm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung) Việc đầm bằng lu rung cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông khô hàm lượng kết dính nhỏ hơn bê tông thông thường rất nhiều Trong chất kết dính chỉ có một phần là xi măng, còn phần còn lại là phụ gia khoáng hoạt tính mềm mịn (tro bay, puzơlan tự nhiên,…)

Bê tông đầm lăn đang và sẽ được áp dụng trong xây dựng một số đập ở Việt Nam Tuy nhiên bê tông khối lớn thông thường đã và vẫn sẽ được dùng trong công trình và kết cấu công trình không thích hợp cho bê tông đầm lăn

Trong phần này chỉ đề cập đến bê tông khối lớn thông thường (CVC) đã được áp dụng nhiều ở Việt Nam từ trước đến nay để xây dựng các đập bê tông như đập Thác Bà, Sông Đà, Thạch Nham, Hàm Thuận, Đami và mới đây là đập Tân Giang, Lòng Sông,…

* Đặc tính đập bê tông khối lớn:

Đặc tính đập bê tông khối lớn là tích chất nhiệt Phản ứng của xi măng với nước là phản ứng phát nhiệt Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán được

nhanh nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, từ đó có thể phát sinh ứng suất kéo lớn do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm nhiệt độ trong khối bê tông Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ công trình

Đối với công trình đập bê tông, để đồng thời đạt được chất lượng và giá thành thấp, thường phân ra 2 phần: phần bê tông bên ngoài của đập chịu tác dụng trực tiếp của môi trường nước và phần bên trong của đập không tiếp xúc với môi trường Đối với phần bên ngoài của đập , yêu cầu chọn cốt liệu bê tông tốt, bê tông đặc chắc cường độ cao, chống thấm tốt để đảm bảo độ bền Còn bê tông bên trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là phát nhiệt tối thiểu Khi bê tông đông cứng , vì sự phân bố nhiệt không đều trong khối bê tông gây ra nứt do nhiệt Mác bê tông ở phần trong không yêu cầu cao, chỉ cần 10 hoặc

15 Mpa và mác chống thấm B2 hoặc B4

* Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn:

- Xi Măng

Xi măng trong bê tông khối lớn (đập trọng lực) nên dùng xi măng ít tỏa nhiệt

Để đảm bảo tính ổn định của bê tông khối lớn cần lưu ý chọn dùng các vật liệu thích hợp Theo tài liệu, xi măng ít tỏa nhiệt thích hợp phải có lượng nhiệt phát

ra khi xi măng thủy hóa (xác đinh theo phương pháp Técmốt) sau ba ngày không lớn hơn 45-50 cal/g, sau 7 ngày không lớn hơn 50-60 cal/g

Ở nước ta ban hành tiêu chuẩn xi măng ít tỏa nhiệt và quy định nhiệt thủy hóa sau 7 ngày không lớn hơn 60 cal/g, nhưng thực tế hầu như chưa sản xuất, nên thị trường xi măng ở nước ta không có mặt xi măng ít tỏa nhiệt, mà chỉ có loại xi măng Poóc lăng hỗn hợp (PCB) pha khoảng 12-20% phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia đầy (trơ)

- Cốt liệu

Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khố lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được quy định trong các tiêu chuẩn nhà nước Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn của Mỹ cũng được quy

định trong ACI 207.IR-87 Do kích thước kết cấu lớn, nên có thể dùng kích thước danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu (Dmax) tới 150mm để giảm hàm lượng chất kết dính trong bê tông, từ đó giảm phát nhiệt

- Nước trộn bê tông

Nước trộn bê tông cũng giống như nước trộn bê tông thông thường với các kích thước khác nhau và được quyết định trong tiêu chuẩn nhà nước TCXDVN 302:2004

* Những tính chất bê tông khối lớn

Các tính chất cần được xem xét: Cường độ nén, cường độ kéo, môdun đàn hồi, hệ số poisson, khả năng nhiệt, tản nhiệt, độ thấm nước, độ bền Các tính chất này của bê tông khối lớn cũng giống như bê tông thông thường

- Cường độ

Cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có loại phụ gia khoáng hoạt tính, hàm lượng của nó trong bê tông và biện pháp thi công bê tông Cường độ bê tông pha puzơlan nói chung phát triển chậm thời kỳ đầu, sau 28 ngày phát triển tốt hơn

Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu ứng suất ban đầu Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày (90,

180, 1 năm) tùy theo khối lượng và thời gian xây dựng công trình

Vôi sinh ra khi xi măng tác dụng với nước Vôi sẽ hòa tan trong nước, nước mềm hay nước axít nhẹ Khi dùng puzơlan thì puzơlan tác dụng với vôi (puzơlan),

tạo ra hợp chất mới không tan trong nước, do đó ngăn cản sự tiết vôi ra khỏi bê tông

Khi bê tông đặc chắc chống thấm tốt, thì việc tiết vôi ra sẽ ít Nếu tiết vôi nghiêm

trọng, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu công trình

- Tính biến dạng

+ Độ co khô

Độ co khô nằm trong khoảng 0,02% của độ dài bê tông nghèo độ sụt thấp

dùng cốt liệu tốt, đến lớn hơn 0,1% đối với bê tông giàu xi măng hoặc bê tông dùng

cốt liệu xấu nhiều nước trộn Các nhân tố ảnh hưởng độ co khô: hàm lượng xi

măng, thành phần khoáng của áo và hàm lượng cốt liệu

+ Sự biến đổi thể tích tự thân

+ Do nhiệt thủy hóa

Nhiệt bê tông thay đổi do nhiệt thủy hóa sinh ra do xi măng tác dụng với

nước làm cho bê tông nở thể tích

Ngoài ra còn có từ biến, do độ ẩm trong bê tông thay đổi…

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới

Cách đây 4000 năm ở Trung Quốc, Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện những công

trình thuỷ lợi Đập được xây dựng đầu tiên là đập xây trên sông Nile cao 15m, dài

450m có cốt là đá đổ và đất sét

Theo con số thống kê của hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000

trên thế giới có khoảng 45000 đập lớn Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có

chiều cao H = 10m và có các điều kiện: Chiều dài L ≥ 500m, Qx ≥ 2000 m3/s, hồ có

dung tích W ≥ 1 000 000 m3 nước được xếp là loại đập cao

Số lượng 45.000 đập được phân bố không đều trên các châu lục

Bảng 1.1: Thống kê số lượng đập của các châu lục

Nước cú nhiều đập nhất thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập chiếm 48% số đập trờn thế giới Đứng thứ hai là Mỹ cú 6.575 đập Đứng hàng thứ

ba là Ấn Độ cú 4.291 đập, sau đú là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tõy Ban Nha cú 1.196 đập Việt Nam cú gần 500 đập đứng khoảng thứ 16 trong số cỏc nước

cú nhiều đập cao trờn thế giới

Theo con số thống kờ đập ở 44 nước của ICOLD-1997, số đập cao 15 ữ 30 m chiếm khoảng 56.2% Đập cao hơn 30m chiếm khoảng 23.8%, đập cao hơn 150m chỉ khoảng 0.1%

Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toμn thế giới (1900-2000)

Hỡnh 1.1: Biểu đồ xõy dựng đập lớn trờn toàn thế giới (1900-2000)

Cỏc thống kờ về thể loại đập của ICOLD – 1986 cho thấy 78% là đập đất, đập đỏ đổ 5%, đập bờ tụng trọng lực 12%, đập vũm chỉ 4% Trong số cỏc đập cú chiều cao hơn 100m thỡ tỡnh hỡnh lại khỏc, 30% là đập đất, 38% là đập bờ tụng, 21.5% là đập vũm Như vậy, trong số đập cao hơn 100m thỡ tỷ lệ đập bờ tụng và đập vũm chiếm ưu thế

Hiện nay Trung Quốc là nước cú nhiều đập bờ tụng trọng lực được xõy dựng nhất trờn thế giới tớnh đến năm 2000 đó cú 22 đập cao trờn 70m đó được xõy dựng Phải kẻ đến những đập như Shuifeng cao 106m, đập Sanmen-xian cao 106m, đập Baozhusi và Manwan cao 132m, Ankang cao 128m Mỹ là nước đứng thứ 2 về số lượng đập bờ tụng trọng lực được xõy dựng vớ dụ như đập Willow Creek cao 52m

đập Upper Stillwater cao 91m, đập Cuchillo Negro cao 50m, đập Spring Hollow cao

74m, đập Olivenhain cao 97m

1.1.3 Tình hình xây dựng đập bê tông ở Việt Nam

Thời kì trước những năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập

bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến

10m, chưa có những đập lớn Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ

công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam tỉnh Phú Yên do đặc điểm

thuỷ văn của sông Đà Rằng Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do

các kỹ sư Pháp thực hiện Xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa

vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ

phù hợp với Việt Nam

Giai đoạn từ 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số

đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước

tưới, đập Đáy ở Hà Nội (Hà Tây cũ) có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ

khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình…

Bảng 1.2: Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam

(Giai đoạn trước năm 1945)

STT Tên công trình Địa điểm xây dựng Năm xây dựng

4 Thác Huống Sông Cầu - Thái Nguyên 1922-1929

Giai đoạn từ năm 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng các công trình thuỷ lợi lớn bị hạn chế Trong thời kỳ này chưa có đập bê tông trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập thuỷ điện Thác Bà, đập tràn thuỷ điện Cầm Sơn, Đa Nhim Kĩ thuật và công nghệ xây dựng

ở phía bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía Nam là của Nhật

Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá nên các công trình thuỷ điện thuỷ lợi được xây dựng khắp cả nước, và đập

bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú Đầu mối các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện như: PleyKrông, Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ, Thạch Nham, Tân Giang và đập tràn ở các đầu mối thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao từ 70 – 138m Việt Nam đã và đang sử dụng thành công kỹ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mô về cả chiều cao và khối lượng bê tông ngày càng một lớn hơn

Một trong những công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang áp dụng thành công hiện nay là đập bê tông đầm lăn Việt Nam đến với công nghệ bê tông đầm lăn tương đối muộn so với một số nước trên thế giới, nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó và đặc biệt là nước láng giềng Trung Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên có rất nhiều dự án thuỷ lợi thuỷ điện lớn đã

và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này Từ nay đến năm 2013 nước ta

có số đập bê tông đầm lăn lên đến 24 đập Việt Nam trở thành nước xếp hàng thứ bẩy về tốc độ phát triển bê tông đầm lăn

Bảng 1.3: Danh sách các đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam đến năm 2013

STT Tên công trình Chiều

cao (m)

Địa điểm xây dựng

Năm dự kiến hoàn thành

Ghi chú

1 PleiKrông 71 Kontum 2007 Đang VH

1.2 Giới thiệu các biện pháp thi công bê tông khối lớn trong và ngoài nước

1.2.1 Các biện pháp thi công bê tông khối lớn trên thế giới

1.2.1.1 Giai đoạn trước năm 1900

Các đập được xây dựng ở giai đoạn này đều thấp

Bê tông thường được trộn bằng tay hoặc xẻng, dùng xe cút kít, xe bò để chuyên chở các loại vật liệu và hỗn hợp bê tông Trong quá trình trộn bê tông, nhìn chung chưa có giải pháp để khống chế thể tích nước pha trộn, chưa có biện pháp để kiểm tra độ sụt của bê tông, mà chỉ quan sát hỗn hợp bê tông bằng mắt thường

Tại một số đập có kích thước lớn đã dùng bê tông độn đá hộc Một vài đập lớn xây dựng đầu tiên không bố trí khe co giãn và không xem xét tới phương pháp

đổ Tuy nhiên cũng có một số đập khi thi công đã được phân thành các khoảnh đổ; chiều cao của lớp đổ đã được điều chỉnh, bê tông với độ sụt nhỏ đã được đổ thành các lớp mỏng và được đầm chặt bằng các đầm tay khá cẩn thận

Tốc độ đổ bê tông vào khoảng vài trăm m3 một ngày Sau khi đổ bê tông xong, nhìn chung, chưa đề cập đến vấn đề bảo dưỡng

Đập Lower Crystal Springs được xây dựng gần San Mateo, California, được hoàn thành vào năm 1980 Đập cao 47m, là trường hợp điển hình về công nghệ thi công bê tông nói trên

Chỉ một số ít các đập bê tông được xây dựng ở Mỹ trước 1900 còn có thể duy trì hoạt động cho đến ngày nay và hầu hết là đập nhỏ Hơn một phần ba số này được xây dựng ở California và Arizona, nơi mà khí hậu tương đối ôn hòa Một số đập khác vẫn còn tồn tại trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt là do bề mặt được lát bằng đá xây

định qua phân tích bằng sàng và giới hạn hàm lượng magiê ô xýt trong thành phần hóa của xi măng Ngoài ra không có bất cứ yêu cầu nào khác về khoa học

Đặc điểm và thành phần cấp phối bê tông đã được chú ý nhiều hơn trong giai đoạn này Các tiến bộ cơ bản đã được ứng dụng để phát triển các phương pháp xác định tỷ lệ cấp phối bê tông Mối quan hệ giữa cường độ với tỷ lệ Nước/Xi măng đã được thiết lập bởi Duff Abrams và các cộng sự của ông ta

Nhìn chung, bê tông không có phụ gia Chỉ có trường hợp khi xây dựng các đập Arrowrock, Elephent Butte và Dalton là pha thêm các phụ gia khoáng hoạt tính

Tại đập vòm Arrowrock-đập cao nhất thế giới (107m) được hoàn thành năm

1915, là đập được xây dựng với bê tông gày ở phần trong và bê tông béo ở mặt ngoài Hàm lượng xi măng của bê tông ở phần bên trong xấp xỉ 223kg/m3 là sự kết hợp giữa đá granite - xi măng được nghiền thành bột rồi trộn lẫn với nhau Hỗn hợp

xi măng được chế tạo ngay tại hiện trường với các thành phần bằng nhau của xi măng Pooc lăng và đá granite và yêu cầu không ít hơn 90% lọt qua mắt sàn 75µm

Trường hợp ngoại lệ là tại vai của đập vòm Dalton được xây dựng bởi Phòng kiểm soát lũ, Los Angeles trong những năm cuối 1920 đã sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan thay thế khoảng 20% lượng xi măng Pooc lăng

Đối với những đập có mặt cắt dày, đường kính cốt liệu lớn nhất (Dmax) đã tăng lên đến 25mm Các biện pháp đo độ sệt hỗn hợp bê tông, kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông đã được tiến hành Các thử nghiệm cường độ ở các tuổi bê tông khác nhau được tiến hành từ mẫu hình trụ có kích cỡ 150*300mm và 200*400mm

đã trở nên phổ biến ở Mỹ Các quốc gia Châu Âu nhìn chung đã lựa chọn kích thước 200*200mm

Tại những vùng thời tiết khắc nghiệt (có đóng băng và tan băng), thông thường sử dụng hàm lượng xi măng là 335kg/m3 bê tông Trong thực tế xây dựng nhiều công trình trong giai đoạn này, hỗn hợp bê tông bên trong có hàm lượng xi măng là 223kg/m3, hỗn hợp bê tông mặt ngoài có hàm lượng xi măng là 335kg/m3

để làm cho bề mặt đập có thể chịu đựng được thời tiết khắc nghiệt và giảm tới mức tối thiểu hàm lượng xi măng trong công trình

Công nghệ thi công bê tông: Máy trộn bê tông với dung tích 2-3m3 được dùng rộng rãi ở gần cuối giai đoạn này

Trong mấy năm đầu trước khi biết được tầm quan trọng của tỷ lệ Nước/Xi măng, việc quản lý khối lượng nước pha trộn chưa nghiêm ngặt, dẫn tới hỗn hợp bê tông khi thi công còn quá nhão

Đổ bê tông bằng cách dùng cẩu tháp, thùng đựng vữa chạy trên đường trượt kết hợp với máng đặt nghiêng đã trở nên phổ biến và việc thi công bê tông đã được tiến hành khá cẩn trọng

1.2.1.3 Giai đoạn từ 1930 đến 1970

Quy mô công trình: Nhiều công trình bê tông khối lớn và đập bê tông có chiều cao lớn (đập trọng lực, đập vòm, bê tông đầm lăn) được xây dựng

Vật liệu: Thành phần xi măng Pooc lăng, cát và sỏi sử dụng trong cấp phối

bê tông khối lớn được xem xét khá tỷ mỷ và thận trọng về chất lượng

Qua kiểm tra thực tế tại một số đập bê tông đã xây dựng cho thấy có sự khác nhau về mức độ nứt nẻ trong công trình Tại hai công trình có điều kiện về môi trường tương tự, nhưng một công trình có quá nhiều vết nứt, còn công trình kia sau một thời gian sử dụng vẫn còn ở tình trạng gần như hoàn hảo Các kết quả quan sát từ một số đập bê tông đã chỉ ra: Các biến đổi về nhiệt ở trong đập là do quá trình hyđrat hóa của xi măng, mức độ nứt nẻ bao giờ cũng gắn liền với sự gia tăng nhiệt độ

Ủy ban ACI về bê tông khối lớn được tổ chức năm 1930 để tổng kết về các đặc tính quan trọng của bê tông khối lớn trong đập và các nhân tố ảnh hưởng đến các đặc tính này Bogue (1949) và các cộng sự của ông ta ở Ủy Ban tiêu chuẩn quốc gia đã xác định được các hợp chất chính trong xi măng Pooc lăng Sau đó Hubert Wood và các cộng sự của ông ta đã tiến hành nghiên cứu để xác định mức độ ảnh hưởng của từng hợp chất đối với nhiệt hyđrat hóa và cường độ của bê tông

Cấp phối bê tông: Đã sử dụng rộng rãi các phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia cuốn khí và các phụ gia hóa học để cải thiện tính lưu động của hỗn hợp bê tông Độ sụt của hỗn hợp bê tông bằng 76mm được áp dụng

Khi xây dựng đập Hoover (Mỹ), đã có các điều tra, nghiên cứu tỷ mỷ để xác định mức độ ảnh hưởng của các nhân tố: thành phần và mác xi măng, nhiệt độ bảo dưỡng, kích cỡ lớn nhất của cốt liệu bê tông, …, đến sự tỏa nhiệt, cường độ nén và các đặc tính khác của bê tông Kết quả của nghiên cứu này đã dẫn đến việc sử dụng

xi măng ít tỏa nhiệt trong đập Hoover

Công nghệ thi công bê tông

Đây là kỷ nguyên mới và phát triển nhanh về công nghệ thi công đập bê tông trọng lực bằng phương pháp đổ bê tông truyển thống

Ở những đập lớn, cấp phối bê tông đã được kiểm soát chặt chẽ hơn, cốt liệu dùng trong bê tông được xử lý cẩn thận, thành phần bê tông được phối hợp theo trọng lượng và lượng nước dùng để trộn được đo bằng thể tích

Các kết quả nghiên cứu về quá trình tỏa nhiệt của bê tông ở giai đoạn này đã

đề xuất biện pháp mới là: Thiết kế hệ thống nước làm mát chôn vào thân đập ngay

từ khi đổ bê tông

Vận chuyển hỗn hợp bê tông từ máy trộn tới khoành đổ đã dùng các thùng chứa dung tích khoảng 6m3

Việc đổ bê tông khối lớn theo cách thông thường vẫn duy trì như vậy trong thời kỳ này Sự phát triển mới trong lĩnh vực bê tông khối lớn là sử dụng bê tông đầm lăn (RCC)

1.2.1.4 Giai đoạn từ 1970 đến nay

Đây là thời kỳ bê tông đầm lăn (RCC) phát triển và được ứng dụng khá phổ biến trong các đập trọng lực lớn Bê tông đầm lăn là loại bê tông có độ lưu động không lớn, được vận chuyển, đổ và đầm bằng cách sử dụng các thiết bị thi công đất

hầm bị sụp Một khối lượng lớn của khối bên trong đập Okawa và Shimagawa (Nhật Bản) đã được xây dụng bằng bê tông đầm lăn từ 1978 đến 1980 Các thử nghiệm vẫn được làm tiếp tục trong suốt giai đoạn này ở Canada, Anh, Brazil và Nam Phi

Tháng 7 năm 1981 một hội thảo quốc tế về bê tông đầm lăn đã được tổ chức

ở thủ đô Luân Đôn, Anh Đập Willow Creek ở Oregon là đập bê tông trọng lực đầu tiên được thiết kế và xây dựng bằng các phương pháp thi công đầm lăn Hiện nay, một số lượng lớn các đập trọng lực đang ở các giai đoạn quy hoạch, thiết kế khác nhau sẽ được xây dựng bằng bê tông đầm lăn

Một số hình ảnh các đập bê tông đã được xây dựng tại Việt Nam và trên thế giới

Hình 1.2: Ảnh Đập bê tông Krasnoiarxki

Hình 1.3: Đập Miel 1 được xây dựng ở Columbia hoàn thành năm 2002,

là đập bê tông đầm lăn cao nhất thế giới hiện nay (188m)

Hình 1.4: Đập Miyagase cao 156m – Nhật Bản

Hình1.5: Đập Giang Á cao 13m – Trung Quốc

Hình 1.6: Đập dâng tràn Cầu Sơn

Hình 1.7: Đập Bái Thượng

Hình 1.8: Tràn xả lũ Đại Ninh

Hình 1.9: Nhìn từ hạ lưu đập Tân Giang – Ninh Thuận

Hình 1.10: Đập Lòng Sông - Bình Thuận

Hình 1.11: Toàn cảnh đập Định Bình

1.2.2 Các biện pháp thi công bê tông khối lớn tại Việt Nam

Ở nước ta việc nghiên cứu diễn biến nhiệt độ, ứng suất nhiệt và thiết lập quy trình công nghệ thi công đập bê tông trọng lực còn mới mẻ Hiện nay chúng ta đã có tiêu chuẩn thiết kết 14TCN 56-88 “Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép”, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thủy công TCVN 4116:1995 và TCVN 4453: 1995 - Kết cấu bê tông và Bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu Nhưng chưa có quy phạm hoặc hướng dẫn quy trình thi công riêng cho đập bê tông trọng lực đổ bằng phương pháp truyển thống

Đối với một số công trình đập bê tông trọng lực đã xây dựng ở nước ta trước đây, khi thiết kế đã để ý đến vấn đề nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông, nhưng chưa có điều kiện phân tích đầy dủ quá trình diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong toàn kết cấu ở những thời điểm mong muốn Khi giải bài toán nhiệt thường dùng phương pháp sai phân hữu hạn, nên khi gặp những trường hợp mặt cắt đập có hình dạng phức tạp, phân khoảnh theo kiểu xây gạch thì việc tính toán trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt thường gặp khó khăn

Một số công trình đập bê tông trọng lực khi thiết kế bản vẽ thi công và thi công đã có hưỡng dấn quy trình công nghệ thi công riêng Một số biện pháp kỹ thuật nhằm giảm khả năng phát nhiệt của bê tông, hạn chế vết nứt vì nhiệt trong quá trình thi công đập bê tông đã được chỉ dẫn áp dụng

Quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ thi công đập bê tông trọng lực

ở Việt Nam có thể chia thành 3 giai đoạn như sau:

1.2.2.1 Giai đoạn trước 1945

Việc đầu tư xây dựng các công trình đập bê tông trọng lực lớn hầu như không có mà chủ yếu là các đập dâng có chiều cao thấp 5÷10m và sử dụng khối lượng bê tông nhỏ khoảng 20 000m3 trở lại

Trong giai đoạn này, các đập dâng được xây dựng đều có kết cấu đơn giản: ở một số đập, bên trong thường được xây bằng các khối đá hộc hoặc bê tông đá hộc M150, mặt ngoài được xây bằng đá chẻ hoặc đổ bê tông M150 để tạo thẩm mỹ và

tăng khả năng chống thấm cho công trình; cũng có đập được đổ hoàn toàn bằng bê tông và bê tông cốt thép M200

Bảng 1.4: Những đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam trước 1945

TT Tên công trình Địa điểm Năm xây

4 Đập Liễn Sơn Sông Phó Đáy 1914-1917 Bê tông Tưới

Bê tông đã được trộn, đổ, đầm bằng cơ giới kết hợp thủ công Các yêu cầu về cấp phối vật liệu, cấp phối bê tông đã được nâng cao, tỷ lệ Nước/Xi măng đã được khống chế Xi măng Pooc lăng được sản xuất từ nhà máy xi măng Hải Phòng Việc thiết kế và chỉ đạo thi công đều do các kỹ sư người Pháp thực hiện Chất lượng thi công

bê tông các đập này tốt hơn nhiều các đập đã thi công trong giai đoạn trước 1930 Tuy nhiên các nghiên cứu về bê tông khối lớn cũng chưa có gì đáng kể, đội ngũ cán bộ kỹ

thuật và chuyên gia nghiên cứu về bê tông là người Việt Nam còn rất ít ỏi

1.2.2.2 Giai đoạn từ 1945 đến 1975

Một số công trình thủy lợi, thủy điện đã được xây dựng nhưng công trình đầu mối chủ yếu là đập vật liệu địa phương, chỉ có đập tràn nước mới là kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép Tuy nhiên các đập tràn này thường có chiều cao và khối lượng bê tông không lớn lắm như: Đập tràn của thủy điện Thác Bà, đập tràn của thủy điện Cấm Sơn, đập tràn của thủy điện Đa Nhim,…

Quá trình thiết kế và thi công bê tông trong các đập tràn đã có nhiều tiến bộ,

đã có các tiêu chuẩn về thiết kế và thi công bê tông thủy công, tiêu chuẩn về vật liệu (cát, đá dăm, xi măng, nước, phụ gia…) và cấp phối bê tông do các viện chuyên nghiên cứu về vật liệu xây dựng và bê tông thủy công cung cấp Cường độ bê tông thiết kế được xác định ở 28 ngày tuổi (R28)

Công nghệ thi công bê tông thủy công đã có bước tiến mới, phần lớn đều cơ giới hóa từ khâu trộn, vận chuyển vữa bê tông đến đổ, san, đầm Quy trình thi công

bê tông đã được quản lý nghiêm ngặt trong tất cả các khâu Một số công trình có khối lượng bê tông lớn và xây dựng ở những nơi có đặc điểm khí hậu khắc nghiệt cũng đã sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia hóa học, nhằm làm giảm hàm lượng xi măng, tăng độ lưu động, điều chỉnh tốc độ đông cứng… Các phụ gia đều nhập từ nước ngoài Biện pháp khống chế nhiệt độ và chống nứt nẻ cho bê tông chủ yếu là dùng phụ gia khoáng hoạt tính để giảm lượng xi măng, thi công vào ban đêm, lúc thời tiết mát, dùng các biện pháp che chắn, phủ bao tải, tưới nước mát bảo dưỡng đều đặn Khi thi công đã phân đập ra các khối đổ có chiều dày từ 1,0-1,5m

Có thể gọi đây là giai đoạn khởi đầu quá trình phát triển về công nghệ thi công bê

tông thủy công ở Việt Nam

1.2.2.3 Giai đoạn từ 1975 đến nay

Nhiều công trình thủy lợi, thủy điện lớn được đầu tư xây dựng ở nước ta Về thủy điện có: Thủy điện Hòa Bình, thủy điện Trị An, thủy điện Hàm Thuận-Đa Mi, Tuyên Quang, Sê San 3 và Sê San 3A, PleiKRông,… Về thủy lợi có: Đập bê tông trọng lực Thach Nham (Quảng Ngãi), đập bê tông Bái Thượng (Thanh Hóa), đập bê tông trọng lực Tân Giang (Ninh Thuận), đập bê tông trọng lực Lòng Sông (Bình Thuận), đập Định Bình (Bình Định) Nhìn chung các công trình náy có khối lượng

bê tông từ vài trăm nghìn đến hàng triệu m3, chiều cao từ 20÷70m

Khi thiết kế và thi công các công trình này vấn đền nghiên cứu nhiệt và nứt

do nhiệt đã được quan tâm Cụ thể là:

Về thiết kế

Đã phân chia đập thành từng đoạn bởi khe co giãn ngang, chiều dài mỗi đoạn trung bình từ 20÷30m Lớp bê tông mặt ngoài thường là bê tông hoặc bê tông cốt thép M200, có chiều dày trung bình từ 1÷2,5m; bê tông mặt ngoài tràn nước thường

là M250 trở lên, đường kính cốt liệu Dmax ≤ 40mm Lớp bê tông trong thân đập là M150m; đường kính cốt liệu Dmax ≤ 100÷150mm

Trong thiết kế mặt cắt kết cấu đập và các nghiên cứu về vật liệu, cấp phối bê tông đã có chú ý đến vấn đề giảm hàm lượng xi măng, giảm lượng tăng nhiệt tuyệt đối của bê tông,…

Cường độ bê tông thiết kế: Trong các công trình đập bê tông trọng lực của ngành Thủy Lợi vẫn chọn là R28, nhưng các công trình trong ngành Thủy Điện hiện nay như Sê San 3,, Tuyên Quang đã lấy R90 để thiết kế, công trình PlêiKRông đã lấy R180 để thiết kế

Mỗi công trình đều có các nghiên cứu kỹ lưỡng về vật liệu, thành phần cấp phối bê tông, nghiên cứu việc sử dụng phụ gia hoạt tính và phụ gia hóa học trước khi đưa ra úng dụng

+ Xi măng: trong hầu hết các công trình đập bê tông trọng lực hiện nay của chúng ta đều dùng xi măng Pooc lăng Đập Thạch Nham, Tân Giang dùng xi măng Pooc lăng pha tro bay, đập Lòng Sông dùng xi măng Sao Mai có 35% puzơlan Công trình đập Định Bình đang tiếp tục đề nghị sử dụng xi măng Pooc lăng pha tro bay cho bê tông đầm lăn

Hàm lượng xi măng trong các đập bê tông trọng lực Thủy Lợi thường lớn hơn 190kg/m3, trong một số đập Thủy Điện đang xây dựng là 105kg/m3

Xi măng ít tỏa nhiệt đã được sản xuất để phục vụ thi công bê tông đập tràn thủy điện Trị An (1984-1987)

+ Cát: chủ yếu là cát thạch anh, được khai thác từ lòng sông suối, sau đó tiến hành sàng, rửa để có chất lượng và cấp phối hạt đạt yêu cầu thiết kế Hiện nay công trình thủy điện Sơn La đang đề nghị sử dụng cát xay từ đá là 70%, còn lại 30% là cát thiên nhiên

+ Đá dăm: phần lớn được khai thác từ các mỏ đá núi (riêng công trình Thạch Nham dùng sỏi sông) sau đó thông qua nghiền sàng để có cấp phối hạt đạt yêu cầu thiết kế Đường kính cốt liệu Dmax ≤100mm đối với đập thủy lợi (sử dụng ở đập Tân Giang, đập Lòng Sông), Dmax ≤150mm đối với đập thủy điện (sử dụng ở đập Tuyên Quang, Sê San 3)

+ Nước trộn bê tông thường được lấy từ các sông suối thiên nhiên trên cơ sở kiểm nghiệm các chỉ tiêu hóa học theo yêu cầu Nước đưa vào trộn bê tông ở một số công trình đã có yêu cầu hạ thấp nhiệt độ bằng hình thức cho thêm nước đá vào như tại công trình Tân Giang Tn ≤ 100C, tại đập Lòng Sông Tn ≤ 150C, tại Sê San 3 dùng nước đá

+ Phụ gia khoáng hoạt tính thường dùng là tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại (đập Tân Giang, đập Tuyên Quang, đập Sê San 3)

+ Phụ gia hóa học thường dùng là R561, Sika 96, PLACC 02A, LK1 nhằm làm giảm lượng nước trộn, tăng độ dẻo và kéo dài thời gian ninh kết của bê tông

- Phần lớn các đập bê tông đã xây dựng của chúng ta đều dùng loại bê tông thông thường (bê tông truyền thống), nhưng hiện nay các đập Định Bình, đập KlêiKrông được dùng bê tông đầm lăn (RCC) Khi đưa bê tông đầm lăn vào đập trọng lực, thì đã làm thay đổi căn bản về công nghệ thi công so với bê tông truyền thống trước đây Việc áp dụng công nghệ thi công bê tông đầm lăn sẽ là bước đột phá để giảm đáng kể hàm lượng xi măng trong bê tông

Trong các thiết kế trước đây thường khống chế độ chênh lệch nhiệt độ max trong và ngoài khối ΔTmax≤200C

Về công nghệ thi công

Trên cơ sở các nghiên cứu về vật liệu và cấp phối bê tông, đặc điểm khí hậu vùng xây dựng công trình, tại mỗi công trình đã có hướng dẫn quy trình thi công bê tông riêng Trong đó cũng đã có các hướng dẫn và yêu cầu khá chi tiết về các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng, cát, đá dăm, nước, phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia hóa học, việc phân chia và lựa chọn kích thước khoảnh đổ, tốc độ đổ bê tông, thời gian đổ, thời gian giãn cách các khảnh đổ cạnh nhau, thời gian đổ các khảnh chồng lên nhau, chế độ bảo dưỡng,

Việc cân đong vật liệu và trộn bê tông được tiến hành tại các trạm trộn có mái che bằng các thiết bị chuyên dùng Độ chính xác cân đong, thời gian trộn, chu

kỳ trộn được quy định và quản lý chặt chẽ Máy trộn bê tông trên các công trình thủy lợi của chúng ta hiện nay thường có công suất là 30m3/h và chỉ phù hợp với cốt liệu có Dmax ≤ 80mm

Vận chuyển hỗn hợp bê tông: Hỗn hợp bê tông được vận chuyển đến công trình chủ yếu bằng xe trộn, sau đó dùng cần cẩu tháp đưa hỗn hợp bê tông từ thùng chứa đổ vào khoang đổ Tại công trình Sê San 3 đã dùng băng tải để vận chuyển bê tông

Đổ và đầm bê tông: trong các đập Thủy Lợi việc phân chia khối đổ thường theo kiểu xây gạch; chiều cao khối đổ trong một số đập ở Miền Trung thường chọn

là H ≤ 2,0m; cạnh lớn nhất của khối đổ thường là L ≤ 15m, cá biệt có khoảnh dài tới 20m; thể tích khối đổ từ 250÷350m3, cá biệt có khoảnh tới 400m3 Trong một vài đập Thủy Điện đang thi công hiện nay phân chia khối đổ theo kiểu hình trụ và chọn chiều cao khối đổ là H=1m Thời gian giãn cách 2 khoảnh đổ kề nhau thường lớn hơn 5-7 ngày, hai khoảnh đổ chồng lên nhau cách nhau thường 10 ngày Thời gian

đổ bê tông đối với các công trình Miền Trung thường quy định từ 18h hôm trước đến 8h sáng hôm sau

Xử lý khe thi công đứng và ngang trong hầu hết các đập trọng lực hiện nay vẫn là đánh xờm Một vài công trình đập thủy điện đang thi công đã đề nghị lắp đặt

hệ thống ống làm mát thưa kết hợp với ống khoan phụt lấp đầy khe nối để phục vụ cho các yêu cầu khoan phụt các khe co ngót nhiệt ngang và dọc

Bảo dưỡng bê tông bằng tưới nước mát là chủ yếu Đối với các đập bê tông trọng lực hiện nay Thời gian tháo dớ cốp pha thành bên đối với các công trình đập

ở Miền Trung tối thiểu là 72 giờ

Biện pháp phòng chống nứt cho bê tông trong quá trình thi công chúng ta thường là:

Hạ thấp nhiệt độ ban đầu của vữa bê tông khi đổ vào khoảnh đổ Nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước đổ thường được không chế tùy theo vị trí công trình và mác

bê tông thiết kế (tại đập Tân Giang: THHBT ≤ 190C; đập Lòng Sông: THHBT ≤270C; tại đập Sê san 3: THHBT≤80C) Để đạt được nhiệt độ này, nhất là khi mùa hè nắng nóng

và các công trình ở Miền Trung thì dùng biện pháp là: Hạ thấp nhiệt độ nước trộn bằng cách cho nước đá đập vụn vào nước; các vật liệu cát, đá, dăm được để trong

kho mái che hoặc tưới nước làm mát trước như ở công trình Tân Giang, Lòng Sông

đã làm Ngoài ra còn chọn thời điểm đổ bê tông vào ban đêm để tránh tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời, làm nóng hỗn hợp bê tông trước khi đổ Tại công trình Tân Giang và Lòng Sông với biện pháp đổ bê tông ban đêm và cự ly vận chuyển hỗn hợp bê tông nhỏ hơn 500m thì nhiệt độ vủa hỗn hợp bê tông tại khối đổ thường lớn hơn nhiệt độ hỗn hợp bê tông ở trạm trộn từ 1÷20C

Tại công trình Sê San 3 đã đầu tư hệ thống trạm trộn bê tông lạnh, hỗn hợp

bê tông sau khi ra khỏi trạm trộn có nhiệt độ ban đầu là 80C Với hệ thống trạm trộn này, việc khống chế nhiệt độ trong công trình rất hiệu quả Trị số nhiệt độ lớn nhất trong hầu hết các khoảnh đổ đều ≤400C Tiến độ thi công bê tông lên nhanh

Chia nhỏ khối đổ để thi công Khi thi công công trình đập Tân Giang năm

2000 đã phân chia khối đổ có những khối có khối lượng bê tông lên đến 350÷400m3, nhiệt độ lớn nhất trong khoảnh đổ được lên tới 54÷560C Khi thi công đập Lòng Sông năm 2002 đã chia khối đổ có kích thước nhỏ hơn, thể tích khoảnh

đổ lớn nhất ≤250m3, nên nhiệt độ lớn nhất trong khoảnh chỉ từ 50-510C (khối đổ cùng độ dày 2m, các điều kiện cấp phối bê tông và môi trường tương tự nhau)

Trong một số công trình Thủy Điện (công trình Tuyên Quang, công trình Sê San 3) đã dùng hệ thống nước làm mát lắp đặt trong khối đổ ngay khi đổ bê tông, để đưa nhiệt độ trong khối bê tông ra ngoài nhằm làm giảm độ chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các điểm trong khối bê tông trong những ngày đầu đông cứng

Để theo dõi quá trình diễn biến nhiệt độ trong quá trình thi công, tại một số công trình cứ mỗi khoảnh đổ đã bố trí 1 lỗ có đường kính 25÷30mm ở trong tâm khối và có độ sâu 0,5H (H là chiều cao khối đổ) Thiết bị đo thông thường là nhiệt

kế Chế độ đo trong 5 ngày đầu là 4 lần/ngày (6, 12, 18, 24 giờ), 5 ngày sau là 2 lần/ngày (12, 24 giờ) Kết quả đo theo phương pháp này phản ánh giá trị nhiệt độ bình quân trong lỗ, nên chưa thật chính xác tại từng vị trí

1.3 Quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông

Khi xây dựng các đập bê tông trọng lực, khối lượng bê tông lớn tồn tại một vấn đề lớn là sự biến thiên nhiệt độ trong quá trình thi công sinh ra biến thiên ứng suất tạo ra những vết nứt vì nhiệt trong bê tông Quá trình thay đổi nhiệt trong khối

bê tông diễn ra khá phức tạp Trong quá trình bê tông đông cứng, sự thủy hóa của xi

măng đã sinh ra lượng nhiệt rất lớn làm cho nhiệt độ trong khối đổ bê tông tăng cao Mặt khác, do bê tông có tính chất dẫn nhiệt kém, nhất là các khối bê tông lớn đã dẫn đến nhiệt lượng sinh ra tập trung vào bên trong khối bê tông, làm tăng nhiệt độ của khối bê tông, trong thời gian ngắn nhiệt độ có thể tăng tới 30÷500C Sự chênh lệch nhiệt độ bên trong khối đổ và nhiệt độ bề mặt khối đổ là nguyên nhân gây nứt bê tông, sinh ra thấm, cốt thép và bê tông bị ăn mòn, mất tính chỉnh thể của công trình dẫn đến suy giảm chất lượng và tuổi thọ công trình Đã có nhiều nghiên cứu về quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông, tuy nhiên thi công bê tông trong các điều kiện khác nhau về kỹ thuật, khí hậu cũng dẫn đến sự khác nhau trong các kết quả tính toán, áp dụng Việc tiếp tục nghiên cứu về quá trình biến đổi nhiệt trong thi công bê tông và bê tông khối lớn là cần thiết nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng xấu do biến đổi nhiệt gây ra

Một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng công trình đó là biện pháp khống chế nhiệt cho các công trình thi công bê tông khối lớn Nhiệt trong bê tông là nguyên nhân chủ yếu làm xuất hiện khe nứt ở đập bê tông khối lớn, những khe nứt này có thể gây mất tính tổng thể của toàn bộ công trình ảnh hưởng lớn đến chất lượng công trình làm cho công trình không đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật

Nghiên cứu mối quan hệ giữa biện pháp thi công và quá trình biến đổi nhiệt trong bê tông khối lớn, từ đó đề ra biện pháp thi công hợp lý nhằm khống chế nhiệt trong bê tông là một phần quan trọng trong bất kỳ một công trình nào trước khi được đưa ra thi công

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA BIỆN PHÁP THI CÔNG

VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 2.1 Đặc điểm các phương pháp phân chia khoảnh đổ và điều kiện thi công bê tông khối lớn

2.1.1 Cơ sở phân chia khoảnh đổ

Công trình đập bê tông trọng lực có một số đặc điểm nổi bật so với các công trình bê tông khối lớn khác Đó là đập dài từ hàng trăm đến hàng nghìn mét, cao từ hàng chục đến hàng trăm mét; khối lượng bê tông sử dụng từ hàng trăm nghìn đến hàng triệu mét khối; thường sử dụng từ 2 đến 5 loại mác bê tông với Dmax của cốt liệu lớn khác nhau Khi thiết kế và thi công đập bê tông thường được chia thành nhiều đoạn ngắn có chiều dài từ 20÷40m bởi các khớp nối ngang Mặc dù vậy kích thước (dài, rộng, cao) và khối lượng bê tông của mỗi đoạn vẫn rất lớn, không thể đổ

bê tông liên tục thành một khối chỉnh thể ngay được, mà cần dùng một số khe tạm thời (khe thi công) để chia chúng thành các khoảnh có kích thước nhỏ, phù hợp với điều kiện, khả năng thi công thực tế

Việc phân chia khoảnh đổ và quyết định kích thước khoảnh đổ là một vấn đề hết sức quan trọng và phức tạp Nó không những ảnh hưởng tới tiến độ thi công, giá thành công trình, mà còn trực tiếp ảnh hưởng tới chất lượng, tính toàn vẹn và tuổi thọ công trình Nếu kích thước khoảnh đổ quá lớn, không phù hợp với cường độ đổ

bê tông, sẽ sinh khe lạnh Nếu khoảnh đổ quá cao thì việc dựng lắp và tháo dỡ ván khuôn gặp khó khăn, quá trình tỏa nhiệt trong bê tông sẽ khó khăn, nhiệt tích lũy trong khoảnh sẽ lớn dẫn tới ứng suất nhiệt sinh ra lớn, Nếu kích thước khoảnh đổ nhỏ quá thì khe thi công quá nhiều, tốn nhiều công, tốn thời gian dựng lắp ván khuôn và xử lý khe thi công, làm chậm tiến độ thi công Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy điều đó

Khi quyết định kích thước khoảnh đổ, nên dựa trên các cơ sở sau:

+ Đặc điểm kết cấu công trình

+ Thành phần cấp phối bê tông

+ Tính chất của xi măng

+ Năng suất của trạm trộn và công cụ vận chuyển bê tông

+ Phương pháp đổ bê tông

+ Đặc điểm khí hậu vùng xây dựng công trình

+ Phương pháp khống chế nhiệt độ

Khi quyết định diện tích khoảnh đổ phải đảm bảo nguyên tắc cơ bản là không sinh khe lạnh Muốn vậy, trong mỗi khoảnh đổ phải đổ bê tông một cách khẩn trương, liên tục đảm bảo lớp thứ nhất chưa đông ban đầu đã phải đổ, đầm xong lớp thứ 2

2.1.2 Phương pháp phân chia khoảnh đổ

Phương pháp phân chia khoảnh đổ có thể áp dụng một trong các hình thức sau:

2.1.2.1 Phương pháp kiểu xây gạch

Các khoảnh xen kẽ nhau giống xây gạch: các khe thẳng đứng so le nhau, các khe nằm ngang chạy suốt từ thượng lưu về hạ lưu Phương pháp này có ưu điểm là tính hoàn chỉnh công trình tương đối tốt Nhưng có nhược điểm là thi công chậm và nếu phải bố trí hệ thống làm mát sau và phụt vữa xi măng xử lý khe thi công thì khá phức tạp Đặc biệt khi giải bài toán nhiệt cho toàn bộ quá trình xây dựng hoàn chỉnh mặt cắt đập sẽ phức tạp hơn nhiều so với các phương pháp phân khoảnh khác

2.1.2.2 Phương pháp hình trụ

Khe đứng chạy suốt từ trên xuống dưới, chia công trình thành những hình trụ, khe nằm ngang thì so le nhau Phương pháp này có ưu điểm là thi công nhanh, nếu phải bố trí hệ thống làm mát sau và phụt vữa xi măng xử lý khe thi công thì khá thuận tiện Việc giải bài toán nhiệt sẽ đơn giản hơn phương pháp kiểu xây gạch, và

có thể áp dụng phương pháp ghép khoảnh để tính toán thì rất đơn giản Nhìn chung phương pháp này đều phải phụt vữa xử lý khe thi công nên cũng tốn kém

2.1.2.3 Phương pháp lên đều

Chỉ có khe ngang, không có khe đứng, nên giảm được khối lượng công tác ván khuôn và xử lý các khe thi công Phương pháp này thường áp dụng cho đập có chiều rộng không lớn lắm hoặc đập bê tông đầm lăn thì rất phù hợp

a) b) c)

Hình 2.1: Phương pháp phân khoảnh đổ

a - Kiểu xây gạch; b – Kiểu hình trụ; c – Kiểu lên đều

Xu thế phân khoảnh trong thi công hiện nay là áp dụng phương pháp trụ hoặc lên đều

Sơ đồ phân khoảnh đổ bê tông của một số công trình như sau:

Công trình Tân Giang, Lòng Sông theo kiểu xây gạch

Công trình Tuyên Quang theo kiểu hình trụ

Công trình Triệu Lai Hà (Trung Quốc) theo kiểu lên đều

Công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) theo kiểu hình trụ

2.2 Nghiên cứu diễn biến nhiệt trong bê tông

2.2.1 Diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn trong quá trình thi công

2.2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn

Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tài liệu quan trắc đo đạc trên các công trình bê tông trọng lực thực tế ở trong nước và trên thế giới, cho thấy diễn biến nhiệt độ trong bê tông phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản sau:

- Hàm lượng xi măng trong một m3 bê tông;

- Tính chất thủy hóa của xi măng sử dụng;

- Kích thước khoảnh đổ;

- Tính chất cốt liệu;

- Thành phần cấp phối bê tông;

- Điều kiện môi trường

2.2.1.2 Nhiệt thủy hóa của xi măng

Các khoáng vật trong xi măng khi thủy hóa với nước sẽ phát nhiệt Kết quả thực nghiệm về thủy hóa của từng loại xi măng theo thời gian được tổng kết trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1: Nhiệt thủy hóa của các loại xi măng

Nhiệt thủy hóa theo thời gian (Kcal/Kg) Các khoáng Loại

XM 3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng

2.2.1.3 Diễn biến nhiệt độ của bê tông

Quá trình thay đổi nhiệt độ của bê tông khối lớn có thể chia làm 3 thời kỳ: Tăng nhiệt, giảm nhiệt, ổn định nhiệt độ như hình 1.12 Từ hình vẽ thấy rằng: Nhiệt

độ cao nhất của bê tông Tmax bằng nhiệt lớn nhất của xi măng Tr Từ nhiệt độ Tp đến

Tmax là thời kỳ tăng nhiệt Sau khi đạt đến Tmax, nhiệt độ trong bê tông sẽ giảm dần tới Tf, giai đoạn này là thời kỳ giảm nhiệt Cuối cùng nhiệt độ trong bê tông sẽ giảm dần tới Tf, giai đoạn này là thời kỳ giảm nhiệt Cuối cùng nhiệt độ trong bê tông ổn định, đó là thời kỳ ổn định

Có thể thấy rất rõ Tr là do xi măng thủy hóa sinh ra và chủ yếu trong một, hai tuần đầu Trong thời gian này, có thể coi khối bê tông như một vật thể cách nhiệt hoàn toàn (không có sự trao đổi nhiệt) Vậy Tr có thể tính theo công thức sau:

Trong đó:

Gn – lượng xi măng trong 1m3 bê tông (kg/m3);

C - tỷ nhiệt (nhiệt rung riêng) của bê tông [J/(kg 0C];

ρ - dung trọng của bê tông (kg/m3);

Qt – lượng nhiệt tỏa ra cảu mỗi một kg xi măng ở một tuổi t (h), nó sẽ tăng theo thời gian (J/kg)

Ở đây: Q0 – tổng nhiệt lượng tỏa ra cuối cùng của mỗi kg xi măng (J/kg);

e - số tự nhiên; t – thời gian đông kết (h);

m – hệ số phát nhiệt của xi măng (l/h), phụ thuộc vào loại xi măng và nhiệt độ lúc đổ bê tông, m thường tỷ lệ thuận với nhiệt độ lúc đổ bê tông (có thể tham khảo bảng 1.6) Đối với xi măng Pooc lăng, m=0.012÷0.014

Bảng 2.2: Hệ số phát nhiệt (m) của xi măng

m (l/h) 0.0123 0.0133 0.0142 0.0151 0.016