MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CẤU TRÚC BÊ TÔNG

GIỚI THIỆU‰ Các hướng quan tâm trong thực tế kỹ thuật công trình • Nâng cao khả năng làm việc của vật liệu bằng cách tạo ra các loại bê tông mới HPC, RCC, SCC, CPRC • Nâng cao độ bền bằn

MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA

CẤU TRÚC BÊ TÔNG

AN UNIFIED APPROACH FOR MODELING PERFORMANCE

OF CONCRETE STRUCTURES

Người thực hiện: Th.S Bùi Đức Vinh

BM Vật Liệu Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY

I Giới thiệu

II Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu

V Tổng quan

VI Cơ sở lý thuyết của đề tài

IV Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

VII Dự đoán các kết quả sẽ đạt được và khả năng áp dụng VIII Kết luận chung

III Mục tiêu nghiên cứu

I GIỚI THIỆU

‰ Các hướng quan tâm trong thực tế kỹ thuật công trình

• Nâng cao khả năng làm việc của vật liệu bằng cách tạo ra các loại bê tông mới (HPC, RCC, SCC, CPRC)

• Nâng cao độ bền bằng cách kiểm soát hạn chế các tác nhân có hại (xâm thực, vết nứt, co ngót, từ biến…)

• Tìm giải pháp kết cấu hợp lý

• Khả năng làm việc (performance)

‰ Vật liệu bê tông

• Độ bền của vật liệu (durability)

‰ Giải pháp kết cấu công trình

Khả năng

phục vụ và

tuổi thọ của

công trình

Thân đập St Francis (Los Angles) bị hư

hỏng do các vết nứt và cấu trúc vật liệu bị

phá hủy

Đập bị phá hủy hoàn hoàn, công trình sau khi

bị phá hủy

Sự hư hỏng mặt đường do tác dụng của tải trọng và sự co ngót

của vật liệu

Mẫu các vết nứt trên cấu kiện sàn, dầm

Các kết cấu khối lớn chịu ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt hydrat hóa trong giai đoạn đầu

Thấm của kết cấu dưới sự tấn công của nước biển

‰ Vai trò của các quá trình hóa lý ở giai đoạn hình thành cấu trúc

+ Quá trình hydrat hóa, truyền nhiệt, thấm : nước, khí

+ Sự định hình cấu trúc, phát triển cường độ

‰ Kiểm soát sự hình thành các vết nứt

Nghiên cứu độ bền của bê tông và khả năng làm việc của công trình

•Theo định hướng nghiên cứu cấu trúc vật liệu

Ảnh hưởng của giai đoạn hình thành cấu trúc đến độ bền kết cấu

Vết nứt do co ngót

Vết nứt nhiệt hydrat hóa

Tác nhân môi trườngNhiệt độ, độ ẩm

Cấu trúc ban đầu của vật liệu có ảnh

Xâm thực

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

‰ Phân tích đồng thời sự làm việc của vật liệu và kết cấu

‰ Đánh giá khả năng làm việc (phục vụ) của công trình

Đề xuất mô hình hợp nhất phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ

(Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical )

‰ Kiểm soát nhiệt hydrat hóa trong các kết cấu khối lớn (thủy điện, thủy lợi, khối móng lớn,

si lô, khối tiêu năng…)

‰ Kiểm soát vết nứt cho các kết cấu có bề mặt lớn (nứt do thoát hơi nước, từ biến, co ngót)

‰ Hỗ trợ thiết kế và sản xuất các sản phẩm bê tông đúc sẵn, ứng suất trước

‰ Kiểm soát sự làm việc của vật liệu BT của các công trình chịu nhiệt độ và áp suất cao (tháp giải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân, bể nước nóng), công trình bị cháy

‰ Hỗ trợ đánh giá độ bền công trình

PHẠM VI ỨNG DỤNG

‰ Quá trình hydrat hóa của xi măng

- Ảnh hưởng của các thành phần khoáng (loại xi măng), tính phát nhiệt,

- Mô hình nguồn nhiệt, Sự hình thành và phát triển cấu trúc đá xi măng

‰ Mô hình các quá trình truyền khối trong vật liệu

- Mô hình cấu trúc vi mô của bê tông

- Các quá trình vật lý (truyền nhiệt, thấm, áp suất lỗ rỗng, độ ẩm )

‰ Mô hình sự thay đổi tính chất của bê tông

- Sự phát triển cường độ, ảnh hưởng các yếu tố thành phần

‰ Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng ngoài

- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

- Mô hình vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) và đàn dẻo (viscoplastic)

IV NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

‰ Đối tượng vật liệu cho nghiên cứu: các vật liệu phổ biến tại Việt nam

‰ Thiết lập hệ phương trình vi phân cho mô hình đề nghị

‰ Xây dựng lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

‰ Lập các chương trình tính toán trên máy tính

‰ Kiểm tra kết quả

‰ Xây dựng các ứng dụng điển hình

1 Thu thập và phân tích thành phần các loại xi măng hiện có ở thị

trường Việt nam (liên kết với một số nhà sản xuất XM, PTN Cty Holcim)

2 Thực hiện các thí nghiệm nhiệt hydrat hóa (tại PTN VLXD)

3 Phát triển mô hình lý thuyết, kiểm tra so sánh với các mô hình khác

4 Thí nghiệm trên khối bê tông để kiểm chứng kết quả (đo nhiệt, độ ẩm, cường độ, biến dạng - thực hiện tại các PTN khoa KTXD)

5 Triển khai thí nghiệm như phần 4 trên thực tế (phối hợp với các nhà thầu )

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

‰ Nghiên cứu này tập trung theo hướng kiểm soát các tác nhân gây hại cho vật liệu (nhiệt độ, độ ẩm môi trường, lực tác dụng)

‰ Chưa xét đến ảnh hưởng của các yếu tố hóa học đối với vật liệu

‰ Vật liệu: xi măng, cốt liệu và các loại phụ gia sử dụng Là những loại phổ biến ở Việt Nam.

‰ Các thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô hình số chỉ được thực hiện trong điền kiện có thể được

V TỔNG QUAN

‰ Định hướng chung nghiên cứu độ bền của bê tông

• L Taerwe G.D Shutter (Bỉ) (1998-2002), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt hydrat bảo vệ các khối Tetrapode làm đê chắn sóng, các bê tông khối lớn

- Xác định các tác nhân gây hại (Nhiệt hydrat hóa, co ngót, bốc hơi nước, tải trọng tác dụng: trọng lượng bản thân và tải trọng ngoài)

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấu trúc ban đầu đến độ bền của công trình

- Các biện pháp hạn chế tác nhân gây hại

- Xây dựng các mô hình tính toán, và các tiêu chuẩn áp dụng cho thực tiễn

I Cải thiện tính chất vật liệu

II Kiểm soát các tác nhân gây hại

‰ Các xuất phát nghiên cứu theo hướng (II)

‰ Các nghiên cứu điển hình

• Jan Bijen và cộng sự (Hà lan) (1995-nay), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt

hydrat nâng cao độ bền của công trình đường hầm, phát triển phần mềm HEAT

• Mô hình bậc hydrat hoá do : val K.B Brugel (Hà lan), G.D Shutter (Bỉ) đề

nghị, phát triển phần mềm DIANA (Hãng TNO Building Research Inc).

Hạn chế: Độ chính xác không cao, chỉ áp dụng với một số loại xi măng nhất định (phân theo ASTM, 5 loại)

‰ Các mô hình nhiệt hydrat hoá của xi măng

• A M Neville và cộng sự (Anh), F de LARRARD (pháp): nghiên cứu cấu trúc ảnh hưởng ban đầu đến độ bền của các cấu kiện bê tông ứng suất trước.

• K Meakawa và T Kishi (Nhật) (1986 - nay) : Các mô hình nhiệt hydrat hóa, sự làm việc của vật liệu trong giai đoạn đầu (early age)

• Val Brugel (Hà lan) (1990-nay): Nghiên cứu kiểm soát các vết nứt tong giai đoạn ban đầu

• E.F gaboczi, D.P Bentz, G.J Fronnsdorff (NIST-Mỹ): Nghiên cứu các phương pháp số phân tích sự làm việc của vật liệu và kết cấu

• Mô hình đa cấu tử (Multi Component) do Kishi (Nhật) đề nghị

Dựa trên sự toả nhiệt của từng thành phần khoáng

trong xi măng và khối lượng thành phần của chúng.

Áp dụng cho nhiều loại xi măng khác nhau

Qi Ei Q

H s H

o

i T i i i

trong đó: pi: tỉ lệ khối lượng của từng thành phần khoáng trong hỗn hợp

Hi là lượng nhiệt sinh ra do từng thành phần khoáng

‰ Mô hình phát triển cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc bê tông

• Mô hình phát triển lỗ rỗng vi mô (pore structure development) và vận chuyển hơi ẩm do Meakawa, Chaube & Ishida đề nghị (1996-2000)

• Thiết lập được hệ phương trình cân bằng cho quá trình truyền nhiệt, truyền khối và ứng xử cơ học (vật liệu đàn hồi)

• Xây dựng các phương trình phần tử hữu hạn với trường hợp miền kết cấu 02 chiều Quá trình giải được thực hiện riêng lẻ cho từng loại phân tích

• Ưu điểm: Đây là một trong các mô hình đầu tiên xét

được các quá trình vật lý xảy ra trong bê tông

• Góp phần giải quyết các bài toán về nứt do nhiệt, các

loại co ngót do quá trình bốc hơi nước Gần đây, các tác

giả đã kết hợp phân tích được bài toán co ngót tự sinh

(Autogenneous Shrinkage)

• Điểm hạn chế: các phương trình truyền khối được

đơn giản hoá Vật liệu làm việc đàn hồi

• Các quá trình vật lý được phân tích độc lập -> số

‰ Mô hình kết hợp (Couple Model) Dariusz Gawin (Ba lan) đề nghị

• Được xây dựng dựa trên lý thuyết thể tích trung bình (Averagering Volume Theory) và lý thuyết môi trờng rời rạc nhiều pha (Multiphase Porous Media Theory)

• Thiết lập được hệ phương trình tổng quát cho vật liệu bê tông ứng với các quátrình vật lý cơ bản (nhiệt, hơi ẩm, thấm, cơ ), vật liệu ứng xử đàn hồi (gần đây tác giả đã phát triển cho vật liệu đàn nhớt)

• Nguồn nhiệt dựa vào mô hình bậc hydrat hoá

• Tác giả đã giải bài toán cho kết cấu 2D phằng PP PTHH, phương trình xấp xỉ PTHH thực sự kết hợp được đồng thời các quá trình vật lý với nhau (full couple Multiphysic process)

• Ưu điểm: Đã xây dựng được hệ phương trình tổng quát mở, có khả năng phân tích cho nhiều trường hợp khác nhau như: kết cấu chịu nhiệt độ cao (cháy, dưỡng

hộ nhiệt, độ ẩm lớn (bể chứa lớn)

• Quá trình tính toán nhanh, cho nhiều kết quả trong 01 lần tính

• Điểm hạn chế: Chưa phát triển cho trường hợp kết cấu 03 chiều, nguồn nhiệt chưa tổng quát

‰ Các nghiên cứu liên quan đã thực hiện tại Việt Nam

• N.T Đích và cộng sự (IBST) Nghiên cứu thực nghiệm về xuất hiện vết nứt trên bê tông khối lớn, kết quả cong ít (do hạn chế về thí nghiệm) Nghiên cứu này chưa có

• Tổng công ty Thuỷ điện Sông Đà: Dự định triển khai nghiên cứu về nhiệt Hydrat hoácho các đập thuỷ điện, và kết cấu trong công trình thuỷ lợi (Chưa thực hiện được)

• Tổng công Cienco 4: Dự định triển khai nghiên cứu bê tông đầm lăn phát nhiệt

thấp (low heat concrete) cho xây dựng đường giao thông

• B Đ Vinh (ĐHBK Tp HCM)

+ Đã thực hiện các nghiên cứu so sánh về mô hình nhiệt Hydrat hoá cho XM + Đã giải được bài toán Nhiệt - Ứng suất cho kết cấu bê tông khối lớn bằng PP PTHH

+ Đang tiến hành thu thập các số liệu về thành phần, khoáng, hoá của các loại được sản xuất trong nước

+ Chuẩn bị sẵn sàng cho các thí nghiệm nhiệt Hydrat của XM khi có thiết bị

VI CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình hợp nhất cho bài toán phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ

(Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical )

Mô hình cấu trúc dựa trên lý thuyết vật liệu rời rạc nhiều pha, phương trình

cơ bản được lấy theo Dariusz Gawin

Mô hình nguồn nhiệt được lấy theo T Kishi, với trường hợp XM SX ở VN

Mô hình ứng xử cơ học của vật liệu: Mở rộng cho vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) vàdẻo nhớt (Visoplastic)

Thiết lập phương trình xấp xỉ PTHH cho bài toán 3 chiều, xây dựng các

công thức ma trận “độ cứng” cho phần tử kết hợp (Couple element)

Giải phương trình PTHH (phương trình phi tuyến)

‰ Phương trình hoá học của quá trình của xi măng

Phản ứng thủy hóa sinh nhiệt, lượng nhiệt phát ra do mỗi khoáng như sau Cannon (1986)

10

C 3 A

9.3 62

15

C 2 S

66.0 120

khoáng

•Sự phát triển cấu trúc vi mô

Cấu trúc gel(Theo Chaube, Ishida)

‰ Nguồn nhiệt (Mô hình đa cấu tử - theo T Kishi)

Qi Ei Q

H s H

o

i T i i i

HI,To– lượng nhiệt sinh ra tại nhiệt độ To,(293K) do thành phần khoáng thứ i

Ei/R– Nhiệt hoạt hóa (thermal activity)

βi– h.số kể đến sự tiếp xúc giữa t.phần không phản ứng với nước tự do trong lỗ rỗng

µ – h.số ảnh hưởng của các thành phần khoáng của xi măng

ξ – h.số kể đến độ giảm phản ứng của puzzonlan do thiếu Ca(OH)2

si – h.số độ mịn tương đối của xi măng, được xác định bằng hằng số Blaine

γ – h.số xét đến sự kéo dài quá trình hydrat hóa do sự có mặt của các thành phần phụ gia vô cơ (xỉ, tro bay) và hữu cơ

• Trong đó:

(6)

Áp suất lỗ

rỗng

Pha rắn

Pha lỏng Pha khí

Mô hình thể tích đại diện cho cấu trúc vi mô của bê tông (Representative elementary volume model- REV)

Truyền nhiệt Thấm

Các ion +

‰ Mô hình cấu trúc vi mô của bê tông

Dựa trên Lý thuyết môi trường rời rạc nhiều pha (Multiphase porous media)

1 (1 )

(4)

(5)

• Phương trình quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu (đàn nhớt)

'' T( T o)

d σ = C d ε − d ε − d ε với ε = B u .

• Xấp xỉ phần tử hữu hạn

) ( )

0

0 0

0 )

( );

( )

(

uc

tt tc

tg

ct cc

cg

gt gc

gg

e e

K

K K

K

K K

K

K K

K x

K x K x

tc tg

cu ct

cc cg

gu gt

gc gg

e e

C C

C C

C C

C C

C C

C C

x x

C x

e e

f f f

f x

x f x

) ( )

( )

( K x x f x

t

x x

• Giải phương trình (8) trong miền thời gian: pt (8) được viết theo dạng bước t.gian

) (

) (

n n

n

t

x x

x

• Sơ đồ khối cơ bản

Nhập số liệu đầu vàoHình học, mN, mX (t.p khoáng)

VII DỰ ĐOÁN CÁC KẾT QUẢ SẼ ĐẠT ĐƯỢC

i) Đưa ra được một mô hình kết hợp có khả năng giải quyết bài toán mô phỏng sự làm việc đồng thời của vật liệu và kết cấu ở điều kiện môi

‰ Kiểm soát nhiệt hydrat hóa trong các kết cấu khối lớn (thủy điện, thủy lợi, khối móng lớn,

si lô, khối tiêu năng…)

‰ Kiểm soát vết nứt cho các kết cấu có bề mặt lớn (nứt do thoát hơi nước, từ biến, co ngót)

‰ Hỗ trợ thiết kế và sản xuất các sản phẩm bê tông đúc sẵn, ứng suất trước

‰ Kiểm soát sự làm việc của vật liệu BT của các công trình chịu nhiệt độ và áp suất cao (tháp giải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân, bể nước nóng), công trình bị cháy

Thời gian (h) Thời gian (h)

‰ Các chương chính của đề tài (dự kiến)

Chương 1 Giới thiệu

• Giới thiệu chung về các vấn đề trong thực tế kỹ thuật dẫn đến hình thành đề tài

• Đặt vấn đề cần nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên cứu

Chương 2 Tổng quan

• Giới thiệu tình hình các nghiên cứu có liên quan đến đề tài

• Nhấn mạnh các nghiên cứu cở làm bước đệm cho đề tài

Chương 3 Các mô hình Hydrat hóa cho Xi măng Portland Puzzoland

• Nghiên cứu mở rộng mô hình đa cấu tử cho xi măng Puzzoland ở VN

• Tiến hành các thí nghiệm hiệu chỉnh mô hình

• Mô hình phát triển cấu trúc vi mô của đá xi măng

Chương 4 Lý thuyết mô hình kết hợp

• Tóm tắt lý thuyết thể tích trung bình

• Mô hình cấu trúc vĩ mô và vi mô của bê tông- vật liệu rời rạc nhiều pha

• Các quá trình vật lý cơ bản trong cấu trúc bê tông

• So sánh với thực nghiệm (nhiệt hydrat hóa)

• Hệ phương trình cơ bản của mô hình

Chương 5 Phương pháp PTHH cho bài toán kết hợp 3 chiều

• Các ẩn số chính, xấp xỉ phần tử hữu hạn

• Lập phương trình PTHH cho mô hình kết hợp

• Xây dựng các công thức phần tử

• Xây dựng lời giải phương trình PTHH

• So sánh lời giải với các dữ liệu thí nghiệm

Chương 6 Các ứng dụng mô hình kết hợp

• Bài toán kiểm soát nhiệt hydrat hóa cho bê tông khối lớn

• Bài toán kiểm soát co ngót do quá trình bay hơi nước (kết cấu bản phằng)

• Bài toán tìm thời gian và điều kiện dưỡng hộ thích hợp

• Bài toán bê tông ứng suất trước (tường cừ bản – Prestress sheet pile wall)

Chương 7 Kết luận

• Các kết luận

• Hướng mở rộng cho đề tài

VIII KẾT LUẬN

‰ Đề tài xuất phát từ yêu cầu giải quyết các vấn đề đang tồn tại thực tế kỹ thuật

‰ Mục tiêu nghiên cứu đặt ra có tính khả thi và không trùng lắp với các nghiên cứu đã thực hiện trước đó

‰ C ác yếu tố ảnh hưởng của môi trường như quá trình xâm thực bê tông,

ăn mòn cốt thép Khi xây dựng được mô hình phân tích cho từng yếu tố

độc lập, bằng cách tương tự có thể kết hợp với đề tài hiện có để có được mô

đánh giá toàn diện hơn.

Mô hình kết hợp: Nhiệt - Hoá – Hơi ẩm – Cơ

đồng thời làm việc

‰ Có khả năng mở rộng phát triển theo hai hướng: Kết hợp thêm yếu tố tác động của môi trường hoặc nghiên cứu ứng dụng các kết quả cơ bản đã đạt được.