Nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi do nhiệt thủy hóa gây ra

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU QUỐC LAI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KIỀU QUỐC LAI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY

HÓA GÂY RA

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2018

Người hướng dẫn khoa học: TS VÕ DUY HÙNG

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân

Phản biện 2: GVC.TS Huỳnh Phương Nam

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 25 tháng 11 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông -

Đại học Bách khoa

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển công nghệ hiện đại trong thi công cầu trên thế giới nói chung, Việt Nam chúng ta cũng đang có những công trình cầu hiện đại, với quy mô lớn, khả năng vượt nhịp lớn Ví dụ như cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Thị Nại, cầu Thuận Phước, cầu Bãi Cháy… ngoài các cầu treo dây văng, dây võng, ở nước ta cũng đã xây dựng các cây cầu với công nghệ EXTRADOSED, trong đó có cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi vừa được khởi công xây dựng vào đầu năm 2018, bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi Để xây dựng được những cây cầu có quy mô lớn như vậy thì bên cạnh đó phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích thước lớn Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ thể lõng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng nhiệt lớn sinh ra làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, sự chênh lệch nhiệt độ lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của công trình Qua đó, câu hỏi đặt ra nhu cầu bức thiết là làm thế nào để biết được quá trình phát sinh nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn, từ đó tránh xảy ra những hiện tượng nứt nẻ bê tông khi đổ bê tông Đồng thời, việc nghiên cứu nhiệt thủy hóa trong bê tông còn là cơ sở để đề xuất các biện pháp đối phó để nâng cao chất lượng công trình Do đó, việc nghiên cứu ứng xử của

bê tông do nhiệt thủy hóa gây ra trong thi công tháp cầu, phân tích các đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bê tông trụ tháp cầu là

có cơ sở và ý nghĩa thiết thực Đặc biệt, cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi là một cầu lớn gồm 5 tháp với khối lượng bê tông là rất lớn, đặc

biệt là lượng bê tông cho bệ tháp Do đó, việc tiến hành các phân tích nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu Cửa Đại do nhiệt thủy hóa là hết sức cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

a Mục tiêu tổng quát

- Nghiên cứu quá trình nhiệt thủy hóa trong thi công trụ tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi Đồng thời đưa ra và đánh giá các ứng xử về ứng suất, chuyển vị nứt so với ứng suất cho phép của bê tông tháp cầu

- Đề xuất biện pháp để giảm nhiệt độ bê tông trong trụ cầu sau khi đổ bê tông

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu: Nhiệt thủy hóa - tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá các tác động của nhiệt thủy hóa trong quá trình đổ bê tông tháp cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài

- Mô hình kết cấu tháp cầu bằng phần tử tấm và khối trong phần mềm Midas

5 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

- Xác định được sự ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến các ứng

xử của Tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi

- Xác định thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình đông cứng bê tông

- Đưa ra các khuyến cáo về tác động của nhiệt thủy hóa đến bê tông khối lớn trong thi công Tháp cầu Cửa Đại- Quảng Ngãi

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 Giới thiệu Tổng quan đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán tác động của nhiệt thủy hóa

Chương 3 Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi

công tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi

Cầu Cửa Đại nằm trong quy hoạch tuyến đường ven biển Việt Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 129/QĐ-TTg ngày 18/01/2010 Đây là công trình quan trọng kết nối giao thông của khu vực ven biển các tỉnh, thành phố trong khu vực Vùng kinh tế trọng điểm miền Trung; không chỉ góp phần khai thác

có hiệu quả tài nguyên biển và vùng ven biển mà còn tăng cường củng cố quốc phòng, an ninh nhằm bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo của đất nước; mở rộng không gian đô thị, là điểm nhấn về kiến trúc bố trí không gian của thành phố Quảng Ngãi trong tương lai với mục tiêu xây dựng thành phố Quảng Ngãi thành “thành phố hướng biển”;

Vì vậy, việc đầu tư xây dựng cầu Cửa Đại là hết sức cần thiết,

có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế -

xã hội khu vực ven biển tỉnh Quảng Ngãi, kết nối và phát triển vùng ven biển duyên hải miền Trung, phân luồng giao thông, giảm áp lực cho Quốc lộ 1, giữ vững quốc phòng, an ninh biển đảo; tạo điều kiện lưu thông thuận lợi, rút ngắn thời gian đi lại của nhân dân;

Các thông số kỹ thuật của cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi:

Bố trí chung toàn cầu: Cầu gồm 37 nhịp bố trí từ phía đầu tuyến sang cuối tuyến theo sơ đồ như sau: (39+4x40) + (6x40) + (5x40+39) + (75+4x120+75) + (39+4x40) + (5x40) + (3x40+39)m Chiều dài toàn cầu Lc= 1876.8m

Kết cấu phần trên: Toàn cầu gồm 01 liên dầm EXTRADOSED

6 nhịp và 31 nhịp dẫn giản đơn super T bằng BTCT DƯL

Phần cầu chính: Liên nhịp dầm EXTRADOSED 6 nhịp bằng

BTCT DƯL sơ đồ (75+4x120+75)m chiều cao dầm thay đổi h=4,0m trên đỉnh trụ, h=2,4m tại giữa nhịp và đầu dầm

1.2 Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn

Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng

đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ

bị nứt Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình

co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông

Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại

và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông Các yếu tố bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông;

hệ số trao đổi nhiệt

1.2.1 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn

1.2.1.1 Nứt do chênh lệch nhiệt độ

Độ chênh nhiệt độ T > 200C - Điều kiện cần

Môdun độ chênh nhiệt độ M T ≥ 500C/m - Điều kiện đủ

Vậy để không bị nứt thì ta cần loại trừ điều kiện cần, nghĩa là làm sao cho có T < 200C

1.2.1.2 Nứt do co khô

Biến dạng co c trên bề mặt bê tông khi nước trong bê tông bốc hơi một khi bị kìm giữ sẽ sinh ra ứng suất kéo trong khối bê tông Khi ứng suất này vượt quá giới hạn cường độ kéo của bê tông thì bê tông sẽ bị nứt Các vết nứt này thường xuất hiện trên bề mặt bê tông bị bốc hơi Vết nứt ở đây là vết nứt mặt

1.2.1.3 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ không khí nóng lạnh thay đổi theo chu kỳ ngày đêm

và theo mùa đã làm cho lớp bề mặt bê tông co nở thường xuyên, phát sinh ứng suất kéo Yếu tố này thường tác dụng đối với các kết cấu có tuổi thiết kế mác bê tông sau 3, 6 tháng hoặc 1 năm, đặc biệt có qua thời kỳ mùa Đông, có chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm khá cao Vết nứt trong trường hợp này là nứt mặt

1.2.1.4 Nứt do mỏi

Bê tông chịu ứng suất kéo lặp nhiều chu kỳ theo sự thay đổi thường xuyên của thời tiết, lâu ngày bị mỏi, sức kháng nứt kém, dẫn đến bị nứt mặt

Như vậy để đánh giá nguyên nhân nứt bê tông khối lớn thì cần quan tâm đến tất cả các yếu tố gây nứt nêu trên

1.2.2 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn

- Giai đoạn nâng nhiệt: bê tông phát mạnh (do thuỷ hoá xi măng) làm cho kết cấu bê tông nóng lên: Giai đoạn này kéo dài trong khoảng trên dưới 10 ngày đầu sau khi đổ bê tông, bao gồm quá trình nâng nhiệt và giữ nhiệt trước khi nguội Các vết nứt trong giai đoạn này thường là vết nứt mặt, sâu vào khoảng vài chục centimet và không gây nguy hiểm về khả năng chịu lực của công trình

- Giai đoạn hạ nhiệt: bê tông kết cấu nguội dần, tiếp ngay sau giai đoạn nâng nhiệt Giai đoạn này có thể kéo dài nhiều ngày cho đến nhiều năm sau tuỳ theo khối tích kết cấu bê tông Kết cấu không lớn lắm thì nguội nhanh, kết cấu càng lớn thì nguội càng chậm Các đập lớn, có khối tích bê tông hàng triệu mét khối, quá trình nguội có thể phải tính tới hàng chục năm Các vết nứt trong giai đoạn này có thể có 2 loại: Nứt mặt và nứt kết cấu Trong đó nứt kết cấu là nứt có thể gây nguy hiểm cho công trình

1.2.3 Biện pháp phòng chống nứt bê tông

- Hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông

- Loại bỏ điều kiện cầnT>200C, nghĩa là luôn giữ cho T<

200C

- Hạn chế lượng co khô của bê tông do bị bốc hơi trong quá trình thi công

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng

đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ

bị nứt Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình

co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông Vì vậy, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát được sự phân

bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông

Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại

phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại

và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông Các yếu tố bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông;

hệ số trao đổi nhiệt

1.4 Những vấn đề cần giải quyết

- Đề tài tập trung giải quyết bài toán thủy nhiệt của cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi Cụ thể đề tài xây dựng mô hình tháp cầu bằng phần mềm Midas và sử dụng Midas civil dể phân tích thủy nhiệt Tập trung khảo sát sự thay đổi ứng suất, nhiệt độ, tỉ số nứt, chuyển vị trong quá trình thi công tháp cầu

- Từ đó đưa ra các khuyến cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ trong việc đổ bê tông khối lớn của Cầu Cửa Đại- Tỉnh Quảng Ngãi

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA

NHIỆT THỦY HÓA

2.1 Thủy hóa trong xi măng

Trong quá trình thủy hóa (phản ứng với nước) xi măng poóc lăng trộn với cát, sỏi và nước tạo ra khối đá mà chúng ta gọi là bê tông Clinker sản phẩm đầu ra của lò quay nung clinker Bột xi măng cũng khan nếu chúng ta bỏ qua một lượng nhỏ nước trong thạch cao được thêm vào ở công đoạn nghiền clinker

Phản ứng với nước được gọi là "thủy hóa" Điều này liên quan đến nhiều phản ứng khác nhau, thường xảy ra cùng một lúc Khi các phản ứng xảy ra, các sản phẩm của quá trình hydrat hóa dần kết nối từng hạt cát và các hạt sỏi và các thành phần khác của bê tông, tạo thành một khối chất rắn

Quá trình thủy hóa: các phản ứng ở trạng thái khan, clinker có bốn loại khoáng chính là: alite, belite, aluminate (C3A) và pha ferrite (C4AF) Ngoài ra còn có một lượng nhỏ sulfate (natri, kali và canxi sulfate) và thạch cao, được bổ sung khi nghiền clinker để tạo thành xi măng

Khi bổ sung nước, các phản ứng xảy ra chủ yếu là phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là các phản ứng sinh ra nhiệt Chúng ta có thể có biểu thị về tốc độ mà các khoáng đang phản ứng bằng cách theo dõi tốc độ

mà nhiệt giải phóng bằng cách sử dụng một thiết bị được gọi là calometry nhiệt dẫn

Giai đoạn tỏa nhiệt lớn nhất thường xảy ra trong khoảng từ 10 đến 20 giờ sau khi trộn và sau đó giảm dần Trong một hỗn hợp có chứa xi măng poóc lăng, hầu hết cường độ đạt được đã xảy ra trong

vòng một tháng Trường hợp xi măng PC đã được thay thế một phần bằng các phụ gia khác như tro bay, tăng trưởng cường độ có thể xảy

ra chậm hơn và tiếp tục trong vài tháng hoặc thậm chí một năm Ferrite cũng bắt đầu phản ứng nhanh chóng khi nước được thêm vào, nhưng sau đó chậm lại, có thể vì hình thành một lớp gel hydroxit sắt, phủ ferrit và đóng vai trò như một rào cản, ngăn ngừa

phản ứng tiếp theo

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa

Phân tích thủy nhiệt bao gồm phân tích truyền nhiệt và phân tích ứng suất nhiệt

2.2.1 Phân tích truyền nhiệt: liên quan đến một số khái niệm

sau:

- Dẫn nhiệt (conduction): là một dạng truyền nhiệt có quan hệ

với sự trao đổi năng lượng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt

độ thấp

- Đối lưu (convection) cũng là một dạng dẫn nhiệt mà ở đó,

nhiệt được trao đổi từ bề mặt các khối rắn lên môi trường chất lỏng hay chất khí thông qua chuyển động của các phân tử chất lỏng hay khí Dòng chất lỏng/chất khí có thể là dòng tự nhiên hay dòng nhân tạo

- Nguồn nhiệt (Heat Source) thể hiện lượng nhiệt phát sinh

trong quá trình thủy hóa Nguồn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa, nhiệt dung riêng, trọng lượng thể tích của bê tông, v.v…

- Sự làm nguội bằng ống tản nhiệt (pipe cooling) là biện pháp làm giảm nhiệt độ trong bê tông do quá trình thủy hóa bằng cách đưa các ống dẫn chất lỏng làm nguội vào trong bê tông Bản chất của việc làm nguội ở đây là sự đối lưu nhiệt giữa chất lỏng với thành ống và sau đó là bê tông

2.2.2 Phân tích ứng suất nhiệt

Ứng suất trong bê tông khối lớn tại mỗi giai đoạn thi công được tính toán với việc sử dụng các kết quả của phân tích truyền nhiệt, sự phân bố nhiệt độ nút, cũng như xét đến sự thay đổi các thuộc tính vật liệu theo thời gian và nhiệt độ, sự co ngót theo thời gian, từ biến phụ thuộc thời gian và ứng suất, v.v… Các tính toán này liên quan đến một số khái niệm như tuổi tương đương của bê tông tính theo nhiệt độ và thời gian và nhiệt độ cộng dồn

Tốc độ thủy hóa ximăng tăng cùng với sự tăng nhiệt độ và sự tăng nhiệt độ lại ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tông cũng như sự phát triển các tính chất này theo thời gian Sự phụ thuộc này

có thể được định lượng bằng cách sử dụng các phương pháp luận về tuổi của bê tông Tuổi của bê tông được điều chỉnh thành tuổi tương đương để xét đến ảnh hưởng của lịch sử tác động nhiệt độ (nhiệt độ cộng dồn) đến các tính chất cơ học của nó

2.3 Giới thiệu về phần mềm Midas

MiDAS/Civil là một sản phẩm nổi tiếng được xây dựng vào năm 1989 phục vụ mục đích tính toán kết cấu cầu với nhiều tính năng

chuyên nghiệp của hãng MiDAS It Co.,Ltđ Hàn Quốc Phần mềm

này hiện nay đang được áp dụng rất phổ biến ở các nước châu Á như Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Việt nam Phần mềm có rất nhiều tính năng đặc biệt, trong đó có tính năng liên quan đến nội dung trong đề tài là mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công

có xét đến sự thay đổi tính năng của vật liệu theo thời gian (co ngót,

từ biến, chùng rão vật liệu)

2.4 Cơ sở phân tích tác động của nhiệt thủy hóa bằng Midas civil

Trình tự của việc mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt cho các kết cấu bê tông khối lớn được thực hiện như sau: