Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG THANH QUÍ NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG VỎ HẦM HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG... Xuất phát từ lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu cường độ c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG THANH QUÍ

NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG VỎ HẦM HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN THÁI

Phản biện 1: TS HOÀNG TRỌNG LÂM

Phản biện 2: TS NGUYỄN THẾ DƯƠNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 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, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hầm Hải Vân là hầm đường bộ trên tuyến quốc lộ 1 nối tỉnh Thừa Thiên Huế và thành phố Đà Nẵng Hầm được khời công xây dựng năm 2000 và khánh thành vào năm 2005 Công trình giúp giảm các vụ tai nạn giao thông, tiết kiệm thời gian, chi phí nhiên liệu so với đèo Hải Vân trước đây

Sau thời gian khai thác, lưu lượng các phương tiện qua hầm đã tăng cao, Bộ Giao thông vận tải đã phê duyệt dự án Hầm Hải Vân 2, được mở rộng từ hầm lánh nạn

Để hoàn thiện công trình và giúp công trình tăng tuổi thọ cũng như thẩm mỹ, bề mặt vỏ hầm được bọc một lớp bê tông xi măng để bao phủ

Trong quá trình khai thác, không tránh khỏi nguy cơ hỏa hoạn

có thể xảy ra trong hầm, dẫn đến sự mất ổn định của bê tông dưới các dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có thể bị nổ Trên thế giới cũng

đã từng chứng kiến các vụ hỏa hoạn tại hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, Mont Blanc (1999) nối liền Pháp – Ý, hay như công trình dân dụng như tháp Windsor – thủ

đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005) là những minh chứng cho sự mất

ổn định này Sự mất ổn định của bê tông sau hỏa hoạn làm cho kết cấu chịu lực bằng bê tông không còn đảm bảo điều kiện làm việc như ban đầu

Vấn đề đặt ra là sau hỏa hoạn, kết cấu bê tông của công trình

mà cụ thể là vỏ hầm có còn duy trì khả năng chịu lực như ban đầu hay không?

Xuất phát từ lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao ” là rất cần thiết Kết quả đạt được có thể giúp cho các nhà quản

lý, khai thác hầm Hải Vân nói riêng và các công trình xây dựng nói chung có những kịch bản phòng ngừa hay đưa ra các cảnh báo sử dụng sau khi hỏa hoạn xảy ra

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đề tài này nhằm đạt được những mục đích sau:

 Đánh giá cường độ nén còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 (mác 350) sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao từ 30 đến 600°C

 Việc đánh giá này cũng được thực hiện mở rộng trên các loại bê tông có cường độ 25 và 50 MPa

3 Đối tượng nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu của luận văn là bê tông xi măng vỏ hầm Hải Vân 2 đang được xây dựng ở thành phố Đà Nẵng

4 Phạm vi nghiên cứu

 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 – mác 350 và các loại bê tông có cường độ 25, 50 MPa sau khi chịu tác dụng ở các nhiệt độ:

80, 150, 300, 450 và 600°C với các tốc độ gia nhiệt khác nhau

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan

về cơ sở lý thuyết của bê tông xi măng và những ứng xử cơ – nhiêt xẩy ra bên trong bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt

độ

 Phương pháp thực nghiệm: đánh giá cường độ nén còn lại trên các mẫu đúc sau khi chịu tác dụng của nhiệt

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN

1.1 Quá trình thủy hóa của hồ xi măng

Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo, được tạo thành từ việc đông rắn hỗn hợp sử dụng chất kết dính thủy hóa là xi măng và các loại cốt liệu rời rạc: cát, sỏi, đá dăm sau khi được nhào trộn với nước theo một tỷ lệ thích hợp

Sở dĩ hỗn hợp bê tông trở nên đông cứng và hình thành cường

độ là do phản ứng hóa học giữa xi măng và nước – gọi là phản ứng thủy hóa của xi măng, mà kết quả là hình thành các Hydrat khoáng - CSH Các hydrat này không tan và hoàn toàn ổn định trong môi trường nước và an toàn dưới tác động của các chất hóa học

Các thành phần chính của xi măng bao gồm:

- Tricanxi silicat - 3CaO SiO2, ký hiệu C3S, chiếm khoảng 60%;

40 Dicanxi Silicat 40 2CaO SiO2, ký hiệu C2S, chiếm khoảng 35%;

15 Tricanxi aluminat 15 3CaO Al2O3, ký hiệu C3A, chiếm khoảng 4-14%;

- Alumoferit- 4CaO Al2O3 Fe2O3, ký hiệu C4AF, chiếm khoảng 10-18%;

- Thạch cao (Gypsum) dưới dạng: CaSO42H2O (CSH2); thạch cao khan CaSO4 0.5H2O (CSH0.5) hay CaSO4 (CS)

- Vôi CaO và Oxit khoáng

Khi nhào trộn với nước, quá trình thủy hóa xẩy ra giữa các thành phần chính của xi măng với nước diễn ra theo các giai đoạn như sau:

1.1.1 Quá trình thủy hóa của C 3 S

Quá trình thủy hóa C3S xẩy ra theo 3 giai đoạn được mô tả như (Hình 1.1)

Hình 1.1 Tiến trình thủy hóa C 3 S [1]

- Giai đoạn ngủ:

Khởi đầu là sự thủy hóa C3S do tác động của ion OH‾ diễn ra

khi tiếp xúc với nước để hình hành C-S-H (Calcium Silicate Hydrate

- C3S2H2) theo công thức sau:

2Ca3SiO5 + 6H2O → 6Ca2+ + 8OH‾ + 2H2SiO4‾ + Q

3Ca2+ + 2H2SiO4 ‾ + 2OH‾ → Ca3H2Si2O7(OH)2 + 3H2O Như vậy:

2C3S + 6H → C3S2H2 + 3CH + Q; với Q = 120cal/g

Dung dịch ngày càng bão hòa do sự hình thành Portlandite CH (Ca(OH)2) Kết thúc giai đoạn nghỉ - dormante

3Ca2+ + 6OH‾ → 3Ca(OH)2

- Giai đoạn ninh kết:

Sự hình thành C-S-H ngày càng nhiều Các tinh thể portlandite

và các sợi C-S-H đan xen lẫn nhau và lấp đầy dần dần các lỗ rỗng Vật liệu ngày càng trở nên đặc và cứng hơn

Mức độ thủy hóa theo thời gian (t) được đánh giá bằng tỷ số giữa lượng C3S bị thủy hóa tại thời điển t và lượng C3S ban đầu:

𝛼𝑡 = 𝑀𝐶3 𝑆(𝑡)

𝑀𝐶3𝑆(𝑡 = 0)

- Giai đoạn đông cứng:

Bắt đầu từ giờ thứ 12, lớp vỏ thủy hóa bao bọc các hạt C3S trở nên đủ dày để làm giảm sự khuếch tán của các ion và của nước Sau vài tháng, tiến trình ngưng

Theo Nonat, CSH biến đổi theo 3 dạng:

- CSH(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 0.7 đến 1.0

- CSH(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 1.0 đến 1.5

- CSH(): với tỷ số giữa C/S trên 1.8

1.1.2 Quá trình thủy hóa của C 2 S

Phản ứng thủy hóa C2S dưới hình thức đơn giản sau:

2C2S + 5H → C3S2H4 + CH + Q, với Q vào khoảng 250J/g Kết quả phản ứng này rất gần với kết quả thủy hóa của C3S

1.1.3 Quá trình thủy hóa của C 3 A

C3A phản ứng rất nhanh với nước để hình thành gel tự chuyển hóa thành các hydrat hexagon (C2AH8 và C4AH13)phát triển thành dạng vẩy mỏng và không đều

Phản ứng thủy hóa C3A như sau:

2C3A + 21H → C4AH13 + C2AH8 + Q3

Và C4AH13 + C2AH8 → 2C3AH6 + 9H + Q4

Như vậy: C3A + 6H → C3AH6 + Q5

1.1.4 Quá trình thủy hóa của C 4 AF

Quá trình thủy hóa của C4AF xẩy ra với tốc độ chậm hơn và tỏa nhiệt ít hơn khi so với C3A và hình thành các hydrat chứa Fe2O3 Phản ứng thủy hóa C4AF như sau:

3C AF + 30H → 4C(A,F)H + 2(A,F)H + Q

Với nhiệt lượng Q vào khoảng 420 J/g

Khi có sự hiện diện của thạch cao CSH2, phản ứng sẽ hình thành:

C3(A, F)3CaSO4𝐻32 (Ettringite), C3(A, F)CaSO4𝐻12 và C3(A, F)𝐻6 Chẳng hạn, sự hình thành Etringite :

Ta biết rằng, bê tông là một vật liệu tổng hợp bao gồm chất kết dính xi măng, cốt liệu (sỏi, cát), nước và chất phụ gia Ngoài vai trò thủy hóa xi măng, nước còn giúp cho hỗn hợp có được độ dẻo thích hợp để

có thể dễ dàng trong việc đổ khuôn khi thi công Trong bê tông, nước tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: nước tự do, nước bị hấp phụ và nước liên kết hóa học

Do tính không đồng nhất của bê tông, nên khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau

 130 - 170°C : Thạch cao CSH2 bị phân hủy [7]

 Các CSH bị phân hủy khi nhiệt độ tăng 100°C đến 450°C [2, 3]

 450 - 550 °C : Sự phân hủy của portlandite tạo thành vôi và nước Ca(OH)2 → CaO+H2O [2, 3, 5, 6]

 600 - 700°C : CSH tiếp tục bị phân hủy và hình thành các dang β-C2S [5] Và CaCO3 bắt đầu bị phân hủy thành CaO và CO2khi nhiệt độ vượt quá 600°C [2, 5, 6]

Trong giai đoạn làm nguội sau khi nung, tiến trình tái thủy hóa

diễn ra xẩy ra chậm và hình thành các gel CSH và Portlandite mới

[2] (Hình 1.2-b)

Hình 1.2 Tiến trình thủy phân của hồ xi măng ở nhiệt độ cao (a) và

tiến trình tái thủy hóa của hồ xi măng khi làm nguội (b) [2]

1.2.2 Cốt liệu

Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ xương bê tông và

chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông Cốt liệu được sử

dụng để sản xuất bê tông có nguôn gốc từ tự nhiên như đá xây, sỏi và

cát sông suối

Khi tiếp xúc với hồ xi măng, các hạt cốt liệu có thể là phản

ứng hoặc trung tính Các hạt cốt liệu có nguồn gốc đá vôi cho thấy

liên kết mạnh với hồ xi măng vì các phản ứng hóa học xảy ra theo

thời gian Các hạt cốt liệu trung tính (silic) không phản ứng với hồ xi

măng nên có liên kết yếu

Khi bê tông chịu tác dụng của nhiệt độ, ứng xử của cốt liệu

cũng xẩy ra tùy thuộc vào bản chất khoáng học và thành phần hóa

học của cốt liệu

1.3 Những thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây

ra trên thế giới và ở Việt Nam

Ngay khi chịu tác dụng bởi nhiệt độ cao, bê tông cho thấy sự

mất ổn định dưới các dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có thể bị nổ

Những hỏa hoạn xẩy ra ở các công trình dân dụng như tháp Windsor –

thủ đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005), hay công trình giao thông như

hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở

Áo, Saint-Gothard (2001) ở Thụy sỹ là những minh chứng cho sự mất

ổn định này Sự mất ổn định này là do những chuyển hóa xẩy ra bên

trong bê tông [12-14]

Tính đến năm 2019, nước ta có 6 hầm đường bộ: hầm Thủ Thiêm (Hồ Chí Minh), hầm Hải Vân (Đà Nẵng – Huế), Hầm A.Roàng (Huế), Hầm Đèo Ngang (Quảng Bình – Hà Tĩnh), Hầm Đèo Cả (Phú Yên), Hầm Cù Mông (Bình Định – Phú Yên) Trong quá trình vận hành, các công trình trên đã xảy ra các vụ cháy, với mức độ thiệt hại không lớn, chưa có thiệt hại về người và công trình

1.4 Tổng quan về công trình hầm Hải Vân 2

Dự án mở rộng hầm lánh nạn Hầm đường bộ Hải Vân thành hầm chính có điểm đầu thuộc thị trấn Lăng Cô, huyện Phú Lộc (TT-Huế) và điểm cuối thuộc phường Hòa Hiệp Bắc, quận Liên Chiểu (Đà Nẵng) với tổng chiều dài hơn 12,6km

1.5 Kết luận

Khi nhào trộn xi măng với nước, quá trình thủy hóa xẩy ra giữa các thành phần chính của xi măng với nước để tạo thành các CSH Nhờ có các CSH này mà hồ xi măng đông cứng và hình thành cường độ

Trong cấu trúc bê tông, hồ xi măng bao bọc các loại cốt liệu và lấp đầy vào lỗ rỗng giữa các cốt liệu Vì thế, các thuộc tính cơ học của bê tông bị chi phối nhiều vào đặc tính của hồ xi măng

Khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ là sự

ra đi của nước trong bê tông (nước tự do, nước hấp phụ và nước liên kết) Sự phá vỡ các CSH, CH và CaCO3 của vữa xi măng là những tiến trình không đảo ngược mà làm cho bê tông đánh mất những thuộc tính

cơ học ban đầu của nó

Chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung xương cho bê tông Vì thế sự ổn định nhiệt của bê tông phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của cốt liệu Những ứng xử của cốt liệu tùy thuộc vào bản chất khoáng học và thành phần hóa học của cốt liệu Những nghiên cứu khoa học cho thấy rằng, các cốt liệu đá vôi khá ổn định khi nhiệt độ lên đến 650°C Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự phân hủy CaCO3 xẩy ra và đưa đến sự sụt giảm khoảng 40% khối lượng Trong giai đoạn nguội, vôi (CaO) phản ứng với độ ẩm của không khí để tạo ra Portlandite (CH)

Sự hình thành Portlandite dẫn đến sự gia tăng các vết nứt trong bê tông sẽ dẫn đến giảm cường độ còn lại của bê tông.Với cốt liệu thạch anh (silica) cũng cho thấy sự ổn định khi nhiệt độ lên đến 575°C

Tuy nhiên khi vượt quá ngưỡng này, một sự thay đổi cấu trúc từ α sang β xẩy ra đưa đến sự gia tăng thể tích từ 1% đến 5,7% và làm hủy hại trong bê tông Với cốt liệu là đá lửa, sự tổn thất khối lượng khá ít chỉ vào khoảng 1% Tuy nhiên, nó lại mất ổn định khi nhiệt độ vượt quá 110°C Những thiệt hại từ hỏa hoạn gây ra cho các công trình sử dụng kết cấu bê tông là to lớn Nó xẩy ra bất cứ nơi đâu và bất cứ lúc nào Hầm đường bộ Hải Vân 2 không là ngoại lệ khi phải đối mặt với nguy cơ cao trong quá trình khai thác với lưu lượng phương tiện tham gia giao thông ngày càng tăng trong tương lai Nghiên cứu sự suy giảm cường độ của bê tông kết cấu vỏ hầm Hải Vân 2 sẽ đề cập trong các chương kế tiếp

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM

kỹ thuật của nước dùng cho bê tông được nêu trong TCVN 4506:2012 Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng ngồn nước ngầm tại núi Hải Vân

2.2.5 Phụ gia

Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng phụ gia KKS Polymad 738 KKS Polymad 738 là phụ gia có tính năng duy trì độ sụt cho bê tông

2.3 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông

Dựa vào thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông xi măng mác

350 đang thi công, tiến hành thiết kế thêm hai thành phần cấp phối

bê tông cho mác 250 và 500 khi sử dụng các loại vật liệu tương tự

Bảng 2.7 Bảng thành phần cấp phối chuẩn cho 1m 3 bê tông

kể từ ngày đúc mẫu

2.3.3 Thí nghiệm xác định cường độ nén

Thiết bị sử dụng để xác định cường độ chịu nén của mẫu bê tông là máy nén bê tông tại phòng thí nghiệm của Dự án Hầm Hải Vân 2 Máy được đặt cố định tại phòng thí nghiệm và được kiểm định thường xuyên mỗi năm 1 lần

Bảng 2.8 Kết quả kiểm tra cường độ nén của mẫu bê tông

Cường độ (kN/cm 2 )

Cường độ (daN/cm 2 )

Chênh lệch (%)

Cường độ (daN/cm 2 )

Thiết kế thành phần cấp phối cho bê tông mác 250, 300 và 500 tương ứng với tỷ lệ N/X lần lượt

là 0,559; 0,41; 0,38 và cường độ nén phá hủy lần lượt là 30,8; 38,4 và 60,2 Mpa

Từ kết quả thiết kế thành phần hỗn hợp này, tiến hành đúc mẫu để đánh giá cường độ nén còn lại của bê tông sau khi chịu tác dụng của nhiệt độ ở chương kế tiếp

CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ NÉN CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG

CỦA NHIỆT ĐỘ CAO

3.1 Mục tiêu

Tiến hành thí nghiệm xác định cường độ nén còn lại trên các mẫu bê tông hình lập phương 15x15x15cm sau khi nung ở các ngưỡng nhiệt độ (Tmax) 80, 150, 300, 450 và 600°C và so sánh với giá trị cường độ nén ban đầu khi chưa nung (ở nhiệt độ trong phòng thí nghiệm 30°C)

Hai chế độ tác dụng nhiệt (có kiểm soát tốc độ gia nhiệt, cố định thời gian tác dụng nhiệt Tmax và không kiểm soát tốc độ gia nhiệt, cố định tổng thời gian tác dụng nhiệt) được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của nó đến cường độ còn lại của bê tông

Dựa vào kết quả thu được, tiến hành đánh giá cường độ nén còn lại của các bê tông dưới ảnh hưởng các nhân tố về mác bê tông

và chế độ tác dụng nhiệt

3.2 Chương trình thí nghiệm

3.2.1 Mẫu thí nghiệm và chế độ tác dụng nhiệt

Sử dụng các loại vật liệu như đã nêu ở mục 0 phối hợp theo tỷ

lệ như Bảng 2.7 để đúc mẫu thí nghiệm cường độ nén (kích thước 15x15x15cm) dưới tác dụng của nhiệt độ

Hai chế độ cưỡng bức nhiệt được áp dụng:

 Chế độ 1: Duy trì tốc độ gia nhiệt VT=3,5°C/phút và thời gian lưu giữ ở nhiệt độ lớn nhất là 60 phút (Hình 3.1)

 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút Ở chế

độ này, tốc độ gia nhiệt tùy thuộc vào thiết bị: VT =3,5°C/ phút cho

lò sấy và 39,7°C/phút cho lò nung (Hình 3.2)