Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối 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 lỏng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng

VÕ VĂN VIỆT

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH ĐẾN NHIỆT THỦY HÓA TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019

VÕ VĂN VIỆT

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH ĐẾN NHIỆT THỦY HÓA

TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện Các đoạn trích dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

Đà Nẵng, ngày 16 tháng 12 năm 2019 Tác giả luận văn

Võ Văn Việt

đến tất cả các quý Thầy Cô trong khoa xây dựng cầu đường, Phòng Đào tạo Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường

Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích,

hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi theo hết khóa học đào tạo cao học và hoàn thành luận văn

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Võ Duy Hùng đã tận tình

hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn!

“PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH ĐẾN

NHIỆT THỦY HÓA TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN”

Học viên: Võ Văn Việt

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 (2018-2019)

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Thế giới đã nghiên cứu về tác động của nhiệt thủy hóa gây ra

trong bê tông khối lớn, trong các công trình giao thông, thủy lợi Ở Việt Nam hiện nay, ngày càng nhiều công trình lớn được xây dựng, trong đó có những cây cầu bắc qua các con sông lớn với bước nhịp lớn, kéo theo phải thi công những trụ tháp cao với bệ móng trụ rất lớn Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa làm nứt nẻ bê tông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của công trình Do đó, việc nghiên cứu ứng xử và các biện pháp hạn chế các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa trong thi công bê tông khối lớn là rất cấp thiết Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ của bê tông khối lớn là có cơ sở và thiết thực Đồng thời phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn là việc hết sức quan trọng

Từ khóa: nhiệt thủy hóa, bê tông khối lớn, hệ thống làm lạnh

TOPIC:

“ANALYZE THE EFFECTS OF THE COOLING SYSTEM ON

HYDROTHERMAL HEAT IN MASS CONCRETE”

Abstract: The world has studied the impact of hydrothermal heat in mass

concrete, traffic, and irrigation works etc Today, a number of high-rise construction projects have been built in Viet Nam, including bridges with big steps crossing large rivers, which has brought about the construction of high pylons with massive foundations In the process of making a large concrete structure, it is common for hydration heat to cause cracks in concrete, seriously affecting the quality of the construction Therefore, the research on behavior and control measures of the effects of hydrothermal heat on mass concrete construction is very necessary Analyzing stress characteristics, temperature cracks of mass concrete is practical At the same time, it is very important to analyze the effect of the cooling system on hydrothermal heat in mass concrete

Key words: Hydration heat, mass concrete, cooling system

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: 2

6 Cấu trúc luận văn: 2

CHƯƠNG 1: 3

TỔNG QUAN VỀ NHIỆT THỦY HÓA BÊTÔNG 3

1 Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn: 3

2 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn: 4

2.1 Nứt do chênh lệch nhiệt độ: 4

2.2 Nứt do co khô: 5

2.3 Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường: 7

2.4 Nứt do mỏi: 7

3 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn: 7

4 Biện pháp phòng chống nứt bê tông: 8

4.1 Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông: 8

4.2 Biện pháp hạn chế độ chênh nhiệt độ khối bê tông T: 9

4.3 Biện pháp hạn chế co khô của bê tông: 10

4.4 Biện pháp hạn chế bề mặt bê tông bị sốc nhiệt: 10

4.5 Kiểm soát nhiệt độ bê tông trong thi công: 11

4.6 Giải pháp cấu kiện bê tông khối lớn: 11

5 Các lưu ý hạn chế nứt trong thi công bê tông khối lớn: 13

5.1 Trong thiết kế: 13

5.2 Trong thi công: 13

5.3 Các lưu ý trong công tác bảo dưỡng: 16

5.4 Các lưu ý công tác kiểm tra: 17

6 Đặt vấn đề nghiên cứu: 18

7 Những vấn đề cần giải quyết: 19

CHƯƠNG 2: 20

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN NHIỆT THỦY HÓA 20

1 Thủy hóa trong xi măng: 20

2 Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa: 23

2.1 Phân tích truyền nhiệt: 24

2.2 Phân tích ứng suất nhiệt: 25

3 Tính toán nhiệt thủy hóa xi măng: 27

6 Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn: 29

CHƯƠNG 3: 36

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH ĐẾN NHIỆT THỦY HÓA TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 36

1 Mô hình phân tích: 36

2 Phân tích các ứng xử của bê tông khối lớn do nhiệt thủy hóa gây ra: 38

2.1 Mô hình hóa trên Midas Civil: 38

2.2 Phân tích kết quả: 45

3 Phân tích các ảnh hưởng hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa: 53

3.1 Mô hình hóa hệ thống làm lạnh (Pipe Cooling System) trên Midas Civil: 53

3.2 Phân tích kết quả: 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

Kết luận: 74

Kiến nghị: 75

Hướng phát triển của đề tài 76

Bài báo khoa học tại TISDIC 2019 84

Bài báo khoa học trên tại Tạp chí GTVT số tháng 11/2019 95

Bài báo khoa học trên tại Tạp chí GTVT số tháng 12/2019 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

Quyết định giao đề tài 110

Hình 1.1 Sơ đồ vết nứt đập bê tông 6

Hình 1.2 Sự phát triển của nhiệt thuỷ hoá trong lòng bê tông khối lớn có thể dẫn đến nứt vì nhiệt 12

Hình 3.1 Mặt chính trụ cầu 36

Hình 3.2 Mặt bên trụ cầu 37

Hình 3.3 Mặt bằng bệ móng trụ cầu 37

Hình 3.4 Khai báo đơn vị 38

Hình 3.5 Khai báo vật liệu 39

Hình 3.6 Điều kiện biên 40

Hình 3.7 Hàm nhiệt độ môi trường 41

Hình 3.8 Hệ số đối lưu ván khuôn thép 42

Hình 3.9 Hệ số đối lưu không khí 42

Hình 3.10 Nguồn nhiệt 43

Hình 3.11 Giai đoạn thi công - Bệ trụ 43

Hình 3.12 Quy trình phân tích trường nhiệt độ, ứng suất trong bê tông khối lớn bằng phương pháp PTHH 44

Hình 3.13 Mô hình khối móng dùng để phân tích 45

Hình 3.14 Vị trí các nút trên mô hình dùng phân tích 45

Hình 3.15 Biểu đồ nhiệt độ tại 10 nút 46

Hình 3.16 Biểu đồ nhiệt độ tại nút N1394 (tại tâm bệ) 46

Hình 3.17 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 10 giờ 47

Hình 3.18 Trường nhiệt độ lúc 30 giờ 47

Hình 3.19 Trường nhiệt độ lúc 50 giờ 48

Hình 3.20 Trường nhiệt độ lúc 80 giờ 48

Hình 3.21 Trường nhiệt độ Lúc 120 giờ 49

Hình 3.22 Biểu đồ ứng suất tại 10 nút 50

Hình 3.23 Biểu đồ ứng suất tại nút N71 (nút bề mặt) 51

Hình 3.24 Trường ứng suất lúc 80 giờ 51

Hình 3.25 Trường chuyển vị lúc 80 giờ 52

Hình 3.26 Biểu đồ ứng suất gây nứt tại nút N71 52

Hình 3.27 Nhập dữ liệu cho hệ thống làm lạnh 53

Hình 3.28 Mô hình có 01 hệ thống làm lạnh 54

Hình 3.29 Mô hình có 02 hệ thống làm lạnh 55

Hình 3.30 Mô hình có 04 hệ thống làm lạnh 55

Hình 3.31 Biểu đồ nhiệt độ khi chưa có hệ thống làm lạnh tại 10 nút 56

Hình 3.32 Biểu đồ nhiệt độ khi có 01 hệ thống làm lạnh tại 10 nút 56

Hình 3.33 Biểu đồ nhiệt độ khi có 02 hệ thống làm lạnh tại 10 nút 57

Hình 3.34 Biểu đồ nhiệt độ khi có 04 hệ thống làm lạnh tại 10 nút 57

Hình 3.35 Biểu đồ nhiệt độ max cho các trường hợp 58

Hình 3.36 So sánh nhiệt độ max trong khối bê tông 58

Hình 3.38 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ

thống làm lạnh 59

Hình 3.39 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh 60

Hình 3.40 Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh 60

Hình 3.41 Biểu đồ nhiệt độ tại nút N1394 61

Hình 3.42 So sánh nhiệt độ max tại nút N1394 61

Hình 3.43 Biểu đồ ứng suất khi chưa có hệ thống làm lạnh 62

Hình 3.44 Biểu đồ ứng suất khi có 01 hệ thống làm lạnh 62

Hình 3.45 Biểu đồ ứng suất khi có 02 hệ thống làm lạnh 63

Hình 3.46 Biểu đồ ứng suất khi có 04 hệ thống làm lạnh 63

Hình 3.47 Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi chưa có hệ thống làm lạnh 64

Hình 3.48 Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ thống làm lạnh 64

Hình 3.49 Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh 65

Hình 3.50 Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh 65

Hình 3.51 Biểu đồ ứng suất max trong khối bê tông cho các trường hợp 66

Hình 3.52 So sánh ứng suất max trong khối bê tông 66

Hình 3.53 Biểu đồ ứng suất tại nút N71 67

Hình 3.54 So sánh ứng suất max tại nút N71 67

Hình 3.55 Biểu đồ hệ số ứng suất gây nứt trong khối bêtông cho các trường hợp 68

Hình 3.56 So sánh hệ số tỷ lệ gây nứt trong khối bê tông 68

Hình 3.57 Biểu đồ hệ số ứng suất gây nứt tại nút N71 cho các trường hợp 69

Hình 3.58 So sánh hệ số tỷ lệ gây nứt tại nút N71 69

Hình 3.59 Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi chưa có hệ thống làm lạnh 70

Hình 3.60 Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ thống làm lạnh 70 Hình 3.61 Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh 71 Hình 3.62 Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh 71 Hình 3.63 Biểu đồ chuyển vị max trong khối bê tông cho các trường hợp 72

Hình 3.64 So sánh chuyển vị max trong khối bê tông 72

Hình 3.65 Biểu đồ chuyển vị tại nút N2463 73

Hình 3.66 So sánh chuyển vị tại nút N2463 73

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 Extradose… 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 lỏng 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 cho chúng ta là làm thế nào để tránh xảy ra những hiện tượng nứt nẻ bê tông khi đổ bê tông khối lớn? Nếu xảy ra hiện tượng nứt nẻ thì biện pháp xử lý như thế nào? Do đó, việc nghiên cứu ứng xử và các biện pháp hạn chế các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa trong thi công bê tông khối lớn là rất cấp thiết Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ của bê tông khối lớn là có cơ sở và thiết thực Đồng thời phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn là việc hết sức quan trọng

2 Mục tiêu nghiên cứu:

a Mục tiêu tổng quát:

- Nghiên cứu ứng xử của bê tông khối lớn khi áp dụng hệ thống làm lạnh

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

b Mục tiêu cụ thể:

- Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bê tông khối lớn khi có hệ thống làm lạnh

- Các ứng xử kết cấu khi có hệ thống làm lạnh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nhiệt thủy hóa

- Hệ thống làm lạnh

- Bê tông khối lớn

- Ứng suất, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra lúc có và không có hệ thống làm lạnh

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

- Dùng phần mềm phần tử hữu hạn

- Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính toán để đánh giá các kết quả phân tích

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

- Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn

- Sớm đưa ra các cảnh báo để phòng ngừa những rủi ro ngoài ý muốn

- Đề xuất áp dụng hệ thống làm lạnh cho quá trình thi các công trình có cấu tạo bê tông khối lớn

6 Cấu trúc luận văn:

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

Chương 1: Tổng quan về nhiệt thủy hóa bê tông

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

Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tôngkhối lớn

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NHIỆT THỦY HÓA BÊTÔNG

1 Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn:

Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông, làm nứt bê tông, và do đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a)

và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là 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 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

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 lỏng 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 cho chúng ta là làm thế nào để tránh xảy ra những hiện tượng nứt nẻ bê tông khi

đổ bê tông khối lớn? Nếu xảy ra hiện tượng nứt nẻ thì biện pháp xử lý như thế nào? Do đó, việc nghiên cứu ứng xử và các biện pháp hạn chế các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa trong thi công bê tông khối lớn là rất cấp thiết

Trong đề tài này giới thiệu kết quả phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ của bê tông khối lớn, đồng thời phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các giá trị tính toán về vật liệu, các điều kiện biên và mô hình được xác lập theo các quy phạm hiện hành cũng như tham khảo thực nghiệm Kết quả tính toán được phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm Từ đó có thể kiểm tra lại các thông số thiết kế (cấp phối bê tông, nhiệt độ bê tông khi đổ, phương pháp và thời gian bảo dưỡng…) để đưa ra các điều chỉnh hợp lý về vật liệu và giải pháp thi công nhằm kiểm soát nứt, đảm bảo chất lượng kết cấu bê tông khối lớn

2 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn:

2.1 Nứt do chênh lệch nhiệt độ:

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004 thì có 2 điều kiện sau đây làm cho bê tông bị nứt do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông:

- Độ chênh nhiệt độ T giữa các điểm hoặc các vùng trong khối bê tông vượt quá 200C: T > 200C - Điều kiện cần

- Môđun độ chênh nhiệt độ MT giữa các điểm trong khối bê tông đạt không dưới 500C/m: MT 500C/m - Điều kiện đủ

(Trong đó:

- Độ chênh nhiệt độ: Mức chênh nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê

tông Đơn vị tính là 0C

- Mô đun độ chênh nhiệt độ: Mức chênh nhiệt độ giữa hai điểm trong khối

bê tông cách nhau 1m Đơn vị thính là 0C/m)

Ý nghĩa của 2 điều kiện này như sau:

- Khi không có điều kiện cần: Bê tông không nứt

- Khi có điều kiện cần: Bê tông có thể nứt, có thể không

- Khi có cả điều kiện cần và điều kiện đủ: bê tông nhất định nứt

Vậy để không bị nứt thì ta cần loại trừ điều kiện cần, nghĩa là làm sao cho

có T < 200C

Điều kiện cần T > 200C được hiểu là chênh lệch nhiệt độ giữa các phần trong bê tông và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài

Điều kiện đủ M T được mô tả bằng:

M T = tg = ta atb = a T

Trong đó: a là khoảng cách giữa 2 điểm a và b có chênh lệch độ T

Đưa các giá trị T = 200C và MT =500C/m vào biểu thức ta có:

M T = 50 = 20a  a = 0,4m

Nghĩa là, trong giai đoạn nâng nhiệt, bê tông khối lớn chỉ chịu ứng suất kéo do chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của khối bê tông trong phạm vi 0,4m xung quanh mặt ngoài Ở phía trong nhiệt độ các phần của bê tông trong giai đoạn nâng nhiệt không chênh lệch lớn vì đã có lớp bê tông 0,4m này bao bọc giữ nhiệt rồi (vì vậy đối với kết cấu khối lớn, người ta chỉ cần đặt cốt thép chống nứt cho xung quanh mặt ngoài bê tông trong phạm vi 0,4 - 0,5m ) Ngoài ra ứng suất kéo còn phát sinh do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài

Đối với các vết nứt thì yếu tố T nên quan niệm là chênh lệch giữa nhiệt độ

bề mặt bê tông với nhiệt độ không khí bên ngoài và nhiệt độ bề mặt bê tông với nhiệt độ của điểm cách mặt bê tông khoảng 0,4 - 0,5m

Trong giai đoạn nâng nhiệt, bê tông chỉ có nứt mặt Trong giai đoạn hạ nhiệt, có thể có nứt mặt và xuyên (nứt kết cấu)

2.2 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 Yếu tố co khô cần được quan tâm cho bê tông các đập khối lớn ở những vị trí bề mặt bị bóc lộ nhiều ngày Yếu tố này phụ thuộc vào điều kiện khí hậu địa phương (như bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, tốc độ gió, lượng mưa ) Vết nứt ở đây là vết nứt mặt

Theo kinh nghiệm của tác giả thì quá trình co khô của bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam thường kéo dài trong 5 - 6 tháng đầu đóng rắn của bê tông Sau đó co khô ổn định ở một giá trị tương đối, và tiếp theo chỉ biến thiên co nở theo thời tiết, giống như nhịp thở hàng ngày của kết cấu, giá trị c tăng thêm không nhiều Giá trị co khô ổn định đo được thường là  c = 0,1 – 0,4mm/m tuỳ theo loại bê tông và điều kiện khí hậu Giá trị co khô bị kìm giữ

, theo nghiên cứu của tác giả, trong điều kiện khí hậu Việt Nam có thể gây nứt mặt bê tông như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ vết nứt đập bê tông

Kết cấu chịu bức xạ mặt trời trực tiếp

- Bê tông không cốt thép

này khó làm, nên có thể hạn chế  bằng việc thực hiện quy định của TCXDVN313:2004 về đặt khe co giãn nhiệt ẩm cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép như sau:

2.3 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

2.4 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

3 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn:

Các khối lớn bê tông, như các móng khối lớn, tường chắn đất, đập thuỷ điện , thường bị nứt khi chênh lệch nhiệt độ giữa các phần trong khối bê tông

và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông với không khí bên ngoài vượt quá

200C Các vết nứt xuất hiện ở các giai đoạn như sau:

- 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 phân, với các đập lớn có khi tới hàng mét, 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 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 (Hình 1.1) Các đập bê tông khối lớn hiện nay thường sử dụng bê tông đầm lăn với hàm lượng xi măng ít nhất để hạn chế nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông, nhưng việc xuất hiện vết nứt trong

bê tông vẫn thường khó tránh khỏi Khi có xuất hiện vết nứt thì cần kiểm tra kỹ

để xác định đó là nứt mặt hay nứt kết cấu (nứt xuyên) Từ đó đề ra giải pháp sửa chữa

- Giai đoạn tiếp nước: là lúc cho nước vào hồ chứa, bề mặt bê tông đập tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh, gây xung nhiệt, làm nứt bê tông Vết nứt ở đây

là vết nứt mặt Thông thường ở giai đoạn tiếp nước bê tông rất dễ nứt mặt, do đó cần có giải pháp kỹ thuật để hạn chế vết nứt này Thí dụ: Tiếp nước vào những ngày nắng nóng thì cần tưới nước liên tục lên bề mặt thành đập để hạ thấp nhiệt

độ bề mặt bê tông, hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông và nhiệt độ nước dâng

4 Biện pháp phòng chống nứt bê tông:

Đối với kết cấu bê tông khối lớn thì biện pháp phòng chống nứt thường bao gồm:

- 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

4.1 Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá xi măng trong bê tông:

Để hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông ta cần làm những việc sau đây:

- Hạn chế lượng dùng xi măng trong bê tông: Cần phải tính toán thành phần bê tông sao cho có lượng dùng xi măng ít nhất Đối với các đập lớn, lượng

xi măng thường không quá 100 kg/m Bê tông đập thuỷ điện Sơn La có hàm lượng xi măng không quá 60 kg/m là rất hiệu quả về mặt này

- Dùng xi măng ít toả nhiệt: Đặt hàng chế tạo xi măng đặc chủng này khi cần Đó là loại xi măng có lượng nhiệt thuỷ hoá sau 7 ngày đêm không quá 60 cal/g

- Hạ nhiệt độ cốt liệu: Làm mát cốt liệu cát đá sỏi trước khi trộn bê tông như che nắng, tưới nước làm mát, nhúng vào nước lạnh

- Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông: Như dùng nước đã làm lạnh để trộn

bê tông, che nắng cho hỗn hợp bê tông trong quá trình vận chuyển tới nơi đổ Đối với các công trình khối lớn, nhiệt độ hỗn hợp bê tông nên khống chế dưới

250C Hỗn hợp bê tông đầm lăn thi công ở đập thuỷ điện Sơn La được duy trì ở nhiệt độ 23 – 240C trước khi đổ là phù hợp

4.2 Biện pháp hạn chế độ chênh nhiệt độ khối bê tông T:

Độ chênh nhiệt độ lớn giữa các phần của khối bê tông là nguyên nhân chủ yếu gây hiệu ứng nhiệt làm nứt bê tông

Các biện pháp kỹ thuật sau đây có thể làm giảm độ chênh nhiệt độ T của khối bê tông trong những ngày đầu đóng rắn:

- Đưa nhiệt độ bê tông ra ngoài: Do nhiệt độ ở tâm khối đổ thường lớn hơn nhiều so với nhiệt độ vùng xung quanh, nên việc đưa nhiệt từ vùng tâm khối

đổ thoát ra ngoài sẽ làm giảm độ chênh nhiệt độ T giữa lớp bê tông trong và ngoài khối đổ Có thể thực hiện việc này bằng cách đặt một dàn ống thoát nhiệt bằng kim loại trong lòng khối đổ Trong quá trình bê tông toả nhiệt thì bơm nước qua hệ thống ống này để đưa nhiệt ra ngoài, giữ sao cho T luôn nhỏ hơn

200C Sau đó bơm vữa xi măng cát vào lấp đầy ống Biện pháp này thích hợp cho những công trình nằm gần nguồn nước như sông, hồ, ao Biện pháp đơn giản là cắm vào khối đổ một số ống thép Φ15-20 rồi liên tục nhồi đá vào trong những ngày đầu đóng rắn của bê tông để lôi nước nóng trong lòng bê tông tràn

ra ngoài Khi tiến hành đưa nhiệt độ bê tông ra ngoài thì nhất thiết phải liên tục kiểm soát diễn biến nhiệt độ trong các phần của khối bê tông

- Bọc vật liệu cách nhiệt: Biện pháp bọc vật liệu cách nhiệt cho phép giữ cho nhiệt thủy hóa của xi măng không thoát ra ngoài, mà tích tụ trong khối bê tông và cân bằng nhiệt giữa vùng tâm với vùng xung quanh khối đổ Xung quanh và trên bề mặt khối đổ được bọc một lớp vật liệu cách nhiệt Lớp vật liệu này sẽ giữ nhiệt trong khối bê tông tương đối đồng đều, làm cho giá trị T luôn nhỏ hơn 200C Tuy nhiên giải pháp này chỉ dùng cho khối đổ có thể thi công xong trong 2 ngày đêm Vì sau 2 ngày đêm nhiệt thuỷ hoá của xi măng phát rất mạnh, nhiệt độ bê tông đã khá cao, bê tông có thể bị nứt trước khi bọc vật liệu cách nhiệt

- Chia nhỏ khối đổ: Đối với các khối bê tông có thể tích lớn, không thể thi công xong trong thời gian ngắn, thì có thể chia khối đổ thành các phần nhỏ để thi công Các phần của khối đổ được chia với kích thước sao cho có một cạnh hoặc chiều cao nhỏ hơn 2m Kích thước này có thể lớn hơn nếu kết cấu đã được tính cốt thép phòng chống nứt cho khối lớn Khi đó người thiết kế sẽ quy định

cụ thể kích thước chia nhỏ khối đổ Tuỳ theo đặc điểm của kết cấu, người thiết

kế sẽ quyết định vị trí chia khối đổ sao cho đảm bảo tính toàn vẹn và sự làm việc bình thường của khối bê tông sau này

- Chống xung nhiệt khi tháo dỡ cốp pha: Để tránh tác động xung nhiệt cho lớp bê tông xung quanh phía ngoài khối đổ, việc tháo dỡ cốp pha cần đảm bảo những yêu cầu sau đây:

Chỉ tháo cốp pha thành khi bê tông đã có tuổi không ít hơn 5 ngày đêm Tháo cốp pha làm 2 bước: Đầu tiên tháo bung thành cốp pha nhưng vẫn

để cốp pha tại chỗ Sau một ngày đêm mới chuyển cốp pha đi

- Chống mất nhiệt nhanh ở các gờ cạnh và góc kết cấu: Các gờ cạnh và góc kết cấu bê tông khối lớn thường bị mất nhiệt nhanh, tạo ra chênh lệch lớn giữa nhiệt độ của gờ cạnh hoặc góc với nhiệt độ khối bê tông, chừng mực nào đó

có thể gây nứt bê tông ở các vị trí này Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ để tránh mất nhiệt nhanh cho các gờ cạnh và góc kết cấu

4.3 Biện pháp hạn chế co khô của bê tông:

Co khô xảy ra khi bề mặt bê tông bị bóc lộ trong thời gian dài Dưới tác động của các yếu tố khí hậu nóng ẩm, nước trong bê tông bốc hơi làm cho bê tông bị co lại Khi quá trình co không được thực hiện hết do bị kìm giữ thì sẽ sinh ra ứng suất kéo trong lòng bê tông Khi ứng suất này vượt quá giới hạn cường độ kéo của bê tông thì bê tông sẽ nứt Vết nứt này là vết nứt mặt

Để hạn chế co khô thì phải giữ cho bề mặt bê tông không bị bóc lộ dài ngày Thông thường người ta phủ vật liệu như bao tải, cát trên bề mặt bê tông và tưới nước để giữ cho bê tông không bị mất nước mà vẫn liên tục lôi nhiệt trong lòng khối đổ ra ngoài Cần đúc mẫu theo dõi quá trình co khô dưới tác động của các yếu tố khí hậu trong khoảng thời gian 5 - 6 tháng

4.4 Biện pháp hạn chế bề mặt bê tông bị sốc nhiệt:

Đó là trường hợp công trình bê tông được thi công trong thời gian mùa đông Chênh lệch nhiệt độ không khí giữa ngày và đêm rất lớn, gây cho bề mặt

bê tông bị sốc nhiệt, sinh ứng suất kéo làm nứt mặt bê tông Khi chu kỳ thay đổi nhiệt diễn ra nhiều lần thì bê tông có thể bị mỏi, cũng càng dễ dẫn đến nứt mặt Vấn đề này thường được quan tâm đối với các công trình xây dựng ở vùng núi vào mùa đông, nơi có nhiệt độ ban đêm rất thấp

Để hạn chế tình trạng này, người ta phủ vật liệu trên bề mặt bê tông và tưới nước Như vậy bề mặt bê tông sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ môi trường xung quanh

4.5 Kiểm soát nhiệt độ bê tông trong thi công:

Khi thực hiện các giải pháp chống nứt nêu trên thì nhất thiết phải đặt đầu

đo để kiểm soát diễn biến nhiệt độ các phần trong bê tông Cần vẽ được đồ thị diễn biến nhiệt độ theo thời gian tại tâm, tại bề mặt, điểm sâu vào 40 - 50 cm, và tại một số điểm trong khối đổ từ tâm ra ngoài biên Trên cơ sở biểu đồ này sẽ tính được giá trị T và MT nêu trên

4.6 Giải pháp cấu kiện bê tông khối lớn:

Trong các cấu kiện bê tông khối lớn, nhiệt thủy hóa của xi măng tại tâm khối đổ sẽ tăng đột biến Trong quá trình đóng rắn, nhiệt độ này có thể lên đến

85oC – 100oC đối với các khối đổ có chiều dày lớn nếu sử dụng xi măng thông thường Khi bê tông đã đóng rắn thì nhiệt độ trong lòng khối đổ giảm dần, sự chênh lệch nhiệt độ trong lòng khối bê tông tạo ra ứng suất nội trong cấu kiện, gây ra các vết nứt nhiệt

Nhiệt độ tăng cao tại tâm khối đổ gây ra ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc khối bê tông:

• Nhiệt độ trên 70oC sẽ có khả năng xảy ra hiện tượng trì hoãn sự hình thành khoáng Ettringite(DEF- Delayed Ettingite Formation) trong khối bê tông, dẫn đến các vết nứt trong cấu kiện bê tông trong thời gian dài

• Nhiệt độ của khối bê tông cao (đặc biệt là cao hơn 70oC) sẽ làm giảm cường độ của bê tông ở 28 ngày

Để giảm thiểu các rủi ro này, các biện pháp đặc biệt sau cần được tiến hành:

• Giới hạn nhiệt độ chênh lệch tối đa T < 20oC hoặc giới hạn gradient nhiệt độ tối đa giữa 2 điểm trong khối đổ MT < 50oC/m (TCVN 305:2004)

• Giới hạn nhiệt độ tối đa trong tâm khối đổ Tmax < 70oC

• Việc sử dụng các loại vật liệu bảo ôn bên trong ván khuôn giúp giữ nhiệt tại bề mặt khối đổ và làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ Nên giữ ván khuôn trong vài ngày cho đến khi T < 200C

• Tháo ván khuôn quá sớm sẽ làm cho bề mặt bê tông bị làm lạnh nhanh

và bị nứt

• Phương pháp này cần được suy xét áp dụng khi bề dày khối đổ > 1,5m Đối với các cấu kiện bê tông đặc biệt, các yêu cầu này có thể được áp dụng đối với khối đổ có chiều dày > 1m, khi các vết nứt nhiệt có thể gây ra những hư hao lớn cho công trình (Ví dụ: kết cấu đường hầm, kho chứa gas…)

Xi măng cho kết cấu bê tông khối lớn:

Để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trong cấu kiện bê tông khối lớn, các loại xi măng đặc biệt với nhiệt thủy hóa thấp được sử dụng như:

• TCVN 7712:2013

• ASTM C1157 – LH (nhiệt thủy hóa thấp)

• BS-EN – loại ít tỏa nhiệt

Tiêu chuẩn Châu Âu EN sử dụng phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa khác so với tiêu chuẩn ASTM - Phương pháp thí nghiệm xác định nhiệt thủy hóa theo EN không sẵn có tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam

Bê tông cho kết cấu khối lớn:

Để đạt được giới hạn nhiệt độ trong kết cấu bê tông khối lớn, một vài thông số đóng vai trò ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng, cần phải tiến hành xác định như:

• Nhiệt thủy hóa của xi măng

• Cường độ yêu cầu của bê tông, quyết định cấp phối sử dụng (bao gồm hàm lượng xi măng sử dụng)

Chiều dày của khối đổ Cấp phối bê tông có thể được tối ưu hóa như sau:

• Tối ưu hàm lượng xi măng bằng cách sử dụng thêm các loại phụ gia siêu hóa dẻo

• Sử dụng cốt liệu có kích thước lớn hơn

• Yêu cầu cường độ của bê tông ở tuổi 56 ngày thay vì 28 ngày

Hình 1.2 Sự phát triển của nhiệt thuỷ hoá trong lòng bê tông khối lớn có thể

dẫn đến nứt vì nhiệt

Nhiệt độ của bê tông tươi nên được hạ thấp nhất có thể Tại miền Nam Việt Nam, nhiệt độ cao nhất của bê tông tươi có thể kiểm soát ở 30 – 320C bằng cách:

• Che chắn cốt liệu để giảm nhiệt độ của chúng

• Tưới ẩm cho cốt liệu thường xuyên

• Sử dụng hệ thống làm lạnh nước hoặc kết hợp với nước đá Trước khi tiến hành thi công khối đổ bê tông, can tiến hành làm khối đổ thử với chiều dày bằng với khối đổ thực tế Để kiểm tra sự thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, khối đổ thử này được bảo dưỡng cách nhiệt các mặt (tối thiểu là 5cm) sao cho tương tự với khối đổ thực tế

Sau khi thi công khối đổ, các biện pháp bảo dưỡng che chắn bằng các vật liệu cách nhiệt (tối thiểu 5cm) là rất cần thiết để giảm thiểu sự chênh leach nhiệt

độ giữa bề mặt và tâm khối đổ Bảo dưỡng bằng cách tưới nước không được sử dụng vì sẽ làm mất nhiệt tại bề mặt khối đổ

Trong suốt quá trình đóng rắn, nhiệt độ của khối đổ bê tông phải được theo dõi mỗi giờ trong vòng ít nhất 3 ngày Để theo dõi nhiệt độ khối đổ có thể lắp đặt hệ thống đầu đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong khối đổ

5 Các lưu ý hạn chế nứt trong thi công bê tông khối lớn:

5.1 Trong thiết kế:

Khi kết cấu có kích thước vượt quá giới hạn trên phải có giải pháp phòng ngừa nứt bêtông ngay từ trong khâu thiết kế:

- Khi a và h đến 1m: không cần cấu tạo cốt thép chống nứt bêtông;

- Khi a và h đến 2m: nên có cấu thạo cốt thép chống nứt bêtông;

- Khi a và h trên 2m: Cần có thiết kế cốt thép chống nứt

5.2 Trong thi công:

Một số biện pháp kỹ thuật hạn chế tốc độ phát triển nhiệt thuỷ hóa của xi măng và chênh lệch nhiệt độ ∆T trong thi công kết cấu bêtông khối lớn như sau:

a Biện pháp hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bêtông

- Hạn chế lượng dùng xi măng: Hạn chế lượng dùng xi măng bằng cách thiết kế thành phần bêtông có độ sụt nhỏ nhất tới mức có thể, sử dụng phụ gia để giảm nước trộn bêtông, sử dụng xi măng có mác thích hợp với mác bê tông theo hướng mác xi măng càng cao, lượng xi măng dùng càng ít, tăng hàm lượng cốt

liệu lớn đến mức tối đa để giảm lượng hồ xi măng trong bê tông, dùng bêtông đầm lăn

- Làm mát để khống chế nhiệt độ: tiêu chuẩn quy định Nhiệt độ hỗn hợp bêtông trước khi đổ được làm mát khống chế không cao hơn 25oC Tuy nhiên, trong Tiêu chuẩn cho phép nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ cao hơn: Nhiệt

độ hỗn hợp bêtông không nên vượt quá 35oC Nên giữ ở dưới 30oC Để đạt được nhiệt độ này, nhất là vào mùa hè nắng nóng, phải có biện pháp hạ nhiệt độ các vật liệu thành phần của bêtông và nước, và che đậy bảo vệ hỗn hợp bêtông trước khi đổ như:

+ Che nắng kho chứa cốt liệu khỏi tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời; + Phun nước lên đá dăm, sỏi để giữ ướt bề mặt tạo cơ chế nước bay hơi làm hạ nhiệt độ vật liệu;

+ Làm lạnh cát bằng dòng nước lạnh chạy qua hộc chứa cát để hạ nhiệt độ cát trước khi trộn;

+ Nhúng đá dăm sỏi vào nước lạnh;

+ Phun nước lạnh lên cốt liệu chạy trên băng chuyền trước khi vào máy trộn;

+ Làm lạnh cát hoặc đá sỏi bằng cách tạo chân không.v.v

- Hạ thấp nhiệt độ nước trộn bêtông:

+ Sử dụng nước đá ở dạng cục được đập nhỏ hoặc viên chế sẵn thay nước trộn bêtông

+ Làm lạnh nước bằng cách bơm chất nitrogen lỏng ở nhiệt độ - 196oC qua hệ thống ống ngâm trong thùng chứa nước trước khi sử dụng để trộn bêtông

- Che chắn nắng khi vận chuyển hỗn hợp bêtông: Hỗn hợp bêtông trong ống bơm hay trên băng chuyền hoặc trong thùng vận chuyển bằng cẩu vào mùa

hè cần được che đậy để tránh tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời, làm nóng hỗn hợp bêtông trước khi đổ

- Giữ độ sụt ổn định: Dưới tác động của các yếu tố khí hậu nóng ẩm, nhất

là ở những vùng và những mùa có khí hậu khô nóng, có gió Lào phải hạn chế tổn thất độ sụt bằng cách dùng phụ gia hoá dẻo chậm ninh kết Thời gian chờ bê tông không nên quá 1,5 giờ Nếu lâu hơn thì phải có biện pháp trộn lại nhưng không được quá 4 giờ

b Biện pháp hạn chế độ chênh lệch nhiệt độ khối bêtông

Độ chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các phần của khối bêtông là nguyên nhân chủ yếu gây nên hiệu ứng nhiệt làm nứt bêtông Các biện pháp kỹ thuật sau đây

có thể làm giảm độ chênh lệch nhiệt độ ∆T của khối bêtông trong những ngày đầu đóng cứng rắn:

- Đưa nhiệt trong khối bêtông ra ngoài: Đưa nhiệt trong khối bêtông ra ngoài bằng cách đặt một dàn ống thoát nhiệt bằng kim loại trong lòng khối đổ Sau đó bơm nước lạnh chảy qua dàn ống để đưa nhiệt trong khối đổ ra ngoài Để tính toán dàn ống thoát nhiệt có thể tham khảo các chỉ dẫn kỹ thuật sau đây:

+ Dùng ống thép có đường kính 20-30mm, thành ống dày 1,5mm, kích thước dàn ống được xác định trên cơ sở kích thước khối bêtông cần thoát nhiệt

+ Dùng nước lạnh tự nhiên từ mạng cấp nước thành phố hoặc nước sông,

hồ hoặc nước đã được làm lạnh trước để cấp cho dàn ống

+ Tốc độ bơm nước qua dàn cần đạt 15-17 l/phút

+ Thông thường nhiệt độ nước cấp có thể để ở nhiệt độ không khí tự nhiên Đối với những công trình cần dùng nước đã được làm lạnh trước khi nhiệt

độ nước cấp vào dàn ống có thể để ở khoảng trên 3oC Khi cần nước lạnh hơn thì

có thể dùng 70% nước và 30% propylene glycol chất chống đóng băng, khi đó nhiệt độ nước cấp có thể thấp ở mức 1oC

+ Dàn ống thoát nhiệt được duy trì hoạt động liên tục trong thời gian 7 -

10 ngày, tuỳ theo mức độ yêu cầu thoát nhiệt của dàn ống

+ Sau khi kết thúc quá trình thoát nhiệt khối bêtông, dàn ống thoát nhiệt được bơm rửa sạch trong lòng ống, đuổi hết nước ra khỏi dàn ống và bơm ép vữa xi măng cát lấp đầy tất cả các ống của dàn Vữa xi măng cát có cường độ không thấp hơn cường độ vữa trong bêtông Khi vữa đã đóng rắn thì cắt bỏ các phần ống thừa ra ngoài khối bêtông

- Chia nhỏ khối đổ để thi công: Đối với các khối bêtông có thể tích lớn, không thể thi công xong trong thời gian ngắn, có thể chia khối đổ thành các phần nhỏ để thi công

Các phần của khối đổ được chia với kích thước sao cho nó có một cạnh hoặc chiều cao nhỏ hơn 2m Kích thước khối chi có thể lớn hơn nếu kết cấu bêtông đã bố trí cốt thép phòng chống nứt cho khối lớn

Kích thước chia mỗi đợt đổ bêtông có chiều cao không quá 1,5m Mỗi đợt

đổ bêtông không kéo dài thời gian qua 2 ngày đêm

- Thi công các phần của khối đổ: Chỉ bắt đầu thi công phần chia của khối bêtông của các phần đổ trước có cạnh liền kề đạt tuổi không dưới 4 ngày đêm

5.3 Các lưu ý trong công tác bảo dưỡng:

5.3.1 Bọc khối bêtông bằng vật liệu cách nhiệt:

Bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ để giữ cho nhiệt thuỷ hoá của

xi măng không thoát ra ngoài, mà tích tụ trong khối bêtông và cân bằng nhiệt giữa vùng tâm với vùng xung quanh khối đổ Biện pháp này chỉ được áp dụng đối với các kết cấu bêtông có khối tích cho phép đổ liên tục và thời gian không quá 2 ngày đêm Vật liệu tấm cách nhiệt được bọc áp sát mặt ngoài cốp pha thành trước lúc đổ bêtông Cần có biện pháp che chắn mặt ngoài để chống mưa làm ướt vật liệu cách nhiệt Có thể dùng các vật liệu cách nhiệt sau đây để bọc xung quanh thành khối đổ:

- Tấm xốp polystyrene hoặc polyurethane dày 4-5cm, có khối lượng thể tích không dưới 20kg/m3

- Tấm bằng khoáng có chiều dày 7-10cm

để giải quyết việc có cần che đậy phía trên hay không

Đối với các khối đổ có diện tích bề mặt lớn, hoàn thiện bề mặt bêtông đến đâu, tiến hành phủ vật liệu cách nhiệt ngay đến đấy Có thể dùng vật liệu cách nhiệt sau đây để phủ bề mặt bêtông:

- Hạt polystyrene xốp với chiều dày không dưới 10cm

- Trấu thóc với chiều dày không dưới 15cm

5.3.3 Dỡ vật liệu cách nhiệt và cốp pha thành:

Vật liệu cách nhiệt được dỡ khi bêtông đã có không ít hơn 5 ngày tuổi Dỡ làm 2 bước: Đầu tiên dỡ bung các tấm vật liệu cách nhiệt ra nhưng chưa chuyển

đi Đối với vật liệu rời thì tháo dỡ lớp nilon phía trên và xáo trộn lớp vật liệu rời Ngày hôm sau mới tháp dỡ vật liệu cách nhiệt chuyển ra khỏi khối bêtông cho

cả thành và mặt bêtông

Sau đó cốp pha thành được tháo bung ra khỏi mặt thành bêtông Không

dỡ vật liệu cách nhiệt và cốp pha vào lúc trời mưa

5.3.4 Chống xung nhiệt khi tháo dỡ cốp pha:

Để tránh tác động xung nhiệt cho lớp bêtông xung quanh phía ngoài khối

đổ, việc tháo dỡ cốp pha cần đảm bảo những yêu cầu sau đây:

- Chỉ tháo dỡ cốp pha thành khi bêtông đã có tuổi không ít hơn 5 ngày đêm;

- Tháo cốp pha làm 2 bước: Đầu tiên tháo bung thành cốp pha nhưng vẫn

để cốp pha tại chỗ Sau một ngày đếm chuyển cốp pha đi

5.4 Các lưu ý công tác kiểm tra:

5.4.1 Kiểm tra trước khi đổ bêtông:

Trước khi đổ bêtông cần thực hiện các nội dung kiểm tra sau đây:

- Tình trạng vật liệu xi măng trong bêtông;

- Biện pháp bảo vệ hỗn hợp bêtông che chắn nắng;

- Nhiệt độ hỗn hợp bêtông trước khi đổ;

- Tình trạng vật liệu cách nhiệt sẽ sử dụng;

- Biện pháp thi công chống nứt, chiều cao lớp đổ và đợt đổ;

- Tình trạng thiết bị thi công để đảm bảo thi công liên tục các lớp đổ và đợt đổ theo mức thời gian quy định;

- Tình trạng cốp pha;

- Tình trạng lắp đặt hệ dàn ống thoát nhiệt nếu có và vận hành thử chúng;

- Chế độ bảo dưỡng bằng tưới nước sao cho thoát nhiệt nhanh;

- Biện pháp xử lý dàn ống thoát ra nhiệt khi kết thúc thi công;

- Biện pháp thi công bọc vật liệu cách nhiệt;

- Chất lượng bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ;

- Chất lượng lắp đặt hệ thống dàn ống thoát nhiệt nếu có và tình trang vận hành

5.4.2 Kiểm tra sau khi đổ bê tông:

Sau khi đổ bêtông cần thực hiện các nội dung kiểm tra sau:

- Chất lượng thi công bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt khối đổ Đặc biệt các gờ cạnh và góc;

- Trình trạng bảo dưỡng bằng tưới nước (đảm bảo thoát nhiệt nhanh);

- Tình trạng dỡ cốp pha và vật liệu cách nhiệt không gây xung nhiệt;

- Có xuất hiện vết nứt hay không sau khi tháo cốp pha và sau một vài ngày tiếp theo;

- Chất lượng bê tông theo thiết kế;

- Chế độ vận hành hệ dàn ống thoát nhiệt (nếu có);

- Diễn biến nhiệt độ, bê tông khối đổ;

- Chất lượng liền khối của khối đổ (khi có chia nhỏ khối đổ)

6 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 Trong thi công các công trình xây dựng giao thông hiện nay có nhiều kết cấu có khối tích rất lớn như bệ móng,trụ tháp, thân trụ, thân mố… Với những kết cấu này lượng nhiệt thủy hóa xi măng rất lớn, mặt khác sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong lòng khối bê tông khá phức tạp Tuy nhiên, việc xác định trường nhiệt độ, ứng suất của những kết cấu

này là rất khó khăn, do số lượng phần tử, số biến và các thông số về điều kiện biên khá lớn

Trong đề tài này giới thiệu kết quả phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ của bê tông khối lớn, đồng thời phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các giá trị tính toán về vật liệu, các điều kiện biên và mô hình được xác lập theo các quy phạm hiện hành cũng như tham khảo thực nghiệm Kết quả tính toán được phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm Từ đó có thể kiểm tra lại các thông số thiết kế (cấp phối bê tông, nhiệt độ bê tông khi đổ, phương pháp và thời gian bảo dưỡng…) để đưa ra các điều chỉnh hợp lý về vật liệu và giải pháp thi công nhằm kiểm soát nứt, đảm bảo chất lượng kết cấu bê tông khối lớn

7 Những vấn đề cần giải quyết:

- Đề tài tập trung giải quyết bài toán nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn Cụ thể đề tài xây dựng mô hình bệ trụ cầu bằng phần mềm Midas và sử dụng Midas Civil để phân tích thủy nhiệt Tập trung phân tích đặc điểm ứng suất, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra lúc có và không có hệ thống làm lạnh

- Đưa ra các cảnh báo để phòng ngừa những rủi ro ngoài ý muốn

- Đề xuất áp dụng hệ thống làm lạnh cho quá trình thi các công trình có cấu tạo bê tông khối lớn

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN NHIỆT THỦY HÓA

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

Trong luận văn này sẽ bàn luận về những gì sẽ xảy ra khi xi măng được trộn với nước

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 Một ví dụ minh họa về đường cong tỏa nhiệt được ghi lại thể hiện trong Hình 2.1

Hình 2.1 Đường cong tỏa nhiệt

- Phần đầu của khoảng thời gian ngủ đông, có thể lên đến nửa giai đoạn này, tương ứng với khi bê tông có thể đã được thi công Khi trong tiến trình giai đoạn ngủ đông có thể ở giữa giai đoạn, hồ xi măng trở nên quá cứng để có thể thi công được

Vào cuối thời kỳ ngủ đông (Dormant), khoáng alite và belite trong xi măng bắt đầu phản ứng, với sự hình thành calcium silicate hydrate và calcium hydroxide Điều này tương ứng với thời kỳ thủy hóa chính (Giai đoạn III), trong thời gian đó cường độ bê tông tăng lên Các hạt riêng lẻ phản ứng từ bề mặt vào bên trong, và các hạt khan trở nên nhỏ hơn (C3A) cũng tiếp tục thủy hóa khi những tinh thể chưa phản ứng có thể tiếp cận với nước

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

đóng góp chính cho cường độ bê tông Nó thường được viết tắt, sử dụng ký hiệu của các nhà hóa học xi măng là "C-S-H", các dấu gạch ngang chỉ ra rằng không

có tỷ số chặt chẽ SiO2 với CaO được suy ra Tỷ lệ Si/Ca có phần thay đổi nhưng thường xấp xỉ khoảng 0,45-0,50 trong xi măng poóc lăng ngậm nước nhưng có thể lên đến khoảng 0,6 nếu xỉ hoặc tro bay hoặc microsilica có mặt, tùy thuộc vào tỷ lệ

- Canxi hydroxit: (hoặc Portlandite) - Ca(OH)2, thường được viết tắt là 'CH' CH được hình thành chủ yếu từ thủy hóa khoáng alite Alite có tỉ lệ Ca: Si

là 3:1 và C-S-H có tỉ lệ Ca/Si khoảng 2:1, do đó vôi có sẵn quá nhiều để tạo ra

CH

- Pha AFm và AFt: đây là hai nhóm khoáng xuất hiện trong xi măng Một trong những pha AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là monosulfate và đến nay pha AFt phổ biến nhất là ettringite Các định nghĩa chung của các pha này phần nào là kỹ thuật, nhưng ví dụ ettringite là một pha AFt bởi vì nó chứa

ba phân tử (t-tri) anhydrite khi viết như C3A.3CaSO4.32H2O và monosulfate là một pha AFm bởi vì nó chứa một (m-mono) của anhydrite khi viết như C3A.CaSO4.12H2O

- Các pha AFt và AFm phổ biến nhất trong xi măng thủy hóa là: Ettringite: ettringite có mặt trong dạng tinh thể giống hình kim ở giai đoạn đầu của phản ứng hoặc đôi khi sự gia tăng khối lượng làm đầy các lỗ rỗng hoặc vết nứt trong bê tông hoặc vữa lâu ngày Công thức hóa học cho ettringite là [Ca3Al (OH)6.12 H2O] 2.2 H2O] hoặc, các ký hiệu khác, C3A.3CaSO4.32 H2O

Monosulfate: monosulfate có khuynh hướng xảy ra trong các giai đoạn sau của thủy hóa, một hoặc hai ngày sau khi trộn Công thức hóa học cho monosulfate là C3A.CaSO4.12H2O Lưu ý rằng cả ettringite và monosulfate là hợp chất C3A, CaSO4 (anhydrite) và nước, với tỷ lệ khác nhau

Monocacbonat: Sự có mặt của đá vôi mịn, dù là xi măng hay là đá vôi kết hợp, có thể sản xuất monocacbonate (C3A.CaCO3.11H2O) vì một số đá vôi phản ứng với dung dịch nước xi măng

Một số điểm quan trọng cần lưu ý về các pha AFm và AFt là:

- Chúng chứa rất nhiều nước, đặc biệt là AFt - chủ yếu là ettringite trong

hệ xi măng

- AFm có tỉ lệ nhôm/canxi cao hơn so với AFt

- Nhôm có thể được thay thế một phần bằng sắt trong cả hai pha AFm và AFt

- Ion sulfate trong pha monosulfate AFm có thể được thay thế bằng các anion khác; thay thế một cho một nếu anion có điện tích 2- (ví dụ: cacbonat, CO22-) hoặc một cho hai nếu anion thay thế được điện tích 1- (ví dụ: hydroxyl, OH- hoặc clorua, Cl-)

- Sulfate trong ettringite có thể được thay thế bằng cacbonat hoặc, có thể một phần được thay thế bởi hai ion hydroxyl, mặc dù trên thực tế, không có trường hợp này được quan sát thấy

Trong bê tông được chế tạo từ xi măng chỉ chứa clinker và thạch cao, ettringite hình thành sớm sau khi xi măng và nước được trộn lẫn, nhưng dần dần

nó được thay bằng monosulfate Điều này là do tỷ lệ nhôm sẵn có đối với sulfate tăng lên khi tiếp tục thủy hoá xi măng; khi lần tiếp xúc đầu tiên với nước, phần lớn sulfate có sẵn để hòa tan, nhưng phần lớn C3A chứa trong các hạt xi măng

mà không có nước tiếp xúc ban đầu Tiếp tục hydrat hóa dần dần giải phóng alumina-Al2O3 và tỷ lệ ettringite giảm khi monosulfate tăng

Nếu có nhiều alumina hơn sulfate, tất cả sulfate sẽ là monosulfate, với alumina bổ sung có mặt dưới dạng AFm hydroxyl được thế (hydroxy-AFm) Nếu có một lượng sulfate nhỏ, hỗn hợp xi măng sẽ chứa một hỗn hợp monosulfate và ettringite Với việc tăng sulfate sẵn có, sẽ có nhiều ettringite và

ít monosulfate và ở mức độ cao hơn của sulfate sẽ có ettringite và thạch cao

Nếu có đá vôi mịn, ion cacbonat (CO32-) trở nên có sẵn khi một số đá vôi phản ứng Cacbonat thay sulfate hoặc hydroxyl trong AFm; tỷ lệ monosulfate hoặc hydroxy-AFm giảm do tỷ lệ monocacbonate tăng Sulfate di chuyển thường kết hợp với monosulfate còn lại để tạo ettringite, nhưng nếu có hydroxy-AFm, sulfate sẽ thải ra các ion hydroxyl (OH-) để tạo thành monosulfate hơn Mấu chốt ở đây là một mặt cân bằng giữa alumina có sẵn, mặt khác là cacbonate

và sulfate

Hydrogarnet: hydrogarnet chủ yếu là kết quả của quá trình thủy hóa ferrite hoặc C3A Hydrogarnets có một dải các thành phần, trong đó C3AH6 là pha phổ biến nhất hình thành từ quá trình thủy hoá xi măng thông thường và sau đó chỉ với một lượng nhỏ Có thể tìm thấy nhiều loại hydrogarnet khác nhau trong các sản phẩm xi măng đã được chưng áp (autoclave)

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 Phân tích truyền nhiệt là quá trình tính toán sự thay đổi nhiệt độ theo thời

gian liên quan đến nguồn sinh nhiệt, sự đối lưu, sự dẫn nhiệt, v.v… xảy ra trong quá trình thủy hóa ximăng Phân tích ứng suất nhiệt cung cấp các tính toán ứng suất cho bê tông khối lớn theo từng giai đoạn thi công dựa trên các thay đổi về

sự phân bố nhiệt độ theo thời gian có được từ phân tích truyền nhiệt Phân tích ứng suất nhiệt cũng xem xét đến sự thay đổi các tính chất vật liệu cũng như co ngót và từ biến theo thời gian và nhiệt độ

Phân tích truyền nhiệt gồm hai phần chính là phân tích dẫn nhiệt và phân tích đối lưu nhiệt

2.1 Phân tích truyền nhiệt:

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 Tốc độ dẫn nhiệt tỷ lệ với diện tích vuông góc với phương dẫn, gradient nhiệt theo phương

đó Theo định luật Fourier:

Qx: là lượng nhiệt được truyền, đơn vị là kcal/h.m.oC

k: là hệ số dẫn nhiệt, đối với bêtông bão hòa, k=1,21-3,11

A: là diện tích dẫn nhiệt, vuông góc phương dẫn nhiệt

T x



 : là gradient nhiệt

- 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 Lượng nhiệt được truyền q do đối lưu trên một đơn vị diện tích khối rắn được tính toán như sau:

q= hc (T-T∞) (2.2) Với:

hc là hệ số truyền nhiệt giữa chất rắn và chất lỏng/chất khí hc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu tạo hình học của bề mặt, tính chất vật lý của chất lỏng/chất khí, nhiệt độ trung bình của bề mặt chất lỏng, v.v… khi

tính toán các khối bê tông trong không khí, hc có thể được tính toán như sau: hc =5,2+3,5v (v là vận tốc gió; được tính bằng m/s);

T là nhiệt độ bề mặt chất rắn và T∞ là nhiệt độ môi trường chất lỏng/khí

- 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…

Lượng nhiệt bê trong bê tông phát sinh do quá trình thủy hóa trong một đơn vị thời gian và đơn vị thể tích là:

at

Phương trình tăng nhiệt độ đoạn nhiệt là T = K(1-e-at)

Ở đây:

T là nhiệt độ đoạn nhiệt (oC);

K là sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lớn nhất (oC);

a là hệ số tốc độ phản ứng;

r là khối lượng thể tích của bê tông (kg/m3);

t là thời gian (ngày)

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 Lượng nhiệt được trao đổi có thể được tính toán như sau:

Qconv = hpAs(Ts-Tm) (2.4) Với:

Hp : là hệ số truyền nhiệt của chất lỏng;

As : là diện tích của bề mặt của ống làm nguội;

Ts : là nhiệt độ bề mặt ống;

Tm : là nhiệt độ chất lỏng làm nguội

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 ính 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

- Tuổi tương đương của bê tông có thể được tính toán theo công thức của CEB-FIP MODEL CODE như sau:

 là khỏang thời gian từng giai đoạn phân tích (ngày);

T(t i) là nhiệt độ tại mỗi thời điểm phân tích;

T0 là nhiệt độ ban đầu, được lấy bằng 1oC;

n là số giai đoạn phân tích

- Nhiệt độ cộng dồn trong bê tông là đại lượng thể hiện lịch sử tác động của nhiệt độ Giá trị này có thể được xác định theo công thức của Ohzagi như sau:

 là khỏang thời gian từng giai đoạn phân tích (ngày);

T(t i) là nhiệt độ tại mỗi thời điểm phân tích;

- Cường độ chịu nén của bê tông tính theo tuổi tương đương và nhiệt độ cộng dồn, được tính theo công thức sau:

Với: f’c(t) : là cường độ bê tông tại thời điểm tính toán;

f’c(28) : là cường độ bê tông tại tuổi 28 ngày;

a, b : là các hệ số phụ thuộc vào loại xi măng;

t : là thời gian tính toán (ngày);

teq : là tuổi tương đương của bê tông;

3 Tính toán nhiệt thủy hóa xi măng:

Nhiệt lượng nhả ra trong quá trình thủy hóa xi măng Qx là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian 72 giờ đầu

Nhiệt lượng Qx do Gx kg xi măng thủy hóa được xác định theo công thức:

Qx = qx.Gx (kCal) Trong đó: qx – nhiệt lượng thủy hóa của một kg xi măng xác định như sau:

qx = 0.0023.qXM28.TBT.τ.N/X0.44 (kCal/kg)

qXM28 – kCal/kg: nhiệt lượng do xi măng tỏa ra trong 28 ngày tuổi

tBT - oC: nhiệt độ trung bình của bê tông trong quá trình đóng rắn

τ – h : khoảng thời gian đóng rắn

N/X – kg/kg: tỷ lệ nước và xi măng

Khi thành phần khoáng của xi măng thay đổi thì nhiệt lượng thủy hóa

qXM

28 cũng thay đổi và được xác định theo công thức

qXM28 – thay đổi không nhiều theo thành phần khoáng của xi măng vì vậy

VT+DT = VT 1+3χ t

VT-m3: thể tích khối bê tông ở nhiệt đô t

Vt+ t – m3: thể tích khối bê tông ở nhiệt độ t + t

Dt-K: độ tăng nhiệt độ;

a-1/K: hệ số dãn nở nhiệt khối bê tông:

χ = 1,1.10-5-1,2.10-5

4 Cơ sở phân tích nhiệt thủy hóa bằng Midas civil:

Mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt với 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:

- Xây dựng mô hình kết cấu phản ánh cấu trúc hình học, vật liệu, tải trọng, quá trình thi công

- Xác định sự biến thiên các đặc trưng cơ học của vật liệu như co ngót, từ biến và cường độ theo thời gian

- Xác định các đặc trưng nhiệt của vật liệu và kết cấu, như:

+ Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của bê tông

+ Bề mặt tiếp xúc của các khối bê tông với môi trường hay với các bộ phận kết cấu khác trong quá trình thi công

+ Nhiệt độ môi trường

+ Hàm mô tả nguồn nhiệt

- Xây dựng hàm hệ số đối lưu

- Mô tả hệ thống làm lạnh

- Phân tích và xử lý kết quả

5 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 Một số tính năng nổi bật của phần mềm như:

- Hỗ trợ trực tiếp việc mô hình hóa các dạng sơ đồ kết cấu riêng biệt: Cầu dây văng, cầu dây võng, cầu liên tục thi công theo công nghệ hẫng, đúc đẩy, đúc tại chỗ trên đà giáo, qua mô đun Bridge Wizard Với nhiều các mode kết cấu với nhiều mode mặt cắt, vật liệu và tải trọng

- 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)

- Hỗ trợ nhiều loại phần tử để mô phỏng các cấu kiện của cầu: phần tử thanh, tấm, vỏ, khối, cáp ứng suất trước, dây chỉ chịu kéo, phần tử liên kết, phần

- Khả năng phân tích tải trọng di động mạnh: hỗ trợ các loại hoạt tải tiêu chuẩn theo các quy trình thiết kế cầu tiên tiến AASHTO-LRFD-02 (Mỹ),v.v…

- Khả năng tính toán thiết kế theo nhiều tiêu chuẩn tiên tiến

- Khả năng tính toán lực điều chỉnh trong các dây cáp của cầu treo theo lý thuyết tối ưu qua lệnh Unknow Load factor

- Có khả năng phân tích kết cấu với số lượng phần tử và nút với số lượng lớn

- Cung cấp gần như nhiều mode phần tử để mô hình hóa và phân tích nhiều bài toán kết cấu

- Tốc độ tính toán của MiDAS/Civil là rất cao do chương trình này áp dụng nhiều thuật toán tính toán hiện đại như giải đa ma trận

- MIDAS/Civil có các giao diện đồ họa tiền xử lý và hậu xử lý rất tiện dụng và trực quan

Với sự phổ biến của phần mềm MIDAS/Civil, việc cài đặt dễ dàng và nguồn tài liệu hướng dẫn sử dụng dễ tìm kiếm, cùng với sự quen thuộc với phân mềm trong quá trình học tập và làm việc, tác giả quyết định chọn chương trình MIDAS/Civil 2011 để phục vụ tính toán cho luận văn này

6 Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn:

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học Phương pháp phần tử hữu

hạn có từ rất sớm, xuất hiện từ năm 1940 và phát triển mạnh vào những năm 60 của thế kỉ này Được lập trình trên máy tính nên cho kết quả có tính chính xác cao, phương pháp phân tử hữu hạn được sử dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

kỹ thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt, thấm, trường điện thế, điện từ, cơ chất lỏng

Với phương pháp này phần tử liên tục sẽ được xem là tập hợp các phần tử hữu hạn và kết nối nối với nhau tại một số vị trí (nút) Các nút thường nằm ở vị trí biên các phần tử liền kề nhau Sự biến thiên thực sự của biến trường (ứng suất, chuyển vị, nhiệt độ, áp suất…) bên trong vật thể (môi trường liên tục) chưa biết trước, nên biến thiên của biến trường bên trong một phần tử hữu hạn được giả thiết xấp xỉ với một hàm đơn giản Hàm xấp xỉ (hay hàm nội suy) được xác định theo biến trường tại các nút Khi phương trình của biến trường được viết cho toàn bộ miền tính toán, các ẩn số mới sẽ là giá trị tại các nút của biến trường Bằng cách giải hệ phương trình này ta xác định được giá trị của biến trường tại các nút và từ hàm nội suy đã giả thuyết ta xác đinh được sự biến thiên của biến trường trong miền tính toán

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử) Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là một hàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng

và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử

Nói như vậy, để tính toán một kết cấu với cấu tạo bất kỳ thì ta chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ

Sự biến dạng tổng thể của kết cấu thông qua biến dạng của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt Tính liên tục của các cấu kiện và

sự liên kết giữa các cấu kiện với nhau thể hiện qua sự liên kết giữa các phần tử thông qua các nút Liên kết giữa kết cấu và nền được thể hiện bởi điều kiện biên của các nút hay độ tự do của các nút Các tác động đều thông qua và quy đổi về các nút Việc chia lưới phần tử và nút , mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết cấu thực tế Nếu đảm bảo được điều này thì mô hình PTHH

sẽ làm việc giống hoặc gần giống kết cấu thực tế Việc tính toán mô hình PTHH

là trước hết phân tích trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu từ đó theo điều kiện liên kết tìm được trạng thái làm việc của từng PTHH

Trạng thái làm việc của từng phần tử phụ thuộc vào quan hệ ứng suất – biến dạng và cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử Quan hệ

đó biểu hiện ở độ cứng của phần tử Do vậy từ điều kiện cân bằng giữa các nút

ta thiết lập được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút , từ đó tìm ra những thành phần còn lại chưa biết

Vấn đề quan trọng trong việc giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là xây dựng ma trận độ cứng cho phần tử Từ đó lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các điều kiện liên tục, điều kiện biên để tạo phương trình cho hệ

và giải các hệ phương trình này [12] Các bước tiến hành chung của phương pháp phần tử hữu hạn như sau:

Bước 1: Rời rạc hóa kết cấu: miền tính toán được chia nhỏ thành E miền

con hoặc phần tử các miền con liên kết với nhau tại điểm nút nhằm mục đích