Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng của dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng ở việt nam

I-TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng của dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng ở Việt Nam.. Từ đó tìm ra giải pháp hạn

PHÁP ĐÚC HẪNG Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

KHÁC TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT MÃ SỐ NGÀNH: 2 15 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 09 năm 2004

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : TRẦN ĐỨC HẢI Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 20 / 10 / 1978 Nơi sinh: Tỉnh An Giang Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình xây dựng Mã số ngành: 2.15.10 khác trên đường ôtô và đường sắt

I-TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng của dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng ở Việt Nam

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ:

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót và từ biến và các mô hình tính toán Từ đó tìm ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng và mô hình tính toán thích hợp để tính toán ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng của kết cấu trong quá trình thi công đúc hẫng trong điều kiện Việt Nam

2 Nội dung:

Chương I : Mở đầu

Chương II : Tổng quan cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng, đặc điểm, phương

pháp thi công đúc hẫng và phân tích điều kiện khí hậu Việt Nam

Chương III: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót và từ biến và các mô hình tính

toán

Chương IV : Tính toán sự ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng của kết cấu

dầm cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng

Chương V : Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/9/2004

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : T.S LÊ VĂN NAM

T.S LÊ VĂN NAM

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2004

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

dạy chương trình cao học ngành Cầu, tuynen và các công trình xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt

Em vô cùng biết ơn Thầy Tiến sĩ Lê Văn Nam, Thầy đã không quản ngại khó khăn, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Kính chúc Quý Thầy, Cô sức khỏe và hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 3/9/2004

Học viên

Trần Đức Hải

reinforced concrete girder constructed by cast-in-place balanced cantilever method

When making a calculation of strength and deformation of structures of a reinforced concrete bridge, the creep and shrinkage in concrete should be considered These factors might be in progress for a long time, effecting considerately deflection values of R.C span structures, causing the loss of pre-stressing in pre-stressed strands and redistributing stresses in the statically indeterminate structures

Concrete experiences volume changes throughout its service life The total in-service volume change of concrete is the resultant of applied loads and shrinkage When loaded, concrete experiences an instantaneous recoverable elastic deformation and a slow inelastic deformation called creep Creep of concrete is composed of two components, basic creep, or deformation under load without moisture loss and drying creep, or deformation under drying conditions only Deformation of concrete in the absence of applied load is often called shrinkage

There are three types of shrinkage; autogeneous, drying, and carbonation shrinkage Autogeneous shrinkage is the resultant of the hydration process The hydrated cement paste is smaller in volume than the solid volume of the cement paste and water Drying shrinkage is caused by the loss of evaporable water Carbonation shrinkage is caused by the carbonation of hydrated cement products and possibly from the movement of water from the gel pores to the capillary pores

Designs typically use one of the two code models to estimate creep and shrinkage strain in concrete, ACI 209 model recommended by the American Concrete Institute or the Eurocode 2 model recommended by the Euro-International Committee CEB 90 Three other models are the B3 model, developed by Bazant; the GZ model, developed by Gardner; and the SAK model, developed by Sakata

In this thesis, the factors that effect shrinkage and creep are profoundly studies and the models of creep and shrinkage are chosen to be suite to conditions in Viet Nam

Mục lục

Nội dung luận văn

Chương I: Mở đầu 1

1.1 Co ngót và từ biến của bê tông 1

1.2 Mô hình co ngót và từ biến của bê tông 1.3 Aûnh hưởng co ngót và từ biến trong kết cấu thi công theo phương

pháp đúc hẫng 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 3

Chương II: Tổng quan cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng, đặc điểm, phương pháp thi công đúc hẫng và phân tích điều kiện khí hậu Việt Nam 4

2.1 Tổng quan cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng 4

2.2 Đặc điểm của phương pháp thi công đúc hẫng 6

2.2.1 Thi công các đốt kết cấu nhịp 6

2.2.2 Nguyên lý tính toán 6

2.2.2.1 Cường độ thấp của bê tông non tuổi 7

2.2.2.2 Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi bê tông 7

2.2.2.3 Mất mát ứng suất do tác động yếu tố thời gian 8

2.2.2.4 Phân bố lại nội lực 8

2.3 Phương pháp thi công đúc hẫng .8

2.3.1 Phân loại phương pháp đúc hẫng 8

2.3.1.1 Đúc hẫng cân bằng 8

2.3.1.2 Đúc hẫng không cân bằng 9

2.3.2 Công nghệ thi công đúc hẫng .9

2.5 Nội dung nghiên cứu 15

Chương III: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót, từ biến

và các mô hình tính toán 16

3.1 Phân tích sự ảnh hưởng của từ biến 16

3.1.1 Khái niệm .16

3.1.2 Bản chất cơ lý của hiện tượng từ biến 17

3.1.3 Xác định trị số từ biến 17

3.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến từ biến 18

3.2 Phân tích sự ảnh hưởng của co ngót 22

3.2.1 Sự khuếch tán độ ẩm trong bêtông 23

3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót 24

3.3 Từ biến và co ngót của bê tông cường độ cao 27

3.4 Kết luận 27

3.5 Các mô hình từ biến và co ngót 28

3.5.1 Mô hình ACI 209 29

3.5.2 Mô hình B3 30

3.5.3 Mô hình CEB 90 31

3.5.4 Mô hình GZ 32

3.5.5 Mô hình SAK 32

3.5.6 Tóm tắt 33

Chương IV: Tính toán sự ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ

vồng của kết cấu dầm cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng 36

4.1 Đặc điểm tính toán 36

4.2 Trình tự và công thức tính co ngót và từ biến trong kết cấu bê tông 38

4.2.1 Mô hình ACI 209 Code 38

4.2.2 Mô hình CEB 90 40

4.3 Phương pháp đơn giản hóa sử dụng hệ số từ biến để phân tích kết cấu 51

4.3.1 Sự thay đổi ứng suất theo thời gian do co ngót và từ biến nhỏ và ít ảnh hưởng đến kết cấu 51

4.3.2 Sự thay đổi ứng suất theo thời gian do co ngót và từ biến là đáng kể 52

4.4 Tính toán hệ số từ biến và biến dạng co ngót theo 05 mô hình ứng với độ ẩm khác nhau 53

4.4.1 Trường hợp độ ẩm tương đối H=50% 53

4.4.2 Trường hợp độ ẩm tương đối H=75% 57

4.4.3 Trường hợp độ ẩm tương đối H=85% 60

4.5 Tính toán độ vồng của một vài công trình cụ thể có xét đến ảnh hưởng co ngót và từ biến theo các mô hình 63

4.5.1 Tính toán độ vồng của công trình cầu Bình Phước 64

4.5.2 Tính toán độ vồng của công trình cầu Câu Lâu 66

4.6 So sánh số liệu trên với số liệu thực tế của một số công trình đã thi công 68

4.6.1 Công trình cầu Bình Phước 68

4.6.2 Công trình cầu Câu Lâu 68

4.7 Nhận xét 70

Chương V: Kết luận và kiến nghị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 1: 75

PHỤ LỤC 2: 117

PHỤ LỤC 3: 160

TÓM TẮT LÝ LỊCH 164

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Co ngót và từ biến của bê tông

Co ngót và từ biến là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng phục vụ, độ bền và độ tin cậy lâu dài của kết cấu bê tông Đặc biệt là trong kết cấu dầm cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố lại nội lực và biến dạng Khi tải trọng tĩnh đặt lên kết cấu, biến dạng đàn hồi xuất hiện ngay lập tức theo sau đó là biến dạng không đàn hồi liên tục xảy ra với tốc độ chậm Biến dạng không đàn hồi tăng với tốc độ chậm này được gọi là từ biến

Kết cấu bê tông cũng xảy ra hiện tượng thay đổi thể tích trong suốt quá trình làm việc của nó ngay cả khi tải trọng không tác dụng Sự thay đổi thể tích gây ra biến dạng này được gọi là co ngót Biến dạng co ngót thường được biểu diễn bằng đơn vị microstrain

Biến dạng từ biến được xác định thông qua hệ số từ biến, từ biến riêng hoặc biến dạng đàn hồi từ biến tùy thuộc vào các mô hình khác nhau Hệ số từ biến được xác định bằng tỷ số giữa biến dạng từ biến và biến dạng đàn hồi Từ biến riêng được xác định bằng biến dạng từ biến chia cho ứng suất đơn vị Biến dạng đàn hồi từ biến được xác định bằng biến dạng từ biến cộng biến dạng đàn hồi chia cho ứng suất đơn vị, trong đó biến dạng đàn hồi là biến dạng tức thời có thể hồi phục của kết cấu bê tông trong suốt giai đoạn đặt tải ban đầu

1.2 Mô hình co ngót và từ biến của bê tông

Độ chính xác của các mô hình tính toán từ biến và co ngót là rất quan trọng trong việc thiết kế kết cấu bê tông Bất cứ sự sai sót nào trong sự tiên đoán từ biến và co ngót có thể dẫn tới thừa ứng suất, nứt hoặc biến dạng lớn và gây ra

mất mát dự ứng lực (DUL) trong cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực Tất cả các yếu tố này có thể dẫn tới phá hoại kết cấu

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mô hình tính co ngót và từ biến được đề xuất bởi nhiều tác giả khác nhau Kỹ sư thiết kế thường tận dụng một trong hai mô hình sau để ước lượng biến dạng từ biến và co ngót trong bê tông Mô hình đầu tiên là ACI 209 được giới thiệu bởi Viện bê tông Mỹ (ACI) và mô hình CEB

90 được giới thiệu bởi Ủy ban bê tông quốc tế châu Âu Cùng với sự phát triển của máy tính và thu thập các số liệu thí nghiệm trên toàn thế giới, có nhiều mô hình tính toán co ngót và từ biến mới ra đời Ba mô hình nổi tiếng là: B3, GZ và SAK Những mô hình này có mức độ phức tạp khác nhau tuỳ theo từng tác giả để đưa ra lời giải tốt bằng hoặc tốt hơn hai mô hình hiện hữu

1.3 Ảnh hưởng co ngót và từ biến trong kết cấu dầm cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng

Việc xác định giá trị độ vồng của dầm khi thi công theo phương pháp đúc hẫng là rất quan trọng vì nó đảm bảo cho cao độ dầm lúc hợp long là đúng cao độ thiết kế Nhưng việc xác định giá trị độ vồng lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: trọng lượng bản thân, tải trọng thi công, cáp dự ứng lực, biến dạng của co ngót và từ biến theo thời gian… Xác định trị số co ngót và từ biến hết sức phức tạp, nó phụ thuộc vào độ ẩm tương đối, tuổi của bê tông lúc đặt tải, cường độ bê tông lúc đặt tải…

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu co ngót, từ biến và các yếu tố ảnh hưởng đến chúng từ đó tìm ra biện pháp hạn chế ảnh hưởng của co ngót và từ biến Tính toán co ngót và từ biến theo 5 mô hình tính như đã đề cập trên Tính toán độ vồng của cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng có xét đến ảnh hưởng của co ngót và từ biến theo

các mô hình tính khác nhau So sánh giá trị này với giá trị thực tế của một số công trình đã được xây dựng và đưa ra lời nhận xét cho các mô hình

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Trên thế giới có rất nhiều tác giả đã nghiên cứu co ngót và từ biến, nhưng chưa có tác giả nào nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của co ngót và từ biến, và độ chính xác của các mô hình tính toán biến dạng co ngót và từ biến của bê tông đến một kết cấu dầm cầu bê tông cốt thép DUL thi công theo phương pháp đúc hẫng trong điều kiện cụ thể ở nước ta Vì vậy, trong đề tài này tôi muốn đi sâu phân tích và tính toán ảnh hưởng co ngót và từ biến theo 05 mô hình trên và bước đầu chọn ra mô hình thích hợp nhất cho việc tính toán biến dạng co ngót và từ biến của kết cấu dầm cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Chương II: TỔNG QUAN CẦU THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC

HẪNG, ĐẶC ĐIỂM, PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐÚC HẪNG VÀ PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 2.1 Tổng quan cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng

Trên thế giới, cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng được thực hiện vào khoảng những năm 50 của thế kỷ XX Và hơn nửa thế kỷ qua, loại cầu thi công theo phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi cho cầu có khẩu độ từ 60 đến 150m Những cầu có nhịp dài nhất (không loại cầu có cáp DUL căng ngoài tiết diện như cầu dây văng ) là cầu Gennevilliers ở Pháp 170m, cầu Hanama của Nhật nhịp dài đến 240m

Ở Việt Nam, năm 1993, lần đầu tiên áp dụng công nghệ thi công đúc hẫng để xây dựng cầu Phú Lương Và từ đó đến nay có rất nhiều cầu lớn được áp dụng thi công theo phương pháp này như cầu: Sông Gianh, Hàm Rồng, Hiền Lương Hoàn Long, Quán Hầu, Câu Lâu, Bình Phước, Nguyễn Tri Phương, Bình Triệu 2, Tân An, Kênh Tẻ Trong đó cầu Hoàn Long có chiều dài nhịp là 130m Điều này là một thực tế minh chứng cho việc áp dụng công nghệ thi công này là kinh tế và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng có một số ưu điểm [1] sau:

- Việc đúc hẫng từng đốt trên đà giáo di động giảm được chi phí đà giáo Ván khuôn được dùng lại nhiều lần cùng với một thao tác lặp lại sẽ làm giảm chi phí nhân lực và nâng cao năng suất lao động

- Phương pháp thích hợp với việc xây dựng các dạng kết cấu nhịp có chiều cao mặt cắt thay đổi, khi đúc các đốt dầm chỉ cần điều chỉnh cao độ ván khuôn đáy dầm cho phù hợp

- Trong trường hợp xây dựng các cầu có sơ đồ kết cấu hợp lý thì quá trình đúc hẫng tạo ra sự phù hợp về trạng thái làm việc của kết cấu trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác

- Phương pháp thi công không bị phụ thuộc vào không gian dưới cầu do đó có thể thi công trong điều kiện sông sâu, thông thuyền hay xây dựng cầu vượt trong thành phố, các khu công nghiệp mà không cho phép đình trệ sản xuất hay giao thông dưới công trình

Một phương pháp thi công khác tương tự như phương pháp thi công đúc hẫng là phương pháp thi công lắp hẫng Tuy nhiên, phương pháp này có điểm khác cơ bản so với phương pháp đúc hẫng là các đốt dầm được đúc sẵn tại bãi đúc, sau đó được vận chuyển đến vị trí cầu và lắp đặt So với phương pháp thi công đúc hẫng thì phương pháp thi công lắp hẫng được ra đời sau nhưng nó nhanh chóng được áp dụng ở các nước: Pháp, Hà Lan, Thụy Sỹ, Brazil, Mỹ bởi nó cũng có một số ưu điểm sau:

- Kinh tế ở những cầu có chiều dài nhịp 40 đến 120m và có thể dài hơn

- Các đốt dầm được đúc đồng thời với việc thi công kết cấu phần dưới

- Chất lượng các đốt đúc được đảm bảo

- Aûnh hưởng của từ biến và co ngót giảm

Do vậy, công nghệ này lần đầu tiên được áp dụng để thi công cầu BTCT DUL nhịp lớn ở Việt Nam như: cầu An Dương, cầu Rào, cầu Niệm, nhưng sau sự cố cầu Rào công nghệ này không được áp dụng nữa Với điều kiện khí hậu nóng ẩm ở nước ta, cốt thép bị rỉ rất nhanh chóng Phương pháp thi công lắp hẫng không đảm bảo tính liền khối của bêtông do đó khả năng bảo vệ cốt thép kém

Vì vậy, ở VN, công nghệ thi công đúc hẫng được áp dụng phổ biến vì nó không những đáp ứng được yêu cầu kinh tế- kỹ thuật mà nó còn đáp ứng được yêu cầu khí hậu

2.2 Đặc điểm của phương pháp thi công đúc hẫng

2.2.1 Thi công các đốt kết cấu nhịp

Để thi công kết cấu nhịp (KCN) theo phương pháp đúc hẫng, người ta chia KCN thành những đốt ngắn thường có chiều dài từ 3 ÷4m [1] cho phù hợp với năng lực cần cẩu hoặc xe đúc

Thi công các đốt được thực hiện hợp lý với kỹ thuật thi công và thiết bị thi công Cần cẩu, máy bơm bê tông, xe đúc và các thiết bị thi công khác phải đảm bảo đủ công suất

2.2.2 Nguyên lý tính toán

Dầm hẫng là dầm nằm ngang được cố định một đầu (Hình 2.1) Để tính toán độ võng của dầm dưới tác dụng của tải trọng ta chỉ cần biết các thông số: chiều dài dầm, mô đun đàn hồi vật liệu, mô men quán tính mặt cắt ngang và tải trọng tác dụng Với những thông số này, ta dễ dàng xác định được độ võng của dầm và góc xoay tại điểm bất kỳ trên chiều dài dầm

Hình 2.1: Dầm hẫng tải trọng phân bố đều

Khi phân tích kết cấu của hệ hẫng, phương pháp mô hình được sử dụng là tất cả các ảnh hưởng chính được xem xét một cách riêng lẻ và được công tác dụng để được ứng xử thực của hệ [15] Hệ hẫng khi chịu tải trọng bản thân và tải trọng động trong giai đoạn phục vụ sẽ tạo ra đường cong mô men parabol cho dầm hẫng Cáp kéo sau trong dầm hẫng sẽ bù cho lượng mô men do tải tĩnh gây

ra Để đơn giản coi các sợi cáp thêm vào sau mỗi đốt có cùng độ lệch tâm với mặt cắt ngang của dầm hẫng và các sợi cáp đều thẳng [15] (Hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ tính cáp DUL dầm hẫng

Có hai vấn đề quan trọng là xác định ứng suất dài hạn và biến dạng của hệ kết cấu dựa trên đặc tính vật liệu theo thời gian, ví dụ: co ngót và từ biến của bê tông và tự chùng cốt thép Để xác định chính xác ứng suất và biến dạng của kết cấu thi công theo phương pháp đúc hẫng phải đặc biệt lưu ý một số vấn đề sau: 2.2.2.1 Cường độ thấp của bê tông non tuổi

Khi thi công đúc hẫng, các đốt bê tông mới đạt cường độ từ 40 đến 85% đã tiến hành căng cáp DUL (MacGregor 1997) Nó phải chịu tải trọng bản thân chính nó, tải trọng bản thân của đốt tiếp theo và các thiết bị phục vụ thi công Mặt khác, trong quá trình chịu tải, cường độ của bê tông vẫn tiếp tục phát triển làm cho mô đun đàn hồi của bê tông cũng thay đổi theo Do đó, các thông số vật liệu của bê tông để tính toán độ võng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến độ võng như co ngót và từ biến là các hàm số theo thời gian

2.2.2.2 Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi bê tông

Co ngắn đàn hồi của bê tông là hiện tượng bê tông bị biến dạng đàn hồi do ứng suất nén trong bê tông của cáp DUL gây ra

Khi KCN được thi công theo phương pháp đúc hẫng, quá trình thi công các đốt sau làm ảnh hưởng đến DUL trong cáp Co ngắn đàn hồi của tất cả các đốt thi công trước xảy ra và làm giảm lực dự ứng suất Shiu and Russell [15] cho

rằng mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi của bê tông trong thi công đúc hẫng phải được xem xét kỹ lưỡng trong tổng mất mát ứng suất Do đó, trong quá trình thi công các giai đoạn đặt tải của từng đốt phải đặc biệt chú ý DUL của đốt mới đúc có liên hệ chặt chẽ với đốt đúc trước nó do co ngắn đàn hồi bê tông Điều này có nghĩa là cấp độ ứng suất thay đổi theo giai đoạn thi công Vì vậy, dự đoán mất mát ứng suất tại mỗi giai đoạn thi công là rất cần thiết cho việc quản lý ứng suất trong bê tông và kiểm soát hình học trong quá trình thi công

2.2.2.3 Mất mát ứng suất do tác động yếu tố thời gian

Cùng với cường độ thấp của bê tông non tuổi, các bước tăng tải của các đốt dầm cầu làm tăng thêm tính nhạy cảm ảnh hưởng của thời gian đối với bê tông khi chịu tải Bishara và Papakonstantinou [15] mô tả mối liên hệ giữa việc thi công các đốt và tác động của yếu tố thời gian như sau:

Trong suốt quá trình thi công, đốt dầm chịu những bước tăng tải tại những độ tuổi khác nhau, với mỗi độ tuổi tương ứng với một đốt mới được thi công Vì vậy, để dự đoán ảnh hưởng từ biến của bê tông cho một đốt tại bất cứ thời điểm

t trong suốt quá trình chịu tải của các đốt sau nó phải xét tới hệ số từ biến

2.2.2.4 Phân bố lại nội lực

Trong quá trình thi công kết cấu ở trạng thái tĩnh định nhưng sau khi hợp long kết cấu trở lên siêu tĩnh Do ảnh hưởng của chuyển vị móng, biến dạng co ngót và từ biến theo thời gian mà trong kết cấu có sự phân bố lại nội lực

2.3 Phương pháp thi công đúc hẫng

2.3.1 Phân loại phương pháp đúc hẫng

2.3.1.1 Đúc hẫng cân bằng

Đây là hình thức phổ biến nhất của phương pháp đúc hẫng Nguyên lý chung là từ đoạn dầm đầu tiên đã được neo chắc chắn vào đỉnh trụ, kết cấu nhịp được đúc hẫng vươn dài ra hai phía theo nguyên tắc đảm bảo tính đối xứng qua trụ để

giữ ổn định chống lật đổ Các bó cáp dự ứng lực cũng được bố trí theo nguyên tắc đối xứng cả trên phương diện mặt bằng cũng như qua tim trụ Phương pháp này có ưu điểm là lợi dụng được tính đối xứng, tự cân bằng ổn định, tốc độ thi công nhanh

Trong quá trình thi công cần xét các tình huống mà tải trọng của hai cánh hẫng không cân bằng như:

- Khi đặt lệch thiết bị thi công;

- Khi xảy ra sự cố ở một số đốt đang đúc của một bên cánh hẫng;

- Thời điểm lắp đặt dầm đeo ở một bên cánh hẫng;

- Tải trọng gió tác dụng chủ yếu vào phía dưới một bên cánh hẫng có thể gây ra các mômen uốn rất lớn bất lợi cho trụ

Với nhịp có chiều dài từ 70 đến 120m chỉ cần neo chắc chắn kết cấu nhịp vào trụ là đảm bảo ổn định Với các nhịp dài hơn có thể phải dùng thêm một vài trụ tạm để giảm nhỏ chiều dài hai cánh hẫng tính từ tim trụ không bằng nhau Một giải pháp khác là thiết kế trụ thành hai thân đặt song song cách nhau một đoạn để đảm bảo chống lật đồng thời thu ngắn cánh hẫng hoặc có thể thay thế trụ tạm bằng hệ thống dây văng tạm thời

2.3.1.2 Đúc hẫng không cân bằng

Ở các nhịp sát bờ khoảng trống dưới cầu không cao lắm nên có thể dùng hệ đà giáo cố định đỡ bên dưới để đúc tại chỗ toàn bộ nhịp sát bờ Nhịp giữa sông sẽ được đúc hẫng tiếp nối từ trụ sát bờ ra và nhờ trọng lượng của nhịp bờ giữ ổn định chống lật Nhịp bờ sẽ được căng kéo cốt thép hoàn chỉnh trước khi đúc hẫng nhịp giữa Phương pháp này thích hợp cho các cầu có 3 nhịp mà nhịp giữa có chiều dài lớn để vượt qua dòng chính của sông

2.3.2 Công nghệ thi công đúc hẫng

2.3.2.1 Sơ đồ công nghệ thiết kế thi công đúc hẫng

Công nghệ thiết kế và thi công theo phương pháp đúc hẫng rất phức tạp Nó chịu tác động bởi nhiều yếu tố trong từng giai đoạn thi công khác nhau Mối quan hệ và sự tác động của các yếu tố trong quá trình thi công được thể hiện như hình 2.3

Thời gian thi công một đốt thường kéo dài trong 7 ngày

Thời gian Các công tác thực hiện

1 ngày Kéo cáp DUL cho đốt trước đó

Tháo dỡ ván khuôn

Di chuyển xe đúc lên phía trước

2 ngày Lắp đặt cốt thép, ống gen và cáp DUL

1 ngày Đổ bê tông bản đáy, thành bên và bản đỉnh

3 ngày Bảo dưỡng bê tông ( bao gồm ngày chủ nhật)

Kết Cấu Liên Tục

Thiết Kế Đốt

Kích thước

Loại bê tông

Cốt thép, cáp

Đốt n

Đổ bê tông Bảo dưỡng bê tông Căng cáp DUL Tháo ván khuôn

Thi Công Đốt

Đổ từng phần hay đúc sẵn từng phần,

ví dụ: thành bên

Đốt n + 1 Mất Mát US Ban Đầu

Trượt cáp do neo

Co ngắn đàn hồi bê tông

Ma sát giữa cáp và ống gen

Đốt n + ….

Hợp Long Nhịp Giữa

Mất Mát US Dài Hạn

Tự chùng bó cáp Từ biến của bê tông

Co ngót của bê tông

Phân Bố Lại Nội Lực

Mô men thay đổi từ trụ về phía nhịp

Hệ siêu

Sự Tương Tác

Tải Trọng Tĩnh

(Vd: trọng lượng bản

thân, công trình phụ

trợ, mặt đường…)

Tải Trọng Động

(Trong giai đoạn phục vụ) Nứt, hư hỏng

Aûnh Hưởng Môi Trường

(Vd: độ ẩm tương đối, nhiệt độ)

Phân Tích Kết Cấu

Ứng suất, Biến dạng

Số liệu độ vồng ( Hình dạng tuyến)

Số liệu kiểm soát hình học ( Đo đạc)

Hình 2.3: Sơ đồ các yếu tố tác động trong quá trình thi công đúc hẫng

2.3.2.2 Các bước thi công chủ yếu

+ Thi công khối K0

Sau khi thi công xong thân trụ, tiến hành thi công khối dầm đầu tiên trên đỉnh trụ (gọi là khối đỉnh trụ, thường được ký hiệu là khối K0) Đối với cầu khung, khối đỉnh trụ được liên kết cứng với trụ thông qua cốt thép thường chờ sẵn Còn đối với cầu dầm thì khối K0 được kiên kết vối đỉnh trụ thông qua các thanh thép cường độ cao

Khối đỉnh trụ được đúc trên đà giáo lắp đặt sẵn đặt trên bệ trụ và liên kết vào thân trụ Khối đỉnh trụ có chiều dài phải đủ để lắp xe đúc

Thi công khối K0 bao gồm các bước sau:

- Công tác đà giáo ván khuôn

- Công tác cốt thép thường

- Công tác đổ bê tông

- Công tác căng kéo cốt thép dự ứng lực

+ Thi công khối K1 đến đốt cuối

Các bước thi công chính:

- Thi công lắp xe đúc

- Thi công cân chỉnh xe đúc

- Thi công lắp đặt ván khuôn, cốt thép, ống gen cáp DUL, luồn cáp ngang

- Thi công đổ bê tông, bảo dưỡng

- Thi công luồn cáp dọc, căng cáp dọc, căng cáp ngang

+ Thi công khối hợp long

Các động tác thi công khối hợp long bao gồm

- Thi công lắp xe đúc tại vị trí hợp long, cân chỉnh xe đúc

- Thi công lắp đặt ván khuôn, cốt thép, ống gen cáp DUL, luồn cáp DUL

- Thi công đổ bê tông, bảo dưỡng và căng cáp DUL

P8 P7

BƯỚC 6: CÔNG TÁC HOÀN THIỆN

MNTN: -0.5 MNCN: +1.5

Hình 2.4: Sơ đồ công nghệ thi công đúc hẫng

2.4 Phân tích đặc điểm điều kiện khí hậu Việt Nam

Điều kiện khí hậu như: độ ẩm tương đối và nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn trong việc tính toán co ngót và từ biến của bê tông theo thời gian Nó có ảnh hưởng trực tiếp đến sự thay đổi ứng suất và biến dạng dài hạn của kết cấu Do vậy, việc xem xét sự ảnh hưởng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của kết cấu là rất cần thiết

Điều kiện khí hậu ở mỗi nơi đều có những đặc thù riêng và dường như không nơi nào giống nhau Nhưng thực tế ở Việt Nam, trong tính toán thiết kế và thi công cầu thi công đúc hẫng đều sử dụng công thức và phần mền tính toán từ nước ngoài do đó cần phải có sự kiểm chứng trong tính toán

Đặc điểm khí hậu ở một số khu vực ở Việt Nam và một số nước đề xuất công thức tính toán

( Nguồn từ trang web: http:\\www.underground.com )

Hà Nội, Việt Nam

Nhiệt độ oC 13 18 20 19 28 26 27 28 25 12 20 10 Độ ẩm % 88 94 87 76 88 79 83 92 88 69 74 64

Đà Nẵng, Việt Nam

Nhiệt độ oC 19 22 20 22 25 26 23 25 24 23 20 18 Độ ẩm % 88 84 85 83 84 86 79 78 82 86 88 79

HCM, Việt Nam

Nhiệt độ oC 23 28 30 27 28 30 29 26 28 25 27 24 Độ ẩm % 80 69 65 65 91 78 85 81 83 96 78 54

Berlin, Đức

Nhiệt độ oC 4 1 3 14 8 19 25 12 17 8 8 9 Độ ẩm % 85 79 75 48 73 55 60 55 78 87 86 91

Virginia, Mỹ

Nhiệt độ oC 5 6 14 13 17 24 25 24 20 13 3 4 Độ ẩm % 67 86 68 61 94 94 80 79 91 69 88 84

Washington, Mỹ

Nhiệt độ oC 3 7 14 15 12 19 30 33 8 7 4 4 Độ ẩm % 87 80 72 53 41 39 34 24 48 85 75 74

Qua các số liệu về nhiệt độ và độ ẩm ở trên ta thấy rằng nhiệt độ và độ ẩm ở nước ta cao hơn hẳn các nước khác Hai yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn đến co ngót và từ biến Và co ngót và từ biến là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến biến dạng của kết cấu theo thời gian

2.5 Nội dung nghiên cứu

Mặc dù cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng đã được áp dụng rộng rãi hơn 10 năm qua ở Việt Nam, nhưng công cụ tính toán RM là của nước ngoài vì thế có thể có những bất cập không phù hợp với thực tế ở nước ta Với nội dung của đề tài tốt nghiệp, tôi muốn nghiên cứu chi tiết hơn ảnh hưởng của co ngót và từ biến đến độ vồng trong quá trình thi công trong điều kiện Việt Nam

Chương III: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CO

NGÓT, TỪ BIẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

3.1 Phân tích sự ảnh hưởng của từ biến

3.1.1 Khái niệm

Quá trình từ biến và co ngót có ảnh hưởng lẫn nhau, nếu không vì mục đích phân tích và thí nghiệm, chúng được coi như cộng tác dụng trong hai quá trình độc lập Khi thí nghiệm trong phòng, mẫu thí nghiệm co ngót được đúc và lưu trữ cùng điều kiện như mẫu thử từ biến Biến dạng từ biến được tính toán bằng cách lấy tổng biến dạng của mẫu từ biến chịu tải trừ đi biến dạng đàn hồi ban đầu và biến dạng co ngót Bỏ qua sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa co ngót và từ biến

Từ biến của bêtông có thể chia làm hai phần: từ biến cơ bản và từ biến khô Từ biến cơ bản xảy ra trong điều kiện kín khít, không có sự trao đổi nước giữa bêtông và môi trường xung quanh Từ biến khô có liên quan đến sự di chuyển nước ra môi trường xung quanh Từ biến ở những vùng bên trong của những cấu kiện bê tông lớn phần lớn là từ biến cơ bản, vì rất ít nước mất ra môi trường bên ngoài [11] Sự di chuyển nước do từ biến cơ bản và từ biến khô dẫn tới việc hình thành những vết nứt nhỏ bề mặt cốt liệu và vữa xi măng, dẫn tới tăng thêm biến dạng Vết nứt này càng trầm trọng hơn khi ứng suất lớn hơn ứng suất làm việc thông thường

Biến dạng từ biến có thể được chia thành biến dạng từ biến của cấu kiện không khô và biến dạng từ biến của cấu kiện khô [14] Biến dạng từ biến của cấu kiện không khô là biến dạng tăng theo thời gian dưới ứng suất không thay đổi và không có bất kỳ sự tăng hay giảm hơi ẩm Nó còn được gọi là từ biến cơ bản Biến dạng từ biến của cấu kiện khô là biến dạng tăng theo thời gian dưới điều kiện làm cấu kiện bị khô và được gọi là từ biến khô

Biến dạng do từ biến là loại biến dạng của vật liệu đàn dẻo theo thời gian Khi chịu tải kết cấu bêtông xuất hiện biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Biến dạng đàn hồi là biến dạng tức thời do tải trọng tác dụng, đồng thời biến dạng từ biến cũng xuất hiện và tăng theo thời gian

3.1.2 Bản chất cơ lý của hiện tượng từ biến

Khi tác dụng lên bêtông trạng thái ứng suất lâu dài, biến dạng trong bêtông sẽ tiếp tục phát triển ngoài biến dạng ban đầu xuất hiện ngay lúc đặt tải, người

ta gọi đó là hiện tượng từ biến của bêtông

3.1.3 Xác định trị số từ biến

Trị số từ biến thường được xác định bởi một trong hai đại lượng: hệ số từ biến và từ biến riêng Hệ số từ biến được xác định bằng tỷ số giữa biến dạng từ biến cực đại và biến dạng đàn hồi ban đầu Giá trị điển hình của hệ số từ biến là 2,35, là giá trị trung bình theo tiêu chuẩn ACI 209 [6] Từ biến riêng được tính bằng biến dạng từ biến chia cho ứng suất tác dụng Giá trị này hữu ích trong việc

so sánh ứng xử của bêtông tại các cường độ khác nhau Giá trị điển hình của từ biến riêng từ 2,5 microstrain/psi cho cấu kiện nhỏ cường độ thấp đến 0,15 microstrain/psi cho cấu kiện lớn cường độ cao [10]

Biến dạng của bê tông theo thời gian có xét đến ảnh hưởng của từ biến được thể hiện như hình 3.1

400 600 800 1000

Biến dạng đàn hồi (BDĐH)

Biến dạng từ biến (BDTB)

BDTB không phục hồi

BDTB phục hồi BDĐH phục hồi

Dỡ tải

200

Thời gian sau khi đặt tải (ngày)

Hình 3.1: Biến dạng của mẫu bê tông theo thời gian khi đặt tải 90 ngày sau đó

để 30 ngày không đặt tải

3.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến từ biến

Từ biến của bê tông là một hiện tượng hết sức phức tạp vì bê tông là một loại vật liệu hỗn hợp phức tạp [8] Mặc dù trên thế giới đã nghiên cứu rất nhiều về từ biến nhưng những hiểu biết về nó đến nay vẫn chưa đầy đủ Tuy nhiên, ảnh hưởng của những yếu tố này cũng đã được xác định dựa trên quan sát thí nghiệm từ biến

3.1.4.1 Xi măng

Xi măng đóng vai trò ảnh hưởng hết sức quan trọng bởi vì từ biến gây ra chủ yếu do hyđrát hóa của vữa xi măng bao quanh cốt liệu Xi măng đông cứng nhanh như xi măng loại III có từ biến nhỏ nhất Điều này là hợp lý vì khối bê tông sẽ có cường độ lớn hơn khi tải trọng tác dụng, làm tăng sức kháng từ biến [10]

Trong nhiều hỗn hợp bê tông, xi măng Portland được thay thế một phần bằng xi măng xỉ lò cao (BFSC) Chern và Chan đã thí nghiệm từ biến trên các

mẫu thử có hàm lượng BFSC khác nhau Một số mẫu thử được thí nghiệm trong phòng ẩm và một số khác trong phòng khô với độ ẩm tương đối là 50% Đối với mẫu trong phòng ẩm, tăng hàm lượng xỉ dẫn đến giảm nhẹ từ biến riêng, nhưng những mẫu trong phòng khô xảy ra từ biến lớn hơn khi tăng hàm lượng xỉ Vì vậy, BFSC giảm nhẹ từ biến cơ bản, nhưng tổng biến dạng từ biến tăng trong điều kiện khô khi tăng tỉ lệ xỉ

Silica fume là vật liệu xi măng phụ gia thêm vào mà được dùng phần lớn trong cấp phối bê tông cường độ cao, đặc biệt loại này có cường độ nén trên

14000 psi Wiegrink, Marikunte, and Shah cho rằng giá trị từ biến riêng sẽ giảm với hàm lượng silica fume tăng Shah and Ahmad [11] chỉ ra rằng nếu hàm lượng silica fume vượt quá 10% theo trọng lượng thì từ biến có thể tăng

Neville [10] chỉ ra rằng xi măng với hàm lượng nhôm oxit cao có ứng xử đơn nhất Trong khi, tốc độ từ biến giảm theo thời gian và cuối cùng tiệm cận với tốc độ gần như không đổi đối với hầu hết các loại xi măng, xi măêng nhôm oxit cao giai đoạn tuyến tính bắt đầu khoảng 6 tháng sau khi đặt tải, thời gian để tốc độ từ biến đạt đến tốc độ không đổi thì còn lâu hơn nữa

3.1.4.2 Cốt liệu

Bản thân cốt liệu có trọng lượng thông thường không có từ biến đáng kể, nhưng nó ngăn cản nước di chuyển trong bê tông Cấp phối bê tông cường độ cao có khuynh hướng có hàm lượng cốt liệu cao, làm tăng vai trò ảnh hưởng của biến dạng dài hạn Các đặc tính của cốt liệu có ảnh hưởng đến từ biến là độ cứng, kích thước, sự hấp thụ nước và độ nhám bề mặt [7]

Mô đun đàn hồi của cốt liệu có ảnh hưởng đáng kể đến từ biến Khi vữa xi măng bắt đầu co ngót, tải trọng truyền sang thành phần cốt liệu dựa trên độ cứng cốt liệu Độ cứng cốt liệu càng lớn, ứng suất tác dụng lên vữa xi măng càng nhỏ, dẫn đến giảm sự biến dạng của vữa và từ biến [7, 10]

Collins đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước cốt liệu thô đến ứng xử từ biến Cấp phối có cốt liệu lớn nhất kích thước 1 ½ in xảy ra từ biến ít hơn 15%

so với cốt liệu lớn nhất kích thước ¾ in sau 90 ngày

Bề mặt giữa vữa xi măng và cốt liệu có ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng của cốt liệu chống biến dạng Cốt liệu có bề mặt nhám chống từ biến hiệu quả hơn cốt liệu có bề mặt nhẵn Mokhtarzadeh và French [9] nghiên cứu từ biến của cấp phối với 5 loại cốt liệu khác nhau và thấy rằng cấp phối sử dụng loại cốt liệu sỏi sông tròn có giá trị từ biến riêng cao hơn các loại cấp phối khác

Người ta đã thấy rằng sự hấp thụ nước của cốt liệu ảnh hưởng đến từ biến

do tăng thêm sự di chuyển ẩm trong bê tông Ví dụ, nếu cốt liệu không bão hòa hoàn toàn trong quá trình trộn, nó có thể hút nước từ vữa làm tăng từ biến do nước di chuyển vào lỗ rỗng của cốt liệu Yếu tố này có liên quan mật thiết với độ cứng của cốt liệu vì cốt liệu có độ cứng cao có khả năng giảm sự hút nước [10]

3.1.4.3 Chất phụ gia

Tính chất hóa học của chất phụ gia nói chung không ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử từ biến nếu không xét các tác nhân tạo bọt trong bê tông Tuy nhiên, người ta thấy rằng chất phụ gia có chứa axít carbon hyđroxit và sulfuric làm tăng đáng kể từ biến [10]

3.1.4.4 Tỷ lệ nước/xi măng

Tỷ lệ nước/xi măng (w/c) là thông số quan trọng nhất liên quan đến thành phần của cấp phối để xác định đặc tính từ biến của bê tông Để đạt được cường độ cao trong cấp phối bê tông cường độ cao thì phải dùng tỉ lệ w/c nhỏ, thông thường nhỏ hơn 0,4 Neville [10] khẳng định rằng từ biến riêng của bê tông sẽ tăng khi tăng tỷ lệ w/c Bởi vì với tỷ lệ w/c thấp, thể tích của hyđrat hóa sẽ giảm

cùng với hàm lượng nước tự do nên giảm biến dạng từ biến Tỷ lệ w/c trong bê tông cường độ cao càng nhỏ thì càng cho những đặc tính từ biến mong muốn 3.1.4.5 Điều kiện bảo dưỡng

Phương pháp bảo dưỡng có thể tác động lớn đến ứng xử từ biến của bê tông Bảo dưỡng hơi nước thường được dùng để sản xuất dầm cầu dự ứng lực có thể giảm từ biến từ 30 đến 50% Sự giảm này do tăng tốc độ hydrat hóa và mất ẩm xảy ra khi mẫu chuyển sang môi trường khô hơn và lạnh hơn

Khan, Cook và Mitchell [8] nghiên cứu ảnh hưởng của bảo dưỡng trong không khí khô và bảo dưỡng ẩm lên từ biến của bê tông có cường độ thường, trung bình và cao Kết quả biến dạng từ biến của những mẫu được bảo dưỡng trong không khí khô lớn hơn đáng kể Theo kết luận khác từ nghiên cứu của Mokhtarzadeh thì từ biến tăng khi nhiệt độ bảo dưỡng tăng Điều này được lý giải rằng khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng trạng thái rỗ và vết nứt bên trong mà điều này gây ra từ biến

3.1.4.6 Điều kiện môi trường xung quanh trong quá trình đặt tải

Môi trường xunh quanh của của bê tông có ảnh hưởng rất lớn đến biến dạng từ biến Từ biến lớn khi điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp Từ biến

ở độ ẩm 50% lớn hơn 2 đến 3 lần so với độ ẩm 100% [10]

3.1.4.7 Mức độ ứng suất

Từ biến của bê tông rất nhạy cảm với độ lớn của ứng suất duy trì Ví dụ, mẫu chịu tải 80% cường độ giới hạn có từ biến lớn hơn 3 lần so với mẫu chịu tải 40% Vết nứt cực nhỏ tại mặt tiếp xúc giữa cốt liệu và vữa trở lên đáng kể khi ứng suất lớn và phá hoại có thể xảy ra khi ứng suất lớn hơn 75% cường độ chịu nén Smadi, Slate và Nilson [12] đã thực hiện thí nghiệm từ biến trên bê tông có cường độ cao, trung bình, và thấp và khảo sát với mức độ ứng suất tương ứng giữa 40% và 80% cường độ giới hạn Họ nhận thấy rằng biến dạng từ biến tỷ lệ

với mức độ ứng suất với một giới hạn cân xứng nào đó Giới hạn này khoảng 65% đối với bê tông cường độ cao và 45% đối với bê tông cường độ thấp và trung bình Điều này cho thấy rằng bê tông cường độ cao chịu tải an toàn hơn đối với phần trên của cường độ tới hạn mà không xảy ra biến dạng dư phụ thuộc theo thời gian

3.1.4.8 Tuổi bê tông lúc đặt tải

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến từ biến là tuổi của bê tông lúc đặt tải Mẫu chịu tải sau một ngày bảo dưỡng có từ biến riêng gấp 2 lần mẫu đặt tải sau 28 ngày bảo dưỡng [11] Bê tông sẽ không có độ cứng cần thiết để chống co ngót nếu không có đủ thời gian bảo dưỡng thích hợp Khan, Cook và Mitchell [8] cho rằng bê tông cường độ cao thì nhạy cảm hơn bê tông cường độ thấp khi đặt tải lúc non tuổi

3.2 Phân tích sự ảnh hưởng của co ngót

Trong quá trình làm việc, thể tích của bêtông bị thay đổi theo thời gian Một trong những loại biến dạng của bêtông là co ngót Sự thay đổi thể tích trong bêtông tạo ra những vết nứt, nó làm giảm khả năng chịu lực của bêtông và làm

rỉ cốt thép

Khác với từ biến, co ngót của bê tông xảy ra không cần sự tác động của tải trọng Co ngót có 3 dạng điển hình là co ngót khô, bay hơi và co ngót carbonat Cấp phối bê tông thường có lượng nước nhiều hơn lượng cần cho quá trình hyđrat hóa ban đầu và lượng nước thừa này được chứa trong lỗ rỗng hoặc khoảng trống của cốt liệu trong bê tông [9] Co ngót khô xảy ra khi lượng nước thừa này khuếch tán ra môi trường xung quanh làm cho thể tích của bê tông bị giảm [12]

Co ngót do bay hơi còn được gọi là “hiện tượng tự mất nước” do quá trình hyđrat hóa của xi măng tiếp tục xảy ra Hiện tượng này chỉ xảy ra nếu không cung cấp nước bổ sung vào lượng mất đi do hyđrat hóa như trong các cấu kiện bê tông có

kích thước lớn [9] Co ngót carbonat xảy ra do CO2 trong khí quyển tác dụng với Ca(OH)2 trong vữa xi măng trong môi trường ẩm Để co ngót xảy ra, sản phẩm nước trong phản ứng này phải bị mất ra môi trường tương tự như co ngót bay hơi Biến dạng co ngót thường được biểu diễn bằng đơn vị microstrain

Biến dạng co ngót của mẫu bê tông được mô tả ở hình 3.2

Thời gian (ngày)

10 0

200

400 600 800 1000

Co ngót phục hồi

Hình 3.2: Biến dạng co ngót của mẫu bê tông trong một chu kỳ để khô và làm

ẩm lại

3.2.1 Sự khuếch tán độ ẩm trong bêtông [13]

Sự phân bố và khuếch tán độ ẩm trong bê tông là những yếu tố rất quan trọng cần thiết cho việc xác định co ngót khô và từ biến Có 2 loại khuếch tán độ ẩm: khuếch tán vĩ mô và khuếch tán vi mô ( Bazant, 1993) Khuếch tán vĩ mô là do sự di chuyển nước xuyên qua những những nơi có sức kháng kém Sự di chuyển này xảy ra trong những lỗ rỗng lớn hơn và không thể xác định được ảnh hưởng của nó lên biến dạng của bê tông Khuếch tán vi mô là do sự di chuyển nước giữa các lỗ mao dẫn và lỗ gen (lỗ cực nhỏ) Chúng là những lỗ nhỏ hơn trong bê

tông và vì thế sự di chuyển nước trong những lỗ rỗng này có ảnh hưởng đến biến dạng trong bê tông

Đã có rất nhiều nghiên cứu đề cập đến sự khuếch tán ẩm liên quan đến quá trình khô của bê tông Bazant và Najjar đã cho rằng quá trình khô của bê tông như là bài toán khuếch tán ẩm phi tuyến Frick đã biểu diễn sự mất nước từ vữa

xi măng và bê tông theo công thức sau:

C = hằng số khuếch tán

Quá trình khô của bê tông cũng có thể được mô tả theo độ ẩm trong lỗ rỗng

)

(cgradH

kdiv t

k = là hàm của H = dH = kdw

c = hệ số khuếch tán = C/k Hệ số khuếch tán c, đại diện cho khả năng thấm và bằng thông lượng do građien đơn vị H Vì vậy, biểu thức (2) được viết đơn giản thành:

)

(CgradH

div t

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến từ biến cũng ảnh hưởng tới co ngót Cũng như từ biến, bê tông cường độ cao có nhiều đặc tính co ngót có lợi hơn bê tông thường

3.2.2.1 Xi măng

Nói chung, ảnh hưởng của các loại xi măng khác nhau đến co ngót là không đáng kể ngoại trừ khi chúng ảnh hưởng đến tốc độ đạt được cường độ Xi măng đông cứng nhanh có khuynh hướng co ngót nhiều hơn vì nó yêu cầu có độ mịn và nhiều nước

Lượng xi măng trong cấp phối bê tông ảnh hưởng đến co ngót trong suốt quá trình hyđrat hóa Hàm lượng xi măng càng cao càng thúc đẩy tốc độ hyđrat hóa diễn ra nhanh hơn vì thế nước sớm bị mất Bê tông cường độ cao thường sử dụng nhiều xi măng hơn bê tông thường do vậy xảy ra co ngót nhiều hơn trong quá trình hyđrat hóa ban đầu [12]

Khi thay thế một phần của xi măng với vật liệu pozzolan như tro bay và xỉ thì

co ngót có khuynh hướng tăng lên do vữa xi măng đã có cải tiến và độ cứng của vữa xi măng giảm Chern và Chen lưu ý rằng tăng co ngót cùng với việc tăng hàm lượng xỉ là do thể tích vữa lớn hơn Nếu xi măng Portland được thay bằng một lượng xỉ có cùng trọng lượng thì hàm lượng xi măng sẽ cao hơn do xỉ có trọng lượng riêng nhỏ hơn xi măng Portland

3.2.2.2 Cốt liệu

Các đặc tính có lợi cho co ngót cũng giống như cho từ biến Cốt liệu ngăn cản

co ngót của vữa xi măng xung quanh, và cốt liệu có độ cứng, độ chặt và độ hút nước thấp như đá vôi đôlômit là rất tốt Hàm lượng cốt liệu cao thì co ngót giảm và cốt liệu có bề mặt nhám chống co ngót hiệu quả hơn [11]

3.2.2.3 Chất phụ gia

Tính chất hóa học của chất phụ gia làm tăng co ngót nếu nó không giảm được hàm lượng nước trong bê tông Collin khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia giảm nước cao lên co ngót và kết luận rằng nó không ảnh hưởng đáng kể đến co ngót 3.2.2.4 Tỷ lệ nước/xi măng

Dùng tỷ lệ w/c thấp được dùng trong bê tông cường độ cao để đạt được cường độ cao hơn và điều này làm giảm co ngót Hàm lượng nước trong cấp phối có ảnh hưởng lớn đến độ cứng của vữa Hàm lượng nước càng thấp thì bê tông trưởng thành có lỗ rỗng càng ít, làm cho độ cứng tăng lên và giảm biến dạng co ngót[12] Hàm lượng nước càng cao thì lượng nước thừa còn lại trong bê tông sau hyđrat hóa càng lớn làm cơ sở cho việc tăng co ngót khô

3.2.2.5 Điều kiện bảo dưỡng

Điều kiện bảo dưỡng có ảnh hưởng lớn đến ứng xử co ngót của bê tông Collins nhận ra rằng biến dạng co ngót tỷ lệ nghịch với thời gian bảo dưỡng ẩm Thời gian bảo dưỡng ẩm càng lâu thi biến dạng co ngót càng giảm

Bảo dưỡng nhiệt giảm đáng kể co ngót khô Mak, Foster, Chirgwin và Ho cho rằng mẫu được bảo dưỡng nhiệt co ngót ít hơn 75% so với mẫu bảo dưỡng ở nhiệt độ thông thường Vì thế có thể xác định rằng co ngót khô sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên

3.2.2.6 Điều kiện môi trường xung quanh

Độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến biến dạng

co ngót Co ngót khô chỉ xảy ra khi độ ẩm tương đối môi trường nhỏ hơn độ ẩm tương đối bên trong, thường là 80% Vì thế co ngót khô xảy ra rất ít khi độ ẩm tương đối môi trường xung quanh cao [11]

3.2.2.7 Kích thước cấu kiện

Kích thước của cấu kiện bê tông cũng có ảnh hưởng đến co ngót Đối với những cấu kiện lớn phải mất nhiều thời gian co ngót mới ảnh hưởng tới những

vùng bên trong Do đó, các cấu kiện có kích thước lớn sẽ có tốc độ và tổng độ lớn co ngót giảm [11]

3.3 Từ biến và co ngót của bê tông cường độ cao

Như đã đề cập ở trên, nhìn chung bê tông cường độ cao tốt hơn bêtông thường dưới tác dụng của tải trọng dài hạn Mokhtarzadeh [9] báo cáo rằng hệ số từ biến tới hạn mà ông thí nghiệm trên bê tông cường độ cao là từ 0,92 đến 2,46 trong khi bê tông thường là từ 1,30 đến 4,15 Cũng như thế, Smadi, Slate và Nilson thấy rằng bê tông cường độ cao có từ biến riêng thấp hơn bê tông cường độ thường Lý do là bê tông cường độ cao thể tích hyđrat hóa và nước tự do thấp dẫn đến tăng độ cứng bên trong của cấu trúc [11]

Bê tông cường độ cao xảy ra co ngót nhanh hơn bê tông thông thường Điều này có vẻ phù hợp vì hàm lượng xi măng lớn hơn nên khi đông cứng làm tăng nhiệt và tốc độ hyđrat hóa

3.4 Kết luận

Từ biến và co ngót của bê tông là quá trình phức tạp rất khó để mô hình hóa tính toán, nhưng hiểu được những quá trình này là rất cần thiết cho việc thiết kế kết cấu an toàn và kinh tế Từ biến và co ngót rất nhạy cảm với một số yếu tố như: thành phần hỗn hợp, phương pháp bảo dưỡng, điều kiện môi trường xung quanh, tuổi lúc đặt tải và cường độ đặt tải, và kích thước cấu kiện

Vì vậy, trong quá trình thiết kế và thi công kết cấu bê tông, người kỹ sư phải tìm cách giảm thiểu tối đa trị số từ biến và co ngót để đảm bảo kết cấu bê tông thiết kế là tối ưu nhất Tuỳ trong những trường hợp cụ thể mà có thể sử dụng một hoặc một số đặc tính sau để hạn chế ảnh hưởng của co ngót và từ biến

Những đặc tính làm giảm biến dạng từ biến:

- Sử dụng xi măng đông cứng nhanh;

- Sử dụng chất phụ gia như silica fume (khoảng 10% trọng lượng);

- Sử dụng hỗn hợp bê tông có hàm lượng cốt liệu cao, độ cứng, kích thước và độ nhám của cốt liệu lớn;

- Dùng tỷ lệ w/c thấp;

- Tăng cường bảo dưỡng hơi và bảo dưỡng ẩm;

- Nhiệt độ môi trường thấp;

- Độ ẩm tương đối môi trường cao;

- Mức độ ứng suất thấp;

- Tuổi bê tông lúc đặt tải lớn

Những đặc tính làm giảm co ngót:

- Dùng hàm lượng xi măng thấp;

- Sử dụng hỗn hợp bê tông có hàm lượng cốt liệu cao, độ cứng, kích thước và độ nhám của cốt liệu lớn;

- Dùng tỷ lệ w/c thấp;

- Tăng thời gian bảo dưỡng ẩm;

- Độ ẩm tương đối môi trường cao;

- Kích thước cấu kiện lớn

3.5 Các mô hình từ biến và co ngót [14]

Co ngót và từ biến là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu bê tông Độ võng do những ảnh hưởng này lớn hơn đáng kể so với độ võng đàn hồi Cho nên mô hình dự đoán chính xác co ngót và từ biến là rất quan trọng cho việc đảm bảo kết cấu bê tông đủ khả năng chịu lực và độ ổn định Độ chính xác của các mô hình tính toán co ngót và từ biến là rất quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông Bất cứ sự sai số nào trong dự đoán co ngót và từ biến có thể dẫn tới vượt quá ứng suất, nứt hoặc biến dạng lớn và gây ra mất mát dự ứng lực trong kết cấu bê tông Tất cả các yếu tố này có thể dẫn tới kết quả cuối cùng là kết cấu bị phá hoại

Có hai loại công thức được dùng để mô hình hóa ứng xử từ biến của bê tông Đó là: mô hình tích số và mô hình tổng Mô hình tích số được gọi là mô hình từ biến tuổi, giá trị từ biến dự báo bằng tích của hai hàm Một hàm mô tả tuổi lúc đặt tải trong khi hàm còn lại mô tả sự phát triển từ biến theo thời gian dưới tải trọng không đổi Mô hình tổng, từ biến được tính bằng cách chia tính đàn hồi giới hạn và liên tục Tất cả các mô hình được nghiên cứu trong đề tài này là ACI9, CEB 90, B3, GZ và SAK được phân loại như những mô hình tích

Năm 1936, Shank đưa ra phương trình lũy thừa đơn giản tính từ biến đến 1 năm Nhưng phương pháp của Shank vượt ước tính biến dạng từ biến Năm 1943, Schorer đưa ra biểu thức ước lượng biến dạng co ngót tới hạn của bê tông đông cứng mà hầu như giá trị dưới mức dự đoán biến dạng co ngót Năm 1959, Jones, Hirsch and Stephenson đề xuất trình tự tính từ biến riêng và co ngót của bê tông nhẹ theo đường cong chuẩn Đường cong điều chỉnh do ảnh hưởng của độ ẩm tương đối, hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước trên xi măng và kích thước cấu kiện cũng được xem xét Năm 1962, Ulitskii đưa ra phương trình số mũ để tính hệ số từ biến và biến dạng co ngót Nhìn chung phương trình số mũ thừa nhận giá trị giới hạn co ngót và từ biến, nhưng nó dưới giá trị dự đoán biền dạng lâu dài Năm 1969, Neville, Ward và Kwei đưa ra biểu thức đơn giản hóa cho tổng từ biến Trong biểu thức này, cả từ biến cơ bản và từ biến khô đều ảnh hưởng của ứng suất, trong đó từ biến khô được cho như hàm của co ngót

Năm 1970, Branson đưa ra tập hợp điều kiện và phương trình tiêu chuẩn để dự đoán co ngót và từ biến Đối với hệ số điều chỉnh cho những điều kiện không tiêu chuẩn trong phương trình sẽ cho bảng Mô hình ACI 209 hiện nay dựa trên công trình của Branson Trong mô hình này, biểu thức tương tự như phương trình hyperbol, co ngót và từ biến được tính như hàm phụ thuộc thời gian Hệ số từ biến được dùng để tính toán biến dạng từ biến và mô hình dùng cho bê tông bảo dưỡng ẩm và bảo dưỡng hơi nước Trong mô hình có xét tới các hệ số điều chỉnh như: độ ẩm, độ sụt, hàm lượng khí, hàm lương xi măng, phần trăm cốt liệu mịn, kích thước cấu kiện và thời gian đặt tải Mô hình ACI 209 được áp dụng cho xi măng Portland loại I và III với độ ẩm tương đối từ 40% đến 100%

3.5.2 Mô hình B3

Mô hình B3 được đề xuất bởi Bazant và Baweja năm 1997 Phiên bản đầu tiên của mô hình này được đề xuất năm 1978, được gọi là mô hình BP và sau đó nó được chỉnh sửa năm 1991 gọi là mô hình BP-KX Mô hình BP-KX đưa ra phương trình dự đoán biến dạng co ngót, từ biến cơ bản, từ biến khô, nhiệt độ ảnh hưởng lên từ biến cơ bản, nhiệt độ ảnh hưởng lên từ biến khô và ảnh hưởng ứng suất và độ ẩm theo chu kỳ Mô hình BP-KX đưa ra hai phiên bản, dạng khai triển và dạng rút gọn Phiên bản khai triển được dùng cho kết cấu nhạy cảm cao với ảnh hưởng của co ngót và từ biến, dạng rút gọn được dùng để dự đoán biến dạng đàn hồi từ biến

Trong mô hình B3, biến dạng co ngót được tính bằng tích số của biến dạng co ngót tới hạn và phương trình tổ hợp các yếu tố có xét đến ảnh hưởng của độ ẩm và thời gian Biến dạng co ngót tới hạn được cho là hàm phụ thuộc cường độ nén bê tông 28 ngày tuổi và hàm lượng nước Hệ số điều chỉnh cho loại xi măng và phương pháp bảo dưỡng lên biến dạng co ngót tới hạn được cho trước

Biến dạng từ biến được dự đoán bằng biến dạng đàn hồi từ biến Biến dạng đàn hồi từ biến được biểu diễn bằng tổng biến dạng tức thời do ứng suất đơn vị, từ biến cơ bản và từ biến khô Từ biến cơ bản là hàm thiết kế cấp phối của một loại bê tông riêng biệt Từ biến khô là hàm của biến dạng co ngót tới hạn, cường độ trung bình bê tông 28 ngày, tuổi bê tông và độ ẩm tương đối

Mô hình B3 dùng cho bê tông có cường độ nén trung bình từ 2900 psi (17 MPa) đến 10.000 psi (69 MPa), độ ẩn từ 40% đến 100%, tỷ lệ w/c từ 0,3 đến 0,85, hàm lượng xi măng 10 lb/ft3 (160 kg/m3) đến 45 lb/ft3 (721 kg/m3), tỷ lệ cốt liệu trên xi măng từ 2,5 đến 13,5

3.5.3 Mô hình CEB 90

Mô hình co ngót và từ biến CEB 90 dựa theo mô hình CEB-FIP 1990 (của Ủy ban bê tông châu Âu - Quốc tế và liên đoàn Quốc tế dự ứng lực) Những mô hình được đề cập trước đây là: CEB-FIP 1970 và CEB-FIP 1978 Mô hình CEB-FIP 1970 là mô hình tích số, dùng tích các hệ số điều chỉnh từ đồ thị cho các đặc tính cấp phối và các điều kiện môi trường khác nhau Mô hình CEB-FIP 1978 là mô hình tổng, tính tổng tất cả các hệ số dùng trong đồ thị

Mô hình CEB 90 là mô hình tích số, biến dạng co ngót được biểu thị bằng tích của hai hàm Một hàm chỉ hệ số co ngót phỏng đoán và hàm kia mô tả sự phát triển co ngót theo thời gian

Biến dạng từ biến được tính toán bằng cách sử dụng hệ số từ biến, bằng tích hệ số từ biến ước tính và hệ số khác mô tả sự phát triển từ biến với thời gian sau khi đặt tải Biểu thức được đưa ra cho hệ số từ biến ước tính để mô hình cả ảnh hưởng cường độ lẫn ảnh hưởng tuổi lúc đặt tải Sự phát triển của từ biến theo thời gian được cho như là hàm độ ẩm tương đối và kích thước cấu kiện Ảnh hưởng của nhiệt độ cao lên trạng thái từ biến ổn định và tạm thời cũng được cho trong mô hình