Tính thấm và các thuộc tính truyền nhiệt của bê tông thông thường và bê tông cường độ cao ở nhiệt độ cao

Bài viết Tính thấm và các thuộc tính truyền nhiệt của bê tông thông thường và bê tông cường độ cao ở nhiệt độ cao trình bày kết quả thực nghiệm các thuộc tính này, được nghiên cứu trên 2 loại bê tông thông thường và bê tông cường độ cao được nung đến 300°C.

Nguyễn Văn Thái 76 TÍNH THẤM VÀ CÁC THUỘC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA BÊ TÔNG THÔNG THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO Ở NHIỆT ĐỘ CAO PERMEABILITY AND THERMAL PROPERTIES OF NORMAL AND HIGH PERFOMANCE CONCRETE AT HIGH TEMPERATURE Nguyễn Văn Thái Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng; thainv@dau.edu.vn Tóm tắt - Trong trường hợp hỏa hoạn, bê tông cho thấy ổn định, thể qua dạng bong tróc bề mặt, nổ vỡ q trình chuyển hóa thủy nhiệt bê tơng Thuộc tính truyền nhiệt, cấu trúc vật lý đặc trưng tính thấm bê tơng tham số chi phối chuyển hóa Nội dung báo trình bày kết thực nghiệm thuộc tính này, nghiên cứu loại bê tông thông thường (BTTT) bê tông cường độ cao (BTCĐC) nung đến 300°C Kết cho thấy, với cấu trúc đặc chắc, nhờ vào tỷ số nước/xi măng (N/X) thấp, độ thấm BTCĐC thấp so với BTTT, độ dẫn nhiệt độ khuếch tán nhiệt BTCĐC cao so với BTTT Khi nhiệt độ nung tăng, độ thấm gia tăng, độ dẫn nhiệt độ khuếch tán nhiệt giảm loại bê tông nghiên cứu Abstract - In case of fire, the concrete shows a thermal instability (in the form such as spalling, explosion) caused by thermo-hydro transfer Thermal properties, physical properties characterized by permeability are the parameters that govern this transformation This article presents experimental results of these properties studied on two concrete types: normal concrete (NC) and high performances concrete (HPC) subjected to room temperature to 300°C Obtained results show that with a compact structure thanks to the low ratio W/C, the permeability of NC is lower than that of HPC; the thermal conductivity, diffusion of HPC is higher than that of NC The increase in the permeability and the diminution of the thermal conductivity and diffusion occurs for both of concrete types while increasing imposed temperature Từ khóa - tính thấm; thuộc tính truyền nhiệt; bê tơng thơng thường; bê tông cường độ cao; nhiệt độ cao Key words - permeability; thermal properties; normal concrete; high performance concrete; high temperature Giới thiệu Ngay chịu tác dụng nhiệt độ cao, bê tông cho thấy ổn định dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ bị nổ Những hỏa hoạn xảy cơng trình dân dụng Tháp Windsor, Thủ Mandrid, Tây Ban Nha (2005), hay cơng trình giao thông hầm Manche (1996 2008) nối liền Anh Pháp, Tauern (1999) Áo, Saint-Gothard (2001) Thụy Sỹ minh chứng cho ổn định Sự ổn định chuyển hóa thủy – nhiệt, mà qua trình phóng thích nước dạng đưa đến áp lực nước lỗ rỗng đủ lớn để gây tượng nổ bê tông [1], hay ứng xử cơnhiệt xảy bên bê tông, làm phát sinh ứng suất nhiệt (ứng suất nén song song với bề mặt bị đốt nóng) [2], hay xung khắc biến dạng vữa xi măng cốt liệu, mà hậu đưa đến nứt nẻ hay bong tróc bề mặt [1, 3] Các tham số đặc trưng cho thuộc tính vật lý như: độ đặc chắc, tính xốp, tính thấm, tính truyền nhiệt bê tông, hay chất cốt liệu, thành phần hỗn hợp bê tơng nhân tố khác ảnh hưởng đến ứng xử bê tông nhiệt độ cao Bài báo tập trung trình bày phân tích kết thực nghiệm tính thấm, tính truyền nhiệt mẫu bê tơng chế tạo từ hai loại BTTT (N/C = 0,67; Rc = 37 Mpa 28 ngày) BTCĐC (N/C = 0,30; Rc = 73 Mpa) Các mẫu thử nghiệm nung từ nhiệt độ phịng đến 300°C xác định tính thấm tính truyền nhiệt Sự chi phối thuộc tính truyền nhiệt, tính thấm đến q trình chuyển hóa thủy nhiệt bê tơng đề cập nghiên cứu BTTT (ký hiệu B1) BTCĐC (ký hiệu B2) Thành phần hỗn hợp chúng trình bày Bảng Vật liệu, mẫu thiết bị thí nghiệm 2.1 Vật liệu Hai loại bê tông sử dụng nghiên cứu Bảng Thành phần hỗn hợp loại bê tông cho m3 Thành phần B1 B2 328 500 Xi măng CEM I 52,5N CE CP2 NF (kg) Nước (kg) 219 150 Sỏi Silico-Calcaire (6,3-20) (kg) 1.069 1.090 Cát Silico-Calcaire (0-4) (kg) 630 640 Phụ gia siêu dẻo (Cimfluide 3002) (kg) 4,4 0,67 0,30 37 73 Tỷ lệ N/C Cường độ nén 28 ngày (Mpa) 2.2 Mẫu thiết bị thí nghiệm 2.2.1 Mẫu thiết bị đo thấm Mẫu đo thấm có dạng hình đĩa, có đường kính 15 cm chiều cao cm (Hình 1) Mẫu cắt từ mẫu đúc hình trụ 15x30 cm (Øxh) Hình Mẫu thử dạng đĩa = 150 mm, H = 50 cm Trước thí nghiệm, mẫu sấy khơ lị 80°C đến khối lượng khơng đổi Điều giúp loại bỏ hồn toàn nước tự lỗ rỗng mà bảo tồn nước ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN liên kết hydrat silicat canxi (Calcium Silicate Hydrate C-S-H) Các mẫu chịu tác dụng mức nhiệt độ khác để nguội trước đo thấm (Hình 2) thiết bị Cembureau (Hình 3) T°C Tmax (°C) Tmax 300 t lg 150 t lg 80 28 ngày 150 30 300 Kết thảo luận 3.1 Tính thấm Tính thấm xác định độ thấm khí gas cho dịng khí gas nitơ giữ áp lực định (từ 1,5 bar đến 3,5 bar) thấm xuyên qua mẫu bê tông chuẩn bị mơ tả Mục 2.2.1 Các thiết bị thí nghiệm tuân thủ theo tiêu chuẩn RILEM TC 116-PCD (phương pháp Cembureau) Độ thấm khí gas xác định công thức: kg  50 Thời gian Pha nung nóng t lg : Thời gian lưu giữ  P0  Q0    L Pi  P02  A    Q0 lưu lượng khí nitơ (N2) đo đầu [m3/s] Pha làm lạnh Tmax : Nhiệt độ nung 77 Đo thấm Hình Các chế độ tác dụng nhiệt để đo thấm M  A tiết diện thấm mẫu [m²]  L chiều dày mẫu [m]  μ độ nhớt động khí N2, lấy 1,76x10-5 Pa.s  Pi áp suất tuyệt đối khí đầu vào [Pa]  P0 áp suất môi trường [Pa], lấy 101325 (Pa) Kết đo độ thấm (ký hiệu Ki) độ thấm tương đối (là tỷ lệ độ thấm đo nhiệt độ T i so với độ thấm mẫu sau sấy 80°C, ký hiệu Ki/K80) theo nhiệt độ nêu Bảng Hình Thiết bị đo thấm – phương pháp Cembureau 2.2.2 Mẫu thiết bị đo thuộc tính truyền nhiệt Mẫu đo có dạng hình hộp chữ nhật, có kích thước 8x4x12 cm Mẫu cắt từ mẫu đúc hình lăng trụ 8x8x24 cm Trước thí nghiệm, mẫu sấy khơ lị 80°C đến khối lượng khơng đổi Các thuộc tính truyền nhiệt đo nhiệt độ 24°C, 80°C, 150°C 300°C (Hình 4) trình nung mẫu thiết bị đo Hot Disk TPS 1500 (Hình 5) Hình Các ngưỡng nhiệt độ đo thuộc tính truyền nhiệt Hình Mẫu thiết bị đo Hot Disk TPS 1500 Bảng Độ thấm độ thấm tương đối bê tông nhiêt độ đo Mẫu T(°C) B1 B2 Ki (10-16.m2) Ki/K80 (%) 80 4,5 100 150 13,0 288 300 43,4 960 80 0,7 100 150 2,7 363 300 20,3 2.723 Hình Hình cho thấy thay đổi độ thấm độ thấm tương đối theo nhiệt độ Độ thấm bê tông tăng theo nhiệt độ Sự gia tăng mạnh mẽ độ thấm xảy nhiệt độ vượt 150°C So với độ thấm ban đầu 80°C, độ thấm mẫu B1 đo 300°C gấp 10 lần, đó, độ thấm mẫu B2 nhiệt độ gấp 30 lần Kết cho thấy rằng, độ thấm bê tông B2 nhỏ so với bê tông B1 ngưỡng nhiệt độ đo Điều có nhờ cấu trúc đặc bê tông B2 có tỷ lệ N/C so với bê tông B1 Tuy nhiên, tác dụng nhiệt độ, độ thấm tương đối bê tông B2 lại gia tăng mạnh so với bê tơng B1 (Hình 7) Hình Sự thay đổi độ thấm bê tơng theo nhiệt độ Nguyễn Văn Thái 78 Hình Sự thay đổi độ thấm tương đối bê tông theo nhiệt độ Sự gia tăng độ thấm có liên quan đến xuất phát triển vết nứt bê tông Dưới tác dụng nhiệt độ nung, cốt liệu bị giãn nở [4-6], hồ xi măng lại co rút [7] Chính khơng tương thích biến dạng hồ xi măng cốt liệu gây tượng nứt bê tông Các Hình Hình cho thấy rằng, bề rộng vết nứt tăng lên với gia tăng nhiệt độ Một mạng lưới dày đặc vết nứt làm cho độ thấm tăng So sánh kết đo với tác giả khác Fares [8], Mindeguia [9], Haniche [10] Kanema [11] (Hình 10), điều kiện có khác biệt thời gian trì tác dung nhiệt, cho thấy rằng, với tốc độ gia nhiệt chậm 0,1° C/phút thời gian trì tác dụng nhiệt lâu, độ thấm đo gần với kết đo tác giả Mindeguia cao so với tác giả lại trì thời gian tác dụng nhiệt ngắn Điều cho thấy, với thời gian tiếp xúc nhiệt lâu, cấu trúc bê tông bị hư hại nghiêm trọng đưa đến gia tăng mạnh độ thấm bê tơng 3.2 Thuộc tính truyền nhiệt Các kết thực nghiệm thuộc tính truyền nhiệt loại bê tông đặc trưng độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt nhiệt dung riêng theo nhiệt độ thể Bảng Bảng Thuộc tính truyền nhiệt bê tông nhiêt độ đo Loại BT B1 B2 Hình Bề rộng vết nứt mẫu bê tông B1 sau nung nhiệt độ thử nghiệm Hình Bề rộng vết nứt mẫu bê tông B2 sau nung nhiệt độ thử nghiệm Thời gian trì nhiệt thay đổi Thời gian trì nhiệt tiếng Thời hona Nhiệt độ đo T (°C) Độ dẫn nhiệt (W/m/K) Độ khuếch tán nhiệt (mm2/s) Nhiệt dung riêng (*) C (J/kg/K) 24 1,94 1,12 820 80 2,03 1,00 966 150 1,91 0,81 1.125 300 1,62 0,64 1.235 24 2,22 1,17 808 80 2,26 1,04 926 150 2,18 0,86 1.098 300 1,85 0,70 1.167 Ghi chú: (*) Khối lượng thể tích mẫu đo lấy Bảng III-4 [12] để xác định nhiệt dung riêng mẫu bê tông thử nghiệm 3.2.1 Độ dẫn nhiệt Sự thay đổi độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ biểu diễn Hình 11 Một tăng nhẹ độ dẫn nhiệt xảy nhiệt độ nung tăng đến 80°C Sự gia tăng độ dẫn nhiệt có liên quan đến nước bị mắc kẹt lỗ rỗng vữa xi măng Chính gia tăng độ dẫn nhiệt nước gây gia tăng độ dẫn nhiệt bê tông [13] Khi nhiệt độ vượt 80°C, suy giảm độ dẫn nhiệt gần tuyến tính cho hai loại bê tơng Trong q trình gia nhiệt, bê tơng trở nên khơ nước Mặt khác, hình thành khe nứt xung khắc biến dạng hồ xi măng cốt liệu làm hạn chế truyền dẫn nhiệt bê tơng Hình 10 So sánh độ thấm đo mẫu B1 B2 với kết đo tác giả khác [8-11] có khác biệt thời gian trì nhiệt độ nung Từ cấu trúc đặc hơn, độ thấm B2 nhỏ so với B1 Tuy nhiên, sau nung đến 300°C, gia tăng độ thấm tương đối B2 gấp lần so với B1 Điều cho phép khẳng định bê tông B2 trải qua hủy hoại đáng kể bị nung nóng Hình 11 Độ dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN Kết thí nghiệm cho thấy rằng, độ dẫn nhiệt bê tông B2 (BHP) lớn so với bê tông B1 (BO) vào khoảng 13% cho mức nhiệt độ thử nghiệm Một cấu trúc đặc bê tông thông thường B1 làm cho độ dẫn nhiệt thấp 79 giả Xing [14] Mindeguia [9] (Hình 14) Hình 14 So sánh độ khuếch tán nhiệt đo với kết tác giả Xing [14]và Mindeguia [9] Hình 12 So sánh độ dẫn nhiệt đo với kết tác giả Xing [14], Mindeguia [9]và Euro code Khi so sánh kết thí nghiệm đạt với kết khác tác giả Xing [14], Mindeguia [9] tiêu chuẩn Euro code (Hình 12) cho thấy kết đạt hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu tác giả Xing [14] Mindeguia [9] Các trị số đo nhiệt độ 80°C Mindeguia cao hơn, thực điều kiện mẫu ướt chưa sấy khô 3.2.2 Độ khuếch tán nhiệt Sự thay đổi độ khuếch tán nhiệt theo nhiệt độ biểu diễn Hình 13 Tương tự độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt bê tông B1 nhỏ so với bê tông B2 nhiệt độ đo Đối với loại bê tông, khả khuếch tán nhiệt chúng giảm nhiệt độ nung tăng Trong mơi trường có nhiều lỗ rỗng hay vi cấu trúc bị hư hại vết nứt, truyền nhiệt diễn chậm Điều giải thích giảm khả khuếch tán nhiệt nhiệt độ nung tăng Một sụt giảm nhanh độ khuếch tán nhiệt nhiệt độ lên đến 150°C Hiện tượng liên quan đến tiêu thụ nhiệt để nước tự bay Vượt 150°C, độ khuếch tán nhiệt giảm chậm Điều có liên quan đến nước hydrat [14] Hình 13 Độ khuếch tán nhiệt thay đổi theo nhiệt độ Sự thay đổi độ khuếch tán nhiệt theo nhiệt độ đo mẫu thử tương đồng với kết tác 3.2.3 Nhiệt dung riêng Kết thí nghiệm cho thấy rằng, nhiệt dung riêng bê tông B1 lớn bê tông B2 Điều bê tông B1 chứa nhiều nước sở hữu cấu trúc đặc so với bê tơng B2 Hình 15 Nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ đo Nhiệt dung riêng hai loại bê tông tăng với gia tăng nhiệt độ nung (Hình 15) Sự gia tăng nhiệt dung riêng bê tông hấp thụ lượng nhiệt để chuyển hóa lý - hóa xảy bên Một gia tăng nhanh chóng nhiệt độ nâng lên đến 150°C Điều nước tự hấp thu nhiệt để hóa khỏi bê tơng Tiến trình phù hợp với quan sát Schneider [15] Xing [14] Kết luận Với cấu trúc đặc sử dụng lượng nước thấp, bê tông cường độ cao B2 (N/X = 0,3; R28 = 73 Mpa) có tính thấm nhỏ so với bê tông thông thường B1 (N/X = 0,67; R28 = 37 Mpa) Khi bị nung nóng, độ thấm loại bê tông tăng Khi nhiệt độ nung vượt 150°C, độ thấm hai loại bê tông tăng mạnh Đặc biệt bê tông B2, độ thấm tương đối gấp đơi so với bê tông B1 300°C Điều cho thấy bê tông cường độ cao trải qua suy thoái đáng kể vết nứt so với bê tông thông thường Ngồi ra, thời gian trì tác dụng nhiệt lâu, tiến trình giải nước (dehydration) C-S-H mạnh, cấu trúc bê tơng bị hủy hoại Sự hình thành phát triển vết nứt góp phần làm tăng tính thấm bê tơng Một cách tổng quát, thay đổi thuộc tính truyền nhiệt theo nhiệt độ nung diễn cách tương tự cho hai Nguyễn Văn Thái 80 loại bê tông nghiên cứu B1 B2 Các kết thực nghiệm cho thấy rằng, độ dẫn nhiệt độ khuếch tán nhiệt bê tông giảm nhiệt độ nung tăng Sự giảm sút trình nước bê tông xuất vết nứt Trong đó, nhiệt dung riêng bê tông lại tăng theo nhiệt độ nung Sự gia tăng bê tông hấp thụ nhiệt lượng cho bay nước hay giải nước C-S-H Sự diện nước tự lỗ rỗng có ảnh hưởng đến thuộc tính truyền nhiệt nhiệt độ nung 150°C TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Consolazio, G.R., McVay, M.C & Rish, J.W., Measurement and prediction of pore pressure in cement mortar subjected to elevated temperature, International Workshop of Fire Performance of High Strength Concrete, Gaithersburg, Maryland, NIST: National Institute of Standards and Technology Special Publication 919, 1997, pp 125-148 [2] Bazant, Z.P & Kaplan, M.F., Concrete at high temperatures: Material properties and mathematical models, Harlow, Longman, 1996 [3] Kalifa, P., Menneteau, F.-D & Quenard, D., “Spalling and pore pressure in HPC at high temperatures”, Cement and Concrete Research, Vol 30, 2000, pp 1915-1927 [4] Khoury, G.A., “Strain components of nuclear-reactor-type concretes during first heat cycle”, Nuclear Engineering and Design, Vol 156, 1995, pp 313-321 [5] Khoury, G.A., Grainger, B.N & Sullivan, P.J.E., “Transient Thermal Strain of Concrete: Literature Review, Condition Within Specimen and Behaviour of Individual Constituent”, Magazine of Concrete Research, Vol 37, 1985, pp 131-144 [6] Schneider, U., Diederichs, U & Ehm, C., “Effect of temperature on [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] steel and concrete for PCRV's”, Nuclear Engineering and Design, Vol 67, 1982, pp 245-258 Diederichs, U., Jumppanen, U.M & Penttala, V., Behaviour of high strength concrete at high temperatures, In: ed Helsinki, University of Technology, Department of Structural Engineering, 1989 Fares, H., Propriétés mécaniques et physico-chimiques de bộtons autoplaỗants exposộs une tempộrature ộlevộe, Thốse de doctorat, Génie civil, Université de Cergy-Pontoise, 2009 Mindeguia, J C., Contribution expérimentale la compréhension des risques d'instabilité thermique des bétons, Thèse de Doctorat, Génie Civil, Université de Pau et des Pays de l’Adour, 2009 Haniche, R., Contribution l’étude des bétons portés en température / Évolution des propriétés de transfert: Étude de l’éclatement, Thèse de doctorat, Génie Civil, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 2011 Kanema, M., Influence des paramètres de formulation sur le comportement haute température des bétons, Thèse de Doctorat, Génie civil, Université de Cergy-Pontoise, 2007 Van Thai, N., Comportement des bétons ordinaire et hautes performances soumis haute température: Application des éprouvettes de grandes dimensions, Thèse de Doctorat, Génie Civil, Université de Cergy-Pontoise, 2013 Maréchal, J.C., “Contribution l'étude des propriétés thermiques et mécaniques du béton en fonction de la température”, Annales de l'Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics, Vol 23, 1970, pp 123-145 Xing, Z., Influence de la nature minéralogique des granulats sur leur comportement et celui du béton haute température, Thèse de Doctorat, Génie Civil, Université de Cergy-Pontoise, 2011 SCHNEIDER, U., “Concrete at high temperatures - A general review”, Fire Safety Journal, Vol 13, 1988, pp 55-68 (BBT nhận bài: 11/9/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/10/2017) ... thấy thay đổi độ thấm độ thấm tương đối theo nhiệt độ Độ thấm bê tông tăng theo nhiệt độ Sự gia tăng mạnh mẽ độ thấm xảy nhiệt độ vượt 150°C So với độ thấm ban đầu 80°C, độ thấm mẫu B1 đo 300°C... xúc nhiệt lâu, cấu trúc bê tông bị hư hại nghiêm trọng đưa đến gia tăng mạnh độ thấm bê tông 3.2 Thuộc tính truyền nhiệt Các kết thực nghiệm thuộc tính truyền nhiệt loại bê tơng đặc trưng độ dẫn... dụng nhiệt độ, độ thấm tương đối bê tông B2 lại gia tăng mạnh so với bê tơng B1 (Hình 7) Hình Sự thay đổi độ thấm bê tông theo nhiệt độ Nguyễn Văn Thái 78 Hình Sự thay đổi độ thấm tương đối bê tông