Luận án ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN LAM ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HĨA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TƠNG CỐT THÉP CƠNG TRÌNH CẦU Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 9580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường cầu hầm TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2022 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hường dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Nguyễn Duy Tiến Phản biện 1: ……………………………………… Phản biện 2: ……………………………………… Phản biện 3: ……………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường đại học Giao thông Vận tải Thư viện Quốc gia ĐẶT VẤN ĐỀ I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Bê tông vật liệu xây dựng sử dụng rộng rãi khắp giới có nhiều tính đáp ứng yêu cầu nhiều loại kết cấu khác nhau, khả tạo hình cao, tính chất kết cấu tốt độ bền cao so với loại vật liệu xây dựng khác Nhưng trình xây dựng, kết cấu bê tơng cốt thép xuất hình thành nhiệt độ tuổi sớm ảnh hưởng nhiệt thủy hóa Đây vấn đề quan trọng cần nghiên cứu phân bố nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất-biến dạng kết cấu BTCT giai đoạn thi công Cụ thể, ứng suất kéo kết hợp chênh lệch nhiệt độ, nhiệt q trình thủy hóa điều kiện mơi trường xung quanh, biến dạng tự nhiên điều kiện biên, thường gây tác động nội đáng kể lên kết cấu bê tông Bất ứng suất đạt đến cường độ chịu kéo bê tông, tượng nứt xảy ra, làm giảm khả sử dụng độ bền kết cấu Việc xử lý, sửa chữa, khắc phục vết nứt gây tốn kinh phí gây khó khăn, phức tạp xây dựng, cơng tác bảo trì, khai thác cơng trình Nứt nhiệt kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn khối bê tơng có kích thước lớn móng, đập phận cơng trình cầu Khả nứt kết cấu dạng nhiệt độ kết cấu liên quan chặt chẽ tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ mơi trường thi cơng nhiệt độ bê tơng tươi, đặc điểm hình học kết cấu Sự hình thành nguồn nhiệt độ cấu kiện bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, yếu tố quan trọng cấp phối bê tông công nghệ xây dựng Ở Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 “Bê tông khối lớn – Thi công nghiệm thu” [1], để ngăn ngừa hình thành vết nứt kết cấu bê tơng, phải bảo đảm hai yếu tố: Độ chênh lệch nhiệt độ ∆T điểm vùng khối bê tông không vượt 20o C: ∆T < 20o C; Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ M T điểm khối BT đạt không 50 o C/m; M T < 50o C/m Hiện tại, cơng trình cầu thường sử dụng bê tơng có cường độ cao (từ cấp 25MPa đến 40MPa) nên cần xem xét lại số yếu tố sau: Bê tông cường độ cao thường sử dụng hàm lượng xi măng lớn (có thể 400kg/m ) dẫn đến nhiệt lượng thủy hóa xi măng lớn nhiều so với bê tông đầm lăn bê tông thủy công Đặc biệt kết cấu bê tông trụ cầu sử dụng cốt thép biên gần mặt bê tơng, chúng làm thay đổi hệ số dẫn nhiệt khả chịu kéo bề mặt bê tông Nghiên cứu nguồn nhiệt độ, trường ứng suất cấu kiện bê tông (trạng thái phân bố nhiệt độ biến dạng) nhiều nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên, nghiên cứu có hạn chế kết cấu cịn đơn giản túy khối bê tơng khơng có cốt thép cấp phối bê tơng thí nghiêm chưa phải cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần cơng trình cầu (cấp C30 C35) Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Ứng dụng lý thuyết đồng hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ ứng suất nhiệt thủy hóa xi măng bê tơng cốt thép cơng trình cầu” để góp phần đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết, có kiểm chứng qua thực đo trường để phân tích, đánh giá ứng xử nhiệt thủy hóa xi măng kết cấu BTCT II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu thứ là: xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, phạm vi ảnh hưởng đặc trưng vật liệu tương đương lớp vỏ BTCT với số loại đường kính cốt thép điển hình Tiếp theo, mục tiêu thứ hai là: thực thí nghiệm đoạn nhiệt phịng cho số loại bê tơng thơng thường sử dụng cho cơng trình cầu để xây dựng đường cong nhiệt độ đoạn nhiệt chúng Cuối cùng, mục tiêu thứ ba là: sử dụng giá trị nhiệt lượng phát sinh thí nghiệm phịng giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, đặc trưng vật liệu tương đương vật liệu BTCT để xây dựng chương trình phân tích phân bố nhiệt độ ứng suất nhiệt thủy hóa xi măng kết cấu BTCT III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài luận án tập trung vào nội dung sau: Tổng quan; Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương đặc trưng vật liệu tương đương lớp BTCT phương pháp đồng hóa; Nghiên cứu thí nghiệm xác định nhiệt độ đoạn nhiệt từ q trình thủy hóa xi măng cho bê tơng thơng thường dùng cơng trình cầu; Ứng dụng lý thuyết đồng hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ ứng suất nhiệt thủy hóa xi măng kết cấu trụ cầu BTCT tuổi sớm IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU  Thứ nhất, xây dựng chương trình tính tốn đặc trưng nhiệt bê tông cốt thép lý thuyết đồng hóa (Phần mềm TCon1): hệ số dẫn nhiệt tương đương, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng hóa vật liệu BTCT cho cấu tạo lớp vỏ BTCT đặc trưng trụ cầu  Thứ hai, xây dựng đường cong đoạn nhiệt cho số cấp phối bê tông sử dụng kết cấu phần cơng trình cầu (bê tông C30, C35) theo phương pháp đoạn nhiệt phịng thí nghiệm phương pháp bán đoạn nhiệt trường  Thứ ba, xây dựng chương trình tính tốn phân bố thay đổi nhiệt độ ứng suất theo thời gian nhiệt thủy hóa xi măng (Phần mềm TCon2) để so sánh với kết thực đo trường TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hình thành vết nứt kết cấu bê tông cốt thép không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động học 1.1.1 Phân tích dạng vết nứt không tác động học Các loại vết nứt nhiệt độ trình thủy hóa xi măng, co ngót, từ biến kết cấu bê tông kiềm chế biến dạng khối bê tông tuổi sớm loại vết nứt không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động học Ứng suất kéo kết hợp chênh lệch nhiệt độ, nhiệt trình thủy hóa điều kiện mơi trường xung quanh, biến dạng tự nhiên điều kiện biên, thường gây tác động nội đáng kể lên kết cấu bê tông Bất ứng suất đạt đến cường độ chịu kéo bê tông, tượng nứt xảy ra, làm giảm khả sử dụng độ bền kết cấu Nứt nhiệt kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn khối bê tơng có kích thước lớn móng, đập phận cơng trình cầu Khả nứt kết cấu dạng nhiệt độ kết cấu liên quan chặt chẽ tới tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ mơi trường thi cơng nhiệt độ bê tơng tươi, đặc điểm hình học kết cấu 1.1.2 Khái niệm nhiệt thủy hóa xi măng bê tơng Nhiệt thủy hóa nhiệt lượng tỏa q trình thủy hóa xi măng nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông khoảng thời gian 72 đầu Nhiệt thủy hóa xi măng làm tăng nhiệt độ khơng đồng khối bê tông, tạo nên Gradient nhiệt độ giãn nở nhiệt thể tích nguyên nhân gây nứt cấu kiện BTCT Q trình thủy hóa xi măng gây khoáng chất thành phần sinh lượng nhiệt định Lượng nhiệt theo dõi đo thiết bị đo đẳng nhiệt Dưới điều kiện thông thường, luồng nhiệt sản sinh q trình thủy hóa xi măng phân thành giai đoạn Hình 1 Tốc độ tỏa nhiệt q trình thủy hóa xi măng poóclăng 1.1.3 Các quy định kiểm sốt vết nứt phi kết cấu cho cơng trình cầu Việt Nam Theo Tiêu chuẩn TCVN 11823 :2017: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường ô tô” [2] để kiểm soát nhiệt độ nhiệt thủy hóa xi măng hình thành vết nứt phi kết cấu: Đối với bê tông dùng cho kết cấu mặt nước mặn vùng bờ biển, tỷ lệ nước/xi măng không vượt 0,45; Tổng cộng lượng xi măng Pooclăng vật liệu chứa xi măng khác không vượt 475 kg/m3 bê tơng, ngoại trừ bê tơng tính cao lượng xi măng Pooclăng xi măng khác không vượt 593 kg/m3 Theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 [1] việc sử dụng vật liệu xi măng pooclăng thông thường, có lượng nhiệt thủy hóa sau ngày khơng q 70cal/g; Xi măng tỏa nhiệt, có lượng nhiệt thủy hóa sau ngày khơng q 60 Cal/g; Xi măng pooclăng - puzơlan, xi măng pooclăng - xỉ, xi măng nên sử dụng cho công trình xây dựng vùng ven biển có tiếp xúc với nước chua phèn 1.2 Các phương pháp phân tích hình thành nhiệt thủy hóa xi măng kết cấu bê tông cốt thép tuổi sớm giới Việt Nam 1.2.1 Các phương pháp giới Một cách tiếp cận hồn chỉnh để đánh giá kích thước khối kết cấu phương pháp xác định đặc trưng khuếch tán nhiệt thủy hóa đề xuất Ulm Coussy [55], phương pháp xem xét kích thước kết cấu đặc tính dẫn nhiệt Một cách tiếp cận khác liên quan đến đặc trưng hình học kết cấu [12] Tiếp đó, De Schutter Taerwe [26] nghiên cứu khái niệm Viện bê tơng Hoa Kỳ (ACI) kích thước khối đề xuất sử dụng độ dày tương đương làm thước đo kích thước kết cấu, M khối lượng kết cấu γa hệ số hình dạng theo dịng nhiệt Một phân tích cơ- nhiệt sử dụng phương pháp PTHH để đánh giá độ an toàn kết cấu dựa FIB Model Code 2010 [24] việc phân tích phi tuyến [23] để đánh giá độ an tồn cho bệ móng trụ điện gió sử dụng bê tơng cường độ cao vỏ hầm bê tông gia cố khơng gia cố cốt sợi với hình thành nhiệt thủy hóa xi măng tuổi sớm bê tông 1.2.2 Các phương pháp Việt Nam Một nghiên cứu ảnh hưởng kích thước kết cấu bê tơng khối lớn đến hình thành trường nhiệt độ vết nứt thủy hóa xi măng [3] xem xét ảnh hưởng kích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ tuổi sớm ngày khối bê tơng túy khơng có lớp cốt thép bên kết cấu Một nghiên cứu khác mức độ thủy hóa phát triển cường độ bê tông cường độ cao [7] dựa vào mức độ thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt Tuy nhiên, nghiên cứu có hạn chế kết cấu cịn đơn giản túy khối bê tơng khơng có cốt thép cấp phối bê tơng thí nghiệm chưa phải cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần cơng trình cầu Các nghiên cứu liệt kê dùng phương pháp mô PTHH phương pháp thực nghiệm, phương pháp điều tra số liệu thực tế chưa có nghiên cứu đề cập tới phương pháp đồng hóa vật liệu BTCT lớp vỏ kết cấu 1.3 Một số giải pháp phòng chống, hạn chế nứt không lực tác động kết cấu bê tông, bê tông cốt thép mố trụ cầu giai đoạn thi công Một số giải pháp áp dụng thực tế thi công bao gồm: phương pháp hạ nhiệt cốt liệu, sử dụng xi măng tỏa nhiệt, bảo dưỡng bê tông, khống chế nhiệt độ bê tơng q trình thi cơng sử dụng phụ gia khoáng 1.4 Kết luận chương Chương nghiên cứu tổng quan hình thành vết nứt kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động học Đồng thời nghiên cứu nguyên nhân hình thành vết nứt cơng trình có kích thước lớn Từ đó, đưa cách nhìn nhận đánh giá hình thành vết nứt phân tích, xử lý dạng vết nứt Các phân tích, đánh giá thực phương pháp thực nghiệm trường phương pháp mô qua phần mềm phân tích kết cấu (FEM/FEA) XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA LỚP BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA 2.1 Tổng quan phương pháp đồng hóa vật liệu 2.1.1 Ứng xử vật liệu Thiết lập quy luật ứng xử vật liệu việc xây dựng quy luật dự báo lý thuyết sở thiết lập mối quan hệ vĩ mô-vi mô Cụ thể hơn, đặc trưng vật liệu cấp độ thiết bị cơng trình (cấp độ vĩ mơ) có liên hệ định đặc trưng, cấu trúc, quy luật vật lý mức độ vật chất nhỏ (cấp độ vi mô) 2.1.2 Khái niệm đa cấp độ Mơ hình đa cấp độ hướng nghiên cứu mơ hình khác cấp độ khác (cơ học lượng tử, học động lực phân tử, học môi trường liên tục ) sử dụng đồng thời để mô tả ứng xử hệ vật chất 2.1.3 Khái niệm đồng hóa Phương pháp đồng hóa vật liệu đa cấp độ xét tới vật liệu cấp độ tuân theo quy luật học môi trường liên tục Tại cấp độ vĩ mơ (cấp độ kết cấu) cơng trình xem môi trường liên tục đặc trưng phần tử thể tích (elementary volume) lý thuyết, phần tử thể tích vơ bé hệ vật chất xem xét Cụ thể hơn, ký hiệu L kích thước cơng trình phần tử thể tích