TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG TUỔI SỚMKẾT CẤU CẦU VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ KIỂM SOÁT NHIỆT VÀ HẠN CHẾVẾTNỨT
Quátrìnhthủy hóacủaximăngPooclăng
Quá trình thủy hóa của xi măng là phản ứng của các khoáng vật thành phần ximăng với nước dẫn đến các thay đổi hóa học và cơ lý Quá trình này sinh ra một lượngnhiệt nhất định nào đó Nhiệt thủy hóa là một đặc tính của xi măng Poóc –lăng, lượngnhiệt được giải phóng phụ thuộc vào thành phần xi măng, nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệnước/ximăngvàđộmịncủaximăng.Thànhphầnximăngbaogồm4khoángvậtchínhlà: tricalcium silicate (C3S), dicalcium silicate (C2S), tricalciumaluminate (C3A) vàtetracalciumaluminoferrite(C4AF)[4].
Thành phần hóa học của xi măng Poóc lăng và tên viết tắt của chúng được nêutrongbảng1.1.
Bảng1.1.Tênviếttắt củaôxitvàhợpchấthóahọccủaxi măngPooclăng [94] Ôxit Tênviếttắt Hợpchất Tênviết tắtcủahợpchất
Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
Phản ứng thủy hóa của 4 khoáng chất quan trọng nhất trong xi măng và nướcđượcthểhiệntrongcácphươngtrìnhtừ(1.1)đến(1.6).Giaiđoạnđầucủaquátrìnhthủyhóa xảy ra tác dụng nhanh của alit với nước tạo ra hydrosilicat canxi và hydroxit canxi[4]:
Vì đã có hydroxit canxi tách ra từ C3S nên C2S thủy hóa chậm hơn C3S và táchraít Ca(OH)2h ơ n :
KhoángC3Aphảnứngvớinướcrấtnhanhchóngvàgâyrasựpháttriểnvềnhiệt.Ngaysaukhit rộnvớinước,trênbềmặtcáchạtximăngđãcólớpsảnphẩmxốp,khôngbền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác. Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bềncủa xi măng Dạng ổn định, sản phẩm phản ứng nhanh của nó là hydro canxi aluminat6nước có tinhthể hìnhlậpphương(3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O):
3CaO.Al2O3+6H2O 2O3.6H2O (1.3) Để làm chậm quá trình đông kết, khi nghiền clanhke cần cho thêm một lượngthạch cao từ 3-5% so với khối lượng xi măng Canxi sunfat đóng vai trò là chất hoạtđộng hóa học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxit ngay từ đầu để tạo thànhettringite:
C3A sẽtiếp tụcphảnứng với thạchcaocho đến khi tất cảcácthạchcaođượcsửdụng hết, sau đó C3A sẽ bắt đầu phản ứng với Ettringite để tạo thành monosulfate:3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+2(3CaO.Al2O3)+22H2O=3(3CaO.Al2O3.CaSO4.18
4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O =3 C a O A l2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (1.6) Hydroferitsẽnằmlạitrongthànhphầncủagelximăng,cònhydroaluminatsẽlạitácdụngvớit hạchcaonhưphảnứngtrên.
Lượng và động học của nhiệt được tạo ra bởi quá trình thủy hóa xi măng là mộtthôngsốquantrọngđểdựđoánsựpháttriểnnhiệtđộvàphânbốnhiệtđộtrongmộtcấukiệnbêtông[93].SựthủyhóacủaximăngPooc-lănglàmộtphảnứnghóahọctỏanhiệtcao [94] Thông thường,khoảng một nửa tổng nhiệt lượng thủy hóa được tỏa ra trongkhoảngtừ1đến3ngàysaukhitrộnximăngvớinước[97].
Dướicácđiềukiệnthôngthường,luồngnhiệtsảnsinhratrongquátrìnhthủyhóacủaximăngđư ợcphânthành5giaiđoạn (Hình1.1):[94]
*GiaiđoạnI(giaiđoạnhòatan3 ngày)
Hình 1.5.Tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén theo tuổi bê tông(Zhao[121])
Hiệuứng nhiệtcủabê tôngởtuổisớm
Sự truyền nhiệt trong bê tông bắt đầu từ năng lượng nhiệt được giải phóng trongquátrìnhthủyhóaximăng.Đâylàphảnứngtỏanhiệtvàkíchhoạtnhiệt.Nhiệtđộtăngtác động làm tăng tốc độ sinh nhiệt và sự tỏa nhiệt trong bê tông Bề mặt của bê tôngtiếpxúcvớivánkhuônhoặcvớimôitrườngbênngoàisẽbịmấtnhiệtnhanhhơnnêncónhiệtđộthấp hơnphầnbêtôngởlõi,sựmấtnhiệtnàytácđộngngượclạiquátrìnhthủyhóa Hiệu ứng nóng lên từ quá trình thủy hóa và sự mất nhiệt bề mặt diễn ra đồng thời,tác động lẫn nhau làm cho các điểm trong bê tông có nhiệt độ khác nhau, mức độ thủyhóa khác nhau, tốc độ sinh nhiệt khác nhau và có sự phát triển các đặc tính cơ học làkhácnhau.
1.3.2 Ứngsuấtnhiệttrongbêtông Ứngsuấtkéolànguyênnhânchínhcủasựpháhoạicủacáckếtcấubêtông.Ứngsuất kéo trong bê tông tuổi sớm thường phát triển từ hai nguồn chính: gradient nhiệttrongkếtcấubêtôngvàsựhìnhthànhettringitemuộn[104].
Trong suốt giai đoạn tuổi sớm, sự phân bố trường nhiệt độ không đều gây mấtcân đối trong sự giãn nở nhiệt của kết cấu bê tông Bề mặt với nhiệt độ thấp hơn phảichịu ứng suất kéo do sự giãn nở nhiệt của phần bê tông phía trong Bề mặt của bê tôngchịuứngsuấtkéongaytừkhibêtôngđôngkếtchođếnkhinhiệtthủyhóaphântánhoàntoànramôit rườngxungquanh.Sựđảongượccủaứngsuấtcóthểxảyraởphíadướibềmặtcủacấukiệnbêtôngkhi bêtôngchuyểntừgiaiđoạnnónglênsanggiaiđoạnnguộiđi Việc ứng suất kéo cao tại bề mặt có thể gây ra nứt nhiệt hay không phụ thuộc vào tỉsốứngsuấtkéo/cườngđộchịukéo.Trongsuốtquátrìnhthủyhóacủabêtôngtuổisớm,cả ứng suất nhiệt và cường độ của bê tông đều được phát triển nhưng ở tốc độ khácnhau.Khiứngsuấtnhiệttừsựmởrộngnàyvượtquácườngđộchịukéocủavậtliệu,bêtôngsẽnứt[ 83].Hiệntượngnàyđượccoilàvấnđềnứtnhiệt.Vếtnứttrongbêtônglàmgiảmtuổithọdựkiếncủakếtc ấubởicáctácnhâncóhạinhưnước,carbondioxidehoặcclorua có thể xâm nhập vào bê tông và dẫn đến hiện tượng ăn mòn cốt thép, làm giảmđộbềnvàtuổithọcủacôngtrình [104].
Hình 1 6 Sự phát triển nhiệt và hìnhthànhvếtnứtcủabêtôngkhốilớn[37]
Hình 1.7.Ứng suất nhiệt và cường độ chịukéocủabêtôngtheothờigian[83,113]
Hình 1.6 mô tả về ứng xử nhiệt của bê tông tuổi sớm [37] Khi bê tông mớiđượcđổ,cònđangtrongtrạngtháidẻo,bêtôngcónhiệtđộđồngđềuvàgầnnhưkhôngcócường độ(Hình1.6a).Quátrìnhthủyhóa diễnra,mứcđộthủyhóatănglênlàmchonhiệt độ của bê tông tăng dần và tốc độ tỏa nhiệt tăng, bề mặt bên ngoài tiếp xúc vớimôitrườngxungquanhnguộiđinhanhhơnphầnlõi,dẫnđếnsựchênhlệchvềnhiệtđộ(Hình1.6b).Phầnlõicủabêtôngcónhiệtđộcaohơnlớpbênngoàidođóbịgiãnnở cục bộ như trên hình 1.6c Sự co giãn không đều giữa bề mặt và phần lõi có thể tạo raứngsuấtkéovàgâynứtbềmặtbêtông,nhưthểhiệntrênhình1.6d.
Hình1.7đượctrìnhbàyđầutiênbởiTiavàcộngsự [113]môtảvídụvềsựpháttriển ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tông Khu vực xảy ra nứt ở thời điểmmà ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo. Trong thực tế vùng nứt này có khả năngxảy ra lớn nhất từ 1 đến 2 ngày sau khi đổ bê tông phụ thuộc vào hình dạng cấu kiện,kíchcỡ,giớihạnbiênvàsự thayđổicủanhiệtđộmôitrường.
Một trong những khó khăn chính trong việc dự đoán nứt của bê tông trong quátrình thủy hóa là ứng suất kéo phát triển trước khi bê tông đã đạt cường độ cực hạn củanó Dưới những điều kiện nhất định, ứng suất kéo có thể phát triển trong khi các phầncủa bê tông vẫn đang trong trạng thái dẻo, dẫn đến nứt do co ngót dẻo Để mô hình sựlàm việc của bê tông khối lớn trong suốt giai đoạn đầu thủy hóa của xi măng (trong đónhiệt sinh ra là lớn nhất), điều cần thiết đầu tiên là phải đặc tính hóa sự phát triển quanhệứngsuất- biếndạngcủabêtông.Ứngsuấtsinhradogradientnhiệttrongkếtcấubêtôngkhốilớnthayđổitheoth ờigian,cũngnhưứngxửứngsuất-biếndạngcủabêtông.Mối quan hệ tương đối giữa ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo là rất quan trọng khixem xét khả năng nứt của bê tông Ngoài ra, tốc độ phát triển mô đun đàn hồi, tốc độpháttriểnhệsốgiãnnởnhiệtcủabêtôngcũngđóngvaitrònhấtđịnhtrongứngxửcơ
– nhiệt của bê tông non Để giải thích cho sự ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đếnnhau kể trên, ứng xử ứng suất - biến dạng của bê tông ở các độ tuổi và nhiệt độ khácnhauphảiđượcnghiêncứu[12].Cácnghiêncứutrướcđâytậptrungvàocườngđộchịunén của bê tông khi xác định sức kháng đối với các ứng suất tác dụng Mặc dù cườngchịu độ nén là tham số thiết kế chính trong bê tông khối lớn, nứt nhiệt vốn là một hiệntượng liên quan đến ứng suất kéo Do vậy, cường độ chịu kéo là đặc tính cực kỳ quantrọngtrongviệcmôhìnhhóaứngxử củabêtôngkhốilớn[12].
Sự hình thành ettringite muộn (delayed ettringite formation - DEF) là một hìnhthứcnộitấncôngsun- pháttrongbêtôngmàcóthểgâynứtgãyvàhưhỏngvàcuốicùnglàpháhoạivậtliệu.Trongsuốtquátrình thủyhóacủaximăngpoóc-lăngdướiđiềukiệnthông thường, sự hình thành ettringite là kết quả của quá trình phản ứng hóa học giữaC 3 A và thạch cao Các ettringite sau đó tiếp tục phản ứng với C3A còn lại để sản xuấtmonosulfoaluminate,mộthợpchấttươngđốitrơ.Thạchcaođượcthêmvàoximă ng nhằm thúc đẩy sự hình thành ettringite này vàđiều chỉnhsự đóng rắnc ủ a C3A. Ettringitecó tính chất trương nở thể tích, khi bê tông ở trạng thái dẻo thì việc trương nở thể tíchcủaettringiteg i ú p lấpđầylỗrỗngđồngthờigâychặtbêtông.Tuynhiênởnhiệtđộcao,ettringitekhô nghìnhthànhmàhìnhthànhmonosulfate.Saukhigiảmnhiệtđộ,ettringitemuộn hình thành từ monosulfate, sun- phát và độ ẩm Ettringite là một hợp chất kết tinhđặc biệt với tỉ lệ hình dạng cao có thể hình thành các tinh thể hình kim dài Khi mầmtinh thể xảy ra, các tinh thể ettringite có khuynh hướng phát triển theo chiều dọc, gâytrươngnởthểtích.Ngaycảkhiđầucủacáctinhthểgặpvậtliệurắn,sựtăngtrưởngvẫntiếp tục, gây ra ứng suất cục bộ rất lớn dẫn đến sự giãn nở và nứt hồ xi măng đã thủyhóa Nhiệt độ chính xác cần thiết cho sự hình thành của ettringite muộn đã được tranhluận rộng rãi trên thế giới Phần lớn các báo cáo nghiên cứu có sẵn coi 70°C(158°F) lànhiệtđộtốithiểucầnthiếtchosựhìnhthànhettringitemuộn[63].Hầuhếtcácquyđịnhtrênthếgiớiđ òihỏinhiệtđộbảodưỡngtốiđachophéplà71°C(160°F)chocáckếtcấubêtôngđểtránhhìnhthànhe ttringitemuộn.
Sự phát triển các tính chất cơ học của bê tông liên quan đến quá trình thủy hóacủa xi măng Để diễn tả sự phụ thuộc này, sự phát triển các đặc tính cơ học của bê tôngcó thể được định nghĩa như một hàm của sự trưởng thành (với ảnh hưởng của nhiệt độđược biểu diễn bằng tuổi tương đương) hoặc mức độ thủy hóa (hoặc mức độ phản ứng,mức độ tỏa nhiệt) [62] Sự phát triển của các đặc tính cơ học (bao gồm cường độ chịunén, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi) theo thời gian được định nghĩa bởi hàm βcdiễn tả mức độ đạt được theo thời gian đối với giá trị tham chiếu của một đặc tính chotrước:
Trongđónlàthamsốvậtliệu(phụthuộcvàoloạiximăngcụthể),Xlàđặctínhcơhọccủa vật liệu (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi) ở thời điểm t,vàX 28l à đặctính vậtliệuởthờiđiểm28ngày.
Gần đây, một mô hình mới được đề xuất bởi Carette và Staquet [46]trong việcđánh giá chính xác sự phát triển ở tuổi sớm của các tính chất cơ học, mô hình sử dụngmộthàmsốmũnhư sau:
Trong đó p và r là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu và tính chất cơhọc Tham số p (ngày) liên quan đến thời điểm xảy ra sự gia tăng của các tính chất vàdo đó bị ảnh hưởng bởi loại xi măng Tham số p của một loại xi măng đã cho có
d cườngđộ chịu nén cao hơn cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi Mặt khác, tham số r bằng 1đốivớicườngđộchịu nénvàcườngđộchịukéovàchỉphảiđượcxemxéttrongtrườnghợpmôđunđànhồi,trongđómứctă ngbanđầulànhanhsovớisựpháttriểncườngđộ.Đối với mô đun đàn hồi, giá trị của r phụ thuộc vào loại xi măng và thường nằm trongphạmvitừ 1đến 1,5. Để tính đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ, cách tiếp cận rộng rãi nhất là áp dụngtuổitươngđươngte(liênquanđếnđộtrưởngthành)thayvìthờigianttrongđịnhnghĩasự phụ thuộc thời gian Cách tiếp cận này đã được đưa vào các tiêu chuẩn như ModelCode2010hoặcEurocode2[62]:
TrongđóEa(J/mol)lànănglượngkíchhoạtbiểukiến;Rlàhằngsốcáckhí(8314J/ mol.K),Tlànhiệtđộ(K)vàTreflànhiệtđộthamchiếu(K).
Mối liên hệ giữa sự thay đổi các đặc tính cơ học của bê tông tuổi sớm đến mứcđộthủyhóaα,mứcđộphảnứng(tươngứngvớiβc),hoặcmứcđộpháttriểnnhiệtα Qđ ã được de Schutter và Taerwe [53] đưa ra.Trong cách tiếp cận này, sự phát triển các đặctính cơ học có liên quan đến giá trị cuối cùng khi kết thúc quá trình thủy hóa (α = α∞).Sự phát triển theo thời gian βcđược diễn tả bởi hàm của tốc độ thủy hóa được đề xuấtbởideSchuttervàTaerwe[53]:
Trong đó α0là giá trị giới hạn dưới của mức độ thủy hóa mà trong đó không xảyra sự phát triển về cường độ và α∞là mức độ thủy hóa ở thời điểm vô tận (nó có thểđược thay thế bởi giá trị ở thời điểm tham chiếu, ví dụ 28 ngày, đặc biệt trong trườnghợpsửdụngmứcđộpháttriểnnhiệt).
Tuynhiên,cácphépđoởtuổisớmgầnđâycókhuynhhướngchỉrarằngcáctínhchất cơ học của bê tông bị tác động bởi quá trình thủy hóa thậm chí ngay trước khi thờiđiểm đông kết Carette và Staquet [46] quan sát thấy sau giai đoạn ngủ đông, tất cả cácsản phẩm mới được hình thành làm tăng tính chất cơ lý Để đánh giá chính xác sự pháttriển ở độ tuổi sớm của các tính chất cơ học, họ đề xuất sử dụng mô hình này từ khi ởtuổirấtsớmđếnkhibêtôngđãđóngrắn.
Bất kể cách tiếp cận nào được sử dụng để ước tính sự phát triển tương đối củacác tính chất cơ học (dựa trên độ trưởng thành/tuổi tương đương hoặc mức độ thủyhóa/phảnứng),ngườitathườngthừanhậnrằngmôđun đànhồiE cphát triểnnhanhhơncường độ chịu kéo fct, và fctphát triển nhanh hơn cường độ chịu nén fc, như có thể thấytronghình1.8[62].
Hình 1.8.Sự phát triển các tính chất cơ học theo mức độ thủy hóa và tuổi tươngđương
Cácgiảiphápvậtliệuđểkiểmsoátnhiệtđộvàhạnchếnứtnhiệttuổisớm27 1 Cốtliệu
Nứt tuổi sớm là tình trạng phổ biến xảy ra trong các kết cấu bê tông Những vếtnứttuổisớmkhônggâyrasựhưhỏngcủakếtcấubêtôngnếukhôngvượtquámứcchophép của kết cấu [116] Tuy nhiên, những vết nứt này ảnh hưởng đến diện mạo của cáckếtcấuvàgâyrasựchúýcủacôngchúngvềcácvấnđềantoàn.
Vếtnứttuổisớmởbềmặtbêtôngnếukhôngđược sửachữacóthểdẫnđếncácvấnđềbảotrì dàihạn,chúng có thể cho phép sự xâm nhập của các tác nhân gây hại, như clorua, sunfat và cacbonat,có thể gây ra sự ăn mòn cốt thép và cacbon hóa bê tông làm rút ngắn tuổi thọ của kếtcấu Nếu vết nứt bê tông tiếp tục phát triển, nó có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lựccủakếtcấuvàlàmtăngtốcđộpháhoạimỏi[50].Ngoàira,nhữngvếtnứtnàycũngảnhhưởngnhiều đếndiệnmạothẩmmỹcủakếtcấubêtông.
Vật liệu bê tông có thể được tối ưu hóa để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trongbê tông và do đó kiểm soát các ứng suất nhiệt Nứt trong bê tông tuổi sớm xảy ra khiứngsuấtkéovượtquácườngđộchịukéo.Hầuhếtcácbiệnpháptậptrungvàoviệcgiántiếp giảm khả năng nứt bằng cách giảm chênh lệch nhiệt độ và gradients nhiệt trong bêtông.
Thiết kế hỗn hợp bê tông tối ưu được coi là cách dễ nhất để giảm thiểu các tácđộng tiêu cực trong bê tông tuổi sớm Việc lựa chọn các hỗn hợp thích hợp để giảmthiểusựpháttriểnnhiệtthườngdựatrênsựkiểmsoátcủamộthoặcmộtsốbiếnvậtliệusau:
Mặcdùsựpháttriểnnhiệt,sựtỏanhiệtvàgradientnhiệtbêntrongkếtcấulàyếutố quan trọng nhất để thiết kế cấu kiện bê tông khối lớn, việc xem xét các tính chất vậtliệu khác (cường độ, mô đun đàn hồi E, từ biến, biến dạng tự sinh) là cần thiết để ngănngừanứtnhiệttuổisớm[62].
Các đặc tính và ứng xử của cấu kiện bê tông tuổi sớm cũng bị chi phối bởi cácđặc tính của cốt liệu Các cốt liệu được sử dụng để sản xuất bê tông có các tính chấtnhiệt khác nhau và do đó ảnh hưởng lớn đến độ lớn của các biến dạng nhiệt trong mộtcấukiệnbêtông[106].Hệsốgiãnnởnhiệt(CTE)củabêtôngcóliênquantrựctiếpvớihệsốgiãnn ởnhiệtcủacốtliệuđượcsửdụngtronghỗnhợp.CTEcủacốtliệucàngcaothìCTEcủabêtôngcàngc ao[89].
Cốt liệu được định hình và phân loại tốt có thể giảm lượng nước yêu cầu và dođó giảm lượngvậtliệuchấtkếtdínhcầnthiếtđểđảmbảotính côngtáctốtvàđạtđược cường độ chịu nén thiết kế Cốt liệu thô có kích cỡ lớn hơn làm giảm cường dộ kéo vàmô đun đàn hồi của bê tông đông cứng bởi cốt liệu lớn hơn sẽ làm tăng kích cỡ vùngchuyển tiếp, điều này làm yếu mặt tiếp giáp giữa cốt liệu và hồ xi măng Hơn nữa, kíchcỡcốtliệuthôtăngsẽlàmgiảmsựdínhkết,dođólàmtăngđộsụtcủabêtông [54].Bêtông có độ sụt cao không chỉ làm tăng khả năng nứt mà còn có thể làm giảm cường độliênkếtgiữabêtôngvàcốtthépdocónhiềunướctự dohơn.
Sự phát triển của cường độ chịu kéo là một tính chất quan trọng trong việc giảmthiểunứtsớmtrongbêtôngkhốilớn.Cườngđộchịukéocủabêtôngbịảnhhưởngmạnhbởiđặctínhcố tliệunhưđộnhámrápbềmặt.Bêtônglàmbằngcốtliệubịđậpnhỏhoặccốt liệu với bề mặt ghồ ghề (đá bazan, granit) có cường độ lớn hơn so với bê tông làmbằngcốtliệucóbềmặttrònhoặcnhẵn[62].
Trongsuốtquátrìnhthủyhóa,hàmlượngnướccóảnhhưởnglớnđếncácđặctínhcủa vật liệu gốc xi măng như cường độ và từ biến Trong quá trình đông cứng hoặc khibê tông tiếp xúc với môi trường xung quanh, sự co lại hoặc giãn nở thể tích xảy ra vớisựthayđổiđộẩmtươngđốibêntrongbêtông.Sựthayđổithểtíchnàycóthểlànguyênnhân gây nứt trong kết cấu bê tông Hơn nữa, sự hư hỏng gây ra bởi chu kỳ đóng băng/tanbăng hoặc phản ứng silica kiềm được thúc đẩy mạnh bởi hàm lượng nước Do đó, điềucần thiết là phải kiểm soát tốt hàm lượng nước của vật liệu gốc xi măng từ khi ở trạngtháitươichođếntrạngthái đóngrắn [62].
Hàmlượngnướccủabêtôngđóngmộtvaitròquantrọngtrongviệcnứtbêtông.Cường độ chịu nén tăng và biến dạng co ngót khô giảm trong bê tông có tỷ lệ nước/ximăngthấphơn[41].Tuynhiên,mộtvấnđềphổbiếntrongbêtôngcótỷlệnước/ximăngthấp là co ngót tự sinh, xảy ra do sự tự hút ẩm khi tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn 0,42[102].
Giải pháp vật liệu để hạn chế sự phát triển nhiệt độ trong bê tông thường liênquanđếnứngdụngximăngtỏanhiệtthấp,giảmthiểutổnglượngximăngtrênmộtđơnvịthểtích bêtônghoặcthaythếmộtphầnbằngphụgiakhoángvàsửdụngximăngvớiđộmịnthấp.
Thành phần xi măng góp phần chính tạo nhiệt của quá trình thủy hóa Các biếnnhư hàm lượng xi măng và độ mịn của xi măng ảnh hưởng mạnh đến sự tăng nhiệt độcủa bê tông vì sự tỏa nhiệt mạnh của phản ứng hóa học giữa xi măng và nước.
Sự lựachọn hợp lí các biến này có thể là cách hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ Người ta đãchứng minh rằng tỷ lệ tương đối của các hợp chất hóa học hoặc hợp chất Bogue (nhưC 3 S, C2S, C3A và C4AF) và độ mịn của chúng xác định lượng nhiệt mà chúng tạo ratrong quá trình thủy hóa cũng như tốc độ sinh nhiệt Ngoài ra, lượng xi măng được sửdụng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và độ lớn nhiệt sinh ra vì số lượng sản phẩm phảnứng có sẵn để thủy hóa và tạo nhiệt [17] Hàm lượng xi măng càng cao, độ tăng nhiệtđộcàngcao. Độ mịn của xi măng là một biến số ảnh hưởng đến tốc độ tăng nhiệt độ của bêtông nhiều hơn là độ lớn của sự gia tăng nhiệt độ (ACI 207.2R) [17] Thật vậy, độ mịncao hơn gây ra cường độ sớm cao hơn và sinh nhiệt nhanh hơn vì xi măng có diện tíchbề mặt lớn hơn để phản ứng với nước Hỗn hợp bê tông làm từ xi măng thô và với tỷ lệw/c cao hơn cũng cho thấy sự phát triển chậm hơn của các thông số cơ học (cường độchịukéo,môđunđànhồi)[40].
Giải pháp sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt đã được sử dụng hiệu quả ở nhiều nước.Tại Việt Nam đã có hai tiêu chuẩn nhà nước về loại xi măng này là TCVN 6069:2007“Xi măng Pooc lăng ít tỏa nhiệt” [9] và TCVN 7712:2013 [10] về “Xi măng Pooc lănghỗn hợp ít tỏa nhiệt” quy định loại xi măng có pha phụ gia khoáng để giảm nhiệt thủyhóa Trong TCVN 6069:2007 [9] nêu rõ tiêu chí của xi măng ít tỏa nhiệt là nhiệt tỏa rasau 3 ngày từ 45-50 cal/g, sau 7 ngày là 50-60 cal/g Trong xi măng này 2 thành phầntỏa nhiệt nhiều là C 3 S và C3A giảm nhiều so với xi măng Pooc lăng thông thường Ximăng Pooc lăng ít tỏa nhiệt đã được sản xuất ở nhà máy xi măng Hải Phòng và đượcdùng trong bê tông đập thủy điện Thác Bà vào những năm 1960 Sau này viện Vật liệuxây dựng cũng nghiên cứu, sản xuất, giới thiệu sản phẩm ở triển lãm Vietbuild và đượcsửdụngchomộtsốcôngtrình.
1.4.4 Phụgiakhoáng Để hạn chế sự tăng nhiệt độ trong kết cấu bê tông, các phụ gia khoáng(muộisilic, tro bay, xỉ lò cao)được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế một phần xi măngPooc-lăng.
Quá trình thủy hóa trong hỗn hợp xi măng phức tạp hơn so với xi măng thôngthường Ngoài sự thủy hóa của xi măng Pooc-lăng còn có các phản ứng liên quan đếnphụgiakhoáng(phảnứngpozzolanic).
Cácgiảiphápkếtcấuvàbiệnphápthicôngđểkiểmsoátnhiệtđộvàhạnchếnứ tnhiệttuổi sớm
Các giải pháp trong quá trình thi công cũng có thể được sử dụng để làm giảmnhiệtđộvàgiảmđộchênhlệnhnhiệtđộtrongkếtcấubêtông,từđólàmgiảmứngsuấtnhiệtvàr ủironứttrongkếtcấubêtông.
Hạ nhiệt độ hỗn hợp bê tông là một cách để làm giảm nhiệt độ và tốc độ sinhnhiệtcủabêtôngtrong quátrìnhthủyhóa.TheoTCVN305:2004[1],nhiệtđộhỗnhợpbê tông trước khi đổ nên khống chế ở mức không cao hơn 25C Để đạt được nhiệt độnày, nhất là vào mùa hè nắng nóng, cần phải có biện pháp hạ thấp nhiệt độ các vật liệuthànhphầncủabêtông vànước,vàcheđậybảovệhỗnhợpbêtôngtrước khiđổ.
Có thể sử dụng các biện pháp kỹ thuật dưới đây để hạ nhiệt độ vật liệu đầu vàonhằm hạ nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước lúc đổ: che chắn nắng kho chứa cốt liệu khỏitác động trực tiếp của bức xạ mặt trời làm nóng vật liệu chứa trong kho; phun nước lênđádăm,sỏi;nhúngđádămsỏivàonướclạnh;phunnước lạnhlêncốtliệu,
Sử dụng nước đá (ở dạng cục được đập nhỏ hoặc ở dạng viên nhỏ) thay thế mộtphầnhaytoànbộ nướctrộnbêtông.
Làm lạnh nước bằng ni-tơ lỏng: ni-tơ lỏng ở nhiệt độ -196C được dẫn trong hệthốngốngđiquathùngchứanước trướckhi sử dụngđểtrộnbêtông.
- Biệnpháphạnchếđộchênhnhiệtđộtrongkhốibêtông: Độ chênh nhiệt độ lớn giữa các phần của khối bê tông là nguyên nhân chủ yếugây ứng suất kéo lớn làm nứt bê tông Các biện pháp kỹ thuật sau đây có thể làm giảmđộchênhnhiệtđộTcủa khốibêtôngtrongnhữngngàyđầuđóngrắn: Đưanhiệttrongkhốibêtôngrangoài(biệnpháplàmmátsau):donhiệtđộởtâmkhối đổ thường lớn hơn nhiều so với nhiệt độ vùng xung quanh, nên việc đưa nhiệt từvùng tâm khối đổ thoát ra ngoài sẽ làm giảm độ chênh nhiệt độT giữa lõi bê tông vàmặt ngoài khối đổ Có thể thực hiện việc này bằng cách đặt một dàn ống thoát nhiệtbằngkimloạitronglòngkhốiđổ.Sauđóbơmnướclạnhchạyquadànốngđểđưanhiệttrong khối đổ ra ngoài Dàn ống này cần phải được tính toán và thiết kế về phạm vikhônggianthoátnhiệtvàkhảnăngtraođổinhiệtcủabêtôngvớidànống.Phươngphápnày rất hiệu quả để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trên các kết cấu rất lớn Tuy nhiênbiện pháp làm mát sau có thể rất tốn kém, và nói chung là không kinh tế, đặc biệt làtrongcác cấukiệncầu[104].
Bọc vật liệu cách nhiệt: vật liệu cách nhiệt giữ cho nhiệt thủy hóa của xi măngthoát ra ngoài một cách từ từ, làm cho độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bêtông không quá lớn (thường phải đảm bảo nhỏ hơn 20C) để giảm nguy cơ nứt của bêtông.Cóthểdùng cácvậtliệucáchnhiệtsau đâyđểbọcxungquanhkhốiđổ:
+ Vật liệu tấm: tấm xốp polystyrene hoặc tấm bông khoáng dùng để bọc bề mặtvàthànhbêtông.
Ngoàiranếukếtcấucókíchthướclớnthìnênchianhỏkhốiđổđểthicông.Cầncó biện pháp theo dõi quá trình phát triển nhiệt độ trong tâm khối và bề mặt khối đổ,thôngthườngtrongkhoảngthờigianítnhấtlà7ngàysaukhiđổbêtông.Vánkhuônvàcácvậtliệuc áchnhiệtnênđượctháorasaumộtkhoảngthờigianđủđểtránhlàmnguộinhanhbềmặtbêtông,không gâyrahiệntượngsốcnhiệtbêtông(ACI207.1R-96)[16].
Tổngquanvềnghiêncứuứngxửnhiệtcủa bêtôngởtuổisớm
Hiện tượng nứt do ứng suất nhiệt đã được quan sát trong một thời gian khá dài.Một số lượng lớn các nghiên cứu về việc kiểm soát sự tăng nhiệt độ trong bê tông đãđượcthựchiệnvàonhữngnăm1930,trongthờigianxâydựngđậprộnglớnởMỹ.ĐậpHoover được xây dựng bằng cách sử dụng xi măng tỏa nhiệt thấp mới được phát triểnthờigianđó,vớicốtliệukíchthướctốiđa9in,vàđượcgắncácốnglàmmát[104].Saunày, việc sử dụng hàm lượng xi măng thấp hơn, phụ gia khoáng hoạt tính, và đá hoặcnitơ lỏng để làm mát bê tông tươi đã trở thành cách phổ biến trong việc giảm độ tăngnhiệt độ bê tông (ACI 207) [16] Tuy nhiên, thông thường việc sử dụng các biện phápkiểm soát nhiệt độ chỉ giới hạn ở đập và các kết cấu rất lớn Kiểm soát nhiệt độ và sựpháttriểnứngsuấtnhiệttrongcấukiệnbêtôngnhỏhơnnhưcáccấukiệncủacôngtrìnhcầu, thường không được xem xét Hình 1.9 thể hiện vết nứt do nhiệt thủy hóa tại đậptràncủamộtnhàmáythủyđiện[62].
Với sự ra đời của bê tông tính năng cao, nứt ở giai đoạn tuổi sớm không còn làđặc thù của các kết cấu khối lớn Hàm lượng vật liệu chất kết dính cao hơn gây ra nhiệtthủyhóacaohơn,vàvớitỷlệw/cthấphơnlàmchobêtôngcócáccấutrúclỗrỗngnhỏhơn, do đó làm tăng độ lớn của gradient nhiệt và co ngót tự sinh Theo cách này, thuậtngữbêtôngkhốilớnđượcsửdụngtheonghĩarộng,baogồmtấtcảcácloạicấukiệnbêtông mà tác động của quá trình thủy hóa xi măng có thể dẫn đến rủi ro nứt nhiệt [62].TheotiêuchuẩnNhậtBảnJSCE2007[61]vàJCI2008[110],cáckếtcấusàncóđộdàytrên 80 cm và tường bị kiềm chế chuyển vị, có độ dày trên 50 cm đã có thể được coi làkếtcấubêtôngkhốilớnvàđòihỏiphảicóbiệnphápkiểmsoátnhiệt thủyhóa.
Năm 2001, ACI 363 đã thông qua định nghĩa sau của bê tông CĐC: bê tôngcường độ caocó cường độ chịu nén đặc trưng 8000 psi (55 MPa) hoặc lớn hơn. Trongphiên bản đầu tiên của báo cáo này được tạo ra vào năm 1992, ACI 363 đã thông quađịnhnghĩasau:bêtông,bêtôngcườngđộcaocócườngđộchịunénđặctrưng6000psi(41MPa)h oặclớnhơn[19].NhucầusửdụngbêtôngCĐCbắtđầutừnhữngnăm1970,chủ yếu trong xây dựng các cột và tường nhà cao tầng Sau đó bê tông CĐC tiếp tụcđượcsử dụngrộngrãitrênkhắpthếgiới.
Việc sử dụng bê tông CĐC trong xây dựng cầu đã bắt đầu ở Hoa Kỳ vào giữanhững năm 1990 thông qua một loạt các dự án Cường độ chịu nén đặc trưng cao nhấtlà 14.700 psi (101MPa) đã được chỉ định sử dụng cho dầm bê tông dự ứng lực của cầuvượt sông Bắc Concho ở San Angelo, TX Bê tông cường độ cao cũng được sử dụngtrongcầudầmhộpnhịpdàivàcầudâyvăng.Ngoàiracòncómộtsốứngdụngrấtquantrọngcủa bêtôngCĐC trongcáccôngtrìnhngoàikhơinhưkếtcấugiànkhoanGlomarBeaufortSeaI,bệ nổiHeidrun ởBiểnBắc…[19].
Các mẫu bê tông CĐC có xu hướng nứt nhiều hơn do co ngót của nhiệt và khôtăng lên Vì vậy, bê tông cường độ sớm cao dễ bị nứt hơn bê tông cường độ trung bìnhvàthấp.Tuynhiên,cáccấutrúcvếtnứtởbêtôngCĐCcóthểđượckiểmsoátbằngcáchsửdụngcốt thépđầyđủ.Nhưngđiềunàycũngkhôngcảithiệnđộbềnbêtông,vìlượngcốt thép sẽ chuyển đổi các vết nứt lớn hơn thành các vết nứt nhỏ hơn Những vết nứtnhỏcũnglàđủđểchophépoxy,cacbondioxitvàđộẩmtiếpxúclàmảnhhưởngđếnđộbềnlâudàicủ abêtông[3].KinhnghiệmcũngđãchứngminhbêtôngCĐCcóxuhướngdễ bị nứt, các vết nứt trên mũ trụ cầu xuất hiện là do việc sử dụng lượng lớn xi măngtrongbêtông.Trong1cuộckhảosátnăm1995,Chươngtrìnhnghiêncứuhợptácđườngquốc lộ (NCHRP) của Mỹ đã báo cáo qua khảo sát một loạt sàn cầu bê tông tại Mỹ chothấy đầy đủ chiều sâu của vết nứt ngang, ngay cả khi các cấu trúc mới hình thành chưađược 1 tháng Các lý do được đưa ra là sự kết hợp của độ co ngót nhiệt và khô gây rahầuhếtcácvếtnứt[3].
TheoNeville[94]khiđộchênhnhiệtđộgiữabềmặtvàlõicủakhốibêtôngvượtquá 20 o C thì vết nứt bắt đầu hình thành, có thể tại bề mặt của bê tông hoặc bên trongcủakhối.
Sở giao thông Florida (FDOT) cho phép độ chênh nhiệt độ tối đa là 20 o C(hoặc35 o F)giữanhiệtđộlõivàbềmặtngoàicủacấukiệnbêtôngkhiđobằngcáccảmbiến nhiệt độ Ở Colorado, chỉ dẫn kĩ thuật nêu độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và điểmcáchmặtngoài50mm(2inch)vềphíatrongkhốicủatấtcảcáccấukiệnbêtôngkhôngđược vượt quá 25 o C (hoặc 45 o F) khi đo đạc bằng các cảm biến nhiệt độ ACI [17] cũngkhuyến nghị độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 20 o C hoặc 35 o F và nhiệt độ tối đa bên trongthường là 71 o C (hoặc 160°F) để kiểm soát nứt nhiệt và hình thành ettringite muộn(DEF) Hầu hết các quốc gia khác trên thế giới cũng đều lấy ngưỡng chênh lệch nhiệtđộtốiđalà20 o C(36 o F)đểtránhkhảnănghìnhthànhvết nứttrongbêtôngkhối lớn.
Theo ACI [17] việc sử dụng xi măng tỏa nhiệt thấp, thường là xi măng hỗn hợp,được khuyến nghị chủ yếu là do việc giảm tổng lượng nhiệt thủy hóa dẫn đến ứng suấtnhiệt nhỏ hơn Việc sử dụng các phụ gia khoáng (SCMs) như tro bay và xỉ lò cao cóhiệuquảtrongviệc giảmthiểuhàmlượng clanhke vàdẫnđếnlàmgiảmnhiệtthủyhóa.
Các kết cấu bê tông lớn như bệ móng và trụ cầu với hỗn hợp nhiều xi măng cóđỉnh nhiệt độ cao hơn, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi tăng lên có thể làm tăngrủi ro nứt nhiệt Hình 1.10 thể hiện vết nứt ở trụ cầu Vĩnh Tuy, được kết luận là nứt dochênhlệchnhiệtđộtrong bêtôngtrụcầuởtuổisớmtronggiaiđoạnthicông.
Hình1.10.HìnhảnhnứttrụcầuVĩnh Tuy ỞTâyVirginia,cầncókếhoạchkiểmsoátnhiệtđốivớicáckếtcấucókíchthướcmột chiều ít nhất 1,2 m. Theo đó, cần có một hệ thống theo dõi và ghi lại nhiệt độ tạitâm, bề mặt trên và bề mặt bên của kết cấu để đảm bảo giới hạn chênh lệch nhiệt độ tốiđachophép20°Cvànhiệtđộbêtôngtốiđachophép70°C[120].
Quyphạmthicôngvànghiệmthu"trongđóquyđịnhkếtcấubêtônghoặcbêtôngcốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh dohiệuứngnhiệtthuỷhoácủaximăng,vượtquágiớihạnkéocủabêtông,làmnứtbê tông, và do đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt Trong điều kiện khí hậunóng ẩm Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2 m có thểđượcxemlàkhốilớn.Đốivớicáckếtcấucódạngngàmhoặckếtcấucóhìnhkhốiphứctạpthìkíchth ướckhối lớnsẽdongườithiếtkếxemxétquyếtđịnh.Khikếtcấucókíchthước vượt quá giới hạn trên thì cần phải có giải pháp phòng ngừa nứt bê tông ngay từtrongkhâuthiếtkếvàchuẩnbịthicông.Cụthểlà:
- Khiavàhđến2 m:nên cócấutạo cốt thépchốngnứtbêtông.
- Khi a và h trên 2 m: Cần có thiết kế cốt thép chống nứt và biện pháp phòngngừavếtnứttrongthicông.
1) Độ chênh nhiệt độT giữa các điểm hoặc các vùng trong khối bê tông vượtquá20C(T>20C).
2) Mô-đun độ chênh nhiệt độ M T giữa các điểm trong khối bê tông đạt khôngdưới50C/m(MT50C/m).Mô- đunđộchênhnhiệtđộlàmứcchênhnhiệtđộgiữahaiđiểmtrongkhốibêtôngcáchnhau1m. ĐỗVănLượng[8]đãdùngphươngphápphầntửhữuhạnnghiêncứuảnhhưởngcủa các nhân tố đến sự phát triển nhiệt, ứng suất nhiệt trong quá trình thi công bê tôngkhốilớnvàđềxuấtquytrìnhcôngnghệthicôngđậpbêtôngtrọnglựcởViệtNam.Kếtquả nghiên cứu của luận án đã được kiểm chứng vào ứng dụng thực tế thi công một sốđậpbêtôngtrọnglựcởMiềnTrung.
NguyễnThống[15]đãthiếtlập môhìnhsốbachiềubằngphươngphápsaiphânhữuhạnđểgiảibàitoántruyềnnhiệtkhôngổnđịnhv ớisơđồsaiphânPreissmann.Môhình cho phép mô phỏng ảnh hưởng của các điều kiện biên khối đổ khác nhau và tínhkhông đồng nhất của vật liệu lên trường nhiệt độ bên trong Kết quả tính từ mô hìnhđược so sánh với số liệu quan trắc thực tại hiện trường trong quá trình xây dựng đậpdâng bằng bê tông của hồ chứa nước Tân Giang, tỉnh Ninh Thuận Kết quả tương đốiphù hợp so với số liệu quan sát thực trong quá trình thi công đập Mô hình được thiếtlập cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các loại điều kiện biên khác nhau, từ đây chophép đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp thi công nhằm mục đích giảm ứng suấtnhiệt.Ngoàira, môhìnhcònchophépnghiêncứuảnhhưởngcủatínhkhôngđồngchấtvàkhôngđẳnghướngcủavậ tliệutrongquátrìnhkhuếchtánnhiệtthôngquacácthông sốhệsốkhuếchtán.Quanhiềumôphỏngchothấymôhìnhtínhlàổnđịnhvàphảnứngtốtvớisựthayđ ổicácthôngsốmôhình.Điềunàychophépápdụngmôhìnhtrongcácnghiêncứukhácnhauliênquan đếnbàitoánkhuếch tán nhiệt3D.
HồNgọcKhoavàNguyễnChíCông[6]đãphântíchtrườngnhiệtđộvàứngsuấtnhiệt trong khối bê tông đài móng kích thước 4.6x4.6x4m bằng phương pháp phần tửhữu hạn sử dụng phần mềm Midas Civil (Hình 1.11) Kết quả phân tích này đã mô tảđược quy luật thay đổi của nhiệt độ và ứng suất và xác định được các giá trị của chúngtạicácvịtrívàthờiđiểmđóngrắnkhácnhaucủabêtông.Từđóđưaranhữnggiảiphápthi công phù hợp nhằm kiểm soát nứt do nhiệt thủy hóa xi măng trong các kết cấu bêtôngkhốilớn.
Hình 1.12.So sánh thay đổi nhiệt độ qua phân tích và thực tế đo được tại tâm và biênkhốiđổ[6]
LêQuốcToàn[11]vàcộngsựđãsửdụngphầnmềmAnsysđểtínhtoánnhiệtvàứngsuấtnhiệ tcủađậpbêtôngđầmlănĐồngNai4cóxétđếnquátrìnhdiễnbiếncác chỉ tiêu cơ lý của bê tông như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồitheothờigian.Kếtquảtínhtoánđãgiúpxácđịnhđượckịchbảnthicônghợplývớicácchỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật như: Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, chiều dày lớp đổ,số lớp đổ và thời gian nghỉ giữa các đợt Kết quả tính toán nhiệt từ phần mềm khẳngđịnhđộtincậycaokhisosánhvớidữliệunhiệtđộđượclưugiữtrongquátrìnhthicôngđập.
Nguyễn Văn Liên và cộng sự [7] đã nghiên cứu về thực trạng công tác thi côngbê tông khối lớn trong điều kiện Việt Nam, qua đó đề xuất sự chênh lệch nhiệt độ §Ttrong và ngoài khối đổ phụ thuộc vào cấp cường độ bê tông và được lấy như sau: CấpcườngđộC50:§T≤30;cấpcườngđộC40:§T≤25;cấpcườngđộ