Tóm tắt: Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume

Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.Nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường tại Trường Đại học

Giao thông Vận tải, vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:

- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải;

- Thư viện Quốc Gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông với chất kết dính chính là xi măng Pooc-lăng được sử dụng nhiều trong xây dựng hạ tầng giao thông vận tải Nhiệt được giải phóng trong quá trình thủy hóa xi măng gây ra sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong kết cấu bê tông Vấn đề này có thể nghiêm trọng hơn khi bê tông trong giai đoạn đông cứng: nhiệt vẫn được sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng trong khi bề mặt của bê tông đang nguội dần theo nhiệt độ môi trường Sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi bê tông và bề mặt bên ngoài của nó có thể gây ra ứng suất kéo đáng kể có thể làm tăng nguy cơ nứt ở bê tông tuổi sớm Nứt trong các cấu kiện bê tông khối lớn (BTKL) do ứng suất nhiệt là một vấn đề đã xuất hiện từ lâu, rõ ràng nhất là khi nó được phát hiện lần đầu tiên trong các công trình đập thủy điện trên thế giới từ đầu thế kỷ XX Khái niệm "bê tông khối lớn" từ đó cũng thường được hiểu là các kết cấu BT có kích thước lớn như đập, khối móng lớn Tuy nhiên gần đây, thuật ngữ này cũng được sử dụng cho các bộ phận công trình cầu có kích thước lớn như

bệ móng, trụ, xà mũ, dầm hộp, Các tiêu chuẩn về BTKL luôn yêu cầu phải kiểm soát

sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt của BT, từ đó giảm thiểu hoặc hạn chế vết nứt nhiệt ngay trong giai đoạn xây dựng

Xu thế hiện nay khi chế tạo bê tông cường độ cao, tính năng cao, là sử dụng hàm lượng xi măng Pooc-lăng lớn và giảm tỉ lệ nước/xi măng Ngoài ra, các phụ gia khoáng hoạt tính như silica fume (SF), xỉ lò cao, tro bay, cũng được sử dụng nhằm giảm bớt lượng xi măng, giảm nhiệt tỏa ra, nhưng phần nào đó vẫn đảm bảo bê tông đạt được cường độ mong muốn Các hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay, xỉ lò cao còn góp phần giảm khí thải CO2 ra môi trường Với SF, sản phẩm phụ trong quá trình thuỷ hoá

xi măng sẽ phản ứng với silica và các khoáng có trong hỗn hợp tạo thêm pha rắn có tính chất kết dính Các sản phẩm đó làm tăng tỷ lệ rắn/lỏng trong hệ và tạo cho xi măng xỉ

có cường độ dài ngày cao hơn xi măng truyền thống Đây là nguyên nhân làm tăng tính bền vững của xi măng ở tuổi dài ngày Tuy nhiên các nghiên cứu đó chưa xét được một cách định lượng, việc thay thế xi măng bằng silica fume như vậy sẽ giảm nhiệt được bao nhiêu và cường độ bê tông ở tuổi sớm khi đó sẽ tăng, giảm như thế nào, có đảm bảo được khả năng chống nứt nhiệt như mong muốn hay không

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông

có phụ gia khoáng silica fume” sẽ góp phần giải quyết câu hỏi nêu trên Luận án sẽ tiến

hành thực nghiệm về nhiệt và cường độ cho một số hỗn hợp bê tông cường độ cao có sử dụng phụ gia khoáng là silica fume Dựa vào kết quả thực nghiệm sẽ đánh giá định lượng được ảnh hưởng của tỉ lệ theo % SF đến đặc tính nhiệt, cường độ và khả năng nứt nhiệt của bê tông kết cấu cầu

2 Mục tiêu của luận án

- Xác định được các đặc trưng nhiệt thủy hóa bao gồm: độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, nhiệt lượng tích lũy, tốc độ sinh nhiệt, các tham số đường cong nhiệt thủy hóa của BT

SF có sử dụng phụ gia khoáng SF bằng thực nghiệm

- Phân tích ứng xử cơ - nhiệt, qua đó đánh giá sự phát triển nhiệt, ứng suất nhiệt

và rủi ro nứt nhiệt của trụ cầu sử dụng BT sử dụng hàm lượng SF thay thế xi măng khác nhau (từ 0% đến 15%), từ đó đưa ra được bê tông với tỉ lệ SF hợp lý

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Các tham số và thuộc tính về nhiệt của bê tông SF, ứng suất nhiệt, nứt nhiệt của

bê tông ở tuổi sớm trong kết cấu trụ cầu

b) Phạm vi nghiên cứu

- Bê tông có cường độ nén đặc trưng 50 MPa (thí nghiệm trong phòng) sử dụng phụ gia khoáng SF thay thế xi măng từ 0 ÷15%; kết cấu trụ cầu có kích thước mặt cắt ngang 2,8 m × 3,5 m ở tuổi sớm từ 0 ÷ 7 ngày tuổi

- Nghiên cứu chủ yếu về ứng suất nhiệt (do nội và ngoại nhiệt), chưa xét đến các ảnh hưởng về co ngót và phân bố cốt thép

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông và thí nghiệm cường độ bê tông

- Nghiên cứu lý thuyết: thiết lập các mối quan hệ toán học trên các dữ liệu thí nghiệm đã có, lập mô hình tính toán theo phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn để khảo sát và đánh giá

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã nghiên cứu thực nghiệm cường độ ở tuổi sớm và các tham số nhiệt thủy hóa từ phép đo nhiệt lượng đoạn nhiệt của một số cấp phối BT SF có sử dụng SF Qua so sánh, luận án đã tìm ra được hàm lượng thay thế SF hợp lý là 10% - 15% (trong dải từ 0% đến 15%) đảm bảo rủi ro nứt nhiệt thấp Đây có thể được coi là một giải pháp vật liệu để kiểm soát nhiệt và hạn chế nứt nhiệt trong cấu kiện bê tông công trình cầu

Phương pháp luận nghiên cứu của luận án có thể được áp dụng để phân tích, đánh giá cho các loại BT khác nhau và các cấu kiện khác nhau của công trình cầu, giúp đảm

bảo sự toàn vẹn, khả năng chịu lực và tuổi thọ khai thác của kết cấu

6 Điểm mới của luận án

- Luận án đã xác định được nhiệt thủy hóa cho 4 hỗn hợp SF bằng thiết bị thí nghiệm nhiệt lượng đoạn nhiệt: Hỗn hợp chứa 0% SF (SF00), hỗn hợp chứa 5% SF (SF05), hỗn hợp chứa 10% SF (SF10) và hỗn hợp chứa 15% SF (SF15) Độ tăng nhiệt

độ đoạn nhiệt của các hỗn hợp lần lượt là 56,1; 54,9; 53,2; và 52,0C ghi nhận được tại các mẫu SF00, SF05, SF10 và SF15 Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mẫu là không lớn, chỉ tối đa

là 4,1C

- Bộ tham số nhiệt thủy hóa quan trọng của SF, bao gồm αu,  và  đã được xác định dựa vào đường cong thực nghiệm sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất Trong đó mức độ thủy hóa cuối cùng αu tăng khi tăng hàm lượng SF thay thế xi măng Luận án kiến nghị công thức hồi quy để xét đến ảnh hưởng của hàm lượng SF thay thế

xi măng đến mức độ thủy hóa cuối cùng như sau:

u u,0 k SF p SF u,0 0, 23p SF

trong đó: αu,0 là mức độ thủy hóa cuối cùng được xác định từ thực nghiệm của hỗn hợp SF00 chứa 100% xi măng, pSF là hàm lượng SF trên tổng khối lượng chất kết dính

- Hệ số giãn nở nhiệt CTE của các hỗn hợp được xác định bằng thực nghiệm bằng máy Gilson HM-271F (Mỹ), theo tiêu chuẩn AASHTO 336T CTE của các hỗn hợp BT SF

có độ chênh lệch không lớn khi thay đổi hàm lượng SF, giá trị trong khoảng 8.95 – 9.9310

-6/C Đây là 1 trong các hệ số quan trọng về đặc tính vật lý của vật liệu BT, là một tham

số quan trọng bổ sung vào bộ tham số về nhiệt của BT, phục vụ bài toán mô hình và đánh giá ứng suất nhiệt và rủi ro nứt nhiệt của BT do tác động của nội nhiệt và ngoại nhiệt đồng thời ở tuổi sớm của kết cấu

- Khi sử dụng hỗn hợp SF00 và SF05 cho kết cấu trụ có mặt cắt 2,8 m x 3,5 m, thì hệ số  (là tỉ số giữa ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo thời gian) vượt quá 1.0 trong khoảng thời gian 48 – 90 h (2 – 4 ngày), còn trụ cầu sử dụng hỗn hợp SF10 và SF15 luôn có hệ số  < 1.0 trong suốt khoảng thời gian 7 ngày đầu sau khi đổ

BT Như vậy, SF10 và SF15 làm giảm nguy cơ nứt nhiệt so với SF00 và SF05 trong

cùng điều kiện về kích thước kết cấu và nhiệt độ môi trường xung quanh Luận án đề xuất sử dụng hỗn hợp bê tông SF có hàm lượng SF thay thế hợp lý là từ 10-15% để giảm thiểu rủi ro nứt nhiệt ở tuổi sớm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG SỬ

DỤNG CHẤT KẾT DÍNH BỔ SUNG TRONG KẾT CẤU CẦU 1.1 Bê tông xi măng và quá trình thủy hóa của xi măng

1.1.1 Các phản ứng của quá trình thủy hóa

Quá trình thủy hóa của xi măng là phản ứng của các khoáng vật thành phần xi măng với nước dẫn đến các thay đổi hóa học và cơ lý Quá trình này sinh ra một lượng nhiệt nhất định nào đó Nhiệt thủy hóa là một đặc tính của xi măng Poóc –lăng, lượng nhiệt được giải phóng phụ thuộc vào thành phần xi măng, nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệ nước/xi măng và độ mịn của xi măng

1.1.2 Nhiệt thủy hóa

Dưới các điều kiện thông thường, luồng nhiệt sản sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng được phân thành 5 giai đoạn (Hình 1.1)

Hình 1 1 Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng nhiệt thủy hóa và sự phát triển nhiệt thủy hóa 1.1.4 Mức độ thủy hóa

Một số tác giả đã đề xuất các phương trình thực nghiệm để xác định mức độ thủy hóa có thể đạt được đối với xi măng Poóc-lăng Trong các mô hình này, w/c là tỷ

lệ nước/xi măng và Slag, FA là hàm lượng xỉ và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính

1.2 Các đặc tính của bê tông ở tuổi sớm

Tuổi sớm là vài giờ hoặc vài ngày đầu sau khi trộn bê tông, được đặc trưng bởi hai quá trình chính: đông kết (mất dần trạng thái dẻo) và đóng rắn (tăng cường độ) Trong các quá trình này, kết cấu đa pha chất lỏng của bê tông tươi chuyển thành kết cấu cứng do tiến trình của các phản ứng thủy hóa, dẫn đến sự phát triển của các tính chất cơ học, giải phóng nhiệt và các biến dạng co ngót Do đó, sự liên kết giữa các đặc tính nhiệt

và cơ học của bê tông tuổi sớm là quan trọng hơn rất nhiều so với bê tông ở tuổi dài ngày Hơn nữa, việc bảo dưỡng hợp lí sau khi đổ bê tông là vô cùng quan trọng để duy trì độ ẩm và nhiệt độ thích hợp trong bê tông ở giai đoạn đầu này để các đặc tính mong muốn có thể phát triển sau đó

1.3 Hiệu ứng nhiệt của bê tông ở tuổi sớm

Trong suốt giai đoạn tuổi sớm, sự phân bố trường nhiệt độ không đều gây mất cân đối trong sự giãn nở nhiệt của kết cấu bê tông Bề mặt với nhiệt độ thấp hơn phải chịu ứng suất kéo do sự giãn nở nhiệt của phần bê tông phía trong Bề mặt của bê tông chịu ứng suất kéo ngay từ khi bê tông đông kết cho đến khi nhiệt thủy hóa phân tán hoàn toàn ra môi trường xung quanh Việc ứng suất kéo cao tại bề mặt có thể gây ra nứt nhiệt

hay không phụ thuộc vào tỉ số ứng suất kéo/cường độ chịu kéo Trong suốt quá trình thủy hóa của bê tông tuổi sớm, cả ứng suất nhiệt và cường độ của bê tông đều được phát triển nhưng ở tốc độ khác nhau Khi ứng suất nhiệt từ sự mở rộng này vượt quá cường

độ chịu kéo của vật liệu, bê tông sẽ nứt Hiện tượng này được coi là vấn đề nứt nhiệt

1.4 Các yếu tố về vật liệu ảnh hưởng đến nhiệt độ và nứt nhiệt ở tuổi sớm của

bê tông

Vật liệu bê tông có thể được tối ưu hóa để kiểm soát sự phát triển nhiệt độ trong

bê tông và do đó kiểm soát các ứng suất nhiệt Hầu hết các biện pháp tập trung vào việc gián tiếp giảm khả năng nứt bằng cách giảm chênh lệch nhiệt độ và gradients nhiệt trong

bê tông

Thiết kế hỗn hợp bê tông tối ưu được coi là cách dễ nhất để giảm thiểu các tác động tiêu cực trong bê tông tuổi sớm Việc lựa chọn các hỗn hợp thích hợp để giảm thiểu sự phát triển nhiệt thường dựa trên sự kiểm soát của một hoặc một số biến vật liệu sau:

 loại, lượng và độ mịn của xi măng, bao gồm loại và lượng phụ gia khoáng hoạt tính,

 lượng nước và tỷ lệ nước/chất kết dính

 loại và thành phần của cốt liệu,

Để hạn chế sự tăng nhiệt độ trong kết cấu bê tông, các phụ gia khoáng (muội silic, tro bay, xỉ lò cao) được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế một phần xi măng Pooc-lăng

* SF: SF là một loại phụ gia siêu mịn, có nguồn gốc từ quá trình sản xuất kim loại silic

hoặc ferrosilicon SF có hàm lượng SiO2 cao và diện tích bề mặt lớn, cho phép nó phản ứng pozzolanic với hạt xi măng trong bê tông, tạo ra sản phẩm C-S-H (calcium silicate hydrate) có tính chất kết dính và chống ăn mòn cao (ACI 234R-06) SF được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xi măng và bê tông để cải thiện hiệu suất và độ bền của vật liệu xây dựng SF xốp, diện tích bề mặt lớn vì vậy SF rất dễ hấp thụ, ví dụ trong không khí ẩm silica hấp phụ nước trên bề mặt tạo các nhóm OH Silica không hòa tan trong nước và bất kỳ dung môi, không độc, không mùi, ổn định hóa học SF đã được sử dụng như là phụ gia khoáng cho BT trong các công trình cầu trên thế giới Một số công trình cầu sử dụng BT SF phải kể đến như là cầu dây võng Tsing Ma Bridge (Hong Kong), trong đó BT SF được sử dụng để xây dựng trụ tháp cầu Các công trình cầu nổi tiếng khác sử dụng BT SF như Stolma Bridge (Na Uy), các cầu vượt nút giao I-25 ở Denver, Colorado (Mỹ)

1.5 Tổng quan về nghiên cứu ứng xử nhiệt của bê tông ở tuổi sớm

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trước đây, việc sử dụng các biện pháp kiểm soát nhiệt độ chỉ giới hạn ở đập và các kết cấu rất lớn Kiểm soát nhiệt độ và sự phát triển ứng suất nhiệt trong cấu kiện bê tông nhỏ hơn như các cấu kiện của công trình cầu, thường không được xem xét

Với sự ra đời của bê tông cường độ cao, nứt ở giai đoạn tuổi sớm không còn là đặc thù của các kết cấu khối lớn Thuật ngữ bê tông khối lớn được sử dụng theo nghĩa rộng, bao gồm tất cả các loại cấu kiện bê tông mà tác động của quá trình thủy hóa xi măng có thể dẫn đến rủi ro nứt nhiệt

Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE 2007 và JCI 2008, các kết cấu sàn có độ dày trên 80 cm và tường bị kiềm chế chuyển vị, có độ dày trên 50 cm đã có thể được coi là kết cấu bê tông khối lớn và đòi hỏi phải có biện pháp kiểm soát nhiệt thủy hóa

Theo Neville khi độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và lõi của khối bê tông vượt quá 20C thì vết nứt bắt đầu hình thành, có thể tại bề mặt của bê tông hoặc bên trong của

khối

Sở giao thông Florida (FDOT) cho phép độ chênh nhiệt độ tối đa là 20oC(hoặc

35oF) giữa nhiệt độ lõi và bề mặt ngoài của cấu kiện bê tông khi đo bằng các cảm biến nhiệt độ (FDOT 2007)

ACI 207.2R 1997 cũng khuyến nghị độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 20oC và nhiệt

độ tối đa bên trong (thường là 71oC) để kiểm soát nứt nhiệt và hình thành ettringite muộn (DEF)

Năm 2001, ACI 363 đã thông qua định nghĩa sau của bê tông CĐC: bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén đặc trưng 8000 psi (55 MPa) hoặc lớn hơn Nhu cầu sử dụng bê tông CĐC bắt đầu từ những năm 1970, chủ yếu trong xây dựng các cột

và tường nhà cao tầng Sau đó bê tông CĐC tiếp tục được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới

Việc sử dụng bê tông CĐC trong xây dựng cầu đã bắt đầu ở Hoa Kỳ vào giữa những năm 1990 thông qua một loạt các dự án Bê tông cường độ cao cũng được sử dụng trong cầu dầm hộp nhịp dài và cầu dây văng

Các mẫu bê tông CĐC có xu hướng nứt nhiều hơn do co ngót của nhiệt và khô tăng lên Các vết nứt trên mũ trụ cầu xuất hiện là do việc sử dụng lượng lớn xi măng trong bê tông Trong 1 cuộc khảo sát năm 1995, Chương trình nghiên cứu hợp tác đường quốc lộ (NCHRP) của Mỹ đã báo cáo qua khảo sát một loạt sàn cầu bê tông tại Mỹ cho thấy đầy đủ chiều sâu của vết nứt ngang, ngay cả khi các cấu trúc mới hình thành chưa được 1 tháng

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Năm 2012 Bộ Xây dựng đã ra tiêu chuẩn TCXD VN 9341:2012 '' Bê tông khối lớn - Thi công và nghiệm thu" trong đó quy định kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hoá của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông, làm nứt bê tông, và do

đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt

Một số các nghiên cứu điển hình phải kể đến như nghiên cứu của Đỗ Văn Lượng (2005), Nguyễn Thống (2010), Hồ Ngọc Khoa và Nguyễn Chí Công (2012), Lê Quốc Toàn (2015), Nguyễn Văn Liên (2018) và Nguyễn Văn Hướng (2019) Các nghiên cứu này đa số đề cập đến các kết cấu sử dụng bê tông thường, và đưa ra một số giải pháp hạn chế nhiệt và nứt nhiệt trong BTKL

1.6 Tổng quan về ứng dụng BT sử dụng phụ gia khoáng SF trong công trình cầu

Hiện nay trong xây dựng công trình cầu, hàm lượng SF thay thế xi măng tối ưu

là từ 5 - 15% trong hỗn hợp BT Khi sử dụng hàm lượng SF hợp lý và kết hợp các yếu

tố khác, cường độ bê tông có thể đạt đến 100 - 150 MPa Điều này là do SF giúp giảm lượng nước cần thiết cho quá trình trộn, làm giảm tỷ lệ nước/xi măng, và tạo ra một mạng lưới cấu trúc vi mô trong bê tông đặc chắc hơn

Tuy nhiên, việc sử dụng SF cũng có một số hạn chế và thách thức Một trong những hạn chế là việc SF làm giảm độ sụt của bê tông, do đó cần phải sử dụng các chất siêu giảm nước để duy trì độ sụt mong muốn Một hạn chế khác là việc SF có thể làm tăng độ dính của bê tông, do đó cần phải tăng cường quá trình trộn và đổ bê tông Một thách thức là việc xác định liều lượng tối ưu của SF trong bê tông, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại và lượng xi măng, loại và lượng vữa, loại và lượng nước, loại và lượng phụ gia khác, và điều kiện thi công

SF đã được sử dụng như là phụ gia khoáng cho BT trong các công trình cầu trên thế giới Một số công trình cầu sử dụng BT SF phải kể đến như là cầu dây võng Tsing

Ma Bridge (Hong Kong) (Hình 1.9), trong đó BT SF được sử dụng để xây dựng trụ tháp

cầu Các công trình cầu nổi tiếng khác sử dụng BT SF như Stolma Bridge (Na Uy) (Hình 1.10), dầm ứng suất trước cầu vượt nút giao I-25 ở Denver, Colorado (Mỹ) (Hình 1.11)

Hình 1.9 Cầu Tsing Ma Bridge (Hồng Kông) (ACI 234R-06) [17]

Hình 1.10 Cầu Stolma Bridge (Na Uy) (ACI 234R-06) [17]

Hình 1.11 Cầu vượt nút giao I-25 ở Denver, Colorado (Mỹ) (ACI 234R-06) [17]

Ở Việt Nam, SF đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp, và đã được sử dụng làm phụ gia khoáng cho BT xây dựng cầu BT sử dụng SF đã được chứng minh tính hiệu quả về mặt cường độ, độ bền, tính chống thấm, Một số công trình cầu điển hình

sử dụng BT có phụ gia khoáng SF được sản xuất bởi hãng Sika có thể kể đến như là cầu cầu Cửa Lục 1 (Hình 1.12) và cầu Cửa Lục 3 (Quảng Ninh), cầu Bến Rừng nối Hải Phòng với Quảng Ninh, cảng Lạch Huyện (Hải Phòng),

Hình 1.12 Cầu Cửa Lục 1 (Quảng Ninh)

1.7 Kết luận chương 1

Các nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới về nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa

xi măng đã khẳng định phản ứng thủy hóa là phản ứng tỏa nhiệt và kích hoạt nhiệt Điều này có nghĩa là quá trình sinh nhiệt thủy hóa có hiệu ứng thứ cấp, tức là tốc độ tỏa nhiệt tức thời tại một điểm nhất định trong BT (cùng 1 loại hỗn hợp) sẽ phụ thuộc vào nhiệt

độ tại điểm đó Ngoài ra, các tính chất của vật liệu và hiện tượng liên quan đến sự phát triển thủy hóa, chẳng hạn như cường độ, mô đun đàn hồi, từ biến ở tuổi sớm, sẽ thay đổi tùy theo sự kéo dài của phản ứng

BT sử dụng các chất kết dính bổ sung (tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, silica fume

và nano silica, ) thay thế 1 phần xi măng đã và đang là xu thế trong xây dựng công trình giao thông do chúng mang đến nhiều lợi ích khác nhau như giảm lượng xi măng được sử dụng, giảm nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa xi măng, giảm hiện tượng phát thải khí CO2 góp phần bảo vệ môi trường Sử dụng tro bay thay thế xi măng còn làm tăng tính công tác của bê tông do tác dụng bôi trơn của các hạt tro bay hình cầu Bê tông

sử dụng xỉ lò cao nghiền mịn làm tăng độ bền xâm thực nước biển, xâm thực sunfat, đạt cường độ và tính năng cao hơn SF khi được sử dụng thay thế một phần xi măng trong các hỗn hợp bê tông truyền thống thì ngoài việc tăng độ bền, khả năng chống thấm, còn

có thể làm tăng cường độ và cải thiện chất lượng BT

Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng SF cho bê tông trong xây dựng công trình đã được hướng dẫn trong ACI 234R-06 Ở Việt Nam, SF đã được sản xuất công nghiệp hóa (ví dụ như sản phẩm PP1 của hãng Sika ), và vì vậy phù hợp với việc sử dụng trong

bê tông cho công trình cầu ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng silica fume đến nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa của xi măng

và khả năng giảm thiểu rủi ro nứt do nhiệt ở tuổi sớm còn thiếu khuyết Việc đánh giá hiệu ứng cơ và nhiệt đồng thời của kết cấu cầu sử dụng BT có SF ở tuổi sớm cần được tiến hành nghiên cứu một cách chuyên sâu và đầy đủ

Từ những nhận xét trên, tác giả lựa chọn nghiên cứu phân tích sự phát triển nhiệt

độ và ứng suất trong bộ phận kết cấu cầu bê tông sử dụng silica fume, từ đó đánh giá hiệu ứng cơ - nhiệt nhằm mục đích giảm thiểu rủi ro nứt nhiệt ở tuổi sớm cho kết cấu cầu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG XỬ CƠ – NHIỆT CỦA BÊ TÔNG KẾT CẤU Ở TUỔI SỚM CÓ SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG

SILICA FUME 2.1 Cơ sở lý thuyết về ứng xử cơ - nhiệt của bê tông kết cấu ở tuổi sớm

Phương trình vi phân truyền nhiệt trong không gian 3 chiều có xét đến nguồn sinh nhiệt bên trong, có thể áp dụng để mô tả quá trình phát sinh và truyền nhiệt của bê tông trong quá trình thủy hóa xi măng

qh - tốc độ nhiệt lượng sinh ra trong 1 đơn vị thể tích (W/m3),

ρ - khối lượng riêng của bê tông (kg/m3),

cp - nhiệt dung riêng của bê tông (J/kg.°C),

k - hệ số dẫn nhiệt của bê tông (W/m.°C),

T - nhiệt độ (°C),

t - thời gian (s)

Truyền nhiệt qua đối lưu

Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất

lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ

rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại, được thể hiện qua định luật Newton về

trạng thái làm mát:

q  hA T  T (2.9) Trong đó:

qc - tốc độ truyền nhiệt qua đối lưu (W)

Mô hình toán học biểu diễn quá trình sinh nhiệt được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay là mô hình kết hợp phương pháp tuổi tương đương của bê tông (equivalent age

maturity method) và đường cong dạng mũ mức độ thủy hóa của xi măng Phương pháp

này dùng để xác định tốc độ phát sinh nhiệt, biểu diễn bởi phương trình (2.11) Tuổi

tương đương (te) và mức độ hydrat hóa cuối cùng (u) có thể được tính tương ứng bằng

phương trình (2.12) và phương trình (2.13) Các tham số nhiệt thủy hóa,  và  có thể

được xác định từ dữ liệu thực nghiệm bằng phương pháp mịn hóa đường cong

Tổng nhiệt lượng tỏa ra Q(te) theo tuổi tương đương có thể được tính bằng

phương trình (2.15) Tốc độ tỏa nhiệt q(te) có thể được tính là đạo hàm bậc nhất của

Q(te) như trong phương trình (2.16), và tốc độ tỏa nhiệt thủy hóa theo thời gian thực

q(t) được tính như phương trình (2.17)

Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt

Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (không có trao đổi nhiệt với bên ngoài) được xác định

từ nhiệt lượng tích lũy theo quan hệ (2.20) dưới đây

ΔQ - độ tăng nhiệt lượng (J),

m - khối lượng của mẫu (kg),

C p - nhiệt dung riêng của mẫu (J/kg.°C),

ΔT - thay đổi về nhiệt độ hay độ tăng nhiệt độ (°C)

Quá trình tính toán:

Chương trình máy tính “EACTSA” kết hợp phương pháp SPHH và PTHH được dùng để phân tích nhiệt và ứng suất Trong quá trình phân tích, chương trình EACTSA thực hiện tính toán nhiệt độ trước Dữ liệu nhiệt độ tại mỗi phần tử sau đó được sử dụng

để tính ứng suất So với các phần mềm thương mại (như Midas Civil) thì ở đây chương trình tính có những ưu điểm như sau:

1- Tính toán được tốc độ sinh nhiệt tại từng điểm khác nhau trong BT, ngoài việc phụ thuộc vào bản chất của loại hỗn hợp BT, còn xét được ảnh hưởng của nhiệt độ tại điểm đó theo thời gian: q(te) = q(t,T) Nói cách khác, mỗi điểm trong BT sẽ có tốc độ sinh nhiệt khác nhau

2- Ứng xử đàn nhớt của BT ở tuổi sớm cũng được xét đến chi tiết theo từng giờ thông qua hàm tuân thủ từ biến, bằng việc sử dụng mô đun đàn hồi hiệu dụng

Eeff để đưa vào công thức phần tử hữu hạn

Quá trình phân tích sử dụng bước thời gian là 1h Sơ đồ khối thuật toán được trình bày dưới đây:

Hình 2.7 Sơ đồ khối tính toán quá trình

sinh nhiệt và truyền nhiệt

Hình 2.8 Sơ đồ khối tính toán ứng suất

nhiệt

Các mô hình số mô phỏng ứng xử nhiệt tuổi sớm của bê tông

Trước đây, các nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào việc sử dụng các hàm

lý thuyết mô tả sự phát sinh nhiệt trong quá trình thủy hóa xi măng để tính toán độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, sau đó áp dụng vào mô hình tính Các mô hình tính toán trên thế giới gần đây đã xét đến vai trò của các phụ gia khoáng hoạt tính trong hỗn hợp bê tông

và sự phức tạp của tải trọng nhiệt không đồng đều từ nhiệt thủy hóa cũng như đặc tính vật liệu của bê tông tuổi sớm không đều phụ thuộc nhiệt độ đã được đưa vào tính toán

để dự đoán tốt hơn về ứng xử của bê tông Các mô hình số ngày càng phức tạp để gần hơn với thực tế cả về mặt hình học và hiện tượng học được xem xét để đánh giá ứng suất nhiệt trong kết cấu

Các mô hình tính toán sự phát triển nhiệt và ứng suất trong BT ở tuổi sớm chủ yếu được các nhà nghiên cứu xây dựng bằng phương pháp PTHH, điển hình là sử dụng các phần mềm tính toán ABAQUS [25], TNO DIANA [96], ANSYS [144] và Midas Civil [5], các mô hình này đã được tóm tắt trong mục tổng quan ở Chương 1 Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng kết hợp phương pháp sai phân hữu hạn và PTHH thông qua chương trình tính EACTSA để giải quyết bài toán

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử cơ – nhiệt của BT sử dụng phụ gia khoáng

Trước đây, việc nghiên cứu ứng xử cơ – nhiệt của BT kết cấu chủ yếu được tiến hành trên đối tượng là "bê tông khối lớn" - là các khối kết cấu BT có kích thước lớn như đập, móng khối lớn, Với BTKL, nhiệt do phản ứng thủy hóa xi măng tích tụ trong lòng của khối và do khối có kích thước lớn nên quá trình dẫn nhiệt ra bề mặt và ra môi trường xung quanh diễn ra rất chậm Chính vì vậy sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt của

BT là lớn, gây ra biến dạng và ứng suất nhiệt lớn, là tiền đề gây nứt nhiệt của khối BT Hiện nay, ngành xây dựng cầu đã ứng dụng nhiều loại vật liệu bê tông cường độ cao, tính năng cao, siêu cao sử dụng hàm lượng xi măng lớn trong thành phần hỗn hợp Khái niệm BTKL không còn đơn thuần là kết cấu có kích thước lớn nữa, mà ngay cả các kết cấu thanh mảnh cũng có nguy cơ nứt nhiệt khi sử dụng bê tông có hàm lượng xi măng lớn

Xu thế hiện nay khi chế tạo bê tông cường độ cao, tính năng cao, là sử dụng hàm lượng xi măng Pooc-lăng lớn và giảm tỉ lệ nước/xi măng Ngoài ra, các phụ gia khoáng như xỉ lò cao, tro bay, SF, metakaolin, cũng được sử dụng nhằm giảm bớt lượng xi măng, giảm nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa xi măng, từ đó có khả năng giảm được biến dạng nhiệt và rủi ro nứt nhiệt Phụ gia khoáng tro bay được sử dụng tương đối phổ biến - như là chất độn trơ - nhằm giảm nhiệt sinh ra trong lòng khối Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay tuy làm giảm nhiệt nhưng lại đồng thời làm giảm cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo của BT, từ đó làm giảm khả năng kháng nứt của BT Tương tự như tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn khi sử dụng trong hỗn hợp BT sẽ làm tăng độ sụt và tính công tác của BT tưới Với xỉ, cường độ bê tông có suy giảm ở tuổi sớm, tuy nhiên ở tuổi 60 và nhất là 90 ngày, cường độ chịu nén của bê tông được cải thiện khi tỷ lệ xỉ ở mức 20% đến 40% so với tổng lượng vật liệu chất kết dính

Nứt trong bê tông tuổi sớm xảy ra khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo tại một thời điểm nào đó ở tuổi sớm Hầu hết các giải pháp vật liệu kể trên tập trung vào việc làm khả năng nứt bằng cách giảm nhiệt, giảm chênh lệch nhiệt độ của khối bê tông kết cấu Tuy nhiên, việc xem xét các tính chất cơ học khác như sự phát triển cường độ,

mô đun đàn hồi, là cần thiết để ngăn ngừa nứt nhiệt tuổi sớm Đối với BT ở tuổi sớm,

sự phát triển của cường độ chịu kéo là một yếu tố rất quan trọng trong việc giảm thiểu nứt sớm trong kết cấu

Như đã nêu tổng quan ở Chương 1, vật liệu phụ gia khoáng SF khi được sử dụng thay thế một phần xi măng trong các hỗn hợp bê tông truyền thống thì ngoài việc tăng

độ bền, khả năng chống thấm, còn có thể làm tăng cường độ nén và cường độ kéo của

BT, đặc biệt là ở tuổi sớm Mặt khác, hiện nay trên thế giới, việc sử dụng SF cho bê tông

trong xây dựng công trình đã được hướng dẫn trong tiêu chuẩn (ACI 234R-06) Ở Việt Nam, SF đã được sản xuất công nghiệp hóa (ví dụ như sản phẩm PP1 của hãng Sika ),

và vì vậy phù hợp với việc sử dụng trong bê tông cho công trình cầu ở quy mô công nghiệp Vì vậy, trong các mục tiếp theo, luận án sẽ trình bày các hiệu ứng cơ – nhiệt của vật liệu SF và của BT kết cấu có sử dụng SF ở tuổi sớm, nhằm xây dựng giả thiết cho bài toán trước khi tiến hành thực nghiệm và đánh giá sâu hơn ở Chương 3 và 4

2.3 Hiệu ứng cơ – nhiệt của BT kết cấu có sử dụng phụ gia khoáng SF

2.3.1 Silica fume

Silica fume là một loại phụ gia khoáng không kết tinh, rất mịn, có nguồn gốc từ quá trình sản xuất kim loại silicon hoặc ferrosilicon trong lò hồ quang điện SF được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1940 tại Na Uy, khi các nhà khoa học nhận thấy

sự xuất hiện của một loại bột mịn trong khói từ lò nung sản xuất kim loại silicon và ferrosilicon Sau đó, các phương pháp thu thập và xử lý SF từ khói đã được nghiên cứu

và phát triển, đồng thời tiêu chuẩn hóa các đặc tính kỹ thuật của SF [69] Đến năm 1976,

SF đã được công nhận là một phụ gia khoáng chất lượng cao trong sản xuất xi măng và

bê tông SF là vật liệu có tính "pozzolanic" cao được sử dụng để tăng cường tính chất

cơ học và độ bền của bê tông Nó có thể được thêm trực tiếp vào trong hỗn hợp bê tông như một thành phần riêng lẻ hoặc được trộn sẵn với xi măng Poóc lăng tạo thành xi măng Poóc lăng hỗn hợp (silica-fume blended cement) Năm 2006, ủy ban ACI 234R-

06 [17] ước tính có khoảng 130.000 tấn SF được sử dụng cho bê tông hàng năm trên toàn thế giới - ứng với hơn 6 triệu mét khối bê tông SF được sử dụng trên toàn cầu mỗi năm

Sự quan tâm đến việc sử dụng silica fume xuất phát từ việc thực thi nghiêm ngặt các biện pháp chống ô nhiễm không khí để ngăn chặn việc thải SF vào môi trường Việc

sử dụng silica fume trong bê tông ban đầu chủ yếu là để thay thế xi măng, cùng với các phụ gia giảm nước (WRA) Cuối cùng, sự ra đời của các phụ gia giảm nước ở mức độ cao (HRWR, thường được gọi là phụ gia siêu dẻo) đã mang lại những khả năng mới cho việc sử dụng silica fume để tạo ra BT hiệu suất cao ACI 234R-06 [17]

SF ngưng tụ từ khí thoát ra từ lò nung, có hàm lượng silicon dioxide (SiO2) vô định hình rất cao và bao gồm các hạt hình cầu rất mịn thường có kích thước (đường kính) trung bình từ 0,1 đến 0,2 µm Kích thước của hạt SF riêng lẻ bằng khoảng 1/100 kích thước trung bình của hạt xi măng Thông thường, một số hạt riêng lẻ có thể được hợp nhất với nhau để tạo thành các khối kết tụ nhỏ

Silica fume ban đầu được xem như một vật liệu thay thế xi măng, nhưng hiện nay

lý do quan trọng nhất cho việc sử dụng nó là để sản xuất bê tông tính năng cao (HPC), trong đó việc bổ sung silica fume giúp cải thiện các đặc tính của bê tông Với vai trò này, silica fume đã được sử dụng để sản xuất bê tông có cường độ nén cao và có dải độ bền rất cao Ở Hoa Kỳ, silica fume được sử dụng chủ yếu để sản xuất bê tông có khả năng chống xâm nhập clorua cao hơn cho các kết cấu bãi đậu xe, cầu và bản mặt cầu Lĩnh vực ứng dụng ngày càng tăng của SF là làm chất phụ gia cho bê tông phun, trong

đó SF thường làm giảm lượng mất mát khi bị bật ra khỏi bề mặt, cho phép tăng độ dày phun và nói chung là cải thiện chất lượng của vật liệu được đổ [17]

SF có hàm lượng SiO2 cao và diện tích bề mặt lớn Do độ mịn của vật liệu cao nên việc thêm SF vào hỗn hợp bê tông sẽ làm tăng nhu cầu về nước Để sản xuất bê tông chất lượng cao, độ bền cao cần duy trì (hoặc giảm) tỷ lệ nước/chất kết dính (w/cm) Do

đó, phụ gia siêu dẻo (HRWR), đôi khi được kết hợp với phụ gia giảm nước (WRA), được sử dụng để đạt được tính năng và độ công tác cần thiết Bê tông SF sẽ có tính kết