Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Mô phỏng quá trình cơ nhiệt trong kết cấu bê tông dựa trên thí nghiệm mô hình nhiệt Hydrat hóa

Trong quá trình đóng rắn và phát triển cường độ của bê tông, xi măng tác dụng vớinước tạo thành phản ứng nhiệt thuỷ hoá hydrat hóa và phát sinh một lượng nhiệt lớn, và gây nên ứng suất n

Cán bộ hướng dẫn khoa học: E1 S2 221E 1251115111511 1121111811122 11 511kg ệt

Cán bộ hướng dẫn khoa học: E1 S2 221E 1251115111511 1121111811122 11 511kg ệt

Cán bộ chấm nhận xét Ì: 1 ST S22 1111550181 1555 1111555111155 1Kk ng tk ns ke.

Cán bộ chấm nhận xét 2: - SE SS20111 1555 1111551111511 1K 115g 1k ng knnc Trà:Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường dai học Bách Khoa, DHQG Tp.HCMNgày tháng năm

Thành phân hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:1.

ak YNCHU TICH HOI DONG TRUONG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: DƯƠNG LỊCH MSHV: 10190717Ngày, tháng, năm sinh: 07/09/1983 Nơi sinh: BẮC KANChuyên ngành: Vật Liệu và CN Vật Liệu Xây Dựng Mã số : 605880

I TÊN DE TÀI: Mô phỏng quá trình cơ — nhiệt trong kết cấu bê tông dựa trên thí

nghiệm mô hình nhiệt hydrat hóa.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:= Đo nhiệt hydrat hóa trên mô hình bê tông và đo các thông số cơ học khác phục

vụ cho bài toán mô phỏng

= M6 phỏng quá trình nhiệt hydrat hóa của bê tông băng phương pháp phan tử

hữu hạn

Il NGÀY GIAO NHIEM VU: 02/07/2012II NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 21/06/2013IV CAN BO HUONG DAN: TS.BÙI ĐỨC VINH

Tp HCM, ngay thang năm 2013

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký)

Với dé tài luận văn theo hướng thực nghiệm, trong quá trình thực hiện tôi đã gặp ratnhiều trở ngại tưởng chừng bản thân mình không thé vượt qua Tôi xin gửi lời cảm ơnchân thành va sâu sac đến những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến cha và mẹ tôi, những người luôn chăm lo vàkhuyến khích tôi cố gắng phan đấu trong cuộc sông Và tôi cũng chân thành gởi lờicảm ơn đến thay Bùi Đức Vinh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

thực hiện luận văn.

Chương trình thí nghiệm đòi hỏi nhiều công đoạn cũng như máy móc thiết bị phức tạp,

bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các nhân viên phòng thí nghiệm thuộc

công ty Hoang Vinh T.R.C.C, tôi xin cảm ơn tất cả mọi người đặc biệt là Mạnh, Trí và

Hoang những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình thí nghiệm

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến công ty xi măng Sài Gòn đã giúp đỡ về mặt nguyên

liệu phục vụ cho quá trình thí nhiệm.

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian

học tập tại trường, và những người luôn quan tâm động viên tôi trong quá trình học tập

và nghiên cứu.

Trong quá trình đóng rắn và phát triển cường độ của bê tông, xi măng tác dụng với

nước tạo thành phản ứng nhiệt thuỷ hoá (hydrat hóa) và phát sinh một lượng nhiệt

lớn, và gây nên ứng suất nhiệt bên trong khối bê tông Đối với các kết câu bê tôngkhối lớn hay bé mặt rộng thường có nguy cơ nứt do nhiệt rất cao, điều này làm giảmchất lượng công trình

Luận văn tập trung vào thí nghiệm mô hình phát nhiệt từ khối bê tông và mô phỏngquá trình thay đối ứng suất của kết cau bê tông do nhiệt hydrat gây ra trong suốt quatrình đóng ran va phát triển cường độ Nguồn nhiệt theo yêu cầu của bài toán truyềnnhiệt được xác định từ thí nghiệm đo nhiệt độ trực tiếp trên khối bê tông với thànhphan cấp phối cụ thé, thay vì xác định từ thành phần khoáng của xi măng

Đề tài đã thực hiện đo nhiệt hydrat hoá của 06 mẫu bê tông kích thước 500 mm x500 mm x 500mm với các thành phan cấp phối khác nhau, hai loại xi măng PCB50(xi măng xá) và xi măng toa nhiệt thấp (LH PCB50) đã được sử dụng Kết quả củathí nghiệm đo nhiệt độ và xác định các tính chất chơ học đã được sử dụng cho bàitoán mô phỏng bang phương pháp phan tử hữu hạn

Phan mô phỏng của dé tài đã xây dựng được các mô hình tổng quát mô phỏng baitoán cơ-nhiệt cho kết cau bê tông bất ky bằng phương pháp phan tử hữu hạn sửdụng phần mém ANSYS Các khảo sát ảnh hưởng của kích thước của khối đỗ cơbản đến nhiệt độ, ứng suất nhiệt, và khả năng bị nứt của bê tông của bê tông đãđược thực hiện trên các loại Phần cuối của luận văn đã nêu lên hai ứng dụng thực tếphân tích ứng suất nhiệt và lựa chọn phương án thi công trong kết cấu bê tông khối

lớn.

Từ khóa: nhiệt hydrat hóa ,mô phỏng quá trình cơ nhiệt, phương pháp phần tử hữu

han, Ansys.

During the hydration process of cement in concrete, the reaction generate heat,which causes thermal stress in concrete Especially in the massive concretestructures are often subjected to high potential of thermal stress.

Based on temperature data obtained from of hydration test of small concrete block,and mechanical properties determined from on concrete samples This studyfocused on simulation heat and developement of stress during hydration process byfinite element method From basic model, this work have been extended toinvestigation real strucutre with any size and geometry The affect of differentfactor such as cement dosage, fly ash, and construction methods on temperatureand thermal stress are takan into account The case study mentioned to twopractical applications are thermal stress calculations and execution plans selectionof massive concrete structures.

Keywords: Thermal of hydration , modeling thermomechanical processing, finiteelement method, ANSYS.

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự do cá nhân tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Đức Vinh.Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từngđược công bồ dưới bat kỳ hình thức nao

Tôi xin chịu trách nhiệm ve nghiên cứu của mình.

Học viên

Dương Lịch

DANH MỤC BAN V, 2G G2 s5 9 9 9 ch ch vung ivDANH MỤC BÁNG G5 họ ngu co viiiCHƯƠNG1_ GIỚI THHIỆỆU 5 - <5 <5 <5 xe sxs #2 1

1.1 Hiện tượng nhiệt hydrat hóa của xI măng << «<< + seeeeessesssssss |

1.2 Đối tượng nghiên CUU woes csescsesesececscscscscscscsvecevsvsesesececscssecscscucacasavavavaens |1.3 Giới hạn đỀ tit eseeceessesseeesnessneesneesnecsucesneesecesncesncesnsesnceasecneeeneecnseeneeeneeenes 41.4 Câu trúc luận VĂN: :-c: tt 2x22 2 t2 2 rrrrrrerre 4CHUONG 2 TONG QUAN SG HH HH HH ng ri 6

°“Pc uêi na 6

2.2 Anh hưởng của nhiệt hydrat hóa đến đến tính chất của bê tông - 6

2.3 Sự tỏa toa nhiỆt của X1 măng - 1100000111111 1 1111111 111111111 ng v2 82.4 Mô hình nhiệt hydrat hOa oc ccccccssssssssseceeeeeecceeeeesessssssceeeeeeeeeeeeeeeeees 11

2.5 Phuong pháp số cho bài toán cơ nhiỆt -¿- 6 s+x+E+EsEeEeEEererkeereeeeed 132.6 Kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn - ¿+ s£E+E+E+EeEeEEevereeereeeeed 14

2.7 Phương pháp đánh giá khả năng bị nứt do nhiỆt 5 5555 5+S<<<<<52 15

CHUONG 3 NHIET HYDRAT HOA VA CO CHE HINH THÀNH VETNUT TRONG KET CẤU BE TÔNG - 5-5-5599 eEeveeeeeeekee 17

3.1 Qua trình nhiệt hydrat hóa trong bê tông 5555523 +++++++++SS+2 173.2 Mô hình nhiệt hydrat hÓa: G5 E2 22026213119993111 1111111111111 111111 v2 18

3.3 Ung suất nhiệt va co chế hình thành vết nứt nhiệt trong bê tông 193.3.1 Ứng suất nhhiỆP «set E1 1191515111111 1 111 111g H11 ng gegreg 19

3.4 Phương trình chủ đạo của bài toán truyền nhiét oc cececceeeeeeeeeeeeeeeee 223.5 Công thức phan tử hữu hạn cho quá trình truyền nhiệt - 2s 5s: 233.6 Bài toán phân tích ứng suất (bài toán €Ơ) « «+ +x+k+k+k#EeEeEeEererererees 243.7 Phương pháp phan tử hữu hạn cho bai toán €Ơ -¿-¿- 6 +s+e+esesrsrerees 263.8 Mô phỏng bang phan mềm phần tử hữu hạn -¿- 2s +s+E+EsEsEerezee 283.9 Các thông số đầu vao cho bài toán mô phỏng - - 2 +s+s+EsEsEereree 313.9.1 Các thông số về tính chất của bê tOng ec cesesssssesescsesescscscscesssesevens 313.9.2 Tinh chất của cốp pha và lớp bảo dưỡng bê tông - - 5 +s+s+sse 34CHUONG 4 KHAO SÁT THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NGUON NHIETVÀ TÍNH CHAT CƠ HỌC CUA BE TÔNG - 7 < <5 «se sex 2 36

4.1 Xây dựng thí nghiệm mô hình 55 5 2222222222211 11 1 15s 364.2 Thí nghiệm đo nhiệt hydrat hóa 5 1111111 EEESSSSEssesssssss 364.2.1.Mô hình thí nghiỆm GG E233 22233222111999311 111111111 111111111 18882232 36

4.2.2 Kết quả thí nghiệm do nÌhiỆC - - - - S33 9ESESESEEkEkEkEkekekekekrererree 414.2.3 Nhiệt lượng và tốc độ phát nhiỆt - - - + +EsEEExk£k£kekekexeeeereesee 46

4.2.4.Nhận xét đánh gi1á - - G11 HH TH ng ng 514.3.1 Thí nghiệm cường độ chịu nén ®, 5-53 s+seeeseeeerees 54

4.3.2 Mô đun đàn hôi Eon eseesseesseecseesseeeseccseeesscessecsseesceneecseeeseeeneesneeseesneeseeen 57

4.3.3 Thí nghiệm cường độ chịu kéo R, (theo thí nghiệm ép bửa): 58

CHUONG5 MÔ PHONG QUA TRÌNH CƠ NHIET 605.1 Thiết lập mô hình mô phong: cccccccccccssesssscsescsesesessscscecesessvevevseseeeee 60

5.1.1 Bài toán niỆT: - E211 1 1111303001 vê 605.1.2 Bai tO CƠI HH nọ vn 605.1.3 Ví dụ minh họa - << << E116 66E1113030 11811103 11 k1 vn ve 61

5.2 Đánh giá kha năng bi nut do nhiệt hydrat hóa của bê tong 63

5.3 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước khối d6 ¿- - s+s+E+EsEeEerereei 655.4 Khảo sát đánh giá ảnh hưởng của việc cải tiến vật liệu và biện pháp thi công

¬ 685.5 Nhận XÉT -c- 5e t1 Tk 1 E1 1111151111511 15111511 151111 1111151111111 1 11g10 73

CHUONG 6 ÁP DỤNG THỰỰC TÍ << 5< s8 se s2 756.1 Bài toán kết cầu dầm san bê tông khối ON eeesesesesecscsceceesseserereeeeeeee 756.1.1 Yêu cầu của bài toán -¿- 5252 SE E9 E3 151111112115 11111 11 756.1.2 Mô hình phần tử hữu hạn hệ dầm sàn ¿2+2 Se E3 se E+EsEseEszsesez 766.1.3 Nguồn nhiệt và tính chất cơ học của vật liệu ¿5+ ccscscszseszss2 776.1.4 Các điều kiện ban dau va tiếp xúcvới môi trường - - - s+sssscse 776.1.5 Kết quả mô phỏng o.cecccecccssesscsescsesececscscscssscevsvsesvscsesecscscacssassssvacesavavavens 776.2 Tính toán ứng suất nhiệt cho các phương án thi công móng bè 816.2.1 Yêu cầu của bài toán: -¿- - <6 SE E2 E3 151121111111 71 1111 81

6.2.2 Phân tích bài toán: - - 5c E113 1181110330 11111 nh re 83

6.2.3 Mô hình phan tử hữu han của móng bè và đất - 2 ssss+esescse 846.2.4 Nguén nhiệt va tính chat cơ học của vật LSU eeeseseseceseccsceseseseseeees 866.2.5 Kết quả - đánh gid ccc ecssscsesescseseccecscscsssssvsvsvsvscsesececscscscasavavacesavavavens 86CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN - -G-< G5 2< s5 9 SE x9 ve 91IV 08019000079/8.407 01 o 93PHAN PHU LUC << (G5 <5 E9 99 ve 9v ve 96

DANH MỤC BẢN VẼHình 2.1 Vết nứt bê tông do nhiệt [4] - - «<< E SE +E£E+E£E£EeEeEeEererrerees 7

Hình 2.2 Đập St Fracis (Los AngÏ€S) - c1 1000011111111 1 111111 ng 8

Hình 2.3 Tốc độ hydrat hóa của các thành phan khoáng trong xi măng [5] 8

Hình 2.4 nhiệt độ của các loại xi mang trong môi trường đoạn nhiỆt 9

Hình 2.5 ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng - 9Hình 2.6 Ảnh hưởng của lượng tro bay thay thế cho xi măng đến tốc độ sinh nhiệt

089.9007522 “ da =a 10

Hình 2.7 Ảnh hưởng của lượng N/X đến tốc độ sinh nhiệt của xi măng 10Hình 3.1 Cơ chế phát sinh ứng suất, và vết nứt do sự trênh lệch nhiệt độ giữa cácvùng của kết cau bê tông [23 ] - - - + SE E111 5 E11 cxckckeo 20Hình 3.2 Cơ chế phát sinh ứng suất do sự cản trơ biến dạng nhiệt từ bên ngoài [23]ẮẨđẳdaiaaaiaiaẳaẳaiaẳaiaiiiaiaaă4aảẢ A 21Hình 3.3 Tương quan chi số nứt nhiệt và xác suất nứt nhiét oe 22

Hình 3.4 Đặc trưng hình học của SOLIID7 cc Q1 xxx ngư 29

Hình 3.5 Đặc trưng hình học của SOL,IHDS c1 ngư 29

Hình 3.6.Sơ đồ thuật giải bài toán Nhiệt-Cơ trong trong theo phương pháp phan tử

008i 18:02 13107777 a 30

Hình 4.1 Chi tiết cầu tạo thùng cánh nhiệt (mặt cắt ngang) 5-5-5 +sssscse 37Hình 4.2 Cau tạo thùng cánh nhiỆt - + s33 EESESEEEEvEkrkrkrerkes 37

Hình 4.4 Bồ trí các thiết bị cảm biến đo nhiệt - 2 - 2 255 2£2£E+£z£ezxzzsrxd 40

Hình 4.5 Tiến hành đồ mẫu bê tông va gan thiết bi Data Bloger 40

Hình 4.6 Biéu đỗ nhiệt độ của mẫu MI - 25 252 £E‡EeEErEeEerererrred 41Hình 4.7 Biéu đỗ nhiệt độ của mẫu ÌM2 - 2© 2 2 +E+ESEE£E£EEEEEEeErrkrkrrered 42Hình 4.8 Biéu đỗ nhiệt độ của mẫu ÌM3 - 2252522 2EE£EEErEeErrkrkrrred 42Hình 4.9 Biểu đồ so sánh nhiệt độ của Mẫu M1, Mẫu M2, Mau M3 43

Hình 4.10 Biéu đồ nhiệt độ của mẫu ÌM4 - ¿2-5252 SE‡ESEE£EEEErEeErrkrkrrred 44Hình 4.11 Biéu đồ nhiệt độ của mẫu MS ¿2-5252 5E+ESE£E+ESErEeEzrkrkerred 44Hình 4.12 Biéu đồ nhiệt độ của mẫu ÌM6 ¿2-5252 2EE£E+EzErEsErrkrkrrred 45Hình 4.13 So sánh biến đổi nhiệt độ của Mẫu M4, Mau M5, Mẫu M6 45

Hình 4.14 Tổng Nhiệt lượng theo thời gian của Mẫu M1, M2, M3 50

Hình 4.15 Tốc độ phát nhiệt lượng theo thời gian của Mẫu M1, M2, M3 50

Hình 4.16 Tổng Nhiệt lượng theo thời gian của Mẫu M4, M5, Mó6 51

Hình 4.17 Tốc độ phát nhiệt lượng theo thời gian của Mẫu M4, M5, M6 51

Hình 4.18 Biéu dé so sánh quá trình tăng nhiệt của bê tông trong môi trường đoạnnhiét cua xi MANg LH-PCB50 “HdỤIỤŨỤ 53

Hình 4.19 Biéu dé so sánh quá trình tăng nhiệt của bê tông trong môi trường đoạnnhiét cua Xi MANG 10 Ìcn) 17 53

Hình 4.20 Cường độ chịu nén theo thời gian tình theo MC2010 và kết quả thí

I401910)09.98ìi115001nx01s5 11 A 56

Hình 4.21 Cường độ chịu nén theo thời gian tình theo quy trình Nhật Bản và kết

quả thí nghiệm của xi măng PCBS5U Q0 0000001111299 11 1111 1n ngờ 56

Hình 4.22 Thí Nghiêm M6 Dun Đàn HỒÌi 2 2s k+SE#EE£E+EeEeEeEErkrkrrerees 57

Hình 4.23 Thí nghiệm ép bửa theo ASTM C496 - MII - 2-s+cs+s+cscsee 59

Hình 5.1 Mô hình khối bê tông lập trong AnSyS - - + + xxx ckexeveeeeeree 62

Hình 5.2 Phân bố nhiệt độ và sự thay đối nhiệt độ tại tâm của khói đồ 62

Hình 5.3 Sự phân bố ứng suất trên khối bê tông, ứng suất tại 1 điểm theo thời gian¬ 63Hình 5.4 Ứng suất kéo và cường độ chịu kéo theo thời gian - 5 +s+sscs¿ 64Hình 5.5 Xác xuất bị nứt P(7,„) theo thời gian - 2-5 2 S2+x+£scctsrzrereerred 64Hình 5.6 Mô hình khối đỗ cơ bản ¿2-5 52SEE2EESE£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEErErErrkrkee 66Hình 5.7 Quan hệ giữa kích thước khối đồ và nhiệt độ lớn nhất của khối 66

Hình 5.8 Quan hệ giữa kích thước khôi đồ và ứng suất kéo Oj 67

Hình 5.9 Quan hệ giữa kích thước khối đồ và xác suất nut (7, „) -¿ 67

Hình 5.10 Nhiệt độ tai tâm khối theo thời gian của xi măng LH-PCB50 70

Hình 5.11 Nhiệt độ tại tâm khối theo thời gian của xi măng PCB50 70

Hình 5.12 Ứng suất đặc trưng vùng bị kéo Økp Cua xi măng LH-PCB5S0 72

Hình 5.13 Ung suất đặc trưng vùng bị kéo Økp Của Xi măng PCBS0 72

Hình 5.14 Khả năng bị nứt theo thời gian P(I,,) của xi măng LH-PCB50 73Hình 5.15 Khả năng bị nứt theo thời gian P (L,) của xi măng PCB50 73

Hình 6.1 Sơ đỗ hình học kết câu đầm sản-Bàải toán Ì -¿-2 2 se +esexszsessd 76Hình 6.2 Sơ đồ hình học và lưới PTHH :¿-5sc2ctc>xttrrterrrrrrrrrrrrrrrrreg 76Hình 6.3 biểu đồ phân bố nhiệt trên kết cau nhìn từ bên trên và bên dưới sàn 78Hình 6.4 biểu đồ phân bố ứng suất trên kết cau nhìn từ bên trên và bên dưới sàn 79Hình 6.5 Nhiệt độ lớn nhất theo thời gian - - - s+E+EsEsEExExEkckckckekekeeeeeree 79

Hình 6.6 Ứng suất đặc trưng vùng bị kéo kp theo thời g1an -. <« 80

Hình 6.7 Khả năng bi nứt theo thời gian P (L.) theo thời gian 81

Hình 6.8 Các phương án thi công cần tính toán ứng suất nhiệt - 82Hình 6.9 Mô hình phân tích móng và đất nền + + +*+E+E+E+EeEE+E+EeEsreei 84Hình 6.10 Năm mô hình phân tích ứng suất được lập trên Ansys : 85Hình 6.11 ứng suất nhiệt phân bố của 5 phương án thi công -.- - 5 +s<s¿ 87Hình 6.12 Nhiệt độ lớn nhất theo thời gian - - - - + s+E+EsEEx SE kckckckekeeeeeeeree 88Hình 6.13 Ứng suất đặc trưng vùng bị kéo Økp theo thời gian - 88

Hình 6.14 Khả nang bi nứt theo thời gian P (I) theo thời gian 89

DANH MUC BANG

Bang 3.1 Nhiệt lượng dong góp của các khoáng trong xi măng khi hydrat hoa 18

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của một số loại bê tông thông dụng - - - +: 31

Bảng 3.3 Hệ số giãn nở nhiệt bê tông với theo các loại cốt liệu khác nhau 32

Bảng 3.4 Hệ số dẫn nhiệt của các loại bề mặt bao phủ bê tông 35

Bảng 4.1 Thành phần cấp phối cho 3 mẫu bê tông sử dụng xi măng LH-PCB50 39

Bảng 4.2 Thanh phan cấp phối cho 3 mẫu bê tông sử dụng xi măng PCBS0 39

Bang 4.3 Tóm tắt kết quả đo nhiệt độ (nhóm Í) - + + <5 +E+E+E£Eeeeesese 41Bang 4.4 Tóm tắt kết quả đo nhiệt độ (nhóm 2) + + + SE +E+E+EeEeeeeeese 43Bảng 4.5.Khoang chia thời gian trong phân tích nhiỆt - 5555 ‡‡<<+++<ss 49Bảng 4.6 Cường độ chịu nén đo được của bê tông - 5555 << ss++++++++ssss 55Bảng 4.7 Mô dun dan hồi của bê tông sử dụng xi măng LH-PCB50 và PCB50 57

Bang 4.8 Cường độ chịu kéo của bê tông sử dung xi măng HL- PCB50 và PCB50¬ 58

Bảng 5.1 Thông số về nhiệt của bài toán mô phỏng - - + + s+sx+s+E+E+Essse 61Bang 5.2 Các trường hop khảo sát ảnh hưởng đến tính chất nhiệt 69Bảng 5.3 Tong hợp các giá tri tính toán cho các trường hợp - - se: 71Bảng 6.1 Tổng hợp các giá tri tính toán cho 2 phương án - 5-2-2 sec: 77Bảng 6.2 Các thông số tính toán của bài toán mô phỏng 2-5 s+s+s+sscse 86Bảng 6.3 Tong hop các giá tri tính toán cho 5 phương án - 22-2 sec: S6

GIỚI THIỆU

1.1 Hiện tượng nhiệt hydrat hóa của xi măng

Chất kết dính xi măng đã được con người tìm thấy cách đây nhiều thế ký từxa xưa nhiều công trình xây dựng lớn đã sử dụng chất kết dính này và chúngcòn tôn tại đến ngày nay Khoảng hơn một thế kỷ trở lại đây công nghệ sảnxuất xi măng đã được hoàn thiện đáng kể và có rất nhiều sản phẩm ra đờiphục vụ các yêu cầu ngay cảng đa dang của công nghiệp xây dựng Khi xi

măng kết hợp với các cốt liệu có sẵn trong tự nhiên như cát, đá, nước

chúng trở thành một vật liệu mới được biết đến với tên gọi là bê tông vớinhững tính năng rất đặc biệt, và gần như nó đã trở thành một trong những vậtliệu chủ đạo để xây dựng các công trình hiện tại và cả tương lại

Trong quá trình xi măng kết hợp với cốt liệu để hình thành bê tông xuất hiệnhiện tượng toa nhiệt sau một thời gian phối trộn, điều này làm khối bê tôngnóng lên trong suốt quá trình đóng rắn và phát triển cường độ Hiện tượng này

gọi là quá trình nhiệt hydrat hóa (thủy hoá) của xi măng Nhiệt lượng sinh ra

trong quá trình hydrat hóa sẽ làm cho nhiệt độ trong khối bê tông tăng cao vàtác động đến quá trình co ngót của bê tông Nếu trong khối bê tông có sựchênh lệch nhiệt độ giữa các vùng nó gây ra sự giãn nở nhiệt và là thay đổithé tích từ đó phát sinh ra ứng suất nhiệt (thermal stress) Nếu tong ứng suấtnhiệt và các thành phần lớn hơn lực liên kết của vật liệu thì nó có thể làm bê

tông bị nứt.

1.2 Đối tượng nghiên cứuHiện nay các công trình có quy mô càng lớn, việc thi công bê tông khối lớnngày càng pho biến trong kết cau bê tông khối lớn thi vẫn dé nứt do nhiệthydrat hóa là vấn dé rat đáng quan tâm và cần phải được kiểm soát Vi vậy

Các vết nứt do nhiệt trong bê tông phụ thuộc vào ứng suất nhiệt sinh ra trongquá trình hydrat hóa Vì vậy để kiêm soát được vết nứt do nhiệt cần tính toánmô phỏng được ứng suất nhiệt dựa trên số liệu thực nghiệm đo nhiệt hydrathóa Việc nghiên cứu ứng suất nhiệt là yếu tố quan trọng để dự đoán nứt, là cơsở để kiểm soát vết nứt trong bê tông khi hydrat hóa Đồng thời việc nghiêncứu mô phỏng quá trình cơ - nhiệt trong quá trình hydrat hóa trong điều kiệnViệt Nam là tiền dé quan trọng để xây dựng Quy frình kiểm soát nứt bê tôngkhối lớn trong diéu kién Viét Nam

Luận văn nay nghiên cứu về cách tính toán một cách định lượng các yếu tốnhiệt trong quá trình hydrat hóa, từ đo tính toán sự phân bố ứng suất trong kếtcau bê tông được sinh ra trong quá trình hydrat hóa trong bê tông khối lớn.kết quả tính toán ứng suất nhiệt sẽ là cơ sở để xác định răng bê tông trong giaiđoạn non tuổi có đủ khả năng chịu được ứng suất nhiệt hay không, có nguy conứt cao hay thấp Các vẫn để này sẽ được nghiên cứu dựa trên kết quả môphỏng quá trình cơ — nhiệt và kết hợp với một số quy trình tính toán để xácđịnh khả năng bị nứt do nhiệt hydrat hóa của kết cau bê tông

Từ cơ sở nêu ở trên van dé tiếp theo của luận văn cần nghiên cứu là ảnhhưởng của các yếu tổ lên kết cầu như sau:

e Anh hưởng của tro bay ( thay thế một phần xi măng ) đến ứng suấtnhiệt trong kết cấu bê tông

e Ảnh hưởng của các loại xi măng đến ứng suất nhiệt trong kết cấu bê

tông.

e Kích thước của các cấu kiện ảnh hưởng như thé nao đến ứng suất

nhiệt trong quá trình hydrat hóa.

e Phân tích tác dung của các biện pháp kiểm soát ứng suất nhiệt trong

bê tông như:

o Dùng nước đá trộn vào bê tông để làm giảm nhiệt độ ban đầucủa bê tông khi mới dé

Nội dung luận văn sẽ thực hiện theo các bước sau:

e Tiến hành các thí nghiệm về nhiệt và cơ học kết hợp với các môhình nhiệt và cơ học xây dựng nên mô hình phát triển nhiệt và cơtheo thời gian của mẫu bê tông thực tế

e Từ mô hình phát triển các tính nhiệt và cơ của bê tông, sử dụng

phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình cơ nhiệt củabê tông, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tô như vật liệu, biện phápthí công đến ứng suất nhiệt của kết cau điển hình

e Xây dựng hoàn chỉnh quy trình từ thí nghiệm đến sử dụng phanmềm thực hiện bài toán mô phỏng cơ nhiệt cho một kết cấu bat kỳvà đánh giá các kết quả của nó

Như vậy, với các mục tiêu và phương pháp thực hiện nếu ở trên thì luận vănnày có ý nghĩa thực tế như sau:

e Kết quả nghiên cứu của luận văn có thé cung cấp một mô hình décác kỹ sư có thể phân tích được ứng suất nhiệt dự doán về các vếtnứt do nhiệt trong kết cau bê tông

e Phương pháp thực nghiệm của luận văn này có thể cung cấp cho cáckỹ sư một phương pháp thực nghiệm đơn giản kết quả gan với thựctế trong để xây dựng định nguồn nhiệt của bê tông trong quá trình

hydrat hóa.

e© Khác với các dé tai sử dụng thí nghiệm nhiệt hydrat hóa trên vita xi

măng, Phương pháp thực nghiệm trong luân văn này là đo nhiệt trực

tiếp từ bê tông để xây dựng mô hình nguồn nhiệt Vì vậy đây là mộthướng tiếp cận khác và hướng nhìn khác về nhiệt hydrat hóa trong

bê tông.

Trong dé tài này sử dụng phương pháp phan tử hữu han để mô hình hóa baitoán cơ — nhiệt trong kết cấu bê tông ở giai đoạn đầu (giai đoạn bê tông nontuổi) Trong đó các yếu tố chính như nhiệt lượng, cường độ chịu nén và chịukéo, mô đun đàn hồi sẽ được xác định thông qua thực nghiệm kết hợp với lýthuyết từ các tiêu chuẩn-quy phạm Một số các thông số khác như hệ số giãnnở nhiệt, nhiệt dung riêng sẽ được xác định theo các tiêu chuẩn.

Bê tông cấp độ bền B25-B30 và hai loại xi măng: xi măng toả nhiệt thấp (HL

—PCB50) và xi măng PCB50 (xi măng cho trạm trộn) được dụng trong nghiên

cứu nay, đây là các loại bê tông đang được sử dung phô biến trên thị trường.1.4 Cau trúc luận văn:

Luận văn này được chia làm các phan chính như sau:e Chương 1: Giới thiệu về đề tài

e Chương 2: Trình bày tổng quan về mô hình nhiệt hydrat hóa, phươngpháp kiểm soát nứt do nhiệt hydrat hóa, phương pháp giải bài toán cơ nhiệtbằng phương pháp số

e Chương 3 Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt hydrat hóa vàmô hình nhiệt hydrat hóa, sự hình thành vết nứt trong bê tông Lý thuyết vềtruyền nhiệt và cơ học để giải bài toán cơ nhiệt bằng phương pháp phan tử

hữu hạn (PP PTHH).

e Chương 4: Trinh bày các thí nghiệm và kết quả thí nghiệm can thiết déthiết lập thông số đầu vào của bài toán mô phỏng quá trình cơ nhiệt

e Chương 5: Trình bày trình tự thực hiện mô phỏng bài toán co-nhiét

bằng phần mềm Ansys Khảo sát sảnh hưởng của các yếu tố như thành phầnvật liệu, kích thước, và phương pháp thi công đến ứng suất nhiệt và nguy cơgấy nứt

e Chương 6: Trình bảy các ứng dụng kết quả thí nghiệm và mô phỏng

trên két cau cụ thê như móng bè, khôi san lớn.

TONG QUAN

2.1 Giới thiệu

Các phương pháp tiếp cận và giải quyết vẫn đề nhiệt hydrat hóa trong bê tôngrất đa đạng từ thực nghiệm, đến mô phỏng băng phương pháp số Các hướngchính đang được tập trung nghiên cứu gồm có:

1) Sự tỏa nhiệt của xi măng dựa trên các thanh phần khoáng, từ đó

thiết lập các mô hình mô ta quá trình phát nhiệt trong xi măng va bê

tông.

11) Mô phỏng tính toán ứng suất nhiệt trong các kết cấu bê tông.iii) Anh hưởng của nhiệt hydrat và các tác động có hại đến chất lượng

công trình từ đó tìm các biện pháp ngăn ngừa.

Trong chương này sẽ trình bày các nghiên cứu liên quan đến vấn đề toả nhiệtcủa bê tông và mô phỏng bài toán kết hợp Cơ — Nhiệt

2.2 Ánh hướng của nhiệt hydrat hóa đến đến tính chất của bê tông

Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hydrat hóa xi măng là nguyên nhân làm

tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian đầu dân đến các tính chất

khác của của bê tông cũng bị ảnh hưởng theo.

Z.P Bazant, F.ASCE [1] thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độđến sự co ngót trong bê tông đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng cao làm cho tốcđộ bay hơi tăng lên dẫn đến tốc độ mất nước trong bê tông tăng lên khiến cho

sự có ngót khô của bê tông cũng tăng theo.

Nhiệt lượng trong quá trình hydrat hóa sẽ có thể dẫn đến các vết nứt do nhiệt,các vết nứt này sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng của công trình Quy trìnhNhật Bản [2] đã chỉ ra các ảnh hưởng của chúng lên tính chất của công trình

như sau:

e Tinh an toàn: Các vết nứt trong bê tông sẽ tạo điều kiện cho các tácnhân ăn mòn xâm nhập nhanh hon, dam đến sự xuống cấp vào hư hỏng

công trình nhanh hơn dự tính làm giảm tính an toàn trong trong côngtrình.

e Khả năng sử dụng: đối với các công trình đòi hỏi độ kín nuoc caonhư: bể chứa các chất lỏng hoặc khí va các công trình tiếp xúc với nướcnhiều như đập hầm Các vết nứt do nhiệt sử làm rò rỉ nước làm giamchat lượng sử dung của công trình Hon nữa đối với các cấu kiện bêtông nói chung thì các vết nứt do nhiệt sẽ làm giảm độ cứng của kết cauvà là tăng độ biến dạng cũng như dao động của công trình

e Tuổi thd công trình: Các vết nứt trong bê tông sẽ dan các tác nhân ăn

mòn như O;, CO;, nước, ion Clo, Sunfua, xâm nhập sâu vào bên

trong kết cau dan làm cho tốc độ ăn mòn nhanh hơn làm cho công trìnhnhanh xuống cấp, tudi thọ công trình giảm đáng kê

Trên thực tế tác hại của các vết nứt do nhiệt đã xuất hiện ở nhiều công trình,ta có thé thay qua Hình 2.1 thé hiện bề rộng vết nứt do nhiệt trên bề mặt cầuJames River ở Mỹ Hình 2.2 cho thấy nước đã thấm qua vết nứt do nhiệt trênđập St Fracis mà theo Donald C và Hundley [3] đã kết luận rang đây là

nguyên nhân chính gây vỡ đập.

2.3 Sự toa toa nhiệt của xi mang

Nhiệt lượng do phan ứng thuỷ hoá của xi măng có thé được xác định theo haicách tiếp cận khác nhau: Từ phân tích thành phần khoáng của xi măng hoặc từthí nghiệm đo nhiệt trực tiếp trên khối bê tông/xi măng

Theo hướng tiếp cận từ thứ nhất thì Midess và Young [5] đã chỉ ra rằng, ởgiai đoạn đầu (thời gian đóng rắn và phát triển cường độ) thì tốc độ phát nhiệtcủa thành phần khoáng C,A là lớn nhất Các khoáng còn lại lần lượt theo thứtự gồm C38, C4AF, C;S Hình 2.3 cho thay sự phat nhiệt của các khoáng C.S,

Alite (C,S ) và Ferrite(C,AF ).

d6 hydrat hoa

0 2 40 80 80 100

thoi gian (ngay)

Hình 2.3 Tốc độ hydrat hóa của các thành phan khoáng trong xi mang [5]

nhất, tiếp theo là các loại I, loại II và loại IV Hình 2.4 cho thấy mức độ tỏa

nhiệt của xi măng được phân loại theo ASTM C105.

LOO

30nhiệt đô F+ y a ¬ @o S ° sS °wu °

Hình 2.4 Nhiệt độ của các loại xi măng trong môi trường đoạn nhiệt

Theo hướng tiếp cận bằng thực nghiệm đo nhiệt trực tiếp, Escalante-Garciađã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng [7] kếtquả cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đáng kế đến tốc độ hydrat hóa của xi măng.Trong môi trường nhiệt độ cao sẽ làm tăng tốc độ hydrat ở giai đoạn đầunhưng giai đoạn sau tốc độ lại giảm Hình 2.5 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độđến tốc độ hydrat hóa của xi măng

nhiệt lượng sinh ra W/k

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng

Zhi Ge [8] đã khảo sát ảnh hưởng của lượng tro bay thay thế đến sự tỏa nhiệtcủa xi măng, lượng tro bay sử dụng có tỷ lệ từ 10% đến 40%, kết quả cho thayhàm lượng tro bay có ảnh hưởng khá lớn đến tốc độ tỏa nhiệt của xi măng.

l2

Hình 2.6 Anh hưởng của lượng tro bay thay thé cho xi măng đến lốc độ sinh nhiệt

cua xi MĂNG.

500 T T Tr T T T TT T T mes mow 17

w/e— 70

= 400 F 60

10 „50

E ,40

i.oP 300 F 30 7

thời gian (giờ)

Hình 2.7 Anh hưởng của lượng N/X đến tốc độ sinh nhiệt của xi măng

Hình 2.6 cho thay với hàm lượng tro bay tăng thì tốc độ toa nhiệt giảm dantrong giai đoạn đầu (từ 0 đến 6h), tuy nhiên trong khoảng thời gian từ 12 đến

18 giờ thì tốc độ toả nhiệt tăng trở lại.Mindess [9] nghiên cứu về ảnh hưởng của tỉ lệ N/X đến tốc độ phát nhiệt củaxi măng, kết quả ở Hình 2.7 cho thấy ở thời gian đầu từ 0-12 giờ tốc độ phátnhiệt gần như không có sự khác biệt Tuy nhiên sau 12h thì các mẫu có tỉ lệN/X lớn cho tốc độ phát nhiệt lớn Điều này cho thấy nhiệt lượng hydrat hóa

của xi măng chịu ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ Nước / xi măng (N/X).2.4 Mô hình nhiệt hydrat hóa.

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và lý thuyết, quá trình phát nhiệt của bêtông theo thời gian được biểu diễn bởi một phương trình, được gọi là mô hình

nhiệt hydrat hóa (Hydration Model) Nó được dùng làm cơ sở cho quá trình

cho các tính toán thiết kế công trình và mô phỏng bài toán truyền nhiệt trongkhối bê tông

T Kishi và K Maekawa [10] đưa ra mô hình mô tả quá trình phát nhiệt của

xi măng có kế đến các yếu tô ảnh hưởng như nhiệt độ ban dau, phụ gia, thành

phân khoáng, nông độ canxi hydroxit của xi măng như sau:

H,=y.B.Â.us.H,¡ Qyew|-A{ 7-1) (2.1)

Với: Q, = | Hi (2.2)

Trong đó: H là tốc độ phát nhiệt tại thời điểm t, FE la nănglượng hoạt độngcủa thành phan i, R là lượng không khí trong bê tong, 1 ¡là tốc độ phát nhiệttham chiếu của thành phan I ở nhiệt độ 7, và không đổi theo thời gian, Q., 7là hệ số ảnh hưởng của các thành phần khoáng và phụ gia đến tốc độ tỏanhiệt, uw, là ảnh hưởng của nông độ canxi hydroxit, Ø, là hệ số ảnh hưởng của

lượng nước đến tốc độ tỏa nhiệt Mô hình Kishi- Maekawa có ưu điểm xétđược một cách tổng quát ảnh hưởng của các yếu tổ chính đến tốc độ phát nhiệtcủa xi măng Tuy nhiên mô hình này rất khó áp dụng trong thực hành thiết kếbởi một số thông số không thể xác định một cách tường minh.

Schindler [11] đề nghị một mô hình phát nhiệt, theo đó tốc độ phát nhiệtO, (1) chịu ảnh hưởng của các yếu tố như như mức độ hydrat hóa, lượng ximăng trong bê tông Quá trình phát nhiệt được thé hiện ở phương trình (2.3)

8

_ T 8 E l l

O,, (9=8,c | HH (2.3)

Trong đó: H, là nhiệt lượng tổng của xi măng, a(t,) là mức do hydrat hóa tại

độ tuổi ¢,, ø là chỉ số biến đổi của quá trình hydrat hóa, t là thông số hydrathóa theo biến đổi theo thời gian, C, là lượng xi măng trong bê tông

Bên cạnh các mô hình nhiệt được đề nghị bởi các tác giả khác nhau, một sốquốc gia đã đưa vảo tiêu chuẩn mô hình nhiệt dựa trên các kết quả tổng hợp từnhiều nghiên cứu khác nhau CEB -FIP MODEL CODE 2010 (MC 2010)[12] đề nghị mô hình với nguồn nhiệt do một đơn vị thé tích sinh ra trong một

đơn vị thời gian được tính như sau:

1

=—pCKgøe “1 2.4g=54P (2.4)Trong do: K—Nhiét độ lớn nhất có thé dat tới °C)

œ - hệ số tốc độ phản ứng

t— thời gian (ngày)

Quy trình Nhật Ban [2] đề nghị nguồn nhiệt do một don vi thé tích sinh ra

trong một đơn vi thời gian được như ở phương trình (2.5) :

Q(t)=Q,[I-exp (—ru (t =tọo l (2.5)

Trong đó: Q, - Nhiệt độ lớn nhất có thé đạt tới CC)

Q(t) - Nhiệt độ ở ngày t CC)

t— thời gian (ngày)

Tat, Sat — hề số đặc trưng cho tốc độ tăng nhiỆt.Ưu điểm của các mô hình nguồn phát nhiệt theo tiêu chuẩn là khá đơn giản và dễáp dụng trong thực hành tính toán Tuy nhiên một số trường hợp nó có thể cho kếtquả ‘thién về an toàn ` hơn so với các phương pháp khác

2.5 Phương pháp số cho bài toán cơ nhiệt.Bài toán cơ nhiệt cho kết cấu bê tông khối lớn là một quá trình đa vật lý kếthợp của các hiện tượng nhiệt độ nóng lên/giảm xuống và biến dạng hình họcxảy ra đồng thời trong khối bê tông Hai quá trình vật lý trên có thể được táchthành hai quá trình riêng lẻ bao gồm truyén nhiệt và biến dạng cơ học Mỗiquá trình được biểu diễn bởi một phương trình vi phân đạo hàm riêng và

chúng có quan hệ phụ thuộc với nhau Bài toán phân tích cả hai quá trình trên

được gọi là bài toán cơ nhiệt kết hợp (Thermal — Mechanical couple problem),và chúng thường được giải bằng phương pháp phan tử hữu hạn (PP PTHH).Viện bê tông Nhật bản đã sử dụng PP PTHH để mô phỏng quá trình cơ — nhiệtcủa hang nghìn loại kết cấu khác nhau, và kết hợp kết qua tính toán với sốliệu đo đạc ngoài thực tế để xây dựng quy trình kiểm soát vết nứt của bê tôngkhối lớn [2] Soo Geun Kim [13] đã dùng phương pháp phan tử hữu hạn vớiphần mém ANSYS để phân tích ứng suất nhiệt trong đập thuỷ điện bê tôngkhối lớn bang nguồn nhiệt do được từ thí nghiệm hydrat hóa của vữa xi măng.Hai tác giả B.Đ.Vinh và N.V.Chánh [14] đã dùng PP PTHH với phần mềmMIDAS, kết hợp với mô hình nguồn nhiệt theo MC78 dé phân tích ứng suấtnhiệt hydrat hóa và ứng suất trong một số cấu trúc bê tông dạng cột trụ vàmóng, dạng tam bản Kết qua đã cho thay được sự phân bố ứng suất nhiệt

trong một sô các kêt câu điên hình có dạng khôi lớn và bản mỏng S.

Radovanovie [15] dùng PP PTHH để phân tích ứng suất nhiệt của đập LongSpruce, E.S.Shatnawi [16] sử dụng 2 phần mềm ANSYS VÀ COSMOS đểphân tích sư phân bố nhiệt, ứng suất nhiệt trong các dap sử dụng bê tông đầmlăn, và so sánh kết quả có được của 2 phần mén cho thấy là khá giống nhau.Hỗ Ngọc Khoa, Vũ Chí Công [17] dùng phan mém MIDAS để phân tích ứng

suất nhiệt của đài móng va kết hợp đo nhiệt thực tế Kết quả cho thấy CÓ SỰ

phù hợp giữa kết quả tính toán và kết quả đo được.2.6 Kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn

Nhiệt hydrat hóa là luôn hiện diện ở bất kỳ kết cấu bê tông nào, tuy nhiên đốivới các kết cầu có kích thước nhỏ thì ảnh hưởng của nhiết hydrat hóa có thébỏ qua Nhưng khi kết cau có kích thước lớn thì ảnh hưởng của nhiết hydrathóa là đáng dé quan tâm Theo TCXDVN 305: 2004 [18] thì kết cấu bê tôngkhối lớn là kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2 m có thểđược xem là khối lớn Tuy nhiên định nghĩa về bê tông khối lớn tổng quátnhất là [19]:

“Kết cấu bê tông được coi là khối lớn khi có kích thước đủ lớn để cần phải cóbiện pháp dé phòng ngừa và hạn chế vết nứt do nhiệt hydrat hóa.”

Dé kiểm soát vết nứt do ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn thì có nhiều yêu

câu đôi với việc thi công như sau:

Về vật liệu: sử dụng loại xi măng có lượng nhiệt hydrat hóa thấp (không quá

70cal/g), nên sử dụng Xi măng Pooclăng - puzzolan có hàm lượng puzzolan

từ 15% đến 40% khối lượng, hoặc xi măng poolăng - xỉ có hàm lượng xỉ lòcao 20% + 70% khối lượng Cát sử dụng cho bê tông có độ lớn không dưới2.2, đá có Dmax không nhỏ hơn 10mm và không quá 150mm, chiều cao mỗiđợt đồ là không quá 1.5m [18]

Tiêu chuẩn việt nam và các nước khác đều khống chế chênh nhiệt độ ở cácvùng khác nhau của khối đồ là 35 °F (khoảng 20°C) [19] Ngoài ra Tiêuchuẩn Việt nam [18] còn quy định thêm về mô đun độ chênh nhiệt độ gitra cácđiểm trong khối bê tông phải nhỏ hơn 50°C /m.

Dé giảm thiểu nguy cơ bị nứt do nhiệt một số biện pháp kỹ thuật thường hay

được sử dụng như sau:

Hạn ché tốc độ phát nhiệt hydrat hóa của xi măng trong bê tông [18]:" Han chế nhiệt hydrat hóa trong bê tông bang cách dùng xi măng tỏanhiệt thấp (low heat cement)

7 Giảm nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông bằng cách hạ nhiệt độ cốtliệu, làm lạnh cát bằng nước lạnh, nhúng đá dăm sỏi vào nước lạnh, phunnước lạnh lên cốt liệu, làm lạnh chân không

7 Ha thap nhiệt độ nước trộn bê tong bằng nước đá hoặc làm lạnh nướcbằng nitrogen lỏng Đây là biện pháp thường hay được sử dụng nhất

Biện pháp hạn chế độ chênh nhiệt độ khối bê tông [19]:" Dua nhiệt trong khối bê tông ra ngoài bang dan ống thoát nhiệt." Bọc vật liệu cách nhiệt dé giữ nhiệt khối đồ

" Chia nhỏ khối đồ dé thi công Chống xung nhiệt khi tháo dỡ cốp pha." Chống mat nhiệt nhanh ở các go cạnh và góc kết cau

2.7 Phương pháp đánh giá khả năng bị nứt do nhiệt

Các biện pháp thực hành dé làm giảm ứng suất nhiệt được nêu trên chỉ dé cậpmặt định tính vẫn chưa được đề cập đến một cách định lượng đánh giá khảnăng xuất hiện vết nứt trong khối bê tông Bang việc tong hợp các kết quảthực nghiệm, mô phỏng và quan trắc thực tế Quy trình Nhật Bán [2] đã đề

nghị chỉ số chỉ số nứt lụ ở dang phương trình hồi quy cho một số dạng kết cau như

Đôi với két câu dạng dạng tâm, đôi với loại bê tông su dung xi mang co toc

độ tỏa nhiệt trung bình thì chỉ số nứt được tính theo công thức (2.7)

với khả năng chịu lực của vật liệu Từ đó mới xác định khả năng bị nứt của

kết câu, cách đánh giá này sẽ được trình bay chỉ tiết trong chương 3

CHƯƠNG 3

NHIỆT HYDRAT HÓA VÀ CƠ CHE HÌNH THÀNH

VET NUT TRONG KET CAU BE TONG

3.1 Qua trình nhiệt hydrat hóa trong bê tông.

Trong quá trình đóng rắn xi măng, phản ứng hydrat hóa của các thành phần

khoáng trong xi măng sẽ tỏa nhiệt, (hay còn được gọi là nhiệt hydrat hóa).Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hydrat hóa của xi măng sẽ làm cho nhiệt

độ trong khối bê tông tăng cao dẫn đến các thúc đây các quá trình co ngót và

giãn nở nhiệt [20].

Quá trình hydrat hóa cua xi măng được mô tả bởi chuỗi các phản ứng sau[21]:

2C38 + 6H;O — C;S;H; + 3Ca(OH); (3.1)2C;S + 4H;O > C;SzH; + Ca(OH), (3.2)C3A + 6H,O > 3C;AH, (3.3)C3A + CaSO4.2H,O > 3Ca0.Al03.3CaSO4.31H,0 (3.4)C,AF + CaSOy.2H,0 + CaOH);— 3CaO(Al,03,Fe,03).3CaSO, (3.5)

Nhiệt lượng tỏa ra trong qua trình hydrat hóa phụ thuộc vào các thành phankhoáng trong xi măng Các khoáng chủ yếu và lượng nhiệt phát sinh củachúng trong quá trình thuỷ hoá được thể hiện trong bảng 3.1 [21]

Các loại xi măng có tỉ lệ thành phần khoáng khác nhau thì nhiệt lượnghydrat hóa của chúng cũng sẽ khác nhau Ngoài ra các yếu tố liên quan đếntoa nhiệt trong bê tông như nhiệt lượng, nhiệt độ, gradient nhiệt, tốc độ tỏanhiệt trong bê tông còn phụ thuộc vào nhiều thành phần khác như:

- Cốt liệu: có nhiệt dung riêng, khối lượng thể tích khác nhau cho nêncũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của khối bêtông

- Lượng nước sử dung: ty lệ nước/ xi măng (N/X) sé ảnh hưởng đếntốc độ phản ứng hydrat hóa của xi măng, tốc độ phản ứng hydrat hóa sẽ giảm9% khi lượng N/X giảm từ 0.36 đến 0.27 [22]

- Phụ gia: làm thay đối tốc độ phản ứng hydrat hóa nên sé ảnh hưởngđến tốc độ sinh nhiệt trong bê tông

- Puzzolanic: Các loại tro bay và silicafume thường được dụng như

thành phan thay thế điều này sẽ làm giảm lượng xi măng sử dung Cho nêntong lượng nhiệt tỏa ra trong 1m” bê tông cũng giảm theo [22]

Bang 3.1 Nhiệt lượng dong gop của các khoảng trong xi măng khi hydrat hóa

Thành phân khoảng Tỉ lệ trong Nhiệt lượng Nhiệt lượng

hôn hợp XM riêng đóng góp(%) (cal/g) (cal/g)C3S (3Ca0 SiO, : Alit) 55 120 66.0CS (2Ca0 S10, :Belit) 15 62 9.3

A AL,O.:

CsA(3Ca0 Al,O; 10 207 20.7

Tricanxi Aluminat)

4 ALO Fe,O,:CAAF(CáCaO, AIO) Fe,O, § 100 8.0

Alumoferit CanxI)

Như đã dé cập ở trên, bên cạnh xi măng còn có nhiều yếu tố khác cũngcó ảnh hưởng đáng kể đến sự tỏa nhiệt của khối bê tông Do vậy, mỗi côngtrình hay kết cấu cụ thé có các thiết kế thành phan cấp phối bê tông khác nhauthì các đặc trưng liên quan đến nhiệt cũng sẽ khác nhau Khảo sát các thôngsố về nhiệt trực tiếp trên khối bê tông cụ thể sẽ cho kết quả phản ánh gầnđúng thực tế nhất

3.2 Mô hình nhiệt hydrat hóa

Dé có thé mô phỏng được quá trình co nhiệt thi cần phải mô ta được quá trìnhphát nhiệt trong bê tông theo thời gian, có hai hướng chính để có được môhình nhiệt hydrat hóa bao gồm:

Dạng thứ nhất: Dựa trên các mô hình tiêu chuẩn, tiêu biểu là MC90 [12] và

Quy trình Nhat Ban [2] với công thức 2.4 va 2.5 đã được trình bay trongchương 2.

Dạng thứ hai: là thí nghiệm xác định nhiệt lượng toả băng thí nghiệm môhình trên khối bê tông Theo đó phải tiến hanh đo nhiệt độ trên khối bê tônghoặc vữa xi măng với cấp phối đã được định trước để xác định quá trình sinhnhiệt, từ kết quả có được lập nên mô hình nhiệt hydrat hóa

Nhận xét: trong hai hướng tiếp cận ở trên thì dang 1 dễ thực hiện vì có nhiềutiêu chuẩn cung cấp các mô hình nhiệt hydrat hoá Tuy nhiên khi áp dụng cụthể trong điều kiện Việt Nam thì chưa chắc phù hợp do sự khác biệt về: loại ximăng, loại cốt liệu, thành phan cét liéu, loai phu gia, điều kiện môi trườngxung quanh Đối với dạng thứ hai thì khó thực hiện hơn vì phải tiến hành cácthí nghiệm phức tạp để xây dựng mô hình nhiệt hydrat hóa nhưng có thể ápdụng trong điều kiện Việt Nam cho từng trường hợp cụ thể

3.3 Ứng suất nhiệt và cơ chế hình thành vết nứt nhiệt trong bê tông3.3.1 Ứng suất nhiệt

Nhiệt phát sinh trong quá trình hydrat hóa sẽ làm cho khối bê tông bị biếndạng nhiệt và sinh ra ứng suất Theo S.W.Cha [23] ứng suất nhiệt được phân

thành 2 dạng như sau:

e Dang thứ nhất là do sự can trở biến dạng nhiệt nội tại của khối bêtong(Internal Restraint) Thông thường, nhiệt độ bên trong khối bê tôngsẽ cao hơn nhiệt độ trên bề mặt khối do có sự trao đổi nhiệt với môitrường, dẫn đến vùng bên trong khối sẽ có sự giãn nở nhiệt lớn hơn cácvùng phía ngoài Sự giãn nở nhiệt không đều của các vùng sẽ làm chochúng tự chèn ép lên nhau và phát sinh ứng suất Hình 3.1 [23] cho thấyvùng bên trong khối bê tông có nhiệt độ cao nên giãn nở lớn hơn, biến

dang nay bi cản trở bởi vùng bên ngoài có sự giãn nở nhiệt nhỏ hơn do

nhiệt độ thấp hơn bên trong Vì vậy vùng bên trong phát sinh ứng suấtnén o, còn vùng bên ngoai phát sinh ứng suất kéo ơ;.

Dạng thứ hai là do sự cản trở biến dạng nhiệt từ bên ngoài (ExternalRestraint) từ các cau kiện liền kề hay nền đất đá tiếp xúc với bê tông.Hình 3.2 [23] cho thấy trong giai đoạn đầu khi nhiệt độ tăng khối bêtông nở ra và bị nên đất đá bên dưới cản trở khiến cho phát sinh ứngsuất nén o, Giai đoạn này mô dun đàn hồi của khối bê tông còn nhỏđồng thời lực liên kết với nền đất đá bên dưới còn ít nên ứng suất nén

o, sinh ra nhỏ Vào giai đoạn sau, khi nhiệt độ hạ xuống, khối bê tông

co lại va gặp sự can trở của nền đất đá phía dưới làm cho bê tông phátsinh ứng suất kéo o, Lúc này mô đun đàn hồi và lực liên kết với nêndat đá của bê tông đã tăng đáng kể nên ứng suất kéo ơ,ở giai đoạn nàylớn hơn ứng suất nén o, trước đó (o, > ơ,) Do đó khối bê tông lúcnày bị kéo tại vùng tiếp giáp với nên đất đá

Cracking inducedbythis temp crature difference

CONCRETE

Tension

Hình 3.1 Cơ chế phát sinh ứng suất, và vết nứt do sự trênh lệch nhiệt độ

giữa các vùng của kết cấu bê tông [23]

Tem perature ị

—

Ages

Hình 3.2 Cơ chế phat sinh ứng suất do sự can tro

biến dạng nhiệt từ bên ngoài [23]

Kêt câu bê tông có thê chịu một hoặc cả hai dạng ứng suât này, như vậy ở giaiđoạn đâu (non tuôi) ứng suât nhiệt đóng vai trò chính trong các nguyên nhan

tạo ra các vết nứt trong bê tông.3.3.2 Cơ chế hình thành vết nứt trong bê tôngThông thường bê tông bị nứt khi ứng suất vượt quá giới hạn chịu kéo của bêtông Tuy việc xác định khả năng chịu kéo trực tiếp rất phức tạp và khó ápdụng trong thực tế, vì vậy các quy phạm thường sử dụng cường độ ép bửa(R„) (ASTM C496 [24] TCVN 3120:1993 [25]) để đánh giá Từ kết quả củathí nghiệm ép bửa có thé tính toán được cường độ chịu kéo (Ry) của bê tôngmột cách gián tiếp Như vay, rõ ràng là có một mối quan hệ giữa R, và ứngsuất kéo trong bê tông o, đến kha năng bị nứt của bê tông Nếu chỉ số R,,/o,

càng lớn thì khả năng bị nứt càng nhỏ, và ngược lại thì khả năng bị nứt của bêtông là càng lớn.

Quy trinh Nhật Ban [2] đưa một khái niệm là chỉ số nứt !_ được định nghĩa

ơ(,) là ứng suất kéo của bê tông tại thời điểm tính toán.Dựa trên chỉ số J, có thé đánh giả khả năng bi nứt của bê tông theo quy luậtxác suất băng chỉ số P, được tính theo công thức (3.7) và Hình 3.3 như sau:

PU.) = c exp Lss | i 100 (3.7)

100 ——90

80706050403020

Xác xuất nứt do nhiệt P(7 „) (%) 100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Chỉ số nứt nhiệt J,

Hình 3.3 Tương quan chỉ số nứt nhiệt và xác suất nứt nhiệt.Hình 3.3 cho thấy xác xuất xuất hiện vết nứt nứt là 50% khi ứng suất kéo tínhtoán bằng cường độ ép bửa (I,, = 1), khi cường độ chịu kéo lớn gấp đôi ứngsuất kéo (I„¿ = 2) thì xác xuất nứt là 3.5% Như vậy kết cấu bê tông khối lớn

luôn có khả năng bị nứt Theo quy trình Nhật Bản thì trong trường hợp tính

toán để kết cấu không xảy ra vết nứt thì chấp nhận xác xuất nứt là 5%, điềunày tương ứng với cường độ chịu kéo lớn hơn ứng suất gây kéo là 1.85 lần (I„ >1.85) Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp chỉ số xác suất déđánh giá khả năng bị nứt của bê tông thông qua kết quả mô phỏng bằng

Trong đó:

2,25), 2(4, 2), 2(4 2), 9 pc (38)

Ox, * ax) Oy\ * Oy) az\ “ê Ot

g - Nhiệt sinh ra của một đơn vi thể tích [W/mÏ]

oT — gia tăng nhiệt độ trong khoảng thời gian dt [°C]

p - Khối lượng riêng của vật liệu [kg/m*]

C — nhiệt dung riêng cua vật liệu [cal/g °C]

k,, ky, k,: hệ số dẫn nhiệt theo mỗi hướng x,y,z [cal/s em °C]Diéu kién bién va diéu kién ban dau

Dat T(x, y,z,t)=T, cho r>0 trên mặt S, (3.9)

T, - nhiệt độ bão hoà (môi trường xung quanh) [°C]

I, m, n — cosin chỉ hướng của các vùng mặt S; trên biên

S¡, So, S; — biên nhiệt độ đã biết, biên truyền nhiệt và biên đối lưuĐề có thể áp dụng giải bai toán truyền nhiệt bang PP PTTH, phương trình (3.8) phải

biên đôi đưa về dang xâp xi.

3.5 Công thức phần tử hữu hạn cho quá trình truyền nhiệt

T(.y.z,Ð)7 =Š`N,(œx.y.z)f;0) =[N]{7) (3.12)

i=l

Áp dụng tiêu chuẩn Galekin, cho phương trình (3.12) và thực hiện các phép

biên đôi ta có:

ô(, aT) ô(, aT) ô(, aT

jv) 2 l4 a) ral a) ae Sam: ]“ININ,14

T(t) =T,(t)N, +T,(t)N, cho mỗi phân tử, với N, = ¬ và N, ve Cuôi cùng cho

mỗi bước thời gian (Af) phương trình (3.12) được viết lại ở dạng sau:

[c] aus [cl [4] _

AED tein [Ein i Ga

Trén day la "hương trình truyền nhiệt để áp dụng cho phương pháp tính phân tử hữu

hạn đây là bước dau tiên của quá trình phân tích bài toán Nhiệt — Cơ Bước tiếptheo là bài toán phân tích ứng suất

3.6 Bài toán phân tích ứng suất (bài toán co)Trong trường hợp vật liệu đàn hồi đăng hướng 3 chiều thì quan hệ ứng suất và biếndạng được biểu diễn bởi định luật Hook thể hiện ở phương trình (3.16) như sau [26]

[27] [28]:

Trong đó:

[C] là ma trận đàn hồi được viết như sau:

1 -v -v 0_y 1 -v 0[c|=+ _y -v ] 0

E0 0 0 2(I+r)0 0 0 00.0 0 0

.=1” >=[Clo+e, =|C]:

&

Ex ExEy Ey

đ„ đ„¬ AM" (3.16)

Ey, Ey,

on 7.

0 0 |0 0

0 0

0 0 (3.17)

21+v) 00 2(1+v)|

Dat ¢,la vector biên dạng, E là mô dun dan hoi, v là hệ sô poission Trong trường

hợp vat liệu đăng hướng về nhiệt thì vector biến dạng được viết như sau:

éxXoEy =1 >= als