Nghiêng cứu lựa chọn tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na trên cơ sở phân tích nhiệt trong thân đậ

Vì vậy việc khống chế tốc độ thi công, nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu từ đó kiểm soát ứng suất nhiệt hạn chế xuất hiện vết nứt đặt biệt với các vết nứt xuyên trong kết cấu, so sánh bà

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Nghiêng cứu lựa chọn tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn

hợp bê tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na trên cơ sở phân tích nhiệt trong thân đập” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của

bản thân, tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè

và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: GS.TS Vũ Thanh Te đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè

Hà Nội, ngày 21 tháng 08 năm 2014

Tác giả luận văn

Hoàng Văn Anh

L ỜI CAM KẾT

Tên tôi là: Hoàng Văn Anh

Học viên lớp: 19C21

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Hoàng Văn Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: 1

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 1

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỌNG LỰC VÀ 3

DIỄN BIẾN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 3

BÊ TÔNG KHỐI LỚN 3

1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới và Việt nam 3

1.1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình xây dựng đập trọng lực ở Việt nam 6

1.2 Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực 10

1.2.1 Định nghĩa 10

1.2.2 Đặc tính của bê tông khối lớn 10

1.2.3 Vật liệu dùng cho bê tông khối lớn 11

1.2.4 Tính chất của bê tông khối lớn 12

1.3 Quá trình diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn 14

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn 14

1.3.2 Nhiệt thủy hóa của xi măng 14

1.4 Một số công trình đập bê tông trọng lực bị nứt do nhiệt 20

1.5 Kết luận chương I 24

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DIỄN BIẾN NHIỆT VÀ TRƯỜNG ỨNG SUẤT NHIỆT, LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 25

2.1 Cơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt 25

2.1.1 Dẫn nhiệt 25

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 31

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 32

2.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt 33

2.2.1 Các phương pháp giải bài toán nhiệt 33

2.2.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt 36

2.3 Nội dung phương pháp PTHH giải bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn 37

2.3.1 Các giả thiết 37

2.3.2 Xác định trường nhiệt độ 38

2.3.3 Sử dụng mô hình toán trong tính toán trường nhiệt độ 40

2.5 Kết luận chương II 48

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ TRƯỜNG ỨNG SUẤT TỪ ĐÓ XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ THI CÔNG, NHIỆT ĐỘ HỖN HỢP BÊ TÔNG BAN ĐẦU HỢP LÝ CHO ĐẬP THỦY ĐIỆN HỦA NA 49

3.1 Giới thiệu chung công trình thuỷ điện Hủa Na 49

3.1.1 Vị trí công trình 49

3.1.2 Nhiệm vụ của công trình 49

3.1.3 Quy mô công trình 50

3.1.4 Đặc điểm kết cấu các hạng mục chính của công trình 51

3.2 Tính toán phát triển trường nhiệt độ và trường ứng suất trong thân đập Hủa Na 53

3.2.1 Tài liệu tính toán 53

3.3 Lựa chọn nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông và tốc độ thi công hợp lý cho đập Hủa Na trên cơ sở kết quả phân tích nhiệt 91

3.4 Kết luận Chương III 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

1 Kết luận 94

2 Kiến nghị 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

Mục lục hình ảnh

Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 5

Hình 1.2: Đập bê tông trọng lực (CVC) - Hồ chứa nước Tân Giang 8

Hình 1.3: Đập Bê tông đầm lăn (RCC) - Sơn La 9

Hình 1.3: Đập Bê tông (CVC) cao nhất thế giới (285m) Grande Dixence – Thuỵ sỹ 9 Hình 1.4: Tỏa nhiệt xi măng theo thời gian 15

Hình 1.5: Quá trình thay đổi nhiệt độ trong bê tông khối lớn 17

Hình 1.6: Phân bố ứng suất nhiệt tại bề mặt 19

Hình 1.7: Phân bố ứng suất ở đáy khối bê tông 20

Hình 1.8: Nứt bề mặt và nứt xuyên ở đập bê tông 20

Hình 1.9: Sơ đồ vết nứt đập Sơn La 21

Hình 1.10: Thấm nước qua mái hạ lưu đập Sông Tranh 2 22

Hình 1.11: – Sơ đồ vết nứt đập Liễu Khê - Trung Quốc 23

Hình 1.12: Thấm nước qua vết nứt đập RCC Upper Stillwater, Utah, Hòa Kỳ 24

Hình 2.1: (a) Mặt đẳng nhiệt, (b) GradT và mật độ dòng nhiệt q 26

Hình 2.2: Các phương pháp giải bài toán nhiệt 33

Hình 2-3: Phần tử tam giác 38

Hình 2-4: Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tam giác 44

Hình 3.1: Mặt bằng công trình 54

Hình 3.2: Đường cong nhiệt thủy hoá của chất kết dính 56

Hình 3.3: Đường cong phát triển độ bền nén 57

Hình 3.4: Đường cong phát triển cường độ chịu kéo 57

Hình 3.5: Sơ đồ thi công lên đập dâng khối H 63

Hình 3.6: Sơ đồ lựa chọn mặt cắt tính toán 64

Hình 3.7: Mặt cắt tính toán 64

Hình 3.8 : Mô hình tính toán 65

Hình 3.9 : Sơ đồ lưới phần tử 65

Hình 3.10 : Sự trao đổi nhiệt của thân đập với môi trường bên ngoài 66

Hình 3-11:PA1 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 67Hình 3-12: PA1 - Tmax= 49.65oC sau 5199h (hơn 216 ngày)–Thi công đập đếncao

độ 194.50m 68Hình 3-13: PA1 - Ứng suất max sau 10248 h (427 ngày) –Thi công đập đến cao độ 227.50m 69Hình 3-14:PA1- Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 70Hình 3-15:PA2 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 72Hình 3-16: PA2 - Tmax= 44.4oC sau 5202h (217 ngày) – Thi công đập đến cao độ 194.50m 73Hình 3-17: PA2 - Ứng suất lớn nhất sau 11670h (486 ngày) – Thi công đập đến cao

độ 239.50m 74Hình 3-18: PA2 - Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 75Hình 3-19:PA3 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 77Hình 3-20: PA3 - Tmax= 46oC sau 5200h (216 ngày) – Thi công đập đến cao độ 194.50m 78Hình 3-21: PA3 - Ứng suất lớn nhất sau 10464h (436 ngày) – Thi công đập đến cao

độ 229.0m 79Hình 3-22: PA3 - Sau 12024h (501 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 80Hình 3-24: PA4 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 82Hình 3-25: PA4 - Tmax= 46.5oC sau 3810h (159 ngày) – Thi công đập đến cao độ 194.50m 83Hình 3-26: PA4 - Sau 9120h (380 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 84Hình 3-27: PA4 - Ứng suất lớn nhất sau 10302h (429 ngày) – Sau khi thi công xong đập 49 ngày 85Hình 3-28: PA5 - Biểu đồ nhiệt độ trung bình và ứng suất max trong thân đập 87Hình 3-29: PA5 - Tmax= 45.1oC sau 3808h (159 ngày) – Thi công đập đến cao độ 194.50m 88Hình 3-30: PA5 - Sau 9120h (380 ngày) – thi công xong đập tại cao độ 244.50 89Hình 3-31: PA5 - Ứng suất lớn nhất sau 11447h (478 ngày) – Sau khi thi công xong đập 97 ngày 90

Mục lục bảng biểu

Bảng 1.1 Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới 5

Bảng 1.2 Danh sách một số đập BTĐL lớn ở Việt Nam đến năm 2013 7

Bảng 1.3 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng 15

Bảng 1.4 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian 16

Bảng 3.1: Bảng thông số chính công trình 50

Bảng 3.2: Nhiệt độ không khí trung bình tại tuyến công trình 53

Bảng 3.3: Vận tốc gió trung bình năm tại tuyến công trình 53

Bảng 3.4: Độ ẩm trung bình tại Bái Thượng 54

Bảng 3.5: Trực xạ mặt trời tại khu vực công trình 55

Bảng 3.6: Nhiệt thủy hoá của chất kết dính 55

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén CVC 56

Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo CVC 57

Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của CVC 58

Bảng 3.10: Dữ liệu mô đun đàn hồi của bê tông (GPa) 58

Bảng 3.11: Kết quả tính toán nhiệt độ môi trường tính toán cho các bề mặt khối đập CVC và không khí 60

Bảng 3.12: Nhiệt độ hỗ hợp bê tông trước khi đổ trong các tháng ( trong điều kiện bình thường, cốt liệu chưa được xử lý) 62

Bảng 3.13: PA1-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 71

Bảng 3.14: PA2-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 76

Bảng 3.15:PA3-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 80 Bảng 3.16: PA4-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 86

Bảng 3.17: PA5-Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập 91

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện tại với sự phát triển mạnh mẽ của các công trình bê tông khối lớn đặc biệt

là các đập bê tông trong các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện Vấn đề phát sinh nứt trong các kết cấu đang diễn ra khá phổ biến, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của công trình nhất là đối với các công trình dâng nước Các biện pháp xử lý khi xảy ra nứt thường phức tạp tốn kém, gây chậm tiến độ các công trình Ngoài các nguyên nhân khách quan như lún không đều, tính kiềm trong cốt liệu đá, sỏi và sự biến

dạng của ván khuôn, chất tải thì một nguyên nhân quan trọng và chủ yếu gây ra nứt

là phát sinh ứng suất nhiệt gây nứt trong bê tông Vì vậy việc khống chế tốc độ thi

công, nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu từ đó kiểm soát ứng suất nhiệt hạn chế

xuất hiện vết nứt đặt biệt với các vết nứt xuyên trong kết cấu, so sánh bài toán nâng cao tốc độ thi công đập sớm đưa công trình vào khai thác mang lại hiệu ích kinh tế và chi phí đầu tư các biện pháp kiểm soát nhiệt trong quá trình thi công có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thực tế, để chủ động thực hiện các điều kiện kỹ thuật là cần thiết cho công tác thiết kế và thi công xây dựng đập nhằm đảm bảo chất lượng và kinh tế nhất

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI:

1 Tính toán phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong thân đập CVC

2 Đề xuất giải pháp khống chế nhiệt trong quá trình thi công

3 Trên cơ sở đó lựa chọn được tốc độ thi công và khống chế nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu hợp lý khi thi công đập bê tông CVC Hủa Na

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Về cách tiếp cận:

1 Tiếp cận từ các số liệu thực tế các công trình đã xây dựng như: đập thủy điện Tuyên Quang, đập thủy điện A Lưới, đập thủy lợi Tân Giang, đập thủy điện Đambri

2 Tiếp cận từ lý thuyết phân tích nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập bê tông

Về phương pháp nghiên cứu:

1 Áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu thu thập

2 Nghiên cứu lý thuyết nhiệt và ứng suất nhiệt

3 Sử dụng mô hình toán để tính toán bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:

1 Tổng quan được các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông CVC

2 Giải quyết được bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt cho đập Hủa Na theo tiến

độ thi công khác nhau

3 Xác định được tốc độ thi công, nhiệt độ hỗn hợp bê tông ban đầu hợp lý của đập Hủa Na để đảm bảo không bị nứt vì nhiệt

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỌNG LỰC VÀ

DIỄN BIẾN NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG

BÊ TÔNG KHỐI LỚN 1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới và Việt nam

1 1.1 Tình hình xây dựng đập trọng lực trên thế giới

Nguồn nước trong lục địa đóng vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống và hoạt động của con người Lượng dòng chảy bình quân hàng năm trên trái đất khoảng 40.000 km3, trong đó châu Á chiếm khoảng 13% Lượng nước tuy dồi dào song lại phân bố không đều theo thời gian và không gian Vì vậy, để khai thác có hiệu quả nguồn nước trên, các công trình thủy lợi bắt đầu được xây dựng

Cách đây khoảng 4000 năm ở Ai Cập, Trung Quốc đã bắt đầu xuất hiện những công trình thủy lợi (đập, kênh mương và các công trình đơn giản khác ) Đập đầu tiên được xây dựng ở trên sông Nile cao 15m, dài 450m có cốt là đá đổ và đất sét Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD) tính đến năm 2000 trên

toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có chiều cao H=10÷15m và có chiều dài L≥500m, Qxả lũ≥2.000 m3/s; hồ có dung tích

W≥1.000.000m3 nước được xếp vào loại đập cao Số lượng hơn 45.000 đập phân

bố không đều trên các châu lục

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập chiếm 48% số đập trên thế giới Đứng thứ hai là Mỹ với 6.575 đập, thứ ba là Ấn Độ với 4.291 đập Tiếp đến là Nhật Bản có 2.675, Tây Ban Nha có 1.196 đập Việt

Nam có 460 đập đứng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập lớn

Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều, thống kế xây dựng đập

từ năm 1900 đến năm 2000 thấy rằng thời kỳ xây dựng nhiều nhất là vào những năm 1950, đỉnh cao là năm 1970

Theo thống kê đập ở 44 nước của ICOLD - 1997, số đập cao 15÷30m chiếm khoảng 56,2%, cao từ 30÷150m chiếm khoảng 23,8% và trên 150m chỉ chiếm có 0,1%

Các thống kê về thể loại của đập ICOLD - 1986 cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%, đập bê tông trọng lực chiếm 12%, đập vòm chiếm 4% Trong

số các đập có chiều cao lớn hơn 100m thì tình hình lại khác: đập đất chỉ chiếm 30%, đập bê tông chiếm 38%, đập vòm chiếm 21,5% Điều đó cho thấy, đập bê tông trọng lực chỉ chiếm ưu thế và sử dụng rộng rãi khi kích thước của đập lớn

Từ những năm 1960 trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý luận tính toán ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao

Thập kỷ 30÷40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập B và chiều cao đập H bằng khoảng 0,9 Thập kỷ 50÷60 tỷ số B/H=0,8 Thập kỷ 70 B/H=0,7 Từ thập kỷ

30÷70 thể tích đập giảm được (20÷30)%

Đã xuất hiện những đập rất cao như đập đá đổ Rogun ở Tadikistan cao 335m, đập bê tông trọng lực Gradi Dixen ở Thụy Điển cao 285m, đập vòm trọng lực SayanoShushensk ở Nga cao 245m Ở Việt Nam có đập Hòa Bình cao 120m là loại đập đá đổ lõi chống thấm bằng đất sét

Ưu điểm của đập bê tông trọng lực trong xây dựng:

- Khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ an toàn và tin cậy cao khi phân tích tính toán kết cấu

- Khi vật liệu địa phương không đảm bảo các yêu cầu về vật liệu đắp đập

- Thời gian thi công nhanh, khi thi công xong biến dạng không đáng kể, công việc duy tu, bảo dưỡng và quản lý dễ dàng

- Có thể xả lũ qua đập

Nhược điểm của đập bê tông trọng lực:

- Yêu cầu về vị trí đập, địa chất công trình là cao, nền phải là nền đá tốt

- Sử dụng nhiều thiết bị cơ giới hiện đại, giá thành cao hơn đập vật liệu địa phương

- Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như địa chất, nhiệt độ, biện pháp thi công nên dễ nứt nẻ

Theo chức năng đập bê tông trọng lực phân thành:

a Đập trọng lực không tràn :

Đập có chức năng chắn nước, không cho nước tràn qua

b Đập trọng lực tràn nước:

Đập có chức năng vừa chắn dâng nước, vừa cho nước tràn qua

Biểu đồ xây dựng đập trên toàn thế giới thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1: Bi ểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000)

Thống kê số lượng đập cao trên thế giới được trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng thống kê số lượng đập cao đã được xây dựng trên Thế giới

STT Nước Số lượng đập STT Nước Số lượng đập

1 Trung Quốc 22.000 16 Việt Nam 460

10 Pháp 569 25 Thụy Sĩ 156

15 Australia 486 30 Liên Bang Nga 96

* Số liệu lấy từ báo (Đập và an toàn đập) của tác giả Nguyễn Tiến Đạt

1.1.2 Tình hình xây dựng đập trọng lực ở Việt nam

Thời kì trước những năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập

bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến 10m, chưa có những đập lớn Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam tỉnh Phú Yên do đặc điểm thuỷ văn của sông Đà Rằng Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do các kỹ sư Pháp thực hiện Xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam

Giai đoạn từ 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một số đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước tươi, đập Đáy ở Hà Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình,…

Giai đoạn từ năm 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên việc đầu tư xây dựng các công trình thuỷ lợi lớn bị hạn chế Trong thời kỳ này chưa có đập bê tông trọng lực cao nhưng cũng đã xây dựng một số đập tràn thấp như đập thuỷ điện Thác

Bà, đập tràn thuỷ điện Cầm Sơn, Đa Nhim Kĩ thuật và công nghệ xây dựng ở phía bắc chủ yếu của Liên Xô (cũ) và của Trung Quốc, ở phía Nam là của Nhật

Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá nên các công trình thuỷ điện thuỷ lợi được xây dựng khắp cả nước và đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú Đầu mối các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện như: PleiKrông, Sê San 3 và Sê San 4, Bản

Vẽ, Thạch Nham, Tân Giang và đập tràn ở các đầu mối thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao từ 70 – 138m Việt Nam đã và đang sử dụng thành công kỹ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mô về cả chiều cao và khối lượng bê tông ngày càng một lớn hơn

Một trong những công nghệ mới xây dựng đập Việt Nam đang áp dụng thành công hiện nay là đập bê tông đầm lăn Việt Nam đến với công nghệ bê tông đầm lăn tương đối muộn so với một số nước trên thế giới, nhưng trước sự phát triển nhanh chóng của nó và đặc biệt là nước láng giềng Trung Quốc, nước có đặc điểm tự nhiên gần tương tự như Việt Nam, nên có rất nhiều dự án thuỷ lợi thuỷ điện lớn đã

và đang chuẩn bị được thi công với công nghệ này Tính đến năm 2013 nước ta có

số đập bê tông đầm lăn lên đến 24 đập Việt Nam trở thành nước xếp hàng thứ bẩy

về tốc độ phát triển bê tông đầm lăn

Bảng 1.2 Danh sách một số đập BTĐL lớn ở Việt Nam đến năm 2013

STT Tên công trình Chiều

12 Lai Châu 137 Lai Châu RCC

18 Tân Giang 37.5 Ninh thuận BT thường (CVC)

Hình 1.3: Đập Bê tông đầm lăn (RCC) - Sơn La

Hình 1.3: Đập Bê tông (CVC) cao nhất thế giới (285m) Grande Dixence – Thuỵ sỹ

1.2 Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực

1.2.1 Định nghĩa

Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R-90), bê tông khối lớn được định nghĩa là một thể tích có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với sự phát nhiệt do xi măng thuỷ hoá và kèm theo đó là sự biến đổi thể tích gây ra nứt nẻ

Khi xây dựng đập bê tông thường sử dụng 2 loại bê tông:

- Bê tông thường (Conventional Vibrated Concrete – CVC)

- Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete – RCC)

1.2.2 Đặc tính của bê tông khối lớn

Đặc tính của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt Phản ứng của xi măng với nước là phản ứng phát nhiệt Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, từ đó có thể phát sinh ứng suất kéo lớn do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm

nhiệt độ trong khối bê tông Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ thấp nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ công trình

Đối với công trình đập bê tông, để đồng thời đạt được chất lượng và giá thành thấp, thường phân ra 2 phần: Phần bên ngoài của đập chịu tác dụng trực tiếp của môi trường nước và phần bên trong của đập không tiếp xúc với môi trường Đối với phần bên ngoài của đập, yêu cầu chọn cốt liệu bê tông tốt, bê tông đặc chắc cường độ cao hơn, chống thấm tốt hơn để đảm bảo độ bền Còn bê tông bên trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là phát nhiệt tối thiểu khi bê tông đông cứng, vì sự phân bố nhiệt không đều trong

khối bê tông gây ra nứt do nhiệt Mác bê tông ở phần bên trong không yêu cầu cao, thường là 10 hoặc 15 MPa và độ chống thấm thấp B 2 hoặc B 4

1.2.3 Vật liệu dùng cho bê tông khối lớn

1.2.3.1 Xi m ăng

Trong bê tông đập trọng lực nên dùng xi măng ít toả nhiệt Để đảm bảo tính

ổn định của bê tông khối lớn cần chú ý chọn đúng các vật liệu thích hợp

Xi măng ít toả nhiệt phải có lượng nhiệt phát ra sau khi thuỷ hoá (xác định theo phương pháp termot) sau 3 ngày không lớn hơn 45-50 cal/g, sau 7 ngày không lớn hơn 50, 60 cal/g

Ở Việt nam đã ban hành tiêu chuẩn xi măng ít toả nhiệt qui định nhiệt thủy hoá sau 7 ngày không lớn hơn 60 cal/g, nhưng thực tế hầu như chưa sản xuất, nên trên thị trường xi măng ở nước ta không có mặt xi măng ít tỏa nhiệt, mà chỉ

có loại xi măng poóclăng hỗn hợp (PCB) pha khoảng 15 – 30% phụ gia khoáng

hoạt tính và phụ gia trơ

Xi măng PCB tuy có nhiệt thủy hoá thấp hơn xi măng poóclăng, nhưng chưa đạt được yêu cầu của xi măng ít tỏa nhiệt Tuy nhiên nếu tăng hàm lượng phụ gia khoáng đến mức độ yêu cầu, thì có thể đạt được mục đích đó

Trong bê tông khối lớn nói chung và bê tông đập nói riêng có thể pha puzơlan, xỉ hạt lò cao, tro bay , nhằm mục đích giảm thiểu lượng dùng xi măng,

do đó giảm nhiệt thuỷ hoá trong bê tông Các phụ gia đó được đưa trước vào xi

măng hoặc đưa vào bê tông khi trộn

Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng kèm thêm phụ gia hoá học như phụ gia hoá dẻo kéo dài thời gian đông kết, nhằm tăng độ lưu động, giảm

co và kéo dài thời gian đông kết khi vận chuyển bê tông đường dài hoặc khi trời nắng nóng về mùa hè và tăng độ bền mong muốn của bê tông Việc kéo dài thời gian đông kết cũng làm chậm sự phát nhiệt thủy hóa của xi măng

1.2.3.2 C ốt liệu

Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được qui định trong các tiêu chuẩn

Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn của Mỹ được qui định trong ACI 207.1R-87 Do kích thước kết cấu lớn, nên có thể dùng kích thước danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu (Dmax) tới 150 mm để giảm hàm lượng chất kết dính trong bê tông, từ đó giảm phát nhiệt

1.2.3.3 Nước trộn bê tông

Nước trộn bê tông được qui định theo TCVN 4506 : 2012

1.2.3.4 Ph ụ gia

- Phụ gia khoáng hoạt tính

Sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính để thay thế một phần xi măng nhằm giảm nhiệt thủy hóa (nguyên nhân tăng nhiệt độ trong bê tông tạo nên ứng suất nhiệt gây nứt nẻ trong bê tông khối lớn) Có nhiều loại phụ gia khoáng hoạt tính

như tro bay, puzơlan, xỉ lò cao …

Phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan là vật liệu silicat hoặc alumo-silicat mà bản thân nó có ít hoặc không có khả năng đóng rắn nhưng khi có độ ẩm nó có thể phản ứng với canxi-hydroxit để có thể đóng rắn

- Phụ gia hóa học

Nhóm phụ gia hoá học có tác dụng giảm nước trong hỗn hợp vữa tông, khống chế tốc độ đóng rắn và tăng cường độ bê tông

- Phụ gia cuốn khí

Phụ gia cuốn khí cho bê tông thường được dùng cho các công trình ở những

nơi có điều kiện thời tiết khắc nghiệt Có tác dụng giảm yêu cầu về nước, lượng xi

măng có thể bớt đi, tăng khả năng linh động, tăng khả năng chống thấm, độ đặc chắc của bê tông tăng lên và có thể tăng chút ít cường độ của bê tông khối lớn có hàm lượng xi măng thấp

1.2.4 Tính chất của bê tông khối lớn

1.2.4.1 C ường độ

Cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chủ yếu, trong đó có lượng và loại phụ gia khoáng hoạt tính (puzơlan) Cường độ bê tông pha puzơlan nói chung phát triển chậm trong thời kỳ đầu, nhưng sau 28 ngày phát triển tốt hơn

Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu ứng suất lớn ban đầu Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày (90 ngày, 1 năm, 2 năm), tuỳ theo kết cấu và thời gian công trình được xây dựng

1.2.4.2 Độ thấm nước

Độ thấm nước của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thành phần puzơlan trong bê tông Puzơlan cũng có tác dụng giảm độ thấm nước Hệ số thấm của bê tông khối lớn K = (0,62 ÷ 11,9).10-4ft/s (1 ft = 30,48cm)

1.2.4.3 Độ bền

Trong bê tông khối lớn phản ứng giữa các thành phần trong bê tông được xem là nhân tố quan trọng đối với độ bền bê tông Phản ứng hoá học giữa kiềm (Na2O và K2O) trong xi măng và SiO2 có tính phản ứng có trong cốt liệu tạo ra

hợp chất mới, nở thể tích gây phản ứng kiềm - silíc; do đó không nên dùng cốt

liệu chứa SiO2 có tính phản ứng Khi phải dùng một loại cốt liệu chứa các thành phần có tính phản ứng, thì phải dùng xi măng có hàm lượng kiềm (Na2O và K2O)

thấp Puzơlan có thể có tác dụng hạn chế phản ứng kiềm silic, nhưng tro bay được coi là kém hiệu quả hơn trong việc khống chế phản ứng này so với puzơlan thiên nhiên

Vôi sinh ra khi xi măng tác dụng với nước Vôi sẽ hoà tan trong nước, nước

mềm hay nước axít nhẹ Khi dùng puzơlan, thì puzơlan tác dụng với vôi, tạo ra

hợp chất mới không tan trong nước, tạo ra phản ứng puzơlan, do đó ngăn cản sự tiết vôi ra khỏi bê tông Khi bê tông đặc chắc chống thấm tốt, thì việc tiết vôi ra

sẽ ít Nếu tiết vôi nghiêm trọng, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu công trình

1.2.4.4 Tính bi ến dạng

a) Độ co khô

Độ co khô nằm trong khoảng từ 0,02% của độ dài bê tông nghèo độ sụt thấp dùng cốt liệu tốt, đến lớn hơn 0,10% đối với bê tông giàu xi măng hoặc bê tông dùng cốt liệu xấu và N/X lớn Các nhân tố ảnh hưởng đến độ co khô là: hàm lượng xi măng, thành phần khoáng của nó và hàm lượng cốt liệu Việc pha phụ gia khoáng thường làm tăng độ co khô, ngoại trừ trường hợp giảm yêu cầu nước

b) Sự biến đổi thể tích tự thân là độ co do các phản ứng hoá học xảy ra trong

hồ xi măng trong bê tông không liên quan với lượng nước trong bê tông Bê tông dùng puzơlan đôi khi có độ co tự thân lớn hơn bê tông dùng xi măng pooclăng Sự biến đổi thể tích tự thân thuần tuý có thể nằm trong khoảng 0-150.10-6mm3

c) Sự biến đổi thể tích do nhiệt thuỷ hoá:

Nhiệt độ bê tông tăng lên do nhiệt thuỷ hoá làm cho bê tông nở thể tích

Ngoài các biến dạng nêu trên, còn có từ biến và biến đổi thể tích khi độ ẩm của bê tông thay đổi

1.2.4.5 Tính ch ất nhiệt

Tinh chất nhiệt bê tong khối lớn được trình bày ở mục 1.3 dưới đây

1.3 Quá trình diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn

Đầu thế kỷ 20, đối với vấn đề quá trình thay đổi nhiệt trong thân đập bê tông

và hậu quả của nó chưa được quan tâm đúng mức, vì thế trong thiết kế và thi công thiếu sự chú ý cần thiết Sau đó trong thực tế phát hiện trong thân đập xuất hiện nhiều khe nứt có tính chất không giống nhau, đã làm rõ ứng suất nhiệt là nguyên nhân chủ yếu làm xuất hiện khe nứt ở đập bê tông thể tích lớn, từ đó mới bắt đầu

đi sâu nghiên cứu vấn đề thay đổi nhiệt độ, vấn đề ứng suất nhiệt và biện pháp khống chế nhiệt

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn

Nhiều nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tài liệu quan trắc đo đạc trên các công trình bê tông trọng lực thực tế ở trong nước và trên thế giớ cho thấy diễn biến nhiệt độ trong bê tông phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản sau:

- Hàm lượng xi măng trong 1m3 của bê tông;

- Tính chất thủy hóa của loại xi măng;

- Kích thước khoảnh đổ;

- Tính chất cốt liệu;

- Thành phần cấp phối bê tông;

- Điều kiện môi trường;

1.3.2 Nhiệt thủy hóa của xi măng

Các khoáng vật trong xi măng khi thủy hóa với nước sẽ phát nhiệt Theo

Solacolu và Taylor, nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng như trong

bảng 1.3

Bảng 1.3 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng

Tên đơn khoáng Loại XM Nhiệt thủy hóa trong thời gian, cal/g

3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng

Xi măng mác càng cao tỏa nhiệt càng nhiều như trong hình 1.4

Hình 1.4: T ỏa nhiệt xi măng theo thời gian

Các loại xi măng khác nhau cho nhiệt thuỷ hoá khác nhau như trong bảng 1.4

Bảng 1.4 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian

Loại xi măng

Lượng phát nhiệt (cal/g)

3 ngày 7 ngày 28 ngày

Lượng nhiệt phát ra là có lợi cho việc thi công bê tông vào mùa lạnh hoặc có tác dụng làm cho bê tông đông cứng nhanh Mặt khác lại rất bất lợi thi công vào mùa nóng; đặc biệt với công trình bê tông khối lớn thì càng bất lợi

1.3.3 Diễn biến nhiệt độ trong bê tông khối lớn

Bê tông khối lớn sau khi đã đổ, nhiệt độ sẽ có sự thay đổi phức tạp làm cho nhiệt độ phát sinh thay đổi, nguyên nhân chủ yếu như sau:

- Bê tông trong thời kỳ xi măng hoá cứng, nhiệt thủy hóa phát tán làm cho nhiệt

độ trong bê tông lên cao

- Nhiệt độ khi bê tông đã đổ vào khối đổ và nhiệt độ môi trường xung quanh (chủ yếu là nhiệt độ không khí) không giống nhau, từ đó tồn tại chênh lệch nhiệt ban đầu làm cho nhiệt độ thay đổi

- Nhiệt độ chất môi xung quanh phát sinh thay đổi hoặc do nhiệt độ không khí khi đổ bê tông thay đổi đến nhiệt độ ổn định, hoặc thay đổi theo chu kỳ

Do những nguyên nhân ở trên, giữa các điểm trong nội bộ khối bê tông,

và do tác dụng của nhiệt thủy hóa, nhiệt độ sẽ lên cao Thời gian đoạn nhiệt độ tăng lên này không dài, vì nhiệt thủy hóa trong vòng 28 ngày sẽ phát tán gần

hết Rồi sau đó nhiệt độ sẽ xảy ra xu thế lên cao và hạ thấp (trong quá trình hạ

xuống có dao động phức tạp) Thời kỳ hạ xuống này có thể trải qua một thời gian dài

Cuối cùng khi các loại ảnh hưởng ban đầu (nhiệt thủy hóa chênh lệch

nhiệt độ ban đầu, chênh lệch giữa nhiệt độ ổn định và nhiệt độ đổ bê tông)

dần dần mất đi, nhiệt độ tại điểm này đạt đến thời kỳ ổn định Lúc này nhiệt

độ sẽ tuỳ theo sự biến động có tính quy luật của nhiệt độ bên ngoài mà thể hiện biến động rất nhỏ hoặc đều đều Tất nhiên những vấn đề nêu ở trên là xu

thế chung, nếu như dùng các biện pháp khống chế đối với nhiệt độ thì đường cong biến hoá của nó có thay đổi rất lớn

Tóm lại diễn biến nhiệt độ chia làm 3 thời kỳ: Tăng nhiệt, giảm nhiệt, ổn định nhiệt độ, được biểu thị hình 1.4

Hình 1.5: Quá trình thay đổi nhiệt độ trong bê tông khối lớn

Từ hình vẽ ta thấy rằng nhiệt độ cao nhất của bê tông T max bằng nhiệt độ lúc

đổ bê tông T p cộng với nhiệt độ phát nhiệt lớn nhất của xi măng T r Từ nhiệt độ

T p đến nhiệt độ T max là thời kỳ tăng nhiệt Sau khi đạt đên Tmax nhiệt độ trong bê

tông giảm dần tới T f, giai đoạn này là thời kỳ giảm nhiệt Cuối cùng nhiệt độ

trong bê tông ổn định đó là thời kỳ ổn định nhiệt

1.3.4 Ứng suất nhiệt và các loại khe nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn

Sau khi nhiệt độ phát sinh thay đổi thì thể tích của bê tông theo đó mà co dãn Khi khối bê tông không được tự do, mặt co dãn bị hạn chế hoặc bị ràng

buộc, thì sinh ra ứng suất nhiệt độ Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ của

bê tông, thì sinh ra nứt Khe nứt được chia làm hai loại: Nứt bề mặt và nứt

xuyên khối

1.3.4.1 N ứt bề mặt

Trong quá trình bê tông đông cứng, do xi măng thuỷ hoá làm nhiệt độ của khối

bê tông tăng cao, mặt ngoài của khối bê tông toả nhiệt nhanh, bên trong toả nhiệt chậm, sinh chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng dẫn đến biến đổi thể tích giữa các vùng khác nhau, kiềm chế lẫn nhau Nhất là trường hợp bê tông mới đổ xong, nhiệt

độ bên ngoài hạ thấp đột ngột là cho mặt ngoài của khối bê tông co lại, trong lòng khối bê tông nở ra, dẫn đến chênh lệch biến dạng trong và ngoài khối lớn Kết quả là trong lòng khối bê tông sinh ứng suất nén, bề mặt sinh ứng suất kéo Ứng suất nhiệt lớn hay nhỏ tuỷ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ, biểu thị trên hình 1.5

Khi ứng suất nhiệt lớn hơn ứng suất chịu kéo cho phép làm mặt bê tông bị

nứt gọi là nứt bể mặt Nứt bề mặt thường không sâu và có khả năng “khép lại” sau khi nhiệt độ trong khối bê tông giảm dần Nứt bề mặt thường xuất hiện sau khi đổ

bê tông 1-:-2 tuần

Ứng suất nhiệt ở bề mặt khối bê tông được xác định như sau:

µ

ασ

−

∆

=1

E T

(1-1) Trong đó:

σ: ứng suất kéo lớn nhất có thể phát sinh tại mặt khoảnh (N/cm2);

α: hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông, thường lấy 10-5-:-8x10-6(1/oC);

E: mô đuyn đàn hồi của bê tông (N/cm2

);

µ: hệ số poát xông, lấy 01.5-:-0.2;

∆T: chênh lệnh nhiệt độ bình quân giữa các khố bê tông và không khí ngoài (oC)

Hình 1.6: Phân b ố ứng suất nhiệt tại bề mặt

1 Khu ứng suất nén 2 Khu ứng suất kéo 3 Nứt bề mặt

1.3.4.2 N ứt xuyên khối bê tông

Sau khi đổ bê tông, thể tích khối bê tông nở cho tới khi nhiệt độ đạt đến trị

số cao nhất Sau đó nhiệt độ lại dần hạ xuống cho đến nhiệt độ ổn định của môi trường bên ngoài Đồng thời với quá trình hạ nhiệt độ khối bê tông cũng co

lại Nhưng giai đoạn này bê tông đã đông cứng Phần đáy công trình bị nền đá

hoặc mặt bê tông cũ kiềm chế mà không co lại tự do được, do đó sinh ứng suất kéo ở phần đáy công trình bị nền đá hoặc mặt bê tông cũ kiềm chế mà không

co lại tự do được , do đó sinh ứng suất kéo ở phần đáy công trình và ứng suất cắt ở mặt tiếp xúc biểu thị trên hình 1.7

Ứng suất nhiệt gây nứt xuyên:

µ

ασ

−

∆

=1

E K R T

(1-2)

Trong đó:

K: hệ số từ biến của bê tông;

R: hệ số kiềm chế của bê tông, phụ thuộc vào kích thước khối đổ

Hình 1.7: Phân b ố ứng suất ở đáy khối bê tông

1 Khu ứng suất nèn; 2 Khu ứng suất kéo; 3 Khu ứng suất cắt

Khi ứng suất kéo vượt quá ứng suất kéo cho phép, bê tông sẽ nứ Nứt trong

trường hợp này gọi là nứt xuyên (hình 1.8) Nứt xuyên rất nguy hiểm, làm mất tính chỉnh thể của công trình; nếu không kịp thời phát hiện và xử lý công trình sẽ

bị phá hoại Loại nứt xuyên này thường khó phát hiện và thường sinh ra trong

thời kỳ công trình vận hành

Hình 1.8: N ứt bề mặt và nứt xuyên ở đập bê tông

1 Nứt bề mặt 2 Nứt xuyên

1.4 Một số công trình đập bê tông trọng lực bị nứt do nhiệt

- Ở nước ta trong quá trình thi công thuỷ điện Sơn la đã xuất hiện vết nứt tại các khối C3 và L1 có chiều rộng khoảng 7cm (hình 1.9)

(a)

(b)

Hình 1.9: Sơ đồ vết nứt đập Sơn La (a): Mặt bằng vết nứt tại khối C3 và L1 (b): Sơ đồ vết nứt khối C3

- Đập thuỷ điện Sông Tranh 2 bị thấm mạnh về hạ lưu được cho là có ảnh

hưởng của vết nứt vì nhiệt trong quá trình thi công

(a)

(b)

Hình 1.10: Th ấm nước qua mái hạ lưu đập Sông Tranh 2 a: Thấm qua khe nhiệt b: Nước thấm qua khe nứt tại mái hạ lưu

- Đập Liễu Khê của Trung Quốc thi công bằng công nghệ đầm lăn bị nứt do ảnh hưởng một phần của nhiệt trong quá trình thi công

Hình 1.11: – Sơ đồ vết nứt đập Liễu Khê - Trung Quốc

- Đập RCC Upper stillwater , Utah Hoa Kỳ cao 90m phát triển 13 vết nứt do nhiệt dọc thân đập với chiều dài trung bình 49m, rộng 10mm, gây ra thấm về hạ lưu

(a)

(b)

Hình 1.12: Th ấm nước qua vết nứt đập RCC Upper Stillwater, Utah, Hòa Kỳ a: Vị trí các vết nứt b: Nước thấm qua khe nứt tại mái hạ lưu

1.5 Kết luận chương I

Với tính chất ưu việt, an toàn, hiệu quả và kinh tế đập bê tông trọng lực đang là

xu hướng phát triển không chỉ ở trên thế giới, mà còn ở Việt Nam trong xây dựng các hồ chứa nhất là các hồ chứa lớn

Một trong những tính chất quan trọng của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt Nhiệt độ sau khi đổ bê tông sẽ có sự thay đổi khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố; Quá trình nhiệt trong bê tông gồm 3 giai đoạn: gian đoạn tăng nhiệt, giai đoạn giảm nhiệt và giai đoạn ổn định nhiệt Quá trình nhiệt cũng hình thành ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn, khi ứng suất nhiệt phát sinh lớn hơn cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây ra nứt; Có hai loại vết nứt là nứt mặt và nứt xuyên, trong đó nứt xuyên rất nguy hiểm cho công trình vì nó thường xuất hiện trong thời gian vận hành công trình Đã có khá nhiều công trình ở Việt Nam và thế giới xảy ra hiện tượng nứt xuyên gây mất an toàn cho đập và hồ chứa, công tác khắc phục kéo dài và gây tốn kém

Để hiểu rõ hơn bản chất phá hoại do nhiệt để từ đó có những ứng xử phù hợp, cần hiểu rõ cơ sở lý thuyết của trường nhiệt và trường ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DIỄN BIẾN NHIỆT VÀ TRƯỜNG ỨNG SUẤT NHIỆT, LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN

NHIỆT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN 2.1 C ơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt

Bài toán nhiệt trong bê tông khối lớn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản:

+ Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, gọi tắt là dẫn nhiệt

+ Trao đổi nhiệt đối lưu

+ Trao đổi nhiệt bức xạ

giữa bê tông với không khí hoặc nước

2.1.1.1 Trường nhiệt độ

Tập hợp các giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong không gian khảo sát

tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ

Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật Trong

trường hợp tổng quát nhiệt độ T là hàm của không gian (x,y,z) và thời gian (τ) được

biểu diễn như sau:

T=f(x,y,z) , = 0

∂

∂τ

T z

T

(2-6) Quá trình dẫn nhiệt trong đó trường nhiệt độ không ổn định được gọi là dẫn nhiệt không ổn định và quá trình dẫn nhiệt ứng với trường nhiệt độ ổn định được gọi là dẫn nhiệt ổn định

Quá trình dẫn nhiệt trong khối bê tông thường là dẫn nhiệt không ổn định

2.1.1.2 Mặt đẳng nhiệt, Gradien nhiệt độ, Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt

Mặt đẳng nhiệt là mặt chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm nào đó Các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau chúng chỉ là các mặt cong khép kín hay kết thúc trên các biên của khối bê tông, hình 2.1a

b) Gradien nhiệt độ

Nhiệt độ T chỉ có thể thay đổi theo các hướng cắt các mặt đẳng nhiệt, đồng thời sự biến thiên nhiệt độ trên 1 đơn vị độ dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất

Gradien nhiệt độ là tốc độ biến thiên nhiệt độ theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt Gradien nhiệt độ là 1 véc tơ có phương trùng với phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt và có chiều dương là chiều tăng của nhiệt độ, ký hiệu gradien nhiệt độ là GradT, hình 2.1b

c) Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt

Mật độ dòng nhiệt: Là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bê mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian Ký hiệu là q(W/m2)

Dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua diện tích F của mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là Q(W)

∫

=

F dF q

Khi q=const, thì Q= q.F

2.1.1.3 Định luật Fourier về dẫn nhiệt

Theo Fourier : “Mật độ dòng nhiệt tỷ lệ với Gradien nhiệt độ”:

Mật độ dòng nhiệt là 1 đại lượng véc tơ có phương trùng với phương GradT, chiều dương là chiều giảm nhiệt độ (véc tơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp), trị số bằng -λ.

n

T

∂

∂ (W/m2) Trong đó λ là hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt λ là đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật liệu như bê tông, gỗ, thép, ,(λrắn>λlỏng>λkhí)

λ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm… Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ có thể biểu diễn dưới dạng:

Trong đó:

λ0 – là hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0o

C;

b – hệ số tỷ lệ được xác định bằng thực nghiệm (có thể âm hoặc dương)

2.1.1.4 Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt được thiết lập trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng và định luật Fourier Trong trường hợp cụ thể này định luật bảo toàn

năng lượng được phát biểu như sau: “Nhiệt lượng dQ đưa vào phần tử thể tích dV sau khoảng thời gian dτdo dẫn nhiệt và nguồn nhiệt bên trong phát ra bằng sự biến thiên nội năng trong phần tử thể tích vật”

Để thiết lập phương trình vi phân dẫn nhiệt, ta dựa vào các giả thiết sau:

Giả thiết 1: Các đại lượng vật lý không đổi

Giả thiết 2: Vật liệu đồng chất đẳng hướng

Giả thiết 3: Vật xem là hoàn toàn cứng, nghĩa là sự thay đổi thể tích do nhiệt độ gây nên rất nhỏ

Giả thiết 4: Các phần vĩ mô của vật không có sự chuyển động tương đối với nhau Giả thiết 5: Nguồn nhiệt bên trong phân bố là qv = f(x,y,z,τ)

Phương trình vi phân truyền nhiệt dưới dạng tổng quát là:

ρ

2 2 2 2 2

C

q z

T y

T x

T a

∂

∂+

C đối với bê tông a = (0.55 ÷ 1.1).106 (m2/s);

T – nhiệt độ của 1 điểm bất kỳ ở thời điểm τ (o

C);

τ - là thời gian (h);

λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, đối với bê tông λ = (1.1÷2.3) Kcal/m.h oC;

C - nhiệt dung riêng của vật liệu, đối với bê tông C = (0.22÷0.27) Kcal/Kg. oC;

ρ - khối lượng riêng của vật (Kg/m3

);

x, y, z – tọa độ điểm đang xét;

qv – năng suất phất nhiệt của nguồn nhiệt bên trong (Kcal/m3

∂

∂+

∂

∂

2 2 2 2 2 2

z y

x - là toán tử Laplace + Trong trường hợp không có nguồn nhiệt bên trong thì phương trình truyền nhiệt lấy dạng chuỗi Fourier:

T a

T

∇2

ρ

C

q T

2.1.1.5 Điều kiện biên ban đầu và điều kiện biên

Điều kiện 1: Điều kiện vật lý

Cho bết các thông số vật lý của vật thể như hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng

C, khối lượng riêng ρ … và có thể cho biết quy luật phân bố nguồn nhiệt bên trong vật

Điều kiện 2: Điều kiện hình học

Cho biết hình dạng kích thước của vật, trong đó diễn ra quá trình dẫn nhiệt

Điều kiện 3: Điều kiện thời gian

Cho biết quy luật phân bố nhiệt độ trong vật ở một thời điểm nào đó (thông thường là trong khoảng thời gian ban đầu nên còn gọi là điều kiện ban đầu)

Trong trường hợp chung điều kiện ban đầu có thể biểu diễn dưới dạng:

Khi τ=0 thì T = f(x,y,z)

Trường hợp ở thời điểm ban đầu sự phân bố nhiệt độ đồng nhất thì

Khi τ=0 T = T0= const

Điều kiện 4: Điều kiện biên (có 4 loại)

- Điều kiện biên loại 1: Cho biết sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật thể ở

thời điểm bất kỳ là: Tw(τ)S1 = f1(τ)

(2-16)

Trong đó:

Tw(τ) – là nhiệt độ trên bề mặt của vật thể

Trường hợp riêng Tw(τ) = const tức là nhiệt độ trên bề mặt vật thể không thay đổi trong quá trình trao đổi nhiệt

- Điều kiện biên loại 2: Cho biết dạng mật độ dòng nhiệt qua bề mặt của vật ở

thời điểm bất kỳ

- Điều kiện biên loại 3: Cho biết nhiệt độ môi trường (Tf ) và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt của vật và môi trường xung quanh Để biểu thị quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật với môi trường xung quanh chúng ta áp dụng định luật Newton-Ricman:

qw(τ)S3 = β.( Tw- Tf) (2-18)

Trong đó: qw(τ) – là nhiệt lượng tỏa ra trên 1 đơn vị diện tích bề mặt của vật trong 1

đơn vị thời gian;

Tw – nhiệt độ trên bề mặt của vật thể;

Tf – nhiệt độ trung bình ở bên ngoài (không khí);

β - hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt vật vào môi trường (β = 6÷40 Kcal/m2h

oC)

Hệ số β phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tốc độ gió, kích thước hình dạng bề mặt tỏa nhiệt, đặc trưng của vật liệu…), tuy nhiên trong tính toán có thể xem nó không thay đổi

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì:

w

T T n

Điều kiện biên loại 4: Giả thiết giữa các vật có sự tiếp xúc lý tưởng (nhiệt độ

chỗ tiếp xúc là như nhau) thì dòng nhiệt qua chỗ bề mặt tiếp xúc bằng nhau tức là:

w

T n

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu 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 Trao đổi nhiệt đối lưu luôn luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt, vì trong nội bộ chất lỏng hoặc chất khí không thể tránh khỏi có những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau Trao đổi nhiệt đối lưu giữa chất lỏng hoặc chất khí với bề mặt vật rắn gọi là tỏa nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu áp dụng trong trường hợp công trình thủy lợi là sự tỏa nhiệt từ bề mặt công trình với không khí, và từ bề mặt công trình với môi trường

nước Trong trường hợp bề mặt bê tông có ván khuôn thì sự tỏa nhiệt sẽ diễn ra trên

bề mặt ván khuôn với môi trường

F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là sự trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ

Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến 2 lần chuyển biến năng lượng, đó là nhiệt năng biến thành năng lượng bức xạ và ngược lại

Khác với trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt bằng đối lưu, cường

độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối nhiệt độ của vật Trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật còn có thể diễn ra trong chân không

Ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến nhiệt độ môi trường, nó làm thay đổi nhiệt

độ bề mặt công trình Sự tăng thêm biên độ dao động nhiệt ở bề mặt công trình do ánh sáng mặt trời Towcó thể tính bằng công thức:

Tow =

w

Q

β0

Trong đó: Qo – năng lượng lớn nhất của ánh sáng (Kcal/m2.h);

βw – hệ số truyền nhiệt đến bề mặt (Kcal/m2

.h oC)

2.2 L ựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt

2.2.1 Các ph ương pháp giải bài toán nhiệt

Lý thuyết về truyền nhiệt đã được phát triển từ rất sớm và được ứng dụng rộng rãi vào tính toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau Có 3 phương pháp chính giải bài toán nhiệt được liệt kê trong hình 2.2

bµI TO¸N NHIÖT

PH¦¥NG PH¸P GÇN §óNG

Hình 2.2: Các phương pháp giải bài toán nhiệt

Dưới đây là nét chính của các phương pháp

2.2.1.1 Ph ương pháp giải tích

Nội dung của phương pháp này là giải phương trình truyền nhiệt nhằm tìm

một tổ hợp các nghiệm riêng Ti thoả mản phương trình vi phân các điều kiện biên Sau đó thành lập chuỗi các nghiệm theo nguyên tắc cộng: