Bêtông khối lớn công tác bảo ôn và giám sát nhiệt độ để chống nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công ở điều kiện khí hậu việt nam

Bêtông khối lớn- công tác bảo ôn và giám sát nhiệt độ để chống nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công ở điều kiện khí hậu việt nam. ThS. Nguyễn Sơn Lâm KS. Nguyễn Quyết Chiến Viện KHCN Xây dựng. ABstract: The need to control volume change induced primarily by temperature change in mass concrete has led to the development of cooling and insulating systems for use in mass concrete construction. This report reviews the measures commonly taken (Precooling and post-cooling) and recent measure as insulation system being used for temperature control. The procceder for tempereture control has been conducted by IBST at some project such as thermopower plant Pha Lai 2, thermopower plant Phu My 3 and thermopower plant Uong Bi (expansion) 2. 1- Đặt vấn đề. Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa 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. Trong điều kiện nóng ẩm Việt Nam, kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Bê tông khối lớn bị nứt do hiệu ứng T giữa các∆nhiệt thuỷ hóa xi măng khi có đủ 2 yếu tố : Độ chênh lệch nhiệt độ điểm hoặc các vùng trong khói bê tông vượt quá 200C; Modun chênh lệch nhiệt độ MTgiữa các điểm trong khối bê tông đạt không dưới 500C/m. Đối với các kết cấu có kích thước vượt qúa giới hạn trên thì cần phải có giải pháp phòng ngừa nứt ch be tông ngay từ khâu thiết kế và thi công. Hiện tượng nứt do nhiệt gây ra trong bê tông khối lớn có thể khống chế được khi áp dụng các giải pháp hữu hiệu để giảm lượng nhiệt phát sinh cũng như mức độ thay đổi của nhiệt độ. Các giải pháp thường được sử dụng bao gồm : làm lạnh trước, làm lạnh sau khi thi công hoặc kết hợp cả hai giải pháp và một giải pháp hiện nay đang được sử dụng phổ biến là cách nhiệt cho bề mặt bê tông tiếp xúc với môi trường. Mức độ kiểm soát nhiệt độ để chống nứt thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Vị trí địa lý, chiều cao và độ dày của kết cấu, đặc trưng của cốt liệu, tính chất của bê tông... Bài báo này sẽ đề cập đến một số giải pháp khống chế và quy trình đo đạc kiểm soát nhiệt độ đã được nhóm tác giả thực hiện tại một số công trình lớn như công trình xây dựng móng tuốc bin, móng ống khói nhà Nhiệt điện Phả Lại 2, nhà máy nhiệt điện Phú Mý 3- Bà Rịa Vũng Tàu, nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng giai đoạn 2. 2- Các giải pháp khống chế nhiệt độ. 2.1- Giải pháp làm lạnh trước. Hiện tượng nứt bê tông do ứng suất kéo phát sinh do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa của xi măng cần phải được quan tâm xem xét cả trên bề mặt và ngay trong bản thân khối bê tông. Một trong những giải pháp hữu hiệu để có thể phòng và tránh được hiện tượng nứt bê tông do nhiệt là kiểm soát nhiệt của hỗn hợp bê tông khi thi công. Kiểm soát nhiệt của hỗn hợp bê tông có thể thực hiện thông qua các biện pháp sau: - Hạn chế lượng xi măng sử dụng. - Dùng loại xi măng ít tỏa nhiệt. - Hạ nhiệt độ hỗn hợp bê tông (hạ nhiệt độ cốt liệu, hạ nhiệt độ nước dùng để trộn bê tông, che đậy hỗn hợp bê tông). 2.2- Giải pháp làm lạnh sau. Kiểm soát nhiệt độ của khối bê tông có thể được thực hiện một cách hiệu quả bằng việc tuần hoàn nước lạnh qua hệ thống ống kim loại mỏng đã được lắp đặt sẵn trong khối bê tông. Lượng nhiệt được đưa ra ngoài khối bê tông phụ thuộc vào kích cỡ đường ống kim loại, thể tích và nhiệt độ đầu vào của nước tuần hoàn. Lượng nhiệt trong khói bê tông được đưa ra ngoài sau một vài ngày kể từ khi tiến hành đổ bê tông sẽ làm giảm được đáng kể gía trị nhiệt độ cực đại tại tâm của khối bê tông. ống kim loại được sử dụng để giải phóng nhiệt có thể là ống nhôm hoặc ống thép mỏng có đường kính trong khoảng 25-30mm và thành ống dày 1,5mm. Nước được hệ thống bơm bơm chảy qua hệ thống ống thoát nhiệt có vận tốc trong khoảng 15-17 l/phút. Hình 1 giới thiệu hệ thống ống thép lấy nhiệt ra khỏi khối bê tông đã được lắp đặt vào khối móng tuốc bin 800 m3 tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng. 2.3- Bảo ôn bề mặt bê tông khối lớn. Sau khi công tác đổ bê tông thực hiện xong, nhiệt độ của bê tông sẽ tăng lên do qúa trình thủy hóa xi măng. Nhiệt độ trong tâm khối bê tông sẽ tăng đoạn nhiệt. Tuy vậy tại bề mặt của khối bê tông (có cốp pha hoặc không có cốp pha) tiếp xúc với môi trường bên ngoài (đất, không khí), lượng nhiệt phát sinh sẽ được truyền ra môi trường xung quanh với mức độ khác nhau phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bê tông và nhiệt độ môi trường. Do vậy sự tăng nhiệt độ của bê tông tại các lớp ngoài sẽ nhỏ hơn sự tăng nhiệt độ tại các lớp trong khối bê tông. Kết quả của quá trình này dẫn đến kết quả là tăng đều gradient nhiệt giữa bề mặt và trong lòng khối bê tông. Sự tăng nhiệt độ bên trong khối bê tông và giảm nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ làm tăng gradient nhiệt và đến một chừng mực nào đó có thể gây nứt bê tông. Để có thể giảm gradient nhiệt giữa vùng tâm với bề mặt của khối bê tông cũng như giữa bề mặt của khối bê tong với môi trường bên ngoài và khống chế tốc độ thoát nhiệt của khối bê tông ra môi trường bên ngoài, các loại vật liệu cách nhiệt có thể được sử dụng để bảo ôn mặt bê tông. Các loại vật liệu cách nhiệt có thể sử dụng bao gồm : Tấm xốp polystyren hoặc polyurethan có độ dầy 4-5cm với khối lượng thể tích không dưới 20kg/m3 ; tấm bông khoáng thủy tinh (glas wool) có chiều dày 5-10cm có khối lượng thể tích khoảng 30kg/ m3. Ngoài ra còn có thể dùng các loại vật liệu khác như rơm rạ, trấu thóc, hạt polystyren xốp. Bảo ôn bề mặt khối bê tông được giới thiệu ở hình 2. Vật liệu cách nhiệt được bọc thành xung quanh khối đổ áp sát mặt ngoài cốp pha thành trước lúc đổ bê tông. Lớp mặt bê tông được phủ lớp cách nhiệt ngay sau khi hoàn thiện bề mặt hoặc phủ cuốn chiếu nếu bề mặt bê tông lớn. Lớp cách nhiệt bao gồm các lớp sau tính từ bề mặt bê tông : lớp nilon cách nước, lớp bông khoáng cách nhiệt, lớp xốp cách nhiệt và trên cùng là lớp chống mưa bằng vải bạt hoặc nilon. Thành phần và độ dày của từng lớp cách nhiệt có thể thay đổi cho từng trường hợp cụ thể. Có thể phải bổ sung lớp cách nhiệt trong trường hợp các thông số quan trắc nhiệt độ cho thấy chênh lệch nhiệt độ vựơt qua giới hạn cho phép. 3- Công tác đo đạc kiểm soát nhiệt độ tại hiện trường. 3.1- Thiết bị sử dụng. - Thiết bị đo nhiệt độ tự động 12-channel Thermometer -USA với độ chính xác ± 0,10C. - Đầu đo nhiệt độ Cu- Constantan với độ chính xác ±0,10C. Thiết bị đo quan trắc giám sát nhiệt độ được giới thiệu ở hình 3. 3.2- Lắp đặt đầu đo nhiệt tại hiện trường. - Việc bố trí điểm đo nhiệt bê tông khối lớn phải đảm bảo phản ánh chân thực chênh lệch nhiệt độ giữa vùng tâm và cùng bề mặt ngoài của bê tông khối lớn cũng như nhiệt độ không khí môi trường. - Số lượng đầu đo nhiệt sẽ được xác định phụ thuộc vào hình dáng, kích thước cụ thể của khối bê tông. - Đầu đo nhiệt sau khi được chế tạo hiệu chuẩn trong phòng thí nghiệm theo các quy định sẽ được tiến hành lắp đặt tại hiện trường thi công. - Vị trí lắp đặt đầu đo phải được bảo vệ cố định chắc chắn đồng thời phải cách nhiệt tuyệt đối với kim loại gía cố định và kết cấu thép. - Dây dẫn của đầu đo phải được bố trí tập trung và bảo vệ để tránh đứt trong qúa trình thi công và sau thi công ; - Các đầu đo sau khi được lắp đặt tại các vị trí đã chọn cần phải được đo thử để đảm bảo thông mạch và không có đầu đo nào bị hỏng. - Các đầu đo quan trắcc nhiệt độ tại vùng tâm khối bê tông cần phải đặt trong ống bảo vệ bằng nhựa PVC ; - Các đầu đo nhiệt độ mặt ngoài và nhiệ độ đáy khối bê tông được lắp vào bê tông ở độ sâu 50mm tính từ mặt ngoài hoặc mặt đáy bê tông làm chuẩn. - Các vị trí có mức độ thoát nhiệt nhanh của khối bê tông như tại các gờ cạnh và góc kết cấu phải được lắp đặt các đầu đo kiểm soát nhiệt độ. Hình 4 cho thấy các vị trí các đầu đo đã được lắp đặt trong khối bê tông trước khi thi công. 3.3 Đo đạc kiểm soát nhiệt độ của khối bê tông sau hoàn th ành công tác đổ bê tông. Sau khi công tác lắp đặt các đầu đo quan trắc nhiệt độ hoàn chỉnh. Công tác đo đạc giảm chênh lệch nhiệt độ của khối bê tông được thực hiện ngay sau khi công tác đổ bê tông hoàni thành. Quy trình quan trắc giám sát nhiệt độ được thực hiện theo ba giai đoạn : Giai đoạn thứ nhất trong vòng 48 tiếng đầu tiên,thông số nhiệt độ của khối bê tông và nhiệt độ không khí được thiết bị đo ghi lại 2 tiếng một lần. Trong vòng 72 tiếng tiếp tiếp theo chu kỳ đo ghi nhiệt độ là 3 tiếng một lần. Sau đó việc quan trắc sẽ được tiến hành với chu kỳ đo là 4 tiếng một lần cho đến khi kết thúc. Tổng số thời gian quan trắc giám sát nhiệt độ khoảng 2 tuần tuỳ theo vị trí địa lý, điều kiện khí hậu và theo mùa. Số liệu đo đạc thực tế tại một số công trình cho thấy nhiệt độ vùng tâm của khối bê tông đạt giá trị cao nhất sau thời gian từ 35 đến 40 giờ. Gía trị này thường đạt trong khoảng từ 750C đến 820C (bê tông móng tuốc bin nhiệt điện Uông Bí mở rộng 800 m3 có nhiệt độ cực đại là 820C ( thực hiện vào tháng 9/2004), bê tông móng ống khói nhiệt điện Phả Lại 2 có nhiệt độ cao nhất là 76,80C (thực hiện vào 6/1999), Tại nhiệt điện Phú Mỹ 3 (thực hiện vào 6/2002) bê tông móng tuốc bin mã số 10 UMA TB 800 m3 có nhiệt độ cực đaị là 81,50C, móng mã số 12 UMB TB 436 m3 có nhiệt độ cực đại là 80,80C, móng mã số 11 MUB TB 436 m3 có nhiệt độ cực đại là 80,70C). Công tác bơm nước lấy nhiệt từ vùng tâm của khối bê tông được tiến hành ngay và song hành với công tác đo nhiệt. Thời gian bơm nước để lấy nhiệt ra khỏi khối bê tông được tính từ khi bơm cho đến khi nhiệt độ của vùng tâm khối bê tông bắt đầu giảm. Kết quả đo đạc đối với khối bê tông móng tuốc bin của nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng là 800 m3 (18/9/200428/9/2004) cho thấy nhiệt độ của nước vào hệ thống đường ống là 28,70C và nhiệt độ ra khỏi hệ thống là 46,50C. Sau đó nhiệt độ giảm dần. Thời gian bơm nước liên tục là khoảng 75 giờ. Các tính toán chiều dày lớp cách nhiệt áp dụng cho tất cả các khối bê tông đều đảm bảo duy trì được mức chênh lệch nhiệt độ giữa vùng tâm và bề mặt ngoài của khối bê tông cũng như chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt ngoài của khối bê tông và nhiệt độ của môi trường không khí trong giới hạn cho phép từ 20-250C. Ví dụ: chênh lệch nhiệt độ giữa vùng tâm và bề mặt ngoài của khối bê tông 12 UMB TB 800 m3 tại Phú Mỹ là 19,30C vào thời điểm ứng với nhiệt độ vùng tam đạt giá trị cực đại. Việc tháo dỡ các lớp cách nhiệt cũng được quyết định bởi thông số quan trắc nhiệt độ thu được hàng ngày. Ví dụ : Tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng giai đoạn 2 việc tháo dỡ dần các lớp cách nhiệt đã đựơc tiến hành sau thời gian đo đạc là 192 giờ và tháo dỡ hẳn các lớp cách nhiệt được tiến hành sau 240 igờ đo đạc khi các thông số về nhiệt độ của vùng tâm, bề mặt ngoài và nhiệt độ không khí cho thấy mức chênh lệch giữa chúng nằm trong giới hạn cho phép không gây nứt cho bê tông. 4- Kết luận và kiến nghị. Công tác thi công bê tông khối lớn ngoài việc tuân thủ các quy định theo TCVN hiện hành thì cần phải lưu ý đến hiện tượng nứt bê tông do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa của xi măng. Bê tông khối lớn có lượng nhiệt sinh ra do sự thủy hóa xi măng tương đối lớn. Lượng nhiệt này trong khối bê tông nếu không được đưa ra ngoài và khối bê tông không được bảo ôn tốt cũng như thực hiện một số giải pháp làm lạnh trứơc sẽ có thể gây ra nứt cho khối bê tông do hiệu ứng nhiệt thuỷ hóa của xi măng gây ra ứng suất kéo vượt qúa giới hạn kéo của bê tông. Nếu trong trường hợp không thể chia nhỏ khối bê tông lớn để thi công thì phải thực hiện các giải pháp nêu trên cùng với việc đo đạc quan trắc biến thiên nhiệt độ của khối bê tông, chênh lệch nhiệt độ giữa vùng tâm, vùng bề mặt ngoài của khối bê tông và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt khối bê tông và nhiệt độ môi trường để quyết định thực hiện các giải pháp như thoát nhiệt, bảo ôn thêm nếu cần và quyết định được thời gian tháo dỡ lớp bảo ôn mà không gây ảnh hưởng đến chất lượng thi công bê tông khối lớn. tài liệu tham khảo 1- Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 305:2004, Bê tông khối lớn Quy phạm thi công và nghiệm thu. 2- Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete. ACI 207.4R-93 3- Standard Practice for Curing Concrete (ACI 308-92) 4- Báo cáo quan trắc kiểm soát nhiệt độ cho bê tông khối lớn tại nhà máy nhiệt điện Phả lại 2. Viện KHCN Xây dựng 6/1999. 5- Báo cáo quan trắc kiểm soát nhiệt độ cho bê tông khối lớn tại Nhiệt điện Phú Mỹ 3, Viện KHCN Xây dựng, 6/2002. 6-Báo cáo quan trắc kiểm soát nhiệt độ cho bê tông khối lớn tại nhiệt điện Uông Bí mở rộng giai đoạn 2, Viện KHCN Xây dựng, 9/2004.  ... nhiệt độ Hình cho thấy vị trí đầu đo lắp đặt khối bê tông trước thi công 3.3 Đo đạc kiểm soát nhiệt độ khối bê tông sau hoàn th ành công tác đổ bê tông Sau công tác lắp đặt đầu đo quan trắc nhiệt. .. biến thi n nhiệt độ khối bê tông, chênh lệch nhiệt độ vùng tâm, vùng bề mặt khối bê tông chênh lệch nhiệt độ bề mặt khối bê tông nhiệt độ môi trường để định thực giải pháp thoát nhiệt, bảo ôn thêm... 80,70C) Công tác bơm nước lấy nhiệt từ vùng tâm khối bê tông tiến hành song hành với công tác đo nhiệt Thời gian bơm nước để lấy nhiệt khỏi khối bê tông tính từ bơm nhiệt độ vùng tâm khối bê tông