Khảo sát trường nhiệt độ trong cấu kiện bê tông khối lớn với nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp vữa bê tông thay đổi

Khảo sát trường nhiệt độ cấu kiện Bê tông khối lớn với nhiệt độ ban đầu Hỗn hợp vữa bê tông thay đổi Bùi Anh Kiệt 2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - INFORMATION ON RESEARCH RESULTS CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Định nghĩa bê tông khối lớn - 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.4 Tính cấp thiết cần giải 1.5 Q trình hydrat hóa xi măng 1.6 Cách nhận biết vết nứt nhiệt 1.7 Một vài biện pháp để giảm thiểu hình thành vết nứt cho bê tơng khối lớn - 1.8 Kết luận - 10 CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN PHÂN TÍCH TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG BÊ TƠNG 12 2.1 Đặt vấn đề 12 2.2 Phương trình truyền nhiệt 13 2.3 Phương pháp phân tử hữu hạn giải toán truyền nhiệt 14 2.4 Kết luận - 15 CHƯƠNG III MƠ HÌNH HĨA CÁC MẪU THỬ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 16 3.1 Các tham số đầu vào mơ hình 16 3.2 Mô hình phân tích 20 3.3 Phân tích kết thảo luận 21 3.4 Kết luận - 26 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 28 DANH MỤC HÌNH Hình Phân bố ứng suất bê tông khối lớn chênh lệch nhiệt độ Hình 2.Phân bố hệ thống ống làm mát khối bê tơng 10 Hình Các vật liệu cách nhiệt bề mặt khối bê tông 10 Hình Sơ đồ khối phân tích trường nhiệt độ phương pháp PTHH 14 Hình Nhiệt thủy hóa hỗn hợp bê tơng (Bui & Nguyen, 2020(30)) 17 Hình Phần tử khối Solid 3D sử dụng phân tích PTHH 20 Hình Mơ hình phân tích nhiệt 3D cho bê tông khối lớn, đơn vị m 20 Hình Điều kiện biên tốn phân tích trường nhiệt độ trường ứng suất 21 Hình Trường nhiệt độ phân bố khối bê tông với trường hợp nhiệt độ ban đầu khác 23 Hình 10 Diễn biến nhiệt độ điểm khảo sát tâm bề mặt khối đổ với điều biện nhiệt độ đổ ban đầu khác 23 Hình 11 Tương quan nhiệt độ lớn nhất, độ chêch lệch nhiệt độ với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông 24 Hình 12 Ứng suất nhiệt bề mặt khối bê tông tương ứng với Tbđ khác 25 DANH MỤC BẢNG Bảng Thành phần hỗn hợp bê tông (Bui Nguyen, 2020(30)) 16 Bảng Các thông số nhiệt bê tông 16 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Khảo sát trường nhiệt độ cấu kiện bê tông khối lớn với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp vữa bê tông thay đổi - Mã số: T2019.01.2 - Chủ nhiệm đề tài: ThS Bùi Anh Kiệt - Đơn vị công tác: Khoa Xây dựng - Thời gian thực hiện: 04/06/2019 – 04/06/2020 Mục tiêu: Sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Midas Civil để xác định ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu vữa bê tông lên trường nhiệt độ cấu kiện bê tông khối lớn giai đoạn tuổi sớm ứng với cấp phối bê tông tùy ý chọn Tính sáng tạo: Đề tài góp phần nâng cao, hiểu rõ chế trình phát sinh, phát triển trường nhiệt độ bê tông khối lớn, kết hợp lý thuyết mơ hình hóa phương pháp PTHH Kết nghiên cứu: Báo cáo tổng kết đề tài Sản phẩm: 01 báo đăng tạp chí Scopus, 01 báo đăng tạp chí thuộc danh mục HĐCDGSNN, 01 báo cáo chuyên đề cấp Khoa Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: Chuyển giao thông qua kết báo công bố báo cáo chuyên đề cấp Khoa Ngày tháng năm Ngày Cơ quan quản lý xác nhận tháng năm Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Effect of initial temperature of concrete mix on temperature distribution of mass concrete Code number: T2019.01.2 Coordinator: Mr Bui Anh Kiet Implementing institution: Faculty of Civil Engineering Duration: from 04th June 2019 to 04th June 2020 Objective(s): Using Finite Element Method (FEM) with Program Midas Civil to simulate the effect of initial temperature of concrete mix on temperature distribution of mass concrete corresponding to a concrete mix proportion of interest Creativeness and innovativeness: The research result contribute to enhance the understanding about the mechanism in developing and distributing the temperature in the mass concrete body by combining theory of heat transfer and FEM with Midas Civil Research results: Report of research result Products: 01 international paper published in Scopus journal, 01 national paper listed in The State Council for Professor Title of Vietnam (0.5pts), 01 academic seminar organized by Faculty of Civil Engineering Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: Through the research results published in the journals and the seminar aforementioned in section CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Định nghĩa bê tông khối lớn Bê tông khối lớn: quốc gia, tiêu chuẩn đưa định nghĩa khác bê tông khối lớn Tuy nhiên, yếu tố để xác định cấu kiện bê tơng khối lớn dựa vào kích thước tối thiểu Theo ACI 207-1R-05(1), Bê tông khối lớn định nghĩa sau: khối bê tơng có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với phát sinh nhiệt q trình thủy hóa xi măng biến đổi thể tích kèm theo để giảm thiểu nứt Theo ACI 301-16(2), bê tông khối lớn định nghĩa khối lượng bê tơng kết cấu kết hợp kích thước khối bê tơng, điều kiện biên, đặc tính hỗn hợp bê tông, điều kiện môi trường xung quanh dẫn đến ứng suất nhiệt khơng mong muốn, nứt, giảm cường độ dài hạn nhiệt độ bê tơng tăng cao nhiệt hydrat hóa Theo ACI 116R-90(3) đề xuất cấu kiện bê tông có kích thước tối thiểu 1.3m (4 feet) coi bê tơng khối lớn Ngồi ra, thơng số tỷ lệ diện tích bề mặt với thể tích số tài liệu đưa để định nghĩa bê tông khối lớn (Barbara & nnk 2017(4); Aniskin & nnk 2018(5)) Bên cạnh đó, khơng cấu kiện có kích thước lớn mà cấu kiện có kích thước nhỏ sử dụng hàm lương xi măng lớn loại xi măng tỏa nhiệt cao cần phải đưa biện pháp để ngăn ngừa hình thành vết nứt nhiệt tuổi sớm ngày Theo TCXD 9341:2012(6): “Bê tông khối lớn - Thi công nghiệm thu” kết cấu bê tông BTCT thơng thường có cạnh nhỏ lớn 2m xem bê tơng khối lớn Bê tông khối lớn ứng dụng phổ biến cho cơng trình đập, móng khối lớn, đài cọc, tường chắn đất, trụ cầu,… (Nguyễn & nnk 2018) (7) 1.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, q trình xây dựng cấu kiện bê tơng khối lớn, vết nứt thường xuyên xuất bề mặt cấu kiện giai đoạn tuổi sớm với nhiều nguyên nhân khác nhau, nứt giai đoạn tuổi sớm phát sinh nhiệt trình thủy hóa xi măng ngun nhân Việc phát sinh vết nứt không ảnh hưởng đến tuổi thọ cơng trình mà cịn ảnh hưởng đến khả suy giảm khả chịu lực kết cấu, khả chống thấm tính thẫm mỹ cơng trình Do đó, nghiên cứu q trình phát sinh nhiệt ứng suất nhiệt khối đổ lớn nhằm đưa giải pháp kỹ thuật việc kiểm soát nứt nhiệt nhiều nghiên cứu nước đề cập đến Tuy vậy, phân bố trường nhiệt độ ứng suất nhiệt đến chưa giải triệt để có nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như: kích thước cấu kiện, thành phần bê tông, nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông, nhiệt độ môi trường, …Do vậy, nghiên cứu vấn đề trường nhiệt độ giai đoạn tuổi sớm với thay đổi nhiệt độ ban đầu hốn hợp vữa bê tông nhằm hiểu rõ chế phát sinh nhiệt để từ đưa giải pháp hợp lý cho việc kiểm soát nứt nhiệt cấu kiện, cơng trình bê tơng khối lớn cần thiết, đặc biệt điều kiện xây dựng Việt Nam 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Đối với cơng trình bê tơng khối lớn, chế độ nhiệt đóng vai trò quan trọng (đặc biệt giai đoạn tuổi sớm) việc hình thành phát triển vết nứt Các cơng trình nghiên cứu cơng trình đập bê tông nhiều tác giả nghiên cứu (Leger & nnk 1993(8); Noorzaei & nnk 2006(9); Jaafar & nnk 2007(10); Sheibany, F., & Ghaemian, M 2006(11); Khanzaei & nnk 2014(12); Mirzabozorg & nnk 2014(13); Barbara & nnk 2011(14); Worapong & nnk., 2017(15); Lam & nnk., 2018(16); Bui & nnk 2019(17)) hay cơng trình cầu bê tơng (Branco & nnk 1993(18)) Vì phức tạp việc xác định trường nhiệt độ bê tông khối lớn ứng suất nhiệt gây ra, nghiên cứu tập trung vào việc mơ sư phân bố nhiệt q trình thủy hóa, yếu tố ảnh hưởng mơi trường bên ngoài, hay tác dụng hệ thống làm mát đặt sẵn bê tông khối lớn thông qua chương trình PTHH Midas, Ansys, Abaqus, Zsoil 1.4 Tính cấp thiết cần giải Kết cấu bê tơng khối lớn dạng kết cấu như: móng nhà mố trụ cầu, dầm cầu, đập…Trong trình phát triển cường độ, lượng nhiệt thủy hóa xi măng gây nên biến đổi thể tích đáng kể hình thành vết nứt tuổi sớm ngày Bản chất hình thành vết nứt nhiều nguyên nhân có chênh lệch nhiệt độ tâm mặt ngồi khối bê tơng ngun nhân hình thành ứng suất Nếu ứng suất kéo nhiệt độ tải trọng gây lớn độ bền kéo bê tơng vết nứt bề mặt kết cấu bê tông xảy Hình Phân bố ứng suất bê tơng khối lớn chênh lệch nhiệt độ Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trường nhiệt độ trường ứng suất khối bê tông như: hàm lượng xi măng, loại xi măng, tính chất nhiệt bê tơng, điều kiện thi công (nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông, làm mát vật liệu trước đổ, chiều dày lớp đổ, sử dụng hệ thống ống làm mát…), nhiệt độ mơi trường, kích thước hình học khối bê tơng Để kiểm sốt hình thành vết nứt khối bê tông tuổi sớm ngày cần giảm chênh lệch T cho chúng nhỏ giá trị cho phép Ngày nay, có nhiều biện pháp để kiểm soát chênh lệch nhiệt độ T, chẳng hạn như: giảm hàm lượng xi măng cách thay phụ gia khống, làm nguội hỗn hợp bê tơng trước đổ, sử dụng ống làm mát vật liệu cách nhiệt bề mặt….(Aniskin & nnk 2018(20)) 1.5 Quá trình hydrat hóa xi măng Q trình hydrat hóa xi măng q trình diễn phản ứng hóa học xi măng nước, kèm với trình tỏa nhiệt (Kuriakose & nnk 2016(21)) Tốc độ tỏa nhiệt xi măng giảm dần theo thời gian Đối với kết cấu có kích thước nhỏ, mỏng lượng nhiệt sinh trình thủy hóa khuếch tán mơi trường khơng khí nhanh chóng không gây nứt tuổi sớm ngày Tuy nhiên, với kết cấu bê tông khối lớn, lượng nhiệt bên khối bê tông tăng nhanh giai đoạn đầu trường nhiệt bê khối giảm chậm kích thước hệ số dẫn nhiệt bê tông thấp, nhiệt độ bê tơng lớp bề mặt nguội nhanh tiếp xúc với mơi trường khơng khí xung quanh Điều dẫn đến co lại phần tử bề mặt khối bê tông chúng bị ràng buộc nở phần bên khối bê tông Với co, giãn không đồng phần tử khối bê tông dẫn đến hình thành vết nứt nhiệt Phần lớn trường hợp xây dựng, vết nứt nhiệt kết cấu bê tông khối lớn thường xảy tuổi sớm ngày (Do & nnk 2013(22)) 1.6 Cách nhận biết vết nứt nhiệt Các vết nứt nhiệt gây chênh lệch nhiệt độ vượt giá trị cho phép Chúng xuất ngẫu nhiên bề mặt khối bê tông Các vết nứt hiệu ứng nhiệt độ thường xuất vài ngày sau tháo ván khuôn Các vết nứt liên quan đến nhiệt độ thay đổi tác động lên mặt đường thường giống vết nứt co ngót Chúng thường xảy vng góc với trục dài bê tông Vết nứt dạng xảy thời điểm sau bê tông đổ thường xảy vào mùa hè mùa đông năm 1.7 Một vài biện pháp để giảm thiểu hình thành vết nứt cho bê tông khối lớn + Sử dụng vật liệu thay xi măng: Trong q trình thủy hóa, xi măng nguồn nhiệt kết cấu bê tơng khối lớn Do vậy, cần tối ưu hóa thành phần hỗn hợp bê tông cách sử dụng vật liệu thay xi măng tro bay, xỉ hay sử dụng loại xi măng tỏa nhiệt thấp + Sử dụng hóa chất: để trì hỗn thời điểm nhiệt độ đạt giá trị lớn + Hạ thấp nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông: nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông ảnh hưởng lớn đến giá trị nhiệt độ tối đa khối bê tông Để giảm nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng có nhiều biện pháp như: giảm nhiệt độ cốt liệu hỗn hợp bê tông, sử dụng nước đá thay phần nước, sử dụng nito lỏng để làm mát hỗn hợp bê tông Khi sử dụng biện pháp hạ thấp nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng cần phải tính tốn chi tiết để đạt tính kinh tế tính khả thi biện pháp đưa + Lựa chọn thời điểm đổ bê tơng: thời điểm đổ bê tơng có ý nghĩa quan trọng việc kiểm soát nhiệt độ tối đa khối bê tông Đặc biệt, việc chọn thời điểm đổ bê tơng vào buổi đêm, hay sáng sớm có nhiều lợi như: giảm thiểu nguy tắc đường vận chuyển bê tông đến công trường, giảm xạ mặt trời trình xây dựng Khi xây dựng vào mùa hè: chênh lệch nhiệt độ môi trường ngày lớn, nên tránh hạn chế việc thi công công tác bê tông khối lớn vào thời điểm nhiệt độ cao (khoảng 10h-16h) Khi xây dựng vào mùa đông: lớp bê tông bề mặt tiếp xúc trực tiếp với khơng khí nên hạ nhiệt nhanh so với tâm khối bê tơng Điều dẫn đến, chênh lệch nhiệt độ tâm bề mặt lớn khối bê tơng Vì vậy, biện pháp bảo ôn bề mặt phương án nên áp dụng + Sử dụng hệ thống ống làm mát: biện pháp hiệu để ngăn ngừa hình thành vết nứt sử dụng hệ thống ống làm mát Phương pháp thường sử dụng cho kết cấu khối lớn đập, móng nhà, móng trụ cầu, Hệ thống ống làm mát sử dụng việc xây dựng đập Hoover vào năm 1933 Hoa Kỳ Tiếp theo sử dụng trình xây dựng đập Xiang Hong Dian Trung Quốc năm 1955, nhà máy thủy điện Bureyskaya năm 1978 Nga móng cầu Seo-He Hàn Quốc năm 2000, đập Tuyên Quang vào năm 2002 Việt Nam, (Nguyen & nnk 2019(23)) Sơ đồ bố trí hệ thống ống làm mát khối bê tơng trình bày hình Bên cạnh đó, việc sử dụng ống làm mát điều chỉnh nhiệt độ tối đa khối bê tông thay đổi thời gian trì ống làm mát, nhiệt độ dịng nước Phương pháp cho phép kiểm soát giảm nhiệt độ lớn khối bê tông đến giá trị mong muốn Để sử dụng hiệu hệ thống ống làm mát, cần thiết kế xác tham số ống làm mát (đường kính ống, vật liệu ống, sơ đồ bố trí, ) q trình vận hành CHƯƠNG III MƠ HÌNH HĨA CÁC MẪU THỬ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.1 Các tham số đầu vào mơ hình Các tham số để thực q trình phân tích nhiệt bao gồm loại phần tử lựa chọn tham số đầu vào khác đặc điểm tính chất vật liệu nhiệt độ mơi trường Q trình truyền nhiệt khơng ổn định có nguồn (nguồn nhiệt thủy hóa) tốn phức tạp Do vậy, cần xác định xác nguồn nhiệt đầu vào quan trọng trình phân tích a Mơ tả đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu kết cấu khối lớn bao gồm: khối bê tơng với kích thước 8×6×3 m khối đất có kích thước 16×12×4 m Thành phần hỗn hợp bê tơng sử dụng cho q trình phân tích trình bày Bảng Bảng Thành phần hỗn hợp bê tông (Bui Nguyen, 2020(30)) Vật liệu, kg/m3 Xi măng Xỉ lò cao Tro bay Nước Cốt liệu nhỏ Cốt liệu thô 202 202 202 645 990 b Tính chất nhiệt vật liệu bê tơng Tính chất nhiệt sử dụng để xác định nhiệt độ phân bố khối bê tông bao gồm độ dẫn nhiệt, khối lượng thể tích, nhiệt dung riêng hệ số truyền nhiệt đối lưu Những tính chất phụ thuộc vào tuổi bê tông nhiệt độ, loại xi măng, w/c, loại cốt liệu v.v Để xác định vấn đề khó khăn biến thể thuộc tính lớn phương pháp kiểm tra để có chúng phức tạp Vì vậy, tham số đặc tính nhiệt vật liệu bê tơng tham khảo bảng Bảng Các thông số nhiệt bê tông Thông số nhiệt Bê tông Nền Hệ số dẫn nhiệt, k [W/(m.oC)] 2.90 2.10 Nhiệt dung riêng, C [kJ/(kg.oC)] 1.12 0.85 Trọng lượng riêng,  [kg/m3] 2400 2600 16 c Nguồn nhiệt Thành phần xi măng pooclăng thơng thường có chứa khống clinke C3S, C2S, C3A, C4AF Lượng nhiệt sinh khoáng tác dụng với nước gọi phản ứng thủy hóa Do vậy, phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, thành phần khoáng mà tốc độ phản ứng lượng nhiệt phát khác Với đặc điểm bê tơng vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, lượng nhiệt thủy hóa xi măng khơng kịp ngồi chúng tích tụ bên khối bê tơng Bên cạnh đó, theo nghiên cứu trước Barbara & nnk (2017)(31) tốc độ tỏa nhiệt tỷ lệ thuận với tỷ số diện tích bề mặt nhiệt thể tích bê tơng Điều có nghĩa bê tơng khối lớn tốc độ nhiệt chậm nhiều so với kết cấu bê tơng có kích thước nhỏ Tóm lại, nhiệt thủy hóa tạo từ q trình phản ứng hóa học xi măng với nước Nhiệt thủy hóa đóng vai trị quan trọng đến phát triển trường nhiệt độ yếu tố sử dụng nguồn nhiệt bên khối bê tơng q trình phân tích kết cấu Trong nghiên cứu này, tốc độ nhiệt thủy hóa hỗn hợp bê tơng (Bảng 1) trình bày Hình (Bui Nguyen, 2020(30)) Hình Nhiệt thủy hóa hỗn hợp bê tơng (Bui & Nguyen, 2020(30)) d Nhiệt độ môi trường Các nghiên cứu trước rằng, nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ lớn chênh lệch nhiệt độ khối bê tông (Nguyen & nnk., 17 2018(7)) Trong nghiên cứu này, nhiệt độ khơng khí trung bình miền Nam Việt Nam vào mùa hè 30oC e Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông tươi ảnh hưởng đáng kể đến gia tăng nhiệt độ kết cấu bê tông khối lớn Tuy nhiên, khó khăn để kiểm sốt nhiệt độ vật liệu ban đầu, áp dụng phương pháp làm mát sau sử dụng đường ống làm mát Hiện nay, để giảm nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng có nhiều biện pháp như: giảm nhiệt độ ban đầu cốt liệu, thay phần nước nước đá hay sử dụng công nghệ bơm nito lỏng vào xe bồn bê tông… Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông xác định theo công thức (9) (JCI,2016(24)): To  0, 2(mX TX  mDTD  mCTC )  mN TN 0, 2(mX  mD  mC )  mN (9) Trong đó: mX, mD, mC, mN – tương ứng khối lượng xi măng, đá, cát, nước 1m3 bê tông, kg; TX, TD, TC, TN - tương ứng nhiệt độ cốt liệu xi măng, đá, cát, nước 1m3 bê tông, oC; Hệ số nhiệt dung riêng xi măng, đá, cát, xi măng lấy gần 0,2 kJ/kg.oC; nhiệt dung riêng nước lấy gần bẳng kJ/kg.oC Khi sử dụng phần nước đá để thay nước trộn hỗn hợp bê tơng độ giảm nhiệt độ hỗn hợp bê tông so với không sử dụng nước đá xác định theo công thức (10) (JCI,2016(24)) T  mnuocda 79,6  (To  0) Ef 0, 2(mX  mD  mC )  mN (10) Tuy nhiên, nhiệt độ thực tế sau trộn cao giá trị tính tốn cơng thức (9-10) ảnh hưởng q trình ma sát trộn, tượng nóng học máy trộn bê tông Để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu khối đổ đến chế độ nhiệt bê tông khối lớn, phương án tính tốn tương ứng với nhiệt độ ban đầu 15oC, 20oC, 25oC, 30oC đề xuất 18 f Nhiệt độ đất Nhiệt độ đất mơ hình tính tốn lấy 25oC g Nhiệt độ bên đối lưu Tại biên đối lưu, nhiệt độ phụ thuộc vào loại cốp pha, thời gian tháo ván khuôn, vật liệu bảo dưỡng, phương pháp thời gian bảo dưỡng Đặc biệt, chênh lệch nhiệt độ tâm khối bề mặt khối đổ chịu ảnh hưởng hệ số đối lưu bề mặt bê tông-không khí Giá trị hệ số xác định công thức (11) (Xu & nnk., 2017(31); Zhu, 2014(32); Mehta Monteiro, 2006(33)) 5.6  3.95v, v  5m / s hc   0.78  7.6v , v  5m / s (9) đó: v – tốc độ gió, m/s Trong nghiên cứu này, hệ số đối lưu bề mặt bê tông-ván khuôn nhiệt độ trung bình khơng khí xem khơng đổi có giá trị 12 kcal/m2h°C h Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số giãn nở nhiệt định nghĩa thay đổi thể tích, chiều dài tăng 1oC Hệ số giãn nở nhiệt bê tông kết hợp trình hydrat hóa xi măng cốt liệu Thành phần cốt liệu độ ẩm bê tông ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính Hệ số giãn nở nhiệt bê tông thay đổi nhiều tùy thuộc vào thành phần cốt liệu Đồng thời, độ ẩm ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt chúng Bê tông với độ ẩm cao cho thấy tăng hệ số giãn nở nhiệt tăng nhiệt độ q trình thủy hóa xi măng Điều trở nên quan trọng cần thiết để ngăn ngừa vết nứt bê tông khối lớn Hệ số cho bê tơng nói chung phạm vi (6÷12)x10-6/°C Trong nghiên cứu này, hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính bê tơng lấy x 10-5/°C Bên cạnh đó, giá trị hệ số Poisson’s bê tông tương ứng 0,2 0,3 i Mô đun đàn hồi Mơ đun đàn hồi đặc tính quan trọng vật liệu bê tơng Các tính chất học bê tông phụ thuộc vào tuổi bê tơng q trình đơng cứng chúng Các tính chất thay đổi đạt đến tuổi khoảng 28 ngày Mô đun 19 đàn hồi yếu tố quan cho phân tích trạng thái ứng suất nhiệt xác Có nhiều phương trình đưa để xác định mô đun đàn hồi bê tông phụ thuộc vào quốc gia Trong nghiên cứu này, mô đun đàn hồi bê tơng chọn tương ứng 2.5×1010 N/m2 1.8×1010 N/m2 3.2 Mơ hình phân tích Phần tử 3D solid sử dụng phân tích tốn nhiệt minh họa hình Mỗi phần tử có nút tương ứng bậc tự nhiệt độ nút Hình Phần tử khối Solid 3D sử dụng phân tích PTHH Để tăng tốc độ tính tốn, phần tư mơ hình đối xứng sử dụng để mơ (Hình 7) Lưới phần tử mơ hình gồm 1920 phần tử ứng với 2509 nút Hình Mơ hình phân tích nhiệt 3D cho bê tơng khối lớn, đơn vị m Để phân tích tốn cơ-nhiệt kết cấu bê tông cần khai báo đầy đủ điều kiện biên cho kết cấu Với toán truyền nhiệt – điều kiện biên điều kiện biên nhiệt 20 (4 điều kiện biên bản) Với toán ứng suất – biến dạng điều kiện biên kết cấu Cả hai loại điều kiện biên khai báo để đảm bảo phân tích tồn khối bê tông – Mô tả điều kiện biên trình bày hình aĐiều kiện biên nhiệt bĐiều kiện biên kết cấu Hình Điều kiện biên tốn phân tích trường nhiệt độ trường ứng suất 3.3 Phân tích kết thảo luận Với trợ giúp phần mềm Midas civil, kết từ mơ hình phân tích nhiệt cho phép xác định thay đổi nhiệt độ tâm, bề mặt chênh lệch nhiệt độ tâm bề mặt khối bê tông theo thời gian tương ứng với nhiệt độ đổ ban đầu hỗn hợp bê tơng khác trình bày Hình 9-10 21 (a) - Tpl = 15oC (b) - Tpl = 20oC (c) - Tpl = 25oC 22 (d) - Tpl = 30oC Hình Trường nhiệt độ phân bố khối bê tông với trường hợp nhiệt độ ban đầu khác (a) Tbđ = 15oC (b) Tbđ = 20oC (d) Tbđ = 30oC (c) Tbđ = 25oC Hình 10 Diễn biến nhiệt độ điểm khảo sát tâm bề mặt khối đổ với điều biện nhiệt độ đổ ban đầu khác Kết cho thấy rằng, nhiệt độ ban đầu khối đổ đóng vai trị quan trọng phân bố nhiệt độ khối bê tông, cụ thể là: với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng cao nhiệt độ lớn tâm khối bê tông cao, ngược lại Ảnh hưởng nhiệt độ đổ đến nhiệt độ lớn khối bê tơng q trình bê tơng phát triển cường độ trình bày Hình 10 Rõ ràng, nhiệt độ lớn tâm khối đổ (nút 347) giảm nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông thay đổi 23 giảm từ 30 oC xuống 15 oC Nhiệt độ tâm khối bê tông tăng nhanh đạt giá trị lớn sau khoảng thời gian 2-3 ngày kể từ lúc bắt đầu đổ bê tơng, sau nhiệt độ vị trí giảm dần theo thời gian Nhiệt độ lớn đạt tâm khối đổ tương ứng với trường hợp nhiệt độ ban đầu tbđ = 30oC, 25oC, 20oC, 15oC 61.61oC, 57.00oC, 52.51oC, 48.01oC Trong đó, ảnh hưởng đối lưu, nhiệt độ bề mặt khối đổ (nút 7) làm mát nhanh so với nút bên khối đổ nên độ tăng nhiệt độ nút thấp so với tâm khối đổ giảm nhanh theo nhiệt độ khơng khí a) b) Hình 11 Tương quan nhiệt độ lớn nhất, độ chêch lệch nhiệt độ với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng 24 Hình 11 (a, b) thể mối tương quan nhiệt độ lớn chênh lệch nhiệt độ khối bê tông tương ứng với nhiệt độ ban đầu Có thể nhận thấy cách tuyến tính rằng, nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng tăng lên 1oC nhiệt độ lớn tâm khối đổ tăng tương ứng xấp xỉ ≈1oC Hàm nhiệt độ lớn y1 thu dạng hàm bậc sau: y1 = 34, 41 + 0,94*x với R2 = 0,998 Bên cạnh đó, quy luật phát triển chênh lệch nhiệt độ y2 tâm bề mặt khối bê tông thể hàm bậc tuyến tính (Hình 11b) cho phương trình sau: y2 = 3,07 + 0,71*x với R2 = 0,999 Trong đó: x – nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông Bề mặt khối bê tơng vị trí thường xuất vết nứt nhiệt chênh lệch nhiệt độ tâm bề mặt khối đổ gây Ứng suất nhiệt bề mặt khối bê tông (tại nút 7) vượt ứng suất kéo cho phép ứng với trường hợp nhiệt độ ban đầu vượt tbđ = 30°C (Hình 12) phát sinh vết nứt nhiệt Hình 12 Ứng suất nhiệt bề mặt khối bê tông tương ứng với Tbđ khác 25 Do điều kiện thi cơng thực tế, kết mơ hình cho phép xác định, dự đốn khống chế giá trị nhiệt độ ban đầu khối đổ nhằm tránh phát sinh vết nứt nhiệt thủy hóa sinh Từ đó, đề xuất lựa chọn kết hợp vài giải pháp để làm giảm ứng suất nhiệt phát sinh giai đoạn tuổi sớm ngày bê tông chưa phát triển hết cường độ, cụ thể giảm bớt hàm lượng xi măng cấp phối bê tông để giảm lượng nhiệt thủy hóa sinh ra, làm lạnh hỗn hợp bê tông để giảm nhiệt độ ban đầu khối đổ, sử dụng hệ thống ống nước làm mát để hạ thấp lượng nhiệt bên khối đổ, hay sử dụng vật liệu cách nhiệt bề mặt để hạn chế độ chênh lệch tâm bề mặt khối bê tơng 3.4 Kết luận Có thể thấy rằng, tốc độ tăng giá trị nhiệt độ lớn tốc độ tăng giá trị chênh lệch nhiệt độ cấu kiện bê tông khối lớn khác Tuy nhiên, hai đại lượng quan trọng cần xem xét để ngăn ngừa hình thành vết nứt cấu kiện bê tông khối lớn Theo TCXD 9341:2012 Bê tông khối lớn - Thi công nghiệm thu rõ: Bê tông khối lớn bị nứt hiệu ứng thủy hóa xi măng có đủ yếu tố sau đây: + Độ chênh lệch T điểm vùng khối bê tông vượt 200C, T >200C + Mô đun nhiệt độ MT điểm khối bê tông đạt không 500C/m (MT>= 500C/m) Căn theo TCXD 9341:2012, ta thấy: nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông vượt 25 oC gây chênh lệch nhiệt độ lớn giá trị 20 oC trình bày Hình 7a Giá trị xem giới hạn độ chênh lệch lớn khối bê tông cho phép (15-20) °C theo khuyến cáo kỹ thuật nhằm tránh nguy gây nứt nhiệt Từ kết thu được, tác giả kiến nghị lựa chọn nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tơng hợp lý nhằm tránh hình thành vết nứt bề mặt kết cấu bê tông tuổi sớm ngày 26 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Dựa thành phần cấp phối bê tông đề xuất, kết phân tích PTHH đưa vài kết luận sau: Ở tuổi sớm ngày, trường nhiệt độ khối bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông Khi nhiệt độ ban đầu khối đổ cao làm gia tăng nhiệt độ lớn tâm khối đổ, ngược lại Ứng với nhiệt độ ban đầu khối đổ lớn 25oC gây độ chênh lệch nhiệt độ tâm bề mặt khối đổ vượt giá trị cho phép (15-20)°C Điều cho thấy nguy hình thành vết nứt nhiệt xảy Với phương án nhiệt độ ban đầu tbđ = 30oC, ứng suất kéo nhiệt gây vượt giá trị ứng suất kéo cho phép ứng với giai đoạn bê tơng tuổi sớm ngày Chính điều yếu tố phát sinh nứt nhiệt bề mặt bê tơng khối lớn Do đó, việc cân nhắc áp dụng một vài giải pháp làm giảm ứng suất nhiệt cần thiết điều kiện thi công thực tế đối mặt với trường hợp nhiệt độ ban đầu khối đổ cao Hướng nghiên cứu + Dựa vào nguyên lý cân lượng, xác định lượng đá cần thiết thay nước để thu nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông mong muốn + Đánh giá mức độ ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông đến phát triển cường độ bê tông + Kết phân tích thay đổi nhiệt độ hỗn hợp ban đầu đến trường nhiệt độ bê tông khối lớn cần phải thí nghiệm so sánh, đối chiếu 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ACI 207 – Mass and thermally controlled concrete [2] ACI 301-16 – Specifications for Structural Concrete [3] ACI 116R-90 – Cement and concrete terminology [4] K Barbara, B Maciej, P Maciej, Z Aneta, “Analysis of cracking risk in early age mass concrete with different aggregate types,” in Procedia Eng., Vol 193, pp 234–241, 2017 [5] N A Aniskin, N T Chuc, H Q Long, “Influence of size and construction schedule of massive concrete structures on its temperature regime,” in MATEC Web of Conf., vol 251, 8p, 2018 [6] TCVN 9341:2012 Bê tông khối lớn - Thi công nghiệm thu [7] N T Chuc, P V Thoan, B A Kiet, “The effects of insulation thickness on temperature field and evaluating cracking in the mass concrete,” Electr J of Struc Eng., Vol 18(2), pp 128–132, 2018 [8] Leger, P., Venturelli, J., & Bhattacharjee, S S (1993) Seasonal temperature and stress distributions in concrete gravity dams Part 2: behaviour Canadian journal of civil engineering, 20(6), 1018-1029 [9] Noorzaei, J., Bayagoob, K H., Thanoon, W A., & Jaafar, M S (2006) Thermal and stress analysis of Kinta RCC dam Engineering Structures, 28(13), 1795-1802 [10] Jaafar, M.S., Bayagoob, K.H., Noorzaei, J., Thanoon, W.A., (2007) Development of finite element computer code for thermal analysis of roller compacted concrete dams Advances in Engineering Software 38, 886–895 [11] Sheibany, F., & Ghaemian, M (2006) Effects of environmental action on thermal stress analysis of Karaj concrete arch dam Journal of Engineering Mechanics, 132(5), 532-544 [12] Khanzaei, P., Abdulrazeg, A A., Samali, B., & Ghaedi, K (2015) Thermal and structural response of RCC dams during their service life Journal of Thermal Stresses, 38(6), 591-609 28 [13] Mirzabozorg, H., Hariri-Ardebili, M A., Shirkhan, M., & Seyed-Kolbadi, S M (2014) Mathematical modeling and numerical analysis of thermal distribution in arch dams considering solar radiation effect The Scientific World Journal, 2014 [14] K Barbara, K W Agnieszka, “Early age thermal and shrinkage cracks in concrete structures – description of the problem,” Architec Civ Engi Envir., Vol 2, 8p, 2011 [15] S Worapong, N Hikaru, K Minoru, and I Yasuaki, “Analysis of crack propagation due to thermal stress in concrete considering solidified constitutive model,” J of adv Conc Tech., vol 5(1), pp 99–112, 2017 [16] T V Lam, N T Chuc, B I Bulgakov, P N Anh, “Composition calculation and cracking estimation of concrete at early ages,” in Magazi of Civ.l Eng., Vol 6, pp 136-148, 2018 [17] Bui & nnk (2019) An Evaluation of Thermal Effects on Behavior of a Concrete Arch Dam Songklanakarin Journal of Science and Technology [18] Branco, F A., & Mendes, P A (1993) Thermal actions for concrete bridge design Journal of Structural Engineering, 119(8), 2313-2331 [19] N A Aniskin, N T Chuc, I A Bryansky, D H Hung, “Determination of the temperature field and thermal stress state of the massive of stacked concrete by finite element method,” in Proc of Mos State Univer of Civl Eng., Vol 13(11), pp 1407-1418, 2018 [20] B Kuriakose, B N Rao, G R Dodagoudar, “Early-age temperature distribution in a massive concrete foundation” in Pro Tech., vol 25, pp 107-114, 2016 [21] T A Do, A M Lawrence, M Tia, M J Bergin, “Importance of insulation at the bottom of mass concrete placed on soil with high groundwater” in Trans Res Rec J of the Trans Res Bo., Vol 2342(1), pp 113-120, 2013 [22] Nguyen C.T., Aniskin N.A Temperature regime during the construction massive concrete with pipe cooling Magazine of Civil Engineering 2019 89(5) Pp 156–166 [23] Nguyen, T.C., Luu, X.B Reducing temperature difference in mass concrete by surface insulation Magazine of Civil Engineering 2019 88(4) Pp 70–79 29 [24] A M Lawrence, “A finite element model for the prediction of thermal stresses inmass concrete,” Univer Of Florida, America, 2009 [25] Japan concrete institure (JCI) Guidelines for control of cracking of mass concrete 2016 302p [26] N A Aniskin, N T Chuc, “The thermal stress of roller-compacted concrete dams during construction,” in MATEC Web of Conf., Vol 196, 8p, 2018 [27] P Havlásek, V Šmilauer, K Hájková, and L Baquerizo, “Thermo-mechanical simulations of early-age concrete cracking with durability predictions,” in Mater Sci and Eng., vol 236, pp 32-40, 2017 [28] A Rahimi and J Noorzaei, “Thermal and structural analysis of roller compacted concrete (R.C.C) dams by finite element code,” in Aus J of Bas & App Sci., Vol 5(12), pp 2761-2767, 2011 [29] J Noorzaei, K H Bayagoob, A A Abdulrazeg, M S Jaafar, T A Mohammed, “Three dimensional nonlinear temperature and structural analysis of roller compacted concrete dam,” in CMES, Vol 47(1), pp 43-60, 2009 [30] Anh Kiet Bui, Trong Chuc Nguyen The temperature field in mass concrete with different placing temperatures Civil Engineering and Architecture 8(2): 94100, 2020 [31] Yi Xu, Qing Xu, Shenghong Chen, Xinxin Li, “Self-restraint thermal stress in early-age concrete samples and its evaluation,” in Constr and Build Mater , Vol 134, pp 104-115, 2017 [32] F Zhu, “Thermal stresses and temperature control of mass concrete,” Butterworth-Heinemann, Waltham, 2014 [33] P K Mehta, P J Monteiro, “Concrete: Microstructure, Properties, and Materials,” third ed., McGraw-Hill, New York, 2006 30 ... nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông mong muốn + Đánh giá mức độ ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông đến phát triển cường độ bê tông + Kết phân tích thay đổi nhiệt độ hỗn hợp ban đầu đến trường. .. ngày, trường nhiệt độ khối bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông Khi nhiệt độ ban đầu khối đổ cao làm gia tăng nhiệt độ lớn tâm khối đổ, ngược lại Ứng với nhiệt. .. biến nhiệt độ điểm khảo sát tâm bề mặt khối đổ với điều biện nhiệt độ đổ ban đầu khác 23 Hình 11 Tương quan nhiệt độ lớn nhất, độ chêch lệch nhiệt độ với nhiệt độ ban đầu hỗn hợp bê tông