Nghiên cứu một số nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa về nứt của bê tông đầm lăn

-1- Lời cảm ơn Sau trình học tập nghiên cứu, dạy dỗ, bảo tận tình thầy giáo thuộc trường đại học thủy lợi viện khoa học thủy lợi Việt Nam, tơi hồn thành luận văn thạc sĩ, bước cuối để tốt nghiệp khóa học cao học suốt năm vừa qua Đây niềm tự hào thân tơi, nâng cao trình độ khoa học, trước hết để phục vụ cho công việc viện khoa học thủy lợi Việt Nam; sau đó, mong muốn góp phần cơng sức nhỏ bé phát triển nơng nghiệp nói riêng kinh tế nước nhà nói chung Luận văn nghiên cứu sở lý thuyết, công nghệ vật liệu xây dựng, giới quen thuộc, Việt Nam cịn mẻ, vật liệu bê tơng đầm lăn Nghiên cứu đề cập đến khía cạnh nhỏ vấn đề nứt bê tông đầm lăn Tơi bước đầu xây dựng phần mềm tính tốn cấp phối bê tơng đầm lăn, biện pháp quan trọng phịng ngừa nứt bê tơng đầm lăn Luận văn bước đầu tìm hiểu, đánh giá vấn đề cách tổng quan Tôi nghiên cứu sâu vấn đề nghiên cứu sau, với cấp độ cao Để hoàn thành luận văn này; trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Như Oanh, môn vật liệu xây dựng, khoa cơng trình, trường đại học thủy lợi Hà Nội Thầy hướng dẫn, bảo tận tình trình thực luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Cơng trình nói riêng tồn thể thầy cô giáo trường Đại học Thủy Lợi, viện khoa học thủy lợi Việt Nam nói chung Các thầy, với tận tâm công tác giảng dạy cho kiến thức, học chuyên môn đạo đức năm học vừa qua Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, tới bạn bè, đồng nghiệp ln bên cạnh động viên, giúp đỡ Người cảm ơn Phan Đình Vân Mục lục -2- Mở đầu 04 Chương Tổng quan tình hình xây dựng đập bê tơng đầm lăn vấn đề nứt bê tông đầm lăn 1.1 Những nghiên cứu giới 08 1.2 Những nghiên cứu Việt Nam 13 1.3 Thống kê số cố nứt đập BTĐL giới 18 phân tích nguyên nhân Chương Nghiên cứu, phân tích nguyên nhân gây nứt 2.1 Tính chống nứt BTĐL 2.2 Mơ hình tính đàn hồi chịu nén tĩnh lực bê tơng đầm lăn 2.3 Biến hình kéo dãn cực hạn BTĐL 29 32 35 2.4 Từ biến bê tơng đầm lăn 38 2.5 Biến hình co khơ ẩm BTĐL 2.6 Các loại biến hình khác BTĐL 39 40 2.7 Các số đánh giá tính chống nứt bê tơng 45 Chương Nghiên cứu số biện pháp phòng ngừa, giảm nứt cho BTĐL 3.1 Sử dụng loại xi măng thích hợp 50 3.2 Lựa chọn hợp lý cốt liệu 51 3.3 Khống chế nhiệt độ phòng nứt nẻ thân đập 53 3.4 Trộn tro bay hàm lượng cao làm tăng tính chống nứt bê tơng 3.5 Dùng Magiê oxit (MgO) tăng tính chống nứt BTĐL 3.6 Ảnh hưởng xỉ Phospho đến độ bền nứt BTĐL 3.7 Thiết kế cấp phối BTĐL phù hợp với yêu cầu phòng ngừa giảm nứt 55 59 59 59 Chương Nghiên cứu nứt đề xuất giải pháp giảm nứt đập Sơn La 4.1 Các vết nứt thân đập 68 4.2 Các vết nứt hàng lang đập 82 4.3 Vết nứt khối L2 82 4.4 Các biện pháp bảo vệ 84 4.5 Kết luận 87 Chương Kết luận kiến nghị 89 Mục lục bảng biểu -3- Bảng 1.1 Số lượng đập BTĐL số nước giới Bảng 1.2 Đập trọng lực BTĐL cao 100m xây dựng Trung Quốc 08 09 Bảng 1.3 Đập vịm bê tơng đầm lăn xây dựng Trung Quốc Bảng 1.4 Một số cơng trình đập BTĐL thiết kế xây dựng nước ta 11 14 Bảng 1.5 Cấp phối BTĐL thí nghiệm phịng dùng cho đập Định Bình 15 Bảng 1.6 Cấp phối BTĐL thí nghiệm trường dùng cho đập Định Bình Bảng 1.7 Cấp phối BTĐL thí nghiệm đề nghị dùng cho đập Sơn La 15 Bảng 1.8 Bảng điều tra tình trạng nứt số đập BTĐL giới 18 Bảng 2.1 So sánh mô đun đàn hồi loại bê tơng có cường độ Bảng 2.2 Kết thí nghiệm độ dãn cực hạn bê tơng 34 37 Bảng 2.3 Kết thí nghiệm xác định hệ số biến hình nhiệt độ BTĐL Bảng 2.4 Tỷ số phối hợp bê tông đầm lăn Long Than Bảng 2.5 Tính chống nứt chủ yếu BTĐL Long Than Bảng 2.6 Chỉ số đánh giá tính chống nứt lý tưởng hóa bê tơng BTĐL Long Than 44 48 48 49 Bảng 3.1 Bảng tiêu kỹ thuật xi măng pooc lăng hỗn hợp PCB40 Bảng 3.2 Đặc tính tro bay dùng cho cơng trình Định Bình Bảng 3.3 Nhiệt độ quan trắc khối đổ Bảng 3.4 Cấp phối BTĐL M150 hiệu chỉnh giảm xi măng Bảng 3.5 Nhiệt độ quan trắc khối đổ Bảng 3.6 Hệ số thực nghiệm A B phụ thuộc vào loại cốt liệu lớn Bảng 3.7 Hệ số t phụ thuộc vào tần suất đảm bảo cường độ Bảng 3.8 Hệ số sai số quân phương phụ thuộc vào Cường độ BTĐL 50 56 57 58 58 63 63 64 16 thiết kế Bảng 3.9 Cấp phối BTĐL sử dụng cho đập Sơn La 69 Bảng 4.1 Cấp phối BTĐL đề nghị dùng cho đập Sơn La 90 Mục lục hình vẽ Hình 1.1 Thi cơng đập BTĐL xe lu rung ( Beni-Haroun - Algeri) 13 -4- Hình 1.2 Thi cơng sân bãi cơng nghệ BTĐL Hình 1.3 Bản vẽ phối cảnh đập Sơn La Hình 1.4 Cơng trường thủy điện Sơn La 13 17 18 Hình 1.5 Vết nứt xuất đập Sơn La Hình 2.1 Quá trình thay đổi nhiệt bê tơng khối lớn Hình 2.2 Biến hình nhiệt ứng suất, biến dạng khối bê tông 18 42 43 kiềm chế Hình 3.1 Phần mềm tính cấp phối BTĐL (tính hệ số K1) 67 Hình 3.2 Phần mềm tính cấp phối BTĐL (tính lượng dùng vật liệu 1m3 BT) Hình 4.1 Sơ đồ khoảnh đổ 68 Hình 4.2 Vết nứt bề mặt khối C2 69 Hình 4.3 Sơ đồ vết nứt giả định Hình 4.4 Mặt bố trí hố khoan K3, K4, K5 70 70 Hình 4.5 Mặt cắt hố khoan K3, K4, K5 Hình 4.6 Lõi khoan khối C2 Hình 4.7 Quan trắc nhiệt độ khối C2 Hình 4.8 Sơ đồ mặt vết nứt khối C3 Hình 4.9 Vết nứt khối C3 71 72 73 74 75 Hình 4.10 Quan trắc nhiệt độ khối đổ C3 Hình 4.11 Quan trắc nhiệt độ khối L1-1 Hình 4.12 Quan trắc nhiệt độ khối C5 Hình 4.13 Vị trí vết nứt khối L2 Hình 4.14 Vết nứt A Hình 4.15 Bảo vệ bề mặt khối đổ Hình 4.16 Bảo dưỡng bê tơng BTĐL đổ bề mặt hạ lưu Hình 4.17 Bề mặt hạ lưu phủ bao tải đay bảo dưỡng liên tục 77 79 81 83 84 85 86 87 68 MỞ ĐẦU Bê tông loại vật liệu ứng dụng rộng lớn Thông thường, bê tông hỗn hợp xi măng, cát sỏi, nước phụ gia Theo thống kê thu thập được, -5- giới, lượng xi măng sản xuất hàng năm đạt đến hai tỷ tấn, lượng bê tông sử dụng hàng năm khoảng ba tỷ mét khối Do nói, bê tông sử dụng nhiều xây dựng nói chung Trải qua lịch sử lâu dài, cơng nghệ bê tơng có nhiều kinh nghiệm, liên tục phát triển Từ quan điểm khoa học vật liệu, có ba bước nhảy vọt phát triển công nghệ bê tông: sản xuất xi măng Portland, sáng chế phụ gia nghiên cứu thành phần bê tông Mỗi bước tiến quan trọng công nghệ bê tông thúc đẩy phát triển mạnh mẽ bê tông Bê tông đầm lăn (BTĐL) loại bê tông siêu khô làm chặt đầm rung Đập BTĐL loại đập mới, kiến trúc sư, kỹ sư tìm trình nghiên cứu, tìm kiếm cách thức để xây dựng đập bê tông trọng lực nhanh chóng kinh tế Do chi phí thấp, tốc độ xây dựng nhanh, đập BTĐL sử dụng toàn giới thời gian gần Cũng giống loại bê tông khác, BTĐL bao gồm vật liệu xi măng, phụ gia khoáng, phụ gia tổng hợp, nước, cát, đá Tuy nhiên, tỷ lệ thành phần có khác biệt đáng kể với bê tơng bình thường, khác biệt công nghệ xây dựng Công nghệ BTĐL ứng dụng nước ta đạt thành định Các nhà vật liệu xây dựng qua nghiên cứu nhận thấy rằng: lượng nước (N) u cầu để đảm bảo q trình thuỷ hố xi măng (X) bê tông, thấp nhiều so với lượng nước trộn vào hỗn hợp bê tông truyền thống Mặt khác qua nghiên cứu lí luận cường độ bê tông, thấy cường độ bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/X Vậy giảm lượng nước trộn giảm lượng xi măng hỗn hợp mà cường độ bê tông không thay đổi Do giảm lượng nước trộn nên bê tông khô đất, muốn đầm phải sử dụng máy đầm rung thay đầm dùi bê tơng truyền thống BTĐL hình thành từ ý tưởng đơn giản Công nghệ BTÐL sử dụng bê tông khơng có độ sụt, làm chặt thiết bị rung lèn (lu rung) Cơng nghệ thích hợp sử dụng cho cơng trình bê tơng khối lớn, khơng cốt thép hình dáng khơng phức tạp xây dựng đập, mặt đường Việc sử dụng hỗn hợp bê tơng khơ (khơng có độ sụt) đầm lèn bê tông lu rung giúp cho thi công nhanh hơn, rẻ so với dùng công nghệ thi công bê tông truyền thống Sử dụng BTĐL để xây dựng đập có: Ưu điểm : -6- - Do kế thừa công nghệ thi công giới đập đất nên đập bê tơng đầm lăn có ưu điểm lớn thi công nhanh, hiệu kinh tế cao so với thi công thủ công đập bê tông truyền thống Áp dụng công nghệ đẩy nhanh tiến độ thi cơng, cơng trình sớm đưa vào khai thác vận hành, hiệu kinh tế lớn nhiều so với đập bê tơng truyền thống Những cơng trình có khối lượng bê tơng lớn nên sử dụng cơng nghệ BTĐL - Do sử dụng nước hổn hợp bê tông, lượng dùng xi măng hỗn hợp BTĐL nhỏ Yếu tố làm cho nhiệt lượng thuỷ hoá khối BTĐL nhỏ nhiều so với bê tơng truyền thống Theo vấn đề khống chế nhiệt độ không phức tạp đập bê tông truyền thống phức tạp đập cao, phải sử dụng hệ thống ống làm lạnh bên thân đập, biện pháp hạ nhiệt hổn hợp bê tơng bên ngồi Nhược điểm : Các mặt tiếp xúc lớp đổ kiểm sốt khơng chặt chẽ ảnh hưởng đến khả chống thấm đập Tuy nhiên vấn đề giải triệt để: (1) thiết kế bố trí lớp chống thấm thượng lưu lớp bê tơng biến thái phía thượng lưu bê tơng chống thấm; Sau đập hoàn thành mặt thượng lưu đập xử lý lớp chống thấm dạng kết tinh (Xypex Krystol); Sau lớp bê tông chống thấm hệ thống tiêu nước thân đập (2) Trước thi cơng tiến hành thí nghiệm đầm nện trường để xác định thông số đầm nện, quy trình thi cơng, thời gian khống chế để khơng phát sinh khe lạnh lớp tiếp giáp Về vật liệu chế tạo BTÐL, bao gồm: - Xi măng Ðối với BTÐL dùng cho đập khối lớn, nên sử dụng xi măng có nhiệt thuỷ hố thấp so với nhiệt thuỷ hố xi măng pc lăng thường (TCVN 2682 -1992) loại poóc lăng - puzơlan (TCVN 4033-95) xi măng hỗn hợp xỉ lị cao (TCVN 6260 -1999) hay xi măng toả nhiệt (TCVN 6069-95) Ðối với BTÐL cho mặt đường dùng loại xi măng thông thường dạng xi măng dùng cho kết cấu thông thường khác - Cốt liệu Ðối với BTÐL cho đập, sử dụng cốt liệu có Dmax tới 75mm cao Tuy nhiên việc lựa chọn Dmax cần cân nhắc kỹ kinh tế kỹ thuật Việc sử dụng -7- cốt liệu có Dmax lớn 100mm- 150mm có giảm giá thành vật liệu chế tạo bê tông lại đẩy cao chi phí trộn vận chuyển hỗn hợp bê tơng - Phụ gia khống Phụ gia khống (PGK) puzơlan vật liệu mà thân có khơng có khả đóng rắn với có mặt nước độ ẩm phản ứng với can-xi hy-dro-xit để đóng rắn Puzơlan cho BTÐL cần phù hợp tiêu chuẩn ASTM C618-97 14 TCN 105-97, TCVN 3735-82 - Phụ gia hố học Các cơng trình BTÐL thường sử dụng loại phụ gia: Phụ gia dẻo hoá-giảm nước, giảm nước kéo dài thời gian đông kết số loại phụ gia khí Trên thực tế, việc sử dụng phụ gia dẻo hố dẻo hố chậm đơng kết làm tăng tính dễ thi cơng lu lèn kéo dài thời gian thi công làm cho khả bám dính độ chống thấm vùng tiếp giáp lớp bê tông tăng cường Việc lựa chọn loại tỷ lệ dùng phụ gia hoá học thường vào kết thí nghiệm với vật liệu XM, PGK, cốt liệu cụ thể Một vấn đề giới kỹ thuật xây dựng đập biết đến khơng có đập mà khơng có vết nứt Vấn đề vết nứt đập tính kháng nứt bê tông ý đến nhà khoa học toàn giới Đập BTĐL có vết nứt, nhiều Làm để ngăn chặn làm giảm vết nứt BTĐL trở thành nhiệm vụ quan trọng Để ngăn chặn giảm vết nứt đập BTĐL, nhiều cách khác nhau, nhiều biện pháp thử nghiệm nhiều lĩnh vực vật liệu , xây dựng… Luận văn nghiên cứu tính kháng nứt BTĐL quan điểm khoa học vật liệu đưa cách để cải thiện sức kháng nứt BTĐL dựa so sánh kháng nứt BTĐL bê tơng bình thường Mục đích luận văn sau: đầu tiên, thực nghiên cứu tổng thể biến dạng BTĐL đề xuất cách để cải thiện biến dạng đó, sau đó, so sánh biến dạng tỏa nhiệt BTĐL với bê tơng bình thường nhận kết luận sức kháng nứt BTĐL tốt so với bê tơng thường, cung cấp tảng lý thuyết cho tiến công nghệ BTĐL; cuối cùng, đưa cách để cải thiện sức kháng nứt bê tông, ngăn ngừa làm giảm vết nứt bê tơng, cải thiện điều kiện an tồn tuổi thọ bê tông -8- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu dựa lý thuyết, trước hết, tham khảo nghiên cứu trước BTĐL, phần lớn nghiên cứu Trung Quốc Đưa nguyên nhân giải pháp chống nứt BTĐL Bước đầu sâu vào nguyên nhân gây nứt cấp phối, giải vấn đề này, xây dựng phần mềm tính tốn cấp phối BTĐL dựa lí thuyết Sau đó, tìm hiểu thực tế cơng trình, đập BTĐL Sơn La, cơng trình lớn, thu hút nhiều quan tâm giới khoa học kĩ thuật Trong trình xây dựng đập, xuất vết nứt BTĐL Tiến hành phân tích ngun nhân, đưa giải pháp phịng chống nứt thực tiễn áp dụng cho cơng trình Sơn La Tính tốn, kiến nghị cấp phối sử dụng cho BTĐL đập Sơn La Bố cục luận văn sau: - Chương : nghiên cứu tổng quan công nghệ BTĐL, khảo sát số cố nứt BTĐL giới - Chương : nghiên cứu nguyên nhân gây nứt BTĐL - Chương : đưa giải pháp phòng ngừa, giảm nứt BTĐL - Chương : nghiên cứu cố nứt BTĐL đập Sơn La, biện pháp khắc phục - Chương : tổng kết nội dung, kiến nghị bước nghiên cứu tiếp sau CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BTĐL VÀ VỀ VẤN ĐỀ NỨT CỦA BTĐL 1.1 Những nghiên cứu giới: -9- Về xây dựng đập trọng lực, tính đến 2005, tồn giới xây dựng 300 đập BTĐL với khối lượng tổng cộng khoảng 90 triệu m3 BTĐL Hiện Trung Quốc quốc gia dẫn đầu số lượng đập BTĐL sau Hoa Kỳ, Nhật Bản Tây Ban Nha Bảng 1.1 Số lượng đập BTĐL số nước giới [3] Số Tên Quốc Gia Thể Số Tỷ lệ đập tích theo Tỷ lệ theo BTĐL S.lượng K.lượng% xây % (103 m3) dựng Tên Quốc Gia Thể đập tích BTĐL (103 xây dựng m3) Tỷ lệ Tỷ lệ theo theo S.lượng K.lượng % % Châu Âu Châu Á T.Quốc Nhật Bản 57 43 28.275 20 15.465 15.09 30.50 16.68 Pháp Hy Lạp 234 500 2.1 0.7 0.25 0.54 Kyrgystan Thái Lan 100 5.248 0.35 1.05 0.11 5.66 1 262 1.200 0.35 0.35 0.28 1.29 Inđonesia 528 0.35 0.57 Italy Nga T.B Nha 22 3.164 7.72 3.41 49.616 36.8 53.56 35 5.384 11.9 5.81 Tổng: 105 Nam Mỹ Tổng: Châu Phi Argentina Brazil Chile Colombia Mexico 36 2 590 9.440 2.170 2.974 840 0.35 12.63 0.7 0.7 2.1 0.64 10.18 2.34 3.21 0.91 Algeria Angola Eritrea Ma Rốc Nam Phi 1 11 14 2.760 757 187 2.044 1.214 0.7 0.35 0.35 3.86 4.91 2.98 0.82 Tổng: 51 16.014 16.48 17.27 Tổng: 29 6.962 10.17 7.51 Australia 596 3.15 0.64 Khác 17 7.534 5.96 8.13 Tổng TG 285 92.712 Bắc Mỹ Canada Hoa Kì Tổng: 2.20 1.31 Châu úc 37 39 622 5.081 5.703 0.7 12.98 13.68 0.67 5.48 6.15 Năm 1961 có đê quây tường tâm đập Thạch Môn Đài Loan Trung Quốc năm 1975 Pakistan cơng việc sữa chữa cơng trình, dùng công nghệ BTĐL để thi công Đây lần sớm đập cục xuất BTĐL -10- Đến năm 1980 - 1984 Nhật Bản, Anh, Mỹ xây dựng xong đập bê tông đầm lăn Năm 1986 - 1989 Trung Quốc xây dựng xong đập bê tông đầm lăn Khang Khẩu, Cầu Thiên Sinh, Long Môn Than, Phan Gia Khẩu v.v Qua trình phát triển đến hình thành trường phái cơng nghệ BTĐL giới : Mỹ, Nhật, Trung Quốc Mặc dầu công nghệ BTĐL áp dụng muộn so với nước phương Tây, song đến Trung Quốc với nỗ lực sáng tạo, trở thành đầu đàn giới công nghệ BTĐL này, thể qua yếu tố sau: - Số lượng đập BTĐL xây dựng nhiều so với nước giới - Số lượng đập cao xây dựng nhiều so với nước giới Đập cao nghiên cứu cao 200m - đập Long Than - Cường độ thi công đạt cao giới ( thể tính giới hố cao) - Đã phát minh bê tơng biến thái theo đưa tỷ lệ (BTĐL:Tổng số lượng đập) lên cao giới Trình độ thiết kế đập BTĐL thể thông qua tỷ lệ Tỷ lệ cao thể trình độ cao Lần giới áp dụng công nghệ BTĐL vào đập vòm trọng lực vòm mỏng Bảng 1.2 Đập trọng lực BTĐL cao 100m xây dựng Trung Quốc[6] TT Tên cơng trình Yantan Shuikou Độ cao đập 111 101 Vị trí Chiều dài đỉnh đập Khối lượng bê tông đập / khối lượng BTĐL Xi măng/ Chất phụ gia khác 1992 Sông Hồng Quảng Tây 525 90.5/62.6 90/55(F) 1993 Sông Mân Phúc Kiến 791 171/37.5 60/100(F) Năm hoàn thành ... -93- Trên nghiên cứu số nguyên nhân biện pháp phòng ngừa nứt bê tông đầm lăn Luận văn xây dựng sở nghiên cứu tài liệu chủ yếu dựa vào lí thuyết Một số thực nghiệm trích dẫn từ nghiên cứu trước... dựng đập bê tông đầm lăn vấn đề nứt bê tông đầm lăn 1.1 Những nghiên cứu giới 08 1.2 Những nghiên cứu Việt Nam 13 1.3 Thống kê số cố nứt đập BTĐL giới 18 phân tích nguyên nhân Chương Nghiên cứu, ... nhiều số, để phục vụ cho việc tính tốn cấp phối bê tơng đầm lăn; giải triệt để tốn đề phịng nứt bê tơng đầm lăn cấp phối Tiếp tục nghiên cứu nguyên nhân biện pháp đề phòng nứt, sâu vào nguyên nhân