- Đất ít bị nén và nén tương đối đều;
2.2.4.Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt
Ngày nay các nghiên cứu về nhiệt trong bê tông khối lớn và những cơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt đã tương đối hoàn chỉnh. Các phương trình cơ bản để tính trường nhiệt độ và trường ứng suất trong bê tông khối lớn hầu hết xuất phát như nhau. Nhưng việc giải bài toán nhiệt trong bê tông khối lớn khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, kết quả bài toán phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Với đặc điểm của bài toán như vậy thì việc lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán nhiệt sẽ đáp ứng được yêu cầu đề ra.
Trong luận văn, khi nghiên cứu về trường nhiệt độ và trường ứng suất nhiệt trong đập bê tông trọng lực, tác giả sử dụng phương pháp này.
Việc trình bày phương hướng và phân tích bài toán nhiệt sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đòi hỏi khối lượng lớn, nên nội dung và kết quả bài toán sẽ được trình bày ở phần sau.
2.3. Nguyên lý khống chế nhiệt độ đập bê tông
Đập bê tông sau khi đã đổ, nhiệt độ có sự thay đổi phức tạp làm cho nhiệt độ phát sinh thay đổi, từ đó mà sinh ra ứng suất nhiệt và làm phát sinh các loại vết nứt trong đập bê tông như đã trình bày ở phần trên.
Tuỳ theo từng loại vết nứt mà có nguyên tắc khống chế nhiệt phù hợp. Muốn đề phòng loại vết nứt do bị ràng buộc nơi gần nền đá hoặc nơi bê tông cũ thì nguyên tắc chính là phải giảm thấp nhiệt độ cao nhất của bê tông làm cho nhiệt độ chênh lệch giữa nhiệt độ ổn định và nhiệt độ cao nhất được thu nhỏ lại. Muốn đề phòng
loại khe nứt bề mặt do các ràng buộc bên trong, vấn đề chủ yếu là phải loại bỏ triệt để nhiệt độ bậc thang, giảm bớt chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài chứ không phải hạ thấp nhiệt độ tuyệt đối của bê tông.
Chính vì thế khống chế nhiệt ở bê tông có các nội dung sau đây: [14]
- Một là giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ cao nhất của bê tông với nhiệt độ ổn định.
- Thứ hai: phải làm cho nhiệt độ các điểm đều đặn không hình thành dốc đứng. - Thứ ba: làm cho thân đập nhanh chóng đạt đến nhiệt độ ổn định cuối cùng để tiến hành xử lý bịt khe, làm mất sự đe doạ ứng suất nhiệt tương đối lớn phát sinh trở lại.
Về điểm này đối với đập vòm, đập trọng lực chỉnh thể và đập trọng lực có khe dọc thẳng đứng là rất quan trọng.
Từ đó cho thấy nội dung khống chế nhiệt ở đập bê tông là nhiều mặt, trong đó khống chế nhiệt cao nhất và nhanh chóng phát tán nhiệt lượng là khâu chủ yếu song không phải là toàn bộ nội dung.
Cũng có lúc người ta muốn tiến hành những công việc ngược lại, tức là thêm nhiệt cho bê tông và giữ nhiệt lại.
Ví dụ ở những khu vực giá rét nhất là về mùa đông, khi đổ bê tông phải tăng nhiệt độ vật liệu trộn bê tông sử dụng ván khuôn để giữ nhiệt, bề mặt lộ ra cũng phải che đậy. Khi chênh lệch nhiệt độ ban đầu quá lớn, nhiệt độ không khí đột nhiên hạ thấp, khối bê tông không nên để lộ ra trong thời dài mà nên kịp thời bảo hộ. Nên đề phòng nhiệt độ trong khối bê tông thấp hơn nhiệt độ ổn định quá nhiều.
2.4. Các biện pháp cơ bản về khống chế ứng suất nhiệt trong bê tông
[14], [17], [22], [23], [24],
2.4.1. Giảm lượng tỏa nhiệt (phát nhiệt) của bê tông.
Về mùa hè ở các tỉnh phía Bắc nhiệt độ không khí ngoài trời trên 32oC chiếm khoảng 800giờ/ năm. Vào khoảng thời gian nói trên khi đổ bê tông có khối tích lớn từ 1000 đến 2000m3, trong giai đoạn đầu nếu không có giải pháp làm mát thì nhiệt độ ở vùng trung tâm có thể lên tới 70 - 80oC do nhiệt độ thừa của quá trình nhiệt thủy hóa xi măng. Hiện tượng này gây ra ứng suất nhiệt có thể dẫn đến sự
34
suy giảm chất lượng bê tông do ảnh hưởng của những lỗ rỗng, vết nứt tạo nên trong quá trình đóng rắn bê tông. Để khắc phục hiện tượng trên ta có thể sử dụng những biện pháp sau:
2.4.1.1. Dùng xi măng ít tỏa nhiệt.
Các loại xi măng khác nhau có nhiệt tỏa ra thay đổi rất lớn. Hỗn hợp bê tông ít tỏa nhiệt là sự lựa chọn tối ưu để giảm sự nứt về nhiệt của bê tông. Khả năng tỏa nhiệt của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật trong Clanhke. Các khoáng vật tỏa nhiệt cao là C3A, C3S, tiếp đến là C4AF, C2S. Trong thực tế người ta đã sản xuất được các loại xi măng có thành phần C2S chiếm trên 46%, loại xi măng này nhiệt tỏa ra trong giai đoạn đầu rất thấp (ở tuổi 28 ngày là 40Kcal/kg)
Giải pháp dùng loại xi măng ít tỏa nhiệt đang có xu thế phát triển mạnh. Hiệu quả của giải pháp này khá cao và đã có nhiều kinh nghiệm thực tế. Tuy nhiên giá thành của giải pháp nay thường cao do vấn đề sản xuất xi măng đặc chủng; đặc biệt ở nước ta thì đây là một vấn đề cần cân nhắc.
2.4.1.2. Giảm hàm lượng xi măng trong một m3 bê tông.
Muốn vậy ta có các biện pháp sau:
- Dùng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng như: puzolan, tro bay, phụ gia hóa dẻo để tăng độ lưu thông của bê tông, giảm lượng dùng xi măng. Việc dùng phụ gia khoáng hoạt tính để thay thế 1 phần xi măng nhằm giảm sự tăng nhiệt độ, cải thiện tính lưu động, tăng khả năng chống thấm...Đối với bê tông đầm lăn ở đập Willow Creek, hàm lượng chất kết dính trong bê tông khoảng 66kg/m3, trong đó tro bay là 1966kg/m3, nhiệt độ lúc đổ là khoảng 210C và sự tăng nhiệt độ lớn nhất chỉ khoảng 110C
- Dùng bê tông khô
- Tăng đường kính cốt liệu, tăng đường kính cốt liệu Dmax, cải thiện cấp phối cốt liệu một cách hợp lý, làm cho tổng độ rỗng của cốt liệu lớn giảm nhỏ
- Dùng chất phụ gia hoá dẻo, thuốc gia khí
- Dùng bê tông độn đá hộc: Độn đá hộc trong bê tông có nhiều ưu điểm như: Tiết kiệm được xi măng, nâng cao cường độ nén của bê tông, giảm phát nhiệt trong khối
bê tông. Mặt khác nó cũng có những nhược điểm là: làm giảm cường độ chịu kéo của bê tông, thi công thêm khó khăn phức tạp, nếu điều kiện thi công không tốt sẽ dễ sinh ra các lỗ hổng trong công trình. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Phân vùng ứng lực công trình, dùng mác bê tông khác nhau - Dùng cấp phối hợp lý nhất
- Dùng cường độ bêtông thời kỳ cuối khi thiết kế công trình.
- Phân biệt đặc điểm kết cấu, tính chất chịu lực và tâm quan trọng của các bộ phận công trình để sử dụng mác bê tông thiết kế thích hợp như: ở những nơi chịu áp lực nhỏ, không quan trọng thì dùng mác bê tông thấp, ở những nơi chịu áp lực lớn, cần chống thấm ở những bộ phận quan trọng, thì dùng bê tông ở mác cao. Ngoài ra có thể xét tới cường độ bê tông thời kỳ sau (cường độ bê tông 90, 180 ngày tuổi hoặc 1 năm tuổi) để thiết kế.
Hạ thấp lượng dùng xi măng đơn vị không những hạ thấp được nhiệt độ mà còn có thể hạ thấp giá thành bê tông, tiết kiệm vật liệu xây dựng, ý nghĩa của nó rất lớn.
Các đập bê tông trọng lực được xây dựng trong thời gian cuối những năm 1920 và đầu những năm 1930 đều sử dụng hàm lượng xi măng lớn hơn 223kg/m3. Đập Norris đã được xây dựng bởi chính quyền Tennessê Valley năm 1936 đã sử dụng hàm lượng xi măng cho khối bê tông bên trong là 223 kg/m3. Kết quả cho thấy mức độ nứt nẻ rất lớn, cường độ nén của mẫu trụ bê tông sàng ướt với kích cỡ 150*300mm ở độ tuổi 1 năm là 483 kg/cm2
Đối với đập Hiwassee được xây dựng bởi TVA năm 1940, hàm lượng xi măng của bê tông khối lớn chỉ là 167 kg/m3, à jết quả là đập không bị nứt, và kể từ đó có xu hướng giảm dần lượng xi măng xuống. Xi măng loại II của bê tông khối lớn bên trong là 140 kg/m3 và thậm chí là 126 kg/m3.
Ví dụ thống kê hàm lượng xi măng của một số đập bê tông trọng lực như sau:
Bảng 2.5: Thống kê hàm lượng xi măng trong một số đập
STT Tên đập Loại xi măng Hàm lượng Năm hoàn thành
1 Đập Detroit ở Oregon Loại II 134 1952
36
3 Đập Ilha Solteira ở Brazil Loại II 109 1973
2.4.1.3. Thi công đập bêtông bằng cách dùng khối bê tông đúc sẵn độn trong bê tông thay cho đá hộc.
Thực chất của giải pháp này là tạo nên những vùng bê tông cục bộ “không tỏa nhiệt” thay thế cho một phần bê tông tỏa nhiệt.
* Ưu điểm của phương pháp này:
+ Giảm khả năng phát nhiệt cục bộ ở trong khoảnh đổ.
+ Các khối bê tông đúc sẵn hấp thụ một lượng nhiệt do vùng bê tông đổ sau phát ra ở xung quanh.
+ Tùy theo tỷ lệ khối lượng cục bê tông đúc sẵn trong khoảnh đổ mà phần khối lượng bê tông đổ mới sẽ giảm đáng kể nên nhiệt lượng tỏa ra cũng sẽ giảm đáng kể.
* Nhược điểm: Cần phải có giải pháp xử lý thỏa đáng bề mặt tiếp xúc của cục bê tông cũ và phần bê tông mới đổ. Tại bề mặt tiếp xúc này chế độ nhiệt và ứng suất nhiệt cũng diễn biến phức tạp, cần được xem xét.
2.4.2. Hạ thấp nhiệt độ của khối đổ (làm mát trước).
2.4.2.1. Dùng nước đá, nước lạnh để trộn bê tông, nhằm hạ thấp nhiệt độ ban đầu của bê tông.
Một trong những giải pháp để hạ nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông là hạ nhiệt độ của nước pha trộn.
Để hạ thấp nhiệt độ trong điều kiện ở nước ta, có thể thực hiện một trong những khâu sau:
- Bố trí bể nước làm lạnh có đủ dung tích và được che nắng. - Cho nước đá vào trong bể nước và tốt nhất dùng đá đập vụn. - Lợi dụng thiết bị làm nước đá để chế tạo nước có nhiệt độ thấp Áp dụng:
- Đập Tân Giang nằm trong khu vực có nhiệt độ môi trường rất nóng, nên giải pháp này cũng được áp dụng khi thi công bê tông móng và khống chế nhiệt độ của vữa bê tông khi đổ là nhỏ hơn 200C; đập Lòng Sông là nhỏ hơn 270C
- Đập Sê San 3 cũng đã sử dụng dây chuyền sản xuất bê tông lạnh, hỗn hợp bê tông sau khi ra khỏi trạm trộn là 80C.
- Hay một ví dụ điển hình khi áp dụng sự kết hợp làm mát trước và làm mát sau bởi các ống dẫn lạnh được đặt trong khối bê tông là ở đập Gien Canyon được xây dựng ở nơi mà nhiệt độ không khí mùa hè có thể lên 380C. Nhiệt độ hỗn hợp bê tông đã được làm mát không vượt quá 100C. Cốt liệu đã được làm lạnh và nước đá được nghiền, cả hai đều được sử dụng để đạt được nhiệt độ thấp này. Bằng biện pháp lắp ống dẫn nước lạnh, nhiệt độ lớn nhất của quá trình đông cứng bê tông được giữ thấp hơn 240C.
Ưu điểm: Thực hiện dễ dàng và rất hiệu quả, tiến độ thi công nhanh. Nhược điểm: Giá thành cao.
2.4.2.2. Làm lạnh cốt liệu (đá, sỏi, cát), chủ yếu là cốt liệu lớn trước khi trộn bêtông.
Giải pháp này dễ thực hiện và cần được áp dụng cho các công trình ở Việt Nam. Muốn làm lạnh cốt liệu, ta có thể vận chuyển cốt liệu qua phòng có nhiệt độ thấp hoặc dùng không khí lạnh, nước lạnh phun lên cốt liệu…ngay trước khi cốt liệu được đưa vào trạm trộn. Khi thực hiện giải pháp này, cần chú ý áp dụng những biện pháp để đảm bảo cốt liệu có lượng ngậm nước đều đặn trong suốt quá trình thi công. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qua thực tế các công trình ở Việt Nam cho thấy, nên khống chế nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông đối với các công trình bê tông khối lớn là từ 8-10oC thì hiệu quả khống chế nhiệt độ và nứt nẻ vì nhiệt sẽ rất cao.
38
Hình 2.7: Đá dăm được che mát, tưới ẩm để hạ nhiệt
Áp dụng: Biện pháp làm mát vật liệu trước được áp dụng khi xây dựng đập Norfork từ năm 1941 – 1945. Khi đó người ta đã nghiền nước đá đưa vào nước trộn trong những tháng trời nóng. Với cách làm này hỗn hợp bê tông có thể giảm từ 5-60
2.4.2.3. Đổ bê tông lúc nhiệt độ khí trời thấp như đổ bê tông vào mùa đông, mùa hè đổ bê tông vào ban đêm.
Để hạ thấp nhiệt độ vữa bê tông khi đổ và hạ thấp nhiệt độ cao nhất của bê tông, và làm lạnh trước cho một bộ phận hoặc toàn bộ vật liệu; tránh được sự tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, đề phòng nhiệt lượng xâm nhập ngược vào.
Ví dụ công trình Tân Giang và Lòng Sông: áp dụng đổ bê tông vào ban đêm.
2.4.3. Tăng nhanh tốc độ tỏa nhiệt của bê tông sau khi đổ (làm mát sau)2.4.3.1. Tăng tiết diện tản nhiệt. 2.4.3.1. Tăng tiết diện tản nhiệt.
Kích thước khối đổ bê tông và thời gian nghỉ cách quãng đối với hiệu quả tỏa nhiệt thiên nhiên có rất nhiều ảnh hưởng. Sử dụng đổ tầng mỏng và kéo dài thích đáng thời gian cách quãng có thể làm cho đại bộ phận thủy hóa nhiệt từ mặt lộ ra, từ đó có thể hạn chế nhiệt cao nhất.
Để tăng tiết diện tản nhiệt bằng cách để lại các giếng đứng, khe tản nhiệt. Khi thi công xong, trước khi công trình vận hành phải lấp kín các giếng hay khe tản nhiệt này. Việc lấp các giếng hay khe này phải chờ sau khi khối bê tông được ổn định và chọn thời điểm cuối đông đầu xuân để tiến hành.
2.4.3.2. Khống chế nhiệt độ ở mặt tỏa nhiệt.
Dùng bao tải phủ lên trên bề mặt khoảnh, phun nước lạnh, đặt nước đá lên mặt bê tông để hạ thấp nhiệt độ ở bề mặt khoảnh đổ bê tông mới đổ liên tục trong 10 ngày đầu, do đó có thể tăng tốc độ tản nhiệt. Cần chú ý đảm bảo nhiệt độ tối thiểu để không sinh ra độ chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối bê tông quá lớn để hạn chế nứt nẻ bề mặt.
Biện pháp này giữ được độ ẩm của bê tông và làm mát được môi trường xung quanh
Giảm chiều dày (chiều cao) khoảnh đổ… Bố trí tuần tự khoảnh đổ để kéo dài thời gian giãn cách giữa khoảnh đổ và khoảnh đổ trên nó.
Tại công trình đập Tân Giang năm 2000 đã chia khối đổ thành những khối bê tông lên đến 350-400m3, nhiệt độ lớn nhất trong khoảnh đổ đo được lên đến 54- 560C. Khi thi công đập Lòng Sông năm 2002 đã chia thành những khối có kích thước nhỏ hơn, thể tích khoảnh đổ lớn nhất là 250 m3, nên nhiệt độ trong khoảnh đô được chỉ từ 50-510C (so sánh với khối đổ cùng độ dày là 2m và điều kiện cấp phối bê tông và môi trường tương tự nhau)
Hạ thấp nhiệt độ ở mặt toả nhiệt như tưới nước lạnh.
Tăng tốc độ toả nhiệt bên trong bằng cách chôn đường ống dẫn nước lạnh, chừa giếng đứng trong khối bêtông (xem hình vẽ).
Hình 2.8: Sơ đồ bố trí đường ống làm lạnh trong khối đổ
Biện pháp này được áp dụng vào công trình Tân Giang, Lòng Sông và cho thấy khá hiệu quả.
2.4.3.3. Dùng hệ thống ống thép hoặc ống PVC nhỏ chôn sẵn trong khối bê tông.
40
Các ống này đặt cách nhau từ 1,5-3m làm thành một hệ thống tuần hoàn đặt ngay trong khối bê tông khi đổ. Hệ thống làm lạnh gồm: nhà máy làm lạnh trước, trạm bơm, hệ thống đường ống.
Sau khi đổ bê tông, ta cho nước lạnh chảy qua hệ thống ống này để hạ thấp nhiệt độ trong khối bê tông. Nhiệt độ nước lạnh và tốc độ dòng nước trong ống cần phải khống chế để phòng ngừa nứt nẻ bề mặt xung quanh ống. Nhiệt độ nước trong giai đoạn đầu (sau khi đổ bê tông 4-6h đến 7 ngày) nên bằng nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, sau đó nhiệt độ của nước thấp hơn khoảng 5-60C.
Giải pháp này có ưu điểm nổi bật là: điều hòa nhiệt một cách chủ động, linh hoạt, cho phép hạ nhiệt độ của bê tông một cách tùy ý. Nhiệt độ trong khối bê tông phân bố đều, tránh được sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối với mặt ngoài.
Phương pháp dùng ống thép cũng có nhược điểm lớn là chi phí cao, phức tạp