Tiếp xúc với nhiệt độ cao gây ra suy giảm hóa học dần dần trong bê tông. Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông trong quá trình gia nhiệt đƣợc tóm tắt trong Bảng 3.1. Những thay đổi hóa học vi cấu trúc của vật liệu sẽ dẫn đến sự biến đổi các tính chất nhiệt, thủy lực và cơ học của bê tông diễn ra các phản ứng hóa học này.
Bảng 2.2 Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông dƣới tác động của nhiệt độ cao [9]
2.4.1.2. Ảnh hưởng tới độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của bê tông giảm khi nhiệt độ tăng do sự suy giảm của vi cấu trúc. Các vi nứt cản trở sự truyền nhiệt. Hàm lƣợng nƣớc, loại cốt liệu,
loại xi măng và công thức bê tông là những loại các tham số chính ảnh hƣởng đến sự thay đổi của độ dẫn nhiệt. Sự thay đổi độ dẫn nhiệt có thể đo đƣợc khi sự tăng nhẹ đầu tiên khoảng 15% trong khoảng từ 50 đến 90oC (liên quan đến sự tăng độ dẫn nhiệt của nƣớc) trƣớc khi giảm, vì bê tông bắt đầu mất nƣớc do bốc hơi.
Sự biến thiên của biến dạng hồ xi măng và cốt liệu bê tông do nhiệt độ gây ra đã đƣợc trình bày ở phần trên. Trong phần này, sự biến thiên của hồ xi măng và cốt liệu đƣợc mô tả trong Hình 2.4 dƣới đây. Sự biến thiên hoàn toàn trái ngƣợc đƣợc nhận thấy dễ dàng. Trong quá trình nhiệt độ tăng cao, cốt liệu giãn nở liên tục theo chiều tăng của nhiệt độ, tuy nhiên hồ xi măng có giãn nở trong thời gian đầu, sau đó co ngót mạnh sau khi nhiệt độ tăng cao.
Hình 2.5 Cơ chế phá hủy bê tông do sự không tƣơng đồng biến dạng tại giao diện tiếp xúc của hồ xi măng/cốt liệu ở nhiệt độ cao
Hai sự biến thiên trái ngƣợc này tạo ra sự không tƣơng đồng biến dạng tại giao diện tiếp xúc của hồ xi măng và cốt liệu. Do vậy, tại giao diện mặt tiếp xúc xuất hiện ứng suất kéo tại hồ xi măng và ứng suất nén tại mặt cốt liệu (Hình 2.5).
Đề tài đã đƣa ra tổng quan tƣơng đối chi tiết về trạng thái ứng suất cũng nhƣ sự phá hủy của bê tông dƣới tác động của nhiệt độ cao. Các biến dạng của bê tông trong môi trƣờng nhiệt độ cao đã đƣợc phân tích thông qua biến dạng nhiệt của hồ xi măng, của cốt liệu cũng nhƣ biến dạng nhiệt của bê tông khi đồng thời chịu tác động của tải trọng cơ học. Bốn nguyên nhân chính gây phá hủy kết cấu bê tông dƣới tác động của nhiệt độ cao, trong đó hai nguyên nhân quan trọng nhất là gradient nhiệt và áp lực nƣớc lỗ rỗng gây ra sự bong vỡ bề mặt các cấu kiện bê tông. Sự biến dạng không tƣơng đồng giữa vữa xi măng: ứng suất kéo và cốt liệu, ứng suất nén, do vậy tạo sự biến dạng trong bê tông. Các phản ứng lý hóa chính trong bê tông cũng đƣợc mô tả khi nhiệt độ tăng cao. Các phản ứng mất nƣớc chuyển hóa các pha rắn thay đổi cơ bản các thành phần khoáng mang tính cơ học nhƣ C-S-H, portlandit, từ đó làm suy giảm cƣờng độ gây phá hủy kết cấu bê tông.
Để hiểu rõ hơn và phân tích rõ hơn ảnh hƣởng của từng nguyên nhân gây phá hủy kết cấu bê tông cần phải thực hiện những nghiên cứu chuyên sâu hơn về mô phỏng mô hình cũng nhƣ thực hiện các mô hình vật lý. Tổng quan này là bƣớc đầu cơ bản cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về kết cấu bê tông chịu lửa cũng nhƣ nhiệt độ cao tại Việt Nam.
2.5. Bố trí khe co giãn cho công trình
Khe biến dạng (deformation gap, expansion joint, strain joint) là khoảng hở hẹp nhằm tách một công trình thành những phần riêng biệt để hạn chế ảnh hƣởng do sự biến dạng của công trình gây ra nứt nẻ. Khe biến dạng có 3 loại : khe nhiệt, khe lún và khe kháng chấn.
Hay còn gọi là khe co giãn, đƣợc cấu tạo cho các công trình có chiều dài tƣơng đối lớn, mục đích để khắc phục hiện tƣợng co giãn của kết cấu dƣới tác động của nhiệt độ môi trƣờng. Khe co giãn đƣợc sử dụng khi nhà có kích thƣớc khá lớn (50 – 60m).
Hình 2.6 Cấu tạo khe nhiệt
Trong xây dựng, khe nhiệt có vai trò quan trọng và rất cần thiết đối với các công trình xây dựng. Nhƣ mọi ngƣời thƣờng biết, bê tông, các cấu trúc của công trình xây dựng đều có thể bị giãn nở (khi gặp nhiệt độ nóng sẽ nở ra và khi gặp nhiệt độ lạnh sẽ co vào). Điều này sẽ gây ảnh hƣởng đến các công trình xây dựng, gây ra tình trạng các vết nứt trên bề mặt của cấu trúc, gây ra các biến động hoặc các chấn động cho các công trình xây dựng từ bê tông… Nhờ có khe nhiệt tạo ra khoảng hở, giúp tƣờng, sàn, mái…công trình có thể dãn nở tự do đƣợc, giúp các công trình bê tông này vẫn đủ khả năng chịu đƣợc với biên độ cố định khi nhiệt độ môi trƣờng thay đổi. Vì thế, ngƣời kỹ sƣ xây dựng công trình cần phải tính toán rõ ràng về độ giãn nở của khe nhiệt để lắp đặt sao cho hợp lý. Một sự tính toán sai lệch về khe nhiệt sẽ dẫn đến ảnh hƣởng khá lớn cho công trình xây dựng về thẩm mỹ, về độ đảm bảo an toàn…
* Cấu tạo của khe nhiệt và khi nào cần bố trí khe nhiệt?
Về mặt cấu tạo: Khe nhiệt chỉ cần cắt qua thân (không cắt qua hầm và móng ) công trình, phân công trình thành các phần từ trên của móng đến mái. Tại vị trí móng, khe nhiệt đƣợc làm chung nhƣng tại vị trí tƣờng thì phải tách ra.
Các công trình cần sử dụng khe nhiệt: Việc chia cắt công trình, nhất là các công trình nhà cao tầng cần phải đƣợc hạn chế bởi khi dao động dƣới ảnh hƣởng của
địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hƣ hỏng công trình. Tuy nhiên, có những trƣờng hợp cần phải tiến hành việc chia cắt, bố trí khe nhiệt.
Đối với kích thƣớc mặt bằng công trình quá lớn (vƣợt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình thì bắt buộc phải bố trí khe nhiệt. Khe nhiệt thƣờng có bề rộng bé hơn 50mm (thƣờng là 20 -30 mm).
Hình 2.7 Cấu tạo mô hình khe nhiệt
Đối với nhà cao tầng: bề rộng của khe nhiệt phụ thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tƣờng ngoài của công trình (nếu tƣờng ngoài lắp ghép thì khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m, nếu tƣờng ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m).
Hình 2.8 Xử lý sự cố khi không có khe nhiệt
* Bề rộng của khe nhiệt và cách xử lý khe nhiệt?
Bề rộng của khe nhiệt: bề rộng của khe nhiệt còn phụ thuộc vào vị trí của công trình
Nếu công trình có vị trí bình thƣờng (không có tác dụng của động đất, lún,..) thì thông thƣờng khe nhiệt có bề rộng nhỏ hơn 50mm
Hình 2.9 Khe nhiệt cho công trình cầu đƣờng
Nếu công trình ở vị trí chịu tác dụng của động đất thì bề rộng của khe nhiệt phải lớn hơn tổng chuyển vị ngang của hai đỉnh công trình dƣới tác dụng của tải trọng
động đất. Điều này tránh cho các phần của công trình không bị va đập vào nhau khi công trình rung lắc do sang chấn
Cách xử lý khe nhiệt: Sau khi các công trình đƣợc hoàn thiện, cần có các biện pháp thích hợp và an toàn để lấp khoảng hở của khe nhiệt (bởi khe nhiệt có khoảng hở lớn). Ngoài việc đảm bảo dãn nở tự do, khe nhiệt cần phải đƣợc chống thấm, chống dột đúng quy cách.
2.5.2. Khe lún
Khe lún đƣợc cấu tạo trong công trình có sự chênh lệch lớn giữa các khối nhà, ví dụ nhƣ trong một công trình vừa có cả khối thấp tầng, vừa có cả khối cao tầng. Khe lún còn đƣợc sử dụng khi công trình xây trên nền đất có sức chịu tải khác nhau.
2.5.3. Cấu tạo
* Khe nhiệt và khe kháng chấn chỉ cần cắt qua thân (không cắt qua hầm và móng) * Khe lún: cắt qua thân hầm và móng. Khoảng cách khe lún quy phạm là > 24 (m).
Phân chia công trình bằng khe co giãn, khe chống động đất và khe lún khi thiết kế nhà cao tầng cố gắng điều chỉnh hình dáng và kích thƣớc mặt bằng bởi các giải pháp kết cấu và thi công để hạn chế việc chia cắt này sẽ dẫn đến sự bất lợi cho kết cấu công trình; thứ nhất: vì tải trọng công trình lớn nên tại hai bên khe lún cấu tạo móng gặp khó khăn; thứ hai: khi dao động dƣới ảnh hƣởng của địa chấn dễ gây ra xô đẩy làm hƣ hỏng công trình.
Việc chia cắt công trình cần phải đƣợc hạn chế, song trong những trƣờng hợp sau đây thì việc chia cắt cần đƣợc tiến hành.
Đối với khe co giãn: khe co giãn cần phải bố trí khi kích thƣớc mặt bằng công trình quá lớn (vƣợt giá trị cho phép theo tiêu chuẩn) mà không có các biện pháp kết cấu và thi công đảm bảo tính an toàn cho công trình. Đối với nhà cao tầng khoảng cách cho phép giữa hai khe co giãn phụ thuộc vào hệ kết cấu chịu lực công trình và kết cấu tƣờng ngoài của công trình. Với hệ kết cấu khung vách BTCT toàn khối nếu tƣờng ngoài lắp ghép thì khoản cách cho phép giữa hai khe co giãn là 65m, nếu tƣờng ngoài liền khối thì khoảng cách cho phép là 45m. Đối với khe lún: Khe lún của các bộ
phận công trình chênh lệch nhau có thể làm cho công trình bị hƣ hỏng. Những trƣờng hợp sau đây thì không nên bố trí khe lún:
+ Công trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc trên các nền đƣợc gia cố đảm bảo độ lún của công trình là không đáng kể.
+ Với việc tính lún có độ tin cậy cao thể hiên độ chênh lún giữa các bộ phận nằm trong giới hạn cho phép. Đối với khe phòng chống động đất : khe phòng chống động đất đƣợc bố trí tại các công trình đƣợc thiết kế chống động đất trong các trƣờng hợp sau :
+ Kích thƣớc mặt bằng vƣợt giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn. + Nhà có tầng lệch tƣơng đối lớn.
+ Độ cứng và tải trọng của các bộ phận nhà chênh lệch nhau.
Việc tạo khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún cần tuân theo các nguyên tắc sau:
+ Các khe co giãn, khe phòng chống động đất và khe lún nên bố trí trùng nhau.
+ Khe phòng chống động đất nên đƣợc bố trí suốt chiều cao của nhà, nếu trong trƣờng hợp không cần có khe lún thì không nên cắt qua móng mà nên dùng giải pháp gia cố thêm móng tại vị trí khe phòng chống động đất.
+ Khi công trình đƣợc thiết kế chống động đất thì các khe co giãn và khe lún phải tuân theo yêu cầu của khe phòng chống động đất.
Độ rộng của khe lún và khe phòng chống động đất cần đƣợc xem xét căn cứ vào chuyển vị của đỉnh công trình do chuyển dịch móng sinh ra. Chiều rộng tối thiểu của khe lún và khe phòng chống động đất đƣợc tính theo công thức: δmin= V1 + V2 + 20mm
Trong đó: V1 và V2 là chuyển dịch ngang cực đại theo phƣơng vuông góc với khe của hai bộ phận công trình hai bên khe, tại đỉnh của khối kề khe có chiều cao nhỏ hơn hai khối.
(0.7*10-5)/oC^(-1) x (40oC-5oC) x 100 m = 2.45cm.
2.6. Trƣờng nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông
Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn. Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vƣợt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ bị nứt. Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố nhƣ: quá trình co khô do mất nƣớc, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông. Vì vậy, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát đƣợc sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông.
Sự hình thành và phân bố trƣờng nhiệt độ trong bê tông khối lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng nhƣ các yếu tố bên ngoài lên quan đến môi trƣờng và công nghệ thi công. Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lƣợng phần tử; loại phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại và hàm lƣợng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng, kích thƣớc kết cấu; cấp phối bê tông. Các yếu tố bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên nhƣ: các thông số môi trƣờng (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phƣơng pháp bảo dƣỡng bê tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông; hệ số trao đổi nhiệt. Trong thi công các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp hiện nay có nhiều kết cấu có khối tích rất lớn nhƣ dầm, sàn chuyển, đài móng nhà siêu cao tầng, móng máy… Với những kết cấu này lƣợng nhiệt thủy hóa xi măng rất lớn, mặt khác sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong lòng khối bê tông khá phức tạp. Tuy nhiên, việc xác định trƣờng nhiệt độ, ứng suất của những kết cấu này là rất khó khăn, do số lƣợng phần tử, số biến và các thông số về điều kiện biên khá lớn.
2.6.1. Lý thuyết về quá trình truyền nhiệt và ứng suất do hiệu ứng nhiệt
2.6.1.1. Phương trình vi phân chủ đạo của quá trình truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt ba chiều trong môi trƣờng bất đẳng hƣớng đƣợc mô tả bởi phƣơng trình:
(2.1) trong đó: ρ: khối lƣợng thể tích của bê tông, [kg/m3
]; C: tỷ nhiệt của bê tông,
[kcal/kg.0C]; T(x,y,z,t): nhiệt độ tại toạ độ (x,y,z) tại thời điểm t, [0C]; λx, λy, λz: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu theo các phƣơng x,y,z; q: nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích, [kcal/m3].
Các điều kiện biên:
Tại biên nhiệt độ không đổi T = T0: T (x, y, z, t) = T0 với t > 0 (2.2) Tại biên truyền nhiệt:
(2.3)
Tại biên đối lƣu:
(2.4)
trong đó: nx; ny; nz : cosin chỉ phƣơng của mặt truyền nhiệt đang xét; q(t): nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích tại thời điểm t, [kcal/m3 ]; hc: hệ số đối lƣu, [kcal/m2 .h.0C]; T∞: nhiệt độ tại mặt đối lƣu, [0
C].
2.6.1.2. Các thông số tính toán nhiệt
a. Nguồn nhiệt và tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông
Xi măng pooclăng thông thƣờng có chứa các thành phần khoáng clinke nhƣ C3S, C2S, C3A, C4AF. Khi tác dụng với nƣớc, xảy ra phản ứng thủy hóa các khoáng clinke sinh ra nhiệt. Tùy theo hàm lƣợng xi măng, thành phần của từng khoáng mà tốc độ phản ứng và lƣợng nhiệt phát ra khác nhau. Do bê tông là vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, nên lƣợng nhiệt thủy hóa của xi măng không kịp thoát ra ngoài và tích tụ trong lòng khối bê tông. Mặt khác do tốc độ tỏa nhiệt tỷ lệ thuận với tỷ số diện tích bề mặt thoát nhiệt trên khối tích bê tông, nên đối với bê tông khối lớn tốc độ thoát nhiệt là chậm hơn rất nhiều so với các kết cấu bê tông thông thƣờng. Vì vậy có thể xem quá
trình trao đổi nhiệt trong khối bê tông khi diễn ra phản ứng thủy hóa của xi măng và đóng rắn của bê tông là quá trình đoạn nhiệt. Lƣợng nhiệt thoát ra từ phản ứng thủy hóa xi măng chính là năng lƣợng của quá trình này, hay nói cách khác chính là nguồn nhiệt của quá trình truyền nhiệt trong bê tông. Đại lƣợng q ở công thức (2.1) chính là nguồn nhiệt trên một đơn vị thể tích. Tại cuộc hội thảo về phân tích kết cấu bê tông cốt thép bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn năm 1985 tại Tokyo - Nhật Bản, Tanabe