Kết quả phân tích sự phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa xi măng trên thân trụ cầu T06HB bằng chương trình tính toán TCon 2 (xem Phụ lục 2) đã mô tả được qui luật thay đổi và xác định được sự phân bố nhiệt độ của chúng tại các vị trí và thời điểm khác nhau của bê tông non tuổi. Sau đó, một mô hình phân tích sự phân bố ứng suất do nhiệt thủy hóa của xi măng trên toàn bộ thân trụ với hai lớp vật liệu (vật liệu thuần bê tông tại lõi và vật liệu BTCT sau khi đồng nhất hóa tại lớp vỏ) được thực hiện bằng phần mềm phân tích kết cấu Midas FEA 2016 (V1.1). Kết quả cho thấy ứng suất hình thành do nhiệt thủy hóa tại bề mặt khối trụ trong quá trình thi công có độ lớn đáng kể cần phải phải hết sức lưu tâm vì ứng suất này có khả năng gây ra nứt bề mặt bê tông.
Kết quả phân tích bằng chương trình mô phỏng cơ bản tương đồng với kết quả đo thực tế bằng phương pháp thí nghiệm hiện trường. Cụ thể:
Kết quả mô hình hóa cho vật liệu thuần bê tông và vật liệu BTCT (với hệ số dẫn nhiệt có hiệu) thể hiện ở Hình 4.11 cho thấy sự chênh lệch về nhiệt độ ở các vị trí đặt đầu đo S4 và S4’. Đây là những vị trí sát bề mặt của khối bê tông (cách bề mặt bằng chiều dày lớp vỏ BTCT quy đổi là 142mm). Đây cũng chính là những vị trí mà sự thay đổi về nhiệt độ gây ảnh hưởng lớn nhất đến ứng suất trong bê tông và có khả năng xảy ra vết nứt.
Kết quả đo nhiệt độ thực nghiệm trên một thân trụ cầu thực tế với cấp bê tông C30 và kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh được thí nghiệm trong phòng như trong chương 3 hoặc Hình 3.8 và giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu như trong Bảng 2.1 của Chương 2 cho thấy được sự tương đồng về kết quả mô phỏng với kết quả đo đạc thực tế. Chênh lệch giữa kết quả thực
nghiệm và kết quả mô phỏng dưới 7% đã cơ bản chứng minh được hiệu quả của việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt tương đương. Kết quả cho thấy việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt tương đương cho vật liệu BTCT cho kết quả chính xác hơn việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của riêng vật liệu BT cho vùng vật liệu có cả bê tông và cốt thép.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Trong luận án này, Nghiên cứu sinh đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết phương pháp đồng nhất hóa vật liệu cho bài toán nhiệt để phân tích sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng của kết cấu bê tông cốt thép ở tuổi sớm. Từ đó, so sánh kết quả đạt được từ phương pháp mô phỏng với kết quả đo thực nghiệm một trụ cầu ngoài hiện trường.
Trong đó nghiên cứu tổng quan ở Chương 1 cho thấy vấn đề còn tồn tại cho việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt tương đương của lớp BTCT giống/ gần giống với vật liệu bê tông dẫn tới sự phân tích chưa chính xác về sự hình thành vết nứt của kết cấu bê tông ở giai đoạn thi công. Điều này cần thiết phải đề xuất một phương pháp tính được hệ số dẫn nhiệt tương đương của lớp BTCT và chứng minh được hệ số dẫn nhiệt tương đương này không phụ thuộc vào thời gian. Phương pháp phù hợp với các điều kiện đưa ra là phương pháp đồng nhất hóa vật liệu được đề xuất và áp dụng. Hơn nữa, phương pháp đồng nhất hóa với điều kiện biên theo biến dạng cũng được trình bày một cách chi tiết với mục tiêu để xác định các đặc trưng vật liệu tương đương thay đổi theo thời gian của vật liệu BTCT, các tham số tương đương này sẽ được sử dụng để tính toán các yếu tố phụ thuộc vào thời gian trong quá trình hình thành cường độ của bê tông (trong khoảng 28 ngày đầu) như ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng của bê tông non tuổi.
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan và trình bày chi tiết về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu, ở chương 2, nghiên cứu sinh đã tiến hành xây dựng một chương trình tính toán TCon 1 để xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, chiều dày lớp BTCT sau khi đồng nhất hóa và chứng minh được hệ số dẫn nhiệt tương đương này không phụ thuộc vào thời gian. Sau đó, các kết quả của các đặc trưng vật liệu tương đương thay đổi theo thời gian của lớp vỏ BTCT đạt được bằng việc sử dụng phương pháp đồng nhất hóa với điều kiện biên theo biến dạng. Kết quả của chương này đưa ra bảng tra để xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương và chiều dày tương đương của lớp vỏ BTCT khi biết đường kính cốt thép chủ, cốt thép đai và chiều dày bê tông
bảo vệ tương ứng. Kết quả này nhằm thỏa mãn mục tiêu thứ nhất được nêu ra trong luận án.
Trong chương 3, nghiên cứu sinh đã xây dựng được một quy trình thí nghiệm và xác định được nhiệt độ đoạn nhiệt của quá trình thủy hóa xi măng cho bê tông thông thường sử dụng trong công trình cầu. Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số thời gian và tham số hình dạng được tính toán dựa vào đường cong đoạn nhiệt, đồng thời xác định được mức độ thủy hóa. Đường cong đoạn nhiệt và các tham số nhiệt thủy hóa của hỗn hợp BT thông thường kể trên là các thông số quan trọng để phân tích sự phát triển nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông của kết cấu móng, mố, trụ cầu, từ đó cho phép đánh giá khả năng nứt của bê tông ở giai đoạn thi công để có biện pháp kiểm soát nứt kịp thời. Kết quả đạt được này nhằm thỏa mãn mục tiêu thứ hai của luận án.
Chương 4 đã sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh được thí nghiệm trong phòng như được trình bày chi tiết trong chương 3 và bảng tra giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, chiều dày tương đường của lớp vỏ BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu được nêu trong chương 2 để xây dựng một chương trình tính toán TCon 2 để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất trong một trụ cầu thực tế T06HB. Các kết quả đạt được từ chương trình tính toán này được so sánh với kết quả thực nghiệm và cho thấy được sự tương đồng về kết quả mô phỏng với kết quả đo đạc thực tế. Mục tiêu thứ ba của luận án được thực hiện đầy đủ từ kết quả đạt được trong chương này.
Trong luận án này, nghiên cứu sinh đã tập trung nghiên cứu và có một số đóng góp chính như sau:
+ Xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng nhiệt của bê tông cốt thép bằng lý thuyết đồng nhất hóa (chương trình TCon1): hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng nhất hóa vật liệu BTCT cho các cấu tạo lớp vỏ BTCT đặc trưng của trụ cầu. Tiếp đó, kích thước của phạm vi đồng nhất hóa của lớp vỏ BTCT trên được sử dụng vào phương pháp đồng nhất hóa với điều kiện biên theo biến dạng để
xác định các đặc trưng vật liệu tương đương thay đổi theo thời gian của lớp vỏ BTCT.
+ Xây dựng đường cong đoạn nhiệt cho một số cấp phối bê tông sử dụng trong kết cấu phần dưới của công trình cầu (bê tông cấp thiết kế C30, C35) theo phương pháp đoạn nhiệt trong phòng thí nghiệm và phương pháp bán đoạn nhiệt tại hiện trường.
+ Xây dựng chương trình tính toán sự phân bố nhiệt độ và ứng suất theo thời gian do nhiệt thủy hóa xi măng (chương trình TCon2) để so sánh với kết quả thực đo ngoài hiện trường.
Với các kết quả đạt được trong luận án nêu trên, đã thỏa mãn với các mục tiêu đặt ra ban đầu của luận án.
Kiến nghị
Mô hình nghiên cứu đề xuất trong luận án này có thể tiếp tục phát triển để phân tích bài toán cơ và nhiệt đồng thời để thấy được sự làm việc chung của kết cấu khi chịu tác động trực tiếp của tải trọng.
Trên chiều cao trụ cầu, thực tế có nhiều vị trí thay đổi tiết diện cốt thép để phù hợp với đặc điểm chịu lực của kết cấu, do đó cần xác định ảnh hưởng của đường nứt tại khu vực thay đổi cốt thép này.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Nguyễn Xuân Lam, Thẩm Quốc Thắng (2018), “Phân tích ảnh hưởng của cốt thép đến hệ số dẫn nhiệt của bê tông khối lớn bằng phương pháp đồng nhất hóa số”, Tạp chí Giao thông Vận tải, 6, tr. 38-40.
2. Đỗ Anh Tú, Nguyễn Xuân Lam, Thẩm Quốc Thắng, Hoàng Thị Tuyết, Nguyễn Văn Trường (2019), “Thực nghiệm xác định nhiệt độ đoạn nhiệt từ quá trình thủy hóa cảu xi măng cho bê tông thông thường dùng trong côn trình cầu”, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, 12, tr. 54-58.
3. Nguyễn Xuân Lam, Lê Bá Anh, Vũ Bá Thành, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Ngọc Long (2021), Phân tích phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa xi măng trong trụ cầu bê tông cốt thép ở tuổi sớm bằng phương pháp đồng nhất hóa, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 72, tr. 738-753.
4. Nguyễn Xuân Lam, Lê Bá Anh, Vũ Bá Thành, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Ngọc Long (2021), Xác định các đặc trưng vật liệu tương đương thay đổi theo thời gian của kết cấu bê tông cốt thép bằng phương pháp đồng nhất hóa, Tạp chí Giao thông vận tải, 9, tr. 37-41.
5. Nguyễn Xuân Lam, Lê Bá Anh, Vũ Bá Thành, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Ngọc Long (2021), Phân tích trường ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong trụ cầu bê tông cốt thép bằng phương pháp đồng nhất hóa, Tạp chí Giao thông vận tải, 11, pp. 32-37.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Bộ Khoa học và Công nghệ (2012), TCVN 9341:2012 Bê tông khối lớn – Thi công và nghiệm thu, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội.
2. Bộ Khoa học và Công nghệ (2018), TCVN 11823:2017 Tiêu chuẩn thiết kế cầu trên đường ô tô, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội.
3. Đỗ Thị Mỹ Dung, Nguyễn Trọng Chức, Lâm Thanh Quang Khải (2020), “Ảnh hưởng của kích thước bê tông khối lớn đến sự hình thành trường nhiệt độ và vết nứt ở tuổi sớm ngày”, Tạp chí xây dựng Việt Nam, 1, tr. 11-14.
4. Nguyễn Tiến Đích (2010), Công tác bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
5. Đỗ Anh Tú (2016), “Xác định và đánh giá nhiệt thủy hóa của một số hỗn hợp chất kết dính trong bê tông sử dụng cho kết cấu bê tông khối lớn”, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải.
6. Đỗ Anh Tú (2017), Hiệu ứng nhiệt trong bê tông, NXB Xây Dựng, Hà Nội. 7. Đỗ Anh Tú, Vũ Xuân Thành, Hoàng Việt Hải, Hoàng Thị Tuyết, Nguyễn Hoài
Nam (2019), “Mức độ thủy hóa và sự phát triển cường độ trong bê tông cường độ cao”, Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, 70, tr. 85-94.
8. Trần Bảo Việt, Nguyễn Trung Kiên, Trần Anh Tuấn, Nguyễn Đình Hải (2019),
Đồng nhất hóa vật liệu nhiều thành phần- ứng xử tuyến tính, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
Tiếng Anh
9. Abeka, H., Agyeman, S., Adom-Asamoah, M. (2017), “Thermal effect of mass concrete structures in the tropics: Experimental, modelling and parametric studies”, Cogent Engineering, 4.
10. Algaifi, H. A., Bakar, S. A., Sam, A. R. M. (2018), “Numerical modeling for crack self-healing concrete by microbial calcium carbonate”, Constr. Build. Mater., 189, pp. 816–824.
11. American Concrete Institute (2000), 116R-00: Cement and Concrete Terminology, Reported by ACI Committee 116, USA.
12. American Concrete Institute (2007), 207.2R-07 Report on Thermal and Volume Change Effects on Cracking of Mass Concrete, Report of the ACI Committee 207, USA.
13. Andriolo, F. R., Betioli I. (2015), Itaipu Project-concrete works: Development, Control, Quality, Durability 40 Years later, Editora Cubo, São Carlos.
14. Aniskin, N., Chuc, N. T. (2013), “Temperature regime of massive concrete dams in the zone of contact with the base”, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 365.
15. Bamforth, P. B. (2007), Early age thermal crack control in concrete, CIRIA C660, London.
16. Bamforth, P. B., Chisholm, D., Gibbs, J., Harrison, T. (2013), Properties of Concrete for use in Eurocode 2, The Concrete centre.
17. Bazˇant, Z. P., Baweja, S. (1996), ‘‘Creep and shrinkage prediction model for analysis and design of concrete structures – Model B3”, Materials and Structures, 28, pp. 357-365.
18. Bentur, A., Kovler, K. (2003), “Evaluation of early age cracking characteristics in cementitious systems”, Mater. Struct., 36, pp. 183–190.
19. Bertagnoli, G., Mancini, G., Tondolo, F. (2011), “Early age cracking of massive concrete piers”, Mag. Concr. Res., 63(10),pp. 723–736.
20. Betioli, I., Sá, S. N., Fiorini, A. S. (1997), ‘‘Criteria for control and survey of the cracking of the buttress dam of Itaipu”, XXII Simpósio Nacional de Grandes Barragens, CBDB (Brazilian Committee on Dams), Tema III, São Paulo.
21. Briffaut, M., Bendoudjema, F., Nahas, G., Torrenti, J. M. (2011), “A thermal active restrained shrinkage ring test to study the early age concrete behaviour of massive structures”, Cem. Concr. Res., 41(1), pp. 56–63.
22. Bulsara, V., Talreja, R., Qu, J. (1999), “Damage initiation under transverse loading of unidirectional composites with arbitrarily distributed fibers”,
Compos. Sci. Technol., 59, pp. 673–682.
23. Cervenka, J., Cervenka, V., Pukl, R. (2014), Application of global safety formats from model code 2010 for design and structural assessment by nonlinear analysis, Universities Press, Mumbai, India.
24. Comite Euro- International du Beton (2010), CEB-FIP model code, Design code.
25. Constantinides, G. and Ulm, F. J. (2004). “The effect of two types of c-h-s on the elasticity of cement-based materials: Results from nanoindentation and micromechanical modeling, Cement and concrete research”, 34(1),pp. 67-80. 26. De Schutter, G., Taerwe, L. (1996), “Estimation of early age thermal cracking
tendency of massive concrete elements by means of equivalent thickness”, ACI Mater. J., 93(5), pp. 1–6.
27. Du, X., Ostoja-Starzewski, M. (2006), “On the size of representative volume element for darcy law in random media”, Proc. R. Soc. A., 462, pp. 2949–2963.
28. Edwards, A. J. (2013), Early thermal cracking of mass concrete footings on bridges in coastal environment, MSc Thesis, North Carolina State University, USA.
29. Elvin, A., Sunder, S. S. (1996), “Microcracking due to grain boundary sliding in polycrystalline ice under uniaxial compression”, Acta. Mater, 44, pp. 43–56. 30. Funahashi Jr, E. I., Kuperman, S. C. (2010), ‘‘Study of thermal cracking in the
spillway of a small hydropower plant”, in: VII Simposio sobre Pequenas e Medias Centrais Hidreletricas, CBDB (Brazilian Committee on Dams), Portuguese.
31. Gitman, I. M., Askes, H., Sluys, L. J. (2007), “Representative volume: existence and size determination”, Eng. Fract. Mech., 74, pp. 2518–2534.
32. Havlasek, P., Smilauer, V., Hajkova, K. and Baquerizo, L. (2017), “Thermo- mechanical simulations of early-age concrete cracking with durability predictions”, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 236.
33. Hoang, T. H., Guerich, M., Yvonnet, J. (2016), “Determining the size of rve for nonlinear random composites in an incremental computational homogenization framework”, J. Eng. Mech., 142(5).
34. Huo, X. S, Wong, L .U. (2006), “Experimental study of early-age behavior of high performance concrete deck slabs under different curing methods, Construction and Buiding Materials”, 20(10), pp. 1049-1056.
35. Ingham, J., Leek, D. (2016), ‘‘Forensic engineering of construction materials: lessons learnt from disputes”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Forensic Engineering, 170, pp. 33-44.
36. Itaipu Binacional Website. Available at https://www.itaipu.gov.br/en. [Accessed on October 20th, 2018].
37. Jaroslav, K. (1967), Vy´stavba vodního díla Orlík. Sborník statí (The Construction of Orlik dam), Praha.
38. JSCE (2007), Standard specifications for concrete structures, Materials and Construction.
39. Kanit, T., Forest, S., Galliet I., Mounoury, V., Jeulin, D. (2003), “Determination of the size of the representative volume element for random composites: statistical and numerical approach”, Int J Solids Struct, 40, pp. 3647–3679. 40. Kim, S. G. (2010), Effect of heat generation from cement hydration on mass
concrete placement, Doctoral thesis, Iowa State University, USA.
41. Klemczak, B. (2014), “Modeling thermal-shrinkage stresses in early age massive concrete structures – Comparative study of basic models”, Arch. Civ. Mech. Eng., 14(4), pp. 721–733.
42. Larson, M. (2003), Thermal crack estimation in early age concrete-models and methods for practical application, Doctoral thesis, Lulea University of Technology, Sweden.
43. Lee, M. H., Khil, B. S., Yun, H. D. (2014), “Influence of cement type on heat of hydration and temperature rise of the mass concrete”, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 8, pp. 536- 542.
44. Nguyen, T. C., Huynh, T. P., Tang, V. L. (2019), “Prevention of crack formation