Đánh giá đặc trưng nhiệt của các mẫu bê tông

Cường độ chịu nén trung bình ở 28 ngày tuổi của hỗn hợp 1 và 2 lần lượt là 36,55MPa và 42,57MPa được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu hình trụ kích thước 300x150mm. Đối với thí nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt, sau khi khử nhiễu tín hiệu nhiệt độ, nhiệt độ đoạn nhiệt đo được của 2 hỗn hợp bê tông được trình bày trên Hình 2.6. Nhiệt độ ban đầu của mẫu 1 là 28,5C và của mẫu 2 là 26,8C. Nhiệt độ của mẫu 1 đạt mức tối đa 66,8C còn của mẫu 2 đạt tối đa là 74C. Sau gần 6 ngày, nhiệt độ trong các mẫu được ghi nhận không tăng thêm.

Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt đo được của hỗn hợp 1 là 38,3C, còn của hỗn hợp 2 là 47,2C, chênh nhau 8,9C. Do hỗn hợp 2 sử dụng nhiều phụ gia siêu dẻo chậm ninh kết hơn cho nên có thể thấy thời điểm tăng tốc thủy hóa của mẫu 2 muộn

hơn một chút so với mẫu 1. Nhiệt độ đoạn nhiệt của hai hỗn hợp BT thường cũng được so sánh với 1 hỗn hợp BTCĐC đã thực nghiệm trước đó. Hỗn hợp BTCĐC có cường độ nén trung bình ở 28 ngày tuổi là 66,34 MPa. Đối với hỗn hợp BTCĐC, do sử dụng phụ gia siêu dẻo nhiều hơn nên quá trình thủy hóa bị chậm lại, nhiệt độ tăng rất chậm từ khi bắt đầu trộn hỗn hợp các vật liệu thành phần. Sau khoảng 16 giờ, phản ứng thủy hóa gia tốc mạnh, làm nhiệt độ của mẫu tăng rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn trong vòng 40 giờ đầu. Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt đo được của hỗn hợp BTCĐC là 54,5C. Đối với 2 hỗn hợp BT thường thì quá trình gia tăng nhiệt độ này kéo dài tới 6 ngày. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này có thể được giải thích là do tỉ lệ nước/chất kết dính của hỗn hợp BTCĐC thấp (0,32) dẫn đến chỉ sau thời gian ngắn lượng nước đã được thủy hóa hết dưới tác dụng thúc đẩy phản ứng của phụ gia siêu dẻo.

Hình 3. 6. Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của 2 hỗn hợp bê tông.

Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của chất kết dính phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ của chất tại thời điểm đo. Nhiệt độ càng cao sẽ càng làm tăng tốc độ phản ứng thủy hóa của chất kết dính. Trong thực tế, các bộ phận cấu kiện BT có điều kiện biên về bề mặt khác nhau (tiếp xúc với ván khuôn, với lớp vật liệu cách nhiệt, trực tiếp với không khí,…), vì vậy các điểm khác nhau trong BT sẽ có nhiệt độ khác nhau và do đó tốc độ sinh nhiệt tại các điểm đó cũng khác nhau.

Folliard đã đưa ra quan hệ giữa mức độ thủy hóa của xi măng với nhiệt lượng tích lũy tại thời điểm t theo công thức dưới đây:

 ( t )H ( t ) (3.1)

Hu

trong đó

(t) - mức độ thủy hóa tại thời điểm t;

H(t) - tổng nhiệt lượng tỏa ra tính đến thời điểm t (J/g);

Hu - tổng nhiệt lượng tỏa ra ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa (J/g), xác định theo công thức (3.2) và (3.3). H u H cem p cem 461 p slag1800 p FA p FACaO (3.2) H

cem  500 pCS  260 pCS  866 pC A  420 pCAF  624 pSO 1186 pFreeCa 850 pMgO (3.3)

3 2 3 4 3

trong đó Hcem – tổng nhiệt lượng thủy hóa của xi măng (J/g).

Để mô tả mức độ thủy hóa theo tuổi tương đương của bê tông, mô hình toán học lũy thừa với 3 tham số được sử dụng khá phổ biến:    s  (3.4)  ( te )uexp   t   e    trong đó:

(te) - mức độ thủy hóa tại thời điểm t;

u - mức độ thủy hóa ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa; te – tuổi tương đương của bê tông (h);

 - tham số thời gian (h); - tham số độ dốc.

Mức độ thủy hóa ở thời điểm cuối cùng được xác định như sau:

 1.031w / c (3.5)

u

0.194 w / c

trong đó: w/c – tỷ lệ nước trên chất kết dính.

 E 1 1  (3.6) te exp a   dt R 273Tc 0   273Tr hay n  E  1 1  (3.7) teexp a   ti R 273Tc i1   273T r trong đó:

Ea- năng lượng kích hoạt biểu kiến, (J/mol); R - hằng số của các khí, R= 8,314 J/K-mol;

Tc - nhiệt độ trung bình của bê tông trong khoảng thời gianti, (°C); Tr - nhiệt độ tham chiếu (thông thường 20°C hoặc 23°C);

ti = ti ti-1 - khoảng thời gian giữa 2 bước thời gian liên tiếp ti và ti-1 (h); i - bước thời gian thứ i, i = 1 n.

Năng lượng kích hoạt biểu kiến là thước đo độ nhạy nhiệt độ của phản ứng hydrat hóa, có thể xác định theo công thức thực nghiệm thiết lập bởi Poole như sau:

E a 41230 1416000 pC3A p C4AF pcem p SO3 p cem (3.8)  347000 pNa2Oeq 19.8 Blaine 29600 pFApFA-CaO  16200 pslag 51600 pSF

trong đó: pFA – tỷ lệ tro bay theo hàm lượng chất kết dính, pFA-CaO – tỷ lệ CaO có trong tro bay, pslag – tỷ lệ xỉ theo hàm lượng chất kết dính, pSF – tỷ lệ silica fume theo hàm lượng chất kết dính, Blaine - độ mịn của xi măng, trong nghiên cứu này lấy bằng 375 (m2/kg), pX – tỷ lệ hàm lượng của chất X (cem = xi măng, C3A, C4AF, SO3) có trong toàn bộ xi măng, pNa2Oeq – tỷ lệ phần trăm Na2O tương đương có trong xi măng.

Từ tỷ lệ thành phần hóa học và khoáng vật của xi măng, năng lượng kích hoạt biểu kiến của 2 hỗn hợp bê tông được xác định Ea = 36011 (J/mol), mức độ thủy hóa ở thời điểm cuối cùng của hỗn hợp 1 và 2 lần lượt làu = 0.744 vàu = 0.716. Để vẽ được đường cong mức độ thủy hóa của mẫu bê tông từ nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm, cần phải xác định tuổi tương đương của bê tông theo công thức

(3.7). Mức độ thủy hóa tỷ lệ thuận với nhiệt lượng tích lũy hay nhiệt độ đoạn nhiệt theo công thức (3.1), do đó có thể vẽ được đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm theo tuổi tương đương của bê tông như trên Hình 3.7.

a) Hỗn hợp 1:1 = 27,91 h,1 = 1,055;

b) Hỗn hợp 2:2 = 31,12 h,2 = 1,0

Hình 3. 7. Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm và hồi quy.

Để sử dụng đường cong mức độ thủy hóa trình bày ở công thức (3.7), cần phải xác định các tham số và từ kết quả thực nghiệm đoạn nhiệt. Giá trị phù hợp nhất của các tham số và được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu. Đối với hỗn hợp 2 hỗn hợp BT trong thí nghiệm này thì các tham số nhiệt thủy hóa

xác định được là: hỗn hợp 1:1 = 27,91 h,1 = 1,055, với R2 = 0,9857; hỗn hợp 2:

2 = 31,12 h,2 = 1,0, với R2 = 0,9917. Các tham số nhiệt thủy hóa của hỗn hợp BTCĐC (với cường độ nén trung bình f’c = 66,34 MPa) đã xác định trước đó là: = 24,98 h, = 1,842. Đường cong thực nghiệm và đường cong hồi quy của mức độ thủy hóa được thể hiện trên Hình 3.7.

Các tham số τ và β là những tham số quan trọng để mô tả đặc tính phát triển nhiệt của bê tông, được sử dụng để đưa vào mô hình phân tích ứng xử nhiệt và sau đó là phân tích ứng suất nhiệt của cấu kiện bê tông.

Công thức xác định nhiệt lượng thủy hóa sinh ra trong một đơn vị thể tích đã được Hiệp hội kỹ sư xây dựng Mỹ- ASCE công nhận [16, 38].

q 1.C .T .e t (3.9)

24 24 max

trong đó: q: nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích, [J/m3]; ρ: khối lượng thể tích của bê tông,[kg/m3]; C: nhiệt dung riêng của bê tông, [J/kg.K]; t: thời gian, [ngày]; α: hệ số thể hiện mức độ thủy hóa; Tmax: nhiệt độ tối đa của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt, [°C].

Từ công thức (3.9), ta có thể xác định được nhiệt thủy hóa của xi măng sinh ra trong một đơn vị thể tích của hai hỗn hợp bê tông C30 và C35 như Hình 3.8: