CHƯƠNG 1 : NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.2. Quá trình truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ trong mặt đường BTXM
1.2.1. Các thông số nhiệt lý của vật liệu làm mặt đường
Các thông số nhiệt lý của BTXM bao gồm [35]:
Đại lượng này là nhiệt lượng cần thiết để làm một đơn vị khối lượng hoặc 1 đơn vị thể tích của vật liệu tăng lên 10C.
Nhiệt dung riêng của vật liệu có 2 loại: cv là nhiệt dung riêng theo thể tích (calo/cm3.0C hoặc J/cm3.0C) và cg là nhiệt dung riêng theo khối lượng (calo/g.0C hoặc J/g.0C).
Giá trị của c phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ ẩm của vật liệu và chính trạng thái nhiệt của vật liệu đó; vật liệu có độ rỗng càng lớn thì nhiệt dung riêng càng nhỏ, có độ ẩm càng lớn thì nhiệt dung riêng càng lớn [20], nhiệt dung riêng của bê tông xi măng từ 0,75-1,1 (kJ/kg.0C).
b) Hệ số truyền nhiệt λ [32]
Hệ số truyền nhiệt là nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị diện tích (cm2) trong 1 đơn vị thời gian (s) khi có một gradien nhiệt độ là 10C/cm. Đại lượng này thông số cho khả năng truyền dẫn nhiệt mạnh yếu. Hệ số truyền nhiệt λ
kcal/m.h.0C hay W/m.0C, trong đó 1 kcal/m.h.0C = 1,163 W/m.0C.
có đơn vị là
Hệ số truyền nhiệt của các loại vật liệu xây dựng khác nhau có giá trị khác nhau và có thể tra trong các tài liệu chuyên ngành. Nó phụ thuộc vào thành phần khoáng, độ ẩm, độ chặt và phụ thuộc vào chính trạng thái nhiệt của bản thân kết cấu vật liệu truyền dẫn nhiệt.
Hệ số truyền nhiệt là một hàm và có thể biểu diễn như sau:
λ = f (ρ, w,t) (1.1)
Б. Н. Кауфман đã tiến hành thực nghiệm và tìm được công thức có dạng:
λbt = 0,0935
ρc .2,28 +
0,025
(1.2) Trong đó:
λbt là hệ số truyền nhiệt của BTXM ở trạng thái khô khi nhiệt độ không khí là 25 ± 5 0C (kcal/m.h.
0C); ρc là độ chặt (mật độ) của BTXM ở trạng thái khô (T/m3). Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu. Trong các thí nghiệm chỉ ra rằng độ ẩm tăng thì độ đẫn nhiệt tăng:
Trong đó: λ0 là hệ số truyền nhiệt của BTXM ở trạng thái khô;
w
là độ ẩm của vật liệu làm mặt đường;
công thức thực nghiệm:
aw là hệ số tăng độ dẫn nhiệt do độ ẩm; được xác định bằng
a =Α .ρ2−Β .ρ+
C (1.4)
w 1 1 1
Với ρ trọng lượng riêng của BTXM; Α1 ,Β1 ,C1 là các hệ số thực nghiệm. Hệ số truyền nhiệt tính toán của một số loại vật liệu như: BTXM, cát, đá… thường sử dụng khi xây dựng mặt đường BTXM sân bay được trình bày như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Hệ số truyền nhiệt của một số vật liệu thường sử dụngSTT Loại vật liệu STT Loại vật liệu Trọng lượng đơn vị ở trạng thái khô γk (kg/m3) Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái khô λ0 (Kcal/m.h.0C) Hệ số truyền nhiệt tính toán λ (Kcal/m.h.0C)
1 Đá gra nit, đá Ba zan 2700 3,0 3,0
2 Đá cuội 2500 1,5 2,0
3 Đá vôi 2100 0,9 1,2
4 Cát khô 1700 0,3 0,5
5 Bê tông đá dăm, sỏi 2400 1,3 1,6
6 Bê tông cốt thép - 1,45 1,75
7 Bê tông atsphan 2100 0,9 0,9
8 Nước ở nhiệt độ 200C - 0,58 -
c) Hệ số truyền nhiệt độ a:
Hệ số truyền nhiệt độ a (cm2/s) được xác định theo biểu thức:
a = λ
= λ (1.5)
cv cg .ρ
Trong đó: ρ là khối lượng thể tích khô của vật liệu (g/cm3).
Vì a = f (λ, cv ) nên tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến λ, cv đều ảnh hưởng đến a. Đây là thông số chủ yếu sử dụng khi phân tích bài toán tính toán nhiệt độ trong kết cấu nền mặt đường.
Hệ số truyền nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt dung riêng, khối lượng riêng và do đó cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết khí hậu. Do vậy, không thể lấy giá trị
cố định ở bảng 1.1 để áp dụng cho các trường hợp khác nhau về kết cấu mặt đường ở các địa bàn khác nhau. Từ đó, yêu cầu đặt ra là phải xem xét tính toán hệ số truyền nhiệt theo từng điều kiện cụ thể.
1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mặt đường BTXM
Nội dung này đề cập tới tác động của yếu tố biến đổi nhiệt độ tới mặt đường BTXM, bao gồm biến đổi nhiệt độ trung bình trong tấm và biến đối nhiệt độ ngày đêm tại các vị trí khác nhau từ mặt trên đến mặt đáy dưới theo bề dày mặt đường BTXM.
Trường hợp thứ nhất, theo [14][20][24], sự biến đổi nhiệt độ trung bình trong tấm làm nhiệt độ tấm BTXM tăng hoặc giảm, kéo theo việc tấm bị dãn dài hoặc bị co ngắn lại. Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới sự làm việc của tấm BTXM ở khu vực khe nối (khe co, khe dãn).
Cụ thể, khi nhiệt độ trung bình trong tấm tăng, tấm bị dãn dài. Hai mặt bên của hai tấm BTXM liền kề có xu hướng tiếp xúc chặt chẽ với nhau hơn [53],[50].
Hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) được hình thành do ma sát giữa các mặt này tăng lên, giúp cho các tấm có thể đồng thời làm việc dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (hình 1.4). Độ võng của tấm BTXM ở vị trí khe nối (khi có tải trọng tác dụng) tại khu vực này sẽ giảm đi [40],[80].
Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu ứng aggregate interlock và LTEKhi nhiệt độ trong tấm giảm, tấm bị co ngót [11]. Hai mặt liền kề tách xa nhau Khi nhiệt độ trong tấm giảm, tấm bị co ngót [11]. Hai mặt liền kề tách xa nhau hơn; hiệu ứng chèn móc bị giảm, thậm chí mất hoàn toàn. Khi đó, sự làm việc đồng thời của các tấm khi có tải trọng tác dụng sẽ giảm đi (hình 1.5). Độ võng của tấm BTXM ở vị trí khe nối (dưới tác dụng của tải trọng) tăng lên.
Trường hợp thứ hai là sự biến đổi nhiệt độ ngày đêm theo bề dày tấm BTXM sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ ∆t giữa thớ trên (t1) và thới dưới (t2) của tấm, gây ra hiện tượng uốn vồng [80],[53],[50]. Hiện tượng này có ảnh hưởng trực tiếp tới sự làm việc ở giữa và cạnh tấm.
Cụ thể, ban ngày, do bức xạ mặt trời, thớ trên sẽ có nhiệt độ cao hơn: t1>t2. Do vậy, thớ này bị dãn ra nhiều hơn thớ dưới, gây ra hiện tượng uốn vồng lên. Ban đêm, mặt trên tấm bị nguội nhanh hơn mặt dưới (t1<t2) nên co lại, gây hiện tượng uốn vồng xuống (hình 1.6). Hiện tượng uốn vồng xảy ra càng mạnh nếu ∆t càng lớn.
Hình 1.6. Ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ tới sự uốn vồng của BTXM Nghiên cứu [57] của Mĩ đã chỉ ra độ vồng của tấm BTXM dài 5m, dày 30cm Nghiên cứu [57] của Mĩ đã chỉ ra độ vồng của tấm BTXM dài 5m, dày 30cm (chi
Hình 1.7. Độ vồng do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM [57] Trong đó độ vồng được thể hiện như hình 1.8:
Hình 1.8. Quy ước về độ vồng của tấm BTXM do chênh lệch nhiệt độ
Tại các vị trí tấm bị “tách” khỏi móng, khả năng chịu lực sẽ giảm đi. Do vậy, khi tấm có độ vồng dương (+), độ võng tại tâm tấm tăng lên khi tấm chịu tác dụng của tải trọng (thẳng đứng, từ trên xuống); ở trường hợp độ vồng âm (-), độ võng tại cạnh tấm sẽ tăng lên.