CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT THỦY HÓA ĐẾN
3.2. Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi công tháp cầu Cửa Đại
3.2.2. Phân tích kết quả
- Nhiệt độ (Temperature): Theo kết quả phân tích, nhiệt độ trong các khối bê tông là một kết quả đặc trưng của phân tích thủy nhiệt. Do quá trình thủy hóa, nhiệt độ trong bê tông trong giai đoạn đầu tăng lên và sau đó giảm dần theo thời gian (hình 3.18). Ở đây nhiệt độ cao nhất xuất hiện trong giai đoạn thi công 1, vào thời điểm 72 giờ sau khi đổ bắt đầu đổ bê tông với nhiệt độ là 72,7oC (nhiệt độ tại nút N2727 - nút tại tâm bệ). Vùng nhiệt độ cao tập trung tại giữa bệ và giảm dần về xung quanh bệ.
Biểu đồ trường phân bố nhiệt độ tại các thời điểm khác nhau cho thấy thời gian đầu nhiệt độ phân bố khá đều tại các điểm trong lòng khối bê tông, nhưng càng về sau vùng xung quanh tâm khối nhiệt độ tăng cao cùng với thể tích vùng này co nhỏ lại.
Điều này có thể giải thích như sau: thời gian đầu sau khi đổ bê tông, vữa bê tông vẫn ở dạng lỏng, khả năng đối lưu và truyền nhiệt tốt nên nhiệt độ phân bố đều. Càng về sau, khi bê tông bắt đầu đóng rắn, nhiệt lượng phát ra từ phản ứng thủy hóa xi măng bị tích tụ trong lòng khối và làm nhiệt độ vùng xung quanh tâm tăng rất cao.
Nút N2727 Nút N4759
Nút N2745 Nút N4773 Nút N6801
Từ kết quả phân tích tại biểu đồ nhiệt độ tại 5 nút như hình 3.18, ta nhận thấy nhiệt độ cao nhất tập trung tại tâm khối bê tông (Nút N2727 và nút N2745), tại hai vị trí này hầu như diễn biến nhiệt độ như nhau và giảm dần. Tại nút N4759 và nút N4772 trong khoảng thời gian từ 0 giờ cho đến 130 giờ gần như diễn biến giống nhau, sau đó nhiệt độ tại nút N4772 bắt đầu tăng lên khi tiến hành đổ bê tông giai đoạn 2. Tương tự như nút N4759 và nút N4772, nút N6801 cũng nằm tại mặt thoáng nên biểu đồ nhiệt độ diễn biến tương đối giống nhau, nhiệt độ tăng nhanh trong khoảng thời gian 20 giờ sau khi đổ bê tông và bắt đầu giảm dần về nhiệt độ môi trường.
Tại các biên, đặc biệt là biên tự do (mặt thoáng của khối bê tông) nhiệt độ có tăng nhưng không lớn và nhanh chóng giảm nhiệt độ về nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nằm trên biên tự do và tâm khối là rất lớn. Tại tuổi 72 giờ: nhiệt độ tại tâm là 72,70C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 32,70C, chênh lệch nhiệt độ ΔT = 400C (hình 3.18).
Hình 3.18. Biểu đồ nhiệt độ tại 5 nút
Hình 3.19. Biểu đồ nhiệt độ tại nút N2727 (tại tâm bệ)
Một số biểu đồ trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông
Hình 3.20. Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 10giờ
Hình 3.21. Trường nhiệt độ lúc 20giờ
Hình 3.22. Trường nhiệt độ lúc 30giờ
Hình 3.23. Trường nhiệt độ lúc 40giờ
Hình 3.24. Trường nhiệt độ lúc 50giờ
Hình 3.25. Trường nhiệt độ lúc 60giờ
Hình 3.26. Trường nhiệt độ lúc 72giờ
Hình 3.27. Trường nhiệt độ lúc 80 giờ
Hình 3.28. Trường nhiệt độ Lúc 100 giờ
Hình 3.29. Trường nhiệt độ cao nhất
Hình 3.30. Trường nhiệt độ thấp nhất
- Ứng suất (Stress): Các giá trị ứng xuất trong các phần tử khối do thủy nhiệt hoàn toàn tương tự như ở các bài toán khác. Để xem kết quả ứng suất mong muốn, người dùng chọn giai đoạn thi công, thời gian (bước thi công) và phương ứng suất.
Từ kết quả phân tích ta thấy ứng suất trong khối bê tông ở thời gian đầu sau khi đổ bê tông chủ yếu là ứng suất nén, ứng suất kéo chỉ xuất hiện chủ yếu ở mặt thoáng và xung quanh các góc cạnh ván khuôn. Điều này có thể được giải thích là do trong khoảng thời gian này là giai đoạn tăng nhiệt khối bê tông, khi đó phần bê tông phía trong có xu hướng nở nhiệt nên ứng suất phát sinh chủ yếu trong khối là ứng suất nén.
Trong khi đó ở mặt thoáng và góc ván khuôn bê tông bị giảm nhiệt độ nhanh (ra môi trường không khí và qua ván khuôn) sẽ có xu hướng co, nhưng do bị các lớp phía trong có nhiệt độ cao hơn kìm giữ và là nguyên nhân phát sinh ra ứng suất kéo của lớp bê tông ở những vị trí này. Khi ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của bê tông thì bê tông sẽ bị nứt.
Thay đổi của ứng suất tại tâm khối bê tông và sự phát triển của cường độ chịu kéo của bê tông được thể hiện ở hình 3.31. Qua biểu đồ nhận thấy rằng: trong giai đoạn tăng nhiệt độ của khối bê tông (60 - 80 giờ đầu đóng rắn) ứng suất nén tại tâm khối tăng dần. Trong giai đoạn hạ nhiệt (sau 90 - 100 giờ) ứng suất nén giảm dần do có sự cân bằng với ứng suất kéo bắt đầu xuất hiện trong tâm khối. Trị số của ứng suất kéo tăng dần tùy theo mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và biên của khối bê tông (hình 3.31). Nếu giá trị ứng suất kéo này vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông tại cùng thời điểm thì bê tông sẽ bị nứt.
Căn cứ vào kết quả phân tích có thể dự đoán được qui luật phát triển cũng như giá trị của nhiệt độ và ứng suất trong bê tông để đưa ra được phương án thi công kết cấu bê tông hợp lý hoặc các biện pháp xử lý kịp thời trong quá trình bảo dưỡng phòng chống nứt, đảm bảo chất lượng cho bê tông khối lớn.
Từ biểu đồ ứng suất tại nút N4759 (nút bề mặt) ta nhận thấy sau khi đổ bê tông 20 giờ, ứng suất tại bề mặt bắt đầu vượt ứng suất kéo cho phép, dẫn đến thời điểm này bắt đầu xuất hiện vết nứt. Giai đoạn này kéo dài đến thời điểm khoảng 130 giờ. Ứng suất cao nhất là 4,46Mpa trùng với thời điểm nhiệt độ trong khối bê tông đạt nhiệt độ cao nhất.
Từ các biểu đồ trường phân bố ứng suất ta nhận thấy ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện tại bề mặt khối bê tông do chênh lệch nhiệt độ tại vị trí này là lớn nhất. Vì vậy, nguy cơ xuất hiện vết nứt tại bề mặt là cao nhất. Điều này chứng tỏ sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê tông ảnh hưởng rất lớn đến ứng suất của khối bê tông.
Hình 3.31. Biểu đồ ứng suất tại nút N2727 (tại tâm bệ)
Hình 3.32. Biểu đồ ứng suất tại nút N4759 (nút bề mặt)
Hình 3.33. Biểu đồ ứng suất tại 2 nút N2745 và N4772 Một số biểu đồ trường ứng suất trong khối bê tông
Hình 3.34. Trường ứng suất lúc 10 giờ
Hình 3.35. Trường ứng suất Lúc 30 giờ
Hình 3.36. Trường ứng suất Lúc 50 giờ
Hình 3.37. Trường ứng suất Lúc 60 giờ
Hình 3.38. Trường ứng suất lúc nhiệt độ cao nhất (72 giờ)
Hình 3.39. Trường ứng suất Lúc 80 giờ
- Chuyển vị (Displacement): Thông qua các biểu đồ trường chuyển vị, chuyển vị lớn nhất trong khối xảy ra lúc nhiệt độ trong khối bê tông ở giai đoạn phát triển nhiệt mạnh nhất với giá trị là 5,4mm và xuất hiện tại vị trí biên của khối bê tông từ thời điểm 50-72 giờ. Sau đó, chuyển vị giảm dần theo nhiệt độ giảm dần trong khối bê tông. Điều này chứng tỏ sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê tông ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển vị của khối bê tông.
Một số biểu đồ trường chuyển vị trong khối bê tông:
Hình 3.40. Trường chuyển vị lúc 10 giờ
Hình 3.41. Trường chuyển vị lúc 30 giờ
Hình 3.42. Trường chuyển vị Lúc 50 giờ
Hình 3.44. Trường chuyển vị Lúc 72 giờ
Hình 3.45. Trường chuyển vị Lúc 80 giờ
Hình 3.46. Trường chuyển vị Lúc 100 giờ
Hình 3.47. Trường chuyển vị Lúc 130 giờ
Hình 3.48. Trường chuyển vị Lúc 140 giờ
Hình 3.49. Trường chuyển vị Lúc 730 giờ
Hình 3.50. Trường chuyển vị Lúc 1030 giờ
- Quan hệ giữa ứng suất kéo cho phép so với ứng suất gây nứt (Crack ratio) Từ biểu đồ cho thấy từ thời điểm kết thúc đổ bê tông đến thời điểm 20 giờ sau khi đổ bê tông, hệ số gây nứt bắt đầu giảm từ 20 đến hệ số thấp nhất là 0,6. Thời điểm xuất hiện ứng suất kéo lớn nhất bắt đầu từ 20 giờ - 120 giờ tuổi (Crack ratio = 0,6-1), sau đó tăng dần, đến khoảng 320 giờ tuổi bắt đầu trở về trạng thái ban đầu. điều này chứng tỏ, khả năng gây nứt tập trung lớn nhất vào thời điểm từ 20-120 giờ tuổi. vì vậy, trong khoảng thời gian này, cần có biện pháp xử lý để chống hiện tượng nứt trong khối bê tông.
Hình 3.51. Biểu đồ ứng suất gây nứt tại nút N4759
Hình 3.52. Biểu đồ ứng suất gây nứt tại nút N2727
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Qua phân tích và thảo luận ở chương 3, luận văn đi đến một số kết luận cụ thể như sau:
1.1. Tác động của nhiệt thủy hóa đến bê tông tháp cầu Cửa Đại là rất lớn, do đó cần xem xét kỹ vấn đề này khi thi công.
1.2. Đối với bệ trụ tháp cầu Cửa Đại với kích thước 25x25x3,5+
11,5x11,5x1,5m, mác bê tông là 40MPa, nhiệt độ môi trường là 25oC thì nhiệt độ lớn nhất do nhiệt thủy hóa gây ra tại tâm bệ trụ tại thời điểm 72 giờ sau khi đổ bê tông là 72,7°C, chênh lệch nhiệt độ giữa tâm bệ và bề mặt bệ là hơn 40°C. Do đó cần có các biện pháp đối với nhiệt thủy hóa cho bê tông tháp cầu.
1.3. Ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện trong quá trình đổ bê tông xuất hiện tại bề mặt bệ tháp là 4.46Mpa. Khoảng từ 20h-140h sau khi đổ bê tông thì ứng suất bê kéo bề mặt vượt quá ứng suất kéo cho phép.
1.4. Tỷ số nứt (Crack ratio) nguy hiểm nhất là giai đoạn từ 20h-120h ở giai đoạn đổ bệ tháp, lúc này tỷ số giữa ứng suất và ứng suất cho phép là (Crack ratio=0.6-1), chứng tỏ cấu kiện bê tông sẽ bị nứt nếu không có các biện pháp kiểm soát.
Kết quả phân tích trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt bằng phương pháp PTHH đã mô tả được qui luật thay đổi và xác định được giá trị của chúng tại các vị trí và thời điểm đóng rắn khác nhau của bê tông. Kết quả phân tích khẳng định tầm quan trọng của việc kiểm soát trường nhiêt độ - ứng suất nhiệt để chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
2. Kiến nghị:
Và Qua việc phân tích làm rõ các ở chương 3, luận văn đi đến một số kiến nghị như sau:
2.1. Nhiệt thủy hóa xuất hiện trong tháp cầu Cửa Đại là rất cao (72,7°C) và chênh lệch nhiệt độ là hơn 40°C, đồng thời ứng suất gây nứt nhiều thời điểm đã vượt ngưỡng cho phép và có thể gây ra nứt trong tháp cầu Cửa Đại – Quảng Ngãi.
2.2. Cần thực hiện các biện pháp làm mát và hạn chế tác động của nhiệt thủy hóa khi thi công tháp cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi.
2.3. Qua phân tích cũng thấy rằng, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra cũng khá lớn gần 5.4 mm, do đó cũng cần xem xét đến tác động này.
2.4. Từ việc phân tích bằng phương pháp PTHH, có thể mở rộng phân tích trên mô hình kết cấu thực tế, từ đó đưa ra dự báo và điều chỉnh kịp thời phương án thi công
trước khi thi công chính thức. Căn cứ thay đổi và sự phân bố nhiệt độ - ứng suất nhiệt giữa các phần trong khối bê tông, có thể đưa ra biện pháp thi công và bảo dưỡng hiệu quả nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bê tông, như: giữ nhiệt khối đổ (bằng vật liệu cách nhiệt); đưa nhiệt trong khối bê tông ra ngoài bằng ống chứa nước lạnh;
điều chỉnh sự tỏa nhiệt của các lớp bê tông khác nhau bằng cấp phối hoặc tính toán lượng thép bổ sung chịu ứng suất kéo tại những vị trí cần thiết với mục đích đảm bảo chất lượng và độ bền sử dụng của kết cấu bê tông khối lớn.
3. Hướng phát triển của đề tài
- Nghiên cứu các biện pháp hạn chế ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa cho bê tông khối lớn cầu Cửa Đại nói riêng và trong xây dựng nói chung.
- Dùng các thực nghiệm để nghiên cứu đối chứng với kết quả phân tích để có các kết luận sâu hơn.
- Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống làm mát cho bê tông khối lớn.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1] Bazenov IU.M., Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính (2011), Công nghệ bê tông, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[2] Nguyễn Tiến Đích (2010), Công tác bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[3] Hồ Ngọc Khoa (2011), Nghiên cứu biến dạng lớp của kết cấu bê tông, thi công theo phương pháp toàn khối, trong thời gian đầu đóng rắn, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp trường, Trường Đại học Xây dựng,Hà Nội.
[4] Ngô Đăng Quang, chủ biên; Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa (), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil. Tập 2.
TIẾNG ANH
[5] ACI (2005). Building Code Requirements for Structural (ACI 318-05) Concrete and Commentary (ACI 318R-05), ACI Committee 318.
[6] ASTM C 150 (2002). Standard specification for Portland cement. Annual Book of ASTM Standards, 1, 4.02
[7] ASTM C 305 (2002). Standard practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency. Annual Book of ASTM, l, 4.02.
[8] ASTM C 204 (2002). Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by Air-Permeability Apparatus. Annual Book of ASTM Standards, l, 4.02.
[9] Abdllah I. Husein Malkawi, et at. (2003). Thermal-Structural Modeling and Temperature Control of Roller Compacted Concrete Gravity Dam. Journal of Performance of Consturcted Facilities, 17(4), 177-187
[10] Ahmaruzzaman.M. (2010). Progre. A review on the utilization of fly ash.
Progress in Energy and Combustion Science, 36, 327-363
[11] Broda M., Wirquin E., and Duthoit B. (2002). Conception of an isothermal calorimeter for concrete-Determination of the apparent activation energy.
Materials and Structures/Matdriaux et Constructions, 35, 389-394
[12] Baert G., Hoste S., et al. (2008). REACTIVITY OF FLY ASH IN CEMENT PASTE STUDIED BY MEANS OF THERMOGRAVIMETRY AND ISOTHERMAL CALORIMETRY. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 94(2), 485–492
[13] Ballim Y. and P.C. Graham. (2004). Early-age heat evolution of clinker cements in relation to microstructure and composition: implications for temperature development in large concrete elements. Cement and Concrete Composition, 26, 417-426.
[14] J.E Akin (1994), Finite Element for Analysis and Design, Academic Press. B.
Gebhart (1993), Heat Condtion and Mass Diffusion, McGraw-Hill. 7.
[15] JCI, VCA (2011), Hướng dẫn kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn – phiên bản 2008, VCA, Hà Nội.
[16] JSCE (2007), Standard specifications for concrete structures – 2007
“Materials and Construction”.
[17] P. P. Bamforth, D.Chisholm, J.Gibbs, T.Harrison, Bamforth, D.Chisholm, J.Gibbs, Properties of Concrete for use in Eurocode 2, The Concrete centre.
[18] MIDAS Information Technology (2004), Heat of Hydration- Analysis Analysis Manual Version 7.0.1.