Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hiệu ứng nhiệt của bê tông sử dụng chất kết dính bổ sung trong kết cấu cầu; Cơ sở lý thuyết về ứng xử cơ – nhıệt của bê tông kết cấu ở tuổı sớm có sử dụng phụ gıa khoáng silica fume; Thực nghıệm xác định đặc trưng nhıệt và cường độ của bê tông sử dụng phụ gia khoáng sılıca fume trong công trình cầu;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ - NHIỆT CỦA KẾT CẤU CẦU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CÓ PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME HÀ NỘI- 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN ĐỨC TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ - NHIỆT CỦA KẾT CẤU CẦU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CÓ PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số : 9580205 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Đỗ Anh Tú 2. TS. Hoàng Việt Hải HÀ NỘI – 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả Trần Đức Tâm
ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Đỗ Anh Tú và TS. Hoàng Việt Hải. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình, đã đóng góp các ý kiến quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để giúp nghiên cứu sinh thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập nghiên cứu. Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình, người thân đã giúp đỡ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả Trần Đức Tâm
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... i i MỤC LỤC ............................................................................................................... ii . i DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... xiv MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH BỔ SUNG TRONG KẾT CẤU CẦU.......................................... 5 1.1. Bê tông xi măng và quá trình thủy hóa của xi măng ......................................... 5 1.1.1. Các phản ứng của quá trình thủy hóa ............................................................... 5 1.1.2. Nhiệt thủy hóa ................................................................................................. 6 1.1.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến nhiệt thủy hóa của xi măng ........................... 8 1.1.4. Mức độ thủy hóa ............................................................................................ 11 1.2. Các đặc tính của bê tông ở tuổi sớm .............................................................. 12 . 1.2.1. Các tính chất nhiệt của bê tông...................................................................... 13 1.2.2. Các tính chất cơ học của bê tông .................................................................... 17 1.3. Hiệu ứng nhiệt của bê tông ở tuổi sớm ........................................................... 22 1.3.1. Sự phát triển nhiệt/truyền nhiệt trong bê tông ............................................. 22 1.3.2. Ứng suất nhiệt trong bê tông ...................................................................... 22 . 1.3.3. Sự hình thành Ettringite muộn (DEF) ......................................................... 24 1.3.4. Sự phát triển cường độ................................................................................ 25 1.4. Các yếu tố về vật liệu ảnh hưởng đến nhiệt độ và nứt nhiệt ở tuổi sớm của bê tông 27 1.4.1. Cốt liệu ...................................................................................................... 28 .
iv 1.4.2. Tỷ lệ nước/xi măng..................................................................................... 29 1.4.3. Xi măng ..................................................................................................... 29 . 1.4.4. Phụ gia khoáng ........................................................................................... 30 1.5. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của bê tông ở tuổi sớm ............... 37 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................. 37 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam .............................................................. 40 1.6. Tổng quan về ứng dụng BT sử dụng phụ gia khoáng SF trong công trình cầu 43 1.7. Kết luận chương 1. ........................................................................................ 45 . CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG XỬ CƠ – NHIỆT CỦA BÊ TÔNG KẾT CẤU Ở TUỔI SỚM CÓ SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME ............ 47 . 2.1. Cơ sở lý thuyết về ứng xử cơ - nhiệt của bê tông kết cấu ở tuổi sớm ................. 47 2.1.1. Phương trình truyền nhiệt .............................................................................. 47 2.1.2. Sự truyền nhiệt qua đối lưu ............................................................................ 48 2.1.3. Tốc độ phát sinh nhiệt thủy hóa ..................................................................... 49 2.1.4. Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt ................................................................... 51 . 2.1.5. Phương pháp sai phân hữu hạn tính toán phân bố nhiệt độ trong bê tông ở tuổi sớm.......................................................................................................................... 54 2.1.6. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng mô hình tính toán ứng suất nhiệt ........................................................................................................................ 57 2.1.7. Ứng xử đàn nhớt của bê tông tuổi sớm dưới tải trọng nhiệt. ........................... 58 2.1.8. Các mô hình số mô phỏng ứng xử nhiệt tuổi sớm của bê tông ....................... 64 . * So sánh các mô hình tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt .......................................... 68 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử cơ – nhiệt của BT sử dụng phụ gia khoáng .. 70 2.3. Hiệu ứng cơ – nhiệt của BT kết cấu có sử dụng phụ gia khoáng SF .................. 71 2.3.1. Silica fume .................................................................................................... 71 . 2.3.2. Tính chất vật lý của SF: ................................................................................. 73 2.3.3. Thành phần hóa học của SF: .......................................................................... 74 2.3.4. Cơ chế của BT có SF: .................................................................................... 74 2.3.5. Ảnh hưởng của SF lên tính chất của BT tươi ................................................. 79 .
v 2.3.6. Ảnh hưởng của SF lên tính chất của BT đã đóng rắn .................................. 80 2.4. Luận bàn về hiệu ứng cơ-nhiệt của BT SF tới khả năng nứt nhiệt của khối BT kết cấu cầu ở tuổi sớm ................................................................................................... 82 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 83 . CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NHIỆT VÀ CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME TRONG CÔNG TRÌNH CẦU ........................................................................................................... 85 3.1. Mục đích thí nghiệm ......................................................................................... 85 3.2. Thí nghiệm cường độ ........................................................................................ 85 3.2.1. Thành phần hỗn hợp SF thí nghiệm ............................................................... 85 3.2.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ........................................................ 94 . 3.2.3. Thí nghiệm đo cường độ chịu kéo khi ép chẻ ................................................. 96 3.3. Thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa ........................................................................... 99 3.3.1. Các phương pháp đo nhiệt thủy hóa ............................................................... 99 3.3.2. Thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa theo phương pháp đoạn nhiệt ........................ 100 3.3.3. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa .......................................................... 103 . 3.3.4. Nhiệt lượng và tốc độ tỏa nhiệt của các hỗn hợp BT .................................... 105 3.3.5. Xác định mức độ thủy hóa và các tham số nhiệt thủy hóa ............................ 106 3.4. Thí nghiệm đo hệ số giãn nở nhiệt của các hỗn hợp BT .................................. 114 3.4.1. Nguyên lý, phương pháp và thiết bị đo hệ số giãn nở nhiệt .......................... 114 3.4.2. Tiến hành thí nghiệm đo hệ số giãn nở nhiệt của các hỗn hợp BT ................ 120 3.4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm đo hệ số giãn nở nhiệt .................. 128 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 129 . CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ - NHIỆT CỦA KẾT CẤU CẦU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CÓ PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME Ở TUỔI SỚM .................... 130 4.1. Phân tích các tham số đầu vào ........................................................................ 130 4.1.1. Các tham số về cường độ của bê tông .......................................................... 130
vi 4.1.2. Các tham số về từ biến của bê tông .............................................................. 141 4.2. Phân tích sự phát triển nhiệt và khả năng nứt nhiệt của trụ cầu ở tuổi sớm sử dụng bê tông có chất kết dính silica fume ....................................................................... 142 4.3. So sánh khả năng nứt nhiệt của trụ cầu ở tuổi sớm sử dụng bê tông có chất kết dính tro bay ................................................................................................................... 155 4.4. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 161 . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 162 KẾT LUẬN: .......................................................................................................... 162 KIẾN NGHỊ: ......................................................................................................... 163 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..................... 164 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 165 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 174 .
vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng [117] ..................... 7 Hình 1. 2. Ảnh hưởng của độ mịn đến tốc độ thủy hóa của xi măng........................... 9 (ACI 207.2R-07 [149]) .............................................................................................. 9 Hình 1.3. Sự phát triển nhiệt thủy hóa sau 72h ở các mức nhiệt độ khác nhau ......... 11 Hình 1.4. Sự thay đổi của hệ số giãn nở nhiệt của bê tông trong quá trình thủy hóa (Kada và cộng sự, 2002), trong đó w/c: Tỉ lệ nước/xi măng. .................................... 17 Hình 1.5. Tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén theo tuổi bê tông (Zhao [147]) ...................................................................................................................... 19 Hình 1.6. Sự phát triển nhiệt và hình thành vết nứt của bê tông khối lớn ................. 23 Hình 1.7. Ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tông theo thời gian [100, 139] ......................................................................................................................... 23 Hình 1.8. Sự phát triển các tính chất cơ học theo mức độ thủy hóa và tuổi tương đương ................................................................................................................................ 27 Hình 1.9. Cầu Tsing Ma Bridge (Hồng Kông) (ACI 234R-06) [17]. ........................ 43 Hình 1.10. Cầu Stolma Bridge (Na Uy) (ACI 234R-06) [17]. .................................. 44 Hình 1.11. Cầu vượt nút giao I-25 ở Denver, Colorado (Mỹ) (ACI 234R-06) [17]. . 44 . Hình 1.12. Cầu Cửa Lục 1 (Quảng Ninh). ............................................................... 45 . Hình 2.1. Đường cong độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lý thuyết [138]. ......................... 53 Hình 2.2. Đường cong tốc độ sinh nhiệt lý thuyết theo Tanabe [138] ...................... 53 . Hình 2.3. Tốc độ sinh nhiệt và mức độ thủy hóa với tham số , . ........................... 54 Hình 2.4. Nút bên trong và phần tử tương ứng trong bài toán truyền nhiệt 2 chiều .. 56 . Hình 2.5. Phần tử tam giác trong mô hình ............................................................... 57 . Hình 2.6. Mô phỏng mô đun đàn hồi hiệu dụng, từ biến điển hình và phân tách tải trọng [100] .............................................................................................................. 61 .
viii Hình 2.7. Sơ đồ khối tính toán quá trình sinh nhiệt và truyền nhiệt. ......................... 63 Hình 2.8. Sơ đồ khối tính toán ứng suất nhiệt. ......................................................... 64 Hình 2.9. Mô hình dự đoán trường ứng suất nhiệt ở tuổi 16h và khối đổ thực tế [99] ......................................................................................................................... 67 . Hình 2.10. Ảnh hiển vi kính hiển vi điện tử truyền qua của SF [17]. ........................ 72 Hình 2.11. Cấu trúc điển hình của vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu, được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét [38]: (a) mẫu không có SF ở 28 ngày; và (b) mẫu có SF ở 28 ngày. (Lưu ý: 1 = bề mặt cốt liệu; 2 = hồ xi măng; 3 = khe rỗng; 4 = canxi hydroxit; và 5 = vết nứt nhỏ). .................................................................................. 78 Hình 2.12. Giả thiết về xu hướng xảy ra khi sử dụng SF thay thế xi măng trong BT. .......................................................................................................................... 83 Hình 3.1. Phụ gia khoáng gốc Silicafume Sikacrete PP1 hãng Sika ......................... 87 Hình 3.2. Kết quả chụp USTH kích cỡ hạt silica fume. ............................................ 89 Hình 3.3. Đường cong cấp phối thành phần hạt của đá theo ASTM C33. ............... 90 . Hình 3.4. Biểu đồ cấp phối hạt của cát theo ASTM C33 ......................................... 91 Hình 3.5. Thí nghiệm nén mẫu SF15 ở 3 ngày tuổi ................................................. 94 Hình 3. 6. Cường độ chịu nén theo ngày tuổi của các hỗn hợp bê tông SF (MPa) .... 95 Hình 3.7. Thí nghiệm ép chẻ mẫu SF00 ở 3 ngày tuổi. ........................................... 97 . Hình 3.8. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo ngày tuổi của các hỗn hợp SF. .......... 98 . Hình 3.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt [2]. ........................... 101 Hình 3.10. Đặt mẫu bê tông vào thùng của thiết bị thí nghiệm chế tạo tại ĐH GTVT .................................................................................................................... 102 Hình 3.11. Hệ thống theo dõi và giám sát nhiệt độ. ................................................ 102 Hình 3.12. Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của các mẫu hỗn hợp bê tông SF. ..... 104 Hình 3.13. Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của các mẫu hỗn hợp BT SF. ................... 105 .
ix Hình 3.14. Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm và hồi quy. ....................... 112 . Hình 3.15. Mối quan hệ giữa mức độ thủy hóa cuối cùng và tỷ lệ % SF thay thế. .. 112 Hình 3.16. Đường hồi quy giữa mức độ thủy hóa cuối cùng và tỷ lệ % SF thay thế. ........................................................................................................................ 113 Hình 3.17. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và ngày tuổi của hồ xi măng ...... 117 Hình 3.18. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [115] ..................................................................................................................... 117 . Hình 3.19. Quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông [117]. ............................................................................................................. 119 Hình 3.20. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [117]. ..................................................................................................................... 120 Hình 3.21. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt với độ ẩm và thời gian [117]. ..... 120 Hình 3.22. Cân vật liệu theo thiết kế thành phần bê tông ....................................... 122 Hình 3.23. Trộn vật liệu ........................................................................................ 123 . Hình 3.24. Khuôn tạo mẫu ..................................................................................... 123 Hình 3.25. Mẫu thí nghiệm .................................................................................... 124 Hình 3.26. Đo chiều dài mẫu ................................................................................. 125 Hình 3.27. Kiểm tra hệ thống đo CTE.................................................................... 125 Hình 3.28. Hình ảnh mẫu trong bể ......................................................................... 126 Hình 3.29. Vận hành thiết bị đo ............................................................................. 127 Hình 3.30. Máy tính hiển thị số liệu ....................................................................... 128 Hình 4.1. Đường cong hồi quy sự phát triển cường độ chịu nén theo thời gian của các hỗn hợp BT............................................................................................................ 138 Hình 4.2. Đường cong hồi quy sự phát triển cường độ chịu kéo theo thời gian của các hỗn hợp BT............................................................................................................ 140
x Hình 4.3. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (SF00) .............................................................................................................................. 144 Hình 4.4. Phân bố nhiệt độ tại 55 h trên mặt cắt ngang thân trụ (SF00). ................ 145 . Hình 4.5. Phân bố ứng suất chính (MPa) tại 40h trên mặt cắt ngang thân trụ (SF00). .................................................................................................................. 145 Hình 4.6. Biểu đồ phát triển ứng suất yy tại giữa cạnh bên, và xx tại góc của trụ theo thời gian (SF00). ................................................................................................... 146 . Hình 4.7. Biểu đồ phát triển ứng suất chính tại giữa cạnh bên, giữa cạnh đáy, và góc của trụ theo thời gian (SF00). ................................................................................ 146 Hình 4.8. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng SF00. ................................................................... 147 Hình 4.9. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (SF05) .............................................................................................................................. 148 Hình 4.10. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng SF05. ........................................................ 148 Hình 4.11. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (SF10) ................................................................................................................... 149 Hình 4.12. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng SF10. ........................................................ 149 Hình 4.13. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (SF15) ................................................................................................................... 150 Hình 4.14. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng SF15. ........................................................ 150 Hình 4.15. Hệ số nứt lớn nhất ứng với từng hỗn hợp BT SF. ................................. 152 Hình 4.16. Chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt tại điểm đang xét ứng suất ứng với từng hỗn hợp BT SF. ............................................................................................. 153
xi Hình 4.17. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (TB00) .................................................................................................................. 156 . Hình 4.18. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng TB00......................................................... 156 Hình 4.19. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (TB10) .................................................................................................................. 157 . Hình 4.20. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng TB10......................................................... 157 Hình 4.21. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (TB20) .................................................................................................................. 158 . Hình 4.22. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng TB20......................................................... 158 Hình 4.23. Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại tâm, cạnh, và góc của trụ theo thời gian (TB30) .................................................................................................................. 159 . Hình 4.24. Ứng suất nhiệt lớn nhất và cường độ chịu kéo chẻ theo thời gian tại điểm bất lợi (cạnh bên) của thân trụ sử dụng TB30......................................................... 159 Hình 4.25. Chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt tại điểm đang xét ứng suất ứng với từng hỗn hợp BT tro bay. ...................................................................................... 160 . Hình 4.26. Hệ số nứt lớn nhất ứng với từng hỗn hợp BT tro bay. ........................... 160
xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần hóa học và khoáng vật chính của xi măng Pooc lăng [117] ..... 5 Bảng 1.2. Nhiệt thủy hóa của các pha xi măng (McCullough và Rasmussen [105]) ... 9 Bảng 1.3. Các mô hình mức độ thủy hóa cuối cùng của xi măng Pooc lăng ............. 12 Bảng 1.4. Các giá trị nhiệt dung riêng được tìm ra bởi các nhà nghiên cứu khác nhau ........................................................................................................................ 14 . Bảng 1.5. Các giá trị của hệ số khuếch tán nhiệt theo các nhà nghiên cứu khác nhau ........................................................................................................................ 16 . Bảng 1.6. Mô đun đàn hồi là hàm của cường độ chịu nén của bê tông ..................... 19 Bảng 1.7. Các giá trị của hệ số Poisson ................................................................... 21 . Bảng 2.1. So sánh các tham số đầu vào và kết quả đầu ra của các mô hình/phần mềm tính toán .................................................................................................................. 68 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của xi măng (%) ...................................................... 85 Bảng 3.2. Thành phần khoáng vật của clinker (%) ................................................... 86 Bảng 3.3. Các tính chất cơ lý của xi măng VICEM Bút Sơn PC40........................... 86 Bảng 3.4: Chỉ tiêu kỹ thuật Sikacrete PP1 ............................................................... 87 . Bảng 3.5. Chỉ tiêu cơ lý của đá ................................................................................ 89 Bảng 3.6. Thành phần hạt của đá ............................................................................. 90 Bảng 3.7. Chỉ tiêu cơ lý của cát ............................................................................... 90 Bảng 3.8. Thành phần hạt của cát ............................................................................ 91 Bảng 3.9. Thành phần cấp phối chuẩn cho 1m3 ....................................................... 94 . Bảng 3.10. Cường độ chịu nén theo ngày tuổi (MPa) .............................................. 94 . Bảng 3.11. So sánh cường độ chịu nén trung bình của các hỗn hợp BT SF ở 1, 2, 3, 7 ngày tuổi với cường độ chịu nén trung bình ở 28 ngày tuổi. .................................... 95 . Bảng 3.12. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo ngày tuổi (MPa) .............................. 97
xiii Bảng 3.13. So sánh cường độ chịu kéo khi ép chẻ trung bình của các hỗn hợp BT SF ở 1, 2, 3, 7 ngày tuổi với cường độ chịu kéo khi ép chẻ trung bình ở 28 ngày tuổi. ..... 98 Bảng 3.14. Các thuộc tính về nhiệt của SF ............................................................. 109 Bảng 3.15. Các tham số nhiệt thủy hóa của BT SF ................................................ 110 Bảng 3.16. Hệ số giãn nở nhiệt của một số các cốt liệu thường dùng cho BT ........ 118 . Bảng 3.17. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông với các loại cốt liệu khác nhau ........... 119 Bảng 3.19. Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của các hỗn hợp BT silica fume (10-6/C) .. 128 Bảng 4.1. Các hàm phát triển theo thời gian của cường độ bê tông ........................ 132 Bảng 4.2 . Các hàm phát triển cường độ bê tông theo mức độ thủy hóa ................. 132 Bảng 4.3 . Các hệ số cho hàm phát triển theo thời gian của cường độ bê tông ....... 133 . Bảng 4.4. Các tham số đường cong phát triển cường độ ........................................ 135 Bảng 4.5. Cường độ chịu nén theo ngày tuổi (MPa) .............................................. 135 . Bảng 4.6. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo ngày tuổi (MPa) .............................. 135 Bảng 4.7. Các tham số từ biến của bê tông xác định theo ACI 209.2R-08 [150] .... 141 Bảng 4.8. Các thuộc tính về nhiệt của BT SF ......................................................... 142 Bảng 4.9. Các tham số nhiệt thủy hóa của BT SF .................................................. 143 Bảng 4.10. Độ chênh nhiệt độ giữa lõi và bề mặt tương ứng với  max ................. 153 Bảng 4.11. Độ chênh nhiệt độ giữa lõi và bề mặt tương ứng với  max ................. 154 Bảng 4.12. Độ chênh nhiệt độ giữa lõi và bề mặt lớn nhất T max ........................ 155 . Bảng 4.13. So sánh T và  max trong các trường hợp trụ cầu sử dụng BT có SF và BT tro bay ............................................................................................................. 160
xiv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 1. ACI : Viện bê tông Mỹ (American Concrete Instutute) : Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing 2. ASTM and Materials) 3 ATR : Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (Adiabatic Temprature Rise) 4. BT : Bê tông 5 BT SF : Bê tông cường độ cao 6. BTKL : Bê tông khối lớn 7. CĐC : Cường độ cao 8. CKC : Chất kết dính 9. CTE : Hệ số giãn nở nhiệt (Coefficient of thermal expansion) 10. FA : Tro bay (Fly Ash) 11. GGBS : Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (Ground Granulated Blast-furnace Slag) 12. HPC : Bê tông tính năng cao (High Performance Concrete) 13. HRWR phụ gia siêu dẻo giảm nước phạm vi cao 14. NC : Bê tông thường (Normal Concrete) 15. PGK : Phụ gia khoáng 16. PTHH : Phần tử hữu hạn (Finite element) 17. SCMs : Phụ gia khoáng (Supplementary cementitious materials) 18. SF : Silica Fume 19. SPHH : Sai phân hữu hạn (Finite difference) 20. w/c : Tỉ lệ nước trên xi măng, theo khối lượng 21 w/cm : Tỉ lệ nước trên vật liệu chất kết dính, theo khối lượng 22 WRA phụ gia giảm nước
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bê tông với chất kết dính chính là xi măng Pooc-lăng được sử dụng nhiều trong xây dựng hạ tầng giao thông vận tải. Nhiệt được giải phóng trong quá trình thủy hóa xi măng gây ra sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong kết cấu bê tông. Vấn đề này có thể nghiêm trọng hơn khi bê tông trong giai đoạn đông cứng: nhiệt vẫn được sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng trong khi bề mặt của bê tông đang nguội dần theo nhiệt độ môi trường. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi bê tông và bề mặt bên ngoài của nó có thể gây ra ứng suất kéo đáng kể có thể làm tăng nguy cơ nứt ở bê tông tuổi sớm [151]. Nứt trong các cấu kiện bê tông khối lớn do ứng suất nhiệt (nứt nhiệt) là một vấn đề đã xuất hiện từ lâu, rõ ràng nhất là khi nó được phát hiện lần đầu tiên trong các công trình đập thủy điện trên thế giới từ đầu thế kỷ XX. Khái niệm "bê tông khối lớn" (BTKL) từ đó cũng thường được hiểu là các kết cấu BT có kích thước lớn như đập, khối móng lớn. Tuy nhiên gần đây, thuật ngữ này cũng được sử dụng cho các bộ phận công trình cầu có kích thước lớn như bệ móng, trụ, xà mũ, dầm hộp,... Các tiêu chuẩn về BTKL luôn yêu cầu phải kiểm soát sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt của BT, từ đó giảm thiểu hoặc hạn chế vết nứt nhiệt ngay trong giai đoạn xây dựng. Hiện nay, ngành xây dựng cầu đã ứng dụng nhiều loại vật liệu bê tông cường độ cao, tính năng cao, siêu cao... Khái niệm bê tông khối lớn không còn đơn thuần là kết cấu có kích thước lớn nữa, mà ngay cả các kết cấu thanh mảnh cũng có nguy cơ nứt nhiệt khi sử dụng bê tông cường độ cao hay tính năng cao (có hàm lượng xi măng lớn). Khi đó vấn đề về nứt nhiệt cần phải được xem xét kỹ càng [69]. Xu thế hiện nay khi chế tạo bê tông cường độ cao, tính năng cao,... là sử dụng hàm lượng xi măng Pooc-lăng lớn và giảm tỉ lệ nước/xi măng. Ngoài ra, các phụ gia khoáng hoạt tính như silica fume (SF), xỉ lò cao, tro bay,... cũng được sử dụng nhằm giảm bớt lượng xi măng, giảm nhiệt tỏa ra, nhưng phần nào đó vẫn đảm bảo bê tông đạt được cường độ mong muốn [24, 69]. Các hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay, xỉ lò cao còn góp phần giảm khí thải CO2 ra môi trường [69, 72]. Với SF, sản phẩm phụ trong quá trình thuỷ hoá xi măng sẽ phản ứng với silica và các khoáng có trong hỗn hợp tạo thêm pha rắn có tính chất kết dính. Các sản phẩm đó làm tăng tỷ lệ rắn/lỏng trong hệ và tạo cho xi măng xỉ có cường độ dài ngày cao hơn xi măng truyền thống. Đây là nguyên nhân làm tăng tính bền vững của xi măng ở tuổi dài ngày. Tuy nhiên các nghiên cứu đó chưa
2 xét được một cách định lượng, việc thay thế xi măng bằng silica fume như vậy sẽ giảm nhiệt được bao nhiêu và cường độ bê tông ở tuổi sớm khi đó sẽ tăng, giảm như thế nào, có đảm bảo được khả năng chống nứt nhiệt như mong muốn hay không. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử cơ - nhiệt của kết cấu cầu sử dụng bê tông có phụ gia khoáng silica fume” sẽ góp phần giải quyết câu hỏi nêu trên. Luận án sẽ tiến hành thực nghiệm về nhiệt và cường độ cho một số hỗn hợp bê tông cường độ cao có sử dụng phụ gia khoáng là silica fume. Dựa vào kết quả thực nghiệm sẽ đánh giá định lượng được ảnh hưởng của tỉ lệ theo % SF đến đặc tính nhiệt, cường độ và khả năng nứt nhiệt của bê tông kết cấu cầu. 2. Mục tiêu của luận án - Xác định được các đặc trưng nhiệt thủy hóa bao gồm: độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, nhiệt lượng tích lũy, tốc độ sinh nhiệt, các tham số đường cong nhiệt thủy hóa của BT SF có sử dụng phụ gia khoáng SF bằng thực nghiệm. - Phân tích ứng xử cơ - nhiệt, qua đó đánh giá sự phát triển nhiệt, ứng suất nhiệt và rủi ro nứt nhiệt của trụ cầu sử dụng BT sử dụng hàm lượng SF thay thế xi măng khác nhau (từ 0% đến 15%), từ đó đưa ra được bê tông với tỉ lệ SF hợp lý. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Các tham số và thuộc tính về nhiệt của bê tông SF, ứng suất nhiệt, nứt nhiệt của bê tông ở tuổi sớm trong kết cấu trụ cầu. b) Phạm vi nghiên cứu - Bê tông có cường độ nén đặc trưng 50 MPa (thí nghiệm trong phòng) sử dụng phụ gia khoáng SF thay thế xi măng từ 0 ÷15%; kết cấu trụ cầu có kích thước mặt cắt ngang 2,8 m × 3,5 m ở tuổi sớm từ 0 ÷ 7 ngày tuổi. - Nghiên cứu chủ yếu về ứng suất nhiệt (do nội và ngoại nhiệt), chưa xét đến các ảnh hưởng về co ngót và phân bố cốt thép. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm đo nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông và thí nghiệm cường độ bê tông.
3 - Nghiên cứu lý thuyết: thiết lập các mối quan hệ toán học trên các dữ liệu thí nghiệm đã có, lập mô hình tính toán theo phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn để khảo sát và đánh giá. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án đã nghiên cứu thực nghiệm cường độ ở tuổi sớm và các tham số nhiệt thủy hóa từ phép đo nhiệt lượng đoạn nhiệt của một số cấp phối BT SF có sử dụng SF. Qua so sánh, luận án đã tìm ra được hàm lượng thay thế SF hợp lý là 10% - 15% (trong dải từ 0% đến 15%) đảm bảo rủi ro nứt nhiệt thấp. Đây có thể được coi là một giải pháp vật liệu để kiểm soát nhiệt và hạn chế nứt nhiệt trong cấu kiện bê tông công trình cầu. Phương pháp luận nghiên cứu của luận án có thể được áp dụng để phân tích, đánh giá cho các loại BT khác nhau và các cấu kiện khác nhau của công trình cầu, giúp đảm bảo sự toàn vẹn, khả năng chịu lực và tuổi thọ khai thác của kết cấu. 6. Điểm mới của luận án - Luận án đã xác định được nhiệt thủy hóa cho 4 hỗn hợp SF bằng thiết bị thí nghiệm nhiệt lượng đoạn nhiệt: Hỗn hợp chứa 0% SF (SF00), hỗn hợp chứa 5% SF (SF05), hỗn hợp chứa 10% SF (SF10) và hỗn hợp chứa 15% SF (SF15). Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của các hỗn hợp lần lượt là 56,1; 54,9; 53,2; và 52,0C ghi nhận được tại các mẫu SF00, SF05, SF10 và SF15. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mẫu là không lớn, chỉ tối đa là 4,1C. - Bộ tham số nhiệt thủy hóa quan trọng của SF, bao gồm αu,  và  đã được xác định dựa vào đường cong thực nghiệm sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Trong đó mức độ thủy hóa cuối cùng αu tăng khi tăng hàm lượng SF thay thế xi măng. Luận án kiến nghị công thức hồi quy để xét đến ảnh hưởng của hàm lượng SF thay thế xi măng đến mức độ thủy hóa cuối cùng như sau:  u   u ,0  k SF p SF   u ,0  0, 23 p SF trong đó: αu,0 là mức độ thủy hóa cuối cùng được xác định từ thực nghiệm của hỗn hợp SF00 chứa 100% xi măng, pSF là hàm lượng SF trên tổng khối lượng chất kết dính. - Hệ số giãn nở nhiệt CTE của các hỗn hợp được xác định bằng thực nghiệm bằng máy Gilson HM-271F (Mỹ), theo tiêu chuẩn AASHTO 336T. CTE của các hỗn hợp BT SF có độ chênh lệch không lớn khi thay đổi hàm lượng SF, giá trị trong khoảng 8.95 – 9.9310- 6 /C. Đây là 1 trong các hệ số quan trọng về đặc tính vật lý của vật liệu BT, là một tham
4 số quan trọng bổ sung vào bộ tham số về nhiệt của BT, phục vụ bài toán mô hình và đánh giá ứng suất nhiệt và rủi ro nứt nhiệt của BT do tác động của nội nhiệt và ngoại nhiệt đồng thời ở tuổi sớm của kết cấu. - Khi sử dụng hỗn hợp SF00 và SF05 cho kết cấu trụ có mặt cắt 2,8 m x 3,5 m, thì hệ số  (là tỉ số giữa ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo thời gian) vượt quá 1.0 trong khoảng thời gian 48 – 90 h (2 – 4 ngày), còn trụ cầu sử dụng hỗn hợp SF10 và SF15 luôn có hệ số 