Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ VĂN VIỆT PPHHÂÂNN TTÍÍCCHH ẢẢNNHH HHƯƯỞỞNNGG CCỦỦAA HHỆỆ TTHHỐỐNNGG LLÀÀMM LLẠẠNNHH ĐĐẾẾNN NNHHIIỆỆTT TTHHỦỦYY HHÓÓAA TTRROONNGG BBÊÊ TTÔÔNNGG KKHHỐỐII LLỚỚNN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ DUY HÙNG

Phản biện 1: TS. HOÀNG TRỌNG LÂM

Phản biện 2: TS. TRẦN ĐÌNH QUẢNG

Luận văn sẽ được vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm 2019.

* Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa -Thư viện Khoa kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài: Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ thể lỏng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng nhiệt lớn sinh ra làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, sự chênh lệch nhiệt độ lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của công trình. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử và các biện pháp hạn chế các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa trong thi công bê tông khối lớn là rất cấp thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu: a. Mục tiêu tổng quát: - Nghiên cứu ứng xử của bê tông khối lớn khi áp dụng hệ thống làm lạnh

- Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. b. Mục tiêu cụ thể: - Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bê tông khối lớn khi có hệ thống làm lạnh.

- Các ứng xử kết cấu khi có hệ thống làm lạnh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Nhiệt thủy hóa. - Hệ thống làm lạnh. - Bê tông khối lớn. - Ứng suất, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra lúc có và không có hệ thống làm lạnh.

4. Phương pháp nghiên cứu: 5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: - Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn. - Sớm đưa ra các cảnh báo để phòng ngừa những rủi ro ngoài ý muốn. - Đề xuất áp dụng hệ thống làm lạnh cho quá trình thi các

công trình có cấu tạo bê tông khối lớn. 6. Cấu trúc luận văn: Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về nhiệt thủy hóa bê tông. Chương 2: Cơ sở lý thuyết của tính toán nhiệt thủy hóa. Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến

2

nhiệt thủy hóa trong bê tôngkhối lớn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT THỦY HÓA BÊTÔNG 1. Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn: Trong quá một lượng nhiệt lớn sinh ra làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, sự chênh lệch nhiệt độ lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của công trình. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử và các biện pháp hạn chế các ảnh hưởng của trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ thể lỏng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, nhiệt thủy hóa trong thi công bê tông khối lớn là rất cấp thiết.

2. Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn: 3. Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn: 4. Biện pháp phòng chống nứt bê tông: 5. Các lưu ý hạn chế nứt trong thi công bê tông khối lớn:

6. Đặt vấn đề nghiên cứu: Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình đóng rắn. Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ bị nứt. Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông. Vì vậy, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát được sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông.

7. Những vấn đề cần giải quyết: - Đề tài tập trung giải quyết bài toán nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn. Cụ thể đề tài xây dựng mô hình bệ trụ cầu bằng phần mềm Midas và sử dụng Midas Civil để phân tích thủy nhiệt. Tập trung phân tích đặc điểm ứng suất, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra lúc có và không có hệ thống làm lạnh. - Đưa ra các cảnh báo để phòng ngừa những rủi ro ngoài ý muốn. - Đề xuất áp dụng hệ thống làm lạnh cho quá trình thi các công trình có cấu tạo bê tông khối lớn.

3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN NHIỆT THỦY HÓA

1. Thủy hóa trong xi măng: Trong quá trình thủy hóa (phản ứng với nước) xi măng poóc lăng trộn với cát, sỏi và nước tạo ra khối đá mà chúng ta gọi là bê tông. Trong luận văn này sẽ bàn luận về những gì sẽ xảy ra khi xi măng được trộn với nước.

2. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa: Phân tích truyền nhiệt gồm hai phần chính là phân tích dẫn nhiệt và phân tích đối lưu nhiệt.

2.1. Phân tích truyền nhiệt: 2.2. Phân tích ứng suất nhiệt: Ứng suất trong bê tông khối lớn tại mỗi giai đoạn thi công được tính toán với việc sử dụng các kết quả của phân tích truyền nhiệt, sự phân bố nhiệt độ nút, cũng như xét đến sự thay đổi các thuộc tính vật liệu theo thời gian và nhiệt độ, sự co ngót theo thời gian, từ biến phụ thuộc thời gian và ứng suất...

3. Tính toán nhiệt thủy hóa xi măng: Nhiệt lượng nhả ra trong quá trình thủy hóa xi măng Qx là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian 72 giờ đầu.

4. Cơ sở phân tích nhiệt thủy hóa bằng Midas civil: Trình tự của việc mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt cho các kết cấu bê tông khối lớn được thực hiện như sau:

- Xây dựng mô hình kết cấu. - Xác định sự biến thiên các đặc trưng cơ học của vật liệu. - Xác định các đặc trưng nhiệt của vật liệu và kết cấu, như: - Xây dựng hàm hệ số đối lưu., mô tả hệ thống làm lạnh. - Phân tích và xử lý kết quả. 5. Giới thiệu về phần mềm Midas: MiDAS/Civil là một sản phẩm nổi tiếng được xây dựng vào năm 1989 phục vụ mục đích tính toán kết cấu cầu với nhiều tính năng chuyên nghiệp của hãng MiDAS It Co.,Ltđ hàn Quốc

6. Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn: Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học. Được lập trình trên máy tính nên cho kết quả có tính chính xác cao.

4

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH ĐẾN NHIỆT THỦY HÓA TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN

1. Mô hình phân tích: Chọn bệ trụ cầu Rồng (Đà Nẵng) làm mô hình tính toán với kích thước 44mx34mx5m, bệ trụ đặt trên hệ cọc khoan nhồi gồm 30 cọc, có đường kính cọc D=2,0m, tổng khối lượng bê tông bệ hơn 7.480m3,, 2. Phân tích các ứng xử của bê tông khối lớn do nhiệt thủy hóa gây ra: 2.1. Mô hình hóa trên Midas Civil:

Hình 3.1. Khai báo đơn vị

Hình 3.2. Khai báo vật liệu

5

Hình 3.3. Điều kiện biên - Định nghĩa hàm nhiệt độ môi trường:

Hình 3.4. Hàm nhiệt độ môi trường - Định nghĩa hàm hệ số đối lưu:

Hình 3.5. Hệ số đối lưu ván khuôn thép

Hình 3.6. Hệ số đối lưu không khí

6

- Xác định hàm nguồn nhiệt:

Hình 3.7. Nguồn nhiệt - Gán hàm nguồn nhiệt cho các phần tử:

Hình 3.8. Giai đoạn thi công - Bệ trụ

7

Hình 3.9. Quy trình phân tích trường nhiệt độ, ứng suất trong bê tông khối lớn bằng phương pháp PTHH

Mô hình khối bê tông dùng phân tích có hình dáng và kích thước như sau:

2.2. Phân tích kết quả: - Nhiệt độ (Temperature): Ở đây nhiệt độ cao nhất xuất hiện vào thời điểm 80 giờ sau khi đổ bắt đầu đổ bê tông với nhiệt độ là 71,14oC (nhiệt độ tại nút N1265, N1394-nút tại tâm bệ). Vùng nhiệt độ cao tập trung tại giữa bệ và giảm dần về xung quanh bệ.

Từ kết quả phân tích tại biểu đồ nhiệt độ tại 10 nút như hình 3.15, ta nhận thấy nhiệt độ cao nhất tập trung tại tâm khối bê tông

(Nút N1261, N1394 và nút N1265), tại ba vị trí này hầu như diễn biến nhiệt độ như nhau và giảm dần. Hình 3.10. Biểu đồ nhiệt độ tại 10 nút

Hình 3.11. Biểu đồ nhiệt độ tại nút N1394 (tại tâm bệ)

8

Hình 3.12. Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 10 giờ

Hình 3.13. Trường nhiệt độ lúc 30 giờ

Hình 3.14. Trường nhiệt độ lúc 50 giờ

9

Hình 3.15. Trường nhiệt độ lúc 80 giờ

Hình 3.16. Trường nhiệt độ lúc 120 giờ

- Ứng suất (Stress): Các giá trị ứng suất 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. 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 3.22. Hình 3.17. Biểu đồ ứng suất tại 10 nút

Từ biểu đồ ứng suất tại nút N71 (nút bề mặt) ta nhận thấy sau khi đổ bê tông 10 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. Ứng suất cao nhất là 7,45Mpa trùng với thời điểm nhiệt độ trong khối bê tông đạt nhiệt độ cao nhất (80 giờ).

10

Hình 3.18. Biểu đồ ứng suất tại nút N71 (nút bề mặt)

Hình 3.19. 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 9,3mm và xuất hiện tại vị trí biên của khối bê tông từ thời điểm 50- 80 giờ. Sau đó, chuyển vị giảm dần theo nhiệt độ giảm dần trong khối bê tông.

Hình 3.20. Trường chuyển vị lúc 80 giờ

11

- Quan hệ giữa ứng suất kéo cho phép so với ứng suất gây nứt (Crack ratio)

Hình 3.21. Biểu đồ hệ số gây nứt tại nút N71 3. Phân tích các ảnh hưởng hệ thống làm lạnh đến nhiệt thủy hóa: 3.1. Mô hình hóa hệ thống làm lạnh (Pipe Cooling System) trên Midas Civil:

Hình 3.22. Nhập dữ liệu cho hệ thống làm lạnh

- Inlet Temp: nhiệt độ của nước là 150C. - Diameter: Đường kính ống làm lạnh, được lấy là 0,036m.

12

Mô hình hóa 01 hệ thống làm lạnh, sau đó phân tích kết quả. Tiếp tục với mô hình có 02 hệ thống làm lạnh và 04 hệ thống làm lạnh.Sau khi đã nhập dữ liệu cho hệ thống làm lạnh, việc phân tích được tiến hành như với các bài toán khác.

Hình 3.23. Mô hình có 01 hệ thống làm lạnh

Hình 3.24. Mô hình có 02 hệ thống làm lạnh

Hình 3.25. Mô hình có 04 hệ thống làm lạnh

3.2. Phân tích kết quả: 3.2.1. Phân tích nhiệt độ trong khối bê tông:

13

Hình 3.26. Biểu đồ nhiệt độ khi chưa có hệ thống làm lạnh tại 10 nút Tại tuổi 80 giờ: nhiệt độ tại tâm là 71,140C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 33,00C, chênh lệch nhiệt độ ΔT = 38,140C

Hình 3.27. Biểu đồ nhiệt độ khi có 01 hệ thống làm lạnh tại 10 nút Tại tuổi 80giờ: nhiệt độ tại tâm là 68,270C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 33,150C, chênh lệch nhiệt độ ΔT = 35,120C.

Hình 3.28. Biểu đồ nhiệt độ khi có 02 hệ thống làm lạnh tại 10 nút

Tại tuổi 80giờ: nhiệt độ tại tâm là 63,960C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 32,50C, chênh lệch nhiệt độ ΔT = 31,460C.

14

Hình 3.29. Biểu đồ nhiệt độ khi có 04 hệ thống làm lạnh tại 10 nút

Tại tuổi 80 giờ: nhiệt độ tại tâm là 54,210C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 31,00C, chênh lệch nhiệt độ ΔT = 23,210C. Hình 3.30. Biểu đồ nhiệt độ max cho các trường hợp

Hình 3.31. So sánh nhiệt độ max trong khối bê tông

15

Hình 3.32. Trường nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi chưa có hệ thống làm lạnh

Hình 3.33. Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ thống làm lạnh

Hình 3.34. Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh

Hình 3.35. Trường phân bố nhiệt độ trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh

16

Hình 3.36. Biểu đồ nhiệt độ tại nút N1394

Hình 3.37. So sánh nhiệt độ max tại nút N1394 3.2.2. Phân tích ứng suất trong khối bê tông:

Hình 3.38. Biểu đồ ứng suất khi chưa có hệ thống làm lạnh

Hình 3.39. Biểu đồ ứng suất khi có 01 hệ thống làm lạnh

17

Hình 3.40. Biểu đồ ứng suất khi có 02 hệ thống làm lạnh

Hình 3.41. Biểu đồ ứng suất khi có 04 hệ thống làm lạnh

Hình 3.42. Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi chưa có hệ thống làm lạnh

18

Hình 3.43. Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ thống làm lạnh

Hình 3.44. Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh

Hình 3.45. Trường phân bố ứng suất trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh

Hình 3.46. Biểu đồ ứng suất max trong khối bê tông cho các trường hợp

19

Hình 3.47. So sánh ứng suất max trong khối bê tông

Hình 3.48. Biểu đồ ứng suất tại nút N71

Hình 3.49. So sánh ứng suất max tại nút N71 3.2.3. Phân tích tỷ số nứt- Crack Ratio:

20

Hình 3.50. Biểu đồ hệ số US gây nứt trong khối bêtông cho các trường hợp

Hình 3.51. So sánh hệ số tỷ lệ gây nứt trong khối bê tông

Biểu đồ hệ số ứng suất gây nứt tại nút N71 cho các trường hợp

Hình 3.52. So sánh hệ số tỷ lệ gây nứt tại nút N71 3.2.4. Phân tích chuyển vị:

21

Hình 3.53. Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi chưa có hệ thống làm lạnh

Hình 3.54. Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 01 hệ thống làm lạnh

Hình 3.55. Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 02 hệ thống làm lạnh

22

Hình 3.56. Chuyển vị trong khối bê tông lúc 80h khi có 04 hệ thống làm lạnh

Hình 3.57. Biểu đồ chuyển vị max trong khối bê tông cho các trường hợp

Hình 3.58. So sánh chuyển vị max trong khối bê tông

23

Hình 3.59. Biểu đồ chuyển vị tại nút N2463

Hình 3.60. So sánh chuyển vị max tại nút N2463 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Qua phân tích và thảo luận ở phần trên, luận văn đi đến một số kết luận cụ thể như sau:

1. Tác động của nhiệt thủy hóa đến bê tông khối lớn là rất đáng kể. Rõ ràng nhiệt thủy hóa là một vấn đề nguy hiểm cần được chú ý cao trong quá trình xây dựng, đặc biệt là đối với bê tông khối lớn.

2. Đối với bệ trụ với kích thước 44mx34mx5m (có kích thước tương đương bệ trụ cầu Rồng - Đà Nẵng), mác bê tông là 30MPa, nhiệt độ môi trường là 25oC, khi chưa có hệ thống làm lạnh thì nhiệt độ lớn nhất do nhiệt thủy hóa gây ra tại tâm bệ trụ tại thời điểm 80 giờ sau khi đổ bê tông là 71,14°C, chênh lệch nhiệt độ giữa tâm bệ và bề mặt bệ là 38,14°C. 3. Ứng suất kéo lớn nhất tại bề mặt bệ là 7,45Mpa trùng với thời điểm nhiệt độ trong khối bê tông đạt nhiệt độ cao nhất (80 giờ).

4. Tỷ số nứt (Crack ratio) nguy hiểm nhất là giai đoạn từ 10h-820h, từ thời điểm kết thúc đổ bê tông đến thời điểm 10 giờ sau khi đổ bê tông, hệ số gây nứt bắt đầu giảm từ 20 đến hệ số thấp nhất là 0,34. Thời điểm xuất hiện ứng suất kéo lớn nhất bắt đầu từ 10 giờ - 820 giờ tuổi (Crack ratio = 0,34-1), sau đó tăng dần.

5. Qua phân tích so sánh ở trên, hệ thống làm lạnh có thể có hiệu quả trong việc giảm nhiệt của quá trình nhiệt thủy hóa. Trường hợp của hai và bốn hệ thống cho thấy hiệu quả cao.. Kiến nghị: Và Qua việc phân tích làm rõ các ở chương 3, luận văn đi đến một số kiến nghị như sau:

24

1. Nhiệt thủy hóa trong bệ trụ với kích thước 44mx34mx5m (có kích thước tương đương bệ trụ cầu Rồng - Đà Nẵng) là rất cao (71,14°C) và chênh lệch nhiệt độ khi chưa có hệ thống làm lạnh thì là hơn 38°C, khi sử dụng 04 hệ thống làm lạnh chênh lệch nhiệt độ là hơn 23°C.

2. Cần thực hiện phân đoạn thi công (kết quả nghiên cứu khi phân đoạn thi công cho thấy, khi giảm chiều cao khối đổ 1,0m thì nhiệt độ cao nhất tại tậm bệ sẽ giảm đi khoảng hơn 2,5°C) kết hợp các biện pháp làm mát như làm mát cốt liệu kết hợp hệ thống ống làm lạnh và hạn chế tác động của nhiệt thủy hóa khi thi công bệ trụ cầu. Đồng thời nên áp dụng đồng thời nhiều biện pháp hạn chế nhiệt thủy hóa.

3. Qua phân tích cũng thấy rằng, chuyển vị do nhiệt thủy hóa gây ra cũng khá lớn gần 9,3mm, khi sử dụng 04 hệ thống làm lạnh, chuyển vị lớn nhất giảm đi khoảng 3,46mm sau 80h, do đó cũng cần xem xét đến tác động này.

4. Từ việc phân tích bằng phương pháp PTHH, cần bổ sung đo đạc 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.

Hướng phát triển của đề tài - Nghiên cứu phân đoạn thi công kết hợp các biện pháp làm mát như làm mát cốt liệu kết hợp hệ thống ống làm lạnh để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa cho bê tông khối lớn trong xây dựng nói chung. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại xi măng và hàm lượng đến nhiệt thủy hóa trong bê tông.

- Dùng các đo đạc thực nghiệm để nghiên cứu đối chứng với kết quả phân tích bằng phương pháp PTHH để có các kết luận cụ thể hơn. - Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống làm mát cho bê tông khối

lớn.