Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu" nhằm xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, phạm vi ảnh hưởng và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT với một số loại đường kính cốt thép điển hình...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN LAM ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÔNG TRÌNH CẦU Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường cầu hầm TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hường dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long 2. PGS.TS. Nguyễn Duy Tiến Phản biện 1: ………………………………………. Phản biện 2: ………………………………………. Phản biện 3: ………………………………………. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi …. giờ ngày ….. tháng …. năm ….. Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Trường đại học Giao thông Vận tải 2. Thư viện Quốc gia
1 ĐẶT VẤN ĐỀ I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Bê tông là một vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới bởi nó có nhiều tính năng đáp ứng được yêu cầu của nhiều loại kết cấu khác nhau, khả năng tạo hình cao, tính chất kết cấu tốt và độ bền cao so với các loại vật liệu xây dựng khác. Nhưng quá trình xây dựng, trong kết cấu bê tông cốt thép xuất hiện sự hình thành nhiệt độ ở tuổi sớm do ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa. Đây là một trong những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu do phân bố nhiệt độ này có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu BTCT ở giai đoạn thi công. Cụ thể, ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ, nhiệt của quá trình thủy hóa và điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông. Bất cứ khi nào ứng suất như vậy đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra, do đó có thể làm giảm khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu. Việc xử lý, sửa chữa, khắc phục các vết nứt này đều gây tốn kém về kinh phí và gây khó khăn, phức tạp trong xây dựng, cũng như công tác bảo trì, khai thác công trình. Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng, đập và các bộ phận công trình cầu. Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môi trường khi thi công và nhiệt độ bê tông tươi, đặc điểm hình học của các kết cấu. Sự hình thành nguồn nhiệt độ trong cấu kiện bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó những yếu tố quan trọng là cấp phối bê tông và công nghệ xây dựng. Ở Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 “Bê tông khối lớn – Thi công và nghiệm thu” [1], để ngăn ngừa sự hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông, chúng ta phải bảo đảm hai yếu tố: Độ chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa các điểm hoặc các vùng trong khối bê tông không vượt quá 20o C: ∆T < 20o C; Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ M T giữa các điểm trong khối BT đạt không quá 50 o C/m; M T < 50o C/m. Hiện tại, công trình cầu thường sử dụng các bê tông có cường độ cao (từ cấp 25MPa đến 40MPa) nên cần xem xét lại do một số yếu tố như sau: Bê tông cường độ cao thường sử dụng hàm lượng xi măng lớn (có thể hơn 400kg/m 3 ) dẫn đến nhiệt lượng do thủy hóa của xi măng lớn hơn nhiều so với bê tông đầm lăn và bê tông thủy công. Đặc biệt kết cấu bê tông trụ cầu sử dụng cốt thép tại biên gần mặt bê tông, do đó chúng làm thay đổi hệ số dẫn nhiệt và khả năng chịu kéo trên bề mặt của bê tông. Nghiên cứu về nguồn nhiệt độ, trường ứng suất của cấu kiện bê tông (trạng thái phân bố nhiệt độ và biến dạng) được nhiều nhà khoa học quan tâm. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn có hạn chế là kết cấu còn đơn giản chỉ thuần túy là khối bê tông không có cốt thép và cấp phối bê tông thí nghiêm chưa phải là cấp phối
2 bê tông phù hợp với kết cấu phần dưới của công trình cầu (cấp C30 và C35). Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu” để góp phần đề xuất mô hình tính toán lý thuyết, có kiểm chứng qua thực đo ngoài hiện trường để phân tích, đánh giá ứng xử do nhiệt thủy hóa xi măng trong kết cấu BTCT. II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu thứ nhất là: xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, phạm vi ảnh hưởng và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT với một số loại đường kính cốt thép điển hình. Tiếp theo, mục tiêu thứ hai là: thực hiện thí nghiệm đoạn nhiệt trong phòng cho một số loại bê tông thông thường sử dụng cho công trình cầu để xây dựng đường cong nhiệt độ đoạn nhiệt của chúng. Cuối cùng, mục tiêu thứ ba là: sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh được thí nghiệm trong phòng và giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, đặc trưng vật liệu tương đương của vật liệu BTCT để xây dựng chương trình phân tích sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu BTCT. III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài luận án tập trung vào các nội dung chính sau: 1. Tổng quan; 2. Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa; 3. Nghiên cứu thí nghiệm xác định nhiệt độ đoạn nhiệt từ quá trình thủy hóa của xi măng cho bê tông thông thường dùng trong công trình cầu; 4. Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng trong kết cấu trụ cầu BTCT ở tuổi sớm. IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU  Thứ nhất, xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng nhiệt của bê tông cốt thép bằng lý thuyết đồng nhất hóa (Phần mềm TCon1): hệ số dẫn nhiệt tương đương, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng nhất hóa vật liệu BTCT cho các cấu tạo lớp vỏ BTCT đặc trưng của trụ cầu.  Thứ hai, xây dựng đường cong đoạn nhiệt cho một số cấp phối bê tông sử dụng trong kết cấu phần dưới của công trình cầu (bê tông C30, C35) theo phương pháp đoạn nhiệt trong phòng thí nghiệm và phương pháp bán đoạn nhiệt tại hiện trường.  Thứ ba, xây dựng chương trình tính toán sự phân bố và thay đổi nhiệt độ và ứng suất theo thời gian do nhiệt thủy hóa xi măng (Phần mềm TCon2) để so sánh với kết quả thực đo ngoài hiện trường.
3 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học 1.1.1. Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học Các loại vết nứt do nhiệt độ trong quá trình thủy hóa xi măng, do co ngót, từ biến của kết cấu bê tông và do kiềm chế biến dạng trong khối bê tông khi tuổi sớm là các loại vết nứt không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học. Ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ, nhiệt của quá trình thủy hóa và điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông. Bất cứ khi nào ứng suất như vậy đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra, do đó có thể làm giảm khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu. Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng, đập và các bộ phận công trình cầu. Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môi trường khi thi công và nhiệt độ bê tông tươi, đặc điểm hình học của các kết cấu. 1.1.2. Khái niệm về nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông Nhiệt thủy hóa là nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình thủy hóa xi măng là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian là 72 giờ đầu. Nhiệt thủy hóa xi măng làm tăng nhiệt độ không đồng đều trong khối bê tông, tạo nên Gradient nhiệt độ và sự giãn nở nhiệt thể tích là một trong những nguyên nhân có thể gây nứt cấu kiện BTCT Quá trình thủy hóa của xi măng gây ra bởi các khoáng chất thành phần sinh ra một lượng nhiệt nhất định nào đó. Lượng nhiệt đó có thể được theo dõi và đo bằng một thiết bị đo đẳng nhiệt. Dưới các điều kiện thông thường, luồng nhiệt sản sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng được phân thành 5 giai đoạn. Hình 1. 1. Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng poóclăng.
4 1.1.3. Các quy định về kiểm soát vết nứt phi kết cấu cho các công trình cầu ở Việt Nam Theo Tiêu chuẩn TCVN 11823 :2017: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu trên đường ô tô” [2] chỉ ra để kiểm soát nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của xi măng hình thành vết nứt phi kết cấu: Đối với bê tông dùng cho kết cấu ở trong và trên mặt nước mặn và vùng bờ biển, tỷ lệ nước/xi măng không được vượt quá 0,45; Tổng cộng lượng xi măng Pooclăng và các vật liệu chứa xi măng khác không được vượt quá 475 kg/m3 bê tông, ngoại trừ bê tông tính năng cao thì lượng xi măng Pooclăng và xi măng khác không vượt quá 593 kg/m3. Theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 [1] chỉ ra việc sử dụng vật liệu xi măng pooclăng thông thường, có lượng nhiệt thủy hóa sau 7 ngày không quá 70cal/g; Xi măng ít tỏa nhiệt, có lượng nhiệt thủy hóa sau 7 ngày không quá 60 Cal/g; Xi măng pooclăng - puzơlan, hoặc xi măng pooclăng - xỉ, các xi măng này nên sử dụng cho các công trình xây dựng ở vùng ven biển có tiếp xúc với nước chua phèn. 1.2. Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông cốt thép ở tuổi sớm trên thế giới và tại Việt Nam 1.2.1. Các phương pháp trên thế giới Một trong những cách tiếp cận khá hoàn chỉnh để đánh giá kích thước của khối kết cấu là phương pháp xác định đặc trưng của sự khuếch tán nhiệt thủy hóa được đề xuất bởi Ulm và Coussy [55], phương pháp này xem xét cả kích thước của kết cấu và các đặc tính dẫn nhiệt của nó. Một cách tiếp cận khác liên quan đến đặc trưng hình học của kết cấu [12]. Tiếp đó, De Schutter và Taerwe [26] đã nghiên cứu các khái niệm của Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI) về kích thước khối và đề xuất sử dụng độ dày tương đương làm thước đo kích thước của kết cấu, trong đó M là khối lượng của kết cấu và γa là hệ số hình dạng theo dòng nhiệt. Một phân tích cơ- nhiệt sử dụng phương pháp PTHH để đánh giá độ an toàn kết cấu dựa trên FIB Model Code 2010 [24] bằng việc phân tích phi tuyến [23] để đánh giá độ an toàn cho bệ móng trụ điện gió sử dụng bê tông cường độ cao và các vỏ hầm bằng bê tông được gia cố hoặc không gia cố cốt sợi với sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng ở tuổi sớm của bê tông. 1.2.2. Các phương pháp ở Việt Nam Một nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước kết cấu bê tông khối lớn đến sự hình thành trường nhiệt độ và vết nứt do thủy hóa xi măng của [3] đã xem xét ảnh hưởng của kích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ ở tuổi sớm ngày nhưng là khối bê tông thuần túy không có lớp cốt thép bên trong kết cấu. Một nghiên cứu khác về mức độ thủy hóa và sự phát triển cường độ trong bê tông cường độ cao của [7] đã dựa vào mức độ thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn có hạn chế là kết cấu còn đơn giản chỉ thuần túy là khối bê tông không có cốt thép và cấp phối bê tông thí
5 nghiệm chưa phải là cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần dưới của công trình cầu. Các nghiên cứu được liệt kê ở trên có thể dùng phương pháp mô phỏng bằng PTHH hoặc phương pháp thực nghiệm, hoặc phương pháp điều tra số liệu thực tế nhưng chưa có nghiên cứu nào đề cập tới phương pháp đồng nhất hóa vật liệu BTCT của lớp vỏ kết cấu. 1.3. Một số giải pháp phòng chống, hạn chế nứt không do lực tác động trong kết cấu bê tông, bê tông cốt thép của mố trụ cầu ở giai đoạn thi công Một số giải pháp đã được áp dụng trong thực tế thi công bao gồm: phương pháp hạ nhiệt cốt liệu, sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt, bảo dưỡng bê tông, khống chế nhiệt độ bê tông trong quá trình thi công và sử dụng phụ gia khoáng. 1.4. Kết luận chương 1 Chương này nghiên cứu tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học. Đồng thời nghiên cứu nguyên nhân hình thành các vết nứt trong công trình có kích thước lớn. Từ đó, đưa ra cách nhìn nhận và đánh giá sự hình thành vết nứt và phân tích, xử lý các dạng vết nứt này. Các phân tích, đánh giá có thể được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm hiện trường và phương pháp mô phỏng qua các phần mềm phân tích kết cấu (FEM/FEA). XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA LỚP BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA 2.1. Tổng quan về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu 2.1.1. Ứng xử vật liệu Thiết lập quy luật ứng xử của vật liệu bằng việc xây dựng các quy luật dự báo lý thuyết trên cơ sở thiết lập mối quan hệ vĩ mô-vi mô. Cụ thể hơn, các đặc trưng vật liệu ở cấp độ thiết bị công trình (cấp độ vĩ mô) có liên hệ và được quyết định bởi các đặc trưng, cấu trúc, quy luật vật lý ở mức độ vật chất nhỏ hơn (cấp độ vi mô). 2.1.2. Khái niệm đa cấp độ Mô hình đa cấp độ là một hướng nghiên cứu trong đó các mô hình khác nhau tại các cấp độ khác nhau (cơ học lượng tử, cơ học động lực phân tử, cơ học môi trường liên tục...) được sử dụng đồng thời để mô tả ứng xử của hệ vật chất. 2.1.3. Khái niệm đồng nhất hóa Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu đa cấp độ ở đây khi chỉ xét tới vật liệu tại cấp độ tuân theo quy luật của cơ học môi trường liên tục. Tại cấp độ vĩ mô (cấp độ kết cấu) công trình xem như là môi trường liên tục đặc trưng bởi phần tử thể tích (elementary volume) lý thuyết, phần tử thể tích là vô cùng bé của hệ vật
6 chất xem xét. Cụ thể hơn, nếu chúng ta lần lượt ký hiệu L và là kích thước của công trình và phần tử thể tích thì
7 học riêng, chiếm không gian và có tính chất cơ học đồng nhất đặc trưng bởi ten-xơ độ cứng đàn hồi hoặc ten-xơ độ mềm đàn hồi với i= 1, 2,...,n được kết nối với nhau qua mặt tiếp xúc được coi là hoàn hảo (đặc trưng bởi điều kiện liên tục về vec-tơ chuyển vị và vec-tơ lực). (a) (b) Hình 2. 2. Phần tử thể tích đặc trưng REV của vật liệu BTCT (hình tròn là cốt thép, phần còn lại là bê tông): (a) phần tử thể tích đặc trưng REV; (b) chia lưới tam giác cho REV Áp dụng phương pháp đồng nhất hóa trong phương pháp phần tử hữu hạn Ứng xử tổng thể của vật liệu được trông đợi là đàn hồi tuyến tính, đặc trưng bởi mô-đun đàn hồi tổng thể eff .  (2.33) eff  i i : i  Với  i là giá trị trung bình trên pha thứ i của ten-xơ tập trung biến dạng i là chỉ số chạy từ 1 tới n pha. Ma trận của ten-xơ độ cứng đàn hồi sau khi đồng nhất hóa theo điều kiện biên biến dạng có dạng: 1 1 C eff   C(x)(x)U ed    e  e Ce (x)(x)Uee (2.40)  e 2.2. Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa Hệ số dẫn nhiệt của bê tông và cốt thép là khác nhau, để tính toán sự thay đổi nhiệt độ trong lòng khối BTCT thì cần một hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT. 2.2.1 Phương trình vi phân của quá trình truyền nhiệt Các mô hình bài toán truyền nhiệt có xét đến sự giải phóng nhiệt trong quá trình thủy hóa xi măng dựa trên phương trình vi phân truyền nhiệt nổi tiếng được đưa ra trong [32, 43, 46]:
8   T    T  T  kx    ky   q  C (2.41) x  x  y  y  t trong đó: q- Nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích (kJ/m3)  T - gia tăng nhiệt độ trong khoảng thời gian t (giờ) - Khối lượng thể tích của vật liệu (kg/m3) C- Nhiệt dung riêng của vật liệu (kJ /kg.K) kx, ky- hệ số khuếch tán nhiệt theo mỗi hướng x,y (m2/s) 2.2.2 Các thông số tính toán nguồn nhiệt Tanabe (1985) đã đưa ra công thức xác định nguồn nhiệt đơn vị q và quy luật của sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt trong bê tông. Đến năm 1986, công thức này đã được Hiệp hội kỹ sư xây dựng Mỹ- ASCE công nhận [16, 38].  t 1 q  .C .Tmax .e 24 ; Tad  Tmax .(1  e  t ) (2.42) 24 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]; Tad: nhiệt độ của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt ở tuổi t (ngày), [°C]. 2.2.3 Công thức quá trình truyền nhiệt trong phương pháp phần tử hữu hạn Áp dụng tiêu chuẩn Galekin trong miền thời gian: T(t)= Ti(t)Ni +Tj(t)Nj cho mỗi phần tử, với Ni=1-t/∆t và Nj=t/∆t .  C   K   2   C   K     T( n 1)t   KTnt     T( n1)t   f  (2.49)  2t 3  3  2t 6  2.3. Phương pháp đồng nhất hóa xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương của lớp BTCT 2.3.1. Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương Hệ số dẫn nhiệt K(x) tại từng vị trí x trong khối BTCT được xác định theo công thức (2.2). Trong đó, K(1) =50W/m.K và K(2) =1,6W/m.K là hệ số dẫn nhiệt của thép và bê tông tương ứng. χ(x) là hàm vị trí, có giá trị bằng 1 nếu x nằm trong miền cốt thép, và bằng 0 nếu x nằm trong phần bê tông.
9 Hệ số dẫn nhiệt của toàn bộ vật thể đặc trưng như sau: 1 (2.55) K eff  ne K e ( x )D e (x ) U e  e e  e1 2.3.2. Xác định chiều dày của lớp BTCT Chiều dày của lớp BTCT sau khi đồng nhất hóa được xác định bằng khoảng cách từ mép ngoài kết cấu tới ranh giới của khu vực mà trường nhiệt độ bằng nhau tại tất cả các điểm theo phương thẳng đứng của kết cấu mô phỏng. 2.3.3. Xác định nhiệt dung riêng của lớp BTCT Giả sử thể tích của lớp BTCT sau khi đồng nhất hóa là là, thể tích và nhiệt dung riêng của vật liệu thép và bê tông tương ứng là , C(1) và , C(2). Nhiệt dung riêng của lớp BTCT được xác định theo công thức sau: C (1)  (1)  C (2)  (2) C (1)  (1)  C (2)  (2) C BTCT   (2.56)  (1)   (2)  2.4. Xây dựng chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT 2.4.1. Sơ đồ khối của chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương Hình 2. 3. Sơ đồ qui trình phân tích Hình 2. 4. Giao diện chương trình trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông Tcon1 khối lớn Qui trình thực hiện gồm các bước được mô tả theo sơ đồ khối như Hình 2.8 trên Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Matlab, đặt tên là Tcon1, giao diện chương trình được thể hiện trong Hình 2.9. Sau khi tính toán, chúng ta xác định được trường nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt tương đương của khối bê tông cốt thép là Keff theo như kết quả trình bày ở bảng dưới đây:
10 Bảng 2. 1. Hệ số dẫn nhiệt tương đương (W/mK) của BTCT cho một số loại đường kính cốt thép điển hình. Đường kính Đường kính cốt thép chủ (mm) cốt thép đai 16 18 20 25 32 (mm) 12 1,771 1,779 1,790 1,820 1,874 14 1,797 1,806 1,816 1,848 1,904 16 1,824 1,833 1,844 1,876 1,934 18 1,850 1,860 1,872 1,905 1,966 20 1,878 1,889 1,901 1,935 1,998 25 1,953 1,964 1,975 2,014 2,083 32 2,067 2,078 2,093 2,137 2,216 Chiều dày của lớp BTCT sau khi đồng nhất được đưa ra trong Bảng 2.2, chiều dày này được tính từ mép ngoài kết cấu tới ranh giới của khu vực mà trường nhiệt độ bằng nhau tại tất cả các điểm theo phương thẳng đứng của kết cấu mô phỏng. Bảng 2. 2. Chiều dày của lớp BTCT (mm) sau đồng nhất cho một số loại đường kính cốt thép điển hình. Đường kính Đường kính cốt thép chủ (mm) cốt thép đai 16 18 20 25 32 (mm) 12 91 96 102 114 128 14 93 99 104 116 130 16 95 101 106 118 132 18 97 103 108 121 135 20 100 105 111 123 137 25 105 111 116 128 142 32 112 118 123 136 150 2.4.2. Xác định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT thay đổi theo thời gian bằng phương pháp đồng nhất hóa Sử dụng lý thuyết đồng nhất hóa với điều kiện biên biến dạng được nêu trong mục 2.1.5 để xác định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT thay đổi theo thời gian trong quá trình hình thành cường độ của bê tông (từ lúc
11 đổ bê tông tới lúc tuổi 28 ngày). Sau khi đồng nhất hóa ta có thể xác định được các bảng giá trị của E x , E y, hệ số  Poisson yx của vật liệu BTCT ở tuổi 28 ngày từ Bảng 2.3 tới Bảng 2.5 tương ứng và nhiệt dung riêng của kết cấu BTCT cho một số loại đường kính cốt thép điển hình trong Bảng 2.6:
12 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của cấp bê tông và biện pháp thi công đến khả năng gây nứt của trụ cầu BTCT Trong phần này, tác giả tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của khả năng xuất hiện vết nứt trong thân trụ vào bề dày thân trụ. Sự phụ thuộc này được khảo sát trong 3 bài toán sử dụng bê tông thông thường, bê tông toả nhiệt thấp với khối đổ lớn và bê tông toả nhiết thấp với khối đổ nhỏ. 2.5.1. Mô hình bài toán Khảo sát với trụ cầu có kích thước: Bệ trụ cầu có kích thước: 8m x 4m x 3m; Thân trụ cao 6m gồm hai đốt, mỗi đốt cao 3m, dài 6m; Bề rộng thân trụ: a (m). Các thông số khác: Bê tông bệ trụ mác 250; Xi măng sử dụng là loại xi măng thông thường; Cường độ bê tông tại thời điểm 28 ngày tuổi: M250 (16,67MPa); M200 (12,5MPa); Độ ẩm môi trường: 70%; Nhiệt dung riêng: 0,25 kcal/kg. oC; Hệ số truyền nhiệt: 0,023kcal/cm.hr.oC; Nhiệt độ môi trường: 30 oC; Hệ số đối lưu với môi trường: 0. 0012kcal/cm2.hr. oC; Nhiệt độ tại đáy tấm: 20 oC; Nhiệt độ khởi đầu của vật liệu:20 oC; Các cạnh tương ứng có điều kiện biên chống chuyển vị thích hợp. 2.5.2. Bê tông thông thường Nếu sử dụng xi măng thông thường cho bê tông có mác 250 trở lên có thể sẽ gây ra nứt nhiệt thủy hóa cho bê tông có kích thước nhỏ nhất của khối đổ ≥ 1m. Đối với các trường hợp này cần có biện pháp phòng chống nứt do quá trình nhiệt thủy hóa trong khối bê tông. Nếu sử dụng xi măng thông thường, bê tông có mác 200 thì dự kiến kích thước nhỏ nhất của khối đổ bê tông khối lớn mà không gây nứt nhiệt thủy hóa là 1,2m.
13 2.5.3. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ lớn Căn cứ vào bảng 2.10 ta có bảng 2.11 dưới đây: Dựa vào kết quả khảo sát thân trụ khi sử dụng xi măng tỏa nhiệt trung bình, ta nhận thấy thân trụ vẫn có thể bị nứt do nhiệt thủy hóa nên để hạn chế hơn nữa vết nứt do nhiệt thủy hóa. 2.5.4. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ nhỏ Căn cứ vào bảng 2.13 ta có bảng 2.14 dưới đây: Dựa vào kết quả khảo sát thân trụ khi thay đổi chiều cao khối đổ từ 3m xuống còn 1,5m, chúng ta thấy bề dày thân trụ lớn hơn so với bề dày thân trụ tương ứng với chiều cao khối đổ là 3m. 2.6. Kết luận chương 2 Chương này đã đưa ra khái niệm, quy trình thực hiện một cách chi tiết của phương pháp đồng nhất hóa vật liệu. Sau đó, sử dụng lý thuyết đồng nhất hóa vật liệu theo bài toán nhiệt và các phương trình truyền nhiệt cơ bản để xây dựng
14 chương trình tính toán TCon1 để xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng nhất hóa vật liệu BTCT cho các cấu tạo lớp vỏ BTCT đặc trưng của trụ cầu dựa vào đường kính cốt thép điển hình và chiều dày bê tông bảo vệ. Kết quả chương này đưa ra các bảng tra về hệ số dẫn nhiệt tương đương và chiều dày tương đương của lớp BTCT khi biết đường kính của cốt thép chủ, cốt thép đai và chiều dày bê tông bảo vệ tương ứng. Chương này cũng khảo sát một trụ cầu thực tế và đánh giá ảnh hưởng của chiều dày thân trụ, hàm lượng xi măng và biện pháp thi công đến khả năng hình thành vết nứt của trụ cầu Vĩnh Tuy. Từ đó rút ra các nhận định quan hệ giữa cấp bê tông với chiều dày thân trụ để vết nứt không hình thành do ứng suất nhiệt. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ĐOẠN NHIỆT TỪ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG CHO BÊ TÔNG THÔNG THƯỜNG DÙNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU 3.1. Mục đích thí nghiệm Trình bày quy trình và kết quả thực nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt của một số hỗn hợp bê tông thông thường được sử dụng trong các bộ phận móng mố trụ cầu ở Việt Nam. 3.2. Thực nghiệm xác định nhiệt phát sinh trong đơn vị thể tích của bê tông tuổi sớm sử dụng cho mố và trụ cầu 3.2.1. Lựa chọn cấp phối thí nghiệm Thành phần hỗn hợp bê tông được lấy từ công trình cầu thực tế và được thí nghiệm mẫu tại Phòng thí nghiệm công trình của Trung tâm Khoa hoc công nghệ Giao thông vận tải, Trường Đại học Giao thông vận tải (VILAS 047). Hỗn hợp bê tông sử dụng xi măng Bút Sơn PC40, phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 8900 đạt các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn ASTM C494 Type F. 3.2.2. Quy trình thực hiện thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt cho bê tông Phép đo đoạn nhiệt đo nhiệt hydrat hóa của các mẫu thí nghiệm trong điều kiện cách nhiệt - không có mất mát về nhiệt. Phép đo này được tiến hành bằng cách đo nhiệt độ của các mẫu thí nghiệm đồng thời thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh cho tương ứng với nhiệt độ của mẫu theo thời gian. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt độ theo phương pháp đoạn nhiệt cho mẫu bê tông tươi được minh họa trên Hình 3.1. Hình 3. 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng
15 Hình 3. 2. Đặt khay mẫu vào thùng Hình 3. 3. Máy tính theo dõi và lưu đoạn nhiệt, nối cảm biến với máy đo. dữ liệu đo nhiệt. Kết quả theo dõi nhiệt độ sẽ được máy tính tự động lưu trữ thành file *.txt. Số liệu về nhiệt độ sẽ được xử lý bằng máy tính để tính ra được các tham số về nhiệt của hỗn hợp bê tông đó. 3.2.3. 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 3.6. 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. Hình 3. 4. Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của 2 hỗn hợp 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]. 1  t (3.9) q  .C .Tmax .e 24 24
16 trong đó: q: nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích, [J/m 3 ]; ρ: khối lượng thể tích của bê tông,[kg/m 3 ]; C: nhiệt dung riêng của bê tông, [J/kg.K]; t: thời gian, [ngày]; α: hệ số thể hiện mức độ thủy hóa; T max: 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: Hình 3. 5. Nhiệt lượng sinh ra do nhiệt thủy hóa xi măng theo thời gian 3.3. Kết luận chương 3 Chương này nghiên cứu độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt cho 2 hỗn hợp bê tông (cấp bê tông C30 và C35) thường được sử dụng cho công trình cầu ở Việt Nam bằng thực nghiệm trong phòng. Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt đo được của 2 hỗn hợp lần lượt là 38,3°C và 47,2°C. Nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ tăng dần trong suốt thời gian 6 ngày. Tham số độ dốc (hay tham số hình dạng) của 2 hỗn hợp bê tông này là xấp xỉ 1,0. Đường cong nhiệt độ đoạn nhiệt và tham số nhiệt thủy hóa là các thông số quan trọng để phân tích sự phát triển nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông của kết cấu móng, mố trụ cầu, từ đó cho phép đánh giá khả năng nứt trong giai đoạn thi công để có các biện pháp kiểm soát nứt và kế hoạch tháo dỡ ván khuôn phù hợp đảm bảo tiến độ xây dựng. Đường cong đoạn nhiệt, tham số nhiệt thủy hóa và giá trị nhiệt lượng thủy hóa được xác định trong chương này kết hợp với các đặc trưng vật liệu tương đương theo thời gian, bảng tra hệ số dẫn nhiệt tương đương và chiều dày tương đương của lớp vỏ BTCT xác định trong chương 2 được sử dụng làm dữ liệu đầu vào để xây dựng chương trình tính toán TCon2 trong chương tiếp theo. Mục đích của chương trình TCon2 dùng để xác định sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt hủy hóa của xi măng trong kết cấu BTCT ở tuổi sớm.
17 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG KẾT CẤU TRỤ CẦU BTCT Ở TUỔI SỚM Trong quá trình xây dựng, sự hình thành vết nứt do nhiệt thủy hóa xi măng trong kết cấu BTCT tuổi sớm là một vấn đề cần được quan tâm và giải quyết. Cụ thể, ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ sinh ra do quá trình thủy hóa của xi măng, điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông. Bất cứ khi nào ứng suất như vậy đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra, dẫn đến giảm khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu. 4.1. Thiết lập quá trình đo nhiệt thủy hóa của xi măng của thân trụ BTCT ngoài hiện trường Khảo sát với trụ cầu có ký hiệu T06HB với thân trụ có kích thước: LxBxH=8x3x13,114m như Hình 4.2a. Thân trụ cao 13,114m được chia thành các khối đổ với khối đổ cao nhất là 3m. Trụ cầu sử dụng bê tông có cường độ chịu nén trung bình ở tuổi 28 ngày là 35,86MPa (tương ứng với cấp bê tông C30). Hỗn hợp bê tông sử dụng loại xi măng poocland thông thường PC40. Trụ cầu được bố trí cốt chủ kẹp đôi với đường kính D32 bước cốt thép 150mm, cốt đai là D25 như Hình 4.2b. Ta tiến hành khảo sát sự tăng nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của xi măng theo thời gian, sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi của khối bê tông và bề mặt bê tông của một thân trụ của công trình cầu thực tế bằng việc sử dụng thiết bị đo Thermometer và các đầu đo nhiệt độ được gắn vào các vị trị của mặt cắt ngang thân trụ như Hình 4.2c. Hình 4. 1. Thân trụ dùng để thực nghiệm: (a) kích thước thân trụ; (b) Bố trí cốt thép mặt cắt ngang, (c) Bố trí các đầu đo nhiệt độ trên mặt cắt ngang. Tiến hành đo nhiệt độ của bê tông tại các thời điểm: lúc bắt đầu đổ bê tông (ngày 0), 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày, 4 ngày, 5 ngày và 6 ngày tuổi. Nhiệt độ của ngày thứ
18 5 và ngày thứ 6 được ghi nhận là không tăng thêm, do đó ta dừng đo tại ngày thứ 6. Kết quả đo được tại các vị trí đầu đo tại ngày thứ 5 và ngày thứ 6 với nhiệt độ tại S1 cao nhất là 64,9°C và nhiệt độ tại S5 và S5’ là 28,6°C. Sự chênh nhiệt độ cao nhất trong khối bê tông thu được là 36,3°C. 4.2. Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian và sự phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT thực tế Một chương trình tính toán TCon 2 được viết bằng ngôn ngữ Matlab để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ trong thân trụ BTCT ở trên. Với đường kính cốt thép chủ D32 và đường kính cốt thép đai D25, sử dụng hệ số dẫn nhiệt có hiệu ở Bảng 2.1 và bề dày lớp vật liệu đồng nhất được nêu trong Bảng 2.2 như được phân tích ở Chương 2, ta có hệ số truyền nhiệt Keff=2.083 W/m.K của lớp vỏ BTCT với bề dày là 142mm và hệ số truyền nhiệt K(2) =1,6W/m.K của vật liệu bê tông. Theo kết quả phân tích nhiệt độ trong khối bê tông đạt giá trị lớn nhất ở tuổi 120 giờ sau khi đổ được thể hiện ở Hình 4.5, với khu vực xung quanh tâm trụ là nơi có nhiệt độ cao nhất, điểm cao nhất có nhiệt độ là 63,4°C, trong khi đó nhiệt độ cao nhất đo được ngoài hiện trường là 64,9°C, sai số đạt được là 2,3%. Do đó kết quả đo và mô phỏng rất đáng tin cậy. 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 sinh 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. Hình 4. 2. Phân bố nhiệt của mặt cắt ngang thân trụ tại thời điểm 120 giờ Kết quả giữa mô phỏng và thực đo được so sánh tại thời điểm ban đầu (0 giờ), 1 ngày (24 giờ), 2 ngày (48 giờ), 3 ngày (72 giờ), 4 ngày (96 giờ), 5 ngày (120 giờ), 6 ngày (144 giờ) là khá giống nhau.