Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao

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

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đánh giá cường độ nén còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 (mác 350) sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao từ 30 đến 600°C. Việc đánh giá này cũng được thực hiện mở rộng trên các loại bê tông có cường độ 25 và 50 MPa.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG THANH QUÍ NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG VỎ HẦM HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO 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. NGUYỄN VĂN THÁI Phản biện 1: TS. HOÀNG TRỌNG LÂM Phản biện 2: TS. NGUYỄN THẾ DƯƠNG Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm 2018. * 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. Tính cấp thiết của đề tài Hầm Hải Vân là hầm đường bộ trên tuyến quốc lộ 1 nối tỉnh Thừa Thiên Huế và thành phố Đà Nẵng. Hầm được khời công xây dựng năm 2000 và khánh thành vào năm 2005. Công trình giúp giảm các vụ tai nạn giao thông, tiết kiệm thời gian, chi phí nhiên liệu so với đèo Hải Vân trước đây. Sau thời gian khai thác, lưu lượng các phương tiện qua hầm đã tăng cao, Bộ Giao thông vận tải đã phê duyệt dự án Hầm Hải Vân 2, được mở rộng từ hầm lánh nạn. Để hoàn thiện công trình và giúp công trình tăng tuổi thọ cũng như thẩm mỹ, bề mặt vỏ hầm được bọc một lớp bê tông xi măng để bao phủ. Trong quá trình khai thác, không tránh khỏi nguy cơ hỏa hoạn có thể xảy ra trong hầm, dẫn đến sự mất ổn định của bê tông dưới các dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có thể bị nổ. Trên thế giới cũng đã từng chứng kiến các vụ hỏa hoạn tại hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, Mont Blanc (1999) nối liền Pháp – Ý, hay như công trình dân dụng như tháp Windsor – thủ đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005) là những minh chứng cho sự mất ổn định này. Sự mất ổn định của bê tông sau hỏa hoạn làm cho kết cấu chịu lực bằng bê tông không còn đảm bảo điều kiện làm việc như ban đầu. Vấn đề đặt ra là sau hỏa hoạn, kết cấu bê tông của công trình mà cụ thể là vỏ hầm có còn duy trì khả năng chịu lực như ban đầu hay không? Xuất phát từ lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao ” là rất cần thiết. Kết quả đạt được có thể giúp cho các nhà quản lý, khai thác hầm Hải Vân nói riêng và các công trình xây dựng nói chung có những kịch bản phòng ngừa hay đưa ra các cảnh báo sử dụng sau khi hỏa hoạn xảy ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề tài này nhằm đạt được những mục đích sau:  Đánh giá cường độ nén còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 (mác 350) sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao từ 30 đến 600°C.
2  Việc đánh giá này cũng được thực hiện mở rộng trên các loại bê tông có cường độ 25 và 50 MPa. 3. Đối tượng nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu của luận văn là bê tông xi măng vỏ hầm Hải Vân 2 đang được xây dựng ở thành phố Đà Nẵng. 4. Phạm vi nghiên cứu  Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 – mác 350 và các loại bê tông có cường độ 25, 50 MPa sau khi chịu tác dụng ở các nhiệt độ: 80, 150, 300, 450 và 600°C với các tốc độ gia nhiệt khác nhau. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết của bê tông xi măng và những ứng xử cơ – nhiêt xẩy ra bên trong bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ.  Phương pháp thực nghiệm: đánh giá cường độ nén còn lại trên các mẫu đúc sau khi chịu tác dụng của nhiệt. CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN 1.1. Quá trình thủy hóa của hồ xi măng Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo, được tạo thành từ việc đông rắn hỗn hợp sử dụng chất kết dính thủy hóa là xi măng và các loại cốt liệu rời rạc: cát, sỏi, đá dăm sau khi được nhào trộn với nước theo một tỷ lệ thích hợp. Sở dĩ hỗn hợp bê tông trở nên đông cứng và hình thành cường độ là do phản ứng hóa học giữa xi măng và nước – gọi là phản ứng thủy hóa của xi măng, mà kết quả là hình thành các Hydrat khoáng - CSH. Các hydrat này không tan và hoàn toàn ổn định trong môi trường nước và an toàn dưới tác động của các chất hóa học. Các thành phần chính của xi măng bao gồm: - Tricanxi silicat - 3CaO SiO2, ký hiệu C3S, chiếm khoảng 40- 60%; - Dicanxi Silicat - 2CaO SiO2, ký hiệu C2S, chiếm khoảng 15- 35%;
3 - Tricanxi aluminat - 3CaO Al2O3, ký hiệu C3A, chiếm khoảng 4-14%; - Alumoferit- 4CaO Al2O3 Fe2O3, ký hiệu C4AF, chiếm khoảng 10-18%; - Thạch cao (Gypsum) dưới dạng: CaSO42H2O (CSH2); thạch cao khan CaSO4 0.5H2O (CSH0.5) hay CaSO4 (CS) - Vôi CaO và Oxit khoáng. Khi nhào trộn với nước, quá trình thủy hóa xẩy ra giữa các thành phần chính của xi măng với nước diễn ra theo các giai đoạn như sau: 1.1.1. Quá trình thủy hóa của C3S Quá trình thủy hóa C3S xẩy ra theo 3 giai đoạn được mô tả như (Hình 1.1). Hình 1.1 Tiến trình thủy hóa C3S [1] - Giai đoạn ngủ: Khởi đầu là sự thủy hóa C3S do tác động của ion OH‾ diễn ra khi tiếp xúc với nước để hình hành C-S-H (Calcium Silicate Hydrate - C3S2H2) theo công thức sau: 2Ca3SiO5 + 6H2O → 6Ca2+ + 8OH‾ + 2H2SiO42‾ + Q 3Ca2+ + 2H2SiO42‾ + 2OH‾ → Ca3H2Si2O7(OH)2 + 3H2O Như vậy: 2C3S + 6H → C3S2H2 + 3CH + Q; với Q = 120cal/g
4 Dung dịch ngày càng bão hòa do sự hình thành Portlandite CH (Ca(OH)2). Kết thúc giai đoạn nghỉ - dormante. 3Ca2+ + 6OH‾ → 3Ca(OH)2 - Giai đoạn ninh kết: Sự hình thành C-S-H ngày càng nhiều. Các tinh thể portlandite và các sợi C-S-H đan xen lẫn nhau và lấp đầy dần dần các lỗ rỗng. Vật liệu ngày càng trở nên đặc và cứng hơn. Mức độ thủy hóa theo thời gian (t) được đánh giá bằng tỷ số giữa lượng C3S bị thủy hóa tại thời điển t và lượng C3S ban đầu: 𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡) 𝛼𝑡 = 𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡 = 0) - Giai đoạn đông cứng: Bắt đầu từ giờ thứ 12, lớp vỏ thủy hóa bao bọc các hạt C3S trở nên đủ dày để làm giảm sự khuếch tán của các ion và của nước. Sau vài tháng, tiến trình ngưng. Theo Nonat, CSH biến đổi theo 3 dạng: - CSH(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 0.7 đến 1.0 - CSH(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 1.0 đến 1.5 - CSH(): với tỷ số giữa C/S trên 1.8 1.1.2. Quá trình thủy hóa của C2S Phản ứng thủy hóa C2S dưới hình thức đơn giản sau: 2C2S + 5H → C3S2H4 + CH + Q, với Q vào khoảng 250J/g. Kết quả phản ứng này rất gần với kết quả thủy hóa của C3S. 1.1.3. Quá trình thủy hóa của C3A C3A phản ứng rất nhanh với nước để hình thành gel tự chuyển hóa thành các hydrat hexagon (C2AH8 và C4AH13) phát triển thành dạng vẩy mỏng và không đều. Phản ứng thủy hóa C3A như sau: 2C3A + 21H → C4AH13 + C2AH8 + Q3 Và C4AH13 + C2AH8 → 2C3AH6 + 9H + Q4 Như vậy: C3A + 6H → C3AH6 + Q5 1.1.4. Quá trình thủy hóa của C4AF Quá trình thủy hóa của C4AF xẩy ra với tốc độ chậm hơn và tỏa nhiệt ít hơn khi so với C3A và hình thành các hydrat chứa Fe2O3. Phản ứng thủy hóa C4AF như sau: 3C4AF + 30H → 4C3(A,F)H6 + 2(A,F)H3 + Q
5 Với nhiệt lượng Q vào khoảng 420 J/g. Khi có sự hiện diện của thạch cao CSH2, phản ứng sẽ hình thành: C3 (A, F)3CaSO4 𝐻32 (Ettringite), C3 (A, F)CaSO4 𝐻12 và C3 (A, F)𝐻6. Chẳng hạn, sự hình thành Etringite : C4 AF + 3CSH2 + 30H → C6 𝐴S3 H32 + 𝐶𝐻 + 𝐹𝐻3 1.2. Những ứng xử xẩy ra bên trong bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ Nhờ có được những thuộc tính cơ học tốt, bền vững với môi trường, dễ tạo dáng và tận dụng được nguồn nguyên vật liệu địa phương, ngày nay bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình dựng dân dụng,cầu đường,… Ta biết rằng, bê tông là một vật liệu tổng hợp bao gồm chất kết dính xi măng, cốt liệu (sỏi, cát), nước và chất phụ gia. Ngoài vai trò thủy hóa xi măng, nước còn giúp cho hỗn hợp có được độ dẻo thích hợp để có thể dễ dàng trong việc đổ khuôn khi thi công. Trong bê tông, nước tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: nước tự do, nước bị hấp phụ và nước liên kết hóa học. Do tính không đồng nhất của bê tông, nên khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau. 1.2.1. Vữa xi măng Với sự gia tăng của nhiệt độ, những chuyển hóa của vữa xi măng được mô tả như sau [2-6] (Hình 1.2-a):  20 - 120°C : Sự ra đi của nước tự do bắt đầu khi nhiệt độ lên đến khoảng 100°C. Vào khoảng 120°C vữa mất hoàn toàn nước tự do [4, 5]. Và ở 100°C, Ettringite C6AS3H32 bị phân hủy hoàn toàn [2, 3].  130 - 170°C : Thạch cao CSH2 bị phân hủy [7].  Các CSH bị phân hủy khi nhiệt độ tăng 100°C đến 450°C [2, 3].  450 - 550 °C : Sự phân hủy của portlandite tạo thành vôi và nước Ca(OH)2 → CaO+H2O [2, 3, 5, 6].  600 - 700°C : CSH tiếp tục bị phân hủy và hình thành các dang β-C2S [5]. Và CaCO3 bắt đầu bị phân hủy thành CaO và CO2 khi nhiệt độ vượt quá 600°C [2, 5, 6].
6 Trong giai đoạn làm nguội sau khi nung, tiến trình tái thủy hóa diễn ra xẩy ra chậm và hình thành các gel CSH và Portlandite mới [2] (Hình 1.2-b). (a) (b) Hình 1.2 Tiến trình thủy phân của hồ xi măng ở nhiệt độ cao (a) và tiến trình tái thủy hóa của hồ xi măng khi làm nguội (b) [2] 1.2.2. Cốt liệu Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ xương bê tông và chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông. Cốt liệu được sử dụng để sản xuất bê tông có nguôn gốc từ tự nhiên như đá xây, sỏi và cát sông suối. Khi tiếp xúc với hồ xi măng, các hạt cốt liệu có thể là phản ứng hoặc trung tính. Các hạt cốt liệu có nguồn gốc đá vôi cho thấy liên kết mạnh với hồ xi măng vì các phản ứng hóa học xảy ra theo thời gian. Các hạt cốt liệu trung tính (silic) không phản ứng với hồ xi măng nên có liên kết yếu. Khi bê tông chịu tác dụng của nhiệt độ, ứng xử của cốt liệu cũng xẩy ra tùy thuộc vào bản chất khoáng học và thành phần hóa học của cốt liệu. 1.3. Những thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới và ở Việt Nam Ngay khi chịu tác dụng bởi nhiệt độ cao, bê tông cho thấy sự mất ổn định dưới các dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có thể bị nổ. Những hỏa hoạn xẩy ra ở các công trình dân dụng như tháp Windsor – thủ đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005), hay công trình giao thông như hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, Saint-Gothard (2001) ở Thụy sỹ là những minh chứng cho sự mất ổn định này. Sự mất ổn định này là do những chuyển hóa xẩy ra bên trong bê tông [12-14].
7 Tính đến năm 2019, nước ta có 6 hầm đường bộ: hầm Thủ Thiêm (Hồ Chí Minh), hầm Hải Vân (Đà Nẵng – Huế), Hầm A.Roàng (Huế), Hầm Đèo Ngang (Quảng Bình – Hà Tĩnh), Hầm Đèo Cả (Phú Yên), Hầm Cù Mông (Bình Định – Phú Yên). Trong quá trình vận hành, các công trình trên đã xảy ra các vụ cháy, với mức độ thiệt hại không lớn, chưa có thiệt hại về người và công trình. 1.4. Tổng quan về công trình hầm Hải Vân 2 Dự án mở rộng hầm lánh nạn Hầm đường bộ Hải Vân thành hầm chính có điểm đầu thuộc thị trấn Lăng Cô, huyện Phú Lộc (TT- Huế) và điểm cuối thuộc phường Hòa Hiệp Bắc, quận Liên Chiểu (Đà Nẵng) với tổng chiều dài hơn 12,6km. 1.5. Kết luận Khi nhào trộn xi măng với nước, quá trình thủy hóa xẩy ra giữa các thành phần chính của xi măng với nước để tạo thành các CSH. Nhờ có các CSH này mà hồ xi măng đông cứng và hình thành cường độ. Trong cấu trúc bê tông, hồ xi măng bao bọc các loại cốt liệu và lấp đầy vào lỗ rỗng giữa các cốt liệu. Vì thế, các thuộc tính cơ học của bê tông bị chi phối nhiều vào đặc tính của hồ xi măng. Khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau. Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ là sự ra đi của nước trong bê tông (nước tự do, nước hấp phụ và nước liên kết). Sự phá vỡ các CSH, CH và CaCO3 của vữa xi măng là những tiến trình không đảo ngược mà làm cho bê tông đánh mất những thuộc tính cơ học ban đầu của nó. Chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung xương cho bê tông. Vì thế sự ổn định nhiệt của bê tông phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của cốt liệu. Những ứng xử của cốt liệu tùy thuộc vào bản chất khoáng học và thành phần hóa học của cốt liệu. Những nghiên cứu khoa học cho thấy rằng, các cốt liệu đá vôi khá ổn định khi nhiệt độ lên đến 650°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự phân hủy CaCO3 xẩy ra và đưa đến sự sụt giảm khoảng 40% khối lượng. Trong giai đoạn nguội, vôi (CaO) phản ứng với độ ẩm của không khí để tạo ra Portlandite (CH). Sự hình thành Portlandite dẫn đến sự gia tăng các vết nứt trong bê tông sẽ dẫn đến giảm cường độ còn lại của bê tông.Với cốt liệu thạch anh (silica) cũng cho thấy sự ổn định khi nhiệt độ lên đến 575°C.
8 Tuy nhiên khi vượt quá ngưỡng này, một sự thay đổi cấu trúc từ α sang β xẩy ra đưa đến sự gia tăng thể tích từ 1% đến 5,7% và làm hủy hại trong bê tông. Với cốt liệu là đá lửa, sự tổn thất khối lượng khá ít chỉ vào khoảng 1%. Tuy nhiên, nó lại mất ổn định khi nhiệt độ vượt quá 110°C. Những thiệt hại từ hỏa hoạn gây ra cho các công trình sử dụng kết cấu bê tông là to lớn. Nó xẩy ra bất cứ nơi đâu và bất cứ lúc nào. Hầm đường bộ Hải Vân 2 không là ngoại lệ khi phải đối mặt với nguy cơ cao trong quá trình khai thác với lưu lượng phương tiện tham gia giao thông ngày càng tăng trong tương lai. Nghiên cứu sự suy giảm cường độ của bê tông kết cấu vỏ hầm Hải Vân 2 sẽ đề cập trong các chương kế tiếp. CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1. Mục tiêu Tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đá, cát, xi măng, nước và phụ gia, nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu sử dụng có phù hợp với các tiêu chuẩn đã quy định không trước khi tiến hành các bước nghiên cứu tiếp theo. Khi các nguồn vật liệu đảm bảo yêu cầu đề ra, tiến hành thiết kế thành phần cho hỗn hợp BTXM mác 250; 350 và 500. Trong đó thành phần cho hỗn hợp BTXM mác 350 được sử dụng cho chế tạo vỏ hầm. 2.2. Vật liệu 2.2.1. Xi măng Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn xi măng Kim Đỉnh PC40 để chế tạo bê tông vỏ hầm. 2.2.2. Cát Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn cát tại mỏ cát Vân Ly, xã Điện Quang, huyện Điện Bàn, tỉnh Quảng Nam để chế tạo bê tông vỏ hầm. 2.2.3. Đá Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn đá tại mỏ đá Hố Chuồn, xã Hòa Ninh, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng với kích thước hạt 5-20 (mm) để chế tạo bê tông vỏ hầm. 2.2.4. Nước Nước là thành phần giúp xi măng phản ứng tạo ra các sản phẩm thủy hóa làm cho cường độ của bê tông tăng lên. Nước còn tạo ra độ lưu động cần thiết để quá trình thi công được dễ dàng. Yêu cầu
9 kỹ thuật của nước dùng cho bê tông được nêu trong TCVN 4506:2012. Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng ngồn nước ngầm tại núi Hải Vân. 2.2.5. Phụ gia Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng phụ gia KKS Polymad 738. KKS Polymad 738 là phụ gia có tính năng duy trì độ sụt cho bê tông. 2.3. Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông Dựa vào thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông xi măng mác 350 đang thi công, tiến hành thiết kế thêm hai thành phần cấp phối bê tông cho mác 250 và 500 khi sử dụng các loại vật liệu tương tự. Bảng 2.7 Bảng thành phần cấp phối chuẩn cho 1m3 bê tông STT Vật liệu thành phần Đơn vị 250 350 500 1 Xi măng Kim Đỉnh kg 297,0 410,0 470,0 PC40 2 Cát (0-2,5) m3 0,337 0,296 0,275 3 Đá (4,75-19) m3 0,370 0,378 0,389 4 Nước kg 166,0 167,9 178,6 5 Phụ gia KKS kg 2,376 3,500 4,700 Polymad 738 6 Tỷ lệ N/X - 0,559 0,410 0,380 2.3.1. Đúc mẫu Dựa vào thành phần cấp phối bê tông, tiến hành cân đong đủ khối lượng cho 1 mẻ trộn. Máy trộn được sử dụng là máy trộn bê tông 200 lít. Quy trình trộn bê tông bằng máy: - Bước 1: Chuẩn bị - Bước 2: Vận hành - Bước 3: Vệ sinh máy sau quá trình làm việc 2.3.2. Bảo dưỡng Mẫu thí nghiệm sau khi được đúc xong cần để gọn vào nơi khô ráo, thoáng gió, tránh sự tiếp xúc của ánh nắng mặt trời nhằm tránh hiện tượng co ngót cục bộ do mất nước. Sau 24 giờ kể từ khi đúc tiến hành tháo khuôn, dán giấy ghi rõ: ngày đúc mẫu, mác bê tông để thuận tiện cho việc thí nghiệm sau này. Các mẫu sau khi tháo khuôn được dưỡng hộ trong bể nước theo đúng quy định. Việc bảo dưỡng được tiến hành cho đến ngày thứ 28 kể từ ngày đúc mẫu.
10 2.3.3. Thí nghiệm xác định cường độ nén Thiết bị sử dụng để xác định cường độ chịu nén của mẫu bê tông là máy nén bê tông tại phòng thí nghiệm của Dự án Hầm Hải Vân 2. Máy được đặt cố định tại phòng thí nghiệm và được kiểm định thường xuyên mỗi năm 1 lần.
11 Bảng 2.8 Kết quả kiểm tra cường độ nén của mẫu bê tông Mác bê STT Kết quả Diện tích Cường độ Cường độ Chênh Cường độ tông nén (kN) (cm2) (kN/cm2) (daN/cm2) lệch (daN/cm2) thiết kế (%) 1 680,37 225 3,024 302,4 1,121 250 2 688,08 225 3,058 305,8 - 307,5 3 706,94 225 3,142 314,2 2,741 1 856,27 225 3,806 380,6 0,840 350 2 868,78 225 3,861 386,1 0,609 383,5 3 863,52 225 3,838 383,8 - 1 1381,50 225 6,140 614,0 0,736 500 2 1371,40 225 6,095 609,5 - 601,8 3 1309,40 225 5,820 582,0 4,521 2.3.4. Kết luận Các tính chất cơ lý của cốt liệu đá, cát, chất kết dinh xi măng, nước và phụ gia đang được sử dụng tại dự án hầm Hải Vân 2 phù hợp cho việc chế tạo vữa bê tông xi măng theo yêu cầu kỹ thuật hiện hành. Thiết kế thành phần cấp phối cho bê tông mác 250, 300 và 500 tương ứng với tỷ lệ N/X lần lượt là 0,559; 0,41; 0,38 và cường độ nén phá hủy lần lượt là 30,8; 38,4 và 60,2 Mpa. Từ kết quả thiết kế thành phần hỗn hợp này, tiến hành đúc mẫu để đánh giá cường độ nén còn lại của bê tông sau khi chịu tác dụng của nhiệt độ ở chương kế tiếp.
12 CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ NÉN CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ CAO 3.1. Mục tiêu Tiến hành thí nghiệm xác định cường độ nén còn lại trên các mẫu bê tông hình lập phương 15x15x15cm sau khi nung ở các ngưỡng nhiệt độ (Tmax) 80, 150, 300, 450 và 600°C và so sánh với giá trị cường độ nén ban đầu khi chưa nung (ở nhiệt độ trong phòng thí nghiệm 30°C). Hai chế độ tác dụng nhiệt (có kiểm soát tốc độ gia nhiệt, cố định thời gian tác dụng nhiệt Tmax và không kiểm soát tốc độ gia nhiệt, cố định tổng thời gian tác dụng nhiệt) được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của nó đến cường độ còn lại của bê tông. Dựa vào kết quả thu được, tiến hành đánh giá cường độ nén còn lại của các bê tông dưới ảnh hưởng các nhân tố về mác bê tông và chế độ tác dụng nhiệt. 3.2. Chương trình thí nghiệm 3.2.1. Mẫu thí nghiệm và chế độ tác dụng nhiệt Sử dụng các loại vật liệu như đã nêu ở mục 0 phối hợp theo tỷ lệ như Bảng 2.7 để đúc mẫu thí nghiệm cường độ nén (kích thước 15x15x15cm) dưới tác dụng của nhiệt độ. Hai chế độ cưỡng bức nhiệt được áp dụng:  Chế độ 1: Duy trì tốc độ gia nhiệt VT=3,5°C/phút và thời gian lưu giữ ở nhiệt độ lớn nhất là 60 phút (Hình 3.1).  Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút. Ở chế độ này, tốc độ gia nhiệt tùy thuộc vào thiết bị: VT =3,5°C/ phút cho lò sấy và 39,7°C/phút cho lò nung (Hình 3.2).
13 Hình 3.1 Chế độ 1: Tốc độ gia nhiệt DT=3,5°C/phút và thời gian lưu giữ ở nhiệt độ lớn nhất là 60 phút Hình 3.2 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút Sau 28 ngày bảo dưỡng, mẫu được vớt ra để ráo sau đó cho vào lò nung, để nung đến các ngưỡng nhiệt độ 80, 150, 300, 450 và 600°C. Sau đó, mẫu được lấy ra để nguội đến nhiệt độ trong phòng trước khi tiến hành nén phá hủy để xác định cường độ. 3.2.2. Thiết bị thí nghiệm Sử dụng các lò nung và sấy để nung mẫu theo 2 chế độ nhiệt. Ở các ngưỡng nhiệt độ 80 và 150°C, mẫu được nung trong lò sấy. Ở các ngưỡng nhiệt độ 300, 450 và 600°C, mẫu được nung trong lò nung.
14 3.2.2.1. Lò sấy Sử dụng lò sấy HN101 của hãng Lang-shan được đặt tại phòng thí nghiệm của Dự án Hầm Hải Vân 2. Máy được kiểm định thường xuyên mỗi năm 1 lần. 3.2.2.2. Lò nung Lò nung Lenton EF11/8/B của hãng Lenton (Anh) được đặt tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 2 (Quatest 2). Máy được kiểm định thường xuyên mỗi năm 1 lần. 3.2.2.3. Kiểm tra tốc độ gia nhiệt của lò sấy và lò nung Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần tiến hành kiểm tra tốc độ gia nhiệt của thiết bị. Đồng hồ bấm giây và nhiệt kế điện tử TP101 được sử dụng để kiểm tra. a) Tốc độ gia nhiệt của lò sấy Vặn núm chỉnh nhiệt độ đến 150°C và bật lò. Ghi chép thời gian (phút) kể từ khi bật lò cho mỗi lần nhiệt độ tăng thêm 10°C. Tiến hành theo dõi cho đến khi nhiệt độ đạt đến 150°C. Tại thời điểm kiểm tra, nhiệt độ trong phòng đo được là 30°C. Ta có tốc độ gia nhiệt của lò sấy là Vs=3,5°C/phút b) Tốc độ gia nhiệt của lò nung Thực hiện tương tư lò sấy, kiểm tra tốc độ gia nhiệt từ nhiệt độ phòng 30°C đến 600°C. Ta có tốc độ gia nhiệt của lò nung là Vn=39,7°C/phút Để thực hiện cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 trong lò nung ở các ngưỡng nhiệt độ 300, 450 và 600°C, áp dụng thời gian chờ t cho mỗi bước gia nhiệt T=30°C là: 1 1 1 1 ∆𝑡 = ∆𝑇 ( − ) = 30 ( − ) = 7 𝑝ℎú𝑡 50 𝑔𝑖â𝑦 𝑉𝑠 𝑉𝑛 3,5 39,7 Biểu đồ kiểm soát tốc độ gia nhiệt của lò nung ở mức 3,5°C/ phút . 3.3. Kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm cường độ mẫu nén còn lại trên các mẫu bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2 được tập hợp trong thuyết minh.
15 3.3.1. Sự ảnh hưởng của tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 đến cường độ nén còn lại của các loại bê tông Từ các kết quả đạt được ở các, cường độ còn lại RT°C /R30°C (so với cường độ ban đầu) của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 được xác định trong bảng sau: Bảng 3.10 Cường độ còn lại RT°C /R30°C của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 Mác bê Nhiệt độ Tmax (°C) tông 30 80 150 300 450 600 250 100% 97% 95% 86% 81% 73% 350 100% 97% 94% 84% 77% 69% 500 100% 93% 88% 78% 71% 64% Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 được vẽ ở Hình 3.9. Hình 3.9 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° theo chế độ 1 Kết quả cho thấy rằng, cường độ nén của các loại bê tông bị suy giảm theo nhiệt độ. Tuy nhiên, tiến trình suy giảm tùy thuộc vào loại bê tông:  Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, các mẫu bê tông mác 500 bị suy giảm xấp xỉ 15% so với ban đầu, trong khi các mẫu bê tông mác 250 và 350 bị suy giảm khoảng 5%.  Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, các đường cong gần như song song nhau, điều này cho thấy sự suy giảm cường độ gần như đồng nhất cho các loại bê tông:
16  Ở 300°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500 lần lượt là 86%; 84% và 78%.  Ở 450°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500 lần lượt là 81%; 77% và 71%.  Ở 600°C, các mẫu bê tông mác 250 duy trì được 73% cường độ so với ban đầu; 69% cho mẫu bê tông mác 350 trong khi các mẫu bê tông mác 500 chỉ còn 64% cường độ ban đầu. Tức là bê tông mác 250 và 350 đánh mất khoảng 30% cường độ ban đầu, trong khi bê tông mác 500 đánh mất 36% cường độ ban đầu. Điều này cho thấy bê tông có cường độ càng cao, sự suy giảm càng lớn theo sự gia tăng của nhiệt độ. Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ là sự phân hủy các CSH từ 100°C đến 700°C, của portlandite tạo thành vôi và nước ở 450°C đến 550°C, tiến trình giải phóng CO2 của CaCO3 … Chính sự phân hủy này đã làm cho bê tông bị suy giảm cường độ. Mặc khác, các sự phân hủy này có tính không đảo ngược. Vì thế, sau khi chịu tác động của nhiệt độ cao, bê tông cũng không thể phục hồi những thuộc tính cơ học ban đầu vốn có của mình. Kết quả thí nghiệm hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu trước đây (Hình 3.10). C1-36.5MPa [PLIYA 2010] C2 - 46MPa 140 C3 -70.2MPa B40 [MINDEGUIA 2009] B40 SC 120 BAP 25 [FARES 2009] BAP 40 BV 40 100 BO-C-38.1MPa [XING 2011] fc(T)/fc(20) (%) BO-SC-35.9MPa BO-S-38.8MPa 80 BHP-C-76.3MPa BHP-SC-81.2MPa BHP-S-72.8MPa 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Température (°C) Hình 3.10 Cường độ nén còn lại của các loại bê tông [9, 10, 16, 17]
17 3.3.2. Sự ảnh hưởng của tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 đến cường độ nén còn lại của các loại bê tông Từ các kết quả đạt được ở các Bảng 3.7, 3.8, 3.9, cường độ còn lại RT°C /R30°C (so với cường độ ban đầu) của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 được xác định trong bảng sau: Bảng 3.11 Cường độ còn lại RT°C /R30°C của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 Mác bê Nhiệt độ Tmax (°C) tông 30 80 150 300 450 600 250 100% 96% 90% 84% 78% 73% 350 100% 92% 87% 82% 75% 67% 500 100% 92% 87% 77% 68% 63% Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 được vẽ ở Hình 3.11. Hình 3.11 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° theo chế độ 2 Tương tự như cưỡng bức nhiệt chế độ 1, cường độ nén của các loại bê tông bị suy giảm theo nhiệt độ. Tuy nhiên, tiến trình suy giảm cũng tùy thuộc vào loại bê tông:  Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, các mẫu bê tông mác 350 và 500 bị suy giảm khoảng 13% so với ban đầu, trong khi các mẫu bê tông mác 250 bị suy giảm khoảng 10%.
18  Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự suy giảm cường độ của bê tông mác 500 mạnh hơn so với 2 loại bê tông còn lại:  Ở 300°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 lần lượt là 84 và 82% trong khi cường độ còn lại của bê tông mác 500 là 77%.  Ở 450°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500 lần lượt là 78%; 75% và 68%.  Ở 600°C, các mẫu bê tông mác 250 duy trì được 73% cường độ so với ban đầu; 67% cho mẫu bê tông mác 350 trong khi các mẫu bê tông mác 500 chỉ còn 63% cường độ ban đầu. Tức là bê tông mác 250 và 350 đánh mất khoảng 30% cường độ ban đầu, trong khi bê tông mác 500 đánh mất gần 40% cường độ ban đầu. Điều này cũng cho thấy rằng bê tông có cường độ càng cao, sự suy giảm càng lớn theo sự gia tăng của nhiệt độ. 3.3.3. Sự ảnh hưởng của thời gian tác dụng nhiệt đến cường độ nén còn lại của các loại bê tông Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° bình quân của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2 được vẽ ở Hình 3.12. Hình 3.12 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại bình quân của các loại bê tông khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2 Kết quả cho thấy rằng sự suy giảm cường độ của các loại bê tông chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt chế độ 2 nhiều hơn so với tác dụng cưỡng bức nhiệt chế độ 1. Khi nhiệt độ lên đến 150°C, cường độ còn lại của bê tông chịu tác dụng nhiệt theo chế độ 1 là 96% và theo chế độ 2 là 93%. Vượt quá ngưỡng này, bê tông bị mất thêm 8%