Tổng quan luận án

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là vật liệu xây dựng không có độ sụt, sử dụng các thành phần tương tự bê tông truyền thống (CVC) nhưng được làm chặt bằng thiết bị lu rung tương tự công nghệ thi công đất. Điểm đặc thù của BTĐL là lượng dùng xi măng rất thấp, dao động từ 60 đến 100 kg/m³, phần chất kết dính (CKD) còn lại được thay thế bằng phụ gia khoáng (PGK) hoạt tính nghiền mịn như tro bay hoặc puzơlan. Tại Việt Nam, BTĐL được áp dụng rộng rãi trong các công trình đập bê tông trọng lực thủy lợi và thủy điện nhằm tận dụng ưu thế thi công nhanh, hạ giá thành và giảm chi phí phụ trợ.

Tuy nhiên, việc thiết kế và thi công đập BTĐL trong nước chủ yếu dựa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật của Mỹ và Trung Quốc, thiếu tiêu chuẩn riêng phù hợp với điều kiện khí hậu và nguồn vật liệu nội địa. Quá trình thi công thực tế đã ghi nhận hiện tượng nứt bê tông tại nhiều dự án, bao gồm cả các công trình quy mô lớn như đập thủy điện Sơn La. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ ứng suất nhiệt sinh ra do quá trình nhiệt thủy hóa của chất kết dính trong khối bê tông lớn. Sự phát sinh và phân bố nhiệt chịu ảnh hưởng phức tạp của nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời, nguồn cung cấp vật liệu và công nghệ thi công. Do đó, việc nghiên cứu có hệ thống các giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL theo đặc thù từng vùng miền tại Việt Nam là vấn đề kỹ thuật cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 nội dung chính:

  1. Xác định quá trình phát triển nhiệt độ và trường ứng suất nhiệt trong đập BTĐL dựa trên các điều kiện ban đầu và điều kiện biên thay đổi theo thời gian.
  2. Đề xuất việc lựa chọn hàm lượng, thành phần vật liệu CKD và đề ra các giải pháp công nghệ giảm nhiệt nhằm khống chế vết nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập BTĐL phù hợp với từng vùng miền của Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các công trình đập bê tông đầm lăn đã và đang xây dựng tại Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố vật liệu (thành phần khoáng xi măng, tỷ lệ phụ gia khoáng), nhân tố thi công (nhiệt độ đổ, tốc độ lên đập, chiều dày lớp đổ, thời gian nghỉ) và điều kiện tự nhiên (nhiệt độ, độ ẩm môi trường) đến trường ứng suất nhiệt của đập BTĐL.

Luận án có khối lượng trình bày gồm 118 trang nội dung chính và phần phụ lục, bao gồm: Phần mở đầu, 4 Chương, Kết luận và kiến nghị, 72 hình vẽ, 27 bảng biểu, 66 tài liệu tham khảo và 04 công trình khoa học đã công bố của tác giả.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Công nghệ BTĐL khởi nguồn từ những năm 1960–1970 với các công trình thử nghiệm sử dụng hỗn hợp không độ sụt rải bằng máy ủi tại đập Alpe Gera (Ý), đập Manicongan (Canada) và đập Thanh Môn (Đài Loan) năm 1961. Năm 1970, Raphael công bố báo cáo "Đập trọng lực tối ưu", đặt nền móng cho việc ứng dụng thiết bị đắp đất vào thi công bê tông. Các nghiên cứu của Cannon R.W (1972–1974) và thử nghiệm của Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ (USACE) tại đập Lost Creek (1977) đã định hình công nghệ bê tông nghèo xi măng. Năm 1980, Mỹ hoàn thành đập BTĐL đầu tiên – Willow Creek (cao 52 m, dài 543 m, thể tích BTĐL 331.000 m³).

Tại Anh, Dunstan và Hiệp hội CIRIA nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng lớn trong BTĐL (thử nghiệm tại trạm Tamara-Coruwall năm 1976 và đập Wimbledall năm 1979). Cục Khai hoang Mỹ (USBR) tiếp tục ứng dụng công nghệ này cho đập Upper Stillwater (cao 90 m, dài 815 m, thể tích BTĐL 1,18 triệu m³). Nhật Bản phát triển trường phái RCD từ năm 1974 với kết cấu lõi BTĐL bọc vỏ bê tông thường chống thấm ("vàng bọc bạc"), xây dựng đập Shimajigawa đầu tiên năm 1980 (cao 89 m, dài 240 m, thể tích BTĐL 165.000 m³). Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu từ năm 1980, hoàn thành đập Khanh Khẩu năm 1986 và phát triển thành trường phái RCCD dẫn đầu thế giới về số lượng và quy mô đập. Theo số liệu ICOLD (2009) và HydroWorld, toàn thế giới có trên 650 đập BTĐL, trong đó Châu Á chiếm 52,8%, Châu Mỹ chiếm 25,6%.

Về phân tích nhiệt và ứng suất, Barret và Tatro (1992) đề xuất kỹ thuật phần tử hữu hạn đánh giá tác động của nhiệt độ, từ biến và co ngót trong thi công đập BTĐL.

Tại Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi bắt đầu nghiên cứu PGK cho BTĐL từ năm 1990. Dự án đập Tân Giang (Ninh Thuận) được phê duyệt thiết kế BTĐL giai đoạn 1995–1997 nhưng chuyển sang CVC khi thi công năm 2003. Công trình đập BTĐL đầu tiên được xây dựng là Pleikrông (Kon Tum, cao 71 m, khởi công 2003, hoàn thành 2009). Đến nay, Việt Nam đã xây dựng trên 20 đập BTĐL.

TT Tên công trình Chiều cao (m) Địa điểm xây dựng Tình trạng
1 Plêikrông 71 Kon Tum Đã xây dựng
2 Định Bình 54 Bình Định Đã xây dựng
3 A Vương 70 Quảng Nam Đã xây dựng
4 Sê San 4 80 Gia Lai Đã xây dựng
5 Bình Điền 75 Thừa Thiên Huế Đã xây dựng
6 Cổ Bi 70 Thừa Thiên Huế Đã xây dựng
7 Đồng Nai 3 110 Đắk Nông Đã xây dựng
8 Đồng Nai 4 129 Đắk Nông Đã xây dựng
9 ĐaKrinh 100 Quảng Ngãi Đã xây dựng
10 Nước Trong 70 Quảng Ngãi Đã xây dựng
11 Sơn La 138 Sơn La Đã xây dựng
12 Bản Chát 70 Lai Châu Đã xây dựng
13 Bản Vẽ 138 Nghệ An Đã xây dựng
14 Sông Bung 2 95 Quảng Nam Đã xây dựng
15 Sông Tranh 2 100 Quảng Nam Đã xây dựng
16 Sông Côn 2 50 Quảng Nam Đã xây dựng
17 Bản Uôn 85 Thanh Hóa Đã xây dựng
18 Huội Quảng 104 Sơn La Đã xây dựng
19 Lai Châu 137 Lai Châu Đã xây dựng
20 Trung Sơn 84 Thanh Hóa Đang xây dựng
21 Tân Mỹ 58 Ninh Thuận Sắp xây dựng

Các nghiên cứu chuyên sâu trong nước về nhiệt BTĐL gồm có:

  • Nguyễn Như Quý và cộng sự: Đo nhiệt độ cách nhiệt của BTĐL, mẫu không tro bay có độ tăng nhiệt $\Delta T = 24,9^\circ\text{C}$; mẫu dùng 65 kg XM + 100–120 kg tro bay có $\Delta T = 8,1^\circ\text{C}$; mẫu dùng 85 kg XM + 100–120 kg tro bay có $\Delta T = 12,7^\circ\text{C}$.
  • Đỗ Hồng Hải: Nghiên cứu puzơlan Long Phước (Bà Rịa - Vũng Tàu) chế tạo bê tông khối lớn đập Lòng Sông, thay thế 35,4–40% khối lượng CKD đạt tiêu chuẩn TCVN 6069:2007, theo dõi nhiệt độ khối đổ đạt đỉnh $50,5^\circ\text{C}$ sau 4 ngày.
  • Lê Quang Hùng và Nguyễn Quang Hiệp: Sử dụng tro bay 30–50% khối lượng CKD cho đập BTĐL giúp giảm độ tăng nhiệt từ $\Delta T = 25^\circ\text{C}$ xuống $17^\circ\text{C}$.
  • Lê Anh Vân, Nguyễn Văn Mạo: Đề xuất giải pháp phân khe thi công khống chế nhiệt tại đập Pleikrông.
  • Đinh Hữu Dụng, Nguyễn Văn Mạo: Phân tích ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và tải trọng thi công tại đập Sơn La.
  • Lê Quốc Toàn: Thiết lập mô-đun ANSYS tính nhiệt cho đập Đồng Nai 4, kiến nghị nhiệt độ đổ $23^\circ\text{C}$, chiều dày lớp đầm 0,3 m, đổ 3 lớp liên tục.

Khoảng trống nghiên cứu: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu giải quyết bài toán cho từng công trình riêng lẻ hoặc áp dụng điều kiện biên nhiệt cố định, chưa phản ánh đầy đủ tác động thay đổi theo thời gian của khí hậu địa phương và sự biến thiên thành phần khoáng của các nguồn xi măng sản xuất tại Việt Nam. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng mô hình tính toán số có xét đến điều kiện biên nhiệt biến đổi và điều chỉnh hàm nhiệt thủy hóa theo nguồn xi măng nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nhiệt sinh ra trong BTĐL do quá trình thủy hóa các thành phần khoáng chính trong xi măng: $$Q = a \cdot \text{C}_3\text{S}(%) + b \cdot \text{C}_2\text{S}(%) + c \cdot \text{C}_3\text{A}(%) + d \cdot \text{C}_4\text{AF}(%) \quad (\text{J/g})$$

Các hệ số phát nhiệt $a, b, c, d$ được xác định dựa trên số liệu thực nghiệm của Woods, McCarthy và Verbeck, với giá trị trung bình: $a(\text{C}_3\text{S}) = 520\text{ J/g}$, $b(\text{C}_2\text{S}) = 247\text{ J/g}$, $c(\text{C}_3\text{A}) = 1023\text{ J/g}$, $d(\text{C}_4\text{AF}) = 337\text{ J/g}$. Khoáng $\text{C}_3\text{A}$ và $\text{C}_3\text{S}$ đóng vai trò chủ đạo sinh nhiệt và quyết định tốc độ phát nhiệt ban đầu.

Quá trình trao đổi nhiệt trong khối bê tông gồm 3 hình thức:

  1. Dẫn nhiệt trong nội bộ khối bê tông và tiếp xúc nền: Tuân theo định luật Fourier và phương trình vi phân truyền nhiệt tổng quát: $$\frac{\partial T}{\partial t} = a \left( \frac{\partial^2 T}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 T}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 T}{\partial z^2} \right) + \frac{q_v}{C \rho}$$ Trong đó: $\lambda$ là hệ số dẫn nhiệt ($(1,1 \div 2,3)\text{ kcal/m}\cdot^\circ\text{C}$), $C$ là nhiệt dung riêng ($(0,22 \div 0,27)\text{ kcal/kg}\cdot^\circ\text{C}$), $\rho$ là khối lượng riêng ($\text{kg/m}^3$), $a = \frac{\lambda}{C \rho}$ là hệ số khuếch tán nhiệt, $q_v$ là công suất sinh nhiệt.
  2. Tỏa nhiệt đối lưu qua bề mặt ván khuôn hoặc không khí/nước: $dQ = \alpha (T_w - T_f) dF , dt$, với $\alpha$ là hệ số tỏa nhiệt.
  3. Bức xạ nhiệt mặt trời: Làm tăng biên độ nhiệt bề mặt theo công thức $T_{ow} = \frac{Q_0}{\alpha_w}$, với $Q_0$ là năng lượng bức xạ cực đại.

Các điều kiện khống chế nhiệt độ để ngăn ngừa nứt gồm:

  • Chênh lệch nhiệt độ đáy đập: $\Delta T = T_p + T_r - T_f$ (với $T_p$ là nhiệt độ đổ, $T_r$ là độ tăng nhiệt thủy hóa, $T_f$ là nhiệt độ ổn định).
  • Chênh lệch nhiệt độ lớp trên và lớp dưới: Quy định theo SL319-2005 trong khoảng $15 \div 20^\circ\text{C}$.
  • Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài: Khống chế nhiệt độ cao nhất theo $[T_m] = [T_0] + \Delta T_m + T_S$.
Độ cao từ nền $h$ Độ rộng khối đổ $L < 16\text{ m}$ $17 \div 20\text{ m}$ $21 \div 30\text{ m}$ $31 \div 40\text{ m}$ Đổ toàn mặt cắt
$(0 \div 0,2)L$ $26 \div 25$ $24 \div 22$ $22 \div 19$ $19 \div 16$ $16 \div 14$
$(0,2 \div 0,4)L$ $28 \div 27$ $26 \div 25$ $25 \div 22$ $22 \div 19$ $19 \div 17$

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp lý thuyết: Luận án phân tích lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết đàn hồi nhiệt, lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) giải bài toán biến dạng phẳng 2D trên mặt cắt ngang đập.
  • Mô hình toán và công cụ phân tích: Luận án sử dụng phần mềm ANSYS kết hợp ngôn ngữ lập trình tham số APDL (ANSYS Parametric Design Language). Phân tích tương tác nhiệt - ứng suất được thực hiện qua cặp phần tử PLANE55 (phần tử nhiệt phẳng 4 nút) và PLANE182 (phần tử kết cấu phẳng tương đương). Hệ phương trình nhiệt nút có dạng $[K]{T} + [K_3]{\frac{\partial T}{\partial t}} - {P} = 0$ và phương trình cân bằng ứng suất có dạng $[K]{u} = {F}$, trong đó véctơ tải trọng nút ${F_3}$ được tích hợp từ trường biến thiên nhiệt độ tại các nút phần tử.
  • Nguồn số liệu: Số liệu thí nghiệm thành phần khoáng của các loại xi măng Việt Nam do Viện Vật liệu Xây dựng cung cấp; số liệu khí tượng và quan trắc tại các công trình đập thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông đầm lăn và những vấn đề cần nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các đặc trưng cơ lý của vật liệu BTĐL, tình hình xây dựng đập trên thế giới, tại Việt Nam và phân loại các dạng nứt do nhiệt.

Cường độ kháng nén ($f_c$) của BTĐL tại 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức thực nghiệm: $$f_{c28} = 19,459(CKD/N) - 0,147(PGK/CKD) - 11,681 \quad (\text{MPa})$$ $$f_{c90} = 19,326(CKD/N) - 0,333(PGK/CKD) + 5,968 \quad (\text{MPa})$$

Mô đun đàn hồi ($E_c$) theo TCXDVN 356-2005 đạt $(21 \div 40) \times 10^3\text{ MPa}$; công thức thực nghiệm ở 90 ngày tuổi là: $$E_{c90} = 21,217(CKD/N) - 0,197(PGK/CKD) - 1,376 \quad (\text{GPa})$$

Các công thức trên chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ PGK/CKD thì cường độ kháng nén và mô đun đàn hồi của BTĐL có xu hướng giảm. Độ từ biến của BTĐL dao động trong khoảng $(10 \div 300) \times 10^{-6}\text{ MPa}^{-1}$.

Chương 1 phân loại 4 dạng nứt điển hình xuất hiện trong đập BTĐL tại Việt Nam:

  1. Nứt bề mặt: Do ứng suất kéo phát sinh từ sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và mặt ngoài khối đổ khi nhiệt độ môi trường hạ đột ngột hoặc bảo dưỡng không kịp thời.
  2. Nứt song song mặt đập: Phát sinh tại mặt tiếp giáp giữa các lớp đổ, đặc biệt gần mặt thoáng thượng - hạ lưu khi tiếp xúc với không khí mùa đông.
  3. Nứt xuyên: Hình thành tại vùng tiếp giáp giữa khối bê tông mới đổ với nền đá hoặc khối bê tông cũ do biến dạng co ngót nhiệt bị kiềm chế, vết nứt có thể phát triển sâu $1 \div 3\text{ m}$ hoặc cắt qua thân đập.
  4. Nứt hành lang: Xuất phát gần hành lang kiểm tra do hiện tượng quá lạnh khi bề mặt trong hành lang tiếp xúc trực tiếp với nước hoặc không khí lạnh.

Chương 2: Nhiệt và khống chế ứng suất nhiệt trong đập bê tông đầm lăn

Chương 2 trình bày cơ sở toán học và vật lý của bài toán nhiệt, cơ chế nứt và tiêu chuẩn khống chế nhiệt độ trong đập bê tông khối lớn. Chương điểm qua các phương pháp giải bài toán nhiệt gồm phương pháp giải tích, phương pháp toán tử, phương pháp sai phân hữu hạn (sử dụng công thức Sitmit cho bài toán 1 chiều và 2 chiều), phương pháp mô hình vật lý tương tự (mô hình điện, mô hình thủy lực) và phương pháp phần tử hữu hạn.

Chương 2 phân tích sự hình thành trường ứng suất nhiệt thông qua quan hệ giữa gradient nhiệt độ và mức độ kiềm chế biến dạng. Trong bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi, quan hệ giữa biến dạng nhiệt và ứng suất đàn hồi được thiết lập qua ma trận độ cứng $[D]$, các phương trình cân bằng vi phân và phương trình hình học Cauchy. Việc giải bài toán được quy về cực tiểu hóa phiếm hàm năng lượng để xác định nhiệt độ nút và chuyển vị nút, từ đó suy ra trạng thái ứng suất kéo tại các vùng chịu kiềm chế đáy móng và bề mặt lộ ngoài không khí.

Chương 3: Tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập BTĐL theo phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong phần mềm ANSYS

Chương 3 tập trung điều chỉnh phương trình nhiệt thủy hóa của chất kết dính và thiết lập chương trình tính toán số trên ANSYS/APDL.

Dựa trên kết quả thí nghiệm thành phần khoáng của 12 loại xi măng sản xuất tại Việt Nam, luận án tổng hợp bảng thành phần khoáng và lượng nhiệt thủy hóa tương ứng:

Loại xi măng $\text{C}_3\text{S}$ (%) $\text{C}_2\text{S}$ (%) $\text{C}_3\text{A}$ (%) $\text{C}_4\text{AF}$ (%) Nhiệt $\text{C}_3\text{S}$ (J/g) Nhiệt $\text{C}_2\text{S}$ (J/g) Nhiệt $\text{C}_3\text{A}$ (J/g) Nhiệt $\text{C}_4\text{AF}$ (J/g)
Hà Tiên 52,78 18,48 10,00 8,00 286 37 102 27
Bút Sơn 46,27 30,24 15,00 7,39 257 64 153 25
Nghi Sơn 34,95 39,39 7,61 9,00 197 87 78 30
Holcim 65,27 7,65 6,69 10,61 355 9 69 36
Điện Biên 59,90 18,33 7,00 10,67 304 42 71 36
Xuân Thành 51,57 25,84 6,97 8,72 292 49 71 29
Tam Điệp 50,43 27,56 7,64 10,18 266 61 78 34
Quán Triều 48,21 27,61 7,10 11,16 259 59 72 38
Công Thanh 62,92 16,18 6,14 9,45 319 34 63 32
La Hiên 41,84 29,29 7,98 10,67 256 53 81 36
Tân Quang 61,29 14,25 8,05 9,45 321 28 82 32
Quang Sơn 81,70 0,26 7,37 10,67 420 3 75 36

Từ mô hình nhiệt thủy hóa cơ bản của Lưu Thụ Hoa: $Q = c \cdot k_F \cdot Q_t$ với $c = 0,008$, $k_F = -1,89F + 238,07$ và $Q_t = 36,75\ln(t) + 101,15\text{ (J/g)}$ ($R^2 = 0,9899$), tác giả đã đưa vào hệ số điều chỉnh $k_C$ để xét đến ảnh hưởng tổng hàm lượng khoáng sinh nhiệt $(\text{C}_3\text{A} + \text{C}_3\text{S})$ của xi măng Việt Nam: $$Q = c \cdot k_F \cdot k_C \cdot Q_t$$ Trong đó: $$k_C = 0,0073 C_X + 0,4842 \quad (R^2 = 0,9893)$$ Với $C_X$ là tổng phần trăm hàm lượng khoáng $\text{C}_3\text{A} + \text{C}_3\text{S}$ có trong xi măng.

Luận án xây dựng thuật toán APDL mô phỏng quá trình đắp đập theo từng lớp đổ (chiều cao lớp $H_D$, tổng số lớp NLOP, thời gian đổ $T_D$, thời gian nghỉ giữa các lớp $T_N$). Điều kiện biên nhiệt được tự động cập nhật: khi lớp bê tông đang lộ thiên, bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu với môi trường; khi lớp tiếp theo được rải đầm, mặt tiếp xúc chuyển sang điều kiện truyền nhiệt dẫn giữa bê tông mới và bê tông cũ.

       BẮT ĐẦU
   Nhập: NLOP, TD, TN

Chương 4: Kiến nghị giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL phù hợp với từng khu vực đặc thù của Việt Nam và ứng dụng tính toán cho đập BTĐL Trung Sơn

Chương 4 áp dụng công cụ mô phỏng đã xây dựng để phân tích trường nhiệt - ứng suất cho công trình thực tế là đập thủy điện Trung Sơn (tỉnh Thanh Hóa, chiều cao đập 84 m). Luận án khảo sát các kịch bản thi công với các thông số biến thiên:

  • Chủng loại xi măng và hàm lượng phụ gia khoáng tro bay/puzơlan phối trộn.
  • Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông trước khi rải đầm.
  • Chiều dày lớp đổ sau khi đầm nén và khoảng cách thời gian nghỉ giữa các đợt đổ theo mùa khí hậu.

Từ kết quả phân tích số, chương đề xuất các tổ hợp giải pháp công nghệ (lựa chọn nguồn xi măng ít tỏa nhiệt, tăng tỷ lệ PGK hoạt tính, kiểm soát nhiệt độ vật liệu đầu vào và bố trí tiến độ nâng đập hợp lý) nhằm giảm thiểu ứng suất kéo nhiệt, ngăn ngừa nguy cơ nứt cho đập BTĐL tại các vùng miền khí hậu khác nhau của Việt Nam.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học:

  1. Bổ sung và xác lập công thức tính nhiệt thủy hóa của vật liệu chất kết dính BTĐL có xét đến ảnh hưởng của hàm lượng khoáng $(\text{C}_3\text{A} + \text{C}_3\text{S})$ trong xi măng sản xuất tại Việt Nam thông qua hệ số điều chỉnh $k_C = 0,0073 C_X + 0,4842$.
  2. Xây dựng bài toán và quy trình mô phỏng số trên phần mềm ANSYS bằng ngôn ngữ APDL, cho phép tính toán đồng thời trường nhiệt độ và trường ứng suất nhiệt theo quá trình thi công phân lớp, có xét đến điều kiện biên nhiệt thay đổi theo chu kỳ khí hậu và nguồn vật liệu thực tế.

Đóng góp về mặt thực tiễn:

  1. Tổng hợp bộ số liệu thực nghiệm về thành phần khoáng và đặc tính tỏa nhiệt của 12 loại xi măng phổ biến tại Việt Nam phục vụ công tác thiết kế cấp phối bê tông khối lớn.
  2. Xác định định lượng mức độ ảnh hưởng của hàm lượng PGK, loại xi măng, nhiệt độ hỗn hợp bê tông và tốc độ đổ đến ứng suất nhiệt trong thân đập.
  3. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật giảm ứng suất nhiệt phù hợp với điều kiện thi công đập BTĐL tại các khu vực đặc thù ở Việt Nam và áp dụng tính toán kiểm nghiệm cụ thể cho công trình đập thủy điện Trung Sơn (Thanh Hóa).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Mô hình tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt trong luận án được thiết lập cho bài toán biến dạng phẳng 2D trên mặt cắt ngang đập, chưa xét đến các hiệu ứng không gian 3 chiều phức tạp tại các khối đập giáp vai đập hoặc quanh các lỗ mở thân đập.
  • Các thông số nhiệt vật lý của bê tông (hệ số dẫn nhiệt $\lambda$, nhiệt dung riêng $C$) được giả thiết là các hằng số không thay đổi theo ngày tuổi đông cứng.
  • Phạm vi kiểm chứng mô phỏng số chủ yếu dựa trên số liệu của một số loại xi măng và điều kiện thi công tại công trình đập Trung Sơn.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng thuật toán mô phỏng trên ANSYS cho bài toán không gian 3 chiều (3D) nhằm đánh giá ảnh hưởng của địa hình lòng sông và khe co giãn ngang đập.
  • Đưa vào mô hình sự biến thiên phi tuyến của hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và mô đun đàn hồi theo thời gian phát triển cường độ thực tế của BTĐL.
  • Mở rộng quan trắc thực nghiệm nhiệt độ và biến dạng tại nhiều công trình đập BTĐL ở các vùng khí hậu Tây Bắc, Tây Nguyên và Nam Bộ để chuẩn hóa các tham số đầu vào.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng thủy lợi - thủy điện: Tham khảo quy trình tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt trên phần mềm ANSYS (sử dụng ngôn ngữ APDL) và phương pháp kiểm soát nhiệt độ khối đổ đập BTĐL.
  • Cán bộ kỹ thuật và đơn vị thi công: Ứng dụng các khuyến nghị về việc lựa chọn chủng loại xi măng, tỷ lệ phối trộn phụ gia khoáng (tro bay, puzơlan) và chế độ giãn cách lớp đổ nhằm ngăn ngừa nứt nhiệt khi thi công.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Sử dụng bảng số liệu thành phần khoáng của 12 loại xi măng Việt Nam, công thức nhiệt thủy hóa hiệu chỉnh và khung lý thuyết truyền nhiệt - cơ học biến dạng phẳng trong nghiên cứu bê tông khối lớn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương trình nhiệt thủy hóa của chất kết dính BTĐL được luận án điều chỉnh như thế nào so với mô hình gốc của Lưu Thụ Hoa? Luận án bổ sung hệ số $k_C = 0,0073 C_X + 0,4842$ ($R^2 = 0,9893$) vào mô hình $Q = c \cdot k_F \cdot k_C \cdot Q_t$, trong đó $C_X$ là tổng hàm lượng phần trăm hai khoáng sinh nhiệt chính $(\text{C}_3\text{A} + \text{C}_3\text{S})$ có trong xi măng sản xuất tại Việt Nam.

  2. Những thành phần khoáng nào trong xi măng phát nhiệt thủy hóa cao nhất? Khoáng $\text{C}_3\text{A}$ có nhiệt thủy hóa trung bình cao nhất ($1023\text{ J/g}$), tiếp theo là $\text{C}_3\text{S}$ ($520\text{ J/g}$), $\text{C}_4\text{AF}$ ($337\text{ J/g}$) và $\text{C}_2\text{S}$ ($247\text{ J/g}$). Theo ASTM, tổng hàm lượng khoáng $\text{C}_3\text{A} + \text{C}_3\text{S} < 58%$ là ngưỡng quy định cho xi măng Poóc lăng ít tỏa nhiệt.

  3. Luận án đã thống kê bao nhiêu đập BTĐL tại Việt Nam và áp dụng tính toán thử nghiệm cho công trình nào? Luận án thống kê 21 đập BTĐL tại Việt Nam (bao gồm các công trình tiêu biểu như Sơn La, Lai Châu, Bản Vẽ, Pleikrông, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4). Kết quả nghiên cứu được ứng dụng tính toán thử nghiệm cho đập thủy điện Trung Sơn (cao 84 m, tỉnh Thanh Hóa).

  4. Luận án sử dụng các loại phần tử nào trong phần mềm ANSYS để phân tích bài toán nhiệt và ứng suất? Luận án giải bài toán biến dạng phẳng 2D sử dụng phần tử nhiệt PLANE55 (phần tử phẳng 4 nút để xác định trường nhiệt độ) kết hợp với phần tử kết cấu tương đương PLANE182 (để xác định trường ứng suất nhiệt).

  5. Bốn dạng nứt do nhiệt điển hình trong đập BTĐL được phân loại trong luận án gồm những dạng nào? Bao gồm: nứt bề mặt (do chênh lệch nhiệt độ trong - ngoài), nứt song song mặt đập (tại mặt tiếp giáp các lớp đổ gần thượng hạ lưu), nứt xuyên (do nền đá kiềm chế biến dạng co ngót nhiệt) và nứt hành lang (do hiện tượng quá lạnh cục bộ quanh hành lang).

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán kiểm soát ứng suất nhiệt trong đập bê tông đầm lăn tại Việt Nam bằng việc hiệu chỉnh phương trình nhiệt thủy hóa theo thành phần khoáng của xi măng nội địa và phát triển mô hình phần tử hữu hạn trên ANSYS/APDL với điều kiện biên biến đổi theo thời gian. Các kết quả tính toán định lượng đã làm rõ quy luật phát triển trường nhiệt độ, trường ứng suất và xác định ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia khoáng, loại xi măng cùng các thông số thi công đến nguy cơ nứt khối đổ. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng phục vụ công tác thiết kế, thi công an toàn các đập bê tông trọng lực khối lớn trong điều kiện khí hậu Việt Nam.