Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại việt nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt bê tông đầm lăn, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam.

• Tác giả: Nguyễn Minh Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Phó Uyên
• Trường học: Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông đầm lăn và ứng suất nhiệt

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là vật liệu xây dựng phổ biến trong các công trình thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam. Với ưu điểm thi công nhanh, giá thành thấp, BTĐL đã được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, ứng suất nhiệt là vấn đề nghiêm trọng, gây ra hiện tượng nứt trong quá trình thi công. Nghiên cứu này tập trung vào việc giảm ứng suất nhiệt thông qua các giải pháp xây dựng và công nghệ bê tông tiên tiến. Các yếu tố như nhiệt độ môi trường, vật liệu xây dựng, và kỹ thuật xây dựng đều ảnh hưởng đến độ bền bê tông và tính toán ứng suất.

1.1. Ứng suất nhiệt trong BTĐL

Ứng suất nhiệt phát sinh do quá trình nhiệt thủy hóa của vật liệu chất kết dính (CKD). Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài khối bê tông dẫn đến nứt bề mặt và nứt sâu. Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc quản lý nhiệt độ và tối ưu hóa quy trình xây dựng là chìa khóa để giảm thiểu rủi ro này. Tại Việt Nam, các công trình như đập Sơn La đã gặp phải vấn đề này, đòi hỏi các giải pháp xây dựng bền vững.

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng

Các nghiên cứu về BTĐL và ứng suất nhiệt đã được thực hiện trên toàn cầu, nhưng việc áp dụng vào điều kiện Việt Nam vẫn còn hạn chế. Các tiêu chuẩn và hướng dẫn từ Mỹ, Trung Quốc thường không phù hợp với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của Việt Nam. Do đó, việc phát triển các giải pháp xây dựng phù hợp với đặc thù địa phương là cần thiết.

II. Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Nghiên cứu sử dụng phương pháp lý thuyết và mô hình toán để phân tích ứng suất nhiệt trong BTĐL. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được áp dụng để mô phỏng trường nhiệt độ và trường ứng suất trong đập. Phần mềm ANSYS được sử dụng để giải các bài toán nhiệt và ứng suất, đảm bảo độ chính xác cao. Các yếu tố như nhiệt độ đổ bê tông, hàm lượng phụ gia khoáng (PGK), và thành phần khoáng của xi măng được xem xét để tối ưu hóa quy trình.

2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp PTHH cho phép mô phỏng chính xác trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong BTĐL. Các mô hình được xây dựng dựa trên các điều kiện biên và thông số vật liệu thực tế. Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu quan trắc từ các công trình thực tế như đập Sơn La và Trung Sơn.

2.2. Ứng dụng phần mềm ANSYS

Phần mềm ANSYS được sử dụng để giải các bài toán nhiệt và ứng suất. Các kịch bản đầu vào được thiết lập để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ môi trường, độ ẩm, và hàm lượng PGK. Kết quả cho thấy việc điều chỉnh các thông số này có thể giảm đáng kể ứng suất nhiệt và ngăn ngừa nứt.

III. Giải pháp giảm ứng suất nhiệt

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp xây dựng để giảm ứng suất nhiệt trong BTĐL phù hợp với điều kiện Việt Nam. Các giải pháp bao gồm điều chỉnh hàm lượng PGK, thành phần khoáng của xi măng, và nhiệt độ đổ bê tông. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện đáng kể độ bền bê tông và giảm thiểu rủi ro trong xây dựng.

3.1. Điều chỉnh hàm lượng PGK

Việc tăng hàm lượng PGK trong CKD giúp giảm nhiệt thủy hóa và ứng suất nhiệt. Nghiên cứu đề xuất các hàm lượng PGK tối ưu cho từng khu vực như miền núi phía Bắc, Bắc Trung bộ, và Nam Trung bộ. Các kết quả tính toán cho thấy việc điều chỉnh này có thể giảm ứng suất nhiệt lên đến 30%.

3.2. Kiểm soát nhiệt độ đổ bê tông

Nhiệt độ đổ bê tông là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt. Nghiên cứu đề xuất các biện pháp kiểm soát nhiệt độ đổ bê tông, bao gồm sử dụng nước làm mát và điều chỉnh thời gian thi công. Các kết quả cho thấy việc giảm nhiệt độ đổ bê tông từ 30°C xuống 20°C có thể giảm ứng suất nhiệt lên đến 25%.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp xây dựng hiệu quả để giảm ứng suất nhiệt trong BTĐL tại Việt Nam. Các kết quả cho thấy việc điều chỉnh hàm lượng PGK, thành phần khoáng của xi măng, và nhiệt độ đổ bê tông có thể cải thiện đáng kể độ bền bê tông và giảm thiểu rủi ro trong xây dựng. Các giải pháp này cần được áp dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam.

4.1. Đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu đã cung cấp các giải pháp xây dựng cụ thể và hiệu quả để giảm ứng suất nhiệt trong BTĐL. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp cải thiện chất lượng và độ bền của các công trình thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp xây dựng mới để tối ưu hóa quy trình thi công BTĐL. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như quản lý nhiệt độ tự động và vật liệu xây dựng mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của các công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu, 4 Chương, Kết luận và kiến nghị; 66 tài liệu tham khảo, 04 tài liệu tác giả đã công bố. Nội dung chính của luận án được trình bày trong 118 trang và phụ lục với 72 hình vẽ và 27 bảng. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1. Bê tông đầm lăn BTĐL là loại bê tông không có độ sụt được tạo bởi hỗn hợp bao gồm cốt liệu nhỏ (cát thiên nhiên hoặc cát nghiền), cốt liệu lớn (đá dăm), chất kết dính (XM, PGK hoạt tính nghiền mịn), nước và phụ gia hóa học.

Sau khi trộn đều, vận chuyển, san rải hỗn hợp được đầm chặt theo yêu cầu của thiết kế bằng thiết bị đầm lăn [43]. Công nghệ xây dựng BTĐL có ưu điểm là thi công nhanh, hạ giá thành và giảm chi phí cho công trình tạm phục vụ dẫn dòng thi công. Thực tiễn cho thấy do giảm hàm lượng XM/CKD nên nhiệt thủy hóa của BTĐL giảm hơn so với CVC nhưng lại có tốc độ nhiệt thủy hóa chậm hơn. Tuy nhiên BTĐL lại tồn tại vấn đề là tính chống thấm kém và được coi là vật liệu không đẳng hướng do đầm nén lớp mỏng.

Vì vậy, ở nhiều nước người ta sử dụng BTĐL làm lõi đập, bao bọc xung quanh là lớp vỏ bê tông thường chống thấm dày 2÷3 m hoặc sử dụng BTĐL có tính chống thấm cao và thi công trên toàn mặt cắt [4][5]. Tính năng cơ học của BTĐL 1. Cường độ kháng nén của BTĐL Cường độ kháng nén là tính chất quan trọng nhất của bê tông nói chung và BTĐL nói riêng và thường được xem xét đầu tiên. Giá trị cường độ kháng nén của BTĐL (fc) được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu với hình dạng, kích thước, ngày tuổi không thống nhất giữa các nước.

Ngoài ra giá trị cường độ kháng nén của BTĐL còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật liệu CKD, tỉ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD), hàm lượng trộn phụ gia khoáng trong chất kết dính (PGK/CKD), cường độ và độ sạch cốt liệu, điều kiện bảo dưỡng bê tông. Theo một nghiên cứu của Trung Quốc [14], cường độ kháng nén của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức (1.2): f c28  19, 459CKD / N-0,147PGK/CKD-11,681 (MPa) (1.1) 4 f c90  19,326CKD / N-0,333PGK/CKD+5,968 (MPa) (1.2) Từ công thức trên có thể thấy rằng cường độ kháng nén của BTĐL giảm khi hàm lượng trộn PGK/CKD tăng lên. Cường độ kháng kéo của BTĐL Giá trị cường độ kháng kéo của BTĐL (ft) có thể xác định trực tiếp thông qua thí nghiệm kéo mẫu hoặc tính toán theo công thức kinh nghiệm từ giá trị cường độ kháng nén. Cường độ kháng kéo của BTĐL mặc dù có liên quan với chủng loại và cấp phối vật liệu nhưng nói chung tăng lên khi cường độ kháng nén của BTĐL tăng lên.

Cường độ kháng kéo của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày được xác định theo công thức (1. Mô đun đàn hồi của BTĐL Mô đun đàn hồi của BTĐL (Ec) là tham số quan trọng khi tính toán phân bố ứng suất trong kết cấu đập BTĐL. Do thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tương đối khó, nói chung đều được xác định thông qua cường độ kháng nén của BTĐL. Công thức kinh nghiệm xác định mô đun đàn hồi đều đưa ra từ kết quả thống kê thực nghiệm.

Đối với bê tông nói chung các quốc gia khác nhau có công thức xác định khác nhau, ví dụ: 100 Quy phạm Trung Quốc [29]: E c  (GPa) (1.5) 34,7 2, 2  fc Quy phạm ACI của Mỹ [41]: E c  4, 73 f c (GPa) (1.6) 5,5 Tiêu chuẩn BS8110 của Anh [46]: E c  fc (GPa) (1.7) c Tiêu chuẩn của Châu Âu [49]: E c  6 f c (GPa) (1.8) 5 Theo TCXDVN 356-2005 [32] giá trị của Ec phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông và trong khoảng từ (21 ~ 40)  103 MPa. Do cường độ kháng nén của BTĐL phụ thuộc tỉ lệ N/CKD và hàm lượng PGK/CKD, vì vậy mô đun đàn hồi của BTĐL tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có thể được xác định theo công thức (1.9) E c90  21, 217CKD / N-0,197PGK/CKD-1,376 (GPa) (1.10) Từ công thức trên có thể thấy rằng mô đun đàn hồi của BTĐL giảm khi hàm lượng trộn PGK/CKD tăng lên. Biến dạng của BTĐL BTĐL trong quá trình đông cứng và trong môi trường sử dụng khác nhau đều có thể xuất hiện biến dạng, biến dạng của BTĐL bao gồm co ngót hóa học, co dãn do độ ẩm, biến dạng nhiệt, biến dạng do tải trọng, v. Theo tính chất biến dạng có thể phân thành biến dạng hồi phục và biến dạng không hồi phục, biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo.

Từ biến của BTĐL Khi kết cấu BTĐL chịu tác dụng của tải trọng không đổi trong thời gian dài, biến dạng BTĐL tăng lên theo thời gian được gọi là từ biến. Thời kỳ đầu gia tải, từ biến của BTĐL tăng lên khá nhanh sau đó dần dần giảm xuống, một vài năm sau tăng lên rất chậm. BTĐL sau khi dỡ tải, một phần biến dạng hồi phục tức thời, biến dạng này nhỏ hơn biến dạng đàn hồi phát sinh khi gia tải ban đầu. Trong một khoảng thời gian sau khi dỡ tải, biến dạng vẫn có thể tiếp tục hồi phục gọi là hồi phục từ biến.

Biến dạng không có khả năng hồi phục gọi là biến dạng dư. BTĐL bất kể là chịu nén, chịu kéo hoặc chịu uốn đều có hiện tượng từ biến, nguyên nhân phát sinh từ biến nói chung là do tính bám dính của cốt liệu đá và XM dưới tác dụng của tải trọng trong một thời gian dài bị nới lỏng. Biến dạng do từ biến dưới tác dụng của đơn vị ứng suất gọi là độ từ biến, thông thường khoảng (10~300)10-6 MPa. 6 Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến giá trị từ biến như chủng loại XM, tính chất cốt liệu, tỉ lệ N/XM, tỉ lệ vữa, chất phụ gia cùng với ngày tuổi bê tông khi gia tải, giá trị ứng suất, thời gian duy trì tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, hình dạng và kích thước kết cấu, v.

Co ngót của BTĐL Khi BTĐL rắn chắc trong không khí, thể tích của nó có thể giảm nhỏ, hiện tượng này gọi là co ngót. Co ngót là biến dạng phát sinh do thể tích thay đổi mà bê tông không chịu ngoại lực. Thông thường cho rằng co ngót bê tông là do thể tích bản thân khối kết dính bị co ngót và bê tông co ngót thể tích do mất nước. Thời kỳ đầu co ngót phát triển rất nhanh, sau đó dần dần chậm lại, tổng thể quá trình co ngót có thể kéo dài 2 năm trở lên.

Khi BTĐL không thể tự do co ngót, trong bê tông phát sinh ứng suất kéo dẫn đến phá hoại nứt. Nhân tố ảnh hưởng đến co ngót của BTĐL chủ yếu có nhiệt độ và độ ẩm môi trường xung quanh, hình dạng và kích thước mặt cắt cấu kiện, tỉ lệ cấp phối, tính chất cốt liệu, tính chất XM, điều kiện bảo dưỡng. nên tính toán chính xác co ngót bê tông rất khó khăn. Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL (p) tại thời điểm 28 ngày và 90 ngày có liên quan đến cường độ kháng kéo của BTĐL có thể được xác định theo công thức (1.12) Từ công thức trên có thể thấy rằng giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL tăng lên khi cường độ kháng kéo của BTĐL tăng lên.

Tính năng cơ học của BTĐL theo thời gian Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu BTĐL là biểu thức toán học miêu tả quy luật vận động và quan hệ giữa lực, nhiệt độ, biến dạng, v.v… của nội bộ kết cấu trong không gian và thời gian. BTĐL là vật liệu hỗn hợp được tạo thành từ XM, PGK, cốt liệu thô, cốt liệu mịn và nước. Khi mới hình thành, trong bê tông đã tồn tại các khuyết tật như các lỗ rỗng, vết nứt nhỏ, v. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, do tập trung ứng suất tại các khuyết tật nên chúng dần dần phát triển, từ đó dẫn đến quan hệ ứng suất - biến dạng của phần tử cốt liệu từng bước đi chệch quan hệ tuyến tính và xuất hiện đặc tính cơ bản của phi tuyến tính.

Đồng thời do các thành phần vật liệu bê tông có đặc trưng phân bố ngẫu nhiên, vì vậy bất kể là phân bố khuyết tật ban đầu hay là quá trình diễn biến khuyết tật về sau đều không thể ngăn ngừa đặc trưng ngẫu nhiên sẵn có của bê tông. Phi tuyến tính và ngẫu nhiên là hai đặc trưng cơ bản của quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông. Hiện nay quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu bê tông nói chung và BTĐL nói riêng có thể phân thành mấy nhóm mô hình sau [42][48]: - Mô hình cơ học đàn hồi tuyến tính và phi tuyến tính; - Mô hình cơ học tính dẻo; - Mô hình cơ học phá hủy. Do tính phức tạp của vật liệu BTĐL, hiện nay vẫn chưa có một mô hình vật liệu BTĐL duy nhất được mọi người công nhận.

Nói chung căn cứ vào đặc điểm chịu lực, phạm vi ứng suất và độ chính xác tính toán, v. của kết cấu phân tích để lựa chọn mô hình thích hợp. Đương nhiên để xác định chính xác cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác lập các hàm biểu diễn quá trình phát triển các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL theo thời gian ứng với cấp phối được lựa chọn tối ưu cho từng công trình cụ thể. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam 1.

Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới Trong khoảng thời gian từ năm 1960 đến 1970 có những cách sử dụng vật liệu có thể coi là tiền đề của BTĐL. Cụ thể, năm 1961 hỗn hợp bê tông không độ sụt được rải bằng xe ủi đã áp dụng cho đập Alpe Gera tại Italia và đập Manicongan ở Canada. Hỗn hợp bê tông được đầm chặt bằng các loại đầm dùi gắn sau máy ủi hoặc đầm chặt bằng máy ủi [43]. Cũng trong năm 1961 hỗn hợp cát đá trộn với XM được rải và đầm bằng các thiết bị thi công đập đất để xây dựng tường quây của đập Thanh Môn, Đài Loan [4].