Mô Hình Tính Chất Bê Tông Xi Măng Từ Vi Cấu Trúc: Độ Rỗng, Tính Chất Cơ Học, Biến Dạng Và Co Ngót

Chuyên khảo phân tích Modelling properties of cement paste from microstructure porosity mechanical properties creep and, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Quang Huy Do
• Người hướng dẫn: Karen, Thesis Director
• Trường học: École Polytechnique Fédérale de Lausanne
• Chuyên ngành: Cement Science
• Đề tài: Mô Hình Tính Chất Bê Tông Xi Măng Từ Vi Cấu Trúc: Độ Rỗng, Tính Chất Cơ Học, Biến Dạng Và Co Ngót
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Lausanne

Mục lục chi tiết

• FOREWORD
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• RÉSUMÉ
• ZUSAMMENFASSUNG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Mô Hình Vi Cấu Trúc Bê Tông Xi Măng Phân Tích Độ Rỗng

Bê tông xi măng, vật liệu xây dựng quan trọng, có tính chất phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô. Việc mô hình hóa cấu trúc này, đặc biệt là độ rỗng, là yếu tố then chốt để dự đoán các đặc tính cơ học và độ bền của bê tông. Mô hình vi cấu trúc cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về sự hình thành và phát triển của các pha trong quá trình hydrat hóa xi măng. Bài viết này sẽ đi sâu vào các phương pháp mô hình hóa cấu trúc vi mô, tập trung vào ảnh hưởng của độ rỗng đến các tính chất của bê tông. Việc kiểm soát độ rỗng có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của công trình.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Độ Rỗng Trong Bê Tông Xi Măng

Độ rỗng trong bê tông xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất quan trọng như cường độ, độ bền, khả năng thấm nước và khả năng chống lại các tác nhân xâm thực từ môi trường. Các lỗ rỗng lớn có thể làm giảm đáng kể cường độ chịu nén và kéo của bê tông, trong khi các lỗ rỗng nhỏ có thể ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển các chất lỏng và khí, gây ra các vấn đề về ăn mòn và suy thoái vật liệu. Theo tài liệu nghiên cứu, việc kiểm soát kích thước và phân bố lỗ rỗng là chìa khóa để cải thiện hiệu suất của bê tông.

1.2. Phương Pháp Mô Hình Hóa Độ Rỗng Từ Lý Thuyết Đến Thực Tiễn

Có nhiều phương pháp mô hình hóa độ rỗng trong bê tông xi măng, từ các mô hình lý thuyết dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đến các phương pháp thực nghiệm sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và chụp cắt lớp vi tính (CT). Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. FEM cho phép mô phỏng quá trình hình thành và phát triển của các lỗ rỗng trong quá trình hydrat hóa, trong khi SEM và CT cung cấp hình ảnh trực quan về cấu trúc lỗ rỗng thực tế. Sự kết hợp giữa các phương pháp này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và các tính chất vĩ mô của bê tông.

II. Mô Hình Cơ Học Bê Tông Cách Dự Đoán Tính Chất Cơ Học

Dự đoán tính chất cơ học của bê tông xi măng từ vi cấu trúc là một thách thức lớn. Mô hình cơ học cần phải xét đến sự phức tạp của cấu trúc vật liệu, bao gồm các pha khác nhau, độ rỗng và sự tương tác giữa các pha. Các mô hình này thường dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hoặc các phương pháp số khác để mô phỏng sự biến dạng và phá hủy của bê tông dưới tác dụng của tải trọng. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thành phần và quy trình sản xuất bê tông, nhằm đạt được các tính chất cơ học mong muốn.

2.1. Ứng Dụng FEM Để Dự Đoán Cường Độ Bê Tông Từ Vi Cấu Trúc

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hành vi cơ học của bê tông từ vi cấu trúc. Bằng cách chia vật liệu thành các phần tử nhỏ và áp dụng các định luật vật lý, FEM cho phép chúng ta tính toán ứng suất, biến dạng và phá hủy của bê tông dưới tác dụng của tải trọng. Các mô hình FEM thường sử dụng dữ liệu về cấu trúc vi mô, chẳng hạn như kích thước và phân bố lỗ rỗng, để tạo ra mô hình vật liệu chính xác hơn. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để dự đoán cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và các tính chất cơ học khác của bê tông.

2.2. Ảnh Hưởng Của C S H Đến Độ Cứng Và Độ Bền Bê Tông

Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) là pha quan trọng nhất trong bê tông xi măng, đóng vai trò liên kết các hạt xi măng và tạo nên độ cứng và độ bền của vật liệu. Tính chất cơ học của C-S-H, bao gồm mô đun đàn hồi và cường độ, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học của bê tông. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc mô hình hóa cấu trúc và tính chất của C-S-H ở quy mô nano để hiểu rõ hơn về vai trò của nó trong việc cải thiện hiệu suất của bê tông. Theo nghiên cứu của Do Quang Huy, việc giả định mật độ khối của C-S-H thấp ở giai đoạn đầu và tăng dần khi quá trình hydrat hóa diễn ra giúp mô phỏng chính xác hơn độ rỗng tổng thể.

III. Biến Dạng Và Co Ngót Bê Tông Hướng Dẫn Mô Hình Hóa Chi Tiết

Biến dạng và co ngót là hai hiện tượng quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của bê tông. Biến dạng bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, trong khi co ngót bao gồm co ngót khô, co ngót do nhiệt và co ngót tự gây ra bởi quá trình hydrat hóa. Mô hình hóa các hiện tượng này đòi hỏi phải xét đến nhiều yếu tố, bao gồm thành phần vật liệu, điều kiện môi trường và quá trình hydrat hóa. Các mô hình chính xác có thể giúp dự đoán và kiểm soát biến dạng và co ngót, từ đó giảm thiểu rủi ro nứt nẻ và suy thoái vật liệu.

3.1. Ảnh Hưởng Của Độ Ẩm Đến Biến Dạng Và Co Ngót Bê Tông

Độ ẩm là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến biến dạng và co ngót của bê tông. Sự thay đổi độ ẩm có thể gây ra co ngót khô, do nước bay hơi khỏi lỗ rỗng trong bê tông. Ngoài ra, độ ẩm còn ảnh hưởng đến quá trình hydrat hóa và sự hình thành của các pha trong bê tông. Các mô hình hóa cần phải xét đến sự tương tác giữa độ ẩm, cấu trúc vi mô và các tính chất cơ học của bê tông để dự đoán chính xác biến dạng và co ngót.

3.2. Co Ngót Tự Gây Cơ Chế Mô Hình Hóa Và Cách Giảm Thiểu

Co ngót tự gây (autogeneous shrinkage) là một hiện tượng đặc biệt quan trọng trong bê tông hiệu suất cao, do tỷ lệ nước trên xi măng thấp. Hiện tượng này xảy ra do sự hình thành áp suất mao dẫn trong các lỗ rỗng nhỏ khi nước bị tiêu thụ trong quá trình hydrat hóa. Mô hình hóa co ngót tự gây đòi hỏi phải xét đến cấu trúc vi mô, quá trình hydrat hóa và các tính chất cơ học của các pha trong bê tông. Các biện pháp giảm thiểu co ngót tự gây bao gồm sử dụng phụ gia giảm co, bảo dưỡng ẩm và kiểm soát nhiệt độ.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Kết Quả Nghiên Cứu Mô Hình Bê Tông Vi Cấu Trúc

Mô hình hóa vi cấu trúc bê tông xi măng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng. Các mô hình này có thể được sử dụng để thiết kế bê tông với các tính chất cơ học và độ bền mong muốn, dự đoán tuổi thọ của công trình, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Ngoài ra, mô hình hóa còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các cơ chế suy thoái vật liệu và phát triển các biện pháp bảo vệ và sửa chữa hiệu quả.

4.1. Thiết Kế Bê Tông Bền Vững Dựa Trên Mô Hình Vi Cấu Trúc

Mô hình vi cấu trúc có thể được sử dụng để thiết kế bê tông bền vững hơn, bằng cách tối ưu hóa thành phần và quy trình sản xuất để giảm thiểu tác động đến môi trường. Ví dụ, các mô hình có thể giúp chúng ta sử dụng các vật liệu tái chế hoặc phế thải công nghiệp trong bê tông mà không ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ bền. Ngoài ra, mô hình hóa còn giúp chúng ta dự đoán tuổi thọ của công trình và thiết kế các biện pháp bảo trì phù hợp để kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu chi phí bảo trì.

4.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Môi Trường Xâm Thực Lên Bê Tông

Bê tông thường xuyên phải chịu tác động của các yếu tố môi trường xâm thực, chẳng hạn như clorua, sulfat và axit. Các yếu tố này có thể gây ra ăn mòn cốt thép, phá hủy cấu trúc xi măng và giảm tuổi thọ của công trình. Mô hình hóa vi cấu trúc có thể giúp chúng ta đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này và phát triển các biện pháp bảo vệ hiệu quả, chẳng hạn như sử dụng bê tông chống thấm, phủ lớp bảo vệ hoặc sử dụng cốt thép chống ăn mòn.

V. Kết Luận Tương Lai Mô Hình Vi Cấu Trúc Bê Tông Xi Măng

Mô hình hóa vi cấu trúc bê tông xi măng là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng, có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, chẳng hạn như mô hình hóa các hiện tượng phức tạp như co ngót tự gây và ăn mòn cốt thép, cũng như tích hợp các mô hình vi mô và vĩ mô để dự đoán hành vi của công trình thực tế. Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự phát triển của các mô hình chính xác và hiệu quả hơn, giúp chúng ta thiết kế và xây dựng các công trình bê tông bền vững và an toàn hơn.

5.1. Thách Thức Và Cơ Hội Trong Phát Triển Mô Hình Bê Tông

Phát triển các mô hình bê tông vi cấu trúc chính xác và hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về vật liệu, cơ học và khoa học máy tính. Các thách thức bao gồm mô hình hóa các hiện tượng phức tạp như co ngót tự gây và ăn mòn cốt thép, tích hợp các mô hình vi mô và vĩ mô, và xác thực các mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm. Tuy nhiên, những thách thức này cũng mang lại nhiều cơ hội để phát triển các công cụ mới và cải thiện hiểu biết của chúng ta về bê tông.

5.2. Xu Hướng Nghiên Cứu Mới Nhất Trong Mô Hình Bê Tông Xi Măng

Các xu hướng nghiên cứu mới nhất trong mô hình bê tông xi măng bao gồm sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) để phát triển các mô hình tự học, mô hình hóa cấu trúc nano của C-S-H, và tích hợp các mô hình vi mô và vĩ mô bằng phương pháp đa tỷ lệ. Các công nghệ mới này hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong lĩnh vực mô hình bê tông và giúp chúng ta thiết kế và xây dựng các công trình bền vững và an toàn hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng hiện đại, bê tông hiệu suất cao đóng vai trò then chốt tại các công trình hạ tầng quy mô lớn nhờ độ đặc chắc vượt trội và cường độ chịu lực cao. Tuy nhiên, việc áp dụng tỷ lệ nước trên xi măng thấp, thường dưới 0,35, lại khiến vật liệu này đối mặt với nguy cơ nứt sớm rất nghiêm trọng do hiện tượng co ngót tự sinh. Quá trình thủy hóa tiêu thụ nước nội tại gây ra hiện tượng tự hút ẩm, dẫn đến độ co ngót hóa học khoảng 6% đến 8% tổng thể tích ban đầu, từ đó hình thành các vi lỗ rỗng chứa khí và phát sinh ứng suất căng mao dẫn cục bộ kéo dài trong suốt 24 đến 72 giờ đầu tiên sau khi đóng rắn.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là việc dự báo chính xác tiến trình co ngót tự sinh gặp rất nhiều rào cản do sự tương tác phức tạp giữa phản ứng hóa học, sự phát triển vi cấu trúc lỗ rỗng và đặc tính từ biến nhớt đàn hồi của gel Canxi Silicat Hydrat. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng khung mô hình số học vi cơ học ba chiều hoàn chỉnh nhằm mô phỏng và lượng hóa đồng thời quá trình phát triển vi cấu trúc, độ rỗng mao dẫn, đặc tính đàn hồi, biến dạng dão cơ bản và độ co ngót tự sinh của hồ xi măng Portland ở độ tuổi sớm.

Nghiên cứu được triển khai trong phạm vi điều kiện dưỡng hộ đẳng nhiệt ở 20°C, môi trường kín hoàn toàn và theo dõi liên tục trong 7 ngày đầu. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và thực tiễn sâu sắc, giúp giảm sai số dự báo biến dạng co ngót xuống dưới 15%, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác thiết kế cấp phối bê tông chống nứt, bảo đảm tuổi thọ công trình kéo dài từ 50 đến 100 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học vật liệu xốp kết hợp cơ học nhớt đàn hồi tuyến tính và động học thủy hóa xi măng. Cơ chế phát sinh co ngót tự sinh được mô tả thông qua hệ phương trình Laplace và Kelvin, biểu diễn mối quan hệ giữa áp lực căng mao dẫn với bán kính mặt khum chất lỏng và độ ẩm tương đối nội tại. Khi độ ẩm tương đối giảm từ 100% xuống khoảng 75% trong quá trình tự hút ẩm, áp suất chất lỏng trong mao dẫn chuyển sang trạng thái âm, gây ra ứng suất nén tác động trực tiếp lên bộ khung rắn.

Mô hình cấu lưu biến nhớt đàn hồi tổng quát Maxwell được ứng dụng để mô tả hành vi từ biến cơ bản của pha Canxi Silicat Hydrat với khối lượng riêng thể tích khoảng 2,0 g/cm³ và mật độ sắp xếp hạt danh định đạt 0,70. Bốn khái niệm trung tâm chi phối toàn bộ mô hình bao gồm: sự nén chặt của gel thủy hóa theo thời gian, ngưỡng kết nối toàn cục của khung chất rắn, phân bố kích thước lỗ rỗng mao dẫn từ 5 nanomet đến vài micromet, và phương pháp chồng chất dão mỏi trong môi trường vật liệu xốp lão hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu vi cấu trúc được tạo lập từ nền tảng mô phỏng vector ba chiều kết hợp thuật toán phân bố kích thước hạt xi măng Portland thực nghiệm. Thể tích đại diện mẫu được thiết lập trong không gian lập phương kích thước 100 micromet mỗi chiều, chứa khoảng 3.000.000 hạt xi măng với thành phần khoáng chính gồm Alite chiếm khoảng 55% đến 65% và Belite chiếm 15% đến 20%. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên không gian có kiểm soát va chạm hình học được sử dụng để đảm bảo tính đồng nhất thống kê của vật liệu ban đầu.

Quá trình phân tích cơ học sử dụng phương pháp đồng nhất hóa số học dựa trên phần tử hữu hạn và mô hình tự nhất quán. Thuật toán loại bỏ liên kết giả tạo double-burning được phát triển riêng để khử sạch các lỗi tiếp xúc mạng lưới phần tử trước khi phản ứng thủy hóa xảy ra. Dữ liệu mô phỏng xâm nhập thủy ngân được lập trình để kiểm chứng với đường cong thực nghiệm. Toàn bộ tiến trình thủy hóa được theo dõi qua các mốc thời gian từ 0 giờ đến 168 giờ, trong đó các thời điểm gia tải cơ học phân tích dão được tập trung đánh giá chi tiết tại 18 giờ, 24 giờ và 30 giờ. Việc lựa chọn phương pháp vector thay cho mô hình ô lưới rời rạc truyền thống giúp mô tả chính xác sự phát triển bất đối xứng của các sản phẩm thủy hóa dạng kim mà không bị giới hạn bởi kích thước ô lưới 1 micromet.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại những phát hiện mang tính đột phá về cơ chế vi cấu trúc và biến dạng của hồ xi măng:

Thứ nhất, việc giả định mật độ Canxi Silicat Hydrat không đổi ở mức 2,0 g/cm³ chỉ cho kết quả biến dạng dão trùng khớp với thực nghiệm khi thời gian gia tải bắt đầu từ 24 giờ và 30 giờ. Khi gia tải ở 18 giờ, kết quả mô phỏng đánh giá thấp độ biến dạng thực tế khoảng 30% đến 40%. Khi tích hợp hàm mật độ đặc chắc biến thiên tăng dần theo thời gian, độ chính xác của mô hình dự báo dão tuổi sớm được cải thiện rõ rệt, nâng mức độ tương thích với thực nghiệm lên hơn 35%.

Thứ hai, đường kính ngưỡng lỗ rỗng thu được từ mô phỏng xâm nhập thủy ngân số học lớn hơn từ 2 đến 3 lần so với số liệu đo đạc thực nghiệm. Nguyên nhân là do pha Canxi Silicat Hydrat phát triển dạng tinh thể hình kim phân tán vào không gian rỗng với kích thước vi mao dẫn chỉ từ 5 đến 20 nanomet, thay vì tạo ra các bề mặt trơn nhẵn như các giả định hình học đơn giản trước đây.

Thứ ba, thuật toán loại bỏ kết nối nhân tạo double-burning đã giải quyết triệt để hiện tượng thẩm thấu pha rắn sớm trước khi phản ứng thủy hóa diễn ra. Giải pháp này giúp triệt tiêu sai số ước tính mô đun đàn hồi ban đầu, giảm độ lệch giả tạo từ 45% đến 60% so với phương pháp chia lưới phần tử hữu hạn thông thường.

Thứ tư, phương pháp chồng chất dão mỏi chứng minh tính ưu việt vượt trội so với phương pháp xốp đàn hồi thuần túy. Biến dạng dão nhớt đóng góp hơn 50% vào tổng biến dạng co ngót tự sinh đo được, đồng thời mô phỏng phản ánh chính xác sự gia tăng co ngót khi tỷ lệ nước trên xi măng giảm từ 0,45 xuống 0,30.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên khẳng định rằng co ngót tự sinh không đơn thuần là phản ứng đàn hồi đối với áp suất mao dẫn mà là kết quả của quá trình tích lũy biến dạng dão dưới tác dụng của ứng suất căng mao dẫn thay đổi theo thời gian. Sự hình thành sớm của các nhánh Canxi Silicat Hydrat dạng kim làm phân mảnh không gian chứa nước, thúc đẩy sự sụt giảm nhanh chóng của bán kính mặt khum mao dẫn.

Toàn bộ tập dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua hai dạng biểu đồ chính: đồ thị đường biểu diễn sự gia tăng mô đun đàn hồi và độ từ biến theo thời gian từ 0 đến 72 giờ, kết hợp cùng biểu đồ cột so sánh tương quan phân bố kích thước lỗ rỗng và độ rỗng tổng thể giữa thuật toán xâm nhập thủy ngân mô phỏng và thực nghiệm. Sự nhất quán giữa mô phỏng và thực nghiệm củng cố độ tin cậy của phương pháp vi cơ học trong việc thay thế các thử nghiệm cơ lý kéo dài.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất và thiết kế công trình, bốn khuyến nghị cụ thể được đề xuất:

Tích hợp thuật toán nén đặc Canxi Silicat Hydrat phụ thuộc thời gian vào các phần mềm thương mại mô phỏng vật liệu xây dựng, hướng tới mục tiêu kiểm soát sai số biến dạng dão dưới 10% trong vòng 12 tháng tới, do các viện nghiên cứu chuyên ngành và các đơn vị phát triển phần mềm kết cấu chủ trì thực hiện.

Áp dụng quy trình lọc liên kết giả tạo double-burning trong các phân tích phần tử hữu hạn vi cấu trúc xi măng để loại bỏ độ cứng ảo, nâng cao độ chính xác dự báo thời gian đông kết và cường độ nén tuổi sớm lên ít nhất 20%, triển khai trong vòng 6 tháng bởi các kỹ sư cơ học vật liệu.

Bổ sung phụ gia giảm co ngót hoặc vật liệu dưỡng hộ nội khối với tỷ lệ tối ưu từ 1,5% đến 2,0% khối lượng xi măng cho các cấp phối bê tông có tỷ lệ nước trên xi măng dưới 0,35, nhằm duy trì độ ẩm tương đối bên trong mao dẫn luôn trên 85% trong 7 ngày đầu, do các nhà thầu thi công và trạm trộn bê tông thương phẩm thực hiện ngay tại công trường.

Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn kiểm định biến dạng dão và co ngót ở tuổi siêu sớm từ 18 đến 36 giờ bằng phương pháp ống sóng biến dạng tự do với giới hạn sai số đo lường không quá 5%, hoàn thiện trong lộ trình 18 tháng dưới sự điều phối của các cơ quan quản lý tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng:

Kỹ sư thiết kế và tư vấn vật liệu: Tiếp cận cơ chế vi mô của hiện tượng tự hút ẩm để lựa chọn tỷ lệ nước trên xi măng tối ưu, kiểm soát rủi ro nứt nhiệt và co ngót tự sinh cho các cấu kiện bê tông khối lớn, dầm cầu vượt nhịp lớn và các kết cấu ngầm.

Nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh ngành Khoa học Vật liệu: Kế thừa nền tảng mô hình hóa vector ba chiều và phương pháp đồng nhất hóa cơ học đa tỷ xích để mở rộng nghiên cứu sang các hệ chất kết dính mới như xi măng xỉ lò cao, tro bay hoặc geopolyme.

Các doanh nghiệp sản xuất xi măng và hóa chất xây dựng: Khai thác bản chất cấu trúc mao dẫn và sự phát triển của Canxi Silicat Hydrat để nghiên cứu phát triển các dòng phụ gia siêu dẻo, phụ gia giảm co ngót thế hệ mới giúp giảm trên 30% rủi ro nứt kết cấu.

Giảng viên và học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp kết hợp giữa nhiệt động lực học hóa học, phân tích hình thái vi cấu trúc và cơ học môi trường liên tục trong đào tạo chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

Co ngót tự sinh khác biệt như thế nào so với co ngót khô thông thường? Co ngót tự sinh phát sinh hoàn toàn do phản ứng hóa học tự tiêu thụ nước nội tại trong điều kiện kín, làm giảm độ ẩm tương đối từ 100% xuống khoảng 75%. Ngược lại, co ngót khô xảy ra do sự bốc hơi nước ra môi trường ngoài. Trong thực tế ở bê tông hiệu suất cao có tỷ lệ nước trên xi măng dưới 0,35, co ngót tự sinh là nguyên nhân chính gây nứt trong 3 ngày đầu.

Tại sao mật độ của Canxi Silicat Hydrat không nên xem là một hằng số cố định? Ở giai đoạn sớm khoảng 18 giờ, cấu trúc gel rất xốp và có mật độ sắp xếp thực tế thấp. Nếu cố định mật độ ở mức 2,0 g/cm³, mô hình sẽ đánh giá thấp độ dão ban đầu khoảng 35%. Việc thiết lập mật độ tăng dần theo thời gian giúp mô phỏng phản ánh chính xác hành vi cơ học đo được bằng kỹ thuật nano-indentation.

Tại sao kích thước lỗ rỗng mô phỏng thường lớn hơn kết quả đo xâm nhập thủy ngân? Các mô hình hình học thường coi sản phẩm thủy hóa có bề mặt nhẵn. Trong thực tế, tinh thể Canxi Silicat Hydrat phát triển dạng hình kim đan xen tạo ra vô số lỗ rỗng nhỏ từ 5 đến 20 nanomet. Cấu trúc phức tạp này đòi hỏi áp lực thủy ngân thực tế cao hơn để xâm nhập, dẫn đến kích thước lỗ rỗng nhận diện trên thực nghiệm nhỏ hơn nhiều so với mô hình số.

Lỗi kết nối giả tạo trong chia lưới phần tử hữu hạn ảnh hưởng ra sao đến kết quả? Khi chuyển đổi hình học hạt sang lưới phần tử, các mắt lưới liền kề vô tình tạo ra liên kết cơ học ngay cả khi xi măng chưa thủy hóa, làm mô đun đàn hồi ban đầu bị phóng đại lên khoảng 50%. Thuật toán double-burning giúp loại bỏ hoàn toàn các liên kết giả này, tái lập ngưỡng kết nối chính xác của khung rắn.

Phương pháp chồng chất dão mỏi mang lại ưu thế gì so với mô hình đàn hồi xốp? Mô hình đàn hồi xốp chỉ tính toán biến dạng tức thời do áp lực mao dẫn mà bỏ qua sự giải tỏa ứng suất nhớt. Phương pháp chồng chất dão mỏi tích hợp hàm từ biến theo tuổi gia tải từ 18 đến 30 giờ, giúp dự báo chính xác mức tăng thêm 40% đến 60% biến dạng co ngót ở các cấp phối có tỷ lệ nước trên xi măng thấp.

Kết luận

• Xây dựng thành công khung mô phỏng vi cơ học ba chiều tích hợp trên nền tảng vector và phương pháp phần tử hữu hạn, dự báo đồng thời độ rỗng, tính chất đàn hồi, biến dạng dão và co ngót tự sinh.
• Chứng minh hiện tượng nén đặc của Canxi Silicat Hydrat theo tiến trình thủy hóa là yếu tố quyết định để mô tả chính xác ứng xử dão tuổi sớm từ 18 đến 30 giờ.
• Hoàn thiện thuật toán double-burning nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số liên kết lưới nhân tạo, nâng cao độ tin cậy khi xác định ngưỡng thẩm thấu cơ học của hồ xi măng.
• Khẳng định áp lực căng mao dẫn kết hợp với phương pháp chồng chất dão mỏi là công cụ chuẩn xác nhất để định lượng co ngót tự sinh ở tỷ lệ nước trên xi măng thấp từ 0,30 đến 0,45.
• Làm rõ cấu trúc phân nhánh dạng kim của Canxi Silicat Hydrat là nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự khác biệt kích thước lỗ rỗng giữa mô phỏng số học và thực nghiệm xâm nhập thủy ngân.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm cần tập trung vào việc mở rộng mô hình vi cấu trúc lên quy mô vĩ mô của bê tông cốt liệu và tích hợp ảnh hưởng của lịch trình nhiệt độ biến thiên. Quý bạn đọc, chuyên gia và các kỹ sư xây dựng hãy tham khảo chi tiết toàn văn luận văn để ứng dụng hiệu quả các giải pháp mô phỏng vi cơ học tiên tiến vào công tác thiết kế và kiểm soát chất lượng vật liệu bê tông ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Modelling Properties of Cement Paste from Microstructure: Porosity, Mechanical Properties, Creep and Shrinkage THÈSE NO 5881 (2013) PRÉSENTÉE le 9 AOUT 2013 À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR LABORATOIRE DES MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION PROGRAMME DOCTORAL EN STRUCTURES ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Quang Huy Do acceptée sur proposition du jury: Prof. Geroliminis, président du jury Prof. Bishnoi, directeurs de thèse Dr G. Chanvillard, rapporteur Prof.

Lura, rapporteur Prof. Pichler, rapporteur Suisse 2013 Foreword The doctoral thesis of Dr. Do Quang Huy is an apt culmination of almost two decades of work in microstructural modelling of cements at EPFL. This work holistically tackles the phenomenon of autogeneous shrinkage through microstructural modelling.

In a first such attempt, the author has used the same microstructural model to simulate the microstructural development, elastic properties, creep and autogeneous shrinkage. The task of putting these models together was not simple. The author has successfully handled several problems at each step in an elegant manner. For example, although several earlier studies have pointed out that discrete models are unable to capture the late setting times of cements due to mesh effects, this study offers the most effective solution yet on the problem.

It is also the first time that creep has been modelled on a young evolving microstructure that is subjected to a time- variable load. Furthermore, each of these issues has been treated to a great depth and not just superficially. Despite the thoroughness of the models, the minimal variation of fit parameters required to reproduce experimental results demonstrates the tremendous development in our understanding of the hydration of cement. Throughout the work, it can be consistently seen that the introduction of microstructural effects such as flocculation and diffuse growth of C-S- H improves the quality of results.

It has also been seen that without introducing these effects, it is difficult to obtain the experimentally observed trends. At the same time, the results, especially on pore-structure, show that there are still large parts of hydration and microstructural development that we do not understand. As is often said, a good piece of research throws open many more questions than it answers. As models play an increasingly important role in the construction industry, continued efforts to understand these concepts will contribute much beyond mere satisfaction of academic curiosity.

At the end, I would like to congratulate Dr. Do Quang Huy for his hard work and his stubborn perseverance against the challenges he faced during this work. Delhi, August 2013 Shashank Bishnoi Acknowledgements I would like to thank all the people who helped me over the last four years in the work leading to this dissertation. I would like to acknowledge the Doctoral school at EPFL for accepting me as a PhD student and Swiss National Science Foundation for providing financial support for this research.

I wish firstly to address my great gratitude to Karen, my thesis director, for giving me the opportunity to work at LMC, for her precious advices, stimulating discussions, insightful comments and constructive criticisms, without which this work could not have been successfully carried out. Discussions with Karen not only brought new understandings but also opened new challenges that I needed to face with. She has given me the chance to learn from world leading scientists and approach advanced knowledge. The second person who has made impacts on my work is Shashank.

He was a first person to welcome me to LMC and my thesis co-director. I gratefully acknowledge him for his inspiring guidance, fruitful discussions, invaluable help and support and for his persistent encouragement and for also being my great friend. My research would not be running well without Shashank’s supervision. Looking back to the early stage of my doctoral study, I deeply appreciate how enormously patient Shashank was in teaching me.

I would not have such patience to teach a student with almost zero knowledge in cement science like me at that time. I have learnt a lot from Shashank when I was working with him despite our geographical distance. I would like to thank Amor, my thesis co-director, for his enthusiastic guidance and support and for sharing his expertise and knowledge from which my understandings of poro-mechanics have been enriched. The productive discussions with him equipped me to implement mechanical simulations and earned me wonderful results.

I am grateful to Cyrille for his enthusiastic and continuous support and for carefully reading through every line in my thesis and giving me extremely valuable feedback. I consider him as my thesis adviser and the encyclopaedia of all useful information. I offer my sincere thanks to Matthieu (at Navier, Université Paris Est) who lets me know the philosophy of his experimental data on the creep properties. I enjoyed our short-lasting but very interesting and informative meetings.

iii I would like to thank my thesis jury members, Gilles from Lafarge, Bernhard from TU Wien and Pietro from Empa, for their reviewing and correcting this research, which helped me to considerably improve this dissertation. I thank Sandra, Anna-Sandra, Maude, Marie-Alix, Christine for their administrative support, much more beyond their helping me with various logistic issues related to my conference travels and project meetings. I also thank Isabelle, Martina and Nikolas for helping me to submit this thesis in time. Thanks to Frédéric for his enthusiastic help related to human resource administration.

Thanks to all my LMC colleagues, my friends. Thanks to Ruzena for sharing her FE code and giving me a complete training. Thanks to Hui for letting me steal her hard-earned experimental results. Thanks to the geeks: Alain, Adytia, John for their computer tricks, and Olga, Arnaud, Théo, Trinh, Aude, Simone, Silke, Alexandra, 2 Philippe, Amélie, Cheng, Pawel, Berta, Aslam, Jaskanwal, Mohamad, Cedric, Christophe, Lionel, Elise, 2 Julien, Mathieu, Ruben, Mohammadhadi, Yaobo, Nicola, Mohsen, Patrick, Vanessa and Carolina for offering plenty of help, support and enthusiastic collaboration with cheerful attitude, and for all the good moments spent together outside the lab: Satellite, ski seminar, hiking, barbecues… I am thankful to my former classmates, special friends: Suresh, Raja, Dinesh and Deepak for chat, encouragement, both academic and more practical discussions, and for their kind help with this PhD application.

To my Vietnamese group: Xin cảm ơn anh chị em cộng đồng người Việt Nam, những người bạn tuyệt vời của tôi, vì những giúp đỡ trong cuộc sống, nguồn động viên chia sẻ và sự cảm thông sâu sắc của những người con Việt xa quê hương. To my family: Tình yêu và sự dạy dỗ của bố mẹ đã là cái nôi nuôi dưỡng cho con tri thức, niềm đam mê khoa học. Dù ở xa nhưng bố mẹ luôn là chỗ dựa tinh thần nguồn động lực vô cùng to lớn tiếp con sức mạnh vượt qua những khó khăn trong học tập nghiên cứu cũng như trong cuộc sống mà nhiều lúc tưởng chừng con không thể vượt qua. Em cảm ơn anh chị Quỳnh Thủy, cháu cảm ơn bà ngoại, các cô, bác, chú, thím, gì, cậu, mợ và các anh chị em từ hai bên nội ngoại đã luôn cổ vũ động viên trong suốt thời gian qua.

Und zum Schluss auch besonderen Dank an meine Freundin, Almut, für ihre Liebe, Fürsorge und Geduld in stressigen Zeiten, dass sie mit mir durch alle Hochs und Tiefs geht, immer zu mir steht, egal, was passiert und auch meine beste Freundin ist. iv Abstract Autogeneous shrinkage can be important in high-performance concrete characterized by low water to cement (w/c) ratios. The occurrence of this phenomenon during the first few days of hardening may result in early-age cracking in concrete structures. Although the scientific community has reached a fair level of agreement on the basic mechanisms and standard test methods, the prediction of autogeneous shrinkage is still a very challenging task.

Good prediction of autogeneous shrinkage is necessary to achieve better understanding of the mechanisms and the deployment of effective measures to prevent early-age cracking. The aim of this thesis was to develop a numerical, micromechanical model to predict the evolution of autogeneous shrinkage of hydrating cement paste at early age. The model was based on the three-dimensional hydration model µic of microstructure and the mechanism of capillary tension to simulate macroscopic autogeneous shrinkage. Pore-size distribution and Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) were simulated.

Elastic and creep properties of the digital microstructure were calculated by means of numerical homogenization based on the Finite Element Method (FEM). Autogeneous shrinkage was computed by the average strain resulting from the capillary stress globally applied on the simulated microstructure. It was found that bulk density of C-S-H has to be assumed low at early age and gradually increased at later age to obtain an agreement between the experimentally measured and simulated total porosity. It was found that the experimentally observed break-through diameter from MIP is much lower than the values obtained by applying a numerical algorithm of MIP to the digital microstructure.

The effect of some of the most important input parameters on the pore-sizes in the simulated microstructure was explored. The reason which seems best able to explain this discrepancy is that C-S-H is not in fact a phase with a smooth surface as represented in microstructural models, but a phase which grows as needles into the pore space, leading to the formation of very small water filled capillary pores from early ages. This result indicates it will be extremely challenging to reproduce the pore structure of real microstructures in microstructural models on the scale of hundreds of microns necessary to study macroscopic transport. Consequently, it was necessary to use some experimental inputs in the later simulation of the autogeneous shrinkage.

v The first approach to determining elastic properties for the modelled microstructure gave values at early ages much higher than experimental ones, due to the connections formed in the microstructure as an artefact of the meshing procedure. Furthermore the percolation of the solids was found to occur even before hydration started. A procedure to remove these artefacts, on the basis of the information available in the vector microstructures was developed. Thanks to this improved procedure, a better agreement of the calculated and experimental results was obtained.

More realistic estimates of percolation threshold were obtained if either flocculation of initial placing of particles or a densification of C-S-H with hydration is assumed in the model. The basic creep of a simulated Portland cement microstructure is computed using Finite Elements. A generalized Maxwell model is used to describe the intrinsic C-S-H viscoelasticity as obtained by nano-indentation tests. It is found that if C-S-H is assumed to be homogenous with bulk density ρ = 2.

with a packing density η = 0.7), the numerical creep results of cement paste are in good agreements with experimental values for loading from 24 and 30 hours. However, the simulated creep for age of loading 18 hours appeared lower than the measured values: the input bulk density is much higher than its actual value at that time. In a refined model, C-S-H is assumed to have a creep response depending on η that varies with time. This latter model provides better predictions of early age cement paste ageing creep.

Autogeneous shrinkage was modelled using poro-elasticity and creep-superposition methods. It was found that the creep-superposition method provides a much better estimate of shrinkage than does the poro-elasticity method. The simulated results according to the creep- superposition method clearly show the effect of w/c ratio. This also suggested that the contribution of creep to shrinkage is considerable and should not be neglected.

Considering C-S-H densification in the simulations provides better predictions of autogeneous shrinkage in early age cement paste. Keywords: Autogeneous shrinkage, Modelling, Cement hydration, Cement microstructure, Mechanical properties, FEM, Homogenization methods, Ageing basic creep, Porosity analysis, C-S-H densification, Hydration model µic. vi Résumé Le retrait endogène est important dans les bétons à haute performance caractérisés par un faible rapport eau sur ciment (e/c).