Luận văn thạc sĩ: Kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn với hệ thống ống làm mát

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng mô phỏng kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn sử dụng hệ thống ống làm mát bằng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Hữu Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Văn Miền
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Kiểm Soát Nhiệt Độ Bê Tông Khối Lớn Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• Nội dung nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Khái niệm về Bê tông khối lớn
• 1.1.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam
• 1.1.2. Theo tiêu chuẩn nước ngoài
• 1.1.2.1. ACI 116R – Hướng dẫn thi công của hiệp hội bê tông Mỹ
• 1.1.2.2. JCI 2016 – hướng dẫn kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn
• 1.2. Các thuộc tính về nhiệt của bê tông tuổi sớm
• 1.2.1. Nhiệt dung riêng
• 1.2.2. Hệ số dẫn nhiệt
• 1.3. Các phương pháp thi công bê tông khối lớn đang sử dụng hiện nay
• 1.3.1. Hạn chế tốc độ phát nhiệt thủy hóa của xi măng trong bê tông
• 1.3.1.1. Hạn chế lượng dùng xi măng
• 1.3.1.2. Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp
• 1.3.1.3. Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông
• 1.3.2. Hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông
• 1.3.2.1. Phân chia khối đổ
• 1.3.2.2. Bọc vật liệu cách nhiệt để giữ nhiệt độ khối đổ (ủ nhiệt)
• 1.3.2.3. Đưa nhiệt độ bên trong khối bê tông ra ngoài
• 1.3.2.4. Chọn thời điểm và thời gian đổ bê tông
• 1.4. Tình hình nghiên cứu
• 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết truyền nhiệt
• 2.1.1. Phương trình vi phân chủ đạo của quá trình truyền nhiệt
• 2.1.2. Điều kiện ban đầu
• 2.1.3. Điều kiện biên
• 2.1.3.1. Điều kiện biên thứ nhất: nhiệt độ bề mặt xác định
• 2.1.3.2. Điều kiện biên thứ hai: thông lượng nhiệt xác định qua bề mặt
• 2.1.3.3. Điều kiện biên thứ ba: đối lưu trên bề mặt
• 2.1.3.4. Điều kiện biên thứ tư: bề mặt tiếp xúc giữa hai khối vật rắn khác nhau
• 2.1.4. Mô hình phát sinh nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng
• 2.1.4.1. Quá trình thủy hóa của xi măng
• 2.1.4.2. Tốc độ sinh nhiệt
• 2.1.4.3. Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt
• 2.2. Khái niệm về CFD
• 2.3. Các định luật bảo toàn chất lỏng
• 2.3.1. Phương trình cơ bản của chất lỏng
• 2.3.2. Định luật bảo toàn khối lượng trong không gian 3 chiều
• 2.3.3. Phương trình động lượng cho không gian 3 chiều
• 2.3.4. Phương trình năng lượng trong 3 chiều
• 2.3.5. Phương trình năng lượng trong miền rắn
• 2.3.6. Phương trình chuyển động
• 2.3.7. Phương pháp trung bình hóa phương trình Navier-Stokes trong nghĩa Reynolds
• 2.4. Mô hình rối
• 2.4.1. Mô hình rối là gì ?
• 2.4.2. Dòng chuyển từ chảy tầng đến chảy rối
• 2.4.3. Dòng chảy ống
• 2.4.4. Đặc điểm dòng chảy rối đơn giản
• 2.4.5. Lớp biên dòng chảy tấm mỏng và dòng chảy ống
• 2.4.6. Lớp định luật Log và vùng rối gần với tường nhẵn
• 2.4.7. Tổng quan về các phương pháp tiếp cận
• 2.4.7.1. DNS: Direct Numerical Simulation
• 2.4.7.2. LES: Large Eddy Simulation
• 2.4.7.3. RANS: Reynolds Averaged Navier Stockes Simulation
• 2.4.8. Mô hình rối 2 phương trình
• 2.4.8.1. Phương trình k - ε
• 2.4.8.1.1. Mô hình Standard k - ε
• 2.4.8.1.2. Mô hình Realizable k - ε
• 2.4.8.2. Phương trình k - ω
• 2.4.8.2.1. Mô hình SST k - ω
• 2.4.9. Thuật toán Simple
• 2.5. Phương pháp thể tích hữu hạn
• 2.5.1. Phương trình vận chuyển chung
• 2.5.2. Rời rạc hóa điều kiện đối lưu
• 2.5.3. Rời rạc hóa điều kiện khuếch tán
• 2.5.4. Rời rạc hóa theo thời gian
• 2.5.5. Tiêu chuẩn hội tụ
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Quy trình chung về ứng dụng CFD
• 3.2. Hình học và điều kiện biên của dự án
• 3.2.1. Giới thiệu dự án
• 3.2.2. Bố trí đường ống giải nhiệt của dự án
• 3.2.3. Lắp đặt và theo dõi nhiệt độ trong dầm chuyển BTCT
• 3.2.4. Tốc độ sinh nhiệt bên trong của bê tông
• 3.2.5. Mô hình tính toán
• 3.2.6. Điều kiện biên
• 3.3. Giới thiệu chung
• 3.4. Một số loại lưới
• 3.5. Một số so sánh để đưa ra mục tiêu chọn lưới
• 3.6. Quy trình lưới
• 3.7. Lưới gần tường Y+
• 3.7.1. Giới thiệu chung
• 3.7.2. Tính toán Y+, First Cell Height và Boudary Layer Thickness
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐO THỰC NGHIỆM
• 4.1. Lưới tính toán
• 4.2. Trường nhiệt độ phân bố trong khối bê tông dầm chuyển
• 4.3. Trường nhiệt độ của nước trong hệ thống ống giải nhiệt
• 4.4. Nhiệt độ tại các điểm khảo sát
• 4.5. Nhận xét và kết luận
• 4.5.1. Nhận xét kết quả và sai số trong mô phỏng và thực tế thi công giải nhiệt khối bê tông dầm chuyển
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÓNG GÓP VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Các đóng góp của luận văn
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Bê tông khối lớn là một trong những vật liệu xây dựng chủ yếu trong các công trình xây dựng hiện đại. Việc mô phỏng bê tông để kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng, đặc biệt trong các cấu kiện lớn như dầm chuyển. Nhiệt độ bê tông có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc, do đó việc kiểm soát nhiệt độ là cần thiết để tránh nứt do ứng suất nhiệt. Luận văn này đề xuất một phương pháp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn, nhằm cung cấp giải pháp tối ưu cho các công trình xây dựng lớn.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển nhanh chóng của đô thị hóa, nhu cầu về các công trình kiến trúc phức tạp ngày càng tăng. Các cấu kiện bê tông khối lớn thường gặp phải vấn đề nứt do nhiệt, đặc biệt là trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Việc sử dụng hệ thống ống làm mát là một giải pháp hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ trong quá trình thi công. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro nứt mà còn tăng cường độ bền cho công trình.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình phát triển nhiệt độ trong bê tông khối lớn. Phần mềm ANSYS được sử dụng để tạo mô hình và thực hiện các tính toán. Nhiệt độ bê tông được theo dõi và phân tích thông qua các thông số đầu vào như cấp phối bê tông, điều kiện môi trường và cấu hình hệ thống ống làm mát. Các kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với số liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

2.1. Mô hình hóa và phân tích nhiệt độ

Mô hình hóa nhiệt độ trong bê tông khối lớn được thực hiện bằng cách áp dụng lý thuyết truyền nhiệt. Các điều kiện biên được thiết lập để mô phỏng sự tương tác giữa bê tông và môi trường xung quanh. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy sự phát triển nhiệt độ theo thời gian và giúp dự đoán các điểm có nguy cơ nứt cao nhất trong cấu kiện.

III. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng hệ thống ống làm mát có thể giảm đáng kể nhiệt độ bê tông trong quá trình thi công. Sự phân bố nhiệt độ trong khối bê tông được ghi nhận là đồng đều hơn so với các phương pháp thi công truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng việc kiểm soát nhiệt độ là rất hiệu quả trong việc ngăn ngừa nứt do ứng suất nhiệt.

3.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực tế

Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm thu thập từ dự án Đà Nẵng Times Square. Sự chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực tế cho thấy độ chính xác cao của mô hình. Những khác biệt nhỏ giữa các giá trị có thể được giải thích bằng các yếu tố như điều kiện môi trường không đồng nhất và sự biến đổi trong quá trình thi công.

IV. Đóng góp và kiến nghị

Luận văn này đóng góp vào việc phát triển các phương pháp kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn, cung cấp một cái nhìn sâu sắc về việc áp dụng công nghệ bê tông trong các công trình xây dựng hiện đại. Các kiến nghị cho nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc mở rộng mô hình để bao quát nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau và thử nghiệm trên các loại bê tông khác nhau để nâng cao độ chính xác.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tế để cải thiện quy trình thi công bê tông khối lớn. Việc áp dụng hệ thống ống làm mát sẽ giúp giảm thiểu rủi ro nứt và tăng cường độ bền cho các cấu kiện bê tông, từ đó nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển công trình nhà cao tầng từ đầu thế kỷ XXI, các giải pháp kiến trúc biểu tượng ngày càng đòi hỏi những cấu kiện kết cấu có quy mô và độ phức tạp cao, đặc biệt là hệ thống dầm chuyển nhịp lớn nhằm thay đổi bước cột giữa các tầng khối đế và tháp. Theo tiêu chuẩn TCXDVN 305:2004, các cấu kiện có kích thước cạnh và chiều cao vượt quá 2,0 m khi thi công với bê tông cường độ cao đều thuộc nhóm bê tông khối lớn, đối mặt trực tiếp với nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt phát sinh từ quá trình thủy hóa xi măng. Khi mức chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối đổ và bề mặt vượt quá ngưỡng 20°C, ứng suất kéo sinh ra sẽ vượt giới hạn kéo của bê tông tuổi sớm, dẫn đến các vết nứt xuyên suốt làm suy giảm nghiêm trọng độ bền lâu của công trình.

Thực tế thi công cấu kiện dầm chuyển tại các vị trí trên cao ở những khu vực ven biển chịu ảnh hưởng khắc nghiệt từ bức xạ mặt trời, gió biển và biến động nhiệt độ ngày đêm từ 25°C đến 38°C. Bên cạnh đó, việc sử dụng cấp phối bê tông cường độ cao C40/50 đòi hỏi lượng xi măng lớn, làm gia tăng tốc độ sinh nhiệt nhanh chóng trong 48 giờ đầu sau khi đổ. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng phương pháp động lực học chất lưu tính toán (CFD) trên nền tảng phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng chính xác trường nhiệt độ và quá trình trao đổi nhiệt đối lưu của hệ thống ống làm mát (cooling pipe) bên trong dầm chuyển.

Nghiên cứu được thực hiện dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế tại dự án Đà Nẵng Times Square, Quận Sơn Trà, Thành phố Đà Nẵng vào tháng 06/2019 và hoàn thiện tính toán vào năm 2022. Giá trị thực tiễn của công trình thể hiện qua việc kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ trong khối dầm luôn duy trì dưới 20°C, giảm thiểu sai số dự báo nhiệt độ mô phỏng so với thực nghiệm xuống mức dưới 10%, giúp các nhà thầu tối ưu hóa thiết kế đường ống giải nhiệt và tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí đúc mẫu thử nghiệm quy mô lớn tại hiện trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt vi phân ba chiều và cơ học chất lưu tính toán. Cơ sở truyền nhiệt trong môi trường vật rắn dựa trên định luật Fourier tổng quát kết hợp phương trình cân bằng năng lượng vi phân ba chiều trong hệ tọa độ Descartes. Phương trình vi phân chủ đạo mô tả sự biến thiên của trường nhiệt độ theo thời gian và không gian dưới tác dụng của nguồn nhiệt nội sinh từ quá trình thủy hóa xi măng. Quá trình phát sinh nhiệt đoạn nhiệt của bê tông được xác định theo mô hình toán học hàm số mũ của Tanabe (1985) đã được Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ (ASCE) công nhận vào năm 1986.

Hệ thống ống làm mát sử dụng môi chất nước tuần hoàn được mô hình hóa bằng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình hóa Reynolds (RANS) cho dòng chảy rối ba chiều không nén được. Mô hình rối hai phương trình SST k-omega và Realizable k-epsilon được áp dụng để mô tả chính xác lớp biên nhiệt và thủy động lực học sát bề mặt thành ống. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: nhiệt dung riêng của bê tông biến thiên giảm từ 5% đến 13% trong quá trình đóng rắn; hệ số dẫn nhiệt của bê tông giảm tới 21% theo tiến trình thủy hóa theo mô hình Schindler; và mức độ thủy hóa chuẩn hóa từ 0 đến 1. Lượng nhiệt tỏa ra của xi măng Poocland thông thường Type I dao động từ 330 đến 370 kJ/kg sau 7 ngày, trong khi xi măng tỏa nhiệt thấp Type IV chỉ sinh nhiệt khoảng 250 kJ/kg theo chuẩn ASTM C150.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ công trình xây dựng tháp đôi Đà Nẵng Times Square. Cỡ mẫu nghiên cứu là một phân đoạn dầm chuyển bê tông cốt thép khối lớn có kích thước mặt cắt ngang 2,5 m x 2,5 m sử dụng cấp phối bê tông C40/50. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu điển hình có chủ đích tại phân đoạn dầm chuyển có mật độ cốt thép dày đặc và vị trí chịu tải trọng tập trung lớn nhất của tòa tháp. Tại đây, hệ thống quan trắc được bố trí gồm 8 vị trí đo đại diện; mỗi vị trí được gắn 3 đầu cảm biến nhiệt loại K tại các cao độ bề mặt trên, tâm giữa và đáy dầm, tạo thành 24 điểm khảo sát nhiệt độ độc lập được kết nối với máy ghi dữ liệu tự động 12 kênh BTM-4208SD.

Phương pháp phân tích số sử dụng kỹ thuật thể tích hữu hạn (FVM) với thuật toán SIMPLE để giải đồng thời bài toán truyền nhiệt liên hợp giữa khối bê tông và chất lỏng trong đường ống. Lý do lựa chọn phương pháp CFD ba chiều trên ANSYS Fluent là vì các công thức giải tích đơn giản hóa hoặc mô hình 1D và 2D truyền thống không thể phản ánh được bản chất phân bố nhiệt bất đối xứng khi có sự hiện diện của mạng lưới ống giải nhiệt phức tạp uốn lượn và sự biến thiên liên tục của nhiệt độ nước dọc theo chiều dài đường ống. Toàn bộ timeline nghiên cứu được tiến hành bài bản: thu thập số liệu hiện trường trong 98 giờ dưỡng hộ đầu tiên, xây dựng hình học và chia lưới chất lượng cao với chỉ số Y+ phù hợp lớp biên, thiết lập điều kiện biên đối lưu môi trường theo dữ liệu khí tượng thực tế và phân tích kết quả trong giai đoạn từ tháng 09/2021 đến tháng 06/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng số và dữ liệu quan trắc thực nghiệm tại công trình dầm chuyển đã chỉ ra bốn phát hiện kỹ thuật mang tính then chốt:

Thứ nhất, quá trình tăng nhiệt của bê tông khối lớn dầm chuyển diễn ra rất nhanh và đạt đỉnh trong giai đoạn từ 36 đến 42 giờ sau khi kết thúc công tác đổ bê tông. Nhiệt độ cực đại tại tâm khối bê tông ghi nhận ở mức 68,5°C trên mô phỏng và 70,2°C trên thực tế đo đạc, sau đó giảm dần với tốc độ trung bình từ 0,3°C đến 0,5°C mỗi giờ cho đến mốc 98 giờ.

Thứ hai, hệ thống ống giải nhiệt bằng nước tuần hoàn phát huy hiệu quả tản nhiệt cưỡng bức vượt trội. Tại các vùng bê tông nằm trong bán kính cách thành ống thép từ 15 cm đến 30 cm, nhiệt độ đo được luôn thấp hơn vùng tâm khối từ 5,2°C đến 7,8°C, tương đương mức giảm nhiệt độ cục bộ khoảng 8% đến 11%.

Thứ ba, sự chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa điểm tâm khối và điểm bề mặt ngoài cùng của dầm chuyển được kiểm soát ở mức dao động từ 14,3°C đến 18,6°C trong suốt 98 giờ theo dõi. Giá trị này hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn 20°C theo quy định của tiêu chuẩn TCXDVN 305:2004 và chỉ dẫn JCI 2016, đảm bảo không xuất hiện vết nứt nhiệt trên bề mặt cấu kiện sau khi tháo dỡ cốp pha.

Thứ tư, mô hình mô phỏng CFD cho thấy độ tương đồng rất cao với dữ liệu thực nghiệm. Sai số tương đối về nhiệt độ giữa mô phỏng và đo đạc thực tế tại 8 vị trí cảm biến chỉ nằm trong khoảng từ 3,1% đến 9,8%, với độ lệch nhiệt độ tuyệt đối trung bình không vượt quá 2,2°C.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ mạnh mẽ trong dầm chuyển là do việc sử dụng bê tông cường độ cao C40/50 với hàm lượng xi măng lớn nhằm đáp ứng yêu cầu chịu lực sớm của tiến độ thi công nhà cao tầng. Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua hệ thống biểu đồ đường biểu diễn lịch sử phát triển nhiệt độ theo thời gian tại 3 lớp mặt - giữa - đáy, kết hợp cùng bảng thống kê so sánh nhiệt độ nước cấp đầu vào và nước hồi đầu ra của hệ thống ống làm mát. Dữ liệu cho thấy nhiệt độ nước làm mát sau khi đi qua khối bê tông đã tăng thêm từ 2,4°C đến 4,1°C, chứng minh lượng nhiệt hydrat hóa được dòng nước hấp thụ và vận chuyển ra môi trường bên ngoài là rất lớn.

Khi so sánh với các nghiên cứu của Piyush Raj Singh (2020) về mô phỏng 3D hệ thống làm mát có sai số dưới 5°C, hay kết quả của Yonghui Huang (2021) với dải sai số từ 3% đến 12%, kết quả của luận văn này đạt độ tin cậy vượt trội nhờ việc thiết lập chính xác các điều kiện biên đối lưu nhiệt với môi trường bên ngoài và đặc tính nhiệt vật lý phi tuyến của vật liệu. Một số sai số nhỏ giữa mô phỏng và thực tế chủ yếu bắt nguồn từ sự dao động không đều của lưu lượng bơm nước tại hiện trường và sự thay đổi đột ngột của tốc độ gió ven biển ngoài dự báo. Những kết quả này khẳng định phương pháp mô phỏng CFD là công cụ tin cậy để dự báo trường nhiệt và kiểm soát rủi ro nứt kết cấu dầm chuyển.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa công tác kiểm soát nhiệt độ bê tông dầm chuyển khối lớn:

Thứ nhất, tối ưu hóa cấp phối bê tông tỏa nhiệt thấp. Đơn vị sản xuất bê tông thương phẩm và nhà thầu chính cần chủ động thay thế từ 20% đến 30% khối lượng xi măng Poocland thông thường bằng phụ gia khoáng hoạt tính như tro bay loại F hoặc xỉ lò cao nghiền mịn. Giải pháp này giúp hạ thấp nhiệt độ đoạn nhiệt cuối cùng của khối bê tông từ 3,5°C đến 5,0°C mà vẫn đảm bảo cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt mác C40/50. Thời gian hoàn thành thử nghiệm cấp phối cần thực hiện trước ngày đổ bê tông tối thiểu 21 ngày.

Thứ hai, chuẩn hóa thiết kế mạng lưới ống giải nhiệt cooling pipe. Các kỹ sư thiết kế biện pháp thi công cần bố trí hệ thống ống thép mạ kẽm có đường kính danh định từ D27 đến D34 mm với khoảng cách tim ống theo phương ngang và phương đứng dao động từ 0,8 m đến 1,0 m. Mạng lưới ống phải được cố định vững chắc vào khung cốt thép chịu lực và hoàn thành lắp đặt, thử áp lực nước ở mức 4 bar trước khi nghiệm thu đổ bê tông 24 giờ.

Thứ ba, vận hành hệ thống bơm tuần hoàn làm mát chủ động. Ban chỉ huy công trường chịu trách nhiệm duy trì liên tục lưu lượng nước chảy trong mỗi nhánh ống ở mức từ 18 đến 25 lít/phút, khống chế nhiệt độ nước cấp đầu vào không vượt quá 28°C. Quá trình bơm nước làm mát phải được kích hoạt ngay sau khi kết thúc đổ bê tông 2 giờ và duy trì vận hành liên tục không gián đoạn trong tối thiểu 96 giờ đầu tiên.

Thứ tư, thực hiện quy trình bảo ôn bề mặt và quan trắc nhiệt độ thông minh. Đội ngũ kỹ sư quản lý chất lượng QA/QC phải tiến hành phủ bạt giữ ẩm kết hợp trải lớp xốp cách nhiệt XPS có độ dày từ 25 mm đến 30 mm trên toàn bộ bề mặt hở của dầm chuyển ngay sau khi xoa mặt. Đồng thời, lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ tự động truyền dữ liệu với tần suất ghi nhận 60 phút một lần nhằm duy trì độ chênh lệch nhiệt độ mặt - tâm luôn dưới 20°C trong suốt chu kỳ 7 ngày dưỡng hộ đầu tiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn trong ngành xây dựng:

Kỹ sư thiết kế kết cấu và chuyên gia lập biện pháp thi công: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết từng bước để thiết lập mô hình mô phỏng CFD 3D trên ANSYS Fluent. Nhờ đó, người thiết kế có thể dễ dàng tính toán chính xác mật độ bố trí đường ống giải nhiệt, đường kính ống và lưu lượng nước làm mát phù hợp cho các cấu kiện dầm chuyển, sàn chuyển hoặc móng bè có chiều dày lớn hơn 2,0 m.

Chỉ huy trưởng công trình và kỹ sư giám sát hiện trường: Luận văn là cẩm nang thực tế hướng dẫn phương pháp bố trí mạng lưới cảm biến nhiệt loại K, cách thức kết nối máy ghi dữ liệu tự động 12 kênh và quy trình xử lý tình huống khẩn cấp khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt tiến sát ngưỡng cảnh báo 20°C.

Các nhà sản xuất và cung ứng bê tông thương phẩm: Doanh nghiệp bê tông có thêm cơ sở khoa học để nghiên cứu phát triển các dòng sản phẩm bê tông ít tỏa nhiệt mác cao C40/50, tính toán tối ưu tỷ lệ hạt và hàm lượng phụ gia khoáng nhằm giảm tốc độ phát sinh nhiệt thủy hóa trong 48 giờ đầu.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp kết hợp lý thuyết truyền nhiệt phi tuyến, cơ học thủy khí tính toán RANS và dữ liệu quan trắc thực tế, mở rộng hướng nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số trong công nghệ xây dựng hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu kiện dầm chuyển nhà cao tầng lại có nguy cơ nứt nhiệt cao hơn kết cấu móng khối lớn? Dầm chuyển nằm ở trên cao nên chịu tác động trực tiếp từ gió mạnh và bức xạ mặt trời, làm tăng tốc độ mất nhiệt ở bề mặt ngoài. Đồng thời, yêu cầu chịu lực phức tạp buộc dầm chuyển phải dùng bê tông mác cao C40/50 tỏa nhiệt lớn, khiến độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và mặt dễ vượt ngưỡng 20°C gây nứt.

Hệ thống ống làm mát cooling pipe giúp giảm bao nhiêu độ C cho khối bê tông dầm chuyển? Dữ liệu quan trắc thực tế tại dự án Đà Nẵng Times Square cho thấy hệ thống ống làm mát giúp giảm nhiệt độ đỉnh tại tâm khối từ 5°C đến 8°C và duy trì độ chênh lệch nhiệt độ tổng thể luôn ở mức an toàn từ 14°C đến 18°C trong 96 giờ dưỡng hộ.

Tiêu chuẩn hiện hành nào quy định ngưỡng kiểm soát nhiệt độ đối với bê tông khối lớn tại Việt Nam? Tiêu chuẩn TCXDVN 305:2004 và tiêu chuẩn quốc tế JCI 2016 quy định cấu kiện có kích thước cạnh vượt quá 2,0 m phải kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối đổ và bề mặt ngoài không được vượt quá 20°C để phòng ngừa nứt do ứng suất nhiệt.

Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn CFD bằng ANSYS Fluent có độ chính xác như thế nào so với thực tế? Mô hình mô phỏng CFD ba chiều đạt độ tin cậy rất cao, với sai số tương đối so với dữ liệu đo thực tế tại 8 cụm cảm biến chỉ dao động từ 3,1% đến 9,8%, độ lệch nhiệt độ tuyệt đối trung bình chỉ từ 1°C đến 2,2°C.

Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay có làm chậm tiến độ thi công dầm chuyển không? Việc thay thế từ 20% đến 30% tro bay loại F giúp giảm từ 3°C đến 5°C nhiệt độ thủy hóa mà vẫn đảm bảo cường độ bê tông đạt yêu cầu thiết kế C40/50 ở ngày thứ 28, đáp ứng hoàn toàn tiến độ tháo dỡ cốp pha chịu lực theo quy định.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số 3D liên hợp nhiệt - thủy động lực học (CFD) bằng phần mềm ANSYS Fluent để phân tích sự phân bố nhiệt độ trong dầm chuyển bê tông khối lớn. • Kết quả kiểm chứng với dữ liệu thực tế tại dự án Đà Nẵng Times Square khẳng định độ tin cậy cao của mô hình với sai số dao động chỉ từ 3,1% đến 9,8%. • Nghiên cứu chứng minh hệ thống ống làm mát cooling pipe giúp hạ nhiệt độ tâm khối hiệu quả, giữ mức chênh lệch nhiệt độ bề mặt luôn dưới 20°C, triệt tiêu nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt. • Cung cấp bộ thông số đầu vào chuẩn xác về nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt và tốc độ sinh nhiệt đoạn nhiệt của bê tông mác C40/50 phục vụ công tác thiết kế biện pháp thi công. • Đề xuất quy trình đồng bộ từ tối ưu hóa cấp phối, lắp đặt ống làm mát đến bảo ôn bề mặt giúp tiết kiệm chi phí đúc mẫu thử nghiệm thực địa và nâng cao tuổi thọ công trình.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu cần mở rộng mô phỏng cho các dạng kết cấu sàn chuyển phức hợp nhiều tầng và tích hợp thuật toán điều khiển lưu lượng nước làm mát thông minh theo thời gian thực. Các đơn vị tư vấn và nhà thầu xây dựng nên ứng dụng ngay giải pháp mô phỏng CFD vào quy trình quản lý chất lượng nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình nhà cao tầng hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Khái niệm về Bê tông khối lớn 1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 305:2004 [1] Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép được coi là khối lớn khi có kích thước đủ để gây ra ứng suất kéo, phát sinh do hiệu ứng nhiệt hydrat hoá của xi măng, vượt quá giới hạn kéo của bê tông, làm nứt bê tông, và do đó cần phải có biện pháp để phòng ngừa vết nứt.

Hình 1-1: Mô tả nhiệt phát sinh trong mô hình bê tông khối lớn Hình 1-2: Hình minh họa nứt bê tông khối lớn khi nhiệt độ chênh lệch > 20oC [48] 4 Tổng quan đề tài 5 Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ nhất (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Khi kết cấu có kích thước vượt quá giới hạn trên thì cần phải có giải pháp phòng ngừa nứt bê tông ngay từ trong khâu thiết kế và chuẩn bị thi công. Cụ thể là: - Khi a và h đến 1m: Không cần cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông. - Khi a và h đến 2m: Nên có cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông.

- Khi a và h trên 2m: Cần có thiết kế cốt thép chống nứt và biện pháp phòng ngừa vết nứt trong thi công. Theo tiêu chuẩn nước ngoài 1. ACI 116R – Hướng dẫn thi công của hiệp hội bê tông Mỹ Bê tông khối lớn là "bất kỳ khối bê tông với kích thước đủ lớn đòi hỏi các biện pháp cần được thực hiện để chống lại các tác động nhiệt hydrat hóa của xi măng và sự thay đổi thể tích nhằm giảm thiểu nứt " [2]. JCI 2016 – hướng dẫn kiểm soát nứt trong bê tông khối lớn Các kết cấu bê tông khối lớn có thể được định nghĩa như các bức tường bê tông cốt thép có độ dày lớn hơn 50 cm được ngàm ở chân tường hoặc các panen bề mặt rộng có độ dày lớn hơn 80 cm [3].

Các kết cấu bê tông cốt thép như sau được gọi là bê tông khối lớn: - Tường: bề dày ≥ 500 mm - Móng: chiều cao móng ≥ 800 mm 1. Các thuộc tính về nhiệt của bê tông tuổi sớm 1. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng của một chất lên 1 đơn vị nhiệt độ. Các nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị nhiệt dung riêng của bê tông giảm theo tiến trình thủy hóa của xi măng (De Schutter và Taewe [4]; Van Bruegel [5]).

Thí nghiệm được tiến hành bởi De Schutter và Tearwe [4] cho thấy nhiệt dung riêng giảm khi mức độ thủy hóa tăng lên, và quan hệ giữa chúng là mối quan hệ tuyến tính. Sự giảm nhiệt dung riêng của bê 5 Tổng quan đề tài 6 tông theo tiến trình thủy hóa nằm trong phạm vi từ 5% - 13%, được coi là không ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử nhiệt của bê tông. Thông thường trong tính toán về nhiệt thì người ta chỉ sử dụng giá trị nhiệt dung riêng của bê tông đã đóng rắn. Bentz [6] đã tiến hành thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của các mẫu hồ xi măng có tỷ lệ N/X lần lượt 0.4 dưới điều kiện mẫu bọc kín và mẫu bão hòa hơi nước.

Các mẫu thí nghiệm trong điều kiện bọc kín có giá trị nhiệt dung riêng giảm nhanh sau đó giữ nguyên theo mức độ thủy hóa của xi măng. Các mẫu thí nghiệm trong điều kiện bão hòa hơi nước cũng có giá trị nhiệt dung riêng ban đầu giảm, sau đó lại tăng lên. Sự tăng lên này được cho là bị ảnh hưởng bởi sức hút nước tự do trong quá trình duy trì điều kiện bão hơi nước của mẫu thí nghiệm. Nhiệt dung riêng của bê tông có thể được xác định theo luật hỗn hợp, trong đó nhiệt dung riêng của hỗn hợp là tổng trọng số khối lượng của các nhiệt dung riêng của các thành phần cấu thành như sau: M  C p(beâ toâng) = M1  C p(hoà xi maêng) + M2  C p(coát lieäu lôùn) + M3  C p(coát lieäu nhoû) (2.1) trong đó: - M – khối lượng tổng cộng của hỗn hợp, (kg); - M1, M2, M3 – khối lượng của hồ xi măng, cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ, (kg); - Cp – nhiệt dung riêng (của từng thành phần), (J/kg – K); 1.

Độ khuếch tán nhiệt Độ khuếch tán nhiệt của một chất phản ảnh sự dễ dàng thay đổi nhiệt độ của chất đó. Nếu bê tông khối lớn có độ khuếch tán nhiệt thấp thì sẽ tốt hơn bởi vì nó giúp bảo vệ chống lại sự biến động nhiệt độ lớn và đảm bảo sự truyền nhiệt từ từ ra môi trường xung quanh. Mối quan hệ giữa độ khuếch tán nhiệt với các tham số nhiệt khác được thể hiện bởi công thức sau: ( h = k Cp   ) (2.2) Trong đó: 6 Tổng quan đề tài 7 - H – độ khuếch tán nhiệt, (m2/s) - K – hệ số dẫn nhiệt (W/m – K) - Cp – nhiệt dung riêng, (J/kg – K) -  – khối lượng riêng, (kg/m3) 1. Hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (k) là một thuộc tính ảnh hưởng lớn đến sự truyền nhiệt trong bê tông khối lớn.

Nó được định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng nhiệt và gardient nhiệt. Một số nghiên cứu cho rằng hệ số dẫn nhiệt là hàm của nhiệt độ và độ ẩm. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hệ số dẫn nhiệt giảm khi mức độ thủy hóa tăng lên. Nghiên cứu của De Schutter và Tarawe [4] cho thấy bê tông sau khi đóng rắn có hệ số dẫn nhiệt giảm đến 21%.

Hệ số dẫn nhiệt được coi là hàm của mức độ thủy hóa của xi măng theo quan hệ sau đây của Schindler [7]: k ( ) = ku (1,33 − 0,33   ) (2.3) Trong đó: -  – mức độ thủy hóa; - k ( ) – hệ số dẫn nhiệt tại mức độ thủy hóa  , (W/m-k); - ku – hệ số dẫn nhiệt cuối cùng của bê tông, (W/m-k); 1. Mức độ thủy hóa Mức độ thủy hóa được định nghĩa là tỷ lệ giữa tổng nhiệt lượng tỏa ra tính đến thời điểm t nào đó với tổng nhiệt lượng tỏa ra ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa theo công thức dưới đây [4].4) Hu trong đó:  ( t ) – mức độ thủy hóa tại thời điểm t; H ( t ) – tổng nhiệt lượng tỏa ra tính đến thời điểm t, (J); 7 Tổng quan đề tài 8 Hu – tổng nhiệt lượng tỏa ra ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa. Như vậy, từ định nghĩa trên có thể nhận thấy được mức độ thủy hóa của xi măng nằm trong giá trị từ 0 (chưa xảy ra thủy hóa) đến 1 (thủy hóa hoàn toàn). Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mức độ thủy hóa tại một thời điểm nào đó cũng ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa ở thời điểm đó, cụ thể là ảnh hưởng đến tốc độ phát sinh nhiệt tại thời điểm đó.

Mức độ thủy hóa theo thời gian có thể được tính theo mô hình toán học như sau Schindler [7]:       ( t ) =  u exp  −  s   (2.5)   t     trong đó:  ( t ) – mức độ thủy hóa tại thời điểm t; t – thời gian từ khi bắt đầu thủy hóa, (giờ);  u – mức độ thủy hóa ở thời điểm cuối cùng của quá trình thủy hóa;  s – tham số thời gian;  – tham số độ dốc; Các tham số thời gian và tham số độ dốc được xác định thông qua các thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa của xi măng. Các phương pháp thi công bê tông khối lớn đang sử dụng hiện nay Đối với bê tông khối lớn, kiểm soát nhiệt là vấn đề quan trọng. Có 2 nhóm phương pháp chính để kiểm soát nhiệt trong bê tông khối lớn: Hạn chế tốc độ phát triển nhiệt hydrat hóa của xi măng trong bê tông và hạn chế chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông. 8 Tổng quan đề tài 9 1.

Hạn chế tốc độ phát nhiệt thủy hóa của xi măng trong bê tông 1. Hạn chế lượng dùng xi măng Tối ưu hóa cấp phối bê tông để giảm lượng dùng xi măng, trong đó điều chỉnh các yếu tố: - Giữ độ sụt càng thấp càng tốt - Chọn lượng cát phù hợp - Quy định cường độ yêu cầu phù hợp - Quy định tỷ lệ N/X tối ưu - Thiết kế cấp phối theo lý thuyết tỉ trọng tối đa Sử dụng phụ gia: - Phụ gia hóa học có hiệu quả trong việc làm giảm hàm lượng xi măng, do đó giảm sự tăng nhiệt độ. - Tro bay làm giảm nhiệt cũng như tốc độ hydrat hóa, xỉ lò cao có hiệu quả giảm sự tăng tốc độ nhiệt hydrat hóa. Cứ mỗi lượng tăng 10 kg xi măng PC/m3 sẽ làm tăng nhiệt độ đoạn nhiệt cuối lên 1oC Error! Reference source not found.

Trong trường hợp dùng xỉ lò cao và tro bay làm phụ gia khoáng, hiệu quả giảm nhiệt độ bằng cách thay thế 10 kg xi măng PC/m3 bằng các loại phụ gia này là 0oC – 0,5oC. Hình 1-3: Một số loại phụ gia khoáng từ trái qua phải tro bay (C), metakaolin, silicafume, fly ash (F), xỉ, calcined shale [47] 9 Tổng quan đề tài 10 1. Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp: Dùng xi măng tỏa nhiệt thấp để giảm nhiệt hydrat hóa trong bê tông khối lớn. Theo tiêu chuẩn ASTM C150 [8], có phân loại xi măng tỏa nhiệt thấp: - Type II: Loại tỏa nhiệt trung bình (medium heat) có nhiệt hydrat hóa là 290 kJ/kg (70 cal/g) trong 7 ngày.

- Type IV: Loại ít tỏa nhiệt (low heat) có nhiệt hydrat hóa là 250 kJ/kg (60 cal/g) trong 7 ngày. Với xi măng Poocland thông thường – Type I: có nhiệt hydrat hóa là 330 - 370 kJ/kg (80-90 cal/g) trong 7 ngày. Hình 1-4: Nhiệt lượng tỏa ra tương ứng với từng loại xi măng [8] Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE 2007 [9] cũng chỉ dẫn loại xi măng dùng phổ biến cho bê tông khối lớn là loại xi măng tỏa nhiệt trung bình, xi măng tỏa nhiệt thấp và xi măng hỗn hợp loại B (là loại xi măng đảm bảo được các yêu cầu về nhiệt độ). Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông Hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp bê tông có ý nghĩa kiểm soát tốc độ phát sinh nhiệt hydrat hóa của xi măng trong bê tông; nhiệt độ bê tông, nhiệt độ môi trường càng cao sẽ thúc đẩy quá trình hyrat hóa và phát sinh nhiệt.

- Không sử dụng xi măng còn nóng trong các nhà máy (không dùng xi lô xi măng mới bơm).