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).
