Chương 1: Giới thiệu về đề tài e Chương 2: Trình bày tổng quan về mô hình nhiệt hydrat hóa, phương pháp kiểm soát nứt do nhiệt hydrat hóa, phương pháp giải bài toán cơ nhiệt bằng phương pháp số. Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt hydrat hóa và mô hình nhiệt hydrat hóa, sự hình thành vết nứt trong bê tông. Lý thuyết về truyền nhiệt và cơ học để giải bài toán cơ nhiệt bằng phương pháp phan tử hữu hạn (PP PTHH). e Chương 4: Trinh bày các thí nghiệm và kết quả thí nghiệm can thiết dé thiết lập thông số đầu vào của bài toán mô phỏng quá trình cơ nhiệt.
e Chương 5: Trình bày trình tự thực hiện mô phỏng bài toán co-nhiét bằng phần mềm Ansys. Khảo sát sảnh hưởng của các yếu tố như thành phần vật liệu, kích thước, và phương pháp thi công đến ứng suất nhiệt và nguy cơ gấy nứt. e Chương 6: Trình bảy các ứng dụng kết quả thí nghiệm và mô phỏng trên két cau cụ thê như móng bè, khôi san lớn. e Chương 7: Các kết luận có được từ kết quả nghiên cứu và các hướng phát triển đề tài nghiên cứu.
CHUONG 2 TONG QUAN 2. Giới thiệu Các phương pháp tiếp cận và giải quyết vẫn đề nhiệt hydrat hóa trong bê tông rất đa đạng từ thực nghiệm, đến mô phỏng băng phương pháp số. Các hướng chính đang được tập trung nghiên cứu gồm có: 1) Sự tỏa nhiệt của xi măng dựa trên các thanh phần khoáng, từ đó thiết lập các mô hình mô ta quá trình phát nhiệt trong xi măng va bê tông. 11) Mô phỏng tính toán ứng suất nhiệt trong các kết cấu bê tông.
iii) Anh hưởng của nhiệt hydrat và các tác động có hại đến chất lượng công trình từ đó tìm các biện pháp ngăn ngừa. Trong chương này sẽ trình bày các nghiên cứu liên quan đến vấn đề toả nhiệt của bê tông và mô phỏng bài toán kết hợp Cơ — Nhiệt. Ánh hướng của nhiệt hydrat hóa đến đến tính chất của bê tông Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hydrat hóa xi măng là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ khối bê tông trong khoảng thời gian đầu dân đến các tính chất khác của của bê tông cũng bị ảnh hưởng theo.ASCE [1] thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự co ngót trong bê tông đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng cao làm cho tốc độ bay hơi tăng lên dẫn đến tốc độ mất nước trong bê tông tăng lên khiến cho sự có ngót khô của bê tông cũng tăng theo. Nhiệt lượng trong quá trình hydrat hóa sẽ có thể dẫn đến các vết nứt do nhiệt, các vết nứt này sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng của công trình.
Quy trình Nhật Bản [2] đã chỉ ra các ảnh hưởng của chúng lên tính chất của công trình như sau: e Tính thấm mỹ: các vết nứt không chi làm giảm tính thâm mỹ của công trình mà còn gây cảm giác mat an toàn cho người sử dụng. e Tinh an toàn: Các vết nứt trong bê tông sẽ tạo điều kiện cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập nhanh hon, dam đến sự xuống cấp vào hư hỏng công trình nhanh hơn dự tính làm giảm tính an toàn trong trong công trình. e Khả năng sử dụng: đối với các công trình đòi hỏi độ kín nuoc cao như: bể chứa các chất lỏng hoặc khí va các công trình tiếp xúc với nước nhiều như đập.Các vết nứt do nhiệt sử làm rò rỉ nước làm giam chat lượng sử dung của công trình. Hon nữa đối với các cấu kiện bê tông nói chung thì các vết nứt do nhiệt sẽ làm giảm độ cứng của kết cau và là tăng độ biến dạng cũng như dao động của công trình.
e Tuổi thd công trình: Các vết nứt trong bê tông sẽ dan các tác nhân ăn mòn như O;, CO;, nước, ion Clo, Sunfua,. xâm nhập sâu vào bên trong kết cau dan làm cho tốc độ ăn mòn nhanh hơn làm cho công trình nhanh xuống cấp, tudi thọ công trình giảm đáng kê. Trên thực tế tác hại của các vết nứt do nhiệt đã xuất hiện ở nhiều công trình, ta có thé thay qua Hình 2.1 thé hiện bề rộng vết nứt do nhiệt trên bề mặt cầu James River ở Mỹ.2 cho thấy nước đã thấm qua vết nứt do nhiệt trên đập St. Fracis mà theo Donald C.
và Hundley [3] đã kết luận rang đây là nguyên nhân chính gây vỡ đập. Sự toa toa nhiệt của xi mang Nhiệt lượng do phan ứng thuỷ hoá của xi măng có thé được xác định theo hai cách tiếp cận khác nhau: Từ phân tích thành phần khoáng của xi măng hoặc từ thí nghiệm đo nhiệt trực tiếp trên khối bê tông/xi măng. Theo hướng tiếp cận từ thứ nhất thì Midess và Young [5] đã chỉ ra rằng, ở giai đoạn đầu (thời gian đóng rắn và phát triển cường độ) thì tốc độ phát nhiệt của thành phần khoáng C,A là lớn nhất. Các khoáng còn lại lần lượt theo thứ tự gồm C38, C4AF, C;S.3 cho thay sự phat nhiệt của các khoáng C.
dhyo6rat 0 2 40 80 80 100 thoi gian (ngay) Hình 2. Tốc độ hydrat hóa của các thành phan khoáng trong xi mang [5] Theo phân loại dựa trên các thành phần khoáng và tính chất của xi măng, ACI 207.R1-05 [6| đã xác định xi mang loại III (Type III) có mức độ tỏa nhiệt cao nhất, tiếp theo là các loại I, loại II và loại IV.4 cho thấy mức độ tỏa nhiệt của xi măng được phân loại theo ASTM C105. LOO 30 đnFhiôệt a@+¬y°soS !| | +v~—=e wu ° } 2I Hình 2. Nhiệt độ của các loại xi măng trong môi trường đoạn nhiệt Theo hướng tiếp cận bằng thực nghiệm đo nhiệt trực tiếp, Escalante-Garcia đã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng [7].
kết quả cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đáng kế đến tốc độ hydrat hóa của xi măng. Trong môi trường nhiệt độ cao sẽ làm tăng tốc độ hydrat ở giai đoạn đầu nhưng giai đoạn sau tốc độ lại giảm.5 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng. i an L2 c mx£ăin ao Wnslhưir/ợaệkgt sẽ Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hydrat hóa của xi măng 10 Zhi Ge [8] đã khảo sát ảnh hưởng của lượng tro bay thay thế đến sự tỏa nhiệt của xi măng, lượng tro bay sử dụng có tỷ lệ từ 10% đến 40%, kết quả cho thay hàm lượng tro bay có ảnh hưởng khá lớn đến tốc độ tỏa nhiệt của xi măng.
tmnpđWhối/êáộcg) l2 thời gian (giờ) Hình 2. Anh hưởng của lượng tro bay thay thé cho xi măng đến lốc độ sinh nhiệt cua xi MĂNG. 500 T T Tr T T T TT T T mes mow17 w/e —. oP 300 F 30 7 Ta x ~ 200 i lou 2 @ ‘ct 100 - 7 Cc 0 Po oe | ñ eer ôn] +1 L3 h 10 100 1000 thời gian (giờ) Hình 2.
Anh hưởng của lượng N/X đến tốc độ sinh nhiệt của xi măng.6 cho thay với hàm lượng tro bay tăng thì tốc độ toa nhiệt giảm dan trong giai đoạn đầu (từ 0 đến 6h), tuy nhiên trong khoảng thời gian từ 12 đến 18 giờ thì tốc độ toả nhiệt tăng trở lại. Mindess [9] nghiên cứu về ảnh hưởng của tỉ lệ N/X đến tốc độ phát nhiệt của xi măng, kết quả ở Hình 2.7 cho thấy ở thời gian đầu từ 0-12 giờ tốc độ phát nhiệt gần như không có sự khác biệt. Tuy nhiên sau 12h thì các mẫu có tỉ lệ N/X lớn cho tốc độ phát nhiệt lớn. Điều này cho thấy nhiệt lượng hydrat hóa của xi măng chịu ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ Nước / xi măng (N/X).
Mô hình nhiệt hydrat hóa. Dựa trên các kết quả thực nghiệm và lý thuyết, quá trình phát nhiệt của bê tông theo thời gian được biểu diễn bởi một phương trình, được gọi là mô hình nhiệt hydrat hóa (Hydration Model). Nó được dùng làm cơ sở cho quá trình cho các tính toán thiết kế công trình và mô phỏng bài toán truyền nhiệt trong khối bê tông. Maekawa [10] đưa ra mô hình mô tả quá trình phát nhiệt của xi măng có kế đến các yếu tô ảnh hưởng như nhiệt độ ban dau, phụ gia, thành phân khoáng, nông độ canxi hydroxit của xi măng như sau: H,=y.2) Trong đó: H là tốc độ phát nhiệt tại thời điểm t, FE.
la nănglượng hoạt động của thành phan i, R là lượng không khí trong bê tong, 1¡là tốc độ phát nhiệt tham chiếu của thành phan I ở nhiệt độ 7, và không đổi theo thời gian, Q., 7 là hệ số ảnh hưởng của các thành phần khoáng và phụ gia đến tốc độ tỏa nhiệt, uw, là ảnh hưởng của nông độ canxi hydroxit, Ø, là hệ số ảnh hưởng của 12 lượng nước đến tốc độ tỏa nhiệt. Mô hình Kishi- Maekawa có ưu điểm xét được một cách tổng quát ảnh hưởng của các yếu tổ chính đến tốc độ phát nhiệt của xi măng. Tuy nhiên mô hình này rất khó áp dụng trong thực hành thiết kế bởi một số thông số không thể xác định một cách tường minh. Schindler [11] đề nghị một mô hình phát nhiệt, theo đó tốc độ phát nhiệt O, (1) chịu ảnh hưởng của các yếu tố như như mức độ hydrat hóa, lượng xi măng trong bê tông.
Quá trình phát nhiệt được thé hiện ở phương trình (2.3) Trong đó: H, là nhiệt lượng tổng của xi măng, a(t,) là mức do hydrat hóa tại độ tuổi ¢,, ø là chỉ số biến đổi của quá trình hydrat hóa, t là thông số hydrat hóa theo biến đổi theo thời gian, C, là lượng xi măng trong bê tông. Bên cạnh các mô hình nhiệt được đề nghị bởi các tác giả khác nhau, một số quốc gia đã đưa vảo tiêu chuẩn mô hình nhiệt dựa trên các kết quả tổng hợp từ nhiều nghiên cứu khác nhau. CEB -FIP MODEL CODE 2010 (MC 2010) [12] đề nghị mô hình với nguồn nhiệt do một đơn vị thé tích sinh ra trong một đơn vị thời gian được tính như sau: 1 =—pCKgøe “1 g=54P 2.4) Trong do: K—Nhiét độ lớn nhất có thé dat tới °C) œ - hệ số tốc độ phản ứng t— thời gian (ngày) Quy trình Nhật Ban [2] đề nghị nguồn nhiệt do một don vi thé tích sinh ra trong một đơn vi thời gian được như ở phương trình (2.5) : Q(t)=Q,[I-exp (—ru (t =tọo l (2.5) 13 Trong đó: Q, - Nhiệt độ lớn nhất có thé đạt tới CC) Q(t) - Nhiệt độ ở ngày t CC) t— thời gian (ngày) Tat, Sat — hề số đặc trưng cho tốc độ tăng nhiỆt. Ưu điểm của các mô hình nguồn phát nhiệt theo tiêu chuẩn là khá đơn giản và dễ áp dụng trong thực hành tính toán.