I. Tổng Quan Về Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Đến Từ Biến Bê Tông
Bê tông là vật liệu xây dựng quan trọng, đặc biệt trong các công trình giao thông. Tuổi thọ và độ bền của công trình chịu ảnh hưởng lớn bởi biến dạng lâu dài, trong đó từ biến bê tông là một yếu tố then chốt. Từ biến là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng không đổi. Nhiệt độ cao làm tăng đáng kể biến dạng từ biến, có thể dẫn đến đứt gãy, giảm ứng suất, hoặc tăng độ võng quá mức, gây nguy cơ mất ổn định kết cấu. Mặc dù đã được nghiên cứu gần 70 năm, hiện tượng này vẫn chưa được giải thích đầy đủ. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào các cấu trúc mới chịu ảnh hưởng lớn hơn, như hầm giao thông, công trình ngầm dưới đáy biển và lò phản ứng hạt nhân. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất đàn hồi-nhớt của bê tông là một chủ đề được quan tâm đặc biệt. Nghiên cứu này đề xuất phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus, dựa trên phương pháp đồng nhất hóa vật liệu với mô hình Mori-Tanaka, để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng từ biến của bê tông. Kết quả tính toán sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm đo từ biến bê tông của Ladaoui.
1.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Từ Biến Bê Tông Xi Măng
Nghiên cứu về từ biến bê tông xi măng là rất cần thiết và quan trọng, đặc biệt khi nó chịu thêm ảnh hưởng của nhiệt độ. Bê tông là vật liệu không đồng nhất, phức tạp, trong đó biến dạng của nó ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tải trọng, thời gian tác dụng tải trọng, nhiệt độ, độ ẩm, cấu trúc vi mô. Bê tông có thể xem như có tính chất của vật liệu đàn nhớt và có thể mô phỏng tính toán để xác định được mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng, mối tương tác giữa các ngoại lực, chuyển vị cũng như sự phụ thuộc của các yếu tố này vào thời gian. Các mô hình cho vật liệu đàn nhớt hiện nay thường được sử dụng là mô hình Maxwell, mô hình Kelvin-Voigt, mô hình Burger… cho phép dự đoán được quy luật ứng xử của vật liệu dưới các tải trọng khác nhau.
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Đến Từ Biến
Mục tiêu của đề tài là phát triển mô hình tính toán mô phỏng các tính chất cơ lý của bê tông (mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, mô đun chịu nén, mô đun chịu cắt) từ tính chất của các hỗn hợp thành phần (tính chất đàn nhớt của hồ xi măng và tính chất đàn hồi của cốt liệu, độ rỗng của bê tông). Thiết lập công thức tính biến dạng từ biến từ mô hình đa tỷ lệ kết hợp với mô hình Maxwell tổng quát. Xây dựng được mô hình mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng từ biến của bê tông bằng phương pháp thời gian tương đương (thời gian quy đổi). Sử dụng các kết quả thí nghiệm trên thế giới để kiểm nghiệm lại mô hình tính toán.
II. Vấn Đề Từ Biến Bê Tông Thách Thức Hậu Quả Nghiêm Trọng
Từ biến bê tông có thể gây ra nhiều hiện tượng mất mát ứng suất, tăng độ võng của kết cấu. Do đánh giá thấp hiện tượng từ biến nên trong nhiều thập kỷ qua có khá nhiều cầu dầm hộp nhịp lớn (hơn 60 trường hợp được ghi lại) đã có độ võng quá lớn và thường là xuất hiện các vết nứt trong các nhịp có chiều dài lớn. Từ biến cũng có thể gây ra ứng suất lớn hơn và nứt trong các cầu dây văng hoặc cầu vòm. Sự không đồng nhất của từ biến gây ra bởi sự khác biệt do tải trọng hoặc độ ẩm và nhiệt độ, độ rỗng, tuổi và loại bê tông trong các phần khác nhau của cấu trúc có thể dẫn đến nứt và phá hủy kết cấu. Tiêu biểu cho hiện tượng này là sự sụp đổ của cây cầu Koror–Babeldaob Bridge, ở Cộng hòa Palau.
2.1. Hậu Quả Của Từ Biến Đến Độ Võng Cầu Bê Tông
Độ võng thiết kế lớn nhất ở giữa nhịp cầu Koror–Babeldaob Bridge là 0.67m phù hợp tiêu chuẩn thiết kế CEB-FIB (1970-1972) và nếu tính theo tiêu chuẩn ACI 1972 thì độ võng tính đến thời điểm hiện nay đạt khoảng 0. Tuy nhiên, sau 18 năm (1995), độ võng lớn nhất đo được là 1.39m! Sau đó, công trình đã được sửa chữa tăng cường, nhưng vài tháng sau, đến 9/1996 thì cầu bị sập hoàn toàn. Nguyên nhân chính của sự cố này là do độ võng quá lớn gây ra do từ biến và co ngót, độ võng khi thiết kế được dự doán do từ biến và co ngót là thấp hơn so với thực tế.
2.2. Ảnh Hưởng Của Từ Biến Đến Công Trình Cao Tầng
Đối với các công trình nhà cao tầng, từ biến cũng gây ra sự rút ngắn các cột trụ. Trong các cấu trúc thanh mảnh, hiện tượng này cũng có thể gây ra sự sụp đổ do mất ổn định thời gian dài. Do đó nghiên cứu về hiện tượng từ biến của bê tông là rất cần thiết và quan trọng, nhất là khi nó chịu thêm ảnh hưởng của nhiệt độ.
III. Phương Pháp Mô Phỏng Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Đến Từ Biến
Để xác định được quy luật ứng xử của vật liệu đàn nhớt tuyến tính không lão hóa, phép biến đổi không gian Laplace-Carson (LC) được sử dụng theo cách cổ điển (theo nguyên tắc tương ứng, Mandel, 1966). Sự biến đổi này cho phép thiết lập được một quan hệ đàn hồi tuyến tính biểu tượng trong miền Laplace từ mối quan hệ đàn hồi nhớt trong không gian thực. Các mô hình tuyến tính đồng nhất sau đó được áp dụng cho vật liệu đàn hồi này trong không gian LC để xác định được tính chất có hiệu của nó. Các tính chất đàn nhớt có hiệu sau đó được tính ngược lại trong không gian thực nhờ phép biến đổi nghịch đảo Laplace-Carson. Dựa trên các lý thuyết cơ bản trên, đề tài này tập trung nghiên cứu vào các điểm chính sau: (1) phát triển mô hình biểu diễn quy luật ứng xử của vật liệu bê tông có tính chất đàn nhớt, từ đó xây dựng mô hình từ biến cho bê tông; (2) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ biến của bê tông; (3) Sử dụng công cụ số Abaqus để mô phỏng từ biến của một kết cấu bê tông giản đơn có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ.
3.1. Xây Dựng Mô Hình Vật Liệu Đàn Nhớt Cho Bê Tông
Phần thứ nhất, vật liệu đàn nhớt ở thang cấp độ vi mô giả sử được cấu tạo theo cấu trúc pha nền-pha cốt/lỗ rỗng và xem như pha nền có tính chất đàn nhớt tuyết tính, có thể được biểu diễn tính chất này bằng mô hình Maxwell tổng quát và các pha cốt liệu thành phần có tính chất đàn hồi, và các pha lỗ rỗng. Sơ đồ cơ học vi mô của Mori-Tanaka, phép biến đổi LC và phép nghịch đảo của nó được sử dụng để đạt được kết quả bài toán trong không gian thời gian về các tính chất vĩ mô của vật liệu.
3.2. Kết Hợp Mô Hình Nhiệt Độ Vào Mô Hình Từ Biến
Sau đó, mô hình đàn nhớt của vật liệu được kết hợp với các mô hình ảnh hưởng của nhiệt độ thong qua sự thay đổi độ nhớt của vật liệu. Điểm khác biệt trong nghiên cứu này là xây dựng được các biểu thức trong mô hình bằng các phép tính giải tích thay cho việc sử dụng phương pháp số như các nghiên cứu khác. Các nghiên cứu được thực hiện với các giả thiết quan trọng như vật liệu được ngậm nước hoàn toàn và vi cấu trúc của nó không còn phát triển theo thời gian nữa (không bị lão hóa).
IV. Phân Tích Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Đến Từ Biến Bê Tông Xi Măng
Trong phần này, chúng tôi đề cập đến vấn đề biến dạng từ biến của vật liệu bê tông thông qua việc phân tích cấu trúc vi mô của vật liệu, và tập trung đi sâu vào hiện tượng từ biến riêng. Bê tông là một vật liệu không đồng nhất, có thể được biểu diễn bằng sơ đồ của một pha nền là hồ xi măng cứng bao bọc các hạt cốt liệu đá và cốt liệu cát có các hình dạng và kích cỡ khác nhau. Cần lưu ý rằng hồ xi măng là nguồn gốc của hầu hết các biến dạng dư (từ biến và co ngót), còn các cốt liệu nhìn chung có ứng xử cơ học độc lập theo thời gian. Do đó, kiến thức chuyên sâu về cấu trúc vi mô cũng như ứng xử cơ học của hồ xi măng là rất cần thiết cho việc nghiên cứu nói chung và hiểu rõ về vấn đề từ biến nói riêng của bê tông.
4.1. Vai Trò Của Hồ Xi Măng Trong Biến Dạng Từ Biến
Cần lưu ý rằng hồ xi măng là nguồn gốc của hầu hết các biến dạng dư (từ biến và co ngót), còn các cốt liệu nhìn chung có ứng xử cơ học độc lập theo thời gian. Do đó, kiến thức chuyên sâu về cấu trúc vi mô cũng như ứng xử cơ học của hồ xi măng là rất cần thiết cho việc nghiên cứu nói chung và hiểu rõ về vấn đề từ biến nói riêng của bê tông.
4.2. Ảnh Hưởng Của Nước Đến Biến Dạng Từ Biến Bê Tông
Nước có mặt trong các vật liệu xi măng ở các dạng khác nhau, tùy thuộc vào bản chất liên kết của nó với các hydrat. Dạng đầu tiên là nước mao dẫn hoặc nước tự do không có phản ứng hóa học gì và nằm trong các lỗ rỗng mao quản. Dạng thứ hai là nước hấp phụ trên bề mặt lỗ rỗng và nhiều nhất là trên các tinh thể C-S-H (có diện tích bề mặt riêng rất lớn). Dạng thứ ba là nước liên kết hóa học, là một phần không thể thiếu của cá...
V. Ứng Dụng Mô Hình Từ Biến Bê Tông Trong Thực Tế
Trong tính toán kết cấu bê tông, các tác động do biến dạng theo thời gian (còn gọi là biến dang dư) gồm có biến dạng từ biến và co ngót, là không thể thiếu. Những biến dạng dư xuất hiện theo thời gian do tác dụng của tải trọng và sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tạo ra sự thay đổi cũng như sự phân bố lại ứng suất và biến dạng trong vật liệu theo thời gian, điều này có thể kéo theo sự nứt vỡ trong kết cấu sau một thời gian dài.
5.1. Tầm Quan Trọng Của Biến Dạng Dư Trong Kết Cấu Bê Tông
Cần nhấn mạnh rằng, biến dạng của bê tông có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vết nứt, nhiệt độ, độ ẩm và sự suy thoái của cấu trúc vi mô dưới tác động của các hiện tượng hóa lý. Trong tính toán kết cấu bê tông, các tác động do biến dạng theo thời gian (còn gọi là biến dang dư) gồm có biến dạng từ biến và co ngót, là không thể thiếu.
5.2. Biến Dạng Dư Ảnh Hưởng Đến Ứng Suất Và Biến Dạng
Những biến dạng dư xuất hiện theo thời gian do tác dụng của tải trọng và sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tạo ra sự thay đổi cũng như sự phân bố lại ứng suất và biến dạng trong vật liệu theo thời gian, điều này có thể kéo theo sự nứt vỡ trong kết cấu sau một thời gian dài.
VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Về Từ Biến Bê Tông
Báo cáo NCKH này gồm có 4 chương, chương mở đầu giới thiệu tổng quan, hai chương có nội dung chính về từ biến của bê tông và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ biến của bê tông và chương cuối cùng là kết luận và kiến nghị.
6.1. Tóm Tắt Nội Dung Nghiên Cứu Về Từ Biến Bê Tông
Nghiên cứu tập trung vào các điểm chính sau: (1) phát triển mô hình biểu diễn quy luật ứng xử của vật liệu bê tông có tính chất đàn nhớt, từ đó xây dựng mô hình từ biến cho bê tông; (2) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ biến của bê tông; (3) Sử dụng công cụ số Abaqus để mô phỏng từ biến của một kết cấu bê tông giản đơn có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ.
6.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Từ Biến Bê Tông Trong Tương Lai
Các nghiên cứu được thực hiện với các giả thiết quan trọng như vật liệu được ngậm nước hoàn toàn và vi cấu trúc của nó không còn phát triển theo thời gian nữa (không bị lão hóa). Nghiên cứu chỉ xét đến vật liệu đã đạt cường độ ở tuổi 28 ngày, các tác động liên quan đến hydrat hóa và từ biến ở tuổi sớm (trước 28 ngày) sẽ không được đề cập, mặc dù tầm quan trọng của chúng đối với ứng xử cơ học theo thời gian đã được biết đến và là chủ đề của nhiều công trình nghiên cứu.
