Nghiên Cứu Ứng Suất Nhiệt Trong Bê Tông Tại Công Trình Bản Mòng Sơn La

LỜI MỞ ĐẦU

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG BÊ TÔNG

1.1. Tổng quan về bê tông. Bê tông khối lớn

1.2. Nhiệt độ cực đại trong bê tông và độ chênh lệch nhiệt độ

1.3. Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn

1.3.1. Xi măng

1.3.2. Cốt liệu

1.3.3. Nước trộn cốt liệu

1.4. Các tính chất của bê tông, sự phát triển nhiệt trong khối đổ bê tông

1.4.1. Độ dẫn nhiệt của bê tông

1.4.2. Nhiệt dung của bê tông

1.4.3. Biến dạng nhiệt

1.4.4. Sự phát triển nhiệt trong khối đổ

1.5. Nguyên nhân và hậu quả của quá trình thay đổi nhiệt

1.6. Tình hình xây dựng đập và nghiên cứu ứng suất nhiệt trong bê tông ở Việt Nam và trên thế giới

1.6.1. Tình hình xây dựng đập và nghiên cứu ứng suất nhiệt trong bê tông ở Việt Nam

1.6.2. Tình hình xây dựng đập và nghiên cứu ứng suất nhiệt trong bê tông ở nước ngoài

1.7. Một số đặc điểm chung của đập bê tông và điều kiện cơ bản để xây dựng đập bê tông

1.7.1. Đặc điểm chung của đập bê tông

1.7.2. Một số điều kiện cơ bản để xây dựng đập bê tông

1.8. PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG BÊ TÔNG

1.8.1. Diễn biến về nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông

1.8.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông khối lớn

1.8.3. Nhiệt thủy hóa của xi măng

1.8.4. Ứng suất nhiệt và nứt do nhiệt trong bê tông

1.8.5. Các phương pháp giải bài toán nhiệt và lựa chọn phương pháp tính toán

1.8.5.1. Phương pháp giải tích (phương pháp phân ly biến số)

1.8.5.2. Phương pháp toán tử

1.8.5.3. Phương pháp gần đúng

1.8.5.4. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt

1.8.6. Nguyên lý khống chế nhiệt độ đập bê tông

1.8.7. Các biện pháp cơ bản về khống chế ứng suất nhiệt trong bê tông

1.8.7.1. Giảm lượng tỏa nhiệt (phát nhiệt) của bê tông

1.8.7.2. Hạ thấp nhiệt độ của khối đổ (làm mát trước)

1.8.7.3. Tăng nhanh tốc độ tỏa nhiệt của bê tông sau khi đổ (làm mát sau)

1.8.7.4. Ảnh hưởng của phân khe, phân khối đối với ứng suất nhiệt độ

1.8.7.5. Ứng dụng tổ hợp biện pháp khống chế nhiệt

1.8.7.5.1. Biện pháp cơ bản

1.8.7.5.2. Khống chế phụ thêm

1.8.7.6. Quản lý quy trình thi công (Lợi dụng lúc nhiệt độ khí trời thấp để đổ bê tông)

1.9. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG CỦA CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC BẢN MÒNG-TỈNH SƠN LA

1.9.1. Giới thiệu tổng quan công trình

1.9.2. Tính toán, kiểm tra ứng suất nhiệt theo điều kiện thiết kế

1.9.3. Tính nhiệt độ giới hạn lớn nhất cho phép theo lý thuyết và so sánh kết quả về mặt nhiệt độ

1.9.4. Nội dung phương pháp PTHH và lựa chọn phần mềm để giải bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt

1.9.5. Đặc tính vật liệu thân và nền đập

1.9.6. Tiến độ thi công

1.9.7. Số liệu khác phân tích nhiệt

1.9.8. Mô hình hóa bài toán

1.9.9. Kết quả tính toán trường nhiệt độ

1.9.10. Kết quả tính toán trường ứng suất

1.9.11. So sánh kết quả tính toán với số liệu quan trắc

1.9.12. Bố trí thiết bị quan trắc trong khối bê tông đập

1.9.13. Quá trình quan trắc và số liệu đo

1.9.14. Phân tích các kết quả tính toán và đề xuất biện pháp cần thiết

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Ứng Suất Nhiệt Bê Tông Bản Mòng Sơn La

Nghiên cứu ứng suất nhiệt bê tông là vấn đề quan trọng trong xây dựng, đặc biệt với các công trình lớn như công trình Bản Mòng Sơn La. Việt Nam với khí hậu nhiệt đới gió mùa, sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các mùa và vùng miền ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng nhiệt bê tông. Việc thiếu chú ý đến yếu tố này trong thiết kế và thi công có thể dẫn đến nứt do nhiệt bê tông, ảnh hưởng đến tuổi thọ và khả năng làm việc của công trình thủy lợi. Quá trình phát sinh ứng suất nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ ban đầu của vật liệu và điều kiện môi trường. Do đó, cần xác định quá trình phát triển ứng suất để có biện pháp xử lý kịp thời. Đề tài nghiên cứu này đóng vai trò thiết thực vào xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mới, áp dụng cho các công trình có tính chất tương tự.

1.1. Bê Tông Khối Lớn và Đặc Điểm Ứng Suất Nhiệt

Theo TCXDVN 305:2004, kết cấu bê tông được coi là khối lớn khi kích thước gây ra ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của bê tông do hiệu ứng nhiệt thủy hóa xi măng. Trong điều kiện nóng ẩm Việt Nam, kết cấu có cạnh nhỏ nhất 1m và chiều cao lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Bê tông khối lớn thường được dùng là bê tông truyền thống (CVC) và bê tông đầm lăn (RCC). Nhiệt độ cực đại và độ chênh lệch nhiệt độ trong bê tông là hai đại lượng quan trọng cần quan tâm. Nứt do nhiệt xảy ra do lớp trong giữ nhiệt độ cao cản trở sự co lại của lớp ngoài đã nguội, gây ứng suất kéo và nứt.

1.2. Vật Liệu Chế Tạo Bê Tông Khối Lớn Chịu Nhiệt

Xi măng ít tỏa nhiệt nên được ưu tiên sử dụng trong bê tông khối lớn để đảm bảo tính ổn định. Theo [5], xi măng ít tỏa nhiệt thích hợp phải có lượng nhiệt phát ra khi xi măng thủy hóa sau 3 ngày không lớn hơn 45-50 cal/g và sau 7 ngày không lớn hơn 50-60 cal/g. Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông thông thường và được quy định theo tiêu chuẩn của nhà nước. Do kích thước kết cấu lớn nên có thể dùng kích thước danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu (Dmax) tới 150mm để giảm hàm lượng chất kết dính trong bê tông, từ đó giảm lượng phát nhiệt.

II. Phân Tích Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Đến Bê Tông Bản Mòng Sơn La

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến độ bền bê tông và tuổi thọ bê tông. Ảnh hưởng nhiệt độ bê tông thể hiện qua độ dẫn nhiệt, nhiệt dung và biến dạng nhiệt. Độ dẫn nhiệt của bê tông phụ thuộc vào cấu trúc và độ đặc, biến đổi trong khoảng 0,75-1,1 KJ/(kg0C). Bê tông giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh, hệ số giãn dài trung bình là 10. Sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn từ 0-500 ít ảnh hưởng đến hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông khô. Biến dạng nhiệt của bê tông gần với biến dạng nhiệt của thép, đảm bảo sự làm việc đồng đều của kết cấu bê tông cốt thép.

2.1. Độ Dẫn Nhiệt và Nhiệt Dung Riêng Của Bê Tông

Độ dẫn nhiệt là khả năng vật liệu truyền nhiệt. Cấu trúc bê tông gồm pha rắn và hệ thống bọt khí hoặc nước. Độ dẫn nhiệt của không khí nhỏ hơn nhiều so với pha rắn, nên độ rỗng không khí càng nhiều thì độ dẫn nhiệt càng nhỏ. Khi lỗ rỗng chứa đầy ẩm, độ dẫn nhiệt tăng. Nhiệt dung của bê tông phụ thuộc vào cấu trúc và độ đặc, biến đổi trong khoảng 0,75- 1,1 KJ/(kg0C). Tăng tỷ lệ N/X hoặc độ ẩm sẽ làm tăng nhiệt dung.

2.2. Biến Dạng Nhiệt và Sự Phát Triển Nhiệt Trong Khối Đổ

Bê tông giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh. Hệ số giãn dài trung bình là 10. Sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn từ 0-500 ít ảnh hưởng đến hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông khô. Biến dạng nhiệt của bê tông gần với biến dạng nhiệt của thép, đảm bảo sự làm việc đồng đều của kết cấu bê tông cốt thép. Dòng nhiệt của kết cấu bê tông phụ thuộc vào quá trình hòa tan và ngưng kết của xi măng. Tổng nhiệt lượng phụ thuộc vào quá trình thủy hóa của từng loại xi măng, dao động trong khoảng 120-130KJ/kg.

2.3. Các Giai Đoạn Phát Triển Nhiệt Độ Trong Bê Tông Khối Lớn

Quá trình thay đổi nhiệt độ của bê tông khối lớn chia làm 3 thời kỳ: tăng nhiệt, giảm nhiệt, ổn định nhiệt độ. Nhiệt độ cao nhất bằng nhiệt độ lúc đổ cộng với nhiệt độ phát nhiệt lớn nhất của xi măng. Thời gian để đạt đến nhiệt độ ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Theo Viện Bê tông Mỹ, tường dày 150mm có thể ổn định sau 1,5 giờ, tường dày 1,5m cần 1 tuần, nếu dày 15m thì phải cần 2 năm.

III. Phương Pháp Phân Tích Ứng Suất Nhiệt Bê Tông Bản Mòng

Phân tích ứng suất nhiệt trong bê tông bao gồm diễn biến nhiệt, các yếu tố ảnh hưởng, và các phương pháp giải bài toán nhiệt. Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt bao gồm nhiệt thủy hóa của xi măng, điều kiện môi trường, và kích thước kết cấu. Các phương pháp giải bài toán nhiệt bao gồm phương pháp giải tích, phương pháp toán tử, và phương pháp gần đúng. Việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.1. Diễn Biến Nhiệt và Ứng Suất Nhiệt Trong Bê Tông

Diễn biến nhiệt trong bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, nhiệt độ ban đầu của vật liệu, và quá trình thủy hóa của xi măng. Ứng suất nhiệt phát sinh do sự co ngót không đều của bê tông khi nhiệt độ thay đổi. Điều này có thể dẫn đến nứt do nhiệt nếu ứng suất vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông.

3.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Diễn Biến Nhiệt Của Bê Tông

Nhiệt thủy hóa của xi măng là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt của bê tông. Nhiệt độ môi trường cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm. Kích thước kết cấu cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ trong bê tông.

3.3. Các Phương Pháp Giải Bài Toán Nhiệt và Lựa Chọn

Có nhiều phương pháp giải bài toán nhiệt, bao gồm phương pháp giải tích, phương pháp toán tử, và phương pháp gần đúng. Phương pháp giải tích thường được sử dụng cho các bài toán đơn giản với điều kiện biên đơn giản. Phương pháp toán tử và phương pháp gần đúng được sử dụng cho các bài toán phức tạp hơn. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của bài toán và yêu cầu về độ chính xác.

IV. Giải Pháp Giảm Ứng Suất Nhiệt Cho Bê Tông Bản Mòng Sơn La

Nguyên lý khống chế nhiệt độ đập bê tông bao gồm giảm lượng tỏa nhiệt của bê tông, hạ thấp nhiệt độ khối đổ, và tăng nhanh tốc độ tỏa nhiệt. Các biện pháp cơ bản bao gồm sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt, làm mát cốt liệu và nước trộn, và sử dụng hệ thống làm mát sau khi đổ. Ảnh hưởng của phân khe và phân khối đối với ứng suất nhiệt cũng cần được xem xét. Ứng dụng tổ hợp các biện pháp khống chế nhiệt là cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình.

4.1. Các Biện Pháp Cơ Bản Về Khống Chế Ứng Suất Nhiệt

Các biện pháp cơ bản bao gồm giảm lượng tỏa nhiệt của bê tông bằng cách sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt và phụ gia khoáng hoạt tính. Hạ thấp nhiệt độ của khối đổ bằng cách làm mát cốt liệu và nước trộn. Tăng nhanh tốc độ tỏa nhiệt của bê tông sau khi đổ bằng cách sử dụng hệ thống làm mát bằng nước hoặc không khí.

4.2. Ảnh Hưởng Của Phân Khe Phân Khối Đối Với Ứng Suất Nhiệt Độ

Phân khe và phân khối giúp giảm ứng suất nhiệt bằng cách chia nhỏ khối bê tông, giảm kích thước và khối lượng của mỗi khối. Điều này giúp giảm sự tích tụ nhiệt và giảm sự co ngót không đều. Tuy nhiên, việc phân khe và phân khối cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định của kết cấu.

4.3. Quản Lý Quy Trình Thi Công và Khống Chế Nhiệt Độ

Quản lý quy trình thi công đóng vai trò quan trọng trong việc khống chế nhiệt độ. Cần lợi dụng lúc nhiệt độ khí trời thấp để đổ bê tông. Đảm bảo quá trình bảo dưỡng bê tông được thực hiện đúng cách để giảm sự co ngót và nứt nẻ. Giám sát chặt chẽ nhiệt độ trong quá trình thi công để có biện pháp xử lý kịp thời.

V. Ứng Dụng Tính Toán Ứng Suất Nhiệt Tại Đập Bản Mòng Sơn La

Việc tính toán và kiểm tra ứng suất nhiệt theo điều kiện thiết kế là rất quan trọng. Cần tính nhiệt độ giới hạn lớn nhất cho phép theo lý thuyết và so sánh kết quả về mặt nhiệt độ. Nội dung phương pháp PTHH và lựa chọn phần mềm để giải bài toán nhiệt và ứng suất nhiệt cần được xem xét. Đặc tính vật liệu thân và nền đập, tiến độ thi công, và số liệu khác phân tích nhiệt cần được thu thập và sử dụng trong quá trình mô hình hóa bài toán.

5.1. Giới Thiệu Tổng Quan Công Trình Đập Bản Mòng

Công trình đập Bản Mòng là một công trình thủy lợi quan trọng tại tỉnh Sơn La. Việc nghiên cứu ứng suất nhiệt trong bê tông của đập là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình. Các thông số kỹ thuật của công trình cần được thu thập và sử dụng trong quá trình tính toán.

5.2. Mô Hình Hóa Bài Toán và Kết Quả Tính Toán Trường Nhiệt Độ

Mô hình hóa bài toán cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo độ tin cậy của kết quả tính toán. Kết quả tính toán trường nhiệt độ cần được phân tích và so sánh với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình.

5.3. Kết Quả Tính Toán Trường Ứng Suất và So Sánh Với Quan Trắc

Kết quả tính toán trường ứng suất cần được phân tích và so sánh với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ an toàn của công trình. Nếu kết quả tính toán và quan trắc có sự khác biệt lớn, cần xem xét lại mô hình và các giả thiết tính toán.

VI. Đề Xuất Biện Pháp Giảm Thiểu Rủi Ro Ứng Suất Nhiệt Bê Tông

Việc bố trí thiết bị quan trắc trong khối bê tông đập là rất quan trọng để theo dõi diễn biến nhiệt độ và ứng suất trong quá trình thi công và vận hành. Quá trình quan trắc và số liệu đo cần được thực hiện một cách cẩn thận và chính xác. Phân tích các kết quả tính toán và đề xuất biện pháp cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình. Các biện pháp có thể bao gồm điều chỉnh quy trình thi công, sử dụng vật liệu khác, hoặc gia cường kết cấu.

6.1. Bố Trí Thiết Bị Quan Trắc và Quá Trình Quan Trắc Thực Tế

Thiết bị quan trắc cần được bố trí ở các vị trí quan trọng trong khối bê tông đập để theo dõi diễn biến nhiệt độ và ứng suất. Quá trình quan trắc cần được thực hiện định kỳ và số liệu đo cần được ghi lại một cách cẩn thận.

6.2. Phân Tích Kết Quả Tính Toán và Đề Xuất Biện Pháp

Kết quả tính toán và số liệu quan trắc cần được phân tích một cách kỹ lưỡng để đánh giá tình trạng của công trình. Nếu phát hiện các vấn đề tiềm ẩn, cần đề xuất các biện pháp xử lý kịp thời để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình.

6.3. Giải Pháp Kỹ Thuật và Tối Ưu Hóa Thiết Kế Bê Tông

Các giải pháp kỹ thuật có thể bao gồm điều chỉnh quy trình thi công, sử dụng vật liệu khác, hoặc gia cường kết cấu. Tối ưu hóa thiết kế bê tông cũng là một giải pháp quan trọng để giảm thiểu rủi ro ứng suất nhiệt. Cần xem xét các yếu tố như cấp phối bê tông, hàm lượng xi măng, và phụ gia để đạt được hiệu quả tốt nhất.

Nghiên Cứu Ứng Suất Nhiệt Trong Bê Tông Tại Công Trình Bản Mòng Tỉnh Sơn La