Nghiên Cứu Ứng Xử Nhiệt và Giải Pháp Kiểm Soát Nứt Trong Bê Tông Cường Độ Cao Tuổi Sớm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu ứng xử nhiệt và một số giải pháp kiểm soát nhiệt hạn chế vết nứt trong bê tông cường độ, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Hoàng Thị Tuyết
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Anh Tú
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Nhiệt và Giải Pháp Kiểm Soát Nứt Trong Bê Tông Cường Độ Cao Tuổi Sớm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG TUỔI SỚM KẾT CẤU CẦU VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ KIỂM SOÁT NHIỆT VÀ HẠN CHẾ VẾT NỨT
• 1.1. Quá trình thủy hóa của xi măng Pooc lăng
• 1.1.1. Các phản ứng của quá trình thủy hóa
• 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng nhiệt thủy hóa và sự phát triển nhiệt thủy hóa
• 1.2. Các đặc tính của bê tông ở tuổi sớm
• 1.2.1. Các tính chất nhiệt của bê tông
• 1.2.2. Các tính chất cơ học của bê tông
• 1.3. Hiệu ứng nhiệt của bê tông ở tuổi sớm
• 1.3.1. Sự phát triển nhiệt/truyền nhiệt trong bê tông
• 1.3.2. Ứng suất nhiệt trong bê tông
• 1.3.3. Sự hình thành Ettringite muộn (DEF)
• 1.3.4. Sự phát triển cường độ
• 1.4. Các giải pháp vật liệu để kiểm soát nhiệt độ và hạn chế nứt nhiệt tuổi sớm
• 1.4.1. Tỷ lệ nước/xi măng
• 1.4.2. Phụ gia khoáng
• 1.5. Các giải pháp kết cấu và biện pháp thi công để kiểm soát nhiệt độ và hạn chế nứt nhiệt tuổi sớm
• 1.6. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử nhiệt của bê tông ở tuổi sớm
• 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG TUỔI SỚM
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về dẫn nhiệt
• 2.2. Truyền nhiệt qua đối lưu
• 2.3. Tốc độ sinh nhiệt
• 2.4. Hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt
• 2.5. Phương pháp sai phân hữu hạn tính toán phân bố nhiệt độ trong bê tông ở tuổi sớm
• 2.6. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng mô hình tính toán ứng suất nhiệt
• 2.7. Ứng xử đàn nhớt của bê tông tuổi sớm dưới tải trọng nhiệt
• 2.8. Các mô hình số mô phỏng ứng xử nhiệt tuổi sớm của bê tông
• 2.9. So sánh các mô hình tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NHIỆT VÀ CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG TRO BAY CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU
• 3.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.2. Thí nghiệm cường độ
• 3.2.1. Thành phần hỗn hợp CĐC thí nghiệm
• 3.2.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén
• 3.2.3. Thí nghiệm đo cường độ chịu kéo khi bửa
• 3.3. Thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa
• 3.3.1. Các phương pháp đo nhiệt thủy hóa
• 3.3.2. Thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa theo phương pháp đoạn nhiệt
• 3.3.3. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt thủy hóa
• 3.3.4. Xác định nhiệt lượng và tốc độ tỏa nhiệt của các hỗn hợp BTCĐC
• 3.3.5. Xác định mức độ thủy hóa và các tham số nhiệt thủy hóa
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐỂ KIỂM SOÁT NHIỆT VÀ GIẢM THIỂU VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG KẾT CẤU CẦU Ở TUỔI SỚM
• 4.1. Giải pháp vật liệu
• 4.1.1. Các tham số về cường độ của bê tông
• 4.1.2. Các tham số về từ biến của bê tông
• 4.1.3. So sánh, đánh giá các hỗn hợp bê tông tro bay CĐC về phương diện nhiệt và khả năng nứt nhiệt
• 4.2. Các giải pháp khác
• 4.2.1. Thời gian hợp lý tháo dỡ ván khuôn
• 4.2.2. Sử dụng vật liệu cách nhiệt che chắn, bao phủ bê tông ở tuổi sớm
• 4.2.3. Các giải pháp/biện pháp khác
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử nhiệt trong bê tông cường độ cao

Nghiên cứu ứng xử nhiệt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Bê tông cường độ cao thường được sử dụng trong các công trình cầu, nơi mà yêu cầu về độ bền và khả năng chịu lực là rất cao. Tuy nhiên, quá trình thủy hóa của xi măng Pooc-lăng trong bê tông cường độ cao có thể gây ra sự phân bố nhiệt độ không đồng đều, dẫn đến nguy cơ nứt trong giai đoạn đông cứng. Việc hiểu rõ về ứng xử nhiệt của bê tông sẽ giúp các kỹ sư thiết kế các giải pháp hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ và hạn chế nứt.

1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử nhiệt của bê tông

Ứng xử nhiệt của bê tông cường độ cao bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tỷ lệ nước/xi măng, thành phần hóa học của xi măng, và điều kiện môi trường. Nhiệt độ môi trường và độ ẩm cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy hóa. Việc kiểm soát các yếu tố này có thể giúp giảm thiểu nguy cơ nứt trong bê tông tuổi sớm.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu ứng xử nhiệt

Nghiên cứu ứng xử nhiệt không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành nứt mà còn cung cấp cơ sở để phát triển các giải pháp vật liệu mới. Các giải pháp này có thể bao gồm việc sử dụng phụ gia khoáng như tro bay để giảm nhiệt thủy hóa, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của kết cấu.

II. Vấn đề nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm

Nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm là một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến độ bền và tính toàn vẹn của kết cấu. Nguyên nhân chính dẫn đến nứt là do ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình thủy hóa. Khi bê tông đông cứng, sự chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt có thể tạo ra ứng suất kéo lớn, dẫn đến nứt. Việc nhận diện và phân tích nguyên nhân nứt là rất cần thiết để tìm ra các giải pháp kiểm soát hiệu quả.

2.1. Nguyên nhân gây nứt trong bê tông

Nguyên nhân chính gây nứt trong bê tông cường độ cao bao gồm sự chênh lệch nhiệt độ, tốc độ sinh nhiệt cao và độ co ngót. Các yếu tố này có thể tương tác với nhau, làm tăng nguy cơ nứt trong giai đoạn đông cứng. Việc hiểu rõ nguyên nhân sẽ giúp các kỹ sư đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

2.2. Hệ quả của nứt trong bê tông

Nứt trong bê tông không chỉ ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ mà còn làm giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu. Nứt có thể dẫn đến sự xâm nhập của nước và các chất ăn mòn, gây hư hại cho bê tông theo thời gian. Do đó, việc kiểm soát nứt là rất quan trọng trong thiết kế và thi công.

III. Phương pháp kiểm soát nhiệt trong bê tông cường độ cao

Để kiểm soát nhiệt và hạn chế nứt trong bê tông cường độ cao, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các giải pháp này bao gồm việc điều chỉnh tỷ lệ nước/xi măng, sử dụng phụ gia khoáng, và áp dụng các biện pháp thi công hợp lý. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp giảm thiểu nguy cơ nứt và nâng cao hiệu quả của kết cấu.

3.1. Sử dụng phụ gia khoáng để kiểm soát nhiệt

Phụ gia khoáng như tro bay và xỉ lò cao có thể được sử dụng để giảm nhiệt thủy hóa trong bê tông. Việc thay thế một phần xi măng bằng các phụ gia này không chỉ giúp giảm nhiệt mà còn cải thiện tính chất cơ học của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng tro bay từ 10-20% là hợp lý để đảm bảo cường độ và giảm thiểu nứt.

3.2. Biện pháp thi công để hạn chế nứt

Các biện pháp thi công như sử dụng vật liệu cách nhiệt, điều chỉnh thời gian tháo dỡ ván khuôn, và bảo dưỡng bê tông đúng cách có thể giúp kiểm soát nhiệt độ trong bê tông. Việc áp dụng các biện pháp này sẽ giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt và hạn chế nứt trong bê tông tuổi sớm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu ứng xử nhiệt

Nghiên cứu ứng xử nhiệt và các giải pháp kiểm soát nứt trong bê tông cường độ cao đã được áp dụng trong nhiều công trình thực tế. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện chất lượng bê tông mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng. Việc áp dụng các giải pháp này sẽ giúp đảm bảo tính toàn vẹn và tuổi thọ của các công trình cầu.

4.1. Các công trình cầu tiêu biểu

Nhiều công trình cầu lớn đã áp dụng các giải pháp kiểm soát nhiệt và hạn chế nứt, từ đó nâng cao độ bền và tính an toàn. Các nghiên cứu thực tế cho thấy rằng việc sử dụng bê tông cường độ cao với phụ gia khoáng đã giúp giảm thiểu rủi ro nứt đáng kể.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kiểm soát nhiệt trong bê tông cường độ cao có thể giảm thiểu nứt đến mức tối thiểu. Các giải pháp được đề xuất đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án, góp phần nâng cao chất lượng công trình và giảm chi phí bảo trì.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu ứng xử nhiệt và kiểm soát nứt trong bê tông cường độ cao tuổi sớm là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Các giải pháp đã được đề xuất không chỉ giúp giảm thiểu nứt mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các vật liệu mới và phương pháp thi công hiệu quả hơn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu bê tông mới với tính năng vượt trội. Việc áp dụng công nghệ mới trong sản xuất và thi công bê tông cũng sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro nứt.

5.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu bê tông

Hướng đi mới trong nghiên cứu bê tông có thể bao gồm việc ứng dụng công nghệ thông tin và mô hình hóa trong thiết kế và thi công. Việc này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng bê tông trong các công trình cầu.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Trong kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, bê tông sử dụng chất kết dính xi măng Pooc-lăng giải phóng một lượng nhiệt đáng kể trong tiến trình thủy hóa. Sự tích tụ nhiệt ở vùng lõi kết hợp với hiện tượng tản nhiệt nhanh ở bề mặt tạo nên gradient nhiệt độ không đồng đều. Khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt vượt quá ngưỡng cho phép, ứng suất kéo hình thành trong giai đoạn bê tông đang đông cứng và đóng rắn sẽ dẫn đến nguy cơ nứt kết cấu ở tuổi sớm.

Trước đây, hiện tượng nứt nhiệt thường chỉ được ghi nhận và nghiên cứu trong các kết cấu bê tông khối lớn truyền thống như đập thủy điện hoặc móng khối lớn. Tuy nhiên, xu hướng phát triển vật liệu hiện nay đã áp dụng rộng rãi bê tông cường độ cao (BTCĐC) cho các bộ phận công trình cầu như bệ móng, thân trụ, xà mũ và dầm hộp. Do yêu cầu cường độ cao, hỗn hợp bê tông đòi hỏi hàm lượng xi măng lớn và tỷ lệ nước/chất kết dính thấp, khiến các kết cấu dù có kích thước mặt cắt thanh mảnh hơn vẫn phải đối mặt với nguy cơ nứt nhiệt nghiêm trọng ở tuổi sớm.

Nhiều công trình trên thế giới và tại Việt Nam đã khẳng định việc sử dụng phụ gia khoáng tro bay (FA) thay thế một phần xi măng Pooc-lăng giúp giảm nhiệt thủy hóa và giảm phát thải khí nhà kính. Dẫu vậy, các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở mức định tính hoặc khảo sát riêng lẻ, chưa lượng hóa được tương quan trực tiếp giữa tỷ lệ tro bay thay thế với mức độ suy giảm nhiệt lượng, tốc độ sinh nhiệt và sự suy giảm cường độ chịu kéo tuổi sớm nhằm bảo đảm khả năng chống nứt thực tế của kết cấu cầu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. Xác định được các đặc trưng nhiệt thủy hóa bao gồm: độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, nhiệt lượng tích lũy, tốc độ sinh nhiệt, các tham số đường cong nhiệt thủy hóa của BTCĐC có sử dụng phụ gia khoáng tro bay bằng thực nghiệm.
2. Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ % tro bay thay thế xi măng đến hiệu ứng nhiệt, sự phát triển cường độ và khả năng nứt nhiệt của trụ cầu, từ đó đưa ra được giải pháp vật liệu bê tông tro bay cường độ cao hợp lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn cụ thể như sau:

• Đối tượng nghiên cứu: Các tham số và thuộc tính về nhiệt của bê tông tro bay cường độ cao, ứng suất nhiệt, nứt nhiệt của bê tông ở tuổi sớm.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát bê tông cường độ cao có cấp cường độ chịu nén đặc trưng 55 MPa, sử dụng phụ gia khoáng tro bay thay thế xi măng với các tỷ lệ từ 0% đến 30% (khảo sát cụ thể tại 0%, 10%, 20% và 30%); kết cấu phân tích điển hình là thân trụ cầu có kích thước mặt cắt ngang 2,0 m × 3,0 m trong khoảng thời gian tuổi sớm từ 0 đến 7 ngày tuổi.
• Giới hạn: Luận án chưa xét đến ảnh hưởng của biến dạng co ngót (co ngót tự sinh, co ngót khô) và sự phân bố của cốt thép kiềm chế trong khối bê tông.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu về nhiệt thủy hóa, thuộc tính vật liệu tuổi sớm và ứng suất nhiệt qua các giai đoạn phát triển:

• Nhiệt thủy hóa của các pha khoáng xi măng: McCullough và Rasmussen (1999) đã xác định nhiệt thủy hóa của các pha khoáng chính trong xi măng Pooc-lăng gồm $C_3S$ (500 J/g), $C_2S$ (260 J/g), $C_3A$ (850 J/g), $C_4AF$ (420 J/g), vôi tự do (1165 J/g) và $MgO$ (850 J/g). Neville (1995, 2011) mô tả động học tỏa nhiệt gồm 5 giai đoạn và chỉ ra ảnh hưởng của độ mịn xi măng đến tốc độ phản ứng. Báo cáo của ACI 207 (2005, 2007) phân tích các yếu tố tác động đến nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn.
• Mô hình mức độ thủy hóa: Powers và Brownyard (1947), Mills (1966), De Schutter và Taerwe (1995, 1996), Schindler và Folliard (2005) đã xây dựng các mô hình toán học thực nghiệm biểu diễn mức độ thủy hóa cuối cùng $\alpha_u$ phụ thuộc vào tỷ lệ nước/chất kết dính ($w/cm$) và hàm lượng phụ gia khoáng xỉ lò cao, tro bay.
• Đặc tính nhiệt và cơ học ở tuổi sớm: Khi bê tông đóng rắn, hệ số dẫn nhiệt $k$ suy giảm theo mức độ thủy hóa từ 10% đến 40% trong tuần đầu (Østergaard, 2001; De Schutter và Taerwe, 1996). Kada và cộng sự (2002) chỉ ra hệ số giãn nở nhiệt (CTE) ở tuổi rất sớm (10 giờ đầu) cao gấp 3 đến 4 lần bê tông đóng rắn do lượng nước tự do chưa liên kết hóa học. Nghiên cứu của Byfors (1980), Mesbah và cộng sự (2002), Oluokun và cộng sự (1991) chỉ ra hệ số Poisson biến thiên trong khoảng 0,13 đến 0,48 ở tuổi sớm và ổn định quanh giá trị 0,2. Carette và Staquet (2016) đề xuất hàm số mũ dự báo sự phát triển các chỉ tiêu cơ học ($f_c, f_{ct}, E_c$) theo mức độ thủy hóa hoặc tuổi tương đương.
• Hiện tượng Ettringite muộn (DEF) và tiêu chí khống chế nứt: Các nghiên cứu của Taylor và cộng sự (2001) ghi nhận nhiệt độ khối đổ vượt quá 70°C là điều kiện kích hoạt DEF gây trương nở phá hoại nội tại. Neville (1995) và Sở Giao thông Vận tải Florida (FDOT) quy định độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt không vượt quá 20°C (35°F). Tại Việt Nam, tiêu chuẩn TCVN 305:2004 quy định nhiệt độ hỗn hợp bê tông trước khi đổ không vượt quá 25°C; TCVN 6069:2007 và TCVN 7712:2013 quy định nhiệt tỏa ra của xi măng ít tỏa nhiệt sau 3 ngày đạt 45-50 cal/g và sau 7 ngày đạt 50-60 cal/g.
• Nghiên cứu ứng suất nhiệt và ứng dụng tro bay: Tia và cộng sự (1993, 2005), Breitenbücher (1990) mô phỏng sự tương tác giữa ứng suất nhiệt và cường độ kéo chịu bửa. ACI 232.2R-07 khẳng định lượng nhiệt tỏa ra của tro bay chỉ bằng 15% đến 35% xi măng cùng khối lượng. Lawrence và cộng sự (2005) khảo sát hệ chất kết dính đa thành phần chứa tro bay. Ở Việt Nam, Nguyễn Văn Chánh và cộng sự (2012) nghiên cứu co ngót và tính chất bê tông tro bay.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: Các nghiên cứu trước đây chưa lượng hóa đồng thời tác động của tro bay đối với sự suy giảm nhiệt độ đoạn nhiệt và tốc độ phát triển cường độ chịu kéo tuổi sớm trong bê tông cường độ cao kết cấu cầu. Việc thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm về nhiệt thủy hóa đoạn nhiệt dẫn đến việc áp dụng các mô hình quốc tế (như mô hình Schindler và Folliard) vào điều kiện vật liệu cụ thể tại Việt Nam có sai số, đồng thời chưa làm rõ được mâu thuẫn giữa việc giảm nhiệt thủy hóa và nguy cơ nứt gia tăng do cường độ kéo non trẻ phát triển chậm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt phi ổn định và cơ học đàn nhớt (viscoelastic) của bê tông ở tuổi sớm:

• Lý thuyết dẫn nhiệt và nguồn nhiệt: Quá trình truyền nhiệt hai chiều trong kết cấu bê tông tuân theo phương trình vi phân Fourier, trong đó nguồn sinh nhiệt nội tại $Q(t)$ được xác định thông qua hàm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (ATR) theo mô hình của Tanabe (1986). Biên tiếp xúc giữa bề mặt kết cấu với môi trường hoặc ván khuôn được mô tả bằng định luật truyền nhiệt đối lưu của Newton.
• Khái niệm mức độ thủy hóa: Biến số $\alpha(t)$ biểu thị tỷ lệ giữa nhiệt lượng tích lũy sinh ra tại thời điểm $t$ và nhiệt lượng tiềm năng tỏa ra khi thủy hóa hoàn toàn chất kết dính $Q_{pot}$. Sự phát triển của các thông số nhiệt (hệ số dẫn nhiệt $k$, nhiệt dung riêng $C_p$) và cơ học ($f_c, f_{ct}, E_c$) được biểu diễn dưới dạng hàm của mức độ thủy hóa $\alpha(t)$ hoặc tuổi tương đương $t_e$ theo mô hình Arrhenius.
• Ứng xử đàn nhớt và tiêu chí nứt: Ứng suất nhiệt hình thành do sự phân bố nhiệt độ không đều và sự kiềm chế biến dạng nở hông. Mô hình tính toán tích hợp hiện tượng từ biến tuổi sớm theo tiêu chuẩn ACI 209 nhằm khử chùng ứng suất đàn hồi. Nguy cơ nứt nhiệt được đánh giá thông qua hệ số nứt $I_{cr}(t)$, xác định bằng tỷ số giữa ứng suất kéo lớn nhất $\sigma_{max}(t)$ và cường độ chịu kéo khi bửa $f_{ct}(t)$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm trong phòng và mô phỏng số:

• Phương pháp thực nghiệm:
  • Chế tạo và thí nghiệm 4 hỗn hợp bê tông cường độ cao mác 55 MPa: mẫu đối chứng không tro bay (CĐC-TB00) và 3 hỗn hợp sử dụng tro bay thay thế xi măng theo khối lượng gồm 10% (CĐC-TB10), 20% (CĐC-TB20) và 30% (CĐC-TB30).
  • Thí nghiệm đo nhiệt lượng thủy hóa đoạn nhiệt bằng thiết bị thùng đo đoạn nhiệt được chế tạo tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, hệ thống máy tính tự động theo dõi và ghi nhận nhiệt độ theo nguyên lý của tiêu chuẩn ASTM C1679-08.
  • Thí nghiệm nén mẫu xác định cường độ chịu nén và thí nghiệm ép chẻ xác định cường độ chịu kéo khi bửa ở các ngày tuổi 1, 3, 7 và 28 ngày.
• Phương pháp tính toán và mô hình số:
  • Phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH): Rời rạc hóa miền tính toán truyền nhiệt hai chiều trên mặt cắt kết cấu thành lưới các nút bên trong và nút biên để xác định trường nhiệt độ biến thiên theo thời gian.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng phần tử tam giác trong bài toán biến dạng phẳng để giải bài toán cơ học đàn nhớt, mô phỏng trường phân bố ứng suất nhiệt chính, ứng suất $\sigma_{xx}$ và $\sigma_{yy}$.
  • Phương pháp bình phương nhỏ nhất: Xử lý dữ liệu thực nghiệm để khớp và xác định bộ tham số nhiệt thủy hóa gồm mức độ thủy hóa cuối cùng $\alpha_u$, tham số thời gian $\tau$ và tham số hình dáng $\beta$.
• Nguồn tư liệu và dữ liệu: Vật liệu thí nghiệm gồm xi măng VICEM Bút Sơn PC40, tro bay từ nhà máy nhiệt điện, đá dăm và cát tự nhiên đạt tiêu chuẩn thành phần hạt ASTM C33. Số liệu thực nghiệm được đo đạc tại Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng và Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hiệu ứng nhiệt của bê tông tuổi sớm kết cấu cầu và các giải pháp để kiểm soát nhiệt và hạn chế vết nứt

Chương này trình bày cơ sở hóa học và nhiệt động học của quá trình thủy hóa xi măng Pooc-lăng. Quá trình giải phóng nhiệt được phân tích chi tiết qua 5 giai đoạn: giai đoạn hòa tan (< 15 phút), giai đoạn ngủ đông (1 - 2 giờ), giai đoạn gia tốc (đạt đỉnh khoảng 10 giờ đầu), giai đoạn giảm tốc và giai đoạn ổn định. Trong đó, giai đoạn gia tốc có ý nghĩa quyết định đối với sự hình thành cường độ sớm và tích tụ ứng suất nhiệt. Tác giả phân tích hiện tượng hình thành Ettringite muộn (DEF) xảy ra khi nhiệt độ thủy hóa vượt quá ngưỡng 70°C, gây trương nở thể tích và phá hủy vi cấu trúc sau khi bê tông đóng rắn.

Chương 1 cũng tổng kết sự biến thiên của các thuộc tính nhiệt và cơ học ở tuổi sớm:

• Hệ số dẫn nhiệt $k$ suy giảm tuyến tính theo mức độ thủy hóa: $k(\alpha) = k_u(1,33 - 0,33\alpha)$.
• Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thay đổi đột ngột trong 10 giờ đầu do sự biến đổi của lượng nước tự do, sau đó ổn định.
• Mô đun đàn hồi $E_c$ phát triển nhanh hơn cường độ chịu kéo $f_{ct}$, và $f_{ct}$ phát triển nhanh hơn cường độ chịu nén $f_c$ trong 24 giờ đầu. Khoảng 90% giá trị mô đun đàn hồi có thể đạt được ngay trong ngày đầu tiên.
• Các giải pháp kiểm soát nhiệt gồm: giải pháp vật liệu (giảm tỷ lệ $w/cm$, sử dụng xi măng tỏa nhiệt thấp theo TCVN 6069:2007, thay thế xi măng bằng tro bay, xỉ lò cao, muội silic) và biện pháp thi công (khống chế nhiệt độ bê tông tươi $\le 25^\circ\text{C}$ theo TCVN 305:2004, che chắn và tưới nước làm mát cốt liệu, làm lạnh nước trộn bằng đá hoặc ni-tơ lỏng $-196^\circ\text{C}$, lắp đặt dàn ống làm mát sau, bọc tấm cách nhiệt polystyrene hoặc trấu phủ bề mặt).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu bê tông tuổi sớm

Chương 2 thiết lập các phương trình toán học chi tiết cho bài toán nhiệt - cơ tuổi sớm:

• Thiết lập phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier hai chiều có xét nguồn sinh nhiệt nội tại: $$\rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x}\left(k \frac{\partial T}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(k \frac{\partial T}{\partial y}\right) + Q_G$$ trong đó $Q_G$ là tốc độ sinh nhiệt bên trong phụ thuộc vào hàm tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lý thuyết của Tanabe. Điều kiện biên truyền nhiệt qua đối lưu giữa bề mặt bê tông với không khí và ván khuôn được thiết lập đầy đủ.
• Ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) để giải bài toán phân bố nhiệt độ theo các bước thời gian.
• Thiết lập mô hình bài toán ứng suất đàn nhớt bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng mạng lưới phần tử tam giác. Mô hình tích hợp mô đun đàn hồi hiệu dụng biến thiên và hàm từ biến theo ACI 209 nhằm phản ánh hiện tượng chùng ứng suất.
• Xây dựng sơ đồ khối tính toán phân tách: trường nhiệt độ được tính toán trước ở mỗi bước thời gian bằng SPHH, sau đó chuyển làm dữ liệu đầu vào cho mô hình PTHH để xác định trường ứng suất nhiệt ($\sigma_{xx}, \sigma_{yy}$ và ứng suất chính).

Chương 3: Thực nghiệm xác định đặc trưng nhiệt và cường độ của bê tông tro bay cường độ cao sử dụng trong công trình cầu

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm chế tạo và thí nghiệm 4 hỗn hợp bê tông mác 55 MPa: CĐC-TB00, CĐC-TB10, CĐC-TB20 và CĐC-TB30. Các chỉ tiêu cơ lý và thành phần hạt của xi măng Bút Sơn PC40, tro bay, đá dăm và cát đều được kiểm tra đạt chuẩn ASTM C33.

Kết quả thí nghiệm cơ học cho thấy hàm lượng tro bay thay thế càng cao thì cường độ chịu nén và cường độ kéo khi bửa ở tuổi sớm (1 - 3 ngày) phát triển càng chậm do hoạt tính pozzolanic diễn ra muộn. Tuy nhiên, ở tuổi 28 ngày, cường độ của các mẫu có tro bay tiếp tục phát triển và tiệm cận mẫu đối chứng.

Kết quả thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt và phân tích động học tỏa nhiệt được tổng hợp trong bảng số liệu sau:

Tên mẫu hỗn hợp	Tỷ lệ tro bay thay thế (%)	Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt $\Delta T_{ad}$ (°C)	Đỉnh tốc độ sinh nhiệt $q_{max}$ ($\text{J/h/m}^3$)	Thời điểm xuất hiện đỉnh nhiệt (giờ)	Mức độ thủy hóa cuối cùng thực nghiệm $\alpha_u$
CĐC-TB00	0	58,1	$4,00 \times 10^7$	$\approx 9,5$	0,6100
CĐC-TB10	10	55,5	$2,95 \times 10^7$	$\approx 9,5$	0,6515
CĐC-TB20	20	52,9	$2,31 \times 10^7$	$\approx 9,5$	0,7027
CĐC-TB30	30	47,9	$1,40 \times 10^7$	$\approx 9,5$	0,7136

Từ dữ liệu thực nghiệm, tác giả sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định đường cong mức độ thủy hóa. Mức độ thủy hóa cuối cùng $\alpha_u$ có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ tro bay thay thế xi măng. So sánh với mô hình lý thuyết của Schindler và Folliard (2005), kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình quốc tế dự báo giá trị $\alpha_u$ lớn hơn thực tế đối với bê tông cường độ cao, từ đó tác giả đề xuất công thức hiệu chỉnh hệ số ảnh hưởng của tro bay.

Chương 4: Phân tích một số giải pháp để kiểm soát nhiệt và giảm thiểu vết nứt trong bê tông kết cấu cầu ở tuổi sớm

Chương 4 áp dụng các tham số thực nghiệm từ Chương 3 vào mô hình số SPHH - PTHH để phân tích ứng xử nhiệt và ứng suất nhiệt của kết cấu thân trụ cầu có kích thước mặt cắt ngang 2,0 m × 3,0 m trong 7 ngày đầu:

• Phân tích trường nhiệt độ và ứng suất chính tại các điểm xung yếu: tâm trụ, điểm giữa cạnh bên, điểm giữa cạnh đáy và góc trụ. Thời điểm xuất hiện gradient nhiệt bất lợi nhất được ghi nhận ở khoảng 40 giờ sau khi đổ.
• So sánh nguy cơ nứt giữa các hỗn hợp:
  • Hỗn hợp đối chứng CĐC-TB00 tỏa nhiệt lượng lớn, độ tăng nhiệt độ cao ($58,1^\circ\text{C}$), tạo gradient nhiệt lớn giữa tâm và biên cạnh bên, dẫn đến ứng suất kéo nhiệt rất cao.
  • Hỗn hợp CĐC-TB30 giúp giảm độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt xuống mức thấp nhất ($47,9^\circ\text{C}$) và giảm đỉnh tốc độ sinh nhiệt xuống còn $1,40 \times 10^7\text{ J/h/m}^3$. Tuy nhiên, do hàm lượng tro bay lên tới 30%, cường độ chịu kéo khi bửa $f_{ct}$ ở tuổi 1 đến 3 ngày suy giảm quá mức. Tốc độ phát triển ứng suất nhiệt vượt qua tốc độ hình thành cường độ kéo non trẻ, làm cho hệ số nứt lớn nhất của kết cấu sử dụng CĐC-TB30 cao hơn so với các mẫu còn lại.
  • Hai hỗn hợp CĐC-TB10 và CĐC-TB20 thể hiện sự cân bằng tối ưu: vừa giảm đáng kể độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt và đỉnh sinh nhiệt, vừa bảo đảm tốc độ phát triển cường độ chịu kéo tuổi sớm, giúp giữ hệ số nứt ở mức an toàn thấp nhất.
• Đánh giá các giải pháp thi công: Phân tích thời điểm tháo dỡ ván khuôn hợp lý nhằm tránh hiện tượng sốc nhiệt bề mặt; mô phỏng hiệu quả của việc bọc vật liệu cách nhiệt (tấm bọt xốp polystyrene) giúp giữ độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt kết cấu luôn nhỏ hơn $20^\circ\text{C}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn kỹ thuật như sau:

1. Đo đạc và xác định chính xác các đặc trưng nhiệt thủy hóa đoạn nhiệt: Luận án đã xác định độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của 4 hỗn hợp bê tông cường độ cao mác 55 MPa bằng phương pháp đo đoạn nhiệt thực nghiệm. Kết quả độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt lần lượt đạt: 58,1°C (CĐC-TB00); 55,5°C (CĐC-TB10); 52,9°C (CĐC-TB20) và 47,9°C (CĐC-TB30).
2. Lượng hóa tốc độ và thời điểm xuất hiện đỉnh sinh nhiệt: Theo tiêu chuẩn ASTM C1679-08, đỉnh tốc độ sinh nhiệt của 4 hỗn hợp CĐC-TB00, CĐC-TB10, CĐC-TB20 và CĐC-TB30 được xác định lần lượt là $4,00 \times 10^7$; $2,95 \times 10^7$; $2,31 \times 10^7$ và $1,40 \times 10^7$ ($\text{J/h/m}^3$), cùng diễn ra ở thời điểm khoảng 9,5 giờ sau khi trộn.
3. Xác định bộ tham số nhiệt thủy hóa và kiến nghị hiệu chỉnh mô hình lý thuyết: Luận án xác định các tham số $\alpha_u, \tau, \beta$ từ đường cong thực nghiệm bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Mức độ thủy hóa cuối cùng thực nghiệm $\alpha_u$ lần lượt bằng 0,6100 (CĐC-TB00); 0,6515 (CĐC-TB10); 0,7027 (CĐC-TB20) và 0,7136 (CĐC-TB30). Nhận thấy giá trị thực nghiệm thấp hơn công thức lý thuyết của Schindler và Folliard (2005), luận án đề xuất điều chỉnh hệ số ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến $\alpha_u$ cho bê tông cường độ cao từ 0,5 xuống 0,4: $$\alpha_u = \frac{1,031 \cdot w/cm}{0,194 + w/cm} + 0,4 \cdot p_{FA}$$
4. Xác định giải pháp vật liệu tối ưu kiểm soát nứt nhiệt: Kết quả phân tích định lượng trên kết cấu thân trụ cầu chỉ ra rằng hỗn hợp CĐC-TB30 có rủi ro nứt nhiệt cao hơn do sự suy giảm cường độ kéo sớm. Luận án kết luận việc thay thế xi măng bằng tro bay với tỷ lệ từ 10% đến 20% là giải pháp vật liệu hợp lý nhất, vừa giảm nhiệt thủy hóa vừa kiểm soát hiệu quả nguy cơ nứt nhiệt.
5. Kiến nghị kỹ thuật: Đề xuất áp dụng cấp phối tro bay 10% ÷ 20% cho các cấu kiện bê tông cường độ cao trong công trình cầu; kết hợp kiểm soát thời gian tháo ván khuôn và sử dụng tấm cách nhiệt che phủ nhằm bảo đảm độ chênh nhiệt độ giữa lõi và bề mặt luôn dưới 20°C.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Từ phạm vi và các giả thiết được tác giả nêu trong văn bản, luận án tồn tại một số hạn chế:

• Phạm vi nghiên cứu mới tập trung khảo sát một loại kết cấu trụ cầu đặc mặt cắt ngang hình chữ nhật kích thước 2,0 m × 3,0 m trong khoảng thời gian từ 0 đến 7 ngày tuổi, chưa khảo sát các cấu kiện có hình học phức tạp hơn như xà mũ, dầm hộp rỗng hoặc bệ móng lớn.
• Mô hình tính toán chưa xét đến ảnh hưởng của các dạng biến dạng co ngót (co ngót tự sinh, co ngót dẻo, co ngót khô) và chưa tích hợp tác dụng kiềm chế biến dạng của cốt thép chịu lực trong kết cấu.
• Cấp phối thực nghiệm chỉ giới hạn ở tỷ lệ tro bay từ 0% đến 30% trên nền xi măng VICEM Bút Sơn PC40.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể phát triển bao gồm:

• Mở rộng mô hình phân tích kết hợp đồng thời trường ứng suất nhiệt với biến dạng co ngót tự sinh của bê tông cường độ cao.
• Đưa mật độ và cách bố trí cốt thép vào mô hình phần tử hữu hạn để đánh giá chính xác mức độ kiềm chế và bề rộng vết nứt thực tế.
• Khảo sát mở rộng với các loại phụ gia khoáng khác như xỉ lò cao nghiền mịn (GGBS), muội silic (SF) hoặc hệ chất kết dính đa thành phần.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành phục vụ trực tiếp cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Hữu ích trong công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Công nghệ vật liệu xây dựng và Cơ học công trình. Phần phương pháp luận thực nghiệm đo nhiệt đoạn nhiệt bằng thiết bị trong nước (Chương 3) và thuật toán kết hợp sai phân hữu hạn với phần tử hữu hạn (Chương 2) là các nội dung có giá trị tham khảo học thuật cao.
• Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát: Cung cấp cơ sở khoa học để kiểm tra ứng suất nhiệt, dự báo gradient nhiệt độ và đánh giá nguy cơ nứt ở giai đoạn thiết kế biện pháp thi công cho các bộ phận kết cấu cầu bằng bê tông cường độ cao.
• Nhà thầu thi công: Cung cấp số liệu định lượng về dải cấp phối tro bay hợp lý (10% ÷ 20%), yêu cầu kiểm soát nhiệt độ ban đầu ($\le 25^\circ\text{C}$), thời điểm tháo ván khuôn và giải pháp bọc tấm cách nhiệt polystyrene nhằm tránh nứt do sốc nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các cấu kiện kết cấu cầu thanh mảnh sử dụng bê tông cường độ cao vẫn đối mặt với nguy cơ nứt nhiệt như bê tông khối lớn? Theo giải thích của tác giả ở Chương 1, bê tông cường độ cao đòi hỏi hàm lượng xi măng Pooc-lăng rất lớn và tỷ lệ nước/xi măng thấp. Điều này làm cho tổng nhiệt lượng thủy hóa giải phóng ra rất nhanh và tập trung lớn trong những giờ đầu. Dù kết cấu thanh mảnh hơn đập thủy điện, tốc độ tỏa nhiệt nội tại cao kết hợp với tốc độ mất nhiệt bề mặt vẫn tạo ra gradient nhiệt độ lớn giữa tâm và mép ngoài. Khi độ chênh nhiệt độ vượt quá 20°C, ứng suất kéo nhiệt hình thành sẽ vượt qua cường độ chịu kéo non trẻ của bê tông tuổi sớm, gây nứt bề mặt.

2. Các đặc trưng nhiệt thủy hóa của 4 hỗn hợp bê tông thí nghiệm thay đổi cụ thể ra sao khi tăng tỷ lệ tro bay? Dữ liệu thực nghiệm tại Chương 3 ghi nhận:

• Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt giảm dần theo tỷ lệ tro bay: CĐC-TB00 tăng 58,1°C; CĐC-TB10 tăng 55,5°C; CĐC-TB20 tăng 52,9°C; và CĐC-TB30 tăng 47,9°C.
• Đỉnh tốc độ sinh nhiệt giảm mạnh: CĐC-TB00 đạt $4,00 \times 10^7\text{ J/h/m}^3$; CĐC-TB10 đạt $2,95 \times 10^7\text{ J/h/m}^3$; CĐC-TB20 đạt $2,31 \times 10^7\text{ J/h/m}^3$; và CĐC-TB30 đạt $1,40 \times 10^7\text{ J/h/m}^3$. Cả 4 mẫu đều đạt đỉnh sinh nhiệt ở thời điểm khoảng 9,5 giờ sau khi trộn.

3. Vì sao hỗn hợp CĐC-TB30 giảm nhiệt thủy hóa nhiều nhất nhưng lại có rủi ro nứt nhiệt cao hơn các hỗn hợp còn lại? Phân tích tại Chương 4 chỉ ra rằng việc thay thế 30% xi măng bằng tro bay làm giảm đáng kể nhiệt độ đoạn nhiệt ($47,9^\circ\text{C}$), nhưng phản ứng pozzolanic diễn ra chậm khiến sự phát triển cường độ chịu kéo khi bửa $f_{ct}$ ở giai đoạn 1 - 3 ngày tuổi bị suy giảm nghiêm trọng. Trong khi đó, ứng suất kéo do biến dạng nhiệt vẫn hình thành với tốc độ nhanh hơn tốc độ tăng cường độ kéo non trẻ. Do tỷ số giữa ứng suất kéo và cường độ kéo chịu bửa của mẫu CĐC-TB30 vượt ngưỡng cho phép, rủi ro nứt nhiệt của kết cấu dùng cấp phối này lại cao hơn so với mẫu dùng 10% hay 20% tro bay.

4. Luận án đã đề xuất điều chỉnh thông số nào trong công thức tính mức độ thủy hóa cuối cùng của Schindler và Folliard? Trong mô hình của Schindler và Folliard (2005), mức độ thủy hóa cuối cùng được xác định có kể đến số hạng ảnh hưởng của hàm lượng tro bay là $0,5 \cdot p_{FA}$. Qua thực nghiệm trên 4 hỗn hợp bê tông cường độ cao, tác giả nhận thấy giá trị tính theo công thức lý thuyết này luôn cao hơn giá trị đo đạc thực tế. Luận án đã kiến nghị điều chỉnh hệ số này từ 0,5 xuống 0,4 để phù hợp với bê tông cường độ cao: $$\alpha_u = \frac{1,031 \cdot w/cm}{0,194 + w/cm} + 0,4 \cdot p_{FA}$$

5. Giới hạn nhiệt độ tối đa và độ chênh nhiệt độ cho phép được tác giả đề cập trong văn bản nhằm phòng ngừa phá hoại kết cấu là bao nhiêu? Văn bản nêu rõ hai ngưỡng kiểm soát nhiệt độ quan trọng:

• Nhiệt độ bảo dưỡng tối đa trong lòng khối đổ không được vượt quá 70°C đến 71°C (160°F) nhằm ngăn ngừa phản ứng hình thành Ettringite muộn (DEF) gây nứt vỡ thể tích về lâu dài.
• Độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tông không được vượt quá 20°C (theo Neville và FDOT) nhằm khống chế ứng suất kéo nhiệt sinh ra không vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông tuổi sớm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hoàng Thị Tuyết đã làm rõ quy luật biến thiên nhiệt thủy hóa đoạn nhiệt và sự phát triển cường độ sớm của bê tông cường độ cao mác 55 MPa sử dụng phụ gia khoáng tro bay. Thông qua việc kết hợp thực nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt và mô hình số SPHH - PTHH trên kết cấu thân trụ cầu, công trình đã lượng hóa được mâu thuẫn giữa mức độ giảm nhiệt và tốc độ phát triển cường độ kéo non trẻ. Kết quả nghiên cứu khẳng định giải pháp thay thế xi măng bằng tro bay với tỷ lệ từ 10% đến 20% cùng biện pháp che phủ cách nhiệt là phương án tối ưu để kiểm soát hiệu ứng nhiệt và hạn chế nứt kết cấu cầu ở tuổi sớm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hiệu ứng nhiệt của bê tông tuổi sớm kết cấu cầu và các giải pháp để kiểm soát nhiệt và hạn chế vết nứt Chương 2: Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu bê tông tuổi sớm Chương 3: Thực nghiệm xác định đặc trưng nhiệt và cường độ của bê tông tro bay cường độ cao sử dụng trong công trình cầu Chương 4: Phân tích một số giải pháp để kiểm soát nhiệt và giảm thiểu vết nứt trong bê tông kết cấu cầu ở tuổi sớm Kết luận và Kiến nghị Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo và Danh mục các công trình đã công bố của tác giả. TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA BÊ TÔNG TUỔI SỚM KẾT CẤU CẦU VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ KIỂM SOÁT NHIỆT VÀ HẠN CHẾ VẾT NỨT 1. Quá trình thủy hóa của xi măng Pooc lăng Quá trình thủy hóa của xi măng là phản ứng của các khoáng vật thành phần xi măng với nước dẫn đến các thay đổi hóa học và cơ lý. Quá trình này sinh ra một lượng nhiệt nhất định nào đó.

Nhiệt thủy hóa là một đặc tính của xi măng Poóc –lăng, lượng nhiệt được giải phóng phụ thuộc vào thành phần xi măng, nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệ nước/xi măng và độ mịn của xi măng. Thành phần xi măng bao gồm 4 khoáng vật chính là: tricalcium silicate (C3S), dicalcium silicate (C2S), tricalciumaluminate (C3A) và tetracalcium aluminoferrite (C4AF) [4]. Thành phần hóa học của xi măng Poóc lăng và tên viết tắt của chúng được nêu trong bảng 1. Tên viết tắt của ô xit và hợp chất hóa học của xi măng Pooc lăng [94] Ôxit Tên viết tắt Hợp chất Tên viết tắt của hợp chất CaO C 3CaO.SiO2 (alit) C3 S SiO2 S 2CaO.SiO2 (belit) C2 S Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C3 A Fe2O3 F 4CaO.Fe2O3 C4AF MgO M 4CaO.SO3 C4A3S SO3 S 3CaO.

Các phản ứng của quá trình thủy hóa Phản ứng thủy hóa của 4 khoáng chất quan trọng nhất trong xi măng và nước được thể hiện trong các phương trình từ (1. Giai đoạn đầu của quá trình thủy hóa xảy ra tác dụng nhanh của alit với nước tạo ra hydrosilicat canxi và hydroxit canxi [4]: 2(3CaO.1) 6 Vì đã có hydroxit canxi tách ra từ C3S nên C2S thủy hóa chậm hơn C3S và tách ra ít Ca(OH)2 hơn: 2(2CaO.2) Khoáng C3A phản ứng với nước rất nhanh chóng và gây ra sự phát triển về nhiệt. Ngay sau khi trộn với nước, trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác. Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền của xi măng.

Dạng ổn định, sản phẩm phản ứng nhanh của nó là hydro canxi aluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương (3CaO.3) Để làm chậm quá trình đông kết, khi nghiền clanhke cần cho thêm một lượng thạch cao từ 3-5% so với khối lượng xi măng. Canxi sunfat đóng vai trò là chất hoạt động hóa học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxit ngay từ đầu để tạo thành ettringite: 3CaO.4) C3A sẽ tiếp tục phản ứng với thạch cao cho đến khi tất cả các thạch cao được sử dụng hết, sau đó C3A sẽ bắt đầu phản ứng với Ettringite để tạo thành monosulfate: 3CaO.5) Thủy hóa khoáng C4AF: 4CaO.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.6) Hydroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gel xi măng, còn hydroaluminat sẽ lại tác dụng với thạch cao như phản ứng trên. Nhiệt thủy hóa Lượng và động học của nhiệt được tạo ra bởi quá trình thủy hóa xi măng là một thông số quan trọng để dự đoán sự phát triển nhiệt độ và phân bố nhiệt độ trong một cấu kiện bê tông [93]. Sự thủy hóa của xi măng Pooc-lăng là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt cao [94].

Thông thường, khoảng một nửa tổng nhiệt lượng thủy hóa được tỏa ra trong khoảng từ 1 đến 3 ngày sau khi trộn xi măng với nước [97]. 7 Dưới các điều kiện thông thường, luồng nhiệt sản sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng được phân thành 5 giai đoạn (Hình 1. Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng [94] * Giai đoạn I (giai đoạn hòa tan <15 phút): Phản ứng hóa học xảy ra ngay sau khi xi măng tiếp xúc với nước bởi vì các ion hòa tan trong nước sẽ phản ứng với C 3A và thạch cao. Sự hình thành ettringite sau phản ứng thủy hóa ban đầu sẽ làm giảm mạnh tốc độ của phản ứng hóa học trong thời điểm cuối của giai đoạn I.

Giai đoạn này có ảnh hưởng rất nhỏ đến sự hình thành cường độ của bê tông. Hỗn hợp sẽ ngay lập tức bước sang giai đoạn ngủ đông.  Giai đoạn II (giai đoạn ngủ đông 1-2h): Trong giai đoạn này, nồng độ của các ion trong dung dịch sẽ giảm từ từ theo dung dịch của pha rắn. Hồ xi măng giữ nguyên trạng thái dẻo.

Giai đoạn này không hỗ trợ gì trong việc phát triển cường độ của bê tông. Tuy nhiên, giai đoạn này lại có ý nghĩa quyết định cho tính công tác của bê tông, cho phép vận chuyển bê tông đến công trình.  Giai đoạn III (giai đoạn gia tốc - max10h ): Alit (C3S) và belit (C2S) trong xi măng bắt đầu thủy hóa và tỏa nhiệt. Trong giai đoạn này, sự đông kết của bê tông được bắt đầu, tốc độ tỏa nhiệt tăng lên rất nhanh kèm theo đó là lượng nhiệt tỏa ra rất lớn.

Silicat sẽ đạt được tốc độ tỏa nhiệt cao ở cuối giai đoạn này. Cường độ của bê tông được phát triển trong giai đoạn gia tốc này, trong đó quá trình đông kết sẽ kết thúc và sự đóng rắn sớm sẽ bắt đầu. Do đó, giai đoạn gia tốc đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành bê tông.  Giai đoạn IV (giai đoạn giảm tốc): Tốc độ phát sinh nhiệt thủy hóa giảm và chuyển sang quá trình kiểm soát khuếch tán.

Trong giai đoạn này, bề dày của các hạt ngậm nước tăng lên và diện tích bề mặt của các phần không ngậm nước giảm xuống. Lớp xi măng đã thủy hóa đóng vai trò như một bề mặt khuếch tán và đóng vai trò quan 8 trọng đến tính thấm của nước và các ion tan rã, còn ettringite được chuyển sang pha monosulfat.  Giai đoạn V (giai đoạn ổn định): Lớp xi măng đã thủy hóa xung quanh các hạt xi măng dày lên, làm giảm đáng kể tốc độ phát nhiệt thủy hóa. Trong giai đoạn này, hợp chất xi măng đã thủy hóa rất khó kết tủa do phần khoảng trống ban đầu được lấp đầy bởi nước được bao phủ bằng xi măng đã thủy hóa.

Sự thủy hóa của xi măng hoàn toàn được điều khiển bởi quá trình khuếch tán. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng nhiệt thủy hóa và sự phát triển nhiệt thủy hóa Các yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tổng nhiệt thủy hóa và sự phát triển nhiệt thủy hóa trong bê tông: 1. Thành phần hóa học của xi măng Tốc độ và lượng nhiệt được giải phóng ứng với một thành phần hóa học nào đó của xi măng phụ thuộc vào độ tăng nhiệt độ của bê tông. Tốc độ phát nhiệt thủy hóa đối với một hợp chất xi măng có thể được tính toán bằng cách đánh giá từng hợp chất riêng lẻ và tỉ lệ phần trăm của nó trong xi măng.

Người ta đã chứng minh rằng tỷ lệ tương đối của các hợp chất hóa học hoặc hợp chất Bogue (như C3S, C2S, C3A và C4AF) và độ mịn của chúng xác định lượng nhiệt mà chúng tạo ra trong quá trình thủy hóa cũng như tốc độ sinh nhiệt [62]. Ngoài ra, lượng xi măng được sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và độ lớn nhiệt sinh ra vì số lượng sản phẩm phản ứng có sẵn để thủy hóa và tạo nhiệt [17]. Hàm lượng xi măng càng cao, độ tăng nhiệt độ càng cao. Các loại xi măng có hàm lượng dicalcium silicate (C2S) và/hoặc tetracalcium aluminoferrite (C4AF) cao thường được coi là xi măng tỏa nhiệt thấp, trong khi xi măng có hàm lượng tricalcium silicate (C3S) và tricalcium aluminate (C3A) cao thường giải phóng nhiệt cao.2 cho thấy nhiệt độ thủy hóa điển hình cho từng pha xi măng chính [88].

Nhiệt thủy hóa của các pha xi măng (McCullough và Rasmussen, 1999) [88] Thành phần Nhiệt thủy hóa J/g C3 S 500 C2 S 260 C3 A 850 C4AF 420 C (Vôi tự do) 1165 MgO 850 1. Độ mịn của xi măng. Lượng nhiệt thủy hóa tỏa ra phụ thuộc vào độ mịn của xi măng bởi vì phản ứng thủy hóa bắt đầu diễn ra từ bề mặt của các hạt xi măng. Độ mịn lớn sẽ tạo ra diện tích bề mặt lớn làm gia tăng tốc độ phản ứng giữa xi măng và nước.2 trình bày ảnh hưởng của độ mịn của xi măng đến tốc độ thủy hóa trên cùng một loại xi măng.

Rõ ràng độ mịn lớn gây ra tốc độ thủy hóa cao của xi măng trong một vài ngày đầu. Ảnh hưởng của độ mịn đến tốc độ thủy hóa của xi măng (ACI 207. Loại và lượng phụ gia khoáng Hầu hết các loại bê tông ngày nay kết hợp SCMs để cải thiện tính chất bê tông, như tro bay và xỉ. Nói chung, SCMs làm trì hoãn quá trình thủy hóa, giảm đỉnh nhiệt độ và kéo dài quá trình sinh nhiệt.

Tổng nhiệt lượng thủy hóa nhìn chung là lớn nhất trong 10 xi măng nguyên chất và giảm với sự tăng của hàm lượng phụ gia khoáng trong thành phần hỗn hợp [93]. Sử dụng các phụ gia khoáng hoạt tính thay thế một phần xi măng có hiệu quả trong việc kiểm soát và giảm thiểu độ tăng nhiệt độ do đó làm giảm nhiệt thủy hóa [19]. Phụ gia hóa học Phụ gia hóa học thường được sử dụng trong hỗn hợp bê tông để cải thiện tính công tác và cường độ, giảm hàm lượng nước (và đôi khi hàm lượng phụ gia khoáng hoạt tính), trì hoãn hoặc tăng tốc quá trình thủy hóa, cuốn không khí, cải thiện độ bền hoặc làm thay đổi các tính chất bê tông khác có liên quan. Ngày nay, phụ gia tăng tốc, làm chậm và giảm nước (phạm vi thấp, trung bình và cao) được sử dụng trong hầu hết các hỗn hợp bê tông.

Ảnh hưởng của những phụ gia này về thủy hóa, cường độ, tính thấm, độ bền, tính công tác, và các tính chất khác đã được nghiên cứu [101]. Tỉ lệ nước/vật liệu chất kết dính Khoảng trống ban đầu được lấp đầy bởi nước sẽ được thay thế một phần hoặc hoàn toàn bởi sản phẩm của quá trình thủy hóa. Nếu tỷ lệ w/c quá thấp, xi măng không thể thủy hóa hoàn toàn do không đủ khoảng trống cho các sản phẩm thủy hóa hình thành. Nói chung, xi măng thủy hóa hoàn toàn đòi hỏi tỉ lệ w/c tối thiểu là 0,42 [92].