Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT; Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông ở thời kỳ đầu của các tác giả trong và ngoài nước; Giới thiệu các phương pháp phòng chống, hạn chế nứt kết cấu bê tông trụ, mố cầu khi không có lực tác động cơ học ở giai đoạn thi công. Chương 2 xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa. Tiếp theo đó, kết quả của một số thí nghiệm xác định nhiệt độ đoạn nhiệt từ quá trình thủy hóa của xi măng cho bê tông thông thường dùng cho công trình cầu được thực hiện ở Chương 3 của luận án. Chương 4 là việc ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa để phân tích trạng thái phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng ở giai đoạn hình thành cường độ của khối BTCT trụ cầu.
Những đóng góp mới của luận án Thứ nhất, xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng nhiệt của bê tông cốt thép bằng lý thuyết đồng nhất hóa (Chương trình TCon1): hệ số dẫn nhiệt tương đương, nhiệt dung riêng, phạm vi đồng nhất hóa vật liệu BTCT cho các cấu tạo lớp vỏ BTCT đặc trưng của trụ cầu. Thứ hai, xây dựng đường cong đoạn nhiệt cho một số cấp phối bê tông sử dụng trong kết cấu phần dưới của công trình cầu (bê tông C30, C35) theo phương pháp đoạn nhiệt trong phòng thí nghiệm và phương pháp bán đoạn nhiệt tại hiện trường. Thứ ba, xây dựng chương trình tính toán sự phân bố và thay đổi nhiệt độ và ứng suất theo thời gian do nhiệt thủy hóa xi măng (Chương trình TCon2) để so sánh với kết quả thực đo ngoài hiện trường. Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học 1.
Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học Các loại vết nứt do nhiệt độ trong quá trình thủy hóa xi măng, do co ngót, từ biến của kết cấu bê tông và do kiềm chế biến dạng trong khối bê tông khi tuổi sớm là các loại vết nứt không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học. Ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ, nhiệt của quá trình thủy hóa và điều kiện môi trường xung quanh, các biến dạng tự nhiên và điều kiện biên, thường gây ra tác động nội tại đáng kể lên các kết cấu bê tông. Bất cứ khi nào ứng suất như vậy đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông, hiện tượng nứt sẽ xảy ra, do đó có thể làm giảm khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu. Nứt do nhiệt trong các kết cấu bê tông non tuổi thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như khối bê tông có kích thước lớn như móng, đập và các bộ phận công trình cầu.
Khả năng nứt của các kết cấu dạng này do nhiệt độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới tới hàm lượng chất kết dính, nhiệt độ môi trường khi thi công và nhiệt độ bê tông tươi, đặc điểm hình học của các kết cấu. Trạng thái giới hạn sử dụng của vết nứt trong kết cấu bê tông do các biến dạng bị kiềm chế, do các tác động nhiệt và co ngót bị gây ra do quá trình thủy hóa xi măng đã là một chủ đề liên tục nghiên cứu và quan tâm của cả thiết kế và thi công [18]. Ngoài tác động tiêu cực đến thẩm mỹ, các vết nứt như vậy cũng có thể thúc đẩy sự ăn mòn của cốt thép và cuối cùng làm giảm độ bền của kết cấu bê tông [52] hoặc thậm chí có thể gây ra việc giảm khả năng chịu tải của kết cấu. Trong các loại kết cấu bê tông cụ thể, vết nứt cũng có thể làm suy giảm chức năng một cách đáng kể.
Ví dụ, nứt do tuổi sớm của bê tông có thể là một trong những nguyên nhân chính gây ra rò rỉ trong các kết cấu bê tông giữ chất lỏng [15], hơn nữa ở các kết cấu của lò phản ứng hạt nhân đặc biệt quan tâm về tính an toàn, độ kín không khí, điện trở bức xạ được kiểm soát phần lớn thông qua đặc điểm vết nứt [21]. Do đó, chi phí bổ sung để xác định các vết nứt phi kết cấu này, phân tích nguyên nhân và các công việc sửa chữa nó có thể được yêu cầu [10], trong khi rủi ro về tăng chi phí pháp lý cao và gây thiệt hại cho các bên liên quan như thiết kế và thi công rất 7 nghiêm trọng [35]. Một vài ví dụ dưới đây để phân tích sự hình thành và nguyên nhân gây nên các vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học: a. Kết cấu BTCT của đập tràn ở Nam Mỹ Trong kết cấu này [30] (Hình 1.1), kích thước của khối đập là 35x15x7,5m, hỗn hợp bê tông chứa 350 kg xi măng /m3 và tỷ lệ nước/xi măng là 0.52, nhiệt độ môi trường khi thi công là khoảng 32°C, rất gần với ngưỡng giới hạn do các tài liệu hướng dẫn về đổ bê tông trong thời tiết nóng, chẳng hạn như [54].
Đáng chú ý là không có biện pháp làm mát trước và sau khi thi công. Chúng ta thấy có nhiều vết nứt xuất hiện trên bề mặt bên của đập, các vết nứt này có chiều rộng đáng kể từ 0,2 đến 1,2mm. Một quá trình điều tra và đánh giá cho thấy vết nứt xuất hiện là do ứng suất nhiệt sinh ra trong lõi khối đập do nhiệt thủy hóa của xi măng, trong lõi của khối nhiệt độ lên tới 62,5°C, nhiệt độ môi trường lúc thi công do ảnh hưởng của ván khuôn làm cho sự chênh lệch nhiệt độ lên tới 42°C. Quá trình đánh giá chỉ ra rằng các vết nứt này có thể bắt đầu từ 10 ngày tới 100 ngày sau khi đúc do kích thước của đập tăng lên.
a) Hình ảnh đập tràn đang được xây dựng, b, c) các vết nứt do nhiệt gây ra và d, e) kết quả từ các mô phỏng số [18] 8 b. Kết cấu BTCT của đập Itaipu ở Brazil/Paragoay Trong công trình đập Itaipu ở Brazil/Paragoay [36] với cấu trúc bằng bê tông (khoảng 13.000 m3), tổng cộng với 83 khối bê tông có kích thước 17x35x85m (Hình 1.2), nhiệt độ bê tông tươi thiết kế là 7°C [13], sau khi đổ nhiệt độ tối đa trong lõi là 36°C, và nhiệt độ bề mặt là 22°C. a) Khối đúc đập điển hình [20], b) sơ đồ vết nứt của khối đúc, c) kết quả phân bố nhiệt độ từ phương pháp PTHH, d) chỉ số nứt (ứng suất kéo / độ bền kéo) Đối với công trình này, có hai loại bê tông được sử dụng để xây dựng các khối đầu tiên. Loại thứ nhất, được sử dụng cho 6 lớp đầu tiên, có hàm lượng xi măng là 169 kg/m3, hàm lượng tro bay là 20 kg/m3 và hàm lượng nước là 108 kg/m3.
Đường kính cốt liệu lớn nhất của bê tông này là 76 mm và cường độ nén thiết kế là 21 MPa ở 360 ngày. Loại thứ hai có hàm lượng xi măng Pooclăng là 108 kg/m3, hàm lượng tro bay là 13 kg/m3 và hàm lượng nước là 85 kg/m3. Đường kính cốt liệu tối đa của loại bê tông thứ hai này là 152 mm và cường độ nén thiết kế của nó là 14 MPa ở 9 360 ngày [16]. Các vết nứt đầu tiên được nhận thấy bằng cách kiểm tra vào tháng 8 năm 1980.
Đã có những vết nứt ở 34 trong số 47 khối được xây dựng, chủ yếu nằm ở phần sườn chống, và đôi khi ở đầu các khối này. Các vết nứt dọc, bắt đầu từ mặt móng và nằm ở thượng lưu. Các vết nứt này nông, có độ rộng thay đổi từ 0,3 đến 0,9 mm và dài từ 10 m đến 20 m, như được thể hiện trong Hình 1. Các vết nứt này được Phòng thí nghiệm Itaipu đánh giá do ảnh hưởng của sự kiềm chế biến dạng trong kết cấu bê tông khi non tuổi và sự co ngót, từ biến của kết cấu bê tông.
Điều này cho thấy các vết nứt không do tác dụng cơ học trong kết cấu bê tông, bê tông cốt thép thường xuyên xảy ra, nó gây một tác động rất xấu tới khả năng chịu tải, tính liền khối của kết cấu trong quá trình sử dụng. Việc tìm hiểu nguyên nhân và tìm cách khắc phục, hạn chế hiện tượng này là một vấn đề rất cấp bách hiện nay [20]. Kết cấu BTCT của trụ cầu ở Cộng hòa Séc Khối trụ cầu này với kích thước 5x5x4,57m, cấp bê tông là C35/45, bê tông bao gồm chất kết dính, kết hợp 400 kg xi măng/m3, 40 kg/m3 tro bay, 175 kg/m3 nước, 1809 kg/m3 cốt liệu mịn và thô kết hợp và 7 kg/m3 phụ gia. Khối trụ cầu được bố trí theo phương thẳng đứng bằng ba lớp cốt thép có đường kính 32 mm nằm cách bề mặt bên ngoài 500 mm.
Với tổng số 248 cốt thép, như trong Hình 1. 3a, b, tỷ lệ cốt thép dọc là 0,8%. Theo chiều ngang, các cốt đai có đường kính 10 và 12 mm được lắp đặt thành hai lớp, với khoảng cách dọc là 200 mm, dẫn đến tỷ lệ cốt thép theo hướng dọc chỉ là 0,019%. Sau khoảng 1 năm kể từ khi đổ bê tông, các vết nứt dọc có chiều rộng từ 0,1 đến 0,5 mm đã được phát hiện, như trong Hình 1.
Một số mẫu khoan từ lõi sâu 600 mm cho thấy các vết nứt chạy vào khối vượt qua các lớp gia cố. Quá trình nghiên cứu đánh giá đã xác nhận rằng nguyên nhân gây nứt là nhiệt thủy hóa xi măng [23]. Một mô phỏng số đã dự đoán tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu 20°C đến tối đa 61°C sau 9 ngày, xem Hình 1.4a, trong khi khối nguội xuống nhiệt độ môi trường xung quanh sau khoảng 100 ngày. Quá mô phỏng có tính đến độ tự chùng và co ngót của bê tông, cũng như cơ học phá hủy.
Mô hình 10 tài liệu được sử dụng cho độ tự chùng và co ngót [17] có tính đến các biến dạng nhiệt độ và sự co ngót tự sinh, trong khi nó bỏ qua sự co ngót do sấy khô do kích thước lớn của phần tử. Người ta tính toán rằng chiều rộng vết nứt dự đoán trung bình là khoảng 0,23 mm, nằm trong phạm vi chiều rộng vết nứt đo được trên bề mặt bê tông (0,1– 0,5 mm), xem Hình 1.