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 trong bê tông cốt thép công trình cầu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN XUÂN LAM

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH
TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO
NHIỆT THỦY HĨA XI MĂNG TRONG BÊ TƠNG CỐT THÉP
CƠNG TRÌNH CẦU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN XUÂN LAM

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH
TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO
NHIỆT THỦY HĨA XI MĂNG TRONG BÊ TƠNG CỐT THÉP
CƠNG TRÌNH CẦU
Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao
thơng Mã số: 9.58.02.05
Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long
2. PGS.TS. Nguyễn Duy Tiến

HÀ NỘI - 2022


3
LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và
kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả
nào hay ở bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Xn Lam


LỜI CẢM ƠN
Bản Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải
dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và Thầy PGS.TS
Nguyễn Duy Tiến. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về
định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt
q trình nghiên cứu, có những lúc Nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục
nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các Thầy cộng với sự nỗ lực
không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu
sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các Nhà khoa học trong và ngoài nước, Tác
giả của các cơng trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong
luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên
cứu hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phịng Đào tạo Sau

Đại học, Bộ mơn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận
tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hồn thành chương trình
nghiên cứu của mình.
Cuối cùng là sự biết ơn đến Gia đình đã liên tục động viên để duy trì nghị
lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía
cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Xuân Lam


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................xi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT............................................................xiv
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN....................................................................................6
1.1. Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh
hưởng trực tiếp từ tác động cơ học....................................................................6
1.1.1. Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học..................................6
1.1.2 Khái niệm về nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tơng..........................................19
1.1.3 Các quy định về kiểm sốt vết nứt phi kết cấu cho các cơng trình cầu ở
Việt Nam.................................................................................................31
1.2. Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong
kết cấu bê tông cốt thép ở tuổi sớm trên thế giới và tại Việt Nam.................32
1.2.1. Các phương pháp trên thế giới..........................................................................32

1.2.2. Các phương pháp ở Việt Nam...........................................................................35
1.3. Một số giải pháp phòng chống, hạn chế nứt không do lực tác động trong kết
cấu bê tông, bê tông cốt thép của mố trụ cầu ở giai đoạn thi công.................36
1.3.1. Phương pháp hạ nhiệt cốt liệu...........................................................................36
1.3.2. Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt.............................................................................36
1.3.3. Bảo dưỡng bê tơng............................................................................................36
1.3.4. Khống chế nhiệt độ bê tơng trong q trình thi cơng........................................37
1.3.5. Sử dụng phụ gia khoáng....................................................................................37
1.4.

Kết luận chương 1..................................................................................39


1.5............................................................................................................................ C
HƯƠNG 2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC ĐẶC
TRƯNG VẬT LIỆU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA LỚP BÊ TƠNG CỐT THÉP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HĨA....................................................40
2.1. Tổng quan về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu.....................................40
2.1.1. Ứng xử vật liệu.................................................................................................40
2.2.2. Khái niệm đa cấp độ..........................................................................................41
2.2.3. Khái niệm đồng nhất hóa..................................................................................41
2.2.4. Đồng nhất hóa vật liệu theo bài tốn nhiệt........................................................44
2.2.5. Đồng nhất hóa vật liệu theo với điều kiện biên theo biến dạng để xác
định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT..................47
2.2. Tính tốn hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT bằng phương
pháp đồng nhất hóa....................................................................................53
2.2.1. Phương trình vi phân của q trình truyền nhiệt....................................54
2.2.2. Các thơng số tính tốn nguồn nhiệt......................................................54
2.2.3. Cơng thức q trình truyền nhiệt trong phương pháp phần tử hữu hạn 56
2.3.Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để xác định hệ số dẫn nhiệt tương

đương, chiều dày của lớp BTCT sau khi đồng nhất hóa và nhiệt dung
riêng của lớp BTCT....................................................................................57
2.3.1.Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương...................................................57
2.3.2. Xác định chiều dày của lớp BTCT.......................................................60
2.3.3. Xác định nhiệt dung riêng của lớp BTCT............................................60
2.4. Xây dựng chương trình tính tốn hệ số dẫn nhiệt tương đương và các
đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT........................................60
2.4.1 Sơ đồ khối của chương trình tính tốn hệ số dẫn nhiệt tương đương................60
2.4.2 Xác định các đặc trưng vật liệu tương đương của kết cấu BTCT thay đổi
theo thời gian bằng phương pháp đồng nhất hóa....................................69
2.5. Khảo sát ảnh hưởng của cấp bê tông và biện pháp thi công đến khả năng
gây nứt của trụ cầu BTCT.........................................................................73
2.5.1. Mơ hình bài toán..................................................................................74


2.5.2. Bê tông thông thường..........................................................................75
2.5.3. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ lớn......................................78
2.5.4. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ nhỏ.....................................82
2.6. Kết luận chương 2:......................................................................................88
2.6.1......................................................................................................................... C
HƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ĐOẠN
NHIỆT TỪ Q TRÌNH THỦY HĨA CỦA XI MĂNG CHO BÊ TƠNG
THƠNG THƯỜNG DÙNG CHO CƠNG TRÌNH CẦU.....................................90
3.1. Mục đích thí nghiệm.......................................................................................90
3.2. Thực nghiệm xác định nhiệt phát sinh trong đơn vị thể tích của bê tơng
tuổi sớm sử dụng cho mố và trụ cầu.........................................................90
3.2.1. Lựa chọn cấp phối thí nghiệm..............................................................90
3.2.2. Quy trình thực hiện thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt cho bê
tông......................................................................................................91
3.2.3. Đánh giá đặc trưng nhiệt của các mẫu bê tông.......................................98

3.3. Kết luận chương 3:..............................................................................................104
2.6.2....................................................................................................................... CH
ƯƠNG 4. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HĨA ĐỂ PHÂN TÍCH
TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG KẾT CẤU
TRỤ CẦU BTCT Ở TUỔI SỚM........................................................................105
2.6.3................................................................................................................... 4.1
Thiết lập quá trình đo nhiệt thủy hóa của xi măng của thân trụ BTCT ngồi
hiện trường.......................................................................................................106
4.2. Mơ phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian và sự phân bố nhiệt độ do
nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT thực tế.............................................108
4.3. Mơ phỏng sự thay đổi ứng suất do nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT
thực tế...............................................................................................................108
4.4. Kết luận chương 4:...................................................................................126
2.6.4....................................................................................................................... KẾT LUẬN
VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................128

2.6.5....................................................................................................................... DANH MỤC
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ......................................................131
2.6.6....................................................................................................................... TÀI LIỆU
THAM KHẢO.....................................................................................................132


2.6.7....................................................................................................................... PHỤ LỤC
............................................................................................................................... 136


2.6.8.
2.6.9.

DANH MỤC HÌNH VẼ

2.6.10......................................................................................................................... Hình
Phân bố ứng suất trong bê tơng khối lớn do chênh lệch nhiệt độ...............................1

1.

2.6.11......................................................................................................................... H
ình 2. Ví dụ về các kết cấu bê tơng thường xuất hiện vết nứt phi kết cấu: a) tấm
móng bè, b) đập bê tông, c) Bể chứa, d) tháp tỏa nhiệt của lị phản ứng, e) móng
tuabin gió, f) cọc, g) các đoạn đúc sẵn (đường hầm, bản mặt cầu), h) các khối bê
tơng chắn sóng, i) trụ cầu và (j) tường chắn..............................................................2
2.6.12.
2.6.13......................................................................................................................... H
ình 1. 1. 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 [9].....................................................................7
2.6.14......................................................................................................................... H
ình 1. 2. a) Khối đúc đập điển hình [13], b) sơ đồ vết nứt của khối đúc, c) kết quả
phân bố nhiệt độ từ FEM và d) chỉ số nứt (ứng suất kéo / độ bền kéo).....................8
2.6.15....................................................................................................................... Hì
nh 1. 3. a) Bố trí cốt thép mặt cắt ngang trụ, b) chi tiết diện tích bề mặt được gia cố,
c) khối bị nứt sau 1 năm với các vết nứt dọc, d) hình ảnh chi tiết của một lõi khoan
qua vết nứt dọc rộng 0,4 mm...................................................................................10
2.6.16....................................................................................................................... Hì
nh 1. 4. Mơ phỏng khối móng trụ: a) diễn biến nhiệt độ trong lõi và b) trạng thái nứt
ở 720 ngày sau khi đúc............................................................................................11
2.6.17.

Hình 1. 5. a) Hình ảnh bệ trụ IOB. Một số vết nứt đã sửa chữa, b) Chỉ

số nứt FEA của móng IOB ở 116 giờ sau khi đúc, c) Chỉ số nứt FEA của bệ trụ SBB

ở 86 giờ sau khi đúc và d) Chỉ số nứt FEA của bệ trụ WBB ở 156 giờ sau khi đúc
[16].

13

2.6.18....................................................................................................................... Hì
nh 1. 6. Các vết nứt điển hình trên trụ: a) ngang, b) dọc và c) hướng ngẫu nhiên
[17].......................................................................................................................... 15

2.6.19....................................................................................................................... Hình 1. 7.
Nứt do Sa lắng.........................................................................................................16

2.6.20....................................................................................................................... Hình 1. 8.
Nứt do co dẻo..........................................................................................................17


2.6.21....................................................................................................................... Hình 1. 9.
Nứt nhiệt thủy hóa xi măng tại trụ cầu Vĩnh Tuy....................................................17

2.6.22....................................................................................................................... Hình 1. 10.
Nứt do co khơ..........................................................................................................18

2.6.23....................................................................................................................... Hình 1. 11.
Nứt do rỉ cốt thép.....................................................................................................18
2.6.24.
25

Hình 1. 12. Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng

2.6.25....................................................................................................................... Hình 1. 13.

Ứng xử nhiệt của bê tông........................................................................................27


2.6.26.
2.6.27.
Hình 1. 14. Ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tơng theo thời gian.
27
2.6.28.
28

Hình 1. 15. Tốc độ tỏa nhiệt trong q trình thủy hóa của xi măng pclăng

2.6.29....................................................................................................................... Hì
nh 2. 1. Q trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) Cấp độ kết cấu; (b) phần tử thể tích
đặc trưng REV; (c) Mơi trường đồng nhất tương đương..........................................42

2.6.30....................................................................................................................... Hình 2. 2.
Phần tử thể tích đặc trưng REV chứa hai vật liệu thành phần..................................45
2.6.31....................................................................................................................... Hì
nh 2. 3. Phần tử thể tích đặc trưng REV của vật liệu BTCT ( hình trịn là cốt thép,
phần cịn lại là bê tơng): (a) phần tử thể tích đặc trưng REV; (b) chia lưới tam giác
cho REV.................................................................................................................. 48
2.6.32.
Hình 2. 4. Các giá trị thành phần chuyển vị tại nút của
phần tử: (a)
2.6.34.

2.6.33.
⊗e1 ,

ξ = ξ 11e1

2.6.41.
(e ⊗ e
2.6.37.
1
2.6.42.................................................. + e ⊗ e ) 52
2.6.35.2.6.36.2.6.38.
,
ξ = e ⊗e (c) ξ =
ξ

ξ

2.6.43.22

2
2

2.6.39.
2.6.40.
2.6.44.

2

121

2

2

1

2.6.45....................................................................................................................... Hì
nh 2. 5. Q trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) kết cấu khơng đồng nhất; (b) kết cấu
đồng nhất; (c) REV..................................................................................................58
2.6.46.
BTCT

Hình 2. 6. Chia lưới tam giác trong khối vật thể đặc trưng REV của vật liệu

2.6.47.

.............................................................................................................................. 59

2.6.48....................................................................................................................... Hình 2. 7.
Giá trị nhiệt độ tại các nút phần tử tam giác............................................................59
2.6.49....................................................................................................................... Hì
nh 2. 8. Sơ đồ qui trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn
................................................................................................................................. 61
2.6.50....................................................................................................................... Hình 2. 9.


Giao diện chương trình Tcon1.................................................................................62
2.6.51....................................................................................................................... Hình 2. 10.
Mơ hình vật liệu bê tơng cốt thép............................................................................63
2.6.52....................................................................................................................... Hình 2. 11.
Hệ số dẫn nhiệt tương đương theo thời gian............................................................63
2.6.53.
(b)

Hình 2. 12. Kích thước khối BTCT được đồng nhất hóa (a) và chia lưới của khối

2.6.54.
64

..............................................................................................................................

2.6.55....................................................................................................................... Hình 2. 13.
Trường nhiệt độ trong khối bê tơng.........................................................................64
2.6.56....................................................................................................................... Hì
nh 2. 14. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 18mm, bề dày
lớp bê tông bảo vệ 50mm........................................................................................65


2.6.57....................................................................................................................... Hì
nh 2. 15. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 20mm, bề dày
lớp bê tơng bảo vệ 50mm........................................................................................65
2.6.58....................................................................................................................... Hì
nh 2. 16. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 25mm, bề dày
lớp bê tơng bảo vệ 50mm........................................................................................66
2.6.59....................................................................................................................... Hì
nh 2. 17. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 32mm, bề dày
lớp bê tông bảo vệ 50mm........................................................................................66
2.6.60....................................................................................................................... Hì
nh 2. 18. Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt tương đương và đường kính cốt thép, bề dày
lớp bê tơng bảo vệ...................................................................................................68
2.6.61....................................................................................................................... Hì
nh 2. 19. Hệ số truyền nhiệt tương đương theo thời gian với trường hợp đường kính
cố thép chủ D32mm và cốt thép đai D25mm...........................................................68

2.6.62....................................................................................................................... Hình 2. 20.
Mô đun đàn hồi Ex của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian................................72
2.6.63....................................................................................................................... Hình 2. 21.
Mơ đun đàn hồi Ey của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian................................73
2.6.64....................................................................................................................... Hình 2. 22.
Mơ hình trụ đặc BTCT............................................................................................75
2.6.65....................................................................................................................... Hình 2. 23.
Biến thiên ứng suất trong thân trụ...........................................................................75
2.6.66....................................................................................................................... Hình 2. 24.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M250......................................76
2.6.67....................................................................................................................... Hình 2. 25.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M200......................................77
2.6.68....................................................................................................................... Hình 2. 26.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m...............................78
2.6.69....................................................................................................................... Hình 2. 27.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,8m............................79
2.6.70....................................................................................................................... Hình 2. 28.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,6m............................79
2.6.71....................................................................................................................... Hình 2. 29.


Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,4m............................79
2.6.72....................................................................................................................... Hình 2. 30.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,2m............................80
2.6.73....................................................................................................................... Hình 2. 31.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,0m............................80
2.6.74....................................................................................................................... Hình 2. 32.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m...............................83
2.6.75....................................................................................................................... Hình 2. 33.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,8m............................83

2.6.76....................................................................................................................... Hình 2. 34.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,6m............................83
2.6.77....................................................................................................................... Hình 2. 35.
Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,4m............................84


2.6.78.
84

Hình 2. 36. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,2m

2.6.79.
84

Hình 2. 37. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,0m

2.6.80....................................................................................................................... Hình 2. 38.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M400......................................86

2.6.81....................................................................................................................... Hình 2. 39.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M350......................................86

2.6.82....................................................................................................................... Hình 2. 40.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M300......................................86

2.6.83....................................................................................................................... Hình 2. 41.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M250......................................87

2.6.84....................................................................................................................... Hình 2. 42.
Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M200......................................87

2.6.85..................................................................................................................... Hình 3. 1. Sơ
đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt......................................................94

2.6.86....................................................................................................................... Hình 3. 2.
Trộn vật liệu hỗn hợp BT........................................................................................95

2.6.87....................................................................................................................... Hình 3. 3.
Đặt mẫu bê tông vào khay, kết nối cảm biến nhiệt..................................................95

2.6.88....................................................................................................................... Hình 3. 4.
Đặt khay mẫu vào thùng đoạn nhiệt, nối cảm biến với máy đo...............................96

2.6.89....................................................................................................................... Hình 3. 5.
Máy tính theo dõi và lưu dữ liệu đo nhiệt................................................................97

2.6.90....................................................................................................................... Hình 3. 6.
Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của 2 hỗn hợp bê tơng.........................................99
2.6.91..................................................................................................................... Hình
Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm và hồi quy..........................................102

3.

7.

2.6.92..................................................................................................................... Hình
Nhiệt lượng sinh ra do nhiệt thủy hóa xi măng theo thời gian...............................103

3.

8.

2.6.93..................................................................................................................... Hìn
h 4. 1. Sơ đồ chương trình tính tốn sự phân bố nhiệt độ do nhiệt thủy hóa…106
Hình 4. 2. Thân trụ dùng để thực nghiệm: (a) kích thước thân trụ; (b) Bố trí cốt thép
mặt cắt ngang, (c) Bố trí các đầu đo nhiệt độ trên mặt cắt ngang..........................107
2.6.94.
trường.

Hình 4. 3. Nhiệt độ đo được tại các đầu đo bằng Thermometer ngoài hiện


2.6.95.
108

............................................................................................................................

2.6.96..................................................................................................................... Hình
Chia lưới hai lớp vật liệu theo mơ hình phần tử hữu hạn.......................................109

4.

4.

2.6.97..................................................................................................................... Hình
Phân bố nhiệt của mặt cắt ngang thân trụ tại thời điểm 120 giờ............................110

4.

5.

2.6.98..................................................................................................................... Hìn
h 4. 6. So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí điểm đo: (a). Mơ phỏng
nhiệt độ thay đổi theo giờ. (b). So sánh nhiệt độ trên cạnh dài. (c). So sánh nhiệt độ
trên cạnh ngắn.......................................................................................................111
2.6.99..................................................................................................................... Hìn
h 4. 7. Nhiệt độ tại các vị trí đầu đo phụ thuộc khoảng cách tới tâm trụ theo cạnh dài
thân trụ: (a). Mô phỏng, (b)Thực đo......................................................................111


2.6.100................................................................................................................... Hìn
h 4. 8. Nhiệt độ tại các vị trí đầu đo phụ thuộc khoảng cách tới tâm trụ theo cạnh
ngắn thân trụ: (a). Mơ phỏng. (b)Thực đo.............................................................112
2.6.101................................................................................................................... Hìn
h 4. 9. So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo phụ thuộc
khoảng cách tới tâm trụ theo cạnh dài thân trụ của mô phỏng và thực đo..............112
2.6.102................................................................................................................... Hìn
h 4. 10. So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo phụ thuộc
khoảng cách tới tâm trụ theo cạnh ngắn thân trụ của mơ phỏng và thực đo...........113
2.6.103................................................................................................................... Hìn
h 4. 11. So sánh nhiệt độ thay đổi theo thời gian tại các vị trí đầu đo theo mơ phỏng
của vật liệu BTCT và vật liệu thuần bê tơng..........................................................114
2.6.104................................................................................................................... Hình 4. 12.
Hình dạng trụ cầu trên mơ hình.............................................................................116
2.6.105................................................................................................................... Hìn
h 4. 13. Khai báo ảnh hưởng của từ biến và co ngót : (a) Hiển thị trên phần mềm ;
(b) Việt hóa tương ứng...........................................................................................117
2.6.106................................................................................................................... Hìn
h 4. 14. Hàm ảnh hưởng do từ biến của vật liệu theo thời gian: (a) Hiển thị trên phần
mềm ; (b) Việt hóa tương ứng................................................................................118

2.6.107................................................................................................................... Hìn
h 4. 15. Hàm ảnh hưởng do co ngót của vật liệu theo thời gian: (a) Hiển thị trên
phần mềm ; (b) Việt hóa tương ứng.......................................................................119
2.6.108................................................................................................................... Hình 4. 16.
Chia lưới trong mơ hình phần tử hữu hạn của kết cấu...........................................120
2.6.109................................................................................................................... Hìn
h 4. 17. Điều kiện biên với mặt cắt thân trụ cầu bị ngăn cản chuyển vị theo phương
pháp tuyến với mặt cắt...........................................................................................120
2.6.110................................................................................................................... Hìn
h 4. 18. Hàm nhiệt độ mơi trường xung quanh: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b) Việt
hóa tương ứng........................................................................................................121
2.6.111................................................................................................................... Hìn


h 4. 19. Hàm đối lưu bề mặt thân trụ: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b) Việt hóa
tương ứng..............................................................................................................122
2.6.112................................................................................................................... Hìn
h 4. 20. Ứng suất lớn nhất do nhiệt thủy hóa xi măng tại bề mặt bê tơng lớn nhất ở
thời điểm 60 giờ....................................................................................................124
2.6.113................................................................................................................... Hình 4. 21.
Ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng tại thời điểm 1000 giờ..................................125
2.6.114................................................................................................................... Hìn
h 4. 22. Thay đổi ứng suất nhiệt trên bề mặt khối bê tông và cường độ chịu kéo của
bê tông................................................................................................................... 125


2.6.115.
2.6.116.

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2.6.117..................................................................................................................... Bảng 1.1.
Thông tin liên quan đến nứt móng cầu [16].............................................................11
2.6.118..................................................................................................................... Bảng 1. 2.
Kết quả nhiệt từ các mô phỏng trong [16]...............................................................12
2.6.119..................................................................................................................... Bảng 1. 3.
Thông tin liên quan đến các trụ cầu bị nứt trong [15]..............................................14
2.6.120..................................................................................................................... Bảng 1. 4.
Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông ninh kết.........................................................16
2.6.121..................................................................................................................... Bảng 1. 5.
Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông non tuổi.........................................................17
2.6.122..................................................................................................................... Bảng 1. 6.
Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông đạt cường độ.................................................18
2.6.123..................................................................................................................... Bảng 1. 7.
Quá trình thủy hóa điển hình của xi măng...............................................................29
2.6.124.
2.6.125.
2.6.126..................................................................................................................... B
ảng 2. 1. Hệ số dẫn nhiệt tương đương (W/mK) của BTCT cho một số loại đường
kính cốt thép điển hình............................................................................................67
2.6.127..................................................................................................................... B
ảng 2. 2. Chiều dày của lớp BTCT (mm) sau đồng nhất cho một số loại đường kính
cốt thép điển hình....................................................................................................67
2.6.128..................................................................................................................... B
ảng 2. 3. Mô đun đàn hồi Ex đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép điển
hình.......................................................................................................................... 70
2.6.129..................................................................................................................... B
ảng 2. 4. Mô đun đàn hồi Ey đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép điển
hình.......................................................................................................................... 70
2.6.130.

Bảng 2. 5. Hệ số 2.6.131.
đồng nhất cho một số đường kính cốt thép điển
Poisson υ yx
hình.
2.6.132.
2.6.133.
..............................................................................................................................
71
2.6.134..................................................................................................................... B


ảng 2. 6. Nhiệt dung riêng (J/kg.K) của kết cấu BTCT cho một số đường kính cốt
thép điển hình..........................................................................................................71
2.6.135..................................................................................................................... Bảng 2. 7.
Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng với Mác và bề dày a..........................76
2.6.136..................................................................................................................... Bảng 2. 8.
Tương quan giữa a và M..........................................................................................77
2.6.137..................................................................................................................... B
ảng 2. 9. Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày thân
trụ............................................................................................................................ 78
2.6.138..................................................................................................................... Bảng 2. 10.
Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt.................................81
2.6.139..................................................................................................................... Bảng 2. 11.
Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt.......................................................82


2.6.140..................................................................................................................... B
ảng 2. 12. Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày
thân trụ....................................................................................................................82
2.6.141..................................................................................................................... Bảng 2. 13.

Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt.................................85
2.6.142..................................................................................................................... Bảng 2. 14.
Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt.......................................................88

2.6.143..................................................................................................................... Bảng 3. 1.
Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông....................................................................91
2.6.144..................................................................................................................... Bảng 3. 2.
Thành phần hóa học của xi măng (%).....................................................................91
2.6.145..................................................................................................................... Bảng 3. 3.
Thành phần khoáng vật của xi măng (%)................................................................91
2.6.146..................................................................................................................... Bảng 3. 4.
So sánh các phương pháp đo nhiệt lượng................................................................92
2.6.147..................................................................................................................... Bảng 3. 5.
Kết quả đo nhiệt độ đoạn nhiệt của mẫu bê tông.....................................................97

2.6.148................................................................................................................... Bảng 4. 1.
Các thông tin cơ bản về vật liệu trong kết cấu.......................................................116
2.6.149................................................................................................................... Bảng 4. 2.
Điều kiện biên tỏa nhiệt.........................................................................................123


2.6.150.

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

2.6.151.
2.6.152.2.6.153.
T
STT ên viết tắt

2.6.154. Ngu
yên nghĩa

2.6.155.2.6.156.
1 CVN

T 2.6.157.

2.6.158.2.6.159.
2 ASHTO

A

2.6.161.2.6.162.
3 CI

Tiêu chuẩn Việt Nam

2.6.160.
American Association of State Highway and
Transportation Officials (Hiệp hội Giao thông và Vận tải
đường bộ Hoa Kỳ)
2.6.163.
American Concrete Institute (Viện nghiên cứu bê
A
tông Hoa Kỳ)

2.6.164.2.6.165.
4 STM

A

2.6.166.
American Society for Testing and Materials
(Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ)

2.6.167.2.6.168.
5 SCE

A

2.6.169.
American Society of Civil Engineering (Hiệp hội
kỹ sư dân dụng Hoa kỳ)

2.6.170.2.6.171.
6 IB

F

2.6.172.
Fédération Internationale du Béton (Liên đoàn
quốc tế về kết cấu bê tông)

2.6.173.2.6.174.
7 EB

C

2.6.175.

Comité Euro-International du Béton (Ủy ban bê
tông Châu Âu)

2.6.176.2.6.177.
8 IP

F

2.6.178.
Fédération Internationale de la Précontrainte
(Liên đồn bê tơng dự ứng lực quốc tế)

2.6.179.2.6.180.
9 TCT

B 2.6.181.

Bê tông cốt thép

2.6.182.2.6.183.
10 T

B 2.6.184.

Bê tông

2.6.185.2.6.186.
11 RFD

L

2.6.188.2.6.189.
12 THH

P 2.6.190.

2.6.191.2.6.192.
13 EV

R

2.6.194.2.6.195.
14 EM

F 2.6.196.
hạn)

Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu

2.6.197.2.6.198.
15 EA

F 2.6.199.
hạn)

Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu

2.6.187.
Load and Resistance Factor Design (Thiết kế theo
hệ số tải trọng và hệ số sức kháng)

Phần tử hữu hạn

2.6.193.
Representative Elementary Volume (Phần tử thể
tích đặc trưng)


23
2.6.200.
2.6.201.

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
2.6.202.
2.6.203.
Bê tơng là một vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trên
khắp thế giới bởi nó có nhiều tính năng đáp ứng được yêu cầu của nhiều loại kết cấu
khác nhau, khả năng tạo hình cao, tính chất kết cấu tốt và độ bền cao so với các loại
vật liệu xây dựng khác. Điều này, cùng với việc các thành phần cốt liệu rẻ và dễ tiếp
cận, đã làm cho nó trở thành vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất cho các kết
cấu hiện nay. Nhưng quá trình xây dựng, trong kết cấu bê tông cốt thép xuất hiện sự
hình thành nhiệt độ ở tuổi sớm do ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa. Đây là một trong
những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu do phân bố nhiệt độ này có ảnh hưởng trực
tiếp đến trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu BTCT ở giai đoạn thi công.
2.6.204.

Cụ thể, ứng suất kéo do sự kết hợp của chênh lệch nhiệt độ,

nhiệt của q 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.
Sự phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề
mặt khối bê tông được thể hiện như Hình 1. Việc xử lý, sửa chữa, khắc phục các vết
nứt này đều gây tốn kém về kinh phí và gây khó khăn, phức tạp trong xây dựng,
cũng như cơng tác bảo trì, khai thác cơng trình.

2.6.205.
2.6.206.

Hình 1. Phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt
độ


2.6.207.
2.6.208.

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 cơng trình cầu như trình bày trong Hình 2. Khả năng nứt của các kết cấu dạng
này do nhiệt độ trong các kết cấu liên quan chặt chẽ tới hàm lượng chất kết dính,
nhiệt độ mơi trường khi thi cơng và nhiệt độ bê tơng tươi, đặc điểm hình học của
các kết cấu.

2.6.209.
2.6.210.
2.6.211. Hình 2. Ví dụ về các kết cấu bê tông thường xuất hiện vết nứt phi kết
cấu: a) tấm móng bè, b) đập bê tơng, c) Bể chứa, d) tháp tỏa nhiệt của lị phản

ứng, e) móng tuabin gió, f) cọc, g) các đoạn đúc sẵn (đường hầm, bản mặt cầu),
h) các khối bê tơng chắn sóng, i) trụ cầu và (j) tường chắn.
2.6.212.

Sự hình thành nguồn nhiệt độ trong cấu kiện bê tông phụ thuộc

vào nhiều yếu tố, trong đó những yếu tố quan trọng là cấp phối bê tông và công
nghệ xây dựng. Nhiều nghiên cứu trước đây đã phân tích ảnh hưởng của các yếu tố
cơng nghệ như: tốc độ thi cơng, kích thước khối đổ, hàm lượng xi măng, nhiệt
lượng tỏa ra của 1 kg xi măng, nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp bê tông, thời điểm xây
dựng đến phân bố nhiệt trong khối bê tông cốt thép [14, 44].
2.6.213.

Ở Việt Nam, theo tiêu chuẩn TCVN 9341:2012 “Bê tông khối

lớn – Thi cơng và nghiệm thu” [1], để ngăn ngừa sự hình thành vết nứt trong kết cấu
bê tông, chúng ta phải bảo đảm hai yếu tố: Độ chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa các
điểm hoặc các vùng trong khối bê tông không vượt quá 20 oC: ∆T < 20oC; Mô đun
độ chênh lệch nhiệt độ MT giữa các điểm trong khối BT đạt không quá 50oC/m;
MT< 50oC/m.


2.6.214.
2.6.215.
Mô đun độ chênh lệch nhiệt độ- mức chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm
trong khối bê tông cách nhau 1m. Đơn vị tính là oC/m. Hiện tại, cơng trình cầu
thường sử dụng các bê tơng có cường độ cao (từ cấp 25MPa đến 40MPa) nên cần
xem xét lại do một số yếu tố như sau: Bê tông cường độ cao thường sử dụng hàm
lượng xi măng lớn (có thể hơn 400kg/m 3) dẫn đến nhiệt lượng do thủy hóa của xi
măng lớn hơn nhiều so với bê tông đầm lăn và bê tông thủy công. Đặc biệt kết cấu

bê tông trụ cầu sử dụng cốt thép tại biên gần mặt bê tơng, do đó chúng làm thay đổi
hệ số dẫn nhiệt và khả năng chịu kéo trên bề mặt của bê tông.
2.6.216.

Nghiên cứu về nguồn nhiệt độ, trường ứng suất của cấu kiện bê

tông (trạng thái phân bố nhiệt độ và biến dạng) được nhiều nhà khoa học quan tâm:
Một nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước kết cấu bê tơng khối lớn đến sự hình
thành trường nhiệt độ và vết nứt do thủy hóa xi măng của [3] đã xem xét ảnh hưởng
của kích thước khối bê tông đến trường nhiệt độ ở tuổi sớm ngày, các kích thước
của khối là 2x2x2m, 3x3x3m, 4x4x4m và 5x5x5m nhưng là khối bê tơng đồng nhất
khơng có lớp cốt thép bên trong kết cấu. Một nghiên cứu khác về mức độ thủy hóa
và sự phát triển cường độ trong bê tông cường độ cao của [7] đã dựa vào mức độ
thủy hóa xác định từ thí nghiệm nhiệt độ đoạn nhiệt. Trong đó, các dữ liệu cần thiết
được lấy từ kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén, ép chẻ và nhiệt độ đoạn nhiệt
của 1 hỗn hợp bê tông cường độ cao. Các tham số nhiệt thủy hóa bao gồm tham số
thời gian và tham số hình dạng được tính tốn dựa vào đường cong đoạn nhiệt, từ
đó xác định được mức độ thủy hóa. Đối với hỗn hợp bê tơng cường độ cao thí
nghiệm, cường độ chịu nén cũng có quan hệ tuyến tính với mức độ thủy hóa, tương
tự như bê tơng thường. Một nghiên cứu khác về xác định và đánh giá nhiệt thủy hóa
của một số hỗn hợp phụ gia khống trong bê tơng sử dụng cho kết cấu bê tơng khối
lớn của [5] trình bày phương pháp đo nhiệt lượng đẳng nhiệt để xác định nhiệt thủy
hóa cho hỗn hợp phụ gia khống trong bê tơng. Thí nghiệm được thực hiện cho 8
hỗn hợp bê tơng khối lớn sử dụng trong cơng trình cầu ở Florida, Mỹ. Kết quả
nghiên cứu cho thấy hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/xi măng, loại phụ gia khoáng
và tỷ lệ phụ gia khống thay thế xi măng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt thủy hóa