(Luận Án Tiến Sĩ) 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.pdf

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 thông
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


i
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


ii
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

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Xuân Lam

năm 2022


iii
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 khơng 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 soát 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 tơng 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 phịng chống, hạn chế nứt khơng 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 tông ............................................................................... 36
1.3.4. Khống chế nhiệt độ bê tông trong q trình thi cơng. ........................... 37
1.3.5. Sử dụng phụ gia khoáng ....................................................................... 37
1.4.

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


iv
CHƯƠNG 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 quá trình truyền nhiệt ................................... 54
2.2.2. Các thơng số tính tốn nguồn nhiệt .................................................... 54
2.2.3. Cơng thức quá 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


v
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

CHƯƠNG 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
CHƯƠNG 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
4.1 Thiết lập quá trình đo nhiệt thủy hóa của xi măng của thân trụ BTCT
ngồi hiện trường .......................................................................................... 106
4.2. Mô 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. Mô 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
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 128
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .............................. 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 132
PHỤ LỤC……… ............................................................................................... 136


vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ ................ 1

Hình 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
Hình 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 mơ phỏng số [9]................................................................ 7
Hình 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
Hình 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
Hình 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
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
Hình 1. 6. Các vết nứt điển hình trên trụ: a) ngang, b) dọc và c) hướng ngẫu nhiên
[17]........................................................................................................................ 15
Hình 1. 7. Nứt do Sa lắng ...................................................................................... 16
Hình 1. 8. Nứt do co dẻo........................................................................................ 17
Hình 1. 9. Nứt nhiệt thủy hóa xi măng tại trụ cầu Vĩnh Tuy................................... 17
Hình 1. 10. Nứt do co khơ ..................................................................................... 18
Hình 1. 11. Nứt do rỉ cốt thép ................................................................................ 18
Hình 1. 12. Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng. ....... 25
Hình 1. 13. Ứng xử nhiệt của bê tông. ................................................................... 27


vii
Hình 1. 14. Ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tơng theo thời gian. ........ 27
Hình 1. 15. Tốc độ tỏa nhiệt trong q trình thủy hóa của xi măng pclăng. ........ 28

Hình 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
Hình 2. 2. Phần tử thể tích đặc trưng REV chứa hai vật liệu thành phần ................ 45
Hình 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
Hình 2. 4. Các giá trị thành phần chuyển vị tại nút của phần tử: (a)  = 11e1  e1 ,
1
(b)  = 22e2  e2 , (c)  = 12 (e1  e2 + e2  e1 ) ...................................................... 52
2

Hình 2. 5. Quá trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) kết cấu khơng đồng nhất; (b) kết cấu
đồng nhất; (c) REV................................................................................................ 58
Hình 2. 6. Chia lưới tam giác trong khối vật thể đặc trưng REV của vật liệu BTCT
.............................................................................................................................. 59
Hình 2. 7. Giá trị nhiệt độ tại các nút phần tử tam giác .......................................... 59
Hình 2. 8. Sơ đồ qui trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tơng khối
lớn ......................................................................................................................... 61
Hình 2. 9. Giao diện chương trình Tcon1............................................................... 62
Hình 2. 10. Mơ hình vật liệu bê tơng cốt thép ........................................................ 63
Hình 2. 11. Hệ số dẫn nhiệt tương đương theo thời gian. ....................................... 63
Hình 2. 12. Kích thước khối BTCT được đồng nhất hóa (a) và chia lưới của khối (b)
.............................................................................................................................. 64
Hình 2. 13. Trường nhiệt độ trong khối bê tông ..................................................... 64
Hình 2. 14. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 18mm, bề
dày lớp bê tơng bảo vệ 50mm ................................................................................ 65


viii
Hình 2. 15. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 20mm, bề

dày lớp bê tơng bảo vệ 50mm ................................................................................ 65
Hình 2. 16. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 25mm, bề
dày lớp bê tơng bảo vệ 50mm ................................................................................ 66
Hình 2. 17. Trường nhiệt độ trong khối bê tơng có đường kính cốt thép 32mm, bề
dày lớp bê tơng bảo vệ 50mm ................................................................................ 66
Hình 2. 18. Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt tương đương và đường kính cốt thép, bề
dày lớp bê tơng bảo vệ ........................................................................................... 68
Hình 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
Hình 2. 20. Mơ đun đàn hồi Ex của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian ............. 72
Hình 2. 21. Mơ đun đàn hồi Ey của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian ............ 73
Hình 2. 22. Mơ hình trụ đặc BTCT ........................................................................ 75
Hình 2. 23. Biến thiên ứng suất trong thân trụ ....................................................... 75
Hình 2. 24. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M250 .................. 76
Hình 2. 25. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M200 .................. 77
Hình 2. 26. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m............ 78
Hình 2. 27. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,8m......... 79
Hình 2. 28. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,6m......... 79
Hình 2. 29. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,4m......... 79
Hình 2. 30. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,2m......... 80
Hình 2. 31. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,0m......... 80
Hình 2. 32. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 2m........... 83
Hình 2. 33. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,8m......... 83
Hình 2. 34. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,6m......... 83
Hình 2. 35. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,4m......... 84


ix
Hình 2. 36. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,2m......... 84
Hình 2. 37. Quan hệ ứng suất và lượng xi măng với chiều dày thân trụ 1,0m......... 84

Hình 2. 38. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M400 .................. 86
Hình 2. 39. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M350 .................. 86
Hình 2. 40. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M300 .................. 86
Hình 2. 41. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M250 .................. 87
Hình 2. 42. Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tơng M200 .................. 87
Hình 3. 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt......................... .......94
Hình 3. 2. Trộn vật liệu hỗn hợp BT. ..................................................................... 95
Hình 3. 3. Đặt mẫu bê tơng vào khay, kết nối cảm biến nhiệt................................. 95
Hình 3. 4. Đặt khay mẫu vào thùng đoạn nhiệt, nối cảm biến với máy đo. ............. 96
Hình 3. 5. Máy tính theo dõi và lưu dữ liệu đo nhiệt. ............................................. 97
Hình 3. 6. Nhiệt độ đoạn nhiệt thực nghiệm của 2 hỗn hợp bê tơng. ...................... 99
Hình 3. 7. Đường cong mức độ thủy hóa thực nghiệm và hồi quy. ....................... 102
Hình 3. 8. Nhiệt lượng sinh ra do nhiệt thủy hóa xi măng theo thời gian .............. 103
Hình 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
Hình 4. 3. Nhiệt độ đo được tại các đầu đo bằng Thermometer ngồi hiện trường.
............................................................................................................................ 108
Hình 4. 4. Chia lưới hai lớp vật liệu theo mơ hình phần tử hữu hạn ..................... 109
Hình 4. 5. Phân bố nhiệt của mặt cắt ngang thân trụ tại thời điểm 120 giờ ........... 110
Hình 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
Hình 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


x
Hình 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

Hình 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
Hình 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 mô phỏng và thực đo .......... 113
Hình 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 tông.............................................. 114
Hình 4. 12. Hình dạng trụ cầu trên mơ hình ......................................................... 116
Hình 4. 13. Khai báo ảnh hưởng của từ biến và co ngót : (a) Hiển thị trên phần
mềm ; (b) Việt hóa tương ứng.............................................................................. 117
Hình 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
Hình 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
Hình 4. 16. Chia lưới trong mơ hình phần tử hữu hạn của kết cấu ........................ 120
Hình 4. 17. Điều kiện biên với mặt cắt thân trụ cầu bị ngăn cản chuyển vị theo
phương pháp tuyến với mặt cắt ............................................................................ 120
Hình 4. 18. Hàm nhiệt độ mơi trường xung quanh: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b)
Việt hóa tương ứng .............................................................................................. 121
Hình 4. 19. Hàm đối lưu bề mặt thân trụ: (a) Hiển thị trên phần mềm ; (b) Việt hóa
tương ứng ............................................................................................................ 122
Hình 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
Hình 4. 21. Ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng tại thời điểm 1000 giờ ............... 125
Hình 4. 22. Thay đổi ứng suất nhiệt trên bề mặt khối bê tông và cường độ chịu kéo
của bê tông .......................................................................................................... 125


xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thông tin liên quan đến nứt móng cầu [16] ........................................... 11

Bảng 1. 2. Kết quả nhiệt từ các mô phỏng trong [16] ............................................ 12
Bảng 1. 3. Thông tin liên quan đến các trụ cầu bị nứt trong [15] ............................ 14
Bảng 1. 4. Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông ninh kết ....................................... 16
Bảng 1. 5. Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông non tuổi : ..................................... 17
Bảng 1. 6. Các kiểu nứt trong giai đoạn bê tông đạt cường độ ............................... 18
Bảng 1. 7. Q trình thủy hóa điển hình của xi măng ............................................. 29
Bảng 2. 1. Hệ số dẫn nhiệt tương đương (W/mK) của BTCT cho một số loại đường
kính cốt thép điển hình. ......................................................................................... 67
Bảng 2. 2. Chiều dày của lớp BTCT (mm) sau đồng nhất cho một số loại đường
kính cốt thép điển hình. ......................................................................................... 67
Bảng 2. 3. Mơ đun đàn hồi Ex đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép
điển hình. .............................................................................................................. 70
Bảng 2. 4. Mơ đun đàn hồi Ey đồng nhất (MPa) cho một số đường kính cốt thép
điển hình. .............................................................................................................. 70
Bảng 2. 5. Hệ số Poisson  yx đồng nhất cho một số đường kính cốt thép điển hình.
.............................................................................................................................. 71
Bảng 2. 6. Nhiệt dung riêng (J/kg.K) của kết cấu BTCT cho một số đường kính cốt
thép điển hình. ....................................................................................................... 71
Bảng 2. 7. Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng với Mác và bề dày a......... 76
Bảng 2. 8. Tương quan giữa a và M ....................................................................... 77
Bảng 2. 9. Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày
thân trụ .................................................................................................................. 78
Bảng 2. 10. Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt .............. 81
Bảng 2. 11. Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt ................................... 82


xii
Bảng 2. 12. Tổng hợp ứng suất trong thân trụ tương ứng mác bê tông và chiều dày
thân trụ .................................................................................................................. 82
Bảng 2. 13. Tương quan giữa a, M, lượng xi măng để thân trụ không nứt .............. 85

Bảng 2. 14. Tương quan giữa a và M để thân trụ không nứt ................................... 88
Bảng 3. 1. Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tơng. ................................................. 91
Bảng 3. 2. Thành phần hóa học của xi măng (%). .................................................. 91
Bảng 3. 3. Thành phần khoáng vật của xi măng (%). ............................................. 91
Bảng 3. 4. So sánh các phương pháp đo nhiệt lượng .............................................. 92
Bảng 3. 5. Kết quả đo nhiệt độ đoạn nhiệt của mẫu bê tông ................................... 97
Bảng 4. 1. Các thông tin cơ bản về vật liệu trong kết cấu ..................................... 116
Bảng 4. 2. Điều kiện biên tỏa nhiệt ...................................................................... 123


xiii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
STT Tên viết tắt

Nguyên nghĩa

1

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

2

AASHTO

American Association of State Highway and Transportation
Officials (Hiệp hội Giao thông và Vận tải đường bộ Hoa Kỳ)

3

ACI

American Concrete Institute (Viện nghiên cứu bê tông Hoa
Kỳ)

4

ASTM

5

ASCE

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

6

FIB

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

7

CEB

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

8

FIP

9

BTCT

Bê tông cốt thép

10

BT

Bê tông

11

LRFD

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

12

PTHH

Phần tử hữu hạn

13

REV

Representative Elementary Volume (Phần tử thể tích đặc
trưng)

14

FEM

Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

15

FEA

Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn)

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

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


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
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.
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.

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


2
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.

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 lò 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.
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].
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 20oC: ∆T < 20oC; Mô đun độ chênh
lệch nhiệt độ MT giữa các điểm trong khối BT đạt không quá 50oC/m; MT< 50oC/m.


3
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/m3) 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.
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 tơng 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 tơng 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 tông 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


4
của hỗn hợp bê tông. Việc sử dụng hàm lượng lớn tro bay thay thế xi măng khi thiết
kế thành phần hỗn hợp bê tông khối lớn sẽ làm giảm lượng nhiệt thủy hóa và do đó
giảm thiểu khả năng nứt của bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn có hạn chế
là kết cấu cịn đơn giản chỉ thuần túy là khối bê tơng khơng có cốt thép và cấp phối
bê tơng thí nghiêm chưa phải là cấp phối bê tông phù hợp với kết cấu phần dưới của
cơng trình cầu (cấp C30 và C35).
Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “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 tơng cốt thép cơng trình cầu” để góp phần đề
xuất mơ hình tính tốn lý thuyết, có kiểm chứng qua thực đo ngồi hiện trường để
phân tích, đánh giá ứng xử do nhiệt thủy hóa xi măng trong kết cấu BTCT.
Trong đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án

được tóm tắt như sau:
2. Mục tiêu của luận án:
Nội dung của luận án nhằm thực hiện các mục tiêu dưới đây:
Mục tiêu thứ nhất là: xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương, phạm vi ảnh
hưởng và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp vỏ BTCT với một số loại
đường kính cốt thép điển hình.
Tiếp theo, mục tiêu thứ hai là: thực hiện thí nghiệm đoạn nhiệt trong phịng
cho một số loại bê tơng thơng thường sử dụng cho cơng trình cầu để xây dựng
đường cong nhiệt độ đoạn nhiệt của chúng.
Cuối cùng, mục tiêu thứ ba là: sử dụng các giá trị nhiệt lượng phát sinh được
thí nghiệm trong phịng và giá trị hệ số dẫn nhiệt tương đương, đặc trưng vật liệu
tương đương của vật liệu BTCT để xây dựng chương trình phân tích sự phân bố
nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu BTCT.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Về kết cấu: Nghiên cứu với một thân trụ cầu ngoài thực tế với kích thước
lớn, phân tích sự phân bố nhiệt độ và ứng suất do nhiệt thủy hóa xi măng.
Về vật liệu: Nghiên cứu với loại bê tông và cốt thép đáp ứng với điều kiện


5
thi cơng các bộ phận kết cấu của cơng trình cầu: Bê tơng cấp C30 và C35 trong
phịng thí nghiệm và bê tông cấp C30 với một thân trụ cầu thực tế.
Về tải trọng: Cơ bản xác định sự phân bố nhiệt độ và biến dạng do ảnh
hưởng của nhiệt thủy hóa xi măng, khơng xét tới tác động cơ học.
4. Cấu trúc của luận án: Luận án ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị,
Danh mục công bố của tác giả cịn bao gồm bốn chương có cấu trúc như sau:
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 tơng trụ, mố cầu khi khơng

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 q trình thủy hóa của xi măng cho bê tơng thơng thường dùng cho
cơng 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.
5. Những đóng góp mới của luận án
Thứ nhất, xây dựng chương trình tính tốn các đặc trưng nhiệt của bê tơng
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 cơng trình cầu (bê tơng C30, C35) theo phương
pháp đoạn nhiệt trong phịng 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.


6
CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN

Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu
ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học

1.1.1. Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học
Các loại vết nứt do nhiệt độ trong q trình thủy hóa xi măng, do co ngót, từ
biến của kết cấu bê tơng 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 q trình thủy hóa và điều kiện mơi
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 cơng 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 q trình thủy hóa xi
măng đã là một chủ đề liên tục nghiên cứu và quan tâm của cả thiết kế và thi cơng
[18]. Ngồi 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 tơng cụ thể, vết nứt cũng có thể làm suy giảm chức năng một cách đáng
kể. Ví dụ, nứt do tuổi sớm của bê tơng có thể là một trong những ngun nhân
chính gây ra rị 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 tồn, độ kín khơng khí,
điện trở bức xạ được kiểm sốt phần lớn thơng qua đặc điểm vết nứt [21]. Do đó,
chi phí bổ sung để xác định các vết nứt phi kết cấu này, phân tích ngun nhân và
các cơng 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 ngun
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
khơng có biện pháp làm mát trước và sau khi thi cơng. 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.

Hình 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 [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 13.000.000 m3), tổng cộng với 83 khối bê tơng có kích thước 17x35x85m
(Hình 1.2), nhiệt độ bê tơng 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.

Hình 1. 2. 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 cơng trình này, có hai loại bê tơng 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 tơng 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 tơng 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 nơng, 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 1.2. Các vết nứt này được
Phịng thí nghiệm Itaipu đánh giá do ảnh hưởng của sự kiềm chế biến dạng trong
kết cấu bê tơng 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 tơng, bê tơng cốt
thép thường xun xảy ra, nó gây một tác động rất xấu tới khả năng chịu tải, tính
liền khối của kết cấu trong q 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].
c. Kết cấu BTCT của trụ cầu ở Cộng hịa 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 1.3c, d.
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 mơ phỏng số đã dự đốn 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 mơ 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 khơ do kích
thước lớn của phần tử. Người ta tính tốn rằng chiều rộng vết nứt dự đốn trung
bình là khoảng 0,23 mm, nằm trong phạm vi chiều rộng vết nứt đo được trên bề mặt
bê tơng (0,1– 0,5 mm), xem Hình 1.4b. Một nghiên cứu đánh giá chi tiết trên một
cấu trúc tương tự trong cùng một nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ cốt thép dọc tối
thiểu có hiệu quả trong việc ngăn chặn vết nứt cục bộ thành một vài vết nứt chia
nhỏ là 0,3%. Tỷ lệ cốt thép là 0,4% có thể giữ cho vết nứt có chiều rộng dưới 0,25
mm cả ở bề mặt và lõi. Tuy nhiên, tỷ lệ cốt thép thực tế thấp hơn nhiều so với u
cầu, dẫn đến việc kiểm sốt vết nứt khơng đủ.

Hình 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