MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CẤU TRÚC BÊ TÔNG

Đề tài

MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ
HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA
CẤU TRÚC BÊ TÔNG
AN UNIFIED APPROACH FOR MODELING PERFORMANCE
OF CONCRETE STRUCTURES
Người thực hiện: Th.S Bùi Đức Vinh
BM Vật Liệu Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng
Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

1


• Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY
I. Giới thiệu
II. Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu
III. Mục tiêu nghiên cứu
IV. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu
V. Tổng quan
VI. Cơ sở lý thuyết của đề tài
VII. Dự đoán các kết quả sẽ đạt được và khả năng áp dụng
VIII. Kết luận chung
2

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

I. GIỚI THIỆU
Khả năng
phục vụ và
tuổi thọ của
công trình

‰ Giải pháp kết cấu công trình
‰ Vật liệu bê tông
• Khả năng làm việc (performance)
• Độ bền của vật liệu (durability)

‰ Các hướng quan tâm trong thực tế kỹ thuật công trình
• Nâng cao khả năng làm việc của vật liệu bằng cách
tạo ra các loại bê tông mới (HPC, RCC, SCC, CPRC)
• Nâng cao độ bền bằng cách kiểm soát hạn chế các
tác nhân có hại (xâm thực, vết nứt, co ngót, từ biến…)
• Tìm giải pháp kết cấu hợp lý
3

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Thân đập St. Francis (Los Angles) bị hư
hỏng do các vết nứt và cấu trúc vật liệu bị
phá hủy
Đập bị phá hủy hoàn hoàn, công trình sau khi
bị phá hủy

4

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Sự hư hỏng mặt đường do tác
dụng của tải trọng và sự co ngót
của vật liệu

5

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Mẫu các vết nứt
trên cấu kiện
sàn, dầm

6

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Các kết cấu khối lớn chịu ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt hydrat hóa trong giai đoạn đầu
7

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Thấm của kết cấu dưới sự tấn công của nước biển
8

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

II. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nghiên cứu độ bền của bê tông và khả năng làm việc của công trình
•Theo định hướng nghiên cứu cấu trúc vật liệu

‰ Cấu trúc của vật liệu bê tông được hình thành như thế nào?
+ Phản ứng thủy hóa
+ Sự hình thành cấu trúc
‰ Vai trò của các quá trình hóa lý ở giai đoạn hình thành cấu trúc
+ Quá trình hydrat hóa, truyền nhiệt, thấm : nước, khí
+ Sự định hình cấu trúc, phát triển cường độ
‰ Ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài đến cấu trúc của vật liệu ?
+ Nhiệt độ, hơi ẩm (Đ.kiện môi trường, quá trình dưỡng hộ…)
+ Tải trọng tác dụng.
‰ Kiểm soát sự hình thành các vết nứt

9

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

Ảnh hưởng của giai đoạn hình thành cấu trúc đến độ bền kết cấu
Biến dạng,
co ngót

Nhiệt
Hydrat hóa

Nứt

Cốt thép bị
ăn mòn

Giảm khả năng
chịu lực

Xâm
thực

Tăng nguy cơ
gây hại...

Tải trọng
ngoài...

Tác nhân môi trường
Nhiệt độ, độ ẩm

Thấm
...

Giảm
Tuổi thọ

Vết nứt nhiệt
hydrat hóa
Vết nứt do co ngót

Cấu trúc ban đầu của vật liệu có ảnh
hưởng quyết định đến độ bền và khả
năng phục vụ của công trình
10

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

III. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề xuất mô hình hợp nhất phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ
(Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical )

‰ Phân tích đồng thời sự làm việc của vật liệu và kết cấu
‰ Đánh giá khả năng làm việc (phục vụ) của công trình

PHẠM VI ỨNG DỤNG
‰ Kiểm soát nhiệt hydrat hóa trong các kết cấu khối lớn (thủy điện, thủy lợi, khối móng lớn,
si lô, khối tiêu năng…)
‰ Kiểm soát vết nứt cho các kết cấu có bề mặt lớn (nứt do thoát hơi nước, từ biến, co ngót)
‰ Hỗ trợ thiết kế và sản xuất các sản phẩm bê tông đúc sẵn, ứng suất trước
‰ Kiểm soát sự làm việc của vật liệu BT của các công trình chịu nhiệt độ và áp suất cao
(tháp giải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân, bể nước nóng), công trình bị cháy.
‰ Hỗ trợ đánh giá độ bền công trình

11

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

IV. NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
‰ Quá trình hydrat hóa của xi măng
- Ảnh hưởng của các thành phần khoáng (loại xi măng), tính phát nhiệt,
- Mô hình nguồn nhiệt, Sự hình thành và phát triển cấu trúc đá xi măng

‰ Mô hình các quá trình truyền khối trong vật liệu
- Mô hình cấu trúc vi mô của bê tông
- Các quá trình vật lý (truyền nhiệt, thấm, áp suất lỗ rỗng, độ ẩm...)

‰ Mô hình sự thay đổi tính chất của bê tông
- Sự phát triển cường độ, ảnh hưởng các yếu tố thành phần

‰ Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng ngoài
- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

- Mô hình vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) và đàn dẻo (viscoplastic)

‰ Đối tượng vật liệu cho nghiên cứu: các vật liệu phổ biến tại Việt nam
12

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Thiết lập hệ phương trình vi phân cho mô hình đề nghị
‰ Xây dựng lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn
‰ Lập các chương trình tính toán trên máy tính
‰ Kiểm tra kết quả
‰ Xây dựng các ứng dụng điển hình

Các phương pháp và kế hoạch triển khai thực hiện
1. Thu thập và phân tích thành phần các loại xi măng hiện có ở thị
trường Việt nam (liên kết với một số nhà sản xuất XM, PTN Cty Holcim)
2. Thực hiện các thí nghiệm nhiệt hydrat hóa (tại PTN VLXD)
3. Phát triển mô hình lý thuyết, kiểm tra so sánh với các mô hình khác
4. Thí nghiệm trên khối bê tông để kiểm chứng kết quả (đo nhiệt, độ ẩm,
cường độ, biến dạng - thực hiện tại các PTN khoa KTXD)
5. Triển khai thí nghiệm như phần 4 trên thực tế (phối hợp với các nhà thầu )
13

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
‰ Nghiên cứu này tập trung theo hướng kiểm soát các tác nhân gây hại
cho vật liệu (nhiệt độ, độ ẩm môi trường, lực tác dụng).
‰ Chưa xét đến ảnh hưởng của các yếu tố hóa học đối với vật liệu
‰ Vật liệu: xi măng, cốt liệu và các loại phụ gia sử dụng.. Là những loại
phổ biến ở Việt Nam.
‰ Các thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô hình số chỉ được thực hiện
trong điền kiện có thể được

14

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

V. TỔNG QUAN
‰ Định hướng chung nghiên cứu độ bền của bê tông
I. Cải thiện tính chất vật liệu
II. Kiểm soát các tác nhân gây hại

‰ Các xuất phát nghiên cứu theo hướng (II)
- Xác định các tác nhân gây hại (Nhiệt hydrat hóa, co ngót, bốc hơi nước, tải trọng tác
dụng: trọng lượng bản thân và tải trọng ngoài)
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấu trúc ban đầu đến độ bền của công trình
- Các biện pháp hạn chế tác nhân gây hại
- Xây dựng các mô hình tính toán, và các tiêu chuẩn áp dụng cho thực tiễn

‰ Các nghiên cứu điển hình

• L. Taerwe G.D Shutter (Bỉ) (1998-2002), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt hydrat
bảo vệ các khối Tetrapode làm đê chắn sóng, các bê tông khối lớn.
• Jan Bijen và cộng sự (Hà lan) (1995-nay), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt
hydrat nâng cao độ bền của công trình đường hầm, phát triển phần mềm HEAT
15

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

• A. M Neville và cộng sự (Anh), F. de LARRARD (pháp): nghiên cứu cấu trúc
ảnh hưởng ban đầu đến độ bền của các cấu kiện bê tông ứng suất trước.
• K. Meakawa và T. Kishi (Nhật) (1986 - nay) : Các mô hình nhiệt hydrat hóa, sự
làm việc của vật liệu trong giai đoạn đầu (early age)
• Val Brugel (Hà lan) (1990-nay): Nghiên cứu kiểm soát các vết nứt tong giai
đoạn ban đầu
• E.F gaboczi, D.P Bentz, G.J Fronnsdorff (NIST-Mỹ): Nghiên cứu các phương
pháp số phân tích sự làm việc của vật liệu và kết cấu...

‰ Các mô hình nhiệt hydrat hoá của xi măng
• Mô hình bậc hydrat hoá do: val K.B Brugel. (Hà lan), G.D Shutter (Bỉ) đề
nghị, phát triển phần mềm DIANA (Hãng TNO Building Research Inc).
• Các tiêu chuẩn: ACI (Mỹ), BS (Anh), CEB-FIP MODEL CODE (châu Âu)
• Ưu điểm: Đơn giản, dễ áp dụng cho bài toán truyền nhiệt
Hạn chế: Độ chính xác không cao, chỉ áp dụng với một số loại xi măng nhất
định (phân theo ASTM, 5 loại)
16

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

• Mô hình đa cấu tử (Multi Component) do Kishi (Nhật) đề nghị
Dựa trên sự toả nhiệt của từng thành phần khoáng
trong xi măng và khối lượng thành phần của chúng.

H C = ∑ pi H i
trong đó: pi: tỉ lệ khối lượng của từng thành phần khoáng trong hỗn hợp
Hi là lượng nhiệt sinh ra do từng thành phần khoáng

⎡ Ei (Qi ) ⎛ 1 1 ⎞⎤
⎜⎜ − ⎟⎟⎥
H i = β i µζγs i H i , To (Qi ) exp ⎢−
R ⎝ T To ⎠⎦
⎣

Ưu điểm: Độ chính xác cao, tổng quát,
Áp dụng cho nhiều loại xi măng khác nhau

17

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Mô hình phát triển cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc bê tông
• Mô hình phát triển lỗ rỗng vi mô (pore structure development) và vận chuyển

hơi ẩm do Meakawa, Chaube & Ishida đề nghị (1996-2000).
• Thiết lập được hệ phương trình cân bằng cho quá trình truyền nhiệt, truyền
khối và ứng xử cơ học (vật liệu đàn hồi).
• Xây dựng các phương trình phần tử hữu hạn với trường hợp miền kết cấu 02
chiều. Quá trình giải được thực hiện riêng lẻ cho từng loại phân tích.
• Ưu điểm: Đây là một trong các mô hình đầu tiên xét
được các quá trình vật lý xảy ra trong bê tông.
• Góp phần giải quyết các bài toán về nứt do nhiệt, các
loại co ngót do quá trình bốc hơi nước. Gần đây, các tác
giả đã kết hợp phân tích được bài toán co ngót tự sinh
(Autogenneous Shrinkage)
• Điểm hạn chế: các phương trình truyền khối được
đơn giản hoá. Vật liệu làm việc đàn hồi.
• Các quá trình vật lý được phân tích độc lập -> số
lượng phép tính rất lớn
18

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Mô hình kết hợp (Couple Model) Dariusz Gawin (Ba lan) đề nghị
• Được xây dựng dựa trên lý thuyết thể tích trung bình (Averagering Volume
Theory) và lý thuyết môi trờng rời rạc nhiều pha (Multiphase Porous Media Theory)
• Thiết lập được hệ phương trình tổng quát cho vật liệu bê tông ứng với các quá
trình vật lý cơ bản (nhiệt, hơi ẩm, thấm, cơ...), vật liệu ứng xử đàn hồi (gần đây tác
giả đã phát triển cho vật liệu đàn nhớt)
• Nguồn nhiệt dựa vào mô hình bậc hydrat hoá
• Tác giả đã giải bài toán cho kết cấu 2D phằng PP PTHH, phương trình xấp xỉ PTHH

thực sự kết hợp được đồng thời các quá trình vật lý với nhau (full couple Multiphysic
process)
• Ưu điểm: Đã xây dựng được hệ phương trình tổng quát mở, có khả năng phân
tích cho nhiều trường hợp khác nhau như: kết cấu chịu nhiệt độ cao (cháy, dưỡng
hộ nhiệt, độ ẩm lớn (bể chứa lớn)...
• Quá trình tính toán nhanh, cho nhiều kết quả trong 01 lần tính
• Điểm hạn chế: Chưa phát triển cho trường hợp kết cấu 03 chiều, nguồn nhiệt chưa
tổng quát.
19

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Các nghiên cứu liên quan đã thực hiện tại Việt Nam
• N.T Đích và cộng sự (IBST). Nghiên cứu thực nghiệm về xuất hiện vết nứt trên bê
tông khối lớn, kết quả cong ít (do hạn chế về thí nghiệm). Nghiên cứu này chưa có
các kết quả về nhiệt thuỷ hoá của các XM được sản xuất trong nước.
• Tổng công ty Thuỷ điện Sông Đà: Dự định triển khai nghiên cứu về nhiệt Hydrat hoá
cho các đập thuỷ điện, và kết cấu trong công trình thuỷ lợi. (Chưa thực hiện được)
• Tổng công Cienco 4: Dự định triển khai nghiên cứu bê tông đầm lăn phát nhiệt
thấp (low heat concrete) cho xây dựng đường giao thông.
• B. Đ Vinh (ĐHBK Tp HCM)
+ Đã thực hiện các nghiên cứu so sánh về mô hình nhiệt Hydrat hoá cho XM
+ Đã giải được bài toán Nhiệt - Ứng suất cho kết cấu bê tông khối lớn bằng PP
PTHH
+ Đang tiến hành thu thập các số liệu về thành phần, khoáng, hoá của các loại
được sản xuất trong nước.
+ Chuẩn bị sẵn sàng cho các thí nghiệm nhiệt Hydrat của XM khi có thiết bị

20

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

VI. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình hợp nhất cho bài toán phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ
(Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical )

Mô hình cấu trúc dựa trên lý thuyết vật liệu rời rạc nhiều pha, phương trình
cơ bản được lấy theo Dariusz Gawin
Mô hình nguồn nhiệt được lấy theo T. Kishi, với trường hợp XM SX ở VN
Mô hình ứng xử cơ học của vật liệu: Mở rộng cho vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) và
dẻo nhớt (Visoplastic)
Thiết lập phương trình xấp xỉ PTHH cho bài toán 3 chiều, xây dựng các
công thức ma trận “độ cứng” cho phần tử kết hợp (Couple element).
Giải phương trình PTHH (phương trình phi tuyến)
21

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Phương trình hoá học của quá trình của xi măng
Khoáng C3S:

2C3 S + 6 H = C3 S 2 H 3 + 3CH

Khoáng belit C2S:

2C2 S + 4 H = C2 S 2 H 3 + CH

Khoáng C3A

C3 A + 6 H = C3 AH 6
Ettringite

P
C3 A + CSH 2 + 26 H = C3 A3CSH 32
Thachcao

Phản ứng tạo Ettringgite:

Ettringite


P
C4 AF + CSH 2 + 27 H = C3 ( AF )3CSH 32 + CH
Thachcao

C4 AF + 2CH + 16 H = C3 AH 6 + C3 FH 6

Khoáng C4AF

Phản ứng thủy hóa sinh nhiệt, lượng nhiệt phát ra do mỗi khoáng như sau Cannon (1986).
Thành phần
khoáng

Tỉ lệ trong hỗn hợp
XM (%)

Nhiệt lượng riêng
(cal/g)

Nhiệt lượng tham
gia (cal/g)

C 3S

55

120

66.0

C 2S

15

62

9.3

C 3A

10

207

20.7

C4AF

8

100
22

8.0

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

• Sự hình thành các khoáng trong
quá trình thuỷ hoá của xi măng

•Sự phát triển cấu trúc vi mô
của đá xi măng
1. Phần không thủy hóa

1

2

3

2. Sản phẩm bên trong

4

Cấu trúc gel

3. CHS gel
3. Các lỗ rỗng
23

(Theo Chaube, Ishida)

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Nguồn nhiệt (Mô hình đa cấu tử - theo T. Kishi)

H C = ∑ pi H i
⎡ Ei (Qi ) ⎛ 1 1 ⎞⎤
⎜⎜ − ⎟⎟⎥
H i = β i µζγsi H i , To (Qi ) exp ⎢−
R ⎝ T To ⎠⎦
⎣

(6)

• Trong đó:

Ei – năng lượng hoạt hóa của thành phần phản ứng thứ i
R – Hằng số khí (Gas constant)
HI,To– lượng nhiệt sinh ra tại nhiệt độ To,(293K) do thành phần khoáng thứ i
Ei/R– Nhiệt hoạt hóa (thermal activity)
βi– h.số kể đến sự tiếp xúc giữa t.phần không phản ứng với nước tự do trong lỗ rỗng.
µ – h.số ảnh hưởng của các thành phần khoáng của xi măng
ξ – h.số kể đến độ giảm phản ứng của puzzonlan do thiếu Ca(OH)2
si – h.số độ mịn tương đối của xi măng, được xác định bằng hằng số Blaine
γ – h.số xét đến sự kéo dài quá trình hydrat hóa do sự có mặt của các thành phần phụ
gia vô cơ (xỉ, tro bay) và hữu cơ.
24

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng


•Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông

‰ Mô hình cấu trúc vi mô của bê tông
Dựa trên Lý thuyết môi trường rời rạc nhiều pha (Multiphase porous media)
Các ion +
Truyền nhiệt

Thấm
Pha lỏng
Áp suất lỗ
rỗng

Pha khí
Pha rắn
Mô hình thể tích đại diện cho cấu trúc vi mô của bê

tông (Representative elementary volume model- REV)

25

Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng