NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM xác ĐỊNH hệ số GIÃN nở NHIỆT của bê TÔNG XI MĂNG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

Mã số: 60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CBHDKH: TS. NGUYỄN THÙY ANH

HÀ NỘI – 2018

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Thùy Anh, TS Đào Phúc Lâm,
Ths Vũ Quang Dũng người đã tận tình chỉ dẫn tôi trong suốt quá trình tìm hiểu,
nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn
Kết cấu vật liệu và Thí nghiệm công trình, trường Đại học Công nghệ Giao
thông vận tải đã dành thời gian góp ý giúp tôi hoàn thiện luận văn của mình.
Xin cảm ơn gia đình và anh chị tại thư viện trường Đại học Công nghệ
Giao thông vận tải đã tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ tôi trong ngày tháng học
tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày ….. tháng …. Năm 2018
Học viên

Trần Việt Dũng

3


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE.......................5
1.1. Khái niệm.......................................................................................................5
1.2. Ảnh hưởng của hệ số giãn nở nhiệt CTE đến chất lượng của bê tông xi
măng......................................................................................................................6
1.2.1 Tính truyền nhiệt..................................................................................6
1.2.2. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng...........................................................8
1.2.3. Tính chống cháy và tính chịu lửa......................................................10
1.3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt CTE............11
1.3.1. Các phương pháp dựa theo tiêu chuẩn AASHTO TP60....................11

1.3.2. Phương pháp của Đan Mạch TI-B 101..............................................14
1.3.3. Phương pháp sử dụng lá điện trở đo biến dạng.................................15
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG...........................................................17
2.1. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm...............................................................17
2.2. Thiết kế thiết bị thí nghiệm..........................................................................18
2.2.1. Thiết bị thu dữ liệu đo UCAM 60B...................................................19
2.2.2. Bể ổn nhiệt.........................................................................................21
2.2.3. Đầu đo chuyển vị LVDT...................................................................21
2.2.4. Đầu đo nhiệt độ.................................................................................23
2.2.5. Thiết bị gia nhiệt................................................................................25
2.2.6. Phần mềm thu thập dữ liệu................................................................26
2.2.7. Phụ kiện đi kèm.................................................................................28
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐO HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE
CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG................................................................................30
3.1. Chế bị mẫu thí nghiệm.................................................................................30
3.1.1. Số liệu vật liệu đầu vào.....................................................................30
3.1.2. Chuẩn bị mẫu.....................................................................................34
3.2. Quy trình thí nghiệm xác định CTE.............................................................41
3.3. Kết quả thí nghiệm.......................................................................................43
3.4. Kết luận........................................................................................................47
PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.................................................................48
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M1..........................................................48
4


Bảng 2. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M2..........................................................63
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M3..........................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................104

5


LỜI MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hệ số giãn nở nhiệt về bản chất là sự tăng biến dạng của vật liệu khi sự
thay đổi một đơn vị nhiệt độ. Ứng suất nhiệt là một trong những nguyên nhân
chính dẫn đến các hư hỏng của mặt đường bê tông xi măng như: nứt vỡ tấm, hư
hỏng khe co giãn, … Một sự thay đổi nhỏ trong hệ số giãn nở nhiệt của tấm
BTXM đều có ảnh hưởng rất lớn đến chiều dầy thiết kế của tấm BTXM mặt
đường. Theo nghiên cứu của Mallela và cộng sự [5], chất lượng, tuổi thọ của bê
tông xi măng mặt đường chịu ảnh hưởng rất lớn của hệ số giãn nở nhiệt. Tại rất
nhiều các bang của Mỹ, hệ số giãn nở nhiệt này đã được xác định và quy định
giá trị lớn nhất của hệ số này, ví dụ tại Houston, giá trị lớn nhất của hệ số giãn
nở nhiệt của đá dăm trong bê tông xi măng vào khoảng: 9.9 – 10*10 -6/0C đối với
tấm bê tông xi măng cốt thép làm mặt đường [21],[22] (Hình 1)

Hình 1. Tấm BTXM mặt đường bị nứt vỡ khi bị giãn nở do nhiệt nhưng
bị cản trở bởi cốt thép
Theo nghiên cứu của Siddiqui M. cộng sự [20], hệ số giãn nở nhiệt của
một số loại vật cốt liệu đá dăm được trình bày trong hình 2 dưới đây. Trong đó,
RS là sỏi sông, SL là đá phiến, GR là đá granit và LS là đá vôi.

1


Hình 2. Hệ số giãn nở nhiệt của một loại đá dăm
Theo Jussara Tanesi và cộng sự [4], giữa hệ số giãn nở nhiệt của đá dăm và
hư hỏng nứt vỡ mặt đường có quan hệ theo hàm số mũ như hình 3.

Hình 3. Quan hệ giữa tỉ lệ nứt vỡ của mặt đường BTXM với hệ số giãn nở
nhiệt của đá dăm
Trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu TCVN 11823-5:2017, điều 4.2.2 quy định về
hệ số giãn nở nhiệt như sau: Hệ số giãn nở nhiệt nên xác định bằng thí nghiệm
trong phòng theo loại bê tông có cấp phối được đem dùng. Trong trường hợp
thiếu các số liệu chính xác, hệ số giãn nở nhiệt bê tông thường CTE = 10,8*10 6 0

/ C, và Bê tông nhẹ CTE = 9,0*10-6/0C. Trong quá trình thi công và khai thác,

nhiệt độ thay đổi gây ra ứng suất cục bộ trong kết cấu bê tông, làm giảm khả
năng chịu lực của kết cấu, bởi vậy hệ số giãn nở nhiệt có ý nghĩa quan trọng

2


trong tính toán kết cấu bê tông trong quá trình thi công và khai thác là hết sức
quan trọng.
Đặc biệt trong các kết cấu bê tông khối lớn như công trình đập thủy điện,
các công trình dân dụng với kích thước kết cấu bê tông lớn, hiện tượng giãn nở
bê tông do nhiệt là rất lớn.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có Tiêu chuẩn đo hệ số giãn nở nhiệt CTE, các
nghiên cứu về hệ số giãn nở nhiệt còn hạn chế. Vì vậy, đề tài “Nghıên cứu thực
nghıệm xác định hệ số gıãn nở nhıệt của bê tông xı măng” là cấp thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc như thông số đầu vào cho việc thiết kế
tấm bê tông xi măng làm mặt đường cứng theo AASHTO, thông số đầu vào thiết
kế kết cấu bê tông công trình cầu, dân dụng, đập thủy điện…, đặc biệt trong điều
kiện hiện nay các trường đại học ở Việt Nam đã bắt đầu tự chủ trang bị thiết bị
thí nghiệm, đề tài góp phần đưa ra giải pháp giảm giá thành mua sắm trang thiết
bị.

II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Thiết kế hệ thống đo hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng và tiến hành
thử nghiệm kiểm chứng trên các mẫu bê tông xi măng.
III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp đọc tài liệu;
- Phương pháp lý thuyết;
- Phương pháp thực nghiệm;
- Phương pháp thống kê;
- Phương pháp phân tích tổng hợp.
IV. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Thiết kế hệ thống đo CTE.
- Phương pháp đo CTE.
- Bê tông xi măng.
VI. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN
PHẦN MỞ ĐẦU
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE
1.1. Khái niệm
1.2. Ảnh hưởng của hệ số giãn nở nhiệt CTE đến chất lượng của bê tông xi
măng
1.3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt CTE
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ
GIÃN NỞ NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
2.1. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm
2.2. Thiết kế thiết bị thí nghiệm
2.3. Mẫu thí nghiệm
2.4. Quy trình thí nghiệm
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐO HỆ SỐ GIÃN NỞ

NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG Xİ MĂNG
3.1. Vật liệu thí nghiệm
3.2. Chế bị mẫu thí nghiệm
3.3. Kết quả thí nghiệm
3.4. Kết luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE
1.1. Khái niệm
Hệ số giãn nở nhiệt [1] của một vật liệu là một đại lượng vật lý đặc trưng
cho sự thay đổi kích thước của vật liệu đó khi nhiệt độ thay đổi.
Có một vài định nghĩa cụ thể cho hệ số giãn nở nhiệt: hệ số giãn nở nhiệt
tuyến tính, hệ số giãn nở nhiệt thể tích.
Hệ số giãn nở nhiệt thể tích (hay hệ số giãn nở nhiệt toàn phần, hay nhiều
khi ngắn gọn là hệ số giãn nở nhiệt)
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần có thể được đo cho mọi vật liệu ở các trạng
thái rắn, lỏng, khí khác nhau; trong khi hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính chỉ đo
được cho vật liệu rắn.
Với đa số vật liệu, khi áp suất không đổi, thể tích hay kích thước của vật
liệu tăng khi nhiệt độ tăng.
Sự giãn nở hay co lại của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi cần được quan tâm
khi thiết kế các hệ thống lớn liên kết nhiều vật liệu khác nhau, khi
dùng thước đo khoản cách, khi thiết kế hệ thống hoạt động trong dải nhiệt độ
rộng,...
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần được định nghĩa bởi (Incropera, 2001 p537):
(1.1)

Với ρ là mật độ, T là nhiệt độ, V là thể tích, các đạo hàm được tính khi áp
suất P không đổi. Như vậy β là tỷ lệ thay đổi của mật độ khi nhiệt độ tăng và áp
suất không đổi.
Đối với vật liệu tinh thể sự giãn nở nhiệt chỉ xảy ra khi trường lực không
biến đổi theo hàm bậc hai.
Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính:
(1.2)
Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính tỷ lệ thay đổi độ dài dọc theo một chiều của
một thanh vật liệu rắn cho mỗi độ thay đổi của nhiệt độ:
5


Với L là chiều dài của thanh theo chiều đã định.
Với vật liệu đẳng hướng, hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính xấp xỉ bằng 1/3 hệ
số giãn nở nhiệt thể tích.
(1.3)
1.2. Ảnh hưởng của hệ số giãn nở nhiệt CTE đến chất lượng của bê
tông xi măng
1.2.1 Tính truyền nhiệt
Tính truyền nhiệt của vật liệu [1] là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều
dày của khối vật liệu, từ phía mặt giới hạn có nhiệt độ cao sang phía mặt giới
hạn có nhiệt độ thấp.
Khi chế độ truyền nhiệt ổn định và vật liệu có dạng tấm phẳng thì nhiệt
lượng truyền qua tấm vật liệu này được tính bằng công thức:
Q  .

F (t2  t1 ).Z
, ( kCal )
a

(1.4)

Trong đó:
F - diện tích bề mặt của tấm vật liệu truyền nhiệt, m²;
t1, t2 - nhiệt độ bề mặt tấm vật liệu ở phía có nhiệt độ cao và phía có
nhiệt độ thấp, °C;
a - chiều dày của tấm vật liệu, m;
z – thời gian truyền nhiệt, h;
λ – hệ số truyền nhiệt của vật liệu;
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của vật
liệu đó và rút ra từ công thức dưới dạng sau:


Q.a
, ( kCal / m.�
C.h)
F (t2  t1 ).Z

(1.5)

Công thức này cho ta thấy hệ số truyền nhiệt λ của một loại vật liệu có trị
số đúng bằng nhiệt lượng truyền qua tấm làm từ vật liệu đó có diện tích bề mặt
1m², chiều dày 1m khi thời gian truyền nhiệt là 1h và độ chênh nhiệt độ giữa hai
bề mặt tấm là 1°C.
6


Hệ số truyền nhiệt của một loại vật liệu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
Khối lượng thể tích, độ rỗng, cấu trúc độ rỗng, độ ẩm và nhiệt độ trung bình của
bản thân vật liệu đó.

Không khí có hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn hệ số truyền nhiệt của các vật chất
khác
(λ = 0,02 kCal/m °Ch).Bởi vậy vật liệu nào có độ rỗng càng lớn, tức là khối
lượng thể tích càng nhỏ, sẽ chứa nhiều không khí và vì vậy hệ số truyền nhiệt
của nó cũng nhỏ. Điều này được thể hiện qua công thức thực nghiệm của V.P
Nhekraxov về quan hệ giữa hệ số truyền λ với khối lượng thể tích γ của cùng
một loại vật đưa ra dưới đây:
  0.0196  0.22 02  0.14

(1.6)

Trong đó:
3

3

γ – khối lượng thể tích của vật liệu, g/ cm hay T/ m .
Cấu trúc lỗ rỗng trong vật liệu cũng ảnh hưởng nhiều đến hệ số truyền
nhiệt. Hiện tượng đối lưu của không khí trong các lỗ rỗng làm cho vật liệu có lỗ
rỗng cấu trúc hở sẽ có hệ số truyền nhiệt lớn hơn so với hệ số truyền nhiệt của
vật liệu có cùng độ rỗng nhưng có cùng độ rỗng nhưng có lỗ rỗng cấu trúc kín.
Khi độ ẩm của vật liệu càng tăng lên thì hệ số truyền nhiệt của nó càng lớn.
Hiện tượng này được giải thích bởi hệ số truyền nhiệt của nước là 0,51
kcal/m.°C.h, lớn gấp 25 lần hệ số truyền nhiệt của không khí. Quan hệ giữa hệ
số truyền nhiệt của vật liệu có độ ẩm W (w ) với độ ẩm của nó thể hiện qua công
thức sau:
w     .W ( kcal / m.�
C.h)
Trong đó:

(1.7)

λ – hệ số truyền nhiệt vật liệu ở trạng thái khô, (cal/m.°C.h);
W – độ ẩm của vật liệu , %;
 -

gia số của hệ số truyền nhiệt ứng với mỗi phần trăm tăng của độ ẩm

vật liệu tính theo thể tích, kcal/m.°C.h; được lấy như sau:

7


Vật liệu hữu cơ

0,003 kcal/m.°C.h

Vật liệu vô cơ
0,002 kcal/m.°C.h
Khi nhiệt độ trung bình của vật liệu tăng lên thì hệ số truyền nhiệt của nó
cũng tăng lên do chuyển động nhiệt của các phân tử vật chất trong vật liệu mạnh
hơn. Điều này được thể hiện qua công thức Vlaxốp dưới đây:

1  0 (1   .t ), (kcal / m.�
C.h)

(1.8)

1  hệ số truyền nhiệt của vật liệu khi nhiệt độ trung bình của nó là
t°C, kcal/m.°C.h;

0  hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 0°C, kcal/m.°C.h;

t – nhiệt độ trung bình của vật liệu, 0°C;

 - hệ số gia tăng của hệ số truyền nhiệt ứng với sự thay đổi của
nhiệt độ là 1°C;  = 0,0025.
Công thức trên chỉ thích hợp trong phạm vi nhiệt độ thấp hơn 100°C. Khi
nhiệt độ cao hơn, cần xác định lại công thức bằng thực nghiệm.
Tính truyền nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng đối với những vật liệu dùng các
bộ phận công trình xây dựng dân dụng (như tường bao che, mái, trần...) và đặc
biệt là đối với những vật liệu cách nhiệt chuyên dùng để giữ nhiệt cho các buồng
và thiêt bị nhiệt.
1.2.2. Nhiệt dung và nhiệt dung riêng
Khi vật liệu được nung nóng hay làm nguội, nó sẽ hấp thụ hay giải phóng
một nhiệt lượng nào đó. Nhiệt lượng đó được gọi là nhiệt dung Q và được tính
theo công thức:

Q  C.G.(t2  t1 )

(1.9)
, kcal
Trong đó: C- nhiệt dung riêng của vật liệu;
G- khối lượng của vật liệu;
t1, t2 - nhiệt độ của vật liệu trước và sau khi nung nóng, ℃
8


Từ công thức tính nhiệt dung vừa nêu, có thể rút ra công thức tính nhiệt
dung riêng C của vật liệu dưới dạng:
C

Q
G.(t2  t1 ) , (kcal/kg.℃)

(1.10)

Nếu trong công thức này, thay đổi khối lượng mẫu vật liệu được nung nóng
là G=1kg, và độ chênh lệch nhiệt độ sau và trước khi thí nghiệm (t 2-t1)=1℃ thì
C = Q (kcal/kg.℃). Như vậy nhiệt dung riêng của vật liệu là nhiệt lượng cần
thiết để nung nóng 1 kg vật liệu lên thêm 1℃.
Mỗi vật liệu có nhiệt dung riêng biệt. Nếu vật liệu là hỗn hợp của nhiều vật
liệu thành phần thì nhiệt dung riêng của vật liệu hỗn hợp C hh được tính bằng
công thức:
Chh 

C1.G1  C2 .G2  ...  Cn .Gn
G1  G2  ...  Gn
, kcal/kg. (1.11)

℃
Trong đó:
G1, G2…Gn – khối lượng của vật liệu thành phần, kg;
C1, C2…Cn – nhiệt dung riêng của các vật liệu thành phần, kcal/kg. 0C.
So với các vật liệu khác, nước có nhiệt dung riêng lớn nhất (1kCal/kg℃).
Bởi vậy khi vật liệu có độ ẩn của tăng thì nhiệt dung riêng của vật liệu cũng tăng
lên và đươc tính theo công thức:
Cw 

C  0.01WCn
1  0.01W , (kcal/kg.℃)

(1.12)

Trong đó : Cw – nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, kcal/kg.℃;
C – nhiệt dung riêng của vật liệu khô, kcal/kg.℃;
Cn – nhiệt dung riêng của nước, kcal/kg.℃;
W – độ ẩm của vật liệu, %.
Nhiệt dung và nhiệt dung riêng được dung trong tính toán nhiệt lượng cho
gia công vật liệu xây dựng và cũng dùng để lựa chọn vật liệu dùng xây dựng các
trạm nhiệt.

9


1.2.3. Tính chống cháy và tính chịu lửa
Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa
trong một thời gian nhất định.
Dựa vào tính chống cháy có thể chia vật liệu xây dựng làm 3 nhóm: nhóm
vật liệu không cháy, nhóm vật liệu khó cháy và nhóm vật liệu không cháy.
Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao
cũng không bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và không bị cacbon hóa. Khi nhiệt độ
cao, số đông các vật liệu trong nhóm này có biến dạng nhỏ không đáng kể như
( gạch, ngói, bê tông, amiăng, ...), song trong nhóm này có cả những vật liệu có
biến dạng lớn như thép.
Vật liệu khó cháy là những vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt
độ cao có thế bắt lửa, cháy âm ỉ hay bị cacbon hóa một cách khó khăn. Tuy vật
khi bỏ nguồn gây cháy thì các hiện tượng vừa nêu cũng kết thúc. Thuộc về nhóm
vật liệu khó cháy có bêtông asphalt, tấm phibrôlít, vật liệu gỗ hốn hợp chất
chống cháy, …
Vật liệu dễ cháy là những vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ

cao sẽ bắt lửa và tiếp tực cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy. Nói chung các vật liệu
hữu cơ đều nằm trong nhóm này.
Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt
độ cao mà không bị chảy và biến hình.
Tùy theo khả năng chịu lửa mà vật liệu chia làm 3 nhóm: nhóm vật liệu
chịu lửa, nhóm vật liệu khó chảy, nhóm vật liệu dễ chảy.
Vật liệu chịu lửa có khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao
hơn 1580℃ như gạch chịu lửa samôt, đi na, … Các vật liệu này dùng để lót bên
trong các lò công nghiệp.
Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 1350℃ đến 1580℃ gồm những
loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói.
Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 350℃ thí dụ như gạch đất
sét nung thông thường.
10


1.3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt CTE
1.3.1. Các phương pháp dựa theo tiêu chuẩn AASHTO TP60
Mặc dù nhiều văn bản đã được công bố trong 10 năm qua về hệ số giãn nở
nhiệt (CTE) và ảnh hưởng của nó đối với thiết kế mặt đường bê tông, một sai sót
được phát hiện gần đây trong tiêu chuẩn AASHTO TP60-00 về sự hiệu chỉnh
của thiết bị thí nghiệm cũng như giá trị CTE của bê tông. Tiêu chuẩn mới
AASHTO T336-09, dù dựa trên tiêu chuẩn TP 60-00 đã khắc phục vấn đề này.
Nghiên cứu của các tác giả Jussara Tanesi, Gary L. Crawford, Mihai Nicolaescu,
Richard Meininger, and Jagan M. Gudimettla thể hiện sự khác nhau giữa hai
phương pháp thí nghiệm và ứng dụng lâu dài cho cơ sở dữ liệu LTPP và
MEPDG (Hướng dẫn thiết kế mặt đường mô hình cơ học-thực nghiệm) cũng
như sự triển khai của các cơ quan ngành giao thông vận tải. Những đề suất đã
được đưa ra để cải thiện phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn AASHTO T336-09.
Trung tâm nghiên cứu đường cao tốc Turner-Fairbank (TFHRC) của

FHWA là một trong những nơi tiên phong trong việc thí nghiệm hệ số giãn nở
nhiệt (CTE) trong 10 năm qua. Họ đã thí nghiệm trên 2200 mẫu, hầu hết đều là
cơ sở dữ liệu chính cho cơ sở dữ liệu LTPP. Kết quả thí nghiệm CTE LTPP ban
đầu dùng để hiệu chỉnh Version 1.0 theo mô hình của MEPDG.
Sự quan tâm đến thí nghiệm CTE đã tăng đáng kể trong những năm qua vì
nó được coi như là một trong những yếu tố quan trọng nhất của MEPDG. Chỉ
trong 5 năm, hơn 20 bài báo dã được đăng tải về CTE và ảnh hưởng của nó tới
MEPDG.
Các thí nghıệm xác định hệ số gıãn nở nhıệt sẵn có.
Nhiều phương pháp thí nghiệm được dùng để xác định CTE của bê tông.
Phương pháp được sử dụng nhiều nhất là theo tiêu chuẩn AASHTO TP60-00, cơ
sở cho tất cả các thí nhiệm LTPP CTE. Phương pháp thí nghiệm này được sử
dụng bởi toàn bộ các sở giao thông của các Bang ngoại trừ Texas, họ sử dụng
một phiên bản địa phương của phương pháp.

11


Nguyên tắc của TP60 khá đơn giản. Phương pháp này đo độ biến dạng dài
của một mẫu bê tông bão hòa nước được đặt thẳng đứng trên một khung kim
loại chịu thay đổi nhiệt độ cụ thể. Một bể ổn định nhiệt được sử dụng để thay
đổi dải nhiệt độ theo như phương pháp thí nghiệm. Biến dạng của khung kim
loại được đo và bằng sự thay đổi chiều dài của một mẫu đã biết CTE, thường là
mẫu thép không gỉ 304. Tiêu chuẩn TP60 nói rằng CTE của mẫu thép không gỉ
304 bằng 17,3*10-6/°C (9,6*10-6/°F). Đây là giá trị thường thấy trong văn bản (811) và được sử dụng ở hầu hết các Bang và phòng thí nghiệm trường Đại học mà
sử dụng tiêu chuẩn TP60.
Won đề xuất một phương pháp mới để tính toán CTE của bê tông dựa trên
những thay đổi về tiêu chuẩn TP60 (12). Trong nghiên cứu này, các tác giả đề
cập đến phương pháp mới này với tên gọi phương pháp Texas. Nguyên tắc và
dụng cụ thí nghiệm đề suất trong phương pháp này tương tự với tiêu chuẩn

TP60. Phương pháp dựa trên cũng một nguyên tắc và cũng giả định rằng CTE
của mẫu thép không gỉ 304 là bằng 17,3*10-6 /°C (9,6*10-6/°F). Sự khác nhau
giữa phương pháp Texas và TP60 là các nhà nghiên cứu trước đó tính toán CTE
của bê tông biểu thị đường cong của biến dạng so với đường cong nhiệt độ,
trong khi ở tiêu chuẩn AASHTO 60, CTE được tính toán bằng sự thay đổi chiều
dài chia cho sự thay đổi nhiệt độ hệ sau khi mẫu đã đạt trạng thái cân bằng.
Cả hai phương pháp TP60 (hay tiêu chuẩn mới AASHTO T336) và phương
pháp Texas đều có thể thực hiện với cùng một loại thiết bị. Thiết bị này có thể
tùy chỉnh (thủ công hoặc tự động) hoặc một thiết bị thương mại tự động có sẵn.
Xem hình 1a và 1d. TFHRC đã đánh giá ba thiết bị thương mại trong 2 năm qua,
nhưng chưa có thông tin xác định nào được đăng tải. Hai trong số chúng đã
được thương mại hóa, và một vẫn còn đang được đánh giá.
Công binh lục quân Hoa Kỳ (U.S. Army Corps of Engineers ) có phương
pháp xác định CTE riêng, ký hiệu là CRD-C 39-81, nó giống với phương pháp
TP60 nhưng không sử dụng khung gắn mẫu; theo đó, không cần có mẫu hiệu
chuẩn. Thay vào đó, họ sử dụng một bộ so sánh chiều dài. Các thử nghiệm sơ bộ
12


tại TFHRC sử dụng quy trình này cho thấy sự biến động lớn hơn trong kết quả
so với các phương pháp khác.
Cục khai khoáng (Bureau of Reclamation) trực thuộc Bộ nội vụ Hoa Kỳ sử
dụng phương pháp USBR 4910-92, phương pháp này không cần sử dụng mẫu
hiệu chuẩn.
Các phương pháp thí nghiệm khác đã được đề xuất nhưng không được sử
dụng rộng rãi (13-15), bao gồm nhưng phương pháp đo CTE của hỗn hợp cốt
liệu và tính toán CTE của bê tông (16).

Kích thước mẫu: Đường kính mẫu = 100mm, chiều cao mẫu = 165-210mm

13


Hình 1.1. Bộ thiết bị đo CTE áp dụng tại Mỹ dựa trên theo tiêu chuẩn
AASHTO TP60
1.3.2. Phương pháp của Đan Mạch TI-B 101
Phương pháp TI-B của Đan Mạch là một lựa chọn khác để xác định hệ số
giãn nở nhiệt của bê tông. Phương pháp thử nghiệm này được thành lập vào năm
1994 bởi Viện Công nghệ Đan Mạch. CTE được đo ở ba nhiệt độ khác nhau
phạm vi từ 5ºC đến 30ºC. Sự thay đổi độ dài, gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ
trong phạm vi từ 5ºC đến 30ºC, được so sánh với chiều dài ở 20ºC. Độ dài giữa
các điểm đo trên mỗi mẫu thử được đo khi mẫu được đặt trong bể nước với nhiệt
không đổi trong khoảng hai giờ.

14


Hình 1.2. Bộ dụng cụ đo gồm đầu đo Demec, thanh tham chiếu và thanh
chuẩn

Hình 1.3. Kích thước mẫu bê tông theo phương pháp đo của Đan mạch
1.3.3. Phương pháp sử dụng lá điện trở đo biến dạng
Strain Gauge không được sử dụng rộng rãi như AASHTO và T1-B của Đan
Mạch. Trong phương pháp thử này, cảm biến đo được sử dụng để đo sự thay đổi
chiều dài với sự thay đổi nhiệt độ xung quanh mẫu thử. So với hai phương pháp
thử kia, đặc biệt đối với phương pháp thử AASHTO, phương pháp đo biến dạng
là tương đối mất nhiều nhiều thời gian.

15

Hình 1.4. Quá trình gắn lá điện trở đo biến dạng

Hình 1.5. Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm

Hình 1.6. Sử dụng keo silicone bảo vệ lá điện trở
16


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN
NỞ NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
2.1. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm
Trong nỗ lực hoàn thiện nghiên cứu về CTE, FHWA tìm ra rằng CTE của
mẫu thép 304 không gỉ, một mẫu hiệu chuẩn thường được dùng trong thí nghiệm
CTE của bê tông xi măng theo tiêu chuẩn AASHTO TP60 không phải là
17.3*10-6/°C (9.6*10-6/°F) trong phạm vi nhiệt độ của TP60. Vấn đề quan trọng
là giá trị CTE 17.3*10-6/°C (9.6*10-6/°F) được sử dụng bởi hầu hết các phòng thí
nghiệm dùng TP60 và phương pháp Texas.
Một phương pháp thí nghiệm mới đã được thừa nhận (AASHTO T336). Nó
tạm thời dựa trên phương pháp thí nghiệm T60 nhưng không giả định bất kỳ giá
trị nào cho mẫu hiệu chuẩn. Tuy nhiên, nó yêu cầu CTE của mẫu hiệu chuẩn
được xác định bởi một phòng thí nghiệm độc lập đã được chứng nhận.
Giá trị CTE trong cơ sở dữ liệu LTPP được xác định dựa trên TP60 và cần
được sửa đổi vì sự chênh lệch trong giá trị CTE của mẫu hiệu chuẩn. Tháng 1
năm 2011 cơ sở dữ liệu LTPP (Phiên bản 24.0) đã bao gồm những giá trị điều
chỉnh.
Mô hình MEPDG được phát triển dựa trên dữ liệu của LTPP. Vì cơ sở dữ
liệu LTPP cần được điều chỉnh nên mô hình MEPDG cũng cần được tái hiệu
chỉnh. Với việc sử dụng MEPDG phiên bản 1.0, giá trị CTE cần được xác định
theo TP60 thay vì T336 để phòng ngừa sự thiết kế sai.

Một số cải thiện cho T336 đã được đề xuất như là cao độ mức nước, hệ số
hiệu chỉnh, chứng nhận thiết bị, hiệu chuẩn LVDT, điều kiện phá hoại mẫu và số
lượng mẫu thí nghiệm.
Đề xuất lựa chọn phương pháp thí nghiệm:
+) Tất cả các phòng thí nghiệm tiến hành thí nghiệm CTE cần xác định giá
trị CTE của mẫu hiệu chuẩn dựa theo ASTM E228.
+) Một mẫu tham khảo đã biết CTE dựa theo ASTM E228 cần được dùng
để đánh giá sự vận hành của thiết bị CTE.
17


+) Khi mô hình phần mềm MEPDG đã được tái hiệu chỉnh, các cơ quan
quản lý đường cao tốc cần điều chỉnh kết quả CTE của họ theo sự chênh lệch
giữa giá trị CTE giả định và giá trị CTE thực tế của mẫu hiệu chuẩn.
2.2. Thiết kế thiết bị thí nghiệm
Hiện tại, trong T 336, mẫu được làm lạnh đến 50°F ± 2°F (10 °C) trong
một khoảng thời gian đủ dài để đạt được cân bằng nhiệt trong mẫu. Cân bằng
nhiệt trong mẫu được giả định là đạt được khi LVDT đọc liên tục được ghi
lại trong vòng 0,00001 in cứ 10 phút một lần trong khoảng thời
gian một tiếng rưỡi. Độ dài LVDT đo được sau đó được ghi lại và
mẫu được làm nóng đến 122 °F ± 2 °F (50 °F) cho đến khi nó ở
trạng thái cân bằng và chiều dài được ghi lại với LVDT.
Phần này trình bày chi tiết bộ máy cụ thể được xây dựng để đánh giá CTE
của các mẫu bê tông hình trụ.

18


Hình 2.1. Bộ thiết bị đo đo hệ số giãn nở nhiệt CTE
Bảng 2.1. Danh sách bộ thiết bị thí nghiệm đo hệ số giãn nở nhiệt CTE

T
T
1
2
3
4
5
6
7

Tên thiết bị

Ghi chú

Thiết bị thu tín hiệu đa kênh UCAM 60B
Máy tính tích hợp phần mềm thu thập dữ liệu
Bể ổn nhiệt
Đầu đo chuyển vị LVDT
Đầu đo nhiệt độ
Thiết bị gia nhiệt
Phần mềm thu thập dữ liệu

Hình 2.1 & Hình 2.2
Hình 2.1
Hình 2.1 & Hình 2.4
Hình 2.1 & Hình 2.5
Hình 2.1 & Hình 2.7
Hình 2.1 & Hình 2.9
Hình 2.10

2.2.1. Thiết bị thu dữ liệu đo UCAM 60B

Hình 2.2. Thiết bị thu tín hiệu UCAM 60B

19


Hình 2.3. Chứng nhận chất lượng sản phẩm (CQ) của thiết bị thu tín hiệu
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị thu dữ liệu đa kênh
Tên thiết bị

Mã hiệu

Thiết bị thu dữ
UCAM 60B
liệu đa kênh

Tính năng kĩ
thuật
- Hỗ trợ đo tối đa
đến 20000 μm/m
với độ phân giải
0.1 μm/m
- Trả kháng của
các lá điện trở:
60 – 1000 Ω
- Số kênh: 10
kênh (tối đa 30
kênh) có thể mở
rộng lên 1000

kênh
- Tốc độ thu thập
dữ liệu: min =
20 ms
- Nguồn
điện
cung cấp 220V

20

Chức năng

Ghi chú

- Đo biến dạng
- Đo nhiệt độ
- Đo chuyển vị
- Đo lực
- Đo áp lực

Hãng Kyowa,
Nhật Bản