Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm hải vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

NGUYỄN HOÀNG THANH Q

NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CỊN LẠI CỦA BÊ TƠNG VỎ HẦM
HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬ T

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

NGUYỄN HOÀNG THANH Q

NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CỊN LẠI CỦA BÊ TƠNG VỎ HẦM
HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thông
Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nghiên cứu nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN HỒNG THANH Q


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả Quý Thầy Cô trong Khoa Xây
dựng Cầu Đường – Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã truyền đạt cho tơi những kiến thức
bổ ích trong suốt hai năm học vừa qua.
Tơi xin được tỏ lịng biết ơn và gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn
Thái, người trực tiếp hướng dẫn luận văn, đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tơi về kiến
thức cũng như phương pháp nghiên cứu, chỉnh sửa trong quá trình thực hiện luận văn
này.
Sau cùng tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận
văn.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng luận văn khơng tránh khỏi những thiếu
sót. Vì vậy, tơi rất mong nhận được sự chỉ dẫn, góp ý của Quý Thầy Cơ và tất cả bạn
bè./.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN HỒNG THANH QUÍ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CỊN LẠI CỦA BÊ TƠNG VỎ HẦM HẢI VÂN 2
SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
Học viên: Nguyễn Hồng Thanh Q
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 85.80.205

Khóa: 36

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ
chịu nén của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2. Tìm hiểu các chế độ và mốc nhiệt độ làm thay
đổi tính chất hóa lý của thành phần bê tơng. Ngồi ra, luận văn cịn mở rộng đối với
mác bê tông C25 và C50 để nghiên cứu sự ảnh hưởng của mác bê tông đến cường độ
chịu nén. Kết quả đạt được có thể giúp cho các nhà quản lý, khai thác hầm Hải Vân nói
riêng và các cơng trình hầm nói chung xây dựng kịch bản phịng ngừa hay đưa ra các
cảnh báo sử dụng cơng trình sau khi xảy ra hỏa hoạn.
Từ khóa:
Cường độ chịu nén, bê tông, vỏ hầm, nhiệt độ.
RESEARCH STRENGTH OF CONCRETE CONCRETE
MARINE SHELLS 2 AFTER USING THE HIGH
TEMPERATURE

The thesis presents the research results of the influence of temperature on
compressive strength of Hai Van tunnel concrete shell 2. Understanding the regime
and temperature landmark that change the physical and chemical properties of
concrete components. In addition, the thesis also extends to the concrete grades C25
and C50 to study the impact of concrete marks on compressive strength. The achieved
results can help managers and operators of Hai Van Tunnel in particular and tunnel

constructions in general to develop preventive scenarios or issue warnings about using
the works after a fire occurs.
Keys:
Compressive strength, concrete, tunnel shells, temperature.


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài:................................................................................... 1
2. Mục tiêu của đề tài:...........................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:....................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu:................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:......................................................................... 2
6. Cấu trúc luận văn.............................................................................................. 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN................................................................................. 3
1.1. Q trình thủy hóa của hồ xi măng................................................................3
1.1.1. Q trình thủy hóa của C3S.........................................................................3
1.1.2. Q trình thủy hóa của C2S.........................................................................5
1.1.3. Q trình thủy hóa của C3A........................................................................5
1.1.4. Q trình thủy hóa của C4AF......................................................................5
1.2. Những ứng xử xẩy ra bên trong bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ.......6
1.2.1. Vữa xi măng................................................................................................8
1.2.2. Cốt liệu........................................................................................................8
1.3. Những thiệt hại của các cơng trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế
giới và ở Việt Nam.......................................................................................... 11
1.4. Tổng quan về cơng trình hầm Hải Vân 2.....................................................15
1.5. Kết luận........................................................................................................17
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM.....................18
2.1. Mục tiêu....................................................................................................... 18

2.2. Vật liệu.........................................................................................................18
2.2.1. Xi măng.....................................................................................................18
2.2.2. Cát.............................................................................................................18
2.2.3. Đá..............................................................................................................20
2.2.4. Nước..........................................................................................................21
2.2.5. Phụ gia.......................................................................................................21
2.3. Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông...........................................................22


2.3.1. Đúc mẫu....................................................................................................23
2.3.2. Bảo dưỡng.................................................................................................24
2.3.3. Thí nghiệm xác định cường độ nén...........................................................25
2.3.4. Kết luận.....................................................................................................26
CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ NÉN CỊN LẠI
CỦA BÊ TƠNG SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ CAO...........27
3.1. Mục tiêu....................................................................................................... 27
3.2. Chương trình thí nghiệm..............................................................................27
3.2.1. Mẫu thí nghiệm và chế độ tác dụng nhiệt.................................................27
3.2.2. Thiết bị thí nghiệm....................................................................................29
3.2.2.1. Lị sấy.....................................................................................................29
3.2.2.2. Lị nung.................................................................................................. 30
3.2.2.3. Kiểm tra tốc độ gia nhiệt của lò sấy và lò nung.....................................30
a)

Tốc độ gia nhiệt của lò sấy..........................................................................30

b)

Tốc độ gia nhiệt của lị nung.......................................................................31

3.3. Kết quả thí nghiệm.......................................................................................34
3.3.1. Sự ảnh hưởng của tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 đến cường độ
nén còn lại của các loại bê tông...................................................................... 38
3.3.2. Sự ảnh hưởng của tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 đến cường độ
nén còn lại của các loại bê tông...................................................................... 40
3.3.3. Sự ảnh hưởng của thời gian tác dụng nhiệt đến cường độ nén cịn lại của
các loại bê tơng............................................................................................... 41
3.3.4. Sự hủy hoại của bê tông dưới tác dụng cưỡng bức nhiệt độ.....................42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................47


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng hợp một số vụ hỏa hoạn xảy ra trong hầm đường bộ.................11
Bảng 2.1 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm của xi măng Nghi Sơn PC40........18
Bảng 2.2 Bảng kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của cát tại mỏ cát Vân Ly
19
Bảng 2.3 Bảng kết quả thí nghiệm thành phần hạt của cát tại mỏ cát Vân Ly....19
Bảng 2.4 Bảng kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của đá tại mỏ đá Hố
Chuồn..................................................................................................................20
Bảng 2.5 Bảng kết quả thí nghiệm thành phần hạt của đá tại mỏ đá Hố Chuồn 21
Bảng 2.6 Bảng thông số kỹ thuật của phụ gia KKS Polymad 738..................... 22
Bảng 2.7 Bảng thành phần cấp phối chuẩn cho 1m3 bê tông..............................22
Bảng 2.8 Kết quả kiểm tra cường độ nén của mẫu bê tông................................ 25
Bảng 3.1 Số lượng mẫu thí nghiệm.................................................................... 29
Bảng 3.2 Thời gian gia nhiệt của lị sấy..............................................................31
Bảng 3.3 Thời gian gia nhiệt của lò nung........................................................... 32
Bảng 3.4 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tơng mác 250.............................34
Bảng 3.5 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tơng mác 350.............................34

Bảng 3.6 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tơng mác 500.............................35
Bảng 3.7 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tông mác 250.............................36
Bảng 3.8 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tơng mác 350.............................36
Bảng 3.9 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tơng mác 500.............................37
Bảng 3.10 Cường độ còn lại RT°C /R30°C của các loại bê tông sau khi chịu tác
dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1...................................................................38
Bảng 3.12 Bảng tổng hợp hình ảnh mẫu bê tông ở các cấp nhiệt độ..................43
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tiến trình thủy hóa C3S [1] ....................................................................
Hình 1.2 Hình thành dạng gel trên bề mặt của C3A ở giai đoạn bắt đầu của q
trình thủy hóa (a) ; C3A sau 3 phút thủy hố ........................................................
Hình 1.3 Bê tông chất lượng cao được sử dụng cho các công trình nhà cao tầng,
cầu, hầm.................................................................................................................
Hình 1.4 Sự hủy hoại của đường hầm Mont-Blanc do hỏa hoạn năm 1999 .........
Hình 1.5 Tiến trình thủy phân của hồ xi măng ở nhiệt độ cao (a) và tiến trình tái
thủy hóa của hồ xi măng khi làm nguội (b) [2] .....................................................
Hình 1.6 Phân tích nhiệt lượng của cốt liệu đá vơi (a), đá silic (b) và đá lửa (c)
[10] ......................................................................................................................
Hình 1.7 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Tauern năm 1999 ..........................
Hình 1.8 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Mont Blanc năm 1999 ...................


Hình 1.9 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Frejus năm 2005 ............................
Hình 1.10 Hình ảnh vụ cháy đường hầm cao tốc ở California năm 2007 ..........
Hình 1.11 Sơ đồ miêu tả vụ cháy đường hầm Manche năm 2008 ......................
Hình 1.12 Hình ảnh xe tải bị cháy trong Hầm Hải Vân đêm 16/9/2015 ............
Hình 1.13 Hầm đường bộ Đèo Cả được thơng xe năm 2017..............................
Hình 1.14 Hầm đường bộ Hải Vân .....................................................................
Hình 1.15 Lễ khởi cơng Dự án hầm đường bộ Hải Vân 2, năm 2016 ................

Hình 1.16 Thi cơng tại hầm đường bộ Hải Vân 2 ...............................................
Hình 2.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát ............................................................
Hình 2.2 Biểu đồ thành phần hạt của đá .............................................................
Hình 2.3 Máy trộn bê tơng và đúc mẫu thí nghiệm ............................................
Hình 2.4 Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm ..................................................................
Hình 2.5 Máy nén bê tơng ...................................................................................
Hình 3.1 Chế độ 1: Tốc độ gia nhiệt DT=3,5°C/phút và thời gian lưu giữ ở nhiệt
độ lớn nhất là 60 phút ..........................................................................................
Hình 3.2 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút ...........................
Hình 3.3 Lị sấy ...................................................................................................
Hình 3.4 Lị nung ................................................................................................
Hình 3.5 Kiểm sốt nhiệt độ của lị sấy bằng nhiệt kế TP101 ............................
Hình 3.6 Biểu đồ xác định tốc độ gia nhiệt của lị sấy ........................................
Hình 3.7
Biểu đồ xác định tốc độ
Hình 3.8
Biểu đồ kiểm sốt tốc đ
300oC ...................................................................................................................
Hình 3.9

Đường cong biểu diễn c


Hình 3.10 Cường độ nén cịn lại của các loại bê tơng [9, 10, 16, 17].................39
Hình 3.11 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° theo chế độ 2....40
Hình 3.12 Đường cong biểu diễn cường độ cịn lại bình qn của các loại bê
tơng khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2....................41
Hình 3.13 Đường cong biểu diễn cường độ cịn lại của các loại bê tông khi chịu
tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2.......................................... 42

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hầm Hải Vân là hầm đường bộ trên tuyến quốc lộ 1 nối tỉnh Thừa Thiên Huế và
thành phố Đà Nẵng. Hầm được khời công xây dựng năm 2000 và khánh thành vào
năm 2005. Cơng trình giúp giảm các vụ tai nạn giao thơng, tiết kiệm thời gian, chi phí
nhiên liệu so với đèo Hải Vân trước đây.
Sau thời gian khai thác, lưu lượng các phương tiện qua hầm đã tăng cao, Bộ Giao
thông vận tải đã phê duyệt dự án Hầm Hải Vân 2, được mở rộng từ hầm lánh nạn.
Để hoàn thiện cơng trình và giúp cơng trình tăng tuổi thọ cũng như thẩm mỹ, bề
mặt vỏ hầm được bọc một lớp bê tơng xi măng để bao phủ.
Trong q trình khai thác, khơng tránh khỏi nguy cơ hỏa hoạn có thể xảy ra trong
hầm, dẫn đến sự mất ổn định của bê tơng dưới các dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có
thể bị nổ. Trên thế giới cũng đã từng chứng kiến các vụ hỏa hoạn tại hầm Manche
(1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, Mont Blanc (1999) nối liền
Pháp – Ý, hay như cơng trình dân dụng như tháp Windsor – thủ đô Mandrid, Tây Ban
Nha (2005) là những minh chứng cho sự mất ổn định này. Sự mất ổn định của bê tông
sau hỏa hoạn làm cho kết cấu chịu lực bằng bê tơng khơng cịn đảm bảo điều kiện làm
việc như ban đầu.
Vấn đề đặt ra là sau hỏa hoạn, kết cấu bê tơng của cơng trình mà cụ thể là vỏ hầm
có cịn duy trì khả năng chịu lực như ban đầu hay không?
Xuất phát từ lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ
hầm Hải Vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao ” là rất cần thiết. Kết quả đạt
được có thể giúp cho các nhà quản lý, khai thác hầm Hải Vân nói riêng và các cơng
trình xây dựng nói chung có những kịch bản phịng ngừa hay đưa ra các cảnh báo sử
dụng sau khi hỏa hoạn xảy ra.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu đề tài này nhằm đạt được những mục đích sau:
 Đánh giá cường độ nén cịn lại của bê tơng vỏ hầm Hải Vân 2 (mác 350) sau

khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao từ 30 đến 600°C.
 Việc đánh giá này cũng được thực hiện mở rộng trên các loại bê tơng có
cường độ 25 và 50 MPa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu của luận văn là bê tông xi măng vỏ hầm Hải Vân 2
đang được xây dựng ở thành phố Đà Nẵng.
 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cường độ cịn lại của bê tơng vỏ hầm Hải
Vân 2 – mác 350 và các loại bê tơng có cường độ 25, 50 MPa sau khi chịu
tác dụng ở các nhiệt độ: 80, 150, 300, 450 và 600°C với các tốc độ gia nhiệt
khác nhau.


2
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết

của bê tông xi măng và những ứng xử cơ – nhiêt xẩy ra bên trong bê tông
khi chịu tác dụng của nhiệt độ.
 Phương pháp thực nghiệm: đánh giá cường độ nén còn lại trên các mẫu đúc
sau khi chịu tác dụng của nhiệt.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ được sự
tổn thất về cường độ của các loại bê tông xi măng dưới tác động của nhiệt.
 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ giúp cho nhà quản lý dự án
hầm Hải Vân nói riêng và các cơng trình sử dụng vật liệu bê tơng nói chung
hiểu rõ sự tổn thất về cường độ của bê tông khi chịu tác động của nhiệt độ,
từ đó xây dựng kịch bản phòng ngừa hay đưa ra các cảnh báo sử dụng cơng
trình sau khi hỏa hoạn xảy ra.

6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được trình
bày trong 3 chương:
 Chương 1: Tổng quan.
 Chương 2: Vật liệu và thiết kế thành phần bê tông xi măng.
 Chương 3: Thí nghiệm đánh giá cường độ cịn lại của các loại bê tông dưới
tác dụng của nhiệt độ.
 Kết luận và kiến nghị.


3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Q trình thủy hóa của hồ xi măng
Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo, được tạo thành từ việc đông rắn hỗn
hợp sử dụng chất kết dính thủy hóa là xi măng và các loại cốt liệu rời rạc: cát, sỏi, đá
dăm sau khi được nhào trộn với nước theo một tỷ lệ thích hợp.
Sở dĩ hỗn hợp bê tơng trở nên đơng cứng và hình thành cường độ là do phản
ứng hóa học giữa xi măng và nước – gọi là phản ứng thủy hóa của xi măng, mà kết
quả là hình thành các Hydrat khống - CSH. Các hydrat này khơng tan và hồn tồn
ổn định trong mơi trường nước và an tồn dưới tác động của các chất hóa học.
Các thành phần chính của xi măng bao gồm:
- Tricanxi silicat - 3CaO SiO2, ký hiệu C3S, chiếm khoảng 40-60%;
- Dicanxi Silicat - 2CaO SiO2, ký hiệu C2S, chiếm khoảng 15-35%;
- Tricanxi aluminat - 3CaO Al2O3, ký hiệu C3A, chiếm khoảng 4-14%;
- Alumoferit- 4CaO Al2O3 Fe2O3, ký hiệu C4AF, chiếm khoảng 10-18%;
- Thạch cao (Gypsum) dưới dạng: CaSO42H2O (CSH2); thạch cao khan
CaSO4 0.5H2O (CSH0.5) hay CaSO4 (CS)
- Vôi CaO và Oxit khống.
Khi nhào trộn với nước, q trình thủy hóa xẩy ra giữa các thành phần chính
của xi măng với nước diễn ra theo các giai đoạn như sau:

1.1.1. Quá trình thủy hóa của C3S
Q trình thủy hóa C3S xẩy ra theo 3 giai đoạn được mơ tả như (Hình 1.1).

Hình 1.1 Tiến trình thủy hóa C3S [1]


4
-

Giai đoạn ngủ:
Khởi đầu là sự thủy hóa C3S do tác động của ion OH‾ diễn ra khi tiếp
xúc với nước để hình hành C-S-H (Calcium Silicate Hydrate - C 3S2H2)
theo công thức sau:
2+

2

2Ca3SiO5 + 6H2O → 6Ca + 8OH‾ + 2H2SiO4 ‾ + Q
2+
2
3Ca + 2H2SiO4 ‾ + 2OH‾ → Ca3H2Si2O7(OH)2 +
3H2O Như vậy:
2C3S + 6H → C3S2H2 + 3CH + Q; với Q = 120cal/g
Trong vài giây đầu, dung dịch là quá bão hòa bởi silicat canxi (C 3S). Sự
hình thành ion silicate ở giai đoạn đầu này rất nhanh. Tuy nhiên, sự gia
-

tăng ngày càng lớn nồng độ pH doion (OH) đã làm giảm tốc độ phản
ứng.
Dung dịch ngày càng bão hịa do sự hình thành Portlandite CH

(Ca(OH)2). Kết thúc giai đoạn nghỉ - dormante.
3Ca
-

2+

+ 6OH‾ → 3Ca(OH)2

Giai đoạn ninh kết:
Sự hình thành C-S-H ngày càng nhiều. Các tinh thể portlandite và các
sợi C-S-H đan xen lẫn nhau và lấp đầy dần dần các lỗ rỗng. Vật liệu
ngày càng trở nên đặc và cứng hơn.
Mức độ thủy hóa theo thời gian (αt) được đánh giá bằng tỷ số giữa lượng
C3S bị thủy hóa tại thời điểm t và lượng C3S ban đầu:

=

Bằng thực nghiệm, mức độ thủy hóa cũng được xác định bởi cơng
thức:
= 1 − −(

)

với kN và n là những hằng số được xác định từ thực nghiệm.
- Giai đoạn đông cứng:
Bắt đầu từ giờ thứ 12, lớp vỏ thủy hóa bao bọc các hạt C 3S trở nên đủ
dày để làm giảm sự khuếch tán của các ion và của nước. Sau vài tháng,
tiến trình ngưng.
Theo Nonat, CSH biến đổi theo 3 dạng:
- CSH(α): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 0.7 đến 1.0

-

CSH(β): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 1.0 đến 1.5

-

CSH(γ): với tỷ số giữa C/S trên 1.8

CSH có một cấu trúc là các lớp xếp chồng lên nhau. Cấu trúc này tùy thuộc
vào tỷ lệ của C/S. Các CSH có cấu truc dạng sợi liên kết, góp phần rất lớn vào
cường độ ban đầu của hồ xi măng.


5
1.1.2. Q trình thủy hóa của C2S
Phản ứng thủy hóa C2S dưới hình thức đơn giản sau:
2C2S + 5H → C3S2H4 + CH + Q, với Q vào khoảng 250J/g.
Kết quả phản ứng này rất gần với kết quả thủy hóa của C3S.
Q trình thủy hóa C2S diễn ra tương tự như C 3S tuy nhiên tiến trình này tỏa
nhiệt rất ít và xẩy ra rất chậm. Điều này cho thấy là sự đóng góp của C 2S vào
cường độ của hồ xi măng sẽ bị chậm ở thời gian ban đầu. Tuy nhiên, trong kỳ hạn
lâu dài, nó đóng góp rất lớn cho cường độ của bê tơng xi măng Portland.
1.1.3. Q trình thủy hóa của C3A
C3A phản ứng rất nhanh với nước để hình thành gel tự chuyển hóa thành các
hydrat hexagon (C2AH8 và C4AH13) phát triển thành dạng vẩy mỏng và khơng đều.

(a)
(b)
Hình 1.2 Hình thành dạng gel trên bề mặt của C3A ở giai đoạn bắt
đầu của q trình thủy hóa (a) ; C3A sau 3 phút thủy hố (b)

Phản ứng thủy hóa C3A như sau:
2C3A + 21H → C4AH13 + C2AH8 + Q3
Và
C4AH13 + C2AH8 → 2C3AH6 + 9H + Q4
Như vây:
C3A + 6H → C3AH6 + Q5
Với nhiệt lượng Q5 vào khoảng 867 J/g.
Khi có sự hiện diện của thạch cao CSH2, phản ứng tạo thành các tinh thể
Ettringite (Trisulfoaluminate de calcium hydrate - TSA):
3CaO.
Al2 3 + 3[CaSO4. 2 2O] + 25 2O → [ ( ) ] (SO ) 25 Hay: C A + 3CSH
25H → C S H
6

3 31

2

6 22

4 3

2

3

2

1.1.4. Quá trình thủy hóa của C4AF
Q trình thủy hóa của C4AF xẩy ra với tốc độ chậm hơn và tỏa nhiệt ít hơn

khi so với C3A và hình thành các hydrat chứa Fe2O3.

+


6
Phản ứng thủy hóa C4AF như sau:
3C4AF + 30H → 4C3(A,F)H6 + 2(A,F)H3 +
Q Với nhiệt lượng Q vào khoảng 420 J/g.
Khi có sự hiện diện của thạch cao CSH2, phản ứng sẽ hình thành:
C3(A, F)3CaSO4

32

(Ettringite), C3(A, F)CaSO4

12

và C3(A, F) 6.

Chẳng hạn, sự hình thành Etringite :
C4AF + 3CSH2 + 30H → C6 S3H32 +

+

3

Như vậy q trình thủy hóa xi măng đã tạo ra các CSH. Các CSH góp phần rất
lớn vào sự hình thành cường độ cho hồ xi măng.
Trong cấu trúc bê tông, hồ xi măng bao bọc các loại cốt liệu và lấp đầy vào lỗ

rỗng giữa các cốt liệu. Vì thế, các thuộc tính cơ học của bê tơng bị chi phối nhiều vào
đặc tính của hồ xi măng.
1.2. Những ứng xử xẩy ra bên trong bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ
Nhờ có được những thuộc tính cơ học tốt, bền vững với môi trường, thời gian, dễ
tạo dáng và tận dụng được nguồn nguyên vật liệu địa phương, ngày nay bê tông là loại
vật liệu rất phổ biến được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các cơng trình dựng dân
dụng, công nghiệp; thủy lợi; cầu đường.
Khi bổ sung thêm phụ gia, chất độn hoạt tính như bụi silic, bê tơng lại sở hữu
được cường độ cao và rất cao (Hình 1.3).

Seattle, 1989 (120 MPa)

Burj Al Arab Hotel, Dubai (80 Mpa)


7

Cầu Stolma, Norway (70.4Mpa)

St. Clair River Tunnel (76.3 Mpa)
Hình 1.3 Bê tông chất lượng cao được sử dụng cho các cơng trình nhà cao tầng,
cầu, hầm
Tuy nhiên, thực tế cho thấy khi chịu tác dụng của nhiệt độ như trong trường hợp
hỏa hoạn, bê tơng khơng cịn duy trì được những thuộc tính cơ học như ban đầu mà
đánh mất sự ổn định làm suy yếu khả năng chịu lực của kết cấu bê tông. Sự hủy hoại
của đường hầm Mont-Blanc do hỏa hoạn năm 1999 là một minh chứng (Hình 1.4).

Hình 1.4 Sự hủy hoại của đường hầm Mont-Blanc do hỏa hoạn năm 1999
Ta biết rằng, bê tông là một vật liệu tổng hợp bao gồm chất kết dính xi măng, cốt
liệu (sỏi, cát), nước và chất phụ gia. Ngồi vai trị thủy hóa xi măng, nước cịn giúp

8
cho hỗn hợp có được độ dẻo thích hợp để có thể dễ dàng trong việc đổ khn khi thi
cơng. Trong bê tơng, nước tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: nước tự do, nước bị
hấp phụ và nước liên kết hóa học.
Do tính khơng đồng nhất của bê tông, nên khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành
phần trong bê tơng trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau.
1.2.1. Vữa xi măng
Với sự gia tăng của nhiệt độ, những chuyển hóa của vữa xi măng được mơ tả như
sau [2-6] (Hình 1.5-a):
 20 - 120°C : Sự ra đi của nước tự do bắt đầu khi nhiệt độ lên đến khoảng

100°C. Vào khoảng 120°C vữa mất hoàn toàn nước tự do [4, 5]. Và ở 100°C,
Ettringite C6AS3H32 bị phân hủy hoàn toàn [2, 3].
 130 - 170°C : Thạch cao CSH2 bị phân hủy [7].
 Các CSH bị phân hủy khi nhiệt độ tăng 100°C đến 450°C [2, 3].
 450 - 550 °C : Sự phân hủy của portlandite tạo thành vôi và nước Ca(OH) 2 →

CaO+H2O [2, 3, 5, 6].
 600 - 700°C : CSH tiếp tục bị phân hủy và hình thành các dạng β-C 2S [5]. Và
CaCO3 bắt đầu bị phân hủy thành CaO và CO2 khi nhiệt độ vượt quá 600°C [2,
5, 6].
Trong giai đoạn làm nguội sau khi nung, tiến trình tái thủy hóa diễn ra chậm và
hình thành các gel CSH và Portlandite mới [2] (Hình 1.5-b).

(a)
(b)
Hình 1.5 Tiến trình thủy phân của hồ xi măng ở nhiệt độ cao (a) và tiến trình tái
thủy hóa của hồ xi măng khi làm nguội (b) [2]

1.2.2. Cốt liệu
Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trị là bộ xương bê tơng và chiếm khoảng 60-80%
khối lượng của bê tông. Cốt liệu được sử dụng để sản xuất bê tơng có ngn gốc từ tự
nhiên như đá xây, sỏi và cát sông suối.
Khi tiếp xúc với hồ xi măng, các hạt cốt liệu có thể là phản ứng hoặc trung tính.
Các hạt cốt liệu có nguồn gốc đá vơi cho thấy liên kết mạnh với hồ xi măng vì các


9
phản ứng hóa học xảy ra theo thời gian. Các hạt cốt liệu trung tính (silic) khơng phản
ứng với hồ xi măng nên có liên kết yếu.
Khi bê tơng chịu tác dụng của nhiệt độ, ứng xử của cốt liệu cũng xẩy ra tùy thuộc
vào bản chất khoáng học và thành phần hóa học của cốt liệu.
Các cốt liệu đá vôi khá ổn định khi nhiệt độ lên đến 650°C. Khi vượt quá ngưỡng
này, sự phân hủy CaCO3 xẩy ra dẫn đến sự hình thành khí (CO2) và vơi tự do (CaO).
Điều này đưa đến sự mất mát khối lượng vào khoảng 40% (Hình 1.6-a). Trong giai
đoạn nguội, vơi (CaO) phản ứng với độ ẩm của khơng khí để tạo ra Portlandite (CH).
Sự hình thành Portlandite dẫn đến sự gia tăng các vết nứt trong bê tông sẽ dẫn đến
giảm cường độ cịn lại của bê tơng [5, 8].
Các cốt liệu thạch anh (silica) (Hình 1.6-b), cũng cho thấy sự ổn định khi nhiệt độ
lên đến 575°C. Từ nhiệt độ 575°C, một sự thay đổi cấu trúc từ α sang β xẩy ra đưa đến
sự gia tăng thể tích từ 1% đến 5,7% và làm hủy hại trong bê tông [5].
Cốt liệu đá lửa mất khoảng 1% khối lượng (Hình 1.6-c). Tuy nhiên, các cốt liệu
này lại mất ổn định khi nhiệt độ vượt quá 110 °C [9],[10]. Đặc tính không ổn định ở
nhiệt độ tương đối thấp dường như có liên quan đến sự hiện diện của nước bị trong các
lổ rỗng siêu nhỏ hoặc từ quá trình khử hydrat hóa của các nhóm silanol.

(a)

10

(b)

(c)
Hình 1.6 Phân tích nhiệt lượng của cốt liệu đá vôi (a), đá silic (b) và đá lửa (c)
[10]
Do bởi cốt liệu chiếm 60 - 80% khối lượng bê tông, vì thế sự ổn định nhiệt của bê
tơng phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của cốt liệu. Các tính chất của cốt liệu liên quan
đến sự ổn định ở nhiệt độ cao là [11] :
 Hệ số biến dạng nhiệt thấp.
 Không tồn tại biến dạng dư ở giai đoạn làm nguội sau khi nung.
 Độ ổn định nhiệt tốt, tức là ít xuất hiện các đỉnh trên đường cong phân tích

nhiệt vi sai và đường cong phân tích nhiệt lượng, nghĩa là ít hoặc khơng có sự
thay đổi pha.
 Cốt liệu có cấu trúc đơn khống.


11
1.3. Những thiệt hại của các cơng trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới
và ở Việt Nam
Ngay khi chịu tác dụng bởi nhiệt độ cao, bê tông cho thấy sự mất ổn định dưới các
dạng bong tróc bề mặt, nứt nẻ và có thể bị nổ. Những hỏa hoạn xẩy ra ở các cơng trình
dân dụng như tháp Windsor – thủ đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005), hay cơng trình giao
thơng như hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, SaintGothard (2001) ở Thụy sỹ là những minh chứng cho sự mất ổn định này. Sự mất ổn định
này là do những chuyển hóa xẩy ra bên trong bê tơng [12-14].
Những thiệt hại của các vụ cháy này được ghi nhận tại Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Tổng hợp một số vụ hỏa hoạn xảy ra trong hầm đường bộ
STT

1

Cơng trình
Hầm Manche

2

Hầm Tauern

3
4

Hầm Mont Blanc
Hầm Frejus

5

Hầm cao tốc California

6

Hầm Manche

- Vụ cháy đường hầm Tauern (Áo) xảy ra vào ngày 29 tháng 5 năm 1999 làm 12

người chết, 42 người bị thương. Mất 3 tháng sửa chữa, khắc phục hậu quả, hầm Tauern
mở của trở lại vào ngày 28 tháng 5 năm 1999.

Hình 1.7 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Tauern năm 1999

12
- Vụ cháy đường hầm Mont Blanc (nối liền Pháp và Ý) xảy ra vào ngày 24 tháng

3 năm 1999 làm 39 người chết. Ngọn lửa của vụ cháy được dập tắt sau 53 giờ, nhiệt độ
o

lúc cao nhất là hơn 1000 C.

Hình 1.8 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Mont Blanc năm 1999
- Vụ cháy đường hầm Frejus (nối liền Pháp và Ý) xảy ra vào ngày 04 tháng 6

năm 2005 làm 2 người chết, 17 người bị thương. Ngọn lửa của vụ cháy có nhiệt độ
o

tăng lên tới 1650 C. Sau 6 năm kể từ ngày xảy ra vụ cháy tại hầm Mont Blanc nằm
gần hầm Frejus, hệ thống đường hầm xuyên qua dãy Alps lại có một vụ cháy lớn.

Hình 1.9 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Frejus năm 2005


13
- Vụ cháy đường hầm cao tốc California (Mỹ) xảy ra vào ngày 23 tháng 10 năm

2007 làm 3 người chết, 10 người bị thương. Ngọn lửa của vụ cháy có nhiệt độ cao đã
làm nứt và hư hỏng diện tích lớn bề mặt bê tơng vỏ hầm, khiến hầm được dự báo có
nguy cơ bị sụp.

Hình 1.10 Hình ảnh vụ cháy đường hầm cao tốc ở California năm 2007
- Vụ cháy đường hầm Manche hướng từ Anh sang Pháp (nối liền Anh và Pháp)

xảy ra vào ngày 11 tháng 9 năm 2008. Vụ cháy khơng có thiệt hại về người tuy nhiên
có nhiều người đã phải nhập viện do ngạt khói và bị thương nhẹ. Mất 5 tháng sửa
chữa, khắc phục hậu quả, hầm Manche đã trở lại hoạt động vào ngày 09 tháng 02 năm
2009 tiêu tốn 60 triệu Euro chi phí sửa chữa.

Hình 1.11 Sơ đồ miêu tả vụ cháy đường hầm Manche năm 2008


14
Tính đến năm 2019, nước ta có 6 hầm đường bộ: hầm Thủ Thiêm (Hồ Chí Minh),
hầm Hải Vân (Đà Nẵng – Huế), Hầm A.Roàng (Huế), Hầm Đèo Ngang (Quảng Bình –
Hà Tĩnh), Hầm Đèo Cả (Phú Yên), Hầm Cù Mơng (Bình Định – Phú n). Trong q
trình vận hành, các cơng trình trên đã xảy ra các vụ cháy, với mức độ thiệt hại khơng
lớn, chưa có thiệt hại về người và cơng trình. Tuy nhiên, với định hướng rút ngắn thời
gian di chuyển thì số lượng cơng trình hầm đường bộ ngày càng nhiều, nguy cơ xảy ra
cháy nổ sẽ càng lớn.

Hình 1.12 Hình ảnh xe tải bị cháy trong Hầm Hải Vân đêm 16/9/2015

Hình 1.13 Hầm đường bộ Đèo Cả được thông xe năm 2017
Các vụ hỏa hoạn xảy ra trong hầm có những nguy hiểm đặc biệt, nhiều hơn so
với các vụ cháy xảy ra ở mơi trường bên ngồi.


15
- Đầu tiên, tỷ lệ giải phóng nhiệt cao (HHR). Trong không gian hạn chế của

đường hầm, lượng nhiệt giải phóng ra lớn hơn nhiều so với khơng gian mở, HHR cao
gấp 4 lần. Các thử nghiệm trong đường hầm cho thấy một vụ cháy xe có thể tạo ra

2,5MW đến 5MW, xe chở hàng nặng từ 20MW đến 30MW và tàu chở dầu từ 50MW
đến 200MW.
- Thứ hai, các khí độc hại: CO, CO 2, SO2, NO2, HCl,… lẫn trong khói tích tụ
trong khơng gian hẹp (tốc độ gió bằng khơng) lớp khói bị hạ nhiệt độ, phân tầng và lan
rộng với tốc độ nhanh trong hầm. Ngoài ra, lượng khói tỏa ra cịn làm giảm nồng độ
oxy khơng khí xung quanh vùng xảy ra cháy và làm giảm tầm quan sát nhanh chóng,
từ mức giới hạn 65%/100m xuống dưới 10%/100m. Nồng độ oxy giảm 14 đến 16%
thể tích gây khó thở, nếu giảm dưới 9% sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính mạng nếu
khơng kịp thốt hiểm.
o

- Thứ ba, nhiệt độ đám cháy trong đường hầm là rất cao, có thể lên tới 1000 C

hoặc thậm chí cao hơn, nhiệt lượng cháy tỏa ra lớn có thể dẫn đến biến dạng các kiến
trúc, kết cấu của đường hầm, đối với các đám cháy lớn và kéo dài thậm chí có thể làm
sụp đổ cục bộ một phần đường hầm.
1.4. Tổng quan về cơng trình hầm Hải Vân 2
Hầm đường bộ Hải Vân gồm 1 hầm chính với chiều dài hơn 6,2km gồm: 1 hầm
lánh nạn dài hơn 6,2km chạy song song với hầm chính, 1 hầm thơng gió dài 1,9km và
3 hầm lọc bụi tĩnh điện cùng 15 ống hầm thông ngang. Sau khi đưa vào sử dụng, hầm
đường bộ Hải Vân không chỉ rút ngắn đáng kể đoạn đường qua đèo từ 21km xuống
còn hơn 6,2km, bảo đảm an toàn cho các phương tiện qua lại đèo Hải Vân mà cịn góp
phần thúc đẩy phát triển kinh tế, du lịch, dịch vụ cho các địa phương trong khu vực.

Hình 1.14 Hầm đường bộ Hải Vân