Ứng dụng lý thuyết đồng nhất hóa phân tích nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông cốt thép công trình cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN LAM ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ ỨNG SUẤT DO NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÔNG 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 HÓA XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÔNG TRÌNH CẦU Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9.05 Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Ngọc Long 2. Nguyễn Duy Tiến HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công 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 công trình nào khác.

Tác giả luận án Nguyễn Xuân 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 quá 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 công 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, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình.

Cuối cùng là sự biết ơn đến Gia đình đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Lam iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.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. Tổng quan về sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT không chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tác động cơ học.

Phân tích các dạng vết nứt không do tác động của cơ học.2 Khái niệm về nhiệt thủy hóa xi măng trong bê tông.3 Các quy định về kiểm soát vết nứt phi kết cấu cho các công trình cầu ở Việt Nam 31 1. Các phương pháp phân tích sự hình thành nhiệt thủy hóa của xi măng trong kết cấu bê tông cốt thép ở tuổi sớm trên thế giới và tại Việt Nam. Các phương pháp trên thế giới. Các phương pháp ở Việt Nam.

Một số giải pháp phòng chống, hạn chế nứt không do lực tác động trong kết cấu bê tông, bê tông cốt thép của mố trụ cầu ở giai đoạn thi công. Phương pháp hạ nhiệt cốt liệu. Sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt. Bảo dưỡng bê tông.

Khống chế nhiệt độ bê tông trong quá trình thi công. Sử dụng phụ gia khoáng. 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 TÔNG CỐT THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA. Tổng quan về phương pháp đồng nhất hóa vật liệu. Ứng xử vật liệu. Khái niệm đa cấp độ.

Khái niệm đồng nhất hóa. Đồng nhất hóa vật liệu theo bài toán nhiệt. 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. Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương của vật liệu BTCT bằng phương pháp đồng nhất hóa.

Phương trình vi phân của quá trình truyền nhiệt. Các thông số tính toán nguồn nhiệt. Công thức quá trình truyền nhiệt trong phương pháp phần tử hữu hạn 56 2.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.Xác định hệ số dẫn nhiệt tương đương. Xác định chiều dày của lớp BTCT.

Xác định nhiệt dung riêng của lớp BTCT. Xây dựng chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương và các đặc trưng vật liệu tương đương của lớp BTCT.1 Sơ đồ khối của chương trình tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương.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. Khảo sát ảnh hưởng của cấp bê tông và biện pháp thi công đến khả năng gây nứt của trụ cầu BTCT. Mô hình bài toán.

Bê tông thông thường. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ lớn. Bê tông toả nhiệt thấp, chiều cao khối đổ nhỏ. Kết luận chương 2:.

NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ĐOẠN NHIỆT TỪ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG CHO BÊ TÔNG THÔNG THƯỜNG DÙNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU. Mục đích thí nghiệm. Thực nghiệm xác định nhiệt phát sinh trong đơn vị thể tích của bê tông tuổi sớm sử dụng cho mố và trụ cầu. Lựa chọn cấp phối thí nghiệm.

Quy trình thực hiện thí nghiệm đo nhiệt lượng đoạn nhiệt cho bê tông. Đánh giá đặc trưng nhiệt của các mẫu bê tông. Kết luận chương 3:. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒNG NHẤT HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI PHÂN BỐ NHIỆT THỦY HÓA XI MĂNG TRONG KẾT CẤU TRỤ CẦU BTCT Ở TUỔI SỚM.1 Thiết lập quá trình đo nhiệt thủy hóa của xi măng của thân trụ BTCT ngoài hiện trường.

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. Mô phỏng sự thay đổi ứng suất do nhiệt thủy hóa của thân trụ cầu BTCT thực tế. Kết luận chương 4:.126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ.131 TÀI LIỆU THAM KHẢO.136 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Phân bố ứng suất trong bê tông khối lớn do chênh lệch nhiệt độ.

Ví dụ về các kết cấu bê tông thường xuất hiện vết nứt phi kết cấu: a) tấm móng bè, b) đập bê tông, 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 tông chắn sóng, i) trụ cầu và (j) tường chắn. a) Hình ảnh đập tràn đang được xây dựng, b, c) các vết nứt do nhiệt gây ra và d, e) kết quả từ các mô phỏng số [9]. 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). 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.

Mô phỏng khối móng trụ: a) diễn biến nhiệt độ trong lõi và b) trạng thái nứt ở 720 ngày sau khi đúc. 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]. Các vết nứt điển hình trên trụ: a) ngang, b) dọc và c) hướng ngẫu nhiên [17].

Nứt do Sa lắng. Nứt do co dẻo. Nứt nhiệt thủy hóa xi măng tại trụ cầu Vĩnh Tuy. Nứt do co khô.

Nứt do rỉ cốt thép. Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng 25 Hình 1. Ứng xử nhiệt của bê tông. Ứng suất nhiệt và cường độ chịu kéo của bê tông theo thời gian.

Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình thủy hóa của xi măng poóclăng 28 Hình 2. Quá trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) Cấp độ kết cấu; (b) phần tử thể tích đặc trưng REV; (c) Môi trường đồng nhất tương đương. Phần tử thể tích đặc trưng REV chứa hai vật liệu thành phần. Phần tử thể tích đặc trưng REV của vật liệu BTCT ( hình tròn là cốt thép, phần còn lại là bê tông): (a) phần tử thể tích đặc trưng REV; (b) chia lưới tam giác cho REV.

Các giá trị thành phần chuyển vị tại nút của phần tử: (a)   11e1 e1 , (b)  e e , (c)   1 (e  e  e  e ). Quá trình đồng nhất hóa vật liệu: (a) kết cấu không đồng nhất; (b) kết cấu đồng nhất; (c) REV. Chia lưới tam giác trong khối vật thể đặc trưng REV của vật liệu BTCT. Giá trị nhiệt độ tại các nút phần tử tam giác.

Sơ đồ qui trình phân tích trường nhiệt độ và ứng suất trong bê tông khối lớn. Giao diện chương trình Tcon1. Mô hình vật liệu bê tông cốt thép. Hệ số dẫn nhiệt tương đương theo thời gian.

Kích thước khối BTCT được đồng nhất hóa (a) và chia lưới của khối (b). Trường nhiệt độ trong khối bê tông. Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 18mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 50mm. Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 20mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 50mm.

Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 25mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 50mm. Trường nhiệt độ trong khối bê tông có đường kính cốt thép 32mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 50mm. Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt tương đương và đường kính cốt thép, bề dày lớp bê tông bảo vệ. Hệ số truyền nhiệt tương đương theo thời gian với trường hợp đường kính cố thép chủ D32mm và cốt thép đai D25mm.

Mô đun đàn hồi Ex của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian. Mô đun đàn hồi Ey của vật liệu BTCT thay đổi theo thời gian. Mô hình trụ đặc BTCT. Biến thiên ứng suất trong thân trụ.

Quan hệ ứng suất và chiều dày thân trụ với bê tông M250.