Tài liệu Nghiên cứu cường độ còn lại của bê tông vỏ hầm hải vân 2 sau khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG VỎ HẦM HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO Học viên: Nguyễn Hoàng Thanh Quí Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông 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 tông. Ngoài ra, luận văn còn 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 công trình hầm nói chung xây dựng kịch bản phòng ngừa hay đưa ra các cảnh báo sử dụng công 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. Quá trình thủy hóa của hồ xi măng ................................................................ 3 1.1.1. Quá trình thủy hóa của C3S ......................................................................... 3 1.1.2. Quá trình thủy hóa của C2S ......................................................................... 5 1.1.3. Quá trình thủy hóa của C3A ........................................................................ 5 1.1.4. Quá 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 công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới và ở Việt Nam .......................................................................................... 11 1.4. Tổng quan về công 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 CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG 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. Lò sấy ..................................................................................................... 29 3.2.2.2. Lò 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 lò 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 còn lại của các loại bê tông ................................................................................................ 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 lò sấy .............................................................. 31 Bảng 3.3 Thời gian gia nhiệt của lò nung ........................................................... 32 Bảng 3.4 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tông mác 250............................. 34 Bảng 3.5 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tông mác 350............................. 34 Bảng 3.6 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tông 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 tông mác 350............................. 36 Bảng 3.9 Bảng tính cường độ chịu nén của bê tông 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] .................................................................... 3 Hình 1.2 Hình thành dạng gel trên bề mặt của C3A ở giai đoạn bắt đầu của quá trình thủy hóa (a) ; C3A sau 3 phút thủy hoá ........................................................ 5 Hình 1.3 Bê tông chất lượng cao được sử dụng cho các công trình nhà cao tầng, cầu, hầm................................................................................................................. 7 Hình 1.4 Sự hủy hoại của đường hầm Mont-Blanc do hỏa hoạn năm 1999......... 7 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] ..................................................... 8 Hình 1.6 Phân tích nhiệt lượng của cốt liệu đá vôi (a), đá silic (b) và đá lửa (c) [10] ...................................................................................................................... 10 Hình 1.7 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Tauern năm 1999 .......................... 11 Hình 1.8 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Mont Blanc năm 1999 ................... 12 Hình 1.9 Hình ảnh sau vụ cháy đường hầm Frejus năm 2005 ............................ 12 Hình 1.10 Hình ảnh vụ cháy đường hầm cao tốc ở California năm 2007 .......... 13 Hình 1.11 Sơ đồ miêu tả vụ cháy đường hầm Manche năm 2008 ...................... 13 Hình 1.12 Hình ảnh xe tải bị cháy trong Hầm Hải Vân đêm 16/9/2015 ............ 14 Hình 1.13 Hầm đường bộ Đèo Cả được thông xe năm 2017.............................. 14 Hình 1.14 Hầm đường bộ Hải Vân ..................................................................... 15 Hình 1.15 Lễ khởi công Dự án hầm đường bộ Hải Vân 2, năm 2016 ................ 16 Hình 1.16 Thi công tại hầm đường bộ Hải Vân 2 ............................................... 16 Hình 2.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát ............................................................ 20 Hình 2.2 Biểu đồ thành phần hạt của đá ............................................................. 21 Hình 2.3 Máy trộn bê tông và đúc mẫu thí nghiệm ............................................ 24 Hình 2.4 Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm .................................................................. 24 Hình 2.5 Máy nén bê tông ................................................................................... 25 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 .......................................................................................... 28 Hình 3.2 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút........................... 28 Hình 3.3 Lò sấy ................................................................................................... 29 Hình 3.4 Lò nung ................................................................................................ 30 Hình 3.5 Kiểm soát nhiệt độ của lò sấy bằng nhiệt kế TP101 ............................ 30 Hình 3.6 Biểu đồ xác định tốc độ gia nhiệt của lò sấy........................................ 31 Hình 3.7 Biểu đồ xác định tốc độ gia nhiệt của lò nung ..................................... 33 Hình 3.8 Biểu đồ kiểm soát tốc độ gia nhiệt của lò nung cho mẫu có cấp nhiệt từ 300oC ................................................................................................................... 33 Hình 3.9 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° theo chế độ 1 ........ 38 Hình 3.10 Cường độ nén còn lại của các loại bê tông [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 còn lại bình quân của các loại bê tông 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 còn 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. Công trình giúp giảm các vụ tai nạn giao thông, 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 công trình và giúp công trình tăng tuổi thọ cũng như thẩm mỹ, bề mặt vỏ hầm được bọc một lớp bê tông xi măng để bao phủ. Trong quá trình khai thác, không tránh khỏi nguy cơ hỏa hoạn có thể xảy ra trong hầm, dẫn đến sự mất ổn định của bê tông 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 công 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 tông không còn đảm bảo điều kiện làm việc như ban đầu. Vấn đề đặt ra là sau hỏa hoạn, kết cấu bê tông của công trình mà cụ thể là vỏ hầm có còn 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 công trình xây dựng nói chung có những kịch bản phòng 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 còn lại của bê tông 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 tông 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 còn lại của bê tông vỏ hầm Hải Vân 2 – mác 350 và các loại bê tông 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 công trình sử dụng vật liệu bê tông 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 công 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 còn lại của các loại bê tông dưới tác dụng của nhiệt độ.  Kết luận và kiến nghị. 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Quá 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 tông trở nên đông 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 khoáng - CSH. Các hydrat này không tan và hoàn toàn ổn định trong môi trường nước và an toàn 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 khoáng. Khi nhào trộn với nước, quá 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 Quá trình thủy hóa C3S xẩy ra theo 3 giai đoạn được mô 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 - C3S2H2) theo công thức sau: 2Ca3SiO5 + 6H2O → 6Ca2+ + 8OH‾ + 2H2SiO42‾ + Q 3Ca2+ + 2H2SiO42‾ + 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 (C3S). 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 hòa do sự hình thành Portlandite CH (Ca(OH)2). Kết thúc giai đoạn nghỉ - dormante. 3Ca2+ + 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 (t) được đánh giá bằng tỷ số giữa lượng C3S bị thủy hóa tại thời điểm t và lượng C3S ban đầu: 𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡) 𝛼𝑡 = 𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡 = 0) Bằng thực nghiệm, mức độ thủy hóa cũng được xác định bởi công thức: 𝑛 𝛼𝑡 = 1 − 𝑒 −(𝑘𝑁𝑡) 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 C3S 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(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 0.7 đến 1.0 - CSH(): với tỷ số giữa C/S vào khoảng 1.0 đến 1.5 - CSH(): 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. Quá 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. Quá trình thủy hóa C2S diễn ra tương tự như C3S tuy nhiên tiến trình này tỏa nhiệt rất ít và xẩy ra rất chậm. Điều này cho thấy là sự đóng góp của C2S 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 tông xi măng Portland. 1.1.3. Quá 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 không đều. (a) (b) Hình 1.2 Hình thành dạng gel trên bề mặt của C3A ở giai đoạn bắt đầu của quá trình thủy hóa (a) ; C3A sau 3 phút thủy hoá (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 𝑂3 + 3[CaSO4 . 2𝐻2 O] + 25𝐻2 O → [𝐶𝑎2 𝐴𝑙 (𝑂𝐻 )6 ]2 𝐶𝑎2 (SO4 )3 25𝐻2 𝑂 Hay: C3 A + 3CSH2 + 25H → C6 𝐴S3 H31 1.1.4. Quá trình thủy hóa của C4AF Quá 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 𝐻32 (Ettringite), C3 (A, F)CaSO4 𝐻12 và C3 (A, F)𝐻6 . Chẳng hạn, sự hình thành Etringite : C4 AF + 3CSH2 + 30H → C6 𝐴S3 H32 + 𝐶𝐻 + 𝐹𝐻3 Như vậy quá 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 tông 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 công trình dựng dân dụng, công nghiệp; thủy lợi; cầu đường. Khi bổ sung thêm phụ gia, chất độn hoạt tính như bụi silic, bê tông 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 công 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 tông không còn 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. Ngoài vai trò thủy hóa xi măng, nước còn giúp 8 cho hỗn hợp có được độ dẻo thích hợp để có thể dễ dàng trong việc đổ khuôn khi thi công. Trong bê tông, nước tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: nước tự do, nước bị hấp phụ và nước liên kết hóa học. Do tính không đồng nhất của bê tông, nên khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông 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 mô 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-C2S [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 trò là bộ xương bê tông và chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông. Cốt liệu được sử dụng để sản xuất bê tông có nguôn 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 vôi 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) không phản ứng với hồ xi măng nên có liên kết yếu. Khi bê tông 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 vôi tự do (CaO). Điều này đưa đến sự mất mát khối lượng vào khoảng 40% (Hình 1.6-a). Trong giai đoạn nguội, vôi (CaO) phản ứng với độ ẩm của không 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 còn lại của bê tông [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 tông 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 không có sự thay đổi pha.  Cốt liệu có cấu trúc đơn khoáng. 11 1.3. Những thiệt hại của các công 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 công trình dân dụng như tháp Windsor – thủ đô Mandrid, Tây Ban Nha (2005), hay công trình giao thông như hầm Manche (1996 và 2008) nối liền Anh và Pháp, Tauern (1999) ở Áo, Saint-Gothard (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 tông [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 Quốc gia Năm sự cố Thiệt hại Anh - Pháp 1996 46 mét đường hầm bị hư hỏng nghiêm trọng. 2 Hầm Tauern Áo 1999 12 người chết, 42 người bị thương. 3 Hầm Mont Blanc Pháp - Ý 1999 39 người chết 4 Hầm Frejus Pháp - Ý 2005 2 người chết, 17 người bị thương. 5 Hầm cao tốc California Mỹ 2007 3 người chết, 10 người bị thương. 6 Hầm Manche Anh - Pháp 2008 60 triệu euro sửa chữa. - 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. STT Công trình 1 Hầm Manche 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 lúc cao nhất là hơn 1000oC. 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 tăng lên tới 1650oC. 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 tông 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 không 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 Mông (Bình Định – Phú Yên). Trong quá trình vận hành, các công trình trên đã xảy ra các vụ cháy, với mức độ thiệt hại không lớn, chưa có thiệt hại về người và công trình. Tuy nhiên, với định hướng rút ngắn thời gian di chuyển thì số lượng công 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 môi trường bên ngoài.