BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
LÊ QUỐC TOÀN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHỈ TIÊU
CƠ LÝ THEO THỜI GIAN CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ĐẾN TIẾN ĐỘ
THI CÔNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy
Mã số
: 62.58.40.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2016
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi
Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. Vũ Thanh Te
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Đỗ Văn Lượng
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Sang
Phản biện 2: PGS.TS. Vũ Hữu Hải
Phản biện 3: PGS.TS. Hoàng Phó Uyên
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại
trường Đại học Thủy Lợi.
Vào hồi h00 ngày
tháng
năm 2016
Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Công nghệ bê tông đầm lăn cho đập bê tông trọng lực có ưu điểm nổi bật là tốc
độ thi công nhanh, giá thành hạ, hiện đã được áp dụng khá phổ biến ở Việt Nam.
Tuy vậy, tốc độ thi công gắn liền với sự tăng nhiệt trong thân đập, đây là điều
kiện cơ bản gây ra hiện tượng nứt vì nhiệt trong thi công bê tông khối lớn.
Trong thời gian vừa qua đã xuất hiện các vết nứt do nhiệt tại một số đập bê tông
trọng lực đầm lăn.Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chỉ tiêu
cơ lý theo thời gian của bê tông đầm lăn đến tiến độ thi công đập bê tông
trọng lực ở Việt Nam ”là cần thiết, đáp ứng yêu cầu, đòi hỏi của cả khoa học và
thực tiễn
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu diễn biến và lượng hóa một số chỉ tiêu cơ lý theo thời gian của bê
tông đầm lăn, làm cơ sở để tính toán diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt, từ đó xác
định tốc độ thi công hợp lý khi xây dựng đập bê tông đầm lăn.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đập bê tông trọng lực đầm lăn đã và đang thi công ở Việt Nam.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu diễn biến một số chỉ tiêu cơ lý theo thời gian của bê tông đầm lăn và
ảnh hưởng của nó đến tiến độ thi công đập bê tông trọng lực đầm lăn.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa các nghiên cứu đã có
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp thí nghiệm trong phòng
Và một số phương pháp nghiên cứu liên quan khác.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đã chứng tỏ được ảnh hưởng của các chỉ tiêu cơ lí theo thời gian đến diễn biến
nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập bê tông trọng lực đầm lăn.Đã kiểm nghiệm
tiến độ thi công hợp lí cho đập bê tông đầm lăn Đồng Nai 4, kết quả này làm cơ
sở để áp dụng cho các đập bê tông trọng lực đầm lăn.
7.Đánh giá những điểm mới của đề tài
Đề tài đã đạt được những điểm mới như sau:
1
- Tìm được các hàm quan hệ cường độ nén theo thời gian, cường độ kéo theo
thời gian, biến dạng co ngót theo thời gian và modul đàn hồi theo thời gian của
02 cấp phối BTĐL.
- Hoàn thiện, bổ sung phần mềm tính nhiệt và ứng suất nhiệt ANSYS và sử
dụng làm công cụ tính toán diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt, kiểm định tốc độ
thi công hợp lý cho đập BTĐL Đồng Nai 4.
8. Cấu trúc của luận án
Luận án ngoài phần mở đầu và kết luận bao gồm 4 Chương, 48 tài liệu tham
khảo, 04 tài liệu tác giả đã công bố. Nội dung chính của luận án được trình bày
trong 144 trang với 69 bảng, 116 hình và 06 phụ lục.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN
ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của BTĐL trên thế giới
Năm 1961, tại công trình xây dựng đập Alpe Gera-Italia và đập ManiconganCanada, lần đầu tiên hỗn hợp bê tông không độ sụt được rải bằng xe ủi, sau đó
được đầm chặt bằng các loại đầm dùi gắn sau xe ủi hoặc được đầm chặt bằng
máy ủi. Cũng trong năm 1961, tại công trình xây dựng đê quây của đập Thạch
Môn - Đài Loan, hỗn hợp cát, đá trộn với xi măng được rải và đầm chặt bằng
các thiết bị thi công đập đất.
Năm 1970, giáo sư Jerome Raphael (Mỹ) trình bày báo cáo “Đập trọng lực tối
ưu”, nêu phương pháp thi công nhanh đập bê tông trọng lực bằng các thiết bị thi
công đập đất và BTĐL đã thực sự được quan tâm nghiên cứu ứng dụng.
Từ 1972 đến 1974, Cannon R.W công bố nhiều kết quả nghiên cứu về BTĐL,
trong đó có thí nghiệm bê tông nghèo xi măng, vận chuyển bằng ô tô, san gạt
bằng xe ủi và đầm bằng lu rung. Hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ (USACE) đã
ứng dụng để thi công các lô bê tông thử nghiệm ờ đập Lost Creek. Năm 1980,
lần đầu tiên Mỹ sử dụng BTĐL để xây dựng đập Willow Creek, bang Oregon
cao 52m, dài 543m với 331.000m3 BTĐL. Đến năm 1999, tại Mỹ có hàng chục
công trình đập BTĐL đã được xây dựng.
Những năm 1970 ở Anh, Dunstan thực hiện các nghiên cứu về BTĐL. Hiệp hội
nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng (CIRIA) đã tiến hành nghiên cứu
về BTĐL với hàm lượng tro bay cao, sau đó được thử nghiệm tại công trình
trạm xử lý nước Tamara - Coruwall (1976) và đập Wimbledall (1979).
2
Năm 1974, các kỹ sư Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL nhằm rút
ngắn thời gian thi công và hạ giá thành các công trình đập bê tông.
Trung Quốc thực hiện nghiên cứu áp dụng công nghệ BTĐL từ năm 1980, đến
năm 1986 đập Khang Khẩu là đập BTĐL đầu tiên đã được xây dựng. Đến nay
Trung Quốc là quốc gia đứng đầu thế giới về số lượng, chiều cao và kỹ
thuật…trong xây dựng đập BTĐL.
1.2. Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn trên thế giới
Trong 10 năm từ 1996 đến 2006 số lượng đập BTĐL giàu chất kết dính trên thế
giới tăng từ 43,3% năm 1996 lên 47,4% năm 2002 và 53,4% năm 2006”; Đến
12/2005, tổng số 285 đập BTĐL đã được xây dựng.
1.3. Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam
Việt Nam nghiên cứu ứng dụng BTĐL từ năm 1990. Năm 2003, đập thủy điện
Plêikrông là đập BTĐL đầu tiên của Việt Nam. Đến nay đã có trên 20 công trình
đập bê tông trọng lực đã và đang được xây dựng bằng công nghệ BTĐL.
1.4 Tổng quan kết quả nghiên cứu về BTĐL trong nước và trên thế giới
1.4.1. Kết quả nghiên cứu về BTĐL trên thế giới
1.4.1.1. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Pháp
Từ 1988 đến 1996, Pháp đã thực hiện Dự án nghiên cứu cấp quốc gia BACARA
về BTĐL cho đập [4].
1.4.1.2. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Mỹ
- Thiết kế cấp phối BTĐL theo Cục khai hoang Mỹ (USBR) [5].
- Thiết kế cấp phối BTĐL theo Hiệp hội quân sự Mỹ USACE [6], [5].
- Thiết kế cấp phối BTĐL theo ACI 211.3R-2002 [5].
1.4.1.3. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Nhật Bản
Nhật Bản tập trung nghiên cứu về BTĐL trên nhiều phương diện, đặc biệt là về
thiết kế mặt cắt đập và cấp phối BTĐL có khả năng chống thấm cao.
1.4.1.4. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Trung Quốc
Hàng loạt các nghiên cứu đã được tiến hành để tìm ra cách xử lý bề mặt lớp đổ
tốt nhất [7]. Đổ lớp BTĐL mới lên trên lớp bê tông cũ càng sớm càng tốt, trước
khi lớp cũ kết thúc đông kết ban đầu. Đây là biện pháp quan trọng nhất.
3
1.4.2. Những nghiên cứu về bê tông đầm lăn tại Việt Nam
Về sử dụng vật liệu trong nước thiết kế cấp phối:
- Nghiên cứu sử dụng tro bay đập thủy điện Tân Giang [9].
- Nghiên cứu sử dụng tro bay làm PGKHT nhằm tăng tuổi thọ, chống nứt do
nhiệt thủy hóa trong BTKL [10], [11];
Về sử dụng phụ gia khoáng trong BTĐL:
- Lượng nhiệt do xi măng thủy hóa tỷ lệ với lượng dùng xi măng. Ứng suất nhiệt
trong đập phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch nhiệt độ trong đập với nhiệt độ
trung bình năm (Dt), hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (b), mô đun biến dạng (E)
và khả năng kiềm chế biến dạng (R): St = REbDt [12];
- Trong thi công đập BTĐL ở Việt Nam nhất thiết phải xác định sự tăng nhiệt độ
đoạn nhiệt của BTĐL, trên cơ sở nhiệt độ trung bình năm của khu vực xây dựng
đập có thể sơ bộ chọn nhiệt độ tối đa cho phép của khối đổ BTĐL phụ thuộc vào
tốc độ lên đập và chiều dày lớp đổ [12];
- Tro bay và puzơlan thiên nhiên đều có tác dụng làm tăng tính công tác của hỗn
hợp bê tông [13].
- Nghiên cứu sử dụng một số loại phụ gia khoáng trong chế tạo bê tông đầm lăn,
trong đó có tro bay và xác định tro bay có tác dụng cải thiện các tính chất của
BTĐL như trị số tính công tác Vc; cường độ ở các tuổi dài ngày; khả năng chống
thấm [14],[15],[16].
- Nghiên cứu so sánh khả năng tăng dẻo của tro bay với bột đá vôi trong BTĐL
không có phụ gia dẻo hóa [17],[18].
- Nghiên cứu các nguồn PGK Việt Nam để làm chất độn mịn cho BTĐL [19].
Về sử dụng vật liệu chống thấm trong cấp phối BTĐL: Các tài liệu [20],[21]
trình bày những kết quả ban đầu về nghiên cứu nâng cao độ chống thấm của
BTĐL bằng phụ gia hóa học".
Những nghiên cứu về nhiệt trong BTĐL:
- Nghiên cứu về nhiệt độ cách nhiệt trong BTĐL, chứng minh việc sử dụng tro
bay cho phép giảm nhiệt độ cách nhiệt của BTĐL [22].
4
- Nghiên cứu sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng cho chế tạo BTĐL cho đập và
mặt đường [24],[25].
Những nghiên cứu về công nghệ thi công BTĐL:
- Tổng kết về công nghệ thi công đập qua thực tế thi công các công trình đập
Tân Giang, Định Bình và Sơn La [26].
- Áp dụng công nghệ BTĐL trong xây dựng thuỷ điện PlêiKrông [27].
- Tình hình sử dụng BTĐL trên thế giới và ứng dụng ở Việt Nam [28].
1.5. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu về BTĐL, vấn đề nghiên cứu đặt
ra đối với luận án
1.5.1. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu về BTĐL
Qua kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước, từ thực tế xây dựng
các đập BTĐL đặt ra những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu đó là: Về chất
lượng kết hợp mặt tầng của BTĐL, nâng cao khả năng chống thấm của BTĐL,
tiến độ thi công đập BTĐL.
1.5.2. Lựa chọn vấn đề nghiên cứu, nội dung nghiên cứu của luận án
Qua nghiên cứu tổng quan các kết quả nghiên cứu về BTĐL, từ thực tế đặt ra,
tác giả lựa chọn nghiên cứu về tiến độ thi công đập BTĐL. Tiến độ xây dựng
đập BTĐL phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự phát triển của nhiệt, ứng suất
nhiệt trong thân đập BTĐL; khả năng cung ứng vật tư, thiết bị thi công…trong
đó yếu tố có tính chất quyết định là diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt vì đó chính
là nguyên nhân gây nứt trong đập BTĐL. Luận án tập trung nghiên cứu diễn
biến của các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian của BTĐL và ảnh hưởng của chúng
đến tiến độ thi công đập bê tông trọng lực đầm lăn ở Việt Nam.
Công cụ tính toán
Nhiệt và ứng suất nhiệt
CÁC ĐIỀU
KIỆN BIÊN
1. T0 môi trường
(K.Khí,
nước,
bức xạ… ).
2. Các đặc trưng
nhiệt của BTĐL
(truyền
nhiệt,
dẫn nhiệt, dãn nở
vì nhiệt…).
3. Các điều kiện
thi
công
(tải
trọng thi công,
biện pháp khống
chế nhiệt).
T0 ban đầu
của hỗn hợp
BTĐL
Lựa chọn
vật liệu
Phương
pháp chế
tạo cấp phối
BTĐL
Cấp
phối
BTĐL
tối ưu
Diễn
biến các
chỉ tiêu
cơ lý
theo t0
Tốc độ thi
công (số lớp,
chiều dày
lớp đổ, thời
gian nghỉ
giản cách…)
Diễn biến
T0 và ứng
suất nhiệt
trong đập
BTĐL
Trong phạm
vi cho phép
Vượt mức
cho phép
Dưới phạm
vi cho phép
Điều chỉnh,
khống chế nhiệt
và ứng suất
nhiệt.
Quá trình nghiên cứu
Điều chỉnh, khống chế
Hình 1. 1. Sơ đồ mô phỏng quy trình nghiên cứu về tiến độ thi công BTĐL
5
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ
NGHIỆM XÁC ĐỊNH CẤP PHỐI & CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTĐL
2.1. Những nhân tố ảnh hưởng tới các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL
Tương tự như bê tông thường, các tính chất cơ lý của BTĐL bao gồm: các chỉ
tiêu về cường độ (cường độ nén, cường độ kéo), biến dạng, đàn hồi; các chỉ tiêu
về nhiệt (truyền nhiệt, dẫn nhiệt, giãn nở nhiệt); các chỉ tiêu về từ biến…
Những chỉ tiêu cơ lý của BTĐL, trong điều kiện bình thường chịu ảnh hưởng
chính bởi: tính chất, hàm lượng tỷ lệ sử dụng các vật liệu thành phần; điều kiện
khí hậu môi trường thi công và quy trình sản xuất, thi công BTĐL.
2.2. Lựa chọn vật liệu sử dụng trong nghiên cứu chế tạo cấp phối BTĐL
Vật liệu thí nghiệm phải đảm bảo về số lượng, có chất lượng ổn định, đã và
đang được dùng trong các công trình BTĐL, gần các địa điểm thi công, chất
lượng của vật liệu phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đối với BTĐL.
2.2.1. Vật liệu sử dụng cho cấp phối BTĐL-P (phụ gia puzơlan)
- Xi măng: Xi măng PCB40 Fico, TCVN 6260: 2009 [30]
- Puzơlan:mỏ 4A Đắk Nông, TCVN 8825: 2011 “PGK cho BTĐL” [31]
- Nước: TCVN 4506: 2012 "Nước trộn BT&vữa - YCKT” [32]
- Cốt liệu nhỏ: tại Đắk Nông, TCVN 7570: 2006 [33], ASTM C29: 2003
- Đá: Tại Đắk Nông,TCVN7570:2006“CL cho BT và vữa YCKT”
- Phụ gia hóa dẻo đông kết chậm: Plastiment 96, ASTM C494 loại D
2.2.2. Vật liệu sử dụng cho cấp phối BTĐL-T (BTĐL sử dụng phụ gia tro bay)
- Xi măng: Xi măng PC40 Hà Tiên 1, TCVN 2682: 2009 [34]
- Tro bay: Formosa, TCVN 8825: 2011 “PGK cho BTĐL”
- Nước: TCVN 4506: 2012 "Nước trộn bê tông và vữa - YCKT”
- Cát: Tại Ninh Thuận,TCVN7570:2006“CL cho BT và vữa YCKT”
- Đá: Tại Ninh Thuận,TCVN7570:2006“CL cho BT và vữa YCKT”
- Phụ gia mịn: Chất độn phi hoạt tính, khoảng 15% khối lượng cát
- Phụ gia hóa dẻo đông kết chậm: Plastiment 96, ASTM C494 loại D
6
2.3. Xác định cấp phối BTĐL tối ưu
2.3.1. Phương pháp xác định cấp phối BTĐL tối ưu
Luận án lựa chọn và sử dụng phương pháp thiết kế cấp phối theo ACI 211.3R2002 [5] của Mỹ, tiến hành thực nghiệm và vận dụng lý thuyết " Quy hoạch
thực nghiệm" để xác định cấp phối BTĐL tối ưu (về cường độ, VL sử dụng).
2.3.2. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm vận dụng xác định cấp phối [35]
2.4. Các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL
Quy trình thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL được mô phỏng
Vật liệu
chế tạo
BTĐL
Cấp phối thiết kế
Trộn, đúc mẫu
Mẫu
Thí
Nghiệm
Dưỡng hộ mẫu
Kết quả
thí
nghiệm
Thiết bị
thí
nghiệm
Công thức tính
Tổng hợp số liệu
thí nghiệm
Các chỉ
tiêu cần
xác
định
Hình 2.3. Mô phỏng quy trình thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL
(Thực hiện quy trình thí nghiệm trên để xác định 6 chỉ tiêu cơ lý cơ bản của
BTĐL được trình bày trong các mục từ 2.4.1 đến 2.4.6 với các tiểu mục: Tiêu
chuẩn, mẫu và thiết bị thí nghiệm; công thức xác định các chỉ tiêu cơ lý).
2.5. Xác định cấp phối BTĐL tối ưu
2.5.1. Quy hoạch thực nghiệm vận dụng xác định cấp phối [35]
2.5.2. Xác định cấp phối BTĐL-P tối ưu
Tỷ lệ: PGK/CKD = 0,55, 0,60 và 0,65; N/CKD = 0,56; 0,58 và 0,60; CKD =
190 kg/m3; Mức ngậm cát C/(C+Đ) = 0,37; PGH = 1,8 lít/100kg CKD
Bảng 2. 1. Bảng mã hóa hệ số thực nghiệm
Biến thực
Biến mã
-1
0
1
Δ
PGK/CKD
X1
0,55
0,6
0,65
0,05
N/CKD
X2
0,56
0,58
0,6
0,02
7
Bảng 2. 2. Thành phần các cấp phối BTĐL - P thực nghiệm
Biến mã
Biến Thực
Lượng dùng vật liệu cho 1m3(kg)
N
Vc
(s)
1414 830
106
15
125
1417 832
106
13
85
106
1401 823
114
9
0,60
66
125
1404 825
114
5
0,529
0,58
88
102
1407 826
110
16
0
0,671
0,58
62
128
1411 829
110
8
0
-1,412
0,60
0,552
75
115
1418 833
105
17
CP8
0
1,412
0,60
0,608
75
115
1400 822
116
6
CP9
0
0
0,60
0,58
75
115
1409 828
110
8
CP10
0
0
0,60
0,58
75
115
1409 828
110
11
CP11
0
0
0,60
0,58
75
115
1409 828
110
10
CP12
0
0
0,60
0,58
75
115
1409 828
110
9
CP13
0
0
0,60
0,58
75
115
1409 828
110
10
STT
X1
X2
PGK/CKD N/CKD
X
PGK
CP1
-1
-1
0,55
0,56
85
106
CP2
1
-1
0,65
0,56
66
CP3
-1
1
0,55
0,60
CP4
1
1
0,65
CP5
-1,412
0
CP6
1,412
CP7
Đ
C
Các mẫu thí nghiệm theo các cấp phối trên cho kết quả cường độ nén R n(MPa) ở
tuổi 90 ngày và tuổi 365 ngày như sau:
Bảng 2. 3. Kết quả cường độ nén BTĐL - P
CP
CP1
CP2
CP3 CP4 CP5 CP6 CP7 CP8 CP9 CP10 CP11 CP12 CP13
Rn90
14,8
13,8
14,2
Rn365
15,4 15,11 15,1 15,0 15,4 15,0 15,5 15,2 15,2
14
14,5 13,5 15,2 14,6
14
14,3
14,5
14,3
14,8
15,1
15,3
15,4
15,3
Phương trình hồi quy cường độ nén tuổi 365 ngày(2.29):
Rn365 = +15,26 - 0,12X1 – 0,10X2 + 0,047X1X2 – 0,061X12 + 0,014X22
Ảnh hưởng của tỷ lệ PGK/CKD&N/CKD đến cường độ của BTĐL như sau:
Cấp phối BTĐL-P tối ưu: X: 75kg, PGK: 115Kg, cát 804kg, đá 4,75÷19 (mm):
8
722kg, đá 20÷50 (mm): 670kg, nước 110 lít, Phụ gia hóa, (lít): 3,4.
Hình 2. 12. Đồ thị tương quan tỷ lệ
PGK/CKD và tỷ lệ N/CKD với Rn365
BTĐL -P
Hình 2. 13. Các đường đồng mức
tương quan giữa tỷ lệ PGK/CKD và tỷ
lệ N/CKD với Rn365 BTĐL -P
2.5.3. Xác định cấp phối BTĐL-T tối ưu
Tỷ lệ PGK/CKD: 0,58, 0,6 và 0,62; N/CKD: 0,56 , 0,58 và 0,6. CKD = 200kg.
PGM: 15% KL cát; Mức ngậm cát C/(C+Đ) = 0,34; PGH = 1,0 lít/100kg /CKD.
Thực hiện mã hóa các hệ số thực nghiệm, thí nghiệm xác định cường độ nén
tuổi 90 ngày của 13 cấp phối BTĐL-T có thành phần cấp phối theo các biến
tương tự như phần 2.5.2. Phương trình hồi quy cường độ nén tuổi 90
ngày(2.30): Rn90 = +21,38 – 0,45X1 – 0,41X2 + 0,18X1X2 – 0,24X12 – 0,08X22.
Tương quan giữa tỷ lệ PGK/CKD & N/CKD với Rn90 của BTĐL-T như sau:
Hình 2. 16. Đồ thị tương quan giữa tỷ
lệ PGK/CKD và N/CKD với Rn90 của
BTĐL - T
Hình 2. 17. Các đường đồng mức biểu
diễn tương quan giữa tỷ lệ PGK/CKD
và N/CKD với Rn90 của BTĐL - T
Cấp phối BTĐL-T tối ưu: X: 80kg, PGK: 120kg, cát 687 kg; đá: 5÷19 (mm):
479kg, 20÷39(mm): 295kg, 40÷60(mm): 628kg, nước 115lít, PGH 2lít.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ
CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
3.1. Nghiên cứu diễn biến một số chỉ tiêu cơ lý của BTĐL
3.1.1. Nghiên cứu quá trình phát triển cường độ nén (Rn) của BTĐL
9
Hàm tương quan thể hiện sự phát triển cường độ nén (Rn)của cấp phối BTĐL-P:
Yn1 = 2,64ln(x) + 2,24 với R2= 0,9 (3.1a); cấp phối BTĐL-T: Yn2 = 4,54ln(x) +
2,52 với R2= 0,93 (3.1b).
Bảng 3. 3. Cường độ nén cấp phối BTĐL-P theo tính toán
Thời gian (ngày)
1
Cường độ nén (MPa)
3
5
7
14
28
56
90
2,24 5,14 6,49 7,38 9,21 10,4 12,87 14,12
% chênh lệch so với tuổi ngày trước
26,30 9,99 5,84 10,68 19,87 16,58 9,73
Bảng 3. 4. Cường độ nén cấp phối BTĐL-T theo tính toán
Thời gian (ngày)
1
Cường độ nén (MPa)
3
2,52 7,51
% chênh lệch so với tuổi trước
Cường độ nén - Rn(MPa)
5
7
14
28
56
90
9,83 11,35 14,5 17,65 20,8 22,95
32,48 11,49 6,57 11,77 21,70 17,83 10,36
Biểu đồ quan hệ Rn (MPa) - t (ngày)
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
y = 4,54Ln(x) + 2,52
R2 = 0,93
y = 2,64Ln(x) + 2,24
R2 = 0,9
0
50
100
150
cấp phối số 1
200
250
300
350
400
Tuổi bê tông RCC - t (ngày)
cấp phối số 2
Hình 3.3. Biểu đồ quan hệ Rn ~ thời gian 2 cấp phối BTĐL-P&BTĐL-T
3.1.2. Nghiên cứu quá trình phát triển cường độ kéo (Rk)của BTĐL
Hàm tương quan thể hiện sự phát triển cường độ kéo (Rk)của cấp phối BTĐL-P:
Yk1 = 0,258ln(x) + 0,029 với R2 = 0,9764(3.2a) cấp phối BTĐL-T: Yk2 =
0,289ln(x) + 0,051 với R2= 0,971(3.2b).
Bảng 3.7. Cường độ kéo của BTĐL-P&BTĐL-T theo tương quan hồi qui
Ngày tuổi
BTĐL-P
BTĐL-T
Rk (MPa)
1
3
5
7
14
28
56
90
0,02
0,28
0,39
0,47
0,63
0,89
1,07
1,19
50,33
14,89
8,10
2,76
1,06
0,43
0,24
0,37
0,52
0,61
0,81
1,01
1,21
1,35
46,63
14,28
7,83
2,70
1,04
0,43
0,24
(%) tăng Rk
Rk (MPa)
(%) tăng Rk
0,05
10
Cường độ kéo dọc - Rk (MPa)
Biểu đồ quan hệ Rk (MPa) - t (ngày)
1.8
y = 0.258ln(x) + 0.029
R² = 0.9764
y = 0,2894Ln(x) + 0,0506
R2 = 0,971
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
cấp phối số 1
200
250
300
350
400
Tuổi bê tông RCC - t (ngày)
cấp phối số 2
Hình 3.6. Biểu đồ quan hệ Rk theo ngày tuổi của BTĐL-P&BTĐL-T
Bảng 3.8. So sánh tốc độ tăng trưởng cường độ kéo, nén của BTĐL
Cấp phối
Rn28
Rn90
Tăng trưởng (%)
Rk28
Rk90
Tăng trưởng (%)
BTĐL-P
11,8
15,2
129
0,91
1,28
140
BTĐL-T
18,8
20,8
111
1,09
1,31
120
3.1.3. Nghiên cứu biến dạng co ngót (BDCN) của BTĐL
3.1.3.1. Nghiên cứu biến dạng co ngót do nhiệt của BTĐL
Hình 3.7. Diễn biến nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong khối bê tông
3.1.3.2. Nghiên cứu hệ số biến dạng nhiệt của BTĐL
Bảng 3.12. Một số hệ số biến dạng nhiệt của BTĐL
Nguồn gốc cốt liệu
N/(X+PGK)
N (Kg/m3)
H.số BDN 10-6/0C
Cát sông, đá cuội
0,44
70
9,064
Cát nhân tạo, đá dăm, đá vôi
0,86
93
5,803
3.1.3.3. Nghiên cứu biến dạng co ngót do mất nước (co khô) của BTĐL
Bảng 3.13. Biến dạng co ngót thể tích của BTĐL
Hệ số co ngót thể tích của BTĐL Cn (%*10-2)
Tuổi
1
2
3
4
5
6
7
14
28
56
90 365
BTĐL-P 0,30 0,61 1,11 1,51 1,91 2,11 2,48 2,79 3,44 3,95 4,02 4,23
BTĐL-T 0,42 0,61 0,90 1,11 1,61 1,80 2,02 2,21 2,51 2,65 2,78
-
11
Độ co ngót bê tông (%)
Biểu đồ quan hệ độ co ngót (%) - t (ngày)
0.055
0.05
0.045
y = 0.0075ln(x) + 0.0057
R² = 0.9216
0.04
0.035
y = 0,0057Ln(x) + 0,005
R2 = 0,9116
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
50
100
150
cấp phối số 1
200
250
300
350
400
Tuổi bê tông RCC - t (ngày)
cấp phối số 2
Hình 3.10. Biểu đồ quan hệ BDCN ~ thời gian 2 cấp phối:BTĐL-P&BTĐL-T
Hàm tương quan thể hiện BDCN theo thời gian của cấp phối BTĐL-P:
Ycn1 = 0,0075ln(x) + 0,0057 với R2= 0,9216 (3.3a); cấp phối BTĐL-T: Ycn2 =
0,0057ln(x) + 0,005 với R2= 0,9116 (3.3b).
3.1.4. Hệ số truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt
3.1.4.1. Hệ số truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt (HSTN) thể hiện sự khuyếch tán nhiệt lượng của bê tông
(đơn vị m2/h và được ký kiệu là ). HSTN của bê tông càng lớn thì thời gian để
nhiệt độ tại các điểm của khối bê tông đạt đến cùng 1 trị số càng nhanh. HSTN
của bê tông phụ thuộc vào loại cốt liệu, lượng dùng cốt liệu, tỷ lệ nước sử dụng
và dung trọng của bê tông. Thông thường HSTN của bê tông tỷ lệ nghịch với độ
tăng nhiệt độ, tỷ lệ thuận với hàm lượng cốt liệu của bê tông. Do BTĐL sử dụng
ít nước và nhiều cốt liệu hơn CVC nên HSTN của BTĐL lớn hơn CVC tuy
nhiên chênh lệch tăng không đáng kể [41].
3.1.4.2. Hệ số dẫn nhiệt (HSDN)
= . C. γ
Với : HSDN của bê tông [KJ/(m.h .0C)]; : HSTN(m2/h); C: Tỷ
nhiệt của bê tông [KJ/(Kg.0C)]; γ: Dung trọng của bê tông [Kg /(m3)]
Bảng 3.14. Kết quả nghiên cứu về các đặc trưng nhiệt của BTĐL
CKD (kg/m3)
Nhiệt độ ( C)
0
(m /h)
2
120
40
150
60
40
160
60
40
210
60
40
236
60
40
60
0,0039 0,0038 0,0039 0,0038 0,0034 0,0033 0,0046 0,0049 0,0039 0,0038
[kJ/(m.h .0C)] 8,25
8,46
8,25
8,46
7,2
7,91
7,0
-
8,21
8,46
C[kJ/(kg .0C)]
0,87
0,91
0,84
0,9
0,84
0,9
0,96
-
0,87
0,91
a (10-6/0C)
9,06
9,06
9,25
9,25
8,35
8,35
10,4
10,4
9,06
9,06
12
3.1.5. Nghiên cứu modul đàn hồi của BTĐL
3.1.5.1. Modul đàn hồi (MDĐH) chống nén tĩnh của BTĐL
Modul đàn hồi của bê tông
RCC (10000MPa)
Biểu đồ quan hệ giữa modul đàn hồi (MPa) - t (ngày)
3
2.7
y = 0,503Ln(x) + 0,0808
R2 = 0,9831
2.4
2.1
y = 0.4823ln(x) + 0.0946
R² = 0.9758
1.8
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0
0
10
20
30
40
50
cấp phối số 1
60
cấp phối số 2
70
80
90
100
Tuổi bê tông RCC - t (ngày)
Hình 3. 13. Biểu đồ quan hệ MDĐH của BTĐL-P&BTĐL-T
Hàm tương quan thể hiện MDĐH của cấp phối BTĐL-P:Yđh1 = 0,4823ln(x) +
0,0946 với R2= 0,9758 (3.5a); cấp phối BTĐL-T:Yđh2 = 0,5031ln(x) + 0,0808
với R2 = 0,9831(3.5b)
MDĐH của 2 cấp phối BTĐL-P& BTĐL-T chênh lệch không lớn do tổng lượng
dùng cốt liệu của 2 cấp phối là tương đương nhau tuy nhiên do lượng dùng CKD
của cấp phối BTĐL-T cao hơn cấp phối BTĐL-P nên MDĐH của cấp phối
BTĐL-T cao hơn cấp phối BTĐL -P.
3.1.5.2. Modul đàn hồi chống kéo của BTĐL
MDĐH chống kéo của BTĐL chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố và quy luật ảnh
hưởng cũng tương tự nhau. Theo [41], MDĐHchống kéo của BTĐL tuổi 90
ngày (đối với BTĐL cấp phối 3 cấp) = 1,3 ÷ 1,48 lần MDĐHchống nén. Đối với
CVC,MDĐHchống kéo cũng tương đương MDĐHchống nén.
3.1.5.3. Biến dạng kéo giãn cực hạn (BDKGCH)của BTĐL
Là giá trị Rk lớn nhất khi đứt của bê tông theo chiều tâm trục và dùng giá trị
max để biểu thị, chịu ảnh hưởng của lượng CKD, Rk, MDĐH kéo, tuổi của bê
tông…(chủ yếu là lượng CKD và Rk; khi Rk cố định, phụ thuộc lượng CKD)
BDKGCH của bê tôngquathí nghiệm trong phòng lớn hơn nhiều so với
BDKGCH của bê tông thân đập. Do dùng phương pháp sàng ướt để loại bỏ cốt
liệu thô có đường kính lớn hơn 40mm, do vậy mẫu thí nghiệm trong phòng có tỷ
lệ vữa lớn hơn tỷ lệ vữa bê tông thân đập [41].
13
3.1.6. Nghiên cứu sự tăng nhiệt tối đa của BTĐL
Nhiệt độ tối đa của BTĐL là độ tăng nhiệt độđo được của BTĐL ở trạng thái
không tiêu tan nhiệt lượngvà cũng không hấp thụ nhiệt lượngbên ngoài. Trong
thực tế thi công, nhiệt độtrong thân đập MDĐH của CVC phụ thuộc chủ yếu vào thành phần và
lượng dùng cốt liệu, chỉ tiêu này làm tăng khả năng chống nứt của BTĐL.
15
- Các hàm hồi quy thể hiện quan hệ của các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian của 2
cấp phối BTĐL được xác định qua kết quả thực nghiệm như các quan hệ Rntheo
thời gian (Rn~ t); Rk theo thời gian (Rk~ t); Hệ số co ngót theo thời gian (ε ~ t)
và MDĐH theo thời gian (E ~ t)… giúp lượng hóa diễn biến các chỉ tiêu cơ lý
của các cấp phối BTĐL cụ thể nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu tính toán
khống chế nhiệt và ứng suất nhiệt.
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ĐỂ KIỂM ĐỊNH
TIẾN ĐỘ THI CÔNG ĐẬP ĐỒNG NAI 4
4.1. Phần mềm ANSYS và khả năng tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt
4.1.1. Khả năng tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt của phần mềm ANSYS [46]
ANSYS là phần mềm phân tích mô phỏng công trình dựa trên phương pháp
phần tử hữu hạn đủ khả năng tiến hành nghiên cứu kết cấu, nhiệt, chất lỏng, điện
từ, âm thanh…, hiện nay đã phát triển đến phiên bản thứ 16. ANSYS bao gồm
nhiều modul với các tính năng chuyên biệt trong đó ANSYS/Multiphysics,
ANSYS/Mechanical, ANSYS/Thermal, ANSYS/FLOTRAN, ANSYS/ED đều
có công năng phân tích nhiệt. Quá trình phân tích nhiệt trong ANSYS gồm 5
bước: xây dựng mô hình, gán tải trọng, xác nhận bước tải trọng, phân tích và
xem kết quả. Phân tích nhiệt trong đập BTĐL tuân theo 5 bước cơ bản này.
4.1.2. Những hạn chế khi tính nhiệt & ƯS nhiệt đập BTĐL bằng ANSYS
Gặp nhiều khó khăn hoặc không thể thực hiện được khi tính toán dạng truyền
nhiệt không ổn định với cách làm thông thường do đồng thời phải xem xét khi
nhiệt độ môi trường, nhiệt lượng phát sinh trong quá trình thủy hóa của xi măng,
các chỉ tiêu cơ lý của bê tông thay đổi theo thời gian, điều kiện biên cũng thay
đổi theo thời gian trong tính toán toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL.
4.1.3. Bổ sung, hoàn thiện ANSYS để tính nhiệt & ỨS nhiệt đập BTĐL
Điểm nổi bật của phần mềm ANSYS là có thể sử dụng ngôn ngữ tham số hóa
thiết kế APDL (là một loại của ngôn ngữ lập trình FORTRAN) để lập trình xây
dựng bài toán tổng quát mô phỏng diễn biến nhiệt độ trong quá trình thi công
theo thời gian thực dựa trên các tham số định trước và các kết quả nghiên cứu
của tác giả về diễn biến và lượng hóa các chỉ tiêu cơ lý ban đầu của BTĐL. Để
mô phỏng quá trình thi công lên đập phù hợp thực tế thi công đập BTĐL tại Việt
16
Nam, tác giả đã tiến hành bổ sung trong tính toán nhiệt bằng phần mềm ANSYS
với những nội dung chính như sau:
Đưa các kết quả nghiên cứu về diễn biến và lượng hóa các chỉ tiêu cơ lý của
BTĐL như cường độ nén - thời gian, cường độ kéo - thời gian, mô đun đàn hồi thời gian, biến dạng co ngót - thời gian vào trong phần mềm.
Đưa vào chương trình mô hình toán học nhiệt thủy hóa vật liệu xi măng của bê
tông đầm lăn có xem xét đến ảnh hưởng của phụ gia khoáng hoạt tính (tro bay,
puzơlan) đối với nhiệt thủy hóa vật liệu xi măng.
Quá trình diễn biến nhiệt độ trong quá trình thi công bê tông có xét đến thời gian
đổ bê tông và thời gian dừng, nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ.
Thiết lập tiêu chuẩn phá hoại của BTĐL, khi ứng suất nhiệt tại một vị trí nào đó
vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông, khối đổ bê tông tự động hình thành và
phát triển nứt theo quá trình thay đổi nhiệt độ .
4.2. Xây dựng bài toán nhiệt đập BTĐL trong phần mềm ANSYS
4.2.1. Mô hình tính toán
ANSYS sử dụng ngôn ngữ tham số hóa thiết kế APDL để lập trình xây dựng bài
toán tổng quát dựa trên các tham số định trước. Đối với mặt cắt đập bê tông
trọng lực thông thường được phân thành 5 vùng vật liệu, nền được phân thành
các lớp địa chất nằm ngang.
4.2.2. Tham số đầu vào của mô hình
Sử dụng 68 tham số đầu vào của mô hình tính toán dùng mô phỏng về kích
thước đập BTĐL cần tính toán; các chỉ tiêu về vật liệu chế tạo, tốc độ và
phương thức đổ BTĐL.
4.3. Công trình thủy điện Đồng Nai 4, một số chỉ tiêu thiết kế BTĐL
4.3.1. Giới thiệu công trình
- Công trình thủy điện Đồng Nai 4 nằm trên sông Đồng Nai, xã Quảng Khê
huyện Đắk Glong - Đắk Nông và xã Lộc Bảo huyện Lộc Bắc - Lâm Đồng.
- Nhiệm vụ công trình: Sản xuất điện năng với công suất phát điện: 340 MW,
sản lượng điện bình quân 1.009,5 triệu KWh/năm; điều tiết nguồn nước cho nhu
cầu sử dụng của vùng hạ lưu.
- Đập BTĐL cấp 1, cao trình đỉnh 481m; đỉnh đập dài 508,8m, rộng 10m; chiều
cao đập max: 127,5m. Mái dốc thượng lưu 0:0,25, mái dốc hạ lưu 0,8.
17
4.3.2. Đặc trưng về nhiệt của BTĐL và đá nền
- Các chỉ tiêu về nhiệt của BTĐL đập Đồng Nai 4: Nhiệt dung riêng của BTĐL
(C): 220 (Cal/kg - 0C); Tính dẫn nhiệt trong BTĐL(λ): 1.580 (Cal/m-hr - 0C);
Hệ số giãn nở do nhiệt (α): 6,5 (mm/mm.10-6/0C)
- Các chỉ tiêu về cơ lý của đá nền: Dung trọng đá nền (γ): 2,7 (T/m3); Nhiệt
dung riêng của đá nền (C): 170 (Cal/kg - 0C); Tính dẫn nhiệt trong đá nền (λ):
2.800 (Cal/m-hr - 0C); Hệ số giãn nở do nhiệt (α): 10,7 (mm/mm.10-6/0C); Mô
đun đàn hồi (E): 18 (GPa); hệ số Poisson: 0,25.
- Hệ số truyền nhiệt đối lưu [W/m2. 0C]: Bê tông - Không khí 14; Nền - Không
khí: 12; Bê tông- nước hồ : 340.
- Nhiệt độ không khí trung bình/tháng(0C): Tháng 1: 21,8, tháng 2: 23,0, tháng
3: 24,7, tháng 4: 25,6, tháng 5: 25,5, tháng 6 (24,9, tháng 7 (24,5, tháng 8: 24,3,
tháng 9: 24,3, tháng 10: 24,1, tháng 11: 23,4, tháng 12: 22,1.
- Tăng nhiệt do bức xạ: 1,0 (0C).
4.3.3. Các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian của BTĐL-P
Các hàm phi tuyến thể hiện diễn biến các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL-T theo thời
gian đã được xác định trong Chương 3 như sau:
Cường độ nén Yn1 = 2,64ln(x) + 2,24 ; Rk: Yk1 = 0,258ln(x) + 0,029; BDCN
Ycn1 = 0,0075ln(x) + 0,0057 ; modul đàn hồi Yđh1 = 0,4823ln(x) + 0,0946.
4.4. Sử dụng phần mềm ANSYS tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt &xác định
tốc độ thi công hợp lý kiểm định đập Đồng Nai 4 với cấp phối BTĐL-P.
4.4.1. Các kịch bản thi công BTĐL kiểm định cho đập Đồng Nai 4
Bảng 4. 7. Các kịch bản thi công BTĐL kiểm định đập Đồng Nai 4
Nhiệt độ hỗn
hợp BTĐL
Chiều dày
lớp đổ sau
Số lớp
đổ liên
Thời gian nghỉ
giãn cách mùa
Thời gian nghỉ
giãn cách mùa
khi đổ (0C)
đầm lèn (cm)
tục/ngày
khô (ngày)
mưa (ngày)
1
21
30
3
2
4
2
23
30
3
2
4
3
25
30
3
2
4
4
23
30
4
5
5
5
23
30
5
5
5
6
21
30
4
2
4
KB
18
- Xem thêm -
.PDF 
27 
100 
140 
