Tên Luận án: 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..

Nội dung tài liệu: Tên Luận án: 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..

1. 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
2. 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
3. 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
4. - 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 Manicongan- Canada, 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
5. 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
6. 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
7. - 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 T0 ban đầu KIỆN BIÊN 0 của hỗn hợp 1. T môi trường (K.Khí, nước, Trong phạm BTĐL bức xạ ). vi cho phép Diễn 2. Các đặc trưng Diễn biến Cấp 0 Lựa chọn biến các nhiệt của BTĐL T và ứng vật liệu phối chỉ tiêu (truyền nhiệt, suất nhiệt Phương BTĐL Vượt mức pháp chế cơ lý dẫn nhiệt, dãn nở trong đập tối ưu cho phép tạo cấp phối theo t0 Tốc độ thi vì nhiệt ). BTĐL BTĐL công (số lớp, 3. Các điều kiện chiều dày thi công (tải lớp đổ, thời trọng thi công, Dưới phạm biện pháp khống gian nghỉ vi cho phép chế nhiệt). giản cách ) 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
8. 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
9. 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 211.3R- 2002 [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 Các chỉ Vật liệu Mẫu Thiết bị Kết quả Dưỡng hộ mẫu Công thức tính tiêu cần chế tạo Cấp phối thiết kế Thí thí thí Trộn, đúc mẫu Tổng hợp số liệu xác BTĐL Nghiệm nghiệm nghiệm thí nghiệm 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
10. Bảng 2. 2. Thành phần các cấp phối BTĐL - P thực nghiệm 3 Biến mã Biến Thực Lượng dùng vật liệu cho 1m (kg) Vc STT X1 X2 PGK/CKD N/CKD X PGK Đ C N (s) CP1 -1 -1 0,55 0,56 85 106 1414 830 106 15 CP2 1 -1 0,65 0,56 66 125 1417 832 106 13 CP3 -1 1 0,55 0,60 85 106 1401 823 114 9 CP4 1 1 0,65 0,60 66 125 1404 825 114 5 CP5 -1,412 0 0,529 0,58 88 102 1407 826 110 16 CP6 1,412 0 0,671 0,58 62 128 1411 829 110 8 CP7 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 Các mẫu thí nghiệm theo các cấp phối trên cho kết quả cường độ nén Rn(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 14 14,5 13,5 15,2 14,6 14 14,3 14,5 14,3 14,8 Rn365 15,4 15,11 15,1 15,0 15,4 15,0 15,5 15,2 15,2 15,1 15,3 15,4 15,3 Phương trình hồi quy cường độ nén tuổi 365 ngày(2.29): 2 2 Rn365 = +15,26 - 0,12X1 – 0,10X2 + 0,047X1X2 – 0,061X1 + 0,014X2 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
11. 722kg, đá 20÷50 (mm): 670kg, nước 110 lít, Phụ gia hóa, (lít): 3,4. Hình 2. 12. Đồ thị tương quan tỷ lệ Hình 2. 13. Các đường đồng mức PGK/CKD và tỷ lệ N/CKD với Rn365 tương quan giữa tỷ lệ PGK/CKD và tỷ BTĐL -P 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 2 2 ngày(2.30): Rn90 = +21,38 – 0,45X1 – 0,41X2 + 0,18X1X2 – 0,24X1 – 0,08X2 . 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 Hình 2. 17. Các đường đồng mức biểu lệ PGK/CKD và N/CKD với Rn90 của diễn tương quan giữa tỷ lệ PGK/CKD BTĐL - T 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
12. Hàm tương quan thể hiện sự phát triển cường độ nén (Rn)của cấp phối BTĐL-P: 2 Yn1 = 2,64ln(x) + 2,24 với R = 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 3 5 7 14 28 56 90 Cường độ nén (MPa) 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 3 5 7 14 28 56 90 Cường độ nén (MPa) 2,52 7,51 9,83 11,35 14,5 17,65 20,8 22,95 % chênh lệch so với tuổi trước 32,48 11,49 6,57 11,77 21,70 17,83 10,36 Biểu đồ quan hệ Rn (MPa) - t (ngày) 26 y = 4,54Ln(x) + 2,52 24 (MPa) 2 n R = 0,93 R 22 - 20 18 y = 2,64Ln(x) + 2,24 2 16 R = 0,9 14 Cường độ nén 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 cấp phối số 1 cấp phối số 2 Tuổi bê tông RCC - t (ngày) 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: 2 Yk1 = 0,258ln(x) + 0,029 với R = 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 1 3 5 7 14 28 56 90 Rk (MPa) 0,02 0,28 0,39 0,47 0,63 0,89 1,07 1,19 BTĐL-P (%) tăng Rk 50,33 14,89 8,10 2,76 1,06 0,43 0,24 Rk (MPa) 0,05 0,37 0,52 0,61 0,81 1,01 1,21 1,35 BTĐL-T (%) tăng Rk 46,63 14,28 7,83 2,70 1,04 0,43 0,24 10
13. Biểu đồ quan hệ Rk (MPa) - t (ngày) 1.8 (MPa) k y = 0,2894Ln(x) + 0,0506 y = 0.258ln(x) + 0.029 R 1.6 - R2 = 0,971 R² = 0.9764 1.4 1.2 1 0.8 Cường độkéodọc 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Tuổi bê tông RCC - t (ngày) cấp phối số 1 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 -2 Hệ số co ngót thể tích của BTĐL Cn (%*10 ) 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
14. Biểu đồ quan hệ độ co ngót (%) - t (ngày) 0.055 0.05 0.045 y = 0.0075ln(x) + 0.0057 0.04 R² = 0.9216 0.035 y = 0,0057Ln(x) + 0,005 0.03 R2 = 0,9116 Độ cobê ngót tông (%) 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 cấp phối số 1 cấp phối số 2 Tuổi bê tông RCC - t (ngày) 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: 2 Ycn1 = 0,0075ln(x) + 0,0057 với R = 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) 120 150 160 210 236 Nhiệt độ (0C) 40 60 40 60 40 60 40 60 40 60 (m2/h) 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
15. 3.1.5. Nghiên cứu modul đàn hồi của BTĐL 3.1.5.1. Modul đàn hồi (MDĐH) chống nén tĩnh của BTĐL Biểu đồ quan hệ giữa modul đàn hồi (MPa) - t (ngày) 3 2.7 2.4 y = 0,503Ln(x) + 0,0808 R2 = 0,9831 2.1 y = 0.4823ln(x) + 0.0946 1.8 R² = 0.9758 RCC (10000MPa) 1.5 Modulđàn của hồi bê tông 1.2 0.9 0.6 0.3 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 cấp phối số 1 cấp phối số 2 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
16. 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 <nhiệt độtối đa. Vìbê tông có sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt lượngra môi trường. Nhiệt lượng thoát ra do thủy hóa chất kết dính trong BTĐL nếu như hấp thụ và phát tán hoặc tốc độ hấp thụ và phát tán nhỏ hơn tốc độ thủy hóa nhiệt sinh ra, nhiệt độ của bê tông sẽ tăng theo thời gian, đến khi tốc độ phát tán nhiệt lớn hơn tốc độ phát nhiệt, nhiệt độbê tông mới bắt đầu hạ xuống đến nhiệt độ ổn định. Bảng 3.16. Nhiệt thủy hóa chất kết dính khi sử dụng lượng phụ gia khoáng Loại Xi Hàm lượng Thủy hóa nhiệt các ngày tuổi (J/g) PGK măng PGK (%) 3 ngày 5 ngày 7 ngày 0 230,1 263,7 321,2 Puzơlan Bà Rịa 40 138,4 175,6 214,6 PC40 60 100,5 137,2 161,3 Hà 0 234,5 269,3 342,4 Tiên 1 Tro bay Fomosa 40 140,6 180,2 219,6 60 101,5 142,3 166,2 Bảng 3.17. Thời gian đạt nhiệt độ lớn nhất theo lượng phụ gia khoáng Hàm lượng phụ gia Thời gian xuất hiện tăng nhiệt Loại Xi măng khoáng (%) (giờ) 0 18 PC40 Hà Tiên 1 40 38 60 72 3.2. Công nghệ thi công và diễn biến nhiệt, nứt do nhiệt trong đập BTĐL 3.2.1. Về công nghệ thi công đập BTĐL[5] Sơ đồ công nghệ thi công BTĐL được thể hiện trên Hình 3.1. Trộn Vận chuyển San Đầm Cắt khe ngang Đầm lăn Dưỡng hộ Đánh Rải vữa Đặt khe trước mặt đập xờm cát ngang Hình 3. 1. Sơ đồ mô phỏng quy trình thi công BTĐL 3.2.2. Về diễn biến nhiệt, nứt do nhiệt trong đập BTĐL[45], [44], [41], [38]. Quá trình thay đổi nhiệt độ của khối BTĐL được mô phỏng như Hình 3.2. 14
17. Hình 3. 2. Quá trình thay đổi nhiệt độ của khối bê tông 3.3. Những nhân tố ảnh hưởng tới tiến độ thi công đập BTĐL Tiến độ thi công BTĐL (còn gọi là tốc độ lên đập) là nhân tố quan trọng để xác định và xây dựng kế hoạch tiến độ thi công công trình. Tốc độ thi công lên đập được cụ thể hóa bằng các chỉ tiêu như số lớp đổ trong 1 đợt đổ, chiều dày 1 lớp đổ, thời gian nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ. Ngoài các vấn đề trong công nghệ thi công như vận chuyển, phân khoảnh đổ, cắt tạo khe thi công thì cường độ thi công, tốc độ thi công lên đập phụ thuộc và liên quan nhiều đến vấn đề gia tải cũng như tích tụ nhiệt trong thân đập BTĐL. Tốc độ thi công BTĐL trên cơ sở đảm bảo khống chế nhiệt và ứng suất nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào cấp phối BTĐL sử dụng, nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp BTĐL và nhiệt độ môi trường trong quá trình thi công đập BTĐL. Qua kết quả nghiên cứucác chỉ tiêu cơ lý của BTĐL có nhận xét sau: - Rncủa BTĐL giai đoạn tuổi 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
18. - 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
19. 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
20. 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 Chiều dày Số lớp Thời gian nghỉ Thời gian nghỉ KB hợp BTĐL lớp đổ sau đổ liên giãn cách mùa 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 18
21. 4.4.2. Diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt ứng với từng kịch bản thi công BTĐL Bảng 4. 14. Bảng so sánh kết quả tính toán nhiệt độ theo các kịch bản (0C) Kịch Kịch Kịch Kịch Kịch Kịch Thời gian TH bản 1 bản 2 bản 3 bản 4 bản 5 bản 6 TH1 30,114 30,691 31,269 30,673 120 ngày 30,491 31,232 TH2 29,558 30,073 30,589 30,125 TH1 33,960 34,318 34,529 35,050 200 ngày 34,565 35,957 TH2 33,378 33,628 33,879 34,528 TH1 38,208 38,272 38,336 40,425 375 ngày 39,843 42,672 TH2 37,839 37,895 37,951 39,992 TH1 39,621 39,642 39,663 42,333 504 ngày 41,892 45,512 TH2 39,302 39,322 39,342 42,003 TH1 40,391 40,399 40,407 43,419 625 ngày 43,031 47,230 TH2 40,142 40,149 40,157 43,133 Bảng 4. 16. Bảng so sánh kết quả tính toán ứng suất nhiệt theo các kịch bản Ứng suất chính nguy hiểm Rktheo Hệ số Thời Hệ Kịch tuổi của an toàn gian số an toàn bản bê tông cho phép (ngày) Ứ.S chính S1 Tuổi bê tông K= Rk/S1 (MPa) (ngày) (MPa) [K] 1 150 0,79 135 1,29 1,63 2 150 0,97 135 1,29 1,33 3 150 1,80 135 1,29 0,72 1,26 4 180 8,49 150 1,32 0,16 5 180 5,95 150 1,32 0,22 6 150 1,87 120 1,26 0,67 Kết quả tính toán có nhận xét sau: - Kịch bản 1 có hệ số an toàn ứng suất chính kéo thực tế K= 1,63 > [K] = 1,26. Như vậy quá an toàn về nứt; - Kịch bản 2 có hệ số an toàn ứng suất chính kéo thực tế K= 1,33 > [K] = 1,26. Như vậy đảm bảo an toàn hợp lý; - Các kịch bản 3, 4, 5 &6 có hệ số an toàn ứng suất chính kéo thực tế K < [K] = 1,26. 19
22. Như vậy BTĐL sẽ bị nứt tại các thời điểm khác nhau tùy theo nhiệt độ ban đầu của vữa bê tông, số lớp đổ trong 1 đợt và nghỉ giãn cách giữa các đợt. Kết luận: Kịch bản 2 là phù hợp & tiến độ thi công được lập như Hình 4.50. Chiều cao đập (m) Ngày thứ Hình 4. 50. Tiến độ thi công đập Đồng Nai 4 theo phương án chọn (KB2) - Kết quả tính toán: nhiệt độ cao nhất 38,2720C xuất hiện tại cao trình 368.0m đến 370.0m tại vị trí cách mép hạ lưu đập 30m (Hình 4.51). C) o Nhiệt độ ( Thời gian (ngày) Hình 4. 51. Diễn biến nhiệt theo thời gian tại cao trình 370.59m (0C-Ngày) 41 39 37 35 C) 0 D42039 33 T ( T D42040 31 độ D42041 29 D42042 Nhiệt 27 25 Ngày 30/1/10 22/2/10 17/9/09 23/9/09 29/9/09 4/10/09 10/10/09 16/10/09 22/10/09 27/10/09 2/11/09 8/11/09 14/11/09 19/11/09 25/11/09 29/11/09 4/12/09 10/12/09 16/12/09 24/12/09 30/12/09 6/1/10 12/1/10 17/1/10 21/1/10 25/1/10 4/2/10 8/2/10 14/2/10 18/2/10 26/2/10 Hình 4. 52. Diễn biến nhiệt đo thực tế đập Đồng Nai 4 cao trình 370,59m - Hình 4.52: nhiệt độ tại cao trình 370,59 m đập Đồng Nai 4 (17/9/2009 - 28/02/2010), T0max 38,400C (25 và 27/01/2010) cao hơn 0,1280C so với nhiệt độ tính toán. 20
23. 4.5. Nhiệt và ƯS nhiệt kiểm định đập Đồng Nai 4 với cấp phốiBTĐL-T Các hàm phi tuyến thể hiện diễn biến các chỉ tiêu cơ lý của cấp phối BTĐL-T theo thời gian đã được xác định trong Chương 3 như sau: Cường độ nén: Yn2 = 4,54ln(x) + 2,52 Rn: Yk2 = 0,289ln(x) + 0,051 ; BDCN: Ycn2 = 0,0057ln(x) + 0,005; modul đàn hồi Yđh2 = 0,5031ln(x) + 0,0808. 4.5.1. Các kịch bản (KB) tính toán KB1, KB2, KB3: Nhiệt độ hỗn hợp BTĐL lần lượt là 210, 230 và 250C; đổ 3lớp x 0,3m/ngày, nghỉ giãn khi thi công trong mùa khô 2 ngày, mùa mưa 4 ngày. 4.5.2. Kết quả tính toán Bảng 4. 21. Tổng hợp kết quả tính toán nhiệt cấp phối BTĐL-T Thời gian TH Kịch bản 1 Kịch bản 2 Kịch bản 3 TH1 30,169 30,746 31,324 120 ngày TH2 29,610 30,125 30,641 TH1 34,040 34,325 34,609 200 ngày TH2 33,454 33,704 33,956 TH1 38,318 38,375 38,446 375 ngày TH2 37,946 38,002 38,059 TH1 39,740 39,762 39,783 504 ngày TH2 39,420 39,440 39,460 TH1 40,516 40,524 40,532 625 ngày TH2 40,266 40,273 40,280 Bảng 4. 22. Tổng hợp kết quả tính toán ứng suất nhiệt BTĐL-T Hệ Hệ số Ứng suất chính nguy hiểm Rktheo Thời số an an toàn tuổi của Kịch bản gian Ứng suất toàn cho Tuổi bê bê tông (ngày) chính S1 K= phép tông (ngày) (MPa) (MPa) Rk/ S1 [K] Kịch bản 1 150 0,15 135 1,29 8,6 Kịch bản 2 150 0,57 90 1,19 2,09 1,26 Kịch bản 3 150 1,12 135 1,29 1,15 21
24. 4.5.3. Phân tích kết quả tính toán Kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt kiểm định cho đập BTĐL Đồng Nai 4 với 2 cấp phối BTĐL-P và cấp phối BTĐL-T được thống kê theo Bảng 4.23. Bảng 4. 23. Nhiệt và ứng suất nhiệt đập Đồng Nai 4 với 2 cấp phối. 0 Nhiệt độ ( C) Ứng suất S1 (MPa) Hệ số an toàn Kịch Chênh Chênh bản BTĐL-P BTĐL-T BTĐL-P BTĐL-T BTĐL-P BTĐL-T lệch lệch 1 30,114 30,169 -0,055 0,79 0,15 0,64 1,63 8,6 2 30,691 30,746 -0,055 0,97 0,57 0,40 1,33 2,09 3 31,269 31,324 -0,055 1,80 1,12 0,68 0,72 1,15 Nhận xét: Do lượng dùng xi măng lớn hơn (80kg/75kg) nên nhiệt độ ứng với cấp phối BTĐL-T > nhiệt độ ứng với cấp phối BTĐL-P, tuy nhiên CL không đáng kể. Về ứng suất nhiệt: do cấu trúc phân tử của puzơlan có dạng hình que còn các phân tử tro bay có cấu trúc dạng hình cầu nên khi bị thủy hóa sẽ cần 1 lượng nước lớn hơn vì vậy biến dạng co ngót của BTĐL-P sẽ lớn hơn biến dạng co ngót của BTĐL-T (mặc dù BTĐL-T dùng lượng CKD lớn hơn BTĐL-P 10kg/m3). Cũng theo kết quả nghiên cứu trong Chương 3, tốc độ phát triển cường độ kéo, nén và modul đàn hồi của BTĐL-T đều cao hơn BTĐL-P, đây chính là nguyên nhân phát sinh sự chênh lệch ứng suất của đập BTĐL tính toán kiểm định với 2 cấp phối. Mặt khác, do tốc độ phát triển cường độ của BTĐL-T lớn hơn BTĐL-P nên với cùng 1 độ tuổi và thời gian thi công, hệ số an toàn tính toán của đập sử dụng cấp phối BTĐL-T cũng lớn hơn đập sử dụng cấp phối BTĐL-P (bảng 4.23). Nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập BTĐL với 2 cấp phối BTĐL-P& BTĐL-T, qua tính toán ở 3 kịch bản có chênh lệch không lớn bởi phần lớn các điều kiện trong tính toán là như nhau chỉ thay đổi các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian ứng với từng cấp phối tính toán. Tuy nhiên do sự thay đổi nhiệt độ hỗn hợp BTĐL có tác động nhanh và trực tiếp đến ứng suất nhiệt vì vậy chênh lệch ứng suất cũng sẽ ảnh hưởng đến hệ số an toàn tính toán của từng kịch bản. 22
25. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả đạt được của luận án Đề tài đã tiến hành thí nghiệm, dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định cấp phối tối ưu dùng 2 dạng PGK phổ biến đó là cấp phối BTĐL-T (BTĐL dùng phụ gia khoáng hoạt tính tro bay với tuổi thiết kế 90 ngày) và BTĐL-P (BTĐL dùng phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan với tuổi thiết kế 365 ngày) với các loại vật liệu trong nước. Đề tài đã nghiên cứu làm rõ diễn biến và lượng hóa các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL như cường độ kéo, nén; biến dạng co ngót, modul đàn hồi; các chỉ tiêu về nhiệt là các chỉ tiêu cơ lý hết sức quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ thi công xây dựng đập BTĐL. Để tính toán xác định sự phát triển của nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập BTĐL theo thời gian làm cơ sở để xác định tốc độ thi công đập BTĐL một cách hợp lý, lần đầu tiên đề tài đã sử dụng phần mềm tính nhiệt ANSYS với các bổ sung và cập nhật chính là: + Sử dụng ngôn ngữ thiết kế tham số hóa APDL để lập trình xây dựng bài toán thi công đập BTĐL dựa trên các tham số định trước. + Mô phỏng mặt cắt ngang của đập trọng lực BTĐL sát với thực tế; + Tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt của đập BTĐL có xét đến quá trình diễn biến các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL qua các quan hệ phi tuyến của BTĐL. + ANSYS sử dụng mô hình toán học nhiệt thủy hóa vật liệu xi măng của BTĐL có xét đến ảnh hưởng của PGKđến nhiệt thủy hóa vật liệu xi măng. + Xem xét đến thời gian đổ bê tông và thời gian nghỉ giữa các đợt đổ. + Có khả năng vẽ đường quá trình phát triển vết nứt khi ứng suất kéo>khả năng chịu kéo của BT. Dễ dàng tính toán kiểm tra với các mặt cắt đập tương tự. Đề tài đã tính toán giúp xác định kịch bản thi công hợp lý với các đập có điều kiện tượng tự, cụ thể là: nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp vữa BTĐL (210C, 230C & 250C), chiều dày lớp đổ sau đầm lèn (0,30m), tốc độ đổ BTĐL (số lớp đổ trong 1 đợt đổ: 3, 4&5 lớp) và thời gian nghỉ giãn cách giữa các đợt đổ BTĐL (2, 4 hoặc 5 ngày tùy theo mùa của năm) phù hợp với diễn biến của các chỉ tiêu cơ lý ban đầu của BTĐL. Kết quả tính toán đã được khẳng định độ tin cậy cao qua so sánh và đối chiếu với kết quả quan trắc tại hiện trường. 23
26. 2. Những đóng góp mới về khoa học Tìm được các hàm quan hệ của 02 cấp phối BTĐLtheo thời gian, cụ thể: 2 Cường độ nén: Yn1 = 2,64ln(x) + 2,24 với R = 0,9; Yn2 = 4,54ln(x) + 2,52 với 2 2 R = 0,93. Cường độ kéo: Yk1 = 0,258ln(x) + 0,029 với R = 0,9764; Yk2 = 2 0,289ln(x) + 0,051 với R = 0,971. Hệ số co ngót: Ycn1 = 0,0075ln(x) + 0,0057 2 2 với R = 0,9216; Ycn2 = 0,0057ln(x) + 0,005 với R = 0,9116. Modul đàn hồi: 2 Yđh1 = 0,4823ln(x) + 0,0946 với R = 0,9758; Yđh2 = 0,5031ln(x) + 0,0808 với R2 = 0,9831 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. 3. Tồn tại và kiến nghị 3.1. Tồn tại Những kết quả nghiên cứu của đề tài mới ở giai đoạn đầu, cần tiếp tục nghiên cứu áp dụng thử nghiệm, đối chiếu với kết quả quan trắc thực tế để đánh giá kiểm chứng mô hình và phần mềm ANSYS để bổ sung và hoàn thiện. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các đập BTĐL xây dựng mới, giúp kiểm tra, đánh giá chất lượng và độ an toàn các đập BTĐL đã xây dựng, kết hợp với số liệu quan trắc thực tế để xây dựng các phương án kiểm định an toàn đập. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu giúp kiểm tra, đánh giá chất lượng công tác thiết kế cấp phối và phương án thi công BTĐL đối với các đập đang trong giai đoạn thiết kế, chuẩn bị thực hiện dự án đầu tư. 3.2. Kiến nghị Đưa các kết quả nghiên cứu sử dụng trong thiết kế và thi công đập BTĐL có các điều kiện tương tự ở Việt Nam. Tiếp tục nghiên cứu, áp dụng phần mềm ANSYS với phiên bản đã được bổ sung, cập nhật để tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt cho đập BTĐL của các công trình đã và đang thi công xây dựng, đối chiếu với kết quả quan trắc tại hiện trường và kết quả tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt của các phần mềm đã sử dụng trong giai đoạn thiết kế để có những bổ sung hiệu chỉnh cho phù hợp nhằm đảm bảo an toàn đập và hiệu quả của dự án. Hoàn chỉnh phiên bản ANSYS mới để có thể sử dụng là một trong những công cụ tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt trong đập BTĐL phục vụ học tập và nghiên cứu ./. 24
27. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Lê Quốc Toàn, Vũ Thanh Te, Vũ Hoàng Hưng (2015). Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập bê tông trọng lực đầm lăn ở Việt Nam bằng phần mềm ANSYS. Tạp chí Khoa học kỹ thuật (KHKT) Thủy Lợi & Môi trường, trường Đại học Thủy lợi, số 50 tháng 9/2015 trang 9-15; 2. Lê Quốc Toàn, Vũ Thanh Te (2015). Một số kết quả nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý ban đầu của BTĐL(RCC). Tạp chí Kết cấu và Công nghệ Xây dựng Hội Kết cấu và Công nghệ Xây dựng Việt Nam, số 18/III-2015, trang 32-34; 3. Lê Quốc Toàn, Đỗ Văn Lượng, Đinh Xuân Anh (2013). Ảnh hưởng của một số đặc trưng cơ lý ban đầu của BTĐL đến tiến độ thi công đập bê tông trọng lực đầm lăn ở Việt Nam. Tạp chí KHKT Thủy Lợi & Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi,số 41 tháng 6/2013, trang 54-62; 4. Lê Quốc Toàn (2010). Một vài kết quả nghiên cứu về diễn biến nhiệt và ứng suất nhiệt trong BTĐL. Tạp chí KHKT Thủy Lợi & Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi, số 30 tháng 9/2010, trang 53-58.