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 bê tông trọng lực ở Việt Nam

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS Vũ Thanh Te 2. PGS.TS Đỗ Văn Lượng HÀ NỘI, NĂM 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Quốc Toàn ii LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “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” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo Đại học và sau đại học, Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Khoa Công trình Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án. Xin đặc biệt cám ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của GS.TS. Vũ Thanh Te, PGS.TS. Đỗ Văn Lượng. Các Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án. Tác giả chân thành cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận án. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận án không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các Thầy Cô chỉ bảo, các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận án Lê Quốc Toàn iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .......................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. xvii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN ........................................... 5 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của BTĐL trên thế giới .................................... 5 1.1.1. Lịch sử hình thành BTĐL.............................................................................. 5 1.1.2. Tình hình ứng dụng BTĐL trên thế giới ....................................................... 6 1.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL ở Việt Nam ........................................................ 7 1.3. Tổng quan các kết quả nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới về BTĐL ........ 8 1.3.1. Về thiết kế kết cấu mặt cắt đập BTĐL .......................................................... 8 1.3.2. Kết quả nghiên cứu về BTĐL trên thế giới ................................................. 11 1.3.2.1. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Pháp ................................................ 11 1.3.2.2. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Mỹ ................................................... 11 1.3.2.3. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Nhật Bản ......................................... 15 1.3.2.4. Kết quả nghiên cứu về BTĐL tại Trung Quốc ..................................... 16 1.3.2.5. Nhận xét các phương pháp thiết kế cấp phối BTĐL ............................ 18 1.3.3. Những nghiên cứu về BTĐL tại Việt Nam ................................................. 19 1.3.3.1. Về thiết kế cấp phối BTĐL .................................................................. 19 1.3.3.2. Các kết quả nghiên cứu về phụ gia khoáng .......................................... 20 1.3.3.3. Nghiên cứu về vật liệu chống thấm cho BTĐL.................................... 21 1.3.3.4. Những nghiên cứu về nhiệt trong BTĐL ............................................. 22 1.3.3.5. Những nghiên cứu về công nghệ thi công BTĐL ................................ 22 1.4. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu về BTĐL, vấn đề nghiên cứu đặt ra đối với luận án ................................................................................................................. 23 1.4.1. Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu về BTĐL .......................................... 23 1.4.1.1. Về chất lượng kết hợp mặt tầng của BTĐL ......................................... 23 1.4.1.2. Về nâng cao khả năng chống thấm của BTĐL ..................................... 23 iv 1.4.1.3. Về tiến độ thi công đập BTĐL ............................................................. 24 1.5. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 25 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH CẤP PHỐI VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN .............................................................................................. 27 2.1. Những nhân tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL ............................. 27 2.2. Lựa chọn vật liệu sử dụng trong nghiên cứu chế tạo cấp phối BTĐL ............... 29 2.2.1. Vật liệu sử dụng cho cấp phối BTĐL-P (BTĐL sử dụng phụ gia puzơlan)29 2.2.1.1. Xi măng ................................................................................................ 29 2.2.1.2. Phụ gia khoáng ..................................................................................... 30 2.2.1.3. Nước ..................................................................................................... 30 2.2.1.4. Cốt liệu nhỏ .......................................................................................... 31 2.2.1.5. Cốt liệu lớn ........................................................................................... 31 2.2.1.6. Phụ gia hóa dẻo đông kết chậm ............................................................ 33 2.2.2. Vật liệu sử dụng cho cấp phối BTĐL-T (BTĐL sử dụng phụ gia tro bay) . 33 2.2.2.1. Xi măng ................................................................................................ 33 2.2.2.2. Phụ gia khoáng ..................................................................................... 33 2.2.2.3. Nước ..................................................................................................... 34 2.2.2.4. Cốt liệu nhỏ .......................................................................................... 34 2.2.2.5. Cốt liệu lớn ........................................................................................... 35 2.2.2.6. Phụ gia mịn ........................................................................................... 36 2.2.2.7. Phụ gia hóa dẻo đông kết chậm ............................................................ 36 2.3. Phương pháp xác định cấp phối BTĐL tối ưu.................................................... 36 2.3.1. Phương pháp xác định cấp phối BTĐL ....................................................... 36 2.3.2. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm trong thiết kế cấp phối BTĐL tối ưu .... 37 2.4. Các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL ................ 41 2.4.1. Thí nghiệm xác định cường độ nén của BTĐL [36] ................................... 42 2.4.1.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm .......................................................................... 42 2.4.1.2. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 42 2.3.1.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 42 2.4.1.4. Công thức xác định ............................................................................... 43 v 2.4.2. Thí nghiệm xác định cường độ kéo của BTĐL[36] .................................... 43 2.4.2.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm .......................................................................... 43 2.4.2.2. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 43 2.4.2.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 44 2.4.2.4. Công thức xác định ............................................................................... 44 2.4.3. Thí nghiệm xác định biến dạng co ngót của BTĐL [36] ............................ 44 2.4.3.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm .......................................................................... 44 2.4.3.2. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 44 2.4.3.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 45 2.4.3.4. Công thức xác định ............................................................................... 45 2.4.4. Thí nghiệm xác định modul đàn hồi của BTĐL [36] .................................. 45 2.4.4.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm .......................................................................... 45 2.4.4.2. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 46 2.4.4.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................. 46 2.4.4.4. Công thức xác định ............................................................................... 47 2.4.5. Thí nghiệm xác định tính chất nhiệt của BTĐL [36] .................................. 47 2.4.5.1. Tiêu chuẩn thí nghiệm .......................................................................... 47 2.4.5.2. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 48 2.4.5.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 48 2.4.5.4. Công thức xác định ............................................................................... 48 2.4.6. Thí nghiệm xác định nhiệt trong BTĐL [36] .............................................. 48 2.4.6.1. Phạm vi và tiêu chuẩn áp dụng ............................................................. 48 2.4.6.2. Mục đích sử dụng ................................................................................. 49 2.4.6.3. Mẫu thí nghiệm..................................................................................... 49 2.4.6.4. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 49 2.4.6.5. Trình tự thí nghiệm ............................................................................... 49 2.5. Xác định cấp phối BTĐL ................................................................................... 50 2.5.1. Xác định cấp phối BTĐL-P tối ưu .............................................................. 50 2.5.2. Xác định cấp phối BTĐL -T tối ưu ............................................................. 55 2.6. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 59 vi CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ........................................................................................ 60 3.1. Nghiên cứu diễn biến một số chỉ tiêu cơ lý của BTĐL ...................................... 60 3.1.1. Nghiên cứu quá trình phát triển cường độ nén (Rn) của BTĐL .................. 60 3.1.1.1. Cường độ nén của BTĐL cấp phối BTĐL-P........................................ 60 3.1.1.2. Cường độ nén của BTĐL cấp phối BTĐL-T ....................................... 61 3.1.1.3. Nhận xét về quá trình phát triển cường độ nén của BTĐL .................. 61 3.1.2. Nghiên cứu quá trình phát triển cường độ kéo (Rk) của BTĐL .................. 62 3.1.2.1. Cường độ kéo của cấp phối BTĐL-P ................................................... 62 3.1.2.2. Cường độ kéo của cấp phối BTĐL-T ................................................... 63 3.1.2.3. Diễn biến quá trình phát triển cường độ kéo của BTĐL ...................... 63 3.1.2.4. Tốc độ tăng trưởng cường độ nén, kéo của BTĐL .............................. 64 3.1.3. Nghiên cứu biến dạng co ngót của BTĐL ................................................... 65 3.1.3.1. Nghiên cứu biến dạng co ngót do nhiệt của BTĐL .............................. 65 3.1.3.2. Nghiên cứu hệ số biến dạng nhiệt của BTĐL ...................................... 66 3.1.3.3. Nghiên cứu biến dạng co ngót do mất nước (co khô)của BTĐL ......... 67 3.1.4. Nghiên cứu hệ số truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt ........................................... 69 3.1.4.1. Hệ số truyền nhiệt ................................................................................. 69 3.1.4.2. Hệ số dẫn nhiệt ..................................................................................... 69 3.1.5. Nghiên cứu modul đàn hồi của BTĐL ........................................................ 70 3.1.5.1. Modul đàn hồi chống nén tĩnh của BTĐL ............................................ 70 3.1.5.2. Modul đàn hồi chống kéo của BTĐL ................................................... 72 3.1.6. Nghiên cứu sự tăng nhiệt tối đa của BTĐL ................................................. 74 3.2. Công nghệ thi công và diễn biến nhiệt, nứt do ứng suất nhiệt trong BTĐL ...... 78 3.2.1. Về công nghệ thi công đập BTĐL ............................................................... 78 3.2.1.1. Trộn bê tông đầm lăn [5] ...................................................................... 78 3.2.1.2. Vận chuyển bê tông đầm lăn [5] .......................................................... 78 3.2.1.3. Công tác thi công mặt đập[5] ............................................................... 79 3.2.2. Về diễn biến nhiệt và nứt do nhiệt trong quá trình thi công đập BTĐL ..... 80 3.2.2.1. Diễn biến nhiệt trong thi công đập BTĐL ............................................ 80 3.2.2.2. Nứt do ứng suất nhiệt trong BTĐL ...................................................... 81 vii 3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 83 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTĐL ĐỂ KIỂM ĐỊNH TIẾN ĐỘ THI CÔNG ĐẬP ĐỒNG NAI 4 .................................................................. 85 4.1. Phần mềm ANSYS và khả năng tính toán phân tích nhiệt, ứng suất nhiệt ........ 85 4.1.1. Khả năng tính toán nhiệt, ứng suất nhiệt của phần mềm ANSYS [46]...... 85 4.1.2. Những hạn chế khi tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL bằng phần mềm ANSYS ......................................................................................................... 86 4.1.3. Những nội dung bổ sung trong phần mềm ANSYS để tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ...................................................................................... 86 4.2. Xây dựng bài toán phân tích nhiệt đập BTĐL trong phần mềm ANSYS .......... 87 4.2.1. Cơ sở phân tích nhiệt bằng phần mềm ANSYS [46] .................................. 87 4.2.1.1. Lý thuyết kinh điển truyền nhiệt học.................................................... 87 4.2.1.2. Phân tích nhiệt bằng phần mềm ANSYS ............................................. 87 4.2.2. Xây dựng bài toán ....................................................................................... 92 4.2.2.1. Mô hình tính toán ................................................................................. 92 4.2.2.2. Tham số đầu vào của mô hình .............................................................. 93 4.2.2.3. Phân tích mô phỏng thi công BTĐL bằng phần mềm ANSYS ............ 93 4.3. Giới thiệu công trình thủy điện Đồng Nai 4, một số chỉ tiêu thiết kế BTĐL ..... 94 4.3.1. Giới thiệu công trình ................................................................................... 94 4.3.2. Đặc trưng về nhiệt của BTĐL và đá nền ..................................................... 95 4.3.3. Diễn biến các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL-P theo thời gian ............................ 96 4.4. Sử dụng phần mềm ANSYS tính toán diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt và xác định tốc độ thi công hợp lý kiểm định đập BTĐL Đồng Nai 4 (cấp phối BTĐL-P) 97 4.4.1. Các kịch bản trong thi công ......................................................................... 97 4.4.1.1. Cơ sở xây dựng các kịch bản thi công BTĐL ...................................... 97 4.4.1.2. Các kịch bản thi công BTĐL kiểm định cho đập Đồng Nai 4 ............. 98 4.4.2. Diễn biến nhiệt, ứng suất nhiệt ứng với từng kịch bản thi công BTĐL ...... 99 4.4.2.1. Kịch bản 1 ............................................................................................. 99 4.4.2.2. Kịch bản 2 ........................................................................................... 104 4.4.2.3. Kịch bản 3 ........................................................................................... 107 4.4.2.4. Kịch bản 4 ........................................................................................... 111 viii 4.4.2.5. Kịch bản 5 ........................................................................................... 114 4.4.2.6. Kịch bản 6 ........................................................................................... 118 4.4.2.7. Nhận xét và lựa chọn kịch bản ........................................................... 122 4.5. Tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt kiểm định đập BTĐL Đồng Nai 4 theo cấp phối BTĐL-T ........................................................................................................... 125 4.5.1. Các kịch bản tính toán ............................................................................... 126 4.5.2. Kết quả tính toán ....................................................................................... 126 4.5.2.1. Kịch bản 1 ........................................................................................... 126 4.5.2.2. Kịch bản 2 ........................................................................................... 131 4.5.2.3. Kịch bản 3 ........................................................................................... 134 4.5.3. Phân tích kết quả tính toán ........................................................................ 139 4.6. Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 140 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 146 ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Tỷ lệ sử dụng BTĐL theo các hướng khác nhau (12/2006) ........................... 6 Hình 1. 2. Phân bố các đập BTĐL đã và đang XD (Hội Đập lớn và PTNN 12/2005) ... 7 Hình 1. 3. Các kết cấu chống thấm mặt thượng lưu đập BTĐL của Mỹ ........................ 9 Hình 1. 4. Mô phỏng mặt cắt đập BTĐL Nhật Bản ........................................................ 9 Hình 1. 5. Mô phỏng mặt cắt đập BTĐL của Trung Quốc ............................................ 10 Hình 1. 6. Một số mặt cắt đập BTĐL của Việt Nam ......