ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG THANH QUÍ

NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG VỎ
HẦM HẢI VÂN 2 SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG
Ở NHIỆT ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 85.80.205
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Phản biện 1: TS. HOÀNG TRỌNG LÂM
Phản biện 2: TS. NGUYỄN THẾ DƯƠNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm
2018.
* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách
khoa

-Thư viện Khoa kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Trường
Đại học Bách khoa - ĐHĐN


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 nghiên cứu
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.


2

 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 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.
4. Phạm vi nghiên cứu
 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.
5. 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.
CHƯƠNG 1-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 4060%;
- Dicanxi Silicat - 2CaO SiO2, ký hiệu C2S, chiếm khoảng 1535%;


3

- 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]
- 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


4

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 điển t và lượng C3S ban đầu:

𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡)
𝛼𝑡 =
𝑀𝐶3 𝑆 (𝑡 = 0)
- 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
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.
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.
Phản ứng thủy hóa C3A như sau:
2C3A + 21H → C4AH13 + C2AH8 + Q3
Và
C4AH13 + C2AH8 → 2C3AH6 + 9H + Q4
Như vậy: C3A + 6H → C3AH6 + Q5
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.
Phản ứng thủy hóa C4AF như sau:
3C4AF + 30H → 4C3(A,F)H6 + 2(A,F)H3 + Q



5

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
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, dễ tạo dáng và tận dụng được nguồn nguyên vật liệu địa
phương, ngày nay bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các
công trình dựng dân dụng,cầu đường,…
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 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 1.2-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
dang β-C2S [5]. Và CaCO3 bắt đầu bị phân hủy thành CaO và CO2
khi nhiệt độ vượt quá 600°C [2, 5, 6].


6

Trong giai đoạn làm nguội sau khi nung, tiến trình tái thủy hóa
diễn ra xẩy ra chậm và hình thành các gel CSH và Portlandite mới
[2] (Hình 1.2-b).

(a)
(b)
Hình 1.2 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 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.
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].


7

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.
1.4. Tổng quan về công trình hầm Hải Vân 2
Dự án mở rộng hầm lánh nạn Hầm đường bộ Hải Vân thành
hầm chính có điểm đầu thuộc thị trấn Lăng Cô, huyện Phú Lộc (TTHuế) và điểm cuối thuộc phường Hòa Hiệp Bắc, quận Liên Chiểu (Đà
Nẵng) với tổng chiều dài hơn 12,6km.
1.5. Kết luận
Khi nhào trộn xi măng với nước, quá trình thủy hóa xẩy ra
giữa các thành phần chính của xi măng với nước để tạo thành các

CSH. Nhờ có các CSH này mà hồ xi măng đông cứng và hình thành
cường độ.
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.
Khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông trải qua
các biến đổi hóa - lý khác nhau. Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ là sự
ra đi của nước trong bê tông (nước tự do, nước hấp phụ và nước liên
kết). Sự phá vỡ các CSH, CH và CaCO3 của vữa xi măng là những tiến
trình không đảo ngược mà làm cho bê tông đánh mất những thuộc tính
cơ học ban đầu của nó.
Chiếm khoảng 60-80% khối lượng của bê tông, cốt liệu đóng
vai trò là bộ khung xương cho bê tông. Vì thế sự ổn định nhiệt của bê
tông phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của cốt liệu. Những ứng xử
của cốt liệu tùy thuộc vào bản chất khoáng học và thành phần hóa
học của cốt liệu. Những nghiên cứu khoa học cho thấy rằng, các cốt
liệu đá vôi khá ổn định khi nhiệt độ lên đến 650°C. Tuy nhiên, khi
nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự phân hủy CaCO3 xẩy ra và đưa
đến sự sụt giảm khoảng 40% khối lượng. 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.Với cốt liệu thạch
anh (silica) cũng cho thấy sự ổn định khi nhiệt độ lên đến 575°C.


8

Tuy nhiên khi vượt quá ngưỡng này, 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. Với cốt liệu là đá lửa, sự tổn thất khối lượng

khá ít chỉ vào khoảng 1%. Tuy nhiên, nó lại mất ổn định khi nhiệt độ
vượt quá 110°C. Những thiệt hại từ hỏa hoạn gây ra cho các công
trình sử dụng kết cấu bê tông là to lớn. Nó xẩy ra bất cứ nơi đâu và
bất cứ lúc nào. Hầm đường bộ Hải Vân 2 không là ngoại lệ khi phải
đối mặt với nguy cơ cao trong quá trình khai thác với lưu lượng
phương tiện tham gia giao thông ngày càng tăng trong tương lai.
Nghiên cứu sự suy giảm cường độ của bê tông kết cấu vỏ hầm Hải
Vân 2 sẽ đề cập trong các chương kế tiếp.
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Mục tiêu
Tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đá, cát, xi
măng, nước và phụ gia, nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu
sử dụng có phù hợp với các tiêu chuẩn đã quy định không trước khi
tiến hành các bước nghiên cứu tiếp theo.
Khi các nguồn vật liệu đảm bảo yêu cầu đề ra, tiến hành thiết
kế thành phần cho hỗn hợp BTXM mác 250; 350 và 500. Trong đó
thành phần cho hỗn hợp BTXM mác 350 được sử dụng cho chế tạo
vỏ hầm.
2.2. Vật liệu
2.2.1. Xi măng
Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn xi măng Kim Đỉnh PC40 để
chế tạo bê tông vỏ hầm.
2.2.2. Cát
Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn cát tại mỏ cát Vân Ly, xã Điện
Quang, huyện Điện Bàn, tỉnh Quảng Nam để chế tạo bê tông vỏ hầm.
2.2.3. Đá
Dự án hầm Hải Vân 2 lựa chọn đá tại mỏ đá Hố Chuồn, xã
Hòa Ninh, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng với kích thước hạt
5-20 (mm) để chế tạo bê tông vỏ hầm.
2.2.4. Nước

Nước là thành phần giúp xi măng phản ứng tạo ra các sản
phẩm thủy hóa làm cho cường độ của bê tông tăng lên. Nước còn tạo
ra độ lưu động cần thiết để quá trình thi công được dễ dàng. Yêu cầu


9

kỹ thuật của nước dùng cho bê tông được nêu trong TCVN
4506:2012. Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng ngồn nước ngầm tại núi
Hải Vân.
2.2.5. Phụ gia
Dự án hầm Hải Vân 2 sử dụng phụ gia KKS Polymad 738.
KKS Polymad 738 là phụ gia có tính năng duy trì độ sụt cho bê tông.
2.3. Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông
Dựa vào thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông xi măng mác
350 đang thi công, tiến hành thiết kế thêm hai thành phần cấp phối
bê tông cho mác 250 và 500 khi sử dụng các loại vật liệu tương tự.
Bảng 2.7 Bảng thành phần cấp phối chuẩn cho 1m3 bê tông
STT Vật liệu thành phần Đơn vị
250
350
500
1
Xi măng Kim Đỉnh
kg
297,0 410,0 470,0
PC40
2
Cát (0-2,5)
m3

0,337 0,296 0,275
3
Đá (4,75-19)
m3
0,370 0,378 0,389
4
Nước
kg
166,0 167,9 178,6
5
Phụ
gia
KKS
kg
2,376 3,500 4,700
Polymad 738
6
Tỷ lệ N/X
0,559 0,410 0,380
2.3.1. Đúc mẫu
Dựa vào thành phần cấp phối bê tông, tiến hành cân đong đủ
khối lượng cho 1 mẻ trộn. Máy trộn được sử dụng là máy trộn bê
tông 200 lít. Quy trình trộn bê tông bằng máy:
- Bước 1: Chuẩn bị
- Bước 2: Vận hành
- Bước 3: Vệ sinh máy sau quá trình làm việc
2.3.2. Bảo dưỡng
Mẫu thí nghiệm sau khi được đúc xong cần để gọn vào nơi khô ráo,
thoáng gió, tránh sự tiếp xúc của ánh nắng mặt trời nhằm tránh hiện tượng
co ngót cục bộ do mất nước. Sau 24 giờ kể từ khi đúc tiến hành tháo khuôn,

dán giấy ghi rõ: ngày đúc mẫu, mác bê tông để thuận tiện cho việc thí
nghiệm sau này. Các mẫu sau khi tháo khuôn được dưỡng hộ trong bể nước
theo đúng quy định. Việc bảo dưỡng được tiến hành cho đến ngày thứ 28
kể từ ngày đúc mẫu.


10

2.3.3. Thí nghiệm xác định cường độ nén
Thiết bị sử dụng để xác định cường độ chịu nén của mẫu bê
tông là máy nén bê tông tại phòng thí nghiệm của Dự án Hầm Hải
Vân 2. Máy được đặt cố định tại phòng thí nghiệm và được kiểm
định thường xuyên mỗi năm 1 lần.


11

Mác bê
tông
thiết kế
250

350

500

STT

1
2

3
1
2
3
1
2
3

Bảng 2.8 Kết quả kiểm tra cường độ nén của mẫu bê tông
Kết quả
Diện tích
Cường độ Cường độ
Chênh
nén (kN)
(cm2)
(kN/cm2)
(daN/cm2)
lệch
(%)
680,37
225
3,024
302,4
1,121
688,08
225
3,058
305,8
706,94
225

3,142
314,2
2,741
856,27
225
3,806
380,6
0,840
868,78
225
3,861
386,1
0,609
863,52
225
3,838
383,8
1381,50
225
6,140
614,0
0,736
1371,40
225
6,095
609,5
1309,40
225
5,820
582,0

4,521

Cường độ
(daN/cm2)

307,5

383,5

601,8

2.3.4. Kết luận
Các tính chất cơ lý của cốt liệu đá, cát, chất kết dinh xi măng, nước và phụ gia đang được sử
dụng tại dự án hầm Hải Vân 2 phù hợp cho việc chế tạo vữa bê tông xi măng theo yêu cầu kỹ thuật
hiện hành.
Thiết kế thành phần cấp phối cho bê tông mác 250, 300 và 500 tương ứng với tỷ lệ N/X lần lượt
là 0,559; 0,41; 0,38 và cường độ nén phá hủy lần lượt là 30,8; 38,4 và 60,2 Mpa.
Từ kết quả thiết kế thành phần hỗn hợp này, tiến hành đúc mẫu để đánh giá cường độ nén còn
lại của bê tông sau khi chịu tác dụng của nhiệt độ ở chương kế tiếp.


12

CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ
NÉN CÒN LẠI CỦA BÊ TÔNG SAU KHI CHỊU TÁC DỤNG
CỦA NHIỆT ĐỘ CAO
3.1. Mục tiêu
Tiến hành thí nghiệm xác định cường độ nén còn lại trên các
mẫu bê tông hình lập phương 15x15x15cm sau khi nung ở các
ngưỡng nhiệt độ (Tmax) 80, 150, 300, 450 và 600°C và so sánh với

giá trị cường độ nén ban đầu khi chưa nung (ở nhiệt độ trong phòng
thí nghiệm 30°C).
Hai chế độ tác dụng nhiệt (có kiểm soát tốc độ gia nhiệt, cố
định thời gian tác dụng nhiệt Tmax và không kiểm soát tốc độ gia
nhiệt, cố định tổng thời gian tác dụng nhiệt) được sử dụng để đánh
giá sự ảnh hưởng của nó đến cường độ còn lại của bê tông.
Dựa vào kết quả thu được, tiến hành đánh giá cường độ nén
còn lại của các bê tông dưới ảnh hưởng các nhân tố về mác bê tông
và chế độ tác dụng nhiệt.
3.2. Chương trình thí nghiệm
3.2.1. Mẫu thí nghiệm và chế độ tác dụng nhiệt
Sử dụng các loại vật liệu như đã nêu ở mục 0 phối hợp theo tỷ
lệ như Bảng 2.7 để đúc mẫu thí nghiệm cường độ nén (kích thước
15x15x15cm) dưới tác dụng của nhiệt độ.
Hai chế độ cưỡng bức nhiệt được áp dụng:
 Chế độ 1: Duy trì tốc độ gia nhiệt VT=3,5°C/phút và thời
gian lưu giữ ở nhiệt độ lớn nhất là 60 phút (Hình 3.1).
 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút. Ở chế
độ này, tốc độ gia nhiệt tùy thuộc vào thiết bị: VT =3,5°C/ phút cho
lò sấy và 39,7°C/phút cho lò nung (Hình 3.2).


13

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

Hình 3.2 Chế độ 2: Tổng thời gian tác dụng nhiệt là 120 phút
Sau 28 ngày bảo dưỡng, mẫu được vớt ra để ráo sau đó cho
vào lò nung, để nung đến các ngưỡng nhiệt độ 80, 150, 300, 450 và

600°C. Sau đó, mẫu được lấy ra để nguội đến nhiệt độ trong phòng
trước khi tiến hành nén phá hủy để xác định cường độ.
3.2.2. Thiết bị thí nghiệm
Sử dụng các lò nung và sấy để nung mẫu theo 2 chế độ nhiệt.
Ở các ngưỡng nhiệt độ 80 và 150°C, mẫu được nung trong lò sấy. Ở
các ngưỡng nhiệt độ 300, 450 và 600°C, mẫu được nung trong lò
nung.


14

3.2.2.1. Lò sấy
Sử dụng lò sấy HN101 của hãng Lang-shan được đặt tại phòng
thí nghiệm của Dự án Hầm Hải Vân 2. Máy được kiểm định thường
xuyên mỗi năm 1 lần.
3.2.2.2. Lò nung
Lò nung Lenton EF11/8/B của hãng Lenton (Anh) được đặt tại
phòng thí nghiệm của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất
lượng 2 (Quatest 2). Máy được kiểm định thường xuyên mỗi năm 1
lần.
3.2.2.3. Kiểm tra tốc độ gia nhiệt của lò sấy và lò nung
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần tiến hành kiểm tra tốc độ
gia nhiệt của thiết bị. Đồng hồ bấm giây và nhiệt kế điện tử TP101
được sử dụng để kiểm tra.
a) Tốc độ gia nhiệt của lò sấy
Vặn núm chỉnh nhiệt độ đến 150°C và bật lò. Ghi chép thời
gian (phút) kể từ khi bật lò cho mỗi lần nhiệt độ tăng thêm 10°C.
Tiến hành theo dõi cho đến khi nhiệt độ đạt đến 150°C.
Tại thời điểm kiểm tra, nhiệt độ trong phòng đo được là 30°C. Ta
có tốc độ gia nhiệt của lò sấy là Vs=3,5°C/phút

b) Tốc độ gia nhiệt của lò nung
Thực hiện tương tư lò sấy, kiểm tra tốc độ gia nhiệt từ nhiệt độ
phòng 30°C đến 600°C. Ta có tốc độ gia nhiệt của lò nung là
Vn=39,7°C/phút
Để thực hiện cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 trong lò nung ở
các ngưỡng nhiệt độ 300, 450 và 600°C, áp dụng thời gian chờ t
cho mỗi bước gia nhiệt T=30°C là:
1 1
1
1
∆𝑡 = ∆𝑇 ( − ) = 30 (
−
) = 7 𝑝ℎú𝑡 50 𝑔𝑖â𝑦
𝑉𝑠 𝑉𝑛
3,5 39,7
Biểu đồ kiểm soát tốc độ gia nhiệt của lò nung ở mức 3,5°C/
phút .
3.3. Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm cường độ mẫu nén còn lại trên các mẫu bê
tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 và chế độ 2
được tập hợp trong thuyết minh.


15

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
Từ các kết quả đạt được ở các, cường độ còn lại RT°C /R30°C (so
với cường độ ban đầu) của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng
cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 được xác định trong bảng sau:

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
Nhiệt độ Tmax (°C)
Mác bê
tông
30
80
150
300
450
600
250
100%
97%
95%
86%
81%
73%
350
100%
97%
94%
84%
77%
69%
500
100%
93%
88%
78%

71%
64%
Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° của các loại
bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 1 được vẽ
ở Hình 3.9.

Hình 3.9 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30°
theo chế độ 1
Kết quả cho thấy rằng, cường độ nén của các loại bê tông bị
suy giảm theo nhiệt độ. Tuy nhiên, tiến trình suy giảm tùy thuộc vào
loại bê tông:
 Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, các mẫu bê tông mác 500 bị
suy giảm xấp xỉ 15% so với ban đầu, trong khi các mẫu bê tông mác
250 và 350 bị suy giảm khoảng 5%.
 Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, các đường cong gần như
song song nhau, điều này cho thấy sự suy giảm cường độ gần như
đồng nhất cho các loại bê tông:


16

 Ở 300°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500
lần lượt là 86%; 84% và 78%.
 Ở 450°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500
lần lượt là 81%; 77% và 71%.
 Ở 600°C, các mẫu bê tông mác 250 duy trì được 73% cường
độ so với ban đầu; 69% cho mẫu bê tông mác 350 trong khi các mẫu
bê tông mác 500 chỉ còn 64% cường độ ban đầu. Tức là bê tông mác
250 và 350 đánh mất khoảng 30% cường độ ban đầu, trong khi bê
tông mác 500 đánh mất 36% cường độ ban đầu.

Điều này cho thấy bê tông có cường độ càng cao, sự suy giảm
càng lớn theo sự gia tăng của nhiệt độ.
Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ là sự phân hủy các CSH
từ 100°C đến 700°C, của portlandite tạo thành vôi và nước ở
450°C đến 550°C, tiến trình giải phóng CO2 của CaCO3 … Chính
sự phân hủy này đã làm cho bê tông bị suy giảm cường độ. Mặc
khác, các sự phân hủy này có tính không đảo ngược. Vì thế, sau
khi chịu tác động của nhiệt độ cao, bê tông cũng không thể phục
hồi những thuộc tính cơ học ban đầu vốn có của mình.
Kết quả thí nghiệm hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu
trước đây (Hình 3.10).
C1-36.5MPa [PLIYA 2010]
C2 - 46MPa
C3 -70.2MPa
B40 [MINDEGUIA 2009]
B40 SC
BAP 25 [FARES 2009]
BAP 40
BV 40
BO-C-38.1MPa [XING 2011]
BO-SC-35.9MPa
BO-S-38.8MPa
BHP-C-76.3MPa
BHP-SC-81.2MPa
BHP-S-72.8MPa

140

fc(T)/fc(20) (%)


120
100
80
60
40
20
0
0

100

200

300

400

500

600

700

800

Température (°C)

Hình 3.10 Cường độ nén còn lại của các loại bê tông [9, 10,
16, 17]



17

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
Từ các kết quả đạt được ở các Bảng 3.7, 3.8, 3.9, cường độ
còn lại RT°C /R30°C (so với cường độ ban đầu) của các loại bê tông sau
khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 được xác định trong
bảng sau:
Bảng 3.11 Cường độ còn lại RT°C /R30°C của các loại bê tông
sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2
Nhiệt độ Tmax (°C)
Mác bê
tông
30
80
150
300
450
600
250
100%
96%
90%
84%
78%
73%
350
100%
92%

87%
82%
75%
67%
500
100%
92%
87%
77%
68%
63%
Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° của các loại
bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế độ 2 được vẽ
ở Hình 3.11.

Hình 3.11 Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30°
theo chế độ 2
Tương tự như cưỡng bức nhiệt chế độ 1, cường độ nén của các
loại bê tông bị suy giảm theo nhiệt độ. Tuy nhiên, tiến trình suy giảm
cũng tùy thuộc vào loại bê tông:
 Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, các mẫu bê tông mác 350 và
500 bị suy giảm khoảng 13% so với ban đầu, trong khi các mẫu bê
tông mác 250 bị suy giảm khoảng 10%.


18

 Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự suy giảm cường độ của
bê tông mác 500 mạnh hơn so với 2 loại bê tông còn lại:
 Ở 300°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 lần

lượt là 84 và 82% trong khi cường độ còn lại của bê tông mác 500 là
77%.
 Ở 450°C, cường độ còn lại của bê tông mác 250, 350 và 500
lần lượt là 78%; 75% và 68%.
 Ở 600°C, các mẫu bê tông mác 250 duy trì được 73% cường
độ so với ban đầu; 67% cho mẫu bê tông mác 350 trong khi các mẫu
bê tông mác 500 chỉ còn 63% cường độ ban đầu. Tức là bê tông mác
250 và 350 đánh mất khoảng 30% cường độ ban đầu, trong khi bê
tông mác 500 đánh mất gần 40% cường độ ban đầu.
Điều này cũng cho thấy rằng bê tông có cường độ càng cao,
sự suy giảm càng lớn theo sự gia tăng của nhiệt độ.
3.3.3. Sự ảnh hưởng của thời gian tác dụng nhiệt đến cường độ
nén còn lại của các loại bê tông
Đường cong biểu diễn cường độ còn lại RT°C /R30° bình quân
của các loại bê tông sau khi chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt theo chế
độ 1 và chế độ 2 được vẽ ở Hình 3.12.

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
Kết quả cho thấy rằng sự suy giảm cường độ của các loại bê
tông chịu tác dụng cưỡng bức nhiệt chế độ 2 nhiều hơn so với tác
dụng cưỡng bức nhiệt chế độ 1. Khi nhiệt độ lên đến 150°C, cường
độ còn lại của bê tông chịu tác dụng nhiệt theo chế độ 1 là 96% và
theo chế độ 2 là 93%. Vượt quá ngưỡng này, bê tông bị mất thêm 8%


19

cường độ ở mỗi ngưỡng nhiệt độ nung cho cả 2 chế độ tác dụng nhiệt.

Ở 600°C, các mẫu bê tông chỉ duy trì được xấp xỉ 70% cường độ ban
đầu.
Sự suy giảm cường độ nén của bê tông khi chịu tác dụng nhiệt
cưỡng bức ở chế độ 2 nhiều hơn so với chế độ 1 có thể là do bởi thời
gian tác dụng nhiệt:
 Ở các ngưỡng nhiệt độ 80 và 150°C, thời gian phơi nhiệt
Tmax bình quân của các mẫu bê tông trong lò sấy là 96 phút cho chế
độ 2 và 60 phút cho chế độ 1.
 Ở các ngưỡng nhiệt độ 300, 450 và 600°C, do tốc độ gia
nhiệt lò nung lớn, vì thế thời gian phơi nhiệt Tmax bình quân của các
mẫu bê tông trong là 109 phút cho chế độ 2 và 60 phút cho chế độ 1.
Thời gian phơi nhiệt càng lâu, các quá trình chuyển hóa
xẩy ra càng sâu, bê tông càng bị hủy hoại càng nhiều.

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
Sự ảnh hưởng thời gian tác dụng nhiệt đến cường độ nén còn
lại của từng loại bê tông cũng được xem xét qua việc xây dựng đồ thị
ở Hình 3.13. Kết quả cho thấy rằng, ảnh hưởng của thời gian tác
dụng nhiệt đến bê tông mác 250 và 350 mạnh hơn so với bê tông
mác 500 khi nhiệt độ nung đạt đến 150°C. Cụ thể:
 Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, các mẫu bê tông mác 250 và
350 bị suy giảm cường độ nén khoảng 6% khi chịu tác dụng nhiệt
theo chế độ 1, và 11% khi chịu tác dụng nhiệt theo chế độ 2. Trong


20

khi các mẫu bê tông mác 500 bị suy giảm khoảng 13% cho cả 2 chế

độ tác dụng nhiệt.
 Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, sự suy giảm cường độ
tăng thêm của các loại bê tông thí nghiệm cho mỗi ngưỡng nhiệt độ
Tmax bình quân 8% cho cả hai chế độ tác dụng nhiệt.
3.3.4. Sự hủy hoại của bê tông dưới tác dụng cưỡng bức nhiệt độ.
Sự hủy hoại của bê tông dưới tác dụng của nhiệt độ cũng được
quan sát qua tình trạng nứt trên bề mặt của các mẫu bê tông sau khi
nung bằng kính lúp thông thường với độ phóng đại 10 lần. Các hình
ảnh chụp tình trạng bề mặt mẫu ở các ngưỡng nhiệt độ nung khác
được tổng hợp trong Bảng 3.12.


21

Mác
BT

30

Bảng 3.12 Bảng tổng hợp hình ảnh mẫu bê tông ở các cấp nhiệt độ
Nhiệt độ (oC)
80
150
300
450

600

250
Xuất hiện các vết nứt

có bề rộng 0,1mm.

Các vết nứt có bề
rộng 0,5mm.

Các vết nứt có bề
rộng 1mm; bị vỡ
góc.

Xuất hiện các vết nứt
có bề rộng 0,1mm.

Các vết nứt có bề
rộng 0,5mm.

Các vết nứt có bề
rộng 1mm.

Xuất hiện các vết nứt
có bề rộng 0,1mm.

Các vết nứt có bề
rộng 0,5mm.

Các vết nứt có bề
rộng 1mm.

350

500



22
Quan sát bề mặt mẫu bê tông sau khi nung cho thấy rằng bề
mặt bê tông đã xuất hiện các vết nứt khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng
300°C. Cụ thể như sau:
- Ở nhiệt độ 300°C, bề rộng vết nứt đo được 0,1 mm.
- Bề rộng vết nứt mở rộng đến 0,5mm khi nhiệt độ nung ở
450°C.
- Khi nhiệt độ lên đến 600°C, bề rộng vết nứt quan sát được
là 1mm và sự vỡ góc xẩy ra ở mẫu bê tông mác 250.
Như vậy mức độ hủy hoại cấu trúc bê tông do nứt, vỡ gia tăng
khi nhiệt độ nung càng lớn. Chính sự hủy hoại này làm suy giảm
cường độ nén của mẫu bê tông. Việc không phát hiện được vết nứt
<0,1mm bằng kính lúp thông thường khi nhiệt độ dưới 300°C không
đồng nghĩa với việc cấu trúc mẫu bê tông không bị phá hoại.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kết luận chung:
Nhờ sự hình thành các CSH của hồ xi măng trong quá trình
thủy hóa mà hỗn hợp bê tông đông cứng và hình thành cường độ.
Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nhiệt độ, các thành phần trong bê tông
trải qua các biến đổi hóa - lý khác nhau. Cùng với sự gia tăng của
nhiệt độ là sự ra đi của nước trong bê tông (nước tự do, nước hấp phụ
và nước liên kết). Sự phá vỡ các CSH, CH và CaCO3 của vữa xi
măng là những tiến trình không đảo ngược mà làm cho bê tông đánh
mất những thuộc tính cơ học ban đầu của nó.
Kết quả thực nghiệm về cường độ nén còn lại của bê tông vỏ
hầm Hải Vân (mác 350) và các loại bê tông khác (mác 250 và 500)
sau bị nung ở các nhiệt độ 80, 150, 350, 450 và 600°C cho thấy rằng:
 Bê tông cũng không thể phục hồi những thuộc tính cơ học

ban đầu vốn có của nó. Đặc biệt, bê tông có chất lượng
càng cao, sự suy giảm cường độ càng lớn:
 Khi nhiệt độ tăng đến 150°C, cường độ chịu nén còn lại
so với cường độ ban đầu của bê tông thông thường (mác
250 và 350) vào khoảng 91% và 87% của bê tông
cường độ cao (mác 500). Tức là cường độ của bê tông


23
bị suy giảm bình quân 9% cho bê tông thông thường và
13% cho bê tông cường độ cao.
 Ở 300°C, cường độ chịu nén còn lại là 84% cho bê tông
thông thường và 78% cho bê tông cường độ cao.
 Ở 450°C, cường độ chịu nén còn lại là 78% cho bê tông
thông thường và 70% cho bê tông cường độ cao.
 Ở 600°C, các mẫu bê tông thông thường duy trì được
70% cường độ so với ban đầu, trong khi các mẫu bê
tông cường độ cao chỉ còn 64% cường độ ban đầu. Tức
là bê tông thông thường đánh mất khoảng 30% và bê
tông cường độ cao đánh mất gần 40% cường độ ban đầu.
 Sự suy giảm cường độ nén của bê tông phụ thuộc vào thời
gian phơi nhiệt. Thời gian phơi nhiệt càng lâu, các quá
trình chuyển hóa xẩy ra càng sâu, bê tông càng bị hủy hoại
càng nhiều.
Khuyến nghị
 Một khi hỏa hoạn xẩy ra, kết cấu bê tông không thể duy trì
được khả năng chịu lực như ban đầu. Vì thế, công tác
phòng cháy là vô cùng quan trọng, nhất là các công trình
luôn đối mặt với nguy cơ cháy lớn như hầm đường bộ, nhà
cao tầng.

 Không chỉ vậy, càng chậm trễ trong công tác chữa cháy,
kết cấu bê tông càng bị hủy hoại. Vì thế, việc xây dựng
kịch bản ứng phó tình huống khẩn cấp trong chữa cháy là
rất cần thiết.
 Vận dụng kết quả đạt được có thể đánh giá, ước lượng sự
suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu bê tông sau hỏa
hoạn.