BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

Mã số: 60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CBHDKH: TS. NGUYỄN THÙY ANH

HÀ NỘI – 2018


1.3.2. Phương pháp của Đan Mạch TI-B 101..............................................14
1.3.3. Phương pháp sử dụng lá điện trở đo biến dạng.................................15
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ
NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG...........................................................17
2.1. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm...............................................................17
2.2. Thiết kế thiết bị thí nghiệm..........................................................................18
2.2.1. Thiết bị thu dữ liệu đo UCAM 60B...................................................19
2.2.2. Bể ổn nhiệt.........................................................................................21
2.2.3. Đầu đo chuyển vị LVDT...................................................................21
2.2.4. Đầu đo nhiệt độ.................................................................................23
2.2.5. Thiết bị gia nhiệt................................................................................25
2.2.6. Phần mềm thu thập dữ liệu................................................................26
2.2.7. Phụ kiện đi kèm.................................................................................28
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐO HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE
CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG................................................................................30
3.1. Chế bị mẫu thí nghiệm.................................................................................30
3.1.1. Số liệu vật liệu đầu vào.....................................................................30
3.1.2. Chuẩn bị mẫu.....................................................................................34
3.2. Quy trình thí nghiệm xác định CTE.............................................................41
3.3. Kết quả thí nghiệm.......................................................................................43
3.4. Kết luận........................................................................................................47
PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.................................................................48
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M1..........................................................48
4


Bảng 2. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M2..........................................................63
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm CTE mẫu M3..........................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................104


Hình 3. Quan hệ giữa tỉ lệ nứt vỡ của mặt đường BTXM với hệ số giãn nở
nhiệt của đá dăm
Trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu TCVN 11823-5:2017, điều 4.2.2 quy định về
hệ số giãn nở nhiệt như sau: Hệ số giãn nở nhiệt nên xác định bằng thí nghiệm
trong phòng theo loại bê tông có cấp phối được đem dùng. Trong trường hợp
thiếu các số liệu chính xác, hệ số giãn nở nhiệt bê tông thường CTE = 10,8*10 6 0

/ C, và Bê tông nhẹ CTE = 9,0*10-6/0C. Trong quá trình thi công và khai thác,

nhiệt độ thay đổi gây ra ứng suất cục bộ trong kết cấu bê tông, làm giảm khả
năng chịu lực của kết cấu, bởi vậy hệ số giãn nở nhiệt có ý nghĩa quan trọng

2


trong tính toán kết cấu bê tông trong quá trình thi công và khai thác là hết sức
quan trọng.
Đặc biệt trong các kết cấu bê tông khối lớn như công trình đập thủy điện,
các công trình dân dụng với kích thước kết cấu bê tông lớn, hiện tượng giãn nở
bê tông do nhiệt là rất lớn.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có Tiêu chuẩn đo hệ số giãn nở nhiệt CTE, các
nghiên cứu về hệ số giãn nở nhiệt còn hạn chế. Vì vậy, đề tài “Nghıên cứu thực
nghıệm xác định hệ số gıãn nở nhıệt của bê tông xı măng” là cấp thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc như thông số đầu vào cho việc thiết kế
tấm bê tông xi măng làm mặt đường cứng theo AASHTO, thông số đầu vào thiết
kế kết cấu bê tông công trình cầu, dân dụng, đập thủy điện…, đặc biệt trong điều
kiện hiện nay các trường đại học ở Việt Nam đã bắt đầu tự chủ trang bị thiết bị
thí nghiệm, đề tài góp phần đưa ra giải pháp giảm giá thành mua sắm trang thiết
bị.

NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG Xİ MĂNG
3.1. Vật liệu thí nghiệm
3.2. Chế bị mẫu thí nghiệm
3.3. Kết quả thí nghiệm
3.4. Kết luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CTE
1.1. Khái niệm
Hệ số giãn nở nhiệt [1] của một vật liệu là một đại lượng vật lý đặc trưng
cho sự thay đổi kích thước của vật liệu đó khi nhiệt độ thay đổi.
Có một vài định nghĩa cụ thể cho hệ số giãn nở nhiệt: hệ số giãn nở nhiệt
tuyến tính, hệ số giãn nở nhiệt thể tích.
Hệ số giãn nở nhiệt thể tích (hay hệ số giãn nở nhiệt toàn phần, hay nhiều
khi ngắn gọn là hệ số giãn nở nhiệt)
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần có thể được đo cho mọi vật liệu ở các trạng
thái rắn, lỏng, khí khác nhau; trong khi hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính chỉ đo
được cho vật liệu rắn.
Với đa số vật liệu, khi áp suất không đổi, thể tích hay kích thước của vật
liệu tăng khi nhiệt độ tăng.
Sự giãn nở hay co lại của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi cần được quan tâm
khi thiết kế các hệ thống lớn liên kết nhiều vật liệu khác nhau, khi
dùng thước đo khoản cách, khi thiết kế hệ thống hoạt động trong dải nhiệt độ
rộng,...
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần
Hệ số giãn nở nhiệt toàn phần được định nghĩa bởi (Incropera, 2001 p537):
(1.1)

(1.4)

Trong đó:
F - diện tích bề mặt của tấm vật liệu truyền nhiệt, m²;
t1, t2 - nhiệt độ bề mặt tấm vật liệu ở phía có nhiệt độ cao và phía có
nhiệt độ thấp, °C;
a - chiều dày của tấm vật liệu, m;
z – thời gian truyền nhiệt, h;
λ – hệ số truyền nhiệt của vật liệu;
Hệ số truyền nhiệt của vật liệu đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của vật
liệu đó và rút ra từ công thức dưới dạng sau:


Q.a
, ( kCal / m.�
C.h)
F (t2  t1 ).Z

(1.5)

Công thức này cho ta thấy hệ số truyền nhiệt λ của một loại vật liệu có trị
số đúng bằng nhiệt lượng truyền qua tấm làm từ vật liệu đó có diện tích bề mặt
1m², chiều dày 1m khi thời gian truyền nhiệt là 1h và độ chênh nhiệt độ giữa hai
bề mặt tấm là 1°C.
6


Hệ số truyền nhiệt của một loại vật liệu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
Khối lượng thể tích, độ rỗng, cấu trúc độ rỗng, độ ẩm và nhiệt độ trung bình của
bản thân vật liệu đó.

(1.7)

λ – hệ số truyền nhiệt vật liệu ở trạng thái khô, (cal/m.°C.h);
W – độ ẩm của vật liệu , %;
 -

gia số của hệ số truyền nhiệt ứng với mỗi phần trăm tăng của độ ẩm

vật liệu tính theo thể tích, kcal/m.°C.h; được lấy như sau:

7


Vật liệu hữu cơ

0,003 kcal/m.°C.h

Vật liệu vô cơ
0,002 kcal/m.°C.h
Khi nhiệt độ trung bình của vật liệu tăng lên thì hệ số truyền nhiệt của nó
cũng tăng lên do chuyển động nhiệt của các phân tử vật chất trong vật liệu mạnh
hơn. Điều này được thể hiện qua công thức Vlaxốp dưới đây:

1  0 (1   .t ), (kcal / m.�
C.h)

(1.8)

1  hệ số truyền nhiệt của vật liệu khi nhiệt độ trung bình của nó là
t°C, kcal/m.°C.h;


Q
G.(t2  t1 ) , (kcal/kg.℃)

(1.10)

Nếu trong công thức này, thay đổi khối lượng mẫu vật liệu được nung nóng
là G=1kg, và độ chênh lệch nhiệt độ sau và trước khi thí nghiệm (t 2-t1)=1℃ thì
C = Q (kcal/kg.℃). Như vậy nhiệt dung riêng của vật liệu là nhiệt lượng cần
thiết để nung nóng 1 kg vật liệu lên thêm 1℃.
Mỗi vật liệu có nhiệt dung riêng biệt. Nếu vật liệu là hỗn hợp của nhiều vật
liệu thành phần thì nhiệt dung riêng của vật liệu hỗn hợp C hh được tính bằng
công thức:
Chh 

C1.G1  C2 .G2  ...  Cn .Gn
G1  G2  ...  Gn
, kcal/kg. (1.11)

℃
Trong đó:
G1, G2…Gn – khối lượng của vật liệu thành phần, kg;
C1, C2…Cn – nhiệt dung riêng của các vật liệu thành phần, kcal/kg. 0C.
So với các vật liệu khác, nước có nhiệt dung riêng lớn nhất (1kCal/kg℃).
Bởi vậy khi vật liệu có độ ẩn của tăng thì nhiệt dung riêng của vật liệu cũng tăng
lên và đươc tính theo công thức:
Cw 

C  0.01WCn
1  0.01W , (kcal/kg.℃)

cao sẽ bắt lửa và tiếp tực cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy. Nói chung các vật liệu
hữu cơ đều nằm trong nhóm này.
Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt
độ cao mà không bị chảy và biến hình.
Tùy theo khả năng chịu lửa mà vật liệu chia làm 3 nhóm: nhóm vật liệu
chịu lửa, nhóm vật liệu khó chảy, nhóm vật liệu dễ chảy.
Vật liệu chịu lửa có khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao
hơn 1580℃ như gạch chịu lửa samôt, đi na, … Các vật liệu này dùng để lót bên
trong các lò công nghiệp.
Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 1350℃ đến 1580℃ gồm những
loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói.
Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 350℃ thí dụ như gạch đất
sét nung thông thường.
10


1.3. Một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt CTE
1.3.1. Các phương pháp dựa theo tiêu chuẩn AASHTO TP60
Mặc dù nhiều văn bản đã được công bố trong 10 năm qua về hệ số giãn nở
nhiệt (CTE) và ảnh hưởng của nó đối với thiết kế mặt đường bê tông, một sai sót
được phát hiện gần đây trong tiêu chuẩn AASHTO TP60-00 về sự hiệu chỉnh
của thiết bị thí nghiệm cũng như giá trị CTE của bê tông. Tiêu chuẩn mới
AASHTO T336-09, dù dựa trên tiêu chuẩn TP 60-00 đã khắc phục vấn đề này.
Nghiên cứu của các tác giả Jussara Tanesi, Gary L. Crawford, Mihai Nicolaescu,
Richard Meininger, and Jagan M. Gudimettla thể hiện sự khác nhau giữa hai
phương pháp thí nghiệm và ứng dụng lâu dài cho cơ sở dữ liệu LTPP và
MEPDG (Hướng dẫn thiết kế mặt đường mô hình cơ học-thực nghiệm) cũng
như sự triển khai của các cơ quan ngành giao thông vận tải. Những đề suất đã
được đưa ra để cải thiện phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn AASHTO T336-09.
Trung tâm nghiên cứu đường cao tốc Turner-Fairbank (TFHRC) của

TP60. Phương pháp dựa trên cũng một nguyên tắc và cũng giả định rằng CTE
của mẫu thép không gỉ 304 là bằng 17,3*10-6 /°C (9,6*10-6/°F). Sự khác nhau
giữa phương pháp Texas và TP60 là các nhà nghiên cứu trước đó tính toán CTE
của bê tông biểu thị đường cong của biến dạng so với đường cong nhiệt độ,
trong khi ở tiêu chuẩn AASHTO 60, CTE được tính toán bằng sự thay đổi chiều
dài chia cho sự thay đổi nhiệt độ hệ sau khi mẫu đã đạt trạng thái cân bằng.
Cả hai phương pháp TP60 (hay tiêu chuẩn mới AASHTO T336) và phương
pháp Texas đều có thể thực hiện với cùng một loại thiết bị. Thiết bị này có thể
tùy chỉnh (thủ công hoặc tự động) hoặc một thiết bị thương mại tự động có sẵn.
Xem hình 1a và 1d. TFHRC đã đánh giá ba thiết bị thương mại trong 2 năm qua,
nhưng chưa có thông tin xác định nào được đăng tải. Hai trong số chúng đã
được thương mại hóa, và một vẫn còn đang được đánh giá.
Công binh lục quân Hoa Kỳ (U.S. Army Corps of Engineers ) có phương
pháp xác định CTE riêng, ký hiệu là CRD-C 39-81, nó giống với phương pháp
TP60 nhưng không sử dụng khung gắn mẫu; theo đó, không cần có mẫu hiệu
chuẩn. Thay vào đó, họ sử dụng một bộ so sánh chiều dài. Các thử nghiệm sơ bộ
12


tại TFHRC sử dụng quy trình này cho thấy sự biến động lớn hơn trong kết quả
so với các phương pháp khác.
Cục khai khoáng (Bureau of Reclamation) trực thuộc Bộ nội vụ Hoa Kỳ sử
dụng phương pháp USBR 4910-92, phương pháp này không cần sử dụng mẫu
hiệu chuẩn.
Các phương pháp thí nghiệm khác đã được đề xuất nhưng không được sử
dụng rộng rãi (13-15), bao gồm nhưng phương pháp đo CTE của hỗn hợp cốt
liệu và tính toán CTE của bê tông (16).

Kích thước mẫu: Đường kính mẫu = 100mm, chiều cao mẫu = 165-210mm



Hình 1.4. Quá trình gắn lá điện trở đo biến dạng

Hình 1.5. Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm

Hình 1.6. Sử dụng keo silicone bảo vệ lá điện trở
16


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN
NỞ NHIỆT CTE CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
2.1. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm
Trong nỗ lực hoàn thiện nghiên cứu về CTE, FHWA tìm ra rằng CTE của
mẫu thép 304 không gỉ, một mẫu hiệu chuẩn thường được dùng trong thí nghiệm
CTE của bê tông xi măng theo tiêu chuẩn AASHTO TP60 không phải là
17.3*10-6/°C (9.6*10-6/°F) trong phạm vi nhiệt độ của TP60. Vấn đề quan trọng
là giá trị CTE 17.3*10-6/°C (9.6*10-6/°F) được sử dụng bởi hầu hết các phòng thí
nghiệm dùng TP60 và phương pháp Texas.
Một phương pháp thí nghiệm mới đã được thừa nhận (AASHTO T336). Nó
tạm thời dựa trên phương pháp thí nghiệm T60 nhưng không giả định bất kỳ giá
trị nào cho mẫu hiệu chuẩn. Tuy nhiên, nó yêu cầu CTE của mẫu hiệu chuẩn
được xác định bởi một phòng thí nghiệm độc lập đã được chứng nhận.
Giá trị CTE trong cơ sở dữ liệu LTPP được xác định dựa trên TP60 và cần
được sửa đổi vì sự chênh lệch trong giá trị CTE của mẫu hiệu chuẩn. Tháng 1
năm 2011 cơ sở dữ liệu LTPP (Phiên bản 24.0) đã bao gồm những giá trị điều
chỉnh.
Mô hình MEPDG được phát triển dựa trên dữ liệu của LTPP. Vì cơ sở dữ
liệu LTPP cần được điều chỉnh nên mô hình MEPDG cũng cần được tái hiệu
chỉnh. Với việc sử dụng MEPDG phiên bản 1.0, giá trị CTE cần được xác định
theo TP60 thay vì T336 để phòng ngừa sự thiết kế sai.

T
T
1
2
3
4
5
6
7

Tên thiết bị

Ghi chú

Thiết bị thu tín hiệu đa kênh UCAM 60B
Máy tính tích hợp phần mềm thu thập dữ liệu
Bể ổn nhiệt
Đầu đo chuyển vị LVDT
Đầu đo nhiệt độ
Thiết bị gia nhiệt
Phần mềm thu thập dữ liệu

Hình 2.1 & Hình 2.2
Hình 2.1
Hình 2.1 & Hình 2.4
Hình 2.1 & Hình 2.5
Hình 2.1 & Hình 2.7
Hình 2.1 & Hình 2.9
Hình 2.10


kênh
- Tốc độ thu thập
dữ liệu: min =
20 ms
- Nguồn
điện
cung cấp 220V

20

Chức năng

Ghi chú

- Đo biến dạng
- Đo nhiệt độ
- Đo chuyển vị
- Đo lực
- Đo áp lực

Hãng Kyowa,
Nhật Bản