Làm lạnh bê tông ở các đập chắn nước

Quá trình kết rắn của bê tông gắn liền với quá trình toả nhiệt, trong đó nhiệt hydrat hoá tuỳ theo thành phần xi măng có thể đạt từ 250 đến 500 kJ/kg xi măng. Nhiệt đó sẽ toả ra môi trường. Các thử nghiệm cho thấy một nửa lượng nhiệt đó toả ra trong 3 ngày đầu và toàn bộ nhiệt lượng toả ra suốt trong một năm mới kết thúc. Do bê tông toả nhiệt nên nhiệt độ tăng khoảng 20 đến 30^oC so với nhiệt độ môi trường. Đối với tường mỏng thì nhiệt đó không quá quan trọng vì nhiệt nhanh chóng toả ra môi trường và nhiệt độ tường được duy trì có thể coi đồng đều.

Nhưng đối với những công trình được đổ bằng các khối bê tông lớn, ví dụ như các đập chắn sóng. Do hệ số dẫn nhiệt của bê tông λ=2 W/m.K và hệ số dẫn nhiệt độ a = 0,004 m²/h, nên nhiệt toả từ các khối bê tông ra bên ngoài chậm, ảnh hưởng nhất định đến chất lượng của bê tông. Khi tường dày 2m thời gian làm lạnh 4 ngày, trong khi tường dày 60m thời gian làm nguội lên đến trên 10 năm mà hiệu nhiệt độ so với môi trường bên ngoài không giảm xuống còn một nửa so với lúc ban đầu.

Như vậy, trong khi bề mặt đập đã lạnh và đông cứng từ lâu mà trong tường đập nhiệt độ vẫn còn rất cao. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng lực kéo trên bề mặt đập gây ra các vết rạn nứt bê tông. Do không thể thải nhiệt tự do ra môi trường và để tránh hiệu nhiệt độ quá cao giữa tâm tường và bề mặt tường cần phải có biện pháp làm lạnh nhân tạo tường đập khi đổ bê tông. Có các phương pháp khả thi sau đây:

Đặt ngầm các đường ống làm lạnh bên trong đập. Người ta bố trí các ống nước lạnh đường kính 25mm trong đập cách nhau theo chiều ngang khoảng 2,4 m; chiều cao khoảng 3m và liên tục bơm nước lạnh qua để thải nhiệt cho bê tông. Tốc độ nước trong ống khoảng 0,6 m/s.

Công suất lạnh tính toán để có thể hạ nhiệt độ bê tông xuống 20 đến 30 K là tuỳ thuộc vào loại xi măng sử dụng, khả năng làm mát của môi chất, ảnh hưởng bức xạ mặt trời. Theo kinh nghiệm, công suất lạnh có thể tính theo lượng nhiệt tỏa của bê tông khoảng 74000 kJ/m³ bê tông với một số thông số khác của bê tông: Nhiệt dung riêng 0,8 kJ/kg.K, khối lượng riêng 2600 kg/m³ và hiệu nhiệt độ cần làm lạnh khoảng 35K.

Biến thiên nhiệt độ của nước lạnh trong ống phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ nhiệt giải phóng trong bê tông. Khi biết nhiệt lượng hydrat hoá giải phóng và các thông số kỹ thuật của bê tông, có thể tính toán được biến thiên nhiệt độ của khối bê tông và kể cả trường nhiệt độ của bê tông trong khi đang làm lạnh.

Làm lạnh bằng cách trộn thêm nước đá. Làm lạnh vữa bê tông xuống khoảng 4^oC sau đó cho thêm vào vữa một ít nước đá dưới dạng đá mãnh, đá vụn và tính toán sao cho dung nhiệt đủ để cân bằng toàn bộ nhiệt hydrat hoá.

Có thể làm lạnh xi măng ngay từ nhà máy sản xuất. Thường nhiệt độ xi măng ở đây lên tới 60^oC. Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt của xi măng kém do đó cần diện tích trao đổi nhiệt lớn, gây nhiều khó khăn nên ít được ứng dụng.

Các phụ gia như sợi, đá thô có kích thước lớn đến 150mm được rửa sạch và làm lạnh sơ bộ bằng nước lạnh sau đó được chứa vào các silô và được làm lạnh tiếp bằng không khí lạnh nhiệt độ -1^oC thổi qua silô. Cát được làm lạnh trực tiếp ngay trên các phương tiện băng tải bằng chất tải lạnh.

Nước trộn bê tông được làm lạnh trong các máy sản xuất nước lạnh đến 1^oC. Nước đá đưa vào máy trộn cần được nghiền nhỏ để nước đá tan nhanh. Tốc độ tan đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ máy trộn, kích thước cục đá và lượng đá trộn trong máy trộn. Đá phải đảm bảo tan hết khi vữa bê tông ra khỏi máy trộn.

Kết đông nền móng

Kỹ thuật lạnh còn được sử dụng để làm lạnh lòng đất khi xây dựng các cửa vào hầm mỏ, các công trình ngầm, công trình xây dựng metro, các công trình đê đập, cũng như sử dụng để xử lý nền móng các công trình ở vùng đất yếu, vùng đất phức hợp về địa chất thuỷ văn. Đặc biệt các công trình xây dựng trên nền đất sình lầy và có nhiều nước ngầm. Nền móng xây dựng đôi khi không đủ chắc chắn, nên khi đào móng đất trượt như cát chảy. Để ngăn ngừa hiện tượng đó người ta đưa ra một phương pháp sử dụng lạnh để tạo ổn định móng, đó là phương pháp sử dụng cọc kết đông. Nhờ các cọc này người ta tạo nên một vành đai bao bọc hố cần đào (xem hình 1-6)

Cấu tạo cọc kết đông rất đơn giản theo kiểu ống lồng ống. Đường kính ống ngoài khoảng 100mm, ống trong 40mm. Chất lỏng lạnh có nhiệt độ khoảng -20 đến -40^oC được dẫn đi vào từ ống trong và đi ra ống ngoài ra ngoài, đầu cọc vót nhọn để dễ nén vào lòng đất. Tuy nhiên để dễ dàng đưa cọc vào nền đất có thể tiến hành khoan mồi trước. Các cọc được nối song song với bộ phận phân phối và thu hồi môi chất lạnh.

1- Cọc kết đông; 2,3- Môi chất lạnh vào và ra; 4- Khối kết đông

Hình 1-6: Sơ đồ kết đông nền móng bằng cọc kết đông

Trong quá trình môi chất lạnh tuần hoàn, nền móng xung quanh cọc được làm lạnh và kết đông lại thành 01 khối vững chắc. Kích thước trụ kết đông ngày càng lớn dần ra xung quanh, sau một thời gian nhất định (khoảng vài tuần, có khi vài tháng) các trụ kết đông mới nối lại với nhau thành thành vòng kín vững chắc, đảm bảo không cho đất sụt lở khi đào sâu phía bên trong.

Độ chắc chắn của vòng kết đông phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh và chiều dày của nó. Ví dụ độ bền nén của nền cát kết đông ở -10^oC là 100 bar, ở -15^oC là 160 bar, ở -25^oC là 200 bar. Khi nền cát kết đông thì nước đóng vai trò như xi măng trong kết cấu bê tông.

Trong lạnh đông nước ở đất đóng băng liên kết với hạt đất tạo thành lớp liên kết bền vững chẳng khác bê tông. Liên kết này vững hơn nhiều liên kết nước đá thuần tuý. Đất cát đóng băng có độ liên kết bền vững nhất sau đó đến đất thịt và sau cùng là đất sét.

Đối với cửa hầm lò, đôi khi cọc phải dài đến hàng trăm mét cắm sâu vào lòng đất. Khi đó phải khoan mồi trước các lổ cọc. Các lổ phải song song để đảm bảo khoảng cách cần thiết, nếu có một vị trí nào đó khoảng cách giữa các cột quá xa, mạch kết đông không liên kết có thể tạo nên những điểm yếu cục bộ, có thể gây sụt lở ở những vị trí này. Trong quá trình sử dụng cần tránh rò rỉ chất vào lòng đất, vì nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh rất thấp không thể đông được nên có thể làm cho các cọc kết đông rả đông, rất nguy hiểm và rất khó khắc phục.

Do chất tải lạnh trên đường ống ra nóng hơn ống chất lỏng lạnh vào đáng kể (khoảng 8K), nên giữa chúng có trao đổi nhiệt với nhau, làm giảm hiệu quả làm lạnh nền đất. Vì vậy phải có biện pháp giảm dòng nhiệt trao đổi này, bằng cách cách nhiệt bề mặt ống trong. Đây là vấn đề tương đối khó, vì như vậy sẽ tăng kích thước ống ngoài. Có thể giảm dòng nhiệt trao đổi này bằng cách sử dụng loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt kém làm ống trong, ví dụ như nhựa PVC.

Do phải vận hành trên các công trình xây dựng và luôn luôn phải di chuyển nên hệ thống lạnh phải gọn, dễ cơ động. Tốt nhất nên thiết kế lắp đặt trên các xe thành khối, khi vận hành chỉ cần đấu điện, nước là có thể hoạt động. Việc đấu nối chất tải lạnh cũng phải đơn giản và chắc chắn.

Các cọc kết đông có thể được làm lạnh bằng môi chất lạnh. Ưu điểm của phương án này là hiệu quả làm lạnh cao hơn, do độ chênh nhiệt độ lớn. Tuy nhiên phương án này có nhược điểm là chênh lệch nhiệt độ sôi bên trong ống khá lớn do chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh, ở phía trên và phía dưới, đấu nối phức tạp hơn và môi chất dễ bị rò rỉ ra ngoài.

Để tạo lớp thành vỏ dày 2 – 3 m bảo vệ hoặc ngăn cách nước thẩm thấu vào khu vực thi công, cần thực hiện các giếng khoan lạnh đông cách nhau 0,8-1,2m tuỳ loại đất

Môi chất lạnh sử dụng trong các hệ thống này có thể là amôniắc, propan hoặc CO₂. Khi sử dụng NH₃ cần lưu ý là môi chất NH₃ hoà tan trong nước nên khi rò rỉ có thể làm mềm nền, phá vỡ kết cầu nền, nguy hiểm.

Có thể sử dụng không khí lạnh để kết đông như trường hợp xây dựng đường hầm Stockholm năm 1884. Người ta dùng không khí lạnh -55^oC từ một máy làm lạnh không khí để kết đông nền đất.

Ngày nay, để kết đông các nền đất không lớn, người ta sử dụng cả nitơ lỏng. Quá trình kết đông xảy ra rất nhanh chóng.

Việc tính toán công suất lạnh trong các tài liệu tham khảo rất khác nhau do tính chất nền đất mỗi nơi rất khác nhau.

Tính toán chi phí lạnh để làm lạnh đông đất

– Tổng khối lượng đất cần làm lạnh:

F – Diện tích tiết diện vỏ đông lạnh, m²

h_i – Chiều dày của các lớp đất khác nhau, m

– Tổng thể tích nước cần làm lạnh

Ei – Hàm lượng phần trăm (theo thể tích) nước trong các lớp đất, %

– Chi phí làm lạnh nước

ρ_n – Khối lượng riêng của nước, ρ_n ≈ 1000 kg/m³

t₁, t₂ – Nhiệt độ của nước ban đầu và sau đông đá, ^oC

r – Nhiệt đông đóng băng của nước, r = 2500 kJ/kg (80 kCal/kg)

C_n, C_đ – Nhiệt dung riêng của nước và đá, kJ/kg.K

– Chi phí làm lạnh các các thành phần khô

ρi, C_i – Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của thành phần khô của các lớp đất.

Từ tổng chi phí lạnh yêu cầu trên, căn cứ vào thời gian yêu cầu làm lạnh τ (giây), có thể xác định công suất lạnh yêu cầu của máy lạnh: