Tính chất nhiệt của bê tông
Bê tông là vật liệu xây dựng quan trọng nhất thế giới với hành vi nhiệt học phức tạp, ảnh hưởng đến thiết kế kết cấu, kiểm soát nhiệt độ thi công và hiệu quả năng lượng công trình. Bốn thông số nhiệt học chính của bê tông cần nắm vững gồm: hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng cp, hệ số giãn nở nhiệt α và nhiệt thủy hóa.
Hệ số dẫn nhiệt λ của bê tông
Hệ số dẫn nhiệt bê tông dao động λ = 1,0–1,7 W/mK tùy loại cốt liệu, độ ẩm và mật độ. Bê tông nặng (cốt liệu đá granite, bazan) có λ cao hơn bê tông nhẹ (cốt liệu đá vôi, cốt liệu nhân tạo). Bê tông ẩm có λ cao hơn bê tông khô vì nước (λ=0,6) thay thế không khí (λ=0,025) trong lỗ rỗng.
| Loại bê tông | Khối lượng riêng (kg/m³) | λ (W/mK) |
|---|---|---|
| Bê tông nặng (đá granite) | 2 400 | 1,7 |
| Bê tông thường (đá vôi) | 2 200 – 2 300 | 1,0 – 1,4 |
| Bê tông nhẹ (Lightweight) | 1 400 – 1 800 | 0,4 – 0,8 |
| Bê tông bọt (aerated) | 400 – 900 | 0,10 – 0,25 |
| Bê tông cốt liệu nhẹ (Liapor, Lytag) | 1 200 – 1 600 | 0,35 – 0,60 |
Nhiệt dung riêng cp của bê tông
Nhiệt dung riêng của bê tông thường cp = 880–1.050 J/kgK, giá trị trung bình thường dùng trong tính toán là 1.000 J/kgK. Giá trị cp thay đổi theo nhiệt độ: tăng từ 900 J/kgK (20°C) lên 1.100 J/kgK (250°C) do nước trong lỗ rỗng, sau đó giảm khi nước bốc hơi hoàn toàn. Cp cao làm cho bê tông là vật liệu tích nhiệt (thermal mass) tốt.
Độ khuếch tán nhiệt (Thermal Diffusivity)
Độ khuếch tán nhiệt a kết hợp cả λ và cp, cho biết tốc độ nhiệt lan truyền trong vật liệu:
a = λ / (ρ × cp)
Với bê tông thông thường: a = 1,4 / (2.300 × 1.000) ≈ 6,1×10⁻⁷ m²/s
Giá trị a thấp có nghĩa là nhiệt lan truyền chậm — tường bê tông dày 200 mm có thể trễ pha nhiệt 6–10 giờ, giúp làm chậm đỉnh nhiệt độ trong phòng so với ngoài trời.
Hệ số giãn nở nhiệt α của bê tông
Bê tông có α = 10–12×10⁻⁶/°C (trung bình 11×10⁻⁶/°C), xấp xỉ bằng thép (α = 12×10⁻⁶/°C). Sự tương đồng này là nền tảng của kết cấu bê tông cốt thép. Các yếu tố ảnh hưởng đến α của bê tông:
- Loại cốt liệu: Cốt liệu đá vôi α ≈ 8×10⁻⁶; đá granit α ≈ 12×10⁻⁶; silica α ≈ 14×10⁻⁶
- Tỷ lệ xi măng: α hồ xi măng ≈ 18–20×10⁻⁶, cao hơn cốt liệu nên bê tông xi măng nhiều có α cao hơn
- Độ ẩm: Bê tông khô có α thấp hơn bê tông bão hòa nước nhẹ
Nhiệt thủy hóa xi măng
Phản ứng thủy hóa xi măng (cement hydration) sinh nhiệt lớn: xi măng Portland thường sinh 400–500 kJ/kg trong quá trình đóng rắn. Nhiệt thủy hóa tích lũy làm tăng nhiệt độ bê tông trong khối đổ lớn:
- Bê tông khối lớn (mass concrete, >1 m chiều dày điển hình) có thể đạt 60–80°C tại tâm khối
- Khi bề mặt nguội nhanh hơn tâm, gradient nhiệt độ gây ứng suất kéo tại bề mặt
- Nếu ứng suất kéo vượt cường độ kéo của bê tông (thường chỉ 2–4 MPa), sẽ xuất hiện nứt nhiệt
Kiểm soát nhiệt thủy hóa trong thực tế
- Dùng xi măng ít nhiệt thủy hóa: Xi măng Portland bền sulfate (ASTM Type V) hoặc xi măng pozzolan có nhiệt thủy hóa thấp hơn 20–30%.
- Thay thế xi măng bằng phụ gia: Tro bay (fly ash) thay thế 20–40% xi măng giảm đáng kể nhiệt thủy hóa.
- Làm lạnh cốt liệu và nước trộn: Dùng nước đá hoặc nước lạnh trộn bê tông giảm nhiệt độ ban đầu.
- Đổ theo lớp mỏng: Giới hạn chiều dày mỗi lớp đổ để nhiệt thoát ra nhanh hơn.
- Hệ thống ống làm mát: Bơm nước lạnh qua ống thép nhúng trong khối bê tông — giải pháp cho đập thủy điện và móng khối lớn.
Ứng dụng thiết kế khe nhiệt bê tông
Với α = 11×10⁻⁶/°C, sàn bê tông dài 30 m chịu ΔT = 30°C giãn thêm: ΔL = 11×10⁻⁶ × 30 × 30 = 9,9 mm ≈ 10 mm. Đây là lý do sàn bê tông ngoài trời cần khe co giãn mỗi 4–6 m (tích lũy biến dạng 1–2 mm/khe), còn sàn bê tông nhà kho dài 30 m cần ít nhất 1 khe nhiệt ở giữa.
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao bê tông cốt thép không bị nứt do chênh lệch giãn nở nhiệt giữa thép và bê tông?
- Thép α = 12×10⁻⁶/°C và bê tông α = 10–12×10⁻⁶/°C gần như bằng nhau, nên biến dạng nhiệt của hai vật liệu cực kỳ gần nhau. Ứng suất cắt sinh ra tại mặt tiếp xúc rất nhỏ, không đủ phá vỡ lực dính bám, đặc biệt khi so với ứng suất do tải trọng cơ học.
- Bê tông bọt (autoclaved aerated concrete — AAC) có tính chất nhiệt như thế nào?
- AAC có λ = 0,10–0,25 W/mK — thấp hơn nhiều so với bê tông thường — nhờ cấu trúc lỗ rỗng chứa không khí. Đây là vật liệu kết hợp được cả chức năng kết cấu nhẹ lẫn cách nhiệt, phổ biến cho tường nhà ở hiện đại tại Việt Nam.