PHÂN TÍCH TRUYỀN NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG: NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP BÃI CONTAINER CẢNG TÂN VŨ - HẢI PHÒNG (HEAT TRANSFER AND THERMAL STRESS IN PORTLAND CEMENT CONCRETE SLABS: A CASE STUDY AT THE TAN VU PORT CONTAINER YARD, HAI PHONG)

Tóm tắt

Bài báo phân tích cơ chế truyền nhiệt và ứng suất nhiệt trong tấm bê tông xi măng (BTXM) dày khoảng 30 cm tại bãi container Cảng Tân Vũ - Hải Phòng, trong điều kiện chịu bức xạ mặt trời mạnh và tải trọng nặng đặc trưng của khu vực cảng biển. Mô hình dẫn nhiệt Fourier một chiều (1D) được áp dụng kết hợp với các tham số nhiệt hiệu dụng của vật liệu nhằm mô phỏng phân bố nhiệt theo chiều sâu và đánh giá nguy cơ phát sinh ứng suất nhiệt trong tấm.

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt BTXM có thể đạt khoảng 60-65°C trong những ngày nắng gắt, tạo ra gradient nhiệt lớn theo chiều sâu. Trường nhiệt lan truyền sâu tới khoảng 20 cm, với chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm đạt khoảng 28-29°C, kéo theo ứng suất nhiệt ước tính khoảng 8,3MPa, vượt quá giới hạn chịu kéo uốn thông thường của BTXM. Phân tích nhạy cảm cho thấy hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng là tham số chi phối chính đến gradient nhiệt và ứng suất nhiệt, trong đó việc tăng hệ số dẫn nhiệt giúp giảm đáng kể nguy cơ nứt nhiệt. Các kết quả cung cấp cơ sở định lượng cho việc đánh giá phá hoại nhiệt và định hướng lựa chọn vật liệu, thiết kế kết cấu BTXM cho các công trình giao thông chịu tải trọng nặng tại khu vực cảng biển.

Abstract

This paper analyzes the heat transfer mechanism and thermal stress development in a 30-cm-thick cement concrete slab used in the container yard of Tan Vu Port, Hai Phong, under intense solar radiation and heavy traffic loading typical of port environments. A one-dimensional (1D) Fourier heat conduction model, combined with effective thermal properties of concrete, is employed to simulate the temperature distribution through the slab depth and to assess the risk of thermally induced stresses.

The simulation results indicate that the concrete surface temperature can reach approximately 60-65°C during hot sunny days, leading to a pronounced thermal gradient through the slab. Heat penetration extends to about 20 cm, with a temperature difference between the surface and the slab bottom of approximately 28-29°C, resulting in an estimated thermal stress of about 8.3MPa, which exceeds the typical flexural tensile strength of ordinary cement concrete. Sensitivity analysis shows that effective thermal conductivity is the dominant parameter controlling the thermal gradient and thermal stress level, where higher conductivity significantly reduces the risk of thermal cracking. These findings provide a quantitative basis for evaluating thermal-induced damage and for material selection and design optimization of cement concrete pavements in heavy-duty port infrastructures.

Keywords: Thermally conductive concrete, portland cement concrete, 1D heat conduction, thermal stress, thermal conductivity, thermo-mechanical simulation.