Bài viết Mô hình lưu biến của dung dịch vữa dùng trong công nghệ khoan phụt nút kép bước đầu cung cấp những thông số kỹ thuật cần thiết về một số loại vữa phụt thường được sử dụng trong công nghệ khoan phụt nút kép, tiến tới từng bước xây dựng hướng dẫn kỹ thuật hay tiêu chuẩn cho công nghệ.
Trang 1MÔ HÌNH LƯU BIẾN CỦA DUNG DỊCH VỮA DÙNG
TRONG CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT NÚT KÉP
Trương Quốc Quân
Trường Đại học Thủy lợi, email: quantq@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Công nghệ khoan phụt nút kép được sử
dụng ngày càng phổ biến để xử lý hiện tượng
thấm xảy ra trong thân và nền các công trình
thủy lợi như đập, đê, hồ chứa… Việc xác
định bộ thông số thi công của công nghệ
khoan phụt nút kép (áp lực phụt, lưu lượng
phụt…) phụ thuộc vào 2 nhóm yếu tố bao
gồm: đặc trưng của nền đất (cấp phối, độ
thấm…) và đặc trưng của vữa phụt (độ tách
nước, độ nhớt…) Trong hai nhóm yếu tố
trên, nhóm yếu tố thứ 2 liên quan đến đặc
trưng của vữa phụt chưa được chú ý đúng
mức, ngay cả trong các tiêu chuẩn về khoan
phụt xử lý nền đá, nền đất hay khoan phụt cao
áp như TCVN 8644-2011; TCVN 8645-2019
hay TCVN 9906-2014 thì phần nội dung liên
quan đến đặc trưng vữa phụt cũng còn tương
đối sơ sài Hơn nữa, với công nghệ khoan phụt
nút kép, hiện vẫn chưa có tiêu chuẩn nào được
ban hành nhằm hướng dẫn quá trình thiết kế,
thi công và nghiệm thu Nghiên cứu này bước
đầu cung cấp những thông số kỹ thuật cần
thiết về một số loại vữa phụt thường được sử
dụng trong công nghệ khoan phụt nút kép, tiến
tới từng bước xây dựng hướng dẫn kỹ thuật
hay tiêu chuẩn cho công nghệ
2 CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1 Mô hình lưu biến của vữa phụt
Với thành phần chính là xi măng và
bentonite, dung dịch vữa phụt dùng trong
công nghệ khoan phụt nút kép là chất lỏng
phi Newton có giới hạn chảy τo - là ứng suất
cắt tối thiểu cần tác dụng lên dung dịch để nó
bắt đầu chuyển động
Trên thực tế, với hàm lượng xi măng thường được sử dụng từ 150 kg đến 450 kg cho 1 m3 nước, có thể sử dụng thêm bột sét (bentonite) với hàm lượng thấp (từ 5% đến 10%) thì có thể coi đây là dung dịch có mật
độ từ trung bình đến cao Với dạng chất lỏng này, hai mô hình từ biến có thể áp dụng là
mô hình Bingham [1], [2], [3] hoặc mô hình Herschel-Bulkley (H-B)[4], [5]:
Bảng 1 Một số mô hình lưu biến của vữa
Tên Mô hình Giải thích
Bingham [1]
o p&
τ: ứng suất cắt
τ o : giới hạn chảy
p : độ nhớt dẻo
&
: tỉ suất cắt K: chỉ số sức kháng n: chỉ số chảy
H-B [2]
( )
2.2 Vật liệu thí nghiệm Thực tế công tác phụt vữa theo công nghệ nút kép tại nước ta cho thấy, hàm lượng xi măng thường được sử dụng từ 150 kg đến
450 kg cho 1 m3 nước, có thể sử dụng thêm bột sét (bentonite) Do vậy, trong chương trình thí nghiệm này, 4 loại vữa được chuẩn
bị với tỉ lệ bột sét là 5% và tỉ lệ xi măng được thể hiện ở Bảng 2
Bảng 2 Hàm lượng chi tiết vữa phụt
Loại vữa A B C D
Tỉ lệ X/N 0.15 0.25 0.35 0.45
Trang 2c) Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm được sử dụng là nhớt
kế FANN 35 loại R1-F1-B1 do Viện Dầu khí
quốc gia Mỹ chế tạo Đây là thiết bị được sử
dụng rộng rãi do cấu tạo và sử dụng rất đơn
giản Máy có bộ phận chính gồm một vòng
kim loại-Rotor bao quanh một khối trụ
đặc-Bob với khoảng hở δ, cả hai bộ phận này
được đặt trong cốc đựng vữa Khi cho Rotor
quay, độ nhớt của vữa tại khoảng hở δ sẽ kéo
Bob quay theo, chuyển vị của Bob thể hiện ở
đồng hồ hiển thị sẽ cho phép tính ra ứng suất
cắt tác động lên vữa
Bảng 3 Thông số kỹ thuật nhớt kế FANN
Vận tốc
quay
(v/phút)
3 6 100 200 300 600
Tỉ suất
cắt (1/s) 5.1 10.2 170 340 511 1021
Hình 1 Nhớt kế FANN 35
Nhớt kế FANN 35 cho phép thí nghiệm ở
6 vận tốc Rotor khác nhau tương ứng với 6 tỉ
suất cắt & khác nhau như bảng 2
3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Tiến hành thí nghiệm với 4 loại vữa phụt
có hàm lượng xi măng khác nhau như trong
bảng 2 trên nhớt kế FANN 35, từ kết quả ghi
nhận được trên đồng hồ đo, ta tính được ứng
suất cắt tác dụng lên mẫu vữa thí nghiệm Kết
quả được thể hiện chi tiết trong Bảng 4:
Bảng 4 Kết quả thí nghiệm
&
(1/s) 5.1 10.2 170 340 511 1021
Thí nghiệm cho thấy ứng với 2 mức áp dụng tỉ suất cắt & đầu tiên của thiết bị FANN, khối trụ đặc-Bob không di chuyển, chứng tỏ ứng suất cắt tác dụng nhỏ hơn giới hạn chảy của vữa, Bob chỉ chuyển động khi chuyển sang nấc số 3 của máy Đây chính là
cơ sở để xác định và kiểm tra các giới hạn chảy của 4 loại vữa đã được chuẩn bị
3.1 Mô hình chất lỏng Bingham Trong trường hợp với chất lỏng Bingham, thiết bị FANN 35 cho phép tính trực tiếp giới hạn chảy τo và độ nhớt dẻo ηp thông qua chỉ
số đọc trên đồng hồ đo [ηp (cP)= θ600 – θ300;
τo (Pa) = 0.48(θ300 ηp) với θ600,θ300 lần lượt
là chỉ số đọc tại vận tốc quay 600 và
300 v/ph] Kết quả cụ thể như sau:
Bảng 5 Thông số của mô hình Bingham
Vữa A 23 30 Vữa B 26.1 33 Vữa C 28.1 37 Vữa D 32.2 45
20 40 60
80 Vữa A Vữa C Bingham vữa A Bingham vữa C
Tỉ suất cắt (1/s)
Hình 2 Tương quan giữa mô hình Bingham
và kết quả thí nghiệm
Tương quan giữa kết quả thực tế thu được
và mô hình chất lỏng Bingham tương ứng với nhớt kế FANN 35 được thể hiện như Hình 2
Tỉ suất cắt (1/s)
Trang 3Ta thấy giới hạn chảy của 4 loại vữa A, B, C,
D lần lượt là 23, 26.1, 28.1 và 32.2 phù hợp
với kết quả thực tế thu được
Từ Hình 2 ta thấy mô hình chất lỏng
Bingham mô phỏng tương đối tốt kết quả thí
nghiệm, đặc biệt ở vùng có tỉ suất cắt lớn hơn
200 (1/s) - tương ứng với vận tốc quay lớn
hơn 100 vòng/phút Đây là thông số phù hợp
với tốc độ quay của thùng trộn ngoài thực tế
thi công Mặt khác, trong số 4 loại vữa thí
nghiệm thì vữa C có kết quả thí nghiệm phù
hợp với mô hình chất lỏng Bingham nhất
3.2 Mô hình chất lỏng H-B
Từ kết quả thực tế thu được ở bảng 4, ta
tiến hành tối ưu hóa số liệu để tìm được các
thông số của mô hình H-B, kết quả được thể
hiện ở Bảng 6
Bảng 6 Thông số của mô hình H-B
Vữa A 23 36.9 0.986
Vữa B 26.1 41.3 0.983
Vữa C 28.1 48.2 0.979
Vữa D 32.2 50 0.991
Tương quan giữa kết quả thực tế thu được
và mô hình chất lỏng H-B được thể hiện như
Hình 3 Ta thấy giới hạn chảy của 4 loại vữa
A, B, C, D lần lượt là 20, 24.1, 25 và 29.5
phù hợp với kết quả thực tế thu được Độ
nhớt dẻo của mô hình này thấp hơn độ nhớt
dẻo của mô hình Bingham một chút
20
40
60
80
Vữa A
Vữa C
H-B vữa A
H-B vữa C
Tỉ suất cắt (1/s)
Hình 3 Tương quan giữa mô hình H-B
và kết quả thí nghiệm
Từ Hình 3 ta thấy mô hình chất lỏng H-B
mô phỏng tương đối tốt kết quả thí nghiệm,
đặc biệt ở vùng có tỉ suất cắt lớn hơn 200 (1/s) - tương ứng với vận tốc quay lớn hơn
100 vòng/phút Mặt khác, vữa C cũng cho kết quả thí nghiệm phù hợp với mô hình chất lỏng H-B nhất trong số 4 loại vữa đã chuẩn bị
4 KẾT LUẬN Khi so sánh mô hình Bingham với mô hình H-B, ta thấy cả hai mô hình đều rất phù hợp với kết quả thí nghiệm tại miền có tỉ suất cắt lớn [từ 200 (1/s) trở lên] Ở miền có tỉ suất cắt trung bình [từ 100 đến 200 (1/s)] thì mô hình H-B mô tả tính chất của vữa tốt hơn mô hình Bingham
Mặt khác, trong số 4 loại vữa đã chuẩn bị thì vữa C (nồng độ X/N là 0.35) có kết quả phù hợp nhất với cả hai mô hình chất lỏng
Do vậy, kiến nghị với các nghiên cứu sâu hơn về mô hình vữa dùng trong công nghệ khoan phụt nút kép thì nên sử dụng mô hình chất lỏng Bingham với vữa có nồng độ X/N
từ 0.3 đến 0.4 Trong thực tiễn thi công thì có thể sử dụng thiết bị là nhớt kế FANN 35 và
mô hình lưu biến Bingham cho vữa phụt vì
có thể xác định nhanh chóng, trực tiếp các thông số của mô hình ngay từ số đọc của thiết bị này
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Fell R., MacGregor P., Stapledon D and Bell G., 2005 Geotechnical engineering of dams Balkema Publishers, 944 p
[2] Kong S P., 2005 Properties of cement based permeation grout used in ground engineering Ph D dissertation of nationale university of Singapore, 160p
[3] Kurzner C., 1996 Grouting of Rock and Soil Ed Brookfield, 270p
[4] Luckham P F et al., 1999 Colloidal and rheological properties of bentonite suspensions Adv Colloid Interface Sci., vol 82, n° 13, pp 43-92
[5] Rao M.A., 2007 Flow and Functional Models for Rheological Properties of Fluid Foods Rheology of Fluid and Semisolid Foods Food Engineering Series Springer,
pp 27-36
Tỉ suất cắt (1/s)
