Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn

Đặc điểm thành phần cấu tạo, những yêu cầu và chỉ tiêu đánh giá về chất lượng, ảnh hưởng của các chất phụ gia đối với ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn.... Tùy theo của những vật li

KHOA XÂY DựNG -Oẵ SO★ -

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

dưới sự hướng dẫn của

ỨNG xử LƯU BIẾN VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Trường Đại học Kiến trúc

196 Pasteur, quận 3, thành pho Hồ Chỉ Minh

thầy Sơn và chị Lệ, đã thông cảm và tạo mọi điều kiện tốt cho chúng tôi hoàn

Cuối cùng, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên gia đình, bạn bè, anh

chị đã động viên khuyến khích chúng tôi về mặt tinh thần, giúp đỡ chúng tôi về cơ sở

Nhỏm tác giả : Cao Xuân Phong

Hoàng Thanh Liêm

Trong bài nghiên cứu về « ứng xử lưu biến và mô hình sự chảy xòe của bê

của bê tông trong thí nghiệm nón cụt Abrams

Thứ nhất, chúng tôi nhận thấy rằng đường kính chảy xòe của chất lỏng chỉ phụ

thuộc vào ngưỡng chảy của nó mà không phụ thuộc vào các tính chất lưu biến khác

Thứ hai, chúng tôi thấy rằng mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe và ngưỡng

lưu biến ; bê tông tự đầm lèn ; chất lỏng Herschel - Bulkley ; nón cụt Abrams

CHƯƠNG 1 3

HỆ THỐNG KIẾN THỨC VÈ LƯU BIẾN HỌC 3

1.1. Giới thiệu 3

1.2. Một số loại mô hình ứng xử lưu biến 4

1.3. Một số loại lưu biến kế 5

1.3.1. Nhớt kế kiểu « bi rơi » 6

1.3.2. Lưu biến kế Poiseuille 7

1.3.3. Lưu biến kế Couette loại hình trụ đồng trục 10

CHƯƠNG 2 13

quy mô ngày càng lớn, các nhà khoa học vật liệu xây dựng không ngừng nghiên

những công trình lớn có cốt thép dày đặc - do bê tông không đảm bảo độ lỏng cần

thiết Trong bối cảnh ấy, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm dung hòa

đồng thời có độ lỏng rất lớn, có khả năng tự chảy dưới tác dụng duy nhất của trọng

lượng bản thân mà không cần bất cứ tác động co học nào - đó là bê tông tự đầm

lèn

(self- compacting concrete) Tuy nhiên, tại thời điểm đó, các chất phụ gia sử dụng

trong bê tông tự đầm lèn còn chưa đạt được hiệu quả như mong muốn và có giá

Trang 2

chúng tôi hệ thống lại một số đặc điểm và kết họp giải thích ở góc độ vi mô nguồn gốc

ứng xử lưu biến của bê tông thường Đặc điểm thành phần cấu tạo, những yêu cầu

và

chỉ tiêu đánh giá về chất lượng, ảnh hưởng của các chất phụ gia đối với ứng xử

lưu

biến của bê tông tự đầm lèn sau đó cũng sẽ được trình bày trong Chương 2

về mặt lưu biến học, bê tông tự đầm lèn chỉ khác với bê tông thường ở chỗ

HỆ THỐNG KIẾN THỨC VỀ LƯU BIẾN HỌC

Những kiến thức chung về lưu biến học mà chúng tôi trình bày trong chưong

dụng lên vật liệu có xét đến quá trình tác dụng của ứng suất theo thời gian

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu được gọi là quy luật ứng

xử

lưu biến hay gọi tắt là phương trình lưu biến, thường được biểu diễn - trong trường

họp trượt thuần túy - dưới dạng mối quan hệ giữa ứng suất tiếp X và vận tốc biến

dạng

trượt Ỷ (đạo hàm của biến dạng trượt y theo thời gian t)

Đường cong mô tả phương trình lưu biến được gọi là đồ thị lưu biến, dựa vào

đó

người ta phân biệt những loại ứng xử lưu biến khác nhau như mô tả trên H 1.1 :

ứng xử của vật liệu được coi là tuyệt đối nhớt nếu như sự chảy xảy ra ngay sau

khi vật liệu chịu tác dụng của một ứng suất tiếp X dù rất nhỏ, hay nói cách khác

khác khi đồ thì lưu biến bắt nguồn từ điểm có tung độ x0 trên trục ứng suất tiếp X,

người ta gọi ứng xử lưu biến đó là nhớt - dẻo

Trang 4

1.2 Một số loại mô hình ửng xử lưu biến

Để mô tả ứng xử lưu biến của vật liệu, rất nhiều phương trình toán học đã

được

thiết lập, tuy nhiên không một phương trình toán học nào có thể mô tả một cách

chính

xác tuyệt đối Dưới đây chúng tôi chỉ giới thiệu một vài mô hình ứng xử lưu biến

thường gặp nhất trong ngành lưu biến học

Mô hình ứng xử lưu biến đơn giản nhất, trường họp đặc biệt của tất cả các mô

hình ứng xử lưu biến khác, là mô hình ứng xử Newton (PT 1.1), được đặc trưng

mô tả những loại ứng xử lưu biến này, người ta thường sử dụng mô hình lưu biến

Ostwald (PT 1.2) được đặc trưng bởi hai thông số : độ đặc K và số mũ n Tùy theo

của những vật liệu này, mô hình lưu biến Bingham đặc trung bởi hai thông số :

ngưỡng chảy To và độ nhớt dẻo r| thường được sử dụng [3-6] Mô hình này có thể

được viết dưới dạng sau :

ÍỶ = 0 khi T < T n

(1.3)[x = T0+r|Ỷ khi T > T0

Mô hình lưu biến Bingham không cho phép miêu tả ứng xử phi tuyến của

thấp hon, thậm chí phi thực tế (ngưỡng chảy âm), đối với vật liệu chảy đặc [9] Để

miêu tả chính xác hon ứng xử lưu biến phi tuyến của vật liệu nhớt dẻo, người ta

thường sử dụng mô hình Herschel - Bulkley đặc trung bởi 3 thông số : ngưỡng

FG = jítRỈpSg+ lực đẩy Archimède FA :

« bi rơi » rất đơn giản và được trình bày

trên H 1.2 : một quả cầu có khối lượng

riêng ps và bán kính R, rơi đều với vận

tốc không đổi V dưới tác dụng của trọng

lực trong chất lỏng Newton có khối

của nhớt kế kiếu « bi rơi ».

(1.5)

(1.6)+ lực nhớt Fs của chất lỏng tác dụng lên bề mặt quả cầu, có thể được tính một

cách gần đúng theo công thức Stokes như sau :Fs=-67ĩRịiV

Khi quả cầu đạt được chuyển động đều với vận tốc V không đổi, tổng đại số các

lực tác dụng lên quả cầu phải bằng không Từ đó ta có thể xác định được độ nhớt g

PT 1.8 cho phép xác định nhanh chóng độ nhớt tuyệt đối p của chất lỏng

chuyển động đều trong môi trường chất lỏng Newton không giới hạn và khi số

Reynolds rất nhỏ Đe cải thiện độ chính xác, người ta có thể dùng các phương

pháp

tính toán điều chỉnh hoặc so sánh một cách tương đối kết quả thu được với chất

lỏng

chuẩn đã biết

Lưu biến kế Poiseuille hay còn gọi là nhớt kế mao dẫn thường được sử dụng

cho

việc đo nhanh độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng Newton Đôi khi chúng cũng được

dùng

để xác định các tính chất lưu biến của các chất lỏng phi Newton khi người ta đã dự

đoán trước được quy luật ứng xử lưu biến của chất lỏng đó Trong mục này, chúng

họp này có thể ứng dụng để tính toán sự chảy của bê tông trong ống bơm

Nguyên lý hoạt động của nhớt

kế

kiểu Poiseuille tương đối đơn giản :

chất lỏng nghiên cứu chảy đều

với mọi phân tố chất lỏng tức là với mọi r và z khi và chỉ khi hai vế của PT 1.12 là

hằng số Từ đó ta có thể suy ra ứng suất tiếp Tr trên mặt trụ bán kính r như sau :

chuyển động với cùng một vận tốc, không có biến dạng trượt tương đối

1 +2n + 1

Ap^

Lưu biến kế Couette là những loại lưu biến kế trong đó chất lỏng nghiên cứu

H 1.4 Nguyên lỷ hoạt động của lưu biến kế Couette kiếu hình trụ đồng trục.

ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm

Trong quá trình chảy tầng, chất lỏng bị phân chia thành những lóp mỏng hình

Dựa vào các PT 1.23 và 1.24 ta có thể xác định được đồ thị lưu biến T - Ỷ củachất lỏng nếu như biết được quy luật phân bố của vận tốc góc ©r theo r Tuy nhiên quy

luật phân bố này lại phụ thuộc vào ứng xử lưu biến của chất lỏng Như vậy ta rơi vào

vòng luẩn quẩn : để xác định được ứng xử lưu biến của vật liệu cần phải biết trước ứng

1 1R? R

(1.26)

(1.27)

biến của các dung dịch huyền phù, ngoài yêu cầu về khe hở hẹp (a < 0.1) còn phải

đảm bảo yêu cầu : chiều rộng khe hở ít nhất phải bằng 10 lần đường kính của các

biến kế đáp ứng những yêu cầu trên về khe hở phải có kích thước rất lớn, tối thiểu

ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm

Đó là hỗn họp của các hạt cốt liệu rời như cát, sỏi, đá, và chất kết dính : xi măng

trộn nước Ngoài ra người ta còn có thể thêm vào bê tông một số chất phụ gia

nhằm

cải thiện một vài tính chất của bê tông Tùy theo những yêu cầu đối với bê tông

trong quá trình thi công và sử dụng mà người ta lựa chọn hàm lượng các thành

của vật liệu Tuy nhiên, một chỉ tiêu khác không kém phần quan trọng, có ý nghĩa

quyết định đến khả năng thi công của bê tông và có ảnh hưởng rất lớn đến chất

Trang 14

thường trước khi trình bày về những đặc điểm, tính chất và ứng xử lưu biến của bê

tông tự đầm lèn

2.2 ứng xử lưu biến của bê tông thường

Xi măng được chế tạo bằng cách tán nghiền các hạt vật liệu « Clinker » dưới

tác

dụng của những va chạm rất mạnh nhằm phân chia những hạt vật liệu này thành

những

phần tử có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1-100 pm Sự tán nghiền này

kèm theo sự cắt đứt các liên kết tĩnh điện của vật liệu, dẫn đến hiện tượng tồn tại

đồng

thời những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt xi măng

Nhìn chung, các hạt xi măng thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần) so với

tích

điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng và ngược

lại,

các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt xi măng Hiện

tượng này một mặt là do các hạt tích điện dương bị trung hòa một phần bởi các

electron tự do trong môi trường, mặt khác là do các hạt điện tích âm thường có

kích

thước lớn hơn các hạt điện tích dương [13]

Xi măng Portland được cấu tạo chủ yếu từ 4 thành phần tinh thể : 3Ca0.Si02

(ký

hiệu C3S), 2Ca0.Si02 (ký hiệu C2S), 3Ca0.Al203 (ký hiệu C3A) và

4Ca0.Al203.Fe203

(ký hiệu C4AF), ngoài ra còn một số thành phần khác chiếm tỉ lệ nhỏ như CaO,

CaC03, MgO, K2S04 Khi xi măng được trộn với nước, các thành phần này ngay

Một lý thuyết khác mới hơn được

vận

dụng trong nhiều nghiên cứu về sau là lý

thuyết của Stem Theo tác giả, các ion

trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt

rắn tạo thành hai lóp điện tích Lóp bên

trong được gọi là lóp Stem bao gồm các

điện tích mang dấu ngược với dấu điện

tích của hạt rắn Lóp điện tích này có

chiều dày nhỏ, liên kết rất chặt chẽ và

cùng di chuyển với các hạt rắn khi chúng

chuyển động trong dung dịch Ngoài lóp

Stem là lóp khuyếch tán chủ yếu chứa

các

ion mang điện tích cùng dấu với điện tích

trên bề mặt hạt rắn Chiều dày lóp

khuyếch tán dao động trong khoảng 10

-1000 Ả, càng nhỏ khi mật độ điện tích

càng lớn Đối với hạt xi măng phần lớn

tích điện âm, cấu trúc các lóp điện tích

bao quanh hạt xi măng được mô tả như

Lớp khuyếch tán

H 2.1 Mô tả sự phân bố điện tích bao

quanh hạt xi măng theo lỷ thuyết

.2.1 trong đó lóp Stem chủ yếu tích điện.5] chủ yếu tích điện âm

Hạt xi măng

Mặc dù lý thuyết Gouy-Chapmann và

Stem đưa ra những cấu trúc điện tích khác

nhau bao quanh các hạt rắn tích điện, cả

hai lý thuyết đều chỉ ra rằng các lóp

khuyếch tán bao quanh các hạt rắn đẩy

nhau do tích điện cùng dấu với nhau

Trong trường họp hạt xi măng tồn tại

đồng thời những nơi tích điện âm (những

nơi bằng phẳng) và những nơi tích điện

dương (những nơi góc cạnh), lóp khuyếch

tán vì vậy cũng tồn tại đồng thời những

vùng tích điện trái dấu nhau và do đó

trong vữa xi măng cũng tồn tại đồng thời

lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa các lóp

khuyếch tán bao quanh các hạt xi măng

Rất nhiều nghiên cứu [14, 16]đã chỉ ra rằng tổng họp những tương tác này tạo nên cấu

trúc kết bông của vữa xi măng trong đó các hạt xi măng hút nhau tạo thành những

H 2.2 Mô tả cấu trúc kết

bông của vữa xi măng.

Trang 16

chùm hạt riêng rẽ hoặc được ghép nối với nhau như mô tả như trên H 2.2 Theo

Legrand [14], do các hạt xi măng tích điện âm ở những noi bằng phẳng và tích

điện

dương ở những nơi góc cạnh, liên kết giữa các hạt xi măng vì vậy có dạng liên kết

điểm, có thể liên kết thông qua các lóp khuyếch tán hoặc liên kết trực tiếp Những

ngăn chặn Điều này tạo ra sự ổn định cho cấu trúc kết bông của xi măng

Như chúng tôi đã trình bày ở trên, vữa xi măng có cấu trúc kết bông do sự hút

nhau của các hạt xi măng Để vữa xi măng có thể chảy được, cần phải tác động lên

chúng một ứng suất T đủ lớn nhằm phá vỡ liên kết giữa các hạt xi măng Điều này

làm

cho vữa xi măng và bê tông có ứng xử nhớt - dẻo, tức là tồn tại ngưỡng chảy To

mà

ứng suất X tác dụng lên vật liệu cần phải vượt qua để vật liệu bắt đầu chảy được

Theo Legrand [17], ngưỡng chảy T0 của vữa xi măng và bê tông tăng theo

ứng với sự tăng số hạt xi măng trong cùng một thể tích, làm tăng số lượng liên kết

giữa các hạt xi măng và do đó làm tăng ngưỡng chảy của vữa xi măng và bê tông

Khi vữa xi măng và bê tông chịu các chấn động rung trong quá trình đầm lèn,

các

hạt xi măng dao động xung quanh vị trí ban đầu của chúng một cách lộn xộn dẫn

đến

liên kết giữa các hạt xi măng bị phá vỡ Điều này làm giảm thậm chí làm triệt tiêu

ngưỡng chảy của vữa xi măng và bê tông [17]

ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm

suất X hoặc vận tốc biến dạng trượt Ỷ không đổi [17] Trong lưu biến học, người ta gọi

hiện tượng này là hiện tượng xúc biến (thixotropy) và đã có rất nhiều công trình

nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về hiện tượng này của vữa xi măng và

bê

tông

Cấu trúc kết bông không chỉ là nguồn gốc của ứng xử nhớt dẻo, ứng xử xúc

biến

mà còn là nguồn gốc của ứng xử chảy lỏng của vữa xi măng và bê tông Điều này

được thể hiện bởi sự giảm độ nhớt p của vật liệu khi ứng suất T hoặc vận tốc biến

hạt càng nhở và do đó độ nhớt p của vữa xi măng và bê tông càng nhỏ [17, 18]

Như chúng tôi đã giới thiệu ở trên, vữa xi măng và bê tông là những vật liệu

Trang 18

2.3 Khái quát về bê tông tự đầm lèn

Bê tông tự đầm lèn là loại bê tông rất lỏng, đồng nhất và ổn định (không phân

tách), thi công không cần bất cứ tác động cơ học nào (sự đầm lèn và lấp đầy ván

tông sử dụng trong những công trình quy mô lớn với cốt thép dày đặc Nhờ những

H 2.3 Một số công trình sử dụng bê tông tự đầm lèn : (a) cầu treo Akashi - Kaỉkyo (Nhật Bản), (b) hầm Sodra Lanken (Thụy Điển).

Công trình cầu treo Akashi - Kaikyo tại Nhật Bản (H 23.à) có nhịp dài nhất

thế

giới (1991 m) được thi công từ năm 1998 cầu có hai trụ tháp cao 298m được xây

dựng bằng bê tông tự đầm lèn, nhờ đó mà thời gian thi công hai trụ tháp này đã

được

rút ngắn lại 20%, từ 2.5 năm xuống còn 2 năm

Công trình hầm Sodra Lanken lớn nhất Thụy Điển (H 2.3.b) có chiều dài 16.6

km,

thi công trong khoảng thời gian 1998 - 2004 với tổng số vốn đầu tư 800 triệu

ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm

2.4 ưu và nhược điếm của bê tông tự đầm lèn

Như chúng tôi đã giới thiệu ở trên, bê tông tự đầm lèn có khả năng tự chảy và

tông thường mà chúng tôi trình bày dưới đây :

+ Rút ngắn thời gian thi công do loại bỏ được công đoạn đầm rung và công

rung động gây ra trong quá trình đầm rung

+ Cho phép thi công ở những vị trí chật hẹp hoặc những nơi cốt thép bố trí dày

đặc mà thiết bị đầm rung không thể hoạt động được

+ Nâng cao chất lượng của công trình (bê tông có cường độ cao, khả năng

chịu

nhiệt và dính bám với cốt thép tốt, bề mặt công trình nhẵn mịn, khả năng

chống gỉ và chống thấm tốt )

+ Giảm bớt chi phí xây dựng công trình (khoảng 7.5% [19]) nhờ việc giảm bớt

số lượng công nhân thi công mặc dù giá thành bẽ tông tự đầm lèn cao hơn

giá

thành bê tông thường

Bên cạnh những ưu điểm, bê tông tự đầm lèn cũng có một số nhược điểm mà

chúng tôi giới thiệu dưới đây :

+ Chất lượng bê tông tự đầm lèn rất nhạy cảm với sự thay đổi hàm lượng các

Trang 20

lèn

a) Đô lỏng trong môi trường không có vât cản

Độ lỏng của của bê tông tự đầm lèn trong môi trường không có vật cản được

xác

định bởi thí nghiệm nón cụt Abrams (kích thước mô tả trên H 2.4.a) Thí nghiệm

Abrams là thí nghiệm tiêu chuẩn được dùng rộng rãi trên toàn thế giới dùng để xác

định một cách nhanh chóng độ lỏng của bê tông dựa trên việc đo độ sụt của chúng

(chiều cao sụt của bê tông sau khi nhấc nón cụt Abrams, H 2.4.b) dưới tác dụng

của

trọng lượng bản thân Độ sụt càng lớn thì bê tông càng lỏng và ngược lại

Đối với bê tông tự đầm lèn, việc đo độ sụt không còn có ý nghĩa do bê tông bị

sụt

hoàn toàn Trong trường hợp này, độ lỏng của bê tông tự đầm lèn được xác định

thông

H 2.4 Xác định độ lỏng của bê tông bằng thí nghiệm Abrams :

(a) nón cụt Abrams (kích thước ghi theo cm), (b) đo độ sụt đối với bê tông

thường, (c) đo đưòng kỉnh chảy xòe đoi vói bê tông tự đầm lèn.

Cho đến hiện nay, rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về

mối

quan hệ giữa độ sụt H hoặc đường kính chảy xòe D với ngưỡng chảy To của bê

được thực hiện [4, 20 - 22] Trong phạm vi bài nghiên cứu này, chúng tôi chỉ giới

thiệu mối quan hệ tưong đối đon giản giữa ngưỡng chảy T0 và đường kính chảy

_ 255pgV2T° 4TT2D5trong đó pg và V lần lượt là trọng lượng riêng và thể tích của mẫu bê tông

(2.1)

ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm