Ảnh hưởng của tỉ lệ nước xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN VINH ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ NƯỚC/XI MĂNG LÊN MA SÁT VỚI THÀNH ỐNG BƠM THEO THỜI GIAN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN VINH

ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ NƯỚC/XI MĂNG LÊN MA SÁT VỚI THÀNH ỐNG BƠM

THEO THỜI GIAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Mai Chánh Trung

Phản biện 1: GS.TS Phan Quang Minh

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bê tông được xem là có khả năng bơm được đòi hỏi phải có độ linh động cần thiết Các thông số chính ảnh hưởng đến khả năng bơm

bê tông có thể được chia thành:

Hình 1 Mô hình dòng chảy của bê tông trong ống bơm

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ rõ: sự chuyển động của dòng bê tông trong ống bơm là nhờ vào một lớp biên tạo ra ở bề mặt tiếp xúc

giữa bê tông và thành ống bơm như trong Hình 1 Các đặc tính lưu

biến của lớp biên này còn được gọi là các thông số ma sát - hay thông số bề mặt (gồm hằng số nhớt  và ngưỡng ứng suất cắt giao diện - gọi tắt là ngưỡng trượt 0i), và khả năng bơm của một bê tông phụ thuộc chính bởi các thông số ma sát này

Ngưỡng trượt 0i đặc trưng cho tính ì của dòng bê tông trong ống bơm, ngưỡng trượt càng lớn nghĩa là cần phải có một áp lực bơm ban đầu lớn để có thể khởi động dòng bê tông dịch chuyển trong ống bơm Hằng số nhớt  đặc trưng cho tính ì của bê tông khi bê tông đã dịch chuyển trong ống, thông số này càng nhỏ thì bê tông càng dễ dịch chuyển trong ống bơm hay nói cách khác là dễ bơm

Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các thông số thành phần của cấp phối vữa bê tông lên ma sát ở giao diện tiếp xúc ngoài việc giúp

dự tính khả năng bơm của một bê tông mà còn cho phép xác định các

xu hướng tiến triển của các thông số này khi thay đổi thông số thành phần/cấp phối vữa bê tông

Một số nghiên cứu trước đây đã đề cập đến ảnh hưởng của các thông số thành phần cấp phối lên thông số ma sát, tuy nhiên chưa xem xét đến yếu tố thời gian, trong khi đó thực tế công trường có những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết nhiều khi là bất khả kháng dẫn đến thời gian chờ/ thời gian thi công bê tông bị kéo dài

Đã có một nghiên cứu về “Ảnh hưởng của hồ xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian” của học viên cao học K32 Nhằm làm rõ thêm ảnh hưởng của các thông số thành phần khác lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian, tác giả đề xuất đề tài nghiên cứu:

“Ảnh hưởng của tỉ lệ Nước/Xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian”

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BƠM BÊ TÔNG

1.1 CÔNG NGHỆ BƠM BÊ TÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN KHẢ NĂNG BƠM CỦA BÊ TÔNG

1.1.1 Công nghệ bơm bê tông

Hình 1.2 Công nghệ thi công bơm bê tông

Hình 1.2 có thể mô tả sơ bộ công nghệ bơm bê tông trên các công

trường xây dựng Bê tông được vận chuyển trong đường ống nhờ vào

áp lực đẩy rất lớn của máy bơm do hệ thống động cơ và hệ thống thuỷ lực tạo ra

1.1.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật bơm bê tông

1.2 CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÕNG CHẢY CỦA

BÊ TÔNG TRONG ỐNG BƠM

1.2.1 Trạng thái lưu biến - phép đo thông số lưu biến của vữa

bê tông

a) Trạng thái lưu biến của vữa bê tông

Đồ thị biểu diễn trạng thái lưu biến của hai vữa bê tông được

minh họa trong Hình 1.14 Trạng thái lưu biến của vữa bê tông được

mô tả thông qua hai thông số: ngưỡng cắt (τ0) và độ nhớt (μ) Để vữa

bê tông trong trạng thái linh động để có thể bắt đầu “chuyển động” được, cần phải có lực/áp lực tối thiểu tương đương với giá trị của ngưỡng cắt, một khi sự xê dịch hay chuyển động được bắt đầu, lực cần thiết để làm biến dạng/ dịch chuyển bê tông sẽ tỷ lệ thuận với tốc

độ cắt [HU 1995]

Hình 1.14 Các trạng thái lưu biến của vữa bê tông tươi b) Phép đo thông số lưu biến của vữa bê tông

1.2.2 Thông số ma sát - phép đo thông số ma sát

a) Thông số ma sát

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ma sát ở ở bề mặt tiếp xúc với thành ống bơm này được quyết định chủ yếu bởi hai thông số

ma sát: ngưỡng trượt (0i) và hằng số nhớt () Mối quan hệ giữa

chúng được biểu diễn bởi phương trình Eq 1.2 được đề xuất bởi

[KAPLAN 2000]

(Eq 1.2) Trong đó:

(Pa) là ứng suất cắt ở bề mặt giao diện tiếp xúc;

0i (Pa) là ngưỡng trượt;

(Pa.s/m) là hằng số nhớt (độ nhớt trung bình của lớp ma sát, xác định bằng độ nhớt của lớp vữa ma sát ở bề mặt tiếp xúc/bề dày của lớp ma sát này);

(m/s) là vận tốc trượt tương đối

b) Phép đo thông số ma sát

1.3 PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH KHẢ NĂNG BƠM

Có nhiều phương pháp dự tính áp lực bơm, đơn giản nhất là dựa theo các bảng tra hoặc đồ thị hoặc cũng có thể dựa vào các mô hình tính của các tác giả như [CHAPDELAINE 2007, CHOUINARD 1999] , tuy nhiên sử dụng mô hình của [KAPLAN 2000] vẫn thuận lợi nhất và được sử dụng phổ biến nhất Mô hình này cho thấy sự tiến triển của áp lực bơm - lưu lượng theo hai trang thái (1) và (2)

khác nhau như Hình 1.22

Ở phần (1) của mô hình, lúc này dòng chảy của bê tông trong ống bơm là dòng chảy trượt nhờ lớp ma sát tạo ra ở biên, áp lực bơm phụ thuộc chủ yếu vào các thông số ma sát ở bề mặt (hằng số nhớt và

v



ngưỡng trượt) theo công thức Eq 1.4:

Hình 1.22 Mô hình dự tính áp lực bơm bởi [KAPLAN 2000]

(Eq 1.4)Khi lưu lượng bơm vượt qua giá trị Q1 xác định theo công thức

Eq 1.5, ứng suất cắt ở bề mặt tiếp xúc vượt qua ứng suất cắt của bê

tông, dòng chảy của bê tông trong ống bơm có hiện tượng cắt ở vùng

tiếp xúc, được mô tả như ở Hình 1.12(2)

(Eq 1.5) Lúc này áp lực bơm vừa phụ thuộc các thông số ma sát vừa phụ

thuộc các thông số lưu biến, xác định như công thức Eq 1.6

(Eq 1.6) Trong đó:

 kr : hệ số lấp đầy (kr = 0,8 với bơm cố định, kr = 0,7 với bơm di động) [KAPLAN 2000];

0i(Pa)ngưỡng trượt (đo bởi thiết bị đo ma sát);

(Pas/m)hằng số nhớt (đo bởi thiết bị đo ma sát);

0 (Pa): ngưỡng cắt của bê tông (đo bởi thiết bị đo lưu biến);

(Pas)độ nhớt của bê tông (đo bởi thiết bị đo lưu biến)

1.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY - ĐẶT VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU - KẾT LUẬN CHƯƠNG

1.4.1 Kết quả nghiên cứu gần đây

Ở Việt Nam thì lĩnh vực nghiên cứu về lưu biến bê tông cũng như bơm bê tông cũng có phần hạn chế, bên cạnh vấn đề đầu tư hệ thống thiết bị phần khác cũng còn là vấn đề chuyên gia, kỹ thuật viên cũng như đào tạo

1.4.2 Đặt vấn đề nghiên cứu - Kết luận chương

Đa số các nghiên cứu trước đây đã đề cập đến ảnh hưởng của các thông số thành phần cấp phối lên thông số ma sát, tuy nhiên chưa xem xét đến yếu tố thời gian, trong khi đó thực tế công trường có những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết nhiều khi là bất khả kháng Liên quan đến yếu tố thời gian và ảnh hưởng của nó lên ma sát với thành ống bơm đã có nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hồ

xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian” Xét thấy việc tiếp tục nghiên cứu mở rộng đề tài sang các thông số liên quan khác

là cần thiết, vì vậy đưa ra đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian” là cần

thiết để làm rõ thêm vấn đề nầy

Chương 2 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ & CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG

2.2.1 Thiết bị đo ma sát (tribomètre)

a) Mô tả thiết bị đo ma sát (tribomètre)

Thiết bị đo ma sát được phát triển bởi [NGO et al 2010], gồm có

3 phần chính: một máy khuấy điều khiển tốc độ quay và đọc được momen xoắn điện tử; một xy lanh hình trụ thép tròn trơn cao 10cm, đường kính 10,7cm; và một thùng chứa vữa bê tông cao 20cm đường kính 30cm Toàn bộ hoạt động của thiết bị được điều khiển nhờ phần mềm được cài trong máy tính để điều khiển máy khuấy

Hình 2.2 Cấu tạo thiết bị đo ma sát và quy trình vận hành: (a) cấu

tạo thiết bị ; (b) bước đo thứ nhất; (c) bước đo thứ hai

b) Phương pháp sử dụng thiết bị đo ma sát

Việc vận hành thiết bị đo ma sát gồm 5 bước như Hình 2.2:

Bước 1: Cho vữa bê tông vào một nữa thùng chứa và đầm 25

lần như Hình 2.2(b)

Bước 2: Định vị xy lanh ở trung tâm của thùng chứa và để cho

xy lanh “đứng” trên bề mặt bê tông bởi trọng lượng của nó, xy lanh sau đó được cố định với trục máy khuấy

Bước 3: Đo momen xoắn ma sát ở đáy xy lanh tương ứng với

cấp vận tốc áp đặt lên trục quay như trong Hình 2.3

Bước 4: Sau bước 3 xong, đổ tiếp lớp bê tông thứ 2 lên trên lớp

thứ nhất đến đầy thùng chứa và đầm 25 lần như Hình 2.2(c)

Bước 5: Lặp lại bước 3 và ghi lại các kết quả mới

Hình 2.3 Biểu đồ mức vận tốc xoay xy lanh

Momen xoắn ma sát giao diện có được bằng cách trừ kết quả ở bước 5 cho bước 3 Với mỗi cấp tốc độ xoay áp đặt, ma sát giao diện trung bình trên diện tích xung quanh xy lanh có được khi tốc độ quay

không đổi Thực tế thi công thể hiện như trên Hình 2.5

a) Hình ảnh thùng chứa - xy lanh quay theo các bước đo thực tế

b) Hình ảnh tổng thể

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế thí nghiệm đo ma sát

c) Khai thác kết quả đo

Một phần mềm chuyên dụng cài đặt máy tính kèm theo máy đo để

xử lý kết quả đo cho ra kết quả là các thông số ma sát: ngưỡng trượt

và hằng số nhớt

2.2.2 Máy trộn bê tông

Máy dùng để trộn bê tông thí nghiệm là loại máy trộn nghiêng đổ, dung tích thùng trộn 300 lít Với thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng

của tỉ lệ nước/ximăng có xét đến yếu tố thời gian 0/30 phút/60 phút/

90 phút, với mỗi mẻ trộn để tránh vữa bê tông bị đông cứng trong thùng trộn do thời gian chờ, cứ mỗi 15 phút sẽ được quay trộn lại và được che đậy bằng nilon ở cửa thùng trộn để tránh mất nước

2.2.3 Phép đo độ sụt bằng côn Abrams

Phép đo độ sụt được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 3105-93

2.2.4 Máy nén mẫu bê tông

Cường độ chịu nén của mẫu bê tông R28 sau thời gian dưỡng hộ

28 ngày tuổi theo điều kiện tiêu chuẩn

2.3 CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM

Cấp phối bê tông tham khảo được lấy tương ứng với cấp phối sử dụng phổ biến trong thực tế thi công trên địa bàn Đà Nẵng Ở đây sau khi tham khảo vật liệu và cấp phối ở các công ty cung ứng vữa

bê tông thương phẩm trên hiện trường (Công ty Đăng Hải, công ty bê tông Hòa Cầm ), cấp phối vữa bê tông lựa chọn được tổng hợp

trong Bảng 2.4

Để nghiên cứu ảnh hưởng của một thông số thành phần nào đó lên ma sát của bê tông với thành ống bơm, theo nguyên tắc chỉ cho thay đổi một thông số và giữ nguyên các thông số còn lại Theo bảng cấp phối này, từ cấp phối B2 tham khảo thực tế, đề xuất thêm cấp phối B1 và B3 để đưa ra chuỗi 3 cấp phối B1, B2 và B3 có tỉ lệ N/X thay đổi từ 0.4, 0.45 đến 0.45 và có sử dụng phụ gia Sika Plast 257 Ngoài ra cũng có xét đến cấp phối B4 ứng với trường hợp không sử dụng phụ gia nhằm nghiên cứu thêm ảnh hưởng của nhân tố này Tất cả các cấp phối thí nghiệm sẽ được thực hiện đo thông số lưu biến và các thông số liên quan ở các thời điểm 0 phút/ 30 phút/ 60 phút/ 90 phút, để đảm bảo trong thời gian chờ hạn chế tối đa hiện

tượng mất nước và “cứng hóa”, vữa bê tông trong thùng trộn sẽ được che đậy kín bằng nilon và cứ 15 phút chờ cho khởi động máy trộn trộn lại

Bảng 2.4 Cấp phối bê tông nghiên cứu theo thông số tỉ lệ N/X

Bê

tông N/X

V hxm (m 3 ) Đ/C Xi măng

(kg)

Nước (kg)

Đá (kg)

Cát (kg)

Sika 257 (l/m 3 ) B1 0.4

0.317 1.12

440 175.5 995 888 4.1

B2 0.45 410 184.5 995 888 4.1 B3 0.5 385 192.5 995 888 4.1 B4 0.5 0.378 1.12 460 230 876 795 0

Trong đó khối lượng hồ xi măng là tổng thể tích xi măng và nước trong một mét khối vữa bê tông (Với tỉ khối của xi măng là 3.1 tấn/m3, nước là 1tấn/m3) Ví dụ bê tông B1:

Vhoxm (B1)= [ximăng 440(kg)/3.1 + nước 176(kg)]/1000 = 0.317 m3

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

 Xác định được các đặc trưng, tính chất cơ bản của vật liệu dùng chế tạo vữa bê tông thí nghiệm của nghiên cứu này

 Lựa chọn được thiết bị và thống nhất được quy trình sử dụng

đo ma sát áp dụng trong nghiên cứu này theo Ngo [2009]

 Định hướng việc lựa chọn cấp phối thí nghiệm theo nguyên tắc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thành phần cấp phối lên thông số ma sát khi chỉ cho một thông số biến thiên trong khi vẫn giữ nguyên các thông số còn lại

 Thiết kế/lựa chọn được cấp phối thí nghiệm cho chương trình thí nghiệm: tỉ lệ nước/xi măng theo các thời gian ở các thời điểm 0 phút/ 30 phút/ 60 phút/ 90 phút lên các thông số ma sát

Chương 3

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 KẾT QUẢ CỦA CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM

Các kết quả của chương trình thí nghiệm được tập hợp lại như

trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2 Bảng 3.1 tổng hợp các các kết quả đo

thông số độ sụt, thông số ma sát (ngưỡng trượt (0i_Pa) và hằng số nhớt (Pa.s/mtheo thời gian lưu vữa 0; 30 phút; 60 phút; 90 phút Cấp phối B1, B2, B3 được lấy theo như cấp phối thực tế của các đơn

vị cung ứng bê tông thương phẩm trên địa bàn Đà Nẵng (từ cấp phối B2 tham khảo thực tế, đề xuất thêm cấp phối B1 và B3 để đưa ra chuỗi 3 cấp phối B1, B2 và B3 có tỉ lệ N/X thay đổi từ 0.4, 0.45 đến 0.45 và có sử dụng phụ gia Sika Plast 257)

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/X lên thông số ma sát theo thời gian

Bê

tông Tham số Đơn vị Vhoxm

(m3) N/X Thời gian lưu vữa (phút) 0 30 60 90

B1

Độ sụt (Sl) cm

0.317 0.4

20 17.5 16 13 Ngưỡng trượt Pa 36.2 52.5 55.7 67.4 Hằng số nhớt Pa.s/m 598 674 781 1027

B2

Độ sụt (Sl) cm

0.317 0.45

21.5 19 17 15 Ngưỡng trượt Pa 29.6 42.5 41.5 54.3 Hằng số nhớt Pa.s/m 495 537 637 792

B3

Độ sụt (Sl) cm

0.317 0.5

23 21.5 18 17.5 Ngưỡng trượt Pa 21.4 33.5 36.7 47.1 Hằng số nhớt Pa.s/m 407.2 472 579 715.8

B4

Độ sụt (Sl) cm

0.378 0.5

10.5 8.5 6.5 2 Ngưỡng trượt Pa 52.6 64.8 72.5 # Hằng số nhớt Pa.s/m 693 827 1046 #

Bảng 3.2 Cường độ R 28 của bê tông B2 theo thời gian lưu vữa

Thông số Đơn vị Mẫu thử B2 theo thời gian lưu vữa

xi măng để bê tông có đủ độ linh động cần thiết từ đó có thể đo được các thông số ma sát (độ sụt < 4 cm vượt quá giới hạn đo của thiết bị

đo ma sát) Dù vậy, kết quả đo các thông số ma sát của bê tông B4 không sử dụng phụ gia ở thời điểm 90 phút cũng không thể thực hiện được do bê tông không đảm bảo tính linh động cần thiết

Bảng 3.2 trình bày kết quả đo cường độ chịu nén ở thời điểm 28

ngày tuổi sau khi được đúc mẫu và dưỡng ẩm theo điều kiện tiêu chuẩn Kết quả này được thực hiện cho bê tông B2 có Vhoxm= 0.317

m3 tương ứng với mẫu B2 của các nghiên cứu trước nhằm thử kiểm tra tính lặp lại của kết quả thí nghiệm

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ NƯỚC/XI MĂNG LÊN MA SÁT VỚI THÀNH ỐNG BƠM THEO THỜI GIAN

3.2.1 Tổng hợp kết quả nghiên cứu liên quan

Để làm rõ ảnh hưởng của tỉ lệ Nước/Xi măng lên thông số ma sát theo thời gian lưu vữa, cũng cần nhắc lại kết quả nghiên cứu có liên

quan: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hồ xi măng và tỉ lệ N/X lên ma sát với thành ống bơm” - Luận văn của thạc sĩ Bùi Ngọc Hải, K31

ĐN (ĐH Bách khoa Đà Nẵng) [HẢI 2016]

Một phần kết quả nghiên cứu này có thể tóm tắt như Bảng 3.3 và Hình 3.1 Theo kết quả nghiên cứu này, việc gia tăng tỉ lệ N/X từ

B24 đến B21 (từ 0.4 đến 0.55) làm tăng độ sụt vữa bê tông từ 11 

23 cm (theo Bảng 3.3), qua đó làm giảm giảm thông số ma sát - hay nói cách khác là làm tăng khả năng bơm bê tông như Hình 3.1

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ N/X lên thông số ma sát [HẢI 2016]

Bê

tông N/X Đ/C

Vhoxm (m3)

Độ sụt (cm)

 (Pa.s/m)

0t (Pa)

Hình 3.1 Quan hệ giữa thông số ma sát và tỉ lệ N/X theo [HẢI 2016]

(a) Sự tiến triển của hằng số nhớt; (b) Sự tiến triển của ngưỡng trượt

3.2.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ Nước/Xi măng lên ma sát với thành ống bơm theo thời gian

a) Ảnh hưởng đến độ sụt vữa bê tông

Từ kết quả thí nghiệm như trên Bảng 3.1 và Hình 3.2 cho thấy,

khi chưa xét đến yếu tố thời gian lưu vữa (tức ở thời điểm ngay sau khi trộn xong, t=0 phút) thì khi tăng tỉ lệ N/X từ B1-0.4, B2-0.45 đến