03.Self Compacting Concrete.nckh 08-09

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

thực hiện bởi

Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm

dưới sự hướng dẫn của

Ts. Nguyễn Việt Hưng

ỨNG XỬ LƯU BIẾN VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

CHẢY XÒE CỦA BÊ TÔNG TỰ ĐẦM LÈN

Trường Đại học Kiến trúc 196 Pasteur, quận 3, thành phố Hồ Chí Minh

ngày 10 tháng 08 năm 2009.

LỜI CẢM ƠN

Bài nghiên cứu khoa học « Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn » này không thể hoàn thành nếu không nhờ sự hướng dẫn tận tình của Ts. Nguyễn Việt Hưng, Giảng viên bộ môn Kết cấu Công trình – Khoa Xây dựng – Trường Đại học Kiến trúc thành phố Hồ Chí Minh. Chúng tôi xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc tới thầy : cảm ơn thầy về những kiến thức khoa học mà thầy đã truyền dạy cho chúng tôi trong quá trình làm nghiên cứu, cảm ơn vì sự tận tâm và sự tin tưởng mà thầy đã dành cho chúng tôi.

Chúng tôi cũng không thể quên cảm ơn những thầy cô trong phòng Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ – Trường Đại học Kiến trúc thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy Sơn và chị Lệ, đã thông cảm và tạo mọi điều kiện tốt cho chúng tôi hoàn thành nghiên cứu này.

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 vật chất trong quá trình làm nghiên cứu.

Nhóm tác giả : Cao Xuân Phong

Hoàng Thanh Liêm

TÓM TẮT

Trong bài nghiên cứu về « Ứng xử lưu biến và mô hình sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn », ngoài những kết quả đạt được trong việc hệ thống và sắp xếp lại những kiến thức cơ bản và quan trọng trong ngành lưu biến học có liên quan đến bê tông, những kiến thức về ứng xử lưu biến của bê tông thường và bê tông tự đầm lèn, chúng tôi còn đạt được những kết quả quan trọng sau đây trong quá trình mô hình hóa sự chảy xòe 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 chảy τ0 của chất lỏng được Coussot thiết lập trên cơ sở các giả thiết đơn giản hóa chỉ nghiệm đúng với những chất lỏng có ngưỡng chảy τ0 lớn và có sai số càng lớn khi ngưỡng chảy τ0 càng nhỏ.

Cuối cùng, dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết của Coussot và những kết quả thu được từ phần mềm, chúng tôi đã tìm được mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe D và ngưỡng chảy τ0 của bê tông trong thí nghiêm nón cụt Abrams với sai số nhỏ hơn 4% so với kết quả thu được từ mô hình hóa bằng phần mềm.

TỪ KHÓA

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

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

BẢNG MỤC LỤC

GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 1

CHƯƠNG 1 .......................................................................................................... 3 HỆ THỐNG KIẾN THỨC VỀ 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 HỆ THỐNG KIẾN THỨC VỀ BÊ TÔNG TỰ ĐẦM LÈN ......................... 13

2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 13

2.2. Ứng xử lưu biến của bê tông thường ................................................................ 14 2.2.1. Cấu trúc kết bông của vữa xi măng ........................................................... 14 2.2.2. Ứng xử nhớt – dẻo của vữa xi măng và bê tông........................................ 16 2.2.3. Ứng xử xúc biến của vữa xi măng và bê tông ........................................... 16 2.2.4. Ứng xử chảy lỏng của vữa xi măng và bê tông ......................................... 17 2.2.5. Mô hình ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông .............................. 17

2.3. Khái quát về bê tông tự đầm lèn ....................................................................... 18

2.4. Ưu và nhược điểm của bê tông tự đầm lèn ...................................................... 19

2.5. Yêu cầu cơ bản đối với bê tông tự đầm lèn ...................................................... 19 2.5.1. Yêu cầu về độ lỏng của bê tông tự đầm lèn .............................................. 20

a) Độ lỏng trong môi trường không có vật cản ................................ 20 b) Độ lỏng trong không gian có vật cản ........................................... 21 c) Môt số phương pháp khác xác định độ lỏng của bê tông tự

đầm lèn ......................................................................................... 21 2.5.2. Yêu cầu về sự ổn định của bê tông tự đầm lèn .......................................... 22

Trang ii


2.6. Đặc điểm thành phần cấu tạo của bê tông tự đầm lèn .................................... 23 2.6.1. Thể tích vữa lớn ......................................................................................... 23 2.6.2. Sử dụng hàm lượng lớn các hạt mịn .......................................................... 23 2.6.3. Sử dụng chất phụ gia siêu dẻo ................................................................... 23 2.6.4. Sử dụng chất phụ gia tăng nhớt ................................................................. 24

2.7. Ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn .......................................................... 25

CHƯƠNG 3 ........................................................................................................ 26 MÔ HÌNH SỰ CHẢY XÒE CỦA BÊ TÔNG TỰ ĐẦM LÈN TRONG THÍ NGHIỆM ABRAMS ...................................... 26

3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 26

3.2. Mô hình sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn ................................................... 27

3.3. Kết quả và bình luận .......................................................................................... 29

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 33


GIỚI THIỆU CHUNG

Để đáp ứng được yêu cầu xây dựng hiện đại với những công trình bê tông cốt thép quy mô ngày càng lớn, các nhà khoa học vật liệu xây dựng không ngừng nghiên cứu nâng cao chất lượng bê tông, đặc biệt cường độ của vật liệu. Ban đầu, người ta đã chế tạo được những loại bê tông có cường độ lớn, tuy nhiên lại khó thi công – đặc biệt ở 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 hai chỉ tiêu trái ngược này và kết quả, vào cuối những năm 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học vật liệu xây dựng Nhật Bản đã phát minh ra loại bê tông có cường độ cao 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 cơ 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 thành cao nên bê tông tự đầm lèn vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng. Phải đến một thập kỷ sau, với sự ra đời của những chất phụ gia thế hệ mới, bê tông tự đầm lèn thể hiện được nhiều ưu điểm nổi trội so với bê tông thường và từ đó được ứng dụng ngày càng phổ biến trong ngành xây dựng, đặc biệt ở các nước Nhật Bản, châu Âu, Mỹ, Canada… Hiện nay, quá trình nghiên cứu về bê tông tự đầm lèn vẫn đang được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới nhằm cải thiện, nâng cao hơn nữa chất lượng của vật liệu này. Ở nước ta, số lượng những nghiên cứu về bê tông tự đầm lèn – đặc biệt khi bê tông ở trạng thái lỏng – còn rất ít. Bài nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào những tính chất ở trạng thái lỏng, hay nói cách khác ứng xử lưu biến (rheological behavior) của bê tông tự đầm lèn.

Ứng xử lưu biến của bê tông chỉ là một trong số rất nhiều lĩnh vực nghiên cứu của ngành khoa học lưu biến. Chính vì vậy, trước khi đi vào mục tiêu nghiên cứu chính, chúng tôi dành Chương 1 cho việc hệ thống lại những kiến thức chung về lưu biến học. Những kiểu và mô hình ứng xử lưu biến, những thiết bị dùng trong việc xác định thực nghiệm những tính chất lưu biến của vật liệu sẽ được trình bày và liên hệ với bê tông.

Về mặt thành phần cấu tạo, bê tông tự đầm lèn cũng bao gồm các thành phần vật liệu chính giống như bê tông thường, chỉ khác nhau ở hàm lượng các thành phần vật liệu và ở việc sử dụng một số chất phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất lưu biến của bê tông. Chính vì vậy, trong Chương 2, trước khi trình bày về bê tông tự đầm lèn,

Trang 2


chúng tôi hệ thống lại một số đặc điểm và kết hợp 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 chúng có độ lỏng rất lớn, nhờ đó mà chúng có thể tự chảy và lấp đầy ván khuôn chỉ dưới tác dụng duy nhất của trọng lượng bản thân mà không cần bất cứ tác động cơ học nào. Để đánh giá độ lỏng của bê tông tự đầm lèn, người ta thường dùng nón cụt Abrams để xác định đường kính chảy xòe của vật liệu. Đường kính chảy xòe có liên hệ chặt chẽ với các tính chất lưu biến vật lý của bê tông. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm mối quan hệ này, tuy nhiên, cho đến hiện nay, những mối quan hệ đã tìm được chỉ nghiệm đúng một cách tương đối với những bê tông có thành phần cấu tạo dao động trong phạm vi hẹp mà tác giả nghiên cứu. Nhận thấy sự cần thiết tiếp tục nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lỏng và các tính chất lưu biến vật lý của bê tông, chúng tôi dành Chương 3 cho mục đích nghiên cứu này nhờ việc ứng dụng phần mềm thương mại Fluent 6.1. Những kết quả thu được sẽ được so sánh với một số nghiên cứu khác và sau đó chúng tôi cũng đưa ra biểu thức quan hệ riêng của mình.


CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG KIẾN THỨC VỀ LƯU BIẾN HỌC

Những kiến thức chung về lưu biến học mà chúng tôi trình bày trong chương này được dịch từ [1].

1.1. Giới thiệu

Lưu biến học (rheology) là ngành khoa học nghiên cứu sự chảy của vật liệu, hay nói cách cụ thể hơn, xác định mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất tương ứng tác 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 hợp trượt thuần túy – dưới dạng mối quan hệ giữa ứng suất tiếp τ và vận tốc biến dạng trượt γ& (đạo hàm của biến dạng trượt γ 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 τ dù rất nhỏ, hay nói cách khác nếu như đồ thị lưu biến đi qua gốc tọa độ. Ngược lại, trong trường hợp sự chảy chỉ xảy ra khi ứng suất tiếp τ vượt quá một giá trị τ0 nào đó gọi là ngưỡng chảy, hay nói cách khác khi đồ thì lưu biến bắt nguồn từ điểm có tung độ τ0 trên trục ứng suất tiếp τ, người ta gọi ứng xử lưu biến đó là nhớt – dẻo.

Ứng xử lưu biến của vật liệu được gọi là chảy lỏng (shear – thinning) nếu như mặt lõm của đồ thị lưu biến hướng về phía trục vận tốc biến dạng trượt γ& (độ nhớt μ giảm theo τ hoặc γ& ). Ngược lại, khi mặt lõm của đồ thị lưu biến hướng về phía trục ứng suất tiếp τ (độ nhớt μ tăng theo τ hoặc γ& ), người ta gọi ứng xử lưu biến đó là chảy đặc (shear – thickening). Trong trường hợp trung gian, ứng suất tiếp τ tỉ lệ tuyến tính với vận tốc biến dạng trượt γ& , ứng xử lưu biến đó được gọi là ứng xử Newton nếu như vật liệu tuyệt đối nhớt và được gọi là ứng xử Bingham nếu như vật liệu nhớt – dẻo.

Trang 4


H. 1.1. Đồ thị lưu biến tương ứng với những loại ứng xử lưu biến khác nhau.

1.2. Một số loại mô hình ứng 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 hợp 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 bởi duy nhất độ nhớt μ không đổi được gọi là độ nhớt tuyệt đối. Mô hình này có thể được ứng dụng cho một số chất lỏng như các dung dịch hòa tan, các dung dịch huyền phù rất loãng … và trong một số ít trường hợp vữa xi măng có thành phần cấu tạo đặc biệt [2].

)1.1( γμ=τ &

Trong thực tế, người ta gặp nhiều chất lỏng có ứng xử lưu biến tuyệt đối nhớt phi tuyến thuộc loại chảy lỏng (shear – thinning) như các dung dịch huyền phù, các chất hóa học trùng hợp cao phân tử, hồ dán, keo … hoặc thuộc loại đặc hóa (shear – thickening) như các dung dịch phân tán nồng độ cao, hồ tinh bột, dầu tổng hợp … Để

Trang 5


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 giá trị của n, mô hình Ostwald có thể mô tả ứng xử lưu biến chảy lỏng (n < 1), ứng xử lưu biến Newton (n = 1), hay ứng xử lưu biến chảy đặc (n > 1).

)1.2( nKγ=τ &

Người ta cũng thường gặp một số lượng lớn các vật liệu trong thực tế có ứng xử lưu biến nhớt – dẻo (có ngưỡng chảy) như vữa xi măng, bê tông lỏng, bùn, kem đánh răng, bột mì, dầu mỡ bôi trơn, các dung dịch huyền phù …Để mô tả ứng xử nhớt – dẻo của những vật liệu này, mô hình lưu biến Bingham đặc trưng bởi hai thông số : ngưỡng chảy τ0 và độ nhớt dẻo η thường được sử dụng [3 – 6]. Mô hình này có thể được viết dưới dạng sau :

)1.3( ⎩⎨⎧

τ>τγη+τ=ττ≤τ=γ

00

0

khikhi0

&

&

Mô hình lưu biến Bingham không cho phép miêu tả ứng xử phi tuyến của phần lớn các vật liệu nhớt dẻo. So với ngưỡng chảy thực tế của vật liệu, mô hình Bingham cho ngưỡng chảy cao hơn đối với vật liệu chảy lỏng [7, 8] và ngược lại, cho ngưỡng chảy thấp hơn, thậm chí phi thực tế (ngưỡng chảy âm), đối với vật liệu chảy đặc [9]. Để miêu tả chính xác hơn ứng xử lưu biến phi tuyến của vật liệu nhớt dẻo, người ta thường sử dụng mô hình Herschel – Bulkley đặc trưng bởi 3 thông số : ngưỡng chảy τ0, độ đặc K và số mũ n [8 – 11]. Mô hình Herschel – Bulkley thực chất là mô hình kết hợp giữa mô hình Bingham và mô hình Ostwald, có thể được biểu diễn dưới dạng sau :

)1.4( ⎩⎨⎧

τ>τγ+τ=ττ≤τ=γ

0n

0

0

khiKkhi0

&

&

1.3. Một số loại lưu biến kế

Lưu biến kế (rheometer) là các thiết bị dùng để xác định thực nghiệm các tính chất lưu biến của vật liệu. Có nhiều loại lưu biến kế hoạt động dựa trên những nguyên lý khác nhau, mỗi loại có những ưu – nhược điểm riêng và tương thích với những loại vật liệu nhất định. Trong phạm vi bài nghiên cứu này, chúng tôi chỉ giới thiệu một số loại lưu biến kế thường được sử dụng trong ngành khoa học lưu biến.

Trang 6


1.3.1. Nhớt kế kiểu « bi rơi »

Nhờ sự đơn giản, thuận tiện và nhanh chóng trong sử dụng, nhớt kế kiểu « bi rơi » được sử dụng rất rộng rãi trong lưu biến học thực nghiệm mặc dù nó chỉ cho phép đo độ nhớt của các chất lỏng Newton với kết quả kém chính xác. Chúng tôi giới thiệu loại nhớt kế này vì nó hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự với sự lắng đọng của các hạt cốt liệu trong bê tông tự đầm lèn.

Nguyên lý hoạt động của nhớt kế kiểu « bi rơi » rất đơn giản và được trình bày trên H. 1.2 : một quả cầu có khối lượng riêng ρs và bán kính R, rơi đều với vận tốc không đổi V dưới tác dụng của trọng lực trong chất lỏng Newton có khối lượng riêng ρ và độ nhớt tuyệt đối μ cần xác định.

Tại mỗi thời điểm, quả cầu sẽ chịu tác động của 3 lực có phương thẳng đứng được biểu diễn như trên hình H. 1.2 :

+ trọng lực FG :

)1.5( gR34F s

3G ρπ=

+ lực đẩy Archimède FA :

)1.6( gR34F f

3A ρπ−=

+ 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 :

)1.7( VR6FS μπ−=

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 μ của chất lỏng Newton theo vận tốc chuyển động V của quả cầu như sau :

)1.8( ( )fs

2

VgR

92

ρ−ρ=μ

H. 1.2. Nguyên lý hoạt động của nhớt kế kiểu « bi rơi ».

Trang 7


PT. 1.8 cho phép xác định nhanh chóng độ nhớt tuyệt đối μ của chất lỏng Newton thông qua việc đo vận tốc chuyển động V của quả cầu. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ cho kết quả kém chính xác do PT. 1.7 chỉ đúng trong trường hợp quả cầu đạt được chuyển động đều trong môi trường chất lỏng Newton không giới hạn và khi số Reynolds rất nhỏ. Để 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.

1.3.2. Lưu biến kế Poiseuille

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 tôi sẽ trình bày việc ứng dụng nhớt kế Poiseuille để xác định các tính chất lưu biến của chất lỏng nhớt dẻo Herschel – Bulkley (PT. 1.4). Các công thức thiết lập trong trường hợp 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 trong một ống hình trụ có bán kính R, chiều dài L dưới tác dụng của trọng lực (ống đặt thẳng đứng), hoặc dưới tác dụng của sự chênh lệch áp suất ΔP (ống đặt nằm ngang chịu các áp suất khác nhau ở hai đầu) hoặc dưới tác dụng đồng thời của trọng lực và chênh lệch áp suất ΔP (ống đặt thẳng đứng và chịu các áp suất khác nhau ở hai đầu). H. 1.3 trình bày nguyên lý hoạt động của nhớt kế kiểu Poiseuille trong trường hợp tổng quát tức là hoạt động dưới tác dụng đồng thời của trọng lực và chênh lệch áp suất. Các đại lượng dùng trong việc tính toán thiết lập công thức cũng được ký hiệu trên H. 1.3.

H. 1.3. Nguyên lý hoạt động của lưu biến kế kiểu Poiseuille.

Trang 8


Trong quá trình chảy tầng, chất lòng bị phân chia thành những lớp mỏng hình trụ đồng trục trượt tương đối so với nhau. Xét một phân tố chất lỏng giới hạn bởi mặt trụ có bán kính r và bởi và hai mặt cắt ngang cách đầu vào ống trụ lần lượt là z và z + dz, phân tố sẽ chịu tác động của 3 lực thẳng đứng sau (dấu của lực dương hay âm tùy thuộc vào chiều tác động của lực cùng hướng hay ngược hướng với trục Z chọn như trên H. 1.3) :

+ trọng lực FG :

)1.9( dzrgF 2G πρ=

+ lực FP gây ra bởi sự chênh lệch áp suất :

)1.10( z2

P dPrF π−=

+ Lực Fτ gây ra bởi ứng suất tiếp :

)1.11( dzr2F rτπ−=τ

Khi chất lỏng đạt được chế độ chảy đều, tổng đại số các lực tác dụng lên phân tố chất lỏng phải bằng không. Từ đó ta có thể suy ra quan hệ sau :

)1.12( dzdPg

r2 zr −ρ=τ

Do hai vế của PT. 1.12 là các hàm độc lập với nhau nên PT. 1.12 chỉ nghiệm đúng 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 τr trên mặt trụ bán kính r như sau :

)1.13( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρ=τLPg

2r

r

Ký hiệu Vr là vận tốc chảy của phân tố chất lỏng cách trục ống trụ một khoảng r. Do Vr là hàm nghịch biến của r (đạt cực đại tại trục ống và bằng không tại thành ống), vận tốc biến dạng trượt rγ& tại vị trí cách trục ống một khoảng r vì vậy có dạng sau :

)1.14( dr

dVrr −=γ&

Thay các PT. 1.13 và 1.14 vào phương trình ứng xử lưu biến Herschel – Bulkley (PT. 1.4), ta có thể suy ra vận tốc chảy của chất lỏng trên tiết diện ngang của ống trụ như sau :

Trang 9


)1.15( ( )( )⎪

⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

≥⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−−=

≤=

+

+

0n

1n

0

n1n

0maxr

0maxr

rrkhirR

rr1VV

rrkhiVV

trong đó

r0 là bán kính của khối chất lỏng hình trụ ứng xử như chất rắn (cả khối cùng chuyển động với cùng một vận tốc, không có biến dạng trượt tương đối giữa các lớp chất lỏng)

)1.16(

Lpg

2r 00 Δ

+ρ

τ=

Vmax vận tốc chảy cực đại của chất lỏng trong ống trụ (vận tốc của khối chất lỏng ứng xử như chất rắn)

)1.17( ( ) n1n

0

n1

max rRLpg

K21

1nnV

+

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρ+

=

Khi r0 ≥ R, chất lỏng không thể chảy được. Ngược lại, khi r0 < R, ta có thể suy ra từ PT. 1.15 và PT. 1.17 lưu lượng chảy Q của chất lỏng như sau :

)1.18( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρ⋅+

π=

Rr

fLPg

K2R

1n3nRQ 0

n1

3

trong đó

)1.19( ( )( )n

1n

02

02

00

Rr

1Rr

1n21nn2

Rr

1n2n21

Rr

f+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

++=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

PT. 1.18 cho phép xác định ba thông số lưu biến τ0, K, n của chất lỏng Herschel – Bulkley bằng cách đo lưu lượng chảy Q tương ứng với các giá trị chênh lệch áp suất ΔP ở hai đầu ống trụ. Phương pháp này cũng có thể được áp dụng để xác định các tính chất lưu biến của chất lỏng Newton, Ostwald và Bingham là các trường hợp đặc biệt của chất lỏng Herschel – Bulkley. Đối với các trường hợp đặc biệt này, PT. 1.18 được đơn giản hóa dưới dạng sau :

+ Chất lỏng Newton (PT. 1.1)

)1.20( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρμ

π=

Lpg

8RQ

4

Trang 10


+ Chất lỏng Ostwald (PT. 1.2)

)1.21( n1

3

LPg

K2R

1n3nRQ ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρ⋅+

π=

+ Chất lỏng Bingham (PT. 1.3)

)1.22( ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

+ρη

π=

400

4

Rr

31

Rr

341

LPg

8RQ

1.3.3. Lưu biến kế Couette loại hình trụ đồng trục

Lưu biến kế Couette là những loại lưu biến kế trong đó chất lỏng nghiên cứu bị cắt (chịu các biến dạng trượt) giữa hai mặt cứng chuyển động tương đối so với nhau. Đây là những loại lưu biến kế được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng thí nghiệm, cho phép xác định một cách chính xác ứng xử lưu biến kể cả khi chưa biết quy luật ứng xử lưu biến của chất lỏng. Tùy theo hình dạng và sự chuyển động tương đối giữa các mặt cứng mà người ta có thể phân chia lưu biến kế Couette thành các loại : lưu biến kế kiểu hình trụ đồng trục, lưu biến kế kiểu nón quay, lưu biến kế kiểu đĩa quay. Trong pham vị bài nghiên cứu này, chúng tôi chỉ giới thiệu loại lưu biến kế kiểu hình trụ đồng trục được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực lưu biến học thực nghiệm. Những yêu cầu kỹ thuật đối với loại lưu biến kế để xác định ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn sau đó được đánh giá.

H. 1.4. Nguyên lý hoạt động của lưu biến kế Couette kiểu hình trụ đồng trục.

Trang 11


Nguyên lý hoạt động của lưu biến kế Couette kiểu hình trụ đồng trục được mô tả như trên H. 1.4 : chất lỏng nghiên cứu được đặt giữa hai ống trụ có bán kính R1, R2 và cùng chiều cao H, chịu các biến dạng trượt do sự chuyển động tương đối của hai ống trụ, cụ thể ống trụ bên trong (bán kính R1) quay đều với vận tốc góc Ω dưới tác dụng của mô men M trong khi ống trụ bên ngoài (bán kính R2) cố định.

Trong quá trình chảy tầng, chất lỏng bị phân chia thành những lớp mỏng hình trụ đồng trục trượt tương đối so với nhau. Do chất lỏng chảy đều (ống trụ bên trong quay đều dưới tác dụng của mô men M không đổi), ứng suất tiếp τr trên mặt trụ bán kính r (R1 ≤ r ≤ R2) được xác định như sau :

)1.23( Hr2

M2r π

=τ

Ký hiệu ωr là vận tốc góc của phân tố chất lỏng cách trục quay một khoảng r. Do ωr là hàm nghịch biến của r (ωr đạt giá trị cực đại Ω tại thành ống trong và bằng không tại thành ống ngoài), vận tốc biến dạng trượt rγ& tại vị trí cách trục quay một khoảng r

vì vậy có thể được biểu diễn dưới dạng sau :

)1.24( dr

dr rr

ω−=γ&

Dựa vào các PT. 1.23 và 1.24 ta có thể xác định được đồ thị lưu biến τ – γ& của chất lỏng nếu như biết được quy luật phân bố của vận tốc góc ωr 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 xử lưu biến đó. Giải pháp để tháo gỡ vòng luẩn quẩn này là dùng khe hở giữa các hình trụ rất nhỏ so với bán kính của chúng được biểu diễn dưới dạng điều kiện sau :

)1.25( 1R

RR

1

12 <<−

=α

Trong trường hợp khe hở rất hẹp (PT. 1.25 được thỏa mãn) ứng suất tiếp τr (PT. 1.23) và vận tốc biến dạng trượt rγ& (PT. 1.24) hầu như không thay đổi trong mẫu chất

lỏng và được xác định bằng giá trị trung bình của chúng tại giữa khe hở như sau :

)1.26( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

π=τ 2

221 R

1R1

H4M

)1.27( Ω−

=γ12

1

RRR

&

Trang 12


PT. 1.26 và 1.27 cho phép xác định đồ thị lưu biến và do đó quy luật ứng xử lưu biến của chất lỏng nghiên cứu bằng cách thay đổi mô men M tác dụng lên hình trụ và đo vận tốc góc Ω tương ứng hoặc ngược lại. Kết quả càng chính xác nếu như khe hở càng hẹp (α càng nhỏ so với 1). Trong thực tế, người ta coi khe hở là hẹp khi α ≤ 0.1 hay R2/R1 ≤ 1.1.

Khi sử dụng lưu biến kế Couette kiểu hình trụ đồng trục để xác định ứng xử lưu biến của các dung dịch huyền phù, ngoài yêu cầu về khe hở hẹp (α ≤ 0.1) còn phải đảm bảo yêu cầu : chiều rộng khe hở ít nhất phải bằng 10 lần đường kính của các hạt rắn để có thể coi vật liệu là đồng nhất [12]. Đối với bê tông tự đầm lèn chúng tôi sẽ giới thiệu trong chương sau, kích thước lớn nhất của các hạt cốt liệu khoảng 2 cm, lưu biến kế đáp ứng những yêu cầu trên về khe hở phải có kích thước rất lớn, tối thiểu R1 = 200 cm, R2 = 220 cm. Những lưu biến kế này không được sản xuất hoàng loạt và có giá thành rất đắt mà không phải trung tâm thí nghiệm nào cũng có thể trang bị được. Theo hiểu biết của chúng tôi, ở Pháp hiện nay mới chỉ có hai trung tâm thí nghiệm được trang bị lưu biến kế có thể sử dụng được cho bê tông và những lưu biến kế này được chính trung tâm thí nghiệm đó mà không phải do nhà máy chuyên sản xuất lưu biến kế chế tạo.


CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG KIẾN THỨC

VỀ BÊ TÔNG TỰ ĐẦM LÈN

2.1. Giới thiệu

Bê tông là vật liệu đá nhân tạo được sử dụng rất phổ biến trong ngành xây dựng. Đó là hỗn hợp 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 phần vật liệu một cách thích hợp. Nhìn chung, những thành phần vật liệu này được lựa chọn dựa trên yêu cầu về cường độ của bê tông – một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất 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 lượng công trình và cần phải được đảm bảo trong mọi trường hợp, đó là độ lỏng (fluidity) hay tính dễ thi công (workability) của bê tông. Cường độ và độ lỏng của bê tông là hai chỉ tiêu biến thiên theo chiều trái ngược nhau : bê tông có cường độ cao (tỉ lệ « nước / xi măng » nhỏ) thì có độ lỏng thấp và ngược lại. Tuy nhiên, từ những năm cuối thể kỷ trước, người ta đã chế tạo ra một loại bê tông mới có cường độ cao đồng thời có độ lỏng rất lớn nhờ việc sử dụng chất phụ gia siêu dẻo cho phép làm tăng độ lỏng của bê tông. Loại bê tông này thi công không cần đầm rung như bê tông thường nên được gọi là bê tông tự đầm lèn (self – compacting concrete). Rất nhiều những công trình nghiên cứu về những khía cạnh, chỉ tiêu khác nhau của bê tông tự đầm lèn đã và đang được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới mặc dù nó đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng. Ở nước ta, số lượng những nghiên cứu về bê tông tự đầm lèn – đặc biệt khi bê tông ở trạng thái lỏng – còn rất ít. Chính điều này đã gợi ý cho chúng tôi chủ đề của bài nghiên cứu này, tức là nghiên cứu ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn.

Bê tông tự đầm lèn cũng bao gồm những thành phần vật liệu chính như bê tông thường, chỉ khác ở hàm lượng các thành phần vật liệu trong hỗn hợp và ở việc sử dụng thêm một số chất phụ gia như phụ gia siêu dẻo, phụ gia tăng nhớt. Vì vậy, để cho bài viết được mạch lạc và rõ ràng, chúng tôi sẽ trình bày ứng xử lưu biến của bê tông

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

2.2.1. Cấu trúc kết bông của vữa xi măng

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 μm. 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 : 3CaO.SiO2 (ký hiệu C3S), 2CaO.SiO2 (ký hiệu C2S), 3CaO.Al2O3 (ký hiệu C3A) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ký hiệu C4AF), ngoài ra còn một số thành phần khác chiếm tỉ lệ nhỏ như CaO, CaCO3, MgO, K2SO4… Khi xi măng được trộn với nước, các thành phần này ngay lập tức bị điện ly, dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa bởi các điện tích Ca2+, Na+, K+, SO4

2-, OH-, H9O4+, H7O4

-…Chính vì vậy, trong vữa xi măng và bê tông, ngoài những tương tác không mang điện luôn luôn tồn tại giữa các nguyên tử và phân tử (lực hút Van der Waals, lực đẩy Born) còn có tương tác tĩnh điện giữa các điện tích và các hạt xi măng mà chúng tôi sẽ trình bày dưới đây.

Tương tác tĩnh điện trong dung dịch chứa các ion và các hạt rắn tích điện được mô tả đầu tiên bởi Gouy-Chapmann [14]. Theo tác giả, các ion trong dung dịch, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, đến bám vào bề mặt các hạt rắn tạo thành một lớp điện tích có chiều dày 500 Å được gọi là lớp khuyếch tán Gouy-Chapmann. Mật độ điện tích trong lớp khuyếch tán thay đổi theo hàm số mũ với khoảng cách từ điểm đang xét đến bề mặt hạt rắn để tiến tới mật độ điện tích trung bình trong dung dịch. Đối với hạt xi măng phần lớn tích điện âm, lớp khuyếch tán vì vậy chủ yếu tích điện dương.

Trang 15


Một lý thuyết khác mới hơn được vận dụng trong nhiều nghiên cứu về sau là lý thuyết của Stern. Theo tác giả, các ion trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt rắn tạo thành hai lớp điện tích. Lớp bên trong được gọi là lớp Stern bao gồm các điện tích mang dấu ngược với dấu điện tích của hạt rắn. Lớp 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 lớp Stern là lớp khuyếch tán chủ yếu chứa các ion mang điện tích cùng dấu với điện tích trên bề mặt hạt rắn. Chiều dày lớp khuyếch tán dao động trong khoảng 10 – 1000 Å, càng nhỏ khi mật độ điện tích càng lớn. Đối với hạt xi măng phần lớn tích điện âm, cấu trúc các lớp điện tích bao quanh hạt xi măng được mô tả như trên H. 2.1 trong đó lớp Stern chủ yếu tích điện dương và lớp khuyếch tán dày khoảng 10 Å [15] chủ yếu tích điện âm.

Mặc dù lý thuyết Gouy-Chapmann và Stern 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 lớp khuyếch tán bao quanh các hạt rắn đẩy nhau do tích điện cùng dấu với nhau. Trong trường hợp 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), lớp 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 lớp khuyếch tán bao quanh các hạt xi măng. Rất nhiều nghiên cứu [14, 16]đã chỉ ra rằng tổng hợp 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. 2.1. Mô tả sự phân bố điện tích bao quanh hạt xi măng theo lý thuyết Stern.

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 nơi 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 lớp khuyếch tán hoặc liên kết trực tiếp. Những liên kết này ổn định và bền vững do còn được tăng cường bởi lực hút Van der Waals. Lân cận những điểm liên kết này, lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp khuyếch tán có xu hướng mở các góc liên kết giữa các hạt xi măng nếu như các môi trường xung quanh không ngăn chặn. Điều này tạo ra sự ổn định cho cấu trúc kết bông của xi măng.

2.2.2. Ứng xử nhớt – dẻo của vữa xi măng và bê tông

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 τ 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 τ0 mà ứng suất τ tác dụng lên vật liệu cần phải vượt qua để vật liệu bắt đầu chảy được.

Theo Legrand [17], ngưỡng chảy τ0 của vữa xi măng và bê tông tăng theo hàm số mũ với nồng độ xi măng. Xi măng có độ mịn càng lớn, ngưỡng chảy τ0 càng cao. Điều này có thể được giải thích như sau : sự tăng nồng độ hoặc độ mịn của xi măng tương 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].

2.2.3. Ứng xử xúc biến của vữa xi măng và bê tông

Khi vữa xi măng và bê tông chịu tác động của ứng suất τ vượt quá ngưỡng chảy τ0, cấu trúc kết bông của xi măng ngay lập tức bị phá vỡ tuy nhiên không hoàn toàn thành những hạt riêng rẽ mà thành những chùm hạt nhỏ hơn. Trong quá trình chuyển động, các chùm hạt tiếp tục bị phân tách do ma sát, do chấn động va chạm hoặc do tương tác tĩnh điện với các hạt hoặc các chùm hạt lân cận. Đồng thời, những chùm hạt mới cũng được hình thành từ những hạt xi măng riêng rẽ với các chùm hạt xung quanh. Tuy nhiên, quá trình phân tách các chùm hạt xảy ra mạnh hơn so với quá trình hình thành và do đó số lượng cũng như kích thước của các chùm hạt giảm dần theo thời gian. Điều này được thể hiện bởi sự giảm độ nhớt μ của vật liệu theo thời gian trong khi ứng

Trang 17


suất τ hoặc vận tốc biến dạng trượt γ& 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.

2.2.4. Ứng xử chảy lỏng 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 μ của vật liệu khi ứng suất τ hoặc vận tốc biến dạng trượt γ& tăng lên. Hiện tượng này có thể được giải thích từ sự phân tách các chùm hạt ngày càng nhỏ dần với sự tăng của ứng suất τ hoặc vận tốc biến dạng trượt γ& : ứng suất tiếp τ hoặc vận tốc biến dạng trượt γ& càng lớn, số lượng và kích thước các chùm hạt càng nhỏ và do đó độ nhớt μ của vữa xi măng và bê tông càng nhỏ [17, 18].

2.2.5. Mô hình ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông

Như chúng tôi đã giới thiệu ở trên, vữa xi măng và bê tông là những vật liệu nhớt – dẻo tồn tại ngưỡng chảy τ0 và chúng có thể có ứng xử lưu biến phi tuyến kiểu chảy lỏng hoặc kiểu chảy đặc tùy thuộc vào thành phần hỗn hợp bê tông. Trong số nhiều mô hình lưu biến xét đến sự tồn tại ngưỡng chảy của vật liệu, mô hình lưu biến Herschel – Bulkley (PT. 1.4) đặc trưng bởi ba thông số τ0, K, n đã được đánh giá là mô hình lưu biến thích hợp nhất trong việc mô tả ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông do mô hình này cho phép xét đến ứng xử phi tuyến của vật liệu một cách thích hợp [8, 10]. Những mô hình lưu biến khác như mô hình De Kee [8] hoặc mô hình Atzeni [10] cũng đã được thừa nhận là thích hợp trong việc mô tả ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông tuy nhiên chúng tương đối phức tạp và do đó rất ít đươc sử dụng so với mô hình Herschel – Bulkley [8 – 11].

Một mô hình lưu biến khác cũng rất hay được sử dụng để mô tả ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông là mô hình lưu biến Bingham (PT. 1.3). Mô hình này đặc trưng bởi hai thông số thực chất là trường hợp đặc biệt của mô hình lưu biến Herschel – Bulkley (khi n = 1). Mô hình Bingham không cho phép mô tả ứng xử lưu biến phi tuyến của vật liệu, tuy nhiên, nhờ sự đơn giản, nó đã được sử dụng trong rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông [3 – 6].

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 khuôn của bê tông được thực hiện dưới tác dụng duy nhất của trọng lực) và có chất lượng tối thiểu tương đương với chất lượng của bê tông thường được đầm lèn bởi tác động cơ học.

Bê tông tự đầm lèn được phát minh bởi các nhà khoa học vật liệu xây dựng Nhật Bản vào cuối những năm 80 của thế kỷ trước nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng bê tông sử dụng trong những công trình quy mô lớn với cốt thép dày đặc. Nhờ những ưu điểm nổi bật của chúng so với bê tông thường, bê tông tự đầm lèn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, không chỉ ở Nhật Bản mà còn ở các nước châu Âu, Mỹ, Canada… đặc biệt từ những năm cuối thế kỷ trước đầu thế kỷ này. Dưới đây chúng tôi xin đưa ra một vài ví dụ những công trình xây dựng sử dụng bê tông tự đầm lèn.

a) b)

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

Công trình cầu treo Akashi – Kaikyo tại Nhật Bản (H. 2.3.a) 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 USD. Công trình này sử dụng 15000 m³ bê tông tự đầm lèn để thi công những vị trí chật hẹp và những nơi có cốt thép bố trí dày đặc mà thiết bị đầm lèn không thể hoạt động được.

Trang 19


2.4. Ưu và nhược điểm 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 lấp đầy ván khuôn chỉ dưới tác dụng duy nhất của trọng lực mà không cần bất cứ tác động cơ học nào. Điều này làm cho bê tông tự đầm lèn có những ưu điểm nổi bật so với bê 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 đoạn vận chuyển bê tông nhờ việc bơm bê tông từ khoảng cách xa (có thể đạt tới 1 km).

+ Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân khỏi ảnh hưởng của tiếng ồn và sự 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 bê 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 vật liệu, quá trình nhào trộn bê tông vì vậy đòi hỏi những công nhân có kỹ thuật cao.

+ Bê tông tự đầm lèn có độ lỏng lớn và chứa hàm lượng lớn các hạt mịn, cần phải kiểm tra ván khuôn để tránh hiện tượng bị mất vữa do rò rỉ.

2.5. Yêu cầu cơ bản đối với bê tông tự đầm lèn

Bê tông tự đầm lèn khác với bê tông thường chủ yếu ở các tính chất ở trọng thái lỏng. Bê tông tự đầm lèn phải có độ lỏng hay tính lưu động cao nhằm đảm bảo khả năng tự đầm lèn và lấp đầy ván khuôn. Đồng thời, bê tông tự đầm lèn cũng phải ổn định hay có sức kháng phân tách cao nhằm đảm bảo sự đồng nhất của vật liệu. Dưới đây chúng tôi trình bày một số chỉ tiêu và phương pháp đánh giá độ lỏng và sự ổn định của bê tông tự đầm lèn.

Trang 20


2.5.1. Yêu cầu về độ lỏng của bê tông tự đầm lèn

a) Độ lỏng trong môi trường không có vật 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 qua đường kính chảy xòe (H. 2.4.c). Đường kính chảy xòe càng lớn thì độ lỏng của bê tông càng cao và ngược lại. Đối với bê tông tự đầm lèn, đường kính chảy xòe thường dao động trong khoảng 60 ÷ 70 cm, không có sự phân tách rõ rệt (nhìn thấy được) giữa các lớp vật liệu.

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 đường kính chảy xòe đối với 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 τ0 của bê tông đã được thực hiện [4, 20 – 22]. Trong phạm vi bài nghiên cứu này, chúng tôi chỉ giới thiệu mối quan hệ tương đối đơn giản giữa ngưỡng chảy τ0 và đường kính chảy xòe D của bê tông được rút ra từ nghiên cứu lý thuyết của Coussot [22] và có thể được biểu diễn dưới dạng sau :

)2.1( 52

2

0 D4gV255

πρ

=τ

trong đó ρg và V lần lượt là trọng lượng riêng và thể tích của mẫu bê tông.

Trang 21


b) Độ lỏng trong không gian có vật cản

Độ lỏng của bê tông trong môi trường có vật cản được xác định bởi thí nghiệm hộp chữ L (L – Box). Thí nghiệm này cho phép đánh giá khả năng tự chảy của bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân qua lưới cốt thép và có thể được mô tả như sau (xem H. 2.5) : bê tông được đổ vào trong phần đứng – sau khi nhấc tấm chắn – sẽ chảy qua lưới cốt thép sang phần nằm ngang của hộp chữ L. Bê tông càng lỏng chiều cao h của bê tông trong phần nằm ngang càng lớn. Để đảm bảo khả năng tự chảy của bê tông qua lưới cốt thép, chiều cao của bê tông trong phần nằm ngang phải thỏa mãn điều kiện h ≥ 12 cm hay h/H ≥ 0.8 (H = 15 cm là chiều cao phần nằm ngang của hộp chữ L).

c) Môt số phương pháp khác xác định độ lỏng của bê tông tự đầm lèn

Thí nghiệm nón cụt Abrams và thí nghiệm hộp chữ L được ứng dụng rất phổ biến trong trong việc kiểm tra đánh giá độ lỏng của bê tông tự đầm lèn. Ngoài ra, người ta còn có thể đánh giá độ lỏng của bê tông tự đầm lèn bằng các thí nghiệm khác như đo thời gian chảy của bê tông trong phễu chữ V (H. 2.6.a), đo chiều cao dâng lên của bê tông qua lưới cốt thép theo nguyên lý bình thông nhau trong hộp chữ U (H. 2.6.b). Bê tông tự đầm lèn phải có thời gian chảy trong phễu chữ V nhỏ hơn 8 s, chiều cao dâng lên trong ống chữ U tối thiểu 300 mm.

H. 2.5. Thí nghiệm hộp chữ L (kích thước ghi theo mm).

Trang 22


(a) (b)

H. 2.6. Một số dụng cụ thí nghiệm khác dùng trong việc xác định độ lỏng của bê tông tự đầm lèn (kích thước ghi theo mm) :(a) phễu chữ V, (b) hộp chữ U.

2.5.2. Yêu cầu về sự ổn định của bê tông tự đầm lèn

Bê tông tự đầm lèn ngoài yêu cầu về độ lỏng lớn còn phải đảm bảo yêu cầu về độ ổn định, không bị lắng đọng phân tầng ở trạng thái tĩnh dưới tác dụng của trọng lực và cũng không bị phân tách trong quá trình chuyển động : cốt liệu lớn và vữa phải cùng di chuyển với nhau trong ván khuôn và qua lưới cốt thép.

Độ ổn định của bê tông tự đầm lèn có thể được đánh giá nhanh một cách trực quan thông qua khoảng cách giữa mép vữa và hạt cốt liệu gần nhất khi xác định đường kính chảy xòe của bê tông trong thí nghiệm nón cụt Abrams (H. 2.4). Khoảng cách này phải nhỏ hơn 3 cm. tuy nhiên, điều kiện này chưa đủ để xác định được bê tông có đảm bảo độ ổn định hay không.

Để đánh giá một cách chính xác hơn độ ổn định của bê tông tự đầm lèn, thí nghiệm sàng bê tông thường được sử dụng. Nguyên lý dựa trên việc xác định khối lượng của vữa xi măng lọt qua sàng (kích thước lỗ sàng 5 mm) sau khi đổ bê tông từ độ cao khoảng 50 cm xuống sàng. Bê tông được đánh giá đảm bảo điều kiện ổn định khi tỉ lệ phần trăm khối lượng của vữa lọt qua sàng so với khối lượng bê tông nhỏ hơn 15%.

Trang 23


2.6. Đặc điểm thành phần cấu tạo của bê tông tự đầm lèn

Bê tông tự đầm lèn phải đồng thời đảm bảo hai tính chất trái ngược nhau : độ lỏng và sự ổn định. Để dung hòa hai tính chất này, bê tông tự đầm lèn vì vậy phải có những đặc điểm thành phần cấu tạo riêng biệt so với bê tông thường mà chúng tôi sẽ trình bày dưới đây.

2.6.1. Thể tích vữa lớn

Ma sát giữa các hạt cốt liệu lớn (sỏi, đá) làm giảm khả năng chảy và lấp đầy ván khuôn của bê tông. Vì vậy bê tông tự đầm lèn phải có thể tích vữa lớn, dao động trong khoảng 330 ÷ 400 l/m³, nhằm tách các hạt cốt liệu lớn xa nhau.

2.6.2. Sử dụng hàm lượng lớn các hạt mịn

Để đảm bảo tính dễ thi công đồng thời phải hạn chế nguy cơ phân tách (lắng đọng và tách nước), bê tông tự đầm lèn chứa một hàm lượng lớn các hạt mịn (kích thước nhỏ hơn 80μm), khoảng 500 kg/m³.

Tuy nhiên, để tránh vấn đề nhiệt độ bê tông tăng cao quá mức do quá trình thủy hóa xi măng đồng thời để giảm giá thành vật liệu, người ta thường giảm bớt xi măng và thay thể bằng một thậm chí nhiều loại phụ gia mịn khác như tro bay, xỉ lò cao, bột đá vôi…Loại và liều lượng phụ gia được chọn tùy thuộc vào yêu cầu cường độ và độ bền của bê tông.

2.6.3. Sử dụng chất phụ gia siêu dẻo

Do sử dụng hàm lượng lớn xi măng và các hạt mịn, bê tông trở nên đậm đặc và khó chảy (ngưỡng chảy τ0 của bê tông gây ra bởi sự kết bông của xi măng tăng theo hàm số mũ đối với nồng độ xi măng, xem §2.2.2). Để làm tăng độ lỏng của bê tông, người ta thêm vào chất phụ gia siêu dẻo (superplasticizer). Đó là những chất hóa học trùng hợp cao phân tử (polymer) tích diện âm, có tác dụng làm lỏng hóa bê tông thông qua việc cản trở sự kết bông của các hạt xi măng. Cơ chế hoạt động của chất phụ gia siêu dẻo chủ yếu dựa trên hiệu ứng tĩnh điện (electrostatic effect) và hiệu ứng không gian (steric effect).

+ Hiệu ứng tĩnh điện xuất phát từ đặc tính tích điện âm của các phân tử phụ gia siêu dẻo. Các phân tử này dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, bám vào bề mặt và tích điện âm cho các hạt xi măng, gây ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt xi măng [23, 24].

Trang 24


+ Hiệu ứng không gian xuất phát từ sự tương tác giữa các lớp phụ gia siêu dẻo bám xung quanh bề mặt hạt xi măng. Khi các hạt xi măng tiến lại gần nhau, các phân tử phụ gia siêu dẻo quấn lại chằng chịt với nhau làm tăng nồng độ polymer và đẩy các hạt phân tử nước ra khỏi vùng giữa các hạt xi măng. Sự mất cân bằng về nồng độ này gây ra áp suất thẩm thấu đẩy các phân tử nước trở lại vùng có nồng độ polymer lớn và do đó chống lại sự tiến lại gần nhau của các hạt xi măng [25].

Tương quan giữa hiệu ứng tĩnh điện và hiệu ứng không gian trong việc ngăn cản sự kết bông của các hạt xi măng phụ thuộc vào loại cũng như khối lượng phân tử của chất phụ gia siêu dẻo. Đối với những chất phụ gia siêu dẻo thuộc thế hệ cũ (các chất dẫn xuất sulfo), hiệu ứng tĩnh điện là chủ yếu [25]. Ngược lại, đối với những chất phụ gia siêu dẻo thuộc thế hệ mới (gốc polycarboxynate), hiệu ứng không gian chiếm ưu thế [25, 26]. So với chất phụ gia siêu dẻo thuộc thế hệ cũ, chất phụ gia siêu dẻo mới cho phép cải thiện cũng như duy trì độ lỏng của bê tông theo thời gian tốt hơn [27].

Ảnh hưởng của chất phụ gia siêu dẻo đối với ứng xử lưu biến của bê tông đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều những nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Coi bê tông là chất lỏng nhớt dẻo Bingham, Banfill [28] nhận thấy rằng ngưỡng chảy τ0 và độ nhớt dẻo η của bê tông giảm dần với hàm lượng chất phụ gia siêu dẻo. Trong một số nghiên cứu, người ta còn nhận thấy rằng bê tông có ứng xử lưu biến chảy đặc (shear – thickening) khi sử dụng hàm lượng chất phụ gia siêu dẻo vượt quá hàm lượng bão hòa [11, 29].

2.6.4. Sử dụng chất phụ gia tăng nhớt

Việc sử dụng chất phụ gia siêu dẻo nhằm làm tăng độ lỏng của bê tông tự đầm lèn dẫn đến nguy cơ bê tông không ổn định, dễ phân tách và lắng đọng. Để khắc phục vấn đề này, người ta thêm vào bê tông chất phụ gia tăng nhớt (Viscosity Enhancing Admixture), đó là những chất hóa học trùng hợp cao phân tử (polymer) có tác dụng đảm bảo sự ổn định và đồng nhất thông qua việc làm tăng độ nhớt của bê tông. Cơ chế hoạt động của các chất phụ gia này chủ yếu dựa trên 3 hiệu ứng sau [30] :

+ Hấp thụ : các phân tử nước bị hấp thụ và bám vào các chuỗi phân tử phụ gia tăng nhớt, làm giảm hàm lượng nước tự do trong dung dịch và vì vậy làm tăng độ nhớt của bê tông.

+ Kết hợp : các phân tử phụ gia siêu dẻo kết hợp với nhau dưới tác dụng của lực hút Van der Waals hoặc thông qua các cầu liên kết Hydro tạo thành mạng lưới

Trang 25


đóng băng sự chuyển động của các phân tử nước tự do và vì vậy làm tăng độ nhớt của bê tông.

+ Quyện vào nhau : Ở trạng thái nghỉ (không chảy) hoặc khi vận tốc biến dạng trượt còn nhỏ, các chuỗi phân tử phụ gia tăng nhớt quyện lại chằng chịt với nhau, làm tăng độ nhớt và do đó đảm bảo sự ổn định của bê tông. Khi vận tốc biến dạng trượt tăng lên, các chuỗi phân tử này có khả năng duỗi ra theo hướng chảy, làm giảm độ nhớt của bê tông. Hiện tượng này giải thích kiểu ứng xử lưu biến chảy lỏng (shear – thinning) của bê tông, cho phép đảm bảo sự ổn định của bê tông ở trạng thái nghỉ và đảm bảo độ lỏng cần thiết của bê tông khi thi công.

Cho đến hiện nay, rất nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của chất phụ gia tăng nhớt đối với ứng xử lưu biến của vữa xi măng và bê tông đã được thực hiện và công bố [30, 31]. Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc thêm chất phụ gia này không chỉ làm tăng độ nhớt mà còn làm tăng ngưỡng chảy, tăng mức độ chảy lỏng (degree of shear – thinning) và tăng hiệu ứng xúc biến của vữa xi măng và bê tông.

2.7. Ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn

Mặc dù có tỉ lệ « nước / xi măng” nhỏ hơn đáng kể nhưng nhờ tác dụng của chất phụ gia siêu dẻo ngăn cản sự kết bông của các hạt xi măng (xem §2.6.3), bê tông tự đầm lèn có ngưỡng chảy τ0 thấp hơn rất nhiều so với bê tông thường, dao động trong khoảng τ0 = 0 ÷ 100 Pa. Điều này đảm bảo cho bê tông tự đầm lèn có khả năng tự chảy và lấp đầy ván khuôn chỉ dưới tác dụng duy nhất của trọng lượng bản thân mà không cần đầm rung như bê tông thường. Cũng chính do tác dụng của chất phụ gia siêu dẻo chống lại sự kết bông của vữa xi măng mà bê tông tự đầm lèn có ứng xử lưu biến gần như tuyến tính (n ≈ 1 trong mô hình Herschel – Bulkley), hoặc có ứng xử lưu biến chảy đặc (n > 1) khi sử dụng hàm lượng chất phụ gia siêu dẻo vượt quá hàm lượng bão hòa.

Sự giảm ngưỡng chảy τ0 và độ chảy lỏng (n tăng) của bê tông tự đầm lèn so với bê tông thường do tác dụng của chất phụ gia siêu dẻo hoàn toàn có lý mặc dù như chúng tôi đã trình bày trong §2.6.4, chất phụ gia tăng nhớt có tác dụng ngược lại đối với những tính chất lưu biến này. Điều này có thể được giải thích bởi việc chất phụ gia tăng nhớt chỉ có tác động chủ yếu đến độ nhớt của bê tông, sự tăng ngưỡng chảy và độ chảy lỏng gây ra bởi chất phụ gia tăng nhớt chỉ là thứ yếu so với tác động của chất phụ gia siêu dẻo đến những tính chất lưu biến này.


CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH SỰ CHẢY XÒE CỦA BÊ TÔNG

TỰ ĐẦM LÈN TRONG THÍ NGHIỆM ABRAMS

3.1. Giới thiệu

Như chúng tôi đã giới thiệu trong Chương 2, bê tông tự đầm lèn là loại vật liệu có ứng xử lưu biến nhớt dẻo có thể được mô tả một cách thích hợp bởi mô hình lưu biến Herschel – Bulkley (PT.1.4) đặc trưng bởi ba thông số : τ0, K, n. Việc xác định những tính chất lưu biến này có ý nghĩa rất lớn, cho phép nghiên cứu, kiểm tra và đánh giá độ lỏng, khả năng bơm, khả năng tự chảy và lấp đầy ván khuôn cũng như sự ổn định và đồng nhất của bê tông tự đầm lèn. Tuy nhiên, việc xác định một cách chính xác những tính chất lưu biến này của bê tông đòi hỏi những lưu biến kế rất lớn không được sản xuất hàng loạt và có giá thành rất đắt mà không phải trung tâm thí nghiệm nào cũng có khả năng trang bị. Ngoài công trường, người ta thường dùng những dụng cụ đơn giản gọn nhẹ như hộp chữ L, phễu chữ V, hộp chữ U, … và đặc biệt phổ biến là nón cụt Abrams để xác định một cách chóng độ lỏng của bê tông tự đầm lèn. Rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết đã được thực hiện nhằm tìm mối quan hệ giữa độ lỏng và những tính chất lưu biến vật lý của bê tông. Việc xác định được những mối quan hệ này có lợi ích rất lớn, cho phép xác định những tính chất lưu biến vật lý của bê tông chỉ bằng những thí nghiệm nhanh chóng, đơn giản và rẻ tiền hơn rất nhiều lần so với việc sử dụng những lưu biến kế cồng kềnh. Tuy nhiên, cho đến hiện nay, những mối quan hệ thu được chỉ nghiệm đúng một cách tương đối với những loại bê tông có thành phần cấu tạo dao động trong phạm vi hẹp mà tác giả nghiên cứu.

Thấy được lợi ích và sự cần thiết tiếp tục nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lỏng và các tính chất lưu biến của bê tông, chúng tôi dành chương này cho việc tìm hiểu mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe của bê tông tự đầm lèn trong thí nghiệm nón cụt Abrams và ứng xử lưu biến của chúng mô tả bởi mô hình Herschel – Bulkley, dựa trên việc ứng dụng phần mềm thương mại Fluent 6.1. Các kết quả thu được sẽ được so sánh với kết quả tính toán theo PT. 2.1 rút ra từ nghiên cứu lý thuyết của Coussot [22], đồng thời cho phép chúng tôi thiết lập được mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe và ứng xử lưu biến của bê tông tự đầm lèn.

Trang 27


3.2. Mô hình sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn

Để nghiên cứu sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn trong thí nghiệm nón cụt Abrams, chúng tôi đã dùng phần mềm thương mại Fluent 6.1 tính toán sự chảy của chất lỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên, do có sự nhầm lẫn, kích thước nón cụt Abrams trong mô hình có sự khác biệt nhỏ so với kích thước tiêu chuẩn (H. 2.4) và được mô tả như trên H. 3.1.

Với mong muốn nghiên cứu một cách tổng quát và chính xác nhất có thể, chúng tôi đã coi bê tông là chất lỏng nhớt dẻo Herschel – Bulkley (PT. 1.4) với các thông số lưu biến τ0, K, n dao động trong phạm vi rộng, bao gồm cả bê tông thường (τ0 > 200 Pa, n < 1) và bê tông tự đầm lèn (τ0 < 100 Pa, n ≈ 1). Tuy nhiên, vì chất lỏng có ứng xử lưu biến nhớt dẻo phi Newton, thời gian chạy chương trình rất lâu và do đó chúng tôi chỉ mô hình hóa được một số lượng nhỏ chất lỏng. B. 3.1 giới thiệu các thông số lưu biến của chất lỏng mà chúng tôi đã thực hiện được trong bài nghiên cứu này.

ρ (kg/m³) τ0 (Pa) K (Pa.sⁿ) n

2500 100 ÷ 1000 5.0 0.5 0.5 1.0

B. 3.1. Giá trị các thông số lưu biến của chất lỏng Herschel – Bulkley nghiên cứu.

H. 3.1. Mạng lưới các phần tử (grid), các điều kiện ban đầu và điều kiện biên sử dụng trong quá trình mô hình hóa sự chảy xòe

của chất lỏng Herschel – Bulkley trong thí nghiệm nón cụt Abrams.

Nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán, xét đến tính chất đối xứng của nón cụt Abrams, chúng tôi chỉ mô hình sự chảy xòe của chất lỏng Herschel – Bulkley trong mặt phẳng đi qua trục đối xứng của nón cụt. Sự chảy xòe của chất lỏng được tính toán

Trang 28


trong hệ trục tọa độ trụ với mô hình VOF (Volume Of Fluid) áp dụng cho bài toán có mạng lưới (grid) cố định và có hai hoặc nhiều chất không trộn lẫn với nhau được. Trong trường hợp nghiên cứu của chúng tôi, chất lỏng Herschel – Bulkley chảy xòe trong môi trường khí quyển và hai chất này (chất lỏng và không khí) hoàn toàn phân tách với nhau. Đối với mỗi chất, thể tích chiếm chỗ tương đối của chất đó trong một phần tử ô lưới (volume fraction) sẽ được tính toán như những biến số cục bộ tại mỗi vị trí và mỗi thời điểm dựa vào phương trình liên tục (continuity equation) và phương trình động học (dynamic equation) có xét đến các điều kiện ban đầu và các điều kiện biên của bài toán [32]. Do các biến số cục bộ này (thể tích chiếm chỗ tương đối của chất lỏng và chất khí trong một ô lưới) thay đổi theo vị trí và theo thời gian, mặt thoáng của chất lỏng – mặt có thể tích chiếm chỗ tương đối của chất lỏng và chất khí trong một ô lưới đều bằng 0.5 – vì vậy cũng sẽ di chuyển theo thời gian. H. 3.1 mô tả mạng lưới các phần tử, các điều kiện ban đầu và điều kiện biên của bài toán. Các thông số của mạng lưới như số nút, số cạnh lưới, số ô lưới cũng được thể hiện trên hình.

Về mặt lý thuyết, chất lỏng nhớt dẻo Herschel – Bulkley không thể chảy được và có ứng xử như chất rắn ( 0=γ& hay μ = ∞) khi τ ≤ τ0. Tuy nhiên, các phần mềm tính toán nói chung không thể mô tả được điều kiện này một cách chính xác như lý thuyết. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chất lỏng được coi như chất rắn khi độ nhớt μ của chất lỏng xác định theo PT. 3.1 [32] vượt quá giá trị μ0 = 106 Pa.s. Giá trị độ nhớt μ0 này đã được chọn đủ lớn, đảm bảo với độ chính xác cao rằng chất lỏng hầu như không thể chảy được ( 0≈γ& ) khi μ ≥ μ0 [33].

)3.1(

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

μτ

=γ>γγ

γ−γ+τ=μ

μτ

=γ≤γμ=μ

0

00

n0

n0

0

000

khi)(K

khi

&&&

&&

&&

Tại thời điểm ban đầu (khi chưa nhấc nón cụt Abrams), chất lỏng ở trạng thái tĩnh, mọi điểm trong chất lỏng đều có vận tốc V = 0. Sau khi nhấc nón cụt Abrams, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, chất lỏng chảy nhanh dần trong thời gian đầu, đạt vận tốc cực đại tại một thời điểm nào đó và chảy chậm dần rồi ngừng chảy trong thời gian tiếp theo. Tuy nhiên, cũng giống như trường hợp trên, phần mềm không thể xác định được một cách chính xác tuyệt đối thời điểm để chất lỏng ngừng chảy hoàn toàn tức là mọi điểm trong chất lỏng đều có vận tốc V = 0. Chính vì vậy, chúng tôi đã xác định đường kính chảy xòe của chất lỏng ở thời điểm mà chất lỏng hầu như không chảy nữa, đường kính chảy xòe của chất lỏng hầu như không tăng. Thời gian để chất lỏng đạt tới trạng thái này phụ thuộc vào các tính chất lưu biến của nó, dao động trong khoảng

Trang 29


t = 0.6 ÷ 1.0 s. H. 3.2 và H. 3.3 giới thiệu một số hình ảnh và đồ thị biến thiên theo thời gian của đường kính chảy xòe của một vài chất lỏng thu được từ phần mềm Fluent 6.1.

t = 0.2 (s)

t = 0.8 (s)

H. 3.2. Một vài hình ảnh về hình dạng của chất lỏng có các thông số lưu biến (τ0 ; K ; n)=(500 Pa ; 0.5 Pa.s ;1.0) tại một số thời điểm.

0

20

40

60

80

100

120

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Đườ

ng k

ính

chảy

xòe

(cm

)

Thời gian chảy (s)

200 Pa ; 0.5 Pa.s ; 1.0500 Pa ; 0.5 Pa.s ; 1.0800 Pa ; 0.5 Pa.s ; 1.0

H. 3.3. Một vài ví dụ về sự biến thiên của đường kính chảy xòe của chất lỏng theo thời gian, tính toán bởi phần mềm Fluent 6.1.

3.3. Kết quả và bình luận

H. 3.4 mô tả đồ thị biến thiên của đường kính chảy xòe D theo ngưỡng chảy τ0 của các chất lỏng có (n ; K) = (0.5 ; 5.0 Pa.sⁿ) và (n ; K) = (1.0 ; 0.5 Pa.sⁿ) thu được từ phần mềm Fluent 6.1 (các điểm). Đồ thị biến thiên của đường kính chảy xòe D theo ngưỡng chảy τ0 tính toán theo PT. 2.1 của Coussot [22] (đường nét nứt) và theo PT. 3.2 mà chúng tôi tìm được và trình bày sau đây (đường nét liền) cũng được thể hiện trên hình. Ta có thể nhận thấy rằng, tương tự như nghiên cứu lý thuyết của Coussot, đường kính chảy xòe D của chất lỏng tính toán bởi mô hình hóa bằng phần mềm chỉ phụ thuộc vào ngưỡng chảy τ0 mà không phụ thuộc vào các thông số lưu biến n, K của

Trang 30


chất lỏng. Điều này gợi ý cho chúng tôi có suy nghĩ rằng ứng suất τ tại mỗi điểm trong chất lỏng chỉ phụ thuộc theo một hàm nào đó vào chiều cao chất lỏng mà không phụ thuộc vào các thông số lưu biến K, n của chất lỏng. Khi hai chất lỏng có cùng ngưỡng chảy τ0, tại thời điểm tới hạn mà chất lỏng ngừng chảy, ứng suất lớn nhất trong hai chất lỏng đều bằng τ0, chiều cao chất lỏng và đo đó đường kính chảy xòe của chất lỏng cũng có giá trị như nhau. Tuy nhiên, do số lượng chất lỏng trong nghiên cứu của chúng tôi còn rất hạn chế nên quan điểm mà chúng tôi vừa trình bày phía trên còn cần phải được kiểm tra thêm.

0

25

50

75

100

125

150

0 200 400 600 800 1000 1200

Đườ

ng k

ính

chảy

xòe

D (c

m)

Ngưỡng chảy τ0 (Pa)

n = 0.5 ; K = 5.0 Pa.sⁿn = 1.0 ; K = 0.5 Pa.sⁿPT. 2.1 (Coussot)PT. 3.2 (Nhóm nghiên cứu)

H. 3.4. Sự biến thiến của đường kính chảy xòe D theo ngưỡng chảy τ0, tính toán bởi phần mềm Fluent 6.1 (các điểm), theo PT. 2.1 của Coussot (đường nét đứt) và theo PT. 3.2 của nhóm nghiên cứu (đường nét liền).

Từ H. 3.4, ta cũng có thể nhận thấy rằng PT. 2.1 rút ra từ nghiên cứu lý thuyết của Coussot [22]chỉ nghiệm đúng so với mô hình hóa bằng phần mềm đối với chất lỏng có ngưỡng chảy τ0 lớn. Ngưỡng chảy τ0 càng nhỏ, PT. 2.1 càng đánh giá thấp đường kính chảy xòe của chất lỏng. Điều này có thể được giải thích bởi việc tác giả đã bỏ qua đại lượng quán tính của chất lỏng trong khi chuyển động nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán. Đối với những chất lỏng có ngưỡng chảy lớn, vận tốc và quán tính của chất lỏng nhỏ, giả thiết của tác giả và vì vậy kết quả tính toán đường kính chảy xòe D theo PT. 2.1 nghiệm đúng. Ngược lại, đối với chất lỏng có ngưỡng chảy nhỏ, chất lỏng chảy với vận tốc và quán tính lớn, giả thiết đơn giản hóa không thỏa mãn dẫn đến sự sai lệch kết quả so với tính toán phần mềm.

Trang 31


Trên cơ sở nhận xét trên, chúng tôi tìm mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe D và ngưỡng chảy τ0 có dạng như sau :

)3.2( 0kDD =

với D0 đường kính chảy xòe khi chất lỏng có quán tính rất nhỏ, được xác định từ PT. 2.1 và có dạng như sau :

)3.3( 51

02

2

0 4gV225D ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡τπ

ρ=

k hệ số xét đến quán tính của chất lỏng. Khi ngưỡng chảy lớn, quán tính của chất lỏng nhỏ, k = 1. Ngược lại, khi ngưỡng chảy nhỏ, quán tính của chất lỏng lớn, hệ số k vì vậy có giá trị lớn. Dựa trên suy luận này và căn cứ vào các kết quả thu được từ phần mềm, chúng tôi đã tìm được biểu thức của hệ số k có dạng như sau :

)3.4( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+τ

+=1.045.0

1115.0k*

τ* là đại lượng không thứ nguyên xác định theo công thức sau :

)3.5( gH

0* ρ

τ=τ (H chiều cao nón cụt Abrams)

Với hệ số k xác định theo PT. 3.4, chúng tôi nhận thấy rằng đường kính chảy xòe của chất lỏng tính theo PT. 3.2 chỉ sai khác 4% so với các giá trị đường kính chảy xòe thu được từ phần mềm. Điều này được thể hiện rõ trên H. 3.4 với việc đường cong quan hệ giữa đường kính chảy xòe D và ngưỡng chảy τ0 của chất lỏng xác định theo PT. 3.2 (đường nét liền) gần như đi qua (chỉ cách một khoảng rất nhỏ) các điểm thu được từ phần mềm.


KẾT LUẬN CHUNG

Trong bài nghiên cứu « Ứng xử lưu biến và mô hình sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn », những mục tiêu mà chúng tôi đặt ra trong phần giới thiệu chung đã đạt được và các kết quả thu được sẽ được trình bày tóm tắt dưới đây.

Trong Chương 1, những kiến thức cơ bản về ứng xử lưu biến như các mô hình lưu biến, các phương pháp và thiết bị dùng để xác định thực nghiệm ứng xử lưu biến của vật liệu đã được chúng tôi hệ thống lại trên cơ sở có sự liên hệ với bê tông.

Trong Chương 2, chúng tôi đã hệ thống lại những đặc điểm, tính chất quan trọng và giải thích ở góc độ vi mô ứng xử lưu biến của bê tông. Những đặc điểm thành phần cấu tạo, những yêu cầu, chỉ tiêu và phương pháp đánh giá chất lượng của bê tông tự đầm lèn cũng được chúng tôi trình bày và giải thích rõ ràng.

Trong Chương 3, chúng tôi đã ứng dụng phần mềm thương mại Fluent 6.1 để mô hình sự chảy xòe của bê tông tự đầm lèn trong thí nghiệm nón cụt Abrams và đã thu được những kết quả sau :

+ 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.

+ Mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe và ngưỡng chảy τ0 của chất lỏng được Coussot thiết lập trên cơ sở các giả thiết đơn giản hóa chỉ nghiệm đúng với những chất lỏng có ngưỡng chảy lớn và có sai số càng lớn khi ngưỡng chảy càng nhỏ.

+ Dựa trên những suy luận logic và căn cứ vào các kết quả thu được từ mô hình hóa bằng phần mềm, chúng tôi đã đưa ra được công thức cho phép xác định đường kính chảy xòe theo ngưỡng chảy của chất lỏng với sai số nhỏ hơn 4% so với kết quả thu được từ phần mềm.

Bên cạnh những kết quả đã đạt được, chúng tôi cũng nhận thấy một số vấn đề cần phải giải quyết và nghiên cứu một cách sâu và hệ thống hơn. Kết luận của chúng tôi về việc đường kính chảy xòe chỉ phụ thuộc duy nhất vào ngưỡng chảy, mối quan hệ giữa đường kính chảy xòe và ngưỡng chảy của chất lỏng mà chúng tôi tìm được cần phải được kiểm tra thêm bằng thực nghiệm cũng như bằng phần mềm với những chất lỏng khác.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] V. H. Nguyen, Comportement rhéologique et écoulement au cône de Marsh des coulis cimentaires, PhD Thesis, Univ. Cergy – Pontoise, 2007.

[2] Y. El Hafiane et al., Effect of a carboxylic acid on the rheological behavior of an aluminous cement paste and consequences on the properties of the hardened material, J. Europ. Ceram. Soc., 25 (2005) 1143 – 1147.

[3] M. Lachemi et al., Performance of new viscosity modifying admixtures in enhancing the rheological properties of cement paste, Cem. Concr. Res., 34 (2004) 185 – 193.

[4] N. Roussel et al., From mini-cone test to Abrams cone test: measurement of cement-based materials yield stress using slump tests, Cem. Concr. Res., 35 (2005) 817 – 822.

[5] C.F. Ferraris et al., The influence of mineral admixtures on the rheology of cement paste and concrete, Cem. Concr. Res., 31 (2001) 245 – 255.

[6] K.H. Khayat, Influence of thixotropy on stability characteristics of cement grout and concrete, Mater. J., 99 (2002) 234 – 241.

[7] A. Yahia and K.H. Khayat, Analytical models for estimating yield stress of high-performance pseudoplastic grout, Cem. Concr. Res., 31 (2001) 731 – 738.

[8] A. Yahia and K.H. Khayat, Applicability of rheological models to high-performance grouts containing supplementary cementitious materials and viscosity enhancing admixture, Mater. Struct., 36 (2003) 402 – 412.

[9] F. de Larrard et al., Fresh concrete: a Herschel–Bulkley material, Mater. Struct., 31 (1998) 494 – 498.

[10] C. Atzeni et al., Comparison between rheological models for Portland cement pastes, Cem. Concr. Res., 15 (1985) 511 – 519.

[11] M. Cyr et al., Study of the shear thickening effect of superplasticizers on the rheological behaviour of cement pastes containing or not mineral additives, Cem. Concr. Res., 30 (2000) 1477 – 1483.

[12] R. Shaughnessy and P.E. Clark, The rheological behavior of fresh cement pastes, Cem. Concr. Res., 18 (1988) 327 – 341.

Trang 34


[13] J.P. Bombled, Rhéologie des mortiers et des bétons frais. Influence du facteur ciment, Proceeding of R.I.L.E.M. Leeds Seminar, 1 (1973) Sujet 3.

[14] C. Legrand, in J. Baron and R. Sauterey, Le béton hydraulique, Presses ENPC, Paris, 1982, Chap. 6.

[15] G.H. Tattersall and P.F.G Banfill, The rheology of fresh concrete, Pitman, Boston, 1983.

[16] H. Uchikawa, in M.M. Reogurd, Importance of recent microstructure development in cement and concrete, Sherbrooke, 1994.

[17] C. Legrand, in J. Baron and R. Sauterey, Le béton hydraulique, Presses ENPC, Paris, 1982, Chap. 7.

[18] C. Legrand, Contribution à l'étude de la rhéologie du béton frais, Mater. Constr., 5 (1972) 275 – 295.

[19] M. Ouchi et al., Applications of self-compacting concrete in Japan, Europe and the United States, ISHPC (2003) 1 – 20.

[20] A.W. Saak et al., A generalized approach for the determination of yield stress by slump and slump flow, Cem. Concr. Res., 34 (2004) 363 – 371.

[21] S. Clayton et al., Analysis of the slump test for on-site yield stress measurement of mineral suspensions, Inter. J. Min. Process., 70 (2003) 3 – 21.

[22] P. Coussot et al., Rheological interpretation of deposits of yield stress fluids, J. Non-Newt. Fluid Mech., 66 (1996) 55 – 70.

[23] H.J. Kong et al., Effects of a strong polyelectrolyte on the rheological properties of concentrated cementitious suspensions, Cem. Concr. Res., 36 (2006) 851 – 857.

[24] K. Yoshioka et al., Adsorption characteristics of superplasticizers on cement component minerals, Cem. Concr. Res., 32 (2002) 1507 – 1513.

[25] H. Uchikawa et al., The role of steric repulsive force in the dispersion of cement particles in fresh paste prepared with organic admixture, Cem. Concr. Res., 27 (1997) 37 – 50.

[26] K. Yoshioka, Role of steric hindrance in the performance of superplasticizers for concrete, J. Am. Ceram. Soc., 80 (1997) 2667 – 2671.

[27] M. Collepardi, Admixtures used to enhance placing characteristics of concrete, Cem. Concr. Compos., 20 (1998) 103 – 112.

Trang 35


[28] P.F.G. Banfill, A viscometric study of cement pastes containing superplasticizers with a note on experimental techniques, Magaz. Concr. Res., 33 (1981) 37 – 47.

[29] F. Curcio and B.A. DeAngelis, Dilatant behavior of superplasticized cement pastes containing metakaolin, Cem. Concr. Res., 28 (1998) 629 – 634.

[30] K.H. Khayat, Viscosity-enhancing admixtures for cement-based materials - An overview, Cem. Concr. Compos., 20 (1998) 171 – 188.

[31] K.H. Khayat, Effects of antiwashout admixtures on fresh concrete properties, Mater. J., 92 (1995) 164 – 171.

[32] Fluent Inc., Fluent 6.1 User’s guide, Lebanon, NH, USA, 2003.

[33] V.H. Nguyen et al., Flow of Herschel–Bulkley fluids through the Marsh cone, J. Non-Newt. Fluid Mech., 139 (2006) 128 – 134.

Documents

03.Self Compacting Concrete.nckh 08-09