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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG W  X 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 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 2.6.  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  Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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. Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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=τ τ≤τ=γ 00 0 khi khi0 & & 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=τ τ≤τ=γ 0 n 0 0 khiK khi0 & & 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 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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( gR 3 4F s 3 G ρπ= + lực đẩy Archimède FA : )1.6( gR 3 4F f 3 A 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 V gR 9 2 ρ−ρ=μ H. 1.2. Nguyên lý hoạt động của nhớt kế kiểu « bi rơi ». Trang 7 Ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê tông tự đầm lèn Cao Xuân Phong và Hoàng Thanh Liêm 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