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
-------------Oẵ ★ SO-----------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
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
của Ts. Nguyễn Việt Hưng, Giảng viên bộ môn Ket cấu Công trình - Khoa Xây
dựng
- Trường Đại học Kiến trúc thành phố Hồ Chí Minh. Chúng tôi xin gửi những lời
cảm
dưới sự hướng dẫn của
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
Cuối cùng, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên gia đình, bạn bè,
anh
ỨNG xử LƯU BIẾN VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
chị đã động viên khuyến khích chúng tôi về mặt tinh thần, giúp đỡ chúng tôi về cơ
sở
Nhỏm tác giả :

Cao Xuân Phong
Hoàng Thanh Liêm

Trường Đại học Kiến trúc
196 Pasteur, quận 3, thành pho Hồ Chỉ Minh
ngày 10 tháng 08 năm 2009.

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 bẽ tông thường và bẽ 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

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


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

CHƯƠNG 1............................................................................................................3

HỆ THỐNG KIẾN THỨC VÈ LƯU BIẾN HỌC.............................................3

1.1. Giới thiệu....................................................................................................3

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

1.3. Một số loại lưu biến kế..............................................................................5
1.3.1. Nhớt kế kiểu « bi rơi ».........................................................................6
1.3.2. Lưu biến kế Poiseuille.........................................................................7
1.3.3. Lưu biến kế Couette loại hình trụ đồng trục......................................10

CHƯƠNG 2..........................................................................................................13

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


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....................................................................................................................... S

ử dụng chất phụ gia siêu dẻo........................................................................23
2.6.4....................................................................................................................... S
ử dụng chất phụ gia tăng nhớt.......................................................................24

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

CHƯƠNG 3..........................................................................................................26

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


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 co học nào - đó là bê tông tự đầm
lèn
(self- compacting concrete). Tuy nhiên, tại thời điểm đó, các chất phụ gia sử dụng
trong bê tông tự đầm lèn còn chưa đạt được hiệu quả như mong muốn và có giá

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


Trang 2
chúng tôi hệ thống lại một số đặc điểm và kết họp giải thích ở góc độ vi mô nguồn gốc
ứng xử lưu biến của bê tông thường. Đặc điểm thành phần cấu tạo, những yêu cầu
và
chỉ tiêu đánh giá về chất lượng, ảnh hưởng của các chất phụ gia đối với ứng xử
lưu
biến của bê tông tự đầm lèn... sau đó cũng sẽ được trình bày trong Chương 2.
về mặt lưu biến học, bê tông tự đầm lèn chỉ khác với bê tông thường ở chỗ
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

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


CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG KIẾN THỨC VỀ LƯU BIẾN HỌC
Những kiến thức chung về lưu biến học mà chúng tôi trình bày trong chưong
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
họp trượt thuần túy - dưới dạng mối quan hệ giữa ứng suất tiếp X và vận tốc biến
dạng
trượt Ỷ (đạo hàm của biến dạng trượt y theo thời gian t).
Đường cong mô tả phương trình lưu biến được gọi là đồ thị lưu biến, dựa vào
đó
người ta phân biệt những loại ứng xử lưu biến khác nhau như mô tả trên H. 1.1 :
ứng xử của vật liệu được coi là tuyệt đối nhớt nếu như sự chảy xảy ra ngay sau
khi vật liệu chịu tác dụng của một ứng suất tiếp X dù rất nhỏ, hay nói cách khác
nếu
như đồ thị lưu biến đi qua gốc tọa độ. Ngược lại, trong trường họp sự chảy chỉ xảy
ra
khi ứng suất tiếp X vượt quá một giá trị Xo nào đó gọi là ngưỡng chảy, hay nói
cách
khác khi đồ thì lưu biến bắt nguồn từ điểm có tung độ x0 trên trục ứng suất tiếp X,
người ta gọi ứng xử lưu biến đó là nhớt - dẻo.

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


Trang 4

1.2.

Một số loại mô hình ửng xử lưu biến

Để mô tả ứng xử lưu biến của vật liệu, rất nhiều phương trình toán học đã
được
thiết lập, tuy nhiên không một phương trình toán học nào có thể mô tả một cách
chính
xác tuyệt đối. Dưới đây chúng tôi chỉ giới thiệu một vài mô hình ứng xử lưu biến
thường gặp nhất trong ngành lưu biến học.
Mô hình ứng xử lưu biến đơn giản nhất, trường họp đặc biệt của tất cả các mô
hình ứng xử lưu biến khác, là mô hình ứng xử Newton (PT. 1.1), được đặc trưng
bởi
duy nhất độ nhớt p 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 họp vữa xi măng có thành phần cấu tạo đặc
biệt
[2].
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe cùa bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


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).
X

=

Kỹn

(1.2)
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 trung bởi hai thông số :
ngưỡng chảy To và độ nhớt dẻo r| thường được sử dụng [3-6]. Mô hình này có thể
được viết dưới dạng sau :
ÍỶ = 0
<

khi T < T n
.
(1.3)
[x = T0+r|Ỷ khi T > T0
Mô hình lưu biến Bingham không cho phép miêu tả ứng xử phi tuyến của
phần
lớn

các vật liệu nhớt dẻo. So với ngưỡng chảy thực tế của vật liệu, mô hình Bingham
cho
ngưỡng chảy cao hon đối với vật liệu chảy lỏng [7, 8] và ngược lại, cho ngưỡng
chảy
thấp hon, thậm chí phi thực tế (ngưỡng chảy âm), đối với vật liệu chảy đặc [9]. Để
miêu tả chính xác hon ứng xử lưu biến phi tuyến của vật liệu nhớt dẻo, người ta
thường sử dụng mô hình Herschel - Bulkley đặc trung bởi 3 thông số : ngưỡng
chảy
To, 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

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


FG = jítRỈpSg
+ lực đẩy Archimède FA :

Trang 6

FA =-

^ítR3pfg
1.3.1.
kiểutiện
« bi

Nhờ sự đơnNhớt
giản,kế
thuận
và nhanh chóng trong sử dụng, nhớt kế kiểu « bi

roi »
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
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 ps và bán kính R, rơi đều với vận
tốc không đổi V dưới tác dụng của trọng
lực trong chất lỏng Newton có khối
lượng
riêng p và độ nhớt tuyệt đối p 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 :

H. 1.2. Nguyên lỷ hoạt
động
của nhớt kế kiếu « bi rơi ».

(1.5)

+ trọng lực FG :

(1.6)
+ lực nhớt Fs của chất lỏng tác dụng lên bề mặt quả cầu, có thể được tính một
cách gần đúng theo công thức Stokes như sau :
Fs=-67ĩRịiV
Khi quả cầu đạt được chuyển động đều với vận tốc V không đổi, tổng đại số
các
lực tác dụng lên quả cầu phải bằng không. Từ đó ta có thể xác định được độ nhớt g
của
2gR: ■(p.-Pf)
(1.8)
9V

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


Trang 7
PT. 1.8 cho phép xác định nhanh chóng độ nhớt tuyệt đối p của chất lỏng
Newton
thông qua việc đo vận tốc chuyển động V của quả cầu. Tuy nhiên, phuơng pháp
này
chỉ cho kết quả kém chính xác do PT. 1.7 chỉ đúng trong truờng họp quả cầu đạt
được

chuyển động đều trong môi trường chất lỏng Newton không giới hạn và khi số
Reynolds rất nhỏ. Đe cải thiện độ chính xác, người ta có thể dùng các phương
pháp
tính toán điều chỉnh hoặc so sánh một cách tương đối kết quả thu được với chất
lỏng
chuẩn đã biết.
1.3.2.

Lưu biến kế Poiseuille

Lưu biến kế Poiseuille hay còn gọi là nhớt kế mao dẫn thường được sử dụng
cho
Po+AP
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
họp này có thể ứng dụng để tính toán sự chảy của bê tông trong ống bơm.
Nguyên lý hoạt động của nhớt
kế
kiểu Poiseuille tương đối đơn giản :
chất lỏng nghiên cứu chảy đều
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

H. 1.3. Nguyên lý hoạt động
của lưu biến kế kiếu
Poiseuỉlle.

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


Trang 8
Trong quá trình chảy tầng, chất lòng bị phân chia thành những lóp 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
+ trọng lực FG :
FG=pg7ĩr2dz

(1.9)

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

Fp=-7ir2dPz
+ Lực Fx gây ra bởi ứng suất tiếp :
FT

=

-27irirdz

(1.11)
Khi chất lỏng đạt được chế độ chảy đều, tổng đại số các lực tác dụng lên phân
tố

2x.
= pg

dP,
dz

(1.12)

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 Tr trên mặt trụ bán kính r như sau :
(1.13)
L=
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),

Ỷr
(1.14)
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

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


Trang 9
V. = V.

khi r < r„
n+1 'N
Ị (r-r.)-

V. = V.

khi r > rft

(1.15)

. (R-rJ
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)
pg +
vmax vận tốc chảy cực đại của chất lỏng trong ống trụ (vận tốc của khối chất
lỏng ứng xử như chất rắn)

n+1

1
pg
2K +

(R-r.)»

(1.17)

Khi ro > R, chất lỏng không thể chảy được. Ngược lại, khi ro < R, ta có thể
suy ra
từ PT. 1.15 và PT. 1.17 lưu lượng
1 chảy Q của chất lỏng như sau :
7inR3 R
(1.18)
Q=
3n + 1 2K
trong đó
1+
2n + 1

+

2n2 ịvA2V _rA
RJ (n + lX2n + l)UJ Jl RJ

(1.19)

PT. 1.18 cho phép xác định ba thông số lưu biến To, K, n của chất lỏng
Herschel
Bulkley bằng cách đo lưu lượng chảy Q tưong ứng với các giá trị chênh lệch áp
suất
AP 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
7lR
Ap^
(1.20)
Q = 4pg + L,
8p
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe cùa bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


Trang 10
+ Chất lỏng Ostwald (PT. 1.2)
7inRR
3n +2K
l

r AP^I
pg + —
VL)
+ Chất lỏng Bingham (PT. 1.3)
Q=

7lR4 (
Q = pg +

1.3.3.

(1.21)

AP4 ro
vR
31
) R

(1.22)

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

H. 1.4. Nguyên lỷ hoạt động của lưu biến kế Couette kiếu hình trụ đồng trục.
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


Tr ~~ 2nr2tì

l-«ì

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 Rj, 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 Ri) quay đều với vận tốc góc Q 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 lóp mỏng hình
M

(1.23)
Ký hiệu ft)r là vận tốc góc của phân tố chất lỏng cách trục quay một khoảng r.
Do
cor là hàm nghịch biến của r (cor đạt giá trị cực đại Q tại thành ống trong và bằng
không
tại thành ống ngoài), vận tốc biến dạng trượt Ỷr tại vị trí cách trục quay một
(1.24)
Ỷr
Dựa vào các PT. 1.23 và 1.24 ta có thể xác định được đồ thị lưu biến T - Ỷ của
chất lỏng nếu như biết được quy luật phân bố của vận tốc góc ©r theo r. Tuy nhiên
quy
luật phân bố này lại phụ thuộc vào ứng xử lưu biến của chất lỏng. Như vậy ta rơi
vào
vòng luẩn quẩn : để xác định được ứng xử lưu biến của vật liệu cần phải biết trước
ứng
R2-R
(1.25)
a=
RT
~
Trong trường họp khe hở rất hẹp (PT. 1.25 được thỏa mãn) ứng suất tiếp Tr
(PT.
1.23) và vận tốc biến dạng trượt Ỷr (PT. 1.24) hầu như không thay đổi trong mẫu
chất
11
(1.26)
4TIH
R? R2 /
VAV1
Ỷ=

R2 -R,

R

Q

(1.27)

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


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 ÍT tương ứng hoặc ngược lại. Ket quả càng chính xác nếu như khe
hở
càng hẹp (a càng nhỏ so với 1). Trong thực tế, người ta coi khe hở là hẹp khi
a < 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 (a < 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

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


CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG KIẾN THỨC

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 họp của các hạt cốt liệu rời như cát, sỏi, đá, ... và chất kết dính : xi măng
trộn nước. Ngoài ra người ta còn có thể thêm vào bê tông một số chất phụ gia
nhằm
cải thiện một vài tính chất của bê tông ... Tùy theo những yêu cầu đối với bê tông
trong quá trình thi công và sử dụng mà người ta lựa chọn hàm lượng các thành
phần
vật liệu một cách thích họp. 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 họp, đó là độ lỏng
(íluidity)
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
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


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 pm. Sự tán nghiền này
kèm theo sự cắt đứt các liên kết tĩnh điện của vật liệu, dẫn đến hiện tượng tồn tại
đồng
thời những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt xi măng.
Nhìn chung, các hạt xi măng thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần) so với
tích
điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng và ngược
lại,
các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt xi măng. Hiện
tượng này một mặt là do các hạt tích điện dương bị trung hòa một phần bởi các
electron tự do trong môi trường, mặt khác là do các hạt điện tích âm thường có
kích
thước lớn hơn các hạt điện tích dương [13].
Xi măng Portland được cấu tạo chủ yếu từ 4 thành phần tinh thể : 3Ca0.Si02
(ký
hiệu C3S), 2Ca0.Si02 (ký hiệu C2S), 3Ca0.Al203 (ký hiệu C3A) và
4Ca0.Al203.Fe203
(ký hiệu C4AF), ngoài ra còn một số thành phần khác chiếm tỉ lệ nhỏ như CaO,
CaC03, MgO, K2S04... Khi xi măng được trộn với nước, các thành phần này ngay
lập
tức bị điện ly, dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa bởi các điện tích

Ca2+,
Na+, K+, S042", OH', H904+, H704\. .Chính vì vậy, trong vữa xi măng và bê
tông,
ngoài

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


Trang 15
Một lý thuyết khác mới hơn được
Lớp khuyếch tán
vận
dụng trong nhiều nghiên cứu về sau là lý
thuyết của Stem. Theo tác giả, các ion
trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt
rắn tạo thành hai lóp điện tích. Lóp bên
trong được gọi là lóp Stem bao gồm các
điện tích mang dấu ngược với dấu điện
tích của hạt rắn. Lóp điện tích này có
chiều dày nhỏ, liên kết rất chặt chẽ và
cùng di chuyển với các hạt rắn khi chúng
chuyển động trong dung dịch. Ngoài lóp
Stem là lóp khuyếch tán chủ yếu chứa
các
ion mang điện tích cùng dấu với điện tích
trên bề mặt hạt rắn. Chiều dày lóp H. 2.1. Mô tả sự phân bố điện tích

khuyếch tán dao động trong khoảng 10 - bao
1000 Ả, càng nhỏ khi mật độ điện tích quanh hạt xi măng theo lỷ thuyết
càng lớn. Đối với hạt xi măng phần.2.1
lớn trong đó lóp Stem chủ yếu tích điện
tích điện âm, cấu trúc các lóp điện tích .5] chủ yếu tích điện âm.
bao quanh hạt xi măng được mô tả như
Mặc dù lý thuyết Gouy-Chapmann và
Hạt xi măng
Stem đưa ra những cấu trúc điện tích khác
nhau bao quanh các hạt rắn tích điện, cả
hai lý thuyết đều chỉ ra rằng các lóp
khuyếch tán bao quanh các hạt rắn đẩy
nhau do tích điện cùng dấu với nhau.
Trong trường họp hạt xi măng tồn tại
đồng thời những nơi tích điện âm (những
nơi bằng phẳng) và những nơi tích điện
dương (những nơi góc cạnh), lóp khuyếch
tán vì vậy cũng tồn tại đồng thời những
vùng tích điện trái dấu nhau và do đó
H. 2.2. Mô tả cấu trúc kết
trong vữa xi măng cũng tồn tại đồng thời
bông
lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa các lóp
của vữa xi măng.
khuyếch tán bao quanh các hạt xi măng.
Rất nhiều nghiên cứu [14, 16]đã chỉ ra rằng tổng họp những tương tác này tạo nên cấu
trúc kết bông của vữa xi măng trong đó các hạt xi măng hút nhau tạo thành những
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê Cao
tông Xuân
tự đầm

lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


Trang 16
chùm hạt riêng rẽ hoặc được ghép nối với nhau như mô tả như trên H. 2.2. Theo
Legrand [14], do các hạt xi măng tích điện âm ở những noi bằng phẳng và tích
điện
dương ở những nơi góc cạnh, liên kết giữa các hạt xi măng vì vậy có dạng liên kết
điểm, có thể liên kết thông qua các lóp khuyếch tán hoặc liên kết trực tiếp. Những
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 lóp 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 nhót - 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 T đủ lớn nhằm phá vỡ liên kết giữa các hạt xi măng. Điều này
làm
cho vữa xi măng và bê tông có ứng xử nhớt - dẻo, tức là tồn tại ngưỡng chảy To
mà
ứng suất X tác dụng lên vật liệu cần phải vượt qua để vật liệu bắt đầu chảy được.
Theo Legrand [17], ngưỡng chảy T0 của vữa xi măng và bê tông tăng theo

hàm
số
mũ với nồng độ xi măng. Xi măng có độ mịn càng lớn, ngưỡng chảy To 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].
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


Trang 17
suất X hoặc vận tốc biến dạng trượt Ỷ không đổi [17]. Trong lưu biến học, người ta gọi
hiện tượng này là hiện tượng xúc biến (thixotropy) và đã có rất nhiều công trình
nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về hiện tượng này của vữa xi măng và
bê
tông.
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 p của vật liệu khi ứng suất T hoặc vận tốc biến
dạng
trượt Ỷ 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 T hoặc vận tốc biến dạng trượt Ỷ :
ứng
suất tiếp T hoặc vận tốc biến dạng trượt Ỷ càng lớn, số lượng và kích thước các
chùm
hạt càng nhở và do đó độ nhớt p 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 To và chúng có thể có ứng xử lưu biến phi tuyến
kiểu
chảy
lỏng hoặc kiểu chảy đặc tùy thuộc vào thành phần hỗn họp 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 Xo, K, n đã được đánh giá là
mô

hình
lưu
biến thích họp nhất trong việc mô tả ứng xử lưu biến của vữa xi măng và

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


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

H. 2.3. Một số công trình sử dụng bê tông tự đầm lèn :
(a) cầu treo Akashi - Kaỉkyo (Nhật Bản), (b) hầm Sodra Lanken (Thụy Điển).
Công trình cầu treo Akashi - Kaikyo tại Nhật Bản (H. 23.à) có nhịp dài nhất
thế
giới (1991 m) được thi công từ năm 1998. cầu có hai trụ tháp cao 298m được xây
dựng bằng bê tông tự đầm lèn, nhờ đó mà thời gian thi công hai trụ tháp này đã
được
rút ngắn lại 20%, từ 2.5 năm xuống còn 2 năm.
Công trình hầm Sodra Lanken lớn nhất Thụy Điển (H. 2.3.b) có chiều dài 16.6
km,
thi công trong khoảng thời gian 1998 - 2004 với tổng số vốn đầu tư 800 triệu
ứng xử lưu biến và mô hình thí nghiệm chảy xòe của bê Cao
tông Xuân
tự đầm
lèn và Hoàng Thanh Liêm
Phong


Trang 19

2.4.

ưu và nhược điếm của bê tông tự đầm lèn

Như chúng tôi đã giới thiệu ở trên, bê tông tự đầm lèn có khả năng tự chảy và
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 bẽ tông tự đầm lèn cao hơn
giá
thành bê tông thường.
Bên cạnh những ưu điểm, bê tông tự đầm lèn cũng có một số nhược điểm mà
chúng tôi giới thiệu dưới đây :
+ Chất lượng bê tông tự đầm lèn rất nhạy cảm với sự thay đổi hàm lượng các
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 ri.

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


Trang 20

Yêu cầu về độ lỏng của bê tông tự đầm
lèn
a) Đô lỏng trong môi trường không có vât cản
2.5.1.

Độ lỏng của của bê tông tự đầm lèn trong môi trường không có vật cản được
xác
định bởi thí nghiệm nón cụt Abrams (kích thước mô tả trên H. 2.4.a). Thí nghiệm
Abrams là thí nghiệm tiêu chuẩn được dùng rộng rãi trên toàn thế giới dùng để xác
định một cách nhanh chóng độ lỏng của bê tông dựa trên việc đo độ sụt của chúng
(chiều cao sụt của bê tông sau khi nhấc nón cụt Abrams, H. 2.4.b) dưới tác dụng
của
trọng lượng bản thân. Độ sụt càng lớn thì bê tông càng lỏng và ngược lại.
Đối với bê tông tự đầm lèn, việc đo độ sụt không còn có ý nghĩa do bê tông bị
sụt
hoàn toàn. Trong trường hợp này, độ lỏng của bê tông tự đầm lèn được xác định
thông

H. 2.4. Xác định độ lỏng của bê tông bằng thí nghiệm Abrams :
(a) nón cụt Abrams (kích thước ghi theo cm), (b) đo độ sụt đối với bê tông
thường,

(c) đo đưòng kỉnh chảy xòe đoi vói bê tông tự đầm lèn.
Cho đến hiện nay, rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về
mối
quan hệ giữa độ sụt H hoặc đường kính chảy xòe D với ngưỡng chảy To của bê
tông
đã
được thực hiện [4, 20 - 22]. Trong phạm vi bài nghiên cứu này, chúng tôi chỉ giới
thiệu mối quan hệ tưong đối đon giản giữa ngưỡng chảy T0 và đường kính chảy
_ 255pgV2
(2.1)
T° 4TT2D5
trong đó pg và V lần lượt là trọng lượng riêng và thể tích của mẫu bê tông.

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


Trang 21

b) Đô lỏns trong không gian có vât

Độ cản
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
chữ L).
chảy của bê tông qua lưới cốt thép,

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

c) Môt số vhươntỉ pháp khác xác đinh đô lỏns của bê tôns tư 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 bẽ 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

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