Khảo sát thực nghiệm quan hệ giữa một số thông số bơm của hỗn hợp bê tông với thể tích hồ xi măng theo thời gian

• Đăng bởi: vuvannhan
• Nghiên cứu khoa học
• 16/08/2016

TS. Nguyễn Thế Dương 

ThS. Vũ Văn Nhân

ThS. Trần Kim Nhật 

1. Mở đầu

Trong thời gian gần đây, khi nghiên cứu tính công tác của bê tông, ngoài việc quan tâm đến yếu tố lưu biến thông qua chủ yếu là phép đo độ sụt, một số tác giả trong và ngoài nước đã quan tâm việc nghiên cứu tính chất ma sát của hỗn hợp bê tông khi chảy trong ống bơm cứng bằng thép [1-9]. Tính chất ma sát này bao gồm ngưỡng trượt bề mặt và hằng số nhớt bề mặt, trong đó ngưỡng trượt liên quan đến tính chất ì ban đầu của bê tông, hằng số nhớt bề mặt liên quan đến tính chất ma sát động, tác động đến vận tốc dịch chuyển của hỗn hợp bê tông trong ống bơm [1,4,5]. Các nghiên cứu này chủ yếu thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm và chế tạo, chuẩn hoá thiết bị thực nghiệm. Việc nghiên cứu các tính chất ma sát này phục vụ trực tiếp cho việc đánh giá tính dễ bơm hay khó bơm của một loại bê tông [2,3], đồng thời phục vụ cho việc đánh giá áp lực cần thiết để bơm bê tông [1,6,7]. Thực vậy, các phép đo đã chỉ ra rằng, thông số độ sụt không thể phản ánh một cách đầy đủ tính dễ/khó bơm của bê tông. Trong một số nghiên cứu gần đây trên vật liệu địa phương [5,8], các tác giả khảo sát trên nhiều loại cấp phối bê tông khác nhau, thay đổi tỉ lệ nước và xi măng, thay đổi thể tích hồ [6], thay đổi tỉ lệ cốt liệu thô [8] và chỉ ra rằng, có những cấp phối cho thông số độ sụt hoàn toàn như nhau, tuy nhiên các thông số ma sát lại chênh lệch nhau rất lớn. Do đó, trong nghiên cứu này, các tác giả tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của thể tích hồ xi măng, có xét thời gian lưu vữa. Thời gian cũng là một yếu tố quan trọng vì hỗn hợp bê tông thương phẩm thông thường sẽ được trộn ở trạm trộn, sau đó dùng xe vận chuyển đến công trường. Việc vận chuyển này nhiều lúc sẽ mất rất nhiều thời gian, đặc biệt là công trình thi công trong khu vực đô thị hoặc tại những khu vực có giao thông khó khăn. 

2. Thí nghiệm xác định và tính toán thông số bơm

Như đã trình bày ở trên, thông số ma sát bao gồm (1) ngưỡng trượt ban đầu , là cơ sở tính toán áp lực cần thiết ban đầu của piston để đẩy bê tông bắt đầu dịch chuyển trong ống và (2) hệ số nhớt bề mặt  , đặc trưng cho tính chất tiếp xúc bề mặt giữa bê tông và thành ống bơm, thể hiện quan hệ giữa lực bơm và vận tốc bơm (lưu lượng bơm) khi bê tông đã dịch chuyển trong ống. Hai thông số ma sát này bổ sung thêm cho thông số độ sụt giúp thiết kế thành phần cấp phối cũng như thiết kế bơm bê tông. Các thông số này được gọi là thông số bơm bê tông

2.1. Nguyên lý thí nghiệm đo thông số ma sát

Nguyên lý thí nghiệm, trình tự, thao tác thí nghiệm tính toán các thông số ma sát và xử lý kết quả được trình bày kỹ trong các tài liệu [3-5]. Ở đây chúng tôi chỉ giới thiệu tóm tắt nguyên lý. Sự tiếp xúc giữa bê tông và thành ống bơm được mô phỏng lại theo sự tiếp xúc của một ống kim loại quay đều trong môi trường bê tông. Sự quay của trục được tạo ra và điều khiển bằng máy khuấy cơ học. Máy khuấy có thể ghi lại được tốc độ quay và mô men xoắn tương ứng. Tốc độ quay thay đổi theo thời gian được điều khiển bằng phần mềm. Bê tông đựng trong thùng chứa có đường kính 30 cm. Xi lanh hình trụ bằng thép có đường kính 106 mm, cao 100 mm. Các thông số của thiết bị được tham khảo dựa trên cơ sở các nghiên cứu trong tài liệu [3]. Kết quả thí nghiệm thô được xử lý nhanh chóng bằng phần mềm do tác giả viết «Pumping parameter calculation» [9].  

2.2 Thí nghiệm đo độ sụt

Độ sụt hỗn hợp bê tông được xác định theo TCVN 3105-93. Dụng cụ đo là côn Abrams, có kích thước 203x102x305mm. Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu thử hỗn hợp bê tông theo TCVN 3105:93. Hỗn hợp bê tông được cho vào côn hình nón làm 03 lớp, mỗi lớp 1/3 chiều cao côn hình nón, mỗi lớp đầm 25 lần bằng thanh thép tròn f16. Rút côn hình nón theo chiều thẳng đứng, đảm bảo mẫu bê tông không bị xê dịch trong qua trình rút côn. Đợi cho hỗn hợp bê tông sụt, sau khi bê tông ổn định, đo sự sụt giảm theo chiều cao so với chiều cao ban đầu. Các mẫu cấp phối bê tông được kiểm tra độ sụt tại các thời điểm 0 phút; 30 phút; 60 phút và 90 phút sau khi hoàn thành công tác trộn hỗn hợp bê tông.

2.3 Thí nghiệm tại các mốc thời gian

Nghiên cứu tiến hành khảo sát thông số độ sụt và các thông số ma sát theo thời gian, tại các thời điểm 0 phút; 30 phút; 60 phút và 90 phút. Để đảm bảo sự chính xác, sử dụng đồng hồ bấm giây để xác định các mốc thời gian, mốc thời gian ban đầu được chọn là thời điểm hoàn thành công tác trộn hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông được lưu vữa trong thùng máy trộn, thùng máy trộn phải được che đậy kín để tránh ảnh hưởng của gió, nhiệt độ đến hỗn hợp bê tông. Trước khi tiến hành công tác kiểm tra độ sụt phải tiến hành bật máy cho thùng trộn quay trong thời gian từ 1 đến 2 phút, để đảm bảo hỗn hợp bê tông thí nghiệm được đồng đều. 

3. Cấp phối bê tông thí nghiệm

Các cấp phối được chế tạo đảm bảo chất lượng được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9340-2012 [10]. Có 10 loại cấp phối, được ký hiệu CP và đánh số từ 1 đến 10 (bảng 1). 

 Bảng 1. Các loại cấp phối bê tông thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu, tính cho 1 m³  hỗn hợp bê tông

Vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông thí nghiệm gồm:

• Xi măng PCB40, nhãn thương mại Kim Đỉnh, đảm bảo các yêu cầu theo TCVN 6260-2009 [12].
• Cát vàng có mô đun độ lớn M_dl = 2,9, đảm bảo các yêu cầu theo TCVN 7570-2006 [11].
• Đá dăm loại 0,5x1 và 1x2, đảm bảo các yêu cầu theo TCVN 7570-2006 [11].
• Phụ gia Sika Plast 257, hàm lượng 1.0 lít/100 kg xi măng. Riêng đối với cấp phối CP10, là cấp phối đối chứng không sử dụng phụ gia.
• Nước sạch.

4. Tổng hợp kết quả thí nghiệm và một số kết luận

Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 2.  Bảng này trình bày 3 thông số là độ sụt, ngưỡng trượt bề mặt và hằng số nhớt bề mặt ở 4 thời điểm thí nghiệm lần lượt là: 0 phút, 30 phút, 60 phút và 90 phút sau khi trộn.

 Bảng 2. Kết quả thí nghiệm

Đối với độ sụt, khi không có phụ gia thì độ sụt của CP10 chỉ là 7 cm ở thời điểm sau khi trộn và đồng thời giảm nhanh theo thời gian so với các hỗn hợp bê tông có sử dụng phụ gia. Đối với hỗn hợp có sử dụng phụ gia, nhiều cấp phối thí nghiệm có độ sụt giảm mạnh bắt đầu từ thời điểm 60 phút đến 90 phút. Tương ứng với độ giảm của độ sụt là sự tăng của hằng số nhớt. Sự tăng này thể hiện ở cả cấp phối có phụ gia và cấp phối không có phụ gia. Đối với các cấp phối từ CP1 đến CP9, quy luật thay đổi trung bình của các thông số theo thời gian có thể xấp xỉ bằng các đường bậc 2 với hệ số tương quan  gần bằng 1. Tuy nhiên, đối với thông số ngưỡng trượt, chúng ta quan sát thấy có sự khác biệt giữa hỗn hợp sử dụng phụ gia và không sử dụng phụ gia (CP10). Ngưỡng trượt của hỗn hợp không sử dụng phụ gia tăng dần theo thời gian, trong khi đó ngưỡng trượt của hỗn hợp sử dụng phụ gia 1 lít/100 kgX được quan sát thấy có xu hướng tăng ở thời điểm 30 phút, giảm ở thời điểm 60 phút và sau đó tăng lại ở thời điểm 90 phút. Sự biến đổi này có thể giải thích do tác dụng theo thời gian của phụ gia, trong đó thời điểm 60 phút có thể là thời điểm mà phụ gia có tác dụng mạnh nhất làm giảm sức kháng trượt tĩnh của hỗn hợp. Thông số ngưỡng trượt ban đầu của hỗn hợp là nhân tố đặc trưng cho độ ì ban đầu của bê tông đối với thành ống thép, sẽ ảnh hưởng đến lực đẩy ban đầu cần thiết để bê tông bắt đầu chuyển động trong ống bơm, tức là ảnh hưởng đến áp lực bơm ban đầu. Khi bê tông đã dịch chuyển thì hằng số nhớt bề mặt lại là thông số ảnh hưởng và quyết định đến lưu lượng bơm khi có một lực đẩy cố định. Sự thay đổi của ngưỡng trượt khác với quy luật thay đổi của độ sụt cho thấy nếu chỉ sử dụng thông số độ sụt thì không phản ánh hết được tính dễ/khó bơm của bê tông cũng như định lượng được áp lực bơm cần thiết.  

Kết luận

Trong nghiên cứu này, đã sử dụng máy khuấy cơ điện tử để thực hiện phép đo các thông số ma sát, đồng thời nghiên cứu thông số độ sụt bằng côn Abram truyền thống. Thí nghiệm theo thời gian từ ngay sau khi trộn đến thời điểm 90 phút, là thời điểm mà bê tông được lưu giữ trong quá trình vận chuyển từ trạm trộn đến công trường. Qua nghiên cứu trên 10 cấp phối, xét ở 4 mốc thời gian, xét ở góc độ thay đổi thể tích hồ xi măng và hàm lượng xi măng, có xét đển yếu tố phụ gia, rút ra một số kết luận như sau:   

• Việc tăng thể tích hồ xi măng sẽ làm giảm đáng kể ma sát giữa hỗn hợp bê tông với thành ống bơm. Có một ngưỡng bão hòa của thể tích hồ mà từ đó, việc tăng thể tích hồ sẽ không làm giảm ma sát thành.
• Thời gian có tác động mạnh đến các thông số độ sụt, ma sát với quy luật khó xác định, sự thay đổi của thông số ma sát có thể khác với sự biến đổi của thông số độ sụt theo thời gian khi có thêm yếu tố phụ gia. Như vậy thông số độ sụt sẽ không đủ để đánh giá tính dễ bơm của bê tông.
• Hàm lượng xi măng, nhân tố chủ yếu tạo nên thể tích hồ cùng với nước là yếu tố chủ yếu làm suy giảm ma sát giữa hỗn hợp bê tông với thành ống bơm.
• Một vài gợi ý có thể rút ra cho việc thiết kế cấp phối bê tông bơm như sau:

• Đối với cấp phối hỗn hợp bê tông không yêu cầu cao về cường độ, giải pháp hợp lý để làm giảm các thông số ma sát là điều chỉnh N/X theo hướng tăng dần.
• Đối với hỗn hợp bê tông có yêu cầu cao về cường độ, thì giải pháp hợp lý để làm giảm các thông số ma cát là tăng hàm lượng xi măng kết hợp với việc tăng tỉ lệ N/X ở một mức độ vừa phải.

Cụ thể xem file đính kèm.