Tin tức

Tính lưu biến của bê tông và các yếu tố ảnh hưởng

Posted on by vlpus

 

1. Các Chỉ Số Lưu Biến (Rheological Parameters)

Trong khoa học lưu biến, các đặc tính lưu biến của vật liệu hoặc chất lỏng được mô tả bằng cách biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất cắt (shear stress) và tốc độ cắt (shear rate). Đối với bê tông tươi, nó được xác định là một chất lỏng Bingham. Mô hình Bingham mô tả mối quan hệ ứng suất cắt – tốc độ cắt bằng hai thông số vật liệu chính:

  • Ứng suất chảy (Yield Stress), τ₀: Đây là ứng suất tối thiểu cần thiết để bắt đầu dòng chảy của vật liệu.
    • Có hai loại ứng suất chảy được xem xét:
      • Ứng suất chảy tĩnh (Static Yield Stress): Ứng suất cần thiết để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng (từ trạng thái nghỉ sang trạng thái chảy). Đối với vật liệu gốc xi măng, ứng suất chảy tĩnh tăng theo thời gian do hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt (thixotropy).
      • Ứng suất chảy động (Dynamic Yield Stress): Thường được xem là ứng suất biểu kiến khi vật liệu chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (từ trạng thái chảy sang trạng thái nghỉ). Đây là một giá trị ngoại suy dựa trên đường cong chảy (quan hệ ứng suất cắt – tốc độ cắt).
  • Độ nhớt dẻo (Plastic Viscosity), μp: Đây là thước đo lực cản của khối vật liệu đối với sự tăng tốc độ dòng chảy. Trong mô hình Bingham, độ nhớt dẻo là độ dốc của mối quan hệ ứng suất cắt – tốc độ cắt. Độ nhớt càng cao thì sức cản dòng chảy của vật liệu càng lớn.

Ngoài ra, một khái niệm quan trọng khác là hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt (Thixotropy), là sự cứng lại có thể đảo ngược của vật liệu theo thời gian khi ở trạng thái nghỉ, và khả năng tái lỏng hóa khi bị cắt. Điều này có bản chất vật lý do sự kết tụ hạt và khác với sự cứng lại do thủy hóa (có bản chất hóa học).

2. Cơ Chế và Phương Pháp Xác Định Ứng Suất Chảy và Độ Nhớt Dẻo

Cơ chế của bê tông như một chất lỏng Bingham:

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bê tông là một chất lỏng Bingham. Lưu lượng của bê tông được đo tốt hơn theo ứng suất cắt (τ) và tốc độ cắt (ẏ). Mối quan hệ này được biểu diễn bằng Phương trình 1: τ = τ₀ + μpẏ Trong đó τ là ứng suất cắt, τ₀ là ứng suất chảy, μp là độ nhớt dẻo và ẏ là tốc độ cắt. So với mô hình Newton, mô hình Bingham có thêm thông số ứng suất chảy τ₀. Về mặt vật lý, ứng suất chảy đại diện cho lực cần thiết để bắt đầu dòng chảy, trong khi độ nhớt dẻo là thước đo lực cản của khối bê tông đối với sự tăng tốc độ dòng chảy.

Các phương pháp xác định:

Các phương pháp thử nghiệm khả năng làm việc (workability) phổ biến nhất hiện nay dựa trên các phương pháp thực nghiệm, chẳng hạn như thử nghiệm độ sụt (slump test). Tuy nhiên, tại cùng một giá trị độ sụt, hai loại bê tông có thể thể hiện khả năng làm việc khác nhau. Điều này là do thử nghiệm độ sụt tiêu chuẩn chỉ liên quan đến ứng suất chảy, và một thông số duy nhất không thể đánh giá đầy đủ các đặc tính dòng chảy của bê tông.

Các phương pháp đo lưu biến có thể được phân loại thành thử nghiệm một điểm (single-point tests) và thử nghiệm hai điểm (two-point tests).

  • Thử nghiệm một điểm (Single-point tests):
    • Ví dụ: thử nghiệm độ sụt, que xuyên (Kelly ball, Vicat, và Wigmore), và thử nghiệm K-slump được sử dụng để đo ứng suất chảy của bê tông.
    • Thử nghiệm độ sụt, được phát triển vào đầu những năm 1920, đã nhanh chóng được chấp nhận vì tính đơn giản của nó. Tuy nhiên, nó không đủ để đánh giá đầy đủ đặc tính dòng chảy của bê tông hiện đại, đặc biệt với các hỗn hợp có phụ gia hóa học.
  • Thử nghiệm hai điểm (Two-point tests):
    • Nhiều thử nghiệm hai điểm đã được phát triển để đo cả ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
    • Trong Phương trình 1, ứng suất cắt phải được đo với ít nhất hai tốc độ cắt khác nhau để ước tính các hằng số Bingham (ứng suất chảy và độ nhớt dẻo).
    • Ví dụ: máy đo độ sệt Vee-Bee, thiết bị LCL, thử nghiệm hình nón chảy (flow cone test) và thiết bị Orimet.
  • Máy đo lưu biến quay (Rotational Rheometers):
    • Đây là thiết bị tiêu chuẩn dùng để đặc trưng các tính chất lưu biến của chất lỏng, và đã có nhiều nỗ lực để điều chỉnh chúng cho bê tông.
    • Các máy đo này áp dụng lực cắt liên tục lên mẫu bê tông thông qua chuyển động quay ở mô-men xoắn hoặc tốc độ được kiểm soát.
    • Từ việc đo mô-men xoắn và tốc độ quay, các thông số lưu biến như ứng suất chảy và độ nhớt dẻo có thể được tính toán.
    • Thiết kế và hình học: Máy đo lưu biến cho bê tông phải được thiết kế cẩn thận do kích thước hạt cốt liệu lớn và đa dạng.
      • Hầu hết các cấu hình hình học dựa trên xi lanh đồng trục (như Hình 3a và 3b), bao gồm một xi lanh bên trong (gọi là bob) được lắp vào một xi lanh bên ngoài.
      • Các hình học khác nhau có thể được sử dụng cho bob, bao gồm xi lanh đồng trục rắn, xi lanh đồng trục có đáy lõm (Hình 3b), hình học khe hở đôi (Hình 3c), cánh khuấy và cánh khuấy xoắn ốc (Hình 3d).
      • Cũng có các loại máy đo lưu biến hình nón và đĩa (Hình 3f) hoặc đĩa song song (Hình 3g) thường được sử dụng với bê tông.
      • Bề mặt của xi lanh đồng trục và đĩa song song thường được tạo nhám để ngăn ngừa trượt giữa bê tông và bề mặt của máy đo lưu biến.
    • Tính toán: Trong máy đo lưu biến xi lanh đồng trục và đĩa song song, ứng suất chảy và độ nhớt dẻo được tính toán trực tiếp từ mô-men xoắn và tốc độ quay. Tuy nhiên, trong máy đo lưu biến cánh khuấy, chúng không thể được tính trực tiếp, cần sử dụng chất lỏng hiệu chuẩn tiêu chuẩn để thiết lập mối quan hệ giữa mô-men xoắn đo được và tốc độ quay.
    • Hạn chế và sự tương quan: Mặc dù các máy đo lưu biến bê tông đã được sử dụng thành công với nhiều loại bê tông (như SCC và bê tông sợi gia cường), chúng không được khuyến nghị cho bê tông cứng. Các máy đo lưu biến khác nhau có thể cho ra các giá trị tuyệt đối khác nhau của các thông số lưu biến, nhưng mức độ tương quan giữa các cặp máy đo là tốt. Sự khác biệt về giá trị tuyệt đối được cho là do các yếu tố như trượt tường, nhiễu hạt và việc sử dụng các vật liệu hiệu chuẩn khác nhau.
    • Nhiều nỗ lực đang được tiến hành để phát triển vật liệu tham chiếu tiêu chuẩn (SRM) để hiệu chuẩn máy đo lưu biến và hướng dẫn sử dụng chúng trong đặc trưng hóa vật liệu xi măng.
  • Quy trình thử nghiệm với máy đo lưu biến:
    • Thử nghiệm đường cong chảy (Flow curve test): Thực hiện bằng cách cắt bê tông ở các tốc độ cắt khác nhau và đo sức cản dòng chảy. Ban đầu, một tốc độ cắt cao, không đổi được áp dụng để đưa mẫu về trạng thái tham chiếu, nhằm chuẩn hóa ảnh hưởng của hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt lên ứng suất cắt đo được. Sau đó, tốc độ cắt được giảm dần và các giá trị sức cản xoắn tương ứng được chuyển đổi thành ứng suất cắt. Bởi vì dữ liệu được lấy ở tốc độ cắt giảm dần, kết quả thường được gọi là đường cong giảm (down curve). Nếu dữ liệu được khớp với một hàm tuyến tính, giao điểm là ứng suất chảy Bingham (ứng suất chảy động) và độ dốc là độ nhớt dẻo.
    • Thử nghiệm tăng ứng suất (Stress growth test): Được sử dụng để xác định ứng suất chảy tĩnh (từ trạng thái nghỉ sang trạng thái chảy) và cách thuộc tính này tăng lên theo thời gian nghỉ. Thử nghiệm được thực hiện bằng cách áp dụng tốc độ cắt rất thấp lên bê tông ban đầu ở trạng thái nghỉ, tăng biến dạng cho đến khi bê tông bắt đầu chảy (chảy). Ứng suất cắt tối đa từ biểu đồ ứng suất cắt so với biến dạng cắt (hoặc thời gian) bằng với ứng suất chảy tĩnh.

3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Các Thông Số Ứng Suất Chảy và Độ Nhớt Dẻo

Tất cả các khía cạnh của việc thiết kế hỗn hợp bê tông hiệu năng cao (HPC), chẳng hạn như hàm lượng và đặc tính của xi măng, tỷ lệ nước/vật liệu xi măng (w/cm), vật liệu xi măng bổ sung (SCMs), liều lượng và loại phụ gia hóa học, tính chất và hàm lượng cốt liệu, và cấp phối đều đóng vai trò quan trọng trong đặc tính lưu biến của nó.

Dưới đây là tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến lưu biến của HPC (ứng suất chảy và độ nhớt dẻo):

  • Hàm lượng xi măng:
    • Tăng hàm lượng xi măng: Giảm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
  • Hàm lượng nước:
    • Tăng hàm lượng nước: Giảm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
    • Giảm tỷ lệ nước/vật liệu xi măng (w/cm): Tăng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hồ xi măng.
  • Cốt liệu (Aggregates):
    • Tỷ lệ thể tích: Tăng -> Tăng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
    • Hình dạng: Cốt liệu tròn và ít góc cạnh cho hiệu suất tốt hơn so với cốt liệu dẹt, góc cạnh và thon dài.
    • Độ nhám bề mặt: Bề mặt nhẵn tốt hơn so với bề mặt thô.
    • Cấp phối: Cấp phối đồng đều và mật độ đóng gói cao cho hiệu suất tốt hơn. Giảm kích thước cốt liệu tối đa giúp giảm phân tầng.
    • Hàm lượng hạt mịn (microfines): Ảnh hưởng phức tạp.
    • Tỷ lệ cát/cốt liệu: Giá trị tối ưu.
    • Độ góc cạnh, kết cấu bề mặt, kích thước hạt tối đa, cấp phối, sự sắp xếp và hàm lượng cốt liệu đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt và ứng suất chảy của bê tông.
  • Vật liệu xi măng bổ sung (Supplementary Cementitious Materials – SCMs):
    • Tro bay (Fly ash): Giảm ứng suất chảy, ảnh hưởng phức tạp đến độ nhớt dẻo.
    • Xỉ hạt lò cao nghiền (GGBS): Ảnh hưởng phức tạp đến ứng suất chảy, Tăng độ nhớt dẻo.
    • Silica fume:
      • Liều lượng thấp: Giảm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
      • Liều lượng cao: Giảm ứng suất chảy, Tăng độ nhớt dẻo.
  • Phụ gia (Admixtures):
    • Phụ gia giảm nước (Water-reducing – WRA): Giảm ứng suất chảy, ảnh hưởng phức tạp đến độ nhớt dẻo. WRAs và VMAs có thể cải thiện khả năng đổ, đầm chặt và hoàn thiện bê tông, thậm chí tăng hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt mà không cần điều chỉnh hàm lượng nước.
    • Phụ gia cuốn khí (Air entraining): Ảnh hưởng phức tạp đến ứng suất chảy, Giảm độ nhớt dẻo.
    • Phụ gia điều chỉnh độ nhớt (Viscosity modifying – VMA): Tăng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
  • Hàm lượng sợi (Fiber content):
    • Tăng hàm lượng sợi: Tăng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo.
  • Thời gian: Các đặc tính lưu biến của vật liệu gốc xi măng cũng sẽ thay đổi theo thời gian do hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt và thủy hóa.

Để đạt được chất lượng tốt hơn bằng cách hạn chế phân tầng, tạo bề mặt hoàn thiện tốt, giảm thiểu áp lực bơm hoặc kiểm soát áp lực khuôn, cần phải cân bằng các đặc tính lưu biến của bê tông. Ví dụ:

  • Kiểm soát phân tầng: Bằng cách tăng ứng suất chảy hoặc độ nhớt dẻo, nhưng cần lưu ý rằng tăng cả hai quá mức sẽ dẫn đến bê tông rất cứng. Độ nhớt cao và hiện tượng biến đặc đẳng nhiệt là cần thiết để giảm thiểu sự phân tầng.
  • Đạt được bề mặt hoàn thiện tốt: Bằng cách có độ nhớt dẻo phù hợp; nếu quá thấp, sẽ xảy ra phân tầng; nếu quá cao, bọt khí không thể thoát ra. Nếu ứng suất chảy tăng, cần đầm chặt bê tông để loại bỏ khí.
  • Giảm áp lực bơm: Chủ yếu bằng cách giảm độ nhớt dẻo. Giảm ứng suất chảy sẽ không làm giảm đáng kể áp lực bơm.
  • Giảm áp lực khuôn: Có thể bằng cách tăng ứng suất chảy hoặc độ nhớt dẻo. Đối với bê tông tự đầm (SCC), việc tăng tốc độ tăng các đặc tính lưu biến (thixotropy) có thể giảm áp lực khuôn.
Translate »