Báo cáo tóm tắt Đề tài Dự tính áp lực bơm trực tiếp từ các thông số thành phần bê tông

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Với các công trình xây dựng sử dụng vật liệu bê tông thì công

nghệ bơm bê tông ngày càng được sử dụng gần như chủ đạo thay thế

cho các kiểu thi công truyền thống. Việc kiểm soát chất lượng thi

công lâu nay chủ yếu theo trình tự: dựa trên mác bê tông (cấp độ

bền) do thiết kế xác định, tiếp theo là khâu thiết kế cấp phối do tư

vấn và nhà thầu thuê đơn vị chuyên môn độc lập thực hiện dựa trên

vật liệu sử dụng - phương pháp trộn..., khi thi công ở hiện trường chỉ

kiểm tra độ sụt vữa bê tông (tương ứng với mác bê tông và phương

pháp trộn) kết hợp lấy mẫu để kiểm tra cường độ sau này.

Trong thực tế, khi thi công những công trình ở những điều kiện

thi công đặc biệt như: thời tiết quá khắc nghiệt (quá nóng hay quá

lạnh, khí hậu quá khô hay quá ẩm...), hoặc như khi công trình quá

lớn (công trình cao tầng hay có mặt bằng khá rộng), hoặc khi bê tông

có mác khá cao (thường độ sụt thấp)... dẫn đến vữa bê tông không có

đủ độ linh động cần thiết để có thể bơm được. Các biện pháp xử lý

liên quan đến cấp phối vữa bê tông thường là tốn kém và ảnh hưởng

đến chất lượng bê tông sau này.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi bê tông chảy trong đường ống

bơm (thường bằng thép), chúng tạo ra ở bề mặt tiếp xúc giữa bê tông

và thành ống bơm một lớp vữa mỏng gọi là lớp ma sát biên (như

hình bên dưới đây). Thành phần và tính chất của lớp biên này sẽ

quyết định một bê tông nào đó là khó hay dễ bơm.

Hình 1. Mô hình dòng chảy của bê tông trong ống bơm.

2

Các đặc tính lưu biến của lớp biên này còn được gọi là các thông

số ma sát (gồm hằng số nhớt  và ngƣỡng trƣợt _0t), và khả năng

bơm của một bê tông phụ thuộc chính bởi các thông số này.

Thực tế có nhiều phương pháp dự tính áp lực bơm, hoặc có khi là

dựa vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên vận hành, hoặc đơn giản nhất

là dựa theo các bảng tra hoặc đồ thị để xác định áp lực bơm cần thiết,

tuy nhiên sử dụng mô hình dự tính áp lực bơm của [KAPLAN 2000]

vẫn thuận lợi nhất và được sử dụng phổ biến nhất.

Từ mô hình có thể thấy để xác định được áp lực bơm, cần xác

định các thông số lưu biến, thông số ma sát hay cả hai nhóm thông số

này tùy loại bê tông và chế độ dòng chảy bê tông trong ống bơm. Để

xác định các thông số này cần phải có thiết bị đo chuyên dùng, người

vận hành cũng như chỉ có thể đo thử nghiệm hàng loạt trên thực tế

hiện trường mới dự tính ra được áp lực bơm cần thiết quá tốn kém.

Nếu các thông số này được mô hình hóa sẽ giúp cho việc dự tính áp

lực bơm cần thiết rút ngắn thời gian thi công.

Một mô hình thông số hằng số nhớt đã được đề xuất bởi [NGO et

al. 2011] và một mô hình thông số ngưỡng trượt cũng đã được đề

xuất bởi chính tác giả và cộng sự trong nghiên cứu tiến sĩ tại Pháp

[MAI et al. 2014].

Thông số ma sát ngưỡng trượt _0tđặc trưng cho tính ì ban đầu của

dòng bê tông trong ống bơm, ngưỡng trượt càng lớn nghĩa là cần

phải có một áp lực bơm ban đầu đủ lớn để có thể đẩy bê tông dịch

chuyển trong ống bơm. Các sự cố trong quá trình thi công bơm bê

tông liên quan đến thông số ngưỡng trượt khá phổ biến nhất là ở thời

điểm bắt đầu bơm hay khi phải khởi động bơm lại. Thông số này phụ

thuộc đặc trưng, tính chất, cấp phối vật liệu sử dụng nên được đề

xuất lựa chọn để cải tiến lại xét đến vật liệu sử dụng ở Việt Nam

(thông qua chương trình thí nghiệm sẽ trình bày trong chương III) là

mục tiêu thứ nhất của đề tài này.

Trên cơ sở hai mô hình tính thông số bơm, mục tiêu thứ hai của

3

đề tài là thiết lập một công cụ tính toán đơn giản nhưng tự động hóa

được phần nào việc dự tính áp lực bơm ngay tại thực tế trạm trộn hay

công trường trực tiếp từ các thông số thành phần bê tông thông qua

mô hình Kaplan.

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BƠM BÊ TÔNG

1.1. CÔNG NGHỆ BƠM BÊ TÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH

HƢỞNG LÊN KHẢ NĂNG BƠM CỦA BÊ TÔNG

1.1.1 Công nghệ bơm bê tông

Hình 1.2. Công nghệ thi công bơm bê tông

Hình 1.2 có thể mô tả sơ bộ công nghệ bơm bê tông trên các công

trường xây dựng.

1.1.2 Ƣu và nhƣợc điểm của kỹ thuật bơm bê tông

1.2. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY CỦA

BÊ TÔNG TRONG ỐNG BƠM

1.2.1 Trạng thái lƣu biến - phép đo thông số lƣu biến của vữa

bê tông

a) Trạng thái lƣu biến của vữa bê tông

Đồ thị biểu diễn trạng thái lưu biến của hai vữa bê tông được

minh họa trong Hình 1.14. Trạng thái lưu biến của vữa bê tông được

mô tả thông qua hai thông số: ngưỡng cắt (τ₀) và độ nhớt (μ). Để vữa

bê tông trong trạng thái linh động để có thể bắt đầu “chuyển động”

được, cần phải có lực/áp lực tối thiểu tương đương với giá trị của

4

ngưỡng cắt, một khi sự xê dịch hay chuyển động được bắt đầu, lực

cần thiết để làm biến dạng/ dịch chuyển bê tông sẽ tỷ lệ thuận với tốc

độ cắt [HU 1995].

Hình 1.14. Các trạng thái lưu biến của vữa bê tông tươi

b) Phép đo thông số lưu biến của vữa bê tông

1.2.2 Thông số ma sát - phép đo thông số ma sát

a) Thông số ma sát

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ma sát ở ở bề mặt tiếp

xúc với thành ống bơm này được quyết định chủ yếu bởi hai thông số

ma sát: ngưỡng trượt (_0t) và hằng số nhớt (). Mối quan hệ giữa

chúng được biểu diễn bởi phương trình Eq. 1.2 được đề xuất bởi

[KAPLAN 2000].

 _0tv

(Eq. 1.2)

Trong đó:

– (Pa) là ứng suất cắt ở bề mặt giao diện tiếp xúc;

– _0t(Pa) là ngưỡng trượt; - (Pa.s/m) là hằng số nhớt;

– (m/s) là vận tốc trượt tương đối.

b) Phép đo thông số ma sát

1.3. PHƢƠNG PHÁP DỰ TÍNH KHẢ NĂNG BƠM

Có nhiều phương pháp dự tính áp lực bơm, đơn giản nhất là dựa

theo các bảng tra hoặc đồ thị hoặc cũng có thể dựa vào các mô hình

tính của các tác giả như [CHAPDELAINE 2007, CHOUINARD

1999]..., tuy nhiên sử dụng mô hình của [KAPLAN 2000] vẫn thuận

5

lợi nhất và được sử dụng phổ biến nhất. Mô hình này cho thấy sự

tiến triển của áp lực bơm - lưu lượng theo hai trang thái (1) và (2)

khác nhau như Hình 1.22.

Ở phần (1) của mô hình, lúc này dòng chảy của bê tông trong ống

bơm là dòng chảy trượt nhờ lớp ma sát tạo ra ở biên, áp lực bơm phụ

thuộc chủ yếu vào các thông số ma sát ở bề mặt (hằng số nhớt và

ngưỡng trượt) theo công thức Eq. 1.4:

Hình 1.22. Mô hình dự tính áp lực bơm bởi [KAPLAN 2000]

(Eq. 1.4)

Khi lưu lượng bơm vượt qua giá trị Q₁xác định theo công thức

Eq. 1.5, ứng suất cắt ở bề mặt tiếp xúc vượt qua ứng suất cắt của bê

tông, dòng chảy của bê tông trong ống bơm có hiện tượng cắt ở vùng

tiếp xúc, được mô tả như ở Hình 1.12 (2).

(Eq. 1.5)

Lúc này áp lực bơm vừa phụ thuộc các thông số ma sát vừa phụ

thuộc các thông số lưu biến, xác định như công thức Eq. 1.6.

(Eq. 1.6)

Trong đó:

6

 P (Pa): áp lực bơm; L (m): chiều dài đường ống;

 R (m): bán kính đường ống bơm; Q (m³/h): lưu lượng bơm

trung bình; k_r: hệ số lấp đầy (k_r= 0,8 với bơm cố định, k_r= 0,7

với bơm di động) [KAPLAN 2000];

 _0i(Pa)ngưỡng trượt (đo bởi thiết bị đo ma sát);

 (Pas/m)hằng số nhớt (đo bởi thiết bị đo ma sát);

 ₀(Pa): ngưỡng cắt của bê tông (đo bởi thiết bị đo lưu biến);

 (Pas)độ nhớt của bê tông (đo bởi thiết bị đo lưu biến).

1.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY - ĐẶT VẤN ĐỀ CẦN

NGHIÊN CỨU - KẾT LUẬN CHƢƠNG

1.4.1 Kết quả nghiên cứu gần đây

Ở Việt Nam thì lĩnh vực nghiên cứu về lưu biến bê tông cũng như

bơm bê tông cũng có phần hạn chế, bên cạnh vấn đề đầu tư hệ thống

thiết bị phần khác cũng còn là vấn đề chuyên gia, kỹ thuật viên cũng

như đào tạo.

1.4.2 Đặt vấn đề nghiên cứu - Kết luận chƣơng

Thực tế có nhiều phương pháp dự tính áp lực bơm, tuy nhiên sử

dụng mô hình dự tính áp lực bơm của [KAPLAN 2000] vẫn thuận

lợi nhất và được sử dụng phổ biến nhất. Mô hình này đã được trình

bày tổng hợp như trong Mục I.3 của chương này.

Từ mô hình có thể thấy để xác định được áp lực bơm, cần xác

định các thông số lưu biến, thông số ma sát hay cả hai nhóm thông số

này tùy loại bê tông và chế độ dòng chảy bê tông trong ống bơm. Để

xác định các thông số này cần phải có thiết bị đo chuyên dùng, người

vận hành cũng như chỉ có thể đo thử nghiệm hàng loạt trên thực tế

hiện trường mới dự tính ra được áp lực bơm cần thiết quá tốn kém.

Nếu các thông số này được mô hình hóa sẽ giúp cho việc dự tính áp

lực bơm cần thiết rút ngắn thời gian thi công.

Với bê tông thường và bê tông cường độ cao, dòng chảy của bê

tông trong ống bơm chủ yếu là dòng chảy trượt (chảy đùn), áp lực

7

bơm chủ yếu phụ thuộc vào các thông số ma sát là ngưỡng trượt và

hằng số nhớt. Một mô hình thông số hằng số nhớt đã được đề xuất

bởi [NGO et al. 2011] và một mô hình thông số ngưỡng trượt cũng

đã được đề xuất bởi chính tác giả và cộng sự trong nghiên cứu tiến sĩ

tại Pháp [MAI et al. 2014].