ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN VÀ CỐT THÉP ĐẾN KHẢ NĂNG LẤP ĐẦY VÁN KHUÔN CỦA BÊ TÔNG NHẸ TỰ NÂNG

PGS.TS. Trần Thế Truyền – Trường Đại học Giao thông vận tải.

ThS. Thái Thanh Tịnh – Trường Đại học Vinh

Tóm tắt:

Dòng chảy của bê tông nhẹ tự đầm (SCC) trong ván khuôn được mô phỏng số như là dòng chảy đồng nhất qua hai mặt phẳng. Dòng chảy bê tông với đặc trưng lưu biến khác nhau (ngưỡng chảy và độ nhớt) đã được phân tích ứng với các điều kiện khác nhau về cốt thép như là khoảng cách giữa các cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Đặc trưng lưu biến tối ưu của bê tông trong các trường hợp được xác định nhằm tránh sự xuất hiện vùng chết của bê tông. Kết quả mô phỏng số thấy rằng sự xuất hiện của vùng chết giảm khí mà khoảng cách cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng lên.

Tự khóa: Bê tông nhẹ tự đầm, dòng chảy bê tông, ngưỡng chảy.

ABSTRACT: the flow of self-compacting concrete (SCC) in the formwork is modeled as uniform flow through the two planes. Flow concrete with different rheological characteristics (threshold flow and viscosity) were analyzed with the different conditions of reinforcement as reinforcement spacing and thickness of concrete protection. Optimal rheological characteristics of the concrete in the case is determined to avoid the appearance of concrete dead zones. The simulation results show that the number of dead zones appear that distance gas reduction and reinforced concrete thickness increased protection.

Keywords: self-compacting lightweight concrete, concrete flow, flowing threshold.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Bê tông tự đầm là một loại bê tông có thể đổ vào  ván khuôn mà không cần bất cứ năng lượng nào để đầm lên [1]. Chính vì vậy, bê tông sau khi đông cứng phụ thuộc rất nhiều vào hình thái dòng chảy trong ván khuôn [2]. Một vài nghiên cứu gần đây đã chỉ ra sự xuất hiện của các vùng chết, sự phân tầng được hình thành khi vận tốc tiếp tục tăng lên, quá trình lấp đầy ván khuôn được coi như là một hàm của ngưỡng chảy  của bê tông.

Việc xuất hiện vùng chết trong quá trình đổ bê tông dẫn đến sưj suy giảm đặc tính cơ học cũng như độ bền của cấu kiênj. Các nghiên cứu đã chỉ ra sự xâm nhập của không khí sẽ tăng vùng chết khi đổ bê tông và hậu quả của nó là cường độ bê tông giảm một cách rõ rệt [3]. Đối với bê tông truyền thống, điều này có thể khắc phục bằng việc đầm sau quá trình đổ. Nhưng đối với bê tông tự đầm, việc sử dụng đầm là hy hữu, do đso cần phải có những nghên cứu sâu hơn nhằm tránh sự xuất hiện vùng chết của bê tông trong quá trình đổ.

Bê tông nhẹ thường  hay được sử dụng là bê tông có cốt liệu nhẹ. Tuy nhiên, do cốt liệu nhẹ nên bê tông dễ bijphana tầng trong quá trình dầm lên [5]. Do vậy, nghiên cứu chế tạo cấp phối bê tông nhẹ tự đầm là rất cần thiết. Nhằm hạn chế việc phải làm thí nghiệm quá nhiều, dòng chảy bê tông có thể mô phỏng số bằng việc mô phỏng bê tông bằng một chất đồng nhất. Tuy nhiên, dòng chảy của bê tông với sự góp mặt của cốt thép vẫn chưa được nghiên cứu sâu.

Bài báo giới thiệu kết quả mô phỏng số của dòng chảy bê tông nhẹ tự dầm trong ván khuôn. Bằng việc thay đổi tham số đặc tính lưu biến của bê toongn cho phép nghiên cứu sự xuất hiện khuyết tật trong quá trình đổ bê tông. Dòng chảy của bê tông tự dầm trong ván khuôn được mô phỏng dòng chảy một pha và chảy đều. Nghiên cứu sẽ tập trung vào sự xuất hiện vùng chết khi mà quá trình đổ bê tông dừng lại. Ảnh hưởng của cốt thép đến dòng chảy của bê tông tự đầm trong cốt thép đến dòng chảy của bê tông tự đầm trong cốt thép được nghiên cứu bằng cách xe xét bốn trường hợp khác nhau về khoảng cách giữa cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ là một trong những tham số quan trọng đối với độ bền của kết cấu, trong khi đó khoảng cách giữa các cốt thép sẽ quyết định đến khả năng chịu lực của kết cấu. Hai thông số trên thường được cố định trong quá trình thiết kế [4]. Trong bài toán này, chỉ có đặc tính lưu biến của bê tông tươi được thay điỉu nhằm đánh giá sự xuất hiện của vùng chết. Mục tiêu đặt ra là tìm được độ nhớt và ngưỡng chảy tối ưu nhằm tránh sự xuất hiện của vùng chết trong quá trình đổ bê tông.

2. MÔ HÌNH

2.1. Phương trình dòng chảy

Bê tông nhẹ tự đầm được xem như là một chất lỏng không nén được, chế độ chảy là đều và được xem như chất lỏng Bingham. Khi lực tác dụng lên chất lỏng nhỏ hơn ngưỡng chảy (t₀), không xuất hiện dòng chảy. Khi lực tác dụng lên chất lỏng lớn hơn ngưỡng chảy xuất hiện dòng chảy. Ứng suất tiếp trong dòng chảy tỷ lệ thuận với vận tốc cắt.

Để giải quyết bài toán, hai phương trình thường được xem xét là phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình cân bằng động lực học ( - Khối lượng thể tích, U – Vector vận tốc, t – Thời gian; p – Áp suất; - Tens[ ướng suất và g – Gia tốc trọng trường)

Trong đó  -  Độ nhớt; -  Ngưỡng chảy; -  Tham số thường sử dụng trong mô phỏng số dòng chảy Bingham nhằm giúp cho kết quả mô phỏng được hội tụ. Xuất phát từ cơ sở lý thuyết như vậy, dòng chảy bê tông được mô hình trên phần mềm Consol Multiphysics. 

2.2. Phương pháp

2.2.1. Tham số mô hình

Hình 2.1. Sơ đồ mô hình hóa trong Consol Multiphysics.

Mô hình được xem xét như ở hình 2.1.. Ván khuôn được xem xét trên 01m chiều dài với chiều cao là 0,2m. Thép ở gần thành ván khuôn được khai bao có hình tròn với đường kính là 0,012m. Khoảng cách giữa tim cốt thép đến bề mặt ván khuôn ký hiệu là d; khoảng cách giữa các cốt thép là d_p. Mô hình xem xét các trường hợp khác nhau và được tổng hợp trong bảng 2.1. Trường hợp A xem xét hiệu ứng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ, trong khi đó khoảng cách các cốt thép được nghiên cứu trong trường hợp B.

Bảng 2.1.Thông số cảu D_w và d_p trong các trường hợp nghiên cứu

Vận tốc vào trung bình làU = 0,1m/s, trong khi đó ở đầu ra áp suất P = 01Pa. Điều kiện biên cảu các mặt tiếp xúc với dòng chảy được coi như dính bám hoàn toàn.

Bảng 2.2. Giá trịnh của và  

2.2.2. Xác định vùng chết

Vùng chết được xác định là vùng không thể chảy với vận tốc nhỏ. Vùng nàyđược xác định thông qua bản đồ 2D không thử nguyên vận tốc U = u/U và biểu đồ không thử nguyên của ứng xuất tiếp…. Vùng mà có y và.. nhỏ hơn 1 được coi là vùng chết. Vùng có vận tốc nhỏ (u<1) thường được tìm thấy giữa cốt thép và ván khuôn. Trong khi đó, vùng không chảy (t<1) cũng xác định được vùng chết. Sự xuất hiện vùng chết trong quá trình đổ dẫn đến sự xâm nhập bọt khí vào trong bê tông, làm cho suy giảm cường độ và độ bền của cấu kiện sau khi đổ.

2.2.3. Đặc tính lưu biến khi đổ bê tông

Đặc tính lưu biến của bê tông phụ thuộc vào hai tham số và . Do đó, rất khó để xem xét độc lập một trong hai tham số. Mô hình sẽ xem xét trường hợp  lớn và t nhỏ sau đó sẽ giảm dần  và tăng t.

Độ nhớt cao và ngưỡng chảy bẻ thì cơ hội xuất hiện vùng chết là thấp. Tuy nhiên, bê tông tươi có độ nhớt cao cần nhiều năng lượng để đổ, đó chính là trường hợp bê tông thường. Trong khi đó, bê tông có độ nhớt thếp có thể tự chảy dễ có đặc tính cơ lý thấp do xuất hiện nhiều vùng khi trong bê tông. Mặt khác, vật liệu có

nhỏ và T lớn sẽ mất ít năng lượng hơn khi đổ nhưng khả năng xuất hiện vùng chết cao. Trong các trường hợp, mô phỏng số ứng với (=100Pas và t = 02Pa) luôn được sử dụng. Thường thì kết quả mô phỏng cho thấy không có xuất hiện của vùng chết trong bê tông. Sau đó, các tham số lưu biến được thay đổi theo như bảng 2.2. đến khi xuất hiện vùng chết, từ đó tìm ra cặp giá trị tối ưu.

3. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT

3.1. Trường hợp A: Hiệu ứng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ d_w.

Hai trường hợp khác nhau được mô phỏng nhằm xác định ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến hình thái dòng chảy. Trong trường hợp, chỉ có d_w thay đổi; d_p không đôi bằng 0,1m

Kết quả trong trường hợp A-1 được xem xét trong hình 3.1 và hình 3.2 .Trường hợp=100Pas và t=02Pas được xem xét trước. Kết quả U trên hình 3.1a cho phép thấy rằng, vận tốc dòng chảy nhỏ hơn U trong vùng cốt thép gần ván khuôn và vận tốc lớn hơn ở vùng trung tâm, không vùng chết nào xuất hiện trong trường hợp này như trong hình 3.1b. Điều này có thể giải thích là khi giá trị của lớn, tất cả ứng suất tiếp trong dòng chảy đều lớn hơn ngưỡng chảy.

Nếu giữ nguyên đặc trưng hình học, đặc trưng lưu biến thay đổi như trong Bảng 2.2. cho đến khi vùng chết được xuất hiện. Trong trường hợp này, tiến hành giảm m và tăng t cho đếnkhi giá trị của t trở nên bé đi làm tăng khả năng xuất hiện vùng chết. Kết quả trên hình 3.2 cho phép tìm được giá trị tối ưu cảu đặc trưng lưu biến là m = 70Pas và t = 15Pa. Bởi vì bắt đầu từ giá trị m = 60Pas và t = 20Pa vùng chết bắt đầu xuất hiện.

Mô phỏng số trong trường hợp A-2 so sánh với trường hợp A-1 cho phép xem xét ảnh hưởng của chiều dày bê tông bảo vệ. Kết qủa cho thấy rằng, khi tăng chiều dày bê tông bảo vệ ở giá trị m = 60Pas và t = 20Pa vùng chết không xuất hiện, vùng chết bắt đầu xuất hiện ở giá trị m = 50Pas và t = 30Pa.

3.2. Trường hợp B: Hiệu ứng của khoảng cảnh cốt thép.