Mô hình và tính toán quá trình dịch chuyển nước trong bê tông

KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> Mô hình và tính toán quá trình dịch chuyển nước<br /> trong bê tông<br /> Modeling and calculation for moving process of water in concrete<br /> Nguyễn Duy Hiếu, Trương Thị Kim Xuân<br /> <br /> Tóm tắt 1. Tổng quan <br /> Bản chất của bảo dưỡng từ bên trong cho bê tông hay còn gọi là nội<br /> Hiện nay ở nước ta, công tác bảo dưỡng ẩm bê tông<br /> bảo dưỡng – Internal Curing (IC) là đưa vào bê tông một lượng nước dự<br /> xi măng được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 8828:<br /> trữ thông qua các vật liệu có khả năng ngậm nước ở mức độ phù hợp<br /> 2011. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp công tác<br /> (thường dùng là các hạt cốt liệu rỗng nhân tạo (CLR)), lượng nước này<br /> này khó thực hiện và hiệu quả thấp, ví dụ đối với bê không tham gia vào nước trộn bê tông. Hệ lỗ rỗng của CLR chứa đầy nước<br /> tông cường độ cao, kết cấu dạng đứng, kết cấu trên đóng vai trò như những “vi giếng” cấp nước khi cần, duy trì sự bão hòa<br /> cao… Để đảm bảo chất lượng cho bê tông trong ẩm trong mao quản đá xi măng. Hiệu quả của IC phụ thuộc các yếu tố:<br /> những trường hợp đó, giải pháp nội bảo dưỡng (IC) lượng nước dự trữ trong CLR, khả năng giữ nước và sự phân bố của CLR;<br /> đã được đề xuất. Theo đó một lượng nước ban đầu, khoảng cách thấm nhập của nước dự trữ vào nền cho đá xi măng; nhiệt độ<br /> không phải là nước trộn trong cấp phối, được đưa vào của hệ… [2]. Nếu bê tông, mà trong đó nội bảo dưỡng phát huy tác dụng<br /> bê tông thông qua cốt liệu rỗng (CLR) bão hòa trước tốt, nhờ đó giảm nhẹ hoặc không cần thực hiện công tác bảo dưỡng thông<br /> khi trộn hỗn hợp. Bài báo này trình bày mô hình và thường, có thể gọi là bê tông tự bảo dưỡng.<br /> tính toán về sự chuyển dịch của nước trong bê tông Hình 1 là mô hình mô tả sự trao đổi nước giữa bê tông chỉ chứa cốt liệu<br /> khi thực hiện nội bảo dưỡng. Kết quả nghiên cứu đặc và bê tông có chứa cốt liệu rỗng ngâm nước trước khi trộn. Đối với bê<br /> cho thấy, sự chuyển dịch của nước từ trong CLR vào tông sử dụng toàn bộ cốt liệu đặc, trong quá trình thi công nước bay hơi<br /> hệ lỗ rỗng của nền đá xi măng phụ thuộc độ rỗng, làm giảm thể tích bê tông và để lại cấu trúc rỗng trong cấu trúc của nó; đối<br /> bán kính mao quản trong các pha, độ nhớt của pha với bê tông áp dụng IC, một lượng CLR (đã tiền xử lí bão hòa nước) thay<br /> lỏng… Sự chuyển dịch nước bên trong tạo điều kiện thế một phần cốt liệu đặc, nước từ mao quản của CLR sẽ tự chuyển dịch ra<br /> tốt để thủy hóa chất kết dính, nâng cao độ đặc chắc bù đắp và duy trì độ ẩm bão hòa trong hệ mao quản của đá xi măng trong<br /> và tính đồng nhất vi mô của bê tông. quá trình đống kết và rắn chắc của bê tông. Dễ thấy rằng, kích thước của<br /> Từ khóa: Cốt liệu rỗng; nội bảo dưỡng (IC); nước mao quản; hệ mao quản trong CLR gần như bất biến theo thời gian và lớn hơn nhiều<br /> nước thấm nhập so với kích thước mao quản trong đá xi măng ngày càng nhỏ lại do sự<br /> hydrat tiếp tục của nó. Do đó, khi nền đá xi măng đã khô tương đối so với<br /> cốt liệu, dưới tác dụng của sức hút mao quản, nước sẽ từ các mao quản<br /> Abstract lớn của CLR chuyển dịch về các mao quản nhỏ hơn trong đá xi măng và<br /> Currently in our country, the curing of cement concrete is xi măng tiếp tục thuỷ hoá. Quá trình này sẽ tắt dần theo thời gian khi cần<br /> performed accordance with TCVN 8828: 2011. However, in bằng áp lực trong hệ các mao quản được thiết lập. Nếu biết cách khai thác,<br /> many cases this is difficult to implement and low efficiency, rõ ràng đây là một đặc điểm tích cực của CLR, tăng cường quá trình tự<br /> for example for high-strength concrete, vertical concrete bảo dưỡng cho bê tông giàu xi măng. Dĩ nhiên, tùy thuộc tính chất và hàm<br /> lượng của CLR thay cho cốt liệu đặc mà tính chất cơ học của bê tông có<br /> structures, overhead structures… To ensure the quality of<br /> thể bị ảnh hưởng, điều đó đòi hỏi việc lựa chọn loại CLR, tính toán kiểm tra<br /> the concrete in the cases, that the ordinary curing is not<br /> và đánh giá hiệu quả khi áp dụng IC.<br /> feasible for example for high-strength or high performance<br /> concrete, internal curing solution (IC) has been proposed. 2. Trao đổi nước giữa các pha trong bê tông<br /> Accordingly lighweight aggregates should use saturated 2.1. Động lực chuyển dịch nước trong bê tông<br /> with water before mixing the concrete mixture. This paper<br /> Khi đưa một lượng CLR ngậm nước nhất định vào trong bê tông, sự<br /> presents some results of theoretical calculating about trao đổi nước giữa CLR và nền vữa xảy ra ngay khi trộn hỗn hợp, chiều và<br /> moving of water in the concrete. These analyzes showed mức độ của quá trình này phụ thuộc chênh lệc sức hút mao quản trong các<br /> that effect of IC is feasible. lỗ rỗng của CLR và nền xi măng. Nếu CLR trước khi trộn ở trạng thái khô<br /> Keywords: Lightweight aggregate; internal curing; capillary hoặc chưa bão hòa, có thể nó sẽ hút pha lỏng trong nền theo chiều hạ thấp<br /> water; migration of water chênh lệch hàm ẩm. Trong điều kiện ngược lại, nước từ hệ mao quản của<br /> CLR sẽ chuyển dịch cho nền đá xi măng. Hình 2 mô tả sự trao đổi nước<br /> khi có chênh lệch dương về sức hút mao quản giữa lỗ rỗng của nền đá xi<br /> măng và CLR.<br /> PGS.TS. Nguyễn Duy Hiếu<br /> Khoa Xây dựng Hệ thống lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước bé hơn và giảm dần<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội theo thời gian so với hệ lỗ rỗng lớn hơn và gần như bất biến trong cốt liệu<br /> Email: hieunduynghau@gmail.com rỗng. Xét mao quản hoặc lỗ rỗng gel trong đá xi măng, bán kính tương<br /> ThS. Trương Thị Kim Xuân đương r = r(t) (có thể xác định từ đường cong thực nghiệm mô tả phân bố<br /> Khoa Xây dựng thể tích lỗ rỗng theo bán kính của nó: dV/d(lnr) = f(lnr)), nối thông với mao<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội quản có bán kính tương đương Ra của CLR. Sức hút giữa mao quản giữa<br /> Email: hoangan6869@gmail.com hai hệ lỗ rỗng sẽ là [1, 2]<br /> 2.σ m .cos ϕ m 2.σ .cos ϕ<br /> ∆P(=<br /> t ) Pa − P(m=<br /> ) − = f (t ) >> 0<br /> r(t) Ra (2.1)<br /> <br /> <br /> 4 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br />  Có thể coi σm = σ và φm = φ (và không đổi<br /> theo tuổi của bê tông), khi đó ∆P(t)=f(r(t))>0, do<br /> vậy nước trong cốt liệu rỗng sẽ chuyển cho đá xi<br /> măng với hệ lỗ rỗng có độ ẩm và kích thước giảm<br /> dần do quá trình hydrat của các khoáng trong xi<br /> măng.<br /> 2.2. Tính toán khoảng cách chuyển dịch của<br /> nước nội bảo dưỡng<br /> Lưu lượng dòng chảy của nước cấp từ CLR<br /> cân bằng với lượng nước cần thiết để giữ trạng<br /> thái bão hoà trong các lỗ rỗng của đá xi măng<br /> bao quanh nó. Có thể cho rằng sự vận chuyển<br /> của chất lỏng trong hệ đang xét tuân theo quy<br /> luật chảy dòng. Gọi chiều sâu thấm nhập nước<br /> là L (m), theo lý thuyết thuỷ lực áp dụng cho chất<br /> Hình 1. Mô hình về vai trò bù nước của IC lỏng chảy dòng trong ống trụ nhỏ, lưu lượng dòng<br /> (a): Bê tông mới trộn; (b): Bê tông sau đông kết và rắn chắc chảy Q (m3/s) được mô tả theo phương trình<br /> Hagen – Poiseuille:<br /> ∂V π .r 4 (t ).∆P(t ) π .r 2 (t ).k .∆P(t )<br /> Q<br /> = = υ s .π .r 2=<br /> (t ) =<br /> ∂t 8µ .L µ .L (2.2)<br /> Trong đó:<br /> V – Thể tích chuyển dịch của chất lỏng (m3);<br /> υs – 2Vận tốc chảy trung bình của chất lỏng trong ống;<br /> r (t )<br /> k= – Đại lượng mô tả tính thấm của vữa xi măng;<br /> 8<br /> μ - độ nhớt của chất lỏng trong lỗ rỗng (Pa.s).<br /> Để ý rằng, lưu lượng nước cấp từ CLR vào hồ xi măng<br /> là để cân bằng với thể tích nước cần thiết bù đắp co hoá học<br /> diễn ra trong bê tông [2]. Từ đó có thể mô tả thể tích nước Vn<br /> cần thiết bù co hóa học của chất kết dính, phụ thuộc quá trình<br /> hydrat theo thời gian t, bằng phương trình:<br /> ∂Vn ∂α<br /> = CS . .CKD / ρ n<br /> Hình 2. Mô hình chuyển dịch nước IC trong bê tông, ∂t ∂t (2.3)<br /> với r(t)< Ra Trong đó:<br /> CS - Độ co hóa học của chất kết dinh; CKD - Lượng chất<br /> kết dính trong bê tông, kg; ρn - Tỷ khối của nước;<br /> α - Hệ số mô tả mức độ hydrat của chất kết dính; <br /> ∂α<br /> - Biến thiên mức hydrat của chất kết dính theo thời<br /> ∂t<br /> gian;<br /> Gọi Φ là phần độ rỗng trong vữa xi măng cần giữ trạng<br /> thái bão hoà. Biến thiên thể tích nước theo thời gian, ∂Vn ∂t<br /> tính cho một đơn vị độ rỗng Φ, chính là tốc độ thấm nhập<br /> nước trong mao quản (ký hiệu là ∂ε L ∂t ):<br /> ∂α<br /> CS . .CKD<br /> ∂ε L ∂Vn<br /> ≡ =∂t<br /> ∂t ∂t.Φ ρ n .Φ (2.4)<br /> Hình 3. Quan hệ mức thủy hóa của xi măng theo thời Và lưu lượng dòng chảy Q sẽ được xác định:<br /> gian ∂ε L<br /> Q = π .r 2 (t ).L.<br /> ∂t (2.5)<br /> Trong đó: Cân bằng phương trình (2.2) và (2.5) ta có:<br /> Pa và P(m) – Áp suất hơi bão hòa tương ứng trên mặt k .∆P(t )<br /> cong chất lỏng trong lỗ rỗng của CLR và đá xi măng; L=<br /> ∂ε<br /> σm và σ – Sức căng bề mặt tương ứng của dung dịch µ. L<br /> ∂t (2.6)<br /> lỏng (trong nền xi măng) và nước (trong CLR);<br /> Phương trình 2.6 cho phép tính gần đúng chiều sâu thấm<br /> φm và φ – Góc thấm ướt tương ứng của dung dịch lỏng nhập L của nước từ CLR vào nền kết dính ở các độ tuổi khác<br /> trong mao quản đá xi măng và nước trong CLR;<br /> nhau của bê tông, nếu biết ∂α ∂t (đạo hàm mức độ hydrat<br /> r(t) và Ra – Bán kính mao quản tương ứng của đá xi của chất kết dính theo thời gian), bán kính tương đương Ra<br /> măng và của CLR. và r(t), lượng CKD và độ co CS của nó, độ rỗng Φ của bê<br /> <br /> <br /> S¬ 28 - 2017 5<br />  KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> Bảng 1. Nhiệt thủy hóa các khoáng [3] Bảng 2. Hệ số thủy hóa theo ln(t)<br /> <br /> Nhiệt thủy hóa theo thời gian của các khoáng, Cal/g Hệ số thủy hóa tương đối, α(t)<br /> Thời gian thủy hóa, ngày Thời gian thủy hóa, t, ngày<br /> 3 7 28 90 3 7 28 90<br /> Loại khoáng Loại xi măng<br /> Ln(t) Ln(t)<br /> 1.10 1.95 3.33 4.50 1.10 1.95 3.33 4.50<br /> C3S 96.6 100.6 116.2 124.3 Nghi Sơn (XM NS) 0.54 0.60 0.74 0.80<br /> C2S 15.1 24.8 39.6 43.9 Chinfon (XM CF) 0.54 0.60 0.74 0.80<br /> C3A 141 157.6 208.6 221.7 Hoàng Thạch (XM HT) 0.55 0.60 0.75 0.80<br /> C4AF 42.3 59.6 90.3 99.4<br /> <br /> Bảng 3. Kết quả tính toán khoảng cách thấm nhập L<br /> <br /> <br /> X, kg N, kg r(t), m Ra, m t, ngày ∂ε L L, mm<br /> ∂t<br /> , s-1<br /> 500 180 10-7 10-4 3 0.0022020 28.7<br /> 500 180 10-8 10-4 14 0.0005271 18.6<br /> -9 -4<br /> 500 180 10 10 28 0.0002782 8.1<br /> 500 180 10-10 10-4 56 0.0001473 3.5<br /> <br /> <br /> tương đương Ra và r(t) từ phổ phân bố thể tích rỗng, hoặc<br /> tông, coi góc thấm ướt φm = φ = 0. Trị số ∂α ∂t có thể xác có thể gán cho Ra và r(t) các trị số trong phổ lỗ rỗng của nó<br /> định trên cơ sở khảo sát nhiệt thuỷ hoá của chất kết dính (điển hình khoảng 10μm – 1 mm đối với CLR; 1 - 100nm đối<br /> theo thời gian. Bảng 1 trình bày nhiệt hydrat của các khoáng với đá xi măng, từ đó tính toán được trị số L.<br /> trong clinker xi măng theo logarit cơ số tự nhiên của tuổi bê<br /> Nếu coi chất lỏng trong hệ lỗ rỗng là nước (ở 20oC) thì độ<br /> tông (ngày).<br /> nhớt μ=0.001002 Pa.s và sức căng bề mặt σ=0.07275 Pa.m.<br /> Từ 2.1 và thành phần khoáng, ta xác định gần đúng nhiệt Bảng 3 trình bày kết quả tính toán khoảng cách L khi bê tông<br /> thủy hóa của xi măng theo tuổi của nó. Gần đúng, có thể giả có N/XM=0,36, xi măng X=500 kg/m3BT, ở các tuổi 3, 14, 28<br /> thiết, sau 90 ngày (ln90 = 4,5) xi măng thủy hóa đạt 80%, từ và 56 ngày, với bán kính mao quản điển hình của CLR lấy<br /> đó tìm được hệ số thủy hóa tương đối α(t) (Bảng 2). bằng 0,1mm và của đá xi măng từ 1 – 100 nm.<br /> Từ số liệu trong Bảng 2, có thể xây dựng đồ thị (Hình 3)<br /> 3. Kết luận<br /> Quan hệ hàm thực nghiệm α(t) của các loại xi măng gần<br /> đúng theo dạng: - Lượng nước chứa sẵn trong các hạt CLR bão hòa trước<br /> sẽ chuyển dịch cho nền đá chất kết dính trong bê tông, phát<br /> α ( t ) ≅ 0,08ln ( t ) + 0,45 huy vai trò bù co, duy trì độ ẩm bão hòa trong hệ lỗ rỗng của<br /> (2.7)<br /> đá xi măng, thúc đẩy sự hydrat của chất kết dịnh… nghĩa là<br /> ∂α 0, 08<br /> ⇒ = sẽ phát huy hiệu quả của nội bảo dưỡng.<br /> ∂t t (2.8)<br /> - Việc tính toán khoảng cách thấm nhập của nước dự trữ<br /> Trị số Φ trong công thức (2.4) có thể được xác định gần trong CLR vào nền đá xi măng có giá trị minh chứng và định<br /> đúng theo tỷ lệ nước-chất kết dính và hệ số thủy hóa [3]: hướng trong chọn vật liệu, thiết kế và đồng nhất hỗn hợp<br /> Φ = [N/CKD - 0,21.α(t)] / [N/CKD + 0,32] (2.9) cũng như công nghệ thực hiện nội bảo dưỡng cho bê tông./.<br /> Bằng thực nghiệm hiện đại có thể xác định được bán kính<br /> <br /> <br /> Tài liệu tham khảo and Its Method of Determination, ASTM Bulletin No. 158, 1949,<br /> pp 68-76.<br /> 1. Nguyễn Đình Huề, Giáo trình hóa lí - Tập 2: Nhiệt động lực học<br /> hóa học, Nhà xuất bản Giáo dục, 2009. 5. D.P. Bentz, E.A.B. Koenders, S. Monnig, H.W. Reinhardt, K.van<br /> Breugel, and G. Ye, Materials Science-Based Models in Support<br /> 2. Nguyễn Duy Hiếu, Cơ ở khoa học về “Nội bảo dưỡng” cho bê<br /> of Internal Curing, To be published as part of a RILEM state-of-<br /> tông, Tạp chí Xây dựng,, tháng 3, 2016.<br /> the-art report, 2006.<br /> 3. IU. M. Bazenov, Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính, Công nghệ<br /> 6. S. Zhutovsky, K. Kovler, and A. Bentur, Assessment of Water<br /> bê tông, Nxb Xây dựng, 2004.<br /> Migration Distance in Internal Curing of Hight-Strength<br /> 4. T. C. Powers, The Nonevaporable Water Content of Hardened Concrete, Special Pulication, March 1, 2004.<br /> Portland-Cement Paste – Its Significance for Concrete Reseach<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br />