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

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