Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
MÔ HÌNH LƯU BIẾN CỦA DUNG DỊCH VỮA DÙNG
TRONG CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT NÚT KÉP
Trương Quốc Quân
Trường Đại học Thủy lợi, email: quantq@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG Trên thực tế, với hàm lượng xi măng
Công nghệ khoan phụt nút kép được sử thường được sử dụng từ 150 kg đến 450 kg
dụng ngày càng phổ biến để xử lý hiện tượng cho 1 m3 nước, có thể sử dụng thêm bột sét
thấm xảy ra trong thân và nền các công trình (bentonite) với hàm lượng thấp (từ 5% đến
thủy lợi như đập, đê, hồ chứa… Việc xác 10%) thì có thể coi đây là dung dịch có mật
định bộ thông số thi công của công nghệ độ từ trung bình đến cao. Với dạng chất lỏng
khoan phụt nút kép (áp lực phụt, lưu lượng này, hai mô hình từ biến có thể áp dụng là
phụt…) phụ thuộc vào 2 nhóm yếu tố bao mô hình Bingham [1], [2], [3] hoặc mô hình
gồm: đặc trưng của nền đất (cấp phối, độ Herschel-Bulkley (H-B)[4], [5]:
thấm…) và đặc trưng của vữa phụt (độ tách
Bảng 1. Một số mô hình lưu biến của vữa
nước, độ nhớt…). Trong hai nhóm yếu tố
trên, nhóm yếu tố thứ 2 liên quan đến đặc Tên Mô hình Giải thích
trưng của vữa phụt chưa được chú ý đúng
mức, ngay cả trong các tiêu chuẩn về khoan Bingham o p& τ: ứng suất cắt
phụt xử lý nền đá, nền đất hay khoan phụt cao [1] τo : giới hạn chảy
áp như TCVN 8644-2011; TCVN 8645-2019 p: độ nhớt dẻo
hay TCVN 9906-2014 thì phần nội dung liên &: tỉ suất cắt
quan đến đặc trưng vữa phụt cũng còn tương H-B o K (&) n
[2] K: chỉ số sức kháng
đối sơ sài. Hơn nữa, với công nghệ khoan phụt
nút kép, hiện vẫn chưa có tiêu chuẩn nào được n: chỉ số chảy
ban hành nhằm hướng dẫn quá trình thiết kế,
thi công và nghiệm thu. Nghiên cứu này bước 2.2. Vật liệu thí nghiệm
đầu cung cấp những thông số kỹ thuật cần Thực tế công tác phụt vữa theo công nghệ
thiết về một số loại vữa phụt thường được sử nút kép tại nước ta cho thấy, hàm lượng xi
dụng trong công nghệ khoan phụt nút kép, tiến măng thường được sử dụng từ 150 kg đến
tới từng bước xây dựng hướng dẫn kỹ thuật 450 kg cho 1 m3 nước, có thể sử dụng thêm
hay tiêu chuẩn cho công nghệ.
bột sét (bentonite). Do vậy, trong chương
2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM trình thí nghiệm này, 4 loại vữa được chuẩn
bị với tỉ lệ bột sét là 5% và tỉ lệ xi măng được
2.1. Mô hình lưu biến của vữa phụt thể hiện ở Bảng 2.
Với thành phần chính là xi măng và
bentonite, dung dịch vữa phụt dùng trong Bảng 2. Hàm lượng chi tiết vữa phụt
công nghệ khoan phụt nút kép là chất lỏng
Loại vữa A B C D
phi Newton có giới hạn chảy τo - là ứng suất
cắt tối thiểu cần tác dụng lên dung dịch để nó Tỉ lệ X/N 0.15 0.25 0.35 0.45
bắt đầu chuyển động.
154
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
c) Thiết bị thí nghiệm Bảng 4. Kết quả thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm được sử dụng là nhớt &(1/s) 5.1 10.2 170 340 511 1021
kế FANN 35 loại R1-F1-B1 do Viện Dầu khí
quốc gia Mỹ chế tạo. Đây là thiết bị được sử τA (Pa) - - 23.4 31.5 38.1 54.2
dụng rộng rãi do cấu tạo và sử dụng rất đơn τB (Pa) - - 28.3 35.4 43.2 60
giản. Máy có bộ phận chính gồm một vòng
τC (Pa) - - 31.3 39.4 47.6 67.2
kim loại-Rotor bao quanh một khối trụ đặc-
Bob với khoảng hở δ, cả hai bộ phận này τD (Pa) - - 34.7 45.1 55.2 77.3
được đặt trong cốc đựng vữa. Khi cho Rotor
Thí nghiệm cho thấy ứng với 2 mức áp
quay, độ nhớt của vữa tại khoảng hở δ sẽ kéo
dụng tỉ suất cắt & đầu tiên của thiết bị
Bob quay theo, chuyển vị của Bob thể hiện ở
đồng hồ hiển thị sẽ cho phép tính ra ứng suất FANN, khối trụ đặc-Bob không di chuyển,
cắt tác động lên vữa. chứng tỏ ứng suất cắt tác dụng nhỏ hơn giới
hạn chảy của vữa, Bob chỉ chuyển động khi
Bảng 3. Thông số kỹ thuật nhớt kế FANN chuyển sang nấc số 3 của máy. Đây chính là
Vận tốc cơ sở để xác định và kiểm tra các giới hạn
quay 3 6 100 200 300 600 chảy của 4 loại vữa đã được chuẩn bị.
(v/phút) 3.1. Mô hình chất lỏng Bingham
Tỉ suất Trong trường hợp với chất lỏng Bingham,
5.1 10.2 170 340 511 1021
cắt (1/s) thiết bị FANN 35 cho phép tính trực tiếp giới
hạn chảy τo và độ nhớt dẻo ηp thông qua chỉ
số đọc trên đồng hồ đo [ηp (cP) = θ600 – θ300;
τo (Pa) = 0.48(θ300 ηp) với θ600, θ300 lần lượt
là chỉ số đọc tại vận tốc quay 600 và
300 v/ph] . Kết quả cụ thể như sau:
Bảng 5. Thông số của mô hình Bingham
τo (Pa) ηp (10-3 Pa.s)
Vữa A 23 30
Vữa B 26.1 33
Vữa C 28.1 37
Vữa D 32.2 45
80
Vữa A
Vữa B
Hình 1. Nhớt kế FANN 35 Vữa C
Vữa D
cắt (Pa)
Bingham vữa A
Bingham vữa B
(Pa)
60 Bingham vữa C
Nhớt kế FANN 35 cho phép thí nghiệm ở Bingham vữa D
cắt
6 vận tốc Rotor khác nhau tương ứng với 6 tỉ
Ứng suất
Ứng suất
suất cắt &khác nhau như bảng 2. 40
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 20
0 200 400 600 800 1000 1200
Tỉ suất cắt (1/s)
Tiến hành thí nghiệm với 4 loại vữa phụt Tỉ suất cắt (1/s)
có hàm lượng xi măng khác nhau như trong Hình 2. Tương quan giữa mô hình Bingham
bảng 2 trên nhớt kế FANN 35, từ kết quả ghi và kết quả thí nghiệm
nhận được trên đồng hồ đo, ta tính được ứng
Tương quan giữa kết quả thực tế thu được
suất cắt tác dụng lên mẫu vữa thí nghiệm. Kết
và mô hình chất lỏng Bingham tương ứng với
quả được thể hiện chi tiết trong Bảng 4:
nhớt kế FANN 35 được thể hiện như Hình 2.
155
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
Ta thấy giới hạn chảy của 4 loại vữa A, B, C, đặc biệt ở vùng có tỉ suất cắt lớn hơn 200
D lần lượt là 23, 26.1, 28.1 và 32.2 phù hợp (1/s) - tương ứng với vận tốc quay lớn hơn
với kết quả thực tế thu được. 100 vòng/phút. Mặt khác, vữa C cũng cho
Từ Hình 2 ta thấy mô hình chất lỏng kết quả thí nghiệm phù hợp với mô hình
Bingham mô phỏng tương đối tốt kết quả thí chất lỏng H-B nhất trong số 4 loại vữa đã
nghiệm, đặc biệt ở vùng có tỉ suất cắt lớn hơn chuẩn bị.
200 (1/s) - tương ứng với vận tốc quay lớn
hơn 100 vòng/phút. Đây là thông số phù hợp 4. KẾT LUẬN
với tốc độ quay của thùng trộn ngoài thực tế Khi so sánh mô hình Bingham với mô hình
thi công. Mặt khác, trong số 4 loại vữa thí H-B, ta thấy cả hai mô hình đều rất phù hợp
nghiệm thì vữa C có kết quả thí nghiệm phù với kết quả thí nghiệm tại miền có tỉ suất cắt
hợp với mô hình chất lỏng Bingham nhất. lớn [từ 200 (1/s) trở lên]. Ở miền có tỉ suất
3.2. Mô hình chất lỏng H-B cắt trung bình [từ 100 đến 200 (1/s)] thì mô
Từ kết quả thực tế thu được ở bảng 4, ta hình H-B mô tả tính chất của vữa tốt hơn mô
tiến hành tối ưu hóa số liệu để tìm được các hình Bingham.
thông số của mô hình H-B, kết quả được thể Mặt khác, trong số 4 loại vữa đã chuẩn bị
hiện ở Bảng 6. thì vữa C (nồng độ X/N là 0.35) có kết quả
phù hợp nhất với cả hai mô hình chất lỏng.
Bảng 6. Thông số của mô hình H-B Do vậy, kiến nghị với các nghiên cứu sâu
τo (Pa) K (10-3Pa.sn) n hơn về mô hình vữa dùng trong công nghệ
khoan phụt nút kép thì nên sử dụng mô hình
Vữa A 23 36.9 0.986
chất lỏng Bingham với vữa có nồng độ X/N
Vữa B 26.1 41.3 0.983 từ 0.3 đến 0.4. Trong thực tiễn thi công thì có
Vữa C 28.1 48.2 0.979
thể sử dụng thiết bị là nhớt kế FANN 35 và
mô hình lưu biến Bingham cho vữa phụt vì
Vữa D 32.2 50 0.991 có thể xác định nhanh chóng, trực tiếp các
thông số của mô hình ngay từ số đọc của
Tương quan giữa kết quả thực tế thu được
thiết bị này.
và mô hình chất lỏng H-B được thể hiện như
Hình 3. Ta thấy giới hạn chảy của 4 loại vữa 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
A, B, C, D lần lượt là 20, 24.1, 25 và 29.5 [1] Fell R., MacGregor P., Stapledon D. and
phù hợp với kết quả thực tế thu được. Độ Bell G., 2005. Geotechnical engineering of
nhớt dẻo của mô hình này thấp hơn độ nhớt dams. Balkema Publishers, 944 p.
dẻo của mô hình Bingham một chút. [2] Kong S. P., 2005. Properties of cement
80 based permeation grout used in ground
Vữa A
Vữa B
Vữa C
engineering. Ph. D dissertation of nationale
Vữa D
H-B vữa A university of Singapore, 160p.
cắtcắt(Pa)
H-B vữa B
(Pa)
60 H-B vữa
H-B vữa
C
D [3] Kurzner C., 1996. Grouting of Rock and
Soil. Ed. Brookfield, 270p.
Ứng suất
[4] Luckham P. F. et al., 1999. Colloidal and
Ứng suất
40
rheological properties of bentonite
suspensions. Adv. Colloid Interface Sci.,
20
0 200 400 600 800 1000 1200 vol. 82, n° 13, pp. 43-92.
Tỉ suất cắt (1/s)
Tỉ suất cắt (1/s) [5] Rao M.A., 2007. Flow and Functional
Hình 3. Tương quan giữa mô hình H-B Models for Rheological Properties of Fluid
và kết quả thí nghiệm Foods. Rheology of Fluid and Semisolid
Foods. Food Engineering Series. Springer,
Từ Hình 3 ta thấy mô hình chất lỏng H-B pp. 27-36.
mô phỏng tương đối tốt kết quả thí nghiệm,
156
nguon tai.lieu . vn
