Mô hình lưu biến của dung dịch vữa dùng trong công nghệ khoan phụt nút kép

Bài viết Mô hình lưu biến của dung dịch vữa dùng trong công nghệ khoan phụt nút kép bước đầu cung cấp những thông số kỹ thuật cần thiết về một số loại vữa phụt thường được sử dụng trong công nghệ khoan phụt nút kép, tiến tới từng bước xây dựng hướng dẫn kỹ thuật hay tiêu chuẩn cho công nghệ.

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