Báo cáo TN chuyên ngành

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu được gọi là quy luật ứng xử lưu biến hay gọi tắt là phương trình lưu biến, thường được biểu diễn tương ứng -trong trường hợp thuần túy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH

ĐỀ TÀI

KHẢO SÁT THÔNG SỐ VẬN HÀNH LƯU BIẾN KẾ ĐỒNG

TRỤC LOẠI COUETTE ĐƯỢC PHÁT TRIỂN TỪ

THIẾT BỊ KHUẤY ĐŨA HEIDOLPH

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Sơn

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Thu 1513323

Lê Thị Thanh Trâm 1513594

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 5 năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được thí nghiệm này chúng em xin chân thành cảm ơn các

thầy cô trong bộ môn Silicat – Khoa Công Nghệ Vật Liệu – Đại học Bách Khoa

Tp HCM, đặc biệt là thầy Nguyễn Khánh Sơn đã tận tình định hướng, trực tiếp

hướng dẫn, hỗ trợ chúng em trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị tại phòng thí nghiệm vật liệu

Silicat đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình làm thí nghiệm của chúng em.

Mặc dù đã rất nổ lực tìm hiểu thực hiện thí nghiệm và tính toán, tuy nhiên

vẫn không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện thí nghiệm này

cũng có thể còn nhiều thiếu sót do thiết bị đang trong quá trình nghiên cứu vận

hành, phương tiện nghiên cứu và kiến thức chúng em còn hạn hẹp Kính mong

quý thầy cô xem xét và cho ý kiến để được hoàn thiện hơn.

Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô có nhiều sức khỏe để tiếp tục dìu dắt và

truyền đạt kiến thức cho các thế hệ sinh viên tiếp theo, để đào tạo nhiều người

tài trong lĩnh vực vật liệu nói chung và vật liệu Silicat nói riêng.

MỤC LỤC

GVHD: TS Nguyễn Khánh Sơn

DANH MỤC HÌNH

GVHD: TS Nguyễn Khánh Sơn

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

N/X: nước / xi-măng

Cal: Calibrate torque

PDSD: phụ gia siêu dẻo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Tổng quan về lưu biến học

1 Khái niệm

Lưu biến học (rheology) là ngành khoa học nghiên cứu sự chảy của vật liệu,

hay nói cách khác là xác định mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất tương ứng

tác dụng lên vật liệu có xét đến quá trình tác dụng của ứng suất theo thời gian

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu được gọi là quy luật ứng xử

lưu biến hay gọi tắt là phương trình lưu biến, thường được biểu diễn tương ứng

-trong trường hợp thuần túy - dưới dạng mỗi quan hệ giữa ứng suất tiếp τ và vận

tốc biến dạng trượt γ’ (đạo hàm của biến dạng trượt γ theo thời gian t) Đường

cong mô tả phương trình lưu biến được gọi là đồ thị lưu biến, dựa vào đó để phân

biệt những loại ứng xử lưu biến khác nhau như hình 1.1

Hình 1.1 Đồ thị lưu biến ứng với những loại ứng xử lưu biến khác nhau

Để mô tả những loại ứng xử lưu biến này, người ta thường sử dụng mô hình

lưu biến Ostwald được đặc trưng bởi hai thông số: độ đặc K và số mũ n Tùy theo

giá trị của n, mô hình Ostwald có thể mô tả ứng xử lưu biến chảy lỏng (n < 1),

ứng xử lưu biến Newton (n = 1), hay ứng xử lưu biến chảy đặc (n > 1) [1] Thể

hiện qua phương trình:

GVHD: TS Nguyễn Khánh Sơn

τ = K(γ’)2 Lưu ý: n hầu như không đổi trong một khoảng rộng suất biến dạng nhưng

nó không phải là một hằng số trong tất cả khoảng suất biến dạng có thể Chỉ cần

phương trình lưu biến mô tả lưu chất trong một khoảng suất biến dạng nhất định

trong một bài toán cụ thể, như vậy n có thể coi như là một hằng số

Cần chú ý thêm rằng, đơn vị K phụ thuộc vào hằng số n [2]

2 Lưu biến Bingham

Lưu chất Bingham đặc trưng bằng đường cong lưu biến là đường thẳng cắt

trục tung ứng suất biến dạng tại điểmτ0

Ứng suất biến dạng giới hạn τ0

là ứngsuất phải vượt qua trước khi hiện tượng lưu biến xảy ra

Phương trình lưu biến như sau:

Hình 1.2 Đường cong chảy (A) và đường cong độ nhớt (B) của lưu chất Bingham

1 Mô hình ứng xử nhớt dẻo

Một lượng lớn các vật liệu trong thực tế có ứng xử lưu biến nhớt - dẻo (có

ứng suất dư) như vữa xi-măng, bê tông lỏng, bùn, kem đánh răng, bột mì, dầu mỡ

bôi trơn, các dung dịch huyền phù … Để mô tả ứng xử nhớt - dẻo của những vật

liệu này, mô hình lưu biến Bingham đặc trưng bởi hai thông số ứng suất dư τ0 và

độ nhớt dẻo η thường được sử dụng Mô hình này có thể được viết dưới dạng

sau:

γ’ = 0 khi τ ≤

Và τ = + ηγ’ khi τ >

Đường cong lưu biến của ứng xử này có đường thẳng cắt trục tung ứng suất

biến dạng tại điểm Ứng suất biến dạng giới hạn (ứng suất dư-yield stress) là

ứng suất phải vượt qua trước khi hiện tượng lưu biến xảy ra [2]

Giải thích: Ở trạng thái đứng yên, lưu chất Bingham có cấu trúc ba chiều đủ

bền để chống lại các ứng suất biến dạng nhỏ hơn ứng suất dư Nếu ứng suất này

vượt quá ứng suất dư cấu trúc này bị phá hủy hoàn toàn và hệ có đặc trưng giống

lưu chất Newton dưới ứng suất trượt τ- Khi ứng suất trượt giảm xuống dưới giá

trị cấu trúc cũ lại được phục hồi [2]

GVHD: TS Nguyễn Khánh Sơn

2 Tính chất lưu biến của hồ xi-măng

Hồ xi-măng tạo thành sau khi nhào trộn xi-măng với nước (có thể bao gồm

các loại phụ gia khoáng và phụ gia giảm nước), đó là loại huyền phù đặc của

nước Trước khi bắt đầu đông kết, hồ xi-măng có cấu trúc ngưng tụ Trong đó,

những hạt rắn hút nhau bằng lưc hút Vanderwaals và liên kết nhau bằng lớp vỏ

hydrat Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi có lực cơ học tác dụng (nhào, trộn, rung )

nó trở thành chất lỏng nhớt dễ tạo hình Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy

mang đặc tính xúc biến, có nghĩa là khi loại bỏ tác dụng cơ học thì liên kết cấu

trúc lại được phục hồi

Tính chất cơ học: cấu trúc của hồ măng tăng theo mức độ thủy hóa

xi-măng Theo kết quả khảo sát thu được trong tài liệu: nếu ứng suất trượt của hồ

xi-măng đo được sau khi nhào trộn là 0,1kG/cm2 thì khi bắt đầu ninh kết tăng lên

xấp xỉ 15 lần (1,5kg/cm2), còn khi kết thúc ninh kết tăng lên xấp xỉ 50 lần Như

vậy hồ xi-măng có thể thay đổi nhanh tính lưu biến trong khoảng 1÷2 giờ Rõ

ràng kiểm soát tốt quá trình này thông qua hiểu rõ đặc trưng lưu biến theo thời

gian có thể kiểm soát quá trình đóng rắn của xi-măng Việc can thiệp của tác

nhân tạo hình được lựa chọn tại các thời điểm sẽ đảm bảo quá trình đóng rắn phát

triển cường độ hạt hiệu quả tốt nhất Đây cũng chính là ý nghĩa của nghiên cứu

đặc tính lưu biến hồ xi-măng

2 Thiết bị lưu biến kế

1 Khái niệm

Lưu biến kế (rheometer) là các thiết bị dùng để xác định thực nghiệm các

tính chất lưu biến của vật liệu Có nhiều loại lưu biến kế hoạt động dựa trên

những nguyên lý khác nhau, mỗi loại có những ưu - nhược điểm riêng và tương

thích với những loại vật liệu nhất định Trong phạm vi bài nghiên cứu này, chỉ

giới thiệu một số loại lưu biến kế thường được sử dụng trong ngành khoa học lưu

biến

2 Giới thiệu nguyên lý lưu biến kế Couette loại hình đồng trục

Lưu biến kế Couette là những loại lưu biến kế trong đó lưu chất nghiên cứu

bị cắt (chịu các biến dạng trượt) giữa hai mặt cứng chuyển động tương đối so với

nhau Đây là những loại lưu biến kế được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng

thí nghiệm, cho phép xác định một cách chính xác ứng xử lưu biến kể cả khi

chưa biết quy luật ứng xử lưu biến của lưu chất Tùy theo hình dạng và sự

chuyển động tương đối giữa các mặt cứng mà người ta có thể phân chia lưu biến

kế Couette thành các loại: lưu biến kế kiểu hình trụ đồng trục, lưu biến kế kiểu

nón quay, lưu biến kế kiểu đĩa quay

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của lưu biến kế Couette kiểu hình trụ đồng trục

Nguyên lý hoạt động của lưu biến kế Couette kiểu hình trụ đồng trục được

mô tả như trên hình 1.3: lưu chất nghiên cứu được đặt giữa hai ống trụ có bán

kính R1, R2 và cùng chiều cao H, chịu các biến dạng trượt do sự chuyển động

tương đối của hai ống trụ, cụ thể ống trụ bên trong (bán kính R1) quay đều với

vận tốc góc Ω dưới tác dụng của mô men M trong khi ống trụ bên ngoài (bán

kính R2) cố định

GVHD: TS Nguyễn Khánh Sơn

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LƯU BIẾN KẾ PHÁT

TRIỂN TỪ MÁY KHUẤY ĐŨA HEIDOLPH

3 Cấu tạo các bộ phận thiết bị

Thiết bị máy khuấy đũa Hei-Torque được cung cấp bởi Heidolph

Instruments GmbH & Co KG với ưu điểm ngoài khả năng khuấy theo chương

trình được lập trình trên máy tính còn có khả năng đồng thời ghi nhận giá trị

mô-men xoắn khi khuấy Trên cơ sở thiết bị này chúng tôi đã thiết kế thiết bị lưu biến

kế - thuộc loại đồng trục

Hình 2.4 Thiết bị xác định độ nhớt Hei – Torque

Lưu biến kế được thể hiện trong hình 2.1, máy bao gồm ba phần chính:

- Máy khuấy với bộ điều khiển điện tử tốc độ quay của cánh khuấy để

ghi lại giá trị momen xoắn

- Một cối chứa bằng inox

- Một cánh khuấy bằng inox

1 Đầu máy khuấy đũa

Có thể điều chỉnh quay với các tốc độ khác nhau Có hai chu trình vận tốc

quay của motor:

- Chế độ 1 (quay chậm): 10 – 400 vòng/phút

- Chế độ 2 (quay nhanh): 200 – 2000 vòng/phút

2 Màn hình hiển thị

Hình 2.6 Màn hình hiển thị

Hiển thị các thông số thời gian cho một chu trình quay, vận tốc quay và

mô-men ứng với thời gian và vận tốc đã cài đặt

3 Nút điều chỉnh

Nút điều chỉnh dùng để điều chỉnh tốc độ và thời gian cho một chu trình

quay

4 Dây nối

Dây nối thiết bị với nguồn điện: Dây đi kèm với một đầu cắm và một kẹp

màu vàng ở phía dưới để đảm bảo kết nối chắc chắn

Dây nối thiết bị với máy tính: Máy tính sẽ điều khiển máy khuấy thông qua

phần mềm Hei-Control version 1.0

5 Nút nguồn

Nút có hai chế độ ON/OFF để bật và tắt máy

2 Cối chứa

Cối chứa có chiều cao 13cm và đường kính 10cm Như mô tả trên hình 2.4

về nguyên lý của lưu biến kế kiểu Couette cho thấy sự đồng nhất của ứng suất cắt

ở vị trí biên cối chứa và triệt tiêu ảnh hưởng của bám dính của xi-măng lên thành

cối, nên chúng tôi bố trí dãy gờ inox được hàn với kích thước 10×10mm [3]

Nhờ đó, khoảng lưu chất nằm giữa đường kính trong cối trừ phần gờ và đường

kính ngoài của cánh khuấy chữ thập xem như đồng nhất một ứng xử

Hình 2.7 Cối chứa

3 Cánh khuấy

Cánh khuấy bằng inox (hình 2.5), có chiều cao là 10 cm và đường kính là 5

cm (tính cả trục cánh khuấy), bề dày của cánh là 1,2 mm

Hình 2.8 Cánh khuấy

4 Chương trình vận hành và các lưu ý

1 Chương trình vận hành

Tốc độ tăng từ 10 – 120 vòng/phút trong 2 phút, sau đó tốc độ ổn định ở

120 vòng/phút trong 1 phút, cuối cùng tốc độ giảm về 0 trong 2 phút Bước đầu

tiên tốc độ tăng cho phép ước lượng ngưỡng chảy là đặc trưng của trạng thái ban

đầu của hồ xi-măng, sau đó nhanh chóng làm mất cấu trúc để đạt đến trạng thái

tĩnh khi tốc độ quay chậm lại Phần cuối cùng khi tốc độ giảm sẽ sử dụng để vẽ

đường cong chảy

Hình 2.9 Chương trình kiểm tra hồ xi-măng

2.1.1 Các lưu ý

- Khi lắp máy khuấy với giá đỡ cần điều chỉnh sao cho đầu máy song

song với trục của giá đỡ và vuông góc với mặt phẳng ngang

- Khi lắp cánh khuấy vào máy phải chú ý lắp sao cho đồng trục để

máy khuấy và cánh khi quay có thể tạo ra mặt cắt đồng đều và hạn

chế tối đa sự ảnh hưởng đến các giá trị lưu biến

2.2 Nguyên liệu và các bước tiến hành thí nghiệm

2.2.1 Nguyên liệu

 Xi-măng

Xi-măng đóng vai trò là chất kết dính, giúp kết dính các thành phần rời rạc

lại với nhau, định hình cho sản phẩm Xi-măng sử dụng chế tạo hồ được sử dụng

trong thí nghiệm này là xi-măng Portland (OPC) của công ty cổ phần xi-măng

2 Thời gian ninh kết, phút

5 Hàm lượng anhydric sunphuric (SO3), %, không

6 Hàm lượng magie oxit (MgO), %, không lớn hơn 5,0

 Nước

Nước giúp cho quá trình thủy hóa xi-măng và tạo tính linh động cho hồ

Nghiên cứu sử dụng nước do phòng thí nghiệm cung cấp Theo TCXDVN

302:2004, nước trộn bê-tông phải đáp ứng được những yêu cầu sau đây:

- Không chứa cặn dầu và váng dầu

- Không màu

- 4 < pH < 12,5

- Hàm lượng hữu cơ < 15mg/l

 Phụ gia siêu dẻo

Hình 2.11 Phụ gia siêu dẻo

Phụ gia siêu dẻo MasterGlenium ACE 8588 là phụ gia giảm nước cao cấp

thế hệ mới dựa trên gốc polycarboxilic ether (PCE) cải tiến Sản phẩm này tương

tích với tiêu chuẩn ASTM C4994, phụ gia loại F

Công dụng của phụ gia siêu dẻo MasterGlenium ACE 8588:

- Khả năng chống thấm cao

- Độ linh động của bê-tông rất cao, nhưng không phân tầng.

- Độ bền bê-tông cao

- Cường độ chịu nén, cường độ uốn cả giai đoạn đầu và sau cùng cao

2.2.2 Các bước tiến hành thí nghiệm

- Bước 1: Lựa chọn cấp phối:

Trong thí nghiệm này nhóm thực hiện với các cấp phối như bảng 2.2 sau:

Bảng 2.2 Các cấp phối được thực hiện trong thí nghiệm Lượng hồ

- Bước 2: Cho nguyên liệu vào máy trộn Matest E094

Trình tự trộn hồ như sau: Đổ từ từ 2/3 nước vào xi-măng và trộn với tốc độ

thấp trong 1 phút 30 giây, tiếp tục trộn với tốc độ cao ở 30 giây tiếp theo Cuối

cùng cho 1/3 nước còn lại và phụ gia siêu dẻo và trộn hỗn hợp trong 2 phút nữa

với tốc độ thấp

- Bước 3: Hồ sau khi trộn được cho vào cối chứa Tiến hành khuấy, đo

mô-men xoắn C cho mỗi mức tốc độ Các kết quả đo được lưu lại và

mô tả dưới dạng đồ thị xuất hiện trên màn hình điều khiển

- Bước 4: Nhập và xử lý dữ liệu thu được trong quá trình đo

2.3 Phương pháp xử lý số liệu

2.3.1 Ứng suất cắt tới hạn và ứng suất cắt

Sự biến đổi của mô-men xoắn đo được khi tốc độ quay giảm (giai đoạn tái

cấu trúc) được xem như giai đoạn hồi phục về trạng thái tĩnh ban đầu của vữa

Nhìn vào đồ thị, nhận thấy rằng trong giai đoạn đầu mô-men xoắn tăng liên lục

thành một đường thẳng khá tuyến tính và có giao với trục mô-men xoắn ảnh

hưởng trực tiếp đến sự tồn tại của ứng suất cắt tới hạn τ0 Giá trị này, tạo thành

tham số lưu biến đầu phản ánh lực cắt do các liên kết hay ma sat giữa các thành

phần trong chất lưu, được ước lượng từ mô-men xoắn C0, có tính đến ảnh hưởng

phần chuyển động xoáy của lưu chất nằm trong khoảng cánh giữa cánh khuấy và

C

π τ

Trong nghiên cứu này, cánh khuấy được để chìm trong lưu chất, do đó

không ảnh hưởng bởi các hiệu ứng cắt bề mặt nhưng hiệu ứng đáy vẫn còn tồn

tại Khi tiến hành đo, dòng xoáy trong lưu chất liên kết với những gì xảy ra phía

dưới cánh khuấy góp phần vào mô-men xoắn tác dụng lên cánh khuấy Khoảng

cách giữa đáy cối và mặt dưới của cánh rất được cố định một khoảng 5 mm Ứng

suất cắt τ áp dụng cho bề mặt cắt hình trụ bao gồm cả ứng suất tới hạn τ0 cho bề

mặt đế của cánh [4]:

h

D h D

C h

D

D C

6 2

) 12 (

2

0 2

2

0 3

τ π

π

τ π

(2.1) Trong đó: C là giá trị mô-men xoắn đo được (Nm)

Với giá trị ứng suất cắt, ứng suất cắt trung bình có thể được đánh giá theo

phương trình sau [5]:

)

( 2

τtb hay τ’ là ứng suất cắt trung bình (Pa)

τi là ứng suất cắt trước (Pa)

τi+1 là ứng suất cắt sau (Pa)

2.3.2 Vận tốc biến dạng trượt

Mối quan tương đương giữa tốc độ quay của cánh và vận tốc biến dạng

trượt γ’ được tạo ra trong khoảng tiếp xúc là cần thiết Phương pháp xác định ban

đầu dựa trên việc đánh giá độ dốc đường cong cục bộ τ(2Ω), phương pháp này

tạo ra các đường cong chảy chính xác hơn các đường cong được tạo ra giả định

sức cắt đồng nhất và không đòi hỏi phải hiệu chỉnh lưu biến kế, việc xử lý dữ liệu

cũng dễ dàng hơn các phương pháp Giá trị của tốc độ khuấy được thể hiện qua

phương trình (2.1), thực các giá trị này được cài đặt trực tiếp trên máy

dr r

r dr

r

dr dr

d

i

ln 2

µ

τ µ

τ

τ µ

τ τ γ

ω

Mối quan hệ giữa vận tốc biến dạng trượt và mô-men xoắn ban đầu được

thiết lập bằng việc xem lưu chất khảo sát như một lưu chất Bingham Với lưu

chất như vậy, giá trị của vận tốc biến dạng trượt phụ thuộc vào chế độ dòng chảy

trong giai đoạn đầu Vì vậy vận tốc biến dạng trượt khi vữa mới bị tác dụng lực

2 1

2

ln 1

2 '

R R M C R

R M

C

γ

Trong đó: R1 là bán kính ảnh hưởng của cánh (m)

R2 là bán kính trong cối (m)

Hai phương trình trên thể hiện sự ảnh hưởng của vận tốc biến dạng trượt

đến dòng lưu chất trong cối chứa Giá trị thích hợp của vận tốc biến dạng trượt là

giá trị có nhiều ảnh hưởng hơn trong hai giá trị γ1’ và γ2’ Vì vậy, nó có thể được

γ =