(b). Các mẫu lập phương dùng để đo độ thấm nước
3.1.2.3 Chuẩn bị các mẫu thử trước lúc thí nghiệm
▪ Các mẫu hình trụ khoét lỗ: 24 giờ sau khi đúc xong, các mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng tiếp trong vòng 24h ở nhiệt độ 25P
o
P
40
trước khi ngâm vào nước trong vịng một tháng, nhiệt độ nước được duy trì ở 25P
o
P
C. Sau 1 tháng ngâm nước, các mẫu thử được lấy ra và cân khối lượng rồi chia ra làm 04 nhóm. Mỗi nhóm thí nghiệm bao gồm 4 mẫu thử. Nhóm 1 được duy trì ở 25P
o
P
C cho đến khi thí nghiệm. Nhóm 2, nhóm 3 và nhóm 4 được nung tương ứng ở các nhiệt độ khac nhau là 60P
o P C, 105P o P C và 150P o P C trong vịng ít nhất 1 tuần, gia tăng nhiệt độ trong quá trình nung là 10P
o
P
C /1h. Việc nung các mẫu dừng lại sau khi độ mất mát khối lượng các mẫu sau 1 ngày đêm nhỏ hơn 0,2 %. Khối lượng các mẫu được ghi lại theo nhiệt độ nung nhằm đánh giá mức độ bay hơi của nước trong bê tông ở các nhiệt độ khác nhau. Sau khi nung xong, các mẫu thí nghiệm được làm nguội đến nhiệt độ 45P
o
P
C và duy trì cho đến khi thí nghiệm. Bề mặt các mẫu được mài nhẵn trước khi đem vào thí nghiệm.
▪ Các mẫu lập phương: Quy trình bảo dưỡng các mẫu lập phương tương tự như đối với mẫu trụ trịn kht lỗ. Các mẫu thí nghiệm sau khi ngâm nước 1 tháng cũng được chia ra thành 4 nhóm, mỗi nhóm bao gồm 4 mẫu thử. Trong mỗi nhóm mẫu, hai mẫu thử được dùng để đo độ thấm nước theo phương nén tải trọng (ký hiệu là P1), hai mẫu còn lại được dùng để đo độ thấm nước theo phương ngang (ký hiệu là P2) (Hình 3.4). Tất cả các nhóm mẫu đều được nung đến 60P
o
P
C trong vịng 1 tuần sau đó làm nguội xuống 25P
o
P
C. Sau đó, 4 nhóm mẫu được nén trước ở các các ứng suất khác nhau tương ứng là σ = (0.4; 0.7; 0.8 et 0.9) σRmaxR, (σRmaxR≈ 30 MPa). Bề mặt các mẫu thử được mài nhẵn. Bốn mặt bao quanh phương đo thấm nước được quét keo epoxy nhằm ngăn không cho nước thấm ra các mặt bên. Hai mặt đối diện còn lại, hoặc là theo phương nén P1, hoặc theo 1 phương ngang P2 được tạo nhám để tạo điều kiện cho nước thấm qua bê tông.
3.1.3 Chuẩn bị các thiết bị, máy móc thí nghiệm
41 + Bình khí nitơ (NR2R) 40 l.
+ Các máy nén mẫu.
+ Máy đo thấm nước bê tông C300.
+ Các đồng hồ đo lưu lượng khí có phạm vi đo khác nhau: 1 đến 100 ml/phút, 30 đến 300 ml/phút và 100 đến 1000 ml/phút.
+ Các đồng hồ đo áp suất khí có thang đo 0 đến 1,5 MPa và 0 đến 20 MPa.
+ Chổi thép. + Máy mài.
+ Thiết bị đo biến dạng. + Lò sấy, đến 250P
o
P
C.
+ Các giá đỡ mẫu thí nghiệm. + Bình xịt silicon.
+ Các thiết bị cần thiết khác.
3.2 Thí nghiệm đo độ thẩm khí của bê tơng 3.2.1 Nguyên lý tính độ thẩm khí
Luật thấm Darcy đối với dịng chảy đều đẳng nhiệt được áp dụng để tính toán các giá trị của độ thấm danh định KRaR (mP
2 P ). Độ thấm thực K (mP 2 P ) được tính tốn từ các giá trị của Ka theo nguyên lý Klinkenberg (Cơng thức 1.16) Cơng thức tính tốn KRaR được dùng trong nghiên cứu này hoàn toàn tương tự công thức đã được một số tác giả khác dùng trên thế giới như Picandet (2001), Choinska (2006) cho dòng chảy hướng kính qua các mẫu thử trụ trịn có kht lỗ ở tâm (Cơng thức 1.15, Hình1.5b):
42
Trong đó, QRiR là lưu lượng khí vào; PRiR là áp lực khí vào tương ứng; µ (Pa.s) là hệ số nhớt động lực của khí nitơ (NR2R): µ = 1,74. 10P
-5
P
Pa.s; PRatmR (PRaR) là áp suất khí quyển; R, r (m) là bán kính ngồi và bán kính trong của các mẫu thử (R = 0,05 m, r = 0,0125 m) và H (m) là chiều cao của mẫu thử H = 0,2 m.
3.2.2 Quy trình thí nghiệm
Các mẫu thí nghiệm hình trụ khoét lỗ ở tâm được nén ở các cấp tải khác nhau cho đến khi đạt đến giá trị tải trọng lớn nhất PRmaxR. Ở mỗi cấp tải trọng, lưu lượng khí vào được đo đạc theo áp lực khí tương ứng. Mỗi số đo được đọc sau 3 ÷ 5 phút kể từ khi gia tải để đảm bảo cho dịng khí qua bê tơng là ổn định và đều. Năm cấp áp lực khí vào được sử dụng trong các thí nghiệm là: 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35 MPa. Sáu cấp ứng suất trong bê tông dự kiến đạt tới trong quá gia tải là: σ/σRmaxR = 0; 0, 35; 0,5; 0,7; 0,85 và 0,95.
Quy trình ghi nhận các số liệu thí nghiệm được thực hiện như sau:
+ Độ thấm ban đầu của bê tông được xác định là độ thấm khi σ = (0÷0,2) σRmaxR.
+ Mỗi số liệu đo ghi được tương ứng với mỗi cấp ứng suất trong bê tông và mỗi cấp áp lực khí vào. Như vậy, với mỗi mẫu thử, số lượng các giá trị cần phải đo gồm n = 5 x 6 = 30 giá trị. Với 4 nhóm mẫu thí nghiệm đã chuẩn bị thì tổng số các giá trị cần đo là N = 30 x 4 x 3 = 360 giá trị đo (Số mẫu được tính để lấy kết quả trung bình là 3 mẫu /1nhóm).
+ Việc đo đạc độ thấm khí của 01 mẫu thử được tiến hành trong ít nhất 1 ngày để đảm bảo công tác chuẩn bị về lắp và tháo mẫu thí nghiệm cũng như lắp đặt các thiết bị đo là tốt nhất.
+ Các số liệu cần ghi nhận trong quá trình đo đạc với mỗi mẫu thí nghiệm gồm thời gian đo, ứng suất trong bê tơng, biến dạng mẫu, áp lực khí
43
vào, lưu lượng khí vào và áp suất khí quyển. Sơ đồ thí nghiệm và bố trí chung các thiết bị thí nghiệm được mơ tả như trên (hình 3.4).
Hình 3.4 – Sơ đồ thí nghiệm đo đạc độ thấm khí của bê tơng với mẫu trụ kht lỗ ở tâm
Hình 3.5 – Tồn cảnh bố trí thí nghiệm đo đạc độ thấm khí bê tơng
3.2.3 Kết quả và thảo luận
Bảng 3.1 – Giá trị trung bình của lưu lượng khí vào và biến dạng dọc trục
Nhiệt độ nung T (P o P C) Ứng suất tương đối (USTĐ) σ/σRmax
Lưu lượng khí Q(ml/phút) tương ứng với mỗi cấp áp lực khí vào
PRiR (MPa)
Biến dạng dọc trục mẫu
ε
44 25P o P C 0,00 3 5 8 12 16 0 0,35 3 5 8 11 15 4,95E-04 0,50 2 5 7 10 14 7,25E-04 0,70 4 7 11 16 21 1,43E-03 0,85 19 38 58 81 110 1,83E-03 0,95 43 80 120 163 219 2,29E-03 60P o P C 0,00 3 7 10 14 19 0 0,35 3 6 9 13 18 4,40E-04 0,50 3 6 9 13 18 6,45E-04 0,70 7 12 18 25 32 1,42E-03 0,85 31 58 85 115 150 1,90E-03 0,95 46 85 123 163 208 2,36E-03 105P o P C 0,00 4 8 12 17 23 0 0,35 4 7 10 15 20 5,12E-04 0,50 3 6 9 13 17 7,85E-04 0,70 6 11 16 22 29 1,52E-03 0,85 47 89 131 177 234 1,97E-03 0,95 72 133 193 257 330 2,52E-03 150P o P C 0,00 4 9 13 17 22 0 0,35 4 7 11 15 21 5,41E-04 0,50 4 7 10 14 19 9,63E-04 0,70 5 9 13 18 24 1,72E-03 0,85 34 66 97 132 173 2,24E-03 0,95 82 151 216 284 357 2,76E-03
45
Với mỗi nhóm mẫu thí nghiệm được nung trước các nhiệt độ nung khác nhau, giá trị trung bình của các kết quả đo đạc bao gồm ứng suất trong bê tơng, lưu lượng khí vào, biến dạng dọc trục mẫu được thống kê như trên bảng 3.1. Đơn vị của lưu lượng khí Q là ml/phút. Đơn vị của áp suất khí Pi là MPa. Từ các kết quả đo có được trên Bảng 3.1, các giá trị độ thấm danh định KRa Rcủa bê tơng được tính tốn theo cơng thức (3.1) tương ứng với mỗi giá trị áp suất khí vào PRiR. Áp suất khí quyển Patm được lấy là 1 atm hay 0,1 MPa.
Bảng 3.2 - Sau đây biễu diễn các giá trị độ thấm danh định KRa
Nhiệt độ nung T (P o P C) Ứng suất tương đối (USTĐ) σ/σRmax Độ thấm danh định KRaR (mP 2 P
) tương ứng với mỗi cấp áp lực khí vào (Mpa) 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 25P o P C
0,00 4,50E-17 4,51E-17 4,98E-17 5,53E-17 6,27E-17 0,35 4,00E-17 4,33E-17 4,76E-17 5,33E-17 6,09E-17 0,50 3,61E-17 3,96E-17 4,30E-17 4,84E-17 5,52E-17 0,70 5,81E-17 6,23E-17 6,77E-17 7,45E-17 8,54E-17 0,85 2,99E-16 3,20E-16 3,51E-16 3,87E-16 4,39E-16 0,95 6,54E-16 6,85E-16 7,32E-16 7,84E-16 8,73E-16
60P
o
P
C
0,00 5,36E-17 5,72E-17 6,19E-17 6,69E-17 7,55E+02 0,35 4,85E-17 5,14E-17 5,58E-17 6,15E-17 7,03E-17 0,50 4,95E-17 5,32E-17 5,71E-17 6,31E-17 7,17E-17 0,70 1,03E-17 1,06E-17 1,11E-17 1,18E-17 1,26E-17 0,85 4,70E-16 4,92E-16 5,16E-16 5,53E-16 5,96E-16 0,95 7,07E-16 7,24E-16 7,52E-16 7,84E-16 8,29E-16 105P
o
P
46
0,35 5,55E-17 5,95E-17 6,38E-17 7,14E-17 8,12E-17 0,50 4,96E-17 5,26E-17 5,56E-17 6,14E-17 6,86E-17 0,70 9,00E-17 9,45E-17 9,93E-17 1,06E-17 1,16E-17 0,85 7,18E-16 7,55E-16 7,99E-16 8,50E-16 9,31E-16 0,95 1,10E-15 1,13E-15 1,18E-15 1,24E-15 1,31E-15
150P
o
P
C
0,00 6,84E-17 7,26E-17 7,65E-17 8,21E-17 8,95E-17 0,35 6,06E-17 6,38E+02 6,86E-17 7,35E-17 8,23E-17 0,50 5,43E-17 5,84E-17 6,26E-17 6,85E-17 7,63E-17 0,70 7,18E-17 7,58E-17 8,05E-17 8,64E-17 9,60E-17 0,85 5,30E-16 5,60E-16 5,98E-16 6,32E-16 6,87E-16 0,95 1,26E-15 1,29E-15 1,32E-15 1,36E-15 1,42E-15
Các giá trị độ thấm thực của bê tông KRv R(hay đơn giản là K) của bê tông M30 được suy ra từ các giá trị độ thấm danh định KRaRtheo nguyên lý Klinkenberg như sau:
(3.2)
Với β (PRaR) là hệ số Klinkenberg, PRmR = (PR1R+PR2R)/2 là giá trị ứng suất trung bình của áp suất khí vào (PR1R = Pi) và khí ra (PR2 R= PRatmR). Theo (3.2), độ thấm thực K của bê tông dần tới giá trị độ thấm danh định KRaR khi áp lực khí trung bình PRmR dần tới vơ cùng hay 1/PRmR dần tới 0 tương ứng là khi khí đơng đặc lại thành chất lỏng. Để có thể ngoại suy các giá trị độ thấm thực của bê tông theo nguyên lý Klinkenberg, quan hệ (3.2) được biễu diễn trong hệ toạ độ "1/PRm R– KRaR" tương ứng ở các giá trị ứng suất khác nhau (Hình vẽ từ 3.6 đến 3.9).
47
Hình 3.6 – Biến đổi của độ thấm danh định KRaR theo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấpứng suất khác nhau (T= 25P
o
P
C)
Hình 3.7 – Biến đổi của độ thấm danh định KRa Rtheo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRm Rở các cấp ứng suất khác nhau (T= 60P
o
P
48
Hình 3.8 – Biến đổi của độ thấm danh định KRaR theo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấp ứng suất khác nhau (T= 105P
o
P
C)
Hình 3.9 – Biến đổi của độ thấm danh định KRaR theo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấp ứng suất khác nhau (T= 150P
o
P
C)
Từ các biểu đồ biễu diễn quan hệ giữa độ thấm danh định KRaR và nghịch đảo của ứng suất trung bình 1/PRmR theo nguyên lý Klinkenberg trên đây, dễ dàng tìm được các giá trị độ thấm thực của bê tông K. Thật vậy, độ thấm khí
49
thực K là giao của trục tung KRa Rvới đường ngoại suy tuyến tính các giá trị của của KRa Rtheo 1/PRmR.
Các giá trị độ thấm khí thực K thu được ở các nhiệt độ khác nhau và ở các cấp ứng suất trong bê tông khác nhau được thống kê như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 – Các giá trị độ thấm khí thực K thu được theo nguyên lý Klinkenberg
Ứng suất tương đối (USTĐ)
σ/σRmax
Độ thấm danh định K (mP
2
P
) ở các nhiệt độ xem xét khác nhau 25P o P C 60P o P C 105P o P C 150P o P C
0,00 1,5E-17 2,1E-17 3,4E-17 4,9E-17
0,35 1,4E-17 2,3E-17 2,6E-17 3,9E-17
0,50 1,4E-17 2,2E-17 2,5E-17 3,6E-17
0,70 2,8E-17 7,3E-17 5,9E-17 4,9E-17
0,85 1,4E-16 3,4E-16 4,6E-16 3,3E-16
0,95 4,0E-16 5,7E-16 8,3E-16 1,1E-15
Gia tăng độ thấm khí của bê tơng K theo ứng suất trong bê tông σ/σRmaxR
được biễu diễn trên các Hình 3.10 và Hình 3.11 tương ứng ở các nhiệt độ khác nhau (25P o P C, 60P o P C, 105P o P C et 150P o P C).
Hình 3.10 – Gia tăng độ thấm của bê tông K theo ứng suất trong bê tông ở các nhiệt độ khác nhau
50
Trên hình 3.10 ta thấy, độ thấm của bê tơng K giảm nhẹ so với độ thấm ban đầu KRoR khi ứng suất tương đối σ/σRmaxR còn nhỏ hơn một giá trị ngưỡng nằm trong khoảng 0,6 đến 0,75. Nhiệt độ có ảnh hưởng nhẹ đến đến độ thấm khí của bê tơng trong giai đoạn này.
Khi ứng suất trong bê tông vượt q giá trị giới hạn nói trên, độ thấm khí của bê tông bắt đầu tăng nhanh, ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự gia tăng này trở nên rõ ràng hơn, tuy nhiên ảnh hưởng của nhiệt độ là không lớn so với ảnh hưởng cơ học, đặc biệt là với các nhiệt độ lớn hơn 60P
o P C. Khi nhiệt độ còn nhỏ hơn 105P o P
C, sự gia tăng của nhiệt độ kéo theo sự gia tăng nhanh dần của độ thấm khí dưới tác động của tải trọng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt đến 150P
o
P
C, chúng ta thấy sự một sự dị thường trong tốc độ gia tăng thấm khí. Thật vậy, khi so sánh gia tăng độ thấm khí ở 105P
o P C và 150P o P C, có thể thấy tồn tại một khoảng dao động của ứng suất tương đối trong bê tông từ 0,75 đến 0,9 mà ở đó, gia tăng độ thấm khí ở 105P
o
P
C nhanh hơn so với độ thấm khí ở nhiệt độ 150P
o
P
C. Hiện tượng dị thường này được một số tác giả như Choinska (2006) giải thích là do sự phân bố lại của ma trận các lỗ rỗng trong bê tông dưới tác dụng đồng thời của phá hủy bê tông do nhiệt độ và do tác động cơ học của tải trọng khi nhiệt độ bắt đầu lớn hơn 105P
o
P
C, là ngưỡng đánh dấu sự xuất hiện hiện tượng phá hủy nhiệt trong bê tơng. Chính sự phân bố lại của ma trận các lỗ rỗng làm gia tăng hệ số Klinkenberg β (có thể lên đến 30%) trong biểu thức (3.2), hậu quả là làm cho gia tăng độ thấm khí của bê tơng theo tải trọng bị giảm. Ngược lại, với các nhiệt độ nhỏ hơn 105P
o
P
C, khi bê tơng cịn chưa được xem là khơ, thì sự phá hủy nhiệt chưa xảy ra, nên gia tăng thấm của bê tơng hồn tồn bị tải trọng tác dụng khống chế, do vậy hệ số Klinkenberg giảm đều (khoảng 10 %) và tốc độ gia tăng thấm khí tăng theo nhiệt độ.
51
Khi khơng xét ảnh hưởng của nhiệt độ cao (T = 25P
o
P
C), có thể lấy mốc σ/σRmaxR = 0,7 như là ngưỡng đánh dấu sự gia tăng thấm của bê tông dưới tác động của tải trọng. Cần lưu ý, đây cũng chính là ngưỡng đánh dấu sự chuyển tiếp từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử phi tuyến trước phá hoại của bê tông. Do