Đánh giá thực nghiệm và mô phỏng độ thấm khí của đá xi măng có xét đến ảnh hưởng của độ bão hòa nước

Độ thấm khí của một vật liệu có lỗ rỗng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng cho phép chất khí đi xuyên qua mà không làm thay đổi cấu trúc của chất đó. Tính thấm của vật liệu phụ thuộc vào nhiều thông số như độ rỗng, áp suất khí thẩm thấu, hình dạng, độ nhám và tính kết nối giữa các lỗ rỗng. Đối với trường hợp của đá xi măng, trong cấu trúc lỗ rỗng luôn tồn tại hai pha lỏng và khí.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đánh giá thực nghiệm và mô phỏng độ thấm khí của đá xi măng có xét đến ảnh hưởng của độ bão hòa nước Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2018. 12 (4): 135–146 ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG ĐỘ THẤM KHÍ CỦA ĐÁ XI MĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ BÃO HÒA NƯỚC Từ Sỹ Quâna,∗ a Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3, phố Cầu Giấy, phường Láng thượng, quận Đống đa, Hà Nội, Việt Nam Lịch sử bài viết: Nhận ngày 28/03/2018, Sửa xong 10/5/2018, Chấp nhận đăng 30/5/2018 Tóm tắt Độ thấm khí của một vật liệu có lỗ rỗng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng cho phép chất khí đi xuyên qua mà không làm thay đổi cấu trúc của chất đó. Tính thấm của vật liệu phụ thuộc vào nhiều thông số như độ rỗng, áp suất khí thẩm thấu, hình dạng, độ nhám và tính kết nối giữa các lỗ rỗng. Đối với trường hợp của đá xi măng, trong cấu trúc lỗ rỗng luôn tồn tại hai pha lỏng và khí. Sự tồn tại của nước tự do trong hệ thống lỗ rỗng có ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng truyền dẫn và hấp thụ khí của vật liệu. Mô hình thực nghiệm giới thiệu trong bài báo đã được phát triển và ứng dụng tại phòng thí nghiệm về Xây dựng và Cơ học (Laboratoire en Génie Civil et Génie Mécanique) thuộc trường Trung ương thành phố Nantes (Ecole Centrale de Nantes), Cộng hòa Pháp. Trên cơ sở phân tích kết quả đo độ thấm khí thu được trên các mẫu hình trụ, dựa trên các lý thuyết mô phỏng đã được xây dựng và thiết lập, nghiên cứu cho phép chỉ ra những thông số cần thiết tương ứng với từng loại vật liệu xem xét. Từ khoá: định luật Darcy; độ thấm nội tại; hệ số thấm thủy lực; độ thấm khí; hiệu ứng Klinkenberg. EVALUATION BY EXPERIMENT AND MODELING GAS PERMEABILITY OF CEMENT - BASED MATERIALS CONSIDERING THE EFFECT OF THE WATER SATURATION DEGREE Abstract The gas permeability is a property of the porous media that measures the capacity of a gas to pass through without altering the structure of the substance. The permeability of the material is depended on many parameters such as porosity, osmotic pressure, shape, roughness and pore connectivity. In the case of hardened cement, two phases, i.e. liquid and gas, exist in its pore structure. The existence of free water in the pore system has a great influence on the ability of the material to transmit and absorb gas. The experimental model introduced in the paper has been developed and applied in the Laboratory of Construction and Mechanics Engineering (Laboratoire en Génie Civil et Génie Mécanique - Ecole Centrale de Nantes), France. Based on the analysis of gas permeability measurements obtained on cylindrical samples and many theoretical simulations have been established and set up, the necessary parameters for each type of material considered are indicated. Keywords: Darcy’s law; intrinsic permeability; hydraulic conductivity; gas permeability; Klinkenberg effect. https://doi.org/10.31814/stce.nuce2018-12(4)-15 © 2018 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) 1. Giới thiệu chung Chất lỏng, cụ thể là nước từ lâu đã được sử dụng trong việc đo độ thấm của vật liệu có nguồn gốc từ xi măng, vốn có giá trị tương đối nhỏ so với các vật liệu rời rạc khác như đất hay cát. Darcy [1] đã ∗ Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: syquantu@gmail.com (Quân, T. S.) 135 Quân, T. S. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng đề xuất ra mô hình thí nghiệm mà theo đó có thể đánh giá độ thấm dựa trên khả năng thẩm thấu và lan tỏa của nước vào hệ thống rỗng của vật liệu. Với những mẫu có kích thước lớn, thời gian đo có thể kéo dài đến cả tháng, khiến công tác thí nghiệm trở nên tốn kém cả về thời gian và công sức. Để khắc phục tình trạng trên, nhiều kỹ thuật đo thấm tiên tiến đã được đề xuất thay thế, chẳng hạn như sử dụng sóng siêu âm hay sử dụng khí trơ đi xuyên qua mẫu. . . Mô hình đo thấm được trình bày trong bài báo dựa trên nguyên lý thay thế nước bằng một loại khí trơ không phản ứng hóa học với bê tông. Về cơ bản, tính chất lý hóa của nước và khí trơ luôn có sự khác biệt. Do vậy, việc sử dụng khí trơ đòi hỏi phải có hiểu biết về đặc điểm của từng loại khí cũng như cách thức tương tác của chúng với vật liệu xem xét. 1.1. So sánh nguyên lý đo độ thấm khí và độ thấm nước Chất khí thường được ưu tiên sử dụng để đo độ thấm nội tại của mẫu ở trạng thái đóng rắn. Điều này dựa trên trên khả năng thẩm thấu của chất khí vào môi trường rỗng thấp thường tốt hơn chất lỏng. Giả sử ta có một mẫu hình trụ vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, có đường kính D, chiều cao H chịu áp suất chất lưu đầu vào là P1 , áp suất đầu ra là P2 (Hình 1). Ở thang bậc cấu trúc vi mô, chất lưu sử dụng trong thí nghiệm cần thỏa mãn những điều kiện sau: ◦ Lực quán tính rất nhỏ so với lực dòng gây ra do độ nhớt. ◦ Dòng chảy thuộc chế độ chảy tầng. ◦ Chất lưu đi qua không tạo phản ứng hóa học với môi trường đo. Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2018. 13(5):1-16 Hình1 1. Môhình hìnhhóa hóathí thínghiệm nghiệm đo đo độ độ thấm nước (thấm Hình : Mô (thấm khí) khí) trong trongbài bàitoán toán11chiều chiều Đối với chất lỏng, với giả thiết áp suất tác dụng biến thiên tuyến tính dọc theo chiều Đối với với giả áp môi suấttrường tác dụng thiên tính thông dọc theo cao mẫu, độ cao chất mẫu,lỏng, độ thấm nội thiết tại của khibiến đó có thể tuyến được tính qua chiều định luật thấm nộiDarcy tại của môi trường khi đó có thể được tính thông qua định luật Darcy [2] : [2]: µµE E QQ HH rρE EggSS PP -− P2P2 1 1 KKv v== (1) (1) trong đó µE làvới độ nhớt động của chất lỏng (Pa.s); ρE là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3 ); Q là lưu lượng thấm qua mẫu (m3 /s); S là diện tích thiết diện của mẫu (m2 ); H là chiều cao của mẫu (m); µ E : Độ nhớt động của 2chất lỏng (Pa.s) ; r E : Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) ; g là gia tốc trọng trường (m/s ); P1 là áp suất đầu vào của mẫu (m H2 O) và P2 là áp suất đầu ra của : Lưu lượng thấm qua mẫu (m3/s) ; S : Diện tích tiết diện của mẫu (m2) ; mẫu (m HQ2 O). 2 là nhớt thuần túy. Do TrongHthực tế, khí chất lưu; nén được và dòng của nó không phải g : Giach ...