Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu cũng xác định được các thông số như: Áp lực trong các vùng nạp liệu, góc nghiêng tạo bởi mặt công của vùng chuyển tiếp, đường kính vùng nạp liệu và chiều dài vùng chuyển tiếp; chiều dài của vùng tạo hình, v.v., của máy đùn ép piston nhằm giúp cho việc thiết kế, chế tạo và làm chủ công nghệ đùn ép ống bê tông ECC tại Việt Nam.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (3V): 84–90 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY ĐÙN ÉP ỐNG BÊ TÔNG CỐT SỢI Lưu Đức Thạcha,∗, Phùng Công Dũngb , Bùi Tiến Tùnga , Đinh Thu Thảoa , Nguyễn Gia Tùnga a Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thông vận tải, 54 đường Triều Khúc, quận Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 03/06/2019, Sửa xong 17/06/2019, Chấp nhận đăng 21/06/2019 Tóm tắt Máy đùn ép bê tông cốt sợi (ECC) dần sử dụng lĩnh vực xây dựng để làm ống cấp nước, nước cấu kiện bê tơng đúc sẵn Loại sản phẩm sản xuất bê tơng cốt sợi thành mỏng có trọng lượng nhẹ khả chịu uốn cao so với loại sản phẩm bê tông cốt thép thông thường Trong báo trình bày mơ hình khảo sát xác định thông số máy đùn ép ống bê tông Hỗn hợp bê tông cốt sợi đưa vào vùng nạp liệu, sau áp lực piston, vật liệu bị ép đến vùng chuyển tiếp, vùng tạo hình vùng tách nước Sản phẩm sau tách nước cắt theo chiều dài yêu cầu ống đưa đến phòng xử lý nước để làm cứng Nghiên cứu xác định thông số như: áp lực vùng nạp liệu, góc nghiêng tạo mặt vùng chuyển tiếp, đường kính vùng nạp liệu chiều dài vùng chuyển tiếp; chiều dài vùng tạo hình, v.v., máy đùn ép piston nhằm giúp cho việc thiết kế, chế tạo làm chủ công nghệ đùn ép ống bê tơng ECC Việt Nam Từ khố: bê tông cốt sợi ECC; máy đùn ép piston; công nghệ đùn ép RESEARCH TO DETERMINE BASIC PARAMETERS OF FIBER REINFORCED CONCRETE EXTRUDER Abstract Fiber reinforced concrete extruder (ECC) is gradually being used in construction to make water supply and drainage pipes and precast concrete components These products are manufactured by fiber reinforced concrete with light weight and higher bending resistance than conventional reinforced concrete products The survey model is shown in this paper and the basic parameters of ECC are determined Fiber reinforced concrete mixture is put into the material feed zone and then under the pressure of the piston, the material is pressed to the transition zone, the forming zone and the dewatering zone After being dewatered, the product is cut by the tube required length and hardened in the steam treatment room Besides, the basic parameters of ECC such as pressure in the material feed zone, tilt angle created by the conical face of the transition zone, the material feed zone diameter and the length of transition zone, the length of the forming zone are determined to help in designing, manufacturing and mastering ECC technology in Vietnam Keywords: ECC fiber reinforced concrete; piston extruder; extrusion technology https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(3V)-09 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Đặt vấn đề Hiện nay, nhu cầu sử dụng ống để cấp, nước khu thị, nhà cao tầng ngày gia tăng Các phương pháp pháp đúc ống truyền thống sử dụng hỗn hợp bê tông cốt thép trình ∗ Tác giả Địa e-mail: luuducthach@gmail.com (Thạch, L Đ.) 84 Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng bày theo tài liệu [1–3] có ưu điểm đơn giản, dễ tạo hình, v.v Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp chiều dày ống từ 70÷150 mm tốn nhiều vật liệu có trọng lượng ống lớn, thời gian đông kết bê tông dài dẫn đến suất không cao Để giảm trọng lượng ống tăng khả chịu uốn người ta sử dụng loại bê tông composite FRC, HSCC, ECC [4], Cấp phối để sản xuất ống thường bao gồm: xi măng, bột silica (cỡ hạt trung bình µm), bột thạch anh (cỡ hạt trung bình 24 µm), cát mịn (dmax = 250 µm), tro bay sợi cốt liệu (loại chuyên dùng) Theo phương pháp ống có chiều dày nhỏ từ 10 ÷30 mm tiết kiệm vật liệu giảm trọng lượng ống đảm bảo khả chịu lực theo yêu cầu Do việc vận chuyển, lắp đặt dễ dàng Trên giới số quốc gia Mỹ, Đan Mạch, Nhật Bản, Úc, v.v nghiên cứu đưa phương pháp đùn ép để sản xuất loại ống thoát nước [5–10] Tuy nhiên kết nghiên cứu dừng lại việc sản xuất thử nghiệm khó áp dụng vào sản xuất Tại Việt Nam chưa có nghiên cứu loại máy Vì vậy, việc nghiên cứu xác định thơng số máy đùn ép cần thiết góp phần cho việc thiết kế, chế tạo nước Nội dung 2.1 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc cấu ép đùn Máy đùn ép điều khiển piston, Hình sử dụng áp lực từ piston để ép hỗn hợp bê tông phía trước - Piston xylanh đùn; - Cửa nạp; - Côn chuyển tiếp; - Khuôn tạo hình; - Thiết bị tách nước; - Lõi khn; 7- Hỗn hợp bê tơng cốt sợi Hình Sơ đồ cấu tạo máy đùn ép piston Hình sơ đồ nguyên lý đùn ép piston Hỗn hợp bê tông ECC đưa vào vùng nạp liệu (2), sau piston (1) ép phía trước đẩy hỗn hợp bê tông vào vùng chuyển tiếp (3) đây, trình nén hỗn hợp bê tông diễn Tiếp theo, hỗn hợp bê tơng qua khn (4) có hình dạng mặt cắt giống ống mong muốn Sau đẩy sang vùng tách nước (5), nước ép gần hết khỏi hỗn hợp bê tông Khi khỏi vùng tách nước, ống bê tông cắt theo chiều dài yêu cầu đưa đến phòng dưỡng hộ để làm cứng 85 Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Piston; - Vùng nạp liệu; - Vùng chuyển tiếp; - Ống tạo hình; - Vùng tách nước Hình Sơ đồ nguyên lý đùn ép piston 2.2 Xác định thông số máy đùn ép Các thông số máy đùn ép bao gồm: áp lực, đường kính ống, chiều dài vùng nạp liệu; áp lực, góc nghiêng tạo mặt côn chiều dài vùng chuyển tiếp; chiều dài vùng tạo hình, v.v Để xác định thông số máy đùn ép cần thiết lập phương trình cân áp suất hỗn hợp bê tơng q trình đùn ép Do hỗn hợp bê tông ECC xem hỗn hợp bê tông dẻo [5], thiết lập phương trình cân áp suất cần có số giả thiết sau: Chuyển cần thiết lập phương trình cân áp suất hỗn hợp bê tơng q trình đùn động điểm vùng đùn ép giống theo hướng; phản lực phân bố ép Do hỗn hợp bê tông ECC xem hỗn hợp bê tông dẻo [4], thiết mặt cắt ngang vùng đùn ép, bỏ cần quacótrọng lựcgiảcủa hỗn bê tơng, lập phươngcủa trình cân áp suất số thiết sau:hợp Chuyển động lực ma sát xác định ứng suất tiếp bề mặt ống đùn τ(x) với thành bên ống điểm vùng đùn ép giống theo hướng; phản lực phân bố Trong khuôn báo này,đùn chỉép, xác lực thông số củalực vùng đùn ép 2, 3, theo mặt khổ cắt ngang vùng bỏ định qua trọng hỗn hợpbản bê tơng, ma sát Hình Phần nướcbởi5 ứng trình báo𝜏tiếp theo Sơbên đồcủa cácống vùng đùn ép hỗn hợp bê (𝑥 ) với đượctách xác định suất tiếp bày bề mặt ống đùn thành tơng trìnhTrong bày khn Hình 3.bài Trong D0 xác đường liệuvùng 2; D khổ báo này, định cáckính thơngvùng số nạp đùn ép đường kính ống đùn; D đường kính ngồi ống đùn; p áp lực đầu vào; p , L , p , L2 , p3 , L3 1 2, 3, theo hình Phần tách nước trình bày báo áp lực chiều dài vùng nạp liệu 2, vùng chuyển tiếp vùng tạo hình Sơ đồ vùng đùn ép hỗn hợp bê tơng trình bày hình Hình Sơ đồ vùng đùn ép hỗn hợp bê tơng ECC Hình Sơ đồ vùng đùn ép hỗn hợp bê tơng ECC Trong đó: D0 đường kính vùng nạp liệu 2; D1 đường kính ống đùn; D2 đường kínhtại ngồi củanạp ống liệu đùn; pL01là: Ta áp lực vào; p1, Ltố 1, p2, 2, pkhoảng 3, L3 phân tố dx vùng lấyđầu phân dxLcó cách áp lực chiều dài vùng nạp liệu 2, vùng chuyển tiếp vùng tạo hình x - Xét đến điểm đầu piston ép Phương trình cânphân bằngtốcác lựcvùng nằmnạp ngang tố dx dxcó(Hình 4)cách là: * Xét dx liệu tác L1: dụng Ta lấy lên mộtphân phân tố khoảng đến điểm đầu piston ép x Fx = Phương trình cân lực nằm ngang tác dụng lên phân tố dx, hình là: πD20 πD2 p(x) =å Fx =00 p(x) + d p + πD0 dx τ(x) 4 pD p ( x) = pD [ p( x) + dp] + p D0dxt ( x) 86 (1) (1) Dn - Dt dx Thay (7), (8) vào (11), tích phân phương trình nhờ phần mềm Mathematica, ta được: p( x) = p1.e - cot q Log ( - D0 cos q + x sin q (8 µ -4 tan q )) (12) * Xét phân tố dx vùng tạo hình L3 Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Xét cân lực nằm ngang theo phương x tác dụng lên phân tố dx, hình 6: τ(x) ứng suất tiếp sinh bề mặt ống đùn D0 đường kính ống nạp liệu, không đổi cho phần chuyển tiếp tương ứng Ứng suất bề mặt ma sát, τ(x), biểu thị áp lực dọc tác động lên bề mặt máy đùn hệ số ma sát µ Theo giả thiết dòng chất lỏng, áp lực dọc điểm với áp lực ngang điểm Do đó, τ(x) biểu thị sau: τ(x) = p(x) + (p(x) + d p) µ (2) Hình Sơ đồ tính lực tác dụng lên phân tố dx vùng L3 Theo [5] cho rằng, để đơn giản hóa q Hình Sơ đồ tính lực tác dụng lên phân tố dx å Fx = trình tích phân khơng ảnh hưởng đến q trình vùng L1 tính tốn, ta bỏ qua d p Như phương D - D )p D - D )p ( ( Ta có: p( x) = ( p( x) + dp ) + µ p( x) p D dx + µ p( x) p D dx 4 trình (2) rút gọn thành: dp -4 µ p( x) τ(x)Suy = ra:p(x)µ (3) = 2 2 2 1 D2 - D1 dx (13) (14) Thay phương trình (3) vào phương trình (1),Tích ta phân được: phương trình (14) ta πD20 πD20 (15) p ( x) = p e (p(x) + d p) + πD0 p(x)µdx p(x) = (4) 4 2.3 Khảo sát xác định thông số máy đùn ép πD20 Tích phân phương trìnhcủa (5) nhờ Mathematica 10.0 [10], ta được: 2.3.1 Thành phần cấp phối hỗnchương hợp bêtrinh tông d p = −πD0 p(x)µdx 4µ x Nguyên liệu bột xi măng Portland (RC, khối lượng riêng: g = 3,15 (6) p( x) = p0 e D dp 4µp(x) g/cm3, cỡ hạt trung bình: 14 µm) Xi măng kết hợp với loại vật liệu khác =− (5) * Xét phân tố dx vùng chuyển tiếp L riêng: g = 2,17 g/cm , cỡ hạt trung bình: dx D0 nhau: bột Silica (Elkem Silica: ES, khối lượng -4 µ x D2 - D1 Đường kính ngồi đường kính phân tố dx, hình 5, xác định theo Tích phân phương trình (5) nhờ chương trình cơng Mathematica 10.0 [11], ta được: thức: p(x) = p0 e Dn = D70 - x tan q − 4µx D Dt = x tan q (7) (6) (8) - Xét phân tố dx vùng chuyển tiếp L2 : Đường kính ngồi đường kính phân tố dx (Hình 5) xác định theo cơng thức: Dn = D0 − 2x tan θ (7) Dt = 2x tan θ (8) Chiều dài vùng chuyển tiếp L2 tính theo cơng thức: D0 − D2 L2 = (9) tan θ Xét cân lực tác dụng lên phân tố dx theo phương ngang [8] ta có: Fx = π D2n − D2t p(x) = Hình Sơ đồ lực tác dụng lên phân tố dx vùng L2 Hình Sơ đồ lực tác dụng lên phân tố dx Chiều dài vùng chuyển tiếp L2 tính theo cơng thức: vùng L2 π D2n − L2 = D2t D0 - D2 tan q (9) Xét cân+bằng các+ lựcπdxτ(x)D tác dụng lên phân tố dx theo phương ngang [7] ta có: (p(x) d p) n (10) åF = − πdxp(x)Dn tan θ + πdxτ(x)Dt − πdxp(x)Dt tan θ x p ( Dn2 - Dt2 ) 87 p ( Dn2 - Dt2 ) p ( x) = ( p( x) + dp ) + p dxt ( x) Dn 4 - p dx p( x) Dn tan q + p dx t ( x) Dt - p dx p( x) Dt tan q Từ phương trình (10), ta được: (10) Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Từ phương trình (10), ta được: d p 4(tan θ − µ)p(x) = dx Dn − Dt dp 4(tan q - µ ) p(x) = dx Dn - Dt (11) (11) Thay (7), (8) vào (11), tích phân phương trình nhờ phần mềm Mathematica, ta được: Thay (7), (8) vào (11), tích phân phương trình nhờ phần mềm Mathematica, ta được: q q p( x) = p1.e - cot Log ( - D0 cos + x sin q (8 µ -4 tan q )) − 41 cot θ log(−D*0 cos sindxθ(8µ−4 tan θ)) Xét θ+4x phân tố vùng tạo hình L3 p(x) = p1 e (12) (12) Xét cân lực nằm ngang theo phương x tác dụng lên phân tố dx, hình 6: - Xét phân tố dx vùng tạo hình L3 : Xét cân lực nằm ngang theo phương x tác dụng lên phân tố dx (Hình 6): F x = Ta có: D22 − D21 π p(x) = D22 − D21 π (p(x) + d p) (13) +µp(x)πD1 dx + µp(x)πD2 dx Suy ra: d p −4µp(x) = dx D2 − D1 Tích phân phương trình (14) ta p(x) = p2 e −4µx D2 −D1 (14) Hình Sơ đồ tính lực tác dụng lên phân tố dx vùng L3 Hình Sơ đồ tính lực tác dụng lên phân tố dx å Fx = vùng L3 ( D - D ) p p( x) = ( D - D ) p p( x) + dp + µ p( x) p D dx + µ p( x) p D dx Ta có: ( ) 2 (15)Suy ra: 2 1 dp -4 µ p( x) = dx D2 - D1 (13) (14) Tích phân phương trình (14) ta 2.3 Khảo sát xác định thông số máy đùn ép a Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tơng -4 µ x p ( x) = p2 e D2 - D1 2.3 Khảo sát xác định thông số máy đùn ép (15) Nguyên liệu bột xi măng Portland (RC, khối = hợp 3,15 g/cm3 , cỡ hạt trung 2.3.1 Thànhlượng phần cấpriêng: phối củaγhỗn bê tơng bình: 14 µm) Xi măng kết hợp với loại vậtNguyên liệu khác Silica (Elkem Silica: ES,g = 3,15 liệu bột nhau: làbột xi măng Portland (RC, khối lượng riêng: g/cm53, µm), cỡ hạt trung 14 µm) Xi măng kết hợp vớiriêng: loại vậtγliệu khác khối lượng riêng: γ = 2,17 g/cm3 , cỡ hạt trung bình: bộtbình: thạch anh (QS,nàykhối lượng nhau: bột Silica (Elkem Silica: ES, khối lượng riêng: g = 2,17 g/cm3, cỡ hạt trung bình: = 2,62 g/cm3 , cỡ hạt trung bình: 24 µm), cát bãi biển (BS, khối lượng riêng γ = 2,20 g/cm3 , dmax ∼ 250 µm) tro bay (FA, khối lượng riêng: γ = 2,20 g/cm3 , cỡ hạt 50 µm) b Sơ đồ khảo sát thơng số hình học máy đùn Thơng số đầu vào khảo sát máy đùn: D0 = 35 cm; D1 = 6,6 cm; D2 = 8,8 cm; µ = 0,12; θ = 40 độ; p0 = 10 Mpa - Các thơng số cố định gồm có: Đường kính D1 đường kính ngồi D2 ; Hệ số cản ma sát µ hỗn hợp bê tơng ECC ống đùn; Áp lực ban đầu piston ép p0 vào hỗn hợp bê tông ECC - Các kết cần đạt được: Khảo sát thay đổi áp lực vùng nạp liệu L1 , L3 ; Khảo sát ảnh hưởng góc nghiêng θ đến áp lực p3 khỏi vùng tạo hình L3 để lựa chọn góc nghiêng hợp lý; Khảo sát ảnh hưởng đường kính vùng nạp liệu D0 để lựa chọn đường kính vùng nạp liệu hợp lý Từ kết nghiên cứu lý thuyết, ta thiết lập sơ đồ khối khảo sát thông số máy (Hình 7) 88 Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Sơ đồ khối khảo sát thông số máy đùn ép c Kết khảo sát Từ sơ đồ khối Hình cơng thức xác định mục 2.2, sử dụng phần mềm Mathematica, ta kết Hình 8–9 Nhìn vào đồ thị Hình 8, ta thấy áp lực p0 giảm từ 10 MPa ban đầu qua vùng nạp liệu L1 khoảng 6,5 MPa Đồ thị Hình cho ta thấy, áp lực giảm từ khoảng 40 MPa xuống 10 MPa Theo yêu cầu hỗn hợp bê tông tạo hình [2], áp lực cần thiết cho vùng ép nước khỏi hỗn hợp bê tông p = ÷ 12 MPa Như vậy, chiều dài L3 = cm phù hợp với thông số máy đùn ép để đạt áp lực p3 theo yêu cầu Nhìn vào đồ thị Hình 10, ta thấy phân bố áp lực ảnh hưởng góc nghiêng θ có dạng hình parapol Khi góc nghiêng θ khoảng từ 40÷60 độ áp lực có giá trị lớn Như vậy, phải lựa chọn góc nghiêng hợp lý để đạt áp lực thích hợp Đồ thị Hình 11 cho ta thấy, đường kính vùng nạp liêu D0 tăng áp lực đầu tăng Đường kính vùng nạp liệu phải đạt từ 26 cm trở lên đảm bảo áp lực đầu yêu cầu Hình Sự thay đổi áp lực vùng nạp liệu L1 Hình Sự thay đổi áp lực vùng tạo hình L3 89 Thạch, L Đ cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình 10 Sự ảnh hưởng góc nghiêng θ thay đổi đến áp lực p3 Hình 11 Sự ảnh hưởng đường kính vùng nạp liệu D0 thay đổi đến áp lực p3 Kết luận Bài báo xây dựng mơ hình thiết lập cơng thức tốn học thể mối tương quan áp lực ép đầu vào p0 thông số hình học vùng nạp liệu L1 , góc nghiêng θ, vùng khn tạo hình L3 đường kính D0 vùng nạp liệu phục vụ cho trình ép tách nước hỗn hợp bê tông Khảo sát thay đổi thông số xác định L1 = 25 cm, L3 = cm, θ = 40÷60 độ, D0 = 26÷30 cm theo áp lực vùng đùn ép Lời cảm ơn Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài Cơng ty cốt sợi Polyme Việt Nam (VITEC) cho việc chế tạo thử nghiệm máy đùn ép Tài liệu tham khảo [1] Chính, V L., Anh, N K., Mai, N T T., Ngọ, Đ T., Tuấn, T V., Xuân, N T (2013) Máy thiết bị sản xuất hỗn hợp bê tông cấu kiện xây dựng NXB Xây dựng Hà Nội [2] Phiêu, N V (2006) Thiết bị công nghệ hỗn hợp bê tông xây dựng NXB Xây dựng Hà Nội [3] Tuấn, T V., Thạch, L Đ (2007) Đề xuất chứng minh giả thuyết khoa học thành luận điểm nghiên cứu trình đúc bê tơng bàn rung Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, (2) [4] Dhawale, A W., Joshi, V P (2013) Engineered cementitious composites for structural applications International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, 2:198–205 [5] Srinivasan, R., DeFord, D., Shah, S P (1999) The use of extrusion rheometry in the development of extruded fiber-reinforced cement composites Concrete Science and Engineering, 1(1):26–36 [6] Christo, R V (2007) Mechanical and structural characterisation of extrusion moulded SHCC Doctoral Thesis, University of Stellenbosch [7] Perrot, A., Rangeard, D., Nerella, V N., Mechtcherine, V (2018) Extrusion of cement-based materials-an overview RILEM Technical Letters, 3:91–97 [8] Stang, H., Fredslund-Hansen, H., Puclin, T., Harrington, B (2008) Extrusion of ECC: Recent developments and applications In 7th International RILEM Symposium on Fibre Reinforced Concrete: Design and Applocations, Chennai, India, Rilem publications, 461–470 [9] Alfani, R., Guerrini, G L (2005) Rheological test methods for the characterization of extrudable cementbased materials - A review Materials and Structures, 38(2):239–247 [10] Perrot, A., Lanos, C., Estellé, P., Melinge, Y (2006) Ram extrusion force for a frictional plastic material: model prediction and application to cement paste Rheologica Acta, 45(4):457–467 [11] Tước, V N (2000) Ngôn ngữ lập trình Mathematica 3.0 NXB Khoa học Kỹ thuật 90 ... có nghiên cứu loại máy Vì vậy, việc nghiên cứu xác định thông số máy đùn ép cần thiết góp phần cho việc thiết kế, chế tạo nước Nội dung 2.1 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc cấu ép đùn Máy đùn ép. .. Vùng chuyển tiếp; - Ống tạo hình; - Vùng tách nước Hình Sơ đồ nguyên lý đùn ép piston 2.2 Xác định thông số máy đùn ép Các thông số máy đùn ép bao gồm: áp lực, đường kính ống, chiều dài vùng... ma sát xác định ứng suất tiếp bề mặt ống đùn τ(x) với thành bên ống điểm vùng đùn ép giống theo hướng; phản lực phân bố Trong khuôn báo này ,đùn ch ép, xác lực thông số củalực vùng đùn ép 2, 3,