Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 9 (12/2021), 1047 1056 1047 Transport and Communications Science Journal DETERMINATION OF THE EFFECTIVE PERMEABILITY FOR FRACTURED CONCRETE[.]
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1047-1056 Transport and Communications Science Journal DETERMINATION OF THE EFFECTIVE PERMEABILITY FOR FRACTURED CONCRETE MODEL BY USING FEM Tran Thi Bich Thao* University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 26/09/2021 Revised: 23/10/2021 Accepted: 09/11/2021 Published online: 15/12/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.9.4 * Corresponding author Email: tbthao.tran@utc.edu.vn Abstract The durability of a concrete structure containing intersecting fractures depends strongly on its water permeability A good understanding of transport phenomena will be useful for predicting the service life and optimizing the material design Therefore, the objective of this work is to investigate the influence of the fracture distribution law on the effective permeability for numerical fractured concrete model To achieve this objective, twodimensional concrete specimens with coarse aggregates are first generated Then the system of fractures are randomly built with varied density ranges Finaly, the hydraulic properties of the proposed models are determined by finite element method Furthermore, the numerical results obtained are used to demonstrate that both the fracture density and its distribution law influence the effective permeability of fractured concrete model Keywords: fractured concrete, coarse aggregate, effective permeability © 2021 University of Transport and Communications 1047 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1047-1056 Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM CĨ HIỆU CỦA MƠ HÌNH BÊ TƠNG BỊ NỨT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH Trần Thị Bích Thảo* Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 26/09/2021 Ngày nhận sửa: 23/10/2021 Ngày chấp nhận đăng: 09/11/2021 Ngày xuất Online: 15/12/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.9.4 * Tác giả liên hệ Email: tbthao.tran@utc.edu.vn Tóm tắt Độ bền kết cấu bê tơng có chứa vết nứt phụ thuộc lớn vào đặc tính thấm nước Sự hiểu biết tượng truyền dẫn cho phép xác định tuổi thọ tối ưu hố việc thiết kế thành phần vật liệu Vì mục tiêu báo nghiên cứu ảnh hưởng quy luật phân bố vết nứt đến độ thấm có hiệu mơ hình mơ số khối bê tông Để đạt mục tiêu này, trước tiên mẫu bê tông hai chiều với hạt cốt liệu thô khởi tạo Tiếp đến hệ thống vết nứt bố trí ngẫu nhiên với thay đổi mật độ Cuối đặc tính thuỷ lực mơ hình đề xuất xác định phương pháp phần tử hữu hạn Hơn nữa, kết số thu được dùng để chứng minh, phân tích mức độ ảnh hưởng mật độ vết nứt quy luật phân bố chúng đến tính thấm có hiệu mơ hình bê tơng bị nứt Từ khóa: bê tơng nứt, cốt liệu thơ, độ thấm có hiệu © 2021 Trường Đại học Giao thông Vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Nứt ăn mịn hai thuộc tính cố hữu kết cấu bê tơng, song hành kết cấu suốt tuổi thọ khai thác Nứt ăn mịn có mối quan hệ ảnh hưởng qua lại Vết nứt hình thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc thấm nhập nước có hồ tan chất gây ăn mịn vào mơi trường bê tông, nước làm hư hỏng cốt thép, kéo theo phá huỷ phận toàn kết cấu [1-3] Chính hiểu biết tường tận đặc tính thấm 1048 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1047-1056 mối tương quan với vết nứt môi trường bê tông cần thiết cho việc dự báo tuổi thọ làm việc thiết kế thành phần vật liệu bê tông nói chung kết cấu có sử dụng bê tơng nói riêng Đến giới có nhiều cơng bố liên quan đến chủ đề phân tích tính thấm mơi trường rỗng nói chung bê tơng bị nứt nói riêng, liệt kê sau số nghiên cứu báo Vu [4], Bogdanov [5], Choinska [6], Cao [7], Chen [8] Pouya [9] Đa phần nghiên cứu xem xét môi trường rỗng miền đồng đặc trưng giá trị độ thấm định Tuy nhiên thực tế bê tông bao gồm hỗn hợp vữa xi măng hạt cốt liệu thô, môi trường chất không đồng đặc trưng giá trị độ thấm khác Mặt khác tuỳ vào độ cứng hạt cốt liệu mà vết nứt xuất cắt qua hạt cốt liệu hữu phạm vi miền vữa xi măng Đây đặc điểm mà nghiên cứu nói chưa xem xét đến Trên sở nghiên cứu hướng đến việc phân tích ảnh hưởng quy luật phân bố mật độ vết nứt đến độ thấm có hiệu mơ hình số mẫu bê tơng có chứa hạt cốt liệu thơ Trong hạt cốt liệu mơ dạng hình trịn gieo ngẫu nhiên mơi trường chất vữa xi măng với tỷ lệ thể tích định, hệ thống vết nứt dạng đoạn thẳng phân bố ngẫu nhiên xem xét với trường hợp có chiều dài khác nhau, cắt qua không cắt hạt cốt liệu thô Mô hình mơ tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn, đặc tính thấm thu được dùng để đưa nhận định mối liên hệ với quy luật phân bố mật độ hệ thống vết nứt Các mục lại báo xếp theo trình tự nội dung sau: Phần dành để mô tả việc xây dựng mơ hình tốn, thống kê thơng số vật liệu mô phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn; Phần tập trung vào việc phân tích kết số thu liên quan đến độ thấm, dự báo ảnh hưởng quy luật mật độ phân bố vết nứt đến độ thấm có hiệu; Cuối số kết luận vấn đề nghiên cứu MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH Trong nghiên cứu mơ hình mẫu bê tơng giả định có dạng hình vng với kích thước L tạo chất vữa xi măng, miền vữa xi măng ký hiệu W bao bọc biên ngồi ¶W Trong miền vữa xi măng thực gieo vị trí hạt cốt liệu thơ theo quy luật phân bố ngẫu nhiên, hạt có dạng tròn ký hiệu w i , biên tiếp xúc hạt cốt liệu chất vữa xi măng ký hiệu G i Hệ thống vết nứt có dạng đoạn thẳng ký hiệu l j phân bố ngẫu nhiên mẫu bê tông mơ Mơ tả nói minh hoạ hình Trong nghiên cứu hạt cốt liệu thô mẫu bê tông chiếm tỷ lệ cố định ký hiệu , mật độ vết nứt đại diện tham số c , chúng xác định thông qua biểu thức sau = N R , L2 1049 (1) Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1047-1056 M c= s w j j =1 L2 , (2) N tổng số hạt cốt liệu thơ, R bán kính hình trịn, s j chiều dài vết nứt thứ “ j ”, w độ mở rộng vết nứt Đặc tính thuỷ lực dịng chảy mơi trường chất vữa xi măng môi trường hạt cốt liệu thô tuân theo định luật Darcy sau u ( x) = − k p(x), u ( x) = (3) (4) Đối với dòng chảy khe nứt, nghiên cứu mơ tả quy luật lập phương (cubic law) sau u ( x) = − f p ( x ) (5) với f = w2 12 (6) Trong phương trình (3), (4), (5), (6) nói u(x), p(x) ký hiệu trường vận tốc áp suất, m độ nhớt động lực học chất lỏng (nước), f độ thấm vết nứt, k độ thấm mơi trường rỗng, nhận hai giá trị độ thấm môi trường vữa xi măng độ thấm mơi trường cốt liệu thơ, tuỳ thuộc vào vị trí điểm x xem xét Hình Mơ hình mơ mẫu bê tông bị nứt Biên khối bê tơng nói được áp điều kiện áp suất tuân theo phương trình biểu diễn sau p(x) = G1 x + G2 y x 1050 (7) Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1047-1056 Trong nghiên cứu này, trước tiên mẫu mô khối bê tông xây dựng cách khởi tạo cách ngẫu nhiên vị trí tương đối hạt đại diện cốt liệu thô phạm vi miền vuông L L với điều kiện hạt cốt liệu không phép giao cắt Tiếp đến vết nứt gieo ngẫu nhiên theo hai nguyên tắc tương ứng với hai trường hợp sau: (i) Vết nứt không cắt qua hạt cốt liệu, nói cách khác vết nứt xuất miền vữa xi măng; (ii) Vết nứt cắt qua miền vữa xi măng miền cốt liệu thô Mô hai trạng thái vết nứt thể hình phía Đối với hạt mô cốt liệu thô, thông số đặc trưng cho hạt toạ độ vị trí tâm ( xc , yc ) bán kính R Đối với vết nứt đơn thơng số đặc trưng toạ độ hai điểm đầu cuối vết nứt A( xA , yA ) B( xB , yB ) Các thông số khởi tạo ngẫu nhiên lập trình thuật tốn với phần mềm hỗ trợ Matlab Sau thơng số nhập vào phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Comsol Multyphysics để mơ tính tốn Hình Dạng hình thái phân bố vết nứt: Cắt qua cốt liệu (trái); Không cắt qua cốt liệu (phải) Sau mơ phỏng, gán tính chất vật liệu tương ứng với miền xem xét (vữa xi măng, cốt liệu vết nứt), áp điều kiện biên tính tốn Kết tính tốn thu được dùng để xác độ thấm có hiệu mẫu mơ hình bê tông bị nứt theo biểu thức sau k eff = − u , p (8) u, p vận tốc gradient áp suất trung bình tồn khối bê tơng mơ phỏng, chúng xác định sau u = u ( x) = u(x)d, L L p = p ( x ) = p ( x)d, L L ký hiệu · tốn tử trung bình 1051 (9) (10) Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1047-1056 ÁP DỤNG SỐ VÀ PHÂN TÍCH Để phân tích đặc tính thuỷ lực mơ hình mẫu bê tơng bị nứt tiến hành mơ tính tốn với thông số vật liệu cụ thể thống kê bảng Bảng Thông số vật liệu mô hình Độ thấm Vật liệu Độ nhớt của chất lỏng ( m2 ) ( Pa s ) Vữa xi măng 1,98 10−16 1,002 10−3 Cốt liệu thô 1,8 10−14 1,002 10−3 Quy luật lập phương 1,002 10−3 Vết nứt Trong nghiên cứu xem xét 04 hình thái phân bố vết nứt đặt tên tương ứng với 04 trường hợp mô tả cụ thể bảng đây, trạng thái có độ mở rộng vết nứt w=0,5 mm Bảng Mơ tả hình thái phân bố vết nứt 04 trường hợp xem xét Tên trường hợp Vị trí tương đối vết nứt đơn Chiều dài vết nứt đơn Biến thiên mật độ vết nứt TH1 Nằm miền vữa xi măng 0,5R 0,8R 0,1 TH2 Cắt qua hạt cốt liệu thô 0,5R 0,8R 0,1 TH3 Nằm miền vữa xi măng 2R 2,3R 0,1 TH4 Cắt qua hạt cốt liệu thô 2R 2,3R 0,1 Mơ hình mẫu bê tơng áp điều kiện biên áp suất mô tả biểu thức số (7) với giá trị cụ thể G1 = −1, G2 = Tuỳ theo cấu trúc tạo ngẫu nhiên mà mẫu mơ hình chia lưới với số lượng phần tử khác giao động từ 6080 đến 70161 phần tử tam giác Hình ảnh minh hoạ cho việc chia lưới miền tính tốn thể hình vẽ 1052 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1047-1056 Hình Hình ảnh rời rạc hố miền tính tốn phần tử tam giác Sau mơ tính tốn trường kết minh hoạ hình vẽ tương ứng với 04 trường hợp phân bố hình thái vết nứt thống kê bảng Hình Trường áp suất tương ứng với TH1(trái) TH2(phải) Hình Trường áp suất tương ứng với TH3(trái) TH4(phải) 1053 ... tính thấm có hiệu mơ hình bê tơng bị nứt Từ khóa: bê tơng nứt, cốt liệu thơ, độ thấm có hiệu © 2021 Trường Đại học Giao thông Vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Nứt ăn mịn hai thuộc tính cố hữu kết cấu bê tơng,... 72, Số (12/2021), 1047-1056 Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM CĨ HIỆU CỦA MƠ HÌNH BÊ TƠNG BỊ NỨT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH Trần Thị Bích Thảo* Trường Đại học Giao thơng vận tải, Số... trường vận tốc áp suất, m độ nhớt động lực học chất lỏng (nước), f độ thấm vết nứt, k độ thấm mơi trường rỗng, nhận hai giá trị độ thấm môi trường vữa xi măng độ thấm môi trường cốt liệu thơ,