XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÓNG ỨNG SUẤT (IMPACT-ECHO) TS. LÃ VĂN CHĂM Bộ môn Đường bộ Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trong thi công và nghiệm thu mặt đường cứng, sân bay việc kiểm tra chiều dày tấm bê tông thường dùng phương pháp khoan mẫu trực tiếp hoặc có thể lựa chọn phương pháp gián tiếp như đo đạc bằng máy thuỷ bình chính xác hoặc một số phương pháp đo sóng. Nội dung bài viết này trình bày cơ sở khoa học và ứng dụng phương pháp đo sóng ứng suất (Impac - Echo) để xác định chiều dày tấm bê tông xi măng (BTXM) trong mặt đường ô tô hoặc sân bay. Summary: There are several methods that can be used to determine the thickness of concrete slab for rigid pavement construction monitoring, such as core measuring, leveling by laser line level and sound wave testing. This article presents methodology and application of stress-wave method (Impact - Echo) for concrete slab thickness measurement of highway & airfield pavement. CT 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Để đánh giá chất lượng mặt đường bê tông trong xây dựng, một số chỉ tiêu cần đạt được như cường độ mặt đường (đánh giá qua cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông), các chỉ tiêu kích thước hình học như chiều rộng, chiều dài và chiều dày tấm bê tông, độ bằng phẳng, độ nhám của tấm, chất lượng khe thi công. Các chỉ tiêu trên hầu hết đã được thể hiện qua nhiều chỉ dẫn kỹ thuật khác nhau của quy trình thiết kế 22 TCN 223 - 95 hoặc các tài liệu, quy chuẩn thi công và nghiệm thu khối BTXM, [1], [2],[3]. Việc đo đạc chiều dày tấm thực ra có thể xác định ngay ở mép tấm nếu mặt đường chỉ có 1 hoặc hai làn xe, với sân đỗ máy bay, đường lăn, có chiều rộng khá lớn để xác định tương đối chính xác chiều dày tấm thi công có thể dùng phương pháp khoan mẫu, đo đạc bằng thuỷ bình chính xác nhờ hiệu số độ cao mặt đường và cao độ mặt móng. Hiện tại nhiều nước đã phát triển thiết bị và hướng dẫn phương pháp đo đạc bằng siêu âm hoặc sóng bề mặt để xác định một số đặc trưng động của tấm BTXM mặt đường. Chúng tôi giới thiệu phương pháp đo sóng ứng suất (Impact - Echo) xác định chiều dày tấm bê tông, đã được thử nghiệm và xác định kết quả đo đạc tại Phòng thí nghiệm công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải năm 2009. II. NỘI DUNG 1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Vật chất cấu tạo bởi nguyên tử (hoặc phân tử), liên kết với nhau bằng lực tương tác giữa các nguyên tử (hoặc phân tử). Các lực nguyên tử (hoặc phân tử) này là các lực đàn hồi, tức là các nguyên tử (hoặc phân tử) này coi như nối với nhau bằng các lò xo. Mô hình đơn giản của vật chất được trình bày ở hình (1). Hình 1. Mô hình của vật thể rắn đàn hồi Trong môi trường đồng nhất, khi vật thể chịu một kích thích cơ học (xung) sẽ xuất hiện sóng đàn hồi lan truyền trong vật thể. Các dạng sóng đàn hồi: CT 2 - Sóng khối: có thể là sóng dọc (sóng P) hoặc sóng ngang (sóng S). - Sóng mặt: có thể là sóng Rayleigl hoặc sóng Love. + Sóng dọc: Sóng dọc còn gọi là sóng nén dãn. Các vùng nén và dãn kế tiếp nhau tạo ra do dao động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng. Hình 2. Sóng nén dãn và sóng S + Sóng ngang hay sóng trượt: Gọi là sóng ngang hay sóng trượt vì phương dịch chuyển của hạt vuông góc với phương truyền sóng. Với các ứng dụng thực tế, sóng ngang chỉ có thể truyền trong chất rắn. Nếu ta tác động vào tấm bê tông một xung lực, sử dụng cảm biến đo sóng lan truyền trong tấm. Qua biểu đồ sóng thu nhận được ta xác định được vận tốc truyền sóng, tần số dao động, hình dạng của sóng. Từ những số liệu cơ bản này dựa vào các công thức vật lý đã được thừa nhận và kinh nghiệm đo trên mẫu thử ta đưa ra được tham số cần xác định của tấm: Độ đồng nhất, mô đun đàn hồi động, chiều dày tấm, hoặc khuyết tật trong tấm. 2. Yêu cầu về thiết bị của phương pháp đo - Bộ chuyển thu thập số liệu đa kênh với tốc độ 500kHz (500.000 mẫu/giây); - Bộ cảm biến đo dao động dạng piezoelectric; - Viên bi va chạm có đường kính 5mm - 8mm; - Phần mềm chuyên dùng thu thập số liệu và xử lý kết quả đo; - Mẫu chuẩn đề kiểm tra thiết bị đo; - Thước đo xác định khoảng cách độ chính xác 1mm. 3. Ứng dụng đo sóng ứng suất Impact - Echo (I - E) để xác định chiều dày tấm BTXM mặt đường [4], [6] - Xác định vận tốc truyền sóng: Biết khoảng cách chính xác giữa hai cảm biến với độ chính xác 1mm. Xác định được thời gian truyền sóng dựa vào biểu đồ sóng thu được từ 2 cảm biến. Vận tốc truyền sóng bằng quãng đường chia cho thời gian truyền. CT 2 L C= p Δt Bằng những nghiên cứu thực nghiệm các nhà nghiên cứu đã tìm ra khoảng cách đặt 2 cảm biến 300mm và tác động của viên bi cách cảm biến thứ nhất khoảng từ 150 ± 10mm. Hình 3. Sơ đồ đo vận tốc và chiều dày tấm - Xác định chiều dày tấm bê tông Hình 4. Biểu đồ sóng và mật độ phổ xác định chiều dày tấm Sóng truyền do viên bi va chạm với bề mặt của bê tông truyền qua tấm bê tông tới đáy tấm. Do dưới đáy của tấm bê tông là một loại vật liệu không cùng loại với bê tông (có trở kháng âm khác trở kháng âm của bê tông), vì vậy xuất hiện hiện tượng sóng phản hồi dội lại bề mặt phía trên và thông qua cảm biến ta thu thập được liên tiếp các sóng này [4, 5]. Phân tích phổ tần số FFT (Fast Fourier Transform) qua đó ta xác định được bề dày tấm thông qua công thức vật lý cơ sở: Từ biên độ phổ: 2T Δt= Cpp ; 1Cpp f= = Δt2T CT 2 Và chiều dày tấm T được xác định: C pp T= 2f Trong đó: f - tần số dạng sóng P truyền qua bản được xác định từ phổ biên độ; C pp - tốc độ sóng P (sóng dọc) qua bề dày tấm. Thử nghiệm trên mẫu: Một thử nghiệm đã được tác giả và đồng nghiệp thí nghiệm tại Trung tâm KHCN Đại học Giao thông Vận tải. Đúc mẫu BTXM hình hộp cao 30 cm, dài 50 cm, rộng 25cm trong đó đã bố trí một khuyết tật cách mặt trên 19 cm (hình 4), bố trí cảm biến trên bề mặt mẫu thử, lực va chạm bằng viên bi thép, kết quả đo được ghi và xử lý như hình 5, 6 và bảng 1. Hình 5. Mẫu thử tại phòng thí nghiệm Hình 6. Biểu đồ đo đạc và xử lý số liệu Bảng 1 Điểm đo Tần số (Hz) Chiều dày thực đo (cm) Chiều dày xác định theo I - E (cm) Sai số (%) M1D1 7 025 30,5 30,49 99,96 M1D3 7 026 30,5 30,49 99,96 M1D4 7 035 30,5 30,45 99,83 M2D2 12 670 19 16,91 89,00 M2D3 12 700 19 16,87 88,79 CT 2 Như vậy việc xác định chiều dày tấm cho kết quả khá chính xác, vị trí khuyết tật còn có sai số khoảng 2cm (89%). Tuy nhiên việc thử nghiệm mới được thực hiện trên một mẫu thử, cần thực hiện thêm nữa để đánh giá độ chính xác phép đo khi xác định chiều dày tấm bê tông khác nhau. III. KẾT LUẬN Đo đạc chiều dày tấm BTXM mặt đường bằng phương pháp Impact - Echo vừa có ưu điểm nhanh, dễ thực hiện trên máy đo với bộ chuyển thu thập số liệu đa kênh với tốc độ 500kHz (500.000 mẫu/giây) và bộ cảm biến đo dao động dạng piezoelectric. Chúng ta cần thử nghiệm để xác định tương quan chặt trên các mẫu thử với các loại bê tông có cường độ, chiều dày khác nhau để có thể xác định chiều dày tấm, BTXM mặt đường và sân bay. Đặc biệt cũng cần có số liệu đo thử nghiệm trên mặt đường sân bay hoặc trên quốc lộ đang khai thác mới đánh giá được độ tin cậy của phương pháp thử. Hy vọng một ngày gần đây ứng dụng trên, có thể giúp cho nhà quản lý, thiết kế, giám sát sau khi có đủ những kiểm nghiệm cần thiết trên mặt đường sẽ dùng nó là một trong những phương pháp xác định chiều dày kết cấu, chiều dày tấm bê tông mặt đường hoặc sân bay, một chỉ tiêu quan trọng khi nghiệm thu mặt đường BTXM. Tài liệu tham khảo [1]. Quy trình thiết kế áo đường cứng 22 TCN 223 – 95. Bộ Giao thông VT 1995. [2]. AASHTO Design of Pavement Structures (Part II Rigid Pavement Design & Rigid Pavement Joint Design) 1998. [3]. Nguyễn Văn Vượng, Nguyễn Văn Thái - Cơ sở phương pháp đo kiểm tra trong kỹ thuật - NXB Khoa học kỹ thuật 2001. [4]. The Impact - Echo Method: an overview by N.J Cario. [5]. The Impact - Echo User's Manual. [6]. Lương Xuân Chiểu - Nghiên cứu thực nghiệm một số thông số đặc trưng của mặt đường cứng bằng phương pháp động-Luận án thạc sỹ KHKT 2009♦ CT 2 . số phương pháp đo sóng. Nội dung bài viết này trình bày cơ sở khoa học và ứng dụng phương pháp đo sóng ứng suất (Impac - Echo) để xác định chiều dày tấm bê tông xi măng (BTXM) trong mặt đường. XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÓNG ỨNG SUẤT (IMPACT-ECHO) TS. LÃ VĂN CHĂM Bộ môn Đường bộ Khoa Công trình Trường Đại học. phương pháp đo đạc bằng siêu âm hoặc sóng bề mặt để xác định một số đặc trưng động của tấm BTXM mặt đường. Chúng tôi giới thiệu phương pháp đo sóng ứng suất (Impact - Echo) xác định chiều dày