Vç thãú trong quaï trçnh khaío saïtvaì xáy dæûng kãút cáúu cäng trçnh, viãûc thê nghiãûm bàòng caïc phæång phaïp phaï hoaûi máùu thæí âãø âaïnh giaï cháút læåüng cuía theïp vaì håüp kim[r]
(1)THÍ NGHIỆM CƠNG TRÌNH
CHUN NGNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG V CƠNG NGHIỆP Số đơn vị học trình: ( 30 tiết lý thuyết 15 tiết thí nghiệm)
BIÃN SOẢN: BI THIÃN LAM
NGUYỄN PHAN PHÚ
TAÌI LIỆU THAM KHẢO:
- Phương pháp khảo sát - nghiên cứu thực nghiêm cơng trình - Võ Văn Thảo - Sửa chữa gia cố cơng trình xây dựng - Nguyễn Xn Bích
- Bài giảng Thí nghiệm Cơng trình Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
(2)
CHỈÅNG
KHÁI NIỆM VỀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
1 Vai trò phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (NCTN) xây dựng
Ngày nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, vai trò NCTN ngày khẳng định nhằm :
+ Giải vấn đề cơng nghệ thực tế sản xuất địi hỏi thực nhanh, hiệu
+ Giải hồn thiện tốn mà phwơng pháp lý thuyết chưa không giải đầy đủ ý tưởng
* NCTN phương pháp cảm thụ trực tiếp để nhận tín hiệu, thơng tin hình ảnh tượng, vật gọi đối tượng nghiên cứu
Trong kỹ thuật xây dựng, đối tượng nghiên cứu vật liệu xây dựng (VLXD), kết cấu công trình (KCCT) đã, tồn
• Đối tượng tạo nên để nghiên cứu có đặc trưng hình học vật liệu thực
gọi đối tượng ngun hình
• Đối tượng có đặc trưng hình học vật liệu tuân theo quy luật tương tự vật
lý xác định gọi đối tượng mơ hình
* Từ NCTN đưa đến kết luận mang tính qui luật tính tiêu biểu tham số khảo sát chất lượng lẫn số lượng
* NCTN hổ trợ cho q trình tính toán, thiết kế, thay lời giải cho toán đặc thù, phức tạp mà phương pháp lý thuyết nhiều thời gian chưa giải
NCTN thực nhiệm vụ sau :
Xác định, đánh giá khả làm việc, tuổi thọ VLXD KCCT
+ Cơng trình trước đưa vào sử dụng: đánh giá chất lượng qua kiểm tra, kiểm định trực tiếp cơng trình Kết tài liệu quan trọng hồ sơ nghiệm thu bàn giao cơng trình (đặc biệt lưu ý cơng trình xây dựng từ VL địa phương hay VL cũ)
+ Những cơng trình xây dựng lâu, hết niên hạn sử dụng, chất lượng bị giảm yếu, cơng trình có u cầu sửa chữa, cải tạo, thay đổi công nghệ sản xuất, chức sử dụng
+ Đánh giá trạng thái, khả làm việc kết cấu cơng trình sau cố (động đất, cháy, nổ ) Việc nghiên cứu nhằm phát đánh giá mức độ hư hỏng, từ đưa nhận xét định tồn tại, phá bỏ hay gia cố sửa chữa phục hồi
Nghiên cứu đề xuất, nghiên cứu ứng dụng hình thức kết cấu mới, kết cấu đặc biệt vào việc thiết kế xây dựng cơng trình :
+ Khi kết cấu xây dựng truyền thống khơng cịn phù hợp, đòi hỏi thiết kế
(3)xây dựng phải nghiên cứu giải pháp kết cấu Trong trường hợp biện pháp để tiến hành tìm kiếm loại kết cấu mới, phù hợp dùng phương pháp NCTN
+ Đôi công trình theo dạng kết cấu lý thuyết có sẵn tùy thuộc vào qui mô, tầm quan trọng cơng trình mức độ chặt chẽ lý thuyết, cần tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng đắn phwơng pháp tính tóan lý thuyết tính khả thi cơng trình
Nghiên cứu phát VLXD mới, đánh giá chất lượng loại VLXD đang sử dụng tái sử dụng, loại VLXD địa phương:
Nghiên cứu phát minh vấn đề khoa học, kỹ thuật chuyên ngành, mà nghiên cứu lý thuyết hoàn toàn chưa giải đầy đủ địi hỏi phải có kết nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng
2 Ý nghĩa trạng thái ƯS-BD nghiên cứu KCCT :
• Hiện việc tiến hành nghiên cứu thực nghiệm học vật liệu công
trình thực chất khảo sát thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng (ƯSBD)
• Trên sở trạng thái ƯSBD dạng xác định giá trị tính chất
của nội lực hình thành phát triển qua q trình làm việc đối tượng
• Trạng thái ứng ƯSBD phản ánh đầy đủ trạng thái khả làm việc thực tế
của đối tượng khảo sát yếu tố cấu thành đối tượng vật liệu, cấu tạo hóa học, sơ đồ kết cấu, công nghệ chế tạo ngoại lực tác dụng
Nghiên cứu trạng thái ƯS-BD cho phép giải vấn đề :
+ Giá trị hình ảnh phân bố nội lực tổng thể đối tượng khảo sát, từ giúp bố trí vật liệu cấu tạo kết cấu thích hợp
+ Đánh giá khả năng,ì mức độ làm việc thực tế đối tượng cho phép rút tiêu chuẩn để kiểm tra độ bền, độ cứng, độ ổn định
+ Dự đoán tồn tuổi thọ cơng trình q trình thực nghiệm có tiến hành khảo sát đo đạc biến động tốc độ phát triển ƯS-BD hình thành phát triển khuyết tật trình đối tượng làm việc
+ Trong nhiều trường hợp kết nghiên cứu ƯSBD chuẩn mực dể đánh giá đắn lý thuyết
* Trong nghiên cứu thực nghiệm, mức độ xác tin cậy trạng thái ƯSBD thường chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố:
(4)- Khảo sát đối tượng ngun hình kết tính tốn ƯSBD nhận kết trực tiếp thực (không qua tính tốn chuyển đổi) số liệu thường bị hạn chế đối tượng khơng nhiều
- Khảo sát đối tượng mơ hình kết tính tốn ƯSBD nhận qua q trình tính tốn chuyển đổi tương tự qua hệ số tỷ lệ tham số đo nên có sai số nhỏ, dẫn đến lệch lạc kết Nhưng số lượng đối tượng thí nghiệm nhiều, nên tổng hợp nhiều số liệu cho số liệu đáng tin cậy
Hình dạng cấu tạo liên kết phân tử đối tượng :
- Kết cấu có hình dạng đơn giản, ƯSBD thường phân bố đồng kết cấu, trị số không lớn thường dao động miền đàn hồi VL, nên phép đo thường khơng có sai số đáng kể
- Kết cấu có hình dáng phức tạp ghép từ nhiều phân tử với việc khảo sát trạng thái ƯSBD có khó khăn phân bố ƯSBD thường thay đổi lớn, điểm lân cận có trị số khác (do giai đoạn làm việc đàn hồi hay biến dạng dẻo)
Cấu tạo vật liệu đối tượng :
Trong thực tế có nhiều loại VL có trạng thái ƯSBD khác : - Tuyến tính - hồn tồn phi tuyến
- Khơng đồng suốt q trình chịu tải
- Tuyến tính giai đoạn vật liệu chịu tải trọng nhỏ sau qua giá trị đặc trưng xác định (tùy thuộc chất vật liệu) khơng cịn tuyến tính
Công nghệ chế tạo đối tượng :
- Chế tạo biện pháp đúc chỗ: cơng trình bêtơng, thạch cao
- Lắp ghép từ phân tử kết cấu chế tạo sẵn (bêtông lắp ghép, kết cấu thép lắp ghép hàn, bulông, đinh tán, )
- Chế tạo tạo lực căng trước (bêtông ứng suất trước)
Dù chế tạo biện pháp cuối đối tượng nghiên cứu tồn trạng thái ứng suất ban đầu ứng suất trước Muốn xác định giá trị quy luật phân bố chúng để loại trừ q trình khảo sát tính tốn ƯSBD đối tượng thật khó khăn
Tính chất tác dụng tải trọng ngồi :
- Kết đo đối tượng chịu tác dụng tải trọng tĩnh dễ dàng, đảm bảo độ xác, số đo khơng phụ thuộc thời gian, dụng cụ thiết bị đơn giản
- Khi chịu tải trọng tác dụng động, lực xung kích cơng việc đo lường phức tạp, q trình đo thực môi trường động, phụ thuộc vào thời gian làm ảnh hưởng mức độ xác số đo
(5)Môi trường tiến hành thí nghiệm :
Muốn có số liệu xác thí nghiệm cần phải thực môi trường xác định môi trường chuẩn Nếu việc thí nghiệm VL hay cơng trình chịu ảnh hưởng môi trường, đặc biệt nhiệt độ, độ ẩm làm nhiểu loạn số đo (VL biến dạng, dụng cụ đo biến dạng, )
3 Biến dạng KCCT phép đo biến dạng tương đối :
Cho đến nay, kỹ thuật đo lường đại lượng học, vấn đề đo trực tiếp giá trị ứng suất VL KCCT chưa giải Do NCTN cần khảo
sát trạng thái ứng suất đối tượng phải qua tham số biến dạng tương đối ε
- Đối với VL đàn hồi (tuyến tính) VL giai đoạn tuyến tính việc khảo sát dễ dàng qui luật phân bố ƯS- BD hồn tồn đồng nhất, tỷ lệ qua hệ số : môđun đàn hồi E (đối tượng chịu trạng thái ƯS trục) hay hệ số Poisson (đối tượng chịu trạng thái ƯS phẳng)
- Khi khảo sát VL không tuân theo định luật Hooke hay VL làm việc giới hạn đàn hồi việc khảo sát VL đàn hồi tuyến tính chưa đầy đủ mà phải khảo sát quy luật phân bố ƯS, quan hệ ƯSBD phi tuyến Đối với trường hợp này, để nhận
được giá trị ƯS đối tượng sở số đo biến dạng ε, cần thiết phải dựa vào biểu
đồ quan hệ thực nghiệm ƯSBD thí nghiệm phá hoại mẫu VL
* Việc đo tham số ε bị nhiều hạn chế phương pháp kỹ thuật đo
vẫn chưa đáp ứng yêu cầu công việc nghiên cứu Chỉ đo lớp VL bên đối tượng (khó khăn khảo sát biến dạng khối, thành phần biến dạng phân bố theo chiều sâu)
Tuy việc đo giá trị biến dạng lớp vật liệu bề mặt giữ vai trò quan trọng thỏa mãn yêu cầu thực tế khảo sát cơng trình xây dựng
* Việc đo ε cần lưu ý ảnh hưởng :
1.Khi có yếu tố học bên khác tác dụng :
- Trạng thái tĩnh phát triển dần (khi chịu tỉnh tải, nhiệt độ ) Khi khảo sát đối tượng thực số lượng điểm đo phải đủ lớn đủ mau, phát sinh vấn đề làm để qúa trình đọc đo với số lượng lớn mà ngăn ngừa khả phân bố lại biến dạng đối tượng (do thời gian) đại lượng nhận điểm đo không tương ứng trị số ngoại lực phải giữ tải thời gian dài Để khắc phục cần chọn phương pháp thiết bị đo nhanh, ổn định
- Trạng thái động biến thiên nhanh (tác dụng động: va chạm, nổ ) đo phức tạp biến đổi nhanh theo thời gian cần dùng phương pháp đo tenzo cảm biến điện trở, dùng thiết bị tự động ghi,
Đo điều kiện VL làm việc trạng thái khác nhau :
(6)Quá trình làm việc VL từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn dẻo thường ngắn
• Đối với kết cấu đơn giản ƯS phân bố tương đối đặn, tuân theo định luật
Hooke dùng tenzomet đơn giản Tuy phần lớn kết cấu cơng trình thường phức tạp có quan hệ biến dạng theo phương phức tạp thường làm thay đổi nhanh phân bố ƯS vùng khảo sát Khi VL vùng chuyển nhanh sang giai đoạn đàn-dẻo hay dẻo
Điều kiện đối tượng làm việc với trạng thái ƯS khác nhau:
- Trạng thái ƯS theo trục phân bố đặn suốt chiều dài phân tử (kết cấu hệ thanh, kết cấu chịu lực dọc tâm, ) đo đơn giản cho số liệu tin cậy
- Trạng thái ƯS hai trục Tại điểm vật thể tồn ba ẩn số : hai ƯS góc hợp hướng ƯS với trục nằm mặt phẳng ƯS Để xác định vị trí cần ba phép đo (hoặc bốn, có để kiểm tra), thường dùng tenzomet điện trở
-Trạng thái ƯS ba trục: đo khó khăn chưa có phương pháp hữu hiệu
*************
(7)CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VAÌ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU
1 Các nguyên tắc chung :
Khi nghiên cứu trạng thái làm việc, khả chịu lực, tuổi thọ đối tượng cho thấy yếu tố ảnh hưởng trực tiếp chất lượng vật liệu Chất lượng thể qua loại cường độ, tính chất số lượng khuyết tật tồn xuất trình đối tượng làm việc
Hiện nay, việc khảo sát xác định đặc trưng VL thực nghiệm thường thực theo phương pháp bản:
1.1 Phương pháp phá hoại mẫu lập biểu đồ đặc trưng VL:
Hình dạng kích thước mẫu thử xác định tùy: cấu tạo VL, mục đích nghiên cứu, tiêu chuẩn qui phạm nhà nước
Các mẫu thí nghiệm tương ứng với trạng thái làm việc VL (kéo, nén, uốn, xoắn) tăng dần tải trọng cấp phá hoại Ứng với cấp tải pi ta
thu εi , σi vẽ đường cong biểu diễn quan hệ ƯS-BD gọi biểu đồ đặc trưng VL, qua xác định đặc trưng lý VL
Phương pháp phá hoại mẫu chịu ảnh hưởng trực tiếp yếu tố:
1 Tốc độ gia tải 2 Nhiệt độ môi trường
3 Trạng thái ứng suất tác dụng
1.2 Phương pháp không phá hoại lập biểu đồ chuyển đổi chuẩn VL Phương pháp nầy thường giải hai nhiệm vụ :
1/ Xác định cường độ nhiều vị trí khác nhau, qua đánh giá mức độ đồng VL
2/ Phát khuyết tật tồn bên mơi trường VL q trình chế tạo, ảnh hưởng tác động bên ngoài, tải trọng
2 Phương pháp khảo sát thực nghiệm VL bê tông
2.1 Xác định đặc trưng cơ-lý BT phương pháp phá hoại mẫu 1/ Thí nghiệm xác định cường độ giới hạn chịu nén :
a/ Mẫu thử :
Khối lập phương lăng trụ chế tạo đồng thời với q trình thi cơng bê tơng Kích thước mẫu, phương pháp chế tạo, bảo dưỡng theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3105 - 1993
b/ Tiến hành thí nghiệm :
Thí nghiệm nén phá hoại mẫu chuẩn 150 x 150 x 150 mm Cường độ : R = Pph/F (kg/m2)
(8)Hình 2.1 Tương quan cường độ chịu nén bêtông mẫu hình trụ hình lập phương
Khi kích thước mẫu khác chuẩn phải nhân hệ số chuyển đổi : - Mẫu lập phương : 100 x 100 x 100 mm - 0,91 200 x 200 x 200 - 1,05 300 x 300 x 300 - 1,10 - Mẫu trụ ( D x H ) : 71,5 x 143 100 x 200 mm - 1,16
150 x 300 - 1,20
200 x 400 - 1,24
2/ Thí nghiệm xác định cường độ lăng trụ, môđun biến dạng hệ số Poisson bê tông:
a/ Mẫu thử : Khối lăng trụ đáy vuông, chiều cao gấp lần cạnh đáy: 100 x 100 x 400 mm ; 150 x 150 x 600 mm ; 200 x 200 x 800 mm
b/ Phương pháp thí nghiệm :
F P
R lt = ph E I I
0
0
0 ε ε
σ σ
− − =
- Cường độ lăng trụ - Môđun đàn hồi ban đầu
I II ε ε µ = I i I i i i b E ε ε σ σ − − = + + 1
- Hệ số Poisson - Môđun biến dạng tức thời
2.2.Đánh giá chất lượng BT phương pháp gián tiếp:
(9)1/ Nguyên tắc chung phương pháp :
Dùng thiết bị học tạo nên va chạm trực tiếp lên bề mặt vật liệu Khi khảo sát chất lượng cường độ BT phải ý đến yếu tố thuộc bản chất VL làm ảnh hưởng đến kết :
♦ Tính khơng đồng cấu trúc cường độ BT
♦ Do khả carbon hóa lớp vật liệu ngồi theo thời gian 2/ Đánh giá chất lượng bêtông dụng cụ búa bi (h 2.2)
Làm bề mặt vùng thử có kích thước 100 x 100mm Dùng búa có trọng lượng 300 -400g, đập thẳng góc xuống bề mặt cấu kiện, viên bi để lại bề mặt bêtông vết lõm Quan sát vết lõm so sánh với biểu đồ chuẩn đưa kết luận định tíng chất lượng cường độ ca bờtụng
Hỗnh 2.2. Buïa bi
a Cấu tạo; b Biểu đồ quan hệ chuẩn đường kính vết lõm cường độ bêtông
3/ Xác định cường độ BT búa bi có chuẩn (h-2.3)
Số lượng điểm thử vùng cấu kiện không điểm., khoảng cách điểm thử vùng 30 mm bề mặt vật liệu 10 mm chuẩn
Đại lượng đặc trưng gián tiếp H cường độ BT vùng thử xác định
theo tỷ số sau :
c b d d H
Σ Σ =
Σdb : tổng đường kính vết lõm bề mặt bêtông, [mm] Σdc :tổng đường kính vết lõm tương ứng chuẩn,[mm]
(10)Hình 2.3. Búa bi chuẩn
a Cấu tạo; b Biểu đồ quan hệ chuẩn đặc trưng H cường độ bêtông c Thử đập trực tiếp bề mặt bêtông; d Thử đập nhò búa
4/ Đánh giá cường độ bêtông thiết bị nẩy va chạm a Sơ đồ cấu tạo vận hành súng thử loại N (h 2.4)
Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo súng thử chất lượng bêtông
1- pittông truyền va chạm, 2- bề mặt bêtông, 3- vỏ súng, 4- kim thị, 5- dẫn kim, 6- nút hãm, 7- trục dẫn búa, 8- đĩa cứng, 9- nắp giữ đầu, 10- vòng cố định, 11- nắp sau, 12- lò xo nén, 13- cò súng, 14- búa, 15- lò xo giảm chấn, 16- lò xo kéo đập, 17- ống định hướng, 18- đệm chắn bụi, 19- bảng chia vạch, 20- vít bật cò, 21- êcu hãm, 22- chốt cò, 23- lò xo đẩy cò
(11)b Phương pháp xác định cường độ bêtông súng thử Schmidt
♦ Quá trình xác định cường độ bêtơng cơng trình súng nẩy va chạm tiến hành theo quy định tiêu ngành 20 TCN 85 - 03
2.3.Khảo sát vật liệu BT pp thí nghiệm khơng phá hoại:
Các phương pháp thử không phá hoại vật liệu dùng rộng rãi để đánh giá chất lượng bêtông khảo sát kết cấu cơng trình xây dựng Theo nguyên lý vật lý, phương pháp nghiên cứu không phá hoại chia thành hai nhóm
Nhóm thứ
Nhóm bao gồm phương pháp đo mà kết cho giá trị tham số khảo sát, qua q trình tính tốn trung gian so sánh chuyển đổi chuẩn Tham số đo khối lượng thể tích (độ đặc chắc) vật liệu
Phương pháp tiêu biểu để khảo sát chất lượng BT thuộc nhóm dựa hiệu ứng tia phóng xạ rơngen gamma
Nội dung phương pháp thử :Trong nghiên cứu vật liệu tia phóng xạ, đại lượng đặc trưng cho độ chặt môi trường vật liệu mức độ giảm yếu hay độ phân tán cường độ lượng chùm tia phóng xạ gamma rọi qua mơi trường vật liệu
Hình 2.5 Xác định độ chặt bêtông phương pháp rọi tia
a- đo độ chặt lớp, b, c- đo độ chặt trung bình lớp, d- đo cấu kiện dày 500mm có mặt tự do, e- đo độ chặt chiều dày cấu kiện 1-nguồn phát, 2-nguồn thu lượng phóng xạ, 3- hướng rọi, 4- vật liệu
Khi khảo sát hỗn hợp BT đầm chặt hay BT cấu kiện đúc sẵn hay KCCT, cần phải đặt môi trường BT đầu phát có chứa chất phóng xạ đầu thu lượng đặt bề mặt môi trường vật liệu Sự chênh lệch cường độ lượng cho phép suy độ chặt môi trường vật liệu
(12)nhờ mối liên hệ sau : r I I p e I I pr 0 ln ln µ
µ −> = −
= −
Trong : I0 - Cường độ phát xạ ban đầu;
I - Cường độ phát xạ sau lúc truyền qua môi trường;
p - Độ chặt môi trường vật liệu ;
r - Khoảng cách nguồn phát đầu thu;
µ0 - Hệ số hấp thụ khối lượng chất phóng xạ
Khi biết độ chặt BT kết cấu , phép đo phóng xạ theo sơ đồ (h 2.5e), xác định kích thước kết cấu đo.ï
µ ρ
0 ln ln I I
r= −
2 Nhóm thứ hai: Là phương pháp thí nghiệm mà số đo không thị trực tiếp giá trị tham số khảo sát, muốn có kết thường phải qua quan hệ chuẩn tham số khảo sát số đọc thiết bị đo Nhóm gồm phương pháp thí nghiệm theo nguyên lý truyền sóng âm qua mơi trường nhằm mục đích kích thích hạt vật chất mơi trường dao động Theo thông số tượng dao động lan truyền dao động môi trường đánh giá đặc trưng - lý trạng thái vật liệu khảo sát tiêu biểu phương pháp truyền sóng siêu âm qua mơi trường vật liệu khảo sát
a Khái niệm phương pháp siêu âm
Siêu âm dao động học đàn hồi truyền môi trường vật chất với tần số dao động từ 20kHz trở lên
Do tần số dao động cao, bước sóng ngắn nên siêu âm có hai đặc điểm khai thác sử dụng kỹ thuật:
• Sự phát truyền sóng qua mơi trường vật chất tuân theo quy luật quang hình học, lợi dụng tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ để tập trung lượng sóng siêu âm vào phạm vi nhỏ hẹp
• Do tập trung lượng tối đa, nên tạo hiệu ứng dao động hạt môi trường có sóng siêu âm truyền qua có biên độ dao động lớn
Khi việc nghiên cứu tiến hành sở số đo tham số :
♦ Tốc độ (hay thời gian) truyền sóng;
♦ Mức khuếch tán lượng siêu âm môi trường ;
♦ Độ tập trung sóng khỏi mơi trường ;
Thì có kết luận chất lượng giá trị cường độ BT hồn tồn xác Nhưng lúc xác định ba tham số thực Thực tế cho thấy, nghiên cứu yếu tố tốc độ (thời gian)
(13)truyền âm nhận kết đánh giá đủ độ xác cần thiết b Sơ đồ cấu tạo máy đo siêu âm qua môi trường bêtông
Nguyên lý máy đo siêu âm bêtông mơ tả sơ đồ khối hình 2.6a
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy siêu âm kỹ thuật đo
a- sơ đô khối máy siêu âm, b- phương pháp đo mặt, c- phương pháp đo xuyên
Chu trình đo bắt đầu xung phát từ máy dao động tần số Hz (1) Những xung ban đầu làm hoạt động mạch phát (2) để cung cấp xung điện áp cao hàng nghìn vơn đến đầu phát xung siêu âm (3) Xung điện áp cao kích thích piezo đầu phát tạo sóng dao động đàn hồi (xung siêu âm) có tần số dao động cộng hưởng với tinh thể vật liệu piezo; thế, tần số dao động sóng siêu âm phát phụ thuộc tần số riêng tinh piezo Các dao động đàn hồi đầu phát qua mặt tiếp xúc truyền vào môi trường vật liệu bêtông Mặt khác, phận xung phát từ máy (1) qua phận chờ MF2; đây, xung bị làm chậm thời gian từ - 12 µs [khoảng thời gian đủ để xung điện
(14)truyền từ máy dao động (1) qua mạch phát (2) đến đầu phát xung siêu âm] để sau đến phận đếm (7) bắt đầu tính thời gian truyền siêu âm phát vào môi trường Sau dao động đàn hồi qua khỏi môi trường vào gặp piezo đầu thu siêu âm (4), lượng học siêu âm biến thành tín hiệu điện Bộ khuếch đại (5) khuếch đại tín hiệu điện đó, truyền đến báo cho dẫn tín hiệu FF (6) thời điểm siêu âm qua khỏi môi trường để ngừng phận đếm thời gian (7) Trong suốt thời gian siêu âm lan truyền qua môi trường bêtông, nhờ máy dao động tần số 10 MHz (8) đếm hoạt động liên tục có tín hiệu "ngừng" báo dẫn (6) Chỉ số xuất đèn số máy đếm thời gian (7) thị thời gian truyền siêu qua mơi trường bêtơng khảo sát tính micro -giây Ngoài ra, phận giữ MF1 dùng để ngăn cản việc tắt máy đếm thời gian vòng 20µs kể từ lúc mở máy đầy khoảng thời gian xuất tín hiệu điện dẫn FF (6) tượng nhiễu mở máy
c Kỹ thuật đo :
1/ Chọn đầu phát đầu thu siêu âm :
◊ Để có hiệu ứng lan truyền sóng siêu âm tốt mơi trường vật liệu bêtơng chiều dài bước sóng cần phải tương đương với kích thước hạt vật liệu độn Cho nên, với bêtơng có đường kính hạt vật liệu độn đến 30 mm tần số xung tốt 150 kHz Điều cho phép xác định phạm vi tần số dao động riêng đầu dị thí nghiệm vật liệu bêtơng giới hạn từ 25 đến 200kHz;
◊ Khi đo với khoảng cách ngắn (chuẩn đo < 300 mm) tốt dùng loại đầu dị có tần số >100 kHz;
◊ Khi đo với khoảng cách trung bình (chuẩn đo từ 300 đến 2000 mm) nên dùng loại đầu dị có tần số 60 - 100 kHz;
◊ Khi thử với khoản cách lớn từ 2000 - 5000 mm lớn thường dùng loại đầu tần số thấp 25 kHz
2 Cách phân bố đầu do :
Khi thí nghiệm bêtơng phương pháp siêu âm, đầu phát thu siêu âm phân bố theo hai cách :
◊ Phân bố đầu phát đầu thu siêu âm mặt ngồi mơi trường vật liệu, gọi phép đo mặt (h.2.10b)
◊ Phân bố đâu phát đầu thu siêu âm đối diện hai mặt song song môi trường vật liệu hay kết cấu, gọi phép đo xuyên (h.2.10c)
3 Kết phép đo
Khi khảo sát đòi hỏi phải thực hai phép đo :
◊ Chiều dài chuẩn đo hay khoảng cách truyền âm L (m);
(15)◊ Thời gian truyền xung siêu âm qua môi trường vật liệu t (µs) Tốc độ truyền siêu âm qua vật liệu V(m /s) : V L
t
= 106
Tốc độ lan truyền siêu âm bêtơng sử dụng cơng trình thường khoảng từ 4000 đến 4800m/s
d Xác định cường độ chịu nén bêtông sở tốc độ truyền âm Xác định cường độ chịu nén bêtông phương pháp siêu âm xây dựng sở mối liên hệ cường độ chịu nén R với tốc độ truyền xung siêu âm V (hoặc thời gian truyền âm t)
R = f (V)
Quan hệ tốc độ truyền sóng siêu âm cường độ bêtông chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố :
◊ Chủng loại số lượng ximăng dùng cấp phối bêtông ;
◊ Dạng, thành phần kích thước lớn hạt cốt liệu Chất phụ gia sử dụng độ ẩm hơnù hợp bêtơng
Vì thế, để chuyển từ tốc độ truyền âm qua cường độ bêtông cần thiết phải xây dựng biểu đồ chuẩn (R - V) thực nghiệm giải tích
e Phương pháp tìm kiếm xác định khuyết tật BT cơng trình Phát đo bọt rỗng tồn kết cấu bêtông
Để phát khuyết tật đó, tiến hành phép đo siêu âm cần sử dụng loại đầu dị có tần số riêng cao góc mở bé có độ tập trung lượng siêu âm lớn Việc xác định bọt rỗng thuận lợi tiến hành phần tử kết cấu có hai mặt tự do, lúc phép đo siêu âm phải thực hai mặt kết cấu Kích thước ngang tối thiểu bọt rỗng nằm theo hướng vng góc với phương truyền sóng xác định sau :
d D L
t t d
m = + ⎛
⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟ −
2 1
d - Đường kính bọt rỗng; D - Đường kính đầu phát siêu âm ; L - Chiều dài chuẩn đo;
tm- Thời gian truyền siêu âm qua vùng BT khơng có khuyết tật ;
td- Thời gian truyền siêu âm qua trục bọt rỗng
2 Xác định độ sâu vết nứt
Để xác định độ sâu vết nứt xuất môi trường bêtông phương pháp xung siêu âm ; đòi hỏi vết nứt phải thỏa mãn điều kiện sau :
- Vết nứt phải mờ liên tục, không ngắt quãng;
(16)- Đầu đỉnh vết nứt phải hoàn toàn khô
Phương pháp I : (h.2.7a) : Từ kết đo thời gian truyền âm hai phép đo tính độ sâu vết nứt theo quan hệ sau đây:
h L
t t f
f
m
= ⎛
⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟ −
2 1
2
L - Chiều dài chuẩn đo (khoảng cách đầu dò) tf- Thời gian truyền siêu âm qua vùng có vết nứt;
tm- Thời gian truyền siêu âm qua vùng BT khơng có khuyết tật
Hình 2.7 Đo chiều sâu vết nứt kiểu đo mặt
Phương pháp II : (h.2.7b) : Khi thực phép đo có chiều dài chuẩn L nhận thời gian truyền siêu âm t1 thực phép đo thứ hai với chiều dài chuẩn
2L có thời gian t2 Từ hai số đo đó, xác định độ sâu vết nứt sau :
h
L t t
t t
f =
− − 2
4 2
2
1
Phương pháp III :(h.2.8) : Áp dụng kết cấu bêtơng có hai mặt tự đối diện nằm song song với chiều dài vết nứt
Tại tiết diện ngang kết cấu cất qua vết nứt, hai cạnh song song với vết nứt tiết diện đó, dịch chuyển đầu dị vị trí tương ứng khác nhau, kết nhận thời gian truyền siêu âm vùng khơng có vết nứt điểm đo phạm vi vết nứt cho thời gian truyền lớn dần dịch chuyển đầu dò đến điểm xa dần đỉnh vết nứt Dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc thời gian truyền siêu âm với tọa độ điểm đo xác định vị trí đính vết nứt cần khảo sát (h.2.8)
(17)Hình 2.8 Đo chiều sâu vết nứt theo phương pháp đo xuyên
a- vị trí đầu đo
b- đồ thị xác định độ sâu vết nứt
3.Phương pháp khảo sát chất luợng vật liệu kim loại:
Thép hợp kim loại VL có cấu trúc tinh thể, chế tạo đúc luyện theo cơng nghệ chặt chẽ nên có chất lượng độ đồng cao Các đặc trưng cơ- lý chủng loại thép hợp kim có tính ổn định cao điều kiện làm việc bình thường Vì trình khảo sátvà xây dựng kết cấu cơng trình, việc thí nghiệm phương pháp phá hoại mẫu thử để đánh giá chất lượng thép hợp kim qua đặc trưng - lý chúng nhằm mục đích :
* Nhận dạng kiểm tra chủng loại vật liệu cụ thể để sử dụng vào cơng trình cho phù hợp với yêu cầu thiết kế cấu tạo;
* Xác định tiêu - lý thép hợp kim không nắm nguồn gốc bị biến chất ảnh hưởng yếu tố môi trường, điều kiện làm việc thời gian khai thác sử dụng để cung cấp cho việc tính tốn thiết kế cải tạo khảo sát kiểm định kết cấu cơng trình
Ngồi ra, việc xây dựng kết cấu cơng trình kim loại trinh chế tạo, lắp nối, liên kết phần tử chi tiết kết cấu trường biện pháp cắt, khoan, hàn, tán công việc thường làm xuất kết cấu thép hợp kim khuyết tật : nứt nẻ, rỗ, bọt rỗng, phân tầng, biến chất , ảnh hưởng đến chất lượng cơng trình
Như vậy, muốn đánh giá đầy đủ chất lượng vật liệu cơng trình thép hợp kim cần tiến hành đồng thời hai phương pháp khảo sát : phương pháp phá hoại mẫu vật liệu thử phương pháp thử không phá hoại vật liệu
3.1 Phương pháp phá hoại mẫu vật liệu thử
Do đặc điểm cấu tạo công nghệ sản xuất tạo cho kim loại có tính chất ổn định, nên cơng việc thí nghiệm để xác định đặc trưng - lý chúng quy định chặt chẽ cụ thể tiêu chuẩn quy phạm Nhà nước TCVN -
(18)197-66 198-66, từ việc chọn lấy mẫu, hình dạng kích thước hình học mẫu thử, phương pháp tiến hành thí nghiệm cách xử lý kết
1/ Thí nghiệm kéo dứt
* Mục đích thí nghiệm:
Xác định đặc trưng dơ học : Giới hạn chảy σc , giới hạn bền σb , ứng suất kéo
đứt σđ , độ giãn dài tương đối δ, độ thắt tương đối ψ
* Phương pháp thí nghiệm:
Mẫu thử : Khi thí nghiệm kéo đứt cần chế tạo ba mẫu vật liệu thử có tiết diện ngang hình trịn hình chữ nhật (dẹt) Các mẫu tiết diện trịn có đường kính d chiều dài phần khảo sát mẫu lo năm mười lần đường kính mẫu tuỳ
thuộc điều kiện thí nghiệm Mẫu dẹt thường có chiều rộng b hai lần chiều dày h mẫu (thường chiều dày vật liệu) chiều dài khảo sát lo mẫu dẹt
cũng quy định mẫu tiết diện tròn
Mẫu thử kéo đứt máy thí nghiệm có cơng suất chọn lớn khả chịu tải mẫy từ 1,2 đến 1,4 lần Lực kéo mẫu chia thành nhiều cấp, giá trị cấp khoảng (1/10 ÷ 1/15) tải trọng phá hoại mẫu cần khống chế tốc độ tăng tải trung bình thí nghiệm từ đến kg/cm2/s Tương ứng với cấp tải tiến hành đo độ giãn dài ∆l chuẩn đo lo Với trình tiến hành thí nghiệm hồn tồn có
thể quan sát diễm biến mối quan hệ lực tác dụng biến dạng tương đối vật liệu mẫu thử
Xác định mức tải trọng thí nghiệm qua giai đoạn làm việc khác vật liệu, có :
◊ Tải trọng gây chảy (Pc), tương ứng với lúc giá trị lực tác dụng không thay đổi, biến dạng dẻo phát triển nhanh
◊ Tải trọng cực đại (Pmax), tương ứng với giá trị lực tác dụng lớn mà mẫu
chịu
◊ Tải trọng phá hoại (Pph), tương ứng với giá trị lực tác dụng lúc mẫu đứt
Từ số đo lực độ giãn dài có thí nghiệm kéo đứt mẫu cho phép xác định tiêu sau vật liệu khảo sát :
• Giới hạn chảy σc : [ / ]
2 cm kg F P o c c= σ • Giới hạn bền σb :
o b F Pmax = σ • Ứng suất kéo đứt σph :
(19)• Độ giãn tương đối δ : 100 %
o o k
l l l − = δ
• Độ thắt tương đối ψ : 100 %
o o k
F F F − = ψ
Trong : lk : chiều dài khảo sát mẫu đứt
lo : chiều dài khảo sát ban đầu mẫu
Fk : diện tich tiết diện eo thắt mẫu đứt
Fo : diện tích tiết diện ngang ban đầu mẫu
2/ Thí nghiệm độ dai va đập :
UU* Mục đích thí nghiệm
Thử độ dai va đập nhằm xác định cường độ chịu va chạm khuynh hướng phá hoại dòn vật liệu Thép hợp kim chịu tác dụng lực xung kích nhiệt độ thấp thường bị phá hoại dịn Độ dai va đập thép hợp kinh thể qua hệ số dai xung kích a :
Hình 2.9 Hình dạng kích thước mẫu thử
Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm va đập
[kg m / cm ]
F A a =
Trong : A : cơng cần để phá hoại mẫu [kg.m ]
F : diện tích tiết diện mẫu vị trí phá hoại [ cm2 ]
* Phương pháp thí nghiệm
(20)Mẫu thử : cần chế tạo mẫu vật liệu hình lăng trụ có tkích thước 10 x 10 x 55mm tạo rãnh ngang hình chữ v có độ sâu 1mm rộng 2mm (h.2.9)
Trên hình 2.10 giới thiệu sơ đồ làm việc thiết bị Mẫu thử gá lắp hai gối thiết bị cách 40mm cách tâm quay đoạn l Qủa búa nâng lên độ cao H, giải phóng, búa rơi tự quanh tâm quay; đường rơi búa gặp phải mẫu thử, đập gẫy mẫu thử tiếp tục văng lên độ cao h
Năng lượng tiêu thụ hay công phá hoại mẫu A trọng tâm C búa trùng với điểm va chạm M búa tính :
A = P ( H - h )
H : độ cao xuất phát búa :
H = l (1 - cos α)
h : độ cao cuối búa sau phá hoại mẫu h = l (1 - cos β) ; α : góc nâng búa, β : góc văng búa
A = Pl (cos β - cos α)
với trường hợp trọng tâm C trùng với điểm va chạm M :
A = Ql1 (cos β - cos α)
3/ Thí nghiệm mỏi vật liệu :
* Mục đích thí nghiệm
Thử mỏi nhằm xác định độ bền mỏi thép hợp kim Độ mỏi thép hợp kim trình phá hoại dần vật liệu tác dụng ứng suất thay đổi theo chu kỳ
Ứng suất lớn mà mẫu chịu không bị phá hoại sau số chu kỳ xác định tiêu chuẩn để đánh giá giới hạn bền mỏi kim loại Đồ bền mỏi vật liệu phụ thuộc vào độ không đối xứng chu kỳ ứng suất thay đổi (r = pmin / pmax) trạng thái
ứng suất tác dụng
* Phương pháp thí nghiệm :
Để xác định độ bền mỏi loại thép hợp kim cần tiến hành thí nghiệm phá hoại sáu mẫu thử vật liệu Mẫu thử hình trụ chiều dài 250 mm, d = ÷ 12 mm, trịn , nhẵn bóng Thí nghiệm độ bền mỏi vật liệu tiến hành với trạng thái ứng suất đơn từ sơ đồ gia tải kéo - nén, uốn, xoắn Đơn giản thường tạo trạng thái ứng suất thay đổi có chu kỳ đối xứng (r = - 1) (h.2.11) (h.2.12)
Trong thí nghiệm mỏi cần xác định hai tham số giá trị ứng suất cực đại pmax tác
dụng vào mẫu số chu kỳ thay đổi dấu ứng suất lúc phá hoại mẫu