(Đề tài NCKH) nghiên cứu ứng xử và phát triển tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO MÃ SỐ: T2019- SKC006777 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Mã số: T2019-78TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm TP HCM, 5/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Mã số: T2019-78TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm TP HCM, 5/2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Nguyễn Duy Liêm Khoa Xây Dựng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU INFORMATION ON RESEARCH RESULTS Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Tính cấp thiết 1.3 Mục tiêu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cách tiếp cận 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 2.1 Sơ đồ thí nghiệm 2.2 Vật liệu đúc mẫu 2.3 Thiết lập thí nghiệm Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 3.2 defined 3.3 Bookmark not defined 3.4 not defined 3.5 not defined Ảnh hưởng vật liệu thêm vào đến điện trở suất MSFRCs Ảnh hưởng độ ấm nhiệt độ đến điện trở suất MSFRCs Err Ảnh hưởng hàm lượng cacbon đến ứng xử kéo-cảm biến MS Đánh giá khả cảm biến MSFRCs liên quan thực Ảnh hưởng MWCNTs đến ứng xử kéo – cảm biến MSFRCs Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 4.2 Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT UHPFRC Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete HPFRC High-performance fiber-reinforced concrete GF Gauge factor DC Direct current vol.% Percentage of volume fraction wt.% Percentage of weight fraction CB Carbon black GGBS Ground granulated blast furnace slag DC Direct current v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ Hình 1-2 Sơ đồ bố trí sensor quan trắc sức khỏe cầu dây văng [14] Hình 1-3 Minh họa trình tự hàn vết nứt HPFRCs Hình 1-4 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng – điện trở suất HPFRCs Hình 1-5 Đường kính sụt HPFRCs lên đến 60-70 cm cho phép tự đầm lèn Hình 2-1 Sơ đồ thí nghiệm Hình 2-2 Vật liệu muội than đen xỉ lị cao Hình 2-3 Hình chụp loại sợi thép sử dụng nghiên cứu Hình 2-4 Kích thước mẫu kéo Hình 2‐5 Thiết lập thí nghiệm kéo có máy cảm biến đo điện trở Hình 2‐6 Biểu đồ ứng xử kéo‐cảm biến điển hình SFRC có tăng cứng học Hình 2‐7 Định nghĩa lượng thành phần SFRC có tăng cứng học Hình 3‐1 Ứng xử kéo‐ cảm biến vữa bê tông SFRCs khơng sợi Hình 3‐2 Ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng loại sợi khác hàm lượng 1.5 % theo thể tích Hình 3‐3 Ảnh hưởng loại cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng hàm lượng 1.5 % theo thể tích Hình 3‐4 Cơ chế cốt sợi việc kìm chế sinh vết nứt đầu Hình 3‐5 Ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng sợi xoắn to với hàm lượng theo thể tích thay đổi Hình 3‐6 Ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng sợi xoắn to Hình 3‐7 Ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng sợi móc to với hàm lượng 1.5 % theo thể tích khác loại vữa bê tơng Hình 3‐8 Ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến SFRCs dùng vữa bê tơng khác vi Hình 3‐9 Mơ tả ứng xử vết nứt quan sát bê tơng M1, M2, M3 Hình 3‐10 Đường cong giản đơn hóa mơ tả ứng xử kéo ‐ cảm biến SFRCs tăng cứng học Hình 3‐11 So sánh lượng phá hủy SFRCs nghiên cứu Hình 3‐12 Đánh giá lượng phá hủy SFRCs khác vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Thông số ứng xử kéo- cảm biến vữa bê tông SFRCs không sợi Bảng 3-2 Thông số ứng xử kéo- cảm biế n của SFRCs dùng loại sợi khác hàm lượng 1.5 % theo thể tích Bảng 3-3 Thơng số ứng xử kéo- cảm biến SFRCs dùng sợi xoắn to với hàm lượng theo thể tích thay đổi Bảng 3-4 Thơng số ứng x kéo- cảm biến SFRCs dùng sợi móc to với hàm lượng 1.5 % theo thể tích Bảng 3-5 Hệ số đường cong giản đơn hóa thể thay đổi điện trở tương đối tải trọng kéo Bảng 3-6 Năng lượng phá hủy SFRCs nghiên cứu viii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA XÂY DỰNG Tp HCM, ngày 28 tháng 12 năm 2019 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: Nghiên cứu ứng xử phát triển tính tự cảm biến bê tơng tính cao - Mã số: T2019-78TĐ - Chủ nhiệm: Nguyễn Duy Liêm - Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ 1/2018 – 12/2019 Mục tiêu: Thơng qua chế tạo, thí nghiệm phân tích, tác giả nghiên cứu ứng xử phát triển tính tự cảm biến bê tơng tính cao (SFRCs) tải trọng kéo trực tiếp Tính sáng tạo: Tác giả nghiên cứu thêm vật liệu vào bê tơng tính cao nhằm nâng cao khả tự cảm biến chúng tải trọng kéo trực tiếp, ngồi tác giả phân tích chi tiết, đánh giá lượng phá hủy loại bê tơng tính cao giai đoạn chịu lực Kết nghiên cứu: - Muội than đen thêm vào để thay phần xi măng bê tơng tính cao ban đầu (chứa 1.5 % theo thể tích cốt sợi thép to có đầu móc) giúp nâng cao tính tự cảm biến lớn: hệ số cảm biến tăng 2.1 lần vết nứt đầu, tăng 1.67 lần vết nứt cuối Ngoài ra, muội than đen làm tăng cường độ kéo: vết nứt đầu tăng 1.01, vết nứt cuối tăng 1.07 lần Tuy nhiên, muội than đen làm giảm biến dạng thời điểm kết thúc xuất vết nứt Xỉ lò cao thêm vào để thay phần xi măng bê tơng tính cao ban đầu (chứa 1.5 % theo thể tích cốt sợi thép to có đầu móc) nâng cao tính tự cảm biến mức độ nhẹ: hệ số cảm biến tăng 1.18 lần vết nứt đầu, tăng 1.14 lần vết nứt cuối Ngồi xỉ lị cao làm tăng cường độ kéo: vết nứt đầu tăng 1.15 lần, vết nứt cuối tăng 1.03 lần Xỉ lò cao làm giảm biến dạng thời điểm bắt đầu xuất vết nứt thời điểm kết thúc xuất vết nứt - Trong tổng lượng phá hủy tải trọng kéo bê tơng tính cao: thứ tự tỉ lệ mức độ đóng góp lượng thành phần sau: lượng giai đoạn đàn hồi (2-8%) < lượng giai đoạn tăng cứng học (16-56 %) < lượng giai đoạn mở rộng vết nứt (38-82 %) Sản phẩm: 01 báo SCI (theo đăng ký đề tài duyệt) link https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983681933210X? Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: ix 40 (b) Hệ số cảm biến (c) Cường độ kéo 41 (d) Khả biến dạng Hình 3-8 Ảnh hưởng hàm l ượng cốt sợi đến thông số ứng xử kéo- cảm biến SFRCs dùng vữa bê tông khác (a) M1 (b) M2 42 (c) M3 Hình 3-9 Mơ tả ứng xử vết nứt quan sát bê tông M1, M2, M3 ψ=100ρ/ρ0 (%) Hình 3-10 Đường cong giản đơn hóa mơ tả ứng xử kéo- cảm biến SFRCs tăng cứng học Để đơn giản hóa biểu đồ ứng xử kéo – cảm biến, nghiên cứu tác giả đề xuất dùng đường thẳng gãy khúc phương trình (9) Đồ thị mơ tả phương trình (9) thể Hình 3-10 43 100 k () a b c Trong ( ) hàm giảm điện trở suất tương đối (%) tương ứng với biến dạng mẫu kéo (%); k , a , b c số đặc trưng cho vật liệu, số xác định phương trình (10) Bảng 3-5 cung cấp giá trị k , a , b c tìm thơng qua số liệu thí nghiệm 100(1 pc / / 0 ) k cc 100( cc a ( cc b 100 cc / c 100 pc / pc / pc ) ) 0 Bảng 3-5 Hệ số đường cong giản đơn hóa thể thay đổi điện trở tương đối tải trọng kéo 3.5 Đánh giá lượng phá hủy SFRCs nghiên cứu tải trọng kéo Bảng 3-6 cung cấp lượng phá hủy loại SFRCs bao gồm Gel , Ghd , Glc , Gwork Gtotal Hình 3-11 thể so sánh lượng phá hủy loại SFRCs nghiên cứu Về tổng quan, Gel đóng góp tỉ lệ thấp Gtotal , khoảng từ đến %; Ghd đóng góp trung gian, từ 16 đến 56 %, cuối Glc đóng góp lớn vào Gtotal , từ 38 đến 82 % Giá trị Gel , Ghd Glc xác định 0.25-0.54 kJ/m , 2.022 3.45 kJ/m , 1.56-16.04 kJ/m Giá trị Glc thay đổi nhiều tùy theo 44 loại bê SFRCs giá trị Gel Ghd gần Điều đường cong giảm cứng học không trọn vẹn phải ngoại suy dẫn đến khơng thực tế Glc có ý nghĩa sức kháng uốn hình dạng đường cong giảm cứng học sau vết nứt cuối ảnh hưởng lớn đến sức kháng uốn SFRCs [4] Giá trị Gwork xác định khoảng 2.47-3.90 kJ/m phù hợp với nghiên cứu Tran cộng [18] nghiên cứu vật liệu SFRCs, có giá trị khoảng 1.9-7.5 kJ/m , Gwork UHPFRCs khoảng từ 1.1-3.2 kJ/m [19] Hình 3-12 thể Gwork Gtotal SFRCs UHPFRCs với hàm lượng từ 0.5 đến 2.0 theo thể tích Theo hình ta có Gwork khơng vượt q kJ/m Gtotal không vượt 50 kJ/m Bảng Loại bê tông T30/0.3 S30/0.3 H30/0.375 T20/0.2 S19/0.2 S13/0.2 M1-0.5 M1-1.0 M1-1.5 45 M1-2.0 Ghi chú: Gwork Gel M1Control M2CB M3GGBS Ghd ; giá trị ngoặc đơn độ lệch chuẩn (a) Các loại sợi khác 46 (b) Hàm lượng cốt sợi thay đổi (c) Loại bê tông khác Hình 3-11 So sánh lượng phá hủy SFRCs nghiên cứu 47 (a) Công đến đỉnh phá hủy (b) Tồn lượng phá hủy Hình 3-12 Đánh giá lượng phá hủy SFRCs khác 48 Chương 4: KẾT LUẬN Một số kết luận từ nghiên cứu sau: Bê tông SFRCs không cốt sợi thể giảm cứng học khơng có khả tự cảm biến Hệ số cảm biến vết nứt đầu SFRCs cao nhiều so với hệ số cảm biến vết nứt cuối, khoảng 2.3-6 lần So sánh sáu loại sợi thép có hàm lượng 1.5% theo thể tích trộn vào SFRC, loại sợi xoắn vừa tạo cường độ kéo cao khả cảm biến cao vết nứt đầu nứt cuối Khi hàm lượng cốt sợi xoắn trộn SFRC thay đổi từ đến 2% thể tích., khả tự cảm biến tăng vết nứt đầu nứt cuối Xét SFRC dùng 1.5% sợi móc to, muội than đen thay 1% xi măng theo trọng lượng tạo hiệu ứng nâng cao tính tự cảm biến (2.1 lần GFcc, 1.67 lần GFpc) làm tăng cường độ kéo (tăng 1.01 lần cc, tăng 1.07 lần pc) Tuy nhiên, muội than đen làm tăng khả biến dạng thời điểm bắt đầu xuất vết nứt làm giảm khả biến dạng thời điểm kết thúc xuất vết nứt (εcc tăng 1.35 lần, εpc giảm 0.69 lần) Bên cạnh đó, xỉ lị cao nâng cao tính tự cảm biến mức độ nhẹ (1.18 lần GFcc, 1.14 lần GFpc) làm tăng cường độ kéo (tăng 1.15 lần cc, tăng 1.03 lần pc) Xỉ lò cao làm giảm khả biến dạng thời điểm bắt đầu xuất vết nứt thời điểm kết thúc xuất vết nứt (εcc giảm 0.85 lần, εpc giảm 0.52 lần) Trong tổng lượng phá hủy tải trọng kéo bê tơng tính cao: thứ tự tỉ lệ mức độ đóng góp lượng thành phần sau: lượng giai đoạn đàn hồi (2-8%) < lượng giai đoạn tăng cứng học (16-56 %) < lượng giai đoạn mở rộng vết nứt (38-82 %) 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Naaman AE, Reinhardt HW, “Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response,” Materials and Structures, 2006, 39: pp 547-555 [2] Nguyen, D.L.; Ryu, G.S.; Koh, K.T.; Kim, D.J “Size and geometry dependent tensile behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete,” Compos Part B 2014, 58, 279– 292 [3] Nguyen, D.L.; Kim, D.J.; Ryu, G.S.; Koh, K.T “Size effect on flexural behavior of ultrahigh-performance hybrid fiber-reinforced concrete,” Compos Part B 2013, 45, 1104–1116 [4] Nguyen, D.L.; Thai, D.K.; Kim, D.J “Direct tension-dependent flexural behavior of ultrahigh-performance fiber-reinforced concretes,” J Strain Anal Eng Des 2017, 52, 121–134 [5] Nguyen, D.L.; Song, J.; Manathamsombat, C.; Kim, D.J “Comparative electromechanical damage-sensing behavior of six strain-hardening steel-fiber-reinforced cementitious composites under direct tension,” Compos Part B 2015, 69, 159–168 [6] Song, J.; Nguyen, D.L.; Manathamsombat, C.; Kim, D.J “Effect of fiber volume content on electromechanical behavior of strain-hardening steel-fiber-reinforced cementitious composites,” J Compos Mater 2015, doi:10.1177 /0 021998314568169 [7] Kim, M.K.; Kim, D.J.; An, Y.K “Electro-mechanical damage self-sensing behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete,” Compos Part B 2018, 134, 254–264 [8] Benson SDP, Karihaloo BL, “CARDIFRC–Development and mechanical properties, Part III: Uniaxial tensile response and other mechanical properties,” Mag Concrete Res, 2005, 57(8): pp 433–443 [9] Rossi P, Antonio A, Parant E, Fakhri P, “Bending and compressive behaviors of a new cement composite,” Cement Concrete Res., 2005, 35(1): pp 27–33 [10] Graybeal B and Davis M, “Cylinder or cube: strength testing of 80 to 200 MPa (11.6 to 29 ksi) Ultra-High-Performance-Fiber-Reinforced Concrete,” ACI Mater J., 2008, 105(6): pp 603–9 [11] Park SH , Kim DJ, Ryu GS, Koh KT, “Tensile behavior of Ultra-high Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete,” Construction and Building Materials, 2012, 34(2): pp 172–184 [12] Federal Highway Administration, “Ultra-High Performance Concrete”, Technote, FHWA Publication No: FHWA-HRT-11-038, 2011 [13] Li, H.; Ou, J “The state of the art in structural health monitoring of cable-stayed bridges” J Civ Struct Health Monit 2016, 6, 43–67 [14] https://simlab.essie.ufl.edu/Research.html 50 [15] Duy-Liem NGUYEN and Thi-Bich-Nga VU “Smart high-performance fiber-reinforced concretes with damage-sensing properties for monitoring structural health” Proceedings of the 4th Conference on Science and Technology in Transport Engineering, May 16-17, 2018, Ho Chi Minh City, Vietnam, published by Transport Publishing House Company Limited, pp714-718 [16] Nguyen D.L and Kim D.J “Self damage sensing of fiber reinforced cementitious composites using macro-steel- and micro-carbon-fibers” Proceedings of The 6th International Conference on Engineering and Applied Sciences, Hong Kong, June 8-10, 2016, pp 144-152 [17] Duy-Liem NGUYEN, Phu-Cuong NGUYEN, Van-Thuan NGUYEN and Luu MAI “Comparative Structural and Non-structural Properties of Ultra High-performance Steel-fiberreinforced Concretes and High-Performance Steel-fiber-reinforced Concretes” Proceedings of the 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development, GTSD 2018, 23-24 November 2018, HCMC, Vietnam, published by IEEE, DOI: 10.1109/GTSD 2018.8595591, pp 788-791 [18] T.K Tran, D.J Kim, E Choi, Behavior of double-edge-notched specimens made of high performance fiber reinforced cementitious composites subject to direct tensile loading with high strain rates, Cem Concr Res 63 (2014) 54–66 [19] NT Tran, T.K Tran, J.K Jeon, J.K Park and D.J Kim Fracture energy of ultra-highperformance fiber-reinforced concrete at high strain rates Cement and Concrete Research, 79 (2016), pp 169-184 51 ... giả nghiên cứu ứng xử phát triển tính tự cảm biến bê tơng tính cao (SFRCs) tải trọng kéo trực tiếp Tính sáng tạo: Tác giả nghiên cứu thêm vật liệu vào bê tơng tính cao nhằm nâng cao khả tự cảm biến. .. cáo ban đầu [15,16] phát triển tính tự cảm biến bê tơng tính cao Đề tài bước nghiên cứu sâu tính tự cảm biến giai đoạn đàn hồi, so sánh với giai đoạn tăng cứng học Kết nghiên cứu cung cấp thơng... giả nghiên cứu ứng xử phát triển tính tự cảm biến bê tơng tính cao (SFRCs) tải trọng kéo trực tiếp 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Bê tơng tính cao tải kéo trực tiếp Hình 1-3 Minh họa trình tự