Biến dạng s: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (l) và kích thước ban đầu
l l
(3.3)
Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo. - Phương pháp đo biến dạng
Để đo biến dạng người ta sử dụng các cảm biến biến dạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng. Hiện nay sử dụng phổ biến hai loại đầu đo biến dạng:
+ Đầu đo điên trở: đây là loại đầu đo dùng phổ biến nhất. Chúng được chế tạo từ vật liêu có điên trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng.
+ Đầu đo dạng dây rung được dùng trong ngành xây dựng. Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần số của dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi.
Nghiên cứu sinh lựa chọn cảm biến đo biến dạng kiểu điện trở
Đầu đo điên trở kim loại có cấu tạo dạng lưới. Đối với đầu đo dạng lưới dây, được làm bằng dây điên trở có tiết diên tròn (đường kính d 20 p,m).
Đầu đo dạng lưới màng chế tạo bằng phương pháp mạch in (hình 3.1b). Số nhánh n của cảm biến thường từ 10 - 20 nhánh.
(a) (b)
Cảm biến được cố định trên đế cách điện mỏng bề dày ~ 0,1 mm làm bằng giấy hoặc ~ 0,03 mm làm bằng chất dẻo (polyimide, epoxy). Vật liêu làm điện trở thường thuộc họ hợp kim Ni ( bảng 3.1).
Bảng 3.5. Hệ số cảm biến tương ứng với các vật liệu chế tạo
Hợp kim Thành phần Hệ số cảm biến K
Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1
Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5
Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1
Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5
Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1
Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát (hình 3.22), kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc.
Hình 3.28. Cách cố định cảm biến trên bề mặt khảo sát
1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3)Lớp bảo vê 4) Mối hàn 5) Dây dẫn 6) Cáp điên 7) Keo dán
Sơ đồ thiết kế thiết bị đo sử dụng 1 cảm biến điện trở
Sơ đồ thiết kế thiết bị đo sử dụng 2 cảm biến điện trở
Hình 3.30 Sơ đồ mạch sử dụng 1 cảm biến Sơ đồ thiết kế thiết bị đo sử dụng 2 cảm biến điện trở
Hình 3.31 Sơ đồ mạch sử dụng 4 cảm biến 3.3.3. Chế tạo dụng cụ đo biến dạng sử dụng cảm biến điện trở
Dựa trên nguyên lý như đã phân tích, nghiên cứu sinh chế tạo bộ dụng cụ đo bao gồm: Thanh kim loại, trên thanh kim loại bố trí dán 4 cảm biến điện trở dạng mạch cầu như Hình 3.25. Thanh kim loại được gia công chế tạo dạng gân xoắn 2 đầu liên kết chặt với bê tông xi măng, khi bê tông bị biến dạng dẫn đến thanh kim loại cũng biến dạng đồng thời do vậy đo biến dạng của thanh kim loại cũng tương đương như đo biến dạng bê tông.
- Nghiên cứu sinh đã sử dụng sơ đồ nguyên lý 4 cảm biến điện trở như Hình 3.2 8. Sử dụng sơ đồ này giúp cho việc ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đo ít nhất, do có sử dụng 02 cảm biến có chức năng bù nhiệt.
Hình 3.33. Thử không tải các cảm biến đo biến dạng sau khi chế tạo
Hình 3.34 Thử nghiệm cảm biến đặt trong mẫu thử
Hình 3.35. Sơ đồ khối thiết bị TOTC-03
- Cảm biến đo biến dạng được đặt khi thi công tấm bê tông xi măng hiện trường và một số cảm biến nhiệt độ được kết nối với bộ đọc dữ liệu, mô đun truyền số liệu
Cảm biến 1 Cảm biến 2
Nguồn
cung cấp Card truyền và xử lý số liệu
Thiết bị phát tín hiệu CẠC KHUẾCH ĐẠI
qua sóng điện thoại. Tại Phòng thí nghiệm với máy tính có mô đun nhận số liệu có thể lấy dữ liệu đo đạc biến dạng từ xa. Hệ thống đo đạc thu thập số liệu này được đặt tên là thiết bị TOTC-03 (Techno science of transport centre-02). Thiết bị TOTC-03 đã được đăng ký giải pháp hữu ích tại Cục Sở hữu trí tuệ và đã được đăng trên công báo số 339 tập A (06.2016).
3.3.4. Đo đạc thử nghiệm trên mẫu thử trong phòng thí nghiệm
Trước khi thử nghiệm gắn các cảm biến được chế tạo vào tấm bê tông thử nghiệm tại hiện trường, nghiên cứu sinh đã từng bước kiểm tra và hiệu chuẩn thiết bị trên mẫu chuẩn và dụng cụ đã được kiểm chuẩn như sau:
- Đặt cảm biến trong khuôn mẫu có kích thước 15x15x60 cm, đổ hỗn hợp bê tông xi măng vào khuôn. Tạo ra mẫu kích thước 15x15x60 trong có gắn cảm biến bên trong và sát đáy mẫu.
- Khi mẫu bê tông đủ tuổi R28, tiến hành dán đát tríc đo bê tông lên bê mặt của mẫu như Hình 3.28.
- Thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông theo TCVN 5726:1993 - Thử nghiệm kéo uốn trong giới hạn đàn hồi đo đạc các số liệu
+ Đo lực tác dụng lên mẫu dầm, qua giá trị đo lực tính được ứng suất trên mẫu tương ứng, tính được biến dạng đáy mẫu BTXM
+ Đo biến dạng trên cảm biến chế thử đặt trong mẫu.
+ So sánh giá trị và xác định hệ số hiệu chuẩn của cảm biến
- Kết quả đo được thể hiện như hình 3.34 trong đó giá trị lý thuyết là giá trị biến dạng được tính thông qua công thức lý thuyết theo [22]
ku R E (3.4) trong đó: - Biến dạng; 2 . . ku P l R a b (3.5)
E- Mô đun đàn hồi của bê tông P- Lực tác dụng lên mẫu thí nghiệm
Lực P được đo bằng cảm biến đo lực đã được hiệu chuẩn tại Tổng cục Đo lường Chất lượng và được kết nối với phần mềm thu thập số liệu đồng thời với cảm biến đo biến dạng TOTC-03 và cảm biến điện trở dán trực tiếp trên mẫu. Kết quả đo đạc được thể hiện ở hình 3.34.
Hình 3.36. Biểu đồ biến dạng trên mẫu thử khi chưa hiệu chỉnh
Hình 3.37. Biểu đồ biến dạng sau khi hiệu chỉnh Hệ số hiệu chỉnh cảm biến K=1.054
3.4. Kết luận chƣơng 3
Từ nội dung nghiên cứu của chương 3 có một số kết luận chính sau.
- Nghiên cứu sinh đã thiết kế chế tạo thành công bộ thiết bị đo (TOTC-01) có khả năng xác định chiều dày tấm bê tông mặt đường, xác định khuyết tật trong tấm với
phần mềm thu thập số liệu, xử lý số liệu có tính mở. Phần cứng được lựa chọn ghép nối các mô đun của hãng PCB Piezotronics và hãng National Instruments (Ni) phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam, không vi phạm bản quyền của của các hãng sản xuất thiết bị đo chuyên dùng.
+ Thông qua thử nghiệm và phân tích lý thuyết nghiên cứu sinh đã đưa ra những lưu ý khi đo đạc: Phải lựa chọn bộ thu thập số liệu với tốc độ cao thu thập số liệu tối thiểu 1MzH; vị trí tác động của viên bi cách vị trí đặt cảm biến 40-50mm; có đường kính viên bi tạo va chạm 4-:-5mm; phương tác dụng vuông góc với mặt đường BTXM.
+ Phương pháp này có khả năng ứng dụng như phương pháp siêu âm như: xác định vận tốc truyền sóng, đánh giá khuyết tật, Mô đun đàn hồi động của mặt BTXM. Ngoài ra có khả năng ứng dụng đo đạc mặt đường tốt hơn phương pháp siêu âm do có thể thực hiện được với một mặt tiếp xúc. Có thể đo đạc đối với các đối tượng kết cấu bê tông khác chỉ có một mặt tiếp xúc như: Vỏ hầm, mố cầu…
+ So sánh với thiết bị đo chuyên dùng của hãng Olson cho thấy kết quả đo tương đương có thể thay đổi bổ sung các tính năng tuy nhiên sử dụng thực tế thiết bị chuyên dùng của hãng gọn nhẹ và thao tác đơn giản hơn do hãng sử dụng máy tính công nghiệp chuyên dùng.
+ Qua việc tự nghiên cứu chế tạo thiết bị giúp cho việc sử dụng và khai thác thiết bị chuyên dùng của các hãng thuận lợi và chủ động hơn.
- Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị TOTC-02 đo độ cập kênh của tấm có sử dụng cảm biến đo chuyển vị độ nhạy cao (<10-4mm) kết nối với máy tính thông qua phần mềm thu thập và xử lý số liệu. Giúp cho việc đo đạc theo dõi phát hiện sớm những nguy cơ gây hư hỏng tấm bê tông xi măng mặt đường, đây là giải pháp hữu ích đối với các đơn vị không huy động được thiết bị FWD.
- Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị TOTC-03 trong đó có cảm biến đo biến dạng có thể đặt được trong hỗn hợp BTXM khi thi công được kết nối với bộ đọc dữ liệu, mô đun truyền số liệu qua sóng điện thoại. Tại Phòng thí nghiệm với máy tính có mô đun nhận số liệu có thể lấy dữ liệu đo đạc biến dạng từ xa. Thiết bị TOTC-03 đã được đăng
ký giải pháp hữu ích tại Cục Sở hữu trí tuệ và đã được đăng trên công báo số 339 tập A (06.2016).
+ Thiết bị sử dụng cho việc nghiên cứu phản ứng biến dạng của đáy tấm bê tông xi măng mặt đường khi chịu tác động của tải trọng. Từ biến dạng đo được có thể đánh giá FWD có thể áp dụng được với chiều dày tấm bê tông bao nhiêu.
+ Số liệu từ cảm biến giúp cho việc kiểm tra thời gian tác động tải trọng của thiết bị FWD, giúp cho việc kiểm tra thiết bị FWD vì hệ lo xo cao su bị thay đổi theo thời gian hơn nữa ở Việt Nam hiện nay chưa có đơn vị kiểm tra, hiệu chuẩn thiết bị.
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM HOÀN THIỆN PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM
Qua việc nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu cở sở lý thuyết, thiết kế chế tạo bổ sung các thiết bị đo đạc. Nghiên cứu sinh thiết kế chương trình thử nghiệm với các nội dung như sơ đồ Hình 4.. Trong đó chương trình thử nghiệm (1) và (2) được tiến hành trong phòng thí nghiệm, chương trình thử nghiệm (3) và (4) được tiến hành trong phòng kết hợp với đoạn thi công thử nghiệm, qua 4 chương trình nêu trên tổng kết rút kinh nghiệm và tiến hành chương trình thử nghiệm (5) đo đạc thực tế tuyến quốc lộ đang khai thác. Từ các chương trình thử nghiệm này đề xuất hướng dẫn phương pháp đo đạc đánh giá mặt đường BTXM.
Hình 4.1. Sơ đồ nội dung thử nghiệm
4.1. Thử nghiệm xây dựng tƣơng quan giữa mô đun đàn hồi và cƣờng độ chịu kéo khi uốn khi uốn
- Mục đích và sự cần thiết thử nghiệm
Như đã phân tích ở chương 2, thông số mô đun đàn hồi của BTXM là thông số Nội dung thử nghiệm
(1) Thử nghiệm xây dựng tương quan giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo khi uốn
(2) Thử nghiệm xây dựng tương quan giữa mô đun đàn hồi tĩnh
và mô đun đàn hồi động của
nền đất
(3) Thử nghiệm trên đoạn đường
rải thử tại đường nội bộ
trường ĐHGTVT
(4) Thử nghiệm trên đoạn đường
rải thử tại đường nội bộ Xưởng sửa chữa
máy bay- sân bay Nội Bài
(5) Thử nghiệm trên tuyến QL18 địa phận tỉnh Quảng Ninh
quan trọng trong tính toán sức chịu tải mặt đường BTXM. Thông số này có được từ việc thí nghiệm mẫu đúc theo TCVN 5726:1993 hoặc thông qua đo đạc FWD kết hợp sử dụng thuật toán ngược để tính toán.
Cường độ chịu kéo khi uốn của BTXM được xác định thông qua mẫu đúc theo TCVN 3119:1993. Thông số này quan trọng trong việc kiểm toán giới hạn, khả năng chịu kéo khi uốn của tấm bê tông xi măng.
Trong quá trình thử nghiệm theo phương pháp FWD sau khi xử lý chỉ xác định được mô đun đàn hồi của BTXM muốn xác định cường độ chịu kéo khi uốn hiện nay đang sử dụng hệ số tương quan thực nghiêm theo công thức thực nghiệm của Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI) 43, 56 488, 5
10
bt ku
E
R (psi) (4.1) trong đó Rku và Ebt đơn vị tính theo (psi) tương đương công thức tính theo MPa như sau: 43,56 3,368 10 bt ku E R MPa (4.2) Ở Việt Nam chưa có tác giả công bố công thức tương quan này đối với vật liệu chế tạo BTXM. Nghiên cứu sinh tiến hành thử nghiệm xác định tương quan giữa mô đun đàn hồi của BTXM và cường độ chịu kéo khi uốn đối với vật liệu và cấp phối thường sử dụng tại Việt Nam để thi công mặt đường BTXM.
- Phạm vi nghiên cứu thử nghiệm:
Trong điều kiện nghiên cứu có hạn chế nghiên cứu sinh thử nghiệm đối với loại bê tông hay sử dụng thi công mặt đường với cấp B25 (35/4,5 MPa). Các mẫu bê tông cùng nguồn vật liệu đá, cát, xi măng, phụ gia.
- Các bước tiến hành thử nghiệm:
+ Lựa chọn cấp phối thông thường hay sử dụng thi công lớp BTXM mặt đường + Tiến hành lấy mẫu hỗn hợp các ngày thi công khác nhau tại trạm trộn, đúc mẫu 15x15x60 cm theo TCVN 3105:1993 sử dụng thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi sau đó thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn.
+ Bảo dưỡng mẫu, tuổi mẫu thí nghiệm 28 ngày.
nghiệm TCVN 5726:1993 cơ bản giống với tiêu chuẩn ASTM C469:02 tuy nhiên tiêu chuẩn TCVN sử dụng mẫu hình lăng trụ, tiêu chuẩn ASTM sử dụng mẫu trụ tròn.
+ Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn theo TCVN 3119:1993. Phương pháp thí nghiệm TCVN 3119:1993 về cơ bản không có sự khác biệt so với AASHTO T93-14.
- Trình tự thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi + Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 5726:1993
+ Thiết bị thí nghiệm chính: Máy nén sai số ± 1%; đồng hồ thiên phân kế độ phân giải 10-3 mm.
+ Trạng thái thử nghiệm mẫu: mẫu để khô trong nhiệt độ phòng, vớt mẫu ra khỏi bể bảo dưỡng trước 1 tuần.
+ Trên 4 mặt đứng của từng viên mẫu kẻ 4 đường trung bình song song với trục của mẫu để đặt dụng cụ đo biến dạng. Khoảng cách đo được đặt cách đầu hai đáy viên mẫu. Khoảng đo được lựa chọn 200mm.
Hình 4.2. Sơ đồ gá lắp thiết bị đo biến dạng trên mẫu BTXM
+ Đặt từng viên vào mẫu chính tâm thớt dưới của máy nén. Đặt tải tạo ứng suất ban đầu bằng khoảng 0,05 MPa lên mẫu. Ghi lại giá trị đồng hồ ở cả mặt đứng của viên mẫu.
khoảng 10-15 MPa. Giữ tải ở ứng suất này 60 giây và đọc giá trị đồng hồ ở cả 4 mặt trong khoảng 30 giây nữa.
+ Tính biến dạng tương đối ở từng mặt bằng hiệu số 2 lần đọc đồng hồ gắn trên mặt đó chia cho khoảng cách, rồi tính giá trị biến dạng trung bình của 4 mặt.
- Trình tự thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu BTXM + Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 3119:1993
+ Thiết bị thí nghiệm chính: Máy uốn sai số ± 1%;
+ Trạng thái thử nghiệm : mẫu để khô trong nhiệt độ phòng, mẫu được thí nghiệm ngay sau khi thí nghiệm mô đun đàn hồi để xác định tương quan.
+ Đo đạc kích thước mẫu, gá mẫu sao cho hướng tác dụng của lực song song với mặt hở của dầm bê tông khi đổ.
+ Uốn mẫu bằng cách tăng tải liên tục trên mẫu với tốc độ không đổi và bằng 0,06 ± 0,04 MPa/s cho tới khi gãy mẫu ghi lại lực lớn nhất.
Bảng 4.1. Cấp phối bê tông sử dụng thử nghiệm (đơn vị tính 1m3
)
STT Vật liệu Đơn vị Khối lƣợng Ghi chú
1 Xi măng PC40- Bút Sơn kg 390 2 Cát vàng m3 0,506