Đối với khối bê tông (mẫu 1), khảo sát giá trị chuyển vị tại điểm 1, điểm 2 và điểm 3, kết quả được thể hiện ở Hình 2.5. Kết quả cho thấy sóng đến điểm 1 trước, sau đó lần lượt đến điểm 2 và điểm 3. Điều này hoàn toàn phù hợp, bởi vì các điểm 1 và 2 gần nguồn phát sóng hơn điểm 3.
Để thấy rõ sự khác nhau khi sóng siêu âm lan truyền trong các mẫu khác nhau, nghiên cứu tiến hành khảo sát giá trị chuyển vị tại điểm 2 và điểm 3 của cả bốn trường hợp mẫu. Các điểm 2 và điểm 3 là các điểm nằm khuất sau lỗ trống (mẫu 2), cốt thép (mẫu 3) và vết nứt (mẫu 4) (Hình 2.6).
Thời gian (μs)
Hình 2.5. Giá trị chuyển vị tại điểm 1, 2 và 3 của mẫu 1
Kết quả từ Hình 2.6 cho thấy như sau:
• Ở mẫu 1 (bê tông) và mẫu 3 (bê tông và cốt thép ở giữa), sóng siêu âm đến điểm khảo sát 2 và điểm 3 trước và có giá trị lớn hơn so với mẫu 2 (lỗ trống) và mẫu 4 (vết nứt).
• Trường hợp mẫu 4 (vết nứt) sóng siêu âm sẽ đến điểm khảo sát 2 và điểm 3 chậm nhất và giá trị chuyển vị cũng là nhỏ nhất.
Các kết quả khảo sát trên là hoàn toàn phù hợp vì lỗ trống (mẫu 2) và vết nứt (mẫu 4) ngăn cản đáng kể sự lan truyền của sóng siêu âm đến điểm nhận sóng. Ngoài ra, từ các giá trị chuyển vị tại các điểm nhận sóng, có thể phân biệt được các mẫu nguyên vẹn, có vết nứt và lỗ trống bên trong bằng kỹ thuật siêu âm.
Thời gian (μs)
Thời gian (μs)
Hình 2.6. Giá trị chuyển vị tại điểm 2 và điểm 3 của 4 mẫu khảo sát 2.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua thực nghiệm
Chương trình mô phỏng Matlab được đánh giá thông qua thực nghiệm bằng cách so sánh tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm khi qua mẫu 1 tại điểm 3 (Hình 2.3) từ kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm.
Trong phép đo thu nhận tín hiệu sóng tại điểm 3 thuộc mẫu 1, thiết bị phát sóng là máy siêu âm Tico của hãng Proceq, Thụy Sỹ (Hình 2.7a), tần số phát xung là 54kHz. Để thu nhận tín hiệu dạng sóng của sóng siêu âm, cảm biến thu siêu âm Tico, thiết bị thu nhận tín hiệu số SYSAM-SP5 của hãng Eurosmart, Cộng hòa Pháp (Hình
2.7b) được sử dụng. Thiết bị được kết nối với máy tính thông qua phần mềm Latis- Pro (Hình 2.8).
a) Máy siêu âm Tico b) SYSAM-SP5
Hình 2.7. Thiết bị để thu nhận tín hiệu sóng
Hình 2.8. Kết nối thiết bị để thu nhận tín hiệu sóng
Kết quả chuyển vị uy tại điểm phát sóng được thể hiện như Hình 2.9a và chuyển vị tại điểm 3 thuộc mẫu 1 từ chương trình mô phỏng Matlab được thể hiện như Hình 2.9b.
Kết quả tín hiệu sóng thu nhận được từ đo đạc thực nghiệm tại điểm 1 (phát sóng) và điểm 3 (nhận sóng) được thể hiện như Hình 2.10.
Từ kết quả mô phỏng (Hình 2.9), xác định được biên độ tại điểm phát sóng (điểm 1) là A1=2.10-4m và biên độ tại điểm nhận sóng (điểm 3) là A2=2,45.10-5m. Khi đó tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1=2,45.10-5/2.10-4 =0,1225.
Từ kết quả thu nhận tín hiệu từ thực nghiệm (Hình 2.10), xác định được biên độ tại điểm phát sóng (điểm 1) là A1=20 volt và biên độ tại điểm nhận sóng (điểm 3) là A2=2,557 volt. Khi đó tỉ lệ suy giảm biên độ A2/A1=2,557/20=0,1279.
Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng bằng chương trình Matlab và đo đạc thực nghiệm, với sai số về tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm khi đi qua mẫu A2/A1 là 4,2%. Như vậy, việc đánh giá kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm cho thấy độ chính xác và độ tin cậy khá cao của chương trình Matlab đã xây dựng.
Kết quả cũng cho thấy khi sóng đi qua mẫu thì giá trị biên độ sóng bị suy giảm, điều này là phù hợp với các nghiên cứu khác đã thực hiện [70, 81]. Sử dụng đặc điểm này, nghiên cứu sẽ xác định được các hệ số cản của vật liệu, như được trình bày trong Chương 3.
Ch uy ển v ị ( m ) A1 Thời gian (μs)
Hình 2.9. Chuyển vị tại điểm 1 (phát sóng) và chuyển vị tại điểm 3 (nhận sóng) thuộc mẫu 1 (Hình 2.3), từ kết quả mô phỏng
Matlab
Biên độ tại Điểm 1 (Phát sóng)
Bi ên đ ộ (v ol t) A1
Thời gian (μs) Thời gian (μs)
Hình 2.10. Chuyển vị tại điểm 1 (phát sóng) và chuyển vị tại điểm 3 (nhận sóng) thuộc mẫu 1 (Hình 2.3), từ đo đạc thực
2.4. Mô phỏng xác định chiều sâu vết nứt bê tông
Việc sử dụng bê tông với các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá là hết sức cần thiết nhằm giảm ảnh hưởng xấu đến môi trường tự nhiên. Tuy nhiên, công việc này cần có những đánh giá về chất lượng của bê tông sử dụng vật liệu thay thế, trong đó có việc đánh giá các vết nứt trong bê tông khi sử dụng các vật liệu thay thế này.
Qua phân tích tổng quan, nghiên cứu đã khẳng định phương pháp xác định thời gian lan truyền nhiễu xạ (TOFD) là phù hợp để xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông.
Biểu thức xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông đã được trình bày trong Chương 1 như sau:
D = (Biểu thức 1.14).
Trong đó Cp là vận tốc lan truyền của sóng dọc (được xác định từ thực nghiệm), H là khoảng cách từ vị trí đặt đầu dò đến vết nứt (Hình 1.21a), t là thời gian lan truyền sóng từ vị trí đầu phát đến đầu thu.
2.4.1. Mẫu khảo sát
Qua việc phân tích tổng quan, phương pháp TOFD thường được sử dụng để xác định các vết nứt mở có chiều sâu nằm trong khoảng 3cm đến 10cm và hai cảm biến được đặt cách vết nứt khoảng cách từ 5cm đến 30cm [13, 21, 48, 55, 74]. Vì vậy, mẫu khảo sát được chọn là mẫu hình hộp chữ nhật có kích thước 15x15x60cm3, được tạo một vết nứt mở vuông góc với bề mặt có chiều sâu là 7cm và bề rộng là 2mm. Hai đầu dò siêu âm được bố trí đối xứng qua vết nứt và cách vết nứt 10cm (Hình 2.11). Việc lựa chọn mô hình khảo sát như Hình 2.11 nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng số đã thực hiện và thuận lợi cho việc thực nghiệm.
Bê tông chế tạo mẫu là đối tượng bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá, các thông số đặc tính bê tông được đo đạc từ thực nghiệm ở Chương 3 và kết quả như sau: khối lượng riêng ρ=2483,6kg/m3, mô-đun đàn hồi
Eb=3,96.104MPa, hệ số Poisson ν=0,2, các hệ số cản Rayleigh: =9448,06rad/s và β=8,22.10-8s/rad. H=10cm H=10cm 15 cm Đầu phát 60cm
Hình 2.11. Mô hình khảo sát xác định chiều sâu vết nứt
Bước không gian phải thỏa mãn Biểu thức (2.34) và được chọn là 5mm. Bước thời gian được xác định theo Biểu thức (2.33). Tại vị trí phát sóng, kích thích chuyển vị (q) theo phương thẳng đứng có dạng hình sin như sau:
q = A1 sin(ωt)
Trong đó: A1 là biên độ của sóng (A1=10-4m), (f=54kHz), t là thời gian.
(2.40)
ω= 2πf , f là tần số của sóng
2.4.2. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng cho thấy sóng được phát ra tại nguồn phát sẽ lan truyền và đến đỉnh của vết nứt, vị trí này giống như một nguồn phát thứ cấp tiếp tục phát sóng và lan truyền đến vị trí nhận sóng (Hình 2.12).
Để xác định chiều sâu vết nứt theo Biểu thức (1.14), tiến hành thực hiện các bước sau:
• Bước 1: Xác định thời gian lan truyền sóng từ đầu phát đến đầu thu.
Giá trị chuyển vị tại vị trí phát sóng và nhận sóng được thể hiện qua Hình 2.13. Hình 2.13a cho thấy giá trị chuyển vị dương lớn nhất thứ hai là tại bước thời gian k=24 và Hình 2.13b cho thấy giá trị chuyển vị dương lớn nhất thứ hai là tại bước thời gian k=74. Như vậy, số bước thời gian lan truyền sóng trong mẫu từ vị trí phát đến vị trí nhận: 74-24=50 bước. Thời gian lan truyền sóng: 50* t=55,3 s.
Hình 2.12. Hình ảnh lan truyền sóng qua vị trí vết nứt Ch uy ển v ị ( m ) 0.00009 0.00004 -0.00001 -0.00006 -0.00011 1
Bước thời gian Ch
uy ển v ị ( m ) 3.00E-06 2.00E-06 1.00E-06 1 -2.00E-06
Bước thời gian
a) Chuyển vị tại vị trí phát sóng b) Chuyển vị tại vị trí nhận sóng Hình 2.13. Giá trị chuyển vị tại vị trí phát và nhận sóng
• Bước 2: Xác định chiều sâu vết nứt.
Áp dụng Biểu thức (1.14), chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông được xác định từ mô phỏng số như sau:
C p
D =
2.5. Kết luận chương 2
Chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá đã được xây dựng cho trường hợp hai chiều với giả thiết bê tông là vật liệu đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Việc mô phỏng số được thực hiện cho bốn mẫu khảo sát hình lập phương cạnh 15cm: mẫu chuẩn không có khuyết tật, mẫu có khuyết tật bên trong (lỗ trống và vết nứt) và mẫu có cốt thép bên trong. Các đặc tính vật liệu bê tông thay thế đưa vào mô phỏng được đo đạc từ thực nghiệm gồm khối lượng riêng, mô-đun đàn hồi, hệ số poisson và hệ số cản bê tông. Kết quả mô phỏng số khá phù hợp với thực nghiệm.
Chương trình mô phỏng được sử dụng để xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông và kết quả sai lệch là 7,1% so với thực tế. Sai lệch này là chấp nhận được. Sai lệch giữa mô phỏng và thực tế có thể do giả thiết vật liệu bê tông (vữa và xi măng) được xem như môi trường đồng nhất.
Khó khăn trong bài toán mô phỏng là phải biết được các hệ số cản Rayleigh của bê tông sử dụng tro bay và bột đá. Các hệ số này sẽ được xác định bằng phương pháp thực nghiệm đề xuất và được trình bày chi tiết trong Chương 3 của Luận án.
Chương 3
THỰC NGHIỆM DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, HỆ SỐ CẢN RAYLEIGH VÀ CHIỀU SÂU VẾT NỨT CỦA BÊ TÔNG
Trong phần Mở đầu, Luận án đã chỉ ra tính cấp thiết của nghiên cứu về dự đoán cường độ chịu nén và chiều sâu vết nứt của bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá. Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu của Luận án, Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học và chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong trong bê tông sử dụng vật liệu thay thế, và sử dụng chương trình mô phỏng để dự đoán chiều sâu vết nứt của bê tông. Vì vậy, trong chương 3 về nghiên cứu thực nghiệm, các công việc được thực hiện như sau:
• Phân tích, lựa chọn và xác định các đặc tính cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông.
• Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá.
• Xác định các hệ số cản Rayleigh của bê tông sử dụng vật liệu thay thế.
• Dự đoán chiều sâu vết nứt của bê tông sử dụng vật liệu thay thế bằng phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền.
3.1. Vật liệu thí nghiệm
Dựa trên chỉ dẫn lựa chọn thành phần cốt liệu của Bộ xây dựng [8], vật liệu truyền thống để chế tạo bê tông là cát, đá dăm, xi măng Portland và nước. Tuy nhiên, do tình trạng khai thác quá mức các vật liệu này, đặc biệt là khai thác cát tại các sông ngòi gây ảnh hưởng xấu đến tự nhiên. Vì vậy, vấn đề cấp bách là cần thiết phải tìm các nguồn vật liệu thay thế cho các vật liệu truyền thống này. Các nghiên cứu đã sử dụng phế phẩm bột đá thay thế một phần cho cát [16] và tro bay thay thế một phần cho xi măng [5, 9, 11, 12, 17]. Trong đó, lượng bột đá và tro bay được thay thế thường gặp cho cát và xi măng vào khoảng 10% đến 30%.
Tại miền Trung, mỗi năm Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng – Hà Tĩnh phát sinh khoảng 1 triệu tấn phế phẩm tro và xỉ, và tại các mỏ đá tồn tại một lượng lớn phế
phẩm là bột đá. Hai phế phẩm này đã và đang được các nhà máy chế tạo bê tông tại khu vực miền Trung sử dụng thay thế một phần cho cát và xi măng. Dựa trên tham khảo các nghiên cứu [5, 9, 11, 12, 16, 17] và từ việc tham khảo số liệu thực tế tại các trạm trộn bê tông tại miền Trung, nghiên cứu chọn tro bay thay thế cho 20% xi măng và bột đá thay thế cho 20% cát, vật liệu thí nghiệm chế tạo bê tông được thể hiện như Bảng 3.1.
Vật liệu sử dụng thí nghiệm được lấy từ các nguồn sau:
• Cát lấy ở nguồn sông Vu Gia, tỉnh Quảng nam và chỉ tiêu cơ lý của cát được trình bày trong Bảng 3.2.
• Bột đá lấy tại Mỏ đá Phước Tường, thành phố Đà Nẵng (Hình 3.1c) và chỉ tiêu cơ lý của bột đá trình bày ở Bảng 3.3.
• Đá dăm có nguồn tại Đà Nẵng (Hình 3.1d) và thành phần hạt được mô tả ở Bảng 3.4.
• Xi măng sử dụng loại PC50 Sông Gianh (Hình 3.1a) và chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Bảng 3.5.
• Tro bay lấy nguồn từ Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng, Hà Tĩnh (Hình 3.1b) và chỉ tiêu cơ lý trình bày trong Bảng 3.6.
• Nước sử dụng nước sinh hoạt tại thành phố Đà Nẵng.
a) Xi măng b) Tro bay
c) Bột đá d) Đá dăm
Bảng 3.1. Lựa chọn vật liệu thí nghiệm
Vật liệu
Bảng 3.2. Chỉ tiêu cơ lý của cát
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm
1 Khối lượng riêng
2 Khối lượng thể tích xốp
3 Độ ẩm
4 Mô đun độ lớn
5 Hàm lượng bùn, bụi, sét
6 Thành phần hạt
Bảng 3.3. Chỉ tiêu cơ lý của bột đá
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm
1 Khối lượng riêng
2 Khối lượng thể tích xốp
3 Độ ẩm
4 Mô đun độ lớn
5 Hàm lượng bùn, bụi, sét
Bảng 3.4. Chỉ tiêu cơ lý của đá
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm
1 Khối lượng riêng
2 Khối lượng thể tích xốp 3 Độ ẩm 4 Hàm lượng hạt thoi dẹt 5 Hàm lượng bùn, bụi, sét 6 Độ hao mòn khi va đập 7 Thành phần hạt
Bảng 3.5. Chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC50 Sông Gianh
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm
1 Khối lượng riêng xi măng
2 Độ mịn (Lượng sót tích lũy trên sàng 0.09mm)
3 Lượng nước tiêu chuẩn
4 Thời gian đông kết
5 Độ ổn định thể tích
6 Cường độ chịu nén
Bảng 3.6. Chỉ tiêu cơ lý của tro bay
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm
1 Khối lượng riêng
2 Tổng các Oxít: SiO2+Al2O3+Fe2O3
3 Hàm lượng SO3
4 Khối lượng trên sàng 45µm
3.2. Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén 3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chính như sau: thành phần cấp phối [8], tuổi bê tông [14], phương pháp chế tạo bê tông [8], điều kiện dưỡng hộ và mẫu thí nghiệm [14] (Biểu đồ xương cá Ishikawa Hình 3.2).
Điều kiện dưỡng hộ Cấp phối
Nhiệt độ Mẫu hình trụ Chất kết dính Độ ẩm Nước Cốt liệu lớn Phụ gia Cường độ chịu nén bê tông (B10-B45) Thủ công
Mẫu khối vuông
Bằng máy
Mẫu thí nghiệm Phương pháp chế tạo bê tông Tuổi bê tông
Hình 3.2. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông
Tất cả các yếu tố trong Hình 3.2 đều ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông, tuy nhiên nếu đưa tất cả các yếu tố này vào cùng một mô hình để đánh giá ảnh hưởng đến cường độ chịu nén thì bài toán sẽ rất phức tạp. Vì vậy, các nghiên cứu thường chỉ xét ảnh hưởng của một đến hai yếu tố trong Hình 3.2 đến cường độ chịu nén, còn các yếu tố khác được xem như không thay đổi.
3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm 3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
Đối với các loại bê tông thường gặp, đã có đầy đủ quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông [8]. Tuy nhiên, với bê tông sử dụng các cấp