Để xác định năng lƣợng phá hủy G, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ta cần xác định lực kéo Q. Q có thể đƣợc xác định bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho dầm bê tông cốt thép trong mơi trƣờng ABAQUS. Trong thí nghiệm uốn dầm, Q là tổng lực kéo trong cốt thép của dầm bê tông cốt thép.
CHƢƠNG 3
NGUYÊN VẬT LIỆU
VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1 Nguyên liệu sử dụng
Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông xỉ thép tái chế tƣơng tự nhƣ nguyên vật liệu chế tạo bê tông thông thƣờng, nguyên liệu sử dụng bao gồm xỉ thép, đá, cát, xi măng và nƣớc.
Kích thƣớc hình học dầm thí nghiệm: rộng 200mm, cao 300mm, dài 3300mm với 2 loại thép AII sử dụng là 12, 14,16 và , chia làm 02 tổ mẫu thí nghiệm. Các nguyên liệu đƣợc sử dụng bao gồm:
3.1.1 Cốt liệu xỉ thép
Xỉ thép nghiên cứu đề tài này đƣợc lấy từ các nhà máy luyện thép trong KCN Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu có tính chất khá tƣơng đồng với loại xỉ thép đã và đang đƣợc sử dụng trên thế giới.
Xỉ thép sau khi thu thập về phịng đƣợc thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản nhƣ thành phần hóa, khối lƣợng riêng, khối lƣợng thể tích, cƣờng độ nén dập xi lanh và khả năng thải các kim loại nặng ra ngồi mơi trƣờng trong quá trình sử dụng.
Các tính chất cơ lý của xỉ thép đƣợc tổng hợp thể hiện ở bảng sau: Bảng 3.1: Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN
STT Tên chỉ tiêu
thử nghiệm Đơn vị Phƣơng pháp thử Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Trung bình 1 Khối lƣợng thể tích đổ đống g/cm 3 TCVN 7572-6:2006 1.82 1.88 1.84 1.85 2 Độ rỗng % TCVN 7572-6:2006 55.4 56 53.8 55.1 3 Khối lƣợng riêng g/cm 3 TCVN 7572-4:2006 3.47 3.66 3.68 3.60 4 Độ hút nƣớc % TCVN 7572-4:2006 1.5 2.5 2.1 2.0 5 Tạp chất hữu cơ So màu TCVN 7572-9:2006 Sáng hơn màu chuẩn Sáng hơn màu chuẩn Sáng hơn màu chuẩn Sáng hơn màu chuẩn 6 Hàm lƣợng chung bụi bùn sét % TCVN 7572-8:2006 0.4 1.2 0.6 0.7 7 Hàm lƣợng hạt thoi dẹt % TCVN 7572- 13:2006 0.9 0.8 1 0.9 8 Độ mài mòn Los Angeles % TCVN 7572- 12:2006 21.9 26.2 22.2 23.4 9 Thành phần hạt - TCVN 7572-2:2006 - - - -
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép
Chỉ tiêu thí nghiệm Phƣơng pháp thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm
Dmin - Dmax TCVN 7572-2:2006 5-20 mm
Khối lƣợng riêng TCVN 7572-4:2006 3.56 g/cm3
Khối lƣợng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 3.32 g/cm3
Khối lƣợng thể tích ở trạng thái bảo hồ TCVN 7572-4:2006 3.39 g/cm3
Độ hút nƣớc TCVN 7572-4:2006 2.1 %
Khối lƣợng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1720 kg/m3
Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-6:2006 48.2 %
Hình3.2: Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép sử dụng
3.1.2 Cốt liệu lớn (đá dăm)
Đá tự nhiên đƣợc sử dụng để đúc mẫu đối chứng là đá Hoà An thuộc tỉnh Đồng Nai. Đá tự nhiên đƣợc rửa sạch, phơi khơ và sàng theo kích thƣớc chuẩn, đảm bảo chỉ tiêu cơ lý, có kích thƣớc trung bình 20 mm, cỡ hạt đồng đều cùng cấp chất lƣợng, có cƣờng độ đảm bảo theo tiêu chuẩn TCVN 1771-1986.
94.93 56.02 9.00 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 10 15 20 25 30 35 40 L ượng sót t ích luỹ ( % ) Kích thước lỗ sàng (mm)
Đường bao vùng chuẩn theo TCVN 7572-2:2006 Đường biểu diễn thành phần hạt của xỉ thép
Hình 3.3: Đá dăm tự nhiên
Bảng 3.3: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phƣơng pháp thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm
Dmin - Dmax TCVN 7572-2:2006 2.20mm
Khối lƣợng riêng TCVN 7572-4:2006 2.78 g/cm3
Khối lƣợng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2.61 g/cm3
Khối lƣợng thể tích ở trạng thái bảo hồ TCVN 7572-4:2006 2.67 g/cm3
Độ hút nƣớc TCVN 7572-4:2006 2.5 %
Khối lƣợng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1415 kg/m3
3.1.3 Cốt liệu mịn (cát vàng)
Cát vàng đƣợc sử dụng là cát sông, rửa sạch, phơi khô, sàng lọc bớt hàm lƣợng hạt nhỏ, phù hợp với TCVN 6227:1996, các thành phần hạt và độ sạch của cát phải thoả mãn theo TCVN 1770-1986.
Hình 3.5: Cát vàng
Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phƣơng pháp thí
nghiệm Kết quả thí nghiệm Mơ đun độ lớn TCVN 7572-2:2006 2.50 mm Khối lƣợng riêng TCVN 7572-4:2006 2.60 g/cm3 Khối lƣợng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2.43 g/cm3 Khối lƣợng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2.49 g/cm3 Độ hút nƣớc TCVN 7572-4:2006 2.9 % Khối lƣợng thể tích xốp TCVN 7572-2:2006 1545 kg/m3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-2:2006 36.4 %
Hình 3.6: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng
3.1.4 Nƣớc
Nƣớc để chế tạo bê tông phải đảm bảo chất lƣợng tốt, không gây ảnh hƣởng đến thời gian đông kết và rắn chắc của xi măng và khơng gây ăn mịn cho cốt thép. Nƣớc đƣợc sử dụng là nƣớc sinh hoạt, Hàm lƣợng các tạp chất phải thoả mãn TCVN 4506-1987.
3.1.5 Xi măng
Xi măng Portland (PC40) đáp ứng đƣợc các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2682-2009.
Bảng 3.5: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng sử dụng
Tên chỉ tiêu Phƣơng pháp thử Kết quả thí nghiệm
Độ dẻo tiêu chuẩn (N/X) (%) TCVN 6017:1995 29.0
Thời gian đông kết TCVN 6017:1995
+ Bắt đầu (phút) 145 + Kết thúc (phút) 204 Khối lƣợng riêng (g/cm3) TCVN 4030:2003 3.01 Độ ổn định thể tích (mm) TCVN 6017:1995 5.90 Độ nghiền mịn TCVN 4030:2003 + Phần cịn sót lại trên sàng 0.09 (%) 1.74 Cƣờng độ nén MPa TCVN 6016:1995 44.0
3.2 Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép
Tƣơng tự bê tông thông thƣờng, việc thiết kế hỗn hợp bê tông xỉ thép dựa vào các chỉ tiêu đặc trƣng của nó nhƣ cƣờng độ, tính cơng tác...Trong bê tơng xỉ, các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc trƣng bao gồm tỷ lệ nƣớc và chất kết dính, nhiệt độ, thời gian dƣỡng hộ, độ hút nƣớc, ....
Tính tốn lựa chọn cấp phối
Các tỉ lệ thành phần bê tông đối với bê tông đá, xỉ rất đa dạng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ mức cƣờng độ yêu cầu theo tuổi bê tông (thời điểm kiểm tra), các tính chất của vật liệu và kiểu ứng dụng. Ngồi tính kinh tế, các yêu cầu về kết cấu thực tế sản xuất, điều kiện môi trƣờng và cả thời điểm trong năm cũng ảnh hƣởng đến sự lựa chọn hỗn hợp bê tơng.
Khi các kết quả tính tốn lựa chọn khơng đạt, cần điều chỉnh lại thiết kế và thử lại cho đến khi đạt yêu cầu thiết kế.
Cấp phối CPĐ1 đƣợc sử dụng để đúc 3 mẫu dầm Đ1-1, Đ1-2 , Đ1-3 trong đó cốt liệu đƣợc phối trộn với các tỷ lệ thành phần hạt cát và đá đã qua sàng phù hợp với biểu đồ cấp phối hạt theo TCVN 1770-1986.
Cấp phối CPĐ2 đƣợc sử dụng để đúc 3 mẫu dầm Đ2-1, Đ2-2 , Đ2-3 trong đó cốt liệu đƣợc phối trộn với các tỷ lệ thành phần hạt cát và đá đã qua sàng phù hợp với biểu đồ cấp phối hạt theo TCVN 1770-1986.
Cấp phối CPX1 sử dụng xỉ thép với tỷ lệ thành phần hạt đã qua sàng lọc thay thế cốt liệu lớn (đá dăm). Đúc 3 mẫu dầm X1-1, X1-2, X1-3 theo tỷ lệ thành phần sau.
Bảng 3.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ và đá tự nhiên (1m3)
Mẫu XM (kg) Cát (kg) Xỉ/Đá (kg) N (lít) N/X Phụ gia (ml) Ghi chú
CPĐ1 375 591.5 1364.4 180 0.45 3.0 Bê tông cốt liệu đá B22.5
CPĐ2 281 638.1 1394.1 180 0.45 3.0 Bê tông cốt liệu đá B15
CPX1 360.0 591.5 1664.4 162 0.45 2.9 Bê tơng cốt liệu xỉ thép
3.3 Thí nghiệm cấu kiện dầm
3.3.1 Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm với mục đích thu thập dữ liệu hình ảnh, sử dụng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số để đo đạc bề rộng, chiều dài vết nứt và kiểm tra vùng biến dạng phát triển vết nứt (FPZs), so sánh với kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép. Nhằm nâng cao tính ổn định và khả năng chịu lực cho các kết cấu bê tông hiện đang đƣợc sử dụng.
3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm
Các bộ dụng cụ thí nghiệm địi hỏi phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế, độ chính xác cao, dễ lắp ráp sử dụng.
3.3.2.1 Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gauge (cảm biến điện trở dây)
Strain gauge dùng để đo biến dạng của bề mặt cấu kiện. Strain gauge lá điện trở đo biến dạng là loại cảm biến có cấu tạo rất mỏng, có thể gọi với nhiều tên khác nhau nhƣ: strain gauge, cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng.
Hình 3.8: Strain gauge
Strain gauge đƣợc dán lên các kết cấu cần quan trắc. Thiết bị đo kích hoạt và đo tần số rung của dây căng trong strain gauge, qua đó tính tốn đƣợc mức độ thay đổi biến dạng so với trạng thái ban đầu.
Trong thí nghiệm này, ta dùng Strain Gauge đặt ở vị trí giữa dầm và cách mép trên dầm 100mm, mục đích đặt vị trí Strain Gauge ở vị trí đó là dùng để kiểm chứng phƣơng pháp DIC, và trong q trình thí nghiệm vết nứt phát triển khơng ảnh hƣởng đến biến dạng bề mặt dầm, cũng khơng sát đỉnh dầm q vì tránh sự phá hoại cục bộ tại vị trí đặt tải.
3.3.2.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement Transducer)
Cảm biến LVDT dùng để đo độ võng của khối cấu kiện dƣới tác động của tải trọng tĩnh hay động. Để thu đƣợc kết quả chính xác và tốt nhất, đầu tiên là phải xác định chính xác mặt phẳng chuẩn để làm điểm tựa. Điểm tựa chuẩn này không di chuyển, xem nhƣ cứng tuyệt đối, gắn một đầu của cảm biến lên kết cấu và đầu kia lên điểm tựa này. Dƣới tác động của tải trọng thì có sự thay đổi vị trí của cấu kiện kết cấu với điểm tựa này, đây chính là độ võng ta cần đo.
Hình 3.9: Thiết bị đo chuyển vị
Trong thí nghiệm này ta dùng 2 LVDT cho 2 vị trí cách điểm giữa dầm ra 2 bên một khoảng cách 50mm và 2 LVDT cho vị trí giữa dầm.
3.3.2.3 Máy ảnh kỹ thuật số :
Trong quá trình uốn dầm ta sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Cannon EOS 7D độ phân giải 5184 x 3456, có chân máy cố định, đặt vng góc với khu vực trung tâm chính diện của dầm cách khoảng 1000mm, để thu thập hình ảnh trong từng giai đoạn gia tải.
Hình 3.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D
3.3.2.4 Máy uốn cấu kiện
cấu kiện ở giai đoạn phục vụ (Servicebility limit state-SLS) và khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate limit state-ULS).
Hình 3.11: Máy uốn cấu kiện
3.3.2.5 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger)
Đƣợc sử dụng với tất cả các cảm biến dây rung. Khi đọc các lực tải, chuyển vị hay biến dạng, máy tích hợp đa tự động quét qua tất cả các cảm biến dây rung, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và bù đắp, và hiển thị các tải trực tiếp trong đơn vị kỹ thuật. Tất cả các kết quả đọc có thể đƣợc lƣu trữ và xuất sang một số định dạng tập tin khác nhau.
Hình 3.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm
Trong thí nghiệm này, máy data logger sẽ thu thập các thơng số của các biến dạng ở vị trí đặt Strain gauge, tải trọng tác dụng và các chuyển vị giữa dầm bê tông
3.3.3 Công tác chuẩn bị
Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm cũng đƣợc chuẩn bị để cân đo, pha chế theo tỷ lệ cho trƣớc.
Gia công cốt thép, ván khuôn dầm theo kích thƣớc định sẵn: Cốt thép đƣợc gia cơng đƣợc đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 25mm. Khuôn đƣợc lau sạch, bôi một lớp dầu mỏng vào mặt trong khn.
Hình 3.13. Gia cơng cốt thép và ván khn
3.3.4 Trình tự thí nghiệm
Sau khi định lƣợng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm theo tỷ lệ thành phần cấp phối, tiến hành công tác trộn bê tông bằng máy trộn dung tích 250lit.
Hình 3.14. Q trình trộn bê tơng
Tiến hành kiểm tra độ sụt trƣớc. Sau đó đổ hỗn hợp bê tơng tƣơi vào khuôn và tiến hành đầm dùi để bê tơng có thể lắp đầy vào ván khn tránh tình trạng rỗ bề
Hình 3.15. Cơng tác đầm dùi
Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nƣớc xi măng chảy đều tránh rổ mặt khi tháo khn, dùng bay xoa phẳng mặt khn, trong q trình đơng kết bê tông bảo dƣỡng theo đúng quy định.
3.3.5 Kiểm tra mẫu thử
Tất cả các cấu kiện dầm đều đƣợc tiến hành thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của Trƣờng ĐHSPKT.
Dầm đƣợc đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị đo biến dạng và chuyển vị đƣợc gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.
Dầm bê tơng kích thƣớc 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 3.16. Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 516cho dầm bê tông đá Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 516cho dầm bê tông đá Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 514cho dầm bê tông xỉ
Cốt thép chịu nén sử dụng thép AIII 212. Cốt thép đai chịu cắt 6 a150 mm.
Bố trí Cốt thép dầm bê tơng đá
Bố trí Cốt thép dầm bê tơng xỉ
CHƢƠNG 4
PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ (DIC)
Trong quá trình thực nghiệm tiến hành đúc 3 dầm bê tông cốt thép xỉ và 3 dầm bê tông cốt thép thƣờng, mỗi dầm ta xử lý bề mặt dầm tại vị trí chụp ảnh khác nhau. Một dầm sơn phủ màu trắng, một dầm sơn màu xám và một dầm ta để nguyên màu bê tông chỉ dùng giấy nhám tạo phẳng bề mặt. Kết quả 2 dầm sơn màu trắng và màu xám khi thu thập hình ảnh đƣa vào xử lý bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số cho kết quả không đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài. Dầm còn lại để nguyên màu bê tơng dùng giấy nhám, tạo phẳng khi thu thập hình ảnh chạy phần mềm thì thích hợp với phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số cho ra đƣợc kết quả.
4.1. Xác định độ phân giải
4.1.1. Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 và B22.5
Kết quả biến dạng theo số liệu thực nghiệm và kết quả hình ảnh đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp DIC.
Sau khi thu đƣợc số liệu hình ảnh, chụp bằng máy ảnh Canon EOS 7D chụp trong q trình thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép chiu uốn 3 điểm.Do trong quá trình thu thập hình ảnh khơng đồng bộ nhau về kích thƣớc và dung lƣợng nên, cần phải sử dung phần mền IMAGEJ để xử lý sơ bộ hình ảnh sao cho các hình ảnh có kích thƣớc hình học đồng bộ nhau và đúng vị trí hình ảnh cần xử lý.
Tiến hành chạy NCORR, mã nguồn mở,môi trƣờng Matlab, chọn một hình gốc tại thời điểm khi chƣa gia tải, tiếp theo chọn hình ảnh đối chứng tại các thời điểm gia tải và chọn vùng trong hình ảnh đối diện trùng với vị trí đặt Strain gauge (Vị trí Strain gauge đặt ở chính giữa đầm và cách mép trên của dầm 100mm tƣơng đƣơng với pixels). Phƣơng pháp DIC cho kết quả vùng biến dạng theo từng cấp tải trọng.
(a) (b)
Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=89,94KN: Hình(a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết quả thu đƣợc từ Data Logger
Hình 4.1 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 89,84 KN, Hình 4.1a thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 1046,6 µε. Hình 4.1b thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của