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, cơng 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 vng góc bề mặt bê tơng.
Biểu thức xác định chiều sâu vết nứt mở vng góc bề mặt bê tơng 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 dị 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 vng góc với bề mặt có chiều sâu là 7cm và bề rộng là 2mm. Hai đầu dị siêu âm được bố trí đối xứng qua vết nứt và cách vết nứt 10cm (Hình 2.11). Việc lựa chọn mơ 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 thơng số đặc tính bê tơng 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
H=10cmH=10cm
Đầu phát Đầu thu
Eb=3,96.104MPa, hệ số Poisson ν=0,2, các hệ số cản Rayleigh: α=9448,06rad/s và β=8,22.10-8s/rad.
60cm
Hình 2.11. Mơ 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) (2.40)
Trong đó: A1 là biên độ của sóng (A1=10-4m), ω = 2πf , f là tần số của sóng (f=54kHz), t là thời gian.
2.4.2. Kết quả mơ phỏng
Kết quả mơ 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=55,3µs.
15 c m
77c cm
0.00009 0.00004 -0.00001 -0.00006 -0.00011
Bước thời gian
3.00E-06 2.00E-06 1.00E-06 0.00E+00 -1.00E-06 -2.00E-06
Bước thời gian
Hình 2.12. Hình ảnh lan truyền sóng qua vị trí vết nứt
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 vng góc bề mặt bê tơng được xác định từ mô phỏng số như sau:
C hu yể n vị ( 1 C hu yể n vị ( 1
2 p C t 2 H 2 4520 55,3.106 2 2 0,12 D = = = 0, 075m = 7,5cm 2.5. Kết luận chương 2
Chương trình mơ phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tơng 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 khơng 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 tơng 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 mơ phỏng được sử dụng để xác định chiều sâu vết nứt mở vng góc bề mặt bê tơng 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 tơng (vữa và xi măng) được xem như mơi trường đồng nhất.
Khó khăn trong bài tốn mơ 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 mơ hình tốn học và chương trình mơ phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong trong bê tơng sử dụng vật liệu thay thế, và sử dụng chương trình mơ phỏng để dự đoán chiều sâu vết nứt của bê tơng. 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 tơng.
• Thực nghiệm dự đốn 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 tơng sử dụng vật liệu thay thế.
• Dự đốn chiều sâu vết nứt của bê tơng 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 sơng ngịi 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 tơng 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 mơ tả ở Bảng 3.4.
• Xi măng sử dụng loại PC50 Sơng 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 Giá trị (%) Cốt liệu bé Cát 80% Bột đá 20% Cốt liệu lớn Đá dăm 100% Chất kết dính Xi măng 80% Tro bay 20%
Bảng 3.2. Chỉ tiêu cơ lý của cát
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,246
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,49
3 Độ ẩm % 0,45
4 Mô đun độ lớn mm 2,85
5 Hàm lượng bùn, bụi, sét % 0,42
6 Thành phần hạt Đạt
Bảng 3.3. Chỉ tiêu cơ lý của bột đá
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,909
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,57
3 Độ ẩm % 0,45
4 Mô đun độ lớn mm 2,92
5 Hàm lượng bùn, bụi, sét % 0,37
Bảng 3.4. Chỉ tiêu cơ lý của đá
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,794
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,33 3 Độ ẩm % 0,45 4 Hàm lượng hạt thoi dẹt % 7,2 5 Hàm lượng bùn, bụi, sét % 0,3 6 Độ hao mòn khi va đập % 10,88 7 Thành phần hạt Đạt
Bảng 3.5. Chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC50 Sông Gianh
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Yêu cầu Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng xi măng g/cm3 3,14
2 Độ mịn (Lượng sót tích lũy trên sàng 0.09mm) ≤ 10 % 4,1
3 Lượng nước tiêu chuẩn % 27,5
4 Thời gian đông kết Bắt đầu ≥ 45 Phút 63
Kết thúc ≤ 420 Phút 325
5 Độ ổn định thể tích ≤ 10 mm 6,5
6 Cường độ chịu nén 3 ngày ≥ 18 N/mm2 34,2
28 ngày ≥ 40 N/mm2 53,8
Bảng 3.6. Chỉ tiêu cơ lý của tro bay
TT Chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm Yêu cầu Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,284
2 Tổng các Oxít: SiO2+Al2O3+Fe2O3 ≥ 70 % 82
3 Hàm lượng SO3 ≤ 5 % 0,21
4 Khối lượng trên sàng 45µm ≤ 40 % 29,7
5 Lượng nước yêu cầu ≤ 100 % 96,5
Chất kết dính
Độ ẩm Cốt liệu bé
Nước Cốt liệu lớn
Phụ gia
Cường độ chịu nén bê tông (B10-B45)
7 ngày 28 ngày
Tuổi bê tông
14 ngày Bằng máy
Phương pháp chế tạo bê tông
Nhiệt độ
Cấp phối Điều kiện dưỡng hộ
Mẫu khối vng
Mẫu hình trụ Thủ cơng
Mẫu thí nghiệm
3.2. Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tơng3.2.1. 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 tơng 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).
Hình 3.2. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tơng
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 mơ hình để đánh giá ảnh hưởng đến cường độ chịu nén thì bài tốn 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, cịn các yếu tố khác được xem như không thay đổi.
3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm
3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
Đối với các loại bê tơng 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 phối mới, đặc biệt với các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông sẽ tăng lên, nên việc lựa chọn và thiết kế quy trình thực nghiệm là rất quan trọng. Quy trình bao gồm thiết kế cấp phối, lựa chọn mẫu thí nghiệm, chế tạo và dưỡng hộ mẫu, và xác định các dữ liệu thực nghiệm.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, tuy nhiên mục tiêu của Luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu, đặc biệt là vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu nén. Do vậy, Luận án chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối đến cường độ chịu nén bê tông, các điều kiện khác được giả thiết thực hiện theo các điều kiện thường gặp như: mẫu thử là mẫu hình khối vng cạnh 15cm, tuổi bê tơng chịu nén ở tuổi 28 ngày, điều kiện dưỡng hộ và chế tạo được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Kết cấu cơng trình, trường Đại học Bách khoa.
Trong các yếu tố cấp phối, phụ gia chế tạo bê tơng có rất nhiều loại, do vậy để khơng bị nhiễu kết quả, Luận án không xét đến phụ gia trong nghiên cứu. Từ đó, các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén bê tông sẽ được đưa vào nghiên cứu gồm có cát, bột đá, đá dăm, xi măng, tro bay và nước.
Dựa trên chỉ dẫn của Bộ xây dựng [8] về lựa chọn cấp phối, để chế tạo bê tông đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45, các thành phần vật liệu cơ sở để chế tạo bê tông được thể hiện trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thành phần vật liệu cơ sở
Vật liệu Đơn vị Khoảng biến thiên
Cốt liệu bé Cát (80%) kg 512-755,2 Bột đá (20%) kg 128-188,8 Tổng kg 640-944 Cốt liệu lớn (đá dăm) kg 1100-1200 Chất kết dính Xi măng (80%) kg 172,8-420 Tro bay (20%) kg 43,2-105 Tổng kg 216-525 Nước lít 190-230
Bảng 3.7 cho thấy, chất kết dính có khoảng biến thiên (so với hàm lượng tối đa của vật liệu này) là lớn nhất: 58,9%, tiếp theo cốt liệu bé: 32,2%, nước: 17,4% và cốt liệu lớn biến thiên ít nhất: 8,3%. Điều này cũng cho thấy cường độ chịu nén chịu
Bước 1 Bước 2 Bước 3 Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ mẫu
Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thí nghiệm
ảnh hưởng nhiều nhất của chất kết dính, tiếp theo đến cốt liệu bé, nước và cốt liệu lớn ảnh hưởng ít nhất.
Để xác định số lượng mẫu cần phải thực hiện, nghiên cứu sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm. Do chất kết dính biến thiên nhiều nhất, nên số mức thay đổi được chọn là 4 mức; với nước và cốt liệu bé, số mức thay đổi là 3 mức; cốt liệu lớn ít biến đổi nên số mức thay đổi được chọn là 2 mức (Bảng 3.8).
Bảng 3.8. Vật liệu thành phần và các mức thay đổi hàm lượng của vật liệu
Ký hiệu Vật liệu Mức thay đổi Số mức
1 2 3 4
A Cốt liệu bé (kg) 640 792 944 3
B Cốt liệu lớn (kg) 1100 1200 2
C Chất kết dính (kg) 216 319 422 525 4
D Nước (lít) 190 210 230 3
Số lượng cấp phối thí nghiệm được xác định theo phương pháp thiết kế thực nghiệm đa yếu tố (full factorial) như sau:
� ố �ấ� �ℎố� = 21 × 32 × 41 = 72 (3.1) Từ q trình phân tích như trên, một quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông được xây dựng gồm các bước như sau (Hình 3.3).