Luận án Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VƯƠNG LÊ THẮNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ VẾT NỨT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY VÀ BỘT ĐÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2021
2. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VƯƠNG LÊ THẮNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ VẾT NỨT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRO BAY VÀ BỘT ĐÁ Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT Người hướng dẫn khoa học 1. PGS. TS LÊ CUNG 2. TS. NGUYỄN ĐÌNH SƠN ĐÀ NẴNG - 2021
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các biểu thức và số liệu trong Luận án được tính toán chính xác, trung thực và các nhận xét là khách quan. Tác giả NCS. Vương Lê Thắng
4. ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viên hướng dẫn, quý Thầy đã hướng dẫn khoa học cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án tiến sĩ. Đặc biệt là PGS.TS. Lê Cung và TS. Nguyễn Đình Sơn, đã rất tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nghiên cứu. Những chỉ dẫn khoa học của quý Thầy không chỉ giúp đỡ cho tôi hoàn thành các nội dung nghiên cứu mà còn giúp tôi từng bước hoàn thiện tư duy khoa học. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí Giao thông, Khoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp. Tôi cũng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các tác giả trong danh mục tài liệu tham khảo, các nhà khoa học trong và ngoài lĩnh vực nghiên cứu, các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành Luận án này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và đặc biệt là gia đình, người thân, đã luôn luôn gắn bó và kịp thời động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn.
5. iii GIỚI THIỆU Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm nhằm dự đoán chất lượng và khuyết tật bê tông là lĩnh vực nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Hằng năm, có nhiều công trình nghiên cứu và bài báo khoa học được đăng trên các tạp chí uy tín của thế giới. Các hướng nghiên cứu thường gặp như sau: Nghiên cứu mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông, nghiên cứu dự đoán cường độ chịu nén bê tông dựa trên vận tốc xung siêu âm (Ultrasonic Pulse Velocity), và nghiên cứu dự đoán chiều sâu vết nứt bằng phương pháp siêu âm. Ở trong nước, các nghiên cứu về ứng dụng sóng siêu âm nhằm dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông là không nhiều. Các nghiên cứu chủ yếu là sử dụng các biểu thức trong TCVN 9357:2012 về đánh giá chất lượng bê tông bằng vận tốc xung siêu âm để xây dựng mối quan hệ giữa cường độ chịu nén bê tông với vận tốc xung siêu âm và đo đạc chiều sâu vết nứt mở trên bê tông bằng phương pháp siêu âm. Gần đây, một số nghiên cứu trong nước bắt đầu sử dụng mạng ANN để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Tại miền Trung Việt Nam, các công trình bê tông thường yêu cầu cấp độ bền chịu nén bê tông từ B15 đến B40 (tương ứng mác 200 đến mác 500). Các vật liệu thường được dùng để chế tạo bê tông với yêu cầu cấp độ bền chịu nén như trên bao gồm: cát, đá dăm, bột đá, xi măng Portland, tro bay và nước. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào tiến hành dự đoán cường độ chịu nén cho đối tượng bê tông này, gây khó khăn và tốn nhiều công sức cho các kỹ sư xây dựng trong việc thiết kế cấp phối và đánh giá cường độ nén bê tông sau khi thi công. Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một mô hình dự đoán cường độ chịu nén bê tông đạt yêu cầu và sử dụng các vật liệu như trên dựa vào các đặc tính sóng siêu âm. Ngoài ra, các công trình bê tông dưới nhiều tác động như tải trọng và môi trường, sẽ thường xuyên xuất hiện các vết nứt. Tùy theo kích thước các vết nứt, chúng sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và điều kiện sử dụng của công trình. Từ đó, cần thiết phải xây dựng phương pháp để dự đoán chính xác kích thước các vết nứt này bằng phương pháp siêu âm. Những vấn đề cấp bách trên, tác giả sẽ giải quyết trong Luận án này. Để thực hiện được nội dung nghiên cứu, bố cục các phần của Luận án như sau:
6. iv • Mở đầu • Chương 1: Tổng quan nghiên cứu • Chương 2: Mô phỏng quá trình lan truyền sóng siêu âm và dự đoán chiều sâu vết nứt trong bê tông • Chương 3: Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén, hệ số cản Rayleigh và chiều sâu vết nứt của bê tông • Kết luận và hướng nghiên cứu cần phát triển Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Cung và TS. Nguyễn Đình Sơn, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.
7. v MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii GIỚI THIỆU iii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xii MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 8 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về mô phỏng lan truyền sóng siêu âm trong bê tông 8 1.1.1. Phương pháp sai phân hữu hạn 8 1.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn 11 1.1.3. Nhận xét 14 1.2. Tổng quan nghiên cứu dự đoán cường độ chịu nén bê tông dựa trên phương pháp siêu âm 15 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước 16 1.2.1.1. Mô hình hồi quy một biến 16 1.2.1.2. Mô hình hồi quy đa biến 18 1.2.1.3. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo 20 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước 22 1.2.3. Nhận xét 26 1.3. Tổng quan nghiên cứu về dự đoán kích thước vết nứt trong bê tông bằng phương pháp siêu âm 26 1.3.1. Phương pháp tác động tiếng vang (Impact-Echo Method) 27 1.3.2. Phương pháp lan truyền sóng bề mặt (Surface Wave Transmission Method) 28
8. vi 1.3.3. Phương pháp siêu âm khuếch tán (Diffusion method) 29 1.3.4. Phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền (Time of Flight Diffraction Method) 31 1.3.5. Nhận xét 34 1.4. Kết luận nghiên cứu tổng quan 35 Chương 2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM VÀ DỰ ĐOÁN CHIỀU SÂU VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG 37 2.1. Phương trình mô tả sự lan truyền sóng 37 2.2. Mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 39 2.2.1. Xác định các ma trận đặc trưng của phương pháp phần tử hữu hạn 40 2.2.1.1. Ma trận độ cứng và khối lượng 42 2.2.1.2. Ma trận cản 42 2.2.2. Giải phương trình bằng phương pháp tích phân số Newmark 43 2.2.3. Thuật toán giải phương trình chuyển động 45 2.3. Kết quả mô phỏng số lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu bê tông 48 2.3.1. Mẫu khảo sát 48 2.3.2. Hình ảnh lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu 50 2.3.3. Phân tích chuyển vị tại các điểm nhận sóng 51 2.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua thực nghiệm 52 2.4. Mô phỏng xác định chiều sâu vết nứt bê tông 55 2.4.1. Mẫu khảo sát 55 2.4.2. Kết quả mô phỏng 56 2.5. Kết luận chương 2 58 Chương 3 THỰC NGHIỆM DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, HỆ SỐ CẢN RAYLEIGH VÀ CHIỀU SÂU VẾT NỨT CỦA BÊ TÔNG 59 3.1. Vật liệu thí nghiệm 59 3.2. Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông 63 3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén 63
9. vii 3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm 63 3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm 63 3.2.2.2. Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thực nghiệm 66 3.2.2.3. Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ 66 3.2.2.4. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm 67 a. Đo vận tốc xung siêu âm UPV 67 b. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm 67 c. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông 68 d. Xác định mô-đun đàn hồi của các mẫu bê tông 68 e. Xác định cường độ chịu nén của các mẫu bê tông 69 3.2.3. Xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông 69 3.2.3.1. Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến 70 a. Kết quả mô hình dự đoán 70 b. Đánh giá mô hình dự đoán 72 c. Dự đoán cấp phối chế tạo bê tông 73 3.2.3.2. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo 75 a. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo 75 b. Phân tích kết quả các mô hình 76 3.2.3.3. So sánh các mô hình dự đoán cường độ chịu nén 80 3.3. Hệ số cản Rayleigh của bê tông 81 3.3.1. Phương pháp và quy trình thực nghiệm xác định hệ số cản Rayleigh 81 3.3.1.1. Phát và nhận xung qua mẫu bê tông, xác định hệ số kw 84 3.3.1.2. Lưu đồ thuật toán xác định hệ số kR 85 3.3.1.3. Xác định các hệ số cản Rayleigh 86 3.3.2. Xây dựng mô hình dự đoán hệ số cản Rayleigh của bê tông 88 3.4. Thực nghiệm dự đoán chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông .90 3.4.1. Xác định quy trình thực nghiệm 91 3.4.1.1. Chế tạo mẫu 91
10. viii 3.4.1.2. Xác định vận tốc lan truyền xung siêu âm 92 3.4.1.3. Xác định thời gian lan truyền xung 92 3.4.1.4. Kết quả thực nghiệm 93 3.4.2. Đánh giá kết quả dự đoán chiều sâu vết nứt bằng thực nghiệm và mô phỏng .93 3.5. Kết luận chương 3 93 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CẦN PHÁT TRIỂN 95 Các kết quả Luận án đạt được: 95 Hướng nghiên cứu cần phát triển: 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97
11. ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải thích ý nghĩa x, y, z Tọa độ Descartes vuông góc 2 R (fc, f’c) daN/cm (MPa) Cường độ chịu nén của bê tông t s Thời gian vx m/s Vận tốc theo phương x vy m/s Vận tốc theo phương y ux m Chuyển vị theo phương x uy m Chuyển vị theo phương y σ N/m2 Ứng suất E N/m2 Mô-đun đàn hồi của vật liệu  Hệ số Poisson λ Hệ số Lamé μ Hệ số Lamé ρ kg/m3 Khối lượng riêng của vật liệu Δx m Kích thước lưới theo phương x Δy m Kích thước lưới theo phương y ΔL m Kích thước phần tử nhỏ nhất Δt s Bước thời gian Δtcr s Bước thời gian tới hạn cp m/s Vận tốc lan truyền sóng dọc cmin m/s Vận tốc lan truyền sóng nhỏ nhất λmin m Bước sóng nhỏ nhất
12. x f Hz Tần số sóng siêu âm Me kg Ma trận khối lượng của phần tử M kg Ma trận khối lượng tổng thể 3 Ke N/m Ma trận độ cứng phần tử K N/m3 Ma trận độ cứng tổng thể Nn, Nm Hàm dạng của chuyển vị đứng rad/s Hệ số cản khối lượng Rayleigh β s/rad Hệ số cản độ cứng Rayleigh C Ma trận cản tổng thể F N Lực khối Vec tơ chuyển vị nút của cả hệ trong tọa độ tổng Q thể te m Chiều dày phần tử 2 Ae m Diện tích phần tử εij, εmn Ten xơ biến dạng bé σij Ten xơ ứng suất B Ma trận quan hệ biến dạng-chuyển vị nút Ma trận các hằng số đàn hồi; Ma trận ứng suất- D biến dạng βN, γN Các tham số Newmark
13. xi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Ưu và nhược điểm của các phương pháp số 15 Bảng 3.1 Lựa chọn vật liệu thí nghiệm 61 Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý của cát 61 Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của bột đá 61 Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của đá 62 Bảng 3.5 Chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC50 Sông Gianh 62 Bảng 3.6 Chỉ tiêu cơ lý của tro bay 62 Bảng 3.7 Thành phần vật liệu cơ sở 64 Vật liệu thành phần và các mức thay đổi hàm lượng của Bảng 3.8 65 vật liệu Bảng 3.9 Thành phần vật liệu 72 cấp phối bê tông 66 Bảng 3.10 Các tham số đánh giá mô hình hồi quy tuyến tính đa biến 73 Cấp phối tối ưu để cường độ chịu nén bê tông đạt 300 Bảng 3.11 74 daN/cm2 Hệ số bội R2 của mạng ANN với cấu trúc lớp ẩn khác Bảng 3.12 75 nhau Dự đoán cường độ chịu nén bê tông theo mô hình 3 bằng Bảng 3.13 80 ANN Bảng 3.14 Các tham số đánh giá mô hình 1, 2 và 3 81 Bảng 3.15 Xác định hệ số cản Rayleigh bê tông bằng ANN 90 Kết quả xác định chiều sâu vết nứt bằng mô phỏng và Bảng 3.16 93 thực nghiệm
14. xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng – Hà Tĩnh và Mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng 1 Hình 1.1. Sơ đồ không gian hai chiều rời rạc theo phương pháp SPHH [83] 9 Hình 1.2. a) Cấu trúc mẫu bê tông, b) Chuyển vị các phần tử tại thời điểm 30s và 50s [64] 10 Hình 1.3. a) Sơ đồ phân chia đường biên tại vị trí vết nứt, b) Sơ đồ rời rạc ứng suất (σ) và vận tốc (v) tại đường biên vết nứt [47] 11 Hình 1.4. Lan truyền sóng siêu âm trong mẫu bê tông [57] 12 Hình 1.5. a) Sơ đồ thiết lập thí nghiệm, b) Kết quả biên độ sóng siêu âm qua mẫu từ mô phỏng số (sử dụng các hệ số Rayleigh) và thực nghiệm [70] 13 Hình 1.6. Thiết lập kết nối thiết bị để xác định các hệ số cản Rayleigh [81] 13 Hình 1.7. a) Đo UPV qua mẫu bê tông, b) Quan hệ cường độ chịu nén của bê tông nhẹ và UPV tại tuổi 3 ngày đến tuổi 90 ngày [26] 17 Hình 1.8. Quan hệ cường độ chịu nén bê tông – vận tốc xung siêu âm (fc-UPV) trong hai trường hợp cốt liệu khác nhau (Arlita và Leca) [26] 17 Hình 1.9. Dự đoán cường độ chịu nén bê tông sử dụng phế phẩm thủy tinh [86] 19 Hình 1.10. Cốt liệu tái chế sử dụng từ phế phẩm gạch làm từ đất sét [41] 20 Hình 1.11. Dự đoán cường độ chịu nén bê tông sử dụng phế phẩm gạch [41] 20 Hình 1.12. Cấu trúc mạng ANN [73] 21 Hình 1.13. Cấu trúc mạng ANN [24] 22 Hình 1.14. Biểu đồ tương quan vận tốc truyền sóng siêu âm-trị số súng bật nảy của 03 mác bê tông có cường độ chịu nén 45MPa, 50MPa và 55MPa [4]. 23 Hình 1.15. Kết quả dự đoán của mô hình [6] 24 Hình 1.16. Cấu trúc mạng ANN [30] 25 Hình 1.17. Sơ đồ phép đo của phương pháp Impact-echo [28] 27 Hình 1.18. a) Sơ đồ phép đo, b) Quan hệ tín hiệu lan truyền dBC và chiều sâu vết nứt [68] 28
15. xiii Hình 1.19. Sơ đồ thí nghiệm để dự đoán chiều sâu vết nứt bằng phương pháp siêu âm khuếch tán [71] 30 Hình 1.20. Quan hệ giữa thời gian trễ (Lag time) với chiều sâu vết nứt (Crack depth) trong bản bê tông [71] 30 Hình 1.21. Sơ đồ bố trí phép đo và đặc điểm lan truyền của các sóng qua vết nứt [21] 31 Hình 1.22. Sơ đồ mô phỏng số xác định chiều sâu vết nứt mở bê tông [55] 33 Hình 1.23. Chuyển vị tại điểm nhận sóng và kết quả xác định chiều sâu vết nứt từ mô phỏng số [55] 34 Hình 2.1. Giá trị ΔL cho các trường hợp: a) phần tử hình chữ nhật, b) phần tử hình tam giác, c) phần tử tam giác bậc 2. 44 Hình 2.2. Lưu đồ thuật toán giải phương trình chuyển động 47 Hình 2.3. Hình dạng các mẫu khảo sát 49 Hình 2.4. Lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu 50 Hình 2.5. Giá trị chuyển vị tại điểm 1, 2 và 3 của mẫu 1 51 Hình 2.6. Giá trị chuyển vị tại điểm 2 và điểm 3 của 4 mẫu khảo sát 52 Hình 2.7. Thiết bị để thu nhận tín hiệu sóng 53 Hình 2.8. Kết nối thiết bị để thu nhận tín hiệu sóng 53 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 54 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 nghiệm 54 Hình 2.11. Mô hình khảo sát xác định chiều sâu vết nứt 56 Hình 2.12. Hình ảnh lan truyền sóng qua vị trí vết nứt 57 Hình 2.13. Giá trị chuyển vị tại vị trí phát và nhận sóng 57 Hình 3.1. Vật liệu dùng trong thí nghiệm 60 Hình 3.2. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông 63 Hình 3.3. Quy trình xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm 65 Hình 3.4. Chế tạo và dưỡng hộ mẫu bê tông 67
16. xiv Hình 3.5. Đo vận tốc xung siêu âm UPV 67 Hình 3.6. Xác định biên độ của nguồn phát sóng 68 Hình 3.7. Xác định biên độ sóng qua mẫu thuộc cấp phối 5 68 Hình 3.8. Nén mẫu xác định cường độ chịu nén bê tông 69 Hình 3.9. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 1) 71 Hình 3.10. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 2) 71 Hình 3.11. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén bê tông (Mô hình 3) 72 Hình 3.12. Biểu đồ hình bao (contour plot) dự đoán cấp phối bê tông 74 Hình 3.13. Cấp phối tối ưu để cường độ chịu nén bê tông đạt 300daN/cm2 74 Hình 3.14. Cấu trúc mạng ANN 76 Hình 3.15. Quá trình huấn luyện mạng ANN của mô hình 1 76 Hình 3.16. Quá trình huấn luyện mạng ANN của mô hình 2 77 Hình 3.17. Quá trình huấn luyện mạng ANN của mô hình 3 77 Hình 3.18. Kết quả dự đoán cường độ chịu nén mô hình 1 bằng mạng ANN 78 Hình 3.19. Kết quả dự đoán cường độ chịu nén mô hình 2 bằng mạng ANN 78 Hình 3.20. Kết quả dự đoán cường độ chịu nén mô hình 3 bằng mạng ANN 79 Hình 3.21. Các tham số đánh giá mô hình hồi quy và mô hình ANN 81 Hình 3.22. Sơ đồ phát-thu xung siêu âm [81] 82 Hình 3.23. Quy trình xác định hệ số cản Rayleigh 84 Hình 3.24. Mô hình xác định hệ số cản Rayleigh 85 Hình 3.25. Lưu đồ thuật toán xác định hệ số kR 86 Hình 3.26. Hệ số suy giảm kw, số gia ΔkR, hệ số cản và β trong các vòng lặp 87 Hình 3.27. Cấu trúc mạng ANN để dự đoán hệ số cản Rayleigh và β 88 Hình 3.28. Quá trình huấn luyện mạng ANN dự đoán hệ số cản Rayleigh 89 Hình 3.29. Kết quả dự đoán hệ số cản Rayleigh bằng mạng ANN 89 Hình 3.30. Quy trình xác định chiều sâu vết nứt bằng thực nghiệm 91 Hình 3.31. Khuôn và chế tạo mẫu xác định chiều sâu vết nứt 92
17. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông là vật liệu được sử dụng phổ biến tại các công trình xây dựng ở Việt Nam, vì vậy chất lượng của bê tông cần thiết phải được quan tâm để công trình đảm bảo khả năng chịu lực. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4453:1995 về Kết cấu bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu, chất lượng bê tông được thể hiện qua nhiều thông số như: cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, độ chống thấm và chống mài mòn, độ sụt, Trong đó, cường độ chịu nén là thông số quan trọng nhất và thường xuyên được kiểm tra trong các công trình. Vật liệu truyền thống để chế tạo bê tông là cát, đá dăm, xi măng Portland và nước. Hiện nay 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. Tại miền Trung, theo báo cáo của Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng - Hà Tĩnh, mỗi năm nhà máy phát sinh khoảng 1 triệu tấn tro và xỉ, và tại các mỏ đá có một lượng lớn là phế phẩm bột đá từ việc khai thác đá (Hình 1). Hai vật liệu này có khả năng thay thế một phần cho vật liệu chế tạo bê tông và sự thay thế này sẽ ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, một thông số chính của chất lượng bê tông. Hình 1. Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng – Hà Tĩnh và Mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng
18. 2 Hiện nay, có hai phương pháp nghiên cứu cường độ chịu nén bê tông là phương pháp kiểm tra phá hủy và phương pháp kiểm tra không phá hủy. Ưu điểm của phương pháp kiểm tra phá hủy là cho kết quả trực tiếp, tuy nhiên sẽ làm phá hủy mẫu thử. Trong khi đó, phương pháp kiểm tra không phá hủy vẫn dự đoán được cường độ chịu nén nhưng không gây ảnh hưởng đến mẫu thử. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều chỉ xác định được cường độ chịu nén khi bê tông đã thành phẩm, không thể dự đoán trước tỉ lệ vật liệu thay thế như thế nào để đảm bảo cường độ chịu nén bê tông. Có một số nghiên cứu với các vật liệu mới sử dụng các mô hình hồi quy (tuyến tính, phi tuyến, đơn biến, đa biến) [24, 38, 39, 41, 43, 46, 85, 86] và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) [29, 34, 44, 56, 63, 77, 90] để dự đoán cường độ chịu nén bê tông theo các tham số đầu vào của mô hình. Trong nước, một số nghiên cứu gần đây đã sử dụng mạng ANN để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông nhưng chưa có công bố nào dự đoán cường độ chịu nén khi sử dụng các vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá [1, 2, 30, 59, 60]. Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén cho bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm này là một vấn đề cần thiết. Trong quá trình sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá, bên cạnh cường độ chịu nén, các vết nứt trong bê tông cũng là vấn đề cần được nghiên cứu. Một vấn đề đặt ra, làm thế nào để xác định được kích thước các vết nứt, mà quan trọng nhất là chiều sâu vết nứt trong bê tông, đặc biệt với bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm nêu trên. Hiện nay, có một số nghiên cứu sử dụng phương pháp siêu âm để xác định chiều sâu các vết nứt như: phương pháp tác động tiếng vang (Impact- Echo Method) [27, 28, 37], phương pháp xác định thời gian của sự lan truyền nhiễu xạ (Time of Flight Diffraction Method-TOFD) [13, 74], phương pháp lan truyền sóng bề mặt (Surface Wave Transmission Method) [51, 68] và phương pháp siêu âm khuếch tán (Diffusion Method) [71, 76]. Vì vậy, để nghiên cứu vết nứt, đặc biệt là chiều sâu vết nứt trong bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm nói trên, cần phải nghiên cứu sự lan truyền sóng, mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong bê tông, để từ đó nghiên cứu đặc tính lan truyền của sóng siêu âm trong bê tông có vết nứt, hình thành nên các phương pháp thực nghiệm xác định chiều sâu vết nứt.
19. 3 Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt bê tông sử dụng các vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá tại miền Trung là vấn đề rất cấp thiết và có tính ứng dụng cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu • Xây dựng chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông sử dụng tro bay và bột đá, có xét đến sự suy giảm biên độ sóng siêu âm ứng với các cấp phối khác nhau, từ đó nghiên cứu đặc tính lan truyền của sóng siêu âm trong bê tông khi có và không có các khuyết tật (vết nứt, lỗ trống ). • Xây dựng mô hình hồi quy và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng tro bay và bột đá, đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45, dựa trên vận tốc xung siêu âm, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm và cấp phối bê tông. • Lựa chọn phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt mở trong bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá, mô phỏng số và thực nghiệm dự đoán chiều sâu vết nứt mở trong bê tông. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: o Cường độ chịu nén của bê tông. o Hệ số cản Rayleigh của bê tông. o Chiều sâu vết nứt trong bê tông. • Phạm vi nghiên cứu: o Vật liệu chế tạo bê tông là các vật liệu tại miền Trung Việt Nam: cát, đá dăm, xi măng Portland, bột đá (thay thế 20% cát), tro bay (thay thế 20% xi măng) và nước. o Trong bài toán mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm, giả thiết bê tông là vật liệu đàn đồi, đồng nhất và đẳng hướng, và chỉ tập trung nghiên cứu mô hình lan truyền hai chiều 2D. o Vết nứt mở vuông góc với bề mặt bê tông.
20. 4 4. Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu lý thuyết: o Nghiên cứu mô hình toán học quá trình lan truyền sóng trong bê tông và phương pháp giải phương trình truyền sóng. o Nghiên cứu mô hình giảm chấn Rayleigh để xác định sự suy giảm sóng siêu âm khi qua bê tông. o Xây dựng chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông sử dụng tro bay và bột đá, bằng phần mềm Matlab R2019, có xét đến sự suy giảm biên độ sóng khi lan truyền qua bê tông ứng với các cấp phối khác nhau. o Nghiên cứu các mô hình dự đoán cường độ chịu nén bê tông dựa trên vận tốc xung siêu âm, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm và cấp phối bê tông. o Nghiên cứu phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông thông qua việc xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền sóng siêu âm. o Mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm, nhằm xác định các đặc tính lan truyền của sóng siêu âm trong bê tông có và không có khuyết tật (vết nứt, lỗ trống ), đồng thời nhằm kiểm chứng phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá. • Nghiên cứu thực nghiệm: o Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm trên mẫu bê tông hình khối vuông cạnh 15cm: Đặc tính cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông, cấp phối bê tông (72 cấp phối), khối lượng riêng bê tông, mô-đun đàn hồi bê tông, vận tốc xung siêu âm tại tuổi 28 ngày, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm và cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày. o Xây dựng mô hình đa biến để dự đoán cường độ chịu nén bê tông theo hai phương pháp hồi quy tuyến tính và mạng nơ-ron nhân tạo.
21. 5 o Xây dựng mô hình thực nghiệm để xác định các hệ số cản Rayleigh của bê tông (ứng với 72 cấp phối) khi sóng siêu âm có tần số 54kHz lan truyền qua mẫu bê tông hình khối vuông cạnh 15cm. o Xây dựng mô hình thực nghiệm xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá, bằng phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền sóng siêu âm, từ đó kiểm chứng kết quả mô phỏng số và phương pháp xác định chiều sâu vết nứt. 5. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để thực hiện các các mục tiêu đã đặt ra của Luận án. 6. Những đóng góp mới của Luận án • Xây dựng chương trình mô phỏng sự lan truyền của sóng siêu âm trong vật liệu bê tông cho bài toán hai chiều, trong đó có xét đến ma trận cản sử dụng mô hình giảm chấn Rayleigh thông qua các hệ số cản Rayleigh và β của bê tông được xác định từ thực nghiệm. • Xây dựng được bộ dữ liệu thực nghiệm dựa trên 72 cấp phối bê tông, trong đó có sử dụng vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá để thay thế một phần cho xi măng và cát. Cường độ chịu nén của các mẫu ở 28 ngày tuổi đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45. Bộ dữ liệu này bao gồm các thông tin về cấp phối bê tông, vận tốc xung siêu âm ở tuổi 28 ngày, khối lượng riêng, mô-đun đàn hồi của bê tông, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm tại 28 ngày tuổi và cường độ chịu nén bê tông tại 28 ngày tuổi. • Thiết lập mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và mạng nơ-ron nhân tạo dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm. Mô hình này có thể giúp cho nhà sản xuất bê tông xác định được khoảng cấp phối phù hợp để đảm bảo cường độ chịu nén theo thiết kế. • Xác định được các hệ số cản Rayleigh cho 72 cấp phối sử dụng vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá. Xây dựng mô hình dự đoán hệ số cản Rayleigh
22. 6 α và β của bê tông với cấp phối bất kỳ thông qua mạng nơ-ron nhân tạo dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm. 7. Cấu trúc Luận án Nội dung Luận án với 107 trang, 17 bảng biểu, 68 hình vẽ và 8 phụ lục với cấu trúc cụ thể như sau: • Mở đầu Trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng, phạm vi, nội dung, phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của Luận án. • Chương 1: Tổng quan nghiên cứu o Tổng quan về sóng âm, phương trình lan truyền sóng âm và phương pháp giải phương trình lan truyền trong vật liệu bê tông. o Tổng quan về mô hình giảm chấn Rayleigh để xác định sự suy giảm sóng siêu âm khi qua bê tông. o Tổng quan về các mô hình dự đoán cường độ chịu nén bê tông dựa trên các đặc tính sóng siêu âm và các thông số khác. o Tổng quan về các phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt trong bê tông bằng phương pháp siêu âm. • Chương 2: Mô phỏng quá trình lan truyền sóng siêu âm và dự đoán chiều sâu vết nứt trong bê tông o Mô hình hóa quá trình lan truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi. Trên cơ sở đó, xây dựng chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng hai chiều trong bê tông sử dụng phần mềm Matlab. o Thực hiện các mô phỏng số để đánh giá đặc điểm lan truyền sóng siêu âm trong bê tông và sử dụng chương trình mô phỏng đã xây dựng để dự đoán chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông. • Chương 3: Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén, hệ số cản Rayleigh và chiều sâu vết nứt của bê tông o Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm cho bê tông đáp ứng cấp độ bền chịu nén B10 đến B45, sử dụng các vật liệu tại miền Trung. Bộ dữ liệu thực
23. 7 nghiệm bao gồm cấp phối, vận tốc xung siêu âm tuổi 28 ngày, khối lượng riêng và mô-đun đàn hồi của bê tông, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm và cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày. o Dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm, thiết lập mô hình hồi quy và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo để dự đoán cường độ chịu nén bê tông ở tuổi 28 ngày, xác định các hệ số cản Rayleigh của bê tông phục vụ cho bài toán mô phỏng. o Xây dựng thực nghiệm xác định chiều sâu vết nứt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá, bằng phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền, từ đó kiểm chứng kết quả mô phỏng số và phương pháp xác định chiều sâu vết nứt. • Kết luận – Hướng nghiên cứu cần phát triển Trình bày những kết quả nghiên cứu và hướng nghiên cứu cần phát triển của đề tài. • Tài liệu tham khảo • Phụ lục o Trình bày cơ sở lý thuyết của sự lan truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi, phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng giải bài toán lan truyền sóng, khái niệm mô hình hồi quy và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo. o Chương trình Matlab xác định chuyển vị tại vị trí bất kỳ trong mẫu theo thời gian khi sóng siêu âm lan truyền trong bê tông. o Bảng giá trị các kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán trong Luận án. o Ảnh hưởng của vật liệu đến vận tốc xung siêu âm UPV, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm A2/A1, và hệ số cản Rayleigh. o Danh mục các công trình khoa học đã công bố.
24. 8 Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Để xác định cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông, phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng sóng siêu âm là một trong các phương pháp có ưu điểm vượt trội. Vì vậy, chúng ta cần nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm trong việc dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông. Chương 1 sẽ thực hiện phân tích và tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới và trong nước hiện nay liên quan đến các vấn đề: • Mô hình hóa và mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong bê tông. • Các mô hình dự đoán cường độ chịu nén bê tông. • Dự đoán chiều sâu vết nứt trong bê tông bằng phương pháp siêu âm. 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về mô phỏng lan truyền sóng siêu âm trong bê tông Sóng siêu âm là sự lan truyền của các dao động cơ học của các phần tử môi trường vật chất và được sử dụng rất nhiều trong việc nghiên cứu cường độ chịu nén và khuyết tật bê tông. Để thực hiện được các nghiên cứu nêu trên, chúng ta cần thiết phải xây dựng mô hình toán học để mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong vật liệu bê tông. Hiện nay, trên thế giới có nhiều nghiên cứu về lan truyền sóng và các nghiên cứu chủ yếu sử dụng hai phương pháp để mô phỏng là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn. 1.1.1. Phương pháp sai phân hữu hạn Jean Virieux đã lần đầu tiên đề xuất dùng phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) để mô phỏng hai chiều sự lan truyền của sóng ngang và sóng dọc đi qua vật liệu đồng nhất [84, 83]. Để thực hiện mô phỏng, nghiên cứu áp dụng sơ đồ rời rạc hai thành phần (vận tốc và ứng suất) như Hình 1.1 và dùng phương pháp SPHH để rời rạc phương trình mô tả định luật Hooke (1.3) và phương trình chuyển động (1.2). Nội
25. 9 dung lý thuyết lan truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi được trình bày chi tiết ở Phụ lục 1. x vx vy y σxx(yy) σxy Hình 1.1. Sơ đồ không gian hai chiều rời rạc theo phương pháp SPHH [83] Tại thời điểm t đang xét, xét thể tích V giới hạn bởi mặt S của môi trường đang chuyển động. Trong toàn thể tích, trường vận tốc là v, chịu tác dụng của lực khối là K, còn trên biên S tại mỗi phần tử chịu tác dụng của vec tơ ứng suất Tn. Phương trình chuyển động của một phần tử trong môi trường được viết như sau [3]: Tv i +=ρρK (1.1) xti Với Ti là ba thành phần của vec tơ ứng suất Tn trên ba tiết diện trực giao của phần tử đang xét. Chiếu phương trình (1.1) lên ba trục tọa độ, ta có: σvijj +=ρKρj (1.2) xti Định luật Hooke tổng quát cho môi trường đàn hồi và đẳng hướng, cho mối liên hệ giữa các thành phần của ten xơ ứng suất (σij) và ten xơ biến dạng (ɛmn), được viết như sau [3]: σCεijijmnmn= (1.3) Trong đó Cijmn có tính chất đối xứng như sau: Cijmn= Cjimn= Cijnm= Cjinm. Dựa trên cơ sở của phương pháp SPHH, một số kỹ thuật khác được các nhóm nghiên cứu đề xuất như Kỹ thuật tích phân hữu hạn động lực học đàn hồi EFIT (elastodynamic finite integration technique) và Kỹ thuật tích phân hữu hạn FIT (finite integration technique).