CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU

712020 1 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU BỘ MÔN THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 Phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu. I. VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG 2 II. TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG III. TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP IV. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TN KHÔNG PHÁ HOẠI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU TRÊN CÔNG TRÌNH

Trang 1

PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ

NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG 2

II TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

III TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP

IV MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TN KHÔNG PHÁ HOẠI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU TRÊN CÔNG TRÌNH

I VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ

LÝ CỦA VẬT LIỆU

 Kết cấu xây dựng được cấu thành từ nhiều vật liệu khác nhau

do vậy sự làm việc của kết cấu công trình dưới tác dụng của tải trọng được quyết định bởi ứng xử cơ học của các vật liệu cấu thành

 Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu nhằm :

- Phục vụ công tác nghiên cứu : nghiên cứu vật liệu mới, nghiên cứu các

đặc trưng của vật liệu để làm đầu vào cho việc tính toán kết cấu

- Kiểm tra chất lượng vật liệu đưa vào sử dụng trong công trình

CHƯƠNG 2 Phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu

I VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ

III TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG

CƠ HỌC CỦA THÉP

IV MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TN KHÔNG PHÁ HoẠI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU TRÊN CÔNG TRÌNH

I VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ

LÝ CỦA VẬT LIỆU

 Vật liệu xây dựng có thể quy về hai nhóm chính :

- Nhóm vật liệu làm việc chịu nén : bê tông, gạch , vữa …

- Nhóm vật liệu làm việc chịu kéo : thép,

 Có 2 phương pháp chính để xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu :

- Phương pháp thí nghiệm phá hoại ( phương pháp trực tiếp)

- Phương pháp thí nghiệm không phá hoại ( phương pháp gián tiếp) : thường được sử dụng để đánh giá chất lượng vật liệu trên công trình

Trang 2

II THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC

CỦA BÊ TÔNG

Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông là thí nghiệm có vai

trò quan trọng nhất trong các TN xác định các đặc trưng cơ lý của bê

tông Kết quả của thí nghiệm là cơ sở của việc thiết kế kết cấu BTCT

- Kích thước của mẫu thử được chọn phụ thuộc vào kích thước của cốt liệu đá

- Tiêu chuẩn Việt Nam quy định kích thước mẫu thử để xác định cường

độ chịu nén của bê tông là mẫu lập phương có kích thước 150x150x150 mm

- Có thể khoan lấy mẫu thí nghiệm từ Kết cấu BTCT trên công trình,

đường kính mẫu khoan d= 50  100 mm ; h = (1  2)d

 Xác định cường độ chịu nén

(daN/cm2)

Trong đó : P là lực nén phá hoại mẫu thử

A là diện tích tiết diện mẫu thử

 hệ số quy đổi khi thí nghiệm mẫu có kích thước khác mẫu thử chuẩn

A P

Trang 3

- Trong quá trình thí nghiệm luôn xuất hiện lực ma sát ở bề mặt mẫu thí

nghiệm (bê tông) và bề mặt máy nén (thép ) do sự khác nhau về đặc

trưng cơ học

• Biến dạng ngang (sự nở ngang ) của mẫu thí nghiệm ở vùng bề mặt bị ngăn cản

• Trạng thái ứng suất ở vùng bề mặt tiếp xúc là dạng khối

Dạng phá hoại mẫu thử theo hình côn

- Do ma sát ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm nên khi thí nghiệm với các mẫu thử có kích thước khác mẫu chuẩn cần có hệ số quy đổi 

Dạng phá hoại mẫu thử hình lập phương

 Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

- Ảnh hưởng của hình dạng mẫu thửCường độ chịu nén tương quan

Lập phương

Hình trụ

Hình trụ Lập phương

Độ mảnh  = h/d

Độ mảnh Cường độ chịu nén tương quan

I VAI TRÒ CỦA VIỆC

TRƯNG CƠ LÝ

- Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng mẫu thử

+ Theo quy định của tiêu chuẩn, các mẫu thử phải được được bảo dưỡng ( ngâm trong nước, bọc trong túi nylon….)

+ Việc bảo dưỡng đúng quy cách đảm bảo sự phát triển cường độ của bê tông

- Ảnh hưởng của tốc độ gia tải

+ Do bê tông là vật liệu đàn dẻo nên tốc độ gia tải ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

+ Tốc độ gia tải chậm làm tăng biến dạng của bê tông và giảm cường độ chịu nén

+ Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng, tốc độ gia tải trong khoảng 0,05

và 5 MPa/s thì cường độ chịu nén giảm 3 đến 4 %

Trang 4

- Ảnh hưởng của tuổi của mẫu thử

+ Cường độ bê tông phát triển nhanh trong 28 ngày sau khi đổ bê tông

Sau 28 ngày cường độ bê tông phát triển chậm Theo 1 số nghiên cứu sự chênh lệch cường độ bê tông thông thường ở thời điểm 28 ngày và 1 năm khoảng 15%

n

1 i i

- Cường độ đặc trưng (tiêu chuẩn )Rch

S là hệ số phụ thuộc vào độ tin cậy Với độ tin cậy là 95% thì S = 1,64

TRƯNG CƠ LÝ

Mác bê tông (ký hiệu M): là khái niệm theo tiêu chuẩn TCVN 5574 –

1991 Mác bê tông được xác định bằng cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn hình lập phương 150 x 150 x 150 (tối thiểu 03 mẫu thử ) ở tuổi 28 ngày Đơn vị đo sử dụng là kG/cm2

 Mác và cấp độ bền của bê tông

- Các loại mác bê tông thường gặp là M100, M20, M250, M300, M350, M400, M500, M600

Cấp độ bền (ký hiệu B) : cấp độ bền của bê tông là khái niệm được sử

dụng để phân biệt cường độ chịu nén của bê tông theo chỉ dẫn, quy định trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCXDVN 356 – 2005

II.2 QUAN HỆ ỨNG SUẤT- BIẾN DẠNG DƯỚC TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NÉN

Trang 5

Giai đoạn 2 : khi   40%  c: quan hệ –  được xem như tuyến tính Các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu

Giai đoạn 3 : khi  = 40%  c 80%  c: quan hệ –  phi tuyến Các vết nứt nhỏ phát

triển đến bề mặt mẫu

Giai đoạn 4 :   100%  c: lúc này các vết nứt phát triển trong mẫu thử theo

phương của lực tác dụng Tại thời điểm này hệ số Poisson trong mẫu thử rất lớn

 Quan hệ giữa biến dạng theo phương dọc và theo phương

ngang của bê tông chịu tải trọng nén

0,10,20,30,40,5

Biến dạng dọc 1và biến dạng ngang 2cho phép xác định hệ số

Poisson của vật liệu

Sự thay đổi hệ số Poisson ở các cấp tải trọng nén

TRƯNG CƠ LÝ

II.3 CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO CỦA BÊ TÔNG

- Thông thường cường độ chịu kéo của bê tông không được đưa vào trong tính toán kết cấu do có giá trị nhỏ (Rt  0,1*Rn)

- Xác định cường độ chịu kéo thường được áp dụng khi tính toán

sự bắt đầu và phát triển vết nứt trong kết cấu bê tông ( vết nứt do kéo – dạng I)

- Một số phương pháp thí nghiệm :

+ Thí nghiệm kéo trực tiếp : khó thực hiện và hiện nay chưa có tiêu chuẩn cụ thể Thí nghiệm này cho phép xác định trực tiếp cường độ chịu kéo của bê tông

+ Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn

+ Thí nghiệm xác định cường độ kéo thông qua thí nghiệm ép chẻ

 Thí nghiệm kéo trực tiếp

- Thường được thực hiện theo chỉ dẫn của RILEM (International

union of laboratories and experts in construction materials, systems and structures)

- Thí nghiệm kéo trực tiếp cho phép xác định :

+ Cường độ chịu kéo Rt+ Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt

Trang 6

 Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn

- Kích thước mẫu thử (theo TCVN 3119:1993) : 150x150x600

- Cường độ chịu kéo khi uốn Rtu

2 2 tu

a

P a.a

P.a w

 Thí nghiệm xác định cường độ kéo thông qua ép chẻ

- Mẫu thí nghiệm có thể là mẫu trụ hoặc mẫu lập phương -Cường độ chịu kéo của mẫu được xác định thông qua công thức

-Cường độ chịu kéo xác định thông qua thí nghiệm ép chẻ thường xấp xỉ 1/10 cường độ chịu nén của mẫu thử có cùng kích thước

TRƯNG CƠ LÝ

II.4 THÍ NGHIỆM KẾT CẤU BÊ TÔNG LÀM VIỆC DƯỚI TẢI TRỌNG MỎI

- Trong thực tế kết cấu bê tông làm việc dưới tác dụng của tải trọng lặp : sàn nhà có người đi lại; xe cộ chạy trên cầu, đường…

- Thí nghiệm kết cấu BT dưới tác dụng của tải trọng lặp (mỏi) là thí nghiệm bằng cách tác dụng tải trọng lặp có chu kỳ xác định lên kết cấu

- Tải trọng lặp (mỏi) làm thay đổi trạng thái ứng suất trong kết cấu bê tông dẫn đến sự phá hỏng kết cấu ngay khi ứng suất trong kết cấu chưa vượt quá ứng suất cho phép

- Có nhiều cách khác nhau để tiến hành thí nghiệm mỏi tùy thuộc vào thiết bị thí nghiệm :

+ Thí nghiệm mỏi ở trạng thái uốn

+ Thí nghiệm mỏi ở trạng thái làm việc kéo, nén

+ Thí nghiệm mỏi ở trạng thái làm việc xoắn

TRƯNG CƠ LÝ

 Tải trọng thí nghiệm mỏi : thường có dạng hình sin và đặc

max= - min

R = - 1

Thêi gian (t) 0



0



0

Trang 7

- Đồ thị Wöhler do tác giả thiết lập là cơ sở đánh giá độ bền của vật liệu

thí nghiệm dưới tác dụng của tải trọng mỏi

- Thiết lập quan hệ giữa tỷ suất của tải trọng tối đa (S) tác dụng lên mẫu

thí nghiệm và số chu kỳ tải trọng gây phá hoại N mẫu thử

a, b : hệ số thực nghiệm , phụ thuộc vào cách tiến hành thí nghiệm mỏi

(kéo uốn hay kéo nén)

max : ứng suất lớn nhất do tải trọng mỏi gây ra

MR = Rntrong thí nghiệm kéo-nén)

Dạng đồ thị Wöhler thiết lập qua thí nghiệm kéo uốn ( Clemmer, 1922)

Số chu kỳ gây phá hoại log 10 (N)

TRƯNG CƠ LÝ

Dạng đồ thị Wöhler thiết lập qua thí nghiệm nén (Theo A Bascoul «Mécanique dé bétons » – Université Paul Sabatier –INSA Toulouse)

Số chu kỳ gây phá hoại log 10 (N)

Trang 8

Do đặc điểm cấu tạo, biến dạng của bê tông rất phức tạp và có thể

biếu diễn bằng công thức sau :

 = (co ngót)+  (nhiệt) + (đàn hồi)+ (dẻo)+ (từ biến)

Phụ thuộc đặc trưng vật liệu

Do tải trọng tác động ngắn hạn

Do tải trọng tác động dài hạn

Do nhiệt độ môi trường

TRƯNG CƠ LÝ

Biến dạng co ngót của bê tông cần được xác định Các ảnh hưởng chính của biến dạng co ngót :

 Thí nghiệm xác định biến dạng co ngót của bê tông

- Làm thay đổi kích thước của cấu kiện

- Làm thay đổi cấu trúc vật liệu của bê tông, gây ra ứng suất kéo trong vật liệu (là nguồn gốc của các vết nứt trên bề mặt )

- Làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu : các vết nứt do co ngót đẩy nhanh quá trình xâm thực của môi trường gây ra ăn mòn cốt thép chịu lực trong kết cấu BTCT

Biến dạng co ngót xảy ra trong giai đoạn đông cứng đầu tiên sau

đó chậm dần Bình thường sau vài năm thì biến dạng co ngót của

bê tông kết cấu

 Thí nghiệm xác định biến dạng co ngót của bê tông

Thí nghiệm co ngót theo TCVN 3117: 1993

Mẫu TN

Biến dạng co ngót của bê tông thông thường ở các độ ẩm khác nhau (theo ACI 224R_01)

Biến dạng co ngót :

lo

0

l Δl

ε 

Trang 9

 Thí nghiệm xác định biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Thí nghiệm nén mẫu bê tông

- Khi ứng suất nén < 40% cường độ chịu nén : vật liệu làm việc trong miền đàn hồi

 Thí nghiệm xác định biến dạng từ biến của bê tông

Biến dạng từ biến xảy ra khi bê tông chịu tác dụng của tải trọng tác dụng dài hạn

Biến dạng từ biến là nguyên nhân gây ra sự phân bố lại ứng suất trong kết cấu bê tông (chùng ứng suất)

Đối với các kết cấu BTCT ứng lực trước thì việc xác định biến dạng từ biến của bê tông là quan trọng

- Nếu  b < 0,7*R : biến dạng từ biến là hữu hạn

- Nếu  b > 0,85*R : biến dạng từ biến tăng liên tục và mẫu bị phá hoại do biến dạng

từ biến

Thí nghiệm nén mẫu bê tông :

Mẫu TN hình trụ

Khu gia tải

Kích thủy lực

Chiều dài

đo l o LVDT

- Mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ Theo RILEM kích thước mẫu H=4D.

Theo quy định trong ASTM, kích thước mẫu H=2D

- Biến dạng từ biến được đo theo 2 cách:

+ Theo RILEM :bố trí 03 dụng cụ đo biến dạng (LVDT, Indicator kết hợp thanh chống , tenzomet điện trở ) ở mặt ngoài mẫu Theo ASTM chỉ cần bố trí 02 dụng

cụ đo biến dạng+ Bố trí 01 dụng cụ đo biến dạng (LVDT) ở lõi của mẫu

Trang 10

Ví dụ về kết quả đo biến dạng từ biến của bê tông

- Thí nghiệm từ biến thường được thực hiện sau khi bê tông được 03

- Biến dạng từ biến của bê tông có thể được xác định thông qua thí nghiệm kéo Tuy nhiên thí nghiệm kéo khó thực hiện

- Giá trị biến dạng từ biến xác định qua thí nghiệm nén và thí nghiệm kéo gần bằng nhau

Mẫu thí nghiệm

Thí nghiệm kéo xác định biến dạng từ biến

II.5 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG

Mô đun đàn hồi là một đặc trưng cơ học quan trọng của bê tông Việc xác định mô đun đàn hồi sẽ cung cấp số liệu cho việc tính toán, kiểm tra

độ cứng của kết cấu BTCT

 Thí nghiệm theo TCVN 3117:1993

Mẫu thí nghiệm hình lăng trụ có kích thước a xa x4a

II.5 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG

 Thí nghiệm theo hướng dẫn của RILEM (RILEM CPC8, 1975)

- Mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ có kích thước H = 2D

- Biến dạng dọc được đo bằng 03 dụng cụ đo biến dạng bố trí đều theo chu vi

- Tải trọng được tác dụng lên mẫu thành 05 chu kỳ; giá trị tải lớn nhất tương ứng với 30% tải trọng phá hoại mẫu; tải trọng nhỏ nhất tương ứng với ứng suất nén 0,5 MPa

Trang 11

 Thí nghiệm theo hướng dẫn của RILEM (RILEM CPC8, 1975)

Mô đun đàn hồi được tính với các kết quả đo ở chu kỳ gia tải thứ 5

ba

Mục đích nhằm kiểm tra vật liệu bê tông sử dụng có đảm bảo yêu cầu quy định trong hồ sơ thiết kế hay không ?

II.6 THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG DÙNG CHO KẾT CẤU BTCT

 Hình dạng, kích thước và số lượng mẫu thử

- Mẫu thử dạng lập phương 15x15x15 cm

- Mẫu thí nghiệm được lấy theo tổ mẫu Mỗi tổ mẫu gồm 03 mẫu

- Số lượng tổ mẫu phụ thuộc vào khối lượng bê tông thi công

(Theo TCVN 4453:1995)

 Bảo dưỡng mẫu

- Các mẫu được bảo dưỡng theo quy trình bảo dưỡng của hạng mục kết cấu chế tạo bằng bê tông được lấy mẫu

- Các tổ mẫu được thí nghiệm ở tuổi 28 ngày Bên cạnh đó thường lấy thêm

01 tổ mẫu để thí nghiệm ở tuổi 7 ngày.

 Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả

- Thí nghiệm nén để xác định cường độ chịu nén Chú ý tốc độ gia tải được lấy 6  4 daN/cm2/s

- Xác định cường độ chịu nén R 1 , R 2 , R 3 của các mẫu thí nghiệm

- Xác định cường độ chịu nén trung bình R tb

R1 ≤ R2 ≤ R3

Trang 12

III.1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP

 Quan hệ ứng suất – biến dạng

Quan hệ ứng suất- biến dạng của vật liệu thép thông thường khi

chịu tác dụng tải trọng kéo

O

A B

C

OA: Giai đoạn làm việc đàn hồi , quan hệ - là tuyến tính AB: thép bị chảy dẻo, ứng suất không tăng nhưng biến dạng tiếp tục tăng Giai đoạn này xác định được giới hạn chảy c của cốt thép

BC: giai đoạn củng cố, ứng biến dạng tăng theo quan hệ phi tuyến đến khi mẫu thí nghiệm bị phá hoại Giai đoạn này xác định được giới hạn bền b của cốt thép

suất-CHƯƠNG 2 Phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu

 Quan hệ ứng suất – biến dạng

Quan hệ ứng suất- biến dạng của vật liệu thép cường độ cao

- Không xác định được giới hạn chảy khi thí nghiệm

- Xác định giới hạn chảy quy ước : ứng suất mà tại đó biến dạng dư còn 0,2%

- Giới hạn bền b của thép được xác định tại thời điểm mẫu thử bị phá hoại

 Giới hạn chảy, giới hạn bền và biến dạng dài tương đối

Biến dạng dài tương đối :

Giới hạn chảy :

Giới hạn bền :

trong đó : Pc, Pblần lượt là giá trị lực khi mẫu thí nghiệm bị chảy và khi bị phá hoại

Fo: diện tích tiết diện của mẫu thử

trong đó : Lovà L1: chiều dài tính toán ban đầu và sau khi bị phá hoại của mẫu thử

Tiêu đề	Chương 2 Phương Pháp Thí Nghiệm Xác Định Các Đặc Trưng Cơ Lý Của Vật Liệu
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng, Cơ lý Vật liệu, Công nghệ Vật liệu
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	25
Dung lượng	2,23 MB