Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết

Chương 4: trình bày toàn bộ các nghiên cứu về mô hình phá hủy của bê tông nhựa có xét đến tính dính kết của đại học Illinois, xem xét các kết quả thí nghiệm có được từ mô hình thực.. 23

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG NHỰA

CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT

MÃ SỐ: T2014-18TĐ

S 0 9

S KC 0 0 4 7 9 1

KHOA XÂY DỰNG & CHƯD

-  -

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

CNĐT: TS LÊ ANH THẮNG

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2014

MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT

ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT

MÃ SỐ: T2014-18TĐ

i

LỜI NÓI ĐẦU

Đề tài “Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết” được

thực hiện từ tháng 01/2013 đến tháng 12/2014 Kết quả đề tài có được là 1 bài báo

khoa học được đăng trên Tạp Chí Khoa Học Giao Thông Vận Tải Số 44 có ISSN 1859-2724 (International Standard Serial Number) và một bài báo đăng ở Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XI, được các chuyên gia preview độc lập

Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Anh Nguyễn Hữu Quốc Hùng đã làm việc cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, nội dung thực hiện trong đề tài phần lớn cũng là nội dung

đồ án tốt nghiệp thạc sĩ của anh

Xin trân trọng cảm ơn trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và hỗ trợ về tài chính thực hiện đề tài

Đề tài không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Chúng tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

Chương 3: trình bày cơ sở lý thuyết, về cơ học phá hủy, lý thuyết về mô hình dính đang

được sử dụng rộng rãi hiện nay Bao gồm mô hình hàm số mũ, mô hình song tuyến tính

và mô hình tổng quát chung cho quá trình phá hủy của vật liệu có xét đến tính dính kết

Chương 4: trình bày toàn bộ các nghiên cứu về mô hình phá hủy của bê tông nhựa có xét

đến tính dính kết của đại học Illinois, xem xét các kết quả thí nghiệm có được từ mô hình thực

Chương 5: trình bày về nghiên cứu tạo lưới cho mô hình

Chương 6: trình bày về các kích thước mô hình, kích thước lưới của phần tử, tổng số

phần tử, điều kiện biên cho mô hình, khai báo chuyển vị mở rộng miệng vết nứt (CMOD) cũng như khai báo các tham số cho mô hình

Chương 7: nêu lên các hướng tiếp cận mô hình dính kết theo các hướng khác nhau và

định hướng nghiên cứu tiếp sau

iii

MỤC LỤC

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Giới thiệu chung: 1

1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu: 1

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu: 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH PHÁ HỦY VẬT LIỆU CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT 3

2.1 Giới thiệu chung: 3

2.2 Lược sử phát triển một số mô hình dính kết trên thế giới [1]: 3

2.2.2 Mô hình của Needleman (1987): 4

2.2.3 Mô hình của Rice và Wang (1989): 4

2.2.4 Mô hình của Needleman (1990): 4

2.2.5 Mô hình của Tvergaard (1990): 5

2.2.6 Mô hình của Tvergaard và Hutchinson (1992): 6

2.2.7 Mô hình của Xu và Needleman (1993): 6

2.2.8 Mô hình Camacho và Ortiz (1996): 7

2.2.9 Mô hình Geubelle và Bayler (1997): 7

2.3 Nhận xét về các mô hình: 8

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU 9

3.1 Giới thiệu chung về cơ sở lý thuyết nghiên cứu: 9

3.2 Cơ học phá hủy: 9

3.2.1 Đàn hồi tuyến tính và cơ học phá hủy dẻo đàn hồi: 9

3.2.2 Các mode phá hoại: 10

3.2.3 Vùng phá phát triển vết nứt: 10

3.2.4 Tỉ lệ tiêu tán năng lượng: 10

3.2.5 Hệ số cường độ ứng suất: 11

3.2.6 Tích phân J: 12

iv

3.2.7 Ảnh hưởng của kích thước mẫu: 13

3.3 Mô hình vùng dính: 15

3.3.1 Các khái niệm cơ bản về mô hình phát triển vết nứt có xét đến tính dính: 15

3.3.2 Mô hình tổng quát phá hủy vật liệu có xét đến tính dính: 16

3.3.3 Mô hình phá hủy có xét đến tính dính kết dựa trên mô hình hàm số mũ: 18

3.3.4 Mô hình vùng dính kết song tuyến tính: 20

3.4 Kết luận: 23

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH 24

4.1 Giới thiệu chung: 24

4.2 Nghiên cứu mô hình DC(T) 24

4.2.1 Mô hình DC(T): 24

4.2.2 Các tham số quan trọng cho mô hình vùng dính kết: 26

4.2.2.1 Module động: 26

4.2.2.2 Relaxation modulus: 26

4.2.2.3 Các tham số dính kết: 26

4.2.2.4 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo của mô hình: 27

4.2.2.5 Mối quan hệ giữa relaxation modulus và thời gian : 28

4.2.2.6 Hệ số Shift: 28

4.2.2.7 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo cho hai mặt của vùng phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết: 28

4.3 Kết quả thí nghiệm của mô hình DC(T): 28

4.4 Kết luận: 30

CHƯƠNG 5 THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 31

5.1 Giới thiệu chung về công tác mô phỏng: 31

5.2 Tạo mô hình: 31

5.2.1 Kích thước của mô hình: 31

5.2.2 Mesh lưới cho mô hình: 33

5.3 Bảng tổng hợp các thông số của mô hình: 33

v

5.4 Mô phỏng mô hình bằng Abaqus v6.11: 34

5.4.1 Các loại phần tử: 34

5.4.2 Tạo mô hình: 34

5.4.3 Chia nút cho mô hình: 35

5.4.4 Khai báo các thông số cho mô hình: 36

5.4.4.1 Khai báo module đàn hồi cho vật liệu: 36

5.4.4.2 Khai báo tiêu chuẩn phá hủy cho mô hình: 37

5.4.4.3 Khai báo ứng xử phát triển vết nứt: 39

5.4.4.4 Khai báo năng lượng phá hủy cho mô hình mô phỏng: 40

5.4.4.5 Điều kiện biên và gán CMOD cho mô hình: 41

5.4.4.6 Gán thuộc tính cho vùng dính kết: 42

5.5 Kết quả mô phỏng từ mô hình khi chưa xuất hiện vết nứt 43

5.5.1 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -100C: 43

5.5.2 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -200C: 44

5.5.3 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -300C: 44

5.5.4 So sánh kết quả của mô hình chưa có vết nứt ở các nhiệt độ khác nhau: 45

5.6 Kết quả mô phỏng từ mô hình đã xuất hiện vết nứt: 47

5.6.1 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -100C: 47

5.6.2 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -200C: 49

5.6.3 Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -300C: 50

5.6.4 So sánh kết quả của mô hình có vết nứt ở các nhiệt độ khác nhau: 51

5.7 Kết luận: 52

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 53

6.1 Kết luận về đề tài nghiên cứu: 53

6.2 Những hạn chế của đề tài: 53

6.3 Hướng phát triển của đề tài nghiên cứu: 54

vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.2 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Needleman 4

Hình 2.3 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Rice và Wang 4

Hình 2.4 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Needleman (1990) 5

Hình 2.5 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard 5

Hình 2.6 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard và Hutchinson 6

Hình 2.7 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Xu và Needleman 6

Hình 2.8 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Camacho và Ortiz 7

Hình 2.9 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Geubelle và Bayler 8

Hình 3.1 Mô hình biểu diễn các mode tải trọng khác nhau 10

Hình 3.2 Phép biểu diễn tích phân J 13

Hình 3.3 Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của kích thước theo Bazant 14

Hình 3.4 Mô hình vùng phát triển vết nứt trong mô hình vùng dính kết 16

Hình 3.5 Mô hình tổng quát phá hủy vật liệu có xét đến tính dính kết 17

Hình 3.6 Mô hình vùng phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết 18

Hình 3.7: Định luật dính kết hàm số mũ theo (a) chuyển vị có hiệu theo phương pháp tuyến ( e/ cc) và lực kéo theo phương pháp tuyến (t e /c) và (b) chuyển vị mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến không thứ nguyên ( n / cc) và lực kéo theo phương pháp tuyến không thứ nguyên (t n/c) 19

Hình 3.8: Mô hình vùng dính kết song tuyến tính theo quan điểm (a) chuyển vị có hiệu không thứ nguyên và lực kéo có hiệu không thứ nguyên và (b) chuyển vị mở rông vết nứt theo phương pháp tuyến không thứ nguyên và lực kéo theo phương pháp tuyến không thứ nguyên 21

Hình 4.1 Mô phỏng thí nghiệm DC(T) (a) kích thước hình học mẫu thí nghiệm mô phỏng (b) mesh lưới cho toàn bộ mô hình 25

Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm DC(T) 25

Hình 4.3 Mô hình phá hủy thực của mẫu bê tông nhựa (mô hình thí nghiệm DC(T) của đại học Illinois) 26

Hình 4.4 (a) thí nghiệm DC(T) và (b) thí nghiệm SE(B) 27

vii

Hình 4.5 Kết quả thí nghiệm chuyển vị mở rộng miệng vết nứt tại (a) ở nhiệt độ -100C,

(b) ở nhiệt độ -200C và (c) ở nhiệt độ -300C 30

Hình 5.1 Hình minh họa cho phát triển vết nứt 31

Mô hình 1 (a) 32

Mô hình 2 (b) 32

Hình 5.2 Mô hình mô phỏng sự phá hủy bê tông nhựa có xét đến tính dính kết 32

Hình 5.3 (a) Biên vùng dính được xác định trên cơ sở lý thuyết và (b) biên vùng dính được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus cho mô hình 2 32

Hình 5.4 Mô hình tạo lưới hoàn chỉnh 33

Hình 5.5 Thiết lập phần tử dính kết trong Abaqus v6.11 34

Hình 5.6 Thiết lập mô hình mô phỏng trong Abaqus v6.11 35

Hình 5.7 Mô hình mô phỏng bằng Abaqus v6.11 35

Hình 5.8 Khai báo hai mặt dính kết cho mô hình 35

Hình 5.9 Khai báo các điều kiện ràng buộc cho hai mặt dính 35

Hình 5.10 Mô hình xác định giá trị Kn 36

Hình 5.11 Khai báo module đàn hồi cho mô hình 37

Hình 5.12 Khai báo năng lượng phá hủy cho mô hình 38

Hình 5.13 Khai báo ứng xứ của mô hình trong abaqus v6.11 40

Hình 5.14 Mô hình minh họa năng lượng phá hủy trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết 40

Hình 5.15 Khai báo năng lượng phá hủy cho mô hình 41

Hình 5.16 Mô hình sau khi được khai báo điều kiện biên và CMOD 42

Hình 5.17 Mô hình định nghĩa bề mặt cho mẫu mô hình mô phỏng 42

Hình 5.18 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -100C 43

Hình 5.19 Mô hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong bê tông nhựa ở nhiệt độ -100C ứng với CMOD = 1.0mm 43

Hình 5.20 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C 44

Hình 5.21 Mô hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong bê tông nhựa ở nhiệt độ -200C 44

Hình 5.22 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -300C 45

viii

Hình 5.23 Mô hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong bê tông

nhựa ở nhiệt độ -300C 45

Hình 5.24 Mô hình tổng hợp kết quả mối quan hệ giữa P và CMOD ở ba nhiệt độ -100C, -200C và -300C 45

Hình 5.25 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm DC(T) của đại học Illinois 46

Hình 5.26 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pmax và nhiệt độ 47

Hình 5.27 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -100C 48

Hình 5.28 Mô hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong bê tông nhựa ở nhiệt độ -100C 49

Hình 5.29 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C 49

Hình 5.30 Mô hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong bê tông nhựa ở nhiệt độ -200C 50

Hình 5.31 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C 50

Hình 5.33 Mô hình tổng hợp kết quả mối quan hệ giữa P và CMOD ở ba nhiệt độ -100C, -200C và -300C 51

Hình 5.34 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pmax và nhiệt độ 52

DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 4.1 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo của vật liệu 27

Bảng 4.2 Tham số relaxtion modulus trong mối quan hệ thời gian 28

Bảng 4.3 Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ 28

Bảng 4.4 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo vùng dính của vật liệu 28

Bảng 5.1 Bảng tổng hợp các thông số cho mô hình mô phỏng 33

1

1.1 Giới thiệu chung:

Cơ học phá hủy là một nghiên cứu có tính chất hệ thống về các quá trình phát triển vết nứt của vật liệu rắn Công tác nghiên cứu về cơ học phá hủy có mối liên hệ mật thiết với những thảm họa

to lớn đã xảy ra trong lịch sử gần đây của nhân loại Sự tồn tại và phát triển của vết nứt trong các loại vật liệu phục vụ cho ngành xây dựng như thép, bê tông, bê tông nhựa đã và đang ngày càng được chú ý trong công tác thiết kế và thi công Trong đó, bê tông nhựa có các đặc tính phức tạp hơn so với các vật liệu khác trong thiết kế và thi công đường Vật liệu bê tông nhựa chỉ tính dính kết trong quá trình nứt của bê tông nhựa Ứng xử nứt của Bê tông nhựa phụ thuộc vào thời gian

và nhiệt độ Trong giai đoạn nghiên cứu hiện nay, các khía cạnh này i ́t nhiều còn gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu về phát triển nứt trong bê tông nhựa Đề tài tiến hành lập mô hình để tìm hiểu về các ứng xử vết nứt của bê tông nhựa có xét đ ến tính dính kết thông qua các số liệu rút ra từ thi ́ nghiệm

1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu:

Vết nứt rất dể tìm thấy ở gần như tất cả lớp phủ của nhựa đường , đặc biệt là tại các vị trí tiếp giáp giữa các lớp nhựa khác nhau Bởi vì phải chịu các tải trọng cơ học và nhiệt độ các khe nứt được hình thành và phát triển Các vết nứt hiện diện trong các lớp phủ sẽ cho phép nước xâm nhập vào bên dưới và vì thế làm suy giảm đi khả năng chịu lực của kết cấu bên dưới mặt đường

và góp phần quan trọng làm hư hỏng mặt đường và phá hủy các liên kết giữa các lớp vật liệu mặt đường Có rất nhiều nghiên cứu hiện nay đang được tiến hành để nổ lực tìm kiếm nhằm hạn chế tối đa các vết nứt xuất hiện tại các lớp phủ bê tông nhựa Nhiều vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển nhằm tăng khả năng kháng nứt Vấn đề nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu mô hình phá hủy của bê tông nhựa, mô phỏng bằng phần mềm Abaqus v6.11, để có thể tiếp tục tìm hiểu và khảo sát cơ chế hình thành và phát triển vết nứt trong bê tông nhựa

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu:

Nội dung nghiên cứu là tập trung vào mô phỏng s ự phá hủy bê tông nhựa có xét đến tính dính kết sử dụng các thông số vật liệu tính toán được từ thí nghiệm ở trong phòng Mô hình hai chiều (mô hình 2D) có xét ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng để mô phỏng sự phát triển vết nứt Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn có thể xem xét các vấn đề như sau:

Thực hiện mô phỏng phần tử dính kết bằng cách sử dụng Abaqus, trong đó thông số vật liệu của

2

thông số cần thiết và phù hợp với mô hình

Khảo sát độ nhạy của mô hình so với các tác động thay đổi như nhiệt độ và độ lớn tải trọng, và đưa ra các nhận xét

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu chính là mô phỏng sự phát triển vết nứt của bê tông nhựa dựa trên mô hình hàm số mũ có xét đến tính dính kết

Phạm vi nghiên cứu của đề tài mang tính chất nghiên c ứu mô phỏng mô hình phá hủy vật liệu bê tông nhựa v ới các thông số đầu vào đã được tiến hành nghiên cứu trước đó c ủa Seong Hyeok Song- trường đại học Illinois Trong đó, đặc biệt lưu ý đến tính dính kết của vật liệu bê tông nhựa, đây là mô hình nghiên cứu mới hiện nay cần được kiểm chứng một cách đầy đủ và chi ́nh xác

3

CHƯƠNG 2 TO ̉NG QUAN VÊ ̀ MÔ HÌNH PHÁ H ỦY VẬT LIỆU CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT

2.1 Giới thiệu chung:

Mô hình phát triển vết nứt của vật liệu có xét đến tính dính kết đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trên th ế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay Mô hình này đang ngày càng hoàn thiện , cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm

Tuy nhiên, nghiên cứu về mô hình phát triển vết nứt của bê tông nhựa có xét đến tính dính kết tại Việt Nam hiện nay vẫn còn là vấn đề mới, chưa có nghiên cứu cụ thể về vấn đề này , hầu như không có nghiên cứu nào được tiến hành Trong giai đoạn hiện nay, mô hình phá hủy của bê tông nhựa vẫn đang còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu và làm rõ

Hiện nay có nhiều nghiên cứu về mô hình phát tri ển vết nứt bê tông nhựa có xét đến tính dính kết Nhiều báo cáo khoa học đ ã được thực hiện trong các hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn

đề này Mijidzadeh và Abdulshafi đã tiến hành nghiên cứu về sự phát triển vết nứt bằng cách ứng dụng tích phân J để giải thi ́ch các hiện tượng mỏi và nứ t của hỗn hợp bê tông nhựa Kim và El Hussein đã sử dụng thi ́ nghiệm dầm uốn ba điểm để xem xét ứng xử của vết nứt trong bê tông nhựa và đánh giá độ bền dai của vết nứt dưới nhiệt độ thấp Một số các nhà nghiên cứu khá c đã ứng dụng nguyên l{ cơ học phá h ủy trong các nghiên cứu các mẫu bê tông nhựa trong phòng và ngoài hiện trường [3]

Bê tông nhựa có thể được xem là vật liệu có tính giòn và vì thế đ ộ mở rộng của vết nứt có mối liên quan trực tiếp đến cấu trúc vật liệu Mô hình kể đến tính dính của bê tông nhựa đã ra đời để

mô phỏng ứng xử vết nứt trong bê tông nhựa Song và đồng nghiệp đã tiếp tục nghiên cứu để thí nghiệm thành công mô hình phát triển vết nứt của bê tông nhựa tại đại học Illinois, đó cũng chính là tiền đề cho đề tài để mô phỏng mô hình kiểm chứng lại kết quả thí nghiệm đó trong đề tài này

Các khái niệm về mô hình dính kết đã được đưa ra từ rất sớm: những năm 60 của thế kỉ trước đã được tiến hành bởi Barenblatt Ông đã đề xuất nghiên cứu về mô hình vùng dính k ết của các vật liệu giòn và Dugdale đã lựa chọn mô hình này để đưa ra các nghiên cứu về vật liệu có tính dẻo [21] Trong những năm 90, Needleman, Camacho và Ortiz đã đưa ra mô hình dính k ết có chèn thêm các lưới phần tử hữu hạn

2.2 Lược sử phát triển một số mô hình dính kết trên thế giới [1]: