Nghiên cứu ứng xử và phát triển tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM

BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO

SKC 0 0 6 7 7 7

MÃ SỐ: T2019-78TĐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm

TP HCM, 5/2020

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO

Mã số: T2019-78TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 Nguyễn Duy Liêm Khoa Xây Dựng,

MỤC LỤC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ix 

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS xi 

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 6 

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 17 

3.1 Ảnh hưởng của vật liệu thêm vào đến điện trở suất của MSFRCs 17  

3.2 Ảnh hưởng của độ ấm và nhiệt độ đến điện trở suất của MSFRCs Error! Bookmark not

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined  

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

UHPFRC Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete

HPFRC High-performance fiber-reinforced concrete

vol.% Percentage of volume fraction

wt.% Percentage of weight fraction

GGBS Ground granulated blast furnace slag

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ

Hình 1-2 Sơ đồ bố trí sensor quan trắc sức khỏe cầu dây văng [14]

Hình 1-3 Minh họa quá trình tự hàn vết nứt của HPFRCs

Hình 1-4 Mối quan hệ giữa ứng suất-biến dạng – điện trở suất của HPFRCs

Hình 1-5 Đường kính sụt của HPFRCs lên đến 60-70 cm cho phép tự đầm lèn

Hình 3‐4 Cơ chế của cốt sợi trong việc kìm chế sinh ra vết nứt đầu 

Hình 3‐5 Ứng xử kéo‐ cảm biến của SFRCs dùng sợi xoắn to với hàm lượng theo  thể tích thay đổi 

Hình 3‐6 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến của  SFRCs dùng sợi xoắn to 

Hình 3‐7 Ứng xử kéo‐ cảm biến của SFRCs dùng sợi móc to với hàm lượng 1.5 %  theo thể tích nhưng khác loại vữa bê tông 

Hình 3‐8 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến của  SFRCs dùng vữa bê tông khác nhau 

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1 Thông số ứng xử kéo- cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi

Bảng 3-2 Thông số ứng xử kéo- cảm biến của của SFRCs dùng các loại sợi khác

nhau nhưng cùng hàm lượng 1.5 % theo thể tích

Bảng 3-3 Thông số ứng xử kéo- cảm biến của SFRCs dùng sợi xoắn to với hàm

lượng theo thể tích thay đổi

Bảng 3-4 Thông số ứng xử kéo- cảm biến của SFRCs dùng sợi móc to với hàm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐƠN VỊ: KHOA XÂY DỰNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 28 tháng 12 năm 2019

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng xử và phát triển tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao

- Mã số: T2019-78TĐ

- Chủ nhiệm: Nguyễn Duy Liêm

- Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

- Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ 1/2018 – 12/2019

2 Mục tiêu:

Thông qua chế tạo, thí nghiệm và phân tích, tác giả nghiên cứu ứng xử và phát triển tính tự

cảm biến của bê tông tính năng cao (SFRCs) dưới tải trọng kéo trực tiếp

3 Tính mới và sáng tạo:

Tác giả nghiên cứu thêm vật liệu vào bê tông tính năng cao nhằm nâng cao khả năng tự cảm biến của chúng dưới tải trọng kéo trực tiếp, ngoài ra tác giả phân tích chi tiết, đánh giá năng lượng phá hủy của các loại bê tông tính năng cao trong các giai đoạn chịu lực

4 Kết quả nghiên cứu:

- Muội than đen thêm vào để thay thế một phần xi măng của bê tông tính năng cao ban đầu (chứa 1.5 % theo thể tích cốt sợi thép to có đầu móc) giúp nâng cao tính tự cảm biến khá lớn:

hệ số cảm biến tăng 2.1 lần tại vết nứt đầu, tăng 1.67 lần tại vết nứt cuối Ngoài ra, muội than đen cũng như làm tăng cường độ kéo: tại vết nứt đầu tăng 1.01, tại vết nứt cuối tăng 1.07 lần Tuy nhiên, muội than đen làm giảm biến dạng tại thời điểm kết thúc xuất hiện vết nứt

- Xỉ lò cao thêm vào để thay thế một phần xi măng của bê tông tính năng cao ban đầu (chứa 1.5 % theo thể tích cốt sợi thép to có đầu móc) nâng cao tính tự cảm biến mức độ nhẹ: hệ số cảm biến tăng 1.18 lần tại vết nứt đầu, tăng 1.14 lần tại vết nứt cuối Ngoài ra xỉ lò cao cũng như làm tăng cường độ kéo: tại vết nứt đầu tăng 1.15 lần, tại vết nứt cuối tăng 1.03 lần Xỉ lò cao làm giảm biến dạng tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt cũng như tại thời điểm kết thúc xuất hiện vết nứt

- Trong tổng năng lượng phá hủy dưới tải trọng kéo của bê tông tính năng cao: thứ tự tỉ lệ mức độ đóng góp của các năng lượng thành phần như sau: năng lượng trong giai đoạn đàn hồi (2-8%) < năng lượng trong giai đoạn tăng cứng cơ học (16-56 %) < năng lượng trong giai đoạn mở rộng vết nứt (38-82 %)

Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho các kỹ sư xây dựng và các nhà khoa học phát triển và áp dụng bê tông tính năng cao như một vật liệu xây dựng thông minh có khả năng tự cảm biến ứng suất/biến dạng hay hỏng hóc/nứt phục vụ quan trắc sức khỏe công trình trong quá trình khai thác Kết quả nghiên cứu cũng có thể chuyển giao thành tài liệu đào tạo cao học, nghiên cứu sinh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study On The Behaviors And Developing Self-Sensing Capacity of Steel Reinforced Concretes

Fiber-Code number: T2019-78TĐ

Coordinator: Nguyễn Duy Liêm

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education

Duration: from 11/2019 to 12/2019

2 Objective(s):

The objective of this investigation is to experimentally explore the behaviors and to develop the self-sensing capacity of steel fiber-reinforced concretes (SFRCs) under direct tension

3 Creativeness and innovativeness:

The author added new materials into steel fiber-reinforced concrete to enhance self-sensing capacity of steel fiber-reinforced concretes under direct tension Besides, the author explored then evaluated the fracture energy of steel fiber-reinforced concretes in detail during various loading stages

4 Research results:

- The addition of carbon black (CB), as a partial cement replacement material, in the control SFRC mixture (containing 1.5 vol.-% macro hooked fiber), produced a favorable effect to enhance the self-sensing capability of SFRCs in comparison with the control SFRC as follows: the first gauge factor and the post gauge factor increased 2.1 times and 1.67 times, respectively Besides, CB resulted a reduction in the strain capacity at the first crack

- The addition of ground granulated blast furnace slag (GGBS), as a partial cement replacement material, in the control SFRC mixture (containing 1.5 vol.-% macro hooked fiber) produced a lower enhacement of self-sensing capability: the first gauge factor increased 1.15 times and the post gauge factor increased 1.07 times Besides, GGBS resulted

a reduction in the strain capacity at both the first crack and the post crack

- In an entire fracture energy of SFRCs under direct tension, the order of partial energies in term of their contribution was ranked as follows: the elastic fracture energy (2-8%) < the hardening fracture energy (16-56 %) < the localized fracture energy (38-82 %)

5 Products:

01 SCI paper (01 SCI paper was proposed in the project)

link https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983681933210X?

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The research results provide useful information for civil engineers and researchers who would like to apply or develop MSFRCs as a smart construction materials with high self damage–sensing capacity in stress/strain or damage/cracks for structural health monitoring during long-term service The study results can also be used for postgraduate training and research

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Bê tông là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong ngành xây dựng với các ưu điểm là dễ tạo hình, dùng được nguồn vật liệu địa phương, giá thành thường thấp hơn vật liệu thép hình Kết cấu dầm bê tông cốt thép (BTCT) có độ cứng và ổn định tốt hơn dầm thép, ít chịu ảnh hưởng xung kích Tuy nhiên nhược điểm của bê tông truyền thống

là tính dòn, khả năng chịu cắt và kéo kém nên thường bị nứt dẫn đến thấm nhập nước và khí ăn mòn cốt thép và bê tông, giảm tuổ thọ công trình Bê tông tính năng cao cốt sợi (ultra-high-performance concrete, UHPFRC hoặc high-performance concrete, HPFRC) được phát triển những năm gần đây có tính năng vượt trội so với bê tông truyền thống như cường độ nén cao (UHPFRC đạt cường độ nén trên 150 MPa, HPFRC nén trên 90 MPa), cường độ kéo đạt trên 10 MPa nhờ cốt sợi liên kết các vết nứt, khả năng chịu biến dạng và độ bền rất cao [1-11] Bê tông tính năng cao được ứng dụng ngày một rộng rãi, một số công trình cầu ở Hàn Quốc, Hoa Kỳ và Canada đã dùng bê tông tính năng cao cho toàn cấu kiện như dầm cầu, bản mặt cầu… Hình 1-1 mô tả cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ dùng vật liệu UHPFRC [12]

Hình 1-1 Cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ

Ngoài khả năng chịu cơ học lớn, gần đây cả UHPFRC lẫn HPFRC được phát hiện có tính chất thông minh là khả năng tự cảm biến [5-7] để phục vụ quan trắc sức khỏe công trình Trong khai thác và quản lý các công trình lớn (cầu lớn, cao ốc…), công tác quan trắc sức khỏe công trình rất quan trọng vì giúp đánh giá khả năng chịu tải hiện tại của kết cấu sau một thời gian khai thác, từ đó có biện pháp duy tu, nâng cấp hay hạn chế tải trọng tránh sụp đổ công trình [13]

Hình 1-2 Sơ đồ bố trí sensor quan trắc sức khỏe cầu dây văng [ 14 ]

Phương cách quan trắc sức khỏe công trình truyền thống là dùng hệ thống cảm biến (sensor) chôn hay gắn vào kết cấu, ví dụ Hình 1-2 mô tả sơ đồ bố trí sensor để quan trắc sức khỏe cầu dây văng; phương pháp này có những nhược điểm là giá thành cao, tuổi thọ không cao, việc chôn các sensor vào kết cấu cũng làm giảm khả năng chịu tải của công trình Vật liệu thông minh tự cảm biến giúp khắc phục được những nhược điểm này Khả năng tự cảm biến của vật liệu HPFRC phụ thuộc nhiều vào loại cốt sợi trộn vào [5], vào hàm lượng cốt sợi [6] hay loại bê tông nền [7] Mặc dù đã có những nghiên cứu ban đầu về tính tự cảm biến của bê tông tính năng cao, tuy nhiên vẫn cần những hiểu biết sâu rộng về tính chất thông minh này để áp dụng phù hợp

Trong nước, tác giả đề tài này cũng có một số báo cáo ban đầu [15,16] về phát triển tính

tự cảm biến của bê tông tính năng cao Đề tài này là bước tiếp theo nghiên cứu sâu hơn tính tự cảm biến trong giai đoạn đàn hồi, so sánh với giai đoạn tăng cứng cơ học Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho các độc giả, các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này

1.2 Tính cấp thiết

Quan trắc sức khỏe công trình (structural health monitoring) là một trong những công việc quan trọng trong quản lý - khai thác công trình Kết quả quan trắc sức khỏe công trình cung cấp thông tin hữu ích về ứng xử, khả năng khai thác phục vụ của công trình thời điểm hiện tại; từ đó, các hạng mục kết cấu công trình có thể được đề xuất giảm tải

Theo phương pháp truyền thống, việc quan trắc sức khỏe công trình được thông qua các cảm biến (sensor) gắn hay chôn sẵn vào kết cấu Phương pháp này có nhược điểm là chi phí cao, tuổi thọ các cảm biến thấp, việc chôn vào kết cấu cũng ảnh hưởng ít nhiều đến khả năng chịu tải của cấu kiện Bê tông tính năng cao (high performance fiber reinforced concretes – HPFRC) được biết đến là một trong những vật liệu xây dựng triển vọng trong tương lai với các tính chất ưu việt như cường độ cao, độ bền cao, kháng nứt cao so với bê tông truyền thống Hơn thế, ngoài khả năng kháng cơ học cao, HPFRC bước đầu được phát hiện có một số tính chất thông minh như tự hàn vết nứt (self healing, mô tả ở Hình 1-3), tự cảm biến hư hỏng (self damage-sensing, mô tả ở Hình 1-4), tự đầm lèn (self compacting, mô tả ở Hình 1-5) do có độ linh động lớn với đường kính sụt tới 70

cm [17]

Cơ chế của tính tự cảm biến hư hỏng được diễn giải như sau: ứng suất, biến dạng, nứt của HPFRC có mối liên hệ với điện trở suất (electrical resistivity), do vậy xác định điện trở suất có thể xác định các thông số cơ học nêu trên Đề tài nghiên cứu muốn phát triển tính tự cảm biến của HPFRC, kết quả nghiên cứu đóng góp cho việc ứng dụng tính chất thông minh của HPFRC trong việc phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng hướng đến sự bền vững, các đô thị thông minh

1.3 Mục tiêu

Thông qua chế tạo, thí nghiệm và phân tích, tác giả nghiên cứu ứng xử và phát triển tính

tự cảm biến của bê tông tính năng cao (SFRCs) dưới tải trọng kéo trực tiếp

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Bê tông tính năng cao dưới tải kéo trực tiếp

Hình 1-3 Minh họa quá trình tự hàn vết nứt của HPFRCs

Hình 1-4 Mối quan hệ giữa ứng suất-biến dạng – điện trở suất của HPFRCs

Hình 1-5 Đường kính sụt của HPFRCs lên đến 60-70 cm cho phép tự đầm lèn

1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cách tiếp cận

Thực nghiệm

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Chế tạo và thí nghiệm mẫu kéo trực tiếp

- Phân tích tính tự cảm tại vết nứt đầu (first crack, thời điểm bắt đầu xuất hiện nứt) và vết nứt cuối (post crack, thời điểm kết thúc xuất hiện nứt) khi thay thế một phần xi măng bằng CB hay GGBS

- Phân tích đánh giá năng lượng phá hủy của các bê tông tính năng cao

- Các khuyến nghị được đúc kết

1.6 Nội dung nghiên cứu

 Tìm hiểu và tổng hợp tính năng cơ-lý cùng tính năng tự cảm biến của bê tông tính năng cao

 Chế tạo và thí nghiệm mẫu

 Phân tích, kết luận

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM

2.1 Sơ đồ thí nghiệm

Toàn bộ thí nghiệm và nhiệm vụ nghiên cứu được hoạch định để tìm hiểu ứng xử điện trở suất (electrical resistivity behaviors) và ứng xử kéo – cảm biến (electro-tensile behaviors) của vật liệu bê tông tính năng cao cốt sợi thép (Steel fiber-reinforced concretes, SFRCs), đây là một dạng cụ thể của HPFRCs Hình 2-1 thể hiện sơ đồ thí nghiệm trong nghiên cứu này

Có 4 nhiệm vụ trong nghiên cứu đề tài:

1) Tìm hiểu ứng xử kéo - cảm biến (electro-tensile behaviors) của vữa bê tông SFRCs không sợi

2) Đánh giá độ nhạy của các loại cốt sợi thép thêm vào đến ứng xử kéo - cảm biến của các SFRCs

Trong nhiệm vụ này, cốt sợi để so sánh gồm có:

i) không có sợi thêm vào (đối chứng);

ii) 1.5 vol.% sợi xoắn to (macro twisted fibers, T30/0.3);

iii) 1.5 vol.% sợi phẳng to (macro smooth fibers, S30/0.3);

iv) 1.5 vol.% sợi móc to (macro hooked fibers, H30/0.375);

v) 1.5 vol.% sợi xoắn vừa (meso twisted, T20/0.2);

vi) 1.5 vol.% sợi phẳng vừa (meso smooth fibers, S19/0.2);

vii) 1.5 vol.% sợi phẳng nhỏ (micro smooth fibers, S13/0.2)

3) Tìm hiểu ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi thép thêm vào đến ứng xử kéo – cảm biến của SFRCs

Trong nhiệm vụ này, sợi thép sử dụng là xoắn to (T30/0.3) có hàm lượng thay đổi như sau: 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%

4) Phát triển tính tự cảm biến của SFRCs bằng cách thay một phần xi măng bằng muội than đen (CB) hay xỉ lò cao (GGBS)

Trong nhiệm vụ này, lượng thay thế xi măng lần lượt là 1% và 25% tương ứng với trường hợp dùng muội than đen và xỉ lò cao

5) Đánh giá năng lượng phá hủy của các SFRCs nghiên cứu dưới tải trọng kéo

1.5 vol% S13/0.21.5 vol% S19/0.21.5 vol% T20/0.21.5 vol% H30/0.3751.5 vol% S30/0.31.5 vol% T30/0.3

2.0 vol% T30/0.31.5 vol% T30/0.30.5 vol% T30/0.3

Effect of fiber type Effect of plain matrix

Effect of  fiber content

Effect of matrix

M1-0.5

M1-1.5M1-2.0

(*) (*)

Bảng 2-1 Thành phần vữa bê tông theo khối lượng và cường độ nén

Cát trắng

Tro bay

Phụ gia hóa dẻo CB GGBS Nước

Giá trị trong ngoặc đơn là độ lệch chuẩn

Cường độ nén dùng mẫu lăng trụ kích thước 100x200 mm

Hỗn hợp vật liệu được trộn bằng máy trộn cưỡng bức có dung tích thùng trộn 20 lít Xi măng, cát, silica fume, tro bay và muội than đen (hoặc xỉ lò cao) được trộn khô trong khoảng 10 phút, sau đó nước được thêm vào và trộn tiếp khoảng 5 phút Phụ gia siêu dẻo được bổ sung từ từ thêm vào từng đợt để có thể điều chỉnh đạt độ dẻo phù hợp Sau

đó sợi thép được cho vào trộn đều Mẫu vữa được dưỡng hộ 14 ngày trong nước 25 °C, sau đó mẫu được vớt ra làm khô khoảng 12 giờ trong lò sấy ở nhiệt độ 70 °C Tất cả mẫu được thí nghiệm ở tuối 18 ngày

(a) Muội than đen (CB)

(b) Xỉ lò cao (GGBS)

Hình 2-2 Vật liệu muội than đen và xỉ lò cao

(a) Xoắn to (T30/0.3)

(b) Phẳng to (S30/0.3)

(c) Móc to (H30/0.375)

(d) Xoắn vừa (T20/0.2)

(e) Phẳng vừa (S19/0.2)

(f) Phẳng nhỏ (S13/0.2)

Hình 2-3 Hình chụp các loại sợi thép sử dụng trong nghiên cứu

Bảng 2-2 Tính chất cơ lý của các loại sợi thép

Đường kính (mm)

Chiều dài (mm)

Tỉ lệ hình dạng (L/D)

Cường

độ kéo đứt (MPa)

* Đường kính tương đương, † Cường độ kéo của sợi thép sau khi xoắn

Khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của tất cả các sợi lần lượt là 7.9 g/cc và 200 GPa

  R A

Trong đó A là diện tích mặt cắt; L là chiều dài hoạt động (gauge length) của mẫu, R là

điện trở và ρ là điện trở suất

Hình 2-4 Kích thước mẫu kéo

Hình 2-6 thể hiện ứng xử kéo-cảm biến điển hình của SFRC có tăng cứng cơ học (strain hardening) Trong đó đường nét liền thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong khi đường nét đứt thể hiện mối quan hệ điện trở suất tương đối – biến dạng Giá trị ρ/ρ0, điện trở suất tương đối, lớn ở giai đoạn đầu sau đó giảm dần; qua khỏi vết nứt sau cùng, điện trở suất tương đối đi ngang (không thay đổi) Hệ số cảm biến (gauge factor, GF) được dùng để đánh giá khả năng cảm biến của vật liệu Hệ số cảm biến trung bình trong phạm vi vết nứt đầu (GF cc ) và trong phạm vi vết nứt cuối (GF pc ) thể hiện qua phương trình (2)

Unit: mm Tensile specimen

Hình 2-5 Thiết lập thí nghiệm kéo có máy cảm biến đo điện trở 

(cc ,cc )

Tăng cứng phi tuyến

Tuyến tính

Chưa xuất hiện vết nứt

Đàn hồi tuyến tính

Localized fracture energy: G lc

Hardening Fracture energy: G hd

Post crack First crack

Elastic fracture energy: G el

Stopped point

in testing

Hình 2-7 Định nghĩa các năng lượng thành phần của SFRC có tăng cứng cơ học

Hình 2-7 định nghĩa các năng lượng thành phần của SFRC có tăng cứng cơ học như sau:

- Năng lượng đàn hồi (elastic fracture energy, ký hiệu Gel) là phần diện tích dưới đường

cong quan hệ ứng suất-chuyển vị trong giai đoạn đàn hồi và được tính bởi phương trình

(4) Năng lượng đàn hồi biểu thị năng lượng cần thiết để kéo dài mẫu từ 0 đến δcc

- Năng lượng tăng cứng cơ học (hardening fracture energy, ký hiệu Ghd) là phần diện tích

dưới đường cong quan hệ ứng suất-chuyển vị trong giai đoạn tăng cứng cơ học (strain

hardening) với sự sinh ra các vi nứt và được tính bởi phương trình (5) Năng lượng tăng

cứng cơ học biểu thị năng lượng cần thiết để kéo dài mẫu từ δcc đến δpc

- Năng lượng mở rộng nứt (localized fracture energy, ký hiệu Glc) là phần diện tích dưới

đường cong quan hệ ứng suất-chuyển vị trong giai đoạn giảm cứng cơ học (strain

softening) và được tính bởi phương trình (6) Năng lượng mở rộng nứt biểu thị năng

lượng cần thiết để kéo đứa lìa mẫu từ δpc đến δu (tương ứng với ứng suất bằng 0) Do

đường cong quan hệ ứng suất-chuyển vị thường dừng trước δu nên đường nét đứt dự báo

kéo dài được dựng trên cơ sở tiếp tuyến với điểm dừng (đường nét đứt trên Hình 2-7)

- Tổng năng lượng đàn hồi và năng lượng tăng cứng cơ học gọi là công đến đỉnh phá

hủy (specific work-to-fracture, ký hiệu Gwork) và được tính theo phương trình (7) Công

đến đỉnh phá hủy biểu thị năng lượng cần thiết để kéo dài mẫu từ 0 đến δpc

- Tổng năng lượng phá hủy (total fracture energy, ký hiệu Gtotal) của một mẫu kéo được

Trong đó L là chiều dài đo; cc và pc lần lượt là độ dãn dài của mẫu kéo tại vết nứt đầu và vết

nứt cuối với cc cc/L và pc pc/L là biến dạng các điểm này

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tìm hiểu ứng xử kéo - cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi

Hình 3-1 thể hiện ứng xử kéo- cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi Theo đồ thị này thấy ứng xử kéo phá hoại dòn, đường cong biểu đồ rơi đột ngột khi đến đỉnh Điện trở suất gần như không đổi dưới tải trọng kéo và cũng kết thúc đột ngột khi phá hoại Bảng 3-1 cung cấp thông số ứng xử kéo- cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi

Các giá trị của cc ,cc và cc lần lượt là 2.53 MPa, 0.025 % and 392.33 k

Hình 3-1 Ứng xử kéo- cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi

Bảng 3-1 Thông số ứng xử kéo- cảm biến của vữa bê tông SFRCs không sợi

Tại vết nứt đầu

Sức kháng cơ học tại vết nứt đầu Khả năng cảm biến tại vết nứt đầu

M1-0.0 (0.003) 0.025 (0.44) 2.53 (48.79) 392.33 100

3.2 Đánh giá độ nhạy của các loại cốt sợi thép thêm vào đến tính cảm biến khi kéo của các SFRCs

Hình 3-2 thể hiện ứng xử kéo – cảm biến của các SFRCs chứa 1.5 % sợi thép trộn vào Tất cả loại SFRCs theo Hình 3-2 đều thể hiện khả năng tự cảm biến và ứng xử tăng cứng cơ học đi liền với các vi nứt Bảng 3-2 cung cấp các thông số ứng xử kéo- cảm biến của SFRCs Hình 3-3 thể hiện so sánh theo sơ đồ cột các thông số: điện trở suất tương đối ( / 0), hệ số cảm biến (GF), cường độ kéo ( ) và biến dạng () Về hệ số cảm biến, T20/0.2 tạo GF cc và GF pc cao nhất trong khi H30/0.375 và S13/0.2 tạo GF cc

và GF pc thấp nhất Thứ tự của GF cc như sau: T20/0.2 (765.71) > T30/0.3 (511.32) >

S19/0.2 (421.96) > S30/0.3 (380.45) > S13/0.2 (325.82) > H30/0.375 (309.47) Thứ tự của GF pc: T20/0.2 (139.68) > T30/0.3 (138.09) > S30/0.3 (99.85) > S19/0.2 (99.70) > H30/0.375 (88.50) > S13/0.2 (52.90) GFcc cao hơn GFpc rất nhiều, 5-6 lần Nguyên do

là đường cong quan hệ điện trở suất tương đối – biến dạng có độ dốc lớn trong giai đoạn đàn hồi và biến dạng cc << pc

Về cường độ kéo, thứ tự thu thập được cho cc (MPa) như sau: T20/0.2 (6.06) > T30/0.3

(4.86) > S30/0.3 (4.32) > S19/0.2 (4.15) > H30/0.375 (3.94) > S13/0.2 (3.25) Mặc dù

về lý thuyết, cc sẽ bằng ứng suất của vữa không sợi, tụy nhiên thực tế cc của SFRCs

có sợi thép cao hơn nhiều cường độ kéo của vữa bê tông không sợi (2.53 MPa), khoảng 1.28-2.4 lần Nguyên do có thể lý giải là nhờ cơ chế chằng vết nứt của sợi thép trong việc kìm chế sinh ra vết nứt đầu, xem mô tả ở Hình 3-4

Về khả năng chịu biến dạng, cc biến thiên từ 0.016 % đến 0.027 % trong khi pc biến thiên từ 0.33 % đến 0.55 % tùy theo loại cốt sợi, tức là pc cao hơn cc từ 17 đến 34 lần

Về tổng quan, T20/0.2 vừa tạo khả năng kháng cơ học và khả năng tự cảm biến tốt nhất,

cả tại vết nứt đầu và vết nứt cuối

(a) T30/0.3, biến dạng đến vết nứt đầu

(b) T30/0.3, biến dạng đến vết nứt cuối

(c) S30/0.3, biến dạng đến vết nứt đầu

(d) S30/0.3, biến dạng đến vết nứt cuối