(Đề tài NCKH) 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 NĂ

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

MÃ SỐ:

T2019-SKC006777

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

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ VÀ PHÁT TRIỂN TÍNH

TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO

Mã số: T2019-78TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm

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

Mã số: T2019-78TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 Nguyễn Duy Liêm Khoa Xây Dựng,

Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

MỤC LỤC

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

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

Direct currentPercentage of volume fractionPercentage of weight fractionCarbon black

Ground granulated blast furnace slagDirect current

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 2-1 Sơ đồ thí nghiệm

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

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

Hình 2-4 Kích thước mẫu kéo

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

Hình 2‐6 Biểu đồ ứng xử kéo‐cảm biến điển hình của SFRC có tăng cứng cơ học

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

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

Hình 3‐2 Ứng xử kéo‐ cảm biến của SFRCs dùng các loại sợi khác nhau nhưng cùng hàm lượng 1.5 % theo thể tích

Hình 3‐3 Ảnh hưởng của các loại cốt sợi đến thông số ứng xử kéo‐ cảm biến của

SFRCs dùng hàm lượng 1.5 % theo thể tích

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

Hình 3‐9 Mô tả ứng xử vết nứt quan sát được của bê tông M1, M2, M3

Hình 3‐10 Đường cong được giản đơn hóa mô tả ứng xử kéo ‐ cảm biến của các

SFRCs tăng cứng cơ học

Hình 3‐11 So sánh năng lượng phá hủy của các SFRCs nghiên cứu

Hình 3‐12 Đánh giá năng lượng phá hủy của các SFRCs 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 biế n 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 x ử kéo- cảm biến của SFRCs dùng sợi móc to với hàm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ: KHOA XÂY DỰNG

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 tựcảm biến của chúng dưới tải trọng kéo trực tiếp, ngoài ra tác giả phân tích chi tiết, đánh giánăng 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 sốcảm biến tăng 2.1 lần tại vết nứt đầu, tăng 1.67 lần tại vết nứt cuối Ngoài ra, muội than đen cũngnhư làm tăng cường độ kéo: tại vết nứt đầu tăng 1.01, tại vết nứt cuối tăng 1.07 lần Tuy nhiên, muộithan 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 caocũng như làm tăng cường độ kéo: tại vết nứt đầu tăng 1.15 lần, tại vết nứt cuối tăng 1.03lần Xỉ lò cao làm giảm biến dạng tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt cũng như tại thờiđiểm 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 lệmức 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 rộngvết nứt (38-82 %)

Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin h ữu ích cho các kỹ sư xây dựng và các nhà khoahọc phát triển và áp dụng bê tông tính năng cao như một vật liệu xây dựng thông minh cókhả năng tự cả m bi ến ứng suất/biến dạng hay hỏng hóc/nứt phục vụ quan trắc s ức khỏecông trình trong quá trình khai thác Kết quả nghiên cứu cũng có thể chuyển giao thành tàiliệu đào tạo cao học, nghiên cứu sinh.

(ký, họ và tên)

TS Nguyễn Duy Liêm

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

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

Code number: T2019-78TĐ

Coordinator: Nguyễn Duy Liêm

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and EducationDuration: 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-sensingcapacity of steel fiber-reinforced concretes under direct tension Besides, the authorexplored then evaluated the fracture energy of steel fiber-reinforced concretes in detailduring 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 cementreplacement 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 timesand the post gauge factor increased 1.07 times Besides, GGBS resulted a reduction in the straincapacity at both the first crack and the post crack

- In an entire fracture energy of SFRCs under direct tension, the order of partial energies interm of their contribution was ranked as follows: the elastic fracture energy (2-8%) < the hardeningfracture 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 whowould like to apply or develop MSFRCs as a smart construction materials with high selfdamage–sensing capacity in stress/strain or damage/cracks for structural health monitoringduring long-term service The study results can also be used for postgraduate training andresearch

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 liệuthép 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 mòncốt 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 pháttriển những năm gần đây có tính năng vượt trội so với bê tông truyền thống như cường độnén cao (UHPFRC đạt cường độ nén trên 150 MPa, HPFRC nén trên 90 MPa), cường độkéo đạt trên 10 MPa nhờ cốt sợi liên kết các vết nứt, khả năng chịu biến dạng và độ bềnrất cao [1-11] Bê tông tính năng cao được ứng dụng ngày một rộng rãi, một số công trìnhcầu ở Hàn Quốc, Hoa Kỳ và Canada đã dùng bê tông tính năng cao cho toàn cấu kiện nhưdầm cầu, bản mặt cầu… Hình 1-1 mô tả cầu Wapello County, Iowa, Hoa Kỳ dùng vật liệuUHPFRC [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 tínhchất 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 sứckhỏe công trình rất quan trọng vì giúp đánh giá khả năng chịu tải hiện tại của kết cấu saumột thời gian khai thác, từ đó có biện pháp duy tu, nâng cấp hay hạn chế tải trọng tránhsụp 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 trắcsức khỏe cầu dây văng; phương pháp này có những nhược điểm là giá thành cao, tuổi thọkhông cao, việc chôn các sensor vào kết cấu cũng làm giảm khả năng chịu tải của côngtrình Vật liệu thông minh tự cảm biến giúp khắc phục được những nhược điểm này Khảnăng tự cảm biến của vật liệu HPFRC phụ thuộc nhiều vào loại cốt sợi trộn vào [5], vàohàm 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 hơntính tự cảm biến trong giai đoạn đàn hồi, so sánh với giai đoạn tăng cứng cơ học Kết quảnghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho các độc giả, các nhà nghiên cứu về lĩnh vựcnày

1.2 Tính cấp thiết

Quan trắc sức khỏe công trình (structural health monitoring) là một trong những côngviệc quan trọng trong quản lý - khai thác công trình Kết quả quan trắc sức khỏe côngtrình cung cấp thông tin hữu ích về ứng xử, khả năng khai thác phục vụ của công trìnhthời 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 cáccảm biến (sensor) gắn hay chôn sẵn vào kết cấu Phương pháp này có nhược điểm là chiphí cao, tuổi thọ các cảm biến thấp, việc chôn vào kết cấu cũng ảnh hưởng ít nhiều đếnkhả năng chịu tải của cấu kiện Bê tông tính năng cao (high performance fiber reinforcedconcretes – HPFRC) được biết đến là một trong những vật liệu xây dựng triển vọng trongtương lai với các tính chất ưu việt như cường độ cao, độ bền cao, kháng nứt cao so với bêtông truyền thống Hơn thế, ngoài khả năng kháng cơ học cao, HPFRC bước đầu đượcphát 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 (selfcompacting, 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 củaHPFRC có mối liên hệ với điện trở suất (electrical resistivity), do vậy xác định điện trởsuất 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 thôngminh 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 1-4 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 vếtnứt cuối (post crack, thời điểm kết thúc xuất hiện nứt) khi thay thế một phần xi măng bằng CBhay 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 trởsuất (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 cứunày

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 trườnghợp dùng muội than đen và xỉ lò cao

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

M1 control

No fiber 1.5 vol% T30/0.3 1.5 vol% S30/0.31.5 vol% H30/0.3751.5 vol% T20/0.2 1.5 vol% S19/0.21.5 vol% S13/0.2 0.5 vol% T30/0.3 1.0 vol% T30/0.3 1.5 vol% T30/0.32.0 vol% T30/0.3

(*)

Effect of plain matrix

Effect of fiber type

Electro tensile behavior and ‐tensile behavior and

1.5vol%H30/0.375 (*) Effect of matrix

(*) Experimental test conducted in this study

Hình 2-1 Sơ đồ thí nghiệm

2.2 Vật liệu và đúc mẫu

Bảng 2-1 cung cấp thành phần cấp phối 3 loại vữa bê tông tính năng cao sử dụng gồm:cấp phối đối chứng (M1), cấp phối dùng muội than đen thay thế 1% khối lượng xi măng(M2), cấp phối dùng xỉ lò cao thay thế 25% khối lượng xi măng (M3) Cường độ nén của

3 loại vữa bê tông (không có cốt sợi) lần lượt là 89 MPa (M1), 92 MPa (M2) và 109 MPa(M3) Hình 2-2 thể hiện ảnh chụp vật liệu muội than đen và xỉ lò cao sử dụng trongnghiên cứu Hình 2-3 thể hiện ảnh chụp các loại cốt sợi trong khi Bảng 2-2 cung cấpthông tin về tính chất vật lý của cốt sợi Cát sử dụng trong nghiên cứu là cát mịn, đườngkính hạt từ 0.15 đến 0.7 mm

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

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 Ximăng, cát, silica fume, tro bay và muội than đen (hoặc xỉ lò cao) được trộn khô trongkhoảng 10 phút, sau đó nước được thêm vào và trộn tiếp khoảng 5 phút Phụ gia siêu dẻođược bổ sung từ từ thêm vào từng đợt để có thể điều chỉnh đạt độ dẻo phù hợp Sau đó sợithép được cho vào trộn đều Mẫu vữa được dưỡng hộ 14 ngày trong nước 25 °C, sau đómẫu được vớt ra làm khô khoảng 12 giờ trong lò sấy ở nhiệt độ 70 °C Tất cả mẫu đượcthí 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 Chiều Tỉ lệ hình Cường Điệ n trở suất

đứt(mm) (mm) (L/D)

(MPa)T30/0.3

Sợi phẳ ng vừa

Sợi phẳng nhỏ

* 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.

Hình 2-4 thể hiện kích thước mẫu kéo, mẫu có hình dạng quả tạ với tiết diện đoạn làmviệc 50 × 25 mm2, dài 100 mm Việc gia công, chuẩn bị mẫu để có thể đo điện trở được

mô tả chi tiết trong [5,6] Hình 2-5 thể hiện thiết lập thí nghiệm kéo-cảm biến, điều kiện

thí nghiệm trong phòng có nhiệt độ 25 3 °C và độ ẩm 50 6% Điện trở đo được R sau đó

được quy ra điện trở suất ρ (electrical resistivity) bằng công thức (1):

11

A L

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 (strainhardening) Trong đó đường nét liền thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong khiđường nét đứt thể hiện mối quan hệ điện trở suất tương đối – biến dạng Giá trị ρ/ρ0, điệntrở suất tương đối, lớn ở giai đoạn đầu sau đó giảm dần; qua khỏi vết nứt sau cùng, điệntrở suất tương đối đi ngang (không thay đổi) Hệ số cảm biến (gauge factor, GF) đượcdùng 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)

và (3)

R R0 R0 R cc R0 R0 R cc

GF

(2)

12

13

Hardening Fracture energy: G hd

Elastic fracture energy: G el Localized fracture energy: G lc

Stopped point

in testing

Tangent as

C ra ck Localization

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

14

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 congquan 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 dướiđường 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 thịnăng 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 dướiđường cong quan hệ ứng suất-chuyển vị trong giai đoạn giảm cứng cơ học (strain softening) vàđược tính bởi phương trình (6) Năng lượng mở rộng nứt biểu thị năng lượng cần thiết để kéo đứalìa mẫu từ δpc đến δu (tương ứng với ứng suất bằng 0) Do đường cong quan hệ ứng suất-chuyển vịthường dừng trước δu nên đường nét đứt dự báo kéo dài được dựng trên cơ sở tiếp tuyến với điểmdừng (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 pháhủy 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 tính theo phương trình (8)

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

Sức kháng cơ học Khả năng cảm biến tại vết

cc

Spe1 0.025 2.10 336.00 100 Spe2 0.027 2.97 420.00 100 Spe3 0.022 2.53 421.00 100

17

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 củaSFRCs Hình 3-3 thể hiện so sánh theo sơ đồ cột các thông số: điện trở suất tương đối ( /

tạo GF cc và GFpc cao nhất trong khi H30/0.375 và S13/0.2 tạo GF cc và GFpc 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 GFpc : 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 trởsuất 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 sợithép cao hơn nhiều cường độ kéo của vữa bê tông không sợi (2.53 MPa), khoảng 1.28-2.4lần Nguyên do có thể lý giải là nhờ cơ chế chằng vết nứt của sợi thép trong việc kìm chếsinh 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 tổngquan, T20/0.2 vừa tạo khả năng kháng cơ học và khả năng tự cảm biến tốt nhất, cả tại vếtnứt 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