Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của 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" nhằm xây dựng mô hình hồi quy và mô hình mạng ANN 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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 ngành: 9520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2021
Công trình này được hoàn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lê Cung 2. TS. Nguyễn Đình Sơn Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng vào hồi ……giờ, ngày ……. tháng …… năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin Học liệu và thư viện Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
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, 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 phế phẩm 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 phế phẩm 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 Hiện nay, có hai phương pháp xác định cường độ chịu nén bê tông là phương pháp kiểm tra phá hủy và phương pháp kiểm tra không phá hủy. Phương pháp kiểm tra phá hủy cho kết quả trực tiếp, tuy nhiên sẽ phá hủy mẫu thử. Phương pháp kiểm tra không phá hủy vẫn dự đoán được cường độ chịu nén mà không gây ảnh hưởng đến mẫu thử. Tuy 1
nhiên, cả hai phương pháp này đều chỉ xác định được cường độ chịu nén bê tông thành phẩm, không thể dự đoán cấp phối bê tông cũng như tỉ lệ vật liệu thay thế để đảm bảo cường độ chịu nén yêu cầu của bê tông. Nhiều nghiên cứu với các vật liệu mới sử dụng các mô hình hồi quy (tuyến tính, phi tuyến, đơn biến, đa biến) và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) 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. Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén cho bê tông sử dụng hai phế phẩm này là một vấn đề cần thiết. Trong quá trình sử dụng các vật liệu thay thế, 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 hai 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), phương pháp xác định thời gian của sự lan truyền nhiễu xạ (Time of Flight Diffraction Method-TOFD), phương pháp lan truyền sóng bề mặt (Surface Wave Transmission Method) và phương pháp siêu âm khuếch tán (Diffusion Method). Vì vậy, để nghiên cứu đánh giá vết nứt, cần nghiên cứu và mô phỏng sự lan truyền sóng trong bê tông, 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. 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 hai phế phẩm 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 2
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 khuyết tật (vết nứt, lỗ trống…). • Xây dựng mô hình hồi quy và mô hình mạng ANN 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: Cường độ chịu nén của bê tông, hệ số cản Rayleigh của bê tông và chiều sâu vết nứt trong bê tông. • Phạm vi nghiên cứu của đề tài: 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, giả thiết bê tông là vật liệu đàn đồi, đồng nhất và đẳng hướng, và mô hình lan truyền hai chiều 2D. o Vết nứt mở vuông góc với bề mặt bê tông. 4. Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu lý thuyết: o Nghiên cứu mô hình toán học quá trình lan truyền sóng trong vật liệu 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, có xét đến 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 3
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 để 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, 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 ANN. 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 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 TOFD, từ đó kiểm chứng kết quả mô phỏng số và phương pháp xác định chiều sâu vết nứt. 5. 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 4
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, khối lượng riêng, mô-đun đàn hồi của bê tông, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm 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 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. Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Qua phân tích và tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước, có hai phương pháp chính để mô phỏng sự lan truyền của sóng trong vật liệu bê tông đó là phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Từ việc phân tích những ưu và nhược điểm của hai phương pháp, phương pháp PTHH phù hợp với một trong những yêu cầu đặt ra của đề tài nghiên cứu, đó là mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông. Tuy nhiên, khó khăn lớn mà các nghiên cứu hiện nay đang gặp phải khi sử dụng phương pháp PTHH nhằm mô phỏng sự lan truyền sóng, đó là việc xác định ma trận cản. Trong số nhiều lý thuyết về giảm chấn, mô hình Rayleigh là phù hợp để xác định ma trận cản. Các hệ số Rayleigh được xác định thông qua thực nghiệm ứng với các trường hợp cụ thể của đối tượng bê tông được nghiên cứu. Đối với việc dự đoán cường độ chịu nén của bê tông, các nghiên cứu trong nước thường xây dựng biểu đồ mối quan hệ cường độ chịu nén (R) theo hai tham số vận tốc xung siêu âm (UPV) và trị số súng bật nảy 5
bê tông (n). Trong khi đó, cường độ chịu nén còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, do vậy các mô hình dự đoán này không chính xác so với mô hình đa biến với nhiều tham số đầu vào. Hiện nay, hai mô hình hồi quy và mô hình mạng ANN được sử dụng rộng rãi để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước thực hiện theo hướng này. Phân tích tổng quan cho thấy mô hình ANN có độ chính xác rất cao. Tuy nhiên khi sử dụng các mô hình này, việc chọn các tham số đầu vào cho mô hình là rất quan trọng và quyết định đến độ chính xác của kết quả dự đoán. Có nhiều phương pháp khác nhau để dự đoán chiều sâu vết nứt sử dụng sóng siêu âm, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm. Đối với phương pháp tác động tiếng vang, giá trị tần số đỉnh fT cho mỗi vết nứt là khác nhau và không có quy luật cụ thể nào. Phương pháp lan truyền sóng bề mặt yêu cầu phải thỏa mãn điều kiện tỉ lệ chiều sâu vết nứt h so với bước sóng λ lớn hơn hoặc bằng 1,5 ( h/  1,5) và phải thỏa mãn yêu cầu diện tích không gian đủ lớn trên bề mặt để thiết lập được phép đo. Ngoài ra, do sóng bề mặt không thâm nhập quá sâu vào bên trong bê tông, nên phương pháp này thường chỉ phù hợp với các vết nứt nằm gần bề mặt bê tông. Hiện nay, phương pháp siêu âm khuếch tán và phương pháp TOFD được đánh giá là hai phương pháp có độ chính xác cao. Hai phương pháp này được các nghiên cứu sử dụng để xây dựng phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt trong các đối tượng bê tông khác nhau. Việc mô phỏng số được thực hiện để kiểm chứng lại phương pháp đã xây dựng và tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp và kết quả mô phỏng số. Trong đó, phương pháp TOFD là phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài. Thời gian lan truyền sóng sẽ được xác định từ thực nghiệm và đồng thời từ chương trình mô phỏng bằng phương pháp PTHH và các hệ số cản Rayleigh được xác định từ thực nghiệm trong Chương 3 của Luận án. Từ phân tích tổng quan nghiên cứu các vấn đề về mô hình hóa và mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm, dự đoán cường độ chịu nén và dự 6
đoán chiều sâu vết nứt, nghiên cứu đưa ra một số kết luận như sau: 1. Đối với việc mô phỏng lan truyền sóng siêu trong bê tông, phương pháp PTHH là phù hợp, kể cả khi mẫu bê tông có khuyết tật (vết nứt, lỗ trống…). Khó khăn của phương pháp PTHH là xác định ma trận cản khi sóng siêu âm lan truyền trong bê tông và mô hình giảm chấn Rayleigh là phù hợp để xác định ma trận cản này. Các hệ số cản Rayleigh của vật liệu bê tông nghiên cứu sẽ được xác định bằng phương pháp thực nghiệm trong Chương 3. 2. Đối với việc dự đoán cường độ chịu nén cho bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá, cần sử dụng mô hình đa biến. Trong mô hình đa biến, hai mô hình hồi quy tuyến tính đa biến và mô hình mạng ANN sử dụng, để có sự so sánh giữa hai mô hình, từ đó lựa chọn mô hình phù hợp nhất nhằm giải quyết nhiệm vụ đặt ra. 3. Đối với việc dự đoán chiều sâu vết nứt của bê tông mới sử dụng vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá, phương pháp TOFD là phù hợp. Đây là phương pháp có độ chính xác cao. Thời gian lan truyền sóng có thể được xác định từ mô phỏng số bằng phương pháp PTHH (có xét đến ma trận cản theo mô hình giảm chấn Rayleigh) và được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Chương 2: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM VÀ DỰ ĐOÁN CHIỀU SÂU VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG 2.1. Mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2.1.1. Xác định các ma trận đặc trưng của phương pháp PTHH 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: σij 2 u j + ρK j = ρ 2 (2.1) x i t 7
Trong đó: σij là ten xơ ứng suất,  là khối lượng riêng và u là chuyển vị. Với môi trường có kể đến ảnh hưởng của giảm chấn, định luật Hooke được thể hiện như sau: σij = cijmn ε mn + ηijmn ε mn (2.2) Trong đó: ɛmn là ten xơ biến dạng bé, cijmn là các hệ số đàn hồi và ηijmn là các hệ số cản của môi trường. Thay biểu thức (2.2) vào (2.1) và bỏ qua ảnh hưởng của lực khối: cijmn u m,nj + ηijmn u m,nj = ρu i (2.3) Sử dụng phương pháp PTHH, phương trình (2.3) được viết lại như sau: MQ(t) + CQ(t) + KQ(t) = F(t) (2.4) Trong đó: M, C, K, F là các ma trận khối lượng, ma trận giảm chấn, ma trận độ cứng và vectơ tải trọng tổng thể. Ma trận độ cứng K và ma trận khối lượng M của toàn bộ kết cấu được ghép nối từ các ma trận độ cứng và ma trận khối lượng của các phần tử: K =  TeT K e Te với K e =  B T DBdV (2.5) e Ve M =  T M e Te với M e =  N T ρNdV T e (2.6) e Ve Mô hình giảm chấn Rayleigh được sử dụng để xác định ma trận cản C theo Biểu thức sau: C = αM + βK (2.7) Trong đó: , β là các hệ số cản khối lượng và cản độ cứng Rayleigh. 2.1.2. Giải phương trình chuyển động bằng phương pháp tích phân số Newmark Dựa trên mô hình toán học của sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông, sử dụng phương pháp PTHH và thuật toán Newmark, chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng số hai chiều (2D) cho sự lan truyền của sóng siêu âm trong bê tông bằng công cụ toán học Matlab. Bê tông được giả thiết là môi trường vật rắn đàn hồi, đồng nhất trong bê tông và cốt liệu, trong lỗ trống, cốt thép. Sự suy 8
giảm biên độ sóng siêu âm khi lan truyền được xét đến thông qua ma trận giảm chấn Rayleigh, với các hệ số α và β được xác định cho từng cấp phối khác nhau dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm (Chương 3). Sóng siêu âm do cảm biến phát tạo ra được mô phỏng bằng kích thích dạng chuyển vị như sau: q = q 0 sin ( t ) ; dq / dt = q = v = .q 0 cos ( t ) ; (2.8) dv / dt = q =  .q 0 sin ( t ) 2 Trong đó, q: chuyển vị tại điểm phát sóng. 2.2. Kết quả mô phỏng số lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu 2.2.1. Mẫu khảo sát Các mẫu khảo sát hình lập phương cạnh 15cm như trên Hình 2.1. Hình ảnh lan truyền sóng qua các mẫu như trên Hình 2.2 và chuyển vị tại các điểm nhận sóng (điểm 1, điểm 2, điểm 3) thuộc mẫu 1 được thể hiện trên Hình 2.3. Kết quả mô phỏng cho ta hình ảnh trực quan về sự lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu bê tông và sự phù hợp với đặc tính lan truyền sóng. Các kết quả mô phỏng cho thấy: lỗ trống (mẫu 2) và vết nứt (mẫu 4) ngăn cản đáng kể sự lan truyền của sóng siêu âm đến điểm nhận sóng. Hình 2.1. Hình dạng các mẫu khảo sát 9
Hình 2.2. Lan truyền sóng siêu âm trong mẫu 2 và 4. Thời gian (μs) Hình 2.3. Giá trị chuyển vị tại điểm 1, 2 và 3 của mẫu 1. 2.2.2. Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua thực nghiệm Chương trình mô phỏng Matlab được kiểm chứng thực nghiệm bằng cách so sánh tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm khi qua mẫu 1 tại điểm 3 từ kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm. Kết quả chuyển vị uy tại điểm phát sóng như trên Hình 2.4a và chuyển vị tại điểm 3 thuộc mẫu 1 từ chương trình mô phỏng Matlab như trên Hình 2.4b. Kết quả tín hiệu sóng thu nhận được từ đo đạc thực nghiệm tại điểm 1 (phát sóng) và điểm 3 (nhận sóng) được như trên Hình 2.5. a) Sóng phát b) Sóng nhận Hình 2.4. Giá trị chuyển vị tại điểm 3 của mẫu 1 (Matlab) 10
a) Sóng phát b) Sóng nhận Hình 2.5. Giá trị chuyển vị tại điểm 3 của mẫu 1 (thực nghiệm) Tỉ lệ suy giảm biên độ dựa trên mô phỏng số: A2/A1=0,1225, dựa trên đo đạc thực nghiệm: A2/A1=2,557/20=0,1279. Kết quả cho thấy sự phù hợp cao giữa kết quả mô phỏng số và thực nghiệm, sai số về tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm khi đi qua mẫu bằng 4,2%. 2.3. Mô phỏng xác định chiều sâu vết nứt bê tông Mô hình khảo sát xác định chiều sâu vết nứt mở bê tông như trên Hình 2.6a. Kết quả mô phỏng cho thấy sóng được phát ra tại nguồn phát sẽ lan truyền và đến đỉnh của vết nứt, vị trí này giống như một nguồn phát thứ cấp tiếp tục phát sóng và lan truyền đến vị trí nhận sóng (Hình 2.6b). a) b) Hình 2.6. a) Mô hình khảo sát, b) Hình ảnh lan truyền sóng qua vết nứt Công thức xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông: D = (C p .t / 2) 2 − H 2 (2.9) Trong đó Cp là vận tốc lan truyền của sóng dọc (được xác định từ thực nghiệm), H là khoảng cách từ vị trí đặt đầu dò đến vết nứt, t là thời gian lan truyền sóng từ vị trí đầu phát đến đầu thu. Kết quả xác định được chiều sâu vết nứt từ mô phỏng là 7,5cm. 11
2.4. Kết luận Chương 2 Chương trình mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm là tro bay và bột đá được xây dựng cho trường hợp hai chiều với giả thiết bê tông là vật liệu đồng nhất, đàn hồi và đẳng hướng. Việc mô phỏng số được thực hiện cho 4 mẫu khảo sát: mẫu chuẩn, mẫu có khuyết tật (lỗ trống và vết nứt) và mẫu có cốt thép bên trong. Các đặc tính vật liệu bê tông đưa vào mô phỏng được đo đạc từ thực nghiệm. Kết quả mô phỏng số khá phù hợp với thực nghiệm. Chương trình mô phỏng được sử dụng để xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông và kết quả sai lệch là 7,1% so với thực tế. Sai lệch này là chấp nhận được. Sai lệch giữa mô phỏng và thực tế có thể do giả thiết vật liệu bê tông (vữa và xi măng) được xem như môi trường đồng nhất. Khó khăn trong bài toán mô phỏng là phải biết được các hệ số cản Rayleigh của vật liệu bê tông sử dụng tro bay và bột đá. Các hệ số này sẽ được xác định bằng phương pháp thực nghiệm đề xuất và được trình bày chi tiết trong Chương 3 của Luận án. Chương 3: THỰC NGHIỆM DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, HỆ SỐ CẢN RAYLEIGH VÀ CHIỀU SÂU VẾT NỨT CỦA BÊ TÔNG 3.1. Vật liệu thí nghiệm Dựa trên tham khảo các nghiên cứu và từ việc tham khảo số liệu thực tế tại các trạm trộn bê tông tại miền Trung, vật liệu thí nghiệm chế tạo bê tông được thể hiện như Bảng 3.1. Các chỉ tiêu cơ lý của các vật liệu thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất bê tông. Bảng 3.1. Lựa chọn vật liệu thí nghiệm Vật liệu Giá trị (%) Cát 80% Cốt liệu bé Bột đá 20% Cốt liệu lớn Đá dăm 100% Xi măng 80% Chất kết dính Tro bay 20% 12
3.2. Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông 3.2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén Hình 3.1. Các yếu tố chính ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông Cường độ chịu nén bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chính như Hình 3.1. Tất cả các yếu tố trong Hình 3.1 đều ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén của bê tông, tuy nhiên nếu đưa tất cả các yếu tố này vào cùng một mô hình thì bài toán sẽ rất phức tạp. Vì vậy, Luận án chỉ xét đến yếu tố cấp phối bê tông, các điều kiện khác được giả thiết thực hiện theo các điều kiện thường gặp. 3.2.2. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm 3.2.2.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm Tham khảo chỉ dẫn của Bộ xây dựng về lựa chọn cấp phối, thành phần vật liệu được chọn để bê tông đạt cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45. Dựa trên sự thay đổi của các vật liệu, các mức thay đổi vật liệu được thể hiện như Bảng 3.2. Số lượng cấp phối cần thiết thí nghiệm được xác định theo phương pháp thiết kế thực nghiệm đa yếu tố: 21×32×41=72 Từ quá trình phân tích như trên, một quy trình thực nghiệm để xác định cường độ chịu nén bê tông được xây dựng (Hình 3.2). Bảng 3.2. Vật liệu và các mức thay đổi hàm lượng của vật liệu Mức thay đổi Ký hiệu Vật liệu Số mức 1 2 3 4 A Cốt liệu bé (kg) 640 792 944 3 B Cốt liệu lớn (kg) 1100 1200 2 C Chất kết dính (kg) 216 319 422 525 4 D Nước (lít) 190 210 230 3 13
Hình 3.2. Quy trình xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm 3.2.2.2. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm 1. Đo đạc vận tốc xung siêu âm UPV: Sử dụng máy siêu âm Tico của hãng Proceq, Thụy Sỹ, tần số phát xung 54 kHz, hai đầu dò đặt trên 2 mặt đối diện nhau của mẫu (truyền trực tiếp). Vận tốc xung siêu âm được đo đạc ở tuổi 28 ngày. Kết quả đo đạc cuối cùng là giá trị trung bình của hai lần đo theo hai phương vuông góc với nhau. Việc đo đạt UPV được thực hiện cho tất cả 72 cấp phối. 2. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm: Tiến hành ghi lại tín hiệu dạng sóng của đầu phát từ máy phát siêu âm Tico (tần số phát xung 54kHz), và thu nhận dạng sóng của tín hiệu bằng thiết bị thu nhận tín hiệu số SYSAM-SP5 và phần mềm Latis-Pro của hãng Eurosmart, Cộng hòa Pháp. Tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm qua khi mẫu thử: A2/A1, với A2, A1 lần lượt là biên độ của tín hiệu thu sau khi qua mẫu và và tín hiệu phát. Tỉ lệ A2/A1 được xác định cho tất cả 72 cấp phối. 3. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông: Ở tuổi 28 ngày, tiến hành cân mẫu và xác định được khối lượng riêng của 72 mẫu. 4. Xác định mô-đun đàn hồi của các mẫu bê tông: Dựa trên chỉ dẫn của Tiêu chuẩn TCVN 9357:2012, mô-đun đàn hồi bê tông được nội suy dựa trên vận tốc xung siêu âm. 5. Xác định cường độ chịu nén bê tông: Sử dụng máy nén thủy lực SYE-2000A, lực nén lớn nhất là 200 tấn. 3.2.3. Xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông Ba mô hình dự đoán (sử dụng hồi quy tuyến tính và mạng ANN) với thông số đầu vào khác nhau được xây dựng, mục đích là để so sánh độ chính xác của các mô hình và lựa chọn được mô hình tối ưu nhất. • Mô hình 1: 05 tham số đầu vào gồm cốt liệu bé A[kg], cốt liệu 14
lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] và UPV tuổi 28 ngày[m/s]; Đầu ra là cường độ chịu nén tuổi 28 ngày R[daN/cm2]. • Mô hình 2: 05 tham số đầu vào gồm cốt liệu bé A[kg], cốt liệu lớn B[kg], chất kết dính C[kg], lượng nước D[lít] và tỉ lệ A2/A1; Đầu ra là cường độ chịu nén tuổi 28 ngày R[daN/cm2]. • Mô hình 3: 06 tham số đầu vào gồm cốt liệu bé A[kg], cốt liệu lớn B[kg], chất kết dính C[kg], nước D[lít], UPV 28 ngày[m/s] và tỉ lệ A2/A1; Đầu ra là cường độ chịu nén tuổi 28 ngày R[daN/cm2]. 3.2.3.1 Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến a. Kết quả mô hình dự đoán Các phương trình hồi quy của ba mô hình (mô hình 1, 2 và 3) để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng các vật liệu thay thế được thể hiện qua các Biểu thức (3.1), (3.2) và (3.3). R1 = −150 + 0,094.A − 0,047.B + 1,096.C − 1,328.D + 0,0718.UPV (3.1) R 2 = 132 + 0,0912.A + 0,012.B + 1,1768.C − 1,675.D + 91,9(A 2 / A1 ) (3.2) R 3 = −506 + 0,1723.A + 0,041.B + 0,967.C − 1,07.D + 0,1099.UPV + 132,8(A 2 / A1 ) (3.3) Các biểu đồ phần dư có thể được phân tích để đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy (Hình 3.3). Các phân tích cho thấy sự phù hợp cao của cả ba mô hình và hoàn toàn có thể sử dụng các phương trình hồi quy nói trên nhằm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Hình 3.3. Biểu đồ phần dư của cường độ chịu nén (Mô hình 1) 15
b. Đánh giá mô hình dự đoán Bảng 3.3. Các tham số đánh giá mô hình hồi quy tuyến tính đa biến Tham số đánh giá Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Độ lệch S, daN/cm2 49,08 48,90 47,80 Hệ số bội R2, % 90,32 90,40 90,96 Hệ số Radj2, % 89,59 89,67 90,13 Kết quả cho thấy mô hình 3 tốt nhất. Do đó, mô hình 3 được chọn để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, trường hợp không đo được cả UPV và A2/A1, mô hình 1 hoặc 2 được sử dụng. c. Dự đoán cấp phối chế tạo bê tông Các biểu đồ hình bao được sử dụng để dự đoán khoảng cấp phối cần thiết để đảm bảo cường độ chịu nén thiết kế (Hình 3.4). Để xác định cấp phối cần thiết đáp ứng theo yêu cầu cường độ chịu nén bê tông theo thiết kế, phân tích lựa chọn cấp phối tối ưu được sử dụng để tìm ra cấp phối phù hợp nhất trong số 72 cấp phối đã thiết kế (Hình 3.5). Hình 3.4. Biểu đồ (contour plot) dự đoán cấp phối bê tông Hình 3.5. Cấp phối tối ưu để cường độ chịu nén đạt 300daN/cm2 16
3.2.3.2 Mô hình mạng ANN Để so sánh độ chính xác của việc dự đoán cường độ chịu nén bằng phương pháp hồi quy, phương pháp mạng ANN được áp dụng cho các mô hình 1, 2 và 3. a. Cấu trúc mạng ANN Số lượng nơ-ron trong lớp đầu vào tương ứng với số thông số đầu vào của 3 mô hình (Mục 3.2.3) và lớp đầu ra có 1 nơ-ron đó là cường độ chịu nén bê tông. Số lớp ẩn và số nơ-ron của các lớp ẩn phù hợp được xác định theo phương pháp dò tìm. Cấu trúc mạng ANN phù hợp cho các mô hình dự đoán: Mô hình 1: 5x10x1, Mô hình 2: 5x10x1 và Mô hình 3: 6x10x1 (Hình 3.6). Tổng số 72 mẫu được sử dụng cho việc huấn luyện (training), xác thực (validation) và kiểm tra (test). Dữ liệu phục vụ việc huấn luyện: 70% (50 mẫu), dữ liệu phục vụ việc xác thực: 15% (11 mẫu), dữ liệu phục vụ việc kiểm tra: 15% (11 mẫu). Sự phân bổ 72 bộ dữ liệu cho 3 tập dữ liệu nói trên được thực hiện một cách ngẫu nhiên bởi công cụ nntool trong phần mềm Matlab. Hình 3.6. Cấu trúc mạng ANN b. Phân tích kết quả các mô hình Các kết quả phân tích trên cho thấy mô hình 3 dự đoán chính xác nhất và là mô hình phù hợp nhất để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng tro bay và bột đá bằng mạng ANN (Hình 3.7). 17
Hình 3.7. Quá trình huấn luyện và kết quả dự đoán bằng mạng ANN 3.2.3.3 So sánh các mô hình dự đoán cường độ chịu nén Kết quả các tham số đánh giá ba mô hình 1, 2, và 3 bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và mạng ANN được thể hiện như Bảng 3.4. Phương pháp dự đoán bằng mạng ANN cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp hồi quy. Trong ba mô hình dự đoán bằng mạng ANN đề xuất, mô hình 3 có độ chính xác cao nhất, do đó là mô hình phù hợp nhất để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông sử dụng vật liệu phế phẩm tro bay và bột đá. Tuy nhiên, khi không thể xác định tham số đầu vào là UPV hoặc tỉ lệ A2/A1, mô hình 1 hoặc mô hình 2 có thể được sử dụng mà vẫn đảm bảo được độ chính xác cao. Bảng 3.4. Các tham số đánh giá mô hình 1, 2 và 3 Phương pháp hồi quy Phương pháp ANN Tham số đánh Mô Mô Mô Mô Mô Mô giá hình 1 hình 2 hình 3 hình 1 hình 2 hình 3 Độ lệch (S) 49,08 48,90 47,80 38,05 38,89 35,26 Hệ số bội (R2) 90,32 90,40 90,96 93,66 93,38 94,55 Hệ số (Radj2) 89,59 89,67 90,13 93,54 93,29 94,48 3.3. Hệ số cản Rayleigh của bê tông 3.3.1. Quy trình thực nghiệm xác định hệ số cản Rayleigh Quan hệ giữa hệ số suy giảm sóng kw và các hệ số cản Rayleigh  và β được thể hiện theo Biểu thức (3.4). α β kw = + ω2 (3.4) 2c 2c 18