ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN TẤN DUY

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ-ĐIỆN CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO
DƯỚI TẢI TRỌNG UỐN TRÙNG PHỤC
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số: 8 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá Khánh
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Đặng Đăng Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Lê Anh Thắng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 19 tháng 8 năm 2023
Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn

Chủ tịch

2. PGS.TS. Lê Văn Phúc

Thư ký

3. PGS.TS. Đặng Đăng Tùng

Phản biện 1

4. PGS.TS. Lê Anh Thắng

Phản biện 2

5. TS. Đỗ Thành Chung

Uỷ viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN TẤN DUY

MSHV: 2170826

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1998

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông

Mã số: 8 58 02 05

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử cơ-điện của bê tơng tính năng cao
dưới tải trọng uốn trùng phục. (Study on electromechanical behavior of
high-performance fiber-reinforced concrete under flexure with repetitive
loading)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Làm rõ tính chất thơng minh tự cảm biến trong giai đoạn đàn hồi của bê tơng tính
năng cao thông qua ứng xử của điện trở dưới tải trọng uốn trùng phục ở cả vùng chịu
nén và vùng chịu kéo của mẫu thí nghiệm.
2. Đề xuất một mơ hình để xác định hệ số cảm biến thơng qua ứng xử cơ-điện của bê
tơng tính năng cao dưới tác dụng của tải trọng uốn trùng phục trong giai đoạn đàn
hồi.
3. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất thơng minh tự cảm biến
của bê tơng tính năng cao.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 06/02/2023
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/8/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm, TS. Lê Bá Khánh
Tp. HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

CÁN BỘ
HƯỚNG DẪN 1
(Họ tên và chữ ký)

CÁN BỘ
HƯỚNG DẪN 2
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM
BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hỗ trợ tài chính từ Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc
gia (NAFOSTED) dưới dự án có mã số 107.01-2021.69. Trước hết, em xin gửi lời tri
ân chân thành đến người thầy PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm và thầy TS. Lê Bá Khánh
đã gợi mở và định hình ý tưởng ban đầu cho đề tài này cũng như kiểm tra khối lượng
nghiên cứu, tính mới của đề tài.
Em muốn gửi lời tri ân đến quý Thầy (Cô) thuộc bộ môn Cầu Đường, khoa Kỹ
thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức
giá trị trong chuyên ngành. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các phòng ban trong trường
đã cung cấp và hỗ trợ điều kiện cũng như cơ sở vật chất, trang thiết bị trong suốt q
trình học tập tại trường. Và cuối cùng, lịng biết ơn sâu sắc của em tặng cho gia đình,
bạn bè, đặt biệt là các bạn trong lớp Cao học luôn ln ủng hộ trong suốt q trình

học tập và làm việc tại trường.
Luận văn thạc sĩ được hoàn thành trong khung thời gian quy định với sự dốc lòng
của bản thân em, nhưng em thừa nhận rằng luận văn này vẫn có thể chứa đựng những
lỗi sai. Em mong nhận được sự thấu hiểu và những góp ý quý báu từ quý Thầy (Cô)
cũng như tất cả các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

Phan Tấn Duy


ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu và đánh giá tính chất thơng minh tự cảm
biến của bê tơng tính năng cao, viết tắt là HPFRC (high-performance fiber-reinforced
concrete) khi chịu tác dụng tải trọng uốn trùng phục dựa trên các thí nghiệm. Bốn loại
HPFRC được chế tạo từ một loại vữa bê tông giống nhau nhưng sử dụng các loại sợi
thép không giống nhau để gia cường: bê tông không gia cường sợi thép (gọi tắt là
HPFRC0), bê tông được gia cường sợi thép to với hàm lượng 1,5% theo thể tích (gọi
tắt là HPFRC1), bê tông được gia cường sợi thép nhỏ với hàm lượng 1,5% theo thể
tích (gọi tắt là HPFRC2) và bê tông dùng sợi thép hỗn hợp gồm hàm lượng 1,0% sợi
to kết hợp 0,5% sợi nhỏ theo thể tích (gọi tắt là HPFRC3). Tất cả mẫu uốn HPFRC
có cùng hình dạng lăng trụ với kích thước 40×40×160 mm3 (rộng×cachiều dài).
Tất cả các mẫu HPFRC được thí nghiệm theo sơ đồ uốn ba điểm, với ba mức biên độ
tải lặp khác nhau trong giai đoạn đàn hồi. Đầu tiên, tính chất tự cảm biến của tất cả
mẫu thí nghiệm HPFRC được phân tích dựa trên sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ ( FCR
) trong suốt quá trình áp tải thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng những loạt mẫu HPFRC
có tính chất tự cảm biến cực kì tốt khi chịu tác động của tải trọng lặp. Khi tỷ lệ ứng
suất mỏi gia tăng từ 0,15 lên 0,5 thì tính chất tự cảm biến của tất cả bê tơng HPFRC
cho thấy chiều hướng giảm dần. Chỉ số của sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ ( FCR ) tại

mặt nén tăng lên, trong khi tại mặt kéo, chỉ số này giảm xuống khi gia tăng tải trọng
đối với tất cả loạt mẫu HPFRC. Bên cạnh đó, một mơ hình để tính tốn các hệ số cảm
biến được đề xuất với mục đích đánh giá khả năng tự cảm biến của bốn loại bê tông
nghiên cứu HPFRC khi chịu tải trọng lặp. Thứ hai là, ảnh hưởng của tham số nhiệt
độ đến tham số điện trở suất của bốn loại HPFRC được nghiên cứu. Từ các dữ liệu
thực nghiệm thu được, điện trở suất của bốn loại HPFRC nghiên cứu giảm rõ rệt khi
tăng nhiệt độ từ 0oC đến 50oC.


iii

ABSTRACT
The thesis deals with the self-sensing characteristic of high-performance fiberreinforced concretes (HPFRCs) under bending with cyclic loading through the
experimental produce. Four series of the studied HPFRCs have same concrete
mixture but unlike added fiber properties as follows: HPFRC0 (embedded no fiber
with 0.0% by volume content), HPFRC1 (embedded macro hooked fiber with 1.5%
by volume content), HPFRC2 (added micro smooth fiber with 1.5% by volume
content), and HPFRC3 (added hybrid fiber system containing 1.0% by volume macro
hooked fiber and 0.5% by volume micro smooth fiber). Firstly, all bending specimens
with their same dimension of 40 x 40 x 160 mm3 (width x depth x length) were tested
under three-point bending (3PB) using three unlike repeated loading amplitudes
within the elastic phase. The self-sensing characteristic of examined HPFRCs was
explored through their electromechanical behavior. The self-sensing characteristic of
the examined HPFRCs was assessed through the fractional change in electrical
resistance ( FCR ) during loading. The results showed that all HPFRC series clearly
exhibited self-sensing ability under flexure with repetitive loading. The self-sensing
ability of all HPFRC series decreased with the increase in the ratio of fatigue stress
changing from 0.15 to 0.5. The FCR value at the compressive zone raised, whereas
that at the tensile zone decreased with an increase in loading, regardless of HPFRC
series. Besides, a model to estimate the gauge factors for evaluating the self-sensing

capability of HPFRCs under bending with cyclic load was proposed. Sencondly, the
influence of temperature factor on the electrical resistivity of the four HPFRC series
was experimentally investigated in this thesis. Through the testing results, it is found
that the electrical resistivity of all examined HPFRCs clearly reduced as the
temperature increasing from 0oC to 50oC.


iv
LỜI CAM ĐOAN
Em cam kết rằng công việc này được tiến hành bởi chính em thơng qua sự chỉ dẫn
và giám sát của thầy PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm cùng thầy TS. Lê Bá Khánh.
Tất cả số liệu, hình ảnh và nhận định trong nghiên cứu này là hồn tồn khơng
ngụy tạo và không xuất hiện trong các dự án nghiên cứu khác.
"Em cam kết chịu trách nhiệm pháp lý về cơng việc mà mình đã thực hiện.
Tp. HCM, ngày 19 tháng 8 năm 2023

Phan Tấn Duy


v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ...........................................................................ii
ABSTRACT ............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT.............................................................................. xi
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1

1.2. Mục tiêu ...........................................................................................................3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................3
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................3
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3
1.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................4
1.4.1. Cách tiếp cận ..........................................................................................4
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................4
1.5. Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện .......................................................4
1.5.1. Nội dung nghiên cứu..............................................................................4
1.5.2. Tiến độ thực hiện ...................................................................................5
1.6. Đóng góp của nghiên cứu ................................................................................5
1.6.1. Đóng góp về mặt học thuật ....................................................................5
1.6.2. Đóng góp về mặt thực tiễn .....................................................................5
1.7. Bố cục của luận văn .........................................................................................5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC ......................................... 6
2.1. Tổng quan về bê tông tính năng cao ................................................................6
2.2. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................7
2.2.1. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn tĩnh .......................7


vi
2.2.2. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp.........................9
2.3. Tổng quan về khả năng thông minh tự cảm biến của HPFRC .......................11
2.3.1. Nghiên cứu về tính chất tự cảm biến của HPFRC trên thế giới ..........11
2.3.2. Nghiên cứu tính chất thơng minh tự cảm biến của HPFRC tại Việt
Nam ................................................................................................................13
2.4. Nhận xét từ kết quả nghiên cứu tổng quan ....................................................14
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM....................................................... 15
3.1. Sơ đồ thực hiện thí nghiệm ............................................................................15
3.1.1. Xi măng................................................................................................17

3.1.2. Tro bay .................................................................................................18
3.1.3. Muội silic .............................................................................................20
3.1.4. Cát thạch anh .......................................................................................22
3.1.5. Phụ gia siêu dẻo ...................................................................................23
3.1.6. Nước.....................................................................................................24
3.1.7. Sợi thép gia cường ...............................................................................25
3.2. Qui trình trộn và chuẩn bị mẫu thí nghiệm ....................................................27
3.2.1. Qui trình trộn HPFRC ..........................................................................27
3.2.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm .....................................................................28
3.2.3. Gia công mài mẫu và lắp đặt các điện cực ..........................................30
3.3. Thiết lập thí nghiệm .......................................................................................33
3.3.1. Thí nghiệm đo điện trở của bê tông HPFRC dưới tải trọng uốn lặp ...33
3.3.2. Thí nghiệm đo điện trở của HPFRC với các mức nhiệt độ khác nhau 37
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ............................. 39
4.1. Ứng xử cơ-điện của HPFRC khi chịu tải trọng lặp ........................................39
4.2. Sự phụ thuộc vào tỷ số ứng suất mỏi đối với thơng số cơ-điện của HPFRC.49
4.3. Phát triển mơ hình xác định hệ số cảm biến của bê tông HPFRC .................53
4.4. Ứng xử của điện trở suất của HPFRC dưới các mức nhiệt độ khác nhau .....56
4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở suất của HPFRC .................................63


vii
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 65
5.1. Kết luận ..........................................................................................................65
5.2. Kiến nghị ........................................................................................................65
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 68
KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................... 73
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .................................................................................... 93



viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Thành phần chính hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến ..................2
Hình 1. 2. Lắp đặt hệ thống cảm biến tại công trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1] ...........2
Hình 2. 1. Ứng xử kéo uốn điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng tĩnh ..........8
Hình 2. 2. Phân bố mơ men - độ cong và lực cắt - biến dạng trượt của dầm HPFRC 9
Hình 2. 3. Đường cong mỏi điển hình của vật liệu ...................................................11
Hình 3. 1. Sơ đồ thể hiện quy trình thí nghiệm trong luận văn này ..........................16
Hình 3. 2. Ảnh chụp xi măng INSEE PC40 sử dụng trong nghiên cứu ....................18
Hình 3. 3. Ảnh chụp tro bay ......................................................................................19
Hình 3. 4. Ảnh chụp muội silic .................................................................................21
Hình 3. 5. Ảnh chụp cát trắng ...................................................................................22
Hình 3. 6. Ảnh chụp phụ gia ADVA CAST 512 dùng trong luận văn .....................23
Hình 3. 7. Ảnh chụp nước sử dụng trong luận văn ...................................................24
Hình 3. 8. Ảnh chụp sợi thép dùng trong luận văn ...................................................25
Hình 3. 9. Minh hoạ qui trình trộn vật liệu HPFRC..................................................28
Hình 3. 10. Kích thước mẫu uốn HPFRC .................................................................29
Hình 3. 11. Chuẩn bị ván khn và chế tạo mẫu ......................................................29
Hình 3. 12. Máy mài và công tác làm phẳng bề mặt mẫu trước khi thí nghiệm .......30
Hình 3. 13. Băng đồng dùng tạo điện cực .................................................................31
Hình 3. 14. Keo dẫn điện dùng dán băng đồng .........................................................31
Hình 3. 15. Chi tiết mẫu thí nghiệm sau khi lắp đặt các điện cực ............................32
Hình 3. 16. Máy Dynamic Testing System dùng uốn mẫu dưới tải lặp....................34
Hình 3. 17. Đồng hồ đo vạn năng Fluke 8846A .......................................................35
Hình 3. 18 Thiết lập thí nghiệm đo điện trở của HPFRC dưới tải trọng lặp.............35
Hình 3. 19. Hình dạng tải trọng trùng phục dùng trong thí nghiệm uốn ..................36
Hình 3. 20 Thí nghiệm đo điện trở của HPFRC ứng với các cấp nhiệt độ thay đổi .38
Hình 4. 1 Tính chất cơ-điện của HPFRC0 dưới tải trọng lặp ...................................45
Hình 4. 2 Tính chất cơ-điện của HPFRC1 khi chịu tải trọng lặp ..............................46

Hình 4. 3 Tính chất cơ-điện của HPFRC2 khi chịu tải trọng lặp ..............................47
Hình 4. 4 Tính chất cơ-điện của HPFRC3 khi chịu tải trọng lặp ..............................48


ix
Hình 4. 5. Ảnh hưởng của tỷ số ứng suất mỏi đến biên độ điện trở của các HPFRC
...................................................................................................................................50
Hình 4. 6. Ảnh hưởng của tỷ số ứng suất mỏi đến thơng số FCR của các HPFRC 51
Hình 4. 7. So sánh thơng số cơ-điện của các HPFRC ...............................................52
Hình 4. 8. Phát triển mơ hình định lượng hệ số cảm biến của HPFRC ....................54
Hình 4. 9. So sánh hệ số cảm biến của các HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp ........56
Hình 4. 10. Ứng xử điện trở suất của HPFRC0 dưới các mức nhiệt độ khác nhau ..57
Hình 4. 11. Ứng xử điện trở suất của HPFRC1 dưới các mức nhiệt độ khác nhau ..58
Hình 4. 12. Ứng xử điện trở suất của HPFRC2 dưới các mức nhiệt độ khác nhau ..59
Hình 4. 13. Ứng xử điện trở suất của HPFRC3 dưới các mức nhiệt độ khác nhau ..60
Hình 4. 14 So sánh điện trở suất của HPFRC tại các cấp nhiệt độ ...........................62
Hình 4. 15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở suất của HPFRCs ........................64


x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Bảng tiến độ tiến hành nghiên cứu trong Luận văn ...................................5
Bảng 3. 1. Cấp phối vật liệu HPFRC theo tỉ lệ trọng lượng .....................................17
Bảng 3. 2. Tính chất cơ lý của xi măng INSEE PC40 ..............................................18
Bảng 3. 3. Tính chất của tro bay ...............................................................................20
Bảng 3. 4. Tính chất của muội silic...........................................................................22
Bảng 3. 5. Tính chất của cát trắng .............................................................................23
Bảng 3. 6. Tính chất của phụ gia ADVA CAST 512 ................................................24
Bảng 3. 7. Tiêu chuẩn về tính chất nước sử dụng trong thí nghiệm .........................25
Bảng 3. 8. Thông số sợi thép nhỏ ..............................................................................26

Bảng 3. 9. Thông số sợi thép to.................................................................................26
Bảng 3. 10. Tổng hợp tổ hợp mẫu thử ......................................................................33
Bảng 3. 11. Thông số tải trọng dùng trong nghiên cứu này......................................37
Bảng 4. 1. Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC0 từ thí nghiệm ................40
Bảng 4. 2. Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC1 từ thí nghiệm ................42
Bảng 4. 3. Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC2 từ thí nghiệm ...............43
Bảng 4. 4. Tham số cơ-điện và tham số uốn của HPFRC3 từ thí nghiệm ................44
Bảng 4. 5. Hệ số cảm biến của các loại HPFRC khi chịu tải trọng lặp ....................55
Bảng 4. 6. Điện trở suất của các HPFRC được nghiên cứu liên quan đến nhiệt độ .61


xi
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
ASTM

: Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ
(American Society for Testing and Materials)

DC

: Dịng điện một chiều (Direct Current)

DTS

: Máy thí nghiệm động (Dynamic Testing System)

EN

: Tiêu chuẩn của Châu Âu (European Norms)


FCR

: Sự thay đổi điện trở theo tỷ lệ (Fraction Change Resistivity)

HPC

: Bê tông hiệu suất cao (High Performance Concrete)

HPFRC

: Bê tơng tính năng cao (High Performance Fiber Reinforced
Concrete)

HSC

: Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete)

LOP

: Giới hạn tuyến tính (Limit of Proportionality)

MOR

: Điểm phá hoại (Modulus of Rupture)

N/X

: Tỷ lệ nước / xi măng


NC

: Bê tông thường (Normal Concrete)

SHM

: Quan trắc sức khỏe cơng trình (Structural Health Monitoring)

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

UHPFRC

: Bê tông cốt sợi hiệu suất cực cao (Ultra high Performance
Fiber Reinforced Concrete)

Ký hiệu

 LOP

: Độ võng tại LOP

f LOP

: Cường độ chịu uốn tại LOP

 MOR

: Độ võng tại MOR


f MOR

: Cường độ chịu uốn tại MOR

L

: Chiều dài nhịp

b

: Chiều rộng tiết diện ngang của mẫu uốn

h

: Chiều cao tiết diện ngang của mẫu uốn

PMOR

: Tải trọng tại MOR


xii
M MOR

: Mô men tại MOR

V

: Độ võng do lực cắt


M

: Độ võng do mô men

PLOP

: Tải trọng tại LOP

LOP

: Độ cong của dầm tại LOP

MOR

: Độ cong của dầm tại MOR

h/ L

: Tỷ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp của mẫu



: Hệ số Poisson

N

: Số chu kỳ tải trọng khi vật liệu bị phá hoại

fa


: Một nửa của tổng phạm vi ứng suất mỏi

f max

: Ứng suất mỏi lớn nhất

f min

: Ứng suất mỏi nhỏ nhất

R

: Hệ số sửa đổi

f max

: Biên độ ứng suất mỏi

f max / f MOR

: Tỷ số giữa biên độ ứng suất mỏi và cường độ uốn tại MOR

Pmin

: Tải trọng lặp tối thiểu

Pmax

: Tải trọng lặp lớn nhất


T

: Chu kỳ

Pmax

: Biên độ tải trọng lớn nhất


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Đối với các công trình dân dụng và cơ sở hạ tầng hiện đại như cầu lớn, toà nhà cao
tầng, đập thuỷ lợi…, việc theo dõi sức khỏe kết cấu, gọi tắt là SHM (structural health
monitoring), đóng một vai trị thiết yếu trong q trình khai thác. Mục đích của cơng
tác SHM là giúp xác định các nguy cơ xuống cấp, mức giảm khả năng chịu lực của
cơng trình trong suốt thời gian sử dụng và khai thác. Việc theo dõi sức khỏe của cơng
trình khơng chỉ giúp nhận diện các hư hỏng của kết cấu mà còn cung cấp dữ liệu quý
giá về ứng xử và hiệu suất vận hành của cơng trình tại thời điểm cụ thể. Điều này bao
gồm việc xác định sự tiến triển của các hư hỏng, mức độ giảm chất lượng kết cấu,
đánh giá hiệu quả hoạt động thực tế của kết cấu và phản đoán ứng xử của nó trong
các tình huống bất thường hoặc sự cố. Dựa vào những thơng tin này, cơng trình có
thể được đề nghị giảm tải, lập kế hoạch cho việc duy tu, sửa chữa đúng lúc, bảo
dưỡng, và thậm chí là thay thế, nhằm đảm bảo cơng trình hoạt động một cách ổn định
và an toàn, hoặc đề xuất phương pháp thiết kế xây dựng mới cơng trình.
Ngày nay, để quan trắc sức khỏe cơng trình, nhiều kỹ thuật đã được phát triển thông
qua các phương pháp không làm hỏng kết cấu (non-destructive methods). Một số kỹ
thuật tiêu biểu như: phương pháp búa hồi âm, kỹ thuật phát tán âm thanh, phương

pháp sóng siêu âm và sử dụng các cảm biến thương mại. Trong số các kỹ thuật đã
nêu, việc sử dụng cảm biến truyền thống - những cảm biến được gắn vào kết cấu hiện
hữu đã được áp dụng tại nhiều dự án quy mô lớn ở Việt Nam (cầu Trần Thị Lý và
Nút giao thông Ngã Ba Huế ở Đà Nẵng, cầu Nhật Tân ở thủ đô Hà Nội, cầu Cao Lãnh
ở Đồng Tháp, cầu Nhật Lệ 2 ở Quảng Bình…). Hệ thống thiết bị và kết nối bằng các
cảm biến trong cơng tác SHM được trình bày ở Hình 1.1.


2

Bộ
cảm biến

Hệ thống
cáp

Thiết bị điện
tử

Các đầu thu
nhận tín
hiệu

Phần cứng và phần mềm
máy tính

Hình 1. 1. Thành phần chính hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến
Theo Hình 1.1, hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến có 5 thành phần thiết yếu
như sau: (1) cảm biến, (2) cáp chuyển tải tín hiệu từ hệ thống các cảm biến về thiết
bị thu nhận dữ liệu, (3) các thiết bị điện tử (bộ nhớ, thiết bị xử lý hình ảnh, thiết bị

lưu trữ, hệ điều hành và vi xử lý, hệ thống màn hình có chức năng phân tích và truyền
tải tín hiệu, (4) các thiết bị thu và nhận tín hiệu được lắp đặt dài hạn để giám sát trong
quá trình sử dụng và (5) hệ thống máy tính (phần cứng và phần mềm) đóng vai trị
quản lý bộ dữ liệu từ các cảm biến. Hình 1.2 thể hiện hệ thống cảm biến thực tế tại
cơng trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1].

Cảm biến
(sensors)

Hình 1. 2. Lắp đặt hệ thống cảm biến tại cơng trình Cầu Rồng- Đà Nẵng [1]
Đối với phương pháp này, việc chôn cảm biến vào bộ phận kết cấu sẽ làm suy yếu
khả năng chịu tải trọng của kết cấu. Thêm vào đó, những cảm biến truyền thống này
khá đắt tiền và tuổi thọ kém, bởi chúng thường phải tiếp xúc trực tiếp từ các yếu tố


3
liên quan đến môi trường và điều kiện thời tiết, vì vậy theo thời gian sẽ dẫn đến hư
hỏng. Bên cạnh đó, hệ thống thiết bị và kết nối bằng cảm biến địi hỏi một qui trình
rất phức tạp.
Ngày nay, bê tơng tính năng cao gọi tắt là HPFRC (high performance fiber reinforced
concretes) là vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực xây dựng vì có nhiều tính chất cơ học
ưu việt hơn so với bê tông thông thường (normal concrete, NC) và bê tông cường độ
cao, gọi tắt là HSC (high-strength concrete). Bê tông HPFRC mang nhiều đặc điểm
cơ học nổi trội, bao gồm: cường độ và độ bền cao, khả năng chống nứt tốt, độ hấp thụ
năng lượng rất lớn cùng với đó là tuổi thọ cao. Ngồi ra, bê tơng HPFRC cịn được
nhận định sở hữu một số đặc tính thơng minh như khả năng tự động phục hồi vết nứt
và cảm biến hư hỏng. Cơ chế cho tính năng tự cảm biến hư hỏng của HPFRC hoạt
động dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và nứt nẻ của vật liệu với điện
trở suất. Do đó, việc tính tốn thơng số điện trở suất giúp ta có thể dễ dàng đánh giá
các thơng số cơ học được đề cập ở trên. Đề tài luận văn sẽ tập trung nghiên cứu ứng

xử cơ-điện của bê tông HPFRC chịu tải dụng của tải trọng uốn lặp, đặc biệt là đánh
giá tính chất thơng minh tự cảm biến trong miền đàn hồi với nhiều loại cốt sợi gia
cường khác nhau. Việc hiểu rõ ứng xử cơ-điện của HPFRC sẽ giúp ứng dụng vật liệu
bê tông HPFRC trong các dự án thực tế như phát triển hệ thống các tịa nhà cao ốc,
hệ thống giao thơng, với mục tiêu hướng đến sự phát triển cơng trình xanh và bền
vững.
1.2. Mục tiêu
Dựa vào chế tạo, tiến hành thí nghiệm và phân tích, nghiên cứu ứng xử cơ-điện và
định lượng tính chất tự cảm biến của bê tông HPFRC dưới tải trọng lặp.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Bê tơng tính năng cao
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Tính tự cảm biến của bê tơng HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp


4
1.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.4.1. Cách tiếp cận
- Tìm hiểu lý thuyết cơ chế phá hoại của vật liệu bê tơng nói chung dưới tải trọng tĩnh
và tải trọng trùng phục;
- Tìm các cơng trình nghiên cứu được xuất bản tại trong và ngoài quốc gia liên quan
đến ứng xử cơ - điện của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng lặp;
- Xác minh những khía cạnh và thông tin chưa được làm sáng tỏ, đồng thời xác định
những điểm cần được khám phá thêm, dẫn đến việc đặt ra mục tiêu cho nghiên cứu;
- Thực hiện các thí nghiệm nhằm chi tiết hóa và xác nhận đặc điểm tự cảm biến của
bê tông hiệu suất cao;
- Tiến hành thiết lập mơ hình, cơng thức dự báo các thông số cơ-điện trên cơ sở kết
quả thực nghiệm.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu

- Áp dụng phương pháp thống kê và tổng hợp: thu thập dữ liệu, phân loại và đánh giá
các nghiên cứu liên quan đến ứng xử cơ-điện của bê tông HPFRC từ Việt Nam và thế
giới;
- Áp dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên thí nghiệm: các thử nghiệm được thực
hiện trên mẫu thử tại phòng thí nghiệm; dữ liệu thí nghiệm thu được sau đó sẽ được
phân tích thống kê để đảm bảo mức độ độ tin cậy mong muốn;
- Sử dụng phương pháp phân tích và đối chiếu: đánh giá và đối sánh kết quả thu thập
từ thực nghiệm với những dữ liệu thí nghiệm đã xuất bản trước đó hoặc so với kết
quả dựa trên lý thuyết.
1.5. Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện
1.5.1. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu và tổng hợp tính chất tự cảm biến của bê tơng HPFRC.
- Hoạch định tổng thể các thí nghiệm, thiết kế và đúc mẫu thí nghiệm.
- Thí nghiệm mẫu.
- Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.
- Tổng kết và báo cáo kết quả nghiên cứu của đề tài.


5
1.5.2. Tiến độ thực hiện
Bảng 1. 1. Bảng tiến độ tiến hành nghiên cứu trong Luận văn
STT

Các nội dung, công việc
thực hiện

Thời gian
(số tháng)

Người thực hiện


Tìm hiểu và tổng hợp tính
chất tự cảm biến của bê tơng
HPFRC

2 tháng

KS. Phan Tấn Duy,
PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm,
TS. Lê Bá Khánh

Chế tạo và thí nghiệm mẫu

4 tháng

KS. Phan Tấn Duy

4 tháng

KS. Phan Tấn Duy,
PGS.TS. Nguyễn Duy Liêm,
TS. Lê Bá Khánh

1

2

3

Phân tích, kết luận


1.6. Đóng góp của nghiên cứu
1.6.1. Đóng góp về mặt học thuật
Cung cấp dữ liệu từ kết quả nghiên cứu cho cộng đồng khoa học về vật liệu. Thêm
vào đó, những kết quả này cũng sẽ phục vụ như một nguồn tài liệu tham khảo cho
sinh viên và học viên trong lĩnh vực xây dựng..
1.6.2. Đóng góp về mặt thực tiễn
Cung cấp dữ liệu hữu ích về khả năng tự cảm biến thơng minh của bê tơng tính năng
cao khi chịu tải trọng lặp. Kết quả nghiên cứu này cũng góp phần vào việc tích hợp
đặc tính thơng minh của HPFRC vào hệ thống các tồ nhà cao tầng, tiện ích hạ tầng,
nhằm tiến tới sự phát triển bền vững và hình thành các đô thị hiện đại, thông minh.
1.7. Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Thiết lập thí nghiệm
Chương 4: Kết quả thí nghiệm và thảo luận
Chương 5: Kết luận và kiến nghị


6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1. Tổng quan về bê tơng tính năng cao
Bê tơng là vật liệu xây dựng phổ biến có từ lâu đời. Rất nhiều cơng trình kiến trúc,
lịch sử nổi tiếng có từ thời cổ đại cho đến hiện đại có giá trị cao sử dụng vật liệu bê
tông. Thực tế hiện nay vật liệu bê tông rất quan trọng trong sự phát triển của cơ sở hạ
tầng, các toà nhà cao tầng, đập thuỷ lợi, … thúc đẩy q trình cơng nghiệp hóa và
hiện đại hóa của đất nước. Nhờ sự tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật, các nhà nghiên
cứu đã và đang tiếp tục nghiên cứu và khám phá các loại bê tơng mới, nhằm xây dựng
các cơng trình vững chắc, tăng thẩm mỹ và tích hợp các đặc tính thơng minh hướng
đến sự phát triển bền vững. Một số loại bê tơng đang áp dụng có thể kể đến như: bê

tơng cường độ cao (HSC), bê tơng tính năng cao (HPFRC), bê tơng tính năng siêu
cao (UHPFRC, một hình thức của HPFRC) và nhiều loại bê tơng khác với nhiều tính
năng hữu ích nhằm tăng cường giá trị ứng dụng. So với NC và HSC, HPFRC được
phát triển để có tính chất cơ học cao hơn, độ bền được cải thiện, từ đó có thể được
dùng cho nhiều loại kết cấu như cột, dầm, sàn… nhằm cải thiện khả năng chịu lực và
giúp tiết kiệm vật liệu do giảm kích thước cấu kiện. HPFRC được chế tạo với tỷ lệ
nước so với ximăng rất thấp (N/X < 0,25), kết hợp bổ sung các phụ gia khoáng như
muội silic (silica fume), tro bay (fly ash) giúp cấu trúc HPFRC được lèn chặt, lỗ rỗng
ít. Điều này dẫn đến cường độ HPFRC cao cũng như giảm thiểu sự xâm nhập của
chất xâm thực như ion clorua hay sunfat khi so sánh với bê tông truyền thống.
Sợi thép gia cường cũng là thành phần thiết yếu được mong đợi trong việc cải thiện
tính chất cơ học của bê tơng tính năng cao, đặc biệt cường độ và khả năng biến dạng
trong kết cấu chịu kéo hay uốn. Nhờ hiệu ứng chằng vết nứt của cốt sợi (fiber bridging
mechanism), việc phát triển vết nứt của HPFRC bị hạn chế, sự giảm ứng suất sau
đỉnh đường cong mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng ít đột ngột, tức vật liệu phá
hoại ít giịn hơn. Bên cạnh đó, tính chất chịu biến dạng lớn của HPFRC giúp vật liệu
này hấp thụ năng lượng cơ học lớn và độ bền cực kì cao.


7
2.2. Cơ sở lý thuyết
Luận văn này sử dụng cùng loại bê tơng HPFRC đã được nghiên cứu các tính chất cơ
học bao gồm cường độ chịu nén, kéo và uốn ở luận văn Thạc sỹ Nguyễn Trí Thơng
[2]. Do đó, trong luận văn này chỉ tóm tắt các tính chất cơ học chính của HPFRC sử
dụng để khẳng định bê tông nghiên cứu trong luận văn này là bê tơng HPFRC. Theo
kết quả nghiên cứu của Nguyễn Trí Thơng [2], mẫu bê tơng tính năng cao hình lăng
trụ trịn, có đường kính d=100 mm và d=150 mm, chiều cao mẫu bằng 2 lần đường
kính, chịu tác dụng của tải trọng nén dọc trục lần lượt đạt cường độ chịu nén là

f c' = 79,10 MPa và f c' = 77.42 MPa . Mẫu bê tơng tính năng cao với rộng × cao ×

chiều dài là 40 × 40 × 160 mm3 dạng lăng trụ (chiều dài nhịp 120 mm) dưới tải trọng
uốn 3 điểm đạt cường độ chịu uốn là f r = 36,83 MPa . Mẫu bê tông tính năng cao có
dạng hình quả tạ với kích thước làm việc 30 x 50 x 100 mm (chiều dày ×chiều rộng
× chiều dài đo) dưới sơ đồ kéo trực tiếp có cường độ chịu kéo và biến dạng tương đối
tại vết nứt đầu tiên (cũng là giới hạn đàn hồi) là  cc =3,41 Mpa và  cc =0,044%. Tại
nứt cuối cường độ kéo phá hoại là  pc =9,81 MPa tương ứng với biến dạng kéo tương
đối là  pc =0,37%.
2.2.1. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn tĩnh
Dưới tải uốn tĩnh, ứng xử HPFRC có thể là giảm mềm cơ học hoặc tăng cứng cơ học
tùy thuộc vào loại và hàm lượng thể tích của sợi được sử dụng trong vữa bê tơng
HPFRC [2-4]. Tăng cứng cơ học là một trong những tính chất cơ học ưu việt nhất của
vật liệu HPFRC, tính chất này luôn đi kèm với nhiều vi nứt xuất hiện trong suốt quá
trình gia tăng tải trọng. Kết quả là, HPFRC có độ bền cao, độ dẻo và khả năng hấp
thụ năng lượng cực kì lớn. Hình 2.1 mơ tả biểu đồ ứng xử tăng cứng cơ học điển hình
của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn tĩnh [5]. Theo Hình 2.1, có 2 điểm quan trọng
là A và B: điểm A (  LOP , f LOP ), là giới hạn đàn hồi (LOP) và được định nghĩa là điểm
xuất hiện vết nứt đầu tiên; điểm B (  MOR , f MOR ) là đỉnh của đường cong và được định
nghĩa là điểm xuất hiện vết nứt cuối cùng (MOR) [5]. Điều kiện để vật liệu tăng cứng
cơ học là cường độ kéo uốn tại MOR lớn hơn hoặc bằng cường độ kéo uốn tại LOP,


8
tức là f MOR  f LOP . Giai đoạn OA là giai đoạn đàn hồi tuyến tính, giai đoạn AB là giai
đoạn hình thành các vi nứt và giai đoạn BC là giai đoạn mở rộng vết nứt chủ. Mối
liên hệ giữa mô men, tải trọng uốn và ứng suất kéo uốn tại MOR lần lượt được xác
định theo các phương trình (2.1) và (2.2) dưới sơ đồ uốn 3 điểm. Trong phương trình
(2.1) và (2.2), thơng số L , b và h lần lượt là chiều dài nhịp, chiều rộng và chiều cao
của mẫu thí nghiệm; PMOR là tĩnh tải tập trung lớn nhất; M MOR mô men tại giữa nhịp
ứng với PMOR .
f MOR =


6M MOR 3 PMOR L
=
bh 2
2 bh 2

M MOR =

(2.1)

PMOR L
4

(2.2)

Cần lưu ý rằng, cường độ chịu uốn f MOR được lấy làm thông số đầu vào để xác định

Ứng suất kéo
uốn

biên độ tải lặp ( Pmax ) trong nghiên cứu này.

A - LOP (giới hạn tuyến tính)
B - MOR (điểm phá hoại)

fMOR > fLOP
B

fMOR
Tăng cứng cơ học

Tạo nhiều vi nứt

fLOP

Giảm mềm cơ học
Mở rộng vết nứt

A

Tuyến tính
Chưa nứt
O

C

LOP/L

MOR/L

Độ võng
tương đối, /L

Hình 2. 1. Ứng xử kéo uốn điển hình của vật liệu HPFRC dưới tải trọng tĩnh
Độ võng của vật liệu HPFRC dưới tải trọng uốn ba điểm bao gồm độ võng do lực cắt
( V ) và độ võng do mômen (  M ). Theo Nguyen và cộng sự [6], biểu đồ của độ cong
và biến dạng trượt phân bố dọc theo dầm của vật liệu HPFRC với ứng xử tăng cứng
cơ học được thể hiện ở Hình 2.2. Độ võng giữa nhịp tại MOR (  MOR ) được xác định
theo phương trình (2.3).



9

 MOR

2


 PLOP   PLOP  


MOR 2 − 
 −

PMOR   PMOR    (1 +  ) L2  h 2

L2 


 + MOR
=

 
24 
6
L
  PLOP  
 

+


1
+


 
LOP 

  PMOR  
 


(2.3)

Trong đó, PLOP và PMOR lần lượt là tải trọng tại LOP và MOR; LOP và MOR là độ cong
của dầm tại LOP và MOR; h / L là tỷ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp của mẫu; 
là hệ số Poisson.
L/2

L/2

P

d

R = 1/ 

R = 1/ 

M
h


Trục trung
hoà

dx

M=PL/4
Biểu đồ M do P

LOP

Do M

LOP

MOR

Biểu đồ  tại MOR

 MOR

V=P/2

+

-

V=P/2
Biểu đồ V do P


+

 MOR

+
 MOR

2

 M
 M
MOR 2 −  LOP  −  LOP
M
M
L2 
  MOR   MOR
=

24 
  M LOP  
 + LOP 1 + 


  M MOR  

-

MOR (1 + ) L2  h 
 
6

L

  
 
  





2

Do V

Biểu đồ  tại MOR

Hình 2. 2. Phân bố mô men - độ cong và lực cắt - biến dạng trượt của dầm HPFRC
dưới thí nghiệm uốn ba điểm
2.2.2. Ứng xử của bê tông HPFRC khi chịu tải trọng uốn lặp
Đường cong mỏi với mối quan hệ S − N (xem Hình 2.3), được biết đến với tên gọi
đường cong Wöhler, được áp dụng để phân tích ứng xử mỏi của vật liệu khi chịu tải
trọng uốn lặp. Trong mối quan hệ này, N là số chu kỳ tải trọng khi vật liệu bị phá


10
hoại, trong khi S được áp dụng theo nhiều dạng khác nhau. Dạng điển hình ban đầu
của S liên quan đến thông số f a .

Thông số f a là biên độ ứng suất (


f a = ( f max − f min ) / 2 ), với f max và f min được kí hiệu là ứng suất mỏi lớn nhất và nhỏ

nhất [7,8]. Dạng thứ hai của S liên quan đến f max / f MOR [9-11], dạng này theo hàm
số tuyến tính, được thể hiện ở phương trình (2.4). Có một số tài liệu đã xuất bản đưa
ra phương trình mỏi với hệ số điều chỉnh ( R ). R = f min / f max . Biểu thức tuyến tính
được điều chỉnh bằng hệ số R được biểu diễn tại phương trình (2.5) [9, 12-13]. Để
sử dụng phương trình (2.5), R có giá trị dao động trong khoảng (0,1), nhưng f min
hoặc f max = f max − f min phải thay đổi. Trong đó, a , b và  là các hệ số liên quan
đến tính chất vật liệu.

S=

f max
= a + b log10 ( N )
f MOR

(2.4)

S=

f max
= 1 −  (1 − R)log10 ( N )
f MOR

(2.5)

Trong luận văn này, để duy trì ứng suất kéo ở thớ dưới trong quá trình chịu tải trọng
lặp, các mẫu thử uốn HPFRC được thiết kế thí nghiệm sao cho f max > f min > 0. Thông
số S sẽ được sử dụng dưới dạng tỷ số như sau: tử số là biên độ ứng suất mỏi,
f max = ( f max − f min ) , và mẫu số là cường độ uốn tĩnh tại MOR, như được trình bày


trong biểu thức (2.6).

S=

f max ( f max − f min )
=
f MOR
f MOR

(2.6)

Trong đó, f max là ứng suất uốn lớn nhất và f min là ứng suất uốn nhỏ nhất dưới tải
trọng lặp; f MOR là cường độ uốn tĩnh tại MOR.