Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm để dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt của bê tông sử dụng tro bay và bột đá

• Tác giả: Vương Lê Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Cung
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt bê tông với tro bay và bột đá
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Địa điểm: Đà Nẵng

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu về mô phỏng lan truyền sóng siêu âm trong bê tông
• 1.2. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 1.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.4. Tổng quan nghiên cứu dự đoán cường độ chịu nén bê tông dựa trên phương pháp siêu âm
• 1.5. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.6. Mô hình hồi quy một biến
• 1.7. Mô hình hồi quy đa biến
• 1.8. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo. Các nghiên cứu trong nước
• 1.9. Tổng quan nghiên cứu về dự đoán kích thước vết nứt trong bê tông bằng phương pháp siêu âm
• 1.10. Phương pháp tác động tiếng vang (Impact-Echo Method)
• 1.11. Phương pháp lan truyền sóng bề mặt (Surface Wave Transmission Method)
• 1.12. Phương pháp siêu âm khuếch tán (Diffusion method)
• 1.13. Phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền (Time of Flight Diffraction Method)
• 1.14. Kết luận nghiên cứu tổng quan
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM VÀ DỰ ĐOÁN CHIỀU SÂU VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG
• 2.1. Phương trình mô tả sự lan truyền sóng. Mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Xác định các ma trận đặc trưng của phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.2. Ma trận độ cứng và khối lượng
• 2.3. Ma trận cản. Giải phương trình bằng phương pháp tích phân số Newmark
• 2.4. Thuật toán giải phương trình chuyển động. Kết quả mô phỏng số lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu bê tông
• 2.5. Hình ảnh lan truyền sóng siêu âm trong các mẫu
• 2.6. Phân tích chuyển vị tại các điểm nhận sóng
• 2.7. Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua thực nghiệm
• 2.8. Mô phỏng xác định chiều sâu vết nứt bê tông
• 2.9. Kết quả mô phỏng
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. 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
• 3.2. Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén của bê tông
• 3.3. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén
• 3.4. Xây dựng quy trình và bộ dữ liệu thực nghiệm
• 3.4.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm
• 3.4.2. Xây dựng bảng cấp phối cho các mẫu thực nghiệm
• 3.4.3. Chế tạo mẫu thử và dưỡng hộ
• 3.4.4. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm
• 3.5. Đo vận tốc xung siêu âm UPV
• 3.6. Xác định tỉ lệ suy giảm biên độ sóng siêu âm
• 3.7. Xác định khối lượng riêng của các mẫu bê tông
• 3.8. Xác định mô-đun đàn hồi của các mẫu bê tông
• 3.9. Xác định cường độ chịu nén của các mẫu bê tông
• 3.10. Xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông
• 3.10.1. Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến
• 3.10.2. Kết quả mô hình dự đoán
• 3.10.3. Đánh giá mô hình dự đoán
• 3.10.4. Dự đoán cấp phối chế tạo bê tông
• 3.10.5. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.10.6. Phân tích kết quả các mô hình
• 3.10.7. So sánh các mô hình dự đoán cường độ chịu nén
• 3.11. Hệ số cản Rayleigh của bê tông
• 3.11.1. Phương pháp và quy trình thực nghiệm xác định hệ số cản Rayleigh
• 3.11.2. Phát và nhận xung qua mẫu bê tông, xác định hệ số kw
• 3.11.3. Lưu đồ thuật toán xác định hệ số kR
• 3.11.4. Xác định các hệ số cản Rayleigh
• 3.11.5. Xây dựng mô hình dự đoán hệ số cản Rayleigh của bê tông
• 3.12. Thực nghiệm dự đoán chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông
• 3.12.1. Xác định quy trình thực nghiệm
• 3.12.2. Chế tạo mẫu
• 3.12.3. Xác định vận tốc lan truyền xung siêu âm
• 3.12.4. Xác định thời gian lan truyền xung
• 3.12.5. Kết quả thực nghiệm
• 3.12.6. Đánh giá kết quả dự đoán chiều sâu vết nứt bằng thực nghiệm và mô phỏng
• 3.13. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CẦN PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Ứng dụng sóng siêu âm trong dự đoán cường độ chịu nén bê tông

Sóng siêu âm được sử dụng như một công cụ hiệu quả để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Phương pháp này dựa trên việc đo lường vận tốc xung siêu âm (UPV), một thông số quan trọng phản ánh chất lượng bê tông. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa UPV và cường độ bê tông, đặc biệt khi sử dụng các vật liệu phụ gia như tro bay và bột đá. Tro bay và bột đá không chỉ cải thiện tính chất cơ học của bê tông mà còn giúp giảm thiểu tác động môi trường. Các mô hình hồi quy và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đã được áp dụng để dự đoán chính xác cường độ chịu nén dựa trên các tham số đầu vào như UPV, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng và cấp phối bê tông.

1.1. Phương pháp siêu âm và mô hình hồi quy

Phương pháp siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đánh giá chất lượng bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vận tốc xung siêu âm có thể được sử dụng để dự đoán cường độ chịu nén thông qua các mô hình hồi quy tuyến tính và phi tuyến. Mô hình hồi quy đa biến đặc biệt hiệu quả khi kết hợp các yếu tố như UPV, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng và thành phần vật liệu. Các kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình này có độ chính xác cao, đặc biệt khi áp dụng cho bê tông sử dụng tro bay và bột đá.

1.2. Mạng nơ ron nhân tạo trong dự đoán cường độ

Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đã chứng minh hiệu quả trong việc dự đoán cường độ chịu nén của bê tông. Cấu trúc mạng ANN được thiết kế để xử lý các dữ liệu đầu vào phức tạp, bao gồm UPV, tỉ lệ suy giảm biên độ sóng và cấp phối bê tông. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế đã chỉ ra rằng ANN có khả năng dự đoán chính xác hơn so với các mô hình hồi quy truyền thống, đặc biệt khi áp dụng cho bê tông sử dụng tro bay và bột đá.

II. Phân tích vết nứt bê tông bằng sóng siêu âm

Vết nứt bê tông là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của công trình. Sóng siêu âm được sử dụng để phát hiện và đánh giá vết nứt thông qua việc phân tích sự lan truyền và nhiễu xạ của sóng. Các phương pháp như Impact-Echo, Surface Wave Transmission và Diffusion Method đã được áp dụng để xác định chiều sâu vết nứt. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sóng siêu âm có thể cung cấp thông tin chính xác về kích thước và vị trí của vết nứt, đặc biệt khi kết hợp với các mô hình mô phỏng số.

2.1. Phương pháp Impact Echo và Surface Wave Transmission

Phương pháp Impact-Echo và Surface Wave Transmission là hai kỹ thuật phổ biến trong việc phát hiện vết nứt bê tông. Impact-Echo sử dụng sóng âm phản xạ để xác định vị trí và chiều sâu vết nứt, trong khi Surface Wave Transmission tập trung vào việc phân tích sự lan truyền sóng trên bề mặt bê tông. Cả hai phương pháp đều cho kết quả chính xác khi được áp dụng đúng cách, đặc biệt trong việc đánh giá vết nứt trong bê tông sử dụng tro bay và bột đá.

2.2. Mô phỏng số và thực nghiệm

Mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông có vết nứt. Các mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), cho phép phân tích chi tiết sự lan truyền và nhiễu xạ của sóng. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô phỏng số có thể cung cấp thông tin chính xác về chiều sâu vết nứt, đặc biệt khi áp dụng cho bê tông sử dụng tro bay và bột đá.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong dự đoán cường độ chịu nén và vết nứt bê tông với tro bay và bột đá có giá trị thực tiễn cao. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện chất lượng bê tông mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng các vật liệu phế phẩm. Công nghệ siêu âm và các mô hình dự đoán như ANN và hồi quy đa biến đã chứng minh hiệu quả trong việc đánh giá và dự đoán các thông số kỹ thuật của bê tông. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng sóng siêu âm và vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.

3.1. Giá trị thực tiễn trong xây dựng

Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn lớn trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là việc sử dụng tro bay và bột đá để cải thiện chất lượng bê tông. Các kết quả nghiên cứu giúp các kỹ sư xây dựng dự đoán chính xác cường độ chịu nén và vết nứt, từ đó tối ưu hóa quá trình thiết kế và thi công. Công nghệ siêu âm cũng giúp giảm thiểu chi phí và thời gian kiểm tra chất lượng bê tông.

3.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu này mở ra nhiều hướng đi mới trong việc ứng dụng sóng siêu âm và vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của các mô hình dự đoán, cũng như mở rộng ứng dụng sóng siêu âm trong việc đánh giá các loại vật liệu xây dựng khác. Tro bay và bột đá cũng có tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường.