Tổng quan luận án

Công trình "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" được Vương Lê Thắng thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Cung và TS. Nguyễn Đình Sơn. Luận án thuộc chuyên ngành Cơ kỹ thuật (mã số: 9 52 01 01), bảo vệ năm 2021. Bản văn bản hoàn chỉnh gồm 107 trang, 17 bảng biểu, 68 hình vẽ và 8 phụ lục.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông là vật liệu xây dựng chủ đạo tại Việt Nam. Theo tiêu chuẩn TCVN 4453:1995, cường độ chịu nén là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất để đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu. Việc khai thác quá mức các nguồn tài nguyên truyền thống như cát sông, đá dăm và sản xuất xi măng Portland đang gây tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên. Tại khu vực miền Trung, Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng (Hà Tĩnh) thải ra khoảng 1 triệu tấn tro xỉ mỗi năm, đồng thời các mỏ khai thác đá (như mỏ đá Phước Tường – Đà Nẵng) phát sinh khối lượng lớn phế phẩm bột đá. Việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng và bột đá thay thế một phần cát là giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng phụ phẩm công nghiệp.

Các công trình xây dựng tại miền Trung thường yêu cầu cấp độ bền chịu nén từ B15 đến B40 (tương đương mác 200 đến mác 500). Tuy nhiên, các phương pháp kiểm tra truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: phương pháp phá hủy làm hỏng kết cấu; phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng sóng siêu âm theo TCVN 9357:2012 chỉ kiểm tra khi bê tông đã đóng rắn hoàn toàn, không hỗ trợ dự đoán tỷ lệ cấp phối trước khi thi công. Bên cạnh đó, kết cấu bê tông trong quá trình làm việc thường xuyên phát sinh vết nứt do tải trọng và môi trường. Hiện nay, chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện việc ứng dụng sóng siêu âm để đồng thời dự đoán cường độ chịu nén và xác định kích thước chiều sâu vết nứt cho đối tượng bê tông sử dụng đồng thời hai nguồn phế phẩm tro bay Vũng Áng và bột đá Phước Tường.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. 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 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 các khuyết tật (vết nứt, lỗ trống…).
  2. Xây dựng mô hình hồi quy và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (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.
  3. 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; thực hiện mô phỏng số và thí nghiệm thực nghiệm dự đoán chiều sâu vết nứt mở trong bê tông.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    1. Cường độ chịu nén của bê tông ($R$, $f_c$, $f'_c$).
    2. Hệ số cản Rayleigh của bê tông ($\alpha$, $\beta$).
    3. Chiều sâu vết nứt trong bê tông ($D$).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Vật liệu: Sử dụng nguồn vật liệu tại miền Trung Việt Nam gồm cát, đá dăm, xi măng Portland PC50 Sông Gianh, bột đá Phước Tường (thay thế 20% khối lượng cát), tro bay Vũng Áng (thay thế 20% khối lượng xi măng) và nước.
    • Mô hình hóa lý thuyết: Xem bê tông là môi trường đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng và tập trung giải bài toán lan truyền sóng phẳng hai chiều (2D).
    • Dạng khuyết tật: Tập trung khảo sát vết nứt mở vuông góc với bề mặt bê tông.
    • Thời gian kiểm định: Đánh giá đặc tính cơ lý, vận tốc xung và cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày trên mẫu lập phương kích thước cạnh 15 cm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp và hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước theo 3 nhóm nội dung chính:

                                  TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Mô phỏng lan truyền sóng       2. Dự đoán cường độ chịu nén       3. Đo chiều sâu vết nứt
   - Sai phân hữu hạn (FDM/EFIT)     - Hồi quy 1 biến (fc - UPV)        - Tác động tiếng vang
   - Phần tử hữu hạn (FEM)           - Hồi quy đa biến                  - Sóng bề mặt
   - Phần tử phổ (SEM/BFEM)          - Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN)       - Siêu âm khuếch tán
                                                                        - Nhiễu xạ thời gian (TOFD)

1. Mô phỏng sự lan truyền sóng siêu âm trong bê tông

Tác giả điểm lại hai nhóm phương pháp số cơ bản:

  • Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM): Jean Virieux (1984, 1986) đặt nền móng mô phỏng sóng 2D trong môi trường đồng nhất dùng lưới so le vận tốc - ứng suất. Fellinger (1995) phát triển kỹ thuật tích phân hữu hạn động lực học đàn hồi (EFIT); Leckey (2014) dùng EFIT 3D mô phỏng sóng Lamb qua lỗ trống; Frank Schubert (2004) dùng EFIT 3D cho bê tông gồm vữa và cốt liệu; Kazuyuki Nakahata và cộng sự (2012, 2013) dùng kỹ thuật FIT 3D kết hợp chụp cắt lớp cấu trúc bê tông (vữa, cốt liệu, lỗ rỗng). Để xử lý bài toán biên vết nứt phức tạp trong FDM, Asriana (2017) mô phỏng 1D và Kazushi Kimoto (2018) đề xuất sơ đồ rời rạc biên cho 2D.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Friedrich Moser (1999) mô phỏng sóng trong ống thép; Brian R. Mace (2006) mô phỏng sóng 2D trong tấm sandwich. Nakahata (2012) dùng FEM 3D cho bê tông nhưng bỏ qua ma trận cản. Các nghiên cứu của Ramadas (2011) và Zhen Tian (2015) đã áp dụng mô hình giảm chấn Rayleigh để xác định ma trận cản thực nghiệm cho composite và dầm bê tông (dải tần 48–83 kHz). Ngoài ra, Magdalena Rucka (2016) sử dụng phương pháp phần tử phổ (SEM) để mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu uốn có vết nứt.
Phương pháp số Ưu điểm Nhược điểm
Sai phân hữu hạn (FDM) Thuật toán đơn giản; số lượng ẩn ít hơn FEM Xử lý điều kiện biên tại vị trí vết nứt rất phức tạp
Phần tử hữu hạn (FEM) Áp dụng linh hoạt cho mọi hình học và biên Số ẩn nhiều hơn FDM; ma trận cản xác định khó khăn
Phần tử hữu hạn biên (BFEM) Số ẩn ít hơn FEM (chỉ rời rạc hóa trên biên) Thuật toán phức tạp hơn FEM
Phần tử phổ (SEM) Kể đến sự suy giảm đặc tính vật liệu theo thời gian Thuật toán phức tạp hơn FEM

2. Dự đoán cường độ chịu nén bê tông bằng phương pháp siêu âm

  • Mô hình hồi quy một biến: Bogas (2013) khảo sát 84 cấp phối bê tông nhẹ ở tuổi 3, 7, 90 ngày với tần số 54 kHz, chỉ ra quan hệ phi tuyến $f_c - UPV$ có $R^2 = 0{,}61$, nhưng khi phân loại theo cốt liệu (Arlita, Leca) và tỷ lệ $w/c$ thì $R^2$ tăng lên $0{,}83$. Trong nước, Lương Xuân Chiểu (2012) lập biểu đồ tương quan vận tốc truyền sóng và trị số súng bật nảy cho 3 mác bê tông (45, 50, 55 MPa); Nguyễn Hồng Đức (2019) xây dựng phương trình hồi quy cho bê tông geopolymer đạt $R^2 = 0{,}74$ và $SSE = 209{,}8$.
  • Mô hình hồi quy đa biến: Wang (2017) dự đoán $f'_c$ bê tông chứa phế phẩm thủy tinh dựa trên $w/b$, hàm lượng thủy tinh và $UPV$ ($R^2 = 0{,}932$, $MAPE = 14{,}7%$). Mostafa Jalal (2013) dùng 6 tham số đầu vào ($R^2 = 0{,}896$); Ruoyu Jin (2017) dự đoán bê tông dùng phế phẩm gạch gốm; Hoàng Nhật Đức (2014) dùng 6 biến cho bê tông tính năng cao ($R^2 = 0{,}83$); Nguyễn Thị Thu Ngà (2018) nghiên cứu bê tông bọt.
  • Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Łukasz Sadowski (2015) dùng mạng cấu trúc 1 lớp ẩn 9 nơ-ron trên 156 mẫu bê tông chứa bụi khoáng ($R_{train} = 0{,}93$, $R_{test} = 0{,}91$); Atici (2011) dự đoán cường độ bê tông chứa tro bay và xỉ lò với các cấu trúc 3-5-1, 4-6-1, 5-6-1 ($R = 0{,}951$). Đào Văn Đông (2019) huấn luyện 210 mẫu geopolymer ($R^2 = 0{,}851$); Lý Hải Bằng (2019, 2020) dự đoán bê tông cốt liệu tái chế RAC (6 đầu vào) và bê tông HPC (8 đầu vào) đạt hệ số $R \approx 0{,}9$; Mai Thị Hải Vân (2021) dự đoán bê tông sử dụng tro bay và xỉ lò.

3. Dự đoán kích thước vết nứt bằng phương pháp siêu âm

Tác giả phân tích 4 phương pháp đo vết nứt chính:

  1. Phương pháp tác động tiếng vang (Impact-Echo): Carino và Sansalone (1984), Çam (2007), Hsiao (2008) xác định chiều sâu $T = c / (2 f_T)$, phụ thuộc lớn vào tần số đỉnh $f_T$ biến thiên phức tạp.
  2. Phương pháp lan truyền sóng bề mặt (Surface Wave Transmission): Popovic (2000), Foo Wei Lee (2014), Seong-Hoon Kee (2011), Won-Joon Song (2010) dựa trên tỷ lệ truyền biên độ $d_{BC}(f)$, yêu cầu điều kiện chiều sâu vết nứt $h/\lambda \ge 1{,}5$ và bề mặt đo rộng.
  3. Phương pháp siêu âm khuếch tán (Diffusion Method): Ramamoorthy (2004), Matthias Seher (2013), Eunjong Ahn (2018) dựa trên độ trễ thời gian đỉnh năng lượng khuếch tán.
  4. Phương pháp thời gian nhiễu xạ lan truyền (TOFD): Sansalone (1998) sử dụng sóng dọc $P$ nhiễu xạ tại đáy vết nứt, áp dụng trong TCVN 9357:2012; Nguyễn Hữu Huế (2016) đo vết nứt đập Cửa Đạt ($24{,}7 - 266{,}7\text{ mm}$); Liou (2004) mô phỏng FEM và thực nghiệm trên mẫu có vết nứt $0\text{ mm}$, $30\text{ mm}$, $40\text{ mm}$.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết việc thiếu vắng một công cụ tính toán số tích hợp ma trận cản Rayleigh thực nghiệm cho bài toán lan truyền sóng trong bê tông chứa tro bay và bột đá; đồng thời lấp đầy khoảng trống dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa các đặc tính sóng siêu âm ($UPV$, tỷ lệ suy giảm biên độ $A_2/A_1$), thành phần cấp phối và cường độ nén 28 ngày cho bê tông cấp bền B10–B45 tại miền Trung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Phương trình động lực học đàn hồi: Dựa trên định luật 2 Newton và định luật Hooke tổng quát cho môi trường đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng: $$\sigma_{ij,j} + \rho K_i = \rho \ddot{u}i$$ $$\sigma{ij} = C_{ijmn}\varepsilon_{mn} = \lambda \varepsilon_{kk}\delta_{ij} + 2\mu\varepsilon_{ij}$$ Trong đó $\rho$ là khối lượng riêng; $\lambda, \mu$ là các hằng số Lamé liên hệ với mô-đun đàn hồi $E$ và hệ số Poisson $\nu$.
  • Phương trình dao động rời rạc bằng phần tử hữu hạn (FEM): $$[M]{\ddot{Q}(t)} + [C]{\dot{Q}(t)} + [K]{Q(t)} = {F(t)}$$ Trong đó $[M]$ là ma trận khối lượng tổng thể, $[K]$ là ma trận độ cứng tổng thể, $[C]$ là ma trận cản, ${Q(t)}$ là vec tơ chuyển vị nút, ${F(t)}$ là vec tơ lực kích động dạng xung.
  • Mô hình giảm chấn Rayleigh: Ma trận cản $[C]$ được biểu diễn qua tổ hợp tuyến tính của ma trận khối lượng và ma trận độ cứng: $$[C] = \alpha [M] + \beta [K]$$ Với $\alpha$ (rad/s) là hệ số cản khối lượng và $\beta$ (s/rad) là hệ số cản độ cứng.
  • Thuật toán tích phân số Newmark: Sử dụng phương pháp Newmark với các tham số $\beta_N, \gamma_N$ để giải hệ phương trình vi phân chuyển động từng bước theo thời gian $\Delta t \le \Delta t_{cr}$.
  • Cơ sở hình học phương pháp TOFD: Chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt $D$ được tính toán từ vận tốc sóng dọc $C_p$, thời gian lan truyền $t$ và khoảng cách nửa khoảng đo $H$: $$D = \sqrt{\left(\frac{C_p t}{2}\right)^2 - H^2}$$ Hoặc tính toán không phụ thuộc vận tốc theo công thức chuẩn TCVN 9357:2012 với hai khoảng cách $H_1 = 150\text{ mm}$ và $H_2 = 300\text{ mm}$: $$D = \frac{150}{\sqrt{t_2^2 - t_1^2}} \sqrt{4t_1^2 - t_2^2}$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế và thu thập dữ liệu

  • Thuật toán và công cụ tính toán: Lập trình mã nguồn mô phỏng số FEM 2D và mạng nơ-ron nhân tạo trên phần mềm Matlab R2019.
  • Kế hoạch thực nghiệm và bộ mẫu:
    • Chế tạo mẫu khối vuông kích thước $15 \times 15 \times 15\text{ cm}$ theo 72 cấp phối khác nhau, dưỡng hộ tiêu chuẩn 28 ngày.
    • Tỷ lệ vật liệu: Bột đá Phước Tường thay thế 20% cát; tro bay Vũng Áng thay thế 20% xi măng PC50 Sông Gianh. Cường độ nén bao phủ cấp độ bền B10 đến B45.
    • Thiết bị đo siêu âm phát xung tần số $54\text{ kHz}$.
    • Xác định vận tốc xung siêu âm $UPV$, tỷ lệ suy giảm biên độ $A_2/A_1$, khối lượng riêng $\rho$, mô-đun đàn hồi tĩnh $E$ và cường độ chịu nén phá hủy $R_{28}$ trên máy nén thủy lực.
    • Xác định hệ số cản Rayleigh $\alpha, \beta$ bằng thuật toán lặp đối sánh biên độ sóng thực nghiệm và mô phỏng.
    • Chế tạo mẫu thử có tạo rãnh nứt thẳng đứng nhân tạo để đo kiểm chứng thời gian truyền sóng TOFD.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành xây dựng tại miền Trung, thực trạng phát thải tro bay Vũng Áng và bột đá Phước Tường. Xác định tính cấp thiết, 3 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát, 5 nội dung nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, 4 điểm mới đóng góp của luận án và bố cục tổng thể.

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Tổng hợp cơ sở lý thuyết và tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về 3 chủ đề:

  1. Mô phỏng sóng siêu âm: Phân tích chi tiết phương pháp sai phân hữu hạn (FDM, EFIT, FIT), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử phổ (SEM) và phần tử biên (BFEM). Đánh giá ưu nhược điểm tại Bảng 1.1, xác định FEM kết hợp mô hình giảm chấn Rayleigh là hướng tiếp cận phù hợp cho kết cấu bê tông.
  2. Dự đoán cường độ chịu nén: Điểm qua các mô hình hồi quy phi tuyến 1 biến ($f_c - UPV$), mô hình hồi quy tuyến tính đa biến (Wang, Mostafa Jalal, Ruoyu Jin, Hoàng Nhật Đức) và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ANN (Łukasz Sadowski, Atici, Đào Văn Đông, Lý Hải Bằng). Khẳng định việc bổ sung thông số suy giảm sóng và cấp phối vào mô hình đa biến/ANN là cần thiết để nâng cao độ chính xác.
  3. Đo chiều sâu vết nứt bằng sóng siêu âm: Phân tích nguyên lý, phạm vi áp dụng và hạn chế của 4 phương pháp: tác động tiếng vang (Impact-Echo), lan truyền sóng bề mặt, siêu âm khuếch tán và thời gian nhiễu xạ lan truyền (TOFD). Luận án lựa chọn phương pháp TOFD theo TCVN 9357:2012 để nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm.

Chương 2: Mô phỏng quá trình lan truyền sóng siêu âm và dự đoán chiều sâu vết nứt trong bê tông

Chương 2 thiết lập toàn bộ quy trình mô phỏng số:

  • Xây dựng hệ phương trình lan truyền sóng trong môi trường đàn hồi 2D và kỹ thuật rời rạc hóa phần tử hữu hạn bậc nhất/bậc hai.
  • Lập công thức ma trận khối lượng phần tử $[M^e]$, ma trận độ cứng phần tử $[K^e]$ từ ma trận ứng suất - biến dạng $[D]$ và ma trận hình học $[B]$.
  • Tích hợp ma trận cản $[C] = \alpha [M] + \beta [K]$.
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán và lập trình giải phương trình chuyển động bằng phương pháp tích phân số Newmark trên phần mềm Matlab R2019.
  • Khảo sát dạng sóng và chuyển vị nút tại các điểm phát - thu tín hiệu trên các mẫu bê tông chuẩn kích thước $15\text{ cm}$.
  • Tiến hành mô phỏng bài toán xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt: phân tích hình ảnh trường sóng lan truyền qua đỉnh vết nứt, trích xuất thời điểm đến của sóng dọc nhiễu xạ và tính toán chiều sâu vết nứt từ tín hiệu chuyển vị mô phỏng.
                           QUY TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ TRONG CHƯƠNG 2
Thiết lập phương trình FEM 2D       Tích hợp cản Rayleigh            Thuật toán tích phân Newmark
$[M]\ddot{Q} + [C]\dot{Q} + [K]Q = F$     $[C] = \alpha[M] + \beta[K]$        Giải theo thời gian trên Matlab
                              Kết quả trường sóng & TOFD
                              - Tín hiệu chuyển vị phát - thu
                              - Thời gian sóng nhiễu xạ vết nứt

Chương 3: Thực nghiệm dự đoán cường độ chịu nén, hệ số cản Rayleigh và chiều sâu vết nứt của bê tông

Nội dung thực nghiệm triển khai qua 5 bước chính:

  1. Kiểm tra đặc tính cơ lý vật liệu: Xác định các chỉ tiêu cơ lý của cát (Bảng 3.2), bột đá Phước Tường (Bảng 3.3), đá dăm (Bảng 3.4), xi măng PC50 Sông Gianh (Bảng 3.5), tro bay Vũng Áng (Bảng 3.6). Thiết lập thành phần vật liệu cơ sở và các mức thay đổi hàm lượng (Bảng 3.7, 3.8).
  2. Xây dựng bộ dữ liệu 72 cấp phối bê tông (Bảng 3.9): Đo đạc $UPV$ (đầu dò $54\text{ kHz}$), xác định tỷ lệ suy giảm biên độ sóng $A_2/A_1$, khối lượng riêng $\rho$, mô-đun đàn hồi $E$ và cường độ nén phá hủy tuổi 28 ngày $R_{28}$ (đáp ứng cấp bền B10 đến B45).
  3. Xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén:
    • Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến: Xây dựng 3 mô hình dự đoán với các tập biến đầu vào khác nhau (Bảng 3.10), vẽ biểu đồ phần dư và biểu đồ đường bao (contour plot) để tối ưu hóa cấp phối đạt cường độ thiết kế $300\text{ daN/cm}^2$ (Bảng 3.11).
    • Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Huấn luyện mạng truyền thẳng với các cấu trúc lớp ẩn khác nhau, đánh giá hệ số xác định $R^2$ (Bảng 3.12).
    • So sánh các mô hình (Bảng 3.14): Đánh giá đối sánh giữa các mô hình hồi quy và ANN về sai số và độ tin cậy dự đoán.
  4. Xác định hệ số cản Rayleigh: Thiết lập sơ đồ phát - thu xung qua mẫu $15\text{ cm}$, đo hệ số suy giảm $k_w$, sử dụng thuật toán lặp số gia $\Delta k_R$ để tìm cặp hệ số $(\alpha, \beta)$ cho 72 cấp phối. Huấn luyện mạng ANN để dự đoán hệ số cản Rayleigh $(\alpha, \beta)$ cho cấp phối bất kỳ (Bảng 3.15).
  5. Thực nghiệm đo chiều sâu vết nứt: Chế tạo mẫu có vết nứt nhân tạo vuông góc bề mặt, đo thời gian lan truyền sóng TOFD, tính toán chiều sâu vết nứt thực nghiệm và đối sánh với kết quả mô phỏng số (Bảng 3.16).

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm trong vật liệu bê tông cho bài toán hai chiều (2D) trên nền tảng Matlab, có xét đến ma trận cản thông qua mô hình giảm chấn Rayleigh với các hệ số cản $\alpha$ và $\beta$ được xác định trực tiếp từ thực nghiệm.
  2. Xây dựng quy trình thực nghiệm và thuật toán lặp tối ưu để trích xuất chính xác các hệ số cản khối lượng $\alpha$ và hệ số cản độ cứng $\beta$ của bê tông khi sóng siêu âm tần số $54\text{ kHz}$ truyền qua mẫu thử.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Thiết lập bộ dữ liệu thực nghiệm gồm 72 cấp phối bê tông sử dụng đồng thời 20% tro bay Vũng Áng thay thế xi măng và 20% bột đá Phước Tường thay thế cát, bao phủ dải cấp độ bền chịu nén từ B10 đến B45 ở tuổi 28 ngày. Bộ dữ liệu cung cấp đồng bộ các thông số: cấp phối, vận tốc xung siêu âm $UPV$, khối lượng riêng $\rho$, mô-đun đàn hồi $E$, tỷ lệ suy giảm biên độ sóng $A_2/A_1$ và cường độ chịu nén 28 ngày.
  2. Thiết lập thành công mô hình hồi quy đa biến và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) dự đoán chính xác cường độ chịu nén 28 ngày; xây dựng biểu đồ đường bao cấp phối tối ưu hỗ trợ các đơn vị sản xuất bê tông tra cứu tỷ lệ thành phần đạt mác yêu cầu.
  3. Xây dựng mô hình ANN dự đoán cặp hệ số cản Rayleigh $(\alpha, \beta)$ cho bê tông sử dụng tro bay và bột đá với cấp phối bất kỳ trong miền khảo sát.
  4. Kiểm chứng độ tin cậy và sự phù hợp giữa phương pháp mô phỏng số PTHH và phương pháp thực nghiệm TOFD trong việc xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng kết hợp vận tốc xung $UPV$ và tỷ lệ suy giảm biên độ sóng $A_2/A_1$ trong công tác kiểm tra không phá hủy chất lượng bê tông tại hiện trường thay vì chỉ dùng đơn biến $UPV$.
  • Khuyến nghị các trạm trộn bê tông thương phẩm tại miền Trung áp dụng biểu đồ đường bao cấp phối của luận án để tái sử dụng tro xỉ nhiệt điện và bột đá mỏ, giúp hạ giá thành và giảm tải bãi thải công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Mô hình hóa lý thuyết: Luận án giả thiết bê tông là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính trong không gian 2D, chưa xét đến tính dị tính vi mô (pha vữa, cốt liệu thô, vùng chuyển tiếp ITZ, lỗ rỗng khí) và chưa mở rộng cho bài toán không gian 3 chiều (3D).
  • Dạng khuyết tật: Chỉ tập trung khảo sát vết nứt mở đơn lẻ có phương vuông góc với bề mặt, chưa khảo sát các hệ vết nứt xiên góc, vết nứt ngậm bên trong hoặc khuyết tật rỗ tổ ong.
  • Phạm vi cấp phối: Mức thay thế tro bay và bột đá được cố định ở mức 20% với nguồn vật liệu khoáng đặc thù tại khu vực miền Trung (Vũng Áng và Phước Tường).

Hướng nghiên cứu phát triển

  1. Mở rộng mô hình toán học và chương trình mô phỏng số sự lan truyền sóng siêu âm sang bài toán ba chiều (3D), xét đến cấu trúc phi đồng nhất gồm vữa, cốt liệu và lỗ rỗng.
  2. Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm dự đoán chiều sâu đối với các dạng vết nứt phức tạp hơn như vết nứt xiên, vết nứt phân nhánh và vết nứt ngầm không lộ ra bề mặt.
  3. Mở rộng bộ dữ liệu thực nghiệm với nhiều dải tỷ lệ thay thế tro bay và bột đá khác nhau (10%, 30%, 40%) kết hợp các nguồn phụ gia khoáng khác.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật xây dựng, Cơ học tính toán và Vật liệu xây dựng; có thể tham khảo thuật toán tích phân Newmark, kỹ thuật xây dựng ma trận cản Rayleigh và cấu trúc mạng ANN trong dự đoán cơ tính vật liệu.
  • Kỹ sư kiểm định chất lượng công trình (NDT): Tham khảo quy trình đo đạc vận tốc $UPV$, suy giảm biên độ và kỹ thuật TOFD xác định chiều sâu vết nứt kết cấu bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 9357:2012.
  • Doanh nghiệp sản xuất bê tông và cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo các bảng cấp phối tối ưu (Chương 3) để tái sử dụng hiệu quả nguồn tro xỉ nhiệt điện và bột đá mỏ tại miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn gốc và tỷ lệ thay thế của tro bay và bột đá trong bê tông nghiên cứu là gì?

Tro bay được lấy từ Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng (Hà Tĩnh) dùng để thay thế 20% khối lượng xi măng Portland PC50 Sông Gianh. Bột đá được lấy từ mỏ đá Phước Tường (Đà Nẵng) dùng để thay thế 20% khối lượng cát tự nhiên.

2. Luận án giải quyết bài toán cản trong mô phỏng truyền sóng phần tử hữu hạn bằng cách nào?

Luận án sử dụng mô hình giảm chấn Rayleigh để xác định ma trận cản $[C] = \alpha [M] + \beta [K]$. Các hệ số cản khối lượng $\alpha$ và cản độ cứng $\beta$ được xác định thông qua thuật toán lặp đối sánh biên độ sóng thực nghiệm (tần số $54\text{ kHz}$) và mô phỏng trên mẫu lập phương $15\text{ cm}$, sau đó xây dựng mạng ANN để dự đoán cho cấp phối bất kỳ.

3. Bộ dữ liệu thực nghiệm phục vụ xây dựng mô hình dự đoán bao gồm quy mô và các chỉ tiêu nào?

Bộ dữ liệu gồm 72 cấp phối bê tông khác nhau chế tạo trên mẫu lập phương cạnh $15\text{ cm}$, đạt cấp độ bền chịu nén ở tuổi 28 ngày từ B10 đến B45. Các thông số thu thập gồm: thành phần cấp phối, vận tốc xung siêu âm $UPV$, tỷ lệ suy giảm biên độ sóng $A_2/A_1$, khối lượng riêng $\rho$, mô-đun đàn hồi tĩnh $E$ và cường độ nén $R_{28}$.

4. Phương pháp siêu âm nào được chọn để xác định chiều sâu vết nứt và nguyên lý tính toán là gì?

Luận án lựa chọn phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền (TOFD). Khi xung sóng dọc gặp đỉnh vết nứt sẽ phát sinh sóng nhiễu xạ thứ cấp đến đầu thu; chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt $D$ được tính toán từ thời gian truyền sóng $t$, vận tốc sóng dọc $C_p$ và khoảng cách nửa khoảng đo $H$ theo biểu thức $D = \sqrt{(C_p t / 2)^2 - H^2}$ hoặc theo công thức hai khoảng đo của TCVN 9357:2012.

5. Những mô hình toán học nào được dùng để dự đoán cường độ chịu nén của bê tông?

Tác giả đã xây dựng và so sánh hai nhóm mô hình: mô hình hồi quy tuyến tính đa biến (với các tổ hợp biến đầu vào từ cấp phối và đặc tính sóng) và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) nhiều lớp. Kết quả cho thấy mô hình mạng ANN và hồi quy đa biến có xét đồng thời $UPV$, suy giảm biên độ $A_2/A_1$ và tỷ lệ cấp phối mang lại độ chính xác dự đoán cao hơn đáng kể so với mô hình hồi quy đơn biến truyền thống.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Vương Lê Thắng đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu ứng dụng sóng siêu âm để dự đoán cường độ chịu nén và xác định chiều sâu vết nứt cho bê tông sử dụng 20% tro bay Vũng Áng và 20% bột đá Phước Tường. Tác giả đã xây dựng thành công chương trình mô phỏng số FEM 2D có tích hợp ma trận cản Rayleigh thực nghiệm và thiết lập bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực trên 72 cấp phối bê tông cấp bền B10–B45. Các mô hình hồi quy đa biến, mạng ANN và phương pháp TOFD được phát triển trong công trình cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán tin cậy cho công tác thiết kế cấp phối cũng như kiểm định không phá hủy chất lượng công trình xây dựng.