Nghiên cứu dùng muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn trong việc cải thiện khả năng tự cảm biến của bê tông tính năng cao

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019. 13 (4V): 151–158

NGHIÊN CỨU DÙNG MUỘI THAN ĐEN VÀ XỈ LÒ CAO
NGHIỀN MỊN TRONG VIỆC CẢI THIỆN KHẢ NĂNG
TỰ CẢM BIẾN CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO
Nguyễn Duy Liêma , Vũ Thị Bích Ngàb,∗, Đỗ Xuân Sơna , Trần Minh Phụngc
a

Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh,
01 Võ Văn Ngân, quận Thủ Đức, Hồ Chí Minh, Việt Nam
b
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng,
215 Điện Biên Phủ, quận Bình Thạnh, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
c
Khoa Kiến trúc - Xây dựng và Mỹ thuật, Trường Đại học Thủ Dầu Một,
06 Trần Văn Ơn, Phú Hoà, Thủ Dầu Một, Bình Dương, Việt Nam
Nhận ngày 07/08/2019, Sửa xong 04/09/2019, Chấp nhận đăng 06/09/2019
Tóm tắt
Thông qua thực nghiệm, bài báo cung cấp thông tin hữu ích khi dùng muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn cải
thiện khả năng tự cảm ứng của bê tông tính năng cao (high performance fiber-reinforced concretes, HPFRC)
trong giai đoạn đàn hồi lẫn trong quá trình tăng cứng cơ học (strain hardening). Ba loại vữa bê tông tính năng
cao sử dụng gồm: cấp phối đối chứng (M1), cấp phối dùng muội than đen thay thế 1% khối lượng xi măng
(M2), cấp phối dùng xỉ lò cao nghiền mịn thay thế 25% khối lượng xi măng (M3). Ba cấp phối này được gia
cường cốt sợi thép loại 2 đầu móc, hàm lượng như nhau 1,5% theo thể tích. So sánh với cấp phối M1 dưới sơ
đồ kéo trực tiếp, kết quả thí nghiệm cho thấy cấp phối M2 và M3 được cải thiện đáng kể khả tự cảm biến cũng
như cường độ kéo.
Từ khoá: bê tông tính năng cao; hệ số cảm biến; tự cảm biến; vật liệu thông minh; muội than đen; xỉ lò cao
nghiền mịn.
USING CARBON BLACK AND GROUND GRANULATED BLAST FURNACE SLAG FOR IMPROVEMENT OF SELF-SENSING CAPACITY OF HIGH PERFORMANCE FIBER-REINFORCED CONCRETES
Abstract
This paper provides useful information about using carbon black (CB) and ground granulated blast furnace slag

(GGBS) for improvement of self-sensing capacity of high performance fiber-reinforced concrete (HPFRC) in
both elastic and strain hardening stages. Some HPFRC types were experimented as follows: controlled matrix
containing no fibers (M1), amount 1 wt.% of cement was partly replaced by carbon black (M2), or amount 25
wt.% of cement was partly replaced by ground granulated blast furnace slag (M3). All investigated HPFRC
types contained the same amount of hooked steel fibers with 1.5% volume fraction. The self-sensing capacities of M2 and M3 under direct tension were observed to be significantly higher than that of the controlled
matrix, M1.
Keywords: high-performance fiber-reinforced concretes; gauge factor; self-sensing; smart materials; carbon
black; ground granulated blast furnace slag.
c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

∗

Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: (Ngà, V. T. B.)

151


volume fraction. Electrical resistances of tested specimens were measured during
tensile loading to investigate their self-sensing capacities. The self-sensing capacities
of M2 and M3 were observed to be significantly higher than that of the controlled
matrix, M1.

1. Giới thiệu

Liêm, N. D., và cs. /Fiber-Reinforced
Tạp chí Khoa họcConcretes,
Công nghệ Xây
dựngFactor, SelfKeywords: High-Performance
Gauge
sensing, Smart materials, Carbon Black, Ground Granulated Blast Furnace Slag

Những năm1.gần
Giớiđây,
thiệubê tông tính năng cao cốt sợi (high performance fiber-reinforced concrete,
HPFRC) được các nhà nghiên cứu tìm hiểu, phát triển sâu rộng. Vật liệu này có tính năng vượt trội
Những năm gần đây, bê tông tính năng cao cốt sợi (high performance fiberso với bê tông truyền
thống
như HPFRC)
cường độ
nén
trên
cường
reinforced
concrete,
được
cáccao
nhà(nén
nghiên
cứu90
tìmMPa),
hiểu, phát
triểnđộ
sâukéo
rộng.đạt trên 10 MPa
tính năng
so với
bê tông
độ nén Tại
cao Việt Nam, tuy
nhờ cốt sợi liênVật

kếtliệu
cácnàyvếtcónứt,
khả vượt
năngtrội
chịu
biến
dạngtruyền
và độthống
bềnnhư
rấtcường
cao [1–3].
(nén trên 90 MPa), cường độ kéo đạt trên 10 MPa nhờ cốt sợi liên kết các vết nứt, khả
chưa phổ biến như bê tông truyền thống, song bê tông tính năng cao (hay siêu cao) cũng được quan
năng chịu biến dạng và độ bền rất cao [1-3]. Tuy chưa phổ biến như bê tông truyền
tâm nghiên cứu,thống,
ứng song
dụngbêngày
mộtnăng
nhiều
Hình
1 mô
cầungày
extradosed
tuyến metro số 1
tông tính
cao[4–6].
cũng đang
được
ứng tả
dụng

một nhiều.của
Ví dụ
cầu extradosed
tuyến
trô tính
số 1 năng
(Bến Thành
– Suối
sử cấu
dụngtrụ
bê tháp
tông tính
(Bến Thành – Suối
Tiên) sử của
dụng
bê mê
tông
cao cốt
sợi Tiên)
tại kết
dây văng.
năng cao cốt sợi tại kết cấu trụ tháp dây văng (mô tả ở Hình 1).

Hình 1. Trụ tháp sử dụng bê tông tính năng cao trộn sợi thép

Hình 1. Trụ tháp sử dụng bê tông tính năng cao trộn sợi thép

Ngoài khả năng chịu tải lớn, HPFRC còn có tính chất đặc biệt là khả năng tự
cảm biến [2,3] để phục vụ quan trắc chất lượng công trình đang khai thác. Công tác
quan trắc

nàytải
rấtlớn,
quanHPFRC
trọng giúp
đánh
khảchất
năngđặc
chịubiệt
tải hiện
tại của
kết cấu
sau biến [2, 3] để
Ngoài khả năng
chịu
còn
cógiá
tính
là khả
năng
tự cảm
khoảng
gian khai
thác,
từ đó
có biện
pháp
duy Công
tu, nângtác
cấpquan
hay hạn

tải trọng
phục vụ quan trắc
chấtthời
lượng
công
trình
đang
khai
thác.
trắcchếnày
rất quan trọng giúp
đảm bảo an toàn khai thác [4]. Phương cách quan trắc chất lượng công trình truyền
đánh giá khả năng
chịu
tải hiện
tại cảm
của biến
kết cấu
sauchôn
khoảng
thời
gian
khaiphương
thác, từ
đónày
có biện pháp duy
thống
là dùng
hệ thống
(sensor)

hay gắn
vào
kết cấu;
pháp
có hạn
những
nhược
điểm làđảm
giá thành
cao,toàn
tuổi thọ
không
chôn các
sensor
vào trắc chất lượng
tu, nâng cấp hay
chế
tải trọng
bảo an
khai
tháclâu,
[7].việc
Phương
cách
quan
kết thống
cấu cũng
giảm
năng cảm
chịu tải

của (sensor)
công trình chôn
[5]. Vật
liệugắn
xây vào
dựngkết
tự cảm
công trình truyền
làlàm
dùng
hệkhả
thống
biến
hay
cấu; phương pháp
biến giúp khắc phục được những nhược điểm kể trên. Khả năng tự cảm biến của vật

này có những nhược điểm là giá thành cao, tuổi thọ không lâu, việc chôn các sensor vào kết cấu cũng
làm giảm khả năng chịu tải của công trình [8]. Vật liệu xây dựng tự cảm biến giúp khắc phục được
2
những nhược điểm kể trên. Khả năng tự cảm biến của vật liệu HPFRC phụ thuộc nhiều vào loại cốt
sợi [2], hàm lượng cốt sợi [3] hay loại bê tông nền [9]. Cơ chế của tính tự cảm biến hư hỏng được
diễn giải như sau: ứng suất, biến dạng, hình thành vết nứt của HPFRC có mối liên hệ với điện trở suất
(electrical resistivity). Do vậy có thể xác định điện trở suất để xác định các thông số cơ học.
Mặc dù HPFRC có khả năng tự cảm biến, tuy nhiên việc nâng cao tính năng này là rất cần thiết.
Bài báo này trình bày nghiên cứu việc sử dụng muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn để nâng cao
khả năng tự cảm biến cũng như tính chất cơ học của HPFRC. Kết quả nghiên cứu đóng góp cho việc
ứng dụng tính chất tự cảm biến của HPFRC trong việc phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng hướng đến
sự bền vững, đô thị thông minh.
2. Thí nghiệm

2.1. Vật liệu và phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu
Bảng 1 cung cấp thành phần cấp phối 3 loại vữa bê tông tính năng cao sử dụng gồm: cấp phối đối
chứng (M1), cấp phối dùng muội than đen thay thế 1% khối lượng xi măng (M2), cấp phối dùng xỉ lò
cao nghiền mịn thay thế 25% khối lượng xi măng (M3). Cường độ nén của 3 loại vữa bê tông (không
có cốt sợi) lần lượt là 89 MPa (M1), 92 MPa (M2) và 109 MPa (M3). Hình 2 thể hiện ảnh chụp vật

152


2.2.Thí
Thínghiệm
nghiệm
2.1.
2.1.Vật
Vậtliệu
liệuvàvàphương
phươngpháp
phápchế
chếtạo
tạomẫu
mẫunghiên
nghiêncứu
cứu
Bảng
Bảng1.1.Thành
Thànhphần
phầnvữa
vữabêbêtông
tôngtheo
theokhối

khốilượng
lượngvàvàcường
cườngđộđộnén
nén
Liêm, N. D., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
rrm m
Phụ
Phụ
f f'c 'c
Cấp
Cấp XiXi Silica
Silica Cát
Cát Tro
Tro gia hóa CB GGBS Nước
Bảng 1. Thành phần vữa bêgia
tônghóa
theo CB
khối lượng
và cường
GGBS
Nước độ nén (kΩ
(kΩ- phối
phối măng
măng fume
fumetrắng
trắng bay
bay
(MPa)
(MPa)
dẻo

dẻo
cm)
cm)
(MPa)
Cấp phối M1
Xi
măng
Silica
fume
Cát
trắng
Tro
bay
Phụ
gia
hóa
dẻo
CB
GGBS
Nước
f
c
- - 0.26
M1 0.800
0.800 0.07
0.07 1.00
1.00 0.20
0.20 0.04
0.04 - 0.26 8989 168.11
168.11ρm (kΩ - cm)

M1 M2
0,800
1,00
0,20 0.04
-0.26 0,26
89
0.792
0.07
0.008
9292 150.30
M2
0.7920,07
0.07 1.00
1.00 0.20
0.20
0.040,04
0.008 -- - 0.26
150.30 168,11
M2
0,792
0,07
1,00
0,20
0,04
0,008
0,26
92
150,30
M3
0.640

0.07
1.00
0.20
0.04
0.16
0.26
109
155.94
M3
0.640
0.07
1.00
0.20
0.04
0.16
0.26
109
155.94 155,94
M3
0,640
0,07
1,00
0,20
0,04
0,16
0,26
109

than
đen(CB)

(CB)
(a)(a)Muội
than
(a)Muội
Muội
thanđen
đen
(CB)

(b)
cao
nghiền
mịn
(GGBS)
(b)
XỉXỉXỉ
lòlò
cao
mịn
(GGBS)
(b)
lò
caonghiền
nghiền
mịn
(GGBS)

Hình2.2.Vật
Vậtliệu
liệumuội

muộithan
thanđen
đenvàvàxỉxỉlòlòcao
caonghiền
nghiềnmịn
mịn
Hình
Hình 2. Vật liệu muội than đen và xỉ lò cao nghiền mịn

Bảng1 1cung
cungcấp
cấpthành
thànhphần
phầncấp
cấpphối
phối3 3loại
loạivữa
vữabêbêtông
tôngtính
tínhnăng
năngcao
caosửsửdụng
dụng
Bảng
Tạp
chí
Khoa
học
Công
nghệ

Xây
dựng
NUCE
2019
gồm:cấp
cấpphối
phốiđối
đốichứng
chứng(M1),
(M1),cấp
cấpphối
phốidùng
dùngmuội
muộithan
thanđen
đenthay
thaythế
thế1%
1%khối
khốilượng
lượng
gồm:
liệu muội
than
đen
và
xỉ
lò
cao
nghiền

mịn
sử
dụng
trong
nghiên
cứu.
Bảng
2
cung
cấp
thông tin về
măng(M2),
(M2),cấp
cấpphối
phốidùng
dùngxỉxỉlòlòcao
caonghiền
nghiềnmịn
mịnthay
thaythế
thế25%
25%khối
khốilượng
lượngxiximăng
măng
xiximăng
tính chất vật lý của một số vật liệu thành phần.
đen và
xỉ lò cao
nghiền

mịn
sửcủa
dụng
Bảng
2 cungcó
cấp
thông
tinlần
về
(M3).
Cường
nén
của3trong
3loại
loạinghiên
vữabêcứu.
bêtông
tông
(không
cócốt
cốtsợi)
sợi)
lầnlượt
lượtlàlà8989MPa
MPa
(M3).
Cường
độđộ
nén
vữa

(không
Trong các loại HPFRC, sử dụng sợi thép hai đầu móc (hooked) đường kính tương đương 0,375 mm,
tính chất
vật
lý
của
một
số
vật
liệu
thành
phần.
(M1),
92MPa
MPa
(M2)
và109
109
MPa
(M3).
Hình
2thể
thể
hiệntin
ảnh
chụpchất
vậtliệu
liệu
muội
thanSợi thép

(M1),
(M2)
MPa
Hình
hiện
ảnh
vật
than
hàm
lượng921,5%
theo
thểvà
tích.
Bảng
3 (M3).
cung
cấp
một2 số
thông
vềchụp
tính
cơ
lýmuội
sợi thép.
Tronglượng
các loại
HPFRC,
sử 3dụng
sợi đun
thépđàn

hai hồi
đầu 200
mócGPa.
(hooked)
đường
có khối
riêng
7,9 g/cm
và mô
Cát sử
dụngkính
trong nghiên cứu là cát mịn,
tương
đương
0.375
mm,
hàm
lượng
1.5
%
theo
thể
tích.
Bảng
3
cung
cấp
một
số
đường kính hạt từ 0,15 đến 0,7 mm.

thông tin về tính chất cơ lý sợi thép. Sợi thép có khối lượng
3 3 riêng 7.9 g/cm3 và mô đun

Tínhcứu
chấtlàvật
củađường
một sốkính
vật liệu
thành
đàn hồi 200 GPa. Cát sử dụng Bảng
trong 2.
nghiên
cátlýmịn,
hạt từ
0.15 phần
đến
0.7 mm.

Tính
Xi một
măng
Silica
Bảngchất
2. Tính chất vật lý của
số vật liệu
thànhfume
phần

Tro bay

Khối lượng riêng (g/cm3 )
3,15
Silica
Tính chất
Xi măng
fume
Độ mịn (cm2 /g)
4450

2,31
Tro 2,24
CB GGBS
bay
163000
3637
Khối lượng riêng (g/cm3)
3.15
2.24
2.31
2.04
2.90
Độ mịn (cm2/g)
4450
163000 3637 5410 4287
Bảng 3. Tính chất cơ lý của sợi thép
Bảng 3. Tính chất cơ lý của sợi thép
Hình
dáng
Hình dáng

Đường
ChiềuChiều
Tỉ lệ dài
hình Cường
độ Điện Cường
trở suấtđộ kéo
Đường kính
Tỉ lệ hình
kính
dài
dạng
kéo đứt
r f (kW-cm)
(mm) (mm) (mm)
dạng
(L/D)
đứt (MPa)
(mm)
(L/D)
(MPa)
0.375
0,375 30

3080

2311
80

1.94×10-82311

CB

GGBS

2,04
5410

2,90
4287

Điện trở suất ρ f
(kΩ - cm)
1,94 ×10−8

Hỗn hợp
trộn
bằng
máymáy
trộn trộn
cưỡngcưỡng
bức cóbức
dung
thùng
Hỗn
hợp vật
vậtliệu
liệuđược
được
trộn
bằng

cótích
dung
tíchtrộn
thùng trộn 20 lít. Xi măng,
20cát,
lít. Xi
măng,
cát,
silica
fume,
tro
bay
và
muội
than
đen
(hoặc
xỉ
lò
cao
nghiền
silica fume, tro bay và muội than đen (hoặc xỉ lò cao nghiền mịn)mịn)
được trộn khô trong khoảng
được trộn khô trong khoảng 10 phút, sau đó nước được thêm vào và trộn tiếp khoảng
10 phút, sau đó nước được thêm vào và trộn tiếp khoảng 5 phút. Phụ gia siêu dẻo được bổ sung từ từ
5 phút. Phụ gia siêu dẻo được bổ sung từ từ thêm vào từng đợt để có thể điều chỉnh
153 Mẫu vữa được dưỡng hộ
đạt độ dẻo phù hợp. Sau đó sợi thép được cho vào trộn đều.
14 ngày trong nước 25 °C, sau đó mẫu được vớt ra làm khô khoảng 12 giờ trong lò
sấy ở nhiệt độ 70 °C. Tất cả mẫu được thí nghiệm ở tuối 18 ngày.

Liêm, N. D., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

thêm vào từng đợt để có thể điều chỉnh đạt độ dẻo phù hợp. Sau đó sợi thép được cho vào trộn đều.
Mẫu vữa được dưỡng hộ 14 ngày trong nước 25◦C, sau đó mẫu được vớt ra làm khô khoảng 12 giờ
trong lò sấy ở nhiệt độ 70◦C. Tất cả mẫu được thí nghiệm ở tuối 18 ngày.
2.2. Thiết lập thí nghiệm
Hình 3 thể hiện kích thước mẫu kéo và sơ đồ thí nghiệm kéo-cảm biến. Mẫu có hình dạng quả tạ
với tiết diện đoạn làm việc 50 × 25 mm2 , dài 100 mm [2, 3]. Thí nghiệm được tiến hành trong phòng
có nhiệt độ 25 ± 3◦C và độ ẩm 50 ± 6%. Điện trở (R) đo được sau đó được quy ra điện trở suất (ρ)
bằng công thức (1):
A
ρ=R·
(1)
L
Tạp chí
Khoa
nghệ dài
Xây dựng
2019
trong đó A và L lần lượt là diện tích
mặt
cắthọcvàCông
chiều
hoạtNUCE
động
của mẫu, R là điện trở và ρ là điện
trở suất.
Mẫu kéo

4 WI RE

40

0.050000 mW

100

Fluke 8846A
V

40

A

Đơn vị: mm

Ứng suất kéo

ρ/ρo

Sơ thí
đồ thí
nghiệmkéo-cảm
kéo-cảm biến
biến
HìnhHình
3. Sơ3. đồ
nghiệm

Hình 4 thể hiện ứng xử kéo-cảm biến của HPFRC. Trong đó đường nét liền thể hiện mối quan
1
Tuyến
tính khi đường nét đứt thể hiện mối quan hệ điện trở suất tương đối – biến
hệ ứng suất – biến dạng
trong
Đi ngang
Chưa xuất hiện vết nứt
dạng. Giá trị ρ/ρ0 , điện trở suất tương đối (ĐTSTĐ), lớn ở giai đoạn đầu sau đó giảm dần; qua khỏi
Phi tuyến
vết nứt sau cùng, ĐTSTĐ
đi ngang (không thay đổi). Hệ số cảm biến (gauge factor, GF) được dùng để
đánh giá khả năng cảm biến của vật liệu. Hệ số cảm biến trung bình trong phạm vi vết nứt đầu (GFcc )
B (e , spc )
cứng(GF ) thể hiện quapcphương
và trong phạm vi vết nứtTăng
cuối
trình (2) và (3).
pc
Xuất hiện nhiều
vết nứt vi mô

(ecc , scc )
(R0 − Rcc )
(R0 − Rcc )/R0
(ρ0 − ρcc )
∆R/R0
GFcc Tuyến
= tính

=
=
=
(ε
−
0)
∆ε
R
·
ε
ρ0 · εcc
cc
0
cc
Chưa nứt
Nứt đầu

Nứt cuối

A

GF pc

C

R0w− R pc
∆R/R0 ecc R0 − R pcepc R0
=
=
=

Đàn ∆ε
hồi tuyến
Tăng ε
cứng − 0
Mở rộng
R0 · ε pc
pc
tính

phi tuyến

vết nứt

=

ρ0 − ρ pc
ρ0 · ε pc

ρ/ρo: Điện trở suất tương đối (ĐTSTĐ)

(2)

(3)

ĐTSTĐ
sợi điện trở suất) tại lúc bắt
trong đó R0 (hay ρ0 ), Rcc (hay ρcc ) và R pc (hay ρ pc ) lần lượt là điện
trởdùng
(hay
không dẫn điện

đầu gia tải, tại vết nứt đầu và tại vết nứt sau cùng.
ĐTSTĐ dùng sợi
dẫn điện

Hình 4. Biểu đồ ứng xử kéo-cảm biến của HPFRC
Hình 4 thể hiện ứng xử kéo-cảm biến của HPFRC. Trong đó đường nét liền thể
154
hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong khi đường nét đứt thể hiện mối quan hệ
5


Đơn vị: mm

1

Tuyến tính
Chưa xuất hiện vết nứt

Đi ngang

Ứng suất kéo

ρ/ρo

Liêm, N. D., và
cs. 3.
/ Tạp
Khoa
học Công
nghệbiến

Xây dựng
Hình
Sơ chí
đồ thí
nghiệm
kéo-cảm

Phi tuyến

B (epc , spc )

Xuất hiện nhiều
vết nứt vi mô

(ecc , scc )

A

Nứt đầu

Tuyến tính
Chưa nứt

Nứt cuối

Tăng cứng

ecc
Đàn hồi tuyến
tính

C

epc
Tăng cứng
phi tuyến

w

Mở rộng
vết nứt

ρ/ρo: Điện trở suất tương đối (ĐTSTĐ)
ĐTSTĐ dùng sợi
không dẫn điện
ĐTSTĐ dùng sợi
dẫn điện

4. Biểu
đồ ứng
xử kéo-cảm
biến
của
HPFRC
Hình Hình
4. Biểu
đồ ứng
xử kéo-cảm
biến
của

HPFRC
Hình 4 thể hiện ứng xử kéo-cảm biến của HPFRC. Trong đó đường nét liền thể
hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong khi đường nét đứt thể hiện mối quan hệ

3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
5

Hình 5 cung cấp biểu đồ ứng xử kéo-cảm biến của ba loại HPFRC sử dụng cấp phối M1, M2 và
M3. Trong các biểu đồ này, đường nét đứt thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng trong khi đường
nét liền thể hiện mối quan hệ độ giảm ĐTSTĐ – biến dạng. Theo Hình 5 thì cả ba cấp phối đều tạo
được hiệu ứng tăng cứng cơ học (strain hardening behaviors) đi liền với sự giảm của điện trở suất.
Trong đó, loại M2 có ĐTSTĐ giảm rõ rệt và ứng suất kéo tăng đáng kể. Bảng 4 cung cấp thông số
ứng xử kéo-cảm biến của ba loại HPFRCs tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt và thời điểm kết thúc
Bảng 4. Thông số trong ứng xử kéo-cảm biến của các loại HPFRC

Tính chất
cơ học

Khả năng cảm biến
biến dạng (strain sensing)

Tại thời điểm
bắt đầu xuất
hiện vết nứt

εcc (%)

σcc (MPa)

ρ0 (kΩ-cm)

ρcc /ρ0 (%)

GFcc

M1-Đối chứng
M2-CB
M3-GGBS

0,020
0,027
0,017

3,94
3,97
4,52

269,87
257,01
335,08

93,73
82,41
93,79

309,47
651,48
365,29

Tính chất

cơ học

Khả năng cảm biến hư
hỏng (damage sensing)

Tại thời điểm
kết thúc xuất
hiện vết nứt

ε pc (%)

σ pc (MPa)

ρ0 (kΩ-cm)

ρ pc /ρ0 (%)

GF pc

M1- Đối chứng
M2-CB
M3-GGBS

0,420
0,291
0,220

6,72
7,18
6,92

269,87
257,01
335,08

64,84
56,76
77,71

88,50
148,59
101,32

155


hợp
với
bêbêtông
khối
lớn,
chống
thấm tốt,
v.v…Do vậy
xỉxỉlòlòcao
nghiền
mịn
hợpcó
với
tông

khối
lớn,biệt
chống
tốt,
vậynước
cao
nghiền
mịn được
được
mịn
có
nhiều
tínhchất
chấtđặc
đặc
biệt
nhưthấm
bềntrong
trongv.v…Do
môitrường
trường
nướcbiển,
biển,ít
íttoả
toảnhiệt,
nhiệt,
phù
mịn
nhiều
tính

như
bền
môi
phù
khuyến
khích
sử
dụng,
dù
hệ
số
cảm
biến
của
HPFRC
khi
có
thêm
vật
liệu
này
chỉ
khuyến
khích
dụng,
dùchống
hệ sốthấm
cảm
biến
của

HPFRC
khi
thêm
vật liệu
này
chỉ
hợp
với bê
bê
tôngsửkhối
khối
lớn,
chống
thấmtốt,
tốt,v.v…Do
v.v…Do
vậyxỉ
xỉlòcó
lòcao
cao
nghiền
mịn
được
hợp
với
tông
lớn,
vậy
nghiền
mịn

được
tăng
ở
mức
15%,
cường
độ
kéo
tăng
ở
mức
15%
cho
s
cc
và
3%
cho
s
pc.
khuyến
khích15%,
sửdụng,
dụng,
dù
hệ
cảmởbiến
biến
củaHPFRC
HPFRC

khi
cóthêm
thêm
vật
liệunày
nàychỉ
chỉ
khuyến
sử
dù
sốsốtăng
cảm
khi
vật
tăng ở khích
mức
cường
độhệ
kéo
mứccủa
15%
cho scc
vàcó
3%
cho s
pc.liệu

tăngởởmức
mức15%,
15%,cường

cường
độ
kéo
tăng
ởmức
mức
15%
cho
và3%
3%cho
choss
pc.
Liêm,
N.kéo
D., và
cs. / ở
Tạp
chí Khoa
họccho
Công
nghệ
Xây
dựng
tăng
độ
tăng
15%
ss
ccccvà
pc.

(a)

a1)
a1)M1,
M1,biến
biếndạng
dạngtạitạithời
thờiđiểm
điểm
bắt
bắtđầu
đầuxuất
xuấthiện
hiệnvết
vếtnứt
nứt
M1, biến
thờidạng
điểm
xuất
hiện vết nứt
a1)
M1,
biến
tại
thời
điểm
a1)dạng
M1,tại

biến
dạngbắt
tạiđầu
thời
điểm
bắt
đầu
xuất
hiện
vết
nứt
bắt đầu xuất hiện vết nứt

(b)

a2)
a2)M1,
M1,biến
biếndạng
dạngtại
tạithời
thờiđiểm
điểm
kết
kếtthúc
thúcxuất
xuấthiện
hiệnvết
vếtnứt
nứt

M1,a2)
biến
dạng
tại
thời
điểmtại
kết
thúc
xuất
hiện vết nứt
dạng
a2)M1,
M1,biến
biến
dạng
tạithời
thờiđiểm
điểm
kết
thúc
xuất
hiện
vết
nứt
kết thúc xuất hiện vết nứt

Tạpchí
chíKhoa
Khoahọc
họcCông

Côngnghệ
nghệXây
Xâydựng
dựngNUCE
NUCE2019
2019
Tạp
(c) M2, biến
dạng
tại
thời
điểm
bắt
đầu
xuất
hiện vết nứt
b1)
M2,
biến
tạitại
thời
điểm
b1)
M2,
biếndạng
dạng
thời
điểm

(d) M2,b2)

biến
dạng
tại
thời
điểmtại
kết
thúc
hiện vết nứt
dạng
điểm
b2)M2,
M2,biến
biến
dạng
tạithời
thờixuất
điểm

bắt
bắtđầu
đầuxuất
xuấthiện
hiệnvết
vếtnứt
nứt
b1)
b1)M2,
M2,biến
biếndạng
dạngtại

tạithời
thờiđiểm
điểm
bắt
đầu
xuất
hiện
vết
nứt
bắt đầu xuất hiện vết nứt

kết
kếtthúc
thúcxuất
xuấthiện
hiệnvết
vếtnứt
nứt
b2)
b2)M2,
M2,biến
biếndạng
dạngtạitạithời
thờiđiểm
điểm
kết
thúc
xuất
hiện
vết

nứt
kết thúc xuất hiện vết nứt

77
(e) M3, biến
dạng
thờidạng
điểm
đầu
xuất
hiện vết nứt
c1)
biến
tạitại
thời
điểm
c1)M3,
M3,tại
biến
dạngbắt
thời
điểm

7

7

(f) M3,c2)
biến
dạng

tại
thời
điểmtại
kết
thúc
hiện vết nứt
dạng
điểm
c2)M3,
M3,biến
biến
dạng
tạithời
thờixuất
điểm

kếtthúc
thúcxuất
xuấthiện
hiệnvết
vếtnứt
nứt
bắt
vết
bắtđầu
đầuxuất
xuấthiện
hiện
vết
nứt xử kéo-cảm biến của các kết

Hình
5.nứt
Ứng
loại
HPFRC

Hình
Hình5.5.Ứng
Ứngxử
xửkéo-cảm
kéo-cảmbiến
biếncủa
củacác
cácloại
loạiHPFRC
HPFRC
156


c2)
dạng tại
tại thời
thời điểm
điểm
c2) M3,
M3, biến
biến dạng
kết
thúc
xuất

hiện
vết
nứt
kết thúc xuất hiện vết nứt

c1)
c1)M3,
M3,biến
biếndạng
dạngtại
tạithời
thời điểm
điểm
bắt
đầu
xuất
hiện
vết
bắt đầu xuất hiện vếtnứt
nứt

Hình
Hình5.
5.Ứng
Ứng xử
xử kéo-cảm
kéo-cảm biến
biến của
của các
các loại

loại HPFRC
HPFRC
Liêm, N. D., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019

a)Cường
Cường
độ
(a)
Cường độ
a)
độ

biếndạng
dạng
(b)Khả
Khả năng
năng biến
b)

88
c)
biến
(c)Hệ
Hệsố
số cảm
cảm biến

Hình 6. So sánh một số thông số ứng xử kéo-cảm biến của các loại HPFRC

Hình 6. So sánh một số thông số ứng xử kéo-cảm biến của các loại HPFRC

Bảng 4. Thông số trong ứng xử kéo-cảm biến của các loại HPFRC
xuất hiện vết nứt. So sánh hệ số cảm biến của các HPFRC được thể hiện trong Hình 6(c). So với M1,
Tính chất
Khả năng cảm biến biến
Tại thời
cấp phối M2 chứa muội
thanđiểm
đen làm tăng hệ số cảm biến khá ấn tượng: GFcc tăng 2,1 lần, GF pc tăng
cơ học
dạng (strain sensing)
bắt
đầu
xuất
1,67 lần. Cấp phối
M3
chứa
xỉ hiện
lò cao nghiền
r 0 hệ số
s cc cải thiện
e cc mịn giúp
rcccảm
/ r0 biến, tuy không nhiều so
GFcccó xu hướng được
với M2: GFcc tăng 1,18vết
lần,nứt
GF pc tăng 1,14 lần. Thông số cường độ chịu kéo cũng
(%) (MPa) (kW-cm) (%)

cải thiện tuy nhiên khả năng chịu biến dạng có xu hướng giảm, cụ thể như sau:
M1- Đối chứng
0.020
3.94
269.87 93.73 309.47
- Đánh giá về cường độ chịu kéo trực tiếp (Hình 6(a)), so với M1, cấp phối M2 có σcc tăng 1,01
M2-CB
0.027
3.97
257.01 82.41 651.48
lần, σ pc tăng 1,07 lần. Cấp phối M3 có σcc tăng 1,15 lần, σ pc tăng 1,03 lần.
0.017
4.52 so với
335.08
93.79
365.29
- Đánh giá về khảM3-GGBS
năng chịu biến dạng
(Hình 6(b)),
M1, cấp
phối M2
có εcc tăng 1,35 lần,
Tính
chất
Khả
năng
cảm
biến
hư
ε pc giảm 0,69 lần. Cấp

có εcc giảm 0,85 lần, ε pc giảm 0,52 lần.
Tại phối
thời M3
điểm
cơ
học
hỏng
(damage
sensing)
Muội than đen
độ mịn
lớnhiện
hơn xi măng nên khi thay thế một phần xi măng, vật liệu này có khả
kếtcóthúc
xuất
e pc
s pc
r pc / r0
r0
GFpc
vết nứt
(%) 157
(MPa) (kW-cm) (%)
M1- Đối chứng
0.420
6.72
269.87 64.84 88.50
M2-CB
0.291
7.18

257.01 56.76 148.59
M3-GGBS
0.220
6.92
335.08 77.71 101.32


Liêm, N. D., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

năng giảm độ rỗng trong vữa giúp bê tông đặc chắc hơn dẫn đến cường độ kéo cao hơn. Mặt khác,
muội than đen có độ dẫn điện tốt hơn xi măng, điều này giúp ĐTSTĐ thay đổi lớn dưới tải trọng kéo
dẫn đến hệ số cảm biến tăng mạnh, tuy phần tăng này có đóng góp từ biến dạng giảm. Xi măng sử
dụng xỉ lò cao nghiền mịn có nhiều tính chất đặc biệt như bền trong môi trường nước biển, ít toả nhiệt,
phù hợp với bê tông khối lớn, chống thấm tốt, v.v. . . Do vậy xỉ lò cao nghiền mịn được khuyến khích
sử dụng, dù hệ số cảm biến của HPFRC khi có thêm vật liệu này chỉ tăng ở mức 15%, cường độ kéo
tăng ở mức 15% cho σcc và 3% cho σ pc .
4. Kết luận
- Cả ba loại HPFRC nghiên cứu gồm M1-đối chứng, M2-chứa muội than đen, M3-chứa xỉ lò cao
nghiền mịn đều thể hiện khả năng tự cảm biến cả trong giải đoạn đàn hồi lẫn giai đoạn tăng cứng cơ
học. Muội than đen tạo hiệu ứng nâng cao tính tự cảm biến (2,1 lần GFcc , 1,67 lần GF pc ) cũng như
làm tăng cường độ kéo (tăng 1,01 lần đối với σcc , tăng 1,07 lần đối với σ pc ). Tuy nhiên, muội than
đen làm giảm biến dạng tại thời điểm kết thúc xuất hiện vết nứt.
- Xỉ lò cao nghiền mịn nâng cao tính tự cảm biến mức độ nhẹ (1,18 lần GFcc , 1,14 lần GF pc ) cũng
như làm tăng cường độ kéo (tăng 1,15 lần đối với σcc , tăng 1,03 lần đối với σ pc ). Xỉ lò cao nghiền
mịn làm giảm biến dạng tại thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt cũng như tại thời điểm kết thúc xuất
hiện vết nứt.
Lời cảm ơn
Tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ tài chính của Đại học Quốc tế Hồng Bàng cho đề tài mã số
GV1905.
Tài liệu tham khảo

[1] Naaman, A. E., Reinhardt, H.-W. (2006). Proposed classification of HPFRC composites based on their
tensile response. Materials and Structures, 39(5):547–555.
[2] Nguyen, D. L., Song, J., Manathamsombat, C., Kim, D. J. (2015). Comparative electromechanical damagesensing behaviors of six strain-hardening steel fiber-reinforced cementitious composites under direct tension. Composites Part B: Engineering, 69:159–168.
[3] Song, J., Nguyen, D. L., Manathamsombat, C., Kim, D. J. (2015). Effect of fiber volume content on
electromechanical behavior of strain-hardening steel-fiber-reinforced cementitious composites. Journal of
Composite Materials, 49(29):3621–3634.
[4] Hà, N. B., Hòa, P. D., Tuấn, N. Q., Danh, L. B., Tuyển, N. N., Bảo, N. Q. (2019). Phân tích và đánh giá xu
hướng ứng dụng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao trong xây dựng cầu quy mô nhỏ và trung bình ở Việt
Nam. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(3V):1–11.
[5] Danh, L. B., Hòa, P. D., Thắng, N. C., Linh, N. Đ., Dung, B. T. T., Lộc, B. T., Đạt, Đ. V. (2019). Nghiên
cứu thực nghiệm khả năng chịu tác động tải trọng nổ của vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC). Tạp
chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(3V):12–21.
[6] An, V. V. T. (2018). Study on using maximum amount of fly ash in producing ultra-high performance
concrete. Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE)-NUCE, 12(3):51–61.
[7] Li, H., Ou, J. (2016). The state of the art in structural health monitoring of cable-stayed bridges. Journal
of Civil Structural Health Monitoring, 6(1):43–67.
[8] .
[9] Kim, M. K., Kim, D. J., An, Y.-K. (2018). Electro-mechanical self-sensing response of ultra-highperformance fiber-reinforced concrete in tension. Composites Part B: Engineering, 134:254–264.

158