Nghiên cứu quá trình phá hủy của vật liệu bê tông bằng phương pháp siêu âm kết hợp máy nén đơn trục

14 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ-Địa chất Số 57 (2016) 14-19 
Nghiên cứu quá trình phá hủy của vật liệu bê tông bằng 
phương pháp siêu âm kết hợp máy nén đơn trục 
Bùi Trường Sơn* 
Khoa Khoa học và Kỹ thuật địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam 
THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT 
Quá trình: 
Nhận bài 15/7/2016 
Chấp nhận 30/9/2016 
Đăng online 30/12/2016 
 Bài báo này trình bày một trong những ứng dụng của phương pháp siêu 
âm nghiên cứu đặc tính phá hủy mẫu bê tông. Tác giả đã kết hợp hệ thống 
siêu âm và máy nén đơn trục để nghiên đặc tính phá hủy của vật liệu, đặc 
tính này được xây dựng thông qua mối quan hệ của các thông số sóng 
siêu âm (bao gồm trường vận tốc và hệ số suy giảm cho 1 sóng dọc, 2 
sóng ngang) và tải trọng tác dụng đơn trục. Quá trình phá hủy vật liệu 
mẫu bê tông dưới tác dụng của tải trọng cơ học được chia làm 3 pha, pha 
1 ứng với sự đóng các vi khe nứt, khe nứt có sẵn trong mẫu vuông góc 
với hướng của tải trọng tác dụng, pha 2 ứng với sự hình thành và phát 
triển các vi khe nứt, khe nứt song song với hướng tải trọng tác dụng, pha 
3 ứng với sự kết nối các vi khe nứt, khe nứt để hình thành các mặt yếu, 
đới yếu phá hủy vật liệu. 
© 2016 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 
Từ khóa: 
Siêu âm 
Vận tốc 
Hệ số suy giảm 
Bất đẳng hướng 
1. Đặt vấn đề 
Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi 
trong xây dựng các công trình kiến trúc. Khi kết 
hợp với cốt thép, bê tông trở thành vật liệu chịu tải 
trọng chính của công trình. Dưới tác động của tải 
trọng công trình và các yếu tố khác như nhiệt độ, 
độ ẩm,... sức chịu tải của bê tông sẽ bị suy giảm 
(Hoxha, 1998; Dewhurst, 2006; Homand và nnk, 
2006). Hiện nay, nghiên cứu quá trình suy giảm 
sức chịu tải và dẫn đến sự phá hủy vật liệu bê tông 
ở trong phòng thí nghiệm chủ yếu bằng phương 
pháp truyền thống đó là thí nghiệm phá hủy trên 
các máy nén đơn trục, ba trục. Trong buồng công 
tác của các thiết bị thử nghiệm, mẫu thí nghiệm sẽ 
được gia tải cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn. Đặc 
tính cơ học, độ bền của vật liệu trong quá trình gia 
tải cơ học được xác định bởi mối quan hệ giữa ứng 
suất và biến dạng. Dưới tác dụng của tải trọng cơ 
học, các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra sự suy giảm 
tính chất cơ học của vật liệu và cuối cùng dẫn tới 
sự phá hủy vật liệu. Quá trình phá hủy của vật liệu 
được nhiều tác giả giải thích bởi sự xuất hiện, phát 
triển và liên kết các vi khe nứt, khe nứt dưới tác 
dụng của tải trọng (Ayling và nnk, 1995; Hoxha, 
2005; Dewhurst, 2006),. Những giả thiết này được 
củng cố và chứng minh dựa vào việc quan sát bề 
mặt của mẫu khi phá hủy hoặc nhờ vào các kính 
hiển vi điện tử trên các mẫu lát mỏng lấy từ các 
mẫu thí nghiệm trong quá trình gia tải (Homand, 
2000; Hoxha, 2000; Homand, 2006). Nhược điểm 
của phương pháp này đó là cần phải có số lượng 
mẫu lớn và phải coi các mẫu là giống nhau hoàn 
_____________________ 
*Tác giả liên hệ. 
E-mail: buitruongson@humg.edu.vn 
Bùi Trường Sơn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 57 (14-19) 15 
toàn trong quá trình thínghiệm, trong một số 
trường hợp khó lấy được mẫu trong các cấu kiện 
xây dựng để thí nghiệm. 
Trong những năm gần đây, xu thế áp dụng các 
phương pháp kiểm tra không phá hủy đang được 
phát triển mạnh mẽ.Trong nhóm các phương 
pháp thử nghiệm không phá hủy, phương pháp 
siêu âm ngày càng được sử dụng rộng rãi.Phương 
pháp siêu âm thường được sử dụng độc lập để xác 
định một số đặc trưng cơ học của đá, bê tông. Tuy 
nhiên, nếu kết hợp giữa phương pháp siêu âm và 
máy nén đơn trục hoặc ba trục sẽ nghiên cứu được 
đặc tính phá hủy của vật liệu thông qua mối quan 
hệ giữa tải trọng tác dụng và trường các thông số 
siêu âm (Sayers, 1995; Niclas, 1996; Scott and 
Younane, 2004; Fortin, 2005). 
Phương pháp siêu âm có nhiều ưu điểm như 
không phá huỷ kết cấu, có thể lặp lại các phép thử 
trên toàn bộ kết cấu, phát hiện được các khuyết tật 
nằm trong vật liệu và đánh giá chất lượng trực tiếp 
trên công trình. Hệ thống máy siêu âm không chỉ 
hoạt động độc lập mà còn được nghiên cứu để kết 
nối với các thiết bị nén đơn trục, ba trục để ghi 
nhận được quá trình phá hủy của vật liệu. Nhưng 
do hạn chế về công nghệ, các nghiên cứu của các 
tác giả mới chỉ hướng tới việc sử dụng trường vận 
tốc của sóng dọc mà chưa đề cập tới việc sử dụng 
các sóng ngang và đặc biệt là hệ số suy giảm cho cả 
3 loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang trên cùng 
1 đầu đo) trong nghiên cứu đặc tính phá hủy của 
vật liệu (Ayling và nnk, 1995; Dewhurst, 2006; 
Dewhurst, 2006; Homand và nnk, 2006). 
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các 
nghiên cứu về quá trình phá hủy của vật liệu bê 
tông trên cơ sở kết hợp thiết bị siêu âm và nén đơn 
trục cho cả 3 loại sóng siêu âm. 
2. Thiết bị nghiên cứu và mẫu thí nghiệm 
Thiết bị nghiên cứu của phòng thí nghiệm đa 
ngành thuộc Trường Bách khoa Orleans, Cộng hòa 
Pháp bao gồm hai hệ thống cơ bản: hệ thống máy 
nén đơn trục và hệ thống siêu âm. Hai hệ thống 
này được kết nối bởi các đầu đo siêu âm gắn trên 
mẫu nghiên cứu (Hình 1). Hệ thống máy nén đơn 
trục sẽ kiểm soát việc gia tải với tốc độ 
0.05MPa/phút. Quá trình gia tải được tiến hành 
liên tục đến khi mẫu thí nghiệm bị phá hủy hoàn 
toàn. 
Hệ thống siêu âm của hãng Diagnostic Sonar 
được xây dựng để cùng lúc sử dụng tối đa 32 đầu 
đo và có thể đo được một sóng dọc và hai sóng 
ngang trên cùng một đầu đo siêu âm. Trong đó, 
sóng dọc có phương dao động trùng với phương 
truyền sóng (ký hiệu P), hai sóng ngang có phương 
dao động nằm trong 2 mặt phẳng vuông góc với 
nhau và vuông góc với phương truyền sóng (ký 
hiệu SH và SV) (Niclas, 1996). 
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng 
phương pháp đo trực tiếp với đầu đo siêu âm loại 
P143-01, có kích thước (10x10x7,5)mm của hãng 
Physics Instruments. Đầu đo này có tần số hoạt 
động 150KHz, cấu tạo gồm 3 lớp (X,Y,Z), có thể 
cùng 1 lúc đo được 1 sóng dọc và 2 sóng ngang (ký 
hiệu P và SSH, SSV) (Hình 2). 
Các tín hiệu siêu âm được đo liên tục từ khi 
bắt đầu thí nghiệm cho đến khi mẫu bị phá hủy. Xử 
lý tín hiệu siêu âm bao gồm tính vận tốc, hệ số suy 
giảm sóng như sau (Ayling và nnk, 1995; Homand, 
2000; Homand, 2006): 
Hình 1. Sơ đồ kết hợp hệ thống siêu âmvà máy 
nén đơn trục 
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo đầu đo siêu âm P143-01 
16 Bùi Trường Sơn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 57 (14-19) 
- Vận tốc sóng siêu âm: 
/V L T (m/s) 
Trong đó: V - vận tốc sóng siêu âm truyền từ 
đầu phát đến đầu thu siêu âm, m/s; L - khoảng 
cách giữ 2 đầu đo siêu âm, m; T - thời gian tín hiệu 
siêu âm truyền từ đầu phát đến đầu thu siêu âm, s. 
- Hệ số suy giảm của sóng siêu âm: 
1
( ) ln( )
rA
f
L A
dB/m 
Trong đó: α(f) - hệ số suy giảm của sóng siêu 
âm khi truyền qua vật liệu có chiều dài L, dB/m; A’ 
và A - biên độ của phổ tín hiệu truyền qua vật liệu 
cần đo và vật liệu dùng để đo đối chứng (Ayling và 
nnk, 1995; Bui, 2014). Toàn bộ quá trình tính toán 
vận tốc và hệ số suy giảm sóng cho 1 sóng dọc và 
2 sóng ngang trong quá trình thí nghiệm được tự 
động hóa bằng một phần mềm viết trong Matlab 
trên cơ sở sử dụng phương pháp AIC (Akaike 
Information Criterion) (Bui, 2014; Homand, 
2000). 
Mẫu bê tông dùng trong thử nghiệm được chế 
tạo theo tiêu chuẩn NF EN 196-1, thành phần bao 
gồm: cốt liệu thô có kích thước từ 2mm-5mm; cốt 
liệu nhỏ theo tiêu chuẩn CEN196-1-ISO679 có 
kích thước từ 0.08mm-2mm; xi măng Porland 
CEM II/B-LL 32,5R và nước. Tỷ lệ trộn các thành 
phần được xác định như sau: cốt liệu thô/cốt liệu 
mịn/xi măng là 2/1/1 và tỷ lệ nước/xi măng là 
0.40 và 0.50 (Bảng 1). 
Các mẫu được chế tạo có kích thước 
(15x15x15)cm sau đó được bảo dưỡng trong 
nước trong thời gian 28 ngày ở nhiệt độ 
200C±10C, sau 28 ngày mẫu được đưa vào máy 
khoan để tạo mẫu hình trụ có đường kính 5cm, 
chiều cao 10cm. Trước khi thí nghiệm tất cả các 
mẫu đều được làm nhẵn bề mặt để đảm bảo sự 
tiếp xúc tốt nhất giữa các đầu đo và bề mặt mẫu 
trong quá trình đo vận tốc và hệ số suy giảm. Trên 
mỗi bề mặt mẫu đặt 3 đầu đo siêu âm cách đều 
nhau, phía trên và dưới của mẫu có 2 đầu đo được 
đặt trong tấm đệm giữa piton của máy nén và bề 
mặt mẫu (Hình 3). Cách đặt đầu đo như vậy cho 
phép đo được vận tốc các sóng dọc 
(Vp(90),(45)(0)) và sóng ngang (Vsh(0) và 
Vsv(0)) theo các hướng khác nhau so với tải trọng 
tác dụng (Hình 3)(Bui, 2014; Dewhurst, 2006). 
3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận 
Bảng 2 trình bày kết quả đo vận tốc cho cả 3 
loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang) cho các 
mẫu thí nghiệm ở trạng thái ban đầu chưa được 
gia tải. Từ kết quả Bảng 2, có thể thấy khi tỷ lệ 
nước/xi măng tăng thì vận tốc sóng siêu âm sóng 
dọc và sóng ngang đều giảm. Điều này có thể giải 
thích bởi khi tăng tỷ lệ nước/xi măng thì độ rỗng 
bê tông tăng, khối lượng thể tích giảm (Ayling và 
nnk, 1995). Mặt khác, các giá trị đo vận tốc sóng 
dọc theo các hướng khác nhau (900,00,450) có sự 
chênh lệch rất nhỏ, không đáng kể. 
Số hiệu 
mẫu 
Mẫu bê tông 
Tỷ lệ 
nước/xi 
măng 
Cốt liệu 
thô/mịn/xi 
măng 
Khối lượng 
thể tích 
(ρ,kg/m3) 
EC0.4SC1 0.40 2/1/1 2127 
EC0.5SC1 0.50 2/1/1 2092 
Số hiệu 
mẫu 
Vận tốc, m/s 
VP,0 VP,90 VP,45 VSH,0 VSV,0 
EC0.4SC1 3830 3880 3840 2310 2420 
EC0.5SC1 3630 3590 3570 2150 2240 
(1) 
(2) 
Bảng 1. Thành phần vật chất các mẫu thí 
nghiệm 
Hình 3. Sơ đồ lắp đặt đầu đo siêu âm theo các 
hướng khác nhau 
Bảng 2. Kết quả đo vận tốc siêu âm cho các mẫu 
thí nghiệm ở trạng thái chưa gia tải 
Bùi Trường Sơn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 57 (14-19) 17 
Hình 4. Mối quan hệ giữa vận tốc sóng dọc và tải trọng tác dụng 
Hình 5. Mối quan hệ giữa vận tốc sóng ngang và tải trọng tác dụng 
Hình 6. Mối quan hệ giữa hệ số suy giảm của sóng dọc và tải trọng tác dụng 
18 Bùi Trường Sơn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 57 (14-19) 
Nhận xét này cho phép chúng ta xem xét các 
mẫu bê tông đang thử nghiệm là loại vật liệu đồng 
nhất, đẳng hướng (Hoxha, 1998; Homand, 2000; 
Homand, 2006; Bui, 2014). 
Các hình từ 4 đến 7, thể hiện kết quả thí 
nghiệm đo vận tốc và hệ số suy giảm cho 1 sóng 
dọc và 2 sóng ngang trên các mẫu bê tông từ lúc 
bắt đầu gia tải cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn (σ 
= 0 đến σ = σmax). 
Từ mối quan hệ giữa vận tốc, hệ số suy giảm 
của sóng dọc và sóng ngang với tải trọng tác dụng 
trong các Hình 4, Hình 5, Hình 6 và Hình 7 có nhận 
xét như sau: 
- Có thể chia đường quan hệ giữa vận tốc, hệ 
số suy giảm và tải trọng tác dụng làm 3 pha. Pha 1 
từ σ = 0 đến 40% tải trọng phá hủy, trong pha này 
các vận tốc sóng dọc và ngang đo theo các hướng 
khác nhau hầu như không tăng. Pha 2 từ 40% đến 
90% tải trọng phá hủy, trong pha này vận tốc sóng 
dọc và ngang hướng vuông góc tải trọng tác dụng 
giảm nhanh, nhưng theo hướng song song với tải 
trọng tác dụng, vận tốc sóng dọc gần như không 
thay đổi. Pha 3,90% tải trọng phá hủy đến tải 
trọng phá hủy σ = σmax, vận tốc sóng dọc theo 
hướng song song tải trọng bắt đầu giảm, trong khi 
đó vận tốc sóng dọc và ngang theo hướng vuông 
góc tải trọng giảm rất nhanh. 
- Điểm bắt đầu của các pha có quan hệ với tỷ 
lệ nước/xi măng. Mẫu EC0.40SC1, pha 1 từ σ = 0 
đến 60% tải trọng phá hủy, pha 2 từ 40% đến 90% 
tải trọng phá hủy, pha 3, từ 90% tải trọng phá hủy 
đến tải trọng phá hủy σ = σmax. Trong khi đó mẫu 
EC0.50SC1 các giá trị lần lượt là 40%, 95% tải 
trọng phá hủy. 
- Tại thời điểm ban đầu (chưa có sự tác động 
của tải trọng) các mẫu bê tông được xem là vật liệu 
đồng nhất, đẳng hướng, tuy nhiên khi tải trọng 
tăng thì tính bất đẳng hướng tăng (Hình 1), thể 
hiện ở vận tốc theo các hướng song song và vuông 
góc so với phương tác dụng của tải trọng có sự suy 
giảm khác nhau. 
3. Kết luận 
Bằng tổ hợp thiết bị siêu âm và nén đơn trục, 
có thể xây dựng mối quan hệ giữa trường thông số 
vận tốc, trường hệ số suy giảm cho cả 3 loại sóng 
(1 sóng dọc và 2 sóng ngang) với tải trọng tác dụng 
trong nghiên cứu đặc tính phá hủy của vật liệu. 
Trong đó sự biến đổi của sóng dọc và hệ số suy 
giảm thể hiện rõ nét hơn so với các sóng ngang. 
Quá trình phá hủy vật liệu mẫu bê tông dưới 
tác dụng của tải trọng cơ học được chia làm 3 pha, 
pha 1 ứng với sự đóng các vi khe nứt, khe nứt có 
sẵn trong mẫu vuông góc với hướng của tải trọng 
tác dụng, pha 2 ứng với sự hình thành và phát 
triển các vi khe nứt, khe nứt song song với hướng 
tải trọng tác dụng, pha 3 ứng với sự kết nối các vi 
khe nứt, khe nứt để hình thành các mặt yếu, đới 
yếu phá hủy vật liệu. 
Mỗi loại vật liệu bê tông sẽ có một giới hạn 
nào đó, khi tải trọng tác dụng vượt quá giới hạn 
này, vật liệu đồng nhất đẳng hướng chuyển sang 
trạng thái bất đẳng hướng. 
Hình 7. Mối quan hệ giữa hệ số suy giảm của sóng ngang và tải trọng tác dụng 
Bùi Trường Sơn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 57 (14-19) 19 
Tài liệu tham khảo 
Ayling, M.R., Meredith, P.G., and Murrell, S.A.F., 
1995. Microcracking during triaxial 
deformation of porous rocks monitored by 
changes in rock physical properties. 
Tectonophysics 245, 205-221. 
Bui Truong Son, 2014. Caractérisation et 
modélisation de l’endommagement des 
géomatériaux par méthode ultrasonore. Thèse 
de doctorat, Université d’Orleans. 
Dewhurst, D.N., 2006. Impact of fabric, 
microcracks and stress field on shale 
anisotropy. Geophysical Journal International 
165(1), 135-148. 
Fortin, J., 2005. Compaction homogène et 
compaction localisée des roches poreuses. Étude 
expérimentale et théorique. Thèse de doctorat, 
École Normale Supérieure. 
Homand, F., Hoxha, D., Belem, T., and Pons, M.N., 
2000. Geometric analysis of damaged 
microcracking granites. Mech Mater 32, 361-
376. 
Homand, F., Shao, J.F.,Giraud, A., Auvray, C., and 
Hoxha, D., 2006. Pétrofabrique et propriétés 
mécaniques des argillites. C. R. Géosciene 338, 
882-891. 
Hoxha, D., 1998. Modélisation de 
l’endommagement des massifs rocheux. Thèse 
de doctorant, Institut National Polytechnique 
de Lorraine, Nancy. 
Hoxha, D., Homand, F., 2000. Microstructural 
approach in damage modelling. Mechanics of 
Materials 32, 377-387. 
Hoxha, D., Giraud, A., and Homand, F., 2005. 
Modelling long-term behaviour of a natural 
gypsum rock, Mechanics of materials 37 (12), 
1223-1241. 
Niclas, W.M., 1996. Ultrasonic seismic data for 
sandstone samples from the writing on stone 
Provincial park in Alberta. PhD thesis, 
University of Calgary, Alberta. 
Sarout, J., 2006. Propriétés Physiques et Anisotropie 
des Roches Argileuses: Modélisation 
Micromécaniqueet Expériences Triaxiales. 
Thèse de doctorat, École Normale Supérieure, 
France. 
Sayers, C.M., 1995. Stress-dependent elastic wave 
velocities in shales. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & 
Geomech 32(3), 263-267. 
Scott, and Younane, A., 2004. Acoustical Imaging 
and Mechanical Properties of Soft Rock and 
Marine Sediments. Report, PoroMechanics 
Institute, The University of Oklahoma. 
ABSTRACT 
Study on the concrete destruction by using ultrasound method 
combined with uniaxial compression test 
Son Truong Bui 
Faculty of Geosciences and Geoengineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam 
This paper presents the application of ultrasound method to study characteristics of concrete 
specimen destruction. Ultrasound system and uniaxial compression machine were combined to 
study material destruction characteristics which were built via relationships of ultrasound 
parameters (including the velocity and attenuation coefficient for 1 longitudinal wave, 2 transverse 
waves) and applied uniaxial load. The process of destructing concrete specimen, under the effect of 
mechanical load is divided into 3 phases: phase 1 corresponds to the closing of micro-cracks, fissures 
available in sample are perpendicular to the direction of the applied load, phase 2 is related to the 
formation and development of micro-cracks, parallel fissures to the applied load, phase 3 is related 
to the micro cracks and fissures connection to form the weak planes, weak zone. 
Keywords: Ultrasound, velocity, attenuation coefficient, anisotropy.