Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ áp dụng cốt thanh composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trước...

Tài liệu áp dụng cốt thanh composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trước

.PDF
70
11
73

Mô tả:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN HOÀNG HẢI ÁP DỤNG CỐT THANH COMPOSITE SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i MỤC LỤC ......................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC..................................................................................................... 3 1.1. SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC ................................................................................................................ 3 1.1.1. Sơ lƣợc về vật liệu Fiber Reinforced Polymer (FRP) ....................................... 3 1.1.2. Các dạng vật liệu Composite ............................................................................ 3 1.1.3. Lĩnh vực sử dụng hiệu quả cốt FRP trong kết cấu xây dựng ............................ 4 1.2. CẤU TẠO THANH FRP VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THANH FRP .................. 5 1.2.1. Cấu tạo thanh FRP ............................................................................................ 5 1.2.2. Cấu trúc và các đặc trƣng cơ học của vật liệu ................................................... 6 a. Cốt sợi ................................................................................................................. 6 b. Chất dẻo nền ....................................................................................................... 8 c. Các đặc trƣng cơ học của vật liệu FRP ............................................................... 9 1.2.3. Cƣờng độ và biến dạng thanh FRP ................................................................... 9 1.2.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm đến các tính chất cơ lý của thanh FRP ..... 10 1.3. KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN CỦA THANH FRP .......................................... 11 1.4. CÁC LOẠI NEO SỬ DỤNG CHO THANH FRP ỨNG SUẤT TRƢỚC ............ 13 1.4.1. Neo kẹp (Clamp) ............................................................................................. 13 1.4.2. Neo dạng nêm và côn (hay còn gọi là neo ống và cọc) .................................. 14 1.4.3. Neo cốc thẳng (Straight sleeve anchorage) ..................................................... 15 1.4.4. Neo cốc dạng viền (Contoured sleeve) ........................................................... 15 1.4.5. Lớp phủ kim loại (Metal overlaying) .............................................................. 16 1.4.6. Neo chêm chia (Split-wedge) .......................................................................... 16 1.4.7. Các dạng phá hoại của neo .............................................................................. 17 1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 18 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC ................................... 19 iii 2.1. KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC ......... 19 2.1.1. Giới thiệu chung về kết cấu cốt thanh FRP..................................................... 19 2.1.2. Các loại bê tông đặc biệt dùng cho kết cấu cốt thanh FRP ............................. 19 2.1.3. Những đặc điểm chế tạo kết cấu từ cốt FRP ................................................... 20 2.2. CÁC TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG THANH FRP ỨNG SUẤT TRƢỚC ..... 21 2.2.1. Các tổn hao ứng suất trƣớc trong thanh FRP .................................................. 21 2.2.2. Các tổn hao do sự chùng ứng suất và ma sát .................................................. 22 2.3. TÍNH TOÁN CƢỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC ........................................ 23 2.3.1. Tổng quan về phƣơng pháp thiết kế ................................................................ 23 2.3.2. Phƣơng pháp tính theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 ......................................... 24 a. Phƣơng pháp luận tính toán cƣờng độ .............................................................. 24 b. Tỉ lệ cân bằng .................................................................................................... 25 c. Tính toán cấu kiện chịu uốn và dự đoán khả năng chịu lực ............................. 27 d. Phát triển khả năng chịu uốn cho trƣờng hợp đặt cốt FRP theo phƣơng thẳng đứng trong vùng gia cố ít cốt ............................................................................... 29 e. Các hệ quả của việc phân bố cốt thép dọc theo chiều cao của tiết diện ........... 30 f. Hệ số giảm cƣờng độ cho trƣờng hợp chịu uốn ................................................ 30 g. Ứng suất uốn làm việc ...................................................................................... 31 h. Lực căng cốt kiểm soát ..................................................................................... 32 k. Phá hoại do biến dạng từ biến của thanh FRP .................................................. 32 l. Sự hiệu chỉnh ứng suất cho thanh gấp khúc “harped tendon” ........................... 34 m. Độ dẻo hoặc tính biến dạng ............................................................................. 35 n. Hàm lƣợng cốt tối thiểu .................................................................................... 36 2.4. TÍNH TOÁN CƢỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC ........................................ 36 2.4.1. Những lƣu ý chung trong thiết kế cốt đai từ thanh FRP ................................. 36 2.4.2. Phƣơng pháp tính theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 ......................................... 37 a. Độ bền cắt với đai FRP ..................................................................................... 37 b. Giới hạn khoảng cách giữa các cốt đai ............................................................. 38 c. Hàm lƣợng tối thiểu của cốt đai FRP ................................................................ 38 d. Chi tiết về cốt đai .............................................................................................. 38 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 39 CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC CHỊU UỐN .................................................... 41 iv 3.1. VÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC .............................................................................................................. 41 3.1.1. Xác định các đặc trƣng hình học của tiết diện ................................................ 41 3.1.2. Các đặc trƣng của vật liệu ............................................................................... 42 3.1.3. Kích thƣớc và tải trọng tác dụng lên dầm ....................................................... 43 3.1.4. Tính toán tổn hao ứng suất .............................................................................. 44 3.1.5. Kiểm tra độ bền ứng suất phẳng tại vị trí giữa nhịp ....................................... 44 3.1.6. Xác định khả năng chịu lực ............................................................................. 44 3.2. VÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƢỚC ............. 46 3.2.1. Chọn vật liệu ................................................................................................... 46 3.2.2. Tải trọng và nội lực ......................................................................................... 47 a. Tải trọng ............................................................................................................ 47 b. Nội lực .............................................................................................................. 47 3.2.3. Sơ bộ chọn cốt thép căng và cốt thép thƣờng ................................................. 47 3.2.4. Xác định các đặc trƣng hình học của tiết diện quy đổi ................................... 48 3.2.5. Xác định tổn hao ứng suất ............................................................................... 48 3.2.6. Xác định khả năng chịu lực ............................................................................. 49 3.3. SO SÁNH DẦM ỨNG SUẤT TRƢỚC CỐT THANH COMPOSITE VÀ THANH THÉP DỰ ỨNG LỰC TRƢỚC ..................................................................... 50 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 55 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTCT DƢL FRP GTVT : Bê tông cốt thép. : Dự ứng lực. : Sợi Composite. : Giao thông vận tải. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1. Các loại cốt sợi 6 1.2. Các loại chất dẻo làm nền 6 1.3. Các đặc trƣng loại sợi Carbon khác nhau (Ameteau, 2003) 7 1.4. Các đặc trƣng loại sợi thủy tinh khác nhau 8 1.5. So sánh đặc trƣng ba loại sợi theo (Meier 1994) 8 2.1. Bảng các tính chất của thanh AFRP, CFRP, GFRP và thép dự ứng lực 22 2.2. Ứng suất cho phép thanh khi kích 23 2.3. Hệ số giảm cƣờng độ (Dolan và Burke 1996) 31 2.4. Ứng suất cho phép của bê tông 32 3.1. Bảng tính giá thành dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất trƣớc và dầm bê tông cốt thép ứng suất trƣớc 52 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Một số dạng vật liệu Composite 4 1.2. Cấu trúc của vật liệu FRP 7 1.3. Hƣớng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996) 9 1.4. Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP 9 1.5. Hình dạng phá hủy khi thí nghiệm kéo cấu kiện Composite 10 1.6. Quan hệ giữa cƣờng độ tức thời-nhiệt độ của cốt thủy tinh 11 1.7. So sánh đồ bền ăn mòn của cốt sợi thủy tinh và cốt thép cƣờng độ cao có đƣờng kính 3 mm trong môi trƣờng ăn mòn 12 1.8. Neo kẹp 13 1.9. Neo dạng nêm và côn 14 1.10. Neo cốc thẳng và neo cốc dạng viền 15 1.11. Lớp phủ kim loại 16 1.12. Neo chêm chia 17 2.1. Các kẹp để căng cốt composite ứng suất trƣớc 20 2.2. Biểu đồ quan hệ “Mômen - độ võng” của cấu kiện bê tông dự ứng lực trƣớc 24 2.3. Sơ đồ cân bằng ứng suất 25 2.4. Mặt cắt với các thanh phân bố thẳng đứng 29 2.5. Biến thiên trong hệ số giảm độ bền và biến dạng kéo 31 2.6. Ba giai đoạn của biến dạng từ biến 33 2.7. Biểu đồ phá hoại biến dạng từ biến của thanh Carbon 33 2.8. So sánh phá hoại biến dạng từ biến của thanh Aramid và thanh Carbon dƣới tác động của môi trƣờng 34 2.9. Bán kính và chiều dài đoạn cuối khi uốn đai 39 3.1. Dầm đơn giản tiết diện chữ T 41 3.2. Bố trí cốt thép trên mặt cắt ngang 51 viii ÁP DỤNG CỐT THANH COMPOSITE SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƢỚC Học viên: Nguyễn Hoàng Hải. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Giao thông Mã số: 60.58.02.05. Khóa: K31 - Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Hiện nay, dầm bê tông cốt thép ứng suất trƣớc đƣợc sử dụng khá phổ biến. Tuy nhiên, loại dầm này cũng tồn tại một số nhƣợc điểm, đặc biệt là hiện tƣợng gỉ cốt thép làm giảm tuổi thọ công trình. Một hƣớng áp dụng mới đã đƣợc tiến hành, sử dụng các thanh bằng vật liệu composite với tính năng: vừa bền, vừa nhẹ và không bị ảnh hƣởng của tác động môi trƣờng gây ra hiện tƣợng gỉ để thay thế các thanh hoặc bó cáp bằng thép chế tạo các cấu kiện. “Áp dụng cốt thanh composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trƣớc” nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế dầm bê tông cốt thanh composite ứng suất trƣớc và dầm bê tông cốt thép ứng suất trƣớc. Từ đó so sánh giá thành dầm bê tông cốt thanh composite ứng suất trƣớc và dầm bê tông cốt thép ứng suất trƣớc. Kết quả tính toán là minh chứng cho lý thuyết tính toán thiết kế, có thể áp dụng vật liệu mới này không chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng nhƣ vật liệu thép truyền thống để xây dựng các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi,… Từ khóa - Bê tông cốt thép ứng suất trƣớc; vật liệu composite; gỉ cốt thép; công trình dân dụng; công trình giao thông. (5 từ khóa) APPLICATION OF COMPOSITE FIBER GLASS IN CONCRETE PRECISION BEFORE Abstract - At present, pre-stressed reinforced concrete beams are commonly used. However, this type of beam also has some disadvantages, especially the phenomenon of corrosion of steel reduces the life of the work. A new direction has been adopted, using composite rods with: durable, lightweight and non-impacted environmental impact causing rust to replace strips or bundles. Steel fabricated components. "Apply fiberglass composite reinforcement in pre-stressed concrete" based on theoretical studies, design calculations of pre-stressed composite reinforced concrete beams and pre-stressed prestressed beam beams. Comparing prices of reinforced concrete reinforced concrete beams and pre-stressed reinforced concrete beams. The results of calculations are a proof of the design calculation theory, it is possible to apply this new material without environmental influences such as traditional steel materials for construction of civil works, traffic, irrigation, ... Key words - Reinforced concrete prestressed; composite materials; stainless steel rod; Civil works; transportation work. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay bê tông ứng suất trƣớc đã đóng góp đáng kể vào thành công của các dự án ngành xây dựng. Vì nó cho phép thiết kế các kết cấu có nhịp dài hơn, mảnh hơn và nhẹ hơn. Mặc dù, bê tông ứng suất trƣớc có nhiều tính năng tốt nhƣng một bất lợi lớn là tính dễ bị ăn mòn của cốt thép. Quá trình ăn mòn có thể phát triển rất nhanh dƣới tác động của môi trƣờng dẫn đến loại bỏ lớp bê tông bảo vệ cốt thép bao bọc bên ngoài làm lộ ra cốt thép (đặc biệt là các công trình ở khu vực ven biển Miền Tây nhƣ tỉnh Trà Vinh chịu ảnh hƣởng rất lớn của hơi nƣớc mặn) [1], [4]. Chất dẻo cốt sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một loại vật liệu Composite bao gồm các sợi có cƣờng độ rất cao nằm trong môi trƣờng nền là chất dẻo. Các sợi ở đây có thể là các loại sợi Thủy tinh, sợi Carbon hoặc sợi Aradmid. Để bảo vệ các sợi chống lại các tác động phá hủy cơ học và để đơn giản trong vấn đề cấu tạo neo và vấn đề dính bám, thƣờng bố trí các sợi này trong môi trƣờng chất dẻo, có thể là Polyester, Vinylester,... [6]. Sợi Thủy tinh đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu Composite. Ƣu điểm của sợi Thủy tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp. Composite sợi Thủy tinh là loại vật liệu mới, có nhiều triển vọng phát triển trong các ngành công nghiệp xây dựng vì hoàn toàn có thể thay thế cho cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trƣớc, thay thế cáp thép trong kết cấu treo. Vật liệu mới này có nhiều ƣu điểm so với các loại vật liệu xây dựng truyền thống, nhất là về trọng lƣợng riêng, nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp. Vì vậy, có thể nói rằng vật liệu này có rất nhiều triển vọng đƣợc sử dụng rộng rãi trong thế kỷ 21, tạo ra những phƣơng án kết cấu xây dựng mới có hiệu quả và bền vững hơn là kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu truyền thống trong các ngành xây dựng cơ bản nói chung, kể cả những công trình cần trung tính đối với môi trƣờng điện tử. Những năm gần đây việc sử dụng vật liệu cốt thanh Composite sợi Thủy tinh đã thay thế dần các bản thép. Các tấm vật liệu tổng hợp này đƣợc chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cƣờng độ cao. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trƣớc đây về giải pháp gia cƣờng sức kháng uốn của kết cấu thanh Composite đƣợc thực hiện ở nhiều nơi trên thới giới. Ngày nay vật liệu này đƣợc sản xuất phổ biến ở các nƣớc Tây Âu, Nhật Bản, Nam Mỹ,... Chính vì vậy, thanh Composite là vật liệu tốt nhất cho sử dụng trong dự ứng lực thay thế cho vật liệu thép thông thƣờng. Rất phù hợp để làm cốt và cáp ứng lực trƣớc cho kết cấu bê tông cũng nhƣ ƣu điểm chính là: Cƣờng độ chịu kéo rất cao, bền và không han gỉ. Sức chịu mỏi tốt hơn thép, nhẹ, dễ vận chuyển, lắp đặt, thi công ở công 2 trƣờng. Giảm chi phí bảo trì trong suốt thời gian khai thác sử dụng. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Áp dụng cốt thanh Composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trƣớc” nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ này ở Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu các đặc trƣng cơ học của thanh Composite ứng suất trƣớc và hệ thống neo dùng trong cấu kiện bê tông thanh Composite ứng suất trƣớc. - Tổng hợp các cơ sở lý thuyết, kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng cốt thanh Composite ứng suất trƣớc của các tác giả trên thế giới. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Nghiên cứu bê tông ứng suất trƣớc nhƣng dùng vật liệu cốt thanh Composite sợi Thủy tinh để thay thế bó cáp trong bê tông cốt thép ứng suất trƣớc thông thƣờng. - Phạm vi nghiên cứu: Các cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết dầm bê tông cốt thanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trƣớc. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính toán dựa trên mô hình lý thuyết. - Tính toán hiệu quả tăng cƣờng thông qua lý thuyết tính toán. - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Cung cấp thêm tƣ liệu về tổng quan vật liệu Composite sợi Thủy tinh. - Cung cấp thêm tƣ liệu về các loại neo dùng cho thanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trƣớc. - Tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trƣớc chịu uốn theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 (Mỹ). 6. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm các nội dung chính nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về bê tông cốt thanh Composite ứng suất trƣớc. Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết và tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất trƣớc. Chƣơng 3. Ví dụ tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất trƣớc. Kết luận và Kiến nghị 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC 1.1. SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƢỚC 1.1.1. Sơ lƣợc về vật liệu Fiber Reinforced Polymer (FRP) Vật liệu FRP đƣợc bắt đầu phát triển vào giữa thế kỷ 20 và đƣợc ứng dụng rộng rãi từ năm 1970. So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ƣu điểm hơn nên vật liệu FRP đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nƣớc Đông Nam Á. Có ba loại quan trọng của hệ thống FRP là: Sợi Thủy tinh, sợi Carbon và sợi Aramid [3]. - Sợi Carbon (Carbon graphite) là một vật liệu bao gồm các sợi cực mỏng khoảng 0,005- 0,010mm đƣờng kính và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử Carbon đƣợc liên kết với nhau theo phƣơng song song với trục dài của sợi. Sợi Carbon chịu lực đƣợc cấu tạo bởi rất nhiều sợi Carbon đƣợc xoắn với nhau, có thể đƣợc sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải. Sợi Carbon có độ bền kéo cao, trọng lƣợng nhẹ, chịu nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp vũ trụ, công trình dân dụng, quân sự và ô tô thể thao. Trong lĩnh vực xây dựng sợi Carbon đƣợc sử dụng để tăng cƣờng các kết cấu chịu lực nhƣ dầm, cột, sàn, cọc… (kết cấu dân dụng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi,…). - Sợi Thủy tinh đƣợc cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đƣờng kính từ 2 - 10 micromet. Sợi Thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao. Sợi Thủy tinh có tính chất cơ học gần tƣơng đƣơng với các loại sợi khác nhƣ Polymer và sợi Carbon. Sợi Thủy tinh đƣợc ứng dụng phổ biến để tăng cƣờng các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc…Sợi Thủy tinh đã đƣợc thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối chiến tranh Thế giới II. Cho đến nay sợi Thủy tinh đƣợc sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu. - Sợi Aramid xuất hiện đầu tiên dƣới tên thƣơng mại Nomex của DuPont đƣợc ứng dụng cùng thời điểm với sợi Carbon. Sợi Aramid đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao. 1.1.2. Các dạng vật liệu Composite - Các dạng FRP dùng trong xây dựng thƣờng có các dạng nhƣ: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn,... Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thƣờng dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải (Hình 1.1) [2]. - Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thƣờng đƣợc sử dụng nhất là của các hãng sản xuất: MBraceTB, Replark®, Sika®, Tyfo®,... 4 1.1.3. Lĩnh vực sử dụng hiệu quả cốt FRP trong kết cấu xây dựng Giá thành của cốt sợi FRP cao hơn giá thành của cốt thép trong mọi trƣờng hợp. Vì vậy sử dụng cốt sợi FRP để thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả. Ngoài ra, môđun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt và khối lƣợng thể tích của cốt sợi FRP nhỏ hơn rất nhiều so với cốt thép. Sử dụng các kết cấu này vào thực tiễn xây dựng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Tính chịu ăn mòn hóa học cao của cốt sợi FRP đã tạo ra khả năng sử dụng nó trong các kết cấu có độ bền cao từ những bê tông đặc biệt. Những kết cấu này dùng để thay thế các kết cấu bê tông cốt thép truyền thống. Tính cách điện của cốt sợi FRP đƣợc sử dụng để chế tạo nhƣng kết cấu xây dựng mới trong đó tích hợp cả chức năng chịu lực và khả năng cách điện. Những kết cấu này đƣợc chế tạo từ những bê tông có tính không dẫn điện và đƣợc sử dụng trong các cột tải điện cao thế và một số kết cấu khác có khả năng dẫn điện. a) Dạng thanh c) Dạng cuộn tròn b) Dạng thanh cuộn tròn d) Dạng bó cáp e) Dạng cuộn f) Dạng băng Hình 1.1. Một số dạng vật liệu Composite 5 Vậy khả năng sử dụng vật liệu Composite có thể rất đa dạng [3]: 1. Làm cốt cho cấu kiện bê tông cốt mềm với hình thức thanh rời và lƣới buộc và có thể gọi là kết cấu bê tông cốt Composite; 2. Làm các loại cáp (căng trƣớc hoặc căng sau) cho kết cấu bê tông dự ứng lực cốt Composite; 3. Làm ván khuôn để lại, khi đúc tại chỗ những cấu kiện bê tông cốt thép đổ tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép; 4. Để gia cƣờng, sửa chữa những công trình đã hƣ hỏng hoặc nứt, xuống cấp bằng gỗ, thép, gạch, đá và bê tông cốt thép; 5. Làm nguyên vật liệu cho kết cấu xây dựng mới hoàn toàn bằng chất liệu Composite (chất dẻo cốt sợi FRP); 6. Làm kết cấu liên hợp vật liệu giữa Composite và thép hoặc bê tông cốt thép; 7. Làm kết cấu vòm cuốn hoặc kết cấu cột chịu nén, bằng ống Composite trong nhồi bê tông, một loại kết cấu liên hợp giữa Composite và bê tông; 8. Phối hợp với các vật liệu khác trong kết cấu liên hợp nhiều vật liệu; 9. Làm dây văng, cáp treo trong kết cấu dây mềm phục vụ ngành viễn thông, ngành giao thông vận tải và ngành xây dựng, đặc biệt những công trình có khẩu độ lớn nhƣ kết cấu mái treo. 1.2. CẤU TẠO THANH FRP VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THANH FRP 1.2.1. Cấu tạo thanh FRP Vật liệu Composite (FRP) gồm hai hoặc nhiều pha vật liệu khác nhau: Cốt sợi và môi trƣờng chất dẻo làm nền cho cốt sợi gia cƣờng. Nếu so sánh về cƣờng độ và độ cứng thì môi trƣờng chất dẻo làm nền thƣờng thấp hơn. Sợi và cách sắp xếp sẽ quyết định tính chất cơ học của vật liệu và sức chịu tải trọng. Chất dẻo làm nền có nhiệm vụ truyền tải trọng vào các sợi, giữ vị trí và hƣớng cần thiết cho các sợi, đồng thời để bảo vệ các sợi khỏi bị xâm thực về mặt hóa học cũng nhƣ cơ học. Những số liệu trong bảng kê sau đây (Bảng 1.1) có tính chỉ dẫn (nếu cần các trị số thực sự của cốt sợi, nhà sản xuất sẽ cung cấp). Các sợi đều có tính chất đàn hồi tuyến tính cho tới tải trọng cực hạn và không có điểm chảy rõ ràng. 6 Bảng 1.1. Các loại cốt sợi Cốt sợi Aramid Thủy tinh loại E loại A loại C loại S Carbon Tiêu chuẩn Cƣờng độ cao Môđun cao Môđun cực lớn Cƣờng độ chịu kéo (N/mm2-MPa) Môđunđàn hồi (kN/mm2 -GPa) 3400 - 4100 70 -125 Độ dãn dài (%) 2.4 3400 2760 2350 4600 72,5 73 74 88 2,5 2,5 2,5 3,0 2,57 2,46 2,46 2,47 3700 4800 3000 2400 250 250 500 800 1,2 1,4 0,5 0,2 1,7 1,8 1,9 2,1 Tỷ trọng (g/cm3) 1.44 * Các loại chất dẻo làm nền Chất dẻo chính thƣờng là các loại Polyester và Epoxy không bão hòa, nếu cần chịu lửa dùng thêm Phênôn. Tính chất chính của các loại chất dẻo đƣợc tóm tắt trong Bảng 1.2 dƣới đây: Bảng 1.2. Các loại chất dẻo làm nền Cƣờng độ chịu Môđun đàn hồi Độ dãn dài Tỷ trọng Chất dẻo kéo (N/mm22 (kN/mm -GPa) (%) (g/cm3) MPa) Polyester 65 4,0 2,5 1,2 Epoxy Vinylester Phenolic Polyurethane 90 82 40 71 3,0 3,5 2,5 2,9 8,0 6,0 1,8 5,9 1,2 1,12 1,24 Thay đổi 1.2.2. Cấu trúc và các đặc trƣng cơ học của vật liệu Vật liệu FRP là loại vật liệu Composite do sự kết hợp của hai thành phần là cốt sợi và chất dẻo nền tạo nên đƣợc thể hiện trên Hình 1.2 [2]. a. Cốt sợi Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cƣờng độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi đƣợc sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây [3]: - Mô đun đàn hồi cao; - Cƣờng độ tới hạn cao; - Sự khác biệt về cƣờng độ giữa các sợi với nhau là không lớn; - Cƣờng độ ổn định cao trong vận chuyển; - Đƣờng kính và kích thƣớc các sợi phải đồng nhất. 7 Hình 1.2. Cấu trúc của vật liệu FRP Vật liệu FRP đƣợc sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là sợi Carbon, sợi Thủy tinh và sợi Aramid. Dƣới dây là đặc điểm của từng loại cốt sợi:  Sợi Carbon Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi Thủy tinh và sợi Aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi Thủy tinh. Sợi Carbon nhẹ hơn và cƣờng độ cao hơn khi so sánh với các sợi Thủy tinh và Aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ số giãn nở nhiệt thấp. Sợi Carbon đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 2000 0C, sợi đƣợc xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi Carbon. Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau (Bảng 1.3). Bảng 1.3. Các đặc trưng loại sợi Carbon khác nhau (Ameteau, 2003) Môđun đàn Cƣờng độ Các loại sợi hồi kéo chịu kéo Giá thành Nƣớc sản xuất Carbon (ksi) (ksi) ($/pound) AP38-500 AP38-600 AS2 Panex 33 F3C T300 XAS Celion Celion ST 33.000 33.000 33.000 33.069 33.069 33.359 33.939 33.939 33.939 500 600 400 522 551 512 500 515 629 Nhật Nhật Mỹ Mỹ/ Hungary Mỹ Mỹ/Pháp/Nhật Mỹ Mỹ Mỹ $16 $24 $24 $26 $26 $26 $26 $26 $26 8  Sợi Thủy tinh Là hợp chất vô cơ vô định hình, chủ yếu là các ôxít kim loại hoặc các loại SiO2 là hợp chất chiếm nhiều nhất trong thủy tinh, chiếm từ (50÷70)% trọng lƣợng thủy tinh. Đƣờng kính sợi Thủy tinh riêng lẻ 17µm, khoảng cách các sợi Thủy tinh (3÷ 24)µm. Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi Carbon và sợi Aramid. Sợi Thủy tinh đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh. Sợi Thủy tinh có môđun đàn hồi và trọng lƣợng riêng trung bình, cƣờng độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C. Sợi Thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR- glass (Bảng 1.4). Bảng 1.4. Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau Cƣờng độ Mô đuyn Tỷ trọng Biến dạng dài Loại sợi thủy tinh chịu kéo đàn hồi (g/cm3) (%) (ksi) (ksi) E-glass 2.60 500 10.500 4.8 S-glass 2.49 665 12.600 5.4 C-glass 2.56 480 9.993 4.8 AR-glass 2.70 470 10.602 4.4  Sợi Aramid Là sợi hữu cơ tổng hợp có cƣờng độ và độ cứng lớn hơn sợi Thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Về mặt sản xuất, đƣợc sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm. Sợi Aramid có môđun đàn hồi trung bình, cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ. Sợi Aramid nhẹ hơn sợi Cacbon khoảng 43% và 20% đối với sợi Thủy tinh. Sợi Aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R. Bảng 1.5. So sánh đặc trưng ba loại sợi theo (Meier 1994) Loại sợi Tiêu chuẩn Cƣờng độ chịu kéo Cƣờng độ chịu nén Mô đun đàn hồi Ứng xử dài hạn Ứng xử mỏi Trọng lƣợng Sức kháng kiềm Giá thành Carbon Aramid Thủy tinh Rất tốt Rất tốt Rất tốt Rất tốt Đặc biệt tốt Tốt Rất tốt Trung bình Rất tốt Không tốt Tốt Tốt Tốt Đặc biệt tốt Tốt Trung bình Rất tốt Tốt Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Không tốt Rất rẻ b. Chất dẻo nền Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính. Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền: - Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ; 9 - Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn; - Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hƣởng do môi trƣờng; - Kết dính các sợi với nhau; - Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP; - Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi. c. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP Đặc trƣng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dƣới đây: - Đặc trƣng cơ học của sợi (sử dụng sợi Carbon, sợi Aramid hay sợi Thủy tinh); - Đặc trƣng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester); - Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP; - Hƣớng phân bố của các sợi trong chất nền. Hình 1.3. Hướng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996) 1.2.3. Cƣờng độ và biến dạng thanh FRP Cƣờng độ và biến dạng của thanh FRP đƣợc tiến hành với các thí nghiệm kéo và nén, đây cũng là 2 tải trọng mà cốt sợi FRP tiếp nhận khi nó làm việc trong kết cấu và các cấu kiện   CFRP     gFRP   thÐp           BiÕn d¹ng Hình 1.4. Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP (ksi)   øng suÊt (MPa)  øng suÊt  10 Hình 1.5. Hình dạng phá hủy khi thí nghiệm kéo cấu kiện Composite Sự phá hoại mẫu bắt đầu bằng sự đứt các sợi FRP có ứng suất lớn nhất bố trí theo chu vi của tiết diện, sau đó thông qua sự phân bố ứng suất xảy ra sự phá hoại các sợi còn lại trong tiết diện thanh (Hình 1.6). Trong quá trình thí nghiệm cƣờng độ và tính biến dạng của các mẫu cốt sợi FRP trên máy kéo đã ấn định rằng, sự phá hoại bắt đầu theo nguyên tắt là từ sự phá hoại sợi FRP bọc ngoài trên các gờ của tiết diện. Sau đó đứt các sợi riêng biệt trên bề mặt theo dọc chiều dài của thanh, tiếp đến xảy ra sự phá hoại mạnh hơn các sợi theo chu vi tiết diện, đồng thời sự tăng tải trọng tác dụng lên mẫu sẽ dừng lại (tải trọng không tăng nữa) và sự phá hoại hoàn toàn đạt đến. Sự phá hoại theo từng lớp đƣợc thể hiện rất rõ khi thí nghiệm cốt sợi FRP có đƣờng kính 12 mm. Trong một số trƣờng hợp sau khi các sợi FRP ở lớp ngoài bị phá hoại xảy ra sự trƣợt lõi chƣa phá hoại của thanh theo lớp vữa Polymer. Môđun đàn hồi của cốt sợi FRP tƣơng đối nhỏ (nhỏ hơn khoảng 4 lần so với cốt thép). Do đó loại cốt này chỉ sử dụng đƣợc trong kết cấu dự ứng lực trƣớc, trong kết cấu không dự ứng lực trƣớc không thể sử dụng hết khả năng chịu lực của cốt và độ cứng của những kết cấu này tƣơng đối nhỏ. 1.2.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm đến các tính chất cơ lý của thanh FRP Trong quá trình chế tạo và khai thác kết cấu bê tông với cốt sợi FRP có thể gặp các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. Ví dụ: Khi chế tạo các kết cấu bê tông để tăng nhanh quá trình ninh kết của bê tông có thể sử dụng phƣơng pháp chƣng hấp kết cấu. Trong trƣờng hợp này cốt thép sẽ chịu tác dụng đồng thời của nhiệt độ cao và độ ẩm. Ngoài ra, kết cấu có thể đƣợc khai thác dƣới tác dụng của nhiệt độ âm (các nƣớc xứ lạnh) hoặc dƣơng. Trong trƣờng hợp bị cháy kết cấu chịu tác dụng đồng thời của nhiệt độ và lửa, liên quan đến vấn đề này để đảm bảo độ bền của kết cấu cần phải xác định khả năng của cốt chống lại cháy và lạnh, ngoài ra còn có cả tác dụng của khí ẩm dạng hơi. Phân tích quan hệ giữa cƣờng độ - nhiệt độ của cốt thủy tinh (Hình 1.6). Khi giảm nhiệt độ cƣờng độ của mẫu thuộc sêri thứ nhất tăng lên và ở nhiệt độ -400C cƣờng độ tăng lên 35-40%. Trong đoạn nhiệt độ âm quan sát thấy hiện tƣợng bền hóa của chất dẻo FRP, tƣơng ứng là sự bền hóa các sợi FRP do sự đóng băng hơi ẩm từ các 11 vi vết nứt trên bề mặt sợi. Khi tăng nhiệt độ cƣờng độ sẽ giảm xuống (Hình 1.6, đƣờng cong 1). Hiện tƣợng này có thể giải thích sự xuất hiện các tính chất dẻo của chất kết dính, chính điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi chiều dài các sợi, bởi vì xảy ra hiện tƣợng nắn thẳng từng phần trên các đoạn cong, dƣới nhiệt độ trên 3500C quá trình phá hủy chất kết dính bắt đầu, tiếp đến sẽ là các sợi Thủy tinh, và cuối cùng là cƣờng độ của cốt giảm đáng kể. (Bp,t0C/Bp,200C) 100% 140 120 2 100 1 80 60 -40 -20 0 20 50 100 150 200 250 300 350 400 t0C Hình 1.6. Quan hệ giữa cường độ tức thời-nhiệt độ của cốt thủy tinh 1. Dưới tác dụng của nhiệt độ; 2. Sau khi nung nóng hoặc làm lạnh (thí nghiệm ở nhiệt độ t = 200C) Cƣờng độ của cốt đƣợc giữ trƣớc với nhiệt độ từ -40 đến + 3500C (Hình 1.6, đƣờng cong 2) là hằng số, bởi vì các quá trình hình thành các tính dẻo của Polymer và sự đóng băng lƣợng ẩm hấp thu trong đoạn nhiệt độ này có tính khả hồi. Khi xuất hiện sẽ phá hoại chất kết dính và sợi dƣới nhiệt độ lớn hơn 3500C cƣờng độ của cốt giảm đáng kể. Tất cả các kết cấu bê tông cốt sợi FRP dƣới tác dụng của nhiệt độ cao bị phá hoại giòn do đứt cốt ở nhiệt độ trung bình trong cốt chịu kéo là 1000C. Dƣới tác dụng của nhiệt độ khoảng 1000C các hơi nƣớc trong các lỗ vi vết nứt trên bề mặt sẽ bốc hơi dẫn đến tăng áp suất đột ngột làm phá hoại các sợi, tức là cƣờng độ cốt giảm đột ngột dẫn đến kết cấu bị phá hoại. 1.3. KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN CỦA THANH FRP Khi nghiên cứu độ bền ăn mòn hóa học của các sợi FRP và chất dẻo FRP nhiều tác giả nghiên cứu đã lấy tiêu chuẩn là sự thay đổi khối lƣợng của mẫu dƣới tác dụng của môi trƣờng xâm thực. Để nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của cốt thì phƣơng pháp này không thể sử dụng đƣợc, bởi vì kết quả nhận đƣợc không thể đánh giá đƣợc sự tổn hao cƣờng độ của cốt, tức là khả năng làm việc của cốt khi tiếp nhận ứng suất kéo. Một phƣơng pháp nghiên cứu nữa cũng đƣợc xem là chƣa hoàn thiện, đó là 12 phƣơng pháp nghiên cứu ăn mòn theo sự thay đổi diện mạo bên ngoài mẫu, nhƣ màu sắc, trạng thái bề mặt. Tiêu chí nghiên cứu đƣợc xem là hợp lý nhất khi nghiên cứu độ bền ăn mòn của cốt là tiêu chí cƣờng độ, tiêu chí này đánh giá đầy đủ mối liên hệ các tính chất hóa - lý và các tính chất cơ học của vật liệu. Các chất phản ứng của môi trƣờng xâm thực thấm xen vào trong vật liệu cốt sợi FRP, tức là sợi FRP thông qua các vết nứt, các lỗ rỗng và do sự khuếch tán các chất phản ứng qua Polymer. Quá trình khuếch tán các phân tử chất lỏng qua các lỗ nhỏ giữa các phân tử trong Polymer xảy ra chậm trong khoảng thời gian 50 - 60 ngày. Trong giai đoạn này các khuyết tật trên bề mặt sợi FRP đƣợc lấp đầy và trong giai đoạn này cƣờng độ của cốt giảm mạnh do hiệu ứng chêm các chất lỏng vào trong các vết nứt trên bề mặt sợi FRP, trong giai đoạn này xảy ra sự ăn mòn hóa học sợi trong quá trình tác dụng của các sợi với môi trƣờng ăn mòn. (  / Bp) 100% 100 2 1 80 60 2 1 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 ,ngày Hình 1.7. So sánh đồ bền ăn mòn của cốt sợi thủy tinh và cốt thép cường độ cao có đường kính 3 mm trong môi trường ăn mòn: 1. tác dụng của dung dịch H2SO4; 2. tác dụng của dung dịch xinvinit bão hòa (nét đứt là cốt sợi FRP, nét liền là cốt thép) Trong đó:   - Cƣờng độ của cốt sau thời gian  ngày dƣới tác dụng của môi trƣờng ăn mòn;  Bp - Cƣờng độ chịu kéo tức thời trƣớc khi thí nghiệm trong môi trƣờng ăn mòn. Từ đồ thị so sánh cho thấy rằng, trong thời gian 50 ÷ 60 ngày đầu cƣờng độ của cốt Thủy tinh giảm đáng kể, sau đó quá trình này giảm lại và có dạng tuyến tính. Vì vậy, từ đồ thị có thể suy ra, độ bền ăn mòn hóa học của cốt sợi FRP tăng đáng kể so với độ bền ăn mòn của cốt thép. Nhiều nghiên cứu khoa học về ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép đã đƣợc tiến hành với kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện khai thác thực tế trong các nhà máy sợi tổng hợp (môi trƣờng axit), trong các nhà máy liên hợp và trong các nhà kho phân khoáng (ăn mòn muối). Thời gian khai thác kết cấu bê tông cốt thép trong các môi trƣờng này không vƣợt quá 4 đến 5 năm. Vì vậy, trong các môi trƣờng này nên sử dụng kết cấu khác có độ ăn mòn hóa học cao để thay thế kết cấu bê tông cốt thép truyền thống.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan