Tài liệu đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (cfrp) thi công trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN MINH NGA C C ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC R L T. DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN MINH NGA ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC C C R L T. DU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LAN Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Lê Văn Minh Nga C C DU R L T. ii ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Học viên: Lê Văn Minh Nga, chuyên ngành: Kỷ thuật XDCT giao thông. Mã số: 85.80.205 Khóa K36.XGT. Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN. Vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngoài (vật liệu FRP) kết hợp keo epoxy đã được áp dụng rộng rãi thế thế giới từ giữa những năm 1980 ở cả Châu Âu, Mỹ, Canada, Úc và Nhật Bản nhờ có cường độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt. Vật liệu này đang bắt đầu nghiên cứu sử dụng tại Việt Nam để sửa chữa tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT và một số lĩnh vực khác. Do ưu điểm cường độ chịu kéo cao và không bị ăn mòn trong môi trường xâm thực FRP có thể được sử dụng để vừa bảo vệ vừa gia cường kết cấu BTCT ngập trong nước. Luận văn này nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế dầm BTCT được gia cường bằng tấm vải sợi các bon (CFRP) kết hợp chất dính bám là keo Epoxy. Qua thực nghiệm kết hợp sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA để phân tích, đánh giá, so sánh được khả năng chịu uốn của dầm BTCT thường, dầm BTCT gia cường tấm vải sợi cabon CFRP (thi công trên khô và trong môi trường nước). Phần mềm ATENA là phần mềm chuyên về phân tích kết cấu BTCT phi tuyến làm việc trong giai đoạn đàn hồi cũng như giai đoạn xuất hiện và phát triển các vết nứt đến khi phá hoại dầm. Để kiểm chứng ứng xử khả năng chịu uốn của dầm BTCT được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP), một chương trình thực nghiệm được thực hiện bao gồm: chế tạo 06 dầm BTCT, kích thước (150x150x2500) mm. Trong đó 02 dầm không gia cường, 04 dầm gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (02 dầm thi công trên khô và 02 dầm thi công trong nước). Tiến hành thí nghiệm phá hoại dầm, trong quá trình thí nghiệm dầm, các đại lượng biến dạng, độ võng, bản đồ vết nứt, kích thước vết nứt được đo đạt theo các cấp tải đến khi dầm bị phá hoại. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ứng xử dầm theo thực nghiệm khá phù hợp với tiêu chuẩn thiết bê tông cốt thép của ACI và kết quả phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA. Từ khóa: Phần tử hữu hạn (PTHH), vật liệu sợi polymer (FRP), Bê tông cốt thép, bảo vệ bê tông, keo epoxy. C C R L T. DU ASSESSMENT OF CRIMPING CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BEAM REINFORCED WITH CFRP CONSTRUCTION IN WATER ENVIRONMENT Abstract The high-strength fiber-reinforced external bonded (FRP material) combined with epoxy resin has been widely used in the world since the mid-1980s in Europe, USA, Canada, Australia and Japan thanks to the high strength and good corrosion resistance. This material is beginning to be researched and used in Vietnam to repair and strengthening the reinforced concrete structure and some other fields. Due to the advantage of high tensile strength and no corrosion in aggressive environments the FRP is used to strengthening and protect concrete structure that flooded in water. This thesis studies the basis of calculating the reinforced concrete beam design with carbon fiber fabric (CFRP) combined with epoxy resin. Through combined experiments and using ATENA finite element software to analyze, evaluate and compare the bending resistance of normal reinforced concrete beams, reinforced concrete beams by CFRP (construction on dry and in lips water). ATENA software is a software specializing in analyzing nonlinear reinforced concrete structures working in the elastic phase as well as the stage of appearance and development of cracks until damaging. In order to verify the flexural behaviors of reinforced concrete beams reinforced with CFRP, an experimental program was implemented including manufacturing 06 reinforced concrete beams, size (150x150x2500) mm. Of which 02 beams are not reinforced, 04 beams are reinforced with CFRP (02 beams constructed on dry and 02 beams constructed in the water). Conducting beam damage test, during beam testing, strain quantities, deflection, crack map, crack size are measured according to the load levels until the beam is damaged. The results show that the experimental beam behavior is quite consistent with ACI's reinforced concrete design standards and analysis results using ATENA finite element software. Key words: Finite element (PTHH), Fiber reinforced polymer (FRP), reinforced concrete, concrete protect, Epoxy resin. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ vi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1 2.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ..........................................................................1 3.Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................1 4.Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................1 5.Bố cục đề tài ......................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC .................................................................... 3 1.1. CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC .......................................................................................................3 1.2. CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC...............................................................................................4 1.3. CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CFRP ...............................................................................................................6 1.3.1. Đặc tính vật lý của vật liệu FRP ............................................................... 10 1.3.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP ................................................................ 10 1.3.3. Ứng xử của vật liệu FRP phụ thuộc vào thời gian: ..................................13 1.3.4. Chất lượng vật liệu FRP: ..........................................................................14 1.3.5. Một số công nghệ thi công vật liệu FRP: .................................................14 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...................................................................................16 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG17 BẰNG CFRP ................................................................................................................ 17 2.1. THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG CFRP ..........................................17 2.1.1. Các yêu cầu cơ bản để thiết kế tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông ........................................................................................................................... 17 2.1.2. Đánh giá các đặc trưng cơ lý của vật liệu FRP trên thị trường Việt Nam theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 và tiêu chuẩn BD 90/05. ..............................................21 2.2. TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP ............24 2.2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dần BTCT gia cường CFRP ....24 2.2.2. Ví dụ tính toán sức kháng uốn dầm BTCT gia cường CFRP ...................35 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...................................................................................39 C C DU R L T. iv CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP DÁN DƯỚI NƯỚC ........................................................................................................................... 40 3.1. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ................................................................40 3.1.1. Chế tạo mẫu dầm BTCT cho thí nghiệm ..................................................40 3.1.2. Trình tự thực nghiệm dầm: .......................................................................40 3.1.3. Sơ đồ thực nghiệm nén dầm .....................................................................43 3.1.4. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................43 3.2. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN ATENA........51 3.3. KẾT QUẢ TỪ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM ATENA CHO DẦM BÊ TÔNG THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG CFRP ..................................58 3.4. PHÂN TÍCH, BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................60 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG......................................................................................62 3.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM ...........................................................63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) C C DU R L T. v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng 1.1. Các đặc trưng cơ học cốt sợi 1.2. Các đặc trưng cơ học của chất nền 1.3. Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu FRP theo tiêu 2.1. chuẩn BD90/05. Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu FRP theo tiêu 2.2. chuẩn ACI440.2R-08. Giá trị ứng suất cộng thêm có xét đến giới hạn uwgs 2.3. suất lặp 3.1. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường Dầm 1 3.2. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường Dầm 2 3.3. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP Khô 3.4. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP Khô 3.5. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP dưới nước 3.6. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP dưới nước C C DU R L T. Trang 12 12 12 21 22 35 43 44 46 46 48 49 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9 1.10. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 2.17. Tên hình Trang Cầu bê tông cốt thép. Bến cảng, bến neo đậu thuyền Hư hỏng do bị ăn mòn, ô xy hóa. Bị hư hỏng do ăn mòn tại trụ Hư hỏng do nứt Hư hỏng do chuyển vị Hư hỏng do bị ăn mòn Hư hỏng do bị xâm thực Các loại sản phẩm của vặt liệu FRP Tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng vật liệu CFRP Mô hình ứng suất-biến dạng của vật liệu bê tông, FRP, cốt thép sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn ACI, Euro Code. Bê tông bị phá hoại do nén. Bê tông bị phá hoại do nén. Phá họi do uốn và vết nứt Phát triển giữa bê tông và cốt sợi 3 4 5 5 5 6 6 6 8 9 C C R L T. DU Phá hoại do cắt và vết nứt phát triển giữa bê tông và cốt sợi Vật liệu FRP bị phá hoại trước (bị đứt). Phá hoại do tách lớp bê tông bảo vệ cốt thép. Phá hoại do bong dính. Mô hình ứng suất-biến dạng của dạng phá hoại 2. Mô hình ứng suất-biến dạng của dạng phá hoại 3 Ứng suất τc xuất hiện gữa bê tông và sợi FRP khi có lực tác dụng F Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực của cột Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực uốn cho sàn, dầm Phạm vi bố trí vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực của dầm. Sơ đồi khối thể hiện tình tự tính toán, thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP Mô hình tính toán sức kháng uốn. Giá trị biến dạng có hiệu trong vật liệu FRP sử dụng thiết kê 17 18 18 18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 20 21 27 28 vii Số hiệu hình 2.18. 2.19. 2.20. 3.1. 3.2. 3.3. 3.7. 3.8. 3.9. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. Tên hình Trang Mô hình tính toán biến dạng ban đầu trong vật liệu FRP. Mô hình tính toán biến dạng ban đầu của vật liệu FRP. Mô hình tính toán hệ số φ. Bản vẽ thiết kết dầm Kê và dán các thiết bị để nén dầm Lắp đặt kích và thiết bị đo chuyển vị Biểu đồ quan hệ tải trọng và biến dạng kéo Biểu đồ quan hệ tải trọng và biến dạng nén Biểu đồ quan hệ chuyển vị và tải trọng Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng kéo Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng nén Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt cho dầm bê tông thường sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt cho dầm BTCT CFRP sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị giữa nhịp cho dầm BTCT sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị giữa nhịp cho dầm BTCT CFRP sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ tải trọng và bề rộng vết nứt giữa mô hình và thực nghiệm Biểu đồ quan hệ tải trọng và bề rộng vết nứt giữa mô hình và thực nghiệm 29 29 31 40 41 41 44 45 45 49 50 50 C C DU R L T. 58 59 59 60 60 61 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACI BTCT CFRP FRP GFRP PTHH : Viện bê tông Hoa Kỳ : Bê tông cốt thép : Cốt sợi cac bon : Cốt sợi poolymer (Fiber reinforced Polymer) : Cốt sợi thủy tinh : Phần tử hữu hạn C C DU R L T. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Theo thời gian kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP bị xuống cấp do tải trọng và các tác động môi trường. Các kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP dưới mực nước thường có tốc độ xuống cấp nhanh hơn đặc biệc là kết cấu tiếp xúc với môi trường nước có chứa các yếu tố ăn mòn cao. Hiện tại nhiều kết cấu bê tông dưới nước công trình cũ như cầu cảng, kè sông, kết cấu phần dưới cầu vượt sông, …đã xuống cấp hư hỏng cần được sửa chữa bảo vệ để tiếp tục duy trì công năng. Hiện có rất nhiều biện pháp sửa chữa, bảo vệ kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP dưới nước, đa số các giải pháp cần có vòng vây hút nước để thi công sửa sữa chữa kết cấu như trên cạn. Kết cấu vòng vây làm tăng chi phí và thời gian thi công khá lớn. Trong thời gian gần đây vật liệu compostite đã được ứng dụng tại Việt Nam để sửa chữa, gia cường kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP trên cạn, tuy nhiên sử dụng vật liệu compostite và keo epoxy thi công trong môi trường nước hoặc môi trường ẩm ướt còn đang được tiếp tục nghiên cứu áp dụng về công nghệ thi công và phân tích thiết kế. Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) thi công trong môi trường nước” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết. C C R L T. DU 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài nghiên cứu đánh giá khả năng chịu uốn dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) và keo eboxy thi công trong môi trường nước. 3. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu ổn kết cấu dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) và keo eboxy thi công trong môi trường nước. 4. Phương pháp nghiên cứu Thu thập các tài liệu của các tác giả trong, ngoài nước có liên quan đến đề tài, nghiên cứu, phát triển lý thuyết và phục vụ đề tài. Xây dựng các trường hợp thay đổi môi trường tác động kết hợp kèm theo giải pháp xử lý tương ứng với mỗi kịch bản. Từ đố so sánh kết quả thu được từ các kịch bản. 5. Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan các dạng kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP tiếp xúc với môi trường nước 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường bằng CFRP Chương 3: Thực nghiệm dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường CFRP dán dưới nước C C DU R L T. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1.1. CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC Việt Nam là đất nước có đường bờ biển dài hơn 3.200 Km, từ 8 o37’ đến 21o32’, đối với mạng lưới sông ngòi ở Việt Nam thì vô cùng phong phú và đầy tiềm năng với tổng chiều dài hơn 41.900 Km. Sau năm 1960 thì số lượng công trình làm việc trực tiếp (thường xuyên) trong môi trường nước tăng đáng kể, theo kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học công nghệ xây dựng, viện KH vật liệu, viện khoa học thủy lợi, viện khoa học GTVT, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, … thì tình trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông và bê tông cốt thép làm việc trong môi trường nước đáng để quan tâm. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bị ăn mòn, hư hỏng hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-30 năm sử dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc trực tiếp với môi trường không khí và nước (biển hoặc sông). Giữa vật liệu và môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân bê tông luôn thay đổi trạng thái cấu trúc. Các dạng công trình bê tông và bê tông cốt thép thường làm việc trực tiếp trong môi trường nước thường gặp như: Mố, trụ cầu, cống, tràn, đê đập, tường chắn sóng, cầu cảng, kè sông, kè biển, kết cấu chỉnh dòng, …. C C R L T. DU Hình 1.1. Cầu bê tông cốt thép 4 C C R L T. Hình 1.2. Bến cảng, bến neo đậu thuyền 1.2. CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC DU Tác động xâm thực của môi trường nước tác động tới độ bền của công trình bê tông và bê tông cốt thép chủ yếu do các quá trình sau: - Quá trình cácbonnát hóa làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến phá hủy kết cấu. - Quá trình thấm ion SO42- vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thủy hóa của xi măng tạo ra khoáng Ettiringit trương nở thể tích gây phá hủy kết cấu (Ăn mòn Sunfat). - Quá trình khuếch tán oxy, ion Cl- và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ không khí cao. - Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ học do sóng, ăn mòn rửa trôi. 5 Hình 1.3. Hư hỏng do bị ăn mòn, ô xy hóa C C R L T. DU Hình 1.4. Bị hư hỏng do ăn mòn, xói lở tại trụ Hình 1.5. Hư hỏng do nứt 6 Hình 1.6. Hư hỏng do chuyển vị C C R L T. DU Hình 1.7. Hư hỏng do bị ăn mòn Hình 1.8. Hư hỏng do bị xâm thực 1.3. CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CFRP Giải pháp tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông (bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực) bằng cách sử dụng vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngoài (tên tiếng Anh là Fibre Reinforced Polymer (FRP)), gọi tắt là vật liệu FRP, đã được áp 7 dụng rộng rãi trên thế giới từ giữa những năm 1980 ở cả Châu Âu, Mỹ, Canada, úc và Nhật Bản. Tại Châu Âu, vật liệu FRP được phát triển để thay thế phương pháp tăng cường khả năng chiu lực kết cấu bê tông bằng phương pháp dán bản thép. Phương pháp dán bản thép trong vùng chịu kéo của bê tông được gọi là kỹ thuật khả thi để tăng sức kháng uốn cho kết cấu bê tông (Fleming và King 1967). Kỹ thuật này đã được sử dụng để tăng cường nhiều công trình cầu và các tòa nhà trên khắp thế giới. Tuy nhiên sau một thời gian sử dụng bản thép dán thêm bên ngoài kết cấu cũ có thể bị ăn mòn và làm giảm khả năng chịu lực đáng kể. Mặt khác kỹ thuật dán bản thép là khó thi công tại những địa điểm có diện tích chật hẹp. Các nhà nghiên cứu đã xem xét đến vật liệu RFP là một thay thế cho bản thép dán. Các nghiên cứu về ứng dụng RFP để tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông đã được báo cáo vào đầu năm 1978 tai Đức (Wolf và Miessler 1989), tại Thụy Sĩ (Meier 1987; Rostasy 1987). Tại Nhật Bản hệ thống RFP lần đầu tiên được áp dụng để tăng cường khả năng chịu động đất của kết cấu cũ và những năm 1980 (Fardis và Khalili 1981; Katsumat et al 1987), đạc biệt sau trận động đất Hyogoken-Nanbu 1995 (Nanni 1995). Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã có các kết quả nghiên cứu ứng dụng cốt sợi tăng cường cho kết cấu bê tông từ những năm 1930. Tuy nhiên, bắt đầu vào những năm 1980 thông qua các sáng kiến của Quỹ khoa học quốc gia (NSF) và chính quyền liên bang (FHWA). Các hoạt động nghiên cứu đã dẫn đến việc xây dựng Tiêu chuẩn kỹ thuật và Chỉ dẫn thiết kế ACT 440R và các báo cáo khoa học. Sự phát triển của các quy tắc và tiêu chuẩn cho hệ thống vật liệu RFP dính bám ngoài được thực hiện tại Châu Âu, Nhật Bản, Canada và Hoa Kỳ. Trong vòng 10 năm qua, Hội kỹ sư xây dựng Nhật Bản (JSCE), Viện bê tông Nhật Bản (JCJ) và Viện nghiên cứu kỹ thuật đường sắt đã công bố một số tài liệu, chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng vật liệu FRP trong tăng cường khả năng chiu lực của kết cấu bê tông. Tại Châu Âu, Liên đoàn quốc tế về kết cấu bê tông (FIB) đã công bố chỉ dẫn thiết kế ứng dụng hệ thống vật liệu FRP dính bám ngoài trong tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép. Fibre Reinforce Polymer (FRP) là vật liệu composite bao gồm cốt sợi gia cường độ cao (sợi carbon, sợi Aramid hoặc sợi thủy tinh) kết hợp với chất kết dính. Khi nói đến FRP chúng ta phải xem xét đó là vật liệu Composite bao gồm các chất kết dính và sợi làm việc đồng thời chứ không được xét sợi riêng và chất kết dính riêng. Hệ thống vật liệu FRP chủ yếu bao gồm hệ thống dán ướt (hệ thống vải) và hệ thống tấm chế tạo sẵn. Hệ thống vật liệu FRP có thể được phân loại dựa trên các cách thức vận chuyển đến địa điểm xây dựng và lắp đặt. Hệ thống vật liệu FRP nên được lựa chọn dựa trên loại kết cấu cần tăng cường khả năng chịu lực (kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu đá xây, gạch xây, …). Có 03 dạng hệ thống FRP phổ biến hiện nay: C C DU R L T. 8 - FRP tẩm chất kết dính trước, loại này gồm các kiểu: Tấm sợi đơn hướng tẩm chất kết dính trước mà các sợi chủ yếu chạy theo một hướng trên mặt phẳng; Tấm sợi đa hướng tẩm chất kết dính trước mà các sợi được định hướng trong ít nhất hai hướng trên một mặt phẳng; Bó sợi tẩm chất kết dính trước được cuộn hoặc thi công bằng máy trên bề mặt bê tông. - FRP đóng rắn trước, loại này gồm các kiểu phổ biến: Tấm đơn hướng, thường được chuyển đến địa điểm dưới dạng các tấm phẳng lớn hoặc như những dải mỏng được cuộn thành một cuộn; Tấm đa hướng, thường được chuyển đến địa điểm dưới dạng cuộn; Tấm lớn, thường được chuyển đến đại điểm dưới dạng các phân đoạn đã được cắt theo chiều dọc để giúp chúng có thể được mở ra và lắp đặt xung quanh các cột hoặc các cấu kiện khác nhau, nhiều vật liệu FRP được liên kết dính bám với nhau nhằm tăng khả năng chống động đất. - FRP dạng thanh cường độ cao (NSM), loại này gồm 2 kiểu phổ biến: Các thanh tròn được sản xuất bằng cách sử dụng biện pháp đúc ép, thường được chuyển đến công trường dưới hình thức các thanh đơn hoặc một cuồn tùy vào đường kính thanh; Các thanh hình chữ nhật và các tấm thường được sản xuất bằng cách sử dụng biện pháp đúc ép, thường được chuyển đến công trường dưới dạng cuộn. Thành phần cấu tạo của vật liệu FRP hiện nay bao gồm: Chất kết dính (chất kết dính nền, chất kết dính độn, chất kết dính bão hòa); Cốt sợi cường độ cao (sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid) và lớp phủ bảo vệ. C C R L T. DU Dạng tấm Dạng cuộn Dạng chế tạo sẵn Dạng thanh Hình 1.9. Các loại sản phẩm của vặt liệu FRP Dạng băng 9 C C R L T. DU Hình 1.10. Tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng vật liệu CFRP 10 1.3.1. Đặc tính vật lý của vật liệu FRP Tỷ trọng: Vật liệu FRP có tỷ trọng chênh lệch nhau từ 1,2 đến 2,1 g/cm3, thấp hơn 4-6 lần so với thép. Tỷ trọng thấp đẫn đến chi phí vận chuyển thấp hơn, làm giảm tĩnh tải chất lên thêm kết cấu, và có thể dễ dàng thi công thủ công ngoài công trường. Hệ số dãn nở nhiệt: Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu FRP đơn hướng khác nhau theo chiều dọc và chiều ngang, tùy thuộc vào từng loại sợi, chất kết dính và trọng lượng của sợi. Lưu ý hệ số dãn nở nhiệt có số âm, ý nghĩa của nó chỉ ra rằng vật liệu co lại khi nhiệt độ tăng và giản ra khi nhiệt độ giảm. Khác với các loại vật liệu khác, vật liệu FRP có xu hướng dãn, nở nhiệt ngược lại. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Khi nhiệt độ vượt qua nhiệt độ biến đổi trạng thái Tg, mô đun đàn hồi của vật liệu FRP bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc phân tử của nó. Giá trị Tg dựa vào các loại chất kết dính nhưng thường nằm trong khoảng 600C-820C. Trong vật liệu FRP, thì vật liệu sợi có đặc tính tốt hơn so với chất kết dính, có thể tiếp tục chịu một số tải trong theo phương dọc cho đến khi đạt tới nhiệt độ tới hạn của sợi. Điều này có thể xảy ra ở nhiệt độ 10000C đối với sợi cacbon và 1750C cho sợi Aramid. Sợi thủy tinh có khả năng chống lại nhiệt độ tới 2750C. Tuy nhiên do sự suy giảm sự truyền lực giữa các sợi thông qua liên kết với chất kết dính, đặc tính chịu kéo của tất cả các vật liệu FRP bị giảm xuống. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ở nhiệt độ 2500C, cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ Tg của chất kết dính, sẽ làm suy giảm độ bền kéo của vật liệu GFRP và CFRP lớn hơn 20%. Mặt khác các đặc tính bị ảnh hưởng bởi việc truyền lực thông qua chất kết dính, cũng bị giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp hơn. Đối với ứng dụng của hệ thống vật liệu FRP, dính bám có tính chất rất quan trọng, đặc tính của Polyme tại bề mặt giữa sợi và bê tông là rất cần thiết cho việc duy trì tính dính bám giữa FRP và bê tông. Tuy nhiên ở nhiệt độ gần với Tg, các đặc tính cơ học của Polyme giảm đáng kể và Polyme bắt đầu mất khả năng truyền ứng xuất từ bê tông tới sợi. 1.3.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP C C R L T. DU Tỷ lệ thành phần vật liệu sợi: Chất lượng thi công vật liệu FRP phụ thuộc chủ yếu tay nghề của công nhân và bộ phân trực tiếp thi công, quản lý thi công và kiểm soát chất lượng. Chiều dày, cường độ và mô đun đàn hồi của lớp vật liệu FRP phụ thuộc và tỷ lệ sợi / chất kết dính. Ứng xử kéo của vật liệu FRP: Khi tải trọng tác dụng theo phương chịu kéo, vật liệu FRP đơn hướng không thể hiện bất kỳ ứng xử dẻo nào trước khi đứt gãy. Ứng xử kéo của vật liệu FRP được đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng cho đến khi bị phá hoại, phá hoại xảy ra đột ngột và giòn; Cường độ chịu kéo và độ cứng của vật liệu FRP phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do sợi là bộ phận chịu tải chính của vật liệu FRP, loại sợi, hướng của sợi, số lượng sợi và các biện pháp và điều kiện sản xuất đều ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo của vật liệu FRP. Có 02 phương pháp