Tài liệu Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt composite thay cho bê thông cốt thép thường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUANG KHIÊM NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUANG KHIÊM NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN LAN Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả 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 Quang Khiêm ii NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG Học viên: Lê Quang Khiêm. Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông Mã số: 60.58.02.05. Khóa: 32.XGT. Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Vật liệu cốt sợi polymer (FRP) được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp từ lâu nhờ có cường độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt. FRP đang bắt đầu được sử dụng tại Việt Nam để gia cường kết cấu BTCT và được làm cốt thay cho cốt thép truyền thống do ưu điểm cường độ chịu kéo cao và không bị ăn mòn cốt trong môi trường xâm thực. Luận văn này nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo tiêu chuẩn của viện bê tông Hoa Kỳ (ACI), phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt FRP trên phần mềm phần tử hữu hạn (PTHH) 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 của dầm bê tông cốt FRP, một chương trình thực nghiệm được thực hiện bao gồm chế tạo các dầm bê tông cốt FRP và 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 đạc theo các cấp tải đến khi dầm phá hoại. Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng xử dầm theo thực nghiệm khá phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt FRP của ACI và kết quả phân tích bằng phần mềm PTHH ATENA. Từ khóa: phần tử hữu hạn (PTHH), cốt sợi polymer (FRP), thanh polymer (FRP bar), phi tuyến, hiệu ứng lực. Abstract: Fiber reinforced Polymer (FRP) has been used extensively in the industry for a long time due to its high strength, good corrosion resistance. FRP is beginning to be used in Vietnam to reinforce reinforced concrete structures and is reinforced by traditional reinforcement due to its high tensile strength and corrosion resistance in aggressive environments. This dissertation studies the basis of FRP bar concrete structure design in accordance with the American Concrete Institute (ACI) standard, analyzes the behavior of FRP bar concrete beams on finite element software (FEM) ATENA is a nonlinear RC structural analysis software that works in the elastic phase as well as the appearance and development of cracks until the beam breaks. To test the behavior of FRP reinforced concrete beams, an experimental program was carried out including the manufacture of FRP reinforced concrete beams and girder-breaking experiments, the strain, deflection, cracks map, cracks are measured during beam testing at the load level until the beams beraking. The results show that the experimental behavior of the beams is quite consistent with ACI's FRP concrete design criteria and the analysis results of ATENA PTHH software. Keyword:The Finite element method (FEM), fiber reinforced polymer rebar (FRP), fiber reinforced polymer bar (FRP bar), nonlinear, force effects. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2.Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu .........................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU FRP VÀ CỐT COMPOSITE ..................3 1.1. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU FRP ............................................3 1.2. CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP ..........................4 1.2.1. Cấu trúc vật liệu FRP ....................................................................................4 1.2.1.1. Cốt sợi ........................................................................................................4 1.2.1.2. Chất dẻo nền .............................................................................................. 7 1.2.2. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP .........................................................8 1.2.3. Nhược điểm của vật liệu FRP .....................................................................12 1.3. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU FRP TRONG XÂY DỰNG ..........................................12 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 14 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP ...........................................................................................................15 2.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT TRUYỀN THỐNG [12] ........................15 2.1.1. Những cơ sở tính toán và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn .......................................................................................................................... 15 2.1.2. Tải trọng ......................................................................................................15 2.1.3. Yêu cầu về độ bền và sử dụng ....................................................................16 2.1.4. Các giả thiết cơ bản về sự làm việc của kết cấu .........................................17 2.1.5. Phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn.....................................................18 2.2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT CÓ FRP DÍNH BÁM NGOÀI (THEO ACI 440) [13] ................................................................................................................20 2.2.1. Triết lý thiết kế ............................................................................................ 20 2.2.2. Giới hạn gia cường .....................................................................................21 2.2.3. Lựa chọn vật liệu FRP ................................................................................21 2.2.4. Tăng cường khả năng chịu uốn ...................................................................22 iv 2.2.5. Tăng cường chịu cắt....................................................................................25 2.2.6. Tăng cường các cấu kiện chịu nén uốn đồng thời ......................................28 2.3. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE [1] ....29 2.3.1. Nguyên lý chung .........................................................................................29 2.3.2. Các đặc trưng tính toán của vật liệu ........................................................... 29 2.3.3. Thiết kế cấu kiện chịu uốn ..........................................................................30 2.3.3.1. Vấn đề chung ........................................................................................... 30 2.3.3.2 Cường độ chịu uốn ...................................................................................31 2.3.3.3 Khả năng sử dụng .....................................................................................33 2.3.3.4 Phá hủy do từ biến và mỏi ........................................................................34 2.4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ..................35 2.4.1. Dữ liệu ban đầu ........................................................................................... 35 2.4.2. Kiểm tra khả năng chịu uốn ........................................................................36 2.4.3. Kiểm tra điều kiện hạn chế vết nứt ............................................................. 37 2.4.4. Kiểm tra điều kiện hạn chế độ võng ........................................................... 39 2.4.5. Kiểm tra phá hủy do từ biến .......................................................................39 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 40 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE CHỊU UỐN .......................................................................................................................................41 3.1. THỰC NGHIỆM NÉN DẦM BÊ TÔNG CỐT THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG COMPOSITE CHỊU UỐN ............................................................................................ 41 3.1.1. Trình tự thí nghiệm .....................................................................................41 3.1.2. Sơ đồ thực nghiệm nén dầm ......................................................................43 3.1.3. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................43 3.2. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN ATENA ............53 3.3. KẾT QUẢ TỪ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM ATENA CHO DẦM BÊ TÔNG THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE ............................................................ 62 3.4.PHÂN TÍCH BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................63 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT DƯL PTHH BTCTDƯL TCN FRP GFRP CFRP AFRP ACI AASHTO RNB HM ACMA RNB RNF Bê tông cốt thép Dự ứng lực Phần tử hữu hạn Bê tông cốt thép dự ứng lực Tiêu chuẩn ngành Fiber Reinforced Polymer Glass Fiber Reinforced Polymer Carbon Fiber Reinforced Polymer Aramid Fiber Reinforced Polymer American Concrete Institute American Association of State Highway and Transportation Officials Basalt Non-Metallic Rebar High-Modulus American Composites Manufactures Association Basalt Non-Metallic Rebar Fiberglass Non-Metallic Rebar vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 1.3. Bảng 1.4. Bảng 1.5. Bảng 1.6. Bảng 1.7. Bảng 1.8. Bảng 1.9. Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Tên bảng Các đặc trưng loại sợi carbon Các đặc trưng loại sợi thủy tinh So sánh đặc trưng 3 loại sợi Tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền Các đặc trưng cơ học cốt sợi Các đặc trưng cơ học của chất nền Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP So sánh vật liệu thép và vật liệu FRP Hệ số giảm cường độ chịu kéo thanh FRP do môi trường Giới hạn ứng suất đứt vì từ biến trong cốt FRP Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường Mô tả vết nứt ứng với từng cấp tải trọng cho dầm BTCT thường Bảng số liệu đo đạc cho dầm bê tông cốt FRP Trang 6 7 7 8 9 10 10 10 11 29 35 44 47 48 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 2.1. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Tên hình Cấu trúc của vật liệu FRP Hướng phân bố của cốt sợi Các loại sản phẩm của vật liệu FRP Sơ đồ tải trọng dầm có thanh GFRP chịu uốn Bản vẽ thiết kế dầm thực nghiệm Kê và dán các thiết bị để nén dầm Lắp đặt kích và thiết bị đo chuyển vị Gia tải theo từng cấp Hình ảnh vết nứt xuất hiện trong dầm Sơ đồ nén dầm Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho dầm BTCT thường Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng cho dầm BTCT thường Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho dầm bê tông cốt FRP Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng mặt bê tông cho dầm bê tông cốt FRP Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng trong cốt FRP Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt cho dầm bê tông thường sử dụng phần mềm Atena 62 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho dầm bê tông thường sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt cho dầm bê tông cốt FRP sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị giữa nhịp cho dầm bê tông cốt FRP sử dụng phần mềm Atena So sánh quan hệ tải trọng-chuyển vị giữa: thực nghiệm nén dầm BTCT thường, nén dầm bê tông cốt FRP và kết quả mô phỏng Atena cho dầm có cốt FRP So sánh quan hệ tải trọng-vết nứt giữa: thực nghiệm nén dầm BTCT thường, nén dầm bê tông cốt FRP và kết quả mô phỏng Atena cho dầm có cốt FRP Trang 4 9 12 36 41 42 42 42 43 43 45 46 50 51 52 62 62 62 63 63 63 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu composite đã được sử dụng rất phổ biến và khá lâu trong các ngành công nghiệp máy bay, ôtô, tàu thuyền do có nhiều ưu điểm như: cường độ, tính bền cao, không bị ăn mòn do môi trường, vật liệu xanh ..…... Trong vài thập kỷ gần đây, vật liệu composite đã được ứng dụng trong ngành xây dựng như gia cường kết cấu bằng tấm hoặc dãi composite dính bám ngoài. Bê tông cốt thanh composite, trong đó sử dụng các thanh composite thay thế cốt thép truyền thống cũng đã được sử dụng trong một số dự án tại các nước phát triển. Tại Việt Nam, vật liệu composite cũng đã được ứng dụng để sửa chữa gia cường kết cấu bê tông trong những năm gần đây nhưng chủ yếu là sử dụng tấm, dãi CFRP dính bám ngoài. Một số nghiên cứu trong vài năm gần đây cũng đã bắt đầu chứng minh việc sử dụng cốt thanh composite để thay thế cho cốt thép thường ở Việt Nam là khả thi. Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển khá dài và nhiều đảo. Qua khảo sát các công trình xây dựng ven biển, nhận thấy rằng các công trình ven biển bị giảm nhanh về chất lượng bởi tác động khắc nghiệt của khí hậu và nước biển ăn mòn. Điều này đòi hỏi phải có những kết cấu và vật liệu xây dựng mới, bền vững hơn, phù hợp với môi trường ven biển và hải đảo, thích ứng biến đổi khí hậu trong điều kiện hiện nay. Với nhiều ưu điểm của vật liệu composite, vật liệu này có thể bố trí thay thế cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép. Việc sử dụng cốt composite sẽ làm tăng tuổi thọ của kết cấu so với việc sử dụng thép, đặc biệt là khi kết cấu tiếp xúc với môi trường hoạt động mạnh như nước biển, các loại dung dịch hóa chất khác, có khả năng tránh được hiện tượng han rỉ như của thép trong môi trường không khí. Thời gian qua đã có nhiều hội thảo khoa học về chuyên đề "Kết cấu và vật liệu xây dựng cho các công trình ven biển và hải đảo”. Hiện nay các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đã được hoàn thiện và phát triển từ rất lâu, tuy nhiên các qui trình thiết kế cho kết cấu bê tông cốt thanh composite vẫn tiếp tục được nghiên cứu và hoàn thiện. Vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite, nghiên cứu thực nghiệm ứng xử các loại kết cấu xây dựng sử dụng vật liệu composite, tiếp đến ban hành tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế riêng cho bê tông cốt composite...… vẫn tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam. Trong giới hạn của luận văn thạc sĩ kỹ thuật, học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt composite thay cho bê tông cốt thép thường ”. 2.Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thanh composite - Nghiên cứu ứng xử dầm cốt composite trên mô hình số và thực nghiệm. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Dầm chịu uốn thuần túy (chỉ có momen và lực cắt) - Cốt sợi thủy tinh (GFRP bar) 4. Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp thực nghiệm 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu Vật liệu composite đã được sử dụng rất phổ biến do có nhiều ưu điểm như: cường độ, tính bền cao, không bị ăn mòn do môi trường, vật liệu xanh..…...Khi đề tài nghiên cứu thành công sẽ khẳng định được vật liệu cốt composite sẽ thay thế được cho cốt thép truyền thống lâu nay đã sử dụng, từ đó công trình được bền vững và an toàn hơn. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU FRP VÀ CỐT COMPOSITE 1.1. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU FRP Trên thế giới, vật liệu polymer có cốt bắt đầu được nghiên cứu tại Mỹ từ những năm 1930 và bắt đầu được ứng dụng rộng rãi để sửa chữa và tăng cường kết cấu bê tông cốt thép từ cuối những năm 1970 tại châu Âu. Đầu tiên, vật liệu polymer có cốt được sử dụng để thay thế cho bản thép dán ngoài trong công nghệ dán bản thép để tăng cường kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu uốn. Sau đó từ những năm 1980 tại Nhật Bản, công nghệ này được mở rộng để tăng cường cột bê tông cốt thép chịu nén thông qua việc tăng cường khả năng kiềm chế nở hông của cột. Hiện tại, vật liệu polymer có cốt đã được sử dụng cho bản bê tông cốt thép và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng cho kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, vật liệu polymer cốt sợi thủy tinh và cốt sợi carbon dạng mềm đã được áp dụng rộng rãi trong tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép dự ứng lực tại Việt Nam. Công nghệ này đã khẳng định được các ưu điểm chính về mặt thi công, lắp đặt như thi công nhanh chóng, không cần nhiều thiết bị máy móc, tốn ít nhân công, tính mỹ thuật...... Vật liệu polymer có cốt sử dụng 3 vật liệu chính: cốt sợi carbon CFRP; cốt sợi thủy tinh GFRP; cốt sợi aramid AFRP. Sợi carbon bắt đầu thử nghiệm từ cuối những năm 1950 và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp Anh bắt đầu từ đầu những năm 1960. Sợi carbon trong kết cấu composite được sử dụng cho các yêu cầu cần tăng cường khả năng chịu lực, đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, trong cơ khí chế tạo ôtô và thể thao. Sợi carbon (carbon graphite) hoặc CF, là một vật liệu bao gồm các sợi cực mảnh đường kính từ 0,005-0,010mm và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử carbon được liên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi. Sợi carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi carbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải. Sợi carbon có độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp, được 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 được sử để tăng cường các kết cấu chịu lực như dầm, cột, sàn, cọc…(kết cấu dân dụng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi...…). Sợi thủy tinh đã được thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối chiến tranh thế giới II. Cho đến nay sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu. Sợi thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường 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 tương đương với các loại sợi khác như sợi carbon. Sợi thủy tinh được ứng 4 dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc….... Sợi aramid xuất hiện lần đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng dụng cùng thời điểm với sợi carbon. Sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao. Năm 1987 Giáo sư Urs Meier làm việc tại EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Thụy Sỹ) lần đầu tiên đã đưa ra cách gia cường kết cấu bằng cách gắn kết polymer cốt sợi carbon. Năm 1991 đã tăng cường sức chịu uốn cho các kết cấu cầu Ibanh ở Thụy Sỹ bằng các tấm polymer cốt sợi carbon, cây cầu bị hỏng đã được phục hồi về trạng thái ban đầu chỉ sau 2 ngày. So với vật liệu cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểm hơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông Nam Á. 1.2. CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP 1.2.1. Cấu trúc vật liệu FRP Vật liệu FRP là loại vật liệu composite do sự kết hợp của 2 thành phần là cốt sợi và chất dẻo nền tạo nên. Vật liệu FPR có 2 thành phần: Cấu trúc nền và cấu trúc sợi. Cấu trúc vật liệu FRP được thể hiện trên hình 1.1. Sîi chÊt nÒn vËt liÖu frp Hình 1.1. Cấu trúc của vật liệu FRP 1.2.1.1. Cốt sợi Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm 5 bảo các yêu cầu sau đây: - Mô đun đàn hồi cao - Cường độ tới hạn cao - Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn - Cường độ ổn định cao trong vận chuyển - Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất. Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có 3 loại vật liệu thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh và sợi aramid. Đặc điểm của từng loại cốt sợi như sau: Sợi carbon Sợi carbon có màu than đen đặc trưng, đường kính từ (5  10)  m. Cấu trúc của sợi carbon được xem là nằm ngang đẳng hướng, tính chất chịu lực theo hướng dọc lớn hơn so với hướng ngang. Sợi carbon được sản xuất ở nhiệt độ 1200  2400 0C. 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 cường 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 được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được 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. Để phân loại các loại sợi carbon khác nhau, dựa vào mô đun đàn hồi và ứng xử nhiệt như sau: Phân loại dựa vào mô đuyn đàn hồi - Mô đun đàn hồi rất cao: loại sợi carbon có mô đun >450GPa - Mô đun đàn hồi cao: loại sợi carbon có mô đun từ 325-450 GPa - Mô đun đàn hồi trung bình: loại sợi carbon có mô đun từ 200 đến 325GPa - Mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp: loại sợi carbon có mô đun <100 GPa và cường độ chịu kéo >3 GPa. Phân loại dựa vào ứng xử với nhiệt độ - Loại I (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ cao): kết hợp với mô đun đàn hồi cao (>20000C); - Loại II (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ trung bình): kết hợp với cường độ cao (>15000C và <20000C) và; - Loại III (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ thấp): kết hợp với cường cường độ và mô đuyn đàn hồi thấp (<10000C). Hiện nay, sợi carbon ngày càng sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng do chúng có các ưu điểm như cường độ cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao. Sợi carbon là loại sợi được dùng nhiều thứ 2 sau sợi thủy tinh. Giá sợi carbon rất cao so với sợi thủy tinh. Trong những năm gần đây nhờ vào nhu cầu và cải tiến trong 6 phương pháp sản suất giá thành được giảm từ 200 USD/kg còn (10  15) USD/kg Sợi aramid Tùy thuộc vào sợi aramid, độ bền kéo theo chiều dọc từ (3400  4100)Mpa. Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm. Sợi aramid có mô đun đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ. Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% đến 20%. Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R39 và Kevlar R. Sợi aramid có thương hiệu là Kevlar được phát minh bởi công ty DuPont. Trong nhiều ứng dụng sợi thủy tinh được đan xen với sợi Kevlar hay sợi carbon để làm giảm giá thành và tăng tính đàn hồi của composite vì sợi thủy tinh có độ kéo giãn lớn hơn sợi carbon và Kevlar, một mật độ cứng vần được duy trì từ 2 loại sợi này. Ngoài ra còn có một số sợi khác như: + Sợi Bazan vô cơ được sản xuất ở Nga + Sợi cây gai dầu, Silat, sợi tre được sử dụng trong sản phẩm FRP Bảng 1.1. Các đặc trưng loại sợi carbon Mô đun Cường độ Các loại sợi đàn hồi kéo chịu kéo Nước sản xuất carbon (ksi) (ksi) AP38-500 33.000 500 Nhật AP38-600 33.000 600 Nhật AS2 33.000 400 Mỹ Panex 33 33.069 522 Mỹ/ Hungary F3C 33.069 551 Mỹ T300 33.359 512 Mỹ/Pháp/Nhật XAS 33.939 500 Mỹ Celion 33.939 515 Mỹ Celion ST 33.939 629 Mỹ Sợi thủy tinh Là hợp chất vô cơ vô định hình, chủ yếu là các oxit kim loại hoặc các loại SiO2 là hợp chất chiếm nhiều nhất trong thủy tinh, chiếm từ (50  70)% trọng lượng thủy tinh. Đường kính sợi thủy tinh riêng lẻ 17  m, khoảng cách các sợi thủy tinh (3  24)  m. Sợi thủy tinh là sợi trong suốt màu trắng, là vật liệu đẳng hướng. Giới hạn bền của sợi thủy tinh thấp hơn 60% so với cường độ cực hạn. Sợi thủy tinh cách điện, cách nhiệt tốt, giá thành rẻ. Có giá thành rẻ nhất so với 2 loại sợi carbon và sợi aramid. Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh. Sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng 7 chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C. Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, Cglass, AR-glass, Bảng 1.2. Các đặc trưng loại sợi thủy tinh Cường độ Mô đun Loại sợi Tỷ trọng Biến dạng dài chịu kéo đàn hồi 3 thủy tinh (g/cm ) (%) (ksi) (ksi) E-glass 2.6 500 10.500 4.8 S-glass 2.49 665 12.600 5.4 C-glass 2.56 480 9.993 4.8 AR-glass 2.7 470 10.602 4.4 Sợi thủy tinh là loại sợi thông minh nhất cho nhiều ứng dụng trong tất cả các loại sợi vì có sự cân bằng cần thiết giữa cơ tính, hóa tính (không bị nước hoặc dung môi tấn công), điện tính (cách điện tốt), giá thành rẻ. Composite sợi thủy tinh được dùng cho vật dụng trong nhà như chậu rửa mặt, bồn tắm cho đến những ứng dụng cao cấp như thân du thuyền, áp dụng cho các công trình nhà, công trình cầu....… Bảng 1.3. So sánh đặc trưng 3 loại sợi Loại sợi Tiêu chuẩn Cường độ chịu kéo Cường độ chịu nén Mô đun đàn hồi Ứng xử dài hạn Ứng xử mỏi Trọng lượng 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 1.2.1.2. 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 - Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn - Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường - 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 8 Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là Polyester, Vinylester, Epoxy, Polyethylen. Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi. Gần đây, gần nửa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit. Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp và ít độc. Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn. Vinylester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester. Ưu điểm của Vinylester là sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao. Tuy nhiên, Vinylester có giá thành cao. Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và vinylester. Những ưu điểm chính của Epoxy bao gồm: - Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa - Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học - Dính bám với cốt sợi rất tốt Bảng 1.4.Tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền Đặc trưng Epoxy Vinylester Polyester Tỷ trọng (Ib/in3) 0.04-0.047 0.038-0.04 0.036-0.052 Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490 Cường độ chịu kéo (ksi) 8-15 11.8-13 6-12 Cường độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17 Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490 Hệ số poisson 0.37 0.373 0.35-0.4 1.2.2. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP Hệ thống Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems là những polymer được tạo thành bằng các cốt liệu sợi có cường cao Tyfo® (sợi thủy tinh, carbon và aramid) kết hợp với keo Tyfo® epoxies tạo thành vật liệu hoàn chỉnh ứng dụng cho tất cả các ngành công nghiệp với mục đích tăng cường và bảo vệ kết cấu. Những đặc tính ưu việt của vật liệu Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems đã được kiểm chứng thông qua hàng nghìn các thí nghiệm tại các trường đại học danh tiếng trên thế giới và các công trình cụ thể trên 50 quốc gia. Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền. Hiện nay sợi carbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi. Sợi carbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại. Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém. Trong khi đó sợi carbon có 9 mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng. Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây: - Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi carbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh) - Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester) - Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP - Hướng phân bố của các sợi trong chất nền. Hình 1.2.Hướng phân bố của cốt sợi Bảng 1.5. Các đặc trưng cơ học cốt sợi Cốt sợi Aramid Thủy tinh Loại E Loại A Loại C Loại S Carbon Tiêu chuẩn Cường độ cao Mô đun cao Mô đun cực lớn Độ dãn dài (%) Tỷ trọng (g/cm3) 3400-4100 Modun đàn hồi (kN/mm2GPa) 70-125 2.4 1.44 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 Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) 10 Bảng 1.6. Các đặc trưng cơ học của chất nền Chất nền Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) Polyester Epoxy Vinylester Phenolic 65 90 82 40 Mô đun đàn hồi (kN/mm2GPa) 4,0 3,0 3,5 2,5 Độ dãn dài (%) Tỷ trọng (g/cm3) 2,5 8,0 6,0 1,8 1,2 1,2 1,12 1,24 Bảng 1.7. Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP Hệ thống FRP Tấm Tyfo SEH51 Tấm Tyfo SCH41 Tấm Hex 100G Tấm Hex 103C Tấm Carbodur S Tấm Carbodur M Tấm Carbodur H Tấm Mbrace EG 900 Tấm Mbrace AK 60 Mbrace CF 130 Mbrace CF 160 Loại sợi Trọng lượng (g/m2) Chiều dày thiết kế (mm) Cường độ chịu kéo (MPa) Mô đun đàn hồi (GPa) Thủy tinh Carbon Thủy tinh Carbon Carbon Carbon Carbon Thủy tinh Aramid Carbon Carbon 915 644 915 610 2.100 2.240 2.240 900 600 300 600 1,3 1 0,36 0,11 1,2-1,4 1,2 1,2 0,37 0,28 0,17 0,33 575 985 2.300 3.800 2.800 2.400 1.300 1.517 2.000 3.800 3.800 26,1 95,8 72 235 165 210 300 72,4 120 227 227 Bảng 1.8. Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP Vật liệu Thủy tinh/ epoxy Aramid/epoxy Carbon /epoxy Hệ số giãn nở nhiệt (10-6/0C) Theo phương dọc Theo phương ngang 6.3 19.8 -3.6 54 -0.09 27 11 Bảng 1.9. So sánh vật liệu thép và vật liệu FRP Đặc điểm Cốt thép Độ bền kéo (N/mm ²) 590 Mô đun đàn hồi (N/mm ²) 200 000 Cốt composite sợi bazan phi kim loại (RNB) và cốt composite sợi bazan phi kim loại mô đun cao (RNB HM) RNB – 1450 RNB HM – 1850 RNB – 70 000-110 000 RNB HM – 110 000-200 000 Độ giãn dài tương đối (%) 14 RNB – 1,56 RNB HM – 1,24 Hệ số dẫn nhiệt (W/m•°C) 46 0.35 Khối lượng riêng (g/cm³) 7.8 1.9 Khả năng chống ăn mòn. Khả năng dẫn điện. Từ tính. Khả năng chịu nhiệt. Môi trường sinh thái. Bị ăn mòn khi tiếp xúc Không bị ăn mòn, bền vững trong môi trực tiếp. trường bazơ, axit, nước mặn, ..v.v Dẫn điện tốt. Không dẫn điện. Có từ tính Không có từ tính. Độ bền không đổi khi Độ bền không đổi khi gia nhiệt ở 300 °C gia nhiệt ở 718 °C trong trong 5 giờ. 15 phút. Không gây ô nhiễm. Theo tiêu chuẩn của công trình. 6 8 10 Thay thế tương 12 đương về tính chất 14 vật lý và cơ học 16 (đường kính-mm). 18 20 22 25 Tuổi thọ. Thân thiện với môi trường. Theo tính toán thực nghiệm tuổi thọ có thể đạt trên 80 năm. 4 5 6 8 9 10 11 12 14 16