Báo cáo vật liệu xây dựng mới cao học

Trường đại học giao thông vận tải Môn Vật liệu xây dựng mới Hoàng Anh Dũng 1 MHV 4211012 MÔN HỌC VẬT LIỆU XẤY DỰNG MỚI GIẢNG VIÊN TS ĐẶNG THÙY CHI HỌC VIÊN HOÀNG ANH DŨNG MÃ HỌC VIÊN 4211003 LỚP KĨ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG K29 1 BÀI THI VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI Chủ đề TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG CỐT SỢI THUỶ TINH GIA CƯỜNG POLYMER THAY THẾ CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MỤC LỤC 1 Giới thiệu chung 2 2 Các chỉ tiêu kỹ thuật GFRP 3 2 1 Đặc tính cấu tạo 3 2 2 Đặc tính vật lý 4 2 3 Đặc tính cơ học 5 2 4 Các.

Trường đại học giao thơng vận tải MƠN HỌC Mơn: Vật liệu xây dựng : VẬT LIỆU XẤY DỰNG MỚI GIẢNG VIÊN : TS ĐẶNG THÙY CHI : HOÀNG ANH DŨNG HỌC VIÊN MÃ HỌC VIÊN : 4211003 : KĨ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG K29.1 LỚP BÀI THI VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI Chủ đề: TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG CỐT SỢI THUỶ TINH GIA CƯỜNG POLYMER THAY THẾ CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP MỤC LỤC Giới thiệu chung 2 Các tiêu kỹ thuật GFRP 2.1 Đặc tính cấu tạo 2.2 Đặc tính vật lý 2.3 Đặc tính học 2.4 Các dạng phá hoại 2.5 Đánh giá hiệu phương pháp gia cường thực nghiệm 2.6 Ưu điểm cốt composite “thủy tinh – polymer” cho cấu kiện bê tông so với cốt thép truyền thống Các thuận lợi sử dụng Cốt Composite Việt Nam Kết luận 10 Hoàng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng Giới thiệu chung - Thanh cốt sợi thuỷ tinh gia cường polymer (GFRP) với tính chịu kéo cao thép nhiều lần lại nhẹ không bị gỉ GFRP bền vững môi trường muối, axit chất ăn mòn khác nhắc đến Việt Nam từ năm 70 kỷ trước, ước vọng xa xôi, nghĩ dùng vài ngành kỹ thuật sang trọng hàng không vũ trụ dự án quốc phịng Ở Việt Nam biết phát triển mạnh mẽ xu phổ cập mạnh mẽ cốt sợi thuỷ tinh gia cường polimer (GFRP rebar - Glass fiber reinforced polymer rebar) diễn khắp giới Việt Nam chưa tận dụng hội đưa loại vật liệu xây dựng đại lại bình dân vào thực tiễn xây dựng Việt Nam, đặc biệt thời kỳ khủng hoảng bất động sản - Bắt đầu từ ứng dụng GFRP cho phần mặt cơng trình cầu tơ Bắc Mỹ thay cho cốt thép, nhằm hạn chế phá hoại cốt thép thành phần Clo xâm nhập vào bê tông người ta buộc phải rải muối lên mặt cầu đường để phá tan băng tuyết cho xe lưu thông năm 1980, đến ngày nhiều ứng dụng GFRP nghiên cứu phát triển - Thống kê sơ có 30 quốc gia phát triển có nhiều nghiên cứu sử dụng GFRP, riêng Mỹ có 3000 doanh nghiệp với 250.000 lao động làm việc ngành nghề liên quan đến GFRP, có nhiều Hiệp hội sản xuất ứng dụng dạng sản phẩm GFRP đời, tiếng ACMA (American composites manufacturers association - Với đời Hiệp hội sản xuất Composite Mĩ phát triển GFRP Bắc Mỹđược đẩy nhanh thêm hiệp hội chịu trách nhiệm thúc đẩy ban hành tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn thử nghiệm chất lượng sản phẩm, quy phạm thi công chuyên dùng cho GFRP, hối thúc quyền ban hành sách để mở đường cho GFRP phát triển mạnh mẽ - Ở Trung Quốc, GFRP nghiên cứu ứng dụng cho cầu cho người từ 1982, qua gần ba mươi năm nghiên cứu đến có sản lượng sử dụng GFRP hàng năm tăng nhanh chóng bảng thống kê dưới, với dự án quan trọng Hơn Trung Quốc trở thành cường quốc sản xuất Hoàng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng sợi thuỷ tinh thiết bị chế tạo, sản xuất GFRP xuất nhiều nước giới Hình Kiến trúc nhà tạo bới GFPR Các tiêu kỹ thuật GFRP 2.1 Đặc tính cấu tạo a) Chất kết dính: - Chất kết dính sử dụng để gắn kết vật liệu cốt sợi tổng hợp bề mặt bê tơng cấu kiện Chất kết dính giúp truyền tải trọng bề mặt bê tông hệ thống gia cường composite Chất kết dính sử dụng để gắn lớp vật liệu composite lại với b) Cốt sợi: - Các cốt sợi thủy tinh, aramid các-bon thường sử dụng với hệ thống gia cường vật liệu composite Các cốt sợi giúp cho hệ thống gia cường mặt cường độ độ cứng c) Lớp bảo vệ: - Lớp bảo vệ giúp giữ gìn cốt thép gia cường kết dính khỏi tổn hại tiềm mơi tác động môi trường học Lớp bảo vệ ứng dụng điển hình bề mặt ngồi hệ thống gia cường sau thực việc Hoàng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng bảo dưỡng lớp kết dính Việc bảo vệ có nhiều dạng khác Chúng bao gồm keo epoxy, hệ thống kết dính tạo nhám, lớp bảo vệ chống cháy… 2.2 Đặc tính vật lý a) Khối lượng riêng: - Vật liệu polymer cốt sợi có khối lượng riêng khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo nhỏ thép lần Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng kết cấu dễ dàng xử lý vật liệu công trường Bảng Thép 7,9 GFRP CFRP AFRP 1,2 – 2,1 1,5 – 1,6 1,2 – 1,5 b) Hệ số dãn nở nhiệt: - Các hệ số dãn nở nhiệt vật liệu composite chịu lực chiều khác theo phương dọc ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính tỷ lệ cốt sợi Bảng Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C) GFRP CFRP AFRP Theo chiều dọc, a tới 10 –1 tới –6 tới –2 Theo chiều ngang, aT 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80 Ghi chú: giá trị điển hình hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi phạm vi 0,5 tới 0,7 [1] c) Ảnh hưởng nhiệt độ cao: - Phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi vật liệu polymer bị giảm đáng kể thay đổi cấu trúc vật liệu Ở vật liệu composite FRP, cốt sợi thể đặc tính nhiệt tốt so với chất kết dính tiếp tục chịu số tải trọng theo phương dọc thớ nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt sợi Điều xảy nhiệt độ vượt 1000°C Cốt sợi thủy tinh có khả chịu nhiệt khơng 275°C Do giảm lực chuyển đổi Hoàng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng cốt sợi thơng qua liên kết tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo vật liệu composite bị giảm Các kết thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ 250°C (cao nhiều so với nhiệt độ giới hạn vật liệu kết dính) làm giảm cường độ chịu kéo vật liệu cốt sợi thủy tinh carbon tới 20% Các đặc tính khác bị tác động truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn cường độ chịu uốn, bị giảm đáng kể nhiệt độ thấp 2.3 Đặc tính học a) Cường độ chịu kéo: - Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp ứng xử dẻo trước bị phá hoại Ứng xử kéo vật liệu biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính đến bị phá hoại, trường hợp phá hoại đột ngột giòn Cường độ kéo độ cứng vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số Vì sợi vật liệu tổng hợp thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều xếp cốt sợi, lượng cốt sợi phương pháp điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo vật liệu b) Ứng xử nén: - Các hệ thống gia cường vật liệu cốt sợi tổng hợp không sử dụng cho mục đích gia cường vùng chịu nén Mơ đun đàn hội nén thường nhỏ so với mô đun đàn hồi kéo Các kết thí nghiệm loại vật liệu với tỷ lệ thể tích 55-60% cốt sợi thủy tinh liên tục nằm chất kết dính ester polyester cho thấy mơ đun đàn hồi có giá trị khoảng 34000 48000 MPa Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo vật liệu GFRP, 85% CFRP 100% AFRP 2.4 Các dạng phá hoại - Cường độ chịu uốn mặt cắt phụ thuộc vào kiểu phá hoại Các dạng phá hoại sau cần khảo sát mặt cắt cấu kiện gia cường lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp + Sự phá hoại bê tông vùng nén trước cốt thép thường bị chảy + Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau xảy phá hoại gia cường Hoàng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng + Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau có phá hoại bê tơng vùng chịu nén + Sự bóc tách lực cắt kéo lớp bê tông bảo vệ + Sự bóc tách lớp vật liệu gia cường khỏi bề mặt bê tông - Sự phá hoại nén bê tông giả định xảy biến dạng nén bê tông đạt tới giá trị biến dạng giới hạn (ec = ecu = 0,003) Sự phá hoại từ lớp gia cường giả định xảy biến dạng lớp gia cường đạt tới giá trị biến dạng tới hạn thiết kế (ef = efu) trước bê tông đạt tới biến dạng cực hạn Sự bóc tách lớp bê tông bảo vệ lớp vật liệu gia cường xảy lực lớp gia cường vượt qua khả chịu đựng liên kết bề mặt Với mặt cắt gia cường lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp, phá hủy bóc tác chủ yếu Để tránh dạng phá hủy bóc tách vết nứt xiên, biến dạng có hiệu cốt liệu gia cường cần nhỏ biến dạng mà bóc tách xảy ra, efd Theo ACI 440.2R-08 (2008) giá trị xác định sau: - Cũng theo ACI 440.2R-08 (2008), giá trị biến dạng thiết kế gia cường đề nghị lấy efd ≤ 0,7efu Để đảm bảo phá hoại xảy theo dạng này, chiều dài dính bám phải lớn giá trị tính tốn * Ứng xử cấu kiện bê tơng chịu uốn gia cường Hồng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng 2.5 Đánh giá hiệu phương pháp gia cường thực nghiệm - Để đánh giá hiệu phương pháp gia cường, phần trình bày kết thí nghiệm bê tơng cốt thép chịu uốn Các có kích thước làm việc B x L x H= 60cm x 100cm x 6cm, chế tạo bê tơng mác #200, cốt thép có cường độ chảy 340 MPa (hình 3) Bản B01 khơng gia cường, lại B02, B03 B04 gia cường cốt sợi từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa độ dãn dài cực hạn 2,0% Keo dính sử dụng có cường độ chịu kéo 72,4 MPa, mơ đun đàn hồi 3,18 GPa độ dãn dài 5,0% Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có cường độ 123,4 MPa mô đun đàn hồi 3,12 GPa Các quan hệ chuyển vị tải trọng thể hình - Ở đây, B01 với cốt thép thường thể môt miền chảy dẻo lớn có chuyển vị trạng thái tới hạn 38mm Ở trạng thái này, có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với chiều dài nhịp uốn 3,8% Tải trọng lớn mà B01 chịu khoảng 17 kN Ngược lại, B02, B03 B04 gần khơng có miền chảy dẻo bị phá hoại đột ngột bong bật lớp gia cường Các đường cong quan hệ chuyển vị tải trọng có dạng giá trị tải trọng tới hạn chuyển vị tới hạn tương đối gần Ở đây, giá trị trung bình tải trọng tới hạn xấp xỉ 50 kN, chuyển vị 11mm Như thử nghiệm này, kết cấu gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ ba lần so với kết cấu khơng gia cường (300%) Hồng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng Hình 3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng vị trí dầm 2.6 Ưu điểm cốt composite “thủy tinh – polymer” cho cấu kiện bê tông so với cốt thép truyền thống - Cường độ kéo đứt cao gấp lần cốt thép mác A-III - Cốt composite khơng bị ăn mịn, kể môi trường kiềm bê tông Cốt composite bền axit - Cốt composite làm từ vật liệu nghịch từ không dẫn diện, cho phép sử dụng cho cơng trình bệnh viện, sân bay, trạm radar cơng trình qn - Độ dẫn nhiệt thấp Độ dẫn nhiệt cốt composite thấp 100 lần so với thép - Không hấp thụ song điện từ - Cốt composite khơng đánh tính chất nhiệt độ thấp, khác với xu hướng gia tăng độ giòn cốt thép giảm nhiệt độ - Hệ số giãn nở nhiệt cốt composite bê tơng tương đương nhau, tránh nứt vỡ nhiệt độ làm việc thay đổi - Nhẹ thép khoảng lần, nhẹ khoảng lần thay lượng cốt thép tương đương cường độ, cho phép giảm đáng kể khối lượng công việc tiến hành công tác bê tơng, cốt thép Hồng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải - Môn: Vật liệu xây dựng Có thể sử dụng cốt composite với chiều dài Độ bền kéo hệ thống lớp chống thấm cải thiện lớn giúp tăng khả chống nứt lên hệ thống khơng có lưới gia cố va đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài cho hệ thống chống thấm - Chi phí vận chuyển bốc dỡ thấp Dự đốn độ bền khơng 80 năm Các thuận lợi sử dụng Cốt Composite Việt Nam * Đối với Việt Nam, việc sản xuất ứng dụng GFRP có nhiều thuận lợi nước khác vì: - Việt Nam có nguồn cát trắng chất lượng cao, khối lượng lớn phân bố rộng Miền Trung để sản xuất sợi thuỷ tinh chất lượng cao, nguồn vật liệu quan trọng chiếm tỷ lệ 70% khối lượng GFRP - Đầu tư nhà máy sản xuất GFRP từ cát trắng thành sản phẩm GFRP nhỏ so với sản xuất từ quặng ferit thép cán, phù hợp với lực kinh tế Việt Nam - Các nhà máy sản xuất GFRP khơng địi hỏi kỹ thuật cao, khơng cần diện tích lớn khơng gây ô nhiễm môi trường nhà máy luyện cán thép - Việc đưa GFRP vào thay thép cho cơng trình xây dựng ven biển, hải đảo, nơi ngập mặn, nơi đất phèn đưa GFRP vào phận ngầm lòng đất cơng trình nhà cửa, cầu cống thiết - Với tiêu chuẩn thiết kế quy trình quy phạm hỗ trợ nghiệm thu sản phẩm hướng dẫn thi công cốt sợi GFRP cho kết cấu bê tông cốt thép Hiệp hội bê tông Mỹ ACI Hiệp hội Cầu đường Canada, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, công tác thiết kế công trình sử dụng FRP khơng q khó khăn với kỹ sư xây dựng Việt Nam Cịn việc gia cơng, vận chuyển lắp dựng cốt sợi GFRP công tác thi công lại thuận lợi nhiều so với thi công thép thanh, trọng lượng nhẹ, dễ cắt… - Chi phí xây dựng cơng trình giảm đến 7-10% ứng dụng GFRP thay thép, đặc biệt chi phí tu sửa chữa cơng trình để khắc phục tượng giảm tuổi thọ ăn mòn cốt thép giảm gần khơng cịn Hiện Cơng ty NUCETECH (Cơng ty Cổ phần Đầu tưphát triển công nghệ Đại học Xây dựng ) đầu việc nghiên cứu, chế tạo phát triển cơng nghệ Hồng Anh Dũng MHV: 4211012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng vật liệu mẻ cho ngành xây dựng Việt Nam có thêm nguồn vật liệu tốt, rẻ tương lai gần Kết luận - Với ưu điểm vật liệu cường độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với vật liệu truyền thống, thuận tiện việc thi công, phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép việc dán vật liệu cốt sợi tổng hợp thể hiệu kỹ thuật cao Sự tăng cường vật liệu cường độ cao vùng chịu kéo làm tăng chiều cao chịu nén mặt cắt bê tông, kéo theo tăng sức chịu tải uốn cấu kiện Khảo sát số thực nghiệm cho thấy, việc gia cường vật liệu composite làm tăng đáng kể độ cứng cấu kiện sau gia cường Vì vật liệu gia cường có giới hạn biến dạng phá hoại cao, nên phá hoại mặt cắt chịu lực chủ yếu xảy bê tông vùng chịu nén vượt khả chịu lực Sự chuyển đổi từ dạng phá hoại dẻo cốt thép thường sang phá hoại dịn bê tơng vùng chịu nén khai thác tối đa chịu lực bê tơng, hiệu gia tăng sức chịu tải kết cấu cao (300% cho trường hợp kết cấu thí nghiệm) - Ngồi dạng phá hoại thông thường mặt cắt đứt cốt liệu chịu kéo phá hoại nén bê tơng, phương pháp gia cường có phá hoại bóc tách lớp gia cường chiều dài lớp gia cường không đủ lớn Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng mức độ gia cường, chiều dài gia cường, dính bám bê tơng lớp vật liệu gia cường với làm việc chung bê tông vùng chịu kéo cần thiết Hoàng Anh Dũng 10 MHV: 4211012 ... hạn làm chảy cốt sợi Điều xảy nhiệt độ vượt 10 00°C Cốt sợi thủy tinh có khả chịu nhiệt không 275°C Do giảm lực chuyển đổi Hoàng Anh Dũng MHV: 4 211 012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật... hạn xấp xỉ 50 kN, chuyển vị 11 mm Như thử nghiệm này, kết cấu gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ ba lần so với kết cấu khơng gia cường (300%) Hồng Anh Dũng MHV: 4 211 012 Trường đại học giao thông... cốt thép thường bị chảy + Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau xảy phá hoại gia cường Hoàng Anh Dũng MHV: 4 211 012 Trường đại học giao thông vận tải Môn: Vật liệu xây dựng + Sự chảy dẻo thép vùng