THÔNG TIN TÀI LIỆU
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI TRẦN HOÀI ANH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BỊ HƯ HỎNG DO ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 9580201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Hoàng Giang Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Trung Thành Phản biện 1: PGS.TS Trần Chủng Phản biện 2: TS Nguyễn Đại Minh Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội vào hồi ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc Gia Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việt Nam quốc gia vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm gió mùa Nước ta có đường bờ biển dài 3260 km với nhiều đảo, quần đảo chạy dọc từ Bắc vào Nam, với 29/63 tỉnh, thành phố tiếp giáp biển có nhiều thị lớn quan trọng Những điều kiện khí hậu mơi trường nước ta làm cho q trình ăn mịn cốt thép kết cấu cơng trình BTCT diễn nhanh so với dự đốn Hiện nay, bên cạnh cơng trình có tuổi thọ 30 - 40 năm có nhiều cơng trình bị ăn mịn hư hỏng nặng sau 20 - 25 năm sử dụng, chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề sau 10 - 15 năm sử dụng Thực tế đặt yêu cầu cấp thiết việc nghiên cứu ứng xử kết cấu cơng trình bị ăn mịn cốt thép tác nhân xâm thực ion clorua đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cường khả chịu lực kết cấu Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng ăn mòn gia cường CFRP” đề xuất thực luận án Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn kết cấu dầm BTCT bị ăn mịn mơi trường ion clorua; - Nghiên cứu thực nghiệm hiệu gia cường chịu uốn sợi CFRP kết cấu dầm BTCT bị ăn mịn - Mơ hình hóa ứng xử kết cấu dầm ăn mòn dầm ăn mòn gia cường sợi CFRP Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực phịng thí nghiệm mẫu thử có kích thước 150x150x150 mm mẫu dầm thí nghiệm có kích thước 150x200x2200 mm Luận án tập trung phân tích ảnh hưởng cốt thép dọc bị ăn mòn khoảng - 15% Các mẫu dầm ăn mòn gia cường chịu uốn phương pháp dán sợi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Cơ sở khoa học Trên sở phân tích nghiên cứu tổng quan ăn mịn cốt thép kết cấu cơng trình, luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ăn mòn dầm BTCT biện pháp gia cường chịu uốn dầm BTCT sợi CFRP Hơn nữa, phân tích số phi tuyến đề xuất để mô ứng xử uốn dầm BTCT bị ăn mòn gia cường sợi CFRP Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tổng quan - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án đóng góp vào hiểu biết ứng xử uốn dầm BTCT bị ăn mịn mơi trường clorua Việt Nam Những kết luận án góp phần vào việc dự báo khả chịu lực lại kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn đề xuất phương pháp gia cường kết cấu vật liệu sợi CFRP Những đóng góp luận án - Luận án cung cấp liệu thực nghiệm thu tổng cộng 27 mẫu thử 14 mẫu dầm BTCT, với mức độ ăn mịn cốt thép khác nhau, cách áp dụng mơ hình thí nghiệm gia tốc ăn mịn điều kiện môi trường thực tế Việt Nam - Kết nghiên cứu xác định hiệu gia cường chịu uốn sợi CFRP dầm BTCT bị ăn mịn Từ đó, luận án chứng minh giải pháp gia cường dầm ăn mòn sợi CFRP hiệu - Luận án xây dựng mơ hình PTHH phi tuyến cho phép mơ tả xác ứng xử uốn dầm đối chứng, dầm ăn mòn dầm gia cường, đặc biệt chế phá hoại bong tách CFRP Từ đó, mơ hình PTHH phát triển để khảo sát ảnh hưởng thông số thiết ứng xử dầm ăn mòn gia cường, cường độ chịu nén bê tông, hàm lượng cốt thép dọc, suy giảm bám dính bê tơng cốt thép, sơ đồ dán gia cường sợi CFRP Nội dung cấu trúc luận án Phần mở đầu Chương 1: Nghiên cứu tổng quan kết cấu dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn mơi trường biển Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn CFRP Chương 4: Mơ hình phi tuyến phân tích ứng xử uốn kết cấu dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn gia cường CFRP Phần kết luận: kết luận chung rút từ kết nghiên cứu luận án CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN 1.1 Tổng quan ăn mịn cốt thép kết cấu cơng trình 1.1.1 Cơ chế ăn mịn cốt thép Q trình ăn mịn cốt thép thể thông qua phá hủy kim loại phản ứng điện hóa, làm trao đổi ion electron bề mặt kim loại dung dịch hịa tan Sự hình thành pin điện hóa cục thép cực cathode cực anode với có mặt nước oxy, tạo phản ứng hòa tan vật liệu kim loại bề mặt, kết tủa oxit sắt 1.1.2 Các giai đoạn q trình ăn mịn cốt thép Trong giai đoạn mồi, tính ổn định hệ kết cấu cốt thép bảo vệ bê tông giảm dần, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển q trình ăn mịn cốt thép Trong giai đoạn phát tán, hình thành sản phẩm q trình ăn mịn cốt thép xảy dạng phản ứng điện hóa 1.1.3 Những nguyên nhân gây ăn mịn cốt thép (a) Sự cacbonat hóa bê tơng xâm nhập khí CO2 khơng khí vào mơi trường vật liệu bê tông (b) Sự xâm nhập ion clorua cơng trình mơi trường biển, kết cấu tiếp xúc trực tiếp với muối vô 1.2 Tổng quan ứng xử uốn kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 1.2.1 Trên giới Khi cốt thép bị ăn mịn, có ảnh hưởng kép đến ứng xử học kết cấu: (i) làm giảm khả chịu lực diện tích cốt thép bị giảm so với thiết kế ban đầu; (ii) làm giảm độ cứng cấu kiện giảm diện tích cốt thép giảm lực dính bê tơng cốt thép; (iii) kết cấu bị phá hoại lực tác dụng độ võng nhỏ Như hệ quả, an tồn cơng sử dụng kết cấu cơng trình bị ảnh hưởng Phân tích ứng xử kết cấu bị ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào nhiều tham số, sử dụng phương pháp phân tích truyền thống cốt thép khơng bị ăn mịn gặp nhiều hạn chế Ảnh hưởng tham số chưa đánh giá đầy đủ cần nhiều nghiên cứu thực nghiệm Do đó, mơ số cơng cụ hữu ích để đánh giá, dự báo làm việc kết cấu thực tế bị ăn mòn 1.2.2 Ở Việt Nam Về vị trí địa lý, Việt Nam nằm vùng nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm gió mùa Những điều kiện khí hậu mơi trường làm cho q trình ăn mịn cốt thép kết cấu cơng trình thực tế diễn nhanh so với dự đoán Nước ta xây dựng số tiêu chuẩn liên quan cho kết cấu bê tơng bê tơng cốt thép bị ăn mịn, TCVN 3994:1985, TCVN 9139:2012, TCVN 9343:2012, TCVN 9346:2012 TCVN 9348:2012 Cho đến nay, nghiên cứu thực nghiệm ứng xử học kết cấu dầm BTCT bị ăn mịn mơi trường xâm thực ion clorua cịn hạn chế Các nghiên cứu thực mẫu dầm có kích thước tương đối nhỏ cốt thép bị ăn mòn thấp Hơn nữa, nghiên cứu thực nghiệm sửa chữa gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn gần chưa thực 1.3 Tổng quan sửa chữa gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 1.3.1 Các phương pháp sửa chữa gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn (a) Các phương pháp sửa chữa kết cấu - Sửa chữa lớp bảo vệ - Hóa chất chống thấm - Chất ức chế ăn mòn - Sơn phủ bề mặt - Bê tông phun - Xử lý điện hóa (b) Các phương pháp gia cường kết cấu - Phương pháp bọc ngồi bê tơng/BTCT - Phương pháp bọc thép - Phương pháp dán sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer) - Phương pháp ứng lực trước căng 1.3.2 Cấu tạo vật liệu FRP Các loại sợi sử dụng phổ biến sợi bon, sợi thủy tinh sợi aramid Vật liệu FRP liên kết với nhờ vật liệu gốc polymer keo epoxy, nhựa vinylester polyester (a) Trọng lượng riêng Các loại sợi FRP có trọng lượng riêng dao động khoảng 1,7 – 2,6 g/cm3, nhỏ từ đến 4,5 lần so với vật liệu thép có trọng lượng riêng 7,85 g/cm3 (b) Tính chất học (cường độ chịu kéo, mơ đun đàn hồi) Quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu FRP có dạng tuyến tính từ bắt đầu chịu kéo phá hoại Sự phá hoại diễn đột ngột giòn Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo cao, khoảng 2400 – 4800 MPa, biến dạng dài nhỏ khoảng 1,5% (c) Khả chịu tác động điều kiện môi trường Các nghiên cứu thực cho thấy tính chất lý vật liệu FRP không bị ảnh hưởng đáng kể điều kiện môi trường (d) Khả chống cháy FRP vật liệu tổng hợp nên dễ cháy, tạo sản phẩm cháy độc hại người mơi trường Do đó, cần có biện pháp chống cháy sơn phủ bề mặt sơn chống cháy nhằm đảm bảo an tồn sử dụng 1.3.4 Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT sợi FRP 1.3.4.1 Tiêu chuẩn thiết kế gia cường - ACI 440.2R-17 - fib 14 (2001) - ISIS (2008) - TR55 (2000) - JSCE CES41 (2001) 1.3.4.2 Quy trình tính tốn gia cường kết cấu chịu uốn Thơng thường, quy trình tính tốn gia cường kết cấu BTCT FRP gồm 11 bước 1.3.4.3 Dạng phá hoại dầm BTCT gia cường sợi FRP Vùng tập trung ứng suất Vị trí đứt FRP Hướng phát triển vết nứt (a) Dạng – Đứt FRP (d) Dạng – Bong tách lớp bê tông bảo vệ Vùng bê tông nén vỡ (b) Dạng – Phá hoại uốn (e) Dạng – Bong tách đầu Vết nứt nghiêng (c) Dạng – Phá hoại cắt (f) Dạng – Bong tách Hình 1.19 Các dạng phá hoại điển hình dầm BTCT gia cường chịu uốn sợi FRP 1.3.4.4 Mơ hình dự báo cường độ bong tách gia cường - Các mơ hình ứng suất tiếp - Các mơ hình bê tơng - Các mơ hình sử dụng khả chịu cắt 1.3.4.5 Tình hình nghiên cứu nước Một thực tế Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn thi công nghiệm thu cơng tác gia cường kết cấu cơng trình vật liệu FRP Các nghiên cứu nước thực mẫu thí nghiệm khơng bị ăn mòn cốt thép Cho đến nay, nghiên cứu thực nghiệm gia cường kết cấu BTCT bị ăn mịn mơi trường xâm thực ion clorua cịn hạn chế 1.4 Kết luận Chương Chương luận án tập trung trình bày ba nội dung bao gồm: (i) Nghiên cứu tổng quan ăn mòn cốt thép kết cấu cơng trình; (ii) Nghiên cứu tổng quan ứng xử uốn kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn; (iii) Nghiên cứu tổng quan sửa chữa gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn Ở Việt Nam, nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đến làm việc kết cấu cơng trình BTCT cịn hạn chế, thiếu sở khoa học để tính tốn gia cường nhằm khơi phục khả chịu lực kết cấu Từ thực tế đó, “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng ăn mòn gia cường CFRP” đề tài có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cấp thiết nhà khoa học quan quản lý công trình nước CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN 2.1 Thiết lập mơ hình thí nghiệm gia tốc ăn mịn cốt thép 2.1.1 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm ăn mịn cốt thép phương pháp điện hóa thực kết cấu thử nhằm mục đích tạo trạng thái ăn mòn mong muốn khoảng thời gian ngắn nhiều so với thực tế, tính đơn vị giờ/ngày 2.1.2 Ngun lý thí nghiệm Ăn mịn điện hóa ăn mòn kim loại tác dụng dung dịch chất điện ly tạo nên dòng điện (a) Dung dịch chất điện ly Dung dịch chất điện ly sử dụng thí nghiệm ăn mịn điện hóa phải mô tả đặc điểm độ mặn nước biển Do đó, dung dịch tạo cách pha loãng với tỷ lệ 35 g NaCl vào lít nước (b) u cầu dịng điện tác dụng Hiệu điện cường độ dòng điện tác dụng nhỏ trạng thái ăn mịn cốt thép tạo sát với thực tế, nhiên thời gian thí nghiệm bị kéo dài 2.1.3 Mơ hình thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm minh họa Hình 2.2 áp dụng cho hai trường hợp: (i) Cấu kiện dầm thí nghiệm ngâm gần ngập hoàn toàn nước muối; (ii) Cấu kiện dầm ngâm ngập phần nước muối Trong khuôn khổ luận án này, mẫu thử mẫu dầm BTCT ngâm ngập dung dịch chất điện ly để tất mẫu thử có trạng thái bão hịa Trường hợp dầm thí nghiệm ngập nước Trường hợp dầm thí nghiệm trạng thái khơ ướt Dầm thí nghiệm Dung dịch NaCl 3.5% Thanh đồng Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép mẫu dầm 2.1.4 Quy trình thí nghiệm Thời gian thí nghiệm dự báo dựa khối lượng kim loại bị mát ăn mịn theo định luật Faraday cơng thức (2.1), với I (A) cường độ dòng điện kim loại, t (giây) thời gian điện phân, M = 56 nguyên tử khối sắt, n = số lượng electron trao đổi, F = 96500 số Faraday m I t M n F (2.1) Dựa vào khối lượng kim loại mát ăn mòn ∆m (g), mức độ ăn mòn cốt thép xác định hệ số c (%) theo cơng thức (2.2), mo (g) khối lượng trước ăn mòn, m (g) khối lượng sau ăn mòn c mo - m m (%) mo mo (2.2) 2.2 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép mẫu thử 2.2.1 Vật liệu sử dụng (a) Bê tơng Trong phịng thí nghiệm, mẫu thử chế tạo loại bê tơng có cấp độ bền nén khác nhau, B30, B40 B50 Bảng 2.1 Thành phần cấp phối vật liệu loại bê tông sử dụng Bê tông B30 B40 B50 Xi măng (kg) 477 480 480 Cát vàng (kg) 596 740 760 Đá dăm (kg) 1250 1080 965 Nước (lít) 185 160 147 Tro bay (kg) 60 85 Siêu dẻo (lít) 5 N/X 0,39 0,33 0,31 (b) Cốt thép Cốt thép sử dụng thép vằn có đường kính danh nghĩa d12 mm thuộc nhóm thép CB300-V theo TCVN 1651-2:2008 2.2.2 Mẫu thử Các mẫu thử có kích thước 150x150x150 mm chế tạo loại vật liệu mục 2.2.1 Chiều dài bám dính cốt thép bê tông 60 mm chiều dày lớp bê tơng bảo vệ 69 mm 2.2.3 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép Đối với mẫu thử bê tơng B30, tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn 312 Đối mẫu thử bê tơng B40, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu 195, 290 366 Đối với mẫu thử bê tông B50, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu 239, 334 413 2.2.4 Kết thực nghiệm mẫu thử 60 50 40 30 20 0 M2 M3 M4 M5 M6 Mẫu thí nghiệm M7 M8 M9 Bê tông B50 10 M1 Bê tông 40 Mức độ ăn mịn, c(%) Bê tơng B30 70 Mức độ ăn mòn, c(%) Mức độ ăn mòn, c(%) 80 1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 Mẫu thí nghiệm M7 M8 M9 M1 M2 M3 M4 M5 Mẫu thí nghiệm M6 M7 M8 (a) (b) (c) Hình 2.8 Mức độ ăn mịn cốt thép mẫu thử: (a) bê tông B30; (b) Bê tông B40; (c) Bê tông B50 2.2.5 Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday mẫu thử BTCT Mối quan hệ hệ số hiệu chỉnh K cường độ chịu nén bê tông biểu diễn hàm tuyến tính Hình 2.11 0.6 Hệ số hiệu chỉnh K 0.5 0.4 0.3 y = -0.0178x + 1.2033 R² = 0.9792 0.2 0.1 30 35 40 45 50 55 60 65 Cường độ chịu nén (MPa) Hình 2.11 Mối quan hệ hệ số hiệu chỉnh cường độ chịu nén bê tông 2.3 Thí nghiệm gia tốc ăn mịn cốt thép mẫu dầm BTCT 2.3.1 Vật liệu sử dụng (a) Bê tơng Các mẫu dầm thí nghiệm chế tạo bê tơng có cấp độ bền nén B30, với thành phần cấp phối Bảng 2.1 Kết thí nghiệm nén bê tơng trình bày Bảng 2.7 11 Hình 2.19 Biểu đồ tải trọng – độ võng hai dầm ăn mòn D5-C D6-C Tải trọng P(kN) Dầm ăn mịn D5-C có tải trọng phá hoại Pph=32,4 kN độ võng nhịp tương ứng fph=24,88 mm Dầm ăn mịn D6-C có tải trọng phá hoại Pph=31,9 kN độ võng nhịp tương ứng fph=26,69 mm (d) Đối với tổ mẫu IV (cm = 13,69% - 14,84%) Hình 2.20 Biểu đồ tải trọng – độ võng hai dầm ăn mòn D7-C D8-C Dầm ăn mịn D7-C có tải trọng phá hoại Pph=33,1 kN độ võng nhịp tương ứng fph=29,80 mm Dầm ăn mịn D8-C có tải trọng phá hoại Pph=31,1 kN độ võng nhịp tương ứng fph=22,83 mm 3.2.4 Phân tích ảnh hưởng ăn mịn cốt thép dọc đến ứng xử uốn dầm BTCT Hình 2.22 So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng dầm đối chứng dầm ăn mòn 12 2.5 Sơ đồ vết nứt bê tơng dầm BTCT Hình 2.37 Sơ đồ vết nứt bê tông tải trọng dầm đối chứng D1-NC Hình 2.38 Sơ đồ vết nứt bê tông tải trọng dầm đối chứng D2-NC Hình 2.39 Sơ đồ vết nứt bê tơng tải trọng dầm ăn mịn D3-C Hình 2.40 Sơ đồ vết nứt bê tông tải trọng dầm ăn mịn D4-C Hình 2.41 Sơ đồ vết nứt bê tơng tải trọng dầm ăn mịn D5-C 13 Hình 2.42 Sơ đồ vết nứt bê tông tải trọng dầm ăn mịn D6-C Hình 2.43 Sơ đồ vết nứt bê tơng tải trọng dầm ăn mịn D7-C Hình 2.44 Sơ đồ vết nứt bê tơng tải trọng dầm ăn mòn D8-C 2.6 Kết luận Chương - Khi mức độ ăn mòn cốt thép dọc khoảng – 6%, ảnh hưởng đến khả chịu uốn độ võng thời điểm phá hoại dầm - Khi mức độ ăn mịn cốt thép dọc khoảng – 10%, khả chịu lực dầm giảm khoảng 12,8%, tương ứng với khả chịu lực lại khoảng 87,2% so với dầm đối chứng - Khi mức độ ăn mịn cốt thép dọc khoảng 13 – 15%, khả chịu lực dầm giảm đến 19,2% so với dầm đối chứng, có nguy dẫn đến phá hoại giòn cốt thép bị đứt tượng ăn mòn điểm - Ở cấp tải trọng nhỏ độ võng nhịp dầm tăng tăng mức độ ăn mòn cốt thép dọc Tuy nhiên, với mức độ ăn mòn khoảng – 15% ảnh hưởng đến độ võng dầm thời điểm phá hoại, giá trị độ võng có xu hướng phân tán dầm có mức độ ăn mòn cao 14 CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN BẰNG TẤM CFRP 3.1 Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mòn 3.1.1 Vật liệu sử dụng (a) Bê tông Vật liệu bê tông sử dụng thiết kế có cấp độ bền nén B30 Thí nghiệm nén bê tơng cho kết cường độ nén trung bình 40,9 MPa, độ lệch chuẩn 2,4 MPa hệ số biến động 1,6% (b) Cốt thép Để chế tạo dầm thí nghiệm, cốt thép sử dụng có nguồn gốc lô sản xuất với loại cốt thép sử dụng để chế tạo dầm ăn mòn Chương (c) Vật liệu gia cường Trong nghiên cứu này, sợi CFRP dệt phương, mã sản phẩm UT70-20G hãng Toray, Nhật Bản sử dụng để gia cường chịu uốn cho kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn Bảng 3.1 Các tính chất học sợi CFRP Cường độ chịu kéo (MPa) 3400 Mô đun đàn hồi (GPa) 245 Trọng lượng sợi (g/cm2) Tỷ trọng (g/cm3) 200 1,8 Chiều dày sợi (mm) 0,111 3.1.2 Mẫu dầm gia cường Tổ mẫu V: gồm hai dầm D9-CFRP D10-CFRP, dán CFRP có bề rộng b = 150 mm chiều dài L = 2000 mm Tổ mẫu VI: gồm hai dầm D11-CFRP D12-CFRP, dán CFRP có bề rộng b = 150 mm chiều dài L = 1400 mm Tổ mẫu VII: gồm hai dầm D13-CFRP D14-CFRP, dán CFRP có bề rộng b = 150 mm chiều dài L = 1000 mm 3.1.3 Quy trình gia cường chịu uốn dầm ăn mịn sợi CFRP Bước 1: Chuẩn bị bề mặt dầm cho công tác sửa chữa vết nứt Bước 2: Tạo lỗ khoan lắp đặt xy lanh Bước 3: Bịt kín tồn vết nứt bề mặt chất kết dính Bước 4: Bơm keo hai thành phần để điền đầy vết nứt bên Bước 5: Dán gia cường sợi CFRP 3.2 Thực nghiệm ứng xử uốn dầm ăn mòn gia cường 3.2.1 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm thực mẫu dầm nhằm mục đích xác định ứng xử học dầm ăn mòn sau gia 15 cường sợi CFRP Từ đó, hiệu gia cường chịu uốn dầm ăn mòn vật liệu sợi CFRP xác định 3.2.2 Sơ đồ thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm thực theo sơ đồ tương tự dầm đối chứng dầm ăn mòn Chương 3.2.3 Quan hệ tải trọng độ võng (a) Đối với tổ mẫu V: hai dầm gia cường D9-CFRP D10-CFRP Dầm gia cường D9-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=59,9 kN, độ võng nhịp tương ứng fph=24,23 mm, độ võng cực hạn fu=33,73 mm Dầm D10-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=59,1 kN, độ võng nhịp tương ứng fph=23,19 mm, độ võng cực hạn fu=37,79 mm 60 Tải trọng P (kN) 50 40 30 D9-CFRP D10-CFRP 20 10 0 10 20 Độ võng f (mm) 30 40 Hình 3.16 Biểu đồ tải trọng – độ võng dầm D9-CFRP D10-CFRP (b) Đối với tổ mẫu VI: hai dầm gia cường D11-CFRP D12-CFRP Dầm gia cường D11-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=47,3 kN, độ võng nhịp phá hoại fph=15,82 mm, độ võng cực hạn fu=22,46 mm Dầm gia cường D12-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=45,2 kN, độ võng nhịp phá hoại fph=9,59 mm, độ võng cực hạn fu=22,57 mm 60 Tải trọng P (kN) 50 40 30 D11-CFRP 20 D12-CFRP 10 0 10 15 Độ võng f (mm) 20 25 Hình 3.17 Biểu đồ tải trọng – độ võng dầm D11-CFRP D12-CFRP (c) Đối với tổ mẫu VII: hai dầm gia cường D13-CFRP D14-CFRP Dầm gia cường D13-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=41,5 kN, độ võng nhịp phá hoại fph=8,14 mm, độ võng cực hạn fu=16,34 mm 16 Dầm gia cường D14-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=39,3 kN, độ võng nhịp phá hoại fph=6,79 mm, độ võng cực hạn fu=15,50 mm 50 Tải trọng P (kN) 40 30 D13-CFRP 20 D14-CFRP 10 0 10 Độ võng f (mm) 15 20 Hình 3.18 Biểu đồ tải trọng – độ võng dầm D13-CFRP D14-CFRP 3.3 Phân tích kết thực nghiệm 3.3.1 Khả chịu lực dầm ăn mòn gia cường 60 Tải trọng P (kN) 50 40 30 20 10 D9-CFRP D10-CFRP D11-CFRP D12-CFRP D13-CFRP D14-CFRP 0 10 20 Độ võng f (mm) 30 40 Hình 3.19 So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng mẫu dầm ăn mòn gia cường 3.3.2 Độ võng dầm Khi giảm chiều dài CFRP từ 2000 xuống 1000 mm, độ võng phá hoại giảm từ 23,7 xuống 7,5 mm, tương đương giảm 68,4% Trong đó, độ võng cực hạn thời điểm cuối giảm từ 35,8 xuống 15,9 mm, tương đương giảm 55,6% 37.8 40 35 33.7 Độ võng (mm) 30 25 20 15 10 24.2 23.2 22.6 22.5 16.3 15.8 9.6 8.1 15.5 6.8 D9-CFRP D10-CFRP D11-CFRP D12-CFRP D13-CFRP D14-CFRP Dầm TN Hình 3.20 So sánh độ võng phá hoại độ võng cực hạn dầm ăn mòn gia cường 17 3.4 Kết luận Chương - Phương pháp gia cường sợi CFRP áp dụng để cải thiện khả chịu lực dầm ăn mòn khoảng – 10%, khả chịu lực lại lớn 75% so với dầm đối chứng lớp bê tông bảo vệ chưa bị bong tách số lượng vết nứt ăn mòn xuất nhiều bề mặt dầm - Bằng cách dán CFRP đáy dầm, khả chịu lực dầm gia cường tăng từ 1,10 đến 1,62 lần so với dầm đối chứng, tăng từ 1,26 đến 1,85 lần so với dầm ăn mòn Đối với dầm ăn mòn, nghiên cứu kiến nghị dán CFRP toàn nhịp dầm để đạt hiệu tối đa gia cường chịu uốn - Cơ chế hư hỏng dầm gia cường với chiều dài CFRP tương đương nhịp dầm bong tách xảy vết nứt xuất phá hoại uốn, đặc trưng vùng bê tông chịu nén bị vỡ Trong đó, giảm chiều dài CFRP, chế hư hỏng chuyển từ dạng phá hoại uốn sang dạng phá hoại uốn - cắt, đặc trưng bong tách lớp bê tông bảo vệ đáy dầm, vết nứt nghiêng, đồng thời vùng bê tông chịu nén bị vỡ - Độ cứng ban đầu dầm gia cường tương đương với dầm đối chứng Tuy nhiên, độ võng phá hoại độ võng cực hạn dầm giảm đáng kể (55,6 – 68,4%) giảm chiều dài sợi CFRP từ xuống 0,5 chiều dài nhịp dầm CHƯƠNG – MƠ HÌNH PHI TUYẾN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP 4.1 Mở đầu Dựa kết thực nghiệm quan hệ tải trọng – chuyển vị, sơ đồ vết nứt chế phá hoại, số liệu thực nghiệm sử dụng để kiểm chứng mơ hình số phát triển chuỗi mơ hình số Sau đó, nghiên cứu tham số thực để khảo sát ảnh hưởng tham số thiết ứng xử uốn kết cấu dầm ăn mòn gia cường sợi CFRP 4.2 Tóm tắt chương trình thực nghiệm 4.2.1 Vật liệu dầm thí nghiệm Sáu mẫu dầm thí nghiệm lựa chọn để mở rộng nghiên cứu ứng xử dầm ăn mòn gia cường phương pháp PTHH Tổ mẫu I gồm hai dầm đối chứng D1-NC D2-NC Tổ mẫu V gồm hai dầm ăn mòn D5-C D6-C Tổ mẫu V gồm hai dầm ăn mòn gia cường D9CFRP D10-CFRP 18 4.2.2 Kết thực nghiệm Những kết thực nghiệm sáu mẫu dầm thí nghiệm tổng hợp Hình 4.2 Hình 4.2 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu từ thí nghiệm uốn 4.3 Mơ hình phần tử hữu hạn phi tuyến 4.3.1 Định nghĩa phần tử Hình 4.3 Mơ hình chia lưới dầm ăn mịn gia cường CFRP 4.3.2 Mơ hình vật liệu 4.3.2.1 Mơ hình bê tông (a) Bê tông thông thường (b) Bê tông xuống cấp ăn mịn Hình 4.6 Mơ hình vật liệu bê tơng 4.3.2.2 Mơ hình bám dính bê tơng cốt thép Hình 4.7 Mơ hình liên kết bám dính bê tơng cốt thép 19 4.3.2.3 Mơ hình gối tựa điểm gia tải Trong mơ hình ba chiều, vật liệu thép có đặc tính vật liệu đàn hồi đẳng hướng sử dụng, với mô đun đàn hồi 210 GPa hệ số Poisson 0,3 4.3.2.4 Mơ hình bám dính bê tơng CFRP (a) Ứng suất – biến dạng (b) Bám dính CFRP bê tơng Hình 4.8 Mơ hình vật liệu CFRP 4.3.2.5 Mơ hình cốt thép (a) Cốt thép khơng ăn mịn (b) Cốt thép bị ăn mịn Hình 4.9 Mơ hình vật liệu cốt thép 4.3.3 Kiểm chứng mơ hình PTHH 4.3.3.1 Phân tích lưới phần tử Mơ hình có kích thước lưới 20 mm cho thấy thời gian tính tốn chấp nhận với độ xác cao chọn để kiểm chứng mơ hình nghiên cứu tham số 4.3.3.2 Kiểm chứng mơ hình dầm đối chứng dầm ăn mịn (a) (b) Hình 4.12 So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu từ thí nghiệm mơ hình: (a) Dầm đối chứng; (b) Dầm ăn mòn 20 Khả chịu lực hai tổ mẫu thu thông qua mơ hình PTHH khác biệt hai cách tiếp cận không đáng kể, chênh lệch lớn khoảng 12% (a) (b) Hình 4.13 Ứng suất cốt thép thời điểm dầm bị phá hoại: (a) FEMD1-NC (b) FEM-D5-C (a) (b) Hình 4.14 So sánh sơ đồ vết nứt tải trọng thu từ thí nghiệm mơ hình: (a) Dầm D1-NC; (b) Dầm D5-C 4.3.3.3 Kiểm chứng mơ hình dầm ăn mịn gia cường Hình 4.15 biểu đồ tải trọng - chuyển vị dầm mơ hình gần tương tự dầm thí nghiệm Cơ chế phá hoại dầm D9-CFRP D10-CFRP chia thành ba giai đoạn so sánh với dầm mơ hình, minh họa Hình 4.16 Hình 4.15 So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị dầm ăn mòn gia cường thu từ thí nghiệm mơ hình 21 Hình 4.16 Sơ đồ vết nứt dầm ăn mòn gia cường CFRP thu từ mơ hình giai đoạn phá hoại 4.4.1 Cường độ nén bê tông, hàm lượng cốt thép cường độ bám dính Hình 4.19 Hình 4.20 thể kết thu từ nghiên cứu tham số mơ hình PTHH (a) (b) Hình 4.19 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị dầm thay đổi (a) Cấp độ bền nén bê tông; (b) Hàm lượng cốt thép dọc Hình 4.20 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị dầm ăn mòn gia cường thay đổi lực bám dính 4.4.2 Sơ đồ dán gia cường 22 Những kết khảo sát sơ đồ dán gia cường thể Hình 4.22 – 4.24 (a) (b) Hình 4.22 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị dầm thay đổi (a) Sơ đồ dán CFRP; (b) Chiều dài CFRP (a) (b) Hình 4.23 Sơ đồ dán CFRP vết nứt thời điểm dầm bị phá hoại: (a) Gia cường mặt bên; (b) Gia cường với hệ neo hình chữ U (a) (b) Hình 4.24 Sơ đồ vết nứt phân bố ứng suất cắt CFRP thời điểm phá hoại: (a) L = 1400 mm; (b) L = 1000 mm 4.5 Kết luận Chương - Đối với thiết kế dầm, ứng xử uốn dầm ăn mòn gia cường chịu ảnh hưởng mạnh cường độ chịu nén bê tông 23 - - - - hàm lượng cốt thép dọc, dầm bị phá hoại bê tông vùng nén bị vỡ Các dầm ăn mịn gia cường dẻo sử dụng bê tông cường độ lớn hơn, so với tăng hàm lượng cốt thép dọc Mặt khác, tải trọng dư sau xảy bong tách CFRP lớn tăng hàm lượng cốt thép Khi giảm 50% cường độ bám dính bê tơng cốt thép ăn mịn dầm ăn mịn gia cường làm việc tương tự dầm có cường độ bám dính bị suy giảm 13,5% Tuy nhiên, cường độ bám dính bị suy giảm nghiêm trọng (90%), dầm trở nên giịn phá hoại xảy phát triển vết nứt uốn Đối với dầm ăn mòn, gia cường chịu uốn có hiệu chiều dài CFRP đủ lớn Nếu sợi CFRP có chiều dài khoảng 50 – 70% chiều dài nhịp dầm phá hoại xảy cách đột ngột phát triển mở rộng mức vết nứt nghiêng, thường thấy phá hoại cắt Các neo CFRP hình chữ U góp phần đáng kể việc hạn chế tượng bong tách lan rộng cuối tấm, cho phép tăng gần 14% khả chịu lực dầm ăn mòn gia cường Hơn nữa, kỹ thuật dán sợi CFRP mặt bên dầm, phát triển vết nứt đứng vùng bê tông chịu kéo hạn chế, dầm trì dạng phá hoại uốn cốt thép bị chảy dẻo bê tông vùng nén bị vỡ KẾT LUẬN KẾT LUẬN Luận án cung cấp số liệu thực nghiệm thu tổng cộng 27 mẫu thử 14 mẫu dầm BTCT, với mức độ ăn mòn khác nhau, cách áp dụng mơ hình thí nghiệm gia tốc ăn mịn điều kiện mơi trường thực tế Việt Nam Khả chịu lực dầm có cốt thép dọc bị ăn mịn khoảng – 6% không thay đổi đáng kể so với dầm đối chứng Khi mức độ ăn mòn cốt thép dọc dao động từ – 10%, khả chịu lực dầm ăn mòn giảm khoảng 12,8%, tương đương 87,2% dầm đối chứng Trong đó, dầm có mức độ ăn mịn lớn 13-15% khả chịu lực giảm đến 19,2%, tương đương 80,8% dầm đối chứng, có nguy bị phá hoại đột ngột ảnh hưởng tượng ăn mòn điểm Phương pháp gia cường chịu uốn sợi CFRP thực dầm bị ăn mòn cốt thép dọc từ – 10% Sau gia 24 cường, khả chịu lực dầm gia cường tăng từ 1,10 đến 1,62 lần so với dầm đối chứng, tăng từ 1,26 đến 1,85 lần so với dầm ăn mòn Nghiên cứu kiến nghị dán sợi CFRP toàn nhịp dầm để đạt hiệu gia cường tối đa hạn chế thay đổi dạng phá hoại Cơ chế phá hoại điển hình dầm ăn mịn gia cường bong tách vết nứt gây Trong dầm ăn mịn, lực bám dính bê tơng cốt thép bị suy giảm, đồng thời vết nứt ăn mòn xuất dọc theo chiều dài thép Khi vết nứt uốn tải trọng gặp vết nứt ăn mòn nhịp cắt dầm, ứng suất kéo bê tơng bị nứt truyền sang sợi CFRP, dẫn đến bắt đầu trình bong tách Dạng phá hoại dầm thay đổi tùy theo kỹ thuật dán chiều dài sợi CFRP Mơ hình PTHH phi tuyến xây dựng phần mềm DIANA FEA cho phép mô tả xác ứng xử uốn dầm thí nghiệm, đặc biệt chế phá hoại bong tách dầm ăn mịn gia cường Từ đó, khảo sát tham số xác định ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông, hàm lượng cốt thép dọc, suy giảm bám dính bê tơng cốt thép ăn mòn, sơ đồ dán gia cường đến ứng xử học dầm ăn mòn dầm gia cường KIẾN NGHỊ Mở rộng nghiên cứu dầm BTCT có kích thước lớn có mức độ ăn mòn cốt thép cao Đồng thời, khảo sát ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đai đến ứng xử dầm ăn mòn Mở rộng nghiên cứu gia cường đồng thời khả chịu uốn chịu cắt dầm BTCT bị ăn mòn DANH SÁCH CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN [1] Tran Hoai Anh, Nguyen Thanh Quang, Nguyen Ngoc Tan, Nguyen Hoang Giang, Tran Anh Dung (2018), “An experimental study to identify the influence of steel corrosion on concrete – steel bond”, Proceedings of 7th International Conference on Protection of Structures against Hazards, Hanoi, Vietnam, 511-518 ISBN: 978-981-11-7777-4 [2] Trần Hoài Anh, Nguyễn Ngọc Tân, Nguyễn Hoàng Giang (2019), “Nghiên cứu thực nghiệm khả chịu lực dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn mơi trường xâm thực clorua”, Tạp chí Xây dựng Việt Nam, 09 2019, 81-86 ISSN: 2734-9888 [3] Trần Hoài Anh, Nguyễn Ngọc Tân, Nguyễn Hoàng Giang (2019), “Một số đặc điểm vết nứt dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn mơi trường xâm thực clorua”, Tạp chí Xây dựng Việt Nam, 10 2019, 101-107 ISSN: 2734-9888 [4] Trần Hoài Anh, Nguyễn Ngọc Tân, Nguyễn Hoàng Giang (2021), “Nghiên cứu thực nghiệm hiệu gia cường kháng uốn dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn sợi composite CFRP”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 15 (1V), 1-16 ISSN: 1859-2996 https://doi.org/10.31814/stce.nuce202115(1V)-01 [5] Tran Hoai Anh, Nguyen Ngoc Tan, Nguyen Trung Kien, Nguyen Hoang Giang (2021), “Finite element analysis of the flexural behavior of corroded RC beams strengthened by CFRP sheets”, International Journal of GEOMATE, 21 (88), 42-47 ISSN: 21862982 https://doi.org/10.21660/2021.88.gxi255 [6] Nguyen Trung Kien, Tran Hoai Anh, Nguyen Ngoc Tan, Nguyen Hoang Giang, Phuong Tran (2022), “Nonlinear finite element analysis of corroded RC beams strengthened by CFRP sheets”, Composite Structures (under review) ISSN: 0263-8223 ... nhằm gia cường khả chịu lực kết cấu Vì vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng ăn mòn gia cường CFRP? ?? đề xuất thực luận án Mục đích nghiên cứu - Nghiên. .. bê tông cốt thép bị ăn mịn mơi trường biển Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn kết cấu dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê. .. 14 CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN BẰNG TẤM CFRP 3.1 Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mịn 3.1.1 Vật liệu sử dụng (a) Bê tơng
Ngày đăng: 31/01/2023, 16:21
Xem thêm: