Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 9 (12/2021), 1010 1022 1010 Transport and Communications Science Journal EXPERIMENTAL STUDY TO ESTIMATE COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE CONFINED BY CFR[.]
Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1010-1022 Transport and Communications Science Journal EXPERIMENTAL STUDY TO ESTIMATE COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE CONFINED BY CFRP SHEET Dao Sy Dan*, Pham Hoang Kien, Pham Van Phe University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 23/08/2021 Revised: 21/10/2021 Accepted: 26/10/2021 Published online: 15/12/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.9.1 * Corresponding author Email: sydandao@utc.edu.vn Abstract The CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) sheet is a new material with many outstanding advantages and it is especially suitable for strengthening reinforced concrete structures That material was firstly applied in developed countries in 1980s, but it is relatively new in Vietnam In this study, an experimental study was performed to estimate compressive strength of the concrete cylinder confined by CFRP sheet of Toray firm, Japan, with various levels of CFRP sheets Results show that the strengthening effect of CFRP sheet in this study is generally suitable to the models proposed by previous researchers The strengthening effect of CFRP sheet much depends on the construction quality of CFRP sheet; it requires that the builder must have experience and strictly follows the instruction of CFRP distributor From the test results, this study recommends to apply suitable models to estimate compressive strength of concrete confined by CFRP sheet of Toray firm (Japan) and other products as well Keywords: CFRP, compressive strength, confined concrete © 2021 University of Transport and Communications 1010 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1010-1022 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG ĐƯỢC KIỀM CHẾ NỞ NGANG BẰNG TẤM CFRP Đào Sỹ Đán*, Phạm Hoàng Kiên, Phạm Văn Phê Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 23/08/2021 Ngày nhận sửa: 21/10/2021 Ngày chấp nhận đăng: 26/10/2021 Ngày xuất Online: 15/12/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.9.1 * Tác giả liên hệ Email: sydandao@utc.edu.vn Tóm tắt Tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) loại vật liệu có nhiều nhiều ưu điểm trội đặc biệt thích hợp cho việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép Loại vật liệu bắt đầu ứng dụng nước phát triển vào khoảng năm 1980, tương đối Việt Nam Trong nghiên cứu này, nghiên cứu thực nghiệm thực để đánh giá cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ trịn kiềm chế nở ngang CFRP, hãng Toray, Nhật Bản, mức độ gia cường khác Kết cho thấy, hiệu gia cường CFRP nghiên cứu phù hợp với mơ hình đề xuất nghiên cứu trước giới Hiệu gia cường CFRP phụ thuộc lớn vào chất lượng thi công CFRP; địi hỏi người thi cơng phải có kinh nghiệm tuân thủ hướng dẫn nhà phân phối vật liệu CFRP Từ kết thí nghiệm, nghiên cứu đề xuất sử dụng mơ hình phù hợp để đánh giá cường độ chịu nén bê tông kiềm chế nở ngang CFRP hãng Toray, Nhật Bản, hãng khác Từ khóa: CFRP, cường độ chịu nén, bê tơng kiềm chế nở ngang © 2021 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) loại vật liệu mới, chưa sử dụng phổ biến xây dựng cơng trình Việt Nam Vật liệu bắt đầu ứng dụng xây dựng vào khoảng năm 1980, nước phát triển, Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, Đức Canada Ở Việt Nam, vật liệu bắt đầu ứng dụng xây dựng vào khoảng năm 1011 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1010-1022 2010 Một số nhà sản xuất vật liệu CFRP lớn cung cấp cho thị trường Việt Nam đến hãng Toray, Tyfo, Maedakosen, Mitsubishi, QuakeWrap, Horse Vật liệu CFRP có nhiều ưu điểm trội đặc biệt thích hợp cho việc gia cường kết cấu bê tơng cốt thép Các ưu điểm vật liệu CFRP kể đến cường độ cao (bằng từ 10 đến 20 lần so với cốt thép thường) nên hiệu gia cường lớn; dễ dàng thi công thời gian thi công nhanh nên khơng tốn thời gian chờ đợi; kích thước nhỏ gọn nên khơng làm thay đổi hình dạng kiến trúc ban đầu cơng trình gia cường Vật liệu CFRP dùng để gia cường cho cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn (dầm, sàn,…), chịu cắt (dầm, vai kê, công xôn,…) chịu nén (cột, trụ, tháp,…) Theo lý thuyết bị kiềm chế nở ngang, khả chịu nén bê tông tăng lên theo mức độ tăng kiềm chế nở ngang vật liệu gia cường Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo cao, lại dễ dàng thi cơng nên thích hợp để gia cường cho kết cấu bê tơng cốt thép, có việc gia cường cho cấu kiện chịu nén nhằm hạn chế nở ngang của bê tông cấu kiện chịu nén Đã có nhiều nghiên cứu ngồi nước vật liệu CFRP, nhằm ứng dụng vật liệu việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép [1-9] Các nghiên cứu đánh giá cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ trịn hạn chế nở ngang CFRP thực nhiều giới, với nhiều chủng loại CFRP hãng khác [10-16] Tuy nhiên, nghiên cứu tương tự, đặc biệt nghiên cứu sử dụng vật liệu CFRP hãng Toray, Nhật Bản (một hãng sản xuất vật liệu CFRP lớn sử dụng nhiều Việt Nam) chưa thực Việt Nam Hiện nay, vật liệu CFRP chưa sản xuất nước mà phải nhập từ nước phát triển Để chủ động việc ứng dụng vật liệu xây dựng, báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ trịn hạn chế nở ngang CFRP hãng Toray, Nhật Bản Nghiên cứu cho thấy, hiệu gia cường CFRP nghiên cứu phù hợp với mơ hình đề xuất nghiên cứu trước giới Từ kết đó, nghiên cứu đề xuất sử dụng mơ hình phù hợp để đánh giá cường độ chịu nén bê tông kiềm chế nở ngang CFRP hãng Toray, Nhật Bản, hãng khác Bài báo hy vọng tài liệu hữu ích cho kỹ sư thiết kế, nhà nghiên cứu việc ứng dụng vật liệu CFRP việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu sử dụng Vật liệu sử dụng cho thí nghiệm bao gồm vật liệu để chế tạo mẫu bê tơng hình trụ tròn vật liệu để chế tạo CFRP Vật liệu để chế tạo tạo mẫu bê tơng hình trụ trịn, kích thước (𝑑𝑥ℎ) = (150𝑥300)𝑚𝑚, có cường độ chịu nén khoảng từ 30MPa đến 50MPa vật liệu thông thường tiết Vật liệu để chế tạo CFRP bao gồm vải sợi carbon cường độ cao keo epoxy kèm Hiện nay, Việt Nam chưa sản xuất vật liệu CFRP, mà phải nhập từ nước phát triển Có nhiều hãng phân phối sản phẩm CFRP, Toray, Tyfo, Maedakosen, Mitsubishi, QuakeWrap, Horse Theo tài liệu công bố hãng vải sợi carbon cường độ cao thường có 04 loại có chiều dày khác sau: 0,111mm (200𝑔/𝑚2 ); 0,167mm (300𝑔/𝑚2 ); 0,222mm (400𝑔/𝑚2 ); 0,333mm (600𝑔/𝑚2 ) Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng vật liệu hãng Toray (Nhật Bản), tài trợ Công ty Cổ phần công nghệ tiên tiến Nhật – Việt (JVTek, đơn vị chuyên nhập phân phối sản phẩm công nghệ 1012 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1010-1022 Nhật Bản) Đặc điểm kỹ thuật vải sợi carbon cường độ cao keo epoxy kèm, theo công bố hãng Toray, trình bày bảng 1&2 Bảng Đặc điểm kỹ thuật vải sợi carbon cường độ cao, hãng Toray (Nhật Bản) Mã số sản phẩm Cường độ chịu kéo tối thiểu (MPa) Mô đun đàn hồi kéo (GPa) Độ dày (mm) Trọng lượng (g/m2) Tỷ trọng (g/m3) Độ dãn dài kéo cực hạn (%) UT70-20G ≥ 3400 230 0,111 200 1,8 ≤ 2,0 UT70-30G ≥ 3400 230 0,167 300 1,8 ≤ 2,0 UT70-40G ≥ 3400 230 0,222 400 1,8 ≤ 2,0 UT70-60G ≥ 3400 230 0,333 600 1,8 ≤ 2,0 Bảng Đặc điểm kỹ thuật keo epoxy kèm, hãng Toray (Nhật Bản) Đặc tính Phương pháp thí nghiệm Mục đích sử dụng Mã sản phẩm Primer AUP40S AUR80S Keo lót Keo tẩm ≥ 2,0 ≥ 2,0 - ≥ 40 - ≥ 30 JIS K5600 Cường độ bám dính (N/mm2) JIS A6909 JSCEE545 Cường độ chịu uốn (N/mm2) Cường độ chịu kéo (N/mm2) JIS K7171 JIS K7161 JIS K7113 Cường độ chịu cắt (N/mm2) JIS K6850 - ≥ 10 Tỷ trọng JIS K7112 1,20 ± 0,1 1,17 ± 0,1 Độ nhớt hỗn hợp (MPa.s) JIS K7117 1200 ± 600 ≤ 10000 Màu vàng Màu xanh Màu hỗn hợp 2.2 Dụng cụ thiết bị sử dụng Dụng cụ thiết bị sử dụng cho thí nghiệm bao gồm: 1) Cân điện tử để cân lượng keo sử dụng; 2) Thau nhựa que để pha trộn keo; 3) Kéo để cắt vải sợi carbon cường độ cao; 4) Máy mài bê tông cầm tay; 5) Con lăn dùng để tẩm keo cho đều; 6) Máy nén xác định cường độ chịu nén mẫu bê tông Chúng ta thấy, các dụng cụ thiết bị nêu thơng thường, riêng có máy nén mẫu bê tông thiết bị chuyên dụng Trong nghiên cứu này, máy nén xác định cường độ chịu nén mẫu bê tông máy ADR-2000 (kN) máy SANS-3000 (kN), Phịng thí nghiệm cơng trình, Trường Đại học Giao thông vận tải (Vilas 047) Nghiên cứu phải sử dụng đến hai máy nén mẫu lực nén phá hoại mẫu bê tông hạn chế nở ngang CFRP thí nghiệm có trường hợp vượt 2000 kN 1013 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1010-1022 2.3 Số lượng mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, tổng cộng 18 mẫu bê tơng hình trụ trịn, kích thước (𝑑𝑥ℎ) = (150𝑥300)𝑚𝑚, chế tạo từ hỗn hợp bê tông bảo dưỡng đến cường độ thiết kế điều kiện giống Sau đó, mẫu bê tơng gia cường kiềm chế nở ngang CFRP chia thành bốn nhóm sau: Nhóm 01: 03 mẫu không gia cường để xác định cường độ chịu nén bê tông không kiềm chế nở ngang; Nhóm 02: 05 mẫu gia cường kiềm chế nở ngang CFRP, loại 20G (dày 0,111mm) hãng Toray, Nhật Bản Trong có 02 mẫu gia cường lớp; 02 mẫu gia cường lớp 01 mẫu gia cường lớp; Nhóm 03: 05 mẫu gia cường kiềm chế nở ngang CFRP, loại 30G (dày 0,167mm) hãng Toray, Nhật Bản Trong có 02 mẫu gia cường lớp; 02 mẫu gia cường lớp 01 mẫu gia cường lớp; Nhóm 04: 05 mẫu gia cường kiềm chế nở ngang CFRP, loại 60G (dày 0,333mm) hãng Toray, Nhật Bản Trong có 02 mẫu gia cường lớp; 02 mẫu gia cường lớp 01 mẫu gia cường lớp; 2.4 Trình tự trình chế tạo mẫu thí nghiệm Tham khảo tài liệu “Giới thiệu công nghệ CFRP hãng Toray, Nhật Bản” Công ty Cổ phần công nghệ tiên tiến Nhật-Việt [10] cách thi công CFRP, nghiên cứu thực chế tạo mẫu thí nghiệm theo bước sau: Bước 1: Chế tạo 18 mẫu bê tơng hình trụ trịn, kích thước (𝑑𝑥ℎ) = (150𝑥300)𝑚𝑚 từ hỗn hợp bê tông bảo dưỡng chúng đến cường độ thiết kế điều kiện nhau; Bước 2: Dùng máy mài cầm tay để mài bề mặt mẫu bê tông theo hướng dẫn [17]; Bước 3: Chuẩn bị sẵn sàng vật liệu dụng cụ để thi công lớp CFRP gia cường cho mẫu bê tông trên; cắt sợi theo thiết kế, cân đong pha trộn keo epoxy theo hướng dẫn [10] Chú ý, thời gian bắt đầu đông cứng keo epoxy sau pha trộn khoảng 180 phút (ở nhiệt độ 25𝑜 𝐶), việc thi cơng phải thực vịng 180 phút từ lúc pha trộn keo epoxy Ngoài ra, để đảm bảo cho CFRP phát huy hết khả chịu lực chúng việc cắt vải sợi carbon cường độ cao phải đảm bảo cho mối nối chồng CFRP gia cường mẫu phải lớn chiều dài mối nối chồng yêu cầu chúng Đây mối nối chồng theo chiều ngang (theo chu vi) mẫu Theo khuyến cáo nhà sản suất [17] chiều dài mối nối chồng yêu cầu CFRP 150mm Để thiên an toàn, chiều dài mối nối chồng CFRP nghiên cứu lấy 200mm; Bước 4: Dùng lăn tẩm keo lót lên bề mặt mẫu bê tông gia cường theo hướng dẫn [17] Lớp keo lót thẩm thấu sâu vào bê tơng có tác dụng lớp neo chắn bê tông CFRP; Bước 5: Đợi cho lớp keo lót bắt đầu dính bám (khoảng 30 đến 60 phút), dùng lăn quét lớp keo tẩm lên bề mặt mẫu theo hướng dẫn [17]; Bước 6: Dán lớp sợi carbon cường độ cao thứ theo thiết kế; 1014 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (12/2021), 1010-1022 Bước 7: Dùng lăn quét tiếp lớp keo tẩm lên bề mặt mẫu theo hướng dẫn [17] Lặp lại Bước & có nhiều lớp sợi carbon cường độ cao gia cường; Bước 8: Đợi cho keo epoxy đơng cứng hồn tồn (khoảng 72 giờ) mang mẫu chuẩn bị capping mẫu làm thí nghiệm nén dọc trục phá hoại mẫu để xác định cường độ chịu nén mẫu Hình thể 18 mẫu bê tông chuẩn bị trước thực thí nghiệm nén dọc trục phá hoại mẫu Hình Hình ảnh mẫu bê tông chuẩn bị trước thực thí nghiệm nén 2.5 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông Tham khảo tiêu chuẩn ASTM C39/C39M-20 [18], mẫu thí nghiệm sau chuẩn bị theo thiết kế, mang làm thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông theo bước sau: Bước 1: Đặt mẫu vào vị trí thí nghiệm Chú ý, mẫu phải đặt tâm vng góc bàn nén mẫu; Bước 2: Tiến hành tăng lực nén lên mẫu mẫu bị phá hoại nén dọc trục Theo tiêu chuẩn ASTM C39/C39M-20 [18], máy thí nghiệm phải điều chỉnh cho lực nén tăng dần khoảng từ (3,5÷ 5,0)kN/s; Bước 3: Ghi lại giá trị lực nén lớn mà mẫu chịu được, 𝑃𝑚𝑎𝑥 (𝑘𝑁), xác định cường độ chịu nén mẫu bê tông, 𝑓𝑐 (𝑀𝑃𝑎), theo công thức (1) Trong đó, 𝑑 (𝑚𝑚) đường kính mẫu bê tơng hình trụ trịn Cường độ chịu nén mẫu bê tông tương ứng với mức gia cường giá trị trung bình kết thí nghiệm thu tương ứng với mức độ gia cường fc = 4000 Pmax d (1) Hình thể vài hình ảnh sau mẫu thí nghiệm bị phá hoại nén dọc trục Hình 2a hỉnh ảnh tổng thể 15 mẫu bê tông kiềm chế nở ngang CFRP sau bị nén phá hoại Như thấy hình 2b & 2c, có hai kiểu phá hoại mẫu: kiểu thể hình 2b việc thi cơng CFRP đảm bảo chất lượng kiểu thể hình 2c việc thi công CFRP không đảm bảo chất lượng Như thấy rõ hình 2c vải sợi carbon cường độ cao chưa tẩm keo epoxy đầy đủ theo hướng dẫn, dẫn đến sợi carbon cường cao vô nhỏ khơng làm việc 1015 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (12/2021), 1010-1022 bị xù lên bị kéo đứt Việc làm giảm đáng kể tác dụng kiềm chế nở ngang CFRP, thảo luận Phần a) b) c) Hình Một số hình ảnh mẫu thí nghiệm sau bị phá hoại nén KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Cường độ chịu nén bê tông xác định từ nghiên cứu so sánh với mơ hình đề xuất nghiên cứu xuất trước giới để so sánh đánh giá Theo ACI 440.2R-2017 [10], cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ trịn kiềm chế nở ngang CFRP xác định theo công thức (2, 3, & 5) sau đây: f c = f co + f 3,3.a fl fl = fe E f n.t f fe d = fu (MPa) (2) (MPa) (3) (4) fu = CE *fu (5) Trong nghiên cứu Wu & Wei, 2014 [11] cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ tròn kiềm chế nở ngang CFRP đốn theo cơng thức (6) sau: 0,9 fl f cc = f co 0, 75 + 2, f co (MPa) (6) Theo nghiên cứu Pham & Hadi, 2014 [12], cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ trịn kiềm chế nở ngang CFRP đánh giá theo công thức (7 & 8) f cc = 0,7 f co + 1,8 fl + 5,7 t + 13 d t = nt f 1016 (MPa) (7) (mm) (8) ... liệu CFRP Từ kết thí nghiệm, nghiên cứu đề xuất sử dụng mơ hình phù hợp để đánh giá cường độ chịu nén bê tông kiềm chế nở ngang CFRP hãng Toray, Nhật Bản, hãng khác Từ khóa: CFRP, cường độ chịu nén, ... đối Việt Nam Trong nghiên cứu này, nghiên cứu thực nghiệm thực để đánh giá cường độ chịu nén mẫu bê tơng hình trụ tròn kiềm chế nở ngang CFRP, hãng Toray, Nhật Bản, mức độ gia cường khác Kết cho... (12/2021), 1010-1022 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG ĐƯỢC KIỀM CHẾ NỞ NGANG BẰNG TẤM CFRP Đào Sỹ Đán*, Phạm Hoàng Kiên, Phạm Văn Phê Trường