Đề tài nghiên cứu bằng mô phỏng thực nghiệm mẫu dầm tông cốt thép tiết diện chữT bị hư hỏng do cốt thép bi ăn mòn bởi môi trường khô/ướt của nước mặn, sau đóđược gia cường lưới sợi carbo
ĐẶT VAN DE
Ở Việt Nam, trong một vai năm gần đây, nhu cầu sửa chữa va gia cô kết cau công trình dân dụng, công nghiệp cũng như giao thông ngày cảng trở nên cấp thiết do sự hư hỏng và xuống cấp hàng loạt của các công trình trước đây Phục vụ cho nhu cầu này, một số kỹ thuật gia cường truyền thống thường dùng hiện nay có thể kế đến như tăng kích thước tiết diện cầu kiện bằng cách phủ thêm lớp bê tông, hoặc áo thép lên bề mặt cấu kiện, hoặc áp dụng kỹ thuật căng ngoài Gần đây, kỹ thuật sửa chữa và gia cô kết cau công trình xây dựng sử dụng vật liệu sợi gia cường (CFRP) đã nhận được sự quan tâm rất lớn từ giới chuyên môn cũng như cộng đồng doanh nghiệp do những ưu điểm nổi trội về mặt cường độ khối lượng riêng của vật liệu CFRP, thi công đơn giản, nhanh chóng, đáp ứng tốt các yêu cau về kiến trúc và có giá thành hợp lý so với các phương pháp truyền thông (Nanni, 1995; Norris và cộng sự, 1997; Hassan và Rizkalla, 2002; Dai va cộng sự, 2005; ACI 440.2R, 2017).
Một trong những nguyên nhân quan trọng dan đến su hư hong và xuống cấp của các cầu kiện chịu lực là do sự tác động của các yếu tổ bat lợi từ môi trường Chúng gây nên hiện tượng han gi cốt thép làm giảm khả năng chịu lực, tạo nên các vết nứt và giảm độ cứng của của cầu kiện (Ting va Nowak, 1991; Li, 2002; Jang và Oh, 2010).
Ngoài ra, chúng còn ảnh hưởng đến độ bền bám dính giữa tam CFRP va bê tông. làm suy giảm hiệu qua gia cường của tam CFRP theo thời gian như đã trình bay trong một số các nghiên cứu của Tu và Kruger (1996), El-Hawary và Fereig (2000);
Aiello và cộng sự (2002), Myers và Ekenel (2005), Abanilla et al (2006), Au và Buyukozturk (2006), Wan va cong su (2006), Karbhari va Navada (2008), Ouyang va Wan (2006), Benzarti et al (2009), Silva và cộng sự (2013), Al-Mahmoud va cong su (2014), Jeong et al (2016).
O cap độ câu kiện chịu uôn, ảnh hưởng của các yêu tô môi trường (như đã nêu) đên ứng xử uôn của dâm hoặc san gia cường tâm CFRP cũng đã được khảo sát và trình bày trong một số ít nghiên cứu như của Chajes và cộng sự (1995), Karbhari và
Engineer (1996), Toutanji va Gomez (1997), Sen va cộng sự (1999), Grace và
Singh (2005), Soudki va cộng su (2007), Silva va Biscaia (2008), Choi va cộng sự
(2012) Các nghiên cứu nay hầu hết đều thực hiện trên các mẫu thí nghiệm được gia cường khi chưa bị hư hỏng Các kết quả đều chỉ ra rang hiệu quả gia cường kháng uốn (được xác định băng mức độ gia tăng khả năng chịu lực so với dầm không gia cường) của phương pháp sử dụng vật liệu FRP cho cau kiện dầm bị suy giảm theo thời gian dưới tác động của các yếu tố môi trường khác nhau (sương muối, độ am, nhiệt độ, khô/ướt, đóng/tan băng ) từ 10 đến 33% Các nghiên cứu cũng đưa ra nhiều kết luận khác nhau về tầm quan trọng của các yếu tổ môi trường Trong thực té, công tac gia cường hoặc sửa chữa thường được thực hiện cho các kết cau hay cầu kiện đã bị hư hỏng do sự xuất hiện các vết nứt, bị suy giảm khả năng chịu lực do cốt thép bị ăn mòn Trong trường hợp nảy, sự tương tác giữa bê tông, cốt thép trong dam với tam CFRP sẽ không còn mạnh và day đủ như khi dầm còn nguyên, dẫn đến hiệu quả gia cường của tam CFRP sẽ có nhiều khác biệt so với khi dam còn nguyên vẹn và có xu hướng giảm theo mức độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông (Wang et al 2004, Saidy et al 2010, Linwang et el 2016) Tuy nhiên, cho đến nay, số lượng các nghiên cứu dé cập đến van dé này hầu như rất khan hiém
Ngoài ra, cần lưu ý rang, các nghiên cứu hiện có hầu hết đều sử dung các mau dam gia cường có kích thước nhỏ Việc sử dụng các mẫu dầm gia cường có kích thước nhỏ có thể giúp cho việc kiểm soát các điều kiện thí nghiệm và việc thực hiện thí nghiệm được linh hoạt, ít tốn kém và dễ dang hon Tuy nhiên, đối với kết cấu gia Cường bang vật liệu FRP, diện tích bề mặt gia cường lại đóng vai tro rat quan trong và quyết định đến hiệu qua gia cường của tam FRP như một số các nghiên cứu gần đây (Leung và cộng sự, 2007; Godat và cộng sự, 2010; Bae và cộng sự, 2012.
Nguyen-Minh và cộng sự, 2013; Nguyen-Minh và Rovnak, 2015) Thực tế này cho thấy các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến việc khảo sát và phân tích ứng xử của cau kiện chịu uốn có kích thước thực đã bị hư hỏng do van dé xâm thực được gia cường băng kỹ thuật sử dụng vật liệu FRP cũng như đánh giá hiệu quả gia cường Đề tai này trình bay nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố môi trường khô/ướt (nước mặn) (yếu tô khí hậu đặc trưng của các tỉnh duyên hải Việt Nam) đến hiệu qua gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) tiết điện chữ T đã bị hư hỏng do hiện tượng xâm thực (cốt thép bị ăn mòn) Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 12 dầm được chia làm 3 nhóm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc chịu lực khác nhau (không bị ăn mòn; bị ăn mòn chịu 45 chu kỳ khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%; bi ăn mòn 90 chu ky khô/ướt nước mặn, độ mặn
15%) Mỗi nhóm gồm 4 dam, trong đó có 1 dầm đối chứng và 2 dầm gia cường lưới sợi CFRP với số lớp lần lượt là 2 và 4 lớp, 1 dầm gia cường 2 lớp lưới sợi CFRP đồng thời chịu tác động của môi trường khô/ướt (nước mặn) Mục tiêu nghiên cứu chính của dé tài dự kiến như sau: (1) khảo sát và phân tích ảnh hưởng của yếu tổ môi trường khô/ướt đến hiệu quả gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầmBTCT tiết diện chữ T bị hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn; (2) khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực và hàm lượng tấm CFRP đến khả năng gia cường kháng uốn của dầm tiết diện chữ T; và (3) phân tích sự làm việc của lưới sợi CFRP va cơ chế phá hủy của liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông dầm trong điều kiện môi trường bình thường và môi trường khô/ướt (nước mặn).
TONG QUAN
TAC DONG CUA MOI TRUONG XAM THUC DOI VOI KET CAU BE TONG COT THEP
2.1.1 Sự ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực Theo thời gian, cốt thép trong bê tông sẽ bị ăn mòn dưới tác động của môi trường như môi trường ngập hoản toàn trong nước biển, nước ngầm, nước mặn như ở vùng đất, ao hỗ, sông ngòi nhiễm mặn; hoặc tại vùng nước nhiễm mặn thay đôi thường xuyên; hoặc trong môi trường không khí trên va ven bién, sông ngòi nhiễm man; môi trường hóa chất hoặc chất thải công nghiệp; hoặc môi trường đất bị nhiễm phèn có độ pH dưới 12; hoặc tác động hỗn hợp của nhiều môi trường nêu trên Từ quan sát thực tế, nhiều công trình xây dựng trong môi trường tự nhiên tại khu vực ven biển, cốt thép của công trình hầu hết bị ăn mòn do môi trường nhiễm mặn Điều kiện xảy ra ăn mòn cốt thép trong bê tông là khi lớp màn thụ động bảo vệ cốt thép bi phá dỡ Có các dạng ăn mòn chủ yếu gồm: ăn mòn do điện hóa; ăn mòn do sự xâm nhập hóa ion CI và do sự carbonat hóa bê tông quanh cốt thép. Ăn mòn do điện hóa là dạng ăn mòn chủ yếu xảy ra nhiều trong môi trường có độ âm ướt thường xuyên thay đổi; oxy và nước dễ thâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ như nơi mực nước triều thường xuyên thay đối Sự ăn mòn xảy ra do các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra thành các ion mạch điện do sự tác động của các ion OH- có săn trong trường bê tông quanh cốt thép tạo thành lớp gỉ sắt xFeO.yFe2O3.zH2O (hoặc có thé là Fe3O4.Fe(OH)2 Fe(OH)3 hoặc Fe(OH)3.3H2O) Các thành phan gi sắt này làm tăng thé tích 4-6 lần, làm phát sinh ứng suất, phá vỡ lớp bê tông bảo vệ. đây nhanh hơn quá trình ăn mòn.
An mòn do thấm ion CI là dang ăn mòn chủ yếu xảy ra do sự thâm nhập của ion Cl trong môi trường xung quanh kết cau bê tông cốt thép như ở môi trường nước biến,không khí và chất thải công nghiệp có chứa ion Cl’ Cơ chế ăn mòn là do khi ion Cl- khuyếch tán đến bề mặt cốt thép, tạo nên sự ăn mòn bang cách hòa tan lớp bao vệ thụ động quanh cốt thép hoặc xuyên qua lớp nảy, tạo ra các lỗ trên bề mặt kim loại, làm tỉ lệ diện tích catỗt/anốt tăng lên, làm tăng tốc độ ăn mòn cốt thép. Ăn mòn do sự carbonnat hóa bê tông quanh cốt thép là dạng ăn mòn chủ yếu xảy ra trong môi trường không khí, nước có chứa CO2 Cơ chế ăn mòn này diễn ra do khíCO, tác dụng lên vùng chứa vôi của vữa bêtông tạo ra cacbonat canxi CaCOa, dan đến sự sụt giảm tính kiềm (độ pH), làm thay đối độ xốp của bê tông, giảm độ chống thấm, dẫn đến sự ăn mòn cốt thép.
SƠ LƯỢC LICH SU PHÁT TRIEN VA VÀ DAC TÍNH KỸ THUAT CUA LƯỚI SỢI CARBON (CFRP)
2.2.1 Sơ lược lịch sử phát triển
Vật liệu gia cường FRP được giới thiệu lần đầu vào thập niên 50 (Bank, 2006), vật liệu này được cấu tạo từ 2 thành phần chính là chất kết dính và sợi Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay nhựa polymer.
Soi là thành phan chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP, sợi được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, pho biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid
(aramid fibers) và carbon (carbon fibers) Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu
FRP sẽ được phân loại và có tên gọi tương ứng khác nhau là GFRP, AFRP và CFRP
(viết tắt của chữ tiếng Anh Carbon Fiber Reinforced Polymer hoặc Carbon Fiber
Soi cacbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10um được cau tạo từ khoảng 30.000 sợi don Sản phẩm nay được sản xuất chủ yếu bởi một số công ty như Toray,
Toho Rayon và Mitsubishi Rayon của Nhật; Hexcel, Zoltek, Aldila, Hughes
Brothers, Strongwell va FyfeCo của Mỹ; SGL cua Duc; Tai-Quang cua Han Quốc;
Formosa của Đài Loan- Trung Quốc; Clever Reinforcement AG, Sika của Thụy Si;
S&P ở Áo; và số it các công ty khác năm được kỹ thuật công nghệ dé sản xuất sợi cacbon Theo nhu cầu sử dụng khác nhau, các nhà sản xuất tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm định hình dưới dạng cuộn sợi, dạng thanh, lưới (vải) sợi dệt sẵn. Đối với lưới sợi carbon hiện nay có 4 dạng pho biến là: dệt tron; dét chéo; tron min va soc don (Hinh 2.1).
Việc sử dụng vật liệu FRP để gia cường kết cấu bê tông đã được triển khai thực hiện cuối những năm 1980 ở chau Au (đặc biệt la Thuy Si) và ở Nhat Ban Một thoi gian sau nó được nghiên cứu ứng dụng tại Hoa Ky va Canada Ban dau, việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc gia cường cho kết cau chịu uốn bê tông và gỗ Tiếp theo nối là các nghiên cứu sử dụng các loại tấm và vải FRP để phục hồi các cột bê tông ; đặc biệt là các trụ cầu đường cao tốc chịu tải trọng ngang do động đất Gia cường chống cắt băng vật liệu FRP cho dầm bê tông đã được nghiên cứu từ những năm dau thập niên 1990 và được ứng dụng nhiều trong các kết cầu bê tông, đặc biệt là kết cau bê tông dự ứng lực dầm chữ T (Bank, 2006).
Việc kết dính tam, vải gia cường FRP lên bề mặt kết cầu dầm bê tông chịu uốn đã được nghiên cứu ứng dung dau tiên ở Thụy Sĩ vào cuối những năm 1980 bởi Meier và các đồng nghiệp của tai Trung tâm EMPA (1995) Vải soi FRP đã được sử dụng trong hàng trăm tòa nhà, cây cầu và các ống khói ở châu Âu (Taerwe va Matthys, 1999) Ké từ giữa năm 1990, sau khi dùng cho kết cau ứng lực băng vật liệu FRP được thương mại hóa, hàng trăm dự án nghiên cứu và hàng ngàn ứng dụng FRP để gia cường cho kết cau chịu tải trọng tinh hoặc động (tải trọng xe cộ, gid) đã được thực hiện trên toàn thế giới (Bank, 2006).
2.2.2 Tính chất của lưới sợi carbon (CFRP)
Các loại lưới sợi cacbon đêu có đặc điêm chung là có độ bên rat cao, dé uôn theo hình dang bat ky, tro về mặt hóa học nên không chịu tác động của môi trường xâm thực Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai phụ thuộc vao kiểu sợi, hướng sợi và chất lượi sợi Các tính chất của vật liệu này được thé hiện tại Bang 2.1 dưới đây
Bang 2.1: Tính chất cơ lý của vật liệu CERP (theo ACI 440.2R (2017)) Số thứ tự Tính chất cơ lý Giá trị
| Khối lượng riêng (Tắn/m”) 15-16 2 Hệ số giãn nở nhiệt
2.1 Theo chiều dọc (x10°/°C) (-1) - 0 2.2 Theo chiếu dọc (x10°/°C) 22-50
3 Tính chất cơ học 3.1 M6 dun đàn hôi nhỏ nhất (GPa) 100 - 1040
3.2 Cuong độ chịu kéo (MPa) 2.050 - 6.200
2.2.3 Tính chất của của keo kết dính Chất kết dính giữa các sợi carbon và giữa tam, sợi carbon với bê tông gồm có keo epoxy, polyester, vynil-ester Trong đó, hiện nay sử dung phổ biến là keo epoxy, keo dán này có những đặc tính như:
= Có khả năng tự thâm thâm xuyên qua các 16 siêu nhỏ trong bê tông, nhằm tạo sự liên kết gắn chắc giữa vật liệu gia cường và bê tông (Hình 2.2):
= Tham thấu sâu và liên kết đồng đều giữa các sợi carbon:
= Có độ nhớt thấp, nhằm đảm bảo sự thẫm đồng đều khi thi công;
=" Keo dán bên với hau hêt môi trường xâm thực, có độ bám dính rat cao.
Sự thâm thấu sâu và đông đêu Giúp truyên lực lên sợi côt liệu
Hình 2.2 Khả năng tự thâm thấu của keo Epoxy
TINH HÌNH NGHIÊN CUU, UNG DỤNG LƯỚI SOI CARBON DE GIA CUONG CHO DAM BTCT TRONG MOI TRUONG XAM THUC
2.3.1 Tình hình nghiên cứu về gia cường CFRP cho dam bị ăn mòn
Soudki và cộng sự (2000) trình bày các kết quả của một thí nghiệm nhiều giai đoạn được tiễn hành tại Dai hoc Waterloo dé điều tra tính kha thi của việc sử dụng tam FRP dán ngoài dé phục hồi dam BTCT hu hỏng do ăn mòn Một số dầm bê tông cốt thép có hàm lượng clorua biến thiên (0 đến 3%) được chế tao Các dầm đã được gia cường hoặc sửa chữa bang cách dán tam FRP ngoài bề mặt bêtông Cốt thép được tăng tốc ăn mòn bang điện thé, mức độ ăn mòn lên tới 15% khối lượng Các biến được được sử dụng trên tâm FRP để đo biến dạng kéo gây ra bởi quá trình ăn mòn.
Sau giai đoạn ăn mòn, mẫu dầm được thí nghiệm uốn bốn điểm Kết quả thí nghiệm cho thấy tam FRP có tác dụng hạn chế các vết nứt do ăn mòn và phá hoại do sự gia tăng các sản phẩm ăn mòn Các dầm gia cường FRP thể hiện độ cứng gia tăng so với các mẫu vật không gia cường và sự gia tăng cường độ dẻo và cường độ giới hạn Kết quả cho thấy việc sử dung tam FRP dé gia cường các dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn là một phương pháp hiệu qua có thể duy trì cau trúc toản vẹn va tăng cường ứng xử của các dâm.
Masoud và cộng sự (2001) lập chương trình thực nghiệm để nghiên cứu ứng xử cầu trúc của dầm BTCT được gia cường băng CFRP và tiếp xúc với môi trường ăn mòn Tổng cộng 8 mau dầm (120x175x2.000 mm) đã được thử nghiệm (Hình 2.3).
Sáu mau được gia cường CFRP và bị ăn mòn (khoảng 9% khối lượng), một mẫu không gia cường và bị ăn mòn, và một mẫu không gia cường và không bị ăn mòn.
Hai kiểu gia cường khác nhau đã được áp dung: (1) bọc các dai U theo phương ngang dầm, (2) bọc các dải U theo phương ngang dầm và gia cường kháng uốn theo phương dọc dầm Ba mẫu được thí nghiệm dưới tải đơn điệu và năm mẫu dưới tải lặp Kết quả cho thấy rang việc sử dụng tam CFRP để gia cường các dam BTCT đang gặp bị ăn mòn cốt thép là một kỹ thuật hiệu quả có thể duy trì tính toàn vẹn của cau trúc và tăng cường ứng xử của cau trúc Khả năng chịu tải của các dầm chịu tải đơn điệu được gia cường CFRP và bị ăn mòn gia tăng từ 37 đến 87% so với khả năng chịu tải dự đoán của mẫu không được gia cường và không bị ăn mòn Thời gian chịu tải trọng lặp của các mẫu dầm được gia cường và bị ăn mòn tăng lên trong phạm vi từ 2,5-6,0 lần so với các mẫu không gia cường và bị ăn mòn nhưng thấp hơn so với mâu dâm chưa được bị ăn mòn (dâm đôi chứng).
Longitudinal CFRP Transverse LECPRP- (Anchorage strip)
Hinh 2.3 Mo hinh thi nghiém cua S Masoud (2001)
El-Maaddawy va Soudki (2005) trình bay các két quả của một nghiên cứu thực nghiệm dé điều tra tính khả thi của việc sử dung tam CFRP dán ngoài để kéo dài tuổi thọ của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn Tổng cộng 14 dầm 152x254x3.200mm đã được thử nghiệm (Hình 2.4) Ba dầm không bị ăn mòn, hai trong số đó đã được gia cường bằng tam CFRP, trong khi một dam được giữ nguyên vẹn 11 dầm còn lại chịu các mức độ ăn mòn khác nhau lên đến 31% khối lượng băng cách sử dụng kỹ thuật ăn mòn điện thế Sáu trong số dầm bị ăn mòn đã được sửa chữa bang tam CFRP, trong khi 5 dam còn lại không được sửa chữa Tat cả các mau dam được thí nghiệm phá hoại uốn bốn điểm Tác giả đưa ra một số kết luận như sau: (1) Sự ăn mòn cốt thép có ảnh hưởng đáng kế đến trạng thái giới hạn sử dụng của dam BTCT.
Mức độ hư hỏng thép trung bình khoảng 9.6, 15.6, 23.3 và 30.5% khối lượng dẫn đến vết nứt do ăn mòn tương ứng có bề rộng khoảng 1.1, 1.4, 2.5 và 3.1 mm; (2) Sự ăn mòn cốt thép làm giảm đáng kế tải trọng chảy dẻo và tải trọng giới hạn của dầm BTCT Việc giảm tải trọng chảy dẻo hầu như tỉ lệ thuận với việc giảm khối lượng thép do ăn mòn Cường độ của dầm giảm 12, 14, 14.5, và 24% đã được ghi nhận với khối lượng thép hao hụt do ăn mòn khoảng 9,7, 15,4, 22,8, và 30%; (3) Sửa chữa băng vật liệu CFRP bao gồm một tam CFRP kháng uốn cùng với dải ngang hình chữ U có hiệu quả trong việc tăng cường độ của dam BTCT bị ăn mòn đối với tất cả các mức độ hư hại do ăn mòn đến 31% khối lượng cốt thép hao hụt, cao hơn cường độ của dầm nguyên vẹn không được gia cường: (4) Sửa chữa bằng vật liệu CFRP làm giảm đáng kế độ võng của dầm Độ võng của dầm bị ăn mòn và được sửa chữa thấp hơn trung bình 46% so với các dầm bị ăn mòn và không được sửa chữa; (5) Các dầm được sửa chữa theo Phương pháp I — (Gia cường kháng uốn cùng với dải ngang U liên tục) cho thấy độ cứng cao hơn nhưng độ võng thấp hơn so với dầm được sửa chữa theo Phương pháp II (Gia cường kháng uốn cùng với dải ngang U không liên tục) Kết quả này là do hiệu quả bó hông của dải ngang U liên tục, giúp cải thiện liên kết giữa thép và bê tông và do đó làm tăng độ cứng dầm nhưng làm giảm độ võng.
3200 Repair scheme II (All dimensions are in mms)
Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm của El-Maaddawy (2005)
Al-Saidy và cộng sự (2010) trình bay kết quả thực nghiệm của dầm bê tông cốt thép bị hư hỏng và được sửa chữa Chương trình thử nghiệm bao gồm các mẫu dầm hình chữ nhật bê tông cốt thép bị ăn mòn nhanh Mức độ ăn mòn dao động từ 5% đến 15% thể hiện qua sự giảm tiết diện mặt cắt ngang của cốt thép trong vùng chịu kéo Dầm bị ăn mòn đã được sửa chữa bằng cách dán các tấm CFRP ở vùng chịu kéo để phục hồi việc suy giảm cường độ do ăn mòn Các phương pháp gia cường khác nhau được sử dụng để sửa chữa các dầm bị hư hỏng Kết quả kiểm tra cho thấy ảnh hưởng bat lợi của ăn mòn đối với cường độ cốt thép cũng như liên kết giữa cốt thép và vùng bê tông xung quanh Các dầm bị ăn mòn cho thay độ cứng và cường độ thấp hơn các dầm đối chứng (không được gia cường) Tuy nhiên, cường độ của các dầm bị hư hỏng do ăn mòn đã được khôi phục đến trạng thái không bị hư hại khi gia cường bang tam CFRP Mat khác, chuyén vi cudi cung cua dầm được gia cường nhỏ hơn so với các dâm không gia cường.
Linwang và cộng sự (2016) nghiên cứu ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn được sửa chữa bang tam CFRP dưới nhiều mức độ ăn mòn khác nhau Nghiên cứu trình bày một nghiên cứu về ứng xử uốn của dam BTCT bị ăn mòn (RC) được gia cường với tam CFRP (dầm dọc của bến tau cao) Hai mươi dim BTCT với năm mức độ ăn mòn đã được chế tạo băng thiết bị gia tốc ăn mòn, và sau đó tam CFRP đã được sử dụng để gia cường các cấu kiện BTCT, xem xét hiệu qua của các lớpCFRP khác nhau và các phương pháp gia cường khác nhau, cuối cùng là thử nghiệm tải trọng uốn tĩnh đã được thực hiện (Hình 2.5) Kết quả kiểm tra cho thay khả năng chịu lực của các dim BTCT bi ăn mòn gia cường bằng tam CFRP được gia tang hiệu qua, bé rong vết nứt bị han chế và độ cứng kháng uốn được cải thiện.
Khả năng chịu uốn cuối cùng của mẫu dầm được gia cường băng tâm CFRP tăng từ 30% đến 50% so với các dam không gia cường, với sự gia tăng mức độ ăn mòn, khả năng tăng cường mức độ kháng uốn giảm Với sự gia tăng số lượng lớp CFRP, khả năng chịu tải tăng Đối với mẫu dầm với các vết nứt rõ ràng, hiệu quả của phương pháp gia cường bằng cách liên kết CFRP sau khi cắt hoặc đục bê tông (RMI hoặc RM2) cao hơn phương pháp liên kết CFRP trực tiếp (DM) Tác giả dé xuất rang các cầu kiện BTCT bị ăn mòn với cấp độ A (0%), B (5%) hoặc C1 (5-15%) có thể được gia cường băng phương pháp DM (liên kết trực tiếp), trong khi các cấu kiện với mức độ ăn mòn cao hơn (15-70%) cần được gia cường bằng phương pháp RMI hoặc RM2.
4) 1⁄4 strain — A strain WA // strip l l4 gauges, gauges ⁄/ ae
“FRP strain gauges ‘tensile reinforcement
Hình 2.5 Mo hình thí nghiệm cua Su Linwang (2016)
2.3.2 Tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng của tác động môi trường đối với tam
Chajes va cộng sự (1995) nghiên cứu ứng xử dài han của hệ thống lưới sợi, keo epoxy và bê tông với môi trường Trong nghiên cứu này 3 loại lưới sợi sử dụng làm từ sợi aramid, sợi thủy tinh và sợi các-bon Để xác định độ bền của các dầm gia cường dưới tác động của môi trường xâm thực, 48 mẫu dầm BTCT kích thước nhỏ được cho tiếp xúc trực tiếp với môi trường tạo ra trong phòng thí nghiệm với chu kỳ đóng băng/ tan băng hoặc chu ky khô/ ướt trong dung dich CaCl, và so sánh với 12 dầm đối chứng Trong 60 mẫu dam, 45 dầm gia cường với lưới sợi composite aramid, thủy tinh, các-bon (mỗi loại 15 dam), và 15 dầm không dán tam gia cường.
Dam được gia tải theo kiểu uốn 4 điểm (Hình 2.6) Kết qua chỉ ra rằng tiếp xúc với Clo trong cả 2 môi trường đóng băng/ tan băng hoặc khô/ ướt dẫn đến suy giảm cường độ của dầm Cả 2 điều kiện môi trường như trên đều dẫn đến hư hỏng liên kết giữa lưới sợi composite và bê tông Trong 3 loại được nghiên cứu, dầm gia cường lưới sợi các-bon cho độ bên tốt nhất, đồng thời các điều kiện môi trường trên làm sự suy giảm hiệu quả gia cường của lưới sợi các-bon khoảng 15% sau 100 chu kỳ tiếp xúc.
Cross-Secuons ⁄ Threaded Rod 19.1 mm
Dia] Gage ah + † 1 3.)75 mm ¡37 mm 76.2 mm 127 mm 3.175 mm
Hình 2.6 Mo hình thí nghiệm cua Chajes và cộng sự (1995)
Sen và cộng sự (1999) thực hiện nghiên cứu kéo dải trong hai năm nhằm đánh giá độ bền của mặt liên kết giữa tam CFRP và bê tông Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 24 mẫu sản một phương Các tham số khảo sát gồm: hệ keo nên (5 loại) và môi trường (4 loại : môi trường bình thường; môi trường ướt / khô theo chu kỳ sử dụng dung dich nước mudi; môi trường ướt / khô kết hợp với nhiệt theo chu kỳ sử dụng dung dịch nước muối; và môi trường tự nhiên) Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng ảnh hưởng của môi trường rất rõ nét đến độ bền của lưới sợi các-bon và bê tông đặc biệt là với môi trường ướt / khô theo chu kỳ.
Grace và Singh (2005) nghiên cứu thực nghiệm độ bền kháng uốn của dầm BTCT gia cường tam và lưới sợi các-bon trong các môi trường khác nhau chiu tai trong lặp (100% độ âm, nước muối, kiềm, đông-tan, nở nhiệt, khô-sấy) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rang, yếu tố độ âm của môi trường mang tính quyết định đến độ bền bám dính của tam, lưới sợi các-bon và bê tông Các dầm gia cường tam sợi các-bon, phơi nhiễm trong điều kiện môi trường độ 4m 100% trong khoảng 10000 giờ, khi thử tai, khả năng kháng uốn bị giảm xấp xỉ 33%.
Soudki và cộng sự (2007) khảo sát 11 dầm BTCT kích thước 150x250x2400 mm gia cường tắm sợi carbon trong môi trường bị xâm thực, gồm 8 dầm đã bị nứt, được sửa chữa băng tâm CFRP và 3 dầm đối chứng chưa bị nứt Các dầm có hàm lượng cốt thép doc 0.6% Hai dạng sản phâm CFRP được sử dụng là dạng tam (sheets), và dạng dải (strips) Dầm chịu tác động của các điều kiện môi trường như sau: 3 dầm giữ ở nhiệt độ phòng và 8 dầm chịu tác dụng 300 chu kỳ khô/ướt (600 ngày) trong dung dịch NaCl 3% Dam được thí nghiệm theo sơ đồ uốn 4 điểm (Hình 2.7) Thêm vào đó, thí nghiệm không phá hoại mẫu được thực hiện để xác định tốc độ xâm thực, cũng như thí nghiệm phá hoại mẫu để xác định sự khuếch tán Cl và sự hao hụt cốt thép Dựa trên các kết quả nghiên cứu, tác giả kết luận: (1) gia cường CFRP làm tăng đáng kế khả năng chịu lực của dam BTCT (tăng gap đôi so với mẫu không gia cường); (2) tốc độ ăn mòn và điện thế ăn mòn ở mức cao xảy ra sau 200 chu kỳ, trong khi hoạt động ăn mòn tối thiểu bắt đầu khi đạt đến 100 chu kỳ, vết nứt thấy được sau 300 chu kỳ khô/ướt: (3) phân tích hình thái Clo và sự hao hụt cốt thép ứng với thí nghiệm không phá hủy mẫu cho thấy nồng độ Clo trong cốt thép đạt mức tới hạn sau 200 chu kỳ, và đồng thời quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra: (4) hệ thông CFRP dạng tam và keo làm giảm sự khuếch tán ion Clo và có thé làm giảm tốc độ ăn mòn cốt thép trong dầm; (5) khả năng chịu tải tới hạn của dầm gia cường CFRP giảm từ 11% đến 28% sau 300 chu kỳ khi so với dầm không chịu tác động của môi trường, độ cứng và tải bién dạng không bị ảnh hưởng bởi tác động của môi trường: và (6) kiểu phá hoại của dầm gia cường CFRP dạng dai là do bong tách dai, thời gian bong tách được rút ngăn khi số chu kỳ khô/ ướt tăng lên. a) b) 50) —
Hình 2.7 Sơ đồ dán tâm CFRP của Soudki và cộng sự (2007): (a) và (c) mẫu dam dán CarboDur strips; (b) and (d) mau dâm dán Forca Tow sheets
MỤC TIỂU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU Dựa trên những tìm hiểu tong quan về các nghiên cứu và ứng dụng vật liệu lưới sợi
(1) Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của yếu tố môi trường khô/ướt đến hiệu quả gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầm BTCT tiết diện chữ T bi hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn;
(2) Khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực và hàm lượng tắm CFRP đến khả năng gia cường kháng uốn của dâm tiết diện chữ T;
(3) Phân tích sự làm việc của lưới sợi CFRP và cơ chế phá hủy của liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông dầm trong điều kiện môi trường bình thường và môi trường khô/ướt (nước mặn).
Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU 1 Y nghĩa khoa học
Khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông, giữa bê tông và tam FRP quyết định đến hiệu quả gia cường của tâm FRP và vì vậy ảnh hưởng mạnh đến ứng xử và khả năng kháng uốn của kết cau bê tông gia cường tam FRP Các nghiên cứu đã có trên thế giới cũng đã chỉ ra rang van dé cốt thép bị ăn mòn trong bê tông và các yếu tổ môi trường như độ âm, nhiệt độ, nồng độ muối ảnh hưởng rất lớn đến khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông, giữa tam FRP và bê tông, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tam FRP Trong bối cảnh hầu hết các nghiên cứu hiện nay, liên quan đến việc xem xét ảnh hưởng của các yếu tô môi trường đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tâm CFRP chỉ mới thực hiện trên các mẫu thí nghiệm có cốt thép chịu lực chưa bị hư hỏng (ăn mòn) và các mẫu có kích thước nhỏ, điều trường hợp dầm có cốt thép đã bị ăn mòn và tam CFRP chịu tác động đồng thời của yếu tổ môi trường thật sự chưa được phù hợp với thực tế Kết qua từ nghiên cứu này góp phần cung cấp thêm các dữ liệu thực nghiệm có giá trị để làm sáng tỏ hơn về ứng xử uốn của cau kiện BTCT gia cường tam CFRP kích thước thực có cốt thép đã bi hư hỏng do van đề xâm thực, cũng như đánh giá lại hiệu quả gia cường kháng uốn của tam CFRP trong điều kiện môi trường thực tế.
Gan đây, phương pháp gia cường sử dụng vật liệu FRP nhận được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng các kỹ sư xây dựng ở Việt Nam và được đánh giá là một giải pháp kỹ thuật gia cường hiệu quả so với các kỹ thuật truyền thống nhờ vao các đặc tính cơ học tốt của vật liệu FRP, phương pháp thi công đơn giản và khả năng áp dụng cho mọi điều kiện thi công của kỹ thuật này Các công trình áp dụng phương pháp gia cường băng vật liệu FRP ở Việt Nam hiện nay rất đa dạng từ các công trình dân dụng (chung cư, siêu thị, cao ốc văn phòng và nhà ở) cho đến các công trình giao thông (cau) và công nghiệp (nhà xưởng ) và do thiếu tiêu chuẩn thiết kế nội địa nên hầu hết các công trình này đều được thiết kế gia cường dựa trên tiêu chuẩn Hoa Ky (ACI 440.2R, 2008) Thực tế này đã phần nào làm cho các kỹ suViệt Nam trở nên lúng túng và bị động, dẫn đến kết quả thiết kế chưa được chắc chăn, hợp lý và quá thiên về an toàn Kết quả từ nghiên cứu này có thể cung cấp cho cộng đồng kỹ sư xây dựng Việt Nam một cái nhìn rõ ràng hơn về ứng xử của cấu kiện chịu uốn có kích thước thực đã bị hư hỏng do van dé xâm thực được gia cường bang kỹ thuật su dung vat liệu FRP, cũng như anh hưởng cua điều kiện môi trường đến hiệu quả gia cường, từ đó có thể giúp cho họ tự tin hơn trong thiết kế và bảo đảm tính kinh tế trong thiết kế của mình.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trên cơ sở các mục tiêu đã đặt ra, đề tài tiễn hành thực hiện các nội dung chính sau
(1) Lập chương trình khảo sát thực nghiệm trên 12 dầm BTCT được chia làm 3 nhóm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc chịu lực khác nhau (không bị ăn mòn; bị ăn mòn chịu 45 chu ky khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%; bị ăn mòn 90 chu ky khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%) Mỗi nhóm gồm 4 dầm, trong đó có 1 dầm đối chứng, 2 dầm gia cường lưới sợi CFRP với số lớp lần lượt là 2 và 4 lớp, 1 dam gia cường 2 lớp lưới sợi CFRP đồng thời chịu tác động của môi trường khô/ướt (nước mặn);
(2) Phân tích kiểu phá hoại của các dầm và quan hệ lực - chuyển vị của dầm, lực — biến dạng của lưới sợi gia cường, của cốt thép dọc chịu kéo, bê tông:
(3) Phân tích sự làm việc của lưới sợi CFRP và cơ chế phá hủy của liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông dầm trong điều kiện môi trường bình thường và môi trường khô/ướt (nước mặn);
(4) Khảo sát va phân tích ảnh hưởng của yếu t6 môi trường khô/ướt (nước mặn) đến hiệu quả gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dam BTCT tiết diện chữ T bị hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn;
(5) Khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực và hàm lượng tam CFRP đến kha năng gia cường kháng uốn của dam tiết diện chữ T;
(6) Kiểm chứng mức độ chính xác của các công thức tính bién dang và khả năng chịu lực trong tiêu chuẩn ACI 440.2R-17 và CNR-DT 200 (2013) cho trường hợp các dam gia cường bị xâm thực.
CHUONG TRÌNH THỰC NGHIEM
MAU THÍ NGHIEM Chương trình thực nghiệm dựa trên 12 dầm (Bảng ), được chia làm ba nhóm lớn
chịu 45 chu ky khô/ướt nước m n, độ m n 15%; bi ăn mòn 90 chu kỳ khô/ướt nước m n, độ m n 15%) Trong m i nhóm gồm 4 dam, trong đó có 1 dầm đối chứng(không gia cường) và 2 dầm gia cường lưới sợi CFRP với số lớp lần lượt là 2 và 4 lớp, 1 dầm gia cường 2 lớp lưới sợi CFRP đồng thời lưới sợi CFRP chịu tác động của môi trường khô/ướt nước m n Dam có kích thước 150x300x300x65x3400 mm, cốt thép d c cau t o thé dưới gồm 2016, thé trên gồm 4d10; giới h n chảy W376 MPa, giới h n bền f, = 520 MPa Dam dùng cốt đai 66, bước cốt đai s = 200 mm (trong vùng đầu dầm s = 50 mm nhằm tránh hiện tượng nén vỡ bê tông cục bộ đầu dam), giới h n chảy ƒ = 360 MPa, giới h n bên ƒ, = 499 MPa.
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật mẫu thí nghiệm
Nhúm Kớhiệu dầm ƒuc bxhxbexhy — ỉ Do nN wr
` A-2 2 A (dâm không bị ăn mòn) ———
AA + Ộ B-0 B (dam bị an mon 45 chu kỳ “p5 150x300x 07 2 khô/ướt nước m n, độ m n 61.5 300x65x (2d16) 0.19 —— 125
C-0 C (dam bi ăn mòn 90 chu ky “G_5 2- khô/ướt nướ độ ——— ô/ư msc n,độmn ~=2 DW/og 2
WD45 : lưới sợi CFRP chịu tác động cua môi trường khô/ướt nước m n 45 chu ky;
DW90 : lưới sợi CFRP chịu tác động cua môi trường khô/ướt nước m n 90 chu ky; b : bề rộng dam, mm; bị : bề rộng cánh, mm;
Jccube : cường độ chịu nén mẫu lập phương, MPa; h : chiều cao dầm, mm; hị : chiều cao cánh dầm, mm;
L : chiều dai dầm, mm; n : số lớp FRP gia cường;
Wr : bề rộng dai gia cường, mm;
Ds : hàm lượng cot thép d c;
Dy : hàm lượng cot dai;
| a Thép doc ] 2002 1000 7 10- 1000 ; 1000 200, 'ỉụa50 ỉụa200 ] @6a200 ] @6a200 'ỉụa50
Cảm biến đo Cảm biến đo ®) Tấm CFRP biến dạng tấm CFRP biến dạng tấm CFRP Thép dọc gia cường kháng uốn Cảm biến đo Cảm biến đo biền dạng thép dọc biến dạng tấm CFRP
MC DAM THÍ NGHIEM ,, ,,,
SƠ ĐỎ THÍ NGHIỆM VÀ BÓ TRÍ THIẾT BỊ ĐO ĐẠC
Các dầm được thử tải theo sơ đồ dầm đơn giản chịu tải tập trung t ¡ 2 điểm (sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm Nhịp thử tải là 3m Khoảng cách giữa 2 lực 1000mm, khoảng cách từ điểm đ t lực đến gối tựa 1000mm Chuyén vị thăng đứng của dầm được đo t i các vị trí 2 gối tựa, 1/2 nhịp vat 1 vi trí đ t lực gồm 5 chuyển vị kế điện tử (LVDTIs) Biến d ng bê tông vùng chịu nén được xác định thông qua 5 cảm biến điện trở, mục đích dé đo đ c và theo dõi biến d ng nén của bê tông va sự thay đối của trục trung hòa theo từng cấp tải 5 cảm biến điện trở được dán lên bề m t bê tông dam d c theo theo chiều cao tiết diện Biến d ng trong cốt thép d c chịu kéo được xác định thong qua | cảm biến điện trở, được dán trực tiếp lên thanh cốt thép giữa chịu kéo t i vị trí 1⁄2 nhịp trong quá trình đúc mẫu thí nghiệm Biến d ng trong tam CFRP gia cường ở m t dưới dầm được xác định thông qua 3 cảm biến điện trỏ, 3 cảm bién được dán trực tiếp lên tam CFRP ở m t dưới dầm t i vị trí 1/2 nhip và t 1 vị trí đ t lực.
Quá trình hình thành và phát triển vết nứt được theo dõi băng kính lúp quang h c.
Dé việc theo dõi vết nứt được dễ dang, tat ca dam được quét phủ một lớp son trắng.
Dầm truyền tải 200x250x20x2000 Load cell cảm biến | đo Ất dém IR / biến dang bé tông
LVDT2 gia cường kháng uốn
MẶT CẮT I-IHình 4.16 Chi tiết bố trí cảm biến đo biến d ng bêtông
Cảm biến đo Cảm biến đo Tấm CFRP biến dạng tấm CFRP biến dạng tấm CFRP gia cường kháng uốn Cảm biến đo biến dạng tấm CFRP l 1200 l 1000 l 1200 J
Hình 4.17 Chi tiết bố trí cảm biến đo biến d ng tam CFRP
THI NGHIEM
PHAN TÍCH KET QUÁ THÍ NGHIỆM 1 Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm Kiểu phá hoại và hình thái vết nứt của các dầm được thé hiện ở Hình 5.3 dén 5.7
Đối với các dầm đối chứng (không gia cường), các dầm thí nghiệm đều bị phá hoại do uốn, cốt thép trong trong vùng chịu kéo bị chảy dẻo và bê tông bị vỡ thớ chịu nén ngoài cùng Đối với các dầm gia cường tam CFRP, khi dầm đạt tải đỉnh các dầm đều bị bong tách tam, giai đoạn sau tải đỉnh các dầm đều bị phá hoại do cốt thép chảy dẻo và bê tông bị vỡ thé chịu nén ngoài cùng.
Qua quan sát có thé thay rằng, đối với các dầm không gia cường, số lượng vết nứt nhỏ hơn so với các dầm gia cường CFRP, khoảng cách giữa các vết nứt lớn hơn.
Với các dầm gia cường tắm CFRP, số lượng các vết nứt nhiều hơn, tuy nhiên khoảng các giữa các vết nứt được thu hẹp lại Số lớp CFRP gia cường tăng, sự ảnh hưởng này càng rõ rệt Như vậy, tam CFRP đã góp phan đáng ké làm thay đổi hình thái vết nứt của dầm.
Lực gây vết nứt uốn dau tiên của các dầm không gia cường dao động trong khoảng từ 20 đến 24KN Đối với dầm gia cường, vết nứt uốn dau tiên xuất hiện trễ hơn so với dầm không gia cường: cụ thể tại cấp tải 24 ~ 28kN đối với dầm gia cường 2 lớp CFRP, và tại cấp tải 28 ~ 32kN đối với dầm gia cường 4 lớp CFRP; so với dầm đối chứng, tăng trung bình 18% và 36% lần lượt cho dầm gia cường 2 và 4 lớp Nguyên nhân có thé là do tam CFRP đã chia sẻ bớt ứng suất kéo với bê tông, đồng thời tam CFRP cũng đã làm tăng thêm độ cứng kháng uốn của dam, từ đó làm tăng khả năng kháng nứt cho dầm.
Hình thái bong tách tắm CERP của các dầm gia cường có thể phân tách thành ba dạng khác nhau Với nhóm dam gia cường 2 lớp CFRP đồng thời tam CFRP chịu tác động của môi trường khô/ướt nước mặn (A-2-DW45, B-2-DW45, C-2-DW90), tắm bi bong tách dọc theo chiều dài dim và trượt theo bé mặt lớp bê tông đáy dầm(Hình 5.6b) Với nhóm dầm gia cường 2 lớp tấm CFRP (A-2, B-2, C-2), tam bi bong tách dọc theo chiều dài dầm và kéo theo lớp bê tông mỏng bám trên bề mặt tắm (Hình 5.6a) Với nhóm dam gia cường 4 lớp tâm CFRP (A-4, B-4, C-4), tam bị bong tách kéo theo lớp bê tông bảo vệ bám trên tắm (Hình 5.6c) Nhu vậy, môi trường khô/ướt nước mặn tác động lên tam làm thay đổi tinh chất cơ lý của lớp keo epoxy bám dính dẫn đến thay đổi hình thái bong tach, từ bong tách và kéo theo lớp bê tông bảo vệ sang cơ chế trượt hoản toàn theo bề mặt lớp bê tông bảo vệ Kết qua này hoàn toản giống với kiểu phá hoại như trong một số nghiên cứu của Silva và
Biscaia (2008), Soudki và Cộng sự (2007).
So sánh giữa các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau (0%, 2.03%, 4.26% hao hut khối lượng cốt thép tương ứng dầm nhóm A, B, C) va có cùng số lớp gia cường CFRP, hình thái vết nứt, và lực gây vết nứt uốn dau tiên, hình thái bong tách tam giữa các nhóm dầm chưa có sự khác biệt rõ ràng, có thé là do ảnh hưởng ăn mòn cốt thép chưa đủ lớn dé ảnh hưởng đến các yếu t6 này.
Tê 2 o ve ad es nề —- -P ~
(d) Dam A-4 Hình 5.3 Hình anh hình thái vết nứt va kiểu phá hoại của các mẫu dầm nhóm A
(d) Dam C-4Hình 5.5 Hình anh hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của các mẫu dam nhóm C
Hinh 5.6 Hinh thai bong tach tam
TTL ATA
FLAWS \
(c) Dam nhóm C Hình 5.7 Dang phá hoại của mẫu gia cường CFRP 5.2.2 Quan hệ lực - chuyền vị
Quan hệ lực và chuyển VỊ giữa dầm được thể hiện trên Hình 5.8 Quan hệ lực và chuyền vi có thê chia làm 3 giai đoạn đôi với nhóm dâm không gia cường, và 4 giai đoạn đối với nhóm dam gia cường tâm CFRP.
Giai đoạn 1- trước khi vết nứt xuất hiện (cấp tai từ 0 đến 20+32kN, tương ứng với 17% đến 21% tải phá hoại của dầm), chuyển vị các dầm gần như giống nhau và tuyến tính Điều này chứng tỏ ở giai đoạn đầu, tam CFRP hầu như chưa làm việc, độ cứng của dầm gia cường và dam không gia cường hầu như không có sự khác biệt đáng kê.
40 ơ — —A-2 40 ra4 a TH NA B-2-DW45 kess A t nut (%) Á o veỉ VỀ ứ bờ rộn Ê +> œ= i t2 So L ăn gia t ho So |
Hình 5.15 Anh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến bề rộng vết nứt các dầm
5.2.4 Quan hệ lực - Biến dạng tắm CFRP Quan hệ lực và biến dạng tam CFRP được thé hiện Hình 5.16 Quan hệ lực và biến dạng có thể được chia làm 3 giai đoạn (tam tuyến tính).
Giai đoạn 1 - trước khi vết nứt xuất hiện, tam CFRP biến dạng bé, quan hệ tuyến tính và hầu như không phụ thuộc số lớp gia cường.
Giai đoạn 2 - sau khi vết nứt xuất hiện đến khi dầm đạt chuyển vị cho phép, tắm bắt dau làm việc nhiêu hơn, biên dạng cua tâm tăng nhanh.
Biến dang giữa dam - Eexp mig (%o) Bien dang giữa dam - Eexp mig (%o)(a) Dam nhom A (b) Dam nhóm B
Biên dang giữa dam - Eg¢5 mig (%0)
(c) Dam nhóm C Hinh 5.16 Quan hé luc — bién dang tam CFRP gitra nhip cua cac nhom dầm Giai đoạn 3 - sau cấp tải sử dụng đến khi dam dat tải đỉnh, quan hệ lực và biến dạng tam CFRP van theo quy luật tuyến tính, tiếp tục gia tai, giá trị biến dạng tăng, cuối giai đoạn tam bị bong tách hoản toản Giá trị biến dang tam giữa dầm lớn nhất ghi nhận được dao động từ 6.27%o ~ 8.52%o, bang 30% đến 40% cường độ chịu kéo lớn nhất của tam CFRP. Ảnh hưởng của môi trường khô/ướt nước mặn đến biến dạng tấm của các dầm gia cường có thé thấy qua việc so sánh giữa các dầm gia cường 2 lớp tam CFRP cho trường hợp tâm CFRP không chịu tác động của môi trường khô/ướt nước mặn (các dầm A-2, B-2, C-2) và trường hợp tam CFRP chịu tac động của môi trường khô/ướt nước mặn (các dầm A-2-DW45, B-2-DW45, C-2-DW90) Có thé thấy rằng, việc tắm gia cường CFRP chịu tác động của môi trường đã làm giảm đáng kể biến dạng lớn nhất của tam CFRP Giá trị biến dang tam lớn nhất giảm từ 11% (từ 7.85%o xuống 7.13%o đối với dam nhóm A) đến 13% (từ 8.3%o xuống 7.27%o đối với dầm nhóm B) sau 45 chu kỳ tiếp xúc; và giảm 20% (từ 8.52%o xuống 6.83%o đối với dam nhóm B) sau 90 chu kỳ tiếp xúc (Hình 5.17) Hiện tượng này chủ yếu là do hệ quả của sự hư hỏng liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông theo thời gian tác động của môi trường xâm thực, dẫn đến suy giảm ứng suất bám dính giữa tam và bé mặt bê tông Có thé thấy rõ sự hư hỏng này thông qua cơ chế phá hủy giữa tam CFRP và bê tông của các dầm này, đó là tam hầu như bị trượt theo bề mặt lớp bê tông đáy dầm như đã trình bày trong Mục 5.2.1.
— ADAM NHOM A es 5 | ©DAM NHÓM B Ð ODAM NHÓM C
0 45 90 135 Chu kỷ khô/ướt nước mặn (Chu kỳ)
Hình 5.17 Ảnh hưởng của tác động môi trường khô/ướt lên tam CFRP đến biến dang tam CFRP Anh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến đến quan hệ lực và biến dang tam CFRP giữa nhịp dam thé hiện thông qua Hình 5.18.
Biên dạng giữa dam - Exp mig (%0) Biên dang giữa dam - €.x5 mig (%0)
(a) Gia cường 2 lớp CFRP (b) Gia cường 4 lớp CFRP
Hình 5.18 Quan hệ lực - biến dang tam các dầm có cùng số lớp CFRP gia cường theo mức độ ăn mòn
Xét các dầm có cùng số lớp gia cường, trong giai đoạn dau trước khi dầm đạt chuyển vi cho phép (Lmmip/250 = 12mm), các dầm có mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau (0%, 2.03%, 4.26% hao hụt khối lượng cốt thép tương ứng dầm nhóm A, B,C) có ứng xử gần như giống nhau Tuy nhiên, ở các cấp tải tiếp theo khi chuyền vi của dầm vượt quá giới hạn cho phép, biến dạng tam CFRP giữa nhịp của các dầm có xu hướng gia tăng theo mức độ ăn mòn cốt thép Cụ thể, xét tại cấp tải lớn nhất của dầm gia cường 2 lớp CFRP — dam C-2 (136 kN), biến dang tam CFRP của dầmC-2 là 8.52%o, tăng 22.9% so với của dầm A-2 (6.93%o); biến dang tắm của dam B-2 là 7.77%o, tăng 12.1% so với của dam A-2 Tương tự, tại cấp tải lớn nhất của dầm gia cường 4 lớp CFRP — dầm C-4 (153kN), biến dang tâm CFRP của dầm C-4 đạt 6.38%o, tăng 13.7% so với của dầm A-4 (5.61%o); biến dạng tam CFRP của dam B-4 đạt 5.91%o, tăng 5.3% so với của dam A-4 (Hình 5.19) Hiện tượng nay có thé được lý giải là do cốt thép bị ăn mòn dẫn đến suy giảm độ cứng của dầm, làm tăng chuyên vi của dâm, từ đó dân dén tăng biên dạng trong tâm. mo 25 Ễ A
#3 mc 10 5 SỐ A one A2 LỚP CFRP
Hình 5.19 Anh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến biến dang tam CFRP
5.2.5 Biến dạng bê tông Quan hệ lực và biến dạng bê tông được thé hiện trên Hình 5.20 Quan hệ lực và biến dạng bê tông khá tương đồng với quan hệ lực - chuyển vị, như đã trình bày trong Mục 5.2.2. Đối với các dầm không gia cường, giá trị biến dạng bê tông đều xấp xỉ giá trị biến dang nén cho phép €.,=3%o0, tại thời điểm dam bị phá hoại Đối với các dầm gia Cường tắm CFRP, tại thời điểm dầm đạt tải đỉnh, gia tri bién dang bé tong dao dong từ 0.88%o đến 1.3%o, đạt khoảng 30 đến 43% giá trị biến dang nén cho phép
~ 604 ở ~ 60 4 Bỏ 10 - —?° 10 + “HSA ˆ | 6 | TL ree rr B-2-DW45 20 ơ eaten wees A-2-DW45 20 lẽ — ———- B-4 ị
Biên dạng bề tong - €, (%o) Biến dạng bê tông - e„ (%o)
(c) Dam nhóm C Hình 5.20 Quan hệ lực — biến dạng bê tông của các nhóm dầm
5.2.6 Biến dạng cốt thép Quan hệ lực và biến dạng cốt thép được thể hiện trên Hình 5.21 Quan hệ lực và biến dạng bê tông khá tương đồng với quan hệ lực - chuyển vị, như đã trình bày trong Mục 5.2.2.
Biên dang giữa dâm - Exp mig (%o) Biên dạng giữa dam - £¿+„ mig (6o)
Bien dạng gitta dam - E25 mig (%0)
(c) Dam nhóm C Hình 5.21 Quan hệ lực — biến dạng cốt thép giữa nhịp của các nhóm dam Cốt thép trong các dầm không gia cường, gia cường 2 và 4 lớp CFRP đạt đến biến dạng chảy dẻo lần lượt ở các cấp tải 75 KN (65% tải phá hoại), 105 kN (76% tải pha hoại), và 115kN (73% tải phá hoại) Kết qua nay cho thấy, gia cường 2 hoặc 4 lớp CFRP làm gia tăng tải trọng chảy dẻo cốt thép tương ứng 40% và 53% so với dầm không gia cường Nói cách khác, tam CFRP đã làm chậm thời điểm chảy dẻo của cốt thép và gián tiếp làm tăng độ cứng cho dầm, dẫn đến việc kiểm soát tốt vết nứt trong dầm và giảm chuyền vị cho dầm như đã đẻ cập ở trên. Đối với các dầm gia cường tam CFRP, tại thời điểm dầm dat tải đỉnh, giá trị biến dạng cốt thép dao động từ 5.91%o đến 7.919o.
5.2.7 Anh hưởng của số lớp gia cường CFRP đến hiệu quả gia cường kháng uốn Ảnh hưởng của số lớp gia cường CFRP đến hiệu quả gia cường kháng uốn được thé hiện thông qua Hình 5.22 Theo như kết quả đã trình bày trong Bảng 5.2 Các dầm gia cường 2 lớp CFRP, kha năng chịu lực gia tăng từ 19% đến 21% so với dam đối chứng Dâm gia cường 4 lớp CFRP, khả năng chịu lực gia tăng từ 34% đến 38% so với dầm đối chứng Điều này cho thấy răng hiệu quả gia cường kháng uốn gia tăng theo sự gia tăng của số lớp gia cường Sự gia tăng khả năng chịu lực khi mà số lớp gia cường CFRP tăng hoàn toàn phù hợp với ứng xử và hiệu quả của nó trong việc gia tăng độ cứng cua dâm, hạn chê sự gia tăng chuyên vi và sự mở rộng của vet nut trong dâm.
Ss ODAM NHOM B A ey 30 - ADAM NHOM C
0 2 4 So lớp gia cường kháng uôn CFRP
Hình 5.22 Hiệu quả gia cường kháng uốn theo số lớp gia cường CFRP
5.2.8 Anh hướng của mức độ ăn mòn cốt thép đến hiệu qua gia cường kháng uốn
Qua việc phân tích số liệu thực nghiệm của chuyển VỊ giữa dầm, bề rộng vết nứt, biến dang tam CFRP, biến dạng của bê tông và biến dạng cốt thép dưới tác dụng ăn mòn của môi trường khô/ướt nước mặn với các mức độ ăn mòn khác nhau, cho thấy việc cốt thép bị ăn mòn gây ảnh hưởng xấu đến ứng xử của dam, từ đó chúng có thé ảnh hưởng đến hiệu qua gia cường kháng uốn dầm bằng phương pháp sử dụng tam CFRP dán ngoài Các số liệu cụ thé này đã được trình bay trong Bang 5.2 Có thé thấy răng, các mẫu dầm có cùng cấu hình gia cường (số lớp gia cường CFRP như nhau), mức độ ăn mòn càng cao, khả năng chịu lực của chúng càng suy giảm Theo đó, các dầm có mức độ ăn mòn 2.03% (tương ứng bị ăn mòn 45 chu kỳ khô/ướt nước mặn) khả năng chịu lực suy giảm 2.5%, 2.0%, 3.1% (tương ứng 0, 2, 4 lớp
6,00 5 [2 LGP CFRP A
Hình 5.23 Sự suy giảm khả năng chịu lực theo mức độ ăn mòn cốt thép
5.2.9 Anh hướng của tac động môi trường khô/ướt nước mặn lên tam CFRP đến hiệu quả gia cường kháng uốn
Qua việc phân tích số liệu thực nghiệm của chuyển VỊ giữa dầm, bề rộng vết nứt, biến dạng tam CFRP, biến dạng của bê tông va biến dạng cốt thép của các dầm gia cường 2 lớp tam CFRP cho trường hợp tam CFRP không chịu tác động của môi trường khô/ướt nước mặn (các dam A-2, B-2, C-2) và trường hợp tam CFRP chịu tác động của môi trường khô/ướt nước mặn (các dam A-2-DW45, B-2-DW45, C-2- DW90) Có thé thay rằng môi trường khô/ướt nước mặn tác động lên tam CFRP gây ảnh hưởng xâu dén ứng xử của dam, từ đó chúng có thê ảnh hưởng đền hiệu quả gia cường kháng uốn dầm bằng phương pháp sử dụng tam CFRP dán ngoài Hình 5.24 thé hiện mức độ suy giảm hiệu qua gia cường kháng uốn của dam có tam CFRP chịu tac động của môi trường khô/ướt nước mặn Theo đó, hiệu quả gia cường cua tắm CFRP suy giảm 2.6% và 3.4% sau 45 chu kỳ tiếp xúc, giảm 4.2% sau 90 chu ky tiếp xúc Thời gian tiếp xúc càng lâu thì sự suy giảm khả năng chịu lực của dầm càng lớn Nhưng nhìn chung, tổng mức suy giảm là không đáng kế (lớn nhất vào khoảng 4.2%) Mức độ suy giảm nhỏ này có thể là do thời gian tiếp xúc của các mẫu dầm được mô phỏng trong phòng thí nghiệm chưa thật sự đủ lâu.
4.00 + LÌ
KIEM CHUNG CÔNG THUC TÍNH TOÁN
6.1 TÍNH TOÁN THEO TIỂU CHUAN ACI 440.2R (2017) 6.1.1 GIÁ THUYET TÍNH TOÁN
Nguyên lý tính toán gia cường cấu kiện chịu uốn sử dụng tắm CFRP dán ngoài trình bày trong tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) về cơ bản dựa trên lý thuyết về trạng thái giới hạn, tương tự như cho trường hợp thiết kế kết cau truyền thống ACI 440.2R (2017) sử dụng các điều khoản tính toán hiện đang sử dụng cho kết cầu BTCT, trong đó các công thức tính toán dựa trên một số giả thuyết sau:
Bê tông chịu nén, không tham gia chịu kéo.
Sự phân bố của ứng suất nén trong bê tông vùng nén được quy thành phân bồ đều, theo dạng khối chữ nhật, có chiều cao khối tính từ thớ bê tông chịu nén ngoài cùng là x=/;c, với c là chiều cao vùng bê tông chịu nén và /; là hệ số phụ thuộc cường độ chịu nén của bê tông. Ứng suất nén lớn nhất trong khối chữ nhật tương đương bang 0.85/’, Biến dạng nén tối đa trong bê tông là 0.003.
Quan hệ ứng suất — bién dạng của cốt thép có dạng song tuyến tính, chỉ xét cốt thép chịu kéo, không xét đến cốt thép chịu nén.
Biến dạng cốt thép và bê tông tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách từ trục trung hòa (giả thiết Bernoulli).
Tắm CFRP và bê tông bám dính tuyệt đối Thực tế, có sự tổn tại biến dạng trượt tương đối giữa tâm CFRP và bê tông do sự biến dạng của lớp keo dính. Đề đảm bảo tính an toàn cho giả thiết này, hệ số chiết giảm cường độ được kế đến trong tính toán.
Biến dạng trượt trong lớp keo dính được bỏ qua bởi vì lớp keo dính rất mỏng với sự thay đôi độ dày nhỏ.
Tam FRP ứng xử đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại. Đa số các dầm bị phá hoại uốn kết hợp việc bong tách tắm CFRP và bê tông,nên giả thiết trước biến dạng hữu hiệu ¢;, bằng biến dạng bong tách tamCFRP thiết kế được tinh theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017).
6.1.2 PHƯƠNG PHAP TÍNH TOÁN Phương pháp tính toán được dựa trên quan hệ tương thích bién dạng, phương trình cân bằng lực ứng với trạng thái giới hạn bền và giả định về kiểu phá hoại mong muốn (phá hoại kiểu Debonding) Phương pháp thử - sai được sử dụng Theo đó, chiều cao vùng nén bê tông c được giả định; ứng suất hữu hiệu của tắm CFRP được giả thiết bằng biến dang bong tách tam CFRP ( Ea), từ đó bién dạng bê tông vùng nén, và của tâm CFRP được xác định Sau đó, phương trình cân băng lực được thiết lập lại và tính lại chiều cao vùng nén của bê tông c Qua các vòng lặp, chiều cao vùng nén c và kiểu phá hoại tương ứng được xác định Độ bền kháng uốn của dầm là tong của cường độ kháng uốn của thép chịu kéo và của tam CFRP.
6.1.3 KIEM CHUNG CONG THỨC TÍNH TOÁN a Mô hình tính toán
(a) Trục trung hòa đi qua cánh by &c
L l1 + h afc khiếu — aman Ports As :
Af E fe f (b) Truc trung hòa di qua sườn
Hình 6.1 Mô hình tính toán khả năng kháng uốn dam tiết diện chữ T theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017)
Kiểu phá hoại: Cốt thép đã chảy dẻo, bong tách tâm CFRP với bê tông (Debonding) b Quy trình tính toán
Bước 1: Tính toán cường độ kéo va biến dạng kéo cực hạn của tam CFRP
Hệ số giảm ảnh hưởng môi trường Cz (Tra bảng 9.4 ACI 440.2R (2017)), Cr = 0.85 đối với các dầm tam chịu tác động của môi trường khô/ướt (dầm A-2-DW45, dầm B-2-DW45, dầm C-2-DW90), Cz= 0.95 đối với các dầm còn lại
Cường độ chịu kéo lớn nhất của tâm : Jụ = Ce F ju (6.1) Voi fry là cường độ chịu kéo cực hạn cua tam FRP được cung cấp bởi nhà sản xuất.
Biến dạng chiu kéo tối đa của tam : Ey, = Ce cụ (6.2) Với Em là bién dạng kéo tối đa của tâm FRP được cung cấp bởi nha sản xuất.
Bước 2: Xác định đặc tính vật liệu Đặc tính vật liệu bê tông:
Hệ số khối ứng suất 1.05 - 0.05 (63)
Modul đàn hồi : E = 4700 f! (6.4) Với f’ (Mpa) là cường độ chịu nén của bê tông mẫu tru tròn, /„ được xác định từ kết quả thực nghiệm
Dién tich mat cat ngang tiét dién dam
Khoảng cách từ thớ trên đến trọng tâm tiết diện h; h-h b, ony : 2 y,= ,mm (6.7)
Moment quan tinh cua tiét dién bh’ h,Y bỈh-h,} hth, \) 4 lui $+ bl, aT ,mm (6.8)
Bán kính quán tính của tiết diện
1 r= |—,mm (6.9) cg Đặc tinh vật liệu cốt thép:
Diện tích cốt thép chịu kéo : Ag = Ns x (1- C) (6.10)
Với C là mức độ ăn mòn cốt thép (%)
Vật liệu CFRP gia cường
Diện tích tâm CFRP gia cường : Ap=ntywy (6.11) Với n là số lớp CFRP gia cường kháng uốn; ty (mm) là chiều dày mỗi tam CFRP; Wr (mm) là bề rộng tam CFRP
Bước 4: Giả thiết chiều cao vùng chịu nén c Bước 5: Xác định biến dạng hữu hiệu vật liệu CFRP gia cường đáy dam (&;)
Bước 6: Kiểm tra biến dạng cốt thép thỏa với giả thiết ban đầu eo (6.13)
Bước 7: Xỏc định ứng suất trong cốt thộp va ứng suất hữu hiệu tam CFRP (o,; ỉ;) Ứng suất trong cốt thép : 0, = E,£, (6.14) Ứng suất hữu hiệu CFRP gia cường day dầm : Or = Ep Ee (6.15) Bước 8: Tính các hệ số quy đổi cho khối ứng suất nén tương đương bê tông Tính biến dạng trong bê tông tại thời điểm phá hoại £, = eo) (6.16) Cc
Biên dạng nén tôi đa cua bê tông £'= : (6.17)
Các hệ số œ, 8, được tính toán theo tiêu chuan ACI 318-14
Bước 9: Từ phương trình cân bang lực, tính lại chiều cao vùng nén c
Trường hợp trục trung hòa qua cánh: c= fr (6.19) ỉ O;
Trường hợp trục trung hòa qua sườn:
Bước 10: Điều chỉnh lại giá trị c và lặp lại các bước tính toán từ bước Š đến bước 9 cho đến khi điều kiện cân bằng được thỏa mãn
Bước 11: Tính toán độ bền kháng uốn danh định Độ bên kháng uốn của thép : M, =A,o,(d - —) (6.21) Độ bền khỏng uốn của tắm CERP :— M;=Aứ(h- =) (6.22) Độ bên kháng uốn của bê tông bản cánh :
M„„ =0.5 ⁄, C- b( c- hy (6.23) Độ bên kháng uốn danh định trường hop trục trung hòa qua cánh :
M, = ®[M,+ #M,] (6.24) Độ bên kháng uốn danh định trường hợp trục trung hòa qua sườn :
Trong đó: Hệ số giảm cường độ (PD) và hệ số chiết giảm vật liệu gia cường ( #2 lay bang 1
Bước 12: Moment lớn nhất do trọng lượng ban thân dam va tai thí nghiệm gây ra: uy di, Ply
6.2 TÍNH TOÁN THEO TIỂU CHUAN CNR-DT 200 (2013) 6.2.1 GIÁ THUYẾT TÍNH TOÁN
Nguyên ly tính toán gia cường cấu kiện chịu uốn sử dụng tắm CFRP dán ngoài trình bày trong tiêu chuẩn CNR-DT 200 (2013) dựa trên lý thuyết về trạng thái giới hạn, tương tự như cho trường hợp thiết kế kết cấu truyền thống, trong đó các công thức tính toán dựa trên một số giả thuyết sau:
= Tiết diện vẫn còn phăng khi tới trạng thái cực hạn. ằ Bờ tụng chịu nộn, khụng tham gia chịu kộo.
= Biến dạng trượt trong lớp keo dính được bỏ qua bởi vì lớp keo dính rất mỏng với sự thay đối độ dày nhỏ.
= Biến dạng nén tối đa trong bê tông là 0.003.
= Da số các dầm bị phá hoại uốn kết hợp việc bong tách tam CFRP và bê tông, nên giả thiết trước bién dạng hữu hiệu Efe bang bién dang bong tach tam CFRP thiết kế được tính theo tiêu chuan CNR-DT 200 (2013).
6.2.2 PHƯƠNG PHAP TÍNH TOÁN Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn CNR-DT 200 (2013) giống như tiêu chuẩn
6.2.3 KIEM CHUNG CONG THUC TINH TOAN a Mô hình tính
4 by 1} & Fed C C ị x=§d |/ : h d ef dị Es Ts
Hình 6.2 Mô hình tính toán khả năng kháng uốn dam tiết diện chữ T theo tiêu chuan CNR-DT 200 (2013) Kiểu phá hoại: Cốt thép đã chảy dẻo, bong tach tam CFRP với bê tông (Debonding) b Quy trình tính toán
Bước 1: Tính toán cường độ kéo va biến dạng kéo cực hạn của tam CFRP
Gia tri cường độ tính toán lớn nhất của tấm CFRP: k, [E, 2k,ke, t FC Sem S etm (6.27) đa 2 —
Với kg là hệ số hiệu chỉnh đã được hiệu chuẩn theo các kết quả thực nghiệm va bang 0.1mm, không phụ thuộc vào loại cốt thép: k„ là hệ số xem xét tải trọng phân bó, và bang 1.25 cho tải phân bố, băng 1 cho các tải còn lại; FC là hệ số tin cậy lấy bang 1; 7;a là các hệ số an toàn riêng phần (được xác định theo 3.4.2, Yea = 1s fems fem là giá tri cường độ bê tông chịu nén và chịu kéo, f.,, được xác định từ kết quả thực nghiệm, f., được xác định theo bang 3.1 tiêu chuẩn Eurocode 2 k, là hệ số điều chỉnh hình học va là ham của tỷ số giữa bề rộng tam FRP và bề rộng dầm bê tông, k 2—w,/b `
Với w/b = 0.25 (nêu w/b 0.25, k, lay bang 1) Biến dang tam CFRP lớn nhất do bong tach tại giữa dầm, gây ra bởi các vết nứt Ẩ fdd f ,2 uôn: E jag = 2 €,, —Ếg (6.29)
Với &y là biến dạng chảy dẻo của cốt thép; & là biến dạng chịu kéo lớn nhất của thép trước khi gia cường FRP (xác định theo 4.2.2.2 tiêu chuẩn CNR-DT 200 (2013)),
&) = 0; E; là modul đàn hồi của tâm CFRP.
Biến dạng kéo cực hạn của tắm CFRP: £ Liên min | f
KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
7.1 KÉT LUẬN Đề tải nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tô môi trường khô/ướt (nước mặn) đến hiệu quả gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) tiết diện chữ T đã bị hư hỏng do hiện tượng xâm thực (cốt thép bị ăn mòn).
Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 12 dầm được chia làm 3 nhóm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc chịu lực khác nhau (không bị ăn mòn; bi ăn mòn chịu 45 chu ky (ngày) khô/ướt nước man, độ mặn 15%; bị ăn mòn 90 chu ky khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%) Mỗi nhóm gồm 4 dâm, trong đó có 1 dam đối chứng và 2 dầm gia cường lưới sợi CERP với số lớp lần lượt là 2 và 4 lớp, 1 dầm gia cường 2 lớp lưới sợi CFRP đồng thời chịu tác động của môi trường khô/ướt (nước mặn) Dựa trên các kết quả đạt được từ dé tài, một sô kết luận có thé được rút ra như sau:
L1 Cốt thép bị ăn mòn (trong thời gian từ 45 đến 90 ngày) từ 2.0% đến 4.3% (tính theo khối lượng) làm suy giảm hiệu qua gia cường kháng uốn của tam CFRP cho dầm từ 3.4% đến 6.2% Mức độ ăn mòn càng cao, hiệu quả gia cường của tam CFRP càng suy giảm Mức độ suy giảm hiệu quả gia cường của tam CFRP trong nghiên cứu nay hầu như khá nhỏ là do quá trình khảo sát xâm thực mẫu thực nghiệm diễn ra trong thời gian ngăn nên mức độ ăn mòn của cốt thép chưa đáng kể Dựa trên kết quả ngoại suy, trong trường hợp cốt thép bị ăn mòn 34 % khối lượng hiệu qua gia cường kháng uốn của tam CFRP có thé lên đến 52%.
Nham đảm bảo tinh an toàn cho công tác thiết kế gia cường trong thực tiễn, đặc biệt với các công trình chịu tác động mạnh bởi yếu tố xâm thực của môi trường, rất can có thêm những nghiên cứu tiếp theo dé có thể đánh giá chính xác, toàn điện hơn về van đề nay.
O Tác động môi trường khô/ướt nước mặn lên tâm CFRP làm giảm:
- hiệu qua gia cường kháng uốn của tam CFRP từ 2.6% và 3.4% sau 45 chu ky tiếp xúc, và 4.2% sau 90 chu kỳ Thời gian tiếp xúc cảng lâu, sự suy giảm hiệu quả gia cường của tam CFRP càng lớn;
- lực bám dính giữa tâm CFRP và bề mặt bê tông dẫn đến thay đổi hình thái bong tách, từ bong tách và kéo theo lớp bê tông bảo vệ sang cơ chế trượt hoàn toàn theo bề mặt lớp bê tông bảo vệ;
- giá trị biến dạng tam CFRP lớn nhất từ 11% đến 13% sau 45 chu kỳ, và 20% sau 90 chu kỳ tiếp xúc.
Tam CFRP làm gia tăng đáng kế khả năng kháng uốn của các dầm Mức độ gia tăng khả năng kháng uốn của dầm gia cường tăng theo số lớp tắm gia cường, từ 19 đến 21% đối với dầm gia cường 2 lớp CFRP và từ 34 đến 38% đối với dầm gia cường 4 lớp CFRP: làm chiết giảm bề rộng vết nứt khoảng 38% so với dam không gia cường: tăng tải trọng chảy dẻo cốt thép lên từ 40% đến 53% so với dầm không gia cường:
Hướng dẫn thiết kế ACI 440.2R (2017) đánh giá khá cao hiệu quả làm việc của tắm CFRP cho trường hợp dầm BTCT có cốt thép bị ăn mòn so với giá trị thực nghiệm, thể hiện qua giá trị trung bình (Mean) và hệ số biến thiên (COV) của tỉ SỐ ỉz„Ac//#e„ lần lượt là 1.27 và 0.11 Tuy vậy, hướng dẫn nay lại dự đoỏn kha năng kháng uốn của dầm gia cường tam CFRP rất sát với kết quả thực nghiệm, thể hiện qua giá trị trung bình (Mean) và hệ số biến thiên (COV) của tỉ số mô- men kháng uốn tính theo lý thuyết và theo thực nghiệm My cại Act ( Muexp lần lượt là 0.96 và 0.02 Trong bối cảnh số lượng các nghiên cứu về khả năng kháng uốn của dầm BTCT bị ăn mòn được gia cường tim CFRP còn rất hạn chế, đặc biệt là cho trường hợp dầm tiết diện chữ T, cần có thêm các nghiên cứu tiếp theo nhăm làm sáng tỏ vân đê trên;
Hướng dẫn thiết kế CNR-DT 200 (2013) cho kết quả dự đoán hiệu quả làm việc của tam CFRP và khả năng kháng uốn của dầm gia cường tam CFRP ở mức độ an toàn cao hơn so với ACI 440.2R (2017), thé hiện qua giá trị Mean va COV của ti SỐ #rq.cNR / £rxxp Và Mucatcnr / Muexp lan lượt là 0.72 và 0.11, và 0.76 và 0.02.
Hệ số xét ảnh hưởng môi trường đến sự làm việc của tấm, Cz, trong tiéu chuẩn ACI 440.2R (2017) và tiêu chuẩn CNR-DT 200 (2013) thực sự chỉ mới đơn thuần phan ánh ở cấp độ vật liệu và hệ số này không làm ảnh hưởng đến kết quả tính toán khả năng kháng uốn của dầm gia cường CFRP trong các môi trường khác nhau Vì vậy, đề tài này đã đề xuất một hệ số chiết giảm theo thời gian ở cấp độ cầu kiện phục vụ cho tính toán khả năng kháng uốn đầm BTCT tiết điện chữ T gia cường lưới sợi CFRP cho trường hop dam bị xâm thực bởi môi trường khô/ướt (nước mặn) cho trường hợp dầm gia cường 2 lớp CFRP Hệ số dé xuất này giúp cho việc dự đoán kha năng kháng uốn của cấu kiện gia cường tắm CFRP làm việc trong môi trường xâm thực được hợp lý hơn.
Do thời gian thực hiện dé tài có hạn, nên đề tài chỉ dùng lại ở mức độ nghiên cứu trên 12 dầm BTCT, thời gian tác động của môi trường chỉ đến 90 chu kỳ (ngày), và mức độ ăn mòn chỉ đạt 4.3% Dựa trên kết quả nghiên cứu đạt được, tác giả kiến nghị hướng phát triển mới của dé tài:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường khô/ướt nước mặn với nhiều mức độ tác động khác nhau để xây dựng mô hình dự đoán chính xác khả năng kháng uốn của dầm BTCT gia cường CFRP trong trường hop tam bị tác động bởi môi trường khô/ướt nước mặn theo thời gian.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép với nhiều mức độ ăn mòn khác nhau để xây dựng mô hình dự đoán chính xác khả năng kháng uốn của dầm BTCT gia cường CFRP trong trường hợp cốt thép bị ăn mòn do môi trường khô/ướt nước mặn.
ACI Committee 440 2R (2017) Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening of concrete structures,” Reported by ACI Committee 440.
CNR DT 200 RI (2013) Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures - Materials,” RC and PC structures, masonry structures.
Attari, N., Amziane, S and Chemrouk, M (2012) "Flexural Strengthening of Concrete Beams Using CFRP, GFRP And Hybrid FRP Sheets." Construction and Building Materials, 37(0), 746-757.
Au, C and Biiyiikoztiirk, O (2006) Peel and Shear Fracture Characterization of Debonding in FRP Plated Concrete Affected by Moisture Journal of Composites for Construction, 10(1), 35-47.
Dong, J., Quan, Q., and Guan, J (2013) “Structural Behaviour of RC Beams with External Flexural and Flexural Shear Strengthening by FRP Sheets Composites Part B ; Engineering, 44, 604-612.
Grace, N.F.,and Singh, S.B (2005) Durability Evaluation of Carbon Fiber- Reinforced Polymer Strengthened Concrete Beams: Experimental Study and Design.
Soudki, K., El-Salakawy, E., and Craig, B (2007).“Behavior of CFRP strengthened reinforced concrete beams in corrosive environment Journal of Composites for Construction, 11(3), 291-298.
Chajes, M J., Thomson Jr, T A., and Farschman, C A (1995).“Durability of concrete beams externally reinforced with composite fabrics Construction and Building Materials, 9(3), 141-148.
Nanni, A (1995,) Concrete Repair with Externally Bonded FRP Reinforcement.
[19] reinforced concrete beams shear strengthened with composite jackets Composites Part B : Engineering, 78, 361-378.
Norris, T.,Saadatmanesh, H., and Ehsani, M., (1997) Shear and Flexural Strengthening of R/C Beams with Carbon Fiber Sheets Journal of Structural Engineering, 123 (7), 903-911.
Sen, R., Shahawy, M., Mullins, G., and Spain, J (1999) Durability of Carbon Fiber- Reinforced Polymer/Epoxy/Concrete Bond in Marine Environment ACI Structural Journal, 96 (6), 906-914.
Choi, S., Gartner, A L., Etten, N V., Hamilton, H R., and Douglas, E P (2012).
Durability of concrete beams externally reinforced with CFRP composites exposed to various environments Journal of Composites for Construction, 16(1), 10-20.
Karbhari, V M., and Engineer, M (1996) Effect of environmental exposure on the external strengthening of concrete with composites-short term bond durability.
Journal of Reinforced Plastics and Composites, 15(12), 1194-1216.
Silva, M.A.G., and Biscaia, H (2008) Degradation of bond between FRP and RC beams Composite Structures, 85, 164-174.
El-Dieb, A.S., Aldajah, S., Biddah, A., Hammami, A (2012) Long-Term Performance of RC Members Externally Strengthened by FRP Exposed to Different Environments Arab J Sci Eng, 37, 325-339.
Silva, M.A.G., Biscaia, H., and Marreiros, R (2013) Bond-slip on CFRP/GFRP-to- concrete joints subjected to moisture, salt fog and temperature cycles Composites Part B : Engineering, 55, 374-385.
Al-Mahmoud, F., Mechling, J.M., and Shaban, M (2014) Bond strength of different strengthening systems — Concrete elements under freeze-thaw cycles and salt water immersion exposure Construction and Building Materials, 70, 399-409.
Fernandes, P., Silva, P., Correia, L., and Sena-Cruz, J (2015) Durability of an epoxy adhesive and a CFRP laminate under different exposure conditions SMAR 2015 —Third Conference on smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation on CivilStructures.
[29] behavior between CFRP plates and concrete substrate Construction and Building Materials, 101, 326-337.
Hassan, T., and Rizkalla, S., 2002, “Flexural Strengthening of Prestressed Bridge Slabs with FRP Systems,” PCI Journal, 47(1), 76-93.
Dai, J.G., Ueda, T., Sato, Y., and Ito, T (2005) Flexural strengthening of RC beams using externally bonded FRP sheets through flexible adhesive bonding”, Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures (BBFS 2005) Chen and Teng (eds), 205-214.
Grande, E., Imbimbo, M., and Rasulo, A (2009) Effect of Transverse Steel on the Response of RC Beams Strengthened in Shear by FRP: Experimental Study J.
Bousselham, A., Chaallal, O (2006) Effect of transverse steel and shear span on the performance of RC beams strengthened in shear with CFRP Composites Part B: