Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng của môi trường xâm thực đến độ bền bám dính của tấm sợi gia cường với bê tông

Từ kết quả từ thực nghiệm này, tính toán các giá trị ứng suất, độ trượt của tấm CFRP và thiết lập ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và thời gian đến ứng xử bám dính – trượt của tấm CFR

Nhựa FRP

Hình 2-1 Thành phần cấu tạo của FRP

Vật liệu sợi gồm hàng ngàn sợi nhỏ (đường kính khoảng vài m); các sợi liên tục với chiều dài không giới hạn thường dùng trong kết cấu xây dựng còn các sợi ngắn (chiều dài 10-50mm) thường dùng để phủ lên tàu thủy Sợi chiếm tỷ lệ lớn về khối lượng trong FRP hơn so với vật liệu nền (khoảng 60~70%) Các tính chất cơ học đặc trưng của sợi đều tốt hơn chất nền Tuy nhiên, sợi không thể sử dụng độc lập được mà phải sử dụng chung với chất nền để có thể phát huy các đặc tính tốt của nó Vật liệu sợi gồm 3 loại

Sợi gia cố

PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

Bê tông của mẫu thử có cường độ chịu nén là 40 MPa Cấp phối chi tiết trình bày trong Bảng 3-1, Cường độ chịu nén f cc,cube và kéo chẻ f ct,cube của bê tông được xác định thông qua kết quả nén mẫu lập phương 150mm150mm150mm được thể hiện trong Bảng 3-1

Bảng 3-1 Cấp phối bê tông M400

Thành phần Mô tả Khối lượng /m 3

Xi măng Hà Tiên PC40 430 kg Đá 1x2 (Tân Đông Hiệp) Dmax = 20mm 1057 kg

Cát sông (An Giang) Mdl= 2 504 kg

Cát nghiền (Đồng Nai) 216 kg

Nước Nước sinh hoạt 180 kg

Phụ gia Mighty SR-KAO 5.06 lít

Mỗi cấp cường độ chịu nén bê tông lấy 06 mẫu gồm 3 mẫu nén và 03 mẫu kéo chẻ Các mẫu được lấy ở các mẻ trộn khác để đảm bảo sự đồng nhất về cường độ và được tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4453 (1995)

Bảng 3-2 Cường độ chịu nén và chịu kéo của các mẫu thí nghiệm

Kí hiệu mẫu thí nghiệm

Nhóm A (f c.cube = 45 MPa) 1 2 3 Trung bình (MPa)

Cường độ chịu kéo chẻ 3.3 4.7 3.9 3.9

Hình 3-1: Thí nghiệm nén và kéo chẻ bê tông: (a) mẫu thí nghiệm; (b) kiểu phá hoại nén và kéo chẻ bê tông Cường độ nén và kéo mẫu lập phương được quy đổi từ cường độ nén mẫu trụ sử dụng công thức chuyển đổi f c '  0.8 f c cube ,  33.76( MPa ) và f t  0.53* f c '  3.1( MPa )

Tấm sợi các-bon ADCOS CARBOTEX UD 300 và keo epoxy loại CARBOTEX MPREG Các đặc trưng cơ học chính của sản phẩm này được liệt kê ở Bảng 3-3

Bảng 3-3 Các đặc trưng cơ học của tấm sợi các-bon ADCOS CARBOTEX UD 300 Đặc tính cơ học Tấm sợi carbon UD300 (CFRP)

Trọng lượng (g/m 2 ) 300 Độ dày (mm) 0.166

Cường độ kéo (N/mm 2 ) 4900 Độ giãn dài tới đứt (%) >2%

Mô đun đàn hồi (GPa) 240

Thí nghiệm khảo sát biến dạng của liên kết tấm CFRP và bê tông được ngâm trong các môi trường xâm thực đã nêu trong thời gian khảo sát 6 tháng với chu kỳ thí nghiệm là 1 tháng Từ các biến dạng tấm CFRP đo được, tính toán các kết quả ứng suất bám dính và độ trượt của liên kết bám dính giữa tấm CFRP và bê tông theo các chu kỳ thời gian 1 tháng trong các môi trường khảo sát

Khảo sát thực nghiệm tiến hành với 60 mẫu chia làm 3 nhóm thí nghiệm với 3 môi trường xâm thực : nước ngọt , nước mặn, nước kiềm Mỗi nhóm gồm 18 mẫu dán tấm CFRP Chi tiết trình bày trong Bảng 3-4

Bảng 3-4 Các mẫu thí nghiệm môi trường ngâm

Không ngâm Nước ngọt Nước mặn Nước kiềm CK1 (30 ngày) SC-LAB-01

SC-NN-01-1 SC-NM-01-1 SC-NK-01-1 SC-NN-01-2 SC-NM-01-2 SC-NK-01-2 SC-NN-01-3 SC-NM-01-3 SC-NK-01-3 CK2 (90 ngày) SC-LAB-02

SC-NN-02-1 SC-NM-02-1 SC-NK-02-1 SC-NN-02-2 SC-NM-02-2 SC-NK-02-2 SC-NN-02-3 SC-NM-02-3 SC-NK-02-3 CK3 (120 ngày) SC-LAB-03

SC-NN-03-1 SC-NM-03-1 SC-NK-03-1 SC-NN-03-2 SC-NM-03-2 SC-NK-03-2 SC-NN-03-3 SC-NM-03-3 SC-NK-03-3 CK4 (120 ngày) SC-LAB-04

SC-NN-04-1 SC-NM-04-1 SC-NK-04-1 SC-NN-04-2 SC-NM-04-2 SC-NK-04-2 SC-NN-04-3 SC-NM-04-3 SC-NK-04-3 CK5 (150 ngày) SC-LAB-05

SC-NN-05-1 SC-NM-05-1 SC-NK-05-1 SC-NN-05-2 SC-NM-05-2 SC-NK-05-2 SC-NN-05-3 SC-NM-05-3 SC-NK-05-3 CK6 (180 ngày) SC-LAB-06

SC-NN-06-1 SC-NM-06-1 SC-NK-06-1 SC-NN-06-2 SC-NM-06-2 SC-NK-06-2 SC-NN-06-3 SC-NM-06-3 SC-NK-06-3

Mẫu thí nghiệm có kích thước 500×200×150 mm (Hình 4.2) Bề mặt mẫu tại vị trí lắp đặt tấm gia cường CFRP được mài phẳng và làm sạch khoảng 30 ngày sau khi đúc mẫu

Tấm CFRP có kích thước dán là 50×250 mm Để đảm bảo tấm CFRP đạt đủ cường độ, thời gian đông cứng của tấm tối thiểu là 7 ngày sau khi dán Các mẫu thí nghiệm sau khi dán được đem ngâm vào các môi trường xâm thực Tiến hành thí nghiệm khảo sát bám

Kí hiệu tên mẫu SC-NN-01-1 số thứ tự mẫu Môi trường Chu kì

Trang 21 dính của tấm CFRP và bê tông sau 6 chu kỳ, mỗi chu kỳ cách nhau 1 tháng, tiến hành với 3 mẫu mỗi môi trường khảo sát Chi tiết kích thước mẫu được thể hiện trên Hình 3-2

Hình 3-2 Chi tiết mẫu thí nghiệm

3.2.3 Quá trình thi công mẫu:

Sử dụng ván cốp pha chiều dày 18 mm để đóng khung đúc mẫu thí nghiệm (Hình 3-3)

Hình 3-3 Công tác ván khuôn

Trang 22 Bê tông cấp phối M400 được trộn sẵn tại nhà máy bê tông Các mẫu sau khi ngâm dưỡng hộ đủ 28 ngày được làm khô, mài phẵng bề mặt để dán tấm

Hình 3-4 Công tác đổ bê tông

Hình 3-5 Các mẫu sau khi đổ

Hình 3-6 Công tác tháo dỡ ván khuôn và ngâm dưỡng hộ 28 ngày Tấm CFRP được cắt theo kích cỡ cho trước bằng dao rọc giấy Công tác cắt được thực hiện cẩn thận nhằm trách làm đứt và thay đổi cấu trúc sợi trong tấm Keo dán được cân chính xác, trộn và đánh đều bằng máy (Hình 3-7) Trước khi thực hiện thao tác dán tấm,

Trang 23 bề mặt bê tông nơi cần dán tấm được làm sạch một lần nữa Sau khi bề mặt đã được làm sạch và khô, keo được quét lên bề mặt bê tông bằng chổi rulo với hàm lượng keo theo quy định của nhà sản xuất.Sau đó tấm sợi các-bon khô được tẩm keo và phủ lên bề mặt bê tông và được tẩm keo một lần nữa (Hình 3-8)

Công tác cắt tấm CFRP

Hình 3-7 Công tác chuẩn bị tấm FRP và pha keo

Trang 24 a) Phủ keo bề mặt tấm CFRP b) Phủ keo bề mặt bê tông c) Dán tấm CFRP lên mẫu bê tông

Hình 3-8 Công tác dán tấm CFRP lên bề mặt bê tông Các tấm CFRP sau khi dán được bảo quản trong điều kiện khô ráo trong phòng thí nghiệm (Hình 3-9)

Hình 3-9 Các mẫu sau khi được dán tấm CFRP

3.2.4 Quá trình ngâm mẫu trong các môi trường

Sau 7 ngày, tấm CFRP đạt đủ cường độ cho phép, đem các mẫu ngâm vào các môi trường nước ngọt, nước mặn, nước kiềm Số lượng mẫu ngâm trong từng môi trường là 18 mẫu Các mẫu ngâm trong các môi trường với chu kỳ khô - ẩm là 12h, mỗi ngày 1 chu kỳ trong vòng 6 tháng liên tiếp

(b) Hình 3-10 (a) Các thùng ngâm môi trường; (b) Các mẫu trong các chu kỳ khô ẩm

Hình 3-11 Cân đo lượng hóa chất NaCl, NaOH cần thiết tạo các môi trường ngâm Các mẫu được ngâm trong điều kiện nhiệt ẩm bình thường trong phòng thí nghiệm Với nhiệt độ khoảng 32-33 O C, độ ẩm khoảng 65-70%,độ mặn của môi trường mặn đo và duy trì ở mức S0‰, độ pH của môi trường kiềm đo và duy trì ở pH.(Hình 3-12)

Chu kỳ khô- ẩm được duy trì tự động bằng thiết bị hẹn giờ bơm (Hình 3-13)

Hình 3-12 Đo lường các điều kiện ngâm mẫu: độ mặn,độ pH, nhiệt độ, độ ẩm

Trang 27 Hình 3-13 Thiết bị hẹn giờ theo chu kỳ khô ẩm(1 ngày /1chu kỳ khô - ẩm) Sau chu kỳ 1 tháng trong vòng 6 tháng, các mẫu được lấy ra khỏi thùng ngâm để thí nghiệm kéo trượt Số lượng mẫu mỗi lần lấy là 3 mẫu trong 1 môi trường

Hình 3-14 Lấy mẫu ngâm theo từng đợt ngâm chu kỳ 1 tháng

 Gia tải bằng kích cầm tay có khả năng gia tải tối đa 100 kN,

 Đồng hồ đo giá trị lực

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIỂM CHỨNG

Giới thiệu và nhận xét một số mô hình và công thức tính hiện nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp để xây dựng mô hình ứng suất bám dính – trượt giữa tấm FRP và bê tông như: phương pháp trực tiếp (dựa vào sự phân phối biến dạng); phương pháp gián tiếp (dựa vào quan hệ biến dạng – độ trượt ở vị trí bóc tách); và phương pháp thuần lý thuyết

Bond length c b f b F a) Kéo một mặt b) Kéo một mặt cải tiến

Bond length Bond length c) Kéo hai mặt d d) Kéo uốn

F c b f b F e) Kéo hai đầu Hình 4-1 Một số sơ đồ thí nghiệm kéo tấm FRP

Các mô hình ứng suất bám dính –trượt này được xây dựng dựa trên thí nghiệm kéo tấm FRP ra khỏi mẫu bê tông (pull-out test) Sơ đồ thí nghiệm kéo trượt rất đa dạng (Hình 4-1), có thể chia thành một số dạng chính như: kéo một mặt, kéo một mặt cải tiến, kéo hai mặt, kéo uốn, kéo hai đầu

4.1.1 Một số mô hình ứng suất bám dính – trượt hiện có

Cho đến hiện nay, có rất nhiều tác giả đã xây dựng mô hình ứng suất bám dính – trượt của tấm FRP và bê tông dựa trên các tham số ban đầu về vật liệu (cường độ bê tông, mô-đun đàn hồi FRP, mô-đun đàn hồi keo) và các tham số hình học (bề rộng mẫu bê tông, chiều rộng, chiều dài của tấm FRP, chiều dày keo) Có thể chia thành các nhóm mô hình chính như sau:

Nhóm mô hình dựa theo công thức Popovic (Nakaba, 2001; Savoia, 2003; Guo, 2005;

Feracuti, 2005, 2006; Mazzotti, 2005, 2007, 2008; Bicaia, 2012; Guo, Mazzotti, Feracuti và Savoia) Nakaba đề xuất mô hình 3 tham số dựa theo hàm dạng là công thức Popovic gồm ứng suất bám dính  max phụ thuộc vào cường độ bê tông còn độ trượt s 0 và tham số n là hằng số

Nhóm mô hình theo đề xuất của Dai (Dai, 2002, 2005; Zhou, 2010; Liu, 2012) Mô hình của Dai (công thức 4.16) có 2 tham số chính là tham số độ trượt B và năng lượng bóc tách G f Trong đó tham số B phụ thuộc vào độ cứng của tấm FRP và khả năng kháng

Trang 60 trượt của lớp keo; năng lượng bóc tách G f ngoài các yếu tố trên còn phụ thuộc vào cường độ bê tông Zhou (2010) và Liu (2012) hiệu chỉnh các tham số của mô hình gốc của Dai (tham số ,  ) thu được từ thực nghiệm

Nhóm mô hình theo đề xuất của Lu (Lu, 2004; 2005) Mô hình đơn giản và song tuyến tính của ông được nhiều tác giả sử dụng trong mô phỏng với hai tham số chính là max và s 0 phụ thuộc vào cường độ bê tông, kích thước hình học của tấm FRP và bê tông

Nhóm mô hình theo đề xuất của Yuan (Yuan, 2001, 2003, 2012; Wu, 2002; Teng, 2005, Chen, 2006) Yuan đề xuất mô hình song tuyến tính với ba tham số: ứng suất bám dính lớn nhất max, độ trượt tương ứng s 0 và độ trượt tới hạn s f Các tham số s 0 và s f được lấy trực tiếp, còn max được tính toán từ kết quả kéo một mặt và phụ thuộc vào tính chất cơ học, hình học của tấm FRP

Một số mô hình khác (Neubauer, 1999; Moti, 2003; Guo, 2005; Baky, 2012)

Xây dựng mô hình quan hệ cường độ bám dính -độ trượt của tấm CFRP đối với mẫu bê tông trong trường hợp không bị ảnh hưởng của yếu tố môi trường

Mô hình được đề xuất dựa trên 3 tham số, sử dụng hàm dạng của Popovic và số liệu thí nghiệm từ 38 mẫu (trong đó có 6 mẫu của tác giả), kết hợp với phương pháp hồi qui phi tuyến để tìm các hệ số tương tác Theo đó, một mô hình tổng quát được xây dựng nhằm thể hiện đầy đủ sự tham gia của các yếu tố tính chất cơ học, hình học của bê tông, keo và tấm FRP cũng như sự tương tác giữa chúng

Mô hình được xây dựng dựa trên 3 tham số ứng suất tiếp bám dính , độ trượt s và tham số nhánh mềm hóa n Trong đó,yếu tố ứng suất tiếp bám dính  chịu ảnh hưởng của 2 yếu tố cường độ bê tông f‘c , độ cứng của tấm FRP E f t f ; độ trượt chịu ảnh hưởng vào 3 yếu tố ,chiều dài dán tấm L, cường độ bê tông f ‘ c , độ cứng của tấm FRP E f t f , tham số n chịu ảnh hưởng của yếu tố cường độ bê tông f ‘ c Ngoài ra, các tham số còn xét đến ảnh hưởng của yếu tố bề rộng tấm dán FRP và mẫu bê tông Các tham số lần lượt sẽ được xem xét tương quan với các yếu tố trên theo hàm dạng lũy thừa y=ax b cụ thể như sau:

Trong đó: b w là hệ số xét đến tỷ lệ bề rộng của tấm FRP và bê tông, được tính bằng công thức theo đề xuất của Chen (2001) như sau:

Các hệ số a t1 , a t2 , a s1 , a s2 , a n1 , b t1 , b t2 , b s1 , b s2 , b n1 có dạng mxy ý nghĩa lần lượt như sau: m=a,b với a là hệ số nhân phía trước, b là hệ số lũy thừa x= t,s,n với t là tính toán ứng suất, s là tính toán độ trượt, n là tính toán tham số nhánh mềm hóa y=1,2 với 1 là tính toán bước 1 (tương quan với cường độ bê tông hoặc chiều dài dán),

2 là tính toán bước 2 (tương quan với độ cứng tấm FRP)

4.2.1 Ứng suất bám dính lớn nhất

Trình tự xây dựng công thức tính ứng suất bám dính lớn nhất theo các bước sau như sau:

Bước 0 - Chuẩn bị số liệu: thống kê các giá trị thực nghiệm gồm: cường độ chịu nén mẫu lăng trụ của bê tông f’ c , nếu số liệu thực nghiệm cung cấp cường độ nén mẫu lập phương hoặc cường độ chịu kéo thì sử dụng công thức chuyển đổi f’ c =0.8×f c và f’ t

=0.53×√𝑓 𝑐 ′ và hệ số xét đến tỷ lệ bề rộng FRP và bê tông b w (Chen, 2001) Dựa vào sự phân phối biến dạng trong các nghiên cứu thực nghiệm kéo tấm FRP, tiến hành tính toán 2 tham số  max , s 0 theo phương pháp đã được đề cập đến ở Chương 3