Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu ứng xử khi chịu lực nén của bê tông gia cường bao bọc bởi vật liệu sợi carbon

Tuy nhiên, hiệu quả giacường của lưới carbon CFRP phụ thuộc vào một số yếu tô như: số lớp lưới CFRP sửdụng hay nói cách khác là mức độ gia cường, giá trị bán kính góc bo ở các cạnh của c

CAO NGUYEN THI

NGHIEN CUU UNG XU KHI CHIU LUC NEN CUA

BETONG GIA CUONG BAO BOC BOI VAT LIEU

COMPOSITE SQI CARBON

Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựngMã sô : 605880

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : TS Trần Văn Miễn Chữ ký :Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Bùi Đức Vinh Chữ ký:Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phạm Hữu Hanh Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 04 tháng 01 năm 2013

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS.TS Nguyễn Văn Chánh

2.PGS.TS Phạm Hữu Hanh3 TS Bùi Đức Vinh

4 TS Trần Văn Miễn5 TS Lê Anh TuanXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Cao Nguyên Thị MSHV:11190727

Ngày, tháng, năm sinh: 30/09/1988 Nơi sinh: Mỹ Tho, Tiền GiangChuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng Mã số : 605880

I TEN DE TÀI: Nghiên cứu ứng xử khi chịu lực nén của bêtông gia cường bao bọc bởi

vật liệu sợi carbon

H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:1.Téng quan dé tài

2.Co so khoa hoc3.Hệ nguyên vat liệu trong nghiên cứu

4.Kết quả nghiên cứu5.Kết luận và kiến nghịIll NGÀY GIAO NHIEM VU : 02/07/2012IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 21/12/2012v CAN BO HUONG DAN: TS Tran Van Mién

Tp HCM, ngay thang năm 20 CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Ho tén va chit ky) (Ho tén va chit ky)

TS Tran Van Mién PGS.TS.Nguyén Van Chanh

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

(Ho tên và chữ ky)

Luận văn tot nghiệp thạc sĩ là thành qua cua học viên trong suốt quả trình học tập tạitrường đại hoc Bách Khoa Tp.HCM Giai đoạn thực hiện luận văn đã giup em hệ thônglại những kiến thức mà thay cô đã truyền đạt trên giảng đường, dong thời từng bước timhiểu, làm quen và trao dôi kinh nghiệm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học.

Trước tiên, em xin chân thành cam ơn Thay, TS TRAN VAN MIEN đã tận tình hướngdân, giúp em hoàn thành được luận văn này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tat cả quý thay cô trong ban giảng viên Bộ môn: VATLIEU XÂY DUNG đã lận tình truyén đạt và đóng góp nhiễu ý kiến quý bdu trong quá

trình thực hiện luận văn.Cam ơn tát ca các ban bè đã giúp dé trong công việc cũng như vê mặt tinh thân déluận văn này được hoàn thành.

Lời cuối xin được cam ơn tat cả quý thay cô của trường ĐẠI HOC BACH KHOATPHCM, những người đã bỏ công sức dé truyền đạt kiến thức trong quá trình dạy dỗ

Vi thời gian có han và những kiến thức còn hạn chế chắc chắn không thé tránh khỏinhững thiếu sót

Rat mong sự đóng gop ¥ kiến của quý thay cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, thang 12 năm 2012

Hoc vién

CAO NGUYEN THI

cách đáng kể, mang lại hiệu quả gia cường cao cho kết cau Tuy nhiên, hiệu quả giacường của lưới carbon CFRP phụ thuộc vào một số yếu tô như: số lớp lưới CFRP sử

dụng hay nói cách khác là mức độ gia cường, giá trị bán kính góc bo ở các cạnh của cột,

mác bêtông thiết kế, cách thức quan lưới xung quanh thân cột Trong nghiên cứu này sử

dụng hai loại mẫu cột vuông (100x100x300 mm) và cột tròn (150x300 mm) với ba loại

mác bêtông 30, 40 và 50 MPa, tất cả được quấn lần lượt | và 2 lớp lưới carbon CFRP.Bên cạnh đó, các mẫu cột vuông lần lượt có bán kính bo góc là 0, 8, 16, 24, 32 mm.Ngoài ra, nghiên cứu cũng khảo sát hiệu quả gia cường trên một số mẫu cột mà lướiCFRP được quan theo nhiều cách khác nhau xung quanh thân cột Qua các kết quả thựcnghiệm thu được, có thé thay rõ là dùng hai lớp lưới CFRP thì hiệu quả gia cường tốt hơndùng một lớp Cường độ chịu nén của mẫu tăng dần ứng với sự gia tăng của bán kính gócbo, góc bo nhỏ nhất nên dùng là 16 mm Khảo sát trên các mẫu mà thân cột không đượcdán lưới CFRP toàn diện tích xung quanh thì nhận thấy các mẫu này hiệu quả gia cườngkhông cao bang so với trường hợp dán lưới toàn thân cột, mức độ gia tăng cường độ caonhất đạt 1.35 Quan sát các mẫu được gia cường bang lưới CFRP sau khi nén, ghi nhận

được ba dạng phá hoại như sau: phá hoại kéo đứt của lưới CFRP; sự tách lớp CFRP và

kết hợp hai dạng trên

Từ khóa: Lưới sợi carbon CFRP, bán kính bo góc, mức độ gia cường.

can significantly enhance strength of jacketed columns Behavior of the concrete columnsin this case depends on mainly parameters such as confinement level, unconfinedconcrete strength, shape of cross-section and corner radius This study used both ofsquare (100x100x300 mm) and circular columns (150x300 mm) with three grades of 30,40 and 50 MPa, they are wrapped by 0, | and 2 layers of CFRP, respectively.Effectiveness of corner radius is mentioned in this paper through the square columns withrounded corner radius of 0, 8, 16, 24 and 32 mm Base on the experimental databases, itis clearly to conclude that the confinement effectiveness of 2-plies CFRP wrap specimensis better than the I-ply CFRP wrap specimens In addition, the compressive strength ofSquare specimens increased if increasing corner radius and the minimum corner radiusshould be used is 16 mm The confinement effectiveness of non-full CFRP wrappedspecimens is less than full CFRP wrapped specimens The failure mode of CFRP have 3situations: the rupture of CFRP, the delamination of CFRP and combination of CFRPrupture and delamination.

Keywords: CFRP; confinement; circular and square cross-section; compressivestrength, corner radius.

thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS TRAN VAN MIEN.Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng đượccông bố dưới bat kỳ hình thức nào.

Tôi xin chịu trách nhiệm vê nghiên cứu của minh.

Học viên

CAO NGUYEN THI

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁCH HÌNH VỈ: c-5cc 2tr H2 HH2 2.2111re HiM08 (0:8:79)068.)0 5000 viiiCHƯƠNG 1: TONG QUAN ch 1919121111 1111919111 51011111111 ng |

LL GIỚI thiỆU SG SG ọọ rrh l1.2 Các nghiên cứu trong nước trước day - che 41.3 Các nghiên cứu ngoài nước frƯỚc Ây - Hee 61A Mục tiêu nghiÊn CUU - << 000 re 191.5 Phạm vi nghiÊn CỨU œ6 0001.000 nọ nh 19

CHƯƠNG 2: CO SỞ KHOA HOC ou essesessssesseesseeseeeseesesesncensecueensecusecneeasesasensenneenneesees 222.1 Giới thiệu vật liệu composite cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer (FRP)) 222.2 Cơ chế phá hủy trong bêtôngg -¿:- + 25252 +E‡E#EE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrrrrrrree 31

2.3 Su 1am 0200:0021 G 34

CHƯƠNG 3: HE NGUYEN VAT LIEU eseeessssssesseeseeeseeneeseseseensecneensecusesneensensennees 44

SN Đi ao 4429 .Ö5AâAAố.ốố 44S6? a 463.4 Lưới sợi cacbon gia cường CFRP - - << nh 473.5 Ke0 o9 463.6 Phụ gia siÊu đO (cọ re 49S1 - 443 49

3.8 Thiết kế cấp phối bêtông -¿- E521 SE E915 5 121111151511 1111 1101111111111 exc 49CHUONG 4: KET QUA NGHIÊN CỨU G2 SE E2 ESE+E#E+E+EEeEsEsEeEeEseeserxes 504.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm - - - 2E +E SE SE SEEE#EEEE E1 121151515 211111511 cxe 504.2 Thiết lập thí nghiệm - 2E SE SE SE E915 1 121 151151511 211111 1111111111111 re 55

4.3 Các dạng phá hoại Mau ¿ ¿2 ¿52+ 2 E91919121E12121 212121 1111113131111 111k 564.3.1 Các dang phá hoại trên mẫu vuông ¿+2 - se +evecxrererererrrsred 56

vuông đền hiệu quả Ø1a CƯỜN - << 100109900 ngờ 65

4.4.2 Đánh giá ảnh hưởng của số lớp lưới soi carbon CFRP đến hiệu quả gia cường

bêtông tiêt MIEN trỒN - G0000 nọ nọ 86

4.6.1 Kết quả cường độ chịu nén của các mẫu với các cách quan lưới khác nhau 864.6.2 Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện tròn 9]4.7 Mỗi tương quan giữa các tham số ảnh hưởng đến giá trị PCC veces 924.7.1 Quan hệ giữa ky và tỷ 86 Í'CC/Íf€ -c-c e1 t1 1 111112121111 010111 2111111011 rre 934.7.2 Công thức dự đoán giá tri fcc dựa trên các kết quả thực nghiệm 974.7.3 Công thức dự đoán giá tri fcc dựa trên các kết quả thực nghiệm ( trường hop

mẫu 10101 và mẫu (1Ú) ¿-¿ ¿+ + 2E 9151515121211 2121 1 1 1 115111111111 98

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, - - St SsE E531 S111 E12 Ev g ng rerei 99TAI LIEU THAM KHAO lu ccccccccssscscecesescevscscecevevevscececscavacacecsesevavacececeeavacaceceeseees 101DANH MỤC CÁC CONG TRINH ĐÃ CONG BỒ c2 eo 103

Hình 1.7: Các mẫu thí nghiệm cua Riad Benzaid sử dụng vật liệu là sợi thủy tinh GFRP

¬ a 7

Hình 1.8: Ảnh hưởng của số lớp GFRP đến mức độ gia tăng cường độ chịu nén 8Hinh 1.9: Anh huong cua số lớp GFRP đến mức độ gia tang bién dang doc trục 8Hình 1.10: Biéu đỗ ứng suất — biến dang cceccccsessssessssesessesssessesesessssesesssseseesesceeseseseees 9Hình 1.11: Ảnh hưởng của bán kính góc bo đến hệ số gia tăng cường độ 10Hình 1.12: Ảnh hưởng của hệ số bán kính góc đến biến dang của FRP IIHình 1.13: Các mẫu gia cường bang lưới sợi carbon CFRP của R.Abbasnia IIHình 1.14: Các mẫu cột bêtông cốt thép trong thí nghiệm của T-Turgay 12Hình 1.15: Khung cốt thép sử dụng cho mẫu cột trong thí nghiệm của T.Turgay 12Hình 1.16: Phá hoại xảy ra chủ yếu ở đầu và chân cột -. - + + 2 s+s+s+ezcscscs2 13

Hình 1.17: Mô hình mẫu thí nghiệm của Hua Wei -5- 5 555x+c+c+eeeeeererecee 14Hình 1.18: Các dạng phá hoại sau thí nghiỆm - <1 1 1n 1 ng 15

Hình 1.19: Mô hình ứng suất — biến dang của Lam va Teng cho bêtông gia cường bởi

0 — ỐốỐốỐốỐốỐốố.ố.ố 16

Hình 1.20: Tiết diện ngang theo mô hình của Lam và Teng - 55+: 18Hình 1.21a: Các trường hợp quan lưới CFRP được khảo sát - 55-5: 20Hình 1.21b: Các trường hợp quan lưới CFRP được khảo sát - + +55: 21Hình 2.1: Cau tạo nhiều lớp của tắm FRP o.ceccccscsccecsesssscsessscsssscsescscssssesessssssseeees 24

Hình 2.3: Sự sắp xếp của các tinh thé graphite theo phương ngang trên suốt chiều dài

1U - 26

Hình 2.4: Quy trình sản Xuất SỢI €arbOI\ - tk 1912191 E111 915111 E11 1x gi 28Hình 2.5: Cau trúc phân tử PAN trước và sau khi oxy hóa -s sec 5scs+: 29Hình 2.6: Cau tao chung của ÏƯỚI SỢI cv, 30Hình 2.7: Một số kiểu đan lưới ở loại lưới sợi hai phương - ¿2-5-5 52 s5s552 30Hình 2.8: Tam vai sợi carbon 2 phương (a) và 1 phương (b) - - <2 cscscs¿ 31Hình 2.9: Mô hình ly tưởng hóa của trang thái ứng suất quanh một cau kiện hạt 32Hình 2.10: Cơ chế phá hoại - ¿E6 E2 SE SE2E£E9 E8 111215151521 111111 15111112 33Hình 2.11: Lực truyền qua giữa các cốt liệu trong bêtông -. + 2-55 255+5+: 34

Hình 2.12: Mô hình bình chịu áp lực có thành mỏng «5+ +< + s<£+++s «4 36

Hình 2.13: Phuong quan lưới FRP xung quanh thân cột - + 25s 2555: 37Hình 2.14: Nội lực trong cột bêtông tròn quan FRP thể hiện theo mặt cắt ngang 37Hình 2.15: Các tiết diện cột bêtông khảo Sát ng 38Hình 2.16: Phần diện tích lõi bêtông bị kiểm chế hữu hiệu ứng với các mặt cắt khác

"0 a4 40

Hình 2.17: Nội lực bên trong cột bêtông quấn FRP ứng với các tiết diện khác nhau 40Hình 2.18: Cột bêtông quấn FRP không liên tục ¿+ - 2 555252 s+s+xezezxszecs2 41Hình 2.19: Phan bêtông bị kiềm chế hữu hiệu trong trường hop quan FRP không liên

Hình 3.1: Đường cong cấp phối của cất ¿- 5-52 S623 3E 1212111511121 21 11 1e rk 45Hình 3.2: Cấp phối hạt của đá dăim - ¿2E S2 SE S223 E9 E3 1211151111121 21 1112k 47

Hình 3.3: Lưới sợi carbon dùng cho thí nghiỆm - - << <5 S13 Eseeees 47

Hình 4.1: Thử độ sụt và chuẩn bị mẫu thử mác DELON HH9 1 1k, 50

Hình 4.2: Dưỡng hộ mẫu thử .- ¿+ ©2552 S2 S2 SE E2EEEEEEEEE E11 1 111 111111 rrred 52

Hình 4.3: Gia công bể mặt MAU - + ¿5E S2 SE SESEEE5 E1 5211511125111 12x 53

Hình 4.4: Quá trình dán lưới CTFFERP 0000010111111 11 111111 88 1 822 111111 kg 54

Hình 4.6: Thí nghiệm nén mẫu, đo chuyển vị đọc trục và chuyển vị hông của mẫu 55

Hình 4.7: Các dạng phá hoại trên mẫu vuông dùng một lớp CERP - 57

Hình 4.8: Các dạng phá hoại trên mẫu vuông dùng hai lớp CFRP - 58

Hình 4.9: Các dạng phá hoại trên mẫu vuông dùng một và hai lớp CFRP 60

Hình 4.10: Cac dạng phá hoại cua mẫu một và hai lớp lưới CFRP -‹‹ - 63

Hình 4.11: Ảnh hưởng của bán kính góc bo đến mức độ gia tăng cường độ của các mẫusử dụng một lớp lưới CarbOIn «+ 1198311011 119 9901101 67Hình 4.12: Ảnh hưởng của bán kính góc bo đến mức độ gia tăng cường độ của các mẫusử dụng hai lớp lưới CarbOI <5 0000 re 67Hình 4.13: Quan hệ giữa ty số fcc/fPc và số lớp lưới sợi carbon CFRP ở các mẫu mac119080010011 70

Hình 4.14: Quan hệ giữa ty số fcc/fPc và số lớp lưới sợi carbon CFRP ở các mẫu macthiét KE 40 MPa 0001 71

Hình 4.15: Quan hệ giữa ty số fcc/fPc và số lớp lưới sợi carbon CFRP ở các mẫu mac001108500) 71

Hinh 4.16: Quan hé Ung suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30MPa bán kính 0 mm ((E Ï) - - << C33 3110110106388113335 1111111 1111111 111v x56 73Hình 4.17: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30MPa bán kính 8 mm (2) - - + + - << 3033330330101 111811333 111111101 11111110 1 1111 x56 73Hình 4.18: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30MPa ban kinh 16 5iii0 <0 — 74

Hinh 4.19: Quan hé Ung suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30

MPa bán kính 8 mm (2) - - + + - << 3033330330101 111811333 111111101 11111110 1 1111 x56 77

Hình 4.23: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 40

MPa ban kinh 16 5iii0 77 — 77

Hình 4.24: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 40

Hình 4.28: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 50

MPa ban kinh 16 5iii0 <0 — 80

Hinh 4.29: Quan hé Ung suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 50

j8» ¡8siii025.)i i0 c 0 — - 81

Hinh 4.30: Quan hé Ung suất — Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 50

MPa ban kinh (i00 11l1 81

Hình 4.31: Thí nghiệm nén mẫu và đo chuyển vị dọc trục, chuyển vị hông của mẫu cộtbêtông tiết diện tròn . - ¿6E + SE S121 151515 E12121515 5111111111511 11 1151111111101 Te 82Hình 4.32: Ảnh hưởng của số lớp lưới carbon đến mức độ gia tăng cường độ chịu nén

của các MAU COE {FÒI 6 + SE 1x81 11 911 121 1v 19H HH HH ng S3

Hình 4.33: Quan hệ ứng suất — biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện tròn có mác 30

00:00 dit 87

Hình 4.37: Các mẫu chuẩn bi thí nghiỆm c0 HH ke 87Hình 4.38: Kết qua thí nghiệm nén của các mau dùng một lớp lưới CFRP 88Hình 4.39: Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu dùng hai lớp lưới CFRP 89Hình 4.40: Anh hưởng của số lớp lưới CFRP đến hiệu quả gia cường 89

Hình 4.41: Các mẫu ký hiệu 11 - ¿2-55 + SE SE SE+E+E+E£EeEekekerrtrrererrrrrrrereee 90

Hình 4.42: Quan hệ Ứng suất — Biến dạng ở các mẫu dùng một lớp CFRP 91Hình 4.43: Quan hệ Ung suất — Biến dạng ở các mẫu dùng hai lớp CFRP 91Hình 4.44: Quan hệ giữa k, va ty SỐ TÍÑ, SG 11121 519111911111 511181511115 510111581 xe 95Hình 4.45: Ảnh hưởng của k, đến cường độ chịu nén của các mẫu sử dụng một lớp lưới

DANH SACH BANG BIEUBang 1.1: Một số kết qua thu được sau thí nghiệm của Riad Benzaid 7Bang 1.2: Hệ số gia tăng cường độ thu được sau khi thí nghiệm của Wu và Wang 10Bảng 2.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ carbon hóa đối với môđun sợi carbon 27Bảng 3.1: Khối lượng riêng của xi măng sử dụng - 55 c2 2+s+esesrersced 44Bảng 3.2: Kết qua thử độ nén và độ bền uốn của vữa xi măng sử dụng 44Bang 3.3: Khối lượng riêng của Cat ceccceccscesescscssescscscscsssscscscsescsescsssssecscsesessseeees 44Bang 3.4: Khối lượng thé tích xốp của Cat ceccccccscsssescscsessssescscsssscsessscsssscsescssseseeees 45

Bang 3.5: Module độ lớn của Cat - - - ( << 9000101 9.0 45

Bảng 3.6: Khối lượng riêng, khối lượng thể tích ở trạng thái khô và bão hòa nước của

Da CAM 0 46

Bảng 3.7: Khối lượng thé tích xốp của đá dăm ¿ - - + 252 2E£E+E+££E£E£EzEzrrsred 46

Bang 3.8: Lượng sót sàng và kích thước Day, D„„¡ạ của đá dăm 46

Bảng 3.9: Thời gian cho phép thi công (cho 1 bộ 1 kg) sau khi trộn 2 thành phan 48Bang 3.10: Cấp phối bêtông dùng cho thí nghiệm - 2-2-5 2 255252 5s+£+£>szx+2 49Bang 4.1: Số lượng và ký hiệu các mẫu thí nghiệm - + 5552 s+s+sss>5+2 51Bảng 4.2: Kết quả thi nghiệm nén Mau c.cccccccccescssesesesesessesesesscsssessesesessesesessescseeeeees 65Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm nén mẫyu - + 22 252 2E+S2S££E+E£EE£EvEeEerxerrrrerree 83Bang 4.5: Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu khảo sát - + 2 55+ 55252 88Bang 4.6 Hệ số kiềm chế hữu hiệu ở các mẫu khảo sát - eseseeseseeeseeeeee 89

CHƯƠNG 1: TONG QUAN

1.1 Giới thiệu

Các công trình bêtông cốt thép thường được thiết kế để phục vụ ôn định trong thời

gian dài hàng chục và thậm chí hàng trăm năm Tuy nhiên, trong quá trình phục vụ,

điều kiện sử dụng có thé thay đối dẫn đến việc suy giảm kha năng chịu lực của kết cầu

dưới tác dụng của tải trọng Khi đó, công trình không còn đảm bảo khả năng làm việc

tốt như thiết kế ban dau và có thé bi phá hoại Ngày nay, ở Việt Nam, van dé nàythường hay gặp phải và rất tốn kém nếu như những công trình đó được thay mới hoàntoàn Từ thực tế như vậy, các kỹ sư thay can thiết phải có phương pháp sửa chữa giúpcho cau kiện phục hồi cũng như nâng cao sức chịu tải để thoả mãn điều kiện khai thácmà không can phá bỏ đi kết cau công trình hiện hữu, sao cho với sự gia cường nhỏ nhất

có thê nhưng vân đảm bảo được công trình có hiệu quả làm việc cao nhât.

Trong nhiều thập kỷ qua, lĩnh vực sửa chữa và phục hôi công trình xây dựng ngàycàng phát triển nhanh chóng trên thế giới Hiện nay, nhiều phương pháp cải thiện khảnăng chịu lực cho các cau kiện xây dựng đã và đang được áp dụng rộng rãi, nhiều loạivật liệu lẫn kỹ thuật mới đã xuất hiện với chủng loại rất đa dạng và phong phú Mộttrong những kỹ thuật mới hiện nay mà ở Việt Nam vẫn chưa được ứng dụng pho biếnlà sử dụng vật liệu composite nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu kiện bêtông cốtthép (BTCT) Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều loại vậtliệu khác nhau nhằm tao ra loại vật liệu mới có tính năng tốt hơn các loại vật liệu banđầu Hiện tại, người ta đã đưa vào ứng dụng các loại vật liệu composite FRP (FiberReinforced Polymer) là các vật liệu tong hop có gia cường lưới sợi ( các loại sợi carbonhay thủy tinh, ) trên nên polymer Các sản phẩm composite FRP này có những tínhnăng vượt trội hơn so với các vật liệu kim loại truyền thong nên đã được ứng dụngtrong nhiễu ngành công nghiệp khác nhau Hơn hai thập niên trước đây, các sản phẩmFRP này được chế tạo và ứng dụng lần đầu trong ngành công nghiệp hàng không vì nó

có khả năng chịu lực cao nhưng lại làm giảm khối lượng máy bay (Hình 1.1) Ké từ đó,

cá sản phâm FRP xuât hiện rộng rãi và phô biên hon ở các lĩnh vực khác như là san

Hình 1.1: Soi carbon được ung dụng

trong việc chế tạo máy bay

Hình 1.2: Mui xe BMW M6 làm bằng

vat hiệu composite soi carbon.

Trong lĩnh vực xây dung, loại vat liệu nay cũng được sử dụng với một số ưu điểm:tăng cường khả năng chịu uốn, chống cat của dầm, sàn hay nâng cao khả năng chịu néncủa cột lẫn khả năng chịu tải trọng động của các cầu kiện xây dựng khác nhau Ngoàira, việc thi công loại vật liệu nay cũng dé dàng, không làm thay đổi hình dạng ban đầucủa kết cầu và nó còn thé hiện được khả năng chống ăn mòn tốt Hai loại FRP thường

dùng là composite sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) va composite

sợi carbon CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) dưới dang tam vai dét (lưới sợi)như trên hình 1.3; hình 1.5, dạng thanh cứng gia cường hoặc dùng thay thế cốt thép

(hình 1.4).

(b)Hình 1.5: Sw dụng

CFRP dé gia cườngkết cầu sàn (a), dam

(b), cột (c)

Tóm lại, vật liệu composite FRP mang lại lợi ích cao bởi những tính năng ưu viét

của nó so với các vật liệu kim loại truyền thống khi được sử dụng trong lĩnh vực phụchồi hay sửa chữa công trình Nhờ vậy mà vật liệu FRP rất thích hợp để ứng dụng vào

ngành xây dựng nước ta, hiện đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Tuy

nhiên, ứng dụng của loại vật liệu này trong nước vẫn còn hạn chế, số lượng công trìnhcó sử dụng FRP để sửa chữa chưa nhiều, hơn nữa, các nghiên cứu khoa học về việcứng dụng FRP tại Việt Nam cũng rất ít Do đó, rất cần thiết có thêm nhiều nghiên cứuvề việc áp dụng FRP cho các cau kiện xây dựng nhằm góp phan hiểu rõ cũng như đưa

ra được các giải pháp thi công phù hợp khi sử dụng loại vật liệu này trong ngành xâydựng nước ta hiện nay.

Chính vì những lý do trên mà đề tài nghiên cứu này mong muốn được đóng góp mộtsố kết quả hữu ích cho công tác sữa chữa công trình trong nước Phạm vi của dé tài sẽtập trung vào việc dùng tam vải dệt CFRP quấn hay bó xung quanh thân các cau kiệncột bêtông như là một kỹ thuật gia cường hiệu quả Thông qua việc hạn chế nở hông,ứng suất gây ra bién dạng bên sẽ được hạn chế bởi lớp vật liệu CFRP gia cường bên

ngoài, làm chậm sự phá hoại của bêtông và từ đó sẽ tăng cường giới hạn chịu nén của

bêtông Một số nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả gia cường của FRP phụ thuộc vàodạng hình học của tiết diện cột, số lớp lưới FRP gia cường và cường độ chịu nén củabêtông Tuy nhiên, ảnh hưởng của yếu tô vùng diện tích gia cường hiệu quả cũng nhưcách thức bố trí lưới FRP xung quanh thân cột chưa được đề cập đến trong các báo cáotrước đây Do đó, mục tiêu của dé tài là khảo sát về yếu tố ảnh hưởng này bên cạnh

việc mở rộng hơn các kêt quả nghiên cứu hiện hữu.1.2 Các nghiên cứu trong nước trước đây

Viện Thủy Công [1] đã nghiên cứu về tác dụng gia cường của tam composite FRPqua việc phân tích ứng xử chịu tải của dầm bêtông cốt thép chịu uốn với sự tham gia

của vật liệu gia cường composite với các mức độ gia cường khác nhau được mô tả như

ở hình 1.6 Các tham số ảnh hưởng xét đến là mức độ gia cường (thể hiện qua số lớp

sợi composite FRP gia cường) và cường độ bêtông.

Bên cạnh nghiên cứu của viện thủy công, tác giả Ngô Quang Tường (Đại học Bách

Khoa, ĐHQG Tp.HCM) cũng đưa ra lý thuyết thực hiện các bước thi công và tính toánthiết kế khả năng chịu lực của dầm bêtông cốt thép gia có bằng FRP [15] Có thé nóitác dụng gia cường của các sản phẩm FRP ở Việt Nam chưa được nghiên cứu nhiều,hiện chỉ dừng lại ở một số thí nghiệm trên dầm BTCT và chưa có các khảo sát khi áp

dụng cho các câu kiện cột.

1.3 Các nghiên cứu ngoài nước trước đây

Trong hon hai thập kỷ nay, sản phẩm FRP đã được nhiều nước tiên tiến trên thégiới nghiên cứu va sử dụng cho công tác sửa chữa, gia cỗ công trình Trong đó, nhiềucông trình nghiên cứu và khảo sát việc sử dụng CFRP dé gia cố, sửa chữa các cau kiệncột BTCT thông qua các thí nghiệm bó cột bêtông băng vật liệu composite sợi thủytinh (GFRP) hoặc composite sợi carbon (CFRP) Các nghiên cứu điển hình cần phải décập đến là của các tác giả như: Riad Benzaid, Lam va Teng, Wu va Wang, R.Abbasnia

Và một sô tác gia khác.

Dựa trên việc phân tích các kết quả thí nghiệm về sức chịu tải và biến dạng của cácmẫu cột bêtông tiết diện 100x100x300 mm được gia cường bang GFRP khi chịu nénđọc trục, Riad Benzaid [2,3] nhận thấy:

+ Số lớp gia cường và bán kính ở góc của tiết diệt cột là các tham số chính ảnhhưởng đến ứng xử của các mẫu thử khi chịu tải Hiệu quả gia cường được nâng caoứng với sự gia tăng giá trị của các tham số này Cụ thể, mức độ gia tăng tải trọng lớnnhất đạt được ứng với các mẫu cột được quan hai lớp lưới GFRP và các góc bo 0,8, 16mm lần lượt là 6%, 20% và 36% Trong khi đó, các mẫu cột được quan một lớp GFRPvà các góc bo tương tự thì giá trị nhận được thấp hơn, chỉ đạt 2%, 9% và 16% (Hình1.8) Bên cạnh đó, khi số lớp CFRP tăng thì biến dạng tới hạn dọc trục cũng tăngmạnh Mức độ gia tăng này là 316% đối với mẫu S1R3 và 532% đối với mẫu S2R3.(Hình 1.9) Qua kết qua này, Riad Benzaid kết luận rang một bán kính lớn ở góc củatiết diện cột sẽ mang lại hiệu quả cao do hạn chế được hiện tượng tập trung ứng suất Ở

các góc cột.

Bảng 1.1: Một số kết quả thu được sau thí nghiệm của Riad Benzaid [2.3]

MauSORISIRI S2RI SIR2 S2R2 SIR3 S2R3Loc/feo 1.00 1.02 1.06 1.09 1.2 1.16 1.36Ecc! Eco 1.00 3.68 5.84 3.96 6.12 4.16 6.32

f : cường độ chịu nén lớn nhất của mẫu gia cườngf¿„: cường độ chịu nén lớn nhất của mẫu chưa gia cườngEno: biễn dang dọc trục ứng với giá tri Ứng suất lớn nhất của mẫu gia cườngEco: biến dạng dọc trục ứng với giá trỊ ứng suất lớn nhất của mẫu chưa gia cườngSO, S1, S2: các mẫu dán 0, 1,2 lớp GFRP

RI, R2, R3: các góc bo: 0, 8, 16 mm.

Hình 1.7: Các mẫu thí nghiệm của Riad Benzaid [2,3]

+ GFRP hạn chế được biến dạng bên gây ra bởi tải trong dọc trục, nó làm trì hoãn sựphá hoại và do đó nâng cao cả cường độ chịu nén và biến dạng dọc trục giới hạn củabêtông Riad Benzaid cũng thiết lập biểu đồ ứng suất — biến dạng từ các kết quả thínghiệm và kết luận rằng GFRP có thé nâng được độ dẻo dai của bêtông một cách đángkế (Hình 1.10).

Bién dang doc truc (Axial strain); Ung suất dọc trục (Axial stress)

Hình 1.10: Biểu đô ung suất — bién dang [2,3]Từ biểu đỗ trên có thé thấy giới hạn của ứng suất và biến dạng doc trục gia tăng rõrệt, đạt đến giá trị cao nhất so với các kết quả khác trong trường hợp số lớp GFRP sửdụng là hai lớp và góc bo ở các góc cột là 16 mmm Đặc biệt, hiệu quả kiểm chế màGFRP mang lại càng cao nếu như giảm đi mức độ sắc cạnh ở các góc cột hay nói cáchkhác là sự tăng dan của bán kính góc bo ở các góc cột

Năm 2008, Wu và Wang [4] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của bán kính góc đến hiệu

quả gia cường khi sử dụng vật liệu composite sợi carbon gia cường trên các mẫu cột cócác bán kính góc khác nhau (0, 15, 30, 45, 60, 75 mm) và su dụng hai loại mác bêtông

khác nhau (30, 50 MPa) Kết quả cũng cho thấy rõ ràng là khả năng chịu tải của cácmẫu gia cường tăng dần ung với các mẫu có bán kính góc (r) càng lớn (Hình 1.11)

Điêu này được thê hiện ro qua môi quan hệ tuyên tính giữa hệ sô tăng cường độ (tỷ sôgiữa cường độ mâu gia cường và mâu không gia cường) và hệ sô bán kính góc (tỷ sôgiữa bán kính góc và bê rộng tiét diện mau) ở cả hai loại mác bêtông khác nhau.

Bang 1.2: Hệ SỐ gia tăng cường độ thu được sau khi thí nghiệm của Wu va Wang [4|Số lớp " m

O O

CFRP r P

r (mm) 0 15 | 30 | 45 | 60 | 75 0 15 | 30 | 45 | 60 | 75C30 1.02 | 1.05 | 1.23 | 1.43 | 1.57 | 1.80 | 1.02 | 1.32 | 1.75 | 2.22 | 2.48 | 2.74C50 1.03 | 1.03} 1.8 | 1.09) 1.19} 1.30/}1.07) 1.1 | 1.21 }1.53)1.7 | 191

3.5 + 25+fdc/f¿¿ —®— unconfined —ø— 1ply —#— 2 plies f.c/fco —®— unconfined —ø— 1 ply —&— 2 plies

quả thu được cao hơn rõ rệt so với các mẫu có mác cao hơn (50 MPa) Tuy nhiên, kếtquả nay là tương đương nhau va không có sự khác biệt khi hệ số bán kính góc bang 1.

(Hình 1.12).

3.0

FRPstrain(X) —®—039lety —W—C3029y FRP strain: Bién dạng của FRP;

25 —-®-— C50 1-ply — -&-— C50 2-ply

20 C30 1-ply: Mau mác 30MPa, | lớp;15 C30 2-ply: Mau mác 30MPa, 2 lớp;

10 C50 I-ply: Mẫu mác 50MPa, 1 lớp:

0.5-C50 2-ply: Mau mác 50MPa, 2 lớp;

0.0 0.2 04 0.6 08 1.0Hình 1.12: Anh hưởng của hệ số ban kinh góc đến bién dạng của FRP[4]Cũng những thí nghiệm tương tự, R.Abbasnia [6] khảo sát thêm vé thông số tiếtdiện của cột và nhận xét rang hiệu quả gia cường giảm khi hệ số mặt cắt tăng (ty sốgiữa chiều dài và chiều rộng của tiết diện cột) Khi hệ số này tăng từ 1 đến 2 thì giá trịcường độ đạt được trong các mẫu cột bêtông đã gia cường giảm dần cho đến khi hệ sốnày lớn hơn 2 thì sự suy giảm là không đáng kể

Hình 1.13: Các mẫu gia cường bằng lưới sợi carbon CFRP của R.Abbasnia [6]

Bên cạnh nhiều thí nghiệm thực hiện trên các mẫu cột bêtông ngăn (độ mảnh 2:1 và3:1) T.Turgay [16] và các đồng nghiệp đã tiễn hành kiểm tra hiệu quả gia cường bằngCFRP trên mẫu cột bêtông cốt thép có kích thước lớn hon (độ mảnh 5:1) với mongmuốn mô hình thực nghiệm là sát với thực tế Các tác giả đã chuẩn bị ba loại mẫu cộtbêtông có kích thước như nhau (200x200x1000 mm) lần lượt được quan bởi CFRPtheo ba cách khác nhau: không quan, quan một phan và quan toàn phần xung quanh

Hình 1.15 Khung cốt tháp sửdụng cho mẫu cột trong thí

nghiệm của T Turgay

Trong nghiên cứu của mình T.Turgay cùng nhóm nghiên cứu cua mình còn khảo sát

đến ảnh hưởng của đường kính cốt đai thông qua hai kích cỡ: 8 và 12 mm (Hình 1.15).Kết quả thu được cho thấy:

+ Với mẫu thí nghiệm có độ mãnh 5:1 được sử dụng như vậy, hầu như phá hoại xảyra tại vị trí đầu và chân cột (Hình 1.16)

+ Nhìn chung, việc gia tăng đường kính cốt đai sẽ giúp nâng cao được độ dẻo dai

của cột.

Hình 1.16 Phá hoại xảy ra chủ yếu ở đâu và chân cộtỞ một thí nghiệm khác, Hua Wei [17] và các cộng sự của ông cho rằng trong thực tếthì cường độ của một số phần trong cột bêtông có thể bị suy giảm do các nguyên nhânnhư: cốt thép bị ăn mòn, thay đối nhiệt độ, chu kỳ đóng — tan băng và bức xạ tia cựctím Khi đó cường độ bêtông trong một phần có thể thấp hơn phân còn lại của cột, hiện

tượng này được các tác giả gọi là hiện tượng suy giảm cường độ cục bộ trong cột

bêtông [17] Mặc dù vẫn có thể tiếp tục được sử dụng nhưng về lâu dài hiện tượng nàycó thể gây suy yếu khả năng chịu lực cho toàn kết cau dẫn đến giảm tuổi thọ côngtrình Khi đó CFRP có thé được dùng dé gia cường, nâng cao khả năng chịu lực chocột Tuy nhiên, việc quan lưới CFRP toàn bộ thân cột có thé quá lãng phí vì chỉ có mộtphân thân cột bị ảnh hưởng Vì vậy, vấn đề đặt ra là xem xét việc chỉ gia cường CFRPcho phan diện tích thân cột bi hư hai mà thôi Dựa trên quan điểm đó, nhóm nghiên cứucủa Hua Wei đã thực hiện thí nghiệm mô phỏng hiện tượng trên bằng cách đúc các cộtbêtông kích thước 150x150x550 mm có ba phan như hình 1.17 Trong đó hai phantrên và dưới của cột sử dụng bêtông mác 50MPa còn phan giữa sử dụng bêtông mác 30

MPa.

Phan bêtông ở giữa là dé mô phỏng cho hiện

tượng suy giảm cường độ cục bộ mà tác giả đê

190 cập dén Sau đó, các mau thí nghiệm được quan

CFRP chỉ xung quanh phan giữa với các mức độ

Vd T® | gia cường khác nhau (1, 2 và 3 lớp CFRP) rồi

tiến hành thử chịu tai trọng nén dọc trục đúng150

550 170

tâm Sau khi thử nghiệm, nhóm nghiên cứu daquan sát và miêu tả một sô dạng phá hoại nhưhình 1.18.

Hình 1.18 Các dạng phá hoại sau thí nghiệm

Ở mẫu không gia cường xuất hiện đường nứt xiên từ đỉnh xuống chân cột và khuvực giữa là nơi bị phá hoại nhiều nhất Các mẫu gia cường bằng một hay hai lớp CFRPthì xảy ra phá hoại kéo đứt của CFRP gần các góc cột Trong khi đó, mẫu gia cườngbởi ba lớp CFRP thì phá hoại lại xảy ra ở phần bêtông mác cao hơn không được quấn

CFRP Khả năng chịu tải của những mau 1, 2 và 3 lớp CFRP so sánh với mẫu không

gia cường tăng lần lượt là 38.1%, 101.3% và 148.3% Các tác giả kết luận rang việc giacường bằng CFRP có thể nâng cao được cường độ của phần bêtông hư hại cục bộ cũng

như gia tăng khả năng chịu tải của toàn cột.

Gan đây, vào năm 2011, Hussein M Elsanadely [7] va các cộng sự tiếp tục khảo sátảnh hưởng của các thông số kích thước mẫu qua hai phương pháp thực nghiệm và mô

phỏng số hóa Các mẫu thử nghiệm là các mẫu bêtông hình trụ có độ mãnh không đổi(tỷ lệ chiều cao:canh H:D = 1:2), mức độ gia cường như nhau, khác nhau lần lượt vềđường kính (50, 100, 150 mm) Kết qua thu được từ 2 phương pháp cho thay không cósự khác nhau rõ rệt cả về cường độ chịu nén lẫn biến dạng tới hạn khi sử dụng các mẫukích thước khác nhau và các kết quả từ phương pháp số so sánh với thực nghiệm làtương đương nhau Từ đó, Hussein M Elsanadely đề nghị phương pháp mô phỏng sốhóa này có thé được ứng dụng trong các nghiên cứu tương lai Bên cạnh đó, Park vàPaulay [5] cũng đề cập đến ảnh hưởng của mức độ gia cường khi kết luận răng hiệuquả sẽ giảm đi nhiều khi tăng quá nhiều lớp gia cường FRP.

Bên cạnh các nghiên cứu của những cá nhân khác nhau, tiêu chuẩn ACI 440.2R-08[18] cũng đưa ra một số hướng dẫn khi thiết kế kết câu được gia cường bằng vật liệuFRP Trong tiêu chuẩn này có dé cập một phan về việc sử dụng FRP để gia cường chokết cấu cột bêtông cốt thép Theo đó, một mô hình ứng suất — bién dạng được đưa ra

dựa trên các nghiên cứu của Lam và Teng (hình 1.19).

&c E\ 0.003 Cceu Vv

+ Confined concrete: Bêtông được gia cường bởi FRP (đường liền nét)

+ Unconfined concrete: bêtông không gia cường bởi FRP (đường đứt nét)

Hình 1.19 Mô hình ứng suất — bién dạng của Lam và Teng cho bêtông gia cường bởi

vát liệu FRP

Trong đó:

f.: cường độ chịu nén trong , 2ƒ.

ALA ` €Cr—

bêtông chưa gia cường hạ — Ey

F4: cường độ chịu nén cua £eụ: biến dang dọc trục tới hạn trong

bêtông được gia cường bêtông được gia cường

cạ: biến dạng lớn nhất của E.: médun đàn hồi của bêtông

bêtông không gia cường tương

ứng với giá trị của f E> = Fee ~Se

Efe = Ke, Efu

Er„: biến dạng đến khi kéo đứt n: số lớp FRP gia cườngtheo thiết kế của FRP

tr: chiều day một lớp FRPKe=0.586 (giá trị thực nghiệm

theo Lam and Teng [18]) Wi = 0.95 [18]

Er: môđun dan hồi khi kéo của

FRP

Trong mỗi quan hệ giữa fˆ‹„ và f ¡ thì «, là hệ số thay đôi theo kích thước tiết diện

ngang của cột như sau:

a) Tiết diện tròn: «, = 1.0b) Tiết diện chữ nhật: «, phụ thuộc vào hai thông số chính là diện tích bêtông kiểm

chế hữu hiệu A, và hệ số mặt cắt h/b

/ Perse Sas \ / Effective

F zIfcctive \ i conbine meat are;

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Trong dé tài này, mục tiêu nghiên cứu chính là đánh giá hiệu quả gia tăng giới han

chịu tải khi nén của bêtông thông qua việc sử dụng vật liệu composite lưới sợi

carbon CFRP để gia cường các cột bêtông Mục tiêu này bao gồm một số nội dung

> Xác định công thức dự báo cường độ chịu nén dọc trục của cột bêtông sau khi

đã gia cường thông qua các số liệu thực nghiệm thu thập được

phương (CFRP).

> Ảnh hưởng của các đặc trưng hình học đến hiệu quả gia cường được thé hiệnqua mối quan hệ giữa tỷ số bán kính góc bo trên kích thước của mẫu thử (tỷ số r/bạ)đối với cường độ chịu nén của bêtông Do đó, quá trình thực nghiệm cần sử dụngcác mẫu tiết diện tròn (đường kính 150mm) và tiết diện vuông (100x100mm), chiều

cao mẫu là 300mm Các mẫu vuông sẽ có bán kính các góc bo lần lượt là 0, 8, 16,

24,32 mm.

> Bên cạnh đó, mức độ gia cường cũng được xét đến nhằm thay được anh hưởngcủa số lớp lưới CFRP dùng gia cường Trong nghiên cứu này, các mẫu thí nghiệmchia ra làm nhiều tổ mẫu khác nhau ứng với các số lớp lưới quan xung quanh lần

lượt là 0, 1, và 2 lớp.

> Ngoài ra, nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá ảnh hưởng của vùng diện tíchquân lưới CFRP đến hiệu quả gia cường với các cách quấn lưới như hình 1.21 a, b.Thí nghiệm này chỉ tiến hành trên các mau tròn với 1 và 2 lớp CFRP

Hình 1.21a: Các trường hợp quấn lưới CFRP được khảo sát

` 8

eSSS re S

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC2.1 Giới thiệu vật liệu composite cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer (FRP))

Vat liệu composite là loại vật liệu được tong hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khácnhau để tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn han các vật liệu câu thành ban đầu Nhìnchung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trongmột pha liên tu\c duy nhất Pha liên tục được gọi là vật liệu nên (matrix), thường làmnhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau Pha gián đoạn có thé được gọi là cốtliệu hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nên làm tăng các tính

chât cơ lý và độ bên của hệ.

Với tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhiều loại vật liệu composite khác nhau được tạo ranhằm phục vụ cho nhu cầu đa dang của con người Vật liệu composite cốt sợi (FRP) làmột trong số đó, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghé khác nhau.Về mặt cấu tạo, FRP chứa đựng những sợi có cường độ và môđun đàn hồi cao đượcliên kết với nhau bởi nền chất kết dính Nhìn chung, sợi là thành phần chịu tải chính,trong khi đó, chất kết dính hay vật liệu nên giữ cho chúng ở vi trí và sự định hướngnhư mong muốn Vật liệu nền có tác dụng như là một môi trường truyền lực giữa cácsợi và bảo vệ sợi khỏi tác dụng phá hoại của môi trường như nhiệt độ và độ âm [8] Sợiđược sử dụng thường là sợi carbon và sợi thủy tinh, một số loại khác như: boron,silicon carbide, aluminum oxide ít được sử dụng hơn, các sợi này có thé liên tụchoặc không liên tục Bên cạnh đó, vật liệu nền được sử dụng có thể là polymer,ceramic Thành phần hóa học và vi cau trúc có thé khác nhau ứng với từng loại sợi.Dang phô biến của các loại FRP dùng cho kết cau là dang tam (laminate), được taothành bang cách cố kết nhiều lớp mỏng hơn của sợi và chất kết dính Sự định hướngcua SỢI trong mỗi lớp cũng như toàn bộ tắm có thé được điều chỉnh sao cho tạo ra mộtphạm vi rộng của các tính chat cơ lý cho vật liệu [8] Các vật liệu FRP cho thay độ bền

thong Trong quan hé tng suất - biến dạng, vật liệu kim loại thường biểu hiện biếndạng dẻo còn FRP thể hiện tính đàn hồi Hệ số dãn nở vì nhiệt của FRP thấp hơn kimloại và nó có thé bền vững trong khoảng nhiệt độ rộng Một tính chất riêng biệt kháccủa FRP là tính tự tat dan, dẫn đến việc FRP hap thụ chan động tốt hơn và kết quả làgiảm được sự truyền chan động cho các kết cấu kế cận Ngoài ra, FRP cũng không bi

ăn mòn do môi trường xâm thực.

Việc tạo ra một cấu trúc FRP bắt đầu với sự hợp thành của SỐ lượng lớn sợi trongmột lớp mỏng chất kết dính và kết hợp nhiều lớp đó dé tạo thành một tam có độ dàykhoảng 0,1 — Imm (có thé dạng tắm cứng hoặc tam vải dệt) như hình 2.1 Nếu nhữngsợi liên tục được dùng thì chúng có thé được sắp xếp một chiều, hai chiều hay đa chiều(ngẫu nhiên) Một tắm FRP chứa đựng các sợi một chiều thì có cường độ và môđunđàn hdi cao theo chiều dọc của sợi, tuy nhiên các giá tri này thấp theo chiều ngang Cácloại FRP dùng sợi không liên tục có cường độ và môđun thấp hơn so với loại liên tục.Ngoài ra, sự định hướng ngẫu nhiên của sợi sẽ cho ra các tính chất cơ lý như nhau theomọi hướng trong mặt phăng tam Tuy nhiên, trong một tam FRP (laminate) thì từng lớpnhỏ (lamina) riêng lẻ của nó có thể chứa đựng nhiều loại sợi khác nhau, được địnhhướng khác nhau hay đồng hướng tùy từng lớp để tạo ra một tắm FRP hỗn hợp mà theođó người ta chia ra làm hai dạng là interply và intraply Dang tâm hỗn hop interplychứa đựng nhiều loại sợi khác nhau ung với mỗi một lớp nhỏ, trong khi tắm hỗn hợpintraply sử dụng hai hay nhiều loại sợi khác nhau xen kẽ trong cùng một lớp nhỏ Mặcdù cau tạo nhiều lớp khác nhau như vậy nhưng toàn hệ chỉ sử dụng duy nhất một loạichất kết dính đóng vai trò là vật liệu nền nhờ đó ma có được một mỗi liên kết nhấtquán giữa các lớp với nhau Trong phạm vi dé tài này chi đề cập đến vật liệu compositesợi carbon dạng tắm vải dệt với các sợi liên tục định hướng theo một chiều (chiều dọc

của lưới).

b) Các sợi liên tục hai chiều

c) Các sợi liên tục đa chiêu

d) Các sợi không liên tục một chiềue) Các sợi không liên tục phân bố ngẫu nhiên

LỚP DAY (LAMINATE)

ee SSO

Hình 2.1: Cấu tạo nhiễu lớp của tám FRP [8]

Trong vật liệu FRP thi các sợi là thành phan chính, chúng chiếm thể tích lớn nhấttrong cau tạo của một tam composite và chia sẻ phan lớn tải trọng tác dụng lên toàn bộkết cau của vật liệu Việc lựa chọn phù hợp chủng loại, chiều dài, thể tích sử dụng vàsự định hướng sợi là rất quan trọng, vì điều này sẽ ảnh hưởng đến các tính chất của mộttam composite nhu: khối lượng riêng, cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén, cường độmỏi, độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và cả giá thành sản phẩm Như đã dé cập, có nhiều loạisợi khác nhau được sử dụng để tạo ra vật liệu composite FRP, nhưng ở day đề tài chỉ

tập trung vào sợi carbon dùng cho loại composite CFRP Soi carbon có màu đen than

chì, cau trúc phân tử hai chiêu, là vật liệu không dang hướng Soi carbon là vật liệu vôcơ bán tinh thé dang ran chứa đựng những nguyên tử carbon được sắp xếp trong mặtphang hai chiều dưới dang graphite

Hình 2.2: Sự sắp xếp của các nguyên tử

carbon trong tinh thê graphite [6]

Môđun chịu kéo cao mà sợi carbon có được là do cấu trúc dang graphite [8] Cácnguyên tử carbon được sắp xếp trong một cau trúc tinh thé graphite của các mặt (haylớp) song song nhau Trong mỗi mặt, các nguyên tử carbon được sắp xếp tại các góc

lục giác (hình 2.2) Khoảng cách giữa các mặt là 3.4 A® , rộng hơn giữa các nguyên tử

carbon kế cận trong mỗi mặt (1.42 A° ) Liên kết cộng hóa tri mạnh ton tại giữa các