tấm polyme sợi các bon (PCSC) v ứng dụng pgs. Ts phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi viết trình by về hiệu quả gia cờng v thiết kế gia cờng kết cấu BTCT đợc gia cờng bằng hệ Polime sợi các bon v ứng dụng. Summary: Efficient Srtengthening an Design Aspects of concrete Structure Strengthened with Externaly Bonded Polime Carbondur (PCSC) and application. 1. Tổng quát về Polime sợi các bon tăng cờng kết cấu BTCT Các kết cấu cầu, cảng, hầm BTCT sau thời gian khai thác có thể bị h hỏng hoặc không phù hợp với yêu cầu sử dụng về khả năng chịu lực, về quy mô. Khi đó cần sửa chữa, nâng cấp và cải tạo lại cho phù hợp. Những công trình suy giảm khả năng chịu lực cần sử dụng các giải pháp về kết cấu: dự ứng lực ngoài, tăng cờng cốt thép, tăng cờng bằng hệ Polime - bản thép. Các giải pháp này đâ đợc sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và có hiệu quả. Tuy nhiên các giải pháp trên thờng yêu cầu thời gian thi công kéo dài và vấn đề quan trọng nhất là phải bảo vệ các vật liệu thép mới gia cờng sẽ rất khó khăn. Hiện nay trên thế giới đang sử dụng giải pháp gia cờng kết cấu BTCT bằng hệ Polime sợi các bon (PCSC) có hiệu quả. Tấm mỏng Polime cốt sợi các bon ngày càng thay thế tấm mỏng để gia cờng cho kết cấu bê tông. Theo phép phân tích kết cấu bê tông,kiểu dàn, mép của tấm PCSC phải đợc neo vào khu vực chịu nén của bê tông theo hớng của các lực kéo. Tấm gia cờng bằng PCSC có thể bị phá vỡ do sự phá vỡ của đô bám dích dọc cùng với sự rạn nứt của bê tông. Kiểm tra về độ dính bám đã chỉ ra rằng mô hình trớc đây về độ dính của thép với bê tông có thể thích ứng đợc cho tấm PCSC. Trong 10 năm qua việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Polime sợi các bon để gia cờng kết cấu BTCT đã đợc triển khai ở Châu Âu, Mỹ, Nhật và Châu á. Vào năm 2001 đã đợc nghiên cứu tại Việt Nam do nhóm nghiên cứu của trờng Đại học Giao thông vận tải thực hiện. Việc gia cờng các kết cấu bê tông bằng cách dán tấm thép tại mặt ngoài là một công nghệ đã đợc áp dụng ở Việt Nam. Bất lợi của công nghệ là nguy cơ tấm thép có thể bị ăn mòn tại vùng tiếp giáp và trọng lợng các tấm thép còn nặng khi thi công khó ép chặt tấm thép vào mặt bê tông. Các tấm PCSC mỏng, nhẹ và cờng độ cao có u thế hơn tấm thép. Tấm PCSC có tính chất hợp lý về độ bền lâu, mỏi và ăn mòn. Về nguyên tắc đảm bảo độ bám dính cần thiết giữa bê tông và tấm gia cờng sợi các bon đợc thông qua các mối tiếp giáp bằng epoxy là yêu cầu bắt buộc đối với kết cấu đợc gia cờng. Để thiết kế, cần phải biết lực bám dính tối đa và kiểm rạn nứt. Ngoài các kiểu rạn nứt nh đã quan sát thấy đối với tấm thép, tấm PCSC có thêm kiểu rạn nứt khác, mô hình về cờng độ dính bám giữa bê tông với PCSC đã đợc xác định [1]. Các kiểm tra gần đây do EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Liên bang Thụy Sỹ) tiến hành đã đa ra kết quả về khả năng gia cờng kết cấu và tăng cờng chống trợt bằng tấm Polime cốt sợi các bon hình chữ L [2]. 2. Tấm Polime sợi các bon (PCSC) 2.1. Tấm PCSC Tấm PCSC đợc chế tạo theo phơng pháp keo tẩm. Theo phơng pháp này sợi các bon đợc chạy qua bể keo êpoxy và qua các lò hấp để làm cứng. Cấu trúc PCSC gồm 2 phần: cấu trúc nền và cấu trúc sợi. - Nền là êpoxy - Sợi là sợi các bon. - Sợi các bon có E = 240 - 900 MPa. - Cờng độ kéo khoảng 3000 - 4000 MPa khi kéo dọc sợi. Các sợi các bon đợc đặt chủ yếu theo chiều dọc trên nền êpoxy, các sợi ngang ít hơn tạo thành thảm dệt ô vuông. Các sợi các bon này tạo ra sức kéo của tấm PCSC theo chiều dọc rất tốt còn cờng độ kéo ngang của tấm PCSC rất yếu. Tấm PCSC có độ dày 1,2 - 1,4, chiều rộng 50 - 120 mm. Chứa 60 - 70 % (theo thể tích) sợi các bon với đờng kính khoảng 1/5000 mm đợc dải theo hớng nhất định trong thảm êpoxy. Số lợng sợi các bon từ 1,3 - 2 triệu sợi trong 1 tấm, chiều dài cuộn PCSC từ 250 500 m. Tấm PCSC có mô đun đàn hồi 150 230 MPa, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá huỷ. Trong khi thiết kế mặc dù vai trò của cờng độ nền êpoxy đối với cờng độ tấm là không đáng kể nhng cờng độ kéo khoảng 60 - 90 MPa, cao hơn rất nhiều so với cờng độ bê tông, đảm bảo để chuyển tải các ứng suất bám dính. Nền êpoxy phải có độ biến dạng cực đại cao để đảm bảo sức chịu tải của sợi đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm. Đặc tính của PCSC xem ở bảng1. Bảng 1 Đặc tính của tấm Polime sợi cacbon S M H Loại Carbo Dur S Carbo Dur M Carbo Dur H Môđun đàn hồi, N/mm 2 165.000 210.000 300.000 Cờng độ kéo, N/mm 2 2.800 2.400 1.300 Độ biến dạng tại cờng độ kéo, % 1,7 1,2 0,45 Giá thành, đ/m dài 325.000 620.000 420.000 2.2. Keo dính kết Phần lớn keo dính là êpoxy hai thành phần trộn với cốt liệu, cờng độ kéo lớn hơn 30 MPa vợt hơn bê tông gấp 10 lần. Chất kết dính này có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp, sức đề kháng hoá học tốt và chịu đợc nhiệt độ cao. Chất kết dính êpoxy với các tính năng trên thích hợp cho việc gắn kết tấm PCSC với mặt ngoài bê tông nhờ lực dính vật lý. Lực dính vật lý đợc tạo ra bởi sức hút phân tử giữa keo và vật liệu bê tông. Cờng độ của các lực này phụ thuộc vào độ sạch và nhám của bề mặt bê tông. Bề mặt bê tông đợc làm sạch lại bằng nớc nóng và axêtôn. Bằng cách làm nhám bề mặt có thể đạt đợc các chốt dính cơ học giữa chất keo và vật gắn kết. Hiện nay thông thờng sử dụng keo êpoxy hai thành phần (Sikadur 30 33) và rắn chắc tốt ở vùng không nắng, nhiệt độ từ 25 30 o C. Qua nghiên cứu cho thấy ở Việt Nam nhiệt độ từ 15 o C đến 35 o C là nhiệt độ lý tởng cho việc thi công [3]. 3. Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu BTCT gia cờng cờng bằng Polime sợi các bon (PCSC) 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là để quan sát dạng phá hoại kết cấu đã gia cờng sợi các bon, chiều dài của tấm Polime sợi các bon, khả năng chịu lực của kết cấu đợc xét thông qua hệ số tăng cờng: 0 g B P P K = , trong đó: P g lực gây mô men có tăng cờng bằng PCSC; P o lực gây mô men ở mẫu không gia cờng. Hệ số tăng cờng về độ võng: 0 g v f f K = , trong đó: f g , f o - độ võng ở trạng thái 0 và trạng thái có tăng cờng. Hệ số tăng cơng về ứng suất: 0 g K = , trong đó: g - ứng suất của mẫu có gia cờng; o - ứng suất của mẫu không gia cờng. 3.2. Thực nghiệm Mẫu thử là dầm BTCT với bê tông M30 tuổi 28 ngày với kích thớc mẫu 10x10x60 cm (mẫu chuẩn theo TCVN và Quốc tế). Mộu có cốt thép 4 10 và cốt thép đai 6 với a = 10 cm. Xi măng Hoàng Thạch PC40 cốtl iệu đã kiểm tra phù hợp với tiêu chuẩn TCVN. Tấm Polime sợi các bon: loại M; b = 6 cm; h = 1,4 mm (M614). Keo liên kết: Sikadur30 Tấm Polime đợc dán với chiều dài tấm Polime sợi các bon là 25; 40; 51 cm. Tốc độ đặt tải từ 0 100 KN và thay 10 KN 1 đợt. Sau khi thí nghiệm trên 40 mẫu thử tại phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng - Đại học GTVT Việt Nam. Căn cứ vào quan hệ giữa tải trọng và độ võng, quan hệ giữa tải trọng và biến dạng với chiều dài lớp PCSC, có thể xác định các hệ số K b ,K v ,K theo kết quả ghi ở bảng sau: Bảng 2 Hệ số tăng cờng kết cấu Hệ số Mẫu số Đã tính mẫu K b K v K 0 1 2 3 Không dán L d = 250 L d = 400 L d = 510 1 1,1 1,4 1,6 1 0,88 0,66 0,625 - 1 1,2 1,33 Nh vậy khi chiều dài của tấm PCSC tăng thì hệ số tăng cờng đạt tối đa 1,6 về lực và 1,33 về ứng suất và biến dạng. Về trị số ứng suất khi lớp dới của bê tông đã xuất hiện ứng suất kéo max K max = 50 daN/cm 2 thì ứng suất đo đợc trong bản PCSC chỉ đạt tối đa khoảng 80 MPa, tức là chỉ đạt khoảng 5 7% ứng suất kéo tối đa của PCSC. Các dạng phá hoại mẫu thử thờng tập trung ở ba hiện tợng sau: * Vết nứt: Vết nứt xuất hiện thờng ở phạm vi ngoài vùng tăng cờng tấm Polime sợi các bon. Sau đó phát triển thẳng lên và có xu hớng làm bật lớp bê tông ở phía dới tấm Polime sợi các bon. * Bê tông ở vùng chịu nén dới điểm đặt tải thờng bị phá hoại sau khi xuất hiện vết nứt ở vùng kéo, tấm Polime sợi các bon không bị bong ra. * Trạng thái phá hoại cuối cùng là dầm bị phá hoại theo mặt nghiêng ở vị trí gối kê hoặc ở ngoài vùng có dán tấm Polime cốt sợi. Điều này chứng tỏ việc gia cờng là có hiệu quả đến dạng phá hoại. 4. Nhận xét về kết quả thực nghiệm v kiến nghị về thiết kế kết cấu Qua nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: * Hệ số K b nên chọn từ 1,3 1,4 để đảm bảo có thể tăng cờng khả năng chịu kéo mà phần chịu nén chính bị phá hoại. * Tấm bản Polime sợi các bon có độ dính bám cao với bê tông và làm việc chung với bê tông tốt. * Do hiện tợng phá hoại bật lớp bê tông ở dới tấm PCSC nên các kết cấu đặc biệt để chống việc này vẫn còn cần nghiên cứu tiếp tục. * ứng suất ở trong bê tông vùng nén và vùng kéo (giả định) phù hợp với ứng suất đo đợc trong bê tông. Vì lớp Polime sợi các bon có cờng độ quá cao, nên ứng suất sử dụng trong tấm thờng là thấp, R = 70 80 MPa chiếm 3,5%o 5%o so với ứng suất phá hoại của tấm Polime. Trong các thiết kế kết cấu theo chiều ngang nên bố trí các tấm có khoảng cách nhất định: khoảng cách này ít nhất là 2b (b bề rộng của tấm) và thông thờng có thể đến 15 20 cm để khai thác hết khả năng chịu lực của tấm Polime sợi các bon và đảm bảo tính kinh tế cho giải pháp gia cờng. Theo chiều dài kết cấu các tấm: tăng cờng nên bố trí theo chiều dài của kết cấu vì nếu không các vết nứt có thể thay đổi vị trí ra ngoài phần đã gia cờng. Trong trờng hợp là kết cấu dầm khoảng 40 50 cm nên bố trí một nẹp để tăng cờng khả năng dính bám của tấm PCSC với dầm bê tông. Còn với kết cấu bản thì không cần bố trí. 5. Kết luận Từ nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: * Hệ số tăng cờng có thể đạt từ 1,3 - 1,5. * Các khu vực phá hoại nằm ở ngoài phạm vi gia cờng bằng tấm Polime sợi các bon. * Về phơng diện thiết kế có thể áp dụng các giả thiết và phơng pháp tính của kết cấu bê tông. Vì cờng độ của tấm Polime sợi các bon rất cao nên bố trí thành các dải cách nhau ít nhất là 2b để giảm giá thành gia cờng. * Có thể sử dụng Polime sợi các bon gia cờng bản và dầm BTCT. Tài liệu tham khảo [1] Phạm Duy Hữu. ứng dụng Polime sợi các bon sửa chữa cầu. Báo cáo đề tài NCKH 2001 Bộ Giáo dục và Đào tạo. [2] Các nghiên cứu và phát triển mới nhất về gia cờng kết cấu bằng công nghệ gắn kết tấm Polime sợi các bon (PCSC) (The latesr R and D in Structural Strengthening with Bonded CFRP Plates). [3] Phơng diện thiết kế kết cấu bê tông đợc gia cờng mặt ngoài bằng tấm Polime sợi các bon (tấm PCSC) (Design Aspects of Concrete Struture Strengthened with Externally Bonded CFRP Plates) Ă . phần: cấu trúc nền và cấu trúc sợi. - Nền là êpoxy - Sợi là sợi các bon. - Sợi các bon có E = 240 - 900 MPa. - Cờng độ kéo khoảng 3000 - 4000 MPa khi kéo dọc sợi. Các sợi các bon đợc đặt chủ. Polime sợi các bon (PCSC) 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là để quan sát dạng phá hoại kết cấu đã gia cờng sợi các bon, chiều dài của tấm Polime sợi các bon, . Tấm Polime sợi các bon (PCSC) 2.1. Tấm PCSC Tấm PCSC đợc chế tạo theo phơng pháp keo tẩm. Theo phơng pháp này sợi các bon đợc chạy qua bể keo êpoxy và qua các lò hấp để làm cứng. Cấu trúc