COMPOZIT-VẬT LIỆU XÂY DỰNG CỦA THẾ KỶ XXI

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC COMPOZIT-VẬT LIỆU XÂY DỰNG CỦA THẾ KỶ XXI NGUYỄN TRÂM * TÓM TẮT Bài báo giới thiệu Cômpôzit FRP, loại vật liệu xây dựng mới, có nhiều tính trội so với loại vật liệu truyền thống (sắt thép, bêtông, gạch đá, gỗ…) Cômpôzit dùng làm lưới khung thay cốt thép kết cấu bêtông cốt thép; làm tao cáp kêt cấu dự ứng lực; làm dây văng cho cầu treo, dây co cho cột tháp; làm ván khuôn để lại để đúc dầm, cột, sàn bêtông; để sửa chữa gia cường cho loại công trình bị xuống cấp (bằng gỗ, gạch đá, kim loại, bêtông cốt thép thường dự ứng lực) Cômpôzit thực thân thiện với môi trường, làm vật liệu xây dựng để tạo kết cấu công trình bền vững Từ khóa: Cômpôzit FRP (Chất dẻo cốt sợi), vật liệu xây dựng, lưới khung, tao cáp dự ứng lực, dây văng, dây co, ván khuôn để lại ABSTRACT This paper provides an overview of Composite FRP, a new material of construction, that has excellent behavior in comparison with traditional materials such as steel, concrete, masonry, wood…The applications include rods, and meshes for reinforcing concrete; tendons for prestressing of concrete; stay cables for bridges, guy wires for towers; stay-inplace forms for concrete beams, columns or slabs; especially strengthening and repairing several of deteriorated structures (timber, masonry, metal, reinforced and prestressed concrete) The material is quite friendly with environment and may be developed into viable construction materials for the “sustainable structures” Key words: Composite FRP (Fiber reinforced plastic); material of construction; meshes and rods; tendons; stay cables; guy wires; stay-in-place forms Vật liệu Cômpôzit chất dẻo cốt sợi loại vật liệu xây dựng mới, có nhiều ưu điểm vượt trội, như: không han gỉ, cường độ cao, trọng lượng nhẹ, trung tính với tượng điện từ, dễ thi công, bảo quản tốn kém…Do đó, gần vật liệu nghiên cứu nhiều giới loại vật liệu lý tưởng, có nhiều hiệu quả, * GS TSKH, Đại Học Kiến Trúc Hà Nội 67 Bộ Giáo dục Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân thân thiện với môi trường Hầu vật liệu tiếp tục trình lịch sử phát triển loại vật liệu truyền thống, từ gạch, đá, gỗ, kim loại, bêtông cốt thép thực lôi nhiều nhà khoa học, kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu, kỹ sư thi công nhà sản xuất vật liệu vào guồng máy, nhằm nghiên cứu phát triển ứng dụng loại vật liệu mới, với công nghệ ngành xây dựng công trình Khả sử dụng vật liệu Khả sử dụng vật liệu cômpôzit đa dạng: 1) Làm cốt cho cấu kiện bêtông cốt mềm với hình thức rời lưới buộc gọi kết cấu bêtông cốt cômpôzit; 2) Làm loại cáp (căng trước căng sau) cho kết cấu bê-tông dự ứng lực cốt cômpôzit; 3) Làm ván khuôn để lại, đúc chỗ cấu kiện bêtông cốt thép đổ chỗ, lắp ghép bán lắp ghép; 4) Để gia cường, sửa chữa công trình hư hỏng nứt, xuống cấp gỗ, thép, gạch, đá bêtông cốt thép; 5) Làm nguyên vật liệu cho kết cấu xây dựng hoàn toàn chất liệu cômpôzit (chất dẻo cốt sợi FRP); 6) Làm kết cấu liên hợp vật liệu cômpôzit thép bêtông cốt thép; 7) Làm kết cấu vòm kết cấu cột chịu nén, ống cômpôzit nhồi bêtông, loại kết cấu liên hợp cômpôzit bêtông; 8) Phối hợp với vật liệu khác kết cấu liên hợp nhiều vật liệu; 9) Làm dây văng, cáp treo kết cấu dây mềm phục vụ ngành viễn thông, ngành giao thông vận tải ngành xây dựng, đặc biệt công trình có độ lớn kết cấu mái treo Làm cốt cho kết cấu BTCT Vật liệu cômpôzit như: chất dẻo cốt sợi cacbon (CFRP), cốt sợi thủy tinh (GFRP), cốt sợi aramid (AFRP), loại sợi khác, gọi chung cômpôzit chất dẻo cốt sợi (viết tắt FRP) Về nguyên tắc bố trí thay cốt thép kết cấu BTCT Cũng dùng cáp vật liệu cômpôzit thay cho cáp thép kết cấu bêtông dự ứng lực Như vậy, có khả tránh tượng han gỉ thép môi trường không khí, môi trường có nhiều tác nhân ăn mòn thép, nhà máy hóa chất, môi trường ven biển Điều có ý nghĩa nước ta, nước có miền duyên hải dài rộng, công trình xây dựng BTCT thép, thường trực diện với ăn mòn môi trường xâm thực nước biển 68 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC Kiến trúc sư kỹ sư kết cấu sử dụng kết cấu bêtông với cốt loại mới, cốt thép này, với dạng sau đây: Cốt rời lưới FRP làm cốt cho cấu kiện dầm bêtông chịu uốn cột chịu nén cấu kiện chịu lực phức tạp khác; Cáp vật liệu cômpôzit FRP làm cốt ứng lực trước thay cáp thép để căng kéo cấu kiện bêtông dự ứng lực, gọi bêtông dự ứng lực với cáp cômpôzit; Các mỏng vật liệu cômpôzit FRP làm ván khuôn để lại, tạo hình, đúc bêtông tươi cho kết cấu bêtông cốt thép, có hai tác dụng: a) Có khả giảm khối lượng thép bêtông; b) Đồng thời bảo vệ tốt cho cốt thép kết cấu chống xâm thực môi trường Loại hình kết cấu công trình làm cômpôzit xây dựng từ thập kỷ 70 kỷ trước Tuy nhiên, chưa thể cạnh tranh mặt kinh tế với loại thép không gỉ, có tính chất phương án thay Sang đầu thập kỷ 80 côm-pôzit FRP lại sử dụng làm vật liệu xây dựng cho công nghệ “Vega” với thiết bị cần trung tính với tượng điện từ ngành Viễn thông Càng sau vật liệu áp dụng tập trung vào ý nghĩa chống ăn mòn thay cho cốt thép kết cấu bêtông cốt thép công trình thép Hiện nay, FRP dùng làm cốt cho kết cấu bêtông sản xuất công ty bắc Mỹ, châu Á châu Âu Áp dụng chủ yếu cho công trình cầu hầm Loại hình làm cáp dự ứng lực thí nghiệm thí điểm Hà Lan, Đức Nhật Bản năm 1980, mục đích giảm tượng ăn mòn cho cấu kiện bêtông dự ứng lực Tuy nhiên, khó khăn cấu tạo neo giá thành tương đối cao, nên không hấp dẫn doanh nghiệp sản xuất phát triển Tấm ván khuôn chất liệu FRP để lại sau đúc kết cấu BTCT phát triển mạnh thời gian gần Vừa làm ván khuôn đúc, vừa tăng cường chịu kéo sau bêtông khô cứng ván khuôn để lại vĩnh viễn kết cấu Ở Hoa Kỳ năm 1999 2003 xây dựng hai cầu nhịp bêtông cốt FRP, bang Ohio Wisconsin Các ván khuôn hình ống để lại, sử dụng hiệu để đúc trụ cột kết cấu nhịp cầu bang California gọi kết cấu ống FRP nhồi bêtông Gia cường cho kết cấu có sẵn Vật liệu cômpôzit sử dụng có hiệu để sửa chữa nâng cấp công 69 Bộ Giáo dục Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân trình xây dựng nhiều nước vật liệu có nhiều ưu điểm mà liệu truyền thống gạch đá, kim loại (thép nhôm), gỗ, bêtông…đều khiếm khuyết Đối với cấu kiện cần nâng cấp thường sử dụng hai hình thức: gia cường sửa chữa Gia cường kết cấu nguyên thủy không đủ cường độ độ cứng Gia cường dùng cần thiết phải thay đổi cho phù hợp với quy chuẩn hành thay đổi cho phù hợp nhu cầu sử dụng công trình (đặc biệt gia cố để chịu tải trọng động đất) Vấn đề sửa chữa thường dùng công trình xuống cấp tác động môi trường, cốt thép kết cấu bị han gỉ nặng, trình thiết kế xây dựng bố trí thiếu cốt thép v.v… không đủ khả chịu tải bị biến dạng nhiều Có thể sử dụng để gia cường sửa chữa vật liệu FRP, cho kết cấu bêtông cốt thép kết cấu bêtông dự ứng lực, mà sử dụng hiệu cho loại kết cấu công trình xây gạch đá, kết cấu gỗ kim loại Công thức tính toán gia cường kết cấu bêtông cốt thép xuất phát từ hai phương trình tương tự công thức tính kết cấu BTCT, khác tiết diện có cốt thép kết cấu cũ gia cường dán phía dầm bêtông cốt thép Vậy ta có: Chiều cao phần bêtông chịu nén: c= As f s + A f f f γ f c' β1 b (ACI 440.2R-02:9-10) đó: As – diện tích cốt thép chịu kéo tiết diện; fs – cường độ tính toán cốt thép chịu kéo; Af – diện tích mặt cắt gia cường; ff – cường độ tính toán FRP gia cường; γ – hệ số tổng hợp lực ứng suất bêtông (cường độ tương đương quy đổi); b – bề rộng dầm bêtông cần gia cố; f c' – cường độ tính toán chịu nén bêtông; β1 – hệ số quy đổi chữ nhật tương đương Khả chịu mômen uốn tiết diện gia cố tính sau: 70 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC M n = As f s (d − β1c ) + ψ f Af f f (h − β1c ) 2 (ACI 440.2R-02:9-11) Gia cường cho kết cấu có sẵn công trình bêtông cốt thép (kể bêtông dự ứng lực), công trình thép gỗ công trình xây nề gạch đá muốn khôi phục, nâng cấp để công trình phục vụ yêu cầu tại, bảo đảm theo tiêu chuẩn hành 1) Đối với công trình bêtông cốt thép thường gia cường cách bọc với dải CFRP chế tạo sẵn nhà máy Những cấu kiện chịu uốn dầm, thường gia cường cách dán trực tiếp dải cômpôzit lên đáy dầm tức vị trí theo chiều chịu ứng suất kéo cấu kiện Nếu cần dán đè lên dải theo chiều thẳng góc (những dải hình chữ U) để neo lại Những cấu kiện chịu nén cột bêtông cốt thép với mặt cắt ngang dạng tròn, dạng hình vuông dạng chữ nhật thường gia cường cách “bó bột”cấu kiện, tức quanh chu vi cột dải CFRP Có nhiều nghiên cứu báo cáo công bố cách gia cường kết cấu bêtông cốt thép dạng chịu lực hai hướng cấu kiện chịu xoắn hình thức gia cường liên kết dầm cột Cũng gia cường cấu kiện bêtông cốt thép chịu uốn phương pháp gia cố kiểu bố trí FRP gần mặt (NSM- near-surface mounted) để gia cường dầm chịu uốn chịu cắt (Hình 1) Để gia cố ứng suất cắt dầm chịu uốn dùng dải FRP rộng Wf vòng quanh dầm góc nghiêng gần 450 dọc theo chiều dài dầm cách bước dài sf theo tính toán 2) Đối với kết cấu thép Cũng dùng chất liệu cômpôzit FRP để gia cường thớ chịu kéo mặt cắt cấu kiện thép loại (kể dầm chịu uốn, giàn chịu lực dọc trục, với tải trọng tĩnh, động trạng thái giới hạn mỏi ) 3) Đối với kết cấu xây gạch đá Rất nhiều công trình xây gạch đá có nhu cầu gia cố sửa chữa nâng cấp để trì tồn tại, đặc biệt với yêu cầu tiêu chuẩn hành chống động đất Phương pháp gia cường khối nề tham khảo cách gia cố kết cấu công trình bêtông cốt thép 71 Bộ Giáo dục Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân Hình bố trí FRP gần mặt để gia cố dầm chịu uốn Thực chất vật liệu Cômpôzit Vật liệu Cômpôzit (FRP) gồm hai nhiều pha vật liệu khác nhau: cốt sợi môi trường chất dẻo làm cho cốt sợi gia cường Cốt sợi nói chung có tính chất đặc biệt: cường độ độ cứng cao, tỷ trọng thấp Nếu so sánh cường độ độ cứng môi trường chất dẻo làm thường thấp Sợi cách xếp định tính chất học vật liệu sức chịu tải trọng Chất dẻo làm có nhiệm vụ truyền tải trọng vào sợi, giữ vị trí hướng cần thiết cho sợi, đồng thời đẻ bảo vệ sợi khỏi bị xâm thực mặt hoá học học Có thể bố trí sợi theo vị trí, phương hướng thể tích vật liệu đúc miền có ứng suất cao cấu kiện để cốt sợi đạt hiệu lớn Các loại cốt sợi Chủ yếu sử dụng ba loại sợi sợi aramid, sợi thủy tinh sợi cacbon (graphit) để làm cốt cho FRP Những số liệu bảng kê sau (bảng 1) [1] có tính dẫn (nếu cần trị số thực cốt sợi, nhà sản xuất cung cấp) Các sợi có tính chất đàn hồi tuyến tính tải trọng cực hạn điểm chảy rõ ràng Các đường biểu diễn tiêu chuẩn s-e cốt sợi giới thiệu hình vẽ cuối Bảng Cốt sợi Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) Môđun đàn hồi (kN/mm2-GPa) Độ dãn dài (%) Tỷ trọng (g/cm3) Aramid 3400 - 4100 70 -125 2.4 1.44 3400 2760 2350 4600 72,5 73 74 88 2,5 2,5 2,5 3,0 2,57 2,46 2,46 2,47 Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) Môđun đàn hồi (kN/mm2-GPa) Độ dãn dài (%) Tỷ trọng (g/cm3) Thủy tinh loại E loại A loại C loại S Cốt sợi 72 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC Carbon Tiêu chuẩn Cường độ cao Môđun cao Môđun cực lớn 3700 4800 3000 2400 250 250 500 800 1,2 1,4 0,5 0,2 1,7 1,8 1,9 2,1 Các loại chất dẻo làm Chất dẻo thường loại polyester epoxy không bão hoà, cần chịu lửa dùng thêm phênôn Tính chất loại chất dẻo tóm tắt Bảng [1]: Bảng Chất dẻo Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) Môđun đàn hồi (kN/mm2-GPa) Độ dãn dài (%) Tỷ trọng (g/cm3) Polyester 65 4,0 2,5 1,2 Epoxy 90 3,0 8,0 1,2 Vinylester 82 3,5 6,0 1,12 Phenolic 40 2,5 1,8 1,24 Polyurethane 71 2,9 5,9 Thay đổi Tính chất học Compôzit FRP Tính chất Cômpôzit FRP phụ thuộc tỷ số lượng sợi thể tích chất dẻo (gọi hàm lượng sợi tính theo thể tích) tính chất học vật liệu thành phần Mô hình đơn giản nói lên tính chất đàn hồi vật liệu Cômpôzit đơn hướng dựa sở chủ yếu “luật trộn” “ứng suất hằng” Ứng suất phá huỷ dọc Cômpôzit FRP đơn hướng tính theo công thức: σ = σ f Vf + σ m (1 − Vf ) , đó: σf ứng suất phá hủy sợi; σm ứng suất phá hủy nền; Vf hàm lượng thể tích sợi Tương tự môđun đàn hồi dọc là: E1 = E f Vf + E m (1 − Vf ) , đó: Ef Môđun đàn hồi sợi; Em Môđun đàn hồi nền; Vf hàm lượng thể tích sợi 73 Bộ Giáo dục Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân Hàm lượng thể tích sợi lớn Cômpôzit FRP phụ thuộc loại nguyên liệu quy trình gia công chế tạo Quy trình chế tạo định hàm lượng thể tích sợi, lượng lỗ rỗng vật liệu độ đặc nói chung Để phân tích tính toán kết cấu bêtông cốt FRP, ta dùng nguyên tắc chung, tương tự cho kết cấu BTCT theo trạng thái giới hạn theo phương pháp LRFD [1] Ví dụ tính toán tiết diện ngang chữ nhật chịu uốn lấy mô hình tính tương tự tiết diện BTCT với hai phương trình cân bằng: ∑X =0 a= Af f f 0.85 f c' b ∑M / Àf  ; =0 Rút ra: (ACI 440.1R-06) Rút ra: a M u = A f f f (d − ) (ACI 440.1R-06) đó: d – khoảng cách từ mép tiết diện đến trọng tâm cốt FRP; Af – diện tích mặt cắt ngang cốt FRP; ff – cường độ tính toán cốt FRP; f c' – cường độ tính toán bêtông chịu nén; b – bề rộng mặt cắt ngang dầm bêtông cổt FRP; 0.85 hệ số quy đổi từ biểu đồ ứng suất thực dạng chữ nhật Hàm lượng cốt FRP tối thiểu lấy theo công thức sau [1]: A f ,min = 4.9 f c' 330 bw d ≥ bw d f fu f fu (ACI 440.1R-06:8-8) Ứng dụng Cômpôzit FRP xây dựng Vật liệu Compôzit (FRP) sử dụng thành công nhiều năm ngành công nghiệp hàng không vũ trụ phương tiện giao thông (ô tô) Chúng 74 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC dùng công nghệ xây dựng để làm cấu kiện đặc biệt môi trường xâm thực kết cấu bao che Gần đây, FRP dùng kết hợp với loại vật liệu xây dựng truyền thống, Tuy nhiên, thường sử dụng Compozit FRP nhiều để gia cường khôi phục kết cấu công trình cũ xuống cấp Một vài ví dụ kết cấu toàn dùng Cômpôzit đầu tiên, chẳng hạn cầu Aberfeldy Scôtlen cầu Bonds Mill Anh quốc Ở Nga, thí điểm dùng FRP cho cầu: 1) Một cầu ôtô cho xe tải 10 xe xích 80 qua sông Volga thành phố khoa học Dubna; 2) Một cầu công viên (cầu treo dây văng) thành phố Dubna, cho người nhip dài 16m; 3) Một cầu người bắc qua đường sắt Moscow (ga Chertanovo), lắp dựng tháng năm 2004, cầu có nhịp 13,2m nhịp 15m 4) Một cầu cho đường sắt xây dựng đảo Sakhalin bắc qua thung lũng sâu 23,5m rộng 84m, cầu kiểu giàn đặt trụ kiểu giàn chữ V, với FRP có tiết diện ngang từ 30cm2 đến 150cm2; môđun đàn hồi chịu kéo 30GPa chịu cắt 3GPa (Hình 4) Hình Cầu công viên TP Dubna cầu ôtô TP Moscow (CHLBNga) toàn làm Cômpôzit FRP Hình Cầu đường sắt xây dựng đảo Sakhalin CHLBNga hoàn toàn FRP 75 Bộ Giáo dục Đào tạo - Trường Đại học Duy Tân Năm 2002 số tác giả Nhật Bản “thai nghén” phương án cầu treo dây võng có nhịp tới 5000m FRP Ở Trung Quốc năm 2004, tác giả Đại học Thanh Hoa Đại học Bách khoa Hồng Kông đề xuất phương án mái nhà có nhịp lớn (150m đường kính) làm dải FRP cường độ cao, đan thành mạng lưới tựa phên tre truyền thống gây ứng suất trước cách nâng hạ vành đai [2] Trên giới, từ năm 1993 Hội nghị khoa học FRP tổ chức hai năm lần: 1993 Vancouver, 1995 Glent, 1997 Sapporo, 1999 Baltimore, 2001 Cambridge, 2003 Singapore, 2005 Kansas City, 2007 Patras… Ở Viêt Nam, năm 2001 2003 vật liệu FRP tác giả báo soạn thảo làm tài liệu giảng dạy cho lớp bổ túc kỹ sư “Dự án Đào tạo Nâng cao Năng lực Cán ngành GTVT” chuyên gia Việt Nam với hai công ty Scott Wilson UK (Dự án HRP1-2001) SMEC International Pty Ltd, Australia (Dự án HRP2-2003) Các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu việc dùng cômpôzit FRP để gia cường kết cấu BTCT cũ xuống cấp xuất luận văn luận án Thạc sỹ [5] Tiến sỹ đề tài FRP Cũng hình thành đề tài NCKH vấn đề này, nhiên việc thực thi nhiều rào cản, chủ yếu vấn đề kinh phí nghiên cứu nhà tài trợ Kết luận Có thể tin rằng, công nghệ sản xuất phát triển có đủ dẫn thiết kế hiệu lực, vật liệu chắn có tương lai tốt, sử dụng rộng rãi, với ph­ương án hiệu quả, thân thiện với môi trường, xứng đáng để xây dựng công trình xây dựng bền vững kết cấu bêtông cốt thép thép KIẾN NGHỊ Cần cho sinh viên đại học học viên cao học tiếp thu kiến thức vật liệu cômpôzit, bước phát triển tất yếu kết cấu xây dựng trình Các môn chuyên ngành kết cấu công trình (Gạch đá, thép gỗ, bêtông cốt thép…), cần thiết phân công cán sâu vào loại vật liệu kỷ XXI Trước hết viết giáo trình tài liệu liên quan đến vật liệu nói (chẳng hạn “Kết cấu Cômpôzit”), tương tự giáo trình giảng dạy “Kết cấu thép” “kết cấu bêtông cốt thép” Trong chương trình giảng dạy cần bổ sung thêm môn học liên quan với tín tương xứng 76 Tensile Strength, N/mm KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC 5000 Aramid 4000 Glass 3000 Carbon HS 2000 Carbon HM Carbon UHM 1000 0,00 Steel 1,00 2,00 3,00 4,00 Strain, % Hình Đường cong s- e sợi điển hình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lawrence C Bank, (2006), Composites for Construction (Structural Design with FRP Materials) John Wiley & Sons, Inc., Hoboken New Jersey [2] Seracino R (2005), FRP Composites in Civil Engineering-CICE 2004 Taylor & Francí Group plc, London, UK [3] Nguyễn Trâm, (2005), kết cấu vật liệu xây dựng kiến trúc nhiệt đới nóng ẩm Việt nam Hội thảo Khoa học “Kiến trúc Nhiệt đới Việt Nam-Định hướng Giải pháp” [4] Nguyễn Trâm, (2006), Sử dụng vật liệu mới: Chất dẻo cốt sợi kết cấu bêtông Báo Người Xây dựng, số tháng năm 2006 Tổng hội Xây dựng Việt Nam [5] Nguyễn Thanh Tùng (2008), Sửa chữa gia cố cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Đại học Kiến trúc Hà Nội Người hướng dẫn GS TSKH Nguyễn Trâm [6] Nguyễn Trâm (2011), Vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường - Vật liệu kỷ XXI Conference “ Green Building – Green Future” Conference Proceedings Hà Nội 2011, pp.16-22 77