ỨNG DỤNG CỐT SỢI THUỶ TINH GIA CƯỜNG POLYMER THAY THẾ CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở Trung Quốc, GFRP được nghiên cứu và ứng dụng cho các cây cầu cho người đi bộ từ 1982, qua gần ba mươi năm nghiên cứu đến nay đã có sản lượng sử dụng GFRP hàng năm tăng nhanh chóng như bảng thống kê ở dưới, với các dự án quan trọng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LỚP CAO HỌC: KỸ THUẬT HẠ TẦNG ĐÔ THỊ KHÓA: 22.1 HỌC VIÊN: Trần Lê Kim Đĩnh BÀI TIỂU LUẬN VỀ VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI ỨNG DỤNG CỐT SỢI THUỶ TINH GIA CƯỜNG POLYMER THAY THẾ CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP I./ Giới thiệu chung: Thanh cốt sợi thuỷ tinh gia cường polymer (GFRP) với tính chịu kéo cao thép nhiều lần lại nhẹ không bị gỉ GFRP bền vững môi trường muối, axit chất ăn mòn khác nhắc đến Việt Nam từ năm 70 kỷ trước, ước vọng xa xôi, nghĩ dùng vài ngành kỹ thuật sang trọng hàng không vũ trụ dự án quốc phòng Ở Việt Nam biết phát triển mạnh mẽ xu phổ cập mạnh mẽ cốt sợi thuỷ tinh gia cường polimer (GFRP rebar - Glass fiber reinforced polymer rebar) diễn khắp giới Việt Nam chưa tận dụng hội đưa loại vật liệu xây dựng đại lại bình dân vào thực tiễn xây dựng Việt Nam, đặc biệt thời kỳ khủng hoảng bất động sản Bắt đầu từ ứng dụng GFRP cho phần mặt công trình cầu ô tô Bắc Mỹ thay cho cốt thép, nhằm hạn chế phá hoại cốt thép thành phần Clo xâm nhập vào bê tông người ta buộc phải rải muối lên mặt cầu đường để phá tan băng tuyết cho xe lưu thông năm 1980, đến ngày nhiều ứng dụng GFRP nghiên cứu phát triển Thống kê sơ có 30 quốc gia phát triển có nhiều nghiên cứu sử dụng GFRP, riêng Mỹ có 3000 doanh nghiệp với 250.000 lao động làm việc ngành nghề liên quan đến GFRP, có nhiều Hiệp hội sản xuất ứng dụng dạng sản phẩm GFRP đời, tiếng ACMA (American composites manufacturers association) Với đời Hiệp hội sản xuất Composite Mĩ phát triển GFRP Bắc Mỹđược đẩy nhanh thêm hiệp hội chịu trách nhiệm thúc đẩy ban hành tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn thử nghiệm chất lượng sản phẩm, quy phạm thi công chuyên dùng cho GFRP, hối thúc quyền ban hành sách để mở đường cho GFRP phát triển mạnh mẽ Ở Trung Quốc, GFRP nghiên cứu ứng dụng cho cầu cho người từ 1982, qua gần ba mươi năm nghiên cứu đến có sản lượng sử dụng GFRP hàng năm tăng nhanh chóng bảng thống kê dưới, với dự án quan trọng Hơn Trung Quốc trở thành cường quốc sản xuất sợi thuỷ tinh thiết bị chế tạo, sản xuất GFRP xuất nhiều nước giới II./ Các tiêu kỹ thuật GFRP Đặc tính cấu tạo a) Chất kết dính: Chất kết dính sử dụng để gắn kết vật liệu cốt sợi tổng hợp bề mặt bê tông cấu kiện Chất kết dính giúp truyền tải trọng bề mặt bê tông hệ thống gia cường composite Chất kết dính sử dụng để gắn lớp vật liệu composite lại với b) Cốt sợi: Các cốt sợi thủy tinh, aramid các-bon thường sử dụng với hệ thống gia cường vật liệu composite Các cốt sợi giúp cho hệ thống gia cường mặt cường độ độ cứng c) Lớp bảo vệ: Lớp bảo vệ giúp giữ gìn cốt thép gia cường kết dính khỏi tổn hại tiềm môi tác động môi trường học Lớp bảo vệ ứng dụng điển hình bề mặt hệ thống gia cường sau thực việc bảo dưỡng lớp kết dính Việc bảo vệ có nhiều dạng khác Chúng bao gồm keo epoxy, hệ thống kết dính tạo nhám, lớp bảo vệ chống cháy, Đặc tính vật lý a) Khối lượng riêng: Vật liệu polymer cốt sợi có khối lượng riêng khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo nhỏ thép lần Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng kết cấu dễ dàng xử lý vật liệu công trường Bảng Thép GFRP CFRP AFRP 7,9 1,2 – 2,1 1,5 – 1,6 1,2 – 1,5 b) Hệ số dãn nở nhiệt: Các hệ số dãn nở nhiệt vật liệu composite chịu lực chiều khác theo phương dọc ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính tỷ lệ cốt sợi Bảng 2: Hệ số dãn nở nhiệt loại vật liệu cốt sợi Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C) GFRP CFRP AFRP tới 10 –1 tới –6 tới –2 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80 Theo chiều dọc, aL Theo chiều ngang, aT Ghi chú: giá trị điển hình hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi phạm vi 0,5 tới 0,7 [1] c) Ảnh hưởng nhiệt độ cao: Phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi vật liệu polymer bị giảm đáng kể thay đổi cấu trúc vật liệu Ở vật liệu composite FRP, cốt sợi thể đặc tính nhiệt tốt so với chất kết dính tiếp tục chịu số tải trọng theo phương dọc thớ nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt sợi Điều xảy nhiệt độ vượt 1000°C Cốt sợi thủy tinh có khả chịu nhiệt không 275°C Do giảm lực chuyển đổi cốt sợi thông qua liên kết tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo vật liệu composite bị giảm Các kết thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ 250°C (cao nhiều so với nhiệt độ giới hạn vật liệu kết dính) làm giảm cường độ chịu kéo vật liệu cốt sợi thủy tinh carbon tới 20% Các đặc tính khác bị tác động truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn cường độ chịu uốn, bị giảm đáng kể nhiệt độ thấp Đặc tính học a) Cường độ chịu kéo: Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp ứng xử dẻo trước bị phá hoại Ứng xử kéo vật liệu biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính đến bị phá hoại, trường hợp phá hoại đột ngột giòn Cường độ kéo độ cứng vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số Vì sợi vật liệu tổng hợp thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều xếp cốt sợi, lượng cốt sợi phương pháp điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo vật liệu b) Ứng xử nén: Các hệ thống gia cường vật liệu cốt sợi tổng hợp không sử dụng cho mục đích gia cường vùng chịu nén Mô đun đàn hội nén thường nhỏ so với mô đun đàn hồi kéo Các kết thí nghiệm loại vật liệu với tỷ lệ thể tích 55-60% cốt sợi thủy tinh liên tục nằm chất kết dính ester polyester cho thấy mô đun đàn hồi có giá trị khoảng 34000 48000 MPa Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo vật liệu GFRP, 85% CFRP 100% AFRP Các dạng phá hoại Cường độ chịu uốn mặt cắt phụ thuộc vào kiểu phá hoại Các dạng phá hoại sau cần khảo sát mặt cắt cấu kiện gia cường lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp · Sự phá hoại bê tông vùng nén trước cốt thép thường bị chảy, · Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau xảy phá hoại gia cường, · Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau có phá hoại bê tông vùng chịu nén, · Sự bóc tách lực cắt kéo lớp bê tông bảo vệ · Sự bóc tách lớp vật liệu gia cường khỏi bề mặt bê tông Sự phá hoại nén bê tông giả định xảy biến dạng nén bê tông đạt tới giá trị biến dạng giới hạn (ec = ecu = 0,003) Sự phá hoại từ lớp gia cường giả định xảy biến dạng lớp gia cường đạt tới giá trị biến dạng tới hạn thiết kế (e f = efu) trước bê tông đạt tới biến dạng cực hạn Sự bóc tách lớp bê tông bảo vệ lớp vật liệu gia cường xảy lực lớp gia cường vượt qua khả chịu đựng liên kết bề mặt Với mặt cắt gia cường lớp vật liệu cốt sợi tổng hợp, phá hủy bóc tác chủ yếu (hình 1b) Để tránh dạng phá hủy bóc tách vết nứt xiên, biến dạng có hiệu cốt liệu gia cường cần nhỏ biến dạng mà bóc tách xảy ra, efd Theo ACI 440.2R-08 (2008) giá trị xác định sau: Cũng theo ACI 440.2R-08 (2008), giá trị biến dạng thiết kế gia cường đề nghị lấy efd ≤ 0,7efu Để đảm bảo phá hoại xảy theo dạng này, chiều dài dính bám phải lớn giá trị tính toán a) Ứng xử cấu kiện bê tông chịu uốn gia cường b)Sự bóc tách lớp gia cường vết nứt uốn cắt c)Sự bóc tách lớp bê tông vật liệu gia cường Hình 1: Các dạng phá hoại điển hình cấu kiện chịu uốn gia cường sợi tổng hợp [1] Đánh giá hiệu phương pháp gia cường thực nghiệm Để đánh giá hiệu phương pháp gia cường, phần trình bày kết thí nghiệm bê tông cốt thép chịu uốn Các có kích thước làm việc B x L x H= 60cm x 100cm x 6cm, chế tạo bê tông mác #200, cốt thép có cường độ chảy 340 MPa (hình 3) Bản B01 không gia cường, lại B02, B03 B04 gia cường cốt sợi từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa độ dãn dài cực hạn 2,0% Keo dính sử dụng có cường độ chịu kéo 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa độ dãn dài 5,0% Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có cường độ 123,4 MPa mô đun đàn hồi 3,12 GPa Các quan hệ chuyển vị tải trọng thể hình Ở đây, B01 với cốt thép thường thể môt miền chảy dẻo lớn có chuyển vị trạng thái tới hạn 38mm Ở trạng thái này, có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với chiều dài nhịp uốn 3,8% Tải trọng lớn mà B01 chịu khoảng 17 kN Ngược lại, B02, B03 B04 gần miền chảy dẻo bị phá hoại đột ngột bong bật lớp gia cường Các đường cong quan hệ chuyển vị tải trọng có dạng giá trị tải trọng tới hạn chuyển vị tới hạn tương đối gần Ở đây, giá trị trung bình tải trọng tới hạn xấp xỉ 50 kN, chuyển vị 11mm Như thử nghiệm này, kết cấu gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ ba lần so với kết cấu không gia cường (300%) Hình 3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng vị trí dầm 6./ Ưu điểm cốt composite “thủy tinh – polymer” cho cấu kiện bê tông so với cốt thép truyền thống - Cường độ kéo đứt cao gấp lần cốt thép mác A-III - Cốt composite không bị ăn mòn, kể môi trường kiềm bê tông - Cốt composite bền axit - Cốt composite làm từ vật liệu nghịch từ không dẫn diện, cho phép sử dụng cho công trình bệnh viện, sân bay, trạm radar công trình quân - Độ dẫn nhiệt thấp Độ dẫn nhiệt cốt composite thấp 100 lần so với thép - Không hấp thụ song điện từ - Cốt composite không đánh tính chất nhiệt độ thấp, khác với xu hướng gia tăng độ giòn cốt thép giảm nhiệt độ - Hệ số giãn nở nhiệt cốt composite bê tông tương đương nhau, tránh nứt vỡ nhiệt độ làm việc thay đổi - Nhẹ thép khoảng lần, nhẹ khoảng lần thay lượng cốt thép tương đương cường độ, cho phép giảm đáng kể khối lượng công việc tiến hành công tác bê tông, cốt thép - Có thể sử dụng cốt composite với chiều dài - Độ bền kéo hệ thống lớp chống thấm cải thiện lớn giúp tăng khả chống nứt lên hệ thống lưới gia cố va đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài cho hệ thống chống thấms - Chi phí vận chuyển bốc dỡ thấp - Dự đoán độ bền không 80 năm III./ Các thuận lợi sử dụng Cốt Composite Việt Nam Đối với Việt Nam, việc sản xuất ứng dụng GFRP có nhiều thuận lợi nước khác vì: - Việt Nam có nguồn cát trắng chất lượng cao, khối lượng lớn phân bố rộng Miền Trung để sản xuất sợi thuỷ tinh chất lượng cao, nguồn vật liệu quan trọng chiếm tỷ lệ 70% khối lượng GFRP - Đầu tư nhà máy sản xuất GFRP từ cát trắng thành sản phẩm GFRP nhỏ so với sản xuất từ quặng ferit thép cán, phù hợp với lực kinh tế Việt Nam - Các nhà máy sản xuất GFRP không đòi hỏi kỹ thuật cao, không cần diện tích lớn không gây ô nhiễm môi trường nhà máy luyện cán thép - Việc đưa GFRP vào thay thép cho công trình xây dựng ven biển, hải đảo, nơi ngập mặn, nơi đất phèn đưa GFRP vào phận ngầm lòng đất công trình nhà cửa, cầu cống thiết - Với tiêu chuẩn thiết kế quy trình quy phạm hỗ trợ nghiệm thu sản phẩmvà hướng dẫn thi công cốt sợi GFRP cho kết cấu bê tông cốt thép Hiệp hội bêtông Mỹ ACI Hiệp hội Cầu đường Canada, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, công tác thiết kế công trình sử dụng FRP không khó khăn với kỹ sư xây dựng Việt Nam Còn việc gia công, vận chuyển lắp dựng cốt sợi GFRP công tác thi công lại thuận lợi nhiều so với thi công thép thanh, trọng lượng nhẹ, dễ cắt - Chi phí xây dựng công trình giảm đến 7-10% ứng dụng GFRP thay thép, đặc biệt chi phí tu sửa chữa công trình để khắc phục tượng giảm tuổi thọ ăn mòn cốt thép giảm gần không Hiện Công ty NUCETECH (Công ty Cổ phần Đầu tưphát triển công nghệ Đại học Xây dựng ) đầu việc nghiên cứu, chế tạo phát triển công nghệ vật liệu mẻ cho ngành xây dựng Việt Nam có thêm nguồn vật liệu tốt, rẻ tương lai gần IV./ Các công trình sử dụng GFRP Trung Quốc Các công trình sử dụng GFRP Trung Quốc + Về đường sắt (tàu điện ngầm): Bao gồm nhà ga, hầm ngầm lòng đất số nhà ga Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu, Thâm Quyến + Mỏ khai thác: Mỏ khai thác than công ty Hạ Tây Trường An, mỏ khai thác than, quặng thô Tập đoàn lượng Thần Hoa Bắc Kinh + Sử dụng GFRP đóng tàu Trung Quốc lớn đặc biệt thiết kế du thuyền + Đường cao tốc Thạch Thái (Thạch Gia Trang, tỉnh Thái nguyên) + Quảng trường văn hóa Thiên Tân + Bờ kè sông Tương Giang, Hồ Nam + Bờ kè phía đông đường Phục Hưng, Thượng Hải + Bến tàu cao tốc cao, Nghi Sơn, Giang Nam Sản lượng GFRP năm gần Trung Quốc Năm 2010 sản lượng 855.000 Năm 2011 sản lượng 946.000 Năm 2012 (Tháng đến tháng 9) sản lượng 1.180.000 Cốt composite “thủy tinh – nhựa” có dạng đường kính từ – 20 mm, chiều dài (có thể lại thành cuộn) với bề mặt xung quanh tiết diện có gân xoắn ốc Cốt composite chế tạo từ sợi thủy tinh, kết dính polymer dạng nhựa epoxy - Flintkote FG4 la lưới sợi thủy tinh dùng để gia cố cho hệ thống lớp phủ asphalt, matit nhựa đường, nhũ tương nhựa đường chống thấm - Không độc hại Mức độ ảnh hưởng đến người môi trường, xếp vào nhóm nguy hiểm thứ (ít nguy hiểm) theo Tiêu chuẩn Nga ГОСТ 12.1.07 - Được sử dụng xây dựng dân dụng công nghiệp, xây dựng công trình giao thông, cấu kiện bê tông dự ứng lực, thay cốt thép truyền thống Kết luận Với ưu điểm vật liệu cường độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với vật liệu truyền thống, thuận tiện việc thi công, phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép việc dán vật liệu cốt sợi tổng hợp thể hiệu kỹ thuật cao Sự tăng cường vật liệu cường độ cao vùng chịu kéo làm tăng chiều cao chịu nén mặt cắt bê tông, kéo theo tăng sức chịu tải uốn cấu kiện Khảo sát số thực nghiệm cho thấy, việc gia cường vật liệu composite làm tăng đáng kể độ cứng cấu kiện sau gia cường Vì vật liệu gia cường có giới hạn biến dạng phá hoại cao, nên phá hoại mặt cắt chịu lực chủ yếu xảy bê tông vùng chịu nén vượt khả chịu lực Sự chuyển đổi từ dạng phá hoại dẻo cốt thép thường sang phá hoại dòn bê tông vùng chịu nén khai thác tối đa chịu lực bê tông, hiệu gia tăng sức chịu tải kết cấu cao (300% cho trường hợp kết cấu thí nghiệm) Ngoài dạng phá hoại thông thường mặt cắt đứt cốt liệu chịu kéo phá hoại nén bê tông, phương pháp gia cường có phá hoại bóc tách lớp gia cường chiều dài lớp gia cường không đủ lớn Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng mức độ gia cường, chiều dài gia cường, dính bám bê tông lớp vật liệu gia cường với làm việc chung bê tông vùng chịu kéo cần thiết Người làm tiểu luận Hà Nội ngày 14 tháng 12 năm 2014