Vật liệu cốt thanh GFRP và khả năng ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng giao thông

Vật liệu cốt thanh frp có cường độ chịu kéo cao(gấp 2 lần cốt thép), trọng lượng nhẹ (bằng 14 cốtthép), chống ăn mòn, có triển vọng thay thế cho cốtthép truyền thống trong các hạng mục công trìnhgiao thông nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ, giảmchi phí trong quá trình khai thác.

VẬT LIỆU CỐT THANH PHI KIM LOẠI VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC XÂY DỰNG GIAO THƠNG Tóm tắt: Kết cấu bê tông cốt thép ứng dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng, bên cạnh ưu điểm giá thành, khả chịu lực, khả tạo hình,… cịn tồn nhược điểm lớn cốt thép dễ bị ăn mòn, đặt biệt điều kiện mơi trường có chứa tác nhân hóa học Vật liệu cốt phi kim loại có ưu điểm trọng lượng nhẹ (bằng 1/4 so với cốt thép), khả chịu kéo lớn (gấp lần cốt thép), khơng bị ăn mịn tác nhân từ môi trường, cho phép xây dựng công trình có độ bền lên đến 100 năm [7] Bài báo trình bày khái qt tính chất lý vật liệu cốt phi kim loại khả ứng dụng lĩnh vực xây dựng giao thơng Từ khóa: Cốt phi kim loại, vật liệu hỗn hợp, cốt phi kim loại Abstract: Steel reinforced concrete structures is widely used in the construction field, besides its advantages in cost, strength, shaping ability, it also has a disadvantages of reinforcement corrosion, especially in environmental conditions that contain chemical agents Non-metallic rebar reinforcement has the advantage of being light weight (1/4 of steel), high tensile strength (twice as steel), no corrosion by environmental agents, it allows the construction of structures with a durability of up to 100 years [7] This paper presents chemical and physical characteristics of non-metallic rebar reinforcement and their applicability in transport construction field Keywords: FRP rebar, composite materials, non-metallic rebar reinforcement Đặt vấn đề Các hạng mục cơng trình giao thơng chịu tác động trực tiếp tải trọng xe chạy tác nhân từ môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ăn mịn hóa học,… Tổng hợp tác động dẫn đến thối hóa lớp bê tơng bảo vệ cốt thép, làm cho cốt thép bị ăn mòn gây hư hỏng kết cấu Kể từ năm 1979 với đời hiệp hội nhà sản xuất vật liệu composit Mỹ (ACMA - American Composites Manufacturers Association) thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng cốt phi kim loại cho kết cấu bê tơng Tính đến năm 2016 Mỹ ứng dụng vật liệu Số 12 năm 2017 NGUYỄN VĂN NGÔN Khoa Xây dựng Trường Cao đẳng Giao thông Huế NGUYỄN VIẾT TRUNG PHẠM DUY ANH Khoa Cơng trình Trường Đại học Giao thông vận tải FRP cho 67 dự án cầu 27 bang, có 54 cầu dùng FRP thay cho cốt thép mặt cầu Canada ứng dụng cho 211 dự án cầu tỉnh [8] Tại Việt Nam lĩnh vực xây dựng giao thơng có ứng dụng thi công thử nghiệm đoạn đường Hồ Tùng Mậu - Cầu Giấy - Hà Nội, chưa có ứng dụng cơng trình cầu Vì việc nghiên cứu vật liệu cốt phi kim loại để ứng dụng cho hạng mục cơng trình cầu nhằm phát huy ưu điểm loại vật liệu này, kéo dài tuổi thọ cơng trình giảm chi phí cần thiết Phương pháp nghiên cứu Bài viết sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp phân tích, tổng hợp kết hợp với quan sát khoa học Nghiên cứu tính chất lý đặc trưng cốt phi kim loại ứng dụng cơng trình giao thơng 3.1 Giới thiệu Cốt phi kim loại (FRP) vật liệu hỗn hợp (composit) tạo thành từ hai thành phần vật liệu khác Tuỳ thuộc vào vật liệu thành phần mà sản phẩm FRP có tính chất khác Cấu tạo FRP gồm hai thành phần chính: thành phần thứ sợi tăng cường, thành phần tạo nên cường độ vật liệu FRP Thành phần thứ hai nhựa (chất keo) để liên kết sợi với nhau, cố định vị trí sợi cấu trúc vật liệu FRP (hình 1) Thành phần sợi gia cường có nhiều loại, nhiên loại sợi sử dụng nhiều là: sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi aramid Chất kết dính Polyester, Epoxy, Vinyl Ester, Urethane Phân loại theo cốt sợi vật liệu FRP chia thành loại là: cốt sợi thuỷ tinh (GFRP), cốt sợi cacbon (CFRP), cốt sợi aramid (AFRP) cốt sợi basalt (BFRP) Vật liệu FRP có nhiều dạng mặt cắt ngang như: vng, trịn, khối đặc tròn rỗng 39 bề mặt tạo gờ sợi, lớp phủ cát theo hình dạng khn đúc Một số dạng sản phẩm FRP thể hình (Sợi) (Nhựa) (Thanh FRP) Hình Các thành phần vật liệu FRP Hình Ứng xử kéo loại FRP so với cốt thép 3.2.2 Ứng xử nén (a) Thanh GFRP (b) Thanh CFRP(c) Thanh BFRP Hình Một số loại sản phẩm FRP 3.2 Các tính chất lý đặc trưng cốt FRP Tùy thuộc vào hai thành phần tạo nên cốt FRP chất keo liên kết loại sợi gia cường Thông thường FRP có trọng lượng nhẹ hơn, mơ đun đàn hồi thấp cường độ cao cốt thép Một số tính chất cốt FRP so sánh với cốt thép thể bảng Bảng Một số thông số vật liệu FRP so sánh với cốt thép Thép (AIII) GFRP CFRP AFRP Ứng suất chảy (MPa) 276 - 517 - - - Cường độ chịu kéo (MPa) 483 - 690 483 - 1600 600 - 3690 1720 - 2540 Đặc tính Vật liệu Mơ đun đàn hồi (GPa) Biến dạng kéo đứt (%) 200 35 - 51 120 - 580 41 - 125 6,0 - 12,0 1,2 - 3,1 0,5 - 1,7 1,9 - 4,4 3.2.1 Ứng xử kéo Ứng xử kéo FRP đặc trưng mối quan hệ ứng suất biến dạng có dạng đàn hồi tuyến tính đến phá hoại (hình 3).So với cốt thép, cốt FRP có độ bền kéo cao biến dạng cực hạn nhỏ (khơng có giới hạn chảy) mô đun đàn hồi kéo thấp Độ bền kéo FRP thay đổi theo đường kính thanh, mơ đun theo hướng dọc thay đổi khơng đáng kể 40 Cốt FRP có ứng xử nén phức tạp xuất phá hoại cục vi sợi tính dị hướng tính khơng đồng vật liệu dẫn đến đết đo đạc khơng xác Hiện tiêu chuẩn phương pháp thử ứng xử nén FRP chưa ban hành Cường độ chịu nén lấy 45%, 80%, 22% tương ứng với loại GFRP AFRP, CFRP từ giá trị cường độ chịu kéo [9] Mô đun đàn hồi nén lấy 80% cho GFRP, 85% cho CFRP 100% cho AFRP từ giá trị mô đun đàn hồi chịu kéo [9] 3.2.3 Ứng xử cắt Ứng xử FRP tác động lực cắt chịu ảnh hưởng chủ yếu tính chất thành phần nhựa Thanh FRP nói chung có khả chịu cắt ngang yếu Cường độ chịu cắt cải thiện cách bện quấn sợi bổ sung theo hướng ngang Cường độ chịu cắt ngang FRP dao động khoảng từ 30 - 50 MPa [6] 3.2.4 Dính bám với bê tơng Liên kết FRP bê tông phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt, tính chất học FRP, điều kiện mơi trường [3] Ứng suất dính bám bề mặt tiếp xúc FRP bê tơng chuyển tải liên kết hóa học, ma sát, chèn giữ học gồ ghề bề mặt FRP Trong FRP, ứng suất dính bám truyền thơng qua phần keo liên kết đến sợi tăng cường Do ứng suất dính bám FRP bị giới hạn độ bền chống cắt nhựa Số 12 năm 2017 Bảng So sánh độ dính bám số đặc tính GFRP với cốt thép Thép đen Thép khơng gỉ Chi phí Cường độ dính bám GFRP Gấp 10 lần thép đen Tương đương thép mạ kẽm 8-11 MPa 8-11 MPa 14 MPa Dẫn nhiệt Có Có Khơng Dẫn điện Có Có Khơng Từ tính Có Khơng Không 3.3 Độ bền cốt phi kim loại kết cấu bê tông Các nghiên cứu độ bền Canada tiến hành khoan mẫu công trình cầu sau thời gian khai thác - 10 năm [10], kết cho thấy khơng có dấu hiệu ăn mòn cốt GFRP Các nghiên cứu Mỹ tiến hành năm 2015 [11] cầu có thời gian khai thác 15 năm, với mẫu khoan phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho kết tương tự Hình Cốt CFRP sử dụng cầu vượt biển (Fukushima, Japan, 2010) Hình Ứng dụng cho tường chắn ven biển (Honoapiilani, Mỹ, 2012) 3.4 Các ứng dụng cốt phi kim loại cơng trình giao thơng 3.4.1 Ứng dụng thay cốt thép thường Mục đích việc sử dụng cốt FRP để thay hồn tồn cốt thép kết cấu bê tơng, mà cần xác định hạng mục phù hợp để áp dụng nhắm phát huy lợi loại vật liệu Các ứng dụng cơng trình giao thơng bao gồm: Các hạng mục chịu tác động trực tiếp từ điều kiện mơi trường mặt cầu (hình 4); Cầu vượt biển (hình 5), tường chắn ven biển (hình 6), gờ chắn cầu (hình 7); Kết cấu tạm cơng nghệ thi cơng hầm TBM (hình 8); Xây dựng nhà ga (hình 9), đường sắt (hình 10), mặt đường bê tơng xi măng (hình 11) Hình Ứng dụng GFRP cho gờ chắn cầu (Missouri, Mỹ) 3.4.2 Ứng dụng làm cốt ứng suất trước Các loại cốt dùng làm cốt ứng suất trước kết cấu bê tơng CFRP AFRP (hình 12) Hình Mặt cầu - Broadway Bridge (Maine, Mỹ, 2010) Số 12 năm 2017 Hình Ứng dụng GFRP trong thi cơng hầm (Virginia, Mỹ) Hình Ứng dụng cốt FRP cho nhà ga (Thượng Hải, Trung Quốc) 41 Hình 10 Ứng dụng cốt GFRP cho dự án đường sắt Iran Hình 14 Mặt cắt ngang cầu - Tải trọng thiết kế HL93; - Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN 272-05 [1]; AASHTO LRFD - 2009 [2]; - Bê tông: f’c=40 MPa; Ec=31,98.103 MPa;εcu= 0,003 Hình 11 Thi cơng mặt đường BTXM (Quốc lộ 40, Quebec, Canada, 2006) 3.4.3 Ứng dụng sửa chữa tăng cường kết cấu Cốt CFRP ứng dụng nhiều sửa chữa tăng cường kết cấu công nghệ đặt cốt tăng cường gần bề mặt bê tông (near surface mounted - NSM) (hình 13) - Cốt GFRP: ffu=900 MPa; Ef =45 GPa; CE=0,7 b Phương pháp tính tốn kết Tiến hành tính tốn cốt tăng cường GFRP cho mặt cầu theo hai phương pháp: Thiết kế chịu uốn thiết kế theo kinh nghiệm quy định 22TCN 272-05 [1]; AASHTO LRFD - 2009 [2] CSA S6-10 [5] - Phương pháp thiết kế chịu uốn Nội lực phận mặt cầu phía hẫng tính theo quy định Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 [1], kết tổng hợp bảng Hình 12 Thanh CFRP dùng làm cốt ứng suất trước Bảng Tổng hợp nội lực tính theo 22TCN 272-05 TTGH Bản (kN.m) Bản hẫng (kN.m) Mô men dương Mô men âm Mô men âm Vị trí TTGH cường độ 42.653 25.547 28.574 TTGH sử dụng 36.295 21.633 23.969 Tính tốn bố trí cốt tăng cường GFRP kiểm tra theo trạng thái giới hạn tiến hành theo quy Hình 13 Sửa chữa, tăng cường mặt cầu CFRP định AASHTO LRFD - 2009 [2] Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt GFRP (lớp trên: at = 30 mm, lớp dưới: ad = 25 mm) 3.4.4 Ví dụ ứng dụng cốt GFRP thay cốt thép mặt cầu Kết kiểm toán thỏa mãn yêu cầu quy định a Số liệu với bố trí cốt tăng cường cho mặt cầu tổng Dưới trình bày kết tính tốn bố trí cốt tăng cường cho mặt cầu có mặt cắt ngang hình 14 (kích thước ghi mm), với số liệu sau: hợp bảng 42 - Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm [5] Số 12 năm 2017 Hướng dẫn AASHTO LRFD - 2009 [2] không khuyến nghị áp dụng phương pháp thiết kế kinh Tài liệu tham khảo nghiệm cho mặt cầu sử dụng cốt FRP Tuy nhiên Bộ giao thông vận tải (2005), 22TCN 272-05 - Tiêu chuẩn thiết kế cầu, Nhà xuất GTVT, Hà Nội tiêu chuẩn thiết kế cầu Canada [5] cho phép sử dụng hai phương pháp thiết kế uốn thiết kế kinh nghiệm Ngoài nghiên cứu thực nghiệm tiến hành [4], [6], cho thấy kết cấu mặt cầu thiết kế theo phương pháp kinh nghiệm hoàn toàn đảm bảo u cầu thiết kế Kết tính tốn bố trí cốt tăng cường tổng hợp bảng Bảng Tổng hợp kết tính tốn bố trí cốt tăng cường cho mặt cầu Cốt dọc cầu Cốt ngang cầu Tổng Chênh Phương pháp cộng lệch thiết kế Lớp Lớp Lớp Lớp (kg/m2) (%) Thiết kế chịu φ16@220 φ16@150 φ16@150 φ16@100 8.921 uốn [2] Thiết kế theo kinh nghiệm φ16@300 φ16@300 φ16@300 φ16@300 4.267 [5] 52.17 Kết luận - Vật liệu cốt FRP có cường độ chịu kéo cao (gấp lần cốt thép), trọng lượng nhẹ (bằng 1/4 cốt thép), chống ăn mịn, có triển vọng thay cho cốt thép truyền thống hạng mục cơng trình giao thơng nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ, giảm chi phí q trình khai thác - Cốt GFRP có giá thành rẻ loại FRP thích hợp ứng dụng thay cốt thép cho hạng mục cơng trình giao thơng đặt biệt mặt cầu - Có thể thiết kế mặt cầu bê tông cốt GFRP tương tự mặt cầu BTCT áp dụng phương pháp thiết kế chịu uốn - Phương pháp thiết kế theo kinh nghiệm theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu Canada [5] cho phép giảm 52,17% lượng cốt tăng cường, cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm để đưa khuyến nghị AASHTO (2009), LRFD bridge design guide specifications for GFRPreinforced concrete bridge decks and traffic railings, 1st Ed.,Washington, DC Al-Dulaijan S.U., Al-Zahrani M., Nanni A., Bakis C E and Boothby T E (2001), “Effect of environmental pre-conditioning on bond of FRP reinforcement to concrete”, Journal of Reinforced Plastics and Composites 20: 881900 Bouguerra, K., Ahmed, E A., El-Gamal, S., and Benmokrane, B (2011) “Testing of fullscale concrete bridge deck slabs reinforced with fiber-reinforced polymer (FRP) bars.” J Constr Build.Mater., 25(10), 3956–3965 CSA (Canadian Standards Association), (2010), Canadian highway bridge design code, CAN/CSA S6.1S1-10, Toronto Fareed Elgabbas, Ehab A Ahmed, and Brahim Benmokrane (2016), “Experimental Testing of Concrete Bridge-Deck Slabs Reinforced with Basalt-FRP Reinforcing Bars under Concentrated Loads”, J Bridge Eng., 04016029: 1-16 https://www.tuf-bar.com/application/ research (truy cập ngày 09/5/2017) John P Busel (2016), Fibre Reinforced Polymer Composites Rebar, American Composites Manufacturers Association Mallick P K (1988), Fiber reinforced composites, materials, manufacturing, and design New York: Marcell Dekker, Inc 10 Mufti A A (2005), “Report on studies of GFRP durability in concrete from field bridge demonstration projects”, Proceeding 3rd International Conference on Composites in Construction (CCC 2005), Université Claude Bernard, Lyon, France, 889-895 11 O Gooranorimi1 et al (2015), Long-term Durability of GFRP Reinforcement in Concrete: A Case Study after 15 Years of Service, Dept Civil, Architectural and Environmental Engineering University of Miami, Coral Gables, 33146, Florida, USA điều chỉnh áp dụng điều kiện Việt Nam n Số 12 năm 2017 43 ... Hình Cốt CFRP sử dụng cầu vượt biển (Fukushima, Japan, 2010) Hình Ứng dụng cho tường chắn ven biển (Honoapiilani, Mỹ, 2012) 3.4 Các ứng dụng cốt phi kim loại cơng trình giao thơng 3.4.1 Ứng dụng. .. hình (Sợi) (Nhựa) (Thanh FRP) Hình Các thành phần vật liệu FRP Hình Ứng xử kéo loại FRP so với cốt thép 3.2.2 Ứng xử nén (a) Thanh GFRP (b) Thanh CFRP(c) Thanh BFRP Hình Một số loại sản phẩm FRP... cốt thép thường Mục đích việc sử dụng cốt FRP để thay hoàn toàn cốt thép kết cấu bê tông, mà cần xác định hạng mục phù hợp để áp dụng nhắm phát huy lợi loại vật liệu Các ứng dụng cơng trình giao