- Giai đoạn ăn mòn kim loại: sau khi Clorua hoặc C02 chạm tới lõi thép thì quá
Trường Đại họcXâydựng
t.GIỚI THIỆU CHUNG
Bê tông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu có nhiểu ưu điểm,tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu BTCT thưởng bị xuống cấp theo thời gian, tăng biến dạng và giảm khả năng chịu lực của công trình. Mặt khác, rất nhiễu công trình đòi hỏi việc tăng tải trọng sử dụng lên kết cấu chẳng h ạ n như các cây cáu chịu tải trọng xe cộ nhiểu hơn, các tòa nhà nâng táng hoặc thay đổi mục đích sử dụng... Hơn nữa, trong nhiều trường hợp, chất lượng thi công công trình không đảm bảo làm cho khả n ă n g chịu lực thực tế là nhỏ hơn so với thiết kế. Với tất cả những lý do nói trên, việc gia cỗ công trình BTCT hiện nay là một vấn để hết sức cấp thiết, trong đó việc g i a c ổ c h o k ế t c ấ u
cột trụ là đặc biệt quan trọng vì sự suy giảm khả năng chịu lực của cột trụ có thể dẫn đến những sự cô nghiêm trọng g â y sụp đ ổ c ô n g
trình.
Bên cạnh các phương pháp g i a c ố truyền thống cho kết cấu công trình như gia cố bằng phương pháp tăng cường tiểt diện, gia cố bằng dây căng ngoài, gia cố bằng thép hình..., phương pháp gia có kết cấu sử dụng tấm sợi liên tục cường độ cao ngày càng được áp dụng phổ biến trong công trinh BTCT. Trong phương pháp này, người ta dùng các tấm composite polymer cường độ cao dán hoặc bọc lên bề mặt cấu kiện BTCT để nâng cao khả năng chịu lực, độ dẻo và khả năng chống lại các tác động xâm thực của môi trường.Bài báo này sẽ trình bày vể một nghiên cứu thực nghiệm gia cố nhâm tăng khả năng chịu nén cho cột BTCT s ử
dụng tấm sợi liên tục c ư ờ n g đ ộ c a o FRP (fiber reinforced polymer), sau đây sẽ gọi tắt là tấm FRP.
2.VẬT LIỆU TẤM FRPGIA CỐ CÔNG TRÌNHBTCT BTCT
2.1 .Thành phẩn cấu tạo
Vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer)
Tám FRP sợi các-bon (CFRP) Tấm FRP sợi th ủ y tin h (GFRP) Tám FRP sợi a ra m id (AFRP)
Hình 2.Một số dạng tấm FRP thông thường sử dụng để gia cổ két cẩu công trình [3]
là một dạng vật liệu composite, chế tạo từ sợi cường độ cao, liên kết với nhau bằng chất dẻo cao phân tử.cốt sợi có tác dụng tạo nên cường độ và độ cứng cho vật liệu FRP. Hầu hết các sợi sử dụng trong ngành xây dựng là sợi liên tục, được phân bố theo hướng xác định và vật liệu FRP có cường độ cao hơn và cứng hơn theo hướng phân bố sỢi.Ba loại sợi được sử dụng phổ biến hơn cả trong ngành xây dựng là sợi các-bon, sợi thủy tinh và sợi a-ra-mít.Hình 1 thể hiện biểu đổ ứng suất biến dạng của một số loại sợi điển hình và cốt thép thông thường.
Chất dẻo đóng vai trò chất kết dính liên kết các sợi với nhau.Ngoài ra, chất dẻo còn có tác dụng truyển lực giữa các sợi riêng lẻ, phân tán các sợi trong vật liệu composite và bảo vệ sợi khỏi các tác động của môi trường.Chất dẻo dùng trong ngành xây dựng thường là loại chất dẻo phản ứng nhiệt, trong đó sử dụng phổ biến nhất là polyethylen,vinylester và epoxy.
**■<*<*)
Hình 1 .Biểu đố ứng suăt-bĩẽn dạng của một số loại sợi thông thường [2]
2.2.C ác đ ặc tru n g của v ậ t liệuFRP
Đặc điểm nổi bật của vật liệu FRP là có cường độ chịu kéo theo phương dọc lớn, không bị ăn mòn và không có từ tính, độ bén mòi cao và có độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp [1]. Chủng có trọng lượng riêng trong khoảng từ 1,2 đến
2,1 g/cm3, tức là nhỏ hơn trọng lượng riêng của thép từ 4 đến 6 lẩn. Do trọng lượng riêng nhẹ, nên vật liệu này có thể được mang vác dễ dàng trên công trường và giảm được chi phí vận chuyển.với đặc tính không bị ăn mòn và xâm thực, vật liệu FRP là một hướng thay thế đáy triển vọng cho vật liệu cốt thép, giúp cho công trình tổn tại vĩnh cửu.
Tuy có cường độ cao nhưng vật liệu FRP không có thềm chảy trước khi bị phá hoại đột ngột. Hơn nữa, cường độ chịu lực theo phương ngang là thấp. Phần lớn các loại sợi có mô-đun đàn hồi thấp hơn so với thép.Chúng có hệ số giãn nở nhiệt là khá cao so với bê tông.Ngoài ra, epoxy cũng bị giảm cường độ khi đạt đến một nhiệt độ nhất định [1].
Dựa theo hình dáng, vật liệu FRP có thể chia thành các loại như thanh FRP, lưới FRP, tấm FRP, băng FRP... Vật liệu tấm (vải) FRP còn có đặc điểm là rất mềm dẻo (trước khi tẩm nhựa epoxy) và do đó rất phù hợp với việc gia cố các kết cấu có hình dáng đa dạng khác nhau. Tấm FRP được dệt theo một phương thành từng
Gia cá cộ t
Hình 3. Gia có két cấu BTCT bằng tấm FRP
hàng và các hàng được liên kết với nhau. Khi gia cố kết cấu, phương chịu lực phải là phương của sợi.Trong quá trình thi công, tấm sợi được tẩm ê-pô-xy và sau khi ê-pô-xy khô sẽ làm cho tấm FRP trở nên cứng.
2.3.Phương p h á p g ia cố k ế t cấu BTCT b ằng tấ m FRP
Do có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, lại rất mềm dẻo nên vật liệu tấm (vải) FRP thường được sử dụng để gia cố cho kết cấu bẻ tông cốt thép như dán đáy dầm để tăng khả năng chịu uốn, dán xung quanh dầm để tăng khả năng chịu cắt, bó cột để tăng khả năng chịu nén và độ dẻo của cột...Ngoài ra, tấm FRP còn có thể sử dụng để gia cố cho kết cấu thép và kết cấu gạch đá cũng rất hiệu quả.
Đặc điểm của phương pháp gia cố kết cấu bằng tấm FRP là có thể thi công nhanh, tốn ít nhân công và không cần máy móc đặc biệt. Phương pháp này có thể thi công trong khu vực chật hẹp, thi công đổng thời với các quá trình xây lắp khác mà không làm ảnh hưởng tới quá trình khai thác sử dụng công trình. Ngoài ra, do tám FRP có chiểu dày rất nhỏ nên kết cấu sau khi gia cổ không thay đổi nhléu vế kiến trúc, công trình sau sửa chữa có tính thẩm mỹ cao, đổng thời không gây gia tăng tải trọng cho kết cấu cũ.
Vé mặt giá thành, chi phí đầu tư ban đầu của phương pháp này có thể cao hơn so với các phương pháp gia cố truyền thống.Tuy nhiên, khi xem xét đến các yếu tổ nói trên, cộng với chi
Gia «Ố dầm
phí bảo dưỡng rất ít do tấm FRP có độ bền theo thời gian cao, làm cho tổng chí phí vòng đời của phương pháp này trở nên khá ưu việt so với các phương pháp truyền thống.
3.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ GIACƯỜNG CỘT BÊ TÔNG BẦNGTẤM FRP CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG BẦNGTẤM FRP
3.1 .Mẫu thí nghiệm
Trong nghiên cứu thực nghiệm này, tác giả tiến hành các thí nghiêm nén mẫu cho 6 mẫu trụ bê tông, đường kính 192 mm, chiều cao 600 mm. Chiều cao 600 mm được lấy theo khổ của tấm FRP của nhà cung cấp, còn chiều rộng 192 mm được lấy sao cho tỷ lệ chiều cao trên chiểu rộng tương đối lớn để khi nén mẫu không ảnh hưởng đến ma sát ở bàn nén hai đẩu, đổng thời với đường kính này, hàm lượng tấm FRP gla cường không vượt quá giới hạn cho phép.
Hình 4. Cấc mẫu trụ trưốc khi gia cường tẫm FRP
9 0 BHMIEHBX 06.2014
Các mẫu được gia cường bằng các hình thức bố trí tấm FRP khác nhau. Mẫu số 1 là mẫu chuẩn không được gia cường bằng FRP. Mầu 2 được gia cường bằng FRP sợi cácbon dạng băng, với bề rộng bằng là 60mm, các băng đặt cách nhau 50mm. Mẫu số 3 được gia cường bằng băng FRP sợi các-bon bề rộng 60mm, băng này được quấn theo dạng xoáy chôn ốc. Mẫu số 3 nhằm so sánh hiệu ứng bó của FRP dạng xoáy ốc so với FRP dạng băng thông thường ở mâu 2.
Mẫu số 4 được gia cường toàn bộ bằng băng FRP sợi các bon có bé rộng bằng chiều cao cột (600mm). Mâu này được thiết ké để so sánh với mẫu số 2 và mẫu số 3 về hiệu ứng bó, đổng thời để so sánh với các công thức tính toán trong tiêu chuẩn ACI. Mẫu số 5 được gia cường giống như mẫu số 4 nhưng được quấn bằng hai lớp FRP sợi các bon. Mâu số 6 cũng được gia cường giống mẫu số 4, nhưng sử dụng sợi thủy tinh E-Glass. Mẫu này nhằm so sánh với mẫu 4 để kiểm chứng hiệu ứng bó của các loại sợi cường độ cao khác nhau. Các mẫu đều được dán các ten-xơ đo biến dạng dọc trục như trên Hình 4.
Hình 5. Chi tìễt các màu trụ gia cường bằng tẵm FRP dùng *0 thí nghiệm
Chi tiết vé hình thức gia cường các mẫu thí nghiệm thể hiện trên Hình 5. Sợi các-bon và sợi thủy tinh do hãng TYFO cung cấp. Các đặc bnh kỹ thuật của các loại tấm sợi sử dụng để gia cường cho các mẫu cho trong Bảng 1. Các bnh chất của tấm sợi như cường độ chịu kéo, tnô-đun đần hổi đéu giảm đi so với tính chất của sợi đon.
Ngoài các mâu chính này còn chế tạo 06 mãu trụ kích thước chuẩn 150 x 300 (mm) để
x á c định cường độ chịu nén của bê tông f'c. Kết guả thí nghiêm nén các mẫu này cho thấy bê tông có cường độ trung binh f' = 25,8 MPa.
3.2.Q uy trìn h gia cường m ẫu bằng tấm FRP
Mục đích cùa việc gia cường kết cấu bằng tam FRP là đặt tấm vào vị trí cán tăng cường
Bảng 1. Đặc trưng cơ học của các loại tấm sợi FRP sử dụng trong thí nghiệm
Các đặc trưng cơ học Tám sợi carbon Tấm sợi t h ủ y tinh
Cường độ chịu kéo cực hạn theo phương cùa sợi
Giá trị thí nghiệm 986 MPa 575 MPa
Giá trị thiết kế 834 MPa 460 MPa
Độ dãn dà c ực hạn
Giá trị thí nghiệm 1,0% 2,2 %
Giá trị thiết kế 0,85% 2,2 %
Mô-đun kéo
Giá trị thí nghiêm 95,8 GPa 26,1 GPa
Giá trị thiết kế 82 GPa 20,9 GPa
Chiểu dày tấm
Giá trị thí nghiệm 1,0 mm 1,3 mm
Giá trị thiết kế 1,0 mm 1,3 mm
khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương c h ịu lự c đ ể t ậ n d ụ n g đ ư ợ c k h ả n ă n g
chịu kéo và độ bển của sợi, đổng thời đâm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khói bể mặt bê tông.Hiện nay có hai phương pháp thi công đối với loại vật liệu tấm (vải) FRP là quy trình dán khô (dry lay-up) vá quy trình dán ướt(wet lay-up).
Trong nghiên c ứ u thực n g h iệ m n à y , c á c
mẫu được gia cườngtheo quy trình dán ướt. Trước tiên các mẫu cột được đánh sạch bằng giấy ráp để loại bỏ lớp vữa xi măng bên ngoài mẫu, tăng độ dính bám giữa epoxy và bê tông. Sau đó, dùng chổi lăn sơn lăn epoxy lên bề mặt của mẫu cho kín toàn bể mặt. Tiếp theo, dùng chổi lăn epoxy lên bề mặt tấm FRP đã được cắt theo đúng kích thước cẩn thiết. Lăn cả hai mặt sao cho epoxy thấm đẫm vào trong sợi vải FRP. Trong khi lăn chú ý phải lăn chổi theo hướng dọc theo phương của sợi, không được lăn theo phương vuông góc với phương của sợi sẽ làm hư hỏng cấu trúc của vải FRP.Cuoi cùng, dán
ấm FRP đã tẩm epoxy lê n b ể m ặ t m ẫ u t r ụ .
Hình 6. Hình ảnh gia cường máu thí nghiệm
Khi d á n t ấ m FRP lưu ý dùng tay vuốt lên bể lặt tấm giúp cho t ấ m đ ư ợ c phẳng, không có ọt khí bên trong, đ ả m b ả o t i ế p xúc tốt g iữ a b ề
lặt bê tông và tấm FRP.Thí nghiêm p h ả i tiến ành sau thời gian gia cường m ẫ u í t nhất là 72 ếng để đảm bảo epoxy khô cứng và đạt c ư ờ n g
độ tối đa.
3.3.K ết q u ả t h í n g h iệ m m ầ u
Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình - trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.Các mẫu được thí nghiệm nén dọc trục, đúng tâm. Mỗi mẫu được bố trí các ten-xơ đo biến dạng dọc trục. Hai đầu của mẫu được bó bằng đai thép tròn để tránh phá hoại
c ụ c b ộ t ạ i v í t r í t i ế p x ú c g iữ a m â u v à b à n n é n . S ơ
đổ thí nghiệm được thể hiện trên Hình 7.
Hình 7. Sơ đó thí nghiệm nén dọc trục các mẫu thử 3.3.1 .Tải trọng cực đại của các mẫu thử Các mẫu thử được nén cho tới khi phá hoại. Tải trọng cực đại mà mâu thử chịu được hay chính là khả n ă n g chịu nén của các m ẫ u đ ư ợ c
tóm tắt trong Bảng 2. Có thể nhận thấy các mẫu trụ được gia cường bằng t ấ m FRP có khả năng chịu nén tăng đáng kể so v ớ i mẫu không gia cường. Mẫu gia cường bằng tấm sợi các-bon có khả năng chịu nén cao hơn khá nhléu so với mẫu gia cường bằng tấm sợi thủy tinh (1300 kN so với 960 kN)do sợi các-bon có cường độ chịu kéo cực hạn cũng như mô-đun đàn hối kéo cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh.
Khi số lớp tấm sợi tăng lên thì khả năng chịu nén của mẫu được gia cường cũng tăng lên đáng kề. Với mẫu được gia cường hai lớp tẫm các-bon, khả năng chịu nén của mẫu tăng lên tới gấp 2,85 lẩn so với mẫu không gia c ư ờ n g .
V ớ i hai mẫu có hàm lượng xấp xì nhau là mẫu No.2 và No.3 thì mằu No.2 có khả năng chịu nén cao hơn một chút. Đó là do ở mẫu No.3, băng FRP được dán theo phương xiên nên hiệu ứng bó bị giảm đi một chút so với trường hợp dán theo phương vuông góc với trục thẳng đứng.
3 .3 .2 .S O s á n h k ế t q u à t h ự c n g h i ệ m v ớ i t ín ht o á n lý th u y ế t t o á n lý th u y ế t
Với các số liệu mẫu trụ bê tông được gia cường bằng tấm FRP như trên, nếu tính toán
Bảng 2 - Khả năng chịu nén của các mẫu trụ theo kết quả thực nghiệm
Tên
mẫu Hình thức gia cường tấm FRP
Khả năng chịu nén của
mẫu (kN)
Độ tăng KNCL so VỚI mẫu không
gia cường
No.l Khônq có gia cường 650 1,00
No.2 Gia cường theo băng 60mm, các băng cách nhau 60mm
975
1,50No.3 Gia cường theo băng 60mm theo hình xoáy chôn No.3 Gia cường theo băng 60mm theo hình xoáy chôn
ốc
900
1,38No.4 Gia cường tấm FRP sợi các-bon liên tục - 1 lớp 1300 2,00 No.4 Gia cường tấm FRP sợi các-bon liên tục - 1 lớp 1300 2,00
No.5 Gia cường tấm FRP sợi các-bon liên tục - 2 lốp 1850 2,85 No.6 Gia cường tấm FRP sợi thủy tinh liên tục - 1 lớp 960 1,48
Bảng 3 - Khả năng chịu nén của các mẫu trụ theo thực nghiệm và lý thuyết
Tên pn,lt (kN) pn. exp (kN) p n,exp/P n,lt
No.2 958 975 1.02
No.3 943 900 0.95
No.4 1170 1300 1.11
No.5 1593 1850 1.16
No.6 999 960 0.96
theo tiêu chuẩn ACI 440-2R 08 [1]có xét tới sự tăng cường độ của bê tông do hiệu ứng bó của tấm FRP, bỏ qua các hệ số an toàn, ta sẽ thu được khả năng chịu nén của các mẫu như trong cột 2 Bảng 3.So sánh két quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm (cột 3) có thể thấy rằng két quả lý thuyết rất gắn với kết quả thực nghiệm.
Phán lớn các mẫu có kết quả theo thực nghiệm lớn hơn so với theo lý thuyết. Mẫu số 3 được gia cường bằng băng FRP dạng xoắn có két quả thực nghiệm nhỏ hơn lý thuyết. Đó là do đối với băng xoắn, sự tiếp xúc giữa bề mặt bê tông và băng FRP không được tiếp xúc toàn phần do băng hơi bị vặn xoắn khi uốn theo hình xoáy chôn ốc. Do tiếp xúc không tốt nên hiệu ứng bó cùa băng bị giảm làm cho cường độ bẻ tông giảm nên khả năng chịu nén giảm hơn so với lý thuyết.
3 .3 .3 .B iế n d ạ n g cự c h ạ n c ủ a c á c m ẫ u t h ử
Một số mẫu thí nghiệm được dán các ten-xơ đo biến dạng cực hạn làmẫu số 1 (không có FRP), mẫu số 3 (băng FRP xoắn) và mẫu số 6 (GFRP). Mẫu số 1 cho biến dạng cực hạn xấp xỉ 0,1%, trong khi mẫu số 3và số 6có giá trị biến dạng cực hạn xáp xỉ 0,3%. Biểu đồ quan hệ ứng suẫt - biến dạng của các mẫu được thể hiện trên hình 8.
Hình 8 - Biểu đổ quan hệ ứng suát - biến dạng của một số mãu thử
Có thể thấy rõ rằng biến dạng cực hạn của các mẫu được gia cường bằng tấm FRP tăng đáng kể so với mẫu không được gia cường.Với biến dạng cực hạn tăng, khi chịu tải trọng ngang gây uốn các cột trụ có khả năng chịu được biến dạng ngang tốt hơn.Nói cách khác, các cột được gia cường FRP có độ dẻo cao hơn hay khả năng kháng chấn tốt hơn.Đìễu này cũng được đề cập tới trong tiêu chuẩn ACI440-2R 08 [1],
Ngoài ra, đối với các cột BTCT, khi biến dạng cực hạn của bê tông tăng (trên 0,2%) sẽ giúp tận dụng được tốt hơn khả năng chịu nén của cốt thép cường độ cao (trên 400 MPa) trong cột, từ đó làm tăng khả năng chịu nén của cột BTCT do tăng khả năng chịu lực của phần cốt thép. Yếu tố này chưa được đề cập đến trong các tiêu chuẩn tính toán cột BTCT gia cường tấm FRP.
3 .3 . 4 . H ì n h th ứ c p h á h o ạ i c ủ a c á c m â u t h ử
Sáu mẫu thí nghiệm có hình thức phá hoại khác nhau. Mẫu sỗ 1 (không gia cường FRP) bị phá hoại khi mẫu bê tông còn tương đối nguyên vẹn, ngay khi có một vết nứt lớn chính xuất hiện, tải trọng giảm nhanh và mẫu bị phá hoại ngay lập tức (Hình 9).
i |
l
h—*■ Vé»n«cte*gíyph*ho«iioỈB
I
Hình 9 - Phá hoại của mâu só 1 không gia cường FRP