- Học tập, rốn luyện khụng ngừng để đổi mới và thớch nghi là trỏch nhiệm của Cụng ty và của mỗi thành viờn FECON.
MỘT CễNG NGHỆ TIấN TIẾN TRONG SỬA CHỮA VÀ GIA CƯỜNG KẾT CẤU Bấ TễNG
VÀ GIA CƯỜNG KẾT CẤU Bấ TễNG
ThS. Vũ Văn Thành, TS. Tụ Giang Lam – Khoa Cụng trỡnh, Trường Đại học Giao thụng vận tải
I) Túm tắt
Vật liệu bờ tụng là loại vật liệu chủ chốt làm nờn cỏc cụng trỡnh xõy dựng, giao thụng, thủy lợi, v.v... Cỏc loại cụng trỡnh khỏc nhau cú tuổi thọ thiết kết khỏc nhau như cụng trỡnh nhà cửa từ 50-80 năm, cụng trỡnh cầu từ 75-100 năm, cụng trỡnh đờ đập từ 100-150 năm. Ở Việt Nam cú nhiều kết cấu bờ tụng đó qua khai thỏc trờn 100 năm, tuy nhiờn phần lớn cỏc kết cấu bờ tụng mới được xõy dựng trong thời gian gần đõy. Việc duy trỡ kết cấu bờ tụng để đảm bảo khai thỏc được với tuổi thọ thiết kế là việc làm cần thiết trong quỏ trỡnh khai thỏc sử dụng kết cấu tuy nhiờn đõy là một cụng tỏc khú khăn do năng lực chịu tải và tuổi thọ của kết cấu bờ tụng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố từ quỏ trỡnh thiết kế, chất lượng thi cụng, chế độ khai thỏc, tỏc động của mụi trường …Bờn cạnh cụng tỏc bảo trỡ kết cấu, khi cú nhu cầu tăng tải trọng khai thỏc hoặc thay đổi cụng năng, kết cấu bờ tụng cần phải được gia cường để đỏp ứng được nhu cầu mới.
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 38
Đó cú nhiều phương phỏp sửa chữa, khụi phục và gia cường kết cấu bờ tụng ra đời như trỏm vỏ, bọc thờm lớp bờ tụng mới, bọc vỏ thộp, dự ứng lực ngoài …Tuy nhiờn cỏc biện phỏp cụng nghệ này khú thực hiện và thường khụng đem lại hiệu quả cao. Cụng nghệ sửa chữa và gia cường bỏm dớnh ngoài bằng vật liệu composite đó được ỏp dụng nhiều trờn thế giới và nước ta trong những năm gần đõy đó phỏt huy được tỏc dụng tốt, nú đó làm thay đổi hẳn quan điểm về việc sửa chữa và gia cường kết cấu bờ tụng, gúp phần thay đổi và phỏt triển ngành cụng nghệp sửa chữa và gia cường kết cấu.
II) Vật liệu FRP và khả năng gia cường kết cấu bờ tụng bằng phương phỏp bỏm dớnh ngoài FRP, viết tắt của cụm từ “Fibre Reinforced Polymer”, là vật liệu composite chất dẻo được gia cường cốt sợi. Với ưu điểm của vật liệu FRP là nhẹ, cú cường độ chịu kộo rất cao và khụng bị ăn mũn, vật liệu FRP đó được sử dụng rộng rói trong nhiều ngành cụng nghiệp chế tạo khỏc nhau như cơ khớ, hàng hải, hàng khụng… và trong thời gian gần đõy đó được sử dụng để gia cường cũng như trong xõy dựng mới kết cấu bờ tụng. Trong vật liệu FRP được sử dụng để gia cường kết cấu, cốt sợi được làm từ sợi carbon, sợi thủy tinh hoặc sợi aramid đúng vai trũ chịu lực chớnh cũn keo cú nguồn gốc polymer đúng vai trũ là mụi trường nền liờn kết và bảo vệ cốt sợi. Để gia cường kết cấu bờ tụng, vật liệu FRP cú thể được chế tạo sẵn dưới dạng tấm tiền chế hoặc tấm vải sợi được tẩm keo và dỏn vào kết cấu ngay tại hiện trường (thi cụng dỏn ướt) . Đối với việc sửa chữa và gia cường kết cấu cũ, thi cụng dỏn ướt dễ thực hiện hơn tuy nhiờn nú đũi hỏi vật liệu keo phải khả năng đúng rắn trong điều kiện mụi trường tự nhiờn khỏc nhau, cú tớnh năng vừa làm vật liệu nền vừa làm chất kết dớnh giữa FRP và bờ tụng. Trong thời gian gần đõy, cỏc loại keo đỏp ứng được yờu cầu này đó nghiờn cứu và sản xuất thương mại làm cho cụng nghệ gia cường bằng phương phỏp dỏn ướt được ỏp dụng rộng rói. Một yếu tố nữa gúp phần vào việc FRP được ứng dụng rộng rói trong hơn một chục năm gần đõy đú là sự ra đời của một loạt cỏc tiờu chuẩn tớnh toỏn gia cường kết cấu bờ tụng cốt thộp bằng FRP. Hiện tại, cỏc nước phỏt triển đó cú cỏc tiờu chuẩn để tớnh toỏn gia cường cấu kiện bờ tụng cốt thộp bằng phương phỏp dỏn ngoài lớp vật liệu FRP như ACI 440.2R-08 (Viện bờ tụng Hoa kỳ)[1], ISIS 2001 (Canada)[2], FIB 2001 (Europe)[3], CRN-DT 200 2006 (Italia)[4], JSCE 2001 (Nhật Bản)[5], AFGC 2003 (Phỏp)[6]...
Ở nước ta, FRP được sử dụng trong việc gia cường kết cấu BTCT núi chung và cầu bờ tụng núi riờng cũng đó cú lịch sử trờn dưới 20 năm, tuy nhiờn phần lớn những năm thỏng đú kết quả ứng dụng cũn rất hạn chế. Trong 3 năm gần đõy, từ khi vật liệu của hóng Fyfe (Mỹ) được ứng dụng trong việc gia cường cầu yếu và mang lại hiệu quả rừ nột mà kết quả là đó cú trờn 100 cõy cầu lớn nhỏ được sửa chữa-gia cường gúp phần đảm bảo giao thụng thụng suốt trờn cỏc tuyến đường, trong đú đó trỏnh cho hơn chục cõy cầu khụng phải làm đường trỏnh cầu tạm như trước đú. Nhờ những hiệu quả mang tớnh bước ngoặt mà vật liệu FRP mang lại trong việc gia cường cầu yếu trong những năm vừa qua đó làm thay đổi hẳn quan điểm trước đõy về việc sửa chữa cầu yếu. Nú khụng cũn là sự vỏ vớu tạm thời, giữ khụng cho kết cấu xuống cấp mà nú đó mang lại cho kết cấu cú sức sống mới, cú thể tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu so với thiết kế ban đầu và đảm bảo tớnh thẩm mỹ. Cụng nghệ này đó thực sự làm thay đổi ngành cụng nghệp sửa chữa và gia cường kết cấu núi chung và cầu yếu núi riờng.
Bờ tụng là vật liệu chịu kộo kộm và người ta tận dụng khả năng chịu nộn của nú là chủ yếu. Với cỏc kết cấu bờ tụng cú phần chịu kộo lớn vượt qua khả năng chịu kộo của bờ tụng thỡ cốt thộp sẽ được đặt vào đú để chịu kộo thay cho bờ tụng. Nhưng khi kết cấu đang làm việc bị hư hỏng do ứng suất kộo chớnh gõy ra vỡ thiếu thộp và do cỏc nguyờn nhõn khỏc nhau, việc sửa chữa bằng cỏch bổ sung thờm cốt thộp là việc làm rất khú khăn và phần lớn là
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 39 khụng thực hiện được. Việc dỏn tấm FRP để gia cường cho cỏc kết cấu bờ tụng với mục đớch cho tấm FRP tiếp nhận ứng suất kộo chớnh, ứng suất này gõy hư hỏng cho kết cấu. Với cỏc cột chịu nộn thỡ vai trũ của FRP trong việc gia cường đú là chống nở ngang. Khả năng gia cường kết cấu của FRP bao gồm: tăng cường khả năng chịu uốn của dầm, cột chịu nộn và uốn và bản sàn; tăng cường khả năng chống cắt của dầm, cột và tường; tăng cường khả năng chịu nộn của cột, cọc và ống; gia tăng độ dẻo dai cho cỏc cấu kiện dưới tỏc dụng của tải trọng lặp, tải trọng động. Ngoài ra lớp FRP dỏn ngoài cũn cú tỏc dụng bảo vệ kết cấu bờ tụng hiện hữu chúng lại quỏ trỡnh xõm thực của mụi trường, tăng cường khả năng chống chỏy và chống nổ cho cụng trỡnh.
Cỏc ưu điểm của việc gia cường kết cấu bờ tụng bằng FRP bao gồm khụng phỏ hoại kết cấu hiện hữu và dễ dàng lắp đặt, khụng cần thời gian ngừng cụng trỡnh hoặc giảm thời gian ngừng cụng trỡnh, khụng tăng tĩnh tải, khụng yờu cầu thiết bị thi cụng nặng và đặc biệt, cú thể thi cụng nơi cú diện tớch nhỏ hẹp và cú thể thi cụng trong điều kiện độ ẩm cao và thậm chớ ngay trong nước mà cỏc vật liệu khỏc khụng làm được.
III) Một số kết quả thớ nghiệm trong phũng tại phũng thớ cụng trỡnh Đại học Giao thụng vận tải Phũng thớ nhiệm cụng trỡnh của Đại học Giao thụng vận tải đó làm một số thớ nghiệm về độ bền kộo, độ bền uốn, xỏc định mụ đun đàn hồi, độ gión dài giới hạn, khả năng bỏm dớnh với bờ tụng, khẳ năng gia cường uốn và cắt cho dầm, khả năng chịu uốn cho bản của vật liệu FRP của hóng Fyfe. Cỏc thớ nghiệm cơ bản được ỏp dụng theo tiờu chuẩn ASTM.
Kết quả thớ nghiệm về khả năng gia cường uốn của dầm bằng FRP sử dụng cốt sợi thủy tinh và cốt sợi carbon trong cỏc thớ nghiệm được tiến hành tại Đại học Giao thụng vận tải trong thời gian từ 2010 đến 2011: Khả năng chịu uốn của dầm tăng lờn từ 150% đến 250% so với dầm đối chứng; Độ cứng chống uốn và độ dẻo dai của dầm gia cường tăng lờn khỏ, cụ thể độ vừng tĩnh giảm trung bỡnh từ 30-35%. Đối với bản, khả năng gia cường về uốn rất tốt, cú thể tăng tới 300%. [7]
Thớ nghiệm uốn dầm bờ tụng cốt thộp được gia cường FRP:
Dầm thớ nghiệm cú cấu tạo như Hỡnh 1, cường độ chịu nộn bờ tụng là 25 MPa. Cỏc dầm được dỏn gia cường uốn và cắt với cỏch dỏn, số lượng lớp vật liệu gia cường, loại vật liệu gia cường khỏc nhau. Kết quả thớ nghiệm phỏ hoại cỏc dầm này được so sỏnh đối chứng với
dầm khụng được gia cường. Biều đồ quan hệ giữa lực và độ vừng giữa nhịp dầm của cỏc dầm khỏc nhau được biểu diễn trờn Hỡnh 2.
Hỡnh 1: Mặt cắt ngang dầm và sơ đồ thớ nghiệm
3000 mm1000 1000 1000 1000 1000 1000 P 2 Φ 14 2 Φ 14 150 250 Φ 6: 120/200 BD 1 BD 1 BD 2 CV1 BD 3,4,5 2 Φ 14 2 Φ 14 Φ 6: k/c 120/200 Mặt cắt ngang
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 40
Hỡnh 3: Hỡnh ảnh thớ nghiệm uốn dầm gia cường bằng FRP
Hỡnh 1: mặt cắt ngang dầm và sơ đồ thớ nghiệm
Hỡnh 2: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị của nhiều dầm gia cường với cỏc kịch bản khỏc nhau so với dầm đối chứng
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 41 Thớ nghiệm uốn dầm bờ tụng khụng cốt thộp được gia cường FRP
Dầm thớ nghiệm được ghộp từ 4 đoạn dầm 100x250x625(mm) khụng cốt thộp bằng keo và sợi Tyfo thành phiến dầm kớch thước 100x250x2500(mm). Cỏc cỏnh dỏn khỏc nhau về số lượng và vật liệu được thớ nghiệm. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa dầm được thể hiện ở biểu đồ trờn Hỡnh 4. Một số kết quả thớ nghiệm cụ thế với dầm ghộp bằng sợi carbon và sợi thủy tinh như sau.
Với dầm ghộp bằng sợi Carbon:
Tải trọng lớn nhất đạt được : 85.1 – 100.3kN
Chuyển vị lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm sau phỏ hỏng 14.19 - 17.9 mm Biến dạng nộn lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm ɛ=(1204 - 1592) *10-6
Biến dạng kộo lớn nhất vuụng với vết nứt phỏ hỏng ɛ=2006*10-6
Với dầm ghộp bằng sợi Thủy tinh:
Tải trọng lớn nhất đạt được : 67.3 kN
Chuyển vị lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm sau phỏ hỏng: 24.54 mm Biến dạng nộn lớn nhất tại mặt cắt giữa dầm ɛ= 2019 *10-6
. Thớ nghiệm uốn bản bờ tụng cốt thộp:
Hỡnh 4: Quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm BTCT và dầm khụng cốt thộp gia cường FRP
Hỡnh 5: Hỡnh ảnh dầm gia cường bằng FRP khi bị phỏ hoại với thớ nghiệm uốn 4 điểm
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Position (mm) Fo rc e (N ) Plate 1 - 0 layer Plate 2 - 2 layer perpendicular Plate 3 - 2 layer perpendicular Plate 4 - 2 layer perpendicular Hỡnh 6: Thớ nghiệm uốn bản hỡnh trụ, 4 điểm tỏc dụng lực theo nguyờn tắc đũn bẩy
Hỡnh 7: Quan hệ giữa lực và độ vừng của
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 42
Một số nhận xột:
FRP khụng những cú thể cú tỏc dụng hỗ trợ bờ tụng chống lại cỏc ứng suất kộo chớnh giống như cốt thộp mà cũn làm thay đổi hẳn tớnh chất chịu lực của dầm bờ tụng, dầm cú độ dẻo lớn hơn, độ vừng giới hạn cũng lớn hơn. Cú được tỏc dụng này là nhờ vào việc tấm dỏn đó hỗ trợ cho bờ tụng về khả năng chịu kộo, hạn chế độ mở rộng của cỏc vết nứt và giữ tốt hơn khả năng liền khối của bờ tụng. Thớ nghiệm cho thấy, dầm đối chứng cú độ vừng lớn nhất đo được trung bỡnh là 7 mm, độ vừng giới hạn của dầm gia cường FRP đo được từ 18- 35 mm tựy theo dầm được gia cường theo cỏc kịch bản khỏc nhau.
Cỏc dạng phỏ hỏng của dầm gia cường quan sỏt được khỏ đa dạng: Dầm bị phỏ khi thớ nộn bị vỡ; Phỏ hoại do ứng suất ứng suất cục bộ khi phỏt sinh tại nơi bị nứt xiờn do ứng suất chớnh, cỏc ứng suất cục bộ này đó làm phỏ vỡ mối liờn kết của epoxy kết nối giữa bờ tụng và tấm FRP và từ đú tạo ra sự phỏ hỏng dõy truyền. Cũn một số dạng phỏ hỏng khỏc, nhưng hai dạng phỏ hỏng trờn là chủ yếu. Đối với dạng phỏ hỏng do ứng suất cục bộ sẽ rất nguy hiểm khi cú tải trọng lặp gõy mỏi. Do cú một số cỏc dạng phỏ hỏng cú thể xẩy ra phụ thuộc vào hàm lượng cốt thộp, chất lượng bờ tụng, chiều dày và số lớp vật liệu FRP dỏn ngoài vỡ vậy khi tớnh toỏn gia cường việc kiểm soỏt được tất cả cỏc dạng phỏ hỏng cú thể xảy ra là rất quan trọng.
IV) Một số dự ỏn thực tế tại Việt Nam, giải phỏp sửa chữa và kết quả thử tải thực tế Để việc sửa chữa và gia cường kết cấu đạt hiệu quả về cả mặt kinh tế và kỹ thuật, cần cỏc bước như trong sơ đồ ở Hỡnh 8.
Cỏc khõu chủ yếu khi thi cụng sửa chữa tăng cường kết cấu bằng FRP bao gồm: sửa chữa những hư hỏng cục bộ, cỏc khuyết tật của kết cấu bờ tụng theo phương phỏp trỏm vỏ bằng cỏc loại vữa khụng cú ngút, cường độ cao; nếu cú vết nứt thỡ bơm keo epoxy chuyờn dụng vào cỏc vết nứt để khụi phục và tạo tớnh liền khối của kết cấu; mài tạo phẳng bề mặt kết cấu với chiều sõu trung bỡnh 1 mm, tạo điều kiện cho keo epoxy thẩm thấu sõu vào trong bờ tụng để tạo ra cỏc neo; làm sạch bề mặt bờ tụng trước khi dỏn sợi bằng khớ nộn hoặc bơm nước ỏp lực cao; tẩy sạch dầu mỡ (nếu cú) trờn bề mặt bờ tụng bằng dung dịch axeton; dỏn tấm sợi FRP lờn bề mặt kết cấu; kiểm tra và xử lý cỏc khuyết tật của tấm dỏn FRP theo đỳng sự chỉ dẫn của cỏc tiờu chuẩn. Để đảm bảo chất lượng thỡ cần phải cú quy trỡnh đảm bảo chất lượng chặt chẽ. Toàn bộ cụng tỏc dỏn sợi cần được sự chỉ dẫn và giỏm sỏt bởi cỏc kỹ thuật viờn được đào tạo. Cỏc cụng nhõn thực hiện cũng cần được đào tạo kỹ lưỡng.
Trong khoảng thời gian hơn 3 năm từ năm 2010 đến nay, giải phỏp gia cường kết cấu bờ tụng bằng phương phỏp dỏn ngoài vật liệu FRP của hóng Fyfe đó được ỏp dụng cho hơn 100 dự ỏn sửa chữa tăng cường cầu ở Việt Nam. Cỏc dự ỏn này bao gồm sữa chữa gia cường dầm BTCT thường như cỏc cầu trờn Quốc lộ 70; dầm BTCT DƯL như cầu Thừa Lưu, cầu Giỏn Khẩu, cầu Chà Là, cầu Ghộp trờn QL1, cầu dầm bản như cầu Dốc Quốc lộ 38, cầu ễng Xuõn Quốc lộ 1; bản mặt cầu dầm liờn hợp hoặc bản mặt cầu dầm bờ tụng như cầu Tràng quốc lộ 38, cầu Bà Triờn quốc lộ 1; trụ cầu Nụng Tiến, cầu Linh Cảm …Ở đõy cỏc tỏc giả giới thiệu ứng dụng cụng nghệ sửa chữa gia cường bằng phương phỏp dỏn ngoài vật liệu FRP cho hai dự ỏn cụ thể là cầu Chà Là và cầu Bà Triờn trờn Quốc lộ 1.
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 43
Hỡnh 8: Sơ đồ khảo sỏt, đỏnh giỏ, thiết kế sửa chưa gia cường
Cầu Chà Là Km 1392+158 QL 1:
Cầu thuộc địa phận tỉnh Khỏnh Hũa cú 2 nhịp, chiều dài nhịp 15,5 m, tổng chiều dài cầu là 31,2 m. Biển tải trọng cắm là 25 T. Chiều rộng khống chế là 10,1 m. Dầm cầu là loại dầm chữ , ứng suất trước, dạng dầm bụng cỏ do cụng ty Bờ tụng Chõu Thới (620) sản xuất. Cỏc hư hỏng chớnh của kết cấu cầu Chà Là bao gồm: nứt nỏch dầm trờn toàn bộ chiều dài