CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH CẦU VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG CẦU TRÊN ĐỊA BÀN CỤC QLĐB III
1.3. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG TÁC SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG CẦU YẾU
1.3.3. Gia cường bằng vật liệu composite cường độ cao (FRP)
Các sản phẩm pôlyme cốt sợi (FRP) lần đầu tiên được sử dụng trong kết cấu bê tông vào đầu những năm 1950. Ngày nay, các sản phẩm từ vật liệu pôlyme cốt sợi có dạng thanh, lưới phẳng, lưới không gian, dạng tao cáp, tấm và dải. Các sản phẩm FRP có thể đạt được các tính năng tương đương hay hơn so với các sản phẩm thông dụng như cốt thép, tao thép dự ứng lực hay các tấm thép không gỉ. Các nỗ lực cho sự phát triển các ứng dụng và sản phẩm từ FRP thay thế cho các vật liệu kim loại trên các khía cạnh:
- Các công nghệ chế tạo cao để giảm chi phí chế tạo.
- Cải tiến công nghệ thi công để thích hợp hơn với đặc trưng vật liệu cao và giảm chi phí xây dựng.
- Cải thiện cấu tạo vi mô của hỗn hợp các cốt và ma trận keo liên kết để đảm bảo tính tương thích với xi măng porland.
1.3.3.1. Vật liệu:
Tấm FRP có cấu trúc nền là Epoxy và cấu trúc sợi là sợi cacbon. Được đặt chủ yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn và được dệt vuông. Tấm FRP thương phẩm có độ dày từ 1-1,5 mm và chiều rộng từ 50-100 mm. Tấm này chứa 60-70% (theo thể tích) sợi cacbon với đường kớnh khoản 8àm, được rải theo hướng nhất định trong thảm epoxy. Sợi cacbon có mô-đun đàn hồi 240-900MPa và cường độ chịu kéo 2.000- 7.000MPa.
Sợi Cacbon là sợi có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid, gấp 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi cacbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt mỏi và từ biến, có hệ số giản nở nhiệt thấp. Sợi cacbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lý
nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi các bon. Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau.
Hiện nay sợi cacbon ngày càng sử dụng phổ biến trong kết cấu xây dựng do chúng có các ưu điểm, như: Cường độ cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao.
Tính chất của tấm theo chiều dọc hầu như bị chi phối mạnh mẻ bởi sợi cacbon.
Tấm FRP có Mô-đun đàn hồi 150-300 MPa và cường độ kéo 2.000-3.000 MPa. Tương tự như sợi cacbon, đường biến thiên giữa ứng suất và độ biến dạng của các tấm là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá hủy. Mặc dù vai trò của thảm epoxy đối với cường độ của các tấm là không đáng kể nhưng cường độ kéo khoảng 60-90 MPa cao hơn rất nhiều so với cường độ BT là yếu tố phải có để truyền các ứng suất bám dính.
Độ biến dạng cực đại cao 3-5% đảm bảo sức chịu của các sợi đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm.
Cường độ tức thời của tấm polime cốt sợi cacbon thích hợp cho việc chịu tải trọng của cầu. Độ co giãn do trượt và đồng trục cũng như độ nới lỏng là không đáng kể.
* Chất kết dính
Chất kết dính hay còn gọi là chất dẻo nền phần lớn là epoxy hai thành phần trộn với cốt liệu. Cường độ kéo ≥ 30 MPa vượt hơn BT gấp 10 lần. Chất kết dính epoxy có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp cũng như sức đề khan hóa học và chịu nhiệt cao. Các chất keo dán cũng đã được thử nghiệm có kết quả và được bán kèm với tấm polime cốt sợi cacbon. Chất kết dính có các tác dụng sau:
+ Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;
+ Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;
+ Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường;
+ Kết dính các sợi lại với nhau;
+ Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;
+ Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi.
Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là viny lester, polyethylene, epoxy. Trong đó, chất Epoxy được sử dụng rộng rãi hơn, chất này có các ưu điểm chính là:
+ Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;
+ Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học;
+ Dính bám với cốt sợi rất tốt.
Bảng 1.1. Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền (Coker 2003)
Đặc trưng Epoxy Vinylester Polyester
Tỷ trọng (Ib/in3) 0,04-0,047 0,038-0,04 0,036-0,052
Đặc trưng Epoxy Vinylester Polyester Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490
Cường độ chịu kéo (ksi) Aug-15 11.8-13 6-Dec
Cường độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17
Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490
Hệ số poisson 0,37 0,373 0,35-0,4
1.3.3.2. Khả năng ứng dụng của vật liệu FRP trong sửa chữa gia cường cầu:
Tăng cường kết cấu sử dụng vật liêu CFRP dán bên ngoài là một biện pháp thay thế cho phương pháp truyền thống là dán bản thép ngoài cũng như dự ứng lực ngoài.
Giải pháp này có thể sử dụng để nâng cao khả năng khai thác, tính bền cũng như là tăng cường độ của kết cấu bê tông. Việc tăng cường được tiến hành bằng vật liệu FRP dính kết với kết cấu bê tông thông qua sự dính bám của keo êpôxy.
Có hai hệ thống khác biệt có thể sử dụng. Dạng thứ nhất có dạng định hình sẵn, các hình dáng chủ yếu là dạng dải, tấm, hộp hay dạng góc mà áp dụng trực tiếp lên bề mặt kết cấu. Dạng thứ hai ở dạng tấm hay lưới được thực hiện thi công và bảo dưỡng ở hiện trường sử dụng việc dán ướt hay dán bằng tay.
Vật liệu FRP ứng dụng trong tăng cường kết cấu bê tông hiện hữu được sử dụng khá hữu hiệu và phổ biến. Các dạng ứng dụng được bố trí riêng biệt cho chịu mô men, chịu lực cắt. Một số ứng dụng cơ bản và phổ biến thể hiện trong hình vẽ.
Hình 1.20. Tăng cường chịu cắt cho kết cấu dầm
Hình 1.21. Tăng cường chịu cắt cho dầm
Hình 1.22. Tăng cường chịu uốn cho dầm
Trong tăng cường khả năng chịu uốn cho dầm bê tông cốt thép thường đối với các dầm hay bản chịu uốn, vật liệu CFRP được dính bám với thớ chịu kéo của kết cấu với phương của các thớ song song với phương chịu lực chính.
Trong tăng cường khả năng chịu lực cắt đối với các kết cấu dầm hay cột, vật liệu CFRP được gắn với các mặt của kết cấu bê tông với hướng của các thớ song song với hướng ứng suất kéo chủ để làm việc tương tự như cốt thép đai. Vật liệu CFRP sử dụng hiệu quả nhất là khi được bọc lại hoàn toàn để tăng toàn diện khả năng chịu cắt. Tuy nhiên, giải pháp bọc một phần hay tăng thêm dự ứng lực vào CFRP dạng thanh cũng có thể thực hiện một cách khả thi.
1.3.3.3. Ưu nhược điểm khi sử dụng vật liệu FRP trong tăng cường sửa chữa:
a) Ưu điểm:
- Vật liệu CFRP được nghiên cứu ứng dụng trong sửa chữa và tăng cường kết cấu bê tông, đặc biệt là kết cấu bê tông dự ứng lực để thay thế cho thép thường và thép dự ứng lực. Lợi thế của vật liệu CFRP dựa trên các đặc tính cơ bản là có cường độ cao, trọng lượng nhỏ, không rỉ, không dẫn điện và không nhiễm từ. Việc chế tạo CFRP đưa ra cơ hội duy nhất cho sự phát triển hình dáng và các dạng mà có thể rất khó khăn hay không thể chế tạo tương đương với thép thường.
- Các lợi thế cơ bản khi sử dụng vật liệu CFRP bao gồm: phạm vi áp dụng lớn do có đặc trưng cơ lý thay đổi lớn, tính bền, trọng lượng nhẹ, một số dạng có tính linh động trong sử dụng, đặc biệt trong các ứng dụng khó khăn về sửa chữa, tăng cường.
- Vật liệu CFRP có thể dễ dàng chế tạo phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Có rất nhiều tỉ lệ thành phần giữa cốt sợi và chất kết dính cũng như cách liên kết các sợi với thanh để phục vụ cho việc chế tạo. Đây là một lợi thế vì nó cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau. Đặc trưng nhất là thông qua cường độ giới hạn của CFRP có thể tương đương như thép thường cho đến cao hơn thép dự ứng lực.
- Vật liệu CFRP với sự kết hợp của các sợi các bon có khả năng chịu các tác dụng của hóa chất như acid, xăng dầu... do vậy thường được sử dụng tại một số các kết cấu chứa các loại dung dịch trên. Ngoài ra, vật liệu này có tính bền đối với các điều kiện khai thác phổ biến như muối, nhiệt độ kết hợp với muối, điều này rất phổ biến với một số nước thuộc vùng băng tuyết nơi biện pháp duy trì ma sát khi đi trên băng tuyết là muối, là một điều kiện khắc nghiệt trong khai thác công trình hay đối với các công
trình gần biển.
b) Nhược điểm:
- Các thông số của vật liệu chưa được nghiên cứu đầy đủ, về một số các tính năng cơ lý chưa đạt được như các yêu cầu đối với thép làm ảnh hưởng tới các thông số trong công nghệ thiết kế và thi công, và đặc biệt là một số các đặc trưng cơ lý mà chưa được nghiên cứu trong các ứng dụng cụ thể.
- Hầu hết các vật liệu CFRP có mô đun đàn hồi thấp. Mối tương quan giữa biến dạng và ứng suất của vật liệu CFRP lại là hạn chế đối với hầu hết các loại vật liệu dạng này. Thông thường, CFRP có cường độ cao hơn thép thường cho đến thép dự ứng lực tương ứng. Tuy nhiên, mô đun đàn hồi của hầu hết các loại FRP, đặc biệt là CFRP, lại tương đối thấp hơn so với thép. Sự hạn chế này có thể làm giảm khả năng khai thác của công trình trong trạng thái giới hạn sử dụng.
- Sự nghiên cứu về mỏi đối với FRP hiện nay chưa được đầy đủ. Do việc mới áp dụng trong các kết cấu công trình, đặc biệt là các công trình cầu, nên các số liệu thí nghiệm và đưa ra giới hạn mỏi cũng như phạm vi đường cong tổn hao do mỏi trong nhiều trạng thái ứng suất và phạm vi ứng suất sử dụng còn chưa đầy đủ. Vì vậy, trong thiết kế hiện tại vẫn chưa có các số liệu cụ thể tương ứng như các loại thép thông thường.
- Một số các thông số về tính năng cơ lý của CFRP vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ do phạm vi ứng dụng rộng và việc ứng dụng vật liệu chưa được rộng rãi. Các thông số này bao gồm: Tính từ biến của CFRP, tính tự chùng, khả năng xuống cấp dưới tác dụng của các tia hồng ngoại do thành phần êpôxy dễ bị xuống cấp.
- Đặc điểm của CFRP sử dụng các vật liệu phi kim là một lợi thế lớn đối với các ảnh hưởng liên quan tới sự ăn mòn và xuống cấp do môi trường, tuy nhiên lại là một bất lợi trong trường hợp các công trình chịu nhiệt lớn hoặc trong các điều kiện sự cố có xuất hiện lửa.