CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA
1.4. Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP
Ứng suất (MPa)
1.4.1. Thành phần cấu tạo và tính chất cơ lý của tấm CFRP a. Thành phần cấu tạo[9]
CFRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi Carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Bao gồm:
Nhựa nền: Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu CFRP và bề mặt bê tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đường dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê tông và hệ thống gia cường tấm vật liệu composite. Chất kết dính cũng được sử dụng để gắn các lớp vật liệu CFRPlại với nhau. Vật liệu kết dính được dùng là keo epoxy, polyester không no hoặc tương tự. Để đóng rắn nhựa nền các chất xúc tác được sử dụng theo hàm lượng phù hợp.
Cốt sợi: CFRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi Carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặt cường độ và độ cứng.
Lớp áo bảo vệ: Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cường đã được kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng do tác động môi trường và cơ học. Lớp bảo vệ được sử dụng ở bề mặt ngoài của hệ thống gia cường; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tương tự, hệ thống kết dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,...
Tính chất vật lý[9]
Khối lượng riêng: Tấm CFRP có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,5 tới 1,6 g/cm3, theo đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn.
Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trường.
CFRP nói chung là loại vật liệu có trọng lượng nhẹ, cường độ chịu kéo cao và không bị ăn mòn. Chúng bao gồm các dạng cuộn sợi, dạng thanh, vải dệt sẵn định hình cho việc chịu lực và mỗi dạng lại có nhiều mức cường độ chịu kéo khác nhau từ thấp đến siêu cao.
Sợi Carbon rất bền và có khả năng chống chịu tốt trong điều kiện môi trường nóng ẩm nhờ vào khả năng không hấp thụ độ ẩm.
Đối với tác động dài hạn, sợi Carbon cũng cho thấy khả năng kháng mỏi rất tốt.
Với tác dụng nhiệt, sợi Carbon có hệ số giản nở là âm và rất bé theo chiều dọc, do đó tạo ra được độ ổn định tuyệt vời trong quá trình làm việc.
17
Hệ số dãn nở nhiệt: Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo phương dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ lệ cốt sợi.
Bảng 1: Hệ số dãn nở nhiệt của tấm các tấm composite Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C)
GFRP CFRP AFRP
Theo chiều dọc, αL 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2 Theo chiều ngang, αT 19 tới 23 22 tới 50 tới 80
Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7
Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính Tg, mô đun đàn hồi của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Giá trị của Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 60°C tới 82°C. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng như của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20%. Các đặc tính khác bị tác động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp.
Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan trọng.
Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, các đặc tính cơ hợp của vật liệu CFRP bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tông sang tấm CFRP.
Tính chất cơ học: [9]
Cường độ chịu kéo: Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá hoại là đột ngột và giòn. Cường độ chịu kéo và độ cứng của vật liệu CFRP phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì các sợi cacbon là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
Ứng xử nén: Mô đun đàn hồi nén thường nhỏ hơn so với mô đun đàn hồi kéo.
Các kết quả thí nghiệm với CFRP hàm lượng 55-60% trên nền nhựa polyester cho
thấy mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000 MPa. Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 85% đối với CFRP
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của một số loại tấm sợi các bon Mật độ sợi
Các bon (g/m2)
Độ dày (mm)
Cường độ chịu kéo (Mpa)
Mô đun đàn
hồi E (Gpa) Độ giãn dài (%)
200 0.111 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
230 0.127 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
300 0.167 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
400 0.222 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
450 0.25 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
530 0.294 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
600 0.333 3200 ÷ 3400 220 ÷ 240 1,6 ÷ 1,8
19
Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật của tấm sợi Các bon (CFRP) với các loại thép thông dụng trong kết cấu xây dựng hiện nay:
Thông số kỹ thuật CFRP
Thép XD mác CB400-V
Thép hình mác XCT38
Cáp dự ứng lực
Trọng lượng riêng (kg/m3) 1800 7850 7850 7850
Độ dày lớp gia cố (mm) 0.5 ... ... ...
Cường độ chịu kéo (Mpa) ~3400 (gấp 8 lần thép)
>400 ~ 500 260 ~ 300 ~1950 Độ giãn dài khi kéo đứt (%) ~1.6 >=14 >=19 ~5.7
Mô đun đàn hồi (Gpa) 240 210 210 198
- Độ bền: Vật liệu CFRP có các bó sợi chịu tải không đổi theo thời gian có thể bị phá hoại sau một khoảng thời gian được gọi là độ bền. Loại phá hoại này gọi là nứt.
Khi độ bền giới hạn ứng suất kéo tăng lên thì sức chịu đựng thời gian của tấm CFRP càng giảm đi . Độ bền của CFRP cũng giảm đi trong các điều kiện môi trường bất lợi như nhiệt độ cao, tiếp xúc với tia cực tím, độ kiềm cao, chu kỳ ẩm ướt và khô hoặc chu kỳ đóng băng và tan băng .
1.4.2 . Phương pháp thi công gia cường sàn bê tông bằng tấm CFRP[4]
Thông thường việc gia cường bằng tấm CFRP gồm các bước: chuẩn bị sửa chữa bề mặt bê tông, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo hoặc nhựa dán, đặt tấm dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định rồi dán các lớp tiếp theo, cuối cùng đợi cấu kiện khô hoàn toàn thì sơn phủ bảo vệ và thẩm mỹ.
Hiện nay phổ biến nhất là hai phương pháp thi công đối với loại vật liệu tấm (sheet) và vải (fabric) CFRP: dán theo phương pháp khô (dry lay-up) và dán theo phương pháp ướt (wet lay -up).
a. Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up)
Quá trình thi công dán tấm CFRP bằng phương pháp khô có thể chia làm sáu bước:
Bước 1: Chuẩn bị bề mặt.
Trước khi gia cố lắp đặt tấm CFRP thì bề mặt bê tông phải được xử lý kỹ. Sự nguyên vẹn của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng và khả năng chịu lực của bê tông đủ để cho liên kết dán của tấm CFRP và bê tông được đảm bảo. Các vết nứt, các mảnh vụn sứt mẻ và cốt thép bị gỉ cần phải được chú ý trước khi thi công lắp đặt tấm CFRP.
Các sứt mẻ và các loại hư hỏng khác cần phải được loại bỏ và được vá lại với các loại vữa sửa chữa phù hợp. Tất cả các vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,01in (0,025mm) cần phải được bơm êpoxy để sửa chữa.
Bước 2: Tiến hành phân chia, định vị khoảng cách dán các tấm CFRP riêng biệt, tiến hành lăn keo lót trên bề mặt cần gia cố.
Bước 3: Làm phẳng bề mặt kết cấu.
Bột trét được trét bằng các bay cầm tay. Bột trét được sử dụng để làm phẳng bề mặt và lấp các khuyết tật; việc bao phủ hoàn toàn thì không cần thiết. Bột trét có thể trét lên bề mặt sơn lót còn ướt không cần đợi sơn khô.
Bước 4: Phủ lớp keo thứ nhất
Keo được quét lên bề mặt đã được sơn lót và làm phẳng bằng cọ lăn. Thông thường nên lăn lớp keo dày khoảng 15mm đến 20mm tuỳ thuộc vào loại keo. Lượng keo sử dụng cũng phụ thuộc vào từng loại CFRP được sử dụng.
Bước 5: Dán tấm CFRP
Tấm CFRP cần được đo và cắt trước khi đặt lên bề mặt cần gia cố. Tấm CFRP được đặt lên bề mặt bê tông và được ấn nhẹ nhàng vào lớp keo dán. Trước khi lột lớp giấy dán mặt sau, dùng con lăn bằng cao su lăn theo hướng sợi cho keo dễ dàng ngấm vào các sợi riêng lẻ. Cọ lăn không bao giờ được lăn theo hướng vuông góc với hướng sợi để tránh sợi có thể bị hỏng.
Bước 6: Phủ lớp keo thứ hai
Lớp keo thứ hai có thể được phủ lên sau 30 phút kể từ khi đựt và lăn tấm CFRP.
Đến lúc này lớp keo đầu tiên đã rút hết vào tấm CFRP. Lớp keo thứ hai được quét lên tấm CFRP bằng cọ lăn cỡ trung với chiều dày khoảng 15mm đến 20mm.
b. Thi công dán tấm CFRP theo kiểu ướt (wet lay-up)
Phương pháp dán tấm CFRP theo kiểu ướt về trình tự rất giống với phướng pháp khô. Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt trong bước thoa keo nhúng tấm nhựa CFRP.
Khi dán tấm CFRP bằng phương pháp ướt ta chỉ sử dụng tấm vải CFRP dạng khô chưa tẩm nhựa. Tấm CFRP khô sẽ được tẩm đẫm nhựa đến khi bão hoà và được dán lên bề mặt bê tông đã được xử lý kỹ.
21
Ưu điểm của phương pháp dán ướt là có thể sử dụng cho cấu kiện có kích thước lớn (cột đường kính lớn, mặt đáy sàn, dán bọc ba mặt dầm), liên kết giữa các tấm CFRP được đảm bảo hơn sẽ ít có trường hợp bị phá hoại liên kết. Tuy nhiên, khi dùng phương pháp dán ướt sẽ sử dụng một lượng keo dán rất lớn nên thời gian đợi kéo dài hơn. Quá trình thoa keo tẩm nhựa cho tấm CFRP có thể sử dụng máy tẩm nhựa đối với tấm vải CFRP có bề rộng lớn hoặc có thể dùng phương pháp thủ công bằng tay đối với tấm CFRP có bề rộng nhỏ. Các bước tiến hành tương tự như phương pháp thi công dán khô.