CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BTCT VÀ VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE, CÁC PHƯƠNG PHÁP GİA CƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM SỢI COMPOSITE
1.4. SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER - FRP) VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
- Các tấm Composite hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trên Thế giới trong đó có việc sử dụng các tấm composite để sửa chữa, cải tạo và gia cố công trình xây dựng. Sở dĩ tấm vật liệu composite được chọn là do phương pháp này tận dụng được khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp tốt rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố nâng cấp cải tạo các công trình bêtông cốt thép. Tuy có hạn chế về mặt giá thành, nhưng phương pháp sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu Composite có rất nhiều ưu điểm như: thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, công trình vẫn được khai thác kể cả khi đang tiến hành sửa chữa, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, công trình sau khi gia cố vẫn có tính thẩm mỹ cao, đặc biệt với các công trình đòi hỏi khả năng chống thấm và ăn mòn.
- Các dạng Composite dùng trong xây dựng thường có các dạng như: dạng tấm; dạng thanh, dạng cáp, dạng vải, dạng cuộn... Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải (Hình 1.3).
- Vật liệu Composite là một dạng vật liệu được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là: sợi carbon (CFRP), sợi thuỷ tinh (GFRP) và sợi aramid (AFRP). Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, môđun đàn hồi rất lớn, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt đều tốt, bền theo thời gian...
Dạng tấm Dạng cuộn
Dạng thanh Dạng cáp
Dạng vải
Hình 1.3. Một số sản phẩm vật liệu Composite (Fiber Reinforced Polymer - FRP)
+ Sợi Carbon được cấu tạo gồm nhiều sợi cực mỏng khoảng 0,005-0,010mm đường kính và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử carbon được liên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi. Sợi carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi carbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải. Sợi carbon có độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp vũ trụ, công trình dân dụng, quân sự, và ô tô thể thao. Sợi carbon bắt đầu thử nghiệm từ cuối những năm 1950 và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp Anh từ đầu những năm 1960. Sợi carbon được sử dụng cho các yêu cầu cần tăng cường đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và thể thao…
+ Sợi thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 - 10 micromet.
Sợi thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao. Sợi thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợi khác như polymer và sợi carbon. Sợi thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc…
Sợi thủy tinh đã được thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối Chiến tranh Thế giới II. Cho đến nay sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu.
+ Sợi Aramid xuất hiện đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng dụng cùng thời điểm với sợi Carbon. Sợi Aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao.
- Lịch sử phát triển về những vật liệu Composite đơn giản đã có từ rất xa xưa.
Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điển hình về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập.
- Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tưởng.
- Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông...
- Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite"
- Năm 1987 Giáo sư Urs Meier làm việc tại EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Thụy Sỹ) lần đầu tiên đã đưa ra cách gia cường kết cấu bằng cách gắn kết polyme cốt sợi carbon. Năm 1991 để tăng cường sức chịu uốn cho các kết cấu cầu Ibanh ở Thụy Sỹ bằng các tấm polime cốt sợi carbon. Cây cầu bị hỏng đã được phục hồi về trạng thái ban đầu sau 2 ngày.
- Vật liệu Composite (FRP) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện nhiều ở các nước Đông Nam Á.
Hình 1.4. Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit trên thế giới từ năm 1991 đến 2000