CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1. Sơ lược lịch sử phát triển và đặc tính kỹ thuật của lưới sợi FRP
Vật liệu gia cường FRP được giới thiệu lần đầu vào thập niên 50 (Bank, 2006), vật liệu này đƣợc cấu tạo từ 2 thành phần chính là chất kết dính và sợi. Chất kết dính đƣợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay nhựa polymer. Sợi là thành phần chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP, sợi đƣợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid (aramid fibers) và carbon (carbon fibers). Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian …Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu FRP sẽ được phân loại và có tên gọi tương ứng khác nhau là GFRP, AFRP và CFRP (viết tắt của chữ tiếng Anh Carbon Fiber Reinforced Polymer hoặc Carbon Fiber Reinforced Plastic).
Sợi cacbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10μm được cấu tạo từ khoảng 30.000 sợi đơn. Sản phẩm này đƣợc sản xuất chủ yếu bởi một số công ty nhƣ Toray, Toho Rayon và Mitsubishi Rayon của Nhật; Hexcel, Zoltek, Aldila, Hughes Brothers, Strongwell và FyfeCo của Mỹ; SGL của Đức; Tai-Quang của Hàn Quốc; Formosa của Đài Loan-Trung Quốc; Clever Reinforcement AG, Sika của Thụy Sĩ; S&P ở Áo; và số ít các công ty khác nắm đƣợc kỹ thuật công nghệ để sản xuất sợi cacbon. Theo nhu cầu sử dụng khác nhau, các nhà sản xuất tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm định hình dưới dạng cuộn sợi, dạng thanh, lưới (vải) sợi dệt sẵn. Đối với lưới sợi carbon hiện nay có 4 dạng phổ biến là: dệt trơn; dệt chéo;
trơn mịn và sọc đơn (Hình 2.1).
4
Hình 2.1: Một số dạng sản phẩm lưới sợi carbon.
Việc sử dụng vật liệu FRP để gia cường kết cấu bê tông đã được triển khai thực hiện cuối những năm 1980 ở châu Âu (đặc biệt là Thụy Sĩ) và ở Nhật Bản. Một thời gian sau nó đƣợc nghiên cứu ứng dụng tại Hoa Kỳ và Canada. Ban đầu, việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc gia cường cho kết cấu chịu uốn bê tông và gỗ. Tiếp theo nối là các nghiên cứu sử dụng các loại tấm và vải FRP để phục hồi các cột bê tông ; đặc biệt là các trụ cầu đường cao tốc chịu tải trọng ngang do động đất.
Gia cường chống cắt bằng vật liệu FRP cho dầm bê tông đã được nghiên cứu từ những năm đầu thập niên 1990 và đƣợc ứng dụng nhiều trong các kết cấu bê tông, đặc biệt là kết cấu bê tông dự ứng lực dầm chữ T (Bank, 2006).
Việc kết dính tấm, vải gia cường FRP lên bề mặt kết cấu dầm bê tông chịu uốn đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng đầu tiên ở Thụy Sĩ vào cuối những năm 1980 bởi Meier và các đồng nghiệp của tại Trung tâm EMPA (1995). Vải sợi FRP đã đƣợc sử dụng trong hàng trăm tòa nhà, cây cầu và các ống khói ở châu Âu (Taerwe và Matthys, 1999). Kể từ giữa năm 1990, sau khi dùng cho kết cấu ứng lực bằng vật liệuFRP được thương mại hóa, hàng trăm dự án nghiên cứu và hàng ngàn ứng dụng FRP để gia cường cho kết cấu chịu tải trọng tĩnh hoặc động (tải trọng xe cộ, gió) đã đƣợc thực hiện trên toàn thế giới (Bank, 2006).
2.1.2. Tính chất của lưới sợi carbon (CFRP)
Các loại lưới sợi cacbon đều có đặc điểm chung là có độ bền rất cao, dễ uốn theo hình dạng bất kỳ, trơ về mặt hóa học nên không chịu tác động của môi trường
xâm thực. Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai phụ thuộc vào kiểu sợi, hướng sợi và chất lượi sợi. Các tính chất của vật liệu này được thể hiện tại Bảng 2.1 dưới đây.
Bảng 2.1: Tính chất cơ lý của vật liệu CFRP (theo ACI 440.2R, 2017).
Tính chất cơ lý Khối lƣợng riêng (tấn/m3) Hệ số giãn nở nhiệt
Theo chiều dọc (x106/ oC) Theo chiều ngang (x106/ oC) Tính chất cơ học
Mô đun đàn hồi nhỏ nhất (GPa) Cường độ chịu kéo (MPa) Biến dạng nhỏ nhất (%)
2.1.3. Tính chất của của keo kết dính
Chất kết dính giữa các sợi carbon và giữa tấm, sợi carbon với bê tông gồm có keo epoxy, polyester, vynil-ester,trong đó, hiện nay sử dụng phổ biến là keo epoxy, keo dán này có những đặc tính nhƣ:
Có khả năng tự thẩm thấm xuyên qua các lỗ siêu nhỏ trong bê tông, nhằm tạo sự liên kết gắn chắc giữa vật liệu gia cường và bê tông (Hình 2.2);
Thẩm thấu sâu và liên kết đồng đều giữa các sợi carbon;
Có độ nhớt thấp, nhằm đảm bảo sự thấm đồng đều khi thi công;
Keo dán bền với hầu hết môi trường xâm thực, có độ bám dính rất cao.
Hình 2.2: Khả năng tự thẩm thấu của keo Epoxy.
6