CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.3 Các nghiên cứu tăng cường khả năng chịu uốn
1.3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm
Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu tăng cường sức kháng uốn cho dầm BTCT bằng TRC
28
sử dụng lưới sợi thủy tinh, các bon, bazan, PBO (Poliparafenilen Benzobis Oxazole) như Babaeidarabad [16], Triantafillou [64], Ombres [49], Raoof [51], D’Ambrisi [25] v.v. Các nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả tăng cường sức kháng uốn bằng TRC, phân tích ứng xử chịu uốn của các dầm được tăng cường, khảo sát một số tham số như:
hàm lượng cốt thép dầm, cường độ bê tông dầm, loại sợi và hàm lượng cốt lưới dệt, cấu trúc tăng cường v.v. Hầu hết các nghiên cứu đều được thực hiện trên cấu kiện dầm có kích thước trung bình, chưa được gia tải trước (kết cấu mới, chưa nứt). Kết quả thí nghiệm cho thấy, kết cấu dầm được tăng cường sẽ cải thiện độ cứng, mức tải trọng gây nứt cũng như khả năng chịu lực. Theo khảo sát, cho đến thời điểm này, chỉ có duy nhất 1 nghiên cứu thực nghiệm được công bố về việc áp dụng TRC để tăng cường cho kết cấu đang chịu lực (Weiland [59]). Sự khó khăn trong việc triển khai dạng thí nghiệm này là do việc duy trì tải trọng trong quá trình tăng cường, cũng như quá trình bảo dưỡng, rồi tiếp tục gia tải đến khi phá hoại. Trong các nghiên cứu kể trên, lớp TRC tăng cường thường được “trát” lên bề mặt chịu kéo của dầm, với hướng của các bó sợi chịu lực chính song song với trục dầm.
Ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm được tăng cường
Hình 1.23 Ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm BTCT được tăng cường bằng TRC [45]
Hình 1.23 trình bày lược đồ đơn giản về quan hệ giữa lực và độ võng của dầm BTCT được tăng cường sức kháng uốn bằng TRC, được trình bày trong hầu hết các nghiên cứu trên. Có thể chia sự làm việc của dầm sau khi tăng cường thành 3 giai đoạn, bao gồm: (1) giai đoạn chưa nứt, (2) giai đoạn sau khi nứt đến khi cốt thép bị chảy, và (3) giai đoạn sau khi cốt thép bị chảy đến khi phá hoại. Trong hầu hết các nghiên cứu, sự có mặt của lớp TRC tăng cường sẽ làm tăng độ cứng ban đầu trong giai đoạn chưa nứt (D’Ambrisi [25], Ombres [49], Babaeidarabad [16], Raoof [51]), cũng như làm tăng mức tải trọng gây nứt
29
cho dầm (theo báo cáo của Ombres [49], Ebead [31]). Ở giai đoạn thứ 2, khi nhiều vết nứt liên tục xuất hiện, sự có mặt của lớp TRC đã cải thiện đáng kể độ cứng sau khi nứt của kết cấu so với dầm đối chứng (theo báo cáo của Triantafillou [64]; D’ Ambrisi [25]; Ombres [49]; Babaeidarabad [16]; Raoof [51]). Sau khi cốt thép bị chảy (giai đoạn 3), sự tham gia chịu lực của lớp TRC trở nên rất rõ ràng, bởi lúc này việc tải trọng tăng lên đều do lưới sợi chịu. Trừ một số ít trường hợp đặc biệt (như phá bê tông vùng nén bị ép vỡ), phá hoại thường xảy ra ở lớp TRC tăng cường (theo D’Ambrisi [25]). Sau khi bị phá hoại, sức kháng uốn còn lại của kết cấu sẽ giảm và xấp xỉ bằng khả năng chịu lực của dầm đối chứng (không tăng cường).
Weiland [59] là tác giả duy nhất hiện nay thực hiện thí nghiệm tăng cường sức kháng uốn cho kết cấu bản BTCT bị nứt (tải trọng được duy trì trong quá trình tăng cường và bảo dưỡng với TRC). Trong nghiên cứu này, các bản BTCT bị nứt do việc gia tải trước đến mức tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng, sau đó gia tải tải lặp với 10.000 chu kỳ với mục đích để các vết nứt không thể khôi phục (khép lại). Tại thời điểm trát tăng cường TRC, Weiland giảm bớt một phần tải trọng, và báo cáo rằng, độ cứng của dầm đã bị giảm so với mức tải trọng tương tự trong quá trình tăng tải ban đầu. Sau khi tăng cường, kết cấu tiếp tục chịu lực, và trải qua thêm 3 giai đoạn: giai đoạn trước khi bê tông hạt mịn nứt; giai đoạn từ khi bê tông hạt mịn bị nứt đến lúc cốt thép bị chảy; và giai đoạn sau khi cốt thép bị chảy đến khi kết cấu bị phá hoại. Trong thí nghiệm của Weiland, tất cả các bản sẽ bị phá hoại khi lưới sợi thủy tinh bị kéo đứt.
1.3.1.1 Các dạng phá hoại thường xảy ra với dầm được tăng cường
Hiệu quả tăng cường sức kháng uốn phụ thuộc vào dạng phá hoại của kết cấu được gia cường. Do sự phức tạp về tính chất cơ học của lớp TRC, đặc biệt là do dính bám giữa lưới sợi với bê tông hạt mịn, có nhiều dạng phá hoại có thể ra đối với dầm BTCT được tăng cường sức kháng uốn bằng TRC. Hình 1.24 mô tả một số dạng phá hoại chính, được tóm lược từ các nghiên cứu kể trên, bao gồm:
(1) Dạng phá hoại do lưới sợi bị kéo tuột khỏi bê tông hạt mịn (Hình 1.24-a), được báo cáo bởi D’Ambrisi [25], Ombres [49], Babaeidarabad [16], và Raoof [51]. Dạng phá hoại này xảy ra bởi sự dính bám kém giữa lưới sợi với bê chất nền. Một phần của các sợi cơ bản bên ngoài bị phá hoại, trong khi các sợi cơ bản phía trong còn sợi cơ bản phía trong bị tuột,
30 khiến lực tác dụng lên dầm bị giảm từ từ, liên tục.
(2) Phá hoại do bong bật lớp bê tông bảo vệ ra khỏi cốt thép dọc trong dầm (Hình 1.24- b), như báo cáo của Ebead [31], and Raoof [51]. Trong trường hợp này, quá trình bong tách thường bắt đầu từ vị trí có vết nứt do uốn hoặc vết nứt uốn-cắt, thường xảy ra khi lớp TRC sử dụng bê tông có cường độ cao cũng như lưới sợi có cường độ chịu kéo cao.
Hình 1.24 Một số dạng phá hoại thường xảy ra đối với dầm được tăng cường
(3) Hình 1.24-c mô tả dạng phá hoại do lưới sợi bị kéo đứt (Elsanadedy [32], và Raoof [51]). Tại vị trí có mô men uốn lớn nhất, lưới sợi bị kéo đứt, gây ra dạng phá hoại đột ngột cho dầm.
(4) Dạng phá hoại do bong tách tại bề mặt lưới sợi và chất nền (Hình 1.24-d), được trình bày trong nghiên cứu của Triantafillou [64], D’Ambrisi [25], và Raoof [51]. Dạng phá hoại này xảy ra ngay trong lớp TRC, bởi dính bám giữa bê tông nền với bê tông hạt
31
mịn lớn hơn so với dính bám giữa lưới sợi và dính bám cắt (shear bond) giữa lưới sợi với bê tông hạt mịn, thường xảy ra khi lưới sợi có cường độ chịu kéo rất lớn và khoảng cách giữa các mắt lưới nhỏ.
(5) Phá hoại do bong tách tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông hạt mịn và bê tông nền (Hình 1.24-e). Theo nghiên cứu của D’Ambrisi [25], Ombres [49], và Babaeidarabad [16], sự hư hỏng do dính bám tại mặt tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông mới-cũ có thể xảy ra tại khu vực có mô men uốn lớn, hoặc từ 2 đầu dầm. Theo Ombres [49], cần bổ sung một đoạn chiều dài neo hoặc đoạn neo có cấu trúc chữ U.
1.3.1.2 Một số tham số ảnh hưởng đến hiệu quả tăng cường sức kháng uốn
Hiệu quả tăng cường của kết cấu dầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, như số lượng lớp lưới sợi, tính chất vật liệu, cấu tạo dầm BTCT v.v. Khi tăng hàm lượng cốt lưới dệt (thông qua việc tăng số lớp lưới sợi), sức kháng uốn sẽ được cải thiện. Tuy nhiên, mức tăng này còn phụ thuộc vào dạng phá hoại của kết cấu được tăng cường. Theo báo cáo của D’Ambrisi [25], Ombres [49], Babaeidarabad [16], and Raoof [51], việc sử dụng nhiều hơn 1 lớp lưới sợi có thể gây ra phá hoại do tuột sợi khỏi chất nền.
D’Ambrisi [25] và Raoof [51] nghiên cứu cải thiện hiệu quả sử dụng của lớp TRC tăng cường bằng cách bổ sung lớp neo có tiết diện chữu U ở 2 đầu của cấu kiện, cũng như trên toàn bộ chiều dài của cấu kiện. Cụ thể, D’Ambrisi [25] thực hiện nghiên cứu đối với các dầm BTCT được tăng cường sức kháng uốn với lưới sợi carbon và sợi PBO với hàm lượng cốt lưới sợi khác nhau, có cấu trúc tăng cường khác nhau (Hình 1.25). Kết quả thí nghiệm cho thấy, Cấu trúc tăng cường có dạng chữ U liên tục theo chiều dài dầm có hiệu quả tăng cường cao nhất, tiếp theo là cấu trúc chữ U bọc ở 2 đầu dầm và cấu trúc với lớp TRC trát ở mặt dưới của dầm, tương ứng với mức tăng 30%, 15% và 8%.
Về loại lưới sợi, theo D’Ambrisi [25], các mẫu dầm sử dụng lưới sợi PBO có sức kháng uốn lớn hơn lưới sợi carbon. Khi tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi PBO và sợi các bon, khả năng chịu uốn của các dầm được tăng thêm lần lượt là 30% và 15% so với dầm đối chứng.
Biến dạng của lưới sợi tại thời điểm phá hoại được xác định vào khoảng 0,8 đến 0,9% đối với lưới sợi carbon và từ 1,3 đến 1,5% đối với lưới sợi PBO. Jesse et al. (2008) báo cáo rằng lớp phủ polymer lên lưới sợi có thể cải thiện hiệu quả tăng cường đến 67%. Hiện tượng này cũng được Raoof [51] nhấn mạnh trong nghiên cứu của mình, với mức tăng đến
32
55% khi sử dụng 1 lớp lưới sợi các bon có sử dụng lớp phủ epoxy.
Hình 1.25 Cấu tạo chi tiết một số mẫu dầm thí nghiệm của D’Ambrisi [25]
D’Ambrisi [25] cũng đồng thời khảo sát 2 loại bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén lần lượt 29,75 MPa và 16,1 MPa. Theo D’Ambrisi, hiệu quả tăng cường của TRC cũng phụ thuộc vào loại bê tông hạt mịn, đặc biệt là đặc tính dính bám giữa bê tông hạt mịn với lưới sợi và giữa bê tông hạt mịn với bê tông nền. Các dầm được tăng cường lưới sợi PBO sử dụng bê tông hạt mịn có cường độ cao hơn sẽ có khả năng dính bám tốt hơn, từ đó, khai thác hiệu quả khả năng chịu kéo cao của lưới sợi.
Bửsche [19] nghiờn cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt thộp dọc trong dầm, và kết luận rằng khi hàm lượng cốt thép nhỏ, hiệu quả tăng cường sẽ lớn hơn đáng kể. Raoof [51]
nghiên cứu ảnh hưởng của mức nhiệt độ 150°C đến dầm được tăng cường bằng TRC và FRP. Kết quả thí nghiệm cho thấy, TRC làm tăng 55% sức kháng uốn cho dầm ở mức nhiệt độ này, trong khi FRP hoàn toàn mất đi hiệu quả chịu lực ở cùng điều kiện nhiệt độ.