NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC

Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu giải pháp gia cường kháng uốn cho kết cấu dầm bê tông cốt thép (BTCT) bằng vật liệu bê tông tính năng siêu cao (UHPC). Đây là một trong những giải pháp khá mới để gia cường kết cấu BTCT bên cạnh các giải pháp gia cường khác như sử dụng kết cấu thép, tấm sợi các bon (GFRP), ứng lực trước căng ngoài, bổ sung gối tựa phụ… Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu chế tạo 03 dầm BTCT cùng kích thước 150x200x2200 (mm), cùng cường độ bê tông, cùng cốt thép chịu kéo. Trong đó có 02 dầm BTCT được gia cường tại vùng bê tông vùng chịu kéo với chiều dày lớp UHPC là 5cm được đổ bù lồng vào cốt chủ và 01 dầm BTCT nguyên tiết diện là dầm đối chứng. Nghiên cứu đánh giá sự làm việc chịu uốn của dầm BTCT thông qua thí nghiệm uốn bốn điểm và khảo sát các thông số thí nghiệm như tải trọng, độ võng, biến dạng bê tông vùng nén, biến dạng cốt thép vùng kéo. Từ các kết quả thí nghiệm cho phép làm rõ hiệu quả của việc sử dụng bê tông UHPC để gia cường kết cấu BTCT chịu uốn như sự thay đổi về giá trị mô men giới hạn, độ cứng, sự hình thành và phát triển vết nứt. Bên cạnh đó dựa trên các kết quả thí nghiệm tiến hành so sánh với các kết quả tính toán lý thuyết với mô hình tính toán khả năng chịu lực của dầm BTCT có kể đến sự làm việc của bê tông vùng kéo UHPC. Trên cơ sở các kết quả thu được từ đề tài cho thấy sự phù hợp và hiệu quả của giải pháp sử dụng bê tông UHPC để gia cường kết cấu BTCT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Nguyễn Trung Kiên 63XD1 MSSV: 113263

Nguyễn Văn Nam 63XD1 MSSV: 146663

Nguyễn Trung Thành 63XD1 MSSV: 1542363

Nguyễn Đức Long 63XD5 MSSV: 127663

Giáo viên hướng dẫn:

ThS Nguyễn Văn Quang - Bộ môn TN & KĐ công trình

PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu - Bộ môn TN & KĐ công trình

Hà Nội, tháng 6 năm 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2021 - 2022

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC

Mã số: XD-2022-02

Sinh viên thực hiện:

Trần Quốc Mạnh 63XD1 MSSV: 138663

Nguyễn Trung Kiên 63XD1 MSSV: 113263

Nguyễn Văn Nam 63XD1 MSSV: 146663

Nguyễn Trung Thành 63XD1 MSSV: 1542363

Nguyễn Đức Long 63XD5 MSSV: 127663

Giáo viên hướng dẫn:

ThS Nguyễn Văn Quang - Bộ môn TN & KĐ công trình

PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu- Bộ môn TN & KĐ công trình

Cán bộ hướng dẫn Sinh viên trưởng nhóm

Nguyễn Văn Quang Trần Quốc Mạnh

Mục lục

MỞ ĐẦU 9

1 Đặt vấn đề 9

2 Mục tiêu nghiên cứu 10

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

4 Phương pháp nghiên cứu 10

5 Cấu trúc đề tài 10

TỔNG QUAN VỀ HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO UHPC 11

1.1 SỰ LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN VÀ HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 11

1.1.1 Sự làm việc theo thời gian của công trình xây dựng 11

1.1.2 Các yếu tố tác động đến công trình xây dựng và một số nguyên nhân chính gây hư hỏng kết cấu trên công trình 12

1.2 CÁC GIẢI PHÁP SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LÀM VIỆC CHỊU UỐN 14

1.2.1 Gia cường bằng cách mở rộng tiết diện [1] 14

1.2.2 Phương pháp dán bản thép [1] 15

1.2.3 Gia cường bằng ứng lực trước căng ngoài [1] 16

1.2.4 Phương pháp gia cường sử dụng vật liệu tấm sợi composite [1] 17

1.3 Vật liệu bê tông cường độ siêu cao (UHPC) và các ứng dụng [11] 18

1.3.1 Bê tông UHPC và một số ưu nhược điểm chính 18

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu UHPC trong thực tế xây dựng hiện nay 19

1.3.1 Một số nghiên cứu sử dụng bê tông UHPC để gia cường dầm BTCT 20

1.4 NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG

KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG UHPC 22

2.1 Mục đích thí nghiệm 22

2.2 Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo dầm 22

2.2.1 Mẫu thí nghiệm 22

2.2.2 Vật liệu chế tạo dầm 25

2.3 Sơ đồ thí nghiệm và sơ đồ bố trí dụng cụ đo 28

2.3.1 Sơ đồ thí nghiệm 28

2.3.2 Sơ đồ bố trí dụng cụ đo 29

2.3.3 Quy trình thí nghiệm 30

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 31

3.1 Kết quả thí nghiệm sự làm việc chịu uốn của dầm gia cường UHPC vùng kéo và dầm đối chứng 31

3.1.1 Quan hệ tải trọng độ võng 31

3.1.2 Quan hệ tải trọng biến dạng 33

3.1.3 Sự hình thành và mở rộng vết nứt 34

3.1.4 Cơ chế phá hoại 36

3.2 Mô hình đơn giản tính toán khả năng chịu lực của dầm gia cường có kể đến sự làm việc của bê tông UHPC trong vùng kéo 36

3.2.1 Giả thiết tính toán 36

3.2.2 So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm 38

3.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 3 39

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

Tài liệu tham khảo 41

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Các yếu tố tác động lên công trình xây dựng [1] 11

Hình 1.2 Sự suy giảm độ bền vững theo thời gian của công trình xây dựng [1] 12

Hình 1.3 Các yếu tố tác động lên công trình xây dựng [1] 13

Hình 1.4 Dầm BTCT bị nứt do không đủ chịu lực (sai sót trong khâu thiết kế) [1] 14

Hình 1.5 Hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép chịu lực[1] 14

Hình 1.6 Một số dạng gia cường tăng tiết diện cho cột, dầm, sàn BTCT 15

Hình 1.7 Hình ảnh gia cường cột bằng cách tăng tiết diện 15

Hình 1.8 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng dán bản thép 16

Hình 1.9 Gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng ngoài 1- Dầm hiện có; 2 Thép hình căng gia cường; 3 Bu-lông dùng để căng; 4 Thanh phụ trợ; 5- bu-lông cường độ cao để neo 16

Hình 1.10 Hình ảnh gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng ngoài 16

Hình 1.11 Các dạng vật liệu composite 17

Hình 1.12 Gia cường cột BTCT bằng vật liệu FRP 17

Hình 1.13 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng vật liệu FRP 18

Hình 1.14 Ứng dụng UHPC trong ngành cầu đường 20

Hình 1.15 Một số phương pháp sử dụng UHPC gia cường cấu kiện chịu uốn [6-8] 21 Hình 2.1 Chi tiết cấu tạo dầm D1.1 và D1.2 23

Hình 2.2 Chi tiết cấu tạo dầm đối chứng D0 23

Hình 2.3 Gia công và buộc cốt thép dầm 24

Hình 2.4 Trộn bê tông thường và bê tông UHPC theo cấp phối 24

Hình 2.5 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm 25

Hình 2.6 Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông thường 26

Hình 2.7 Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông UHPC 26

Hình 2.8 Mặt cắt dầm bê tông gia cường UHPC vùng kéo 28

Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm dầm 28

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm dầm bê tông UHPC gia cường 29

Hình 2.11 Tem đo biến dạng cốt thép vùng kéo 29

Hình 2.12 Tem điện trở đo biến dạng bê tông vùng nén của dầm 29

Hình 2.13 Thí nghiệm dầm bê tông đối chứng 30

Hình 2.14 Thí nghiệm dầm bê tông gia cường UHPC 30

Hình 3.1 Quan hệ tải trọng độ võng của dầm D0, D1.1 và D1.2 31

Hình 3.2 Quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vùng kéo và biến dạng bê tông vùng nén 33

Hình 3.3 Bê tông vùng nén bị ép vỡ 36

Hình 3.4 Sơ đồ ứng suất biến dạng có kể đến sự làm việc của bê tông UHPC 37

Danh mục bảng

Bảng 2.1 Thông số cấu tạo dầm 23

Bảng 2.2 Thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông UHPC (đơn vị kg/m 3 ) 25

Bảng 2.3 Thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông (đơn vị kg/m 3 ) 26

Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông (đơn vị kg/m 3 ) 26

Bảng 2.5 Đặc trưng cơ học của cốt thép 27

Bảng 3.1 Các giá trị tải trọng và độ võng đặc trưng 32

Bảng 3.2 Sự hình thành và phân bố vết nứt các dầm D1.1 và dầm D1.2 34

đổ bù lồng vào cốt chủ và 01 dầm BTCT nguyên tiết diện là dầm đối chứng Nghiên cứu đánh giá sự làm việc chịu uốn của dầm BTCT thông qua thí nghiệm uốn bốn điểm và khảo sát các thông số thí nghiệm như tải trọng, độ võng, biến dạng bê tông vùng nén, biến dạng cốt thép vùng kéo Từ các kết quả thí nghiệm cho phép làm rõ hiệu quả của việc sử dụng bê tông UHPC để gia cường kết cấu BTCT chịu uốn như sự thay đổi về giá trị mô men giới hạn,

độ cứng, sự hình thành và phát triển vết nứt Bên cạnh đó dựa trên các kết quả thí nghiệm tiến hành so sánh với các kết quả tính toán lý thuyết với mô hình tính toán khả năng chịu lực của dầm BTCT có kể đến sự làm việc của bê tông vùng kéo UHPC Trên cơ sở các kết quả thu được từ đề tài cho thấy sự phù hợp và hiệu quả của giải pháp sử dụng bê tông UHPC để gia cường kết cấu BTCT

Từ khóa: Dầm BTCT, Gia cường; UHPC; Khả năng chịu lực; Dầm bê tông hai lớp

Một số nguyên nhân dẫn đến hư hỏng kết cấu BTCT như chất lượng thi công không đảm bảo, thay đổi công năng sử dụng, tác động của môi trường (tác động nhiệt, tác động của các yếu tố xâm thực, độ ẩm ) dẫn đến cần có những biện pháp gia cường sửa chữa nhằm đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu, đảm bảo tuổi thọ của kết cấu công trình Hiện nay có nhiều giải pháp gia cường kết cấu BTCT khác nhau như giải pháp gia cường bằng cách mở rộng tiết diện của kết cấu, phương pháp dán bản thép, phương pháp sử dụng ứng lực trước căng ngoài, phương pháp sử dụng tấm sợi composite (FRP)… Trong đó phương pháp gia cường bằng cách mở rộng tiết diện được sử dụng khá phổ biến do những ưu điểm như dễ dàng thi công, giá thành rẻ Thông thường phần bê tông mới sử dụng để mở rộng tiết diện có cấp độ bền tương đương hoặc lớn hơn không nhiều so với bê tông của cấu kiện cũ dẫn tới hiệu quả gia cường thấp, cần tiết diện gia cường lớn dẫn tới tăng nhiều kích thước tiết diện, ảnh hưởng đến không gian kiến trúc

Bê tông chất lượng siêu cao là loại bê tông mới còn gọi là bê tông siêu tính năng (UHPC - Ultra High Performance Concrete) Một số tính năng của loại bê tông này như có độ chảy cao, cường độ chịu nén cao (lớn hơn 120 MPa), cường độ kéo uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao Các nghiên cứu áp dụng loại bê tông này phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây như để chế tạo các cấu kiện đúc sẵn như cừ biển, cầu dân sinh, các tấm ốp Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng loại bê tông này để gia cường cho kết cấu dân dụng còn khá ít

Từ những lý do trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp gia cường kháng uốn cho kết cấu dầm BTCT bị hư hỏng bằng bê tông UHPC” làm nội dung nghiên cứu của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các hư hỏng và các giải pháp gia cường trên kết cấu dầm BTCT và về vật vật liệu UHPC;

Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá sự làm việc chịu uốn của dầm BTCT sử dụng bê tông UHPC gia cường vùng kéo, đồng thời so sánh với dầm đối chứng qua

đó đánh giá được sự phù hợp và hiệu quả khi sử dụng loại bê tông này để gia cường kết cấu dầm BTCT; Tính toán lý thuyết về mô hình tính toán khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép hai lớp có kể đến sự làm việc của bê tông vùng kéo của bê tông vùng kéo UHPC;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tiến hành nghiên cứu trên cấu kiện dầm BTCT chịu uốn theo sơ đồ dầm đơn giản;

Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng bê tông UHPC gia cường phần bê tông vùng kéo với chiều dày của lớp UHPC là 5cm

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết trong đó nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu chính

5 Cấu trúc đề tài

Đề tài gồm các nội dung sau:

- Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu của đề tài nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và các chương nội dung

- Chương I: Tổng quan về hư hỏng kết cấu BTCT và bê tông UHPC

- Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm

- Chương III: Phân tích và đánh giá kết quả

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

VÀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO UHPC

Trong chương này trình bày các vấn đề liên quan đến sự làm việc theo thời gian, hư hỏng trên kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), các giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép và tổng quan về bê tông tính năng siêu cao UHPC

1.1 SỰ LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN VÀ HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1.1 Sự làm việc theo thời gian của công trình xây dựng

Sự ra đời của một công trình xây dựng nói chung và công trình có kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép nói riêng từ nhu cầu xây dựng, giai đoạn thiết kế, thi công, cũng như quá trình khai thác, sử dụng cho đến khi công trình hư hỏng hoàn toàn có thể được biểu hiện bằng sơ đồ trình bày trên Hình 1.1

Hình 1.1 Các yếu tố tác động lên công trình xây dựng [1]

Qua sơ đồ này có thể thấy để có một công trình xây dựng có chất lượng, đạt được yêu cầu đề ra là cả một quá trình dài với nhiều yếu tố tham gia, từ giai đoạn thiết kế với các giải pháp kỹ thuật phù hợp, sau đó giai đoạn thi công với chất lượng thi công… cho đến khi công trình bắt đầu được đưa vào sử dụng

Hình 1.2 Sự suy giảm độ bền vững theo thời gian của công trình xây dựng [1]

Trên Hình 1.2 trình bày sự suy giảm độ bền vững của công trình xây dựng theo thời gian Độ bền vững của công trình xây dựng có hệ kết cấu chịu lực bằng BTCT được quyết định dựa trên khả năng chịu lực của hệ kết cấu Sự suy giảm khả năng chịu lực của hệ kết cấu diễn ra theo thời gian và đây là quá trình tất yếu đối với công trình xây dựng Tuy nhiên trong thực tế, sự suy giảm độ bền vững có thể khác (nhanh hơn) so với dự kiến (đường đứt nét) Để đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu công trình BTCT, công tác sửa chữa gia cường kết cấu là một giải pháp có hiệu quả Công tác sửa chữa gia cường được áp dụng cho các kết cấu bị hư hỏng hoặc các kết cấu có

sự thay đổi công năng làm việc so với thiết kế ban đầu Việc gia cường sửa chữa nhằm đảm bảo kết cấu làm việc đáp ứng được các yêu cầu về công năng sử dụng và công năng chịu lực, có thể áp dụng cho kết cấu cột làm việc chịu nén, kết cấu dầm, sàn làm việc chịu uốn…

1.1.2 Các yếu tố tác động đến công trình xây dựng và một số nguyên nhân chính gây hư hỏng kết cấu trên công trình

Rất nhiều các yếu tố khác nhau tác động lên công trình xây dựng trong suốt quá trình tồn tại của nó tuy nhiên có thể chia thành 02 nhóm sau:

- Tác động cơ học: tĩnh tải do trọng lượng bản thân của kết cấu, của các lớp vật liệu cấu tạo, hoạt tải sử dụng và các tác động do tải trọng bất thường (động đất, cháy, nổ.)

- Tác động của các yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm các yếu tố có nguồn gốc hóa học tồn tại trong môi trường …

Trên Hình1.3 minh họa các yếu tố tác động đến sự làm việc của công trình có kết cấu chịu lực bằng BTCT

Hình 1.3 Các yếu tố tác động lên công trình xây dựng [1]

Sự tác động của các yếu tố kể trên đến công trình xây dựng không riêng rẽ mà các tác động xảy ra đồng thời Điều này dẫn đến việc đánh giá sự làm việc của công trình hoặc sự hư hỏng, xuống cấp (nếu có) của công trình xây dựng gặp nhiều khó khăn Đối với các tác động cơ học: về nguyên lý các tác động này thường được kể đến trong giai đoạn tính toán thiết kế công trình Tuy nhiên luôn tồn tại những tác động cơ học không được kể đến khi tính toán thiết kế công trình , ví dụ:

+ Do chất lượng thi công không đảm bảo: thường trong trường hợp này sẽ dẫn đến kết cấu làm việc sai với sơ đồ tính được sử dụng khi tính toán thiết kế Điều này dẫn đến kết cấu làm việc với trạng thái khác với dự kiến ban đầu

+ Do sự thay đổi công năng sử dụng: dẫn đến sai khác tải trọng tác động lên kết cấu so với tính toán thiết kế

+ Do tác động của thiên tai (gió bão, động đất) vượt quá giá trị dự báo khi thiết kế công trình

+ Do tác động của cháy, nổ

Có thể nhận thấy trong trường hợp này, các tác động cơ học thường ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc của các kết cấu chịu lực của công trình và trong thực tế những vấn đề liên quan đến sự cố công trình xây dựng đều có liên quan trực tiếp đến dạng tác động này

Đối với các tác động do yếu tố môi trường: hiện nay trong tính toán thiết kế thường không kể đến ảnh hưởng của các yếu tố này Ví dụ khi tính toán kết cấu BTCT không

kể đến ứng suất phát sinh trong kết cấu do biến dạng co ngót, biến dạng từ biến của vật liệu bê tông Các tác động của môi trường đến công trình xây dựng có nhiều dạng khác nhau, ví dụ:

+ Tác động của nhiệt độ môi trường;

+ Tác động do thay đổi độ ẩm môi trường;

+ Tác động của các yếu tố xâm thực (clorua, CO2, sun phát…)

Hình 1.4 Dầm BTCT bị nứt do không đủ chịu lực (sai sót trong khâu thiết kế) [1]

Hình 1.5 Hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép chịu lực[1]

1.2 CÁC GIẢI PHÁP SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP LÀM VIỆC CHỊU UỐN

1.2.1 Gia cường bằng cách mở rộng tiết diện [1]

Đây là phương pháp gia cường truyền thống, dễ thực hiện Theo phương pháp này, diện tích mặt cắt ngang của kết cấu và hàm lượng cốt thép được tăng thêm nhờ đó tăng khả năng chịu lực của kết cấu được gia cường Nhược điểm chính của phương pháp này là việc tăng kích thước tiết diện gây ảnh hưởng đến không gian kiến trúc,

thời gian thi công lâu Phương pháp gia cường này có thể áp dụng cho kết cấu cột, dầm, sàn

a- Một số dạng gia cường kết cấu cột BTCT

b- Một số dạng gia cường kết cấu dầm BTCT

c- Một số dạng gia cường kết cấu sàn BTCT

Hình 1.6 Một số dạng gia cường tăng tiết diện cho cột, dầm, sàn BTCT

Hình 1.7 Hình ảnh gia cường cột bằng cách tăng tiết diện 1.2.2 Phương pháp dán bản thép [1]

Phương pháp dán bản thép là một phương án gia cường truyền thống, thường được

áp dụng để gia cường kết cấu dầm, sàn làm việc chịu uốn Bản thép được dán chặt vào bề mặt bê tông vùng chịu kéo bằng keo dán chuyên dụng (có thể tăng độ bám dính bằng các bu lông neo) sẽ tham gia làm việc chịu kéo Đây là phương pháp gia cường hiệu quả, tuy nhiên thời gian thi công lâu và bản thép nằm ở mặt ngoài kết cấu

có thể chịu ảnh hưởng của môi trường làm suy giảm khả năng chịu lực

Hình 1.9 Gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng ngoài

1- Dầm hiện có; 2 Thép hình căng gia cường; 3 Bu-lông dùng để căng;

4 Thanh phụ trợ; 5- bu-lông cường độ cao để neo

Hình 1.10 Hình ảnh gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước

căng ngoài

1.2.4 Phương pháp gia cường sử dụng vật liệu tấm sợi composite [1]

Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu composite (tên tiếng Anh Fiber Reinforced Polymer, FRP) là phương pháp gia cường có hiệu quả được áp dụng khá phổ biến ở các nước trên thế giới từ những năm 1990 Các dạng vật liệu composite được sử dụng trong công tác gia cường được mình họa trên Hình 1.11trong đó dạng vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong công tác gia cường kết cấu

Hình 1.12 Gia cường cột BTCT bằng vật liệu FRP

Hình 1.13 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng vật liệu FRP

1.3 Vật liệu bê tông cường độ siêu cao (UHPC) và các ứng dụng [11]

1.3.1 Bê tông UHPC và một số ưu nhược điểm chính

Bê tông UHPC là loại bê tông được chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng,

SF, nước và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thường nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lượng) Trong đó lượng dùng chất kết dính tương đối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3 ; lượng dùng SF thường là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lượng xi măng) Sản phẩm tạo thành có cường độ nén lớn hơn 100MPa, có thể đạt đến 250 MPa, có cường

độ kéo uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và độ bền lâu cao

 Ưu điểm của bê tông UHPC

Với đặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá đồng nhất và rất đặc chắc, nên bê tông UHPC

có các tính chất cơ lý vượt trội so với bê tông thường và bê tông chất lượng cao như: cường độ siêu cao (Rn ≥120MPa, Ru ≥12MPa); độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so với mẫu đối chứng); chống thấm rất tốt; độ bền lâu cao… Điều này, cho phép khi thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lượng dùng vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn Hiệu quả này của bê tông UHPC có thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thường sử dụng để chế tạo dầm

dự ứng lực Vật liệu này dường như là có tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép Các tính chất của bê tông UHPC có thể được tối ưu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trước, khi đó sẽ phát huy được tối đa khả năng chịu uốn của BTCLSC Việc sử dụng cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp bê tông UHPC, trong một số trường hợp, cho phép loại bỏ được những thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt Với các ưu điểm đã được phân tích ở trên, bê tông UHPC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình Đặc biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác động bất thường của ngoại lực cao như: động đất, thiên tai, khủng bố Bê tông UHPC cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử

dụng cho các công trình chịu tác động xâm thực mạnh như: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…

 Nhược điểm của bê tông UHPC

Theo các nghiên cứu trên thế giới nhược điểm lớn nhất của bê tông UHPC là chi phí đầu tư ban đầu cao Đồng thời bê tông UHPC còn tương đối mới với ngành công nghiệp xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hướng dẫn sử dụng chưa được thống nhất Do vậy cho đến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm Việc thiết kế kết cấu sử dụng bê tông UHPC vẫn chưa được tối ưu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban đầu vẫn cao hơn so với

bê tông thường Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi bê tông UHPC được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi tính toán tổng thể có đến vòng đời và tuổi thọ công trình Trong khi bê tông UHPC có cường độ nén, cường độ uốn và độ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm tối

đa kích thước của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng bê tông UHPC vẫn phải đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thước của kết cấu để vẫn đảm bảo được các yêu cầu về khả năng chống va đập, độ biến dạng Điều đó sẽ khắc phục được hạn chế về chi phí đầu tư ban đầu của bê tông UHPC Bên cạnh đó, một trong những khó khăn khác khi sử dụng bê tông UHPC là yêu cầu rất cao về chất lượng vật liệu đầu vào, do vậy loại bê tông này phù hợp hơn cho các kết cấu đúc sẵn được sản

xuất trong nhà máy hơn là dùng đổ trực tiếp tại công trường

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu UHPC trong thực tế xây dựng hiện nay

Cho đến hiện nay UHPC đã và đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: kiến trúc, xây dựng, cầu đường, công trình biển, an ninh quốc phòng

cụ thể có thể thấy như:

- Dùng cho lớp mặt: do có cường độ cao, khả năng chịu mài mòn lớn nên loại bê tông này được sử dụng để chế tạo các bunke chứa xi măng, đường ống dẫn nước chịu xói mòn lớn, bề mặt đập tràn thuỷ điện, mặt cầu

- Dùng để sửa chữa các trụ cầu, các đập chắn sóng , đồng thời có thể dùng để thay thế các mặt sàn cầu cũ đã hƣ hỏng, làm mặt cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê tông dự ứng lực để đẩy nhanh tiến độ thi công

- Dùng cho các công trình ngoài biển: dàn khoan, trụ của tua bin gió

- Dùng để chế tạo các kết cấu đúc sẵn: dầm cầu, tấm sàn

độ chịu nén cao, độ bền lớn… Tuy nhiên đối với kết cấu cho công trình xây dựng thông thường chưa được áp dụng nhiều Một trong những nguyên nhân chính là do giá thành của loại bê tông này còn khá cao, khó sử dụng cho đại trà công trình xây dựng Một trong những hướng áp dụng mới được các nhà khoa học quan tâm là sử dụng bê tông UHPC nhằm gia cường cho các cấu kiện dầm sàn

Một số dạng sử dụng UHPC để gia cường cho cấu kiện chịu uốn được trình bày trong Hình 1.15

a) Sử dụng UHPC gia cường vùng nén

b) Sử dụng UHPC gia cường vùng kéo

c) Sử dụng UHPC gia cường kháng cắt