Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN NGÔN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH CHO KẾT CẤU BẢN MẶT

CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN NGÔN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH CHO KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU

TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số: 9580206

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Phạm Duy Anh

HÀ NỘI - 2022 GS.TS Nguyễn Viết Trung

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU III

DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII

MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2.Mục đích nghiên cứu 1

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2

6.Cấu trúc của luận án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU5 1.1.Khái quát về vật liệu cốt sợi polyme (FRP) 5

1.1.1.Giới thiệu 5

1.1.2.Ưu, nhược điểm của thanh GFRP 7

1.2.Lịch sử phát triển 9

1.3.Các tính chất cơ lý đặc trưng của vật liệu GFRP 10

1.3.1.Các tính chất vật lý 10

1.3.2.Các tính chất cơ học 11

1.3.3.Ứng xử phụ thuộc thời gian 13

1.3.4.Ảnh hưởng của nhiệt độ cao và lửa 14

1.4.Các vật liệu thành phần của thanh GFRP và phương pháp chế tạo 15

1.4.1.Thành phần vật liệu thanh GFRP 15

1.4.2.Phương pháp chế tạo vật liệu thanh GFRP 16

1.5.Độ bền của thanh GFRP 18

1.5.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của thanh GFRP 18

1.5.2.Phương pháp nghiên cứu về độ bền 20

1.6.Khái quát các nghiên cứu và ứng dụng cốt thanh GFRP 20

1.6.1.Khái quát về các tiêu chuẩn, chỉ dẫn thiết kế hiện hành 20

1.6.2.Một số nghiên cứu về ứng xử uốn của kết cấu bê tông cốt thanh GFRP 23

1.6.3.Một số nghiên cứu sử dụng cốt thanh FRP cho kết cấu bản mặt cầu 32

1.6.4.Ứng dụng của cốt thanh FRP 42

1.7.Định hướng nghiên cứu 46

1.7.1.Nhận xét về các kết quả nghiên cứu đã có 46

1.7.2.Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu 46

Kết luận chương 1 47

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH 48

2.1.Giới thiệu 48

2.2.Các giả thiết và tính chất thiết kế của thanh GFRP 48

2.2.1.Các giả thiết 48

2.2.2.Các tính chất thiết kế của thanh GFRP 48

2.3.Lý thuyết thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo hướng dẫn của AASHTO LRFD 49

2.3.1.Các trạng thái giới hạn 49

2.3.2 Các nghiên cứu thiết kế 51

2.3.3.Thiết kế chịu uốn 51

2.3.4.Thiết kế chịu cắt 57

2.3.5.Bố trí chi tiết cốt 59

2.3.6.Triển khai và mối nối cốt 61

2.4.Trình tự thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo AASHTO LRFD 2018 64

2.5.Phương pháp thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Canada (CAN/CSA S6.1S1-10) 67

2.5.1.Tính toán bản mặt cầu sử dụng phương pháp thiết kế uốn 67

2.5.2.Cơ sở thiết kế bản mặt cầu sử dụng phương pháp kinh nghiệm 70

2.6.Đánh giá các công thức dùng trong tính toán khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt GFRP 72

2.6.1.Khái quát về các công thức dự báo 72

2.6.2.Đánh giá các công thức dự báo 74

2.7 sánhSo thiết kế kết cấu bản mặt cầu khi sử dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép 82

Kết luận chương 2 84

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH 85

3.1.Giới thiệu 85

3.1.1.Các cơ sở tiến hành thí nghiệm 85

3.1.2.Mục đích của thí nghiệm 85

3.2.Lựa chọn mô hình thí nghiệm 85

3.3.Công tác chuẩn bị thí nghiệm 86

3.3.1.Vật liệu 86

3.3.2.Thiết bị thí nghiệm 87

3.3.3.Mẫu thí nghiệm 88

3.3.4.Bố trí các thiết bị đo đạc 91

3.4.Phương pháp tiến hành thí nghiệm 92

3.4.1.Sơ đồ thí nghiệm 92

3.4.2.Trình tự thí nghiệm 93

3.5.Kết quả thí nghiệm và phân tích 93

3.5.1.Cường độ bê tông 93

3.5.2.Mô hình phá hoại và dạng vết nứt 93

3.5.3.Biến dạng của bê tông và cốt 96

3.5.4.Ứng xử võng - Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng 98

3.6.Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm 100

3.6.1.So sánh kết quả thực nghiệm với các công thức lý thuyết 100

3.6.2.Phân tích ứng xử của kết cấu bản thí nghiệm bằng phương pháp PTHH 103 Kết luận chương 3 109

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH 110

4.1.Giới thiệu 110

4.2.Nghiên cứu so sánh các các phương pháp thiết kế bản mặt cầu 110

4.2.1.Giới thiệu 110

4.2.2.Tính toán thiết kế bản mặt cầu cốt GFRP theo các phương pháp 110

4.2.3.So sánh khối lượng vật liệu tính theo hai phương pháp 113

4.3.Phân tích hiệu quả ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu 113

4.3.1.Số liệu tính toán 113

4.3.2.Tính toán nội lực 114

4.3.3.Tính toán khối lượng vật liệu cốt 114

4.3.4.So sánh chi phí vật liệu cốt 115

4.4.Phân tích hiệu quả ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép khi xét đến chi phí vòng đời 117

4.4.1.Giới thiệu 117

4.4.2.Phân tích chi phí vòng đời 117

4.5.Một số kiến nghị khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823: 2017 đối với kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP 120

4.5.1.Các nội dung tương ứng với Phần 5 - kết cấu bê tông [2] 120

4.5.2.Các nội dung về kết cấu bản mặt cầu [2] 128

Kết luận chương 4 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

1.Những kết quả đạt được của luận án 130

2.Những đóng góp mới của luận án 130

3.Hạn chế của đề tài 131

4.Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 131

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

PHỤ LỤC 143

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc tới cố

và xin cảm ơn PGS.TS Phạm Duy Anh đã tận tình hướng dẫn khoa học trong suốtquá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong Bộ môn Công trình giaothông thành phố và Công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã độngviên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơnphòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ, tạo điềukiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường Tôi xin trân trọng cảm ơnPhòng Thí nghiệm vật liệu xây dựng, Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông vậntải - Trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện cácnghiên cứu thực nghiệm

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận án với tất cả nỗ lực của bản thân, nhưngchắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý Thầy, Cô tận tình chỉbảo

Trân trọng cảm ơn

Hà Nội, Ngày 15 tháng 11 năm 2022

Tác giả

Nguyễn Văn Ngôn

GS.TS Nguyễn Viết Trung

GS.TS Nguyễn Viết Trungix

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếucó) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả

Nguyễn Văn Ngôn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Tiếng Anh

AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội các

Viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ)ACMA: American Composites Manufacturers Association (Hiệp hội các nhà sản xuất vật

liệu composit Mỹ)ACI: American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ )

AFRP: Aramid Fiber Reinforced Polymers (Pôlime gia cường cốt sợi Aramid)

ASCE: American Society of Civil Engineers (Hội kỹ sư Xây dựng Mỹ)

ASTM: Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Mỹ (American Society for Testing and Materials)

BSI: British Standards Institution (Viện Tiêu chuẩn Anh)

CMA Compressive Membrane Action (Tác động màng nén)

CSA: Canada Standards Association (Hiệp hội tiêu chuẩn Canada)

CFRP: Cacbon Fiber Reinforced Polymers (cốt polyme sợi các bon)

fib: International Federation for Structural Concrete (Liên đoàn kết cấu bê tông quốc

tế)FRP: Fiber Reinforced Polymers (cốt sợi polyme)

GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymers (cốt polyme sợi thủy tinh)

ISIS: Intelligent Sensing for Innovative Structures (Quan trắc thông minh cho kết cấu

tiên tiến)IstructE: Institution of Structural Engineers (Tổ chức các kỹ sư kết cấu)

JSCE: Japan Society of Civil Engineers (Hội kỹ sư Xây dựng Nhật Bản)

LRFD: Load and resistance factor design (Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải

trọng)UHPC: Ultra-High Performance Concrete (Bê tông tính năng siêu cao)

Tiếng Việt

Các ký hiệu

b eff - chiều rộng hữu hiệu của dải bản, (mm)

b 0.5 - chu vi của tháp chọc thủng ở độ sâu 0,5d tính từ bề mặt chịu tải, (mm)

b 1.5 - chu vi của tháp chọc thủng ở độ sâu 1,5 d tính từ bề mặt chịu tải, (mm)

c x - chiều rộng vệt tải song song với nhịp bản, (mm)

c y - chiều rộng vệt tải vuông góc với nhịp bản, (mm)

d - chiều cao hữu hiệu của bản, (mm)

d 1 - nửa chiều cao vòm nén, (mm)

E c - mô đun đàn hồi của bê tông, (MPa)

E f - mô đun đàn hồi của cốt GFRP, (MPa)

f’ c - cường độ chịu nén của mẫu trụ bê tông, (MPa)

f cu - cường độ chịu nén của bê tông mẫu lập phương cạnh 100 mm, (MPa)

f’ fu - cường độ chịu kéo giới hạn của cốt GFRP, (MPa)

f fd - cường độ chịu kéo thiết kế của cốt GFRP, (MPa)

f r - Cường độ kéo đứt của thanh GFRP, (MPa)

k - tỷ số giữa chiều sâu trục trung hòa và chiều sâu cốt

K b - độ cứng chịu uốn phẳng tương đương của dầm đỡ

K d - độ cứng của dầm ngang và bản

K r - độ cứng tổng hợp của liên kết

k t - hệ số nội suy mô men

K tor - độ cứng chống xoắn tương đương của dầm đỡ

M a - sức kháng mô men do hiệu ứng vòm, (N.mm)

M b - sức kháng mô men uốn, (N.mm)

n f - tỷ số mô đun đàn hồi E f /E c

P b - khả năng chịu uốn dự báo theo các tiêu chuẩn hiện hành, (N)

P cr - tải trọng nứt, (N)

P p - khả năng chịu lực dự báo theo mô hình đề nghị, (N)

P pf - khả năng chống xuyên thủng do uốn, (N)

P ps - khả năng chống xuyên thủng do cắt, (N)

P ser - tải khai thác, (N)

P t - tải trọng phá hoại trên các mẫu thử nghiệm, (N)

P vs - khả năng chịu cắt dự báo từ các tiêu chuẩn hiện hành, (N)

r cp - tỷ số của c x và chiều dài nhịp bản

r f - hệ số hình dạng cột

V c - khả năng chịu cắt hai chiều (N)

x - chiều sâu vùng nén, (mm)

ρ - tỷ lệ cốt

ρa - tỷ lệ cốt tương đương hiệu ứng vòm

ρbal - tỷ lệ cốt cân bằng cho bản

ρf - tỷ lệ cốt GFRP

f c - cường độ chịu nén bê tông mẫu lập phương, (MPa)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Trọng lượng điển hình của cốt thanh GFRP (g/cm3 ) [17] 10

Bảng 1.2 So sánh cốt thép và thanh GFRP [111] 10

Bảng 1.3 Hệ số giãn nở do nhiệt độ của các loại thanh FRP [41] 11

Bảng 1.4 Một số thông số của vật liệu thanh FRP so sánh với cốt thép [17] 11

Bảng 1.5 So sánh về độ dính bám và một số đặc tính của thanh GFRP với cốt thép [17] 12

Bảng 1.6 Giới hạn ứng suất đứt do từ biến của cốt thanh GFRP 14

Bảng 1.7 Hệ số triết giảm do điều kiện môi trường (C E ) đối với cốt thanh GFRP [17] .19

Bảng 1.8 Quy định chiều rộng vết nứt cho kết cấu bê tông cốt thanh GFRP 26

Bảng 2.1 Hệ số triết giảm với các loại sợi và điều kiện tiếp xúc khác nhau [15] 49

Bảng 2.2 Quy định chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thanh GFRP [15] 59

Bảng 2.3 Các thông số chi tiết của kết cấu mẫu thử nghiệm 74

Bảng 2.4 Kết quả dự tính theo các công thức và giá trị thực nghiệm 75

Bảng 2.5 Đánh giá mức độ phù hợp của các công thức lý thuyết 76

Bảng 2.6 Kết quả so sánh công thức điều chỉnh với các công thức khác 80

Bảng 2.7 Đánh giá tương quan giữa các mức tải tương ứng với điều kiện giới hạn về độ võng và nứt 81

Bảng 2.8 Phân tích tương quan giữa tải trọng phá hoại và mức tải tương ứng với điều kiện giới hạn về độ võng 82

Bảng 2.9 Tổng hợp bố trí cốt thép (GFRP) cho bản mặt cầu 83

Bảng 3.1 Các tính chất cơ học của cốt GFRP (nguồn FRP VIETNAM.JSC) 87

Bảng 3.2 Thành phần vật liệu tính cho 1 m3 bê tông 87

Bảng 3.3 Chi tiết bố trí cốt trong các mẫu thí nghiệm 90

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày 93

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm các mẫu bản về tải trọng và độ võng 94

Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả thí nghiệm các mẫu bản về biến dạng và nứt 95

Bảng 3.7 Tổng hợp so sánh với kết quả thực nghiệm của El-Gamal [48] 100

Bảng 3.8 Kết quả tính toán theo các mô hình dự báo 100

Bảng 3.9 Kết quả so sánh các mô hình dự báo với mức tải gây phá hoại mẫu 101

Bảng 3.10 So sánh kết quả dự báo mức tải khai thác cho phép và thực nghiệm 102

Bảng 3.11 Các thông số của mô hình vật liệu bê tông 103

Bảng 3.12 So sánh giữa kết quả phân tích FEM và thực nghiệm 108

Bảng 4.1 Tổng hợp nội lực tính theo TCVN 11823: 2017 112

Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả tính toán bố trí cốt GFRP cho bản mặt cầu 113

Bảng 4.3 Tổng hợp mô men uốn tính toán 114

Bảng 4.4 Tổng hợp bố trí cốt thép, GFRP 115

Bảng 4.5 Tổng hợp chi phí vật liệu cốt 116

Bảng 4.6 Tổng hợp chi phí vòng đời của mặt cầu bê tông cốt thép 118

Bảng 4.7 Tổng hợp chi phí vòng đời của mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP với tuổi thọ giả định 50 năm 118

Bảng 4.8 Tổng hợp chi phí vòng đời của mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP với tuổi thọ giả định 65 năm 118

Bảng 4.9 Tổng hợp chi phí vòng đời của mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP với tuổi thọ giả định 85 năm 119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của vật liệu FRP 5

Hình 1.2 Một số loại sản phẩm thanh FRP 6

Hình 1.3 Dạng tiết diện và cấu tạo bề mặt của sản phẩm thanh FRP 6

Hình 1.4 Một số sản phẩm cốt thanh FRP 7

Hình 1.5 Cầu đi bộ đầu tiên ở Châu Âu bằng kết cấu bê tông cốt thanh GFRP [56] 8

Hình 1.6 Hệ thống đường đệm từ trường cho tàu cao tốc ở Nhật Bản [56] 8

Hình 1.7 Quan hệ ứng suất biến dạng của các loại thanh FRP và cốt thép [17] 12

Hình 1.8 Quan hệ ứng suất - biến dạng của nhựa Epoxy với mô đun khác nhau [56] .16

Hình 1.9 Sơ lược quá trình sản xuất thanh GFRP bằng phương pháp đúc kéo (pultrusion) 17

Hình 1.10 Các giai đoạn của quá trình sản xuất các thanh GFRP 17

Hình 1.11 Dây chuyền sản xuất và các sản phẩm thanh GFRP của Công ty Cổ phần Cốt sợi Polyme Việt Nam [13] 18

Hình 1.12 Thí nghiệm uốn dầm [3] 30

Hình 1.13 Cốt thép bị ăn mòn sau 6 tháng [3] 30

Hình 1.14 Bố trí thí nghiệm [4] 30

Hình 1.15 Bố trí cảm biến đo độ võng [4] 30

Hình 1.16 Quan hệ tải trọng - biến dạng của cốt GFRP trong dầm [4] 31

Hình 1.17 Quan hệ giữa tải trọng - độ võng của dầm thí nghiệm [4] 31

Hình 1.18 Thử tải cầu Morristown - USA [28] 32

Hình 1.19 Kết hợp cốt thép và thanh GFRP trong bản mặt cầu Sainte Catherine -Quebec, Canada [22] 33

Hình 1.20 Mô hình thí nghiệm ứng xử kết cấu bản mặt cầu cốt thanh FRP [49] 34

Hình 1.21 Mô hình thí nghiệm kết cấu bản mặt cầu của Zheng và cộng sự [107] 35

Hình 1.22 Quan hệ tải trọng - độ võng đặc trưng của kết cấu bản mặt cầu [107] 35

Hình 1.23 Các thành phần sức kháng uốn trong kết cấu bản mặt cầu [107] 35

Hình 1.24 Quan hệ giữa chiều rộng dầm đỡ và khả năng chịu mô men [107] 36

Hình 1.25 Quan hệ giữa chiều rộng dầm đỡ và độ cứng liên kết [107] 36

Hình 1.26 Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến sức kháng uốn của bản mặt cầu [107] 36

Hình 1.27 Kích thước lưới phần tử [46] 38

Hình 1.28 Mô hình phần tử hữu hạn của 1/4 kết cấu bản mặt cầu [46] 38

Hình 1.29 So sánh kết quả thực nghiệm và phân tích bằng PTHH các mẫu bản cốt CFRP, GFRP [46] 39

Hình 1.30 Quan hệ giữa khả năng chịu tải và cường độ bê tông [46] 40

Hình 1.31 Quan hệ giữa khả năng chịu tải và chiều dày bản [46] 40

Hình 1.32 So sánh độ bền của kết cấu bản mặt cầu với các loại cốt khác nhau [109] .41

Hình 1.33 Mức độ kháng ăn mòn clorua của các loại cốt [109] 41

Hình 1.34 So sánh khả năng kháng nứt của các mẫu bản [109] 42

Hình 1.35 Cầu Morristown ở tiểu bang Vermont (Mỹ, 2002) 42

Hình 1.36 Cầu Emma Park ở tiểu bang Utah (Mỹ, 2009) 42

Hình 1.37 Cầu Caledon dành cho người đi bộ, tỉnh Ontario (Canada, 2011) 43

Hình 1.38 Cầu Port Clyde, tỉnh Nova Scotia (Canada, 2006) 43

Hình 1.39 Cầu Floodway thuộc tỉnh 43

Hình 1.40 Mặt cầu - Broadway Bridge - thuộc bang Maine Mỹ, (2010) 43

Hình 1.41 Cầu giàn thép Route 367 over Bentley Creek - Wellsburg, Chemung County - New York Mỹ, (1999) 43

Hình 1.42 Cầu vượt biển (Fukushima Prefecture, Japan) 44

Hình 1.43 Sử dụng GFRP cho các tường chắn ven biển 44

Hình 1.44 Ứng dụng thanh GFRP cho gờ chắn trên cầu (Greene county, Missouri) 44

Hình 1.45 Ứng dụng GFRP cho dự án đường sắt tại Iran 44

Hình 1.46 Ứng dụng thanh GFRP trong trong thi công hầm (London, UK) 44

Hình 1.47 Nhà ga ở Thượng Hải (Trung Quốc) 44

Hình 1.48 Mái nhà chiến sĩ cảnh vệ khu tưởng niệm Đại tướng Võ Nguyên Giáp (Vũng Chùa - Quảng Bình) 45

Hình 1.49 Thi công đường Hồ Tùng Mậu (Cầu Giấy - Hà Nội) 45

Hình 1.50 Cừ UHPC dùng cho thi công tầng hầm 45

Hình 1.51 Ứng dụng thanh GFRP trong kết cấu sàn 45

Hình 2.1 Sơ đồ xác định hệ số sức kháng uốn [15] 51

Hình 2.2 Bố trí cốt GFRP trong bản mặt cầu theo phương pháp kinh nghiệm 71

Hình 2.3 So sánh mức độ phù hợp của các công thức lý thuyết so với kết quả thực nghiệm 78

Hình 2.4 Mặt cắt ngang cầu 83

Hình 3.1 Cơ chế tác động vòm hình thành trong kết cấu bản mặt cầu 86

Hình 3.2 Cốt thanh GFRP dùng cho thí nghiệm 86

Hình 3.3 Cảm biến đo biến dạng trên cốt thép, cốt thanh GFRP và bê tông 88

Hình 3.4 Cảm biến đo độ võng 88

Hình 3.5 Gối uốn bằng hệ dầm I300 88

Hình 3.6 Cấu tạo chi tiết các mẫu thử nghiệm 90

Hình 3.7 Chế tạo mẫu thử nghiệm 91

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí các thiết bị đo 92

Hình 3.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 93

Hình 3.10 Khả năng chịu tải của các mẫu bản thí nghiệm 94

Hình 3.11 Mô hình phá hoại và dạng nứt ở mặt trên của các nhóm mẫu thí nghiệm 96

Hình 3.12 Dạng nứt ở mặt dưới của một số mẫu thí nghiệm 96

Hình 3.13 Biến dạng của cốt thép và bê tông trong nhóm mẫu S1 97

Hình 3.14 Biến dạng của cốt thép và bê tông trong nhóm mẫu G1 97

Hình 3.15 Biến dạng của cốt thép và bê tông trong nhóm mẫu G2 97

Hình 3.16 Biến dạng của cốt thép và bê tông trong nhóm mẫu G3 98

Hình 3.17 So sánh biến dạng trung hình của cốt và bê tông các nhóm mẫu 98

Hình 3.18 Quan hệ tải trọng và độ võng của các nhóm mẫu 99

Hình 3.19 So sánh giá trị dự báo trung bình theo các công thức và thực nghiệm 102

Hình 3.20 Mô hình 3D kết cấu bản thí nghiệm 103

Hình 3.21 Mô hình kết cấu bản trước và sau khi chia lưới 105

Hình 3.22 Mô hình các lưới thép trong bản 105

Hình 3.23 Mô hình hóa liên kết giữa bê tông và các lưới thép 106

Hình 3.24 Phân bố chuyển vị ở mặt trên và mặt dưới của bản 106

Hình 3.25 Phân bố ứng suất ở mặt trên và mặt dưới của bản 107

Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng của mô hình FEM và thực nghiệm

107Hình 3.27 Biểu đồ quan hệ tải trọng - biến dạng của mô hình FEM và thực nghiệm .107

Hình 3.28 Biểu diễn mối quan hệ giữa khả năng chịu tải và hàm lượng cốt 108

Hình 4.1 Sơ đồ trình tự tính toán thiết kế theo các phương pháp 111

Hình 4.2 Mặt cắt ngang cầu 111

Hình 4.3 Mặt cắt ngang cầu nhịp 33 m 113

Hình 4.4 So sánh chi phí vòng đời 119

Nam Do đó luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô” làm đề tài của luận án.

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng cốt thanh GFRP cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

20

Kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP loại có gờ, sản xuất tại Việt Nam(đạt tiêu chuẩn TCVN 11109:2015).

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu xác định ứng xử của kết cấu bản mặt cầu bê tông (có cường độ chịu nén

45 MPa), cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam, chịu tác dụng của tải trọng tập trung(thí nghiệm trong phòng)

- Nghiên cứu mô hình phá hoại, khả năng chịu tải, ảnh hưởng của hàm lượng cốt lớpdưới theo phương ngang đến khả năng chịu tải, độ võng, nứt, biến dạng của bê tôngbản ở mặt trên và biến dạng của cốt ở lớp dưới theo phương ngang cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích, thống kê, kết hợp nghiên cứu lý thuyết;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp mô phỏng số

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Xác định được mô hình phá hoại của kết cấu bản mặt cầu và đề nghị công thứcđiều chỉnh dự báo khả năng chịu tải phù hợp phục vụ tính toán kết cấu bản mặtcầu bê tông cốt thanh GFRP

- Đề nghị phương pháp thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP và cácphương án sử dụng cốt thanh GFRP trong kết cấu bản mặt cầu tại Việt Nam

- Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt théptrong kết cấu bản mặt cầu thông qua phân tích chi phí vòng đời

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Luận án đề xuất mô hình dự báo khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu bêtông sử dụng loại cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam và các phương án sử dụngcốt GFRP trong bản mặt cầu, làm cơ sở cho việc nghiên cứu, ứng dụng cốt GFRPtrong xây dựng cầu tại Việt Nam

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 4 chương, được tóm tắt như sau:

Chương 1: Tổng quan về vật lıệu cốt thanh polyme sợı thủy tınh và các nghıên cứu ứng dụng trong kết cấu bản mặt cầu

Chương 1 trình bày các nội dung chính sau:

- Khái quát về vật liệu cốt thanh GFRP

- Khái quát về các tiêu chuẩn, chỉ dẫn dùng trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt GFRP

- Các nghiên cứu ứng dụng của cốt thanh GFRP trong công trình giao thông

- Xác định các vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương này gồm các nội dung chính:

- Cơ sở thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP theo AASHTO LRFD

2018, CAN/CSA S6.1S1-10

- Phương pháp tính toán kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP theo kinh

nghiệm

- Đánh giá các công thức lý thuyết hiện có, đề xuất công thức điều chỉnh phù hợp hơn

sử dụng để dự báo khả năng chịu tải của bản mặt cầu

- So sánh khối lượng vật liệu cốt thanh GFRP khi tính toán bản mặt cầu theo phương pháp thiết kế chịu uốn và phương pháp kinh nghiệm

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương này gồm các nội dung chính:

- Lựa chọn mô hình thí nghiệm kết cấu bản mặt cầu chịu tác dụng của hoạt tải bánh xe

- Thí nghiệm kết cấu bản mô phỏng điều kiện làm việc của bản mặt cầu dưới tác dụngcủa tải trọng bánh xe, xác định tải trọng phá hoại mẫu, dạng phá hoại, tải trọng nứt;các quan hệ tải trọng - độ võng; tải trọng - biến dạng nén của bê tông bản ở mặt trên,tải trọng - biến dạng kéo của cốt ở lớp dưới theo phương chính

- Phân tích đánh giá khả năng dự báo khả năng chịu tải theo các công thức lý thuyết, công thức đề nghị, so sánh với kết quả thực nghiệm.

- Phân tích kết cấu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, đánh giá kết quả phântích

Chương 4: Phân tích thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương này gồm các nội dung chính:

- Tính toán, so sánh khối lượng vật liệu cốt GFRP theo các phương pháp thiết kế chịu uốn, thiết kế kinh nghiệm và phương pháp đề nghị

- Phân tích hiệu quả khi sử dụng cốt thanh GFRP trong bản mặt cầu theo các phương pháp thiết kế và phương án bố trí

- Phân tích hiệu quả khi ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép trong bản mặt cầu trên cơ sở so sánh chi phí vòng đời

- Kiến nghị một số nội dung khi tính toán kết cấu bê tông cốt GFRP theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY

TINH VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU BẢN

MẶT CẦU 1.1 Khái quát về vật liệu cốt sợi polyme (FRP)

1.1.1 Giới thiệu

Cốt sợi polyme (FRP) là vật liệu hỗn hợp (composit) được tạo thành từ ít nhấthai thành phần vật liệu khác nhau Tuỳ thuộc vào các vật liệu thành phần mà sảnphẩm FRP sẽ có tính chất khác nhau, đặt biệt vật liệu FRP có những tính chất tốt hơncác vật liệu thành phần để tạo ra nó Cấu tạo của FRP gồm hai thành phần chính:thành phần thứ nhất là các sợi, đây là thành phần chính tạo nên cường độ của vật liệuFRP Thành phần thứ hai là chất kết dính bằng nhựa để liên kết các sợi với nhau, cốđịnh vị trí của các sợi trong cấu trúc của vật liệu FRP (Hình 1.1)

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của vật liệu FRP

Tuỳ thuộc vào phương pháp kết hợp các thành phần vật liệu mà sản phẩm FRP

có thể có dạng tấm, dạng băng, thanh đặc, thanh rỗng,… Với FRP dạng thanh, thànhphần sợi gia cường có nhiều loại, tuy nhiên các loại sợi được sử dụng nhiều nhất là:sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi aramid Chất kết dính có thể là Polyester, Epoxy, VinylEster, hoặc Urethane Phân loại theo cốt sợi vật liệu thanh FRP được chia thành 3 loạilà: cốt sợi thuỷ tinh (GFRP), cốt sợi cacbon (CFRP) và cốt sợi aramid (AFRP)

Vật liệu thanh FRP có nhiều dạng mặt cắt ngang như: vuông, tròn, khối đặchoặc thanh tròn rỗng và bề mặt thanh có thể tạo gờ bằng các sợi, lớp phủ bằng cáthoặc theo hình dạng của khuôn đúc Một số dạng sản phẩm thanh FRP thể hiện ởHình 1.2, 1.3

Hình 1.2 Một số loại sản phẩm thanh FRP

a) Các dạng tiết diện thanh b) Các dạng bề mặt thanh

Hình 1.3 Dạng tiết diện và cấu tạo bề mặt của sản phẩm thanh FRP

Một trong những ưu điểm của phương pháp sử dụng vật liệu FRP là khả năngtuỳ biến trong việc lựa chọn hình thức gia cố để đáp ứng mục tiêu thiết kế cụ thể Vídụ: FRP dạng thanh, tấm, và sợi Trong các loại cốt thanh, dạng bề mặt có thể đượclựa chọn để tăng hoặc giảm khả năng dính bám của cốt với kết cấu bê tông Khônggiống như cốt thép thông thường, cốt thanh FRP không có hình dạng, cấu tạo bề mặt

và định hướng sợi chuẩn Vật liệu thành phần và tỷ lệ cho các sản phẩm FRP cuốicùng có thể thay đổi Vì vậy, không có tiêu chuẩn hóa các phương pháp sản xuất, ví

dụ như, đúc, bện, quấn sợi, hoặc các dạng thanh FRP cho một ứng dụng cụ thể

Hình 1.4 Một số sản phẩm cốt thanh FRP 1.1.2 Ưu, nhược điểm của thanh GFRP

1.1.2.1 Ưu điểm

a Độ bền cao

Vật liệu thanh GFRP xuất hiện trên thị trường vào đầu năm 1990 như một giảipháp cho vấn đề ăn mòn, đăc biệt là các ứng dụng trong các kết cấu trong hoặc gầncác môi trường biển, trong hoặc gần mặt đất, trong các lĩnh vực hóa học và côngnghiệp, ở những nơi bê tông chất lượng tốt không thể đạt được và kết cấu mỏng Hầuhết các ứng dụng ban đầu của cốt thanh GFRP trong bê tông được thực hiện ở NhậtBản, nơi có nhiều dự án đã được phát triển trong đầu những năm 90 Các nghiên cứuphát triển vật liệu thanh FRP hiện đang tích cực triển khai tại nhiều quốc gia, nổi bậtnhất là ở Bắc Mỹ và châu Âu Tại châu Âu, các dự án của EUROCRETE, đã sử dụnghoàn toàn cốt thanh FRP cho một cầu đi bộ vào năm 1996 (Hình 1.5)

b Không có từ tính

Cốt thép có thể cản trở từ trường, do đó nó thường không dùng được trong cácứng dụng mà tính trung lập từ là cần thiết, chẳng hạn như thiết bị quét từ và hệ thốngđường cho tàu chạy trên đệm từ Ở Nhật Bản, nhiều nghiên cứu về việc sử dụng cốtthanh GFRP trong bê tông được thúc đẩy bởi các nghiên cứu về hệ thống đường cho

tàu chạy trên đệm từ (Hình 1.6).

Hình 1.5 Cầu đi bộ đầu tiên ở Châu Âu bằng

kết cấu bê tông cốt thanh GFRP [57]

Hình 1.6 Hệ thống đường đệm từ trường

cho tàu cao tốc ở Nhật Bản [57]

Hiện tượng nhiễu điện là một mối phiền toái đặc biệt là trong lĩnh vực công

nghệ viễn thông và công nghiệp quốc phòng Ứng dụng cốt thanh GFRP trong các

ngành công nghiệp ngày càng tăng, cả trong vùng lân cận của các thiết bị thu phát tín

hiệu

c Cường độ cao và trọng lượng nhẹ

Vật liệu cốt thanh GFRP có cường độ chịu kéo bằng khoảng 2 lần cường độ của

thanh thép có đường kính tương đương Tuy nhiên cốt thanh GFRP có mô đun đàn

hồi thấp hơn cốt thép (Bảng 1.4)

Trọng lượng thanh GFRP chỉ bằng khoảng một phần tư trọng lượng của một

thanh thép kích thước tương đương (Bảng 1.2), do đó góp phần làm giảm tĩnh tải của

kết cấu, giảm chi phí vận chuyển, lắp đặt, rút ngắn thời gian xây dựng Trọng lượng

nhẹ của FRP trở thành một lợi thế thực sự khi mục đích là sửa chữa tăng cường bên

ngoài đối với công trình trong quá trình khai thác

1.1.2.2 Nhược điểm

- Mô đun đàn hồi thấp

- Không có giới hạn chảy

- Phá hoại khi biến dạng nhỏ

- Cường độ chịu cắt thấp

- Cường độ theo hướng ngang sợi thấp

- Giảm độ bền trong môi trường ẩm, a xít, muối, kiềm, tia UV

- Hệ số giãn nở nhiệt theo phương vuông góc với các sợi cao hơn so với bê tông

- Khả năng kháng cháy tương đối thấp (tùy thuộc vào loại nhựa được sử dụng để sản

xuất thanh GFRP)

- Không uốn được tại công trường.

và khoang chứa hàng của kết cấu máy bay Các máy bay phản lực hiện đại ngày nay

sử dụng phần lớn vật liệu tổng hợp vì chúng chịu mỏi tốt hơn các kim loại truyềnthống Các ngành công nghiệp khác như hàng hải, quốc phòng, thể thao đã ứng dụngrộng rãi vật liệu composite tiên tiến cho các sản phẩm như gậy đánh golf, cần câu cá,

…

Theo báo cáo của ASCE vào năm 2005, gần 40% các công trình cầu trên đườngcao tốc ở Mỹ bị xuống cấp không thể tiếp tục sử dụng Nguyên nhân là do trong quátrình bảo trì đã sử dụng muối để làm tan băng trên mặt cầu, điều này làm cho cốt thépbản mặt cầu nhanh chóng bị ăn mòn dẫn đến hư hỏng mặt cầu Để khắc phục tìnhtrạng này một số giải pháp đã được đề xuất như: sử dụng loại cốt thép có lớp phủ mạkẽm, lớp phủ tĩnh điện, bê tông pôlime, sử dụng cốt thanh GFRP Tuy nhiên việc sửdụng cốt thanh GFRP cho kết cấu bê tông vẫn chưa phải là giải pháp khả thi cho đếncuối những năm 1970

Năm 1983, dự án đầu tiên được tài trợ bởi Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ đãtiến hành “Chuyển giao công nghệ Composit trong thiết kế và thi công cầu” [89].Marshall- Vega Inc là công ty đầu tiên phát triển cốt thanh GFRP tại Mỹ Ban đầu cốtthanh GFRP được xem là sự thay thế hữu hiệu cho cốt thép trong kết cấu bê tôngpôlime do hệ số giãn nở nhiệt của bê tông pôlime và cốt thép không phù hợp Vàocuối những năm 1970 Công ty “International Grating Inc” bắt đầu xâm nhập vào thịtrường cốt thanh FRP ở Bắc Mỹ “Marshall-Vega Inc” và “International Grating Inc”

là những công ty dẫn đầu về nghiên cứu phát triển vật liệu cốt thanh GFRP tại Mỹvào những năm 1980

Các nghiên cứu tương tự cũng đã được tiến hành trên vật liệu GFRP ở Châu Âu

và Nhật Bản Tại châu Âu, việc xây dựng các cầu dự ứng lực ở Đức vào năm 1986 là

sự khởi đầu của việc ứng dụng cốt thanh FRP [79] Các dự án châu Âu BRITE/EURAM về "sợi tổng hợp và kỹ thuật gia cường bằng vật liệu phi kim loại" đã tiếnhành thử nghiệm rộng rãi và phân tích các vật liệu thanh FRP từ năm 1991 đến 1996[96] Ở Nhật Bản tính đến giữa những năm 1990 đã có hơn 100 dự án sử dụng cốtthanh FRP được thực hiện [18]

Những năm 1980, thị trường xây dựng thế giới yêu cầu loại cốt phi kim loại chocác công trình đặt biệt như: không dẫn điện, không có từ tính để dùng trong việc xâydựng các cơ sở chụp cộng hưởng từ (MRI) FRP đã trở thành vật liệu tiêu chuẩntrong việc xây dựng các công trình trên Các ứng dụng khác cũng được phát triển từnhững ưu điểm của cốt thanh FRP như các tường chắn ven biển, các trạm biến áp,đường sân bay, phòng thí nghiệm điện tử,… [36].

1.3 Các tính chất cơ lý đặc trưng của vật liệu GFRP

1.3.1 Các tính chất vật lý

1.3.1.1 Trọng lượng

Trọng lượng của các thanh FRP bằng khoảng 1/6 đến 1/4 của thép, do đó giảmchi phí vận chuyển và làm cho thanh FRP dễ lắp đặt hơn thép [18] Trọng lượng củacác thanh FRP so sánh với cốt thép được liệt kê trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2

Bảng 1.1 Trọng lượng điển hình của cốt thanh GFRP (g/cm 3 ) [ 18 ]

Bảng 1.2 So sánh cốt thép và thanh GFRP [112 ]

Thanh GFRP thay thế tương

đương cho cốt thép (so về cường

Tương quan về trọng lượng kg) với

cường độ tương đương

16 mm – 1.58 12 mm – 0.20

1.3.1.2 Hệ số giãn nở nhiệt

Hệ số giãn nở nhiệt dọc và ngang của thanh GFRP phụ thuộc vào loại nhựa, và

tỷ lệ các loại vật liệu thành phần Hệ số giãn nở nhiệt dọc và ngang của cốt thanh

GFRP được liệt kê trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Hệ số giãn nở do nhiệt độ của các loại thanh FRP [42 ]

Loại thanh Theo chiều dọc αl

Tính chất cơ học của FRP thông thường khác với các loại cốt thép và phụ thuộc

chủ yếu vào cả hai thành phần tạo nên chúng là chất keo liên kết và loại sợi gia

cường Thông thường thanh FRP có trọng lượng nhẹ hơn, mô đun đàn hồi thấp hơn

và cường độ cao hơn cốt thép Các loại sợi được sử dụng phổ biến trong cốt thanh

FRP là: sợi thuỷ tinh (GFRP), sợi Aramid (AFRP) và sợi Cacbon (CFRP) Một số

tính chất của cốt thanh FRP dùng cho kết cấu bê tông so sánh với cốt thép được thể

hiện ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Một số thông số của vật liệu thanh FRP so sánh với cốt thép [18 ]

Vật liệuĐặc tính

Thép

-Cường độ chịu kéo (MPa) 483 - 690 483 - 1600 600 - 3690 1720 - 2540

biến dạng có dạng đàn hồi tuyến tính đến khi phá hoại (Hình 1.7) So với cốt thép,

cốt thanh FRP có độ bền kéo cao hơn nhưng biến dạng cực hạn nhỏ hơn (không có

giới hạn chảy) và mô đun đàn hồi kéo thấp hơn Độ bền kéo của các thanh FRP thay

đổi theo đường kính thanh, trong khi mô đun theo hướng dọc thanh thay đổi không

đáng kể Cường độ chịu kéo của thanh FRP được liệt kê trong Bảng 1.4 (ACI

440.1R-15)

Hình 1.7 Quan hệ ứng suất biến dạng của các loại thanh FRP và cốt thép [18]

1.3.2.2 Ứng xử nén

Kiểm tra ứng xử nén của các thanh FRP khá phức tạp bởi sự xuất hiện của phá

hoại cục bộ các vi sợi do tính dị hướng và tính không đồng nhất của vật liệu thanh

FRP có thể dẫn đến đết quả đo đạc không chính xác [102]

Bảng 1.5 So sánh về độ dính bám và một số đặc tính của thanh GFRP với cốt

thép [ 18 ]

kẽm

thanh GFRP AFRP, và CFRP từ giá trị cường độ chịu kéo [76, 104] Mô đun đàn hồinén lấy bằng 80% cho GFRP, 85% cho CFRP, và 100% cho AFRP từ giá trị mô đunđàn hồi chịu kéo [47, 76] Các trường hợp phá hoại khác nhau do kéo ngang, đứt sợi,hay phá hoại do cắt) có thể đặc trưng cho ứng xử của thanh FRP chịu nén, tùy thuộcvào loại chất xơ, tỷ lệ các thành phần và loại nhựa [40, 76, 104].

1.3.2.3 Ứng xử cắt

Ứng xử của thanh FRP dưới tác động của lực cắt chịu ảnh hưởng chủ yếu bởicác tính chất của thành phần nhựa Thanh FRP nói chung có khả năng chịu cắt ngangyếu Cường độ chịu cắt có thể được cải thiện bằng cách bện hoặc quấn sợi bổ sungtheo hướng ngang Cường độ chịu cắt ngang của thanh FRP dao động trong khoảng

từ 30 - 50 MPa [58]

1.3.2.4 Dính bám với bê tông

Liên kết giữa thanh FRP và bê tông phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt, tính chất cơhọc của thanh FRP, và các điều kiện môi trường [24] Ứng suất dính bám tại bề mặttiếp xúc giữa thanh FRP và bê tông được chuyển tải bởi liên kết hóa học, ma sát, và

sự chèn giữ cơ học do sự gồ ghề của bề mặt thanh FRP Trong thanh FRP, ứng suấtdính bám được truyền thông qua phần keo liên kết đến các sợi Do đó ứng suất dínhbám của thanh FRP bị giới hạn bởi độ bền chống cắt của nhựa [87, 99]

1.3.3 Ứng xử phụ thuộc thời gian

1.3.3.1 Từ biến

Khi chịu tác động của tải trọng kéo dài hạn, biến dạng của thanh GFRP tăng dần

và cuối cùng có thể dẫn đến phá hoại phá hoại do từ biến (hay mỏi tĩnh) Sự phá hủy

do từ biến không phải là vấn đề đối với cốt thép trừ khi ở nhiệt độ cao (hỏa hoạn).Đối với thanh FRP khi tỷ số giữa ứng suất kéo dài hạn so với cường độ ngắn hạn tănglên thì thời gian giới hạn chịu đựng bị giảm đi Một nghiên cứu thực nghiệm đượctiến hành trên các loại thanh FRP cho thấy tỷ số giữa mức ứng suất phá hủy do từbiến so với cường độ ban đầu được ngoại suy tuyến tính sau 50 năm, là khoảng 30%[99]

1.3.3.2 Mỏi

Đã có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm về hiện tượng mỏi của vật liệu GFRPđược thực hiện trong hơn 30 năm qua, với các loại mẫu khác nhau, điều kiện gia tải

và môi trường khác nhau

Các sợi thủy tinh riêng lẻ như thủy tinh E, thủy tinh S nói chung ít bị phá hủymỏi, tuy nhiên sợi thủy tinh riêng lẻ có thể bị phá hủy từ từ do ăn mòn diễn ra cùnglúc

chịu ứng suất, ảnh hưởng của hiện tượng mỏi khi chịu kéo với tải trọng lặp sẽ làmgiảm 10% khả năng chịu lực tĩnh ban đầu sau mỗi thập niên của lôga tuối thọ [77].Các yếu tố môi trường có vai trò quan trọng đối với ứng xử mỏi của thanh GFRP vìchúng khá nhạy cảm với độ ẩm, môi trường kiểm và a xít.

Một nghiên cứu gần đây cho thấy sử dụng cốt GFRP cho bê tông mặt cầu có độbền mỏi tốt hơn và tuổi thọ mỏi dài hơn so với cốt thép [53]

Mặt dù cốt thanh GFRP yếu hơn thép về mặt chịu cắt, nhưng thí nghiệm chothấy thanh GFRP có gờ có ứng xử mỏi tương tự thanh cốt thép có gờ khi chịu cắtngang với tải trọng lặp lên đến 10 tiệu chu kì Các kết quả thí nghiệm và tính toán độcứng cho thấy có thể chuyển đổi tương đương giữa cốt thép và cốt thanh GFRP chịucắt bằng cách thay đổi một vài thông số như đường kính, khoảng cách hoặc cả hai[65]

Việc tạo thêm gờ, vỏ bọc và các loại gân trên bề mặt thanh sẽ làm tăng sự dínhkết của các thanh nhưng sẽ tạo ra ứng suất tập trung cục bộ làm ảnh hưởng đến khảnăng chịu mỏi của thanh do tạo ra trạng thái ứng suất phức tạp làm tăng cơ chế pháhoại nền nhựa [70]

Ảnh hưởng của hiện tượng mỏi đến sự dính kết của thanh GFRP trong bê tôngcũng đã được nghiên cứu khá chi tiết [26, 71, 95] Kết quả cho thấy cường độ dínhbám có thể biến động hoặc giữ nguyên khi chịu tải trọng lặp tùy thuộc vào loại vậtliệu chế tạo thanh GFRP, điều kiện môi trường và phương pháp thử Tuy nhiên dochưa có nghiên cứu đầy đủ về ứng xử dính - mỏi nên việc áp dụng các tiêu chí thiết

kế nên thiên về an toàn (Bảng 1.6)

Bảng 1.6 Giới hạn ứng suất đứt do từ biến của cốt thanh GFRP

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao và lửa

Việc sử dụng cốt thanh GFRP không được khuyến cáo cho kết cấu chịu lửa dothành phần nhựa trong thanh FRP sẽ bị mềm khi nhiệt độ tăng đạt đến Tg Ngoài ra

mô đun đàn hồi của thanh GFRP sẽ suy giảm đáng kể do những thay đổi trong cấutrúc phân tử của nhựa Giá trị Tg phụ thuộc vào loại nhựa, thông thường từ 65 đến120°C [33] Kết quả thử nghiệm đã chỉ ra rằng ở nhiệt độ 250°C, độ bền kéo củathanh GFRP sẽ bị suy giảm vượt quá 20% [75] Các tính chất khác như cường độchịu cắt và uốn sẽ bị suy giảm đáng kể ở nhiệt độ lớn hơn Tg do sự biến dạng củanhựa [103] Đối với mục đích của thiết kế, một số các nhà nghiên cứu khuyến cáo

rằng vật liệu thanh GFRP cần có Tg lớn hơn nhiệt độ dự kiến tối đa ít nhất là 30°C[73].

Đối với kết cấu bê tông cốt thanh GFRP, các tính chất của nhựa ở bề mặt củathanh là rất cần thiết trong việc duy trì liên kết giữa cốt GFRP và bê tông Ở nhiệt độgần với Tg của nó, tuy nhiên, các tính chất cơ học của nhựa giảm đáng kể, không thểtruyền tải ứng suất từ bê tông đến các sợi.

1.4 Các vật liệu thành phần của thanh GFRP và phương pháp chế tạo

1.4.1 Thành phần vật liệu thanh GFRP

1.4.1.1 Sợi

Sợi thủy tinh chủ yếu được làm từ cát silic được sản xuất với nhiều cấp độ bềnkhác nhau Các loại phổ biến nhất là loại E (E-glass), loại S (S-glass), loại AR (AR-glass) Loại E có đặc tính cách điện cao, ít nhạy cảm với độ ẩm, và các đặc tính cơhọc cao Loại S có độ bền chịu kéo và mô đun đàn hồi cao hơn, nhưng chi phí caohơn loại E do đó ít được sử dụng hơn Loại AR-glass có khả năng chống tấn côngkiềm có trong bê tông xi măng, nhưng hiện nay loại nhựa này ít phổ biến

Nhược điểm chính của nhựa epoxy là chi phí tương đối cao và cần thời gian bảodưỡng dài Chi phí của epoxy là tỷ lệ thuận với hiệu suất của nó, và dao động trongphạm vi rộng, nhưng epoxy thường đắt hơn polyeste và vinyleste Độ dẻo dai củanhựa và hỗn hợp có thể được kiểm soát bằng cách thêm các chất phụ gia, bao gồm cảnhựa nhiệt dẻo

Mô đun trung bình

Mô đun thấp

Biến dạng (%)

Mô đun cao

hóa học để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng riêng biệt như tính mềm dẻo, cách điện,chống ăn mòn, chịu nhiệt, chống tia UV, chịu lửa,…

Hình 1.8 Quan hệ ứng suất - biến dạng của nhựa Epoxy với mô đun khác nhau [57]

c Vinyl esters

Vinyleste biểu hiện một số đặc tính có lợi của epoxy như kháng hóa chất và có

độ bền cao cũng như một số thuộc tính của polyester như độ dai và thời gian bảodưỡng nhanh Vinyleste có tính kháng kiềm tốt và bám dính tốt với sợi thủy tinh, do

đó nó là một lựa chọn thích hợp để sản xuất vật liệu thanh GFRP

1.4.2 Phương pháp chế tạo vật liệu thanh GFRP

Thanh GFRP thường được sản xuất bởi phương pháp đúc kéo hoặc các biến thểcủa quá trình này Pultrusion là một quá trình đúc liên tục kết hợp giữa cốt sợi vànhựa nhiệt rắn Phương pháp này phù hợp cho việc chế tạo các sản phẩm composit cómặt cắt ngang không thay đổi giống như các thanh FRP

Quá trình đúc kéo (pultrusion) để sản xuất một loại thanh GFRP được minh họatrong Hình 1.9 và Hình 1.10 Sợi thủy tinh, ban đầu đóng gói trong các cuộn sợi,được kéo thông qua một bể chứa nơi vật liệu được ngâm tẩm với một loại nhựa nhiệtrắn lỏng Trước khi đưa vào bể chứa nhựa, các sợi được trải ra để cho phép làm ướthoàn toàn Các sợi sau khi ngâm nhựa được kéo qua một khuôn kim loại để định hìnhthanh và cuối cùng đưa vào lò bảo dưỡng để hóa rắn Trước khi đưa vào lò bảodưỡng, quá trình phủ cát hoặc quấn sợi trên bề mặt thanh được tiến hành Sau quátrình bảo dưỡng các thanh GFRP được kéo ra và cắt theo chiều dài mong muốn Thờigian của quá trình chế tạo thay đổi theo kích thước của thanh, thông thường tốc độsản xuất là 0,91 m mỗi phút

Ứngsu

ất (M

Hình 1.9 Sơ lược quá trình sản xuất thanh GFRP bằng phương pháp đúc kéo

Hình 1.10 Các giai đoạn của quá trình sản xuất các thanh GFRP

a) Sợi thủy tinh thô trong các cuộn sợi; b) Sợi thủy tinh được kéo thông qua một bểnhựa lỏng và một khuôn kim loại để định hình thanh; c) Thanh GFRP rắn được kéo ra

từ lò bảo dưỡng; d) Các thanh GFRP sẵn sàng để được cắt theo chiều dài mongmuốn

Tại Việt Nam, các sản phẩm cốt sợi thủy tinh của Công ty FRPVIETNAM cũngđược chế tạo theo phương pháp đúc kéo Một số hình ảnh quá trình sản xuất và sảnphẩm cốt thanh GFRP như trình bày trên Hình 1.11.

a) Dây chuyền sản xuất thanh GFRP

b) Các sản phẩm thanh GFRP

Hình 1.11 Dây chuyền sản xuất và các sản phẩm thanh GFRP của Công ty Cổ phần

Cốt sợi Polyme Việt Nam [14]

1.5 Độ bền của thanh GFRP

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của thanh GFRP

1.5.1.1 Các yếu tố từ môi trường

Các tính chất cơ học của thanh GFRP ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường Sựhiện hữu của nước, kiềm, a xít, muối, tác động của tia UV và nhiệt độ có thể ảnhhưởng đến cường độ chịu kéo và dính bám của thanh GFRP

Các dữ liệu thử nghiệm trên thanh GFRP để trần không chịu tải tiếp xúc vớimôi trường kiềm đã được thu thập Mặc dù việc ngoại suy từ các dữ liệu thử nghiệm

để đánh giá độ bền của các thanh GFRP là rất khó khăn [36, 58, 67] Môi trường có

độ pH cao gây suy thoái cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của thanh GFRP [82].Mức độ suy thoái sẽ tăng tốc bởi nhiệt độ cao và thời gian tiếp xúc dài

Mức độ suy giảm độ bền kéo và mô đun trong các thanh GFRP có và không

chịu ứng suất) dao động tương ứng từ 0% đến 75% và từ 0% đến 20% [21, 39] Các

thanh có sự kết hợp tốt của sợi và nhựa đặt trong bê tông ở nhiệt độ khác nhau chỉ

hiển thị mức độ suy thoái rất hạn chế, tuy nhiên, mức độ suy thoái tăng theo nhiệt độ

và mức ứng suất [21, 39, 75] Sự tiếp xúc trực tiếp của các thanh FRP với tia UV và

độ ẩm có ảnh hưởng bất lợi đến độ bền kéo Cường độ chịu kéo giảm từ 0% đến 40%

giá trị ban đầu [84, 90] Mặc dù thanh GFRP đặt trong bê tông không tiếp xúc với tia

UV trong quá trình khai thác nhưng tia cực tím có thể gây ra suy thoái trong quá trình

bảo quản

Các nghiên cứu về độ bền của thanh GFRP trong môi trường tự nhiên đã được

thực hiện dưới sự chủ trì của ISIS [16, 77] Các mẫu bê tông có chứa thanh GFRP

được khoan từ 5 kết cấu đã qua thời gian khai thác gồm một mẫu từ bến cảng (5 năm)

và bốn mẫu từ công trình cầu (6 - 8 năm) Các thanh GFRP được phân tích về các

thành phần hóa học và vật lý bằng các vi thí nghiệm Các kết quả thực nghiệm được

so sánh với các mẫu khác được kiểm soát trong phòng thí nghiệm [83] Kết quả cho

thấy không có sự suy giảm chất lượng của thanh GFRP trong kết cấu, ngoài ra nghiên

cứu cũng chỉ ra rằng: Không có sự xâm nhập kiềm được quan sát thấy trong các

thanh GFRP từ các khe nứt của bê tông, thành phần nhựa của tất cả các thanh GFRP

không thay đổi so với trạng thái ban đầu Quá trình thủy phân cũng không đáng kể

dưới ảnh hưởng kết hợp của môi trường kiềm trong bê tông và môi trường tự nhiên

bên ngoài sau 5-8 năm

Bảng 1.7 Hệ số triết giảm do điều kiện môi trường (CE ) đối với cốt thanh

GFRP [ 18 ]

Môi trường bên ngoài cầu, gara (không được che chắn,…) 0,65Môi trường xâm thực (nhà máy hoá chất, nhà máy xử lý nước thải) 0,50

1.5.1.2 Quá trình chế tạo

Các kỹ thuật sản xuất cốt GFRP đóng một vai trò quan trọng đối với độ bền, ví

dụ, sự thay đổi trong tốc độ kéo có thể tạo ra độ rỗng trong thanh GFRP, gây ảnh

hưởng đến cường độ, độ cứng và độ bền của vật liệu thanh GFRP Sự hiện diện của

độ rỗng còn làm tăng mức độ hấp thụ độ ẩm và tốc độ khuếch tán, cuối cùng dẫn đến

sự suy giảm về cường độ và độ cứng Do đó, độ rỗng trong thanh GFRP nên được giữ

ở mức tối thiểu trong quá trình sản xuất (ít hơn 0,5% nếu có thể và không quá 1%).Ngoài ra