Luận án nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm cfrp tt

Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu công trình bị ăn mòn cốt thép do tác nhân xâm thực ion clorua và đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cườn

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

Hà Nội – Năm 2022

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Hoàng Giang Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Trung Thành

Phản biện 1: PGS.TS Trần Chủng

Phản biện 2: TS Nguyễn Đại Minh

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội

vào hồi giờ ngày tháng năm 2022

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam là quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm gió mùa Nước ta có đường bờ biển dài 3260 km với nhiều đảo, quần đảo chạy dọc từ Bắc vào Nam, với 29/63 tỉnh, thành phố tiếp giáp biển trong đó

có nhiều đô thị lớn và quan trọng Những điều kiện khí hậu môi trường của nước ta có thể làm cho quá trình ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình BTCT diễn ra nhanh hơn so với dự đoán Hiện nay, bên cạnh các công trình có tuổi thọ trên 30 - 40 năm có nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 - 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu

bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10 - 15 năm sử dụng Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu công trình

bị ăn mòn cốt thép do tác nhân xâm thực ion clorua và đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cường khả năng chịu lực của kết cấu Vì vậy,

đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn

bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP” đã được đề xuất thực hiện trong luận án này

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến ứng

xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường ion clorua;

- Nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP đối với kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn

- Mô hình hóa ứng xử của kết cấu dầm ăn mòn và dầm ăn mòn gia cường bằng tấm sợi CFRP

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các mẫu thử

có các kích thước 150x150x150 mm và trên các mẫu dầm thí nghiệm

có các kích thước 150x200x2200 mm

Luận án tập trung phân tích ảnh hưởng của cốt thép dọc bị ăn mòn trong khoảng 5 - 15% Các mẫu dầm ăn mòn gia cường chịu uốn bằng phương pháp dán tấm sợi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp mô phỏng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đóng góp vào sự hiểu biết về ứng xử uốn của dầm BTCT bị

ăn mòn trong môi trường clorua ở Việt Nam

Những kết quả của luận án góp phần vào việc dự báo khả năng chịu lực còn lại của các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn và đề xuất phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu tấm sợi CFRP

7 Những đóng góp mới của luận án

- Luận án đã cung cấp một bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên tổng cộng 27 mẫu thử và 14 mẫu dầm BTCT, với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau, bằng cách áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong điều kiện môi trường thực tế ở Việt Nam

- Kết quả nghiên cứu xác định được hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP đối với dầm BTCT bị ăn mòn Từ đó, luận án chứng minh rằng giải pháp gia cường dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP

là hiệu quả

- Luận án xây dựng được các mô hình PTHH phi tuyến cho phép

mô tả chính xác ứng xử uốn của dầm đối chứng, dầm ăn mòn và dầm gia cường, đặc biệt là cơ chế phá hoại do bong tách tấm CFRP Từ đó,

mô hình PTHH đã được phát triển để khảo sát ảnh hưởng của các thông

số thiết kế đến ứng xử của dầm ăn mòn gia cường, như cường độ chịu nén của bê tông, hàm lượng cốt thép dọc, sự suy giảm bám dính giữa

bê tông và cốt thép, sơ đồ dán gia cường tấm sợi CFRP

8 Nội dung và cấu trúc của luận án

Phần mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về kết cấu dầm bê tông cốt thép

bị ăn mòn trong môi trường biển

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm

bê tông cốt thép bị ăn mòn

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn bằng tấm CFRP

Chương 4: Mô hình phi tuyến phân tích ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn gia cường bằng tấm CFRP

Phần kết luận: những kết luận chung được rút ra từ các kết quả nghiên cứu của luận án

CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI

TRƯỜNG BIỂN 1.1 Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình 1.1.1 Cơ chế của ăn mòn cốt thép

Quá trình ăn mòn cốt thép được thể hiện thông qua sự phá hủy kim loại do các phản ứng điện hóa, làm trao đổi ion và electron ở bề mặt của kim loại và dung dịch hòa tan

Sự hình thành một pin điện hóa cục bộ trên thanh thép giữa cực cathode và cực anode với sự có mặt của nước và oxy, tạo ra phản ứng hòa tan vật liệu kim loại trên bề mặt, cũng như sự kết tủa các oxit sắt 1.1.2 Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép

Trong giai đoạn mồi, tính ổn định của hệ kết cấu cốt thép được bảo vệ bởi bê tông giảm dần, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép

Trong giai đoạn phát tán, hình thành các sản phẩm của quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra dưới dạng các phản ứng điện hóa

1.1.3 Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép

khí vào trong môi trường vật liệu bê tông

(b) Sự xâm nhập của ion clorua đối với các công trình trong môi trường biển, hoặc những kết cấu tiếp xúc trực tiếp với các muối vô cơ 1.2 Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 1.2.1 Trên thế giới

Khi cốt thép bị ăn mòn, nó có ảnh hưởng kép đến ứng xử cơ học của kết cấu: (i) làm giảm khả năng chịu lực do diện tích cốt thép bị giảm

so với thiết kế ban đầu; (ii) làm giảm độ cứng của cấu kiện do giảm diện tích cốt thép và giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép; (iii) kết cấu bị phá hoại khi lực tác dụng và độ võng còn nhỏ Như một hệ quả,

sự an toàn và công năng sử dụng của kết cấu công trình bị ảnh hưởng Phân tích ứng xử của kết cấu bị ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào nhiều tham số, do đó sử dụng phương pháp phân tích truyền thống như khi cốt thép không bị ăn mòn gặp nhiều hạn chế Ảnh hưởng của các tham

số đó vẫn chưa được đánh giá đầy đủ và cần nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa Do đó, mô phỏng số là một công cụ rất hữu ích để đánh giá, dự báo sự làm việc của các kết cấu thực tế bị ăn mòn 1.2.2 Ở Việt Nam

Về vị trí địa lý, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm gió mùa Những điều kiện khí hậu môi trường có thể làm cho quá trình

ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình thực tế diễn ra nhanh hơn so

với dự đoán Nước ta đã xây dựng một số tiêu chuẩn liên quan cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bị ăn mòn, như TCVN 3994:1985, TCVN 9139:2012, TCVN 9343:2012, TCVN 9346:2012 và TCVN 9348:2012

Cho đến nay, các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử cơ học của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua còn rất hạn chế Các nghiên cứu chỉ được thực hiện trên các mẫu dầm có kích thước tương đối nhỏ và cốt thép chỉ bị ăn mòn thấp Hơn nữa, các nghiên cứu thực nghiệm về sửa chữa và gia cường các kết cấu BTCT

bị ăn mòn gần như chưa được thực hiện

1.3 Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 1.3.1 Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn

mòn

(a) Các phương pháp sửa chữa kết cấu

- Sửa chữa lớp bảo vệ

(b) Các phương pháp gia cường kết cấu

- Phương pháp bọc ngoài bằng bê tông/BTCT

- Phương pháp bọc ngoài bằng bản thép

- Phương pháp dán tấm sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer)

- Phương pháp ứng lực trước căng ngoài

1.3.2 Cấu tạo của vật liệu FRP

Các loại sợi được sử dụng phổ biến là sợi các bon, sợi thủy tinh và sợi aramid Vật liệu FRP được liên kết với nhau nhờ vật liệu nền gốc polymer như keo epoxy, nhựa vinylester hoặc polyester

(a) Trọng lượng riêng

Các loại sợi FRP có trọng lượng riêng dao động trong khoảng 1,7 –

riêng 7,85 g/cm3

(b) Tính chất cơ học (cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi)

Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu FRP có dạng tuyến tính từ khi bắt đầu chịu kéo cho đến khi phá hoại Sự phá hoại diễn ra đột ngột

và giòn Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo cao, trong khoảng 2400 – 4800 MPa, trong khi biến dạng dài khá nhỏ khoảng 1,5%

(c) Khả năng chịu tác động của điều kiện môi trường

Các nghiên cứu đã được thực hiện cho thấy các tính chất cơ lý của vật liệu FRP không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện môi trường (d) Khả năng chống cháy

FRP là vật liệu tổng hợp nên dễ cháy, tạo ra các sản phẩm cháy độc hại đối với con người và môi trường Do đó, cần có biện pháp chống cháy như sơn phủ bề mặt bằng sơn chống cháy nhằm đảm bảo an toàn khi sử dụng

1.3.4 Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi

1.3.4.2 Quy trình tính toán gia cường kết cấu chịu uốn

Thông thường, quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm FRP gồm 11 bước

1.3.4.3 Dạng phá hoại của dầm BTCT gia cường bằng tấm sợi FRP

Hình 1.19 Các dạng phá hoại điển hình của dầm BTCT gia cường chịu uốn

bằng tấm sợi FRP

1.3.4.4 Mô hình dự báo cường độ bong tách tấm gia cường

- Các mô hình ứng suất tiếp

- Các mô hình răng bê tông

- Các mô hình sử dụng khả năng chịu cắt

1.3.4.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

Một thực tế là Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, cũng như các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu công tác gia cường kết cấu công trình bằng vật liệu FRP Các nghiên cứu trong nước mới chỉ thực hiện trên

các mẫu thí nghiệm không bị ăn mòn cốt thép Cho đến nay, các nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua còn rất hạn chế

1.4 Kết luận Chương 1

Chương 1 của luận án tập trung trình bày ba nội dung chính bao gồm: (i) Nghiên cứu tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình; (ii) Nghiên cứu tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn; (iii) Nghiên cứu tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn Ở Việt Nam, những nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sự làm việc của kết cấu công trình BTCT còn rất hạn chế, cũng như thiếu cơ sở khoa học

để tính toán gia cường nhằm khôi phục khả năng chịu lực kết cấu Từ thực tế đó, “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP” là một

đề tài có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cấp thiết đối với các nhà khoa học và các cơ quan quản lý công trình ở trong nước

CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN 2.1 Thiết lập mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 2.1.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm ăn mòn cốt thép bằng phương pháp điện hóa được thực hiện trên các kết cấu thử nhằm mục đích tạo ra trạng thái ăn mòn mong muốn trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với thực tế, tính bằng đơn vị giờ/ngày

2.1.2 Nguyên lý thí nghiệm

Ăn mòn điện hóa là sự ăn mòn của kim loại do tác dụng của dung dịch chất điện ly và tạo nên dòng điện

(a) Dung dịch chất điện ly

Dung dịch chất điện ly sử dụng trong thí nghiệm ăn mòn điện hóa phải

mô tả được đặc điểm về độ mặn của nước biển Do đó, dung dịch này được tạo ra bằng cách pha loãng với tỷ lệ 35 g NaCl vào 1 lít nước (b) Yêu cầu về dòng điện tác dụng

Hiệu điện thế và cường độ dòng điện tác dụng càng nhỏ thì trạng thái

ăn mòn cốt thép tạo ra càng sát với thực tế, tuy nhiên thời gian thí nghiệm sẽ bị kéo dài

2.1.3 Mô hình thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm như minh họa trên Hình 2.2 có thể được áp dụng cho hai trường hợp: (i) Cấu kiện dầm thí nghiệm được ngâm gần như ngập hoàn toàn trong nước muối; (ii) Cấu kiện dầm chỉ được ngâm ngập

một phần trong nước muối Trong khuôn khổ của luận án này, các mẫu thử và các mẫu dầm BTCT đều được ngâm ngập trong dung dịch chất điện ly để tất cả mẫu thử đều có cùng trạng thái bão hòa

Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu dầm

2.1.4 Quy trình thí nghiệm

Thời gian thí nghiệm được dự báo dựa trên khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn theo định luật Faraday trong công thức (2.1), với I (A)

là cường độ dòng điện trong kim loại, t (giây) là thời gian điện phân,

M = 56 là nguyên tử khối của sắt, n = 2 là số lượng electron trao đổi,

F = 96500 là hằng số Faraday

I t Mm

sau khi ăn mòn

(2.2) 2.2 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu thử 2.2.1 Vật liệu sử dụng

(a) Bê tông

Trong phòng thí nghiệm, các mẫu thử đã được chế tạo bằng các loại

bê tông có cấp độ bền nén khác nhau, lần lượt là B30, B40 và B50 Bảng 2.1 Thành phần cấp phối vật liệu của các loại bê tông sử dụng

Bê

tông măng Xi

(kg)

Cát vàng (kg)

Đá dăm (kg)

Nước (lít) Tro bay

(kg)

Siêu dẻo (lít)

2.2.2 Mẫu thử

Các mẫu thử có kích thước 150x150x150 mm được chế tạo bằng các loại vật liệu trong mục 2.2.1 Chiều dài bám dính giữa cốt thép và bê tông là 60 mm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 69 mm

2.2.3 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép

Đối với các mẫu thử của bê tông B30, tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn là 312 giờ Đối các mẫu thử của bê tông B40, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt là 195, 290 và 366 giờ Đối với các mẫu thử của bê tông B50, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt

là 239, 334 và 413 giờ

2.2.4 Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử

Hình 2.8 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử: (a) bê tông B30; (b)

Bê tông B40; (c) Bê tông B50

2.2.5 Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử

BTCT

Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh K và cường độ chịu nén của bê tông được biểu diễn bằng một hàm tuyến tính như trên Hình 2.11

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh và cường độ chịu nén bê tông

2.3 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT

2.3.1 Vật liệu sử dụng

(a) Bê tông

Các mẫu dầm thí nghiệm được chế tạo bằng bê tông có cấp độ bền nén B30, với thành phần cấp phối như trong Bảng 2.1 Kết quả thí nghiệm nén bê tông được trình bày trong Bảng 2.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Bảng 2.7 Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi

Mẫu thử P (kN) R n (MPa) m (MPa) s (MPa) cv (%)

Hình 2.12 Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu dầm thí nghiệm

2.3.3 Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép

 Tổ mẫu I: hai mẫu dầm đối chứng D1-NC và D2-NC;

 Tổ mẫu II: hai mẫu dầm ăn mòn D3-C và D4-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 5 – 6%;

 Tổ mẫu III: hai mẫu dầm ăn mòn D5-C và D6-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 9 – 10%;

 Tổ mẫu IV: hai mẫu ăn mòn D7-C và D8-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 13 – 15%

2.4 Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 2.4.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm uốn bốn điểm đã được thực hiện trên từng mẫu dầm thí nghiệm nhằm xác định các đặc trưng của ứng xử uốn như biểu đồ tải trọng – độ võng, tải trọng gây nứt, tải trọng phá hoại (lớn nhất), độ võng khi nứt, độ võng khi phá hoại, sơ đồ vết nứt do tải trọng và dạng phá hoại của dầm

2200

1 2Ø12

1 2Ø12

2 Ø6a150

2 Ø6a150

1 2Ø12

2.4.2 Sơ đồ thí nghiệm

Hình 2.15 Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm

2.4.3 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng

(a) Đối với tổ mẫu I (dầm đối chứng)

Hình 2.17 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm đối chứng D1-NC và

D2-NC

Hình 2.18 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D3-C và D4-C

Độ võng giữa nhịp f(mm)

0 10 20 30 40

Dầm D1-NC Dầm D2-NC

Độ võng giữa nhịp f(mm)

0 10 20 30 40

Dầm D3-C Dầm D4-C

Hình 2.19 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D5-C và D6-C

Hình 2.20 Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D7-C và D8-C

3.2.4 Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn