Sử dụng vật liệu tấm polyme cốt sợi cacbon (cfrp) trong sửa chữa và tăng cường cầ bê tông cốt thép ở khu quản lý đường bộ vii,luận văn thạc sỹ xây dựng cầu hầm

Từ những định hướng của các Thầy trong bộ môn Cầu – Hầm cũng như những yêu cầu của thực tiễn công việc, và lòng nhiệt huyết với nghề nghiệp, tôi đã lựa chọn đề tài “ Sử Dụng Vật Lıệu Tấm

CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT Ở KHU VỰC PHÍA NAM VÀ PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA

Các dạng cầu BTCT ở khu vực phía Nam

Trong khu vực phía Nam Việt Nam, cầu BTCT chiếm hơn 70% tổng số công trình cầu trong mạng lưới giao thông đường bộ Hệ thống cầu này đã trải qua hai cuộc chiến tranh và nhiều giai đoạn lịch sử khác nhau, chịu ảnh hưởng của sự chia cắt đất nước và ách đô hộ của thực dân Pháp và đế quốc Mỹ Cầu BTCT có nhiều loại hình đa dạng như cầu bản, dầm hẫng, dầm sườn và dàn, được xây dựng và đưa vào khai thác ở các thời điểm khác nhau, đặc biệt là trước năm 1954 và trong giai đoạn 1954 –

1975, 1975 đến nay, mỗi giai đoạn áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau :

Pháp, Mỹ, Liên Xô, Trung Quốc , Châu Âu, Việt Nam với các dạng khổ cầu, tải

Các cầu được xây dựng từ sau năm 1975 theo tiêu chuẩn TCVN 18 – 79 vẫn đang hoạt động tốt với tải trọng thiết kế lớn, phù hợp với lưu lượng giao thông hiện tại Ngược lại, phần lớn cầu xây dựng trước năm 1954 đã xuống cấp nghiêm trọng do tuổi thọ cao, chịu tải vượt mức và tác động từ các cuộc chiến tranh, dẫn đến nhiều hư hỏng làm giảm khả năng chịu tải Do đó, những công trình này cần được đặc biệt quan tâm, theo dõi thường xuyên và sửa chữa nâng cấp để đảm bảo an toàn cho giao thông.

1.1.1.Cầu BTCT được xây dựng trong thời gian trước 1954:

Trong thời kỳ xâm lược, các cầu BTCT chủ yếu được xây dựng bởi Pháp, và hiện nay phần lớn các cầu này vẫn tồn tại ở các tỉnh phía Nam Các cầu này bao gồm nhiều dạng khác nhau.

- Cầu dầm hẫng và dầm hẫng nhịp đeo :

Các cầu loại này, được xây dựng trong thời kỳ Pháp thuộc trước năm 1945, tuân theo các tiêu chuẩn cũ của Pháp, chủ yếu tập trung ở các tỉnh phía Nam như quốc lộ 1, quốc lộ 91 và quốc lộ 80 Chúng có đặc điểm nhịp ngắn, khổ hẹp và tải trọng thấp.

Cầu dầm hẫng có nhịp ngắn dưới 50m, thường bao gồm từ 2 đến 4 dầm chủ với chiều cao thay đổi theo phương dọc cầu Mặt cắt ngang của cầu thường có 2 dầm chủ với khổ cầu 3.5m, điển hình như cầu Cái Dầu và Cái Bường trên quốc lộ 80, tỉnh Đồng Tháp.

HỌC VIÊN : TRỊNH ĐÔNG PHƯƠNG CBHD : PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG

Cầu Cái Dung trên quốc lộ 91, tỉnh An Giang, có 3 dầm chủ với khổ cầu từ 4,5 đến 5,5m Trong khi đó, cầu Cái Sơn và cầu Tầm Bót, cùng với cầu số 2, số 3, có mặt cắt ngang 4 dầm chủ với khổ cầu từ 5,5 đến 6,5m.

Cầu Rạch Gòi Lớn, nằm trên quốc lộ 91 tại tỉnh An Giang, có nhịp biên dạng hẫng dài khoảng 0,3 lần chiều dài nhịp chính Trụ cầu được đặt sát bờ, giúp giảm thiểu ảnh hưởng đến giao thông đường thủy và thuận lợi cho quá trình thi công Loại cầu này thường được xây dựng trên các dòng sông có bề rộng nhỏ.

Cầu dầm hẫng nhịp đeo là loại cầu được thiết kế để xây dựng trên các sông lớn, với nhịp thông thuyền vượt quá 30m Một số ví dụ tiêu biểu cho loại cầu này bao gồm cầu Vịnh Tre và cầu Trà Ôn cũ, nằm trên quốc lộ 91, tỉnh An Giang.

Cầu Vịnh Tre có chiều dài 71m với mặt cắt ngang gồm 3 dầm chủ cách nhau 2,7m, trong khi cầu Trà Ôn dài 41m với 2 dầm chủ cách nhau 5,26m và 1 dầm dọc phụ ở giữa Cả hai cầu đều được thi công theo kiểu đổ tại chỗ, với lề đi bộ cao hơn mặt cầu, tạo thành một phần của dầm biên nhô cao.

Cầu có dàn biên song song thường có chiều dài trên 15m và kiểu biên hở, với khoảng cách giữa hai dàn chủ là 5,5m Cấu trúc này bao gồm dầm dọc phụ nằm giữa hai biên dàn, mỗi khoang dàn dài 2,5m và cao 2,4m Một ví dụ điển hình cho loại cầu này là cầu Cái.

Xếp, Cái Cỏ, Bà Phú, quốc lộ 80, Đồng Tháp

- Cầu có dàn biên cong : thường có 2 dạng chính :

+ Dàn mút thừa 3 nhịp, dàn biên có dạng cong theo biểu đồ momen, chiều dài nhịp chính là 30m, nhịp biên 7m Ví dụ : cầu chữ S, quốc lộ 91, cầu Cái Vồn

Lớn, Đầu Sấu 1 , quốc lộ 1

Cầu dạng vòm dầm với thanh treo và thanh xiên bằng bê tông cốt thép (BTCT) bao gồm hai dầm chính và một dầm phụ ở giữa Chiều dài của kết cấu nhịp khoảng 15m, đặc biệt đối với kiểu vòm dầm không có thanh xiên, như cầu Tôn Chất, Đốc Đinh, Láng Sen và Bà.

Cầu Đường Xuồng trên quốc lộ 80, tỉnh Cần, nổi bật với nhịp dầm dài khoảng 30m và chiều cao vòm lớn Cấu trúc cầu được thiết kế với các thanh treo và thanh xiên, tạo nên sự vững chắc và thẩm mỹ cho công trình.

Hình 1.1.Kết cấu nhịp hẫng cầu Rạch Gòi Lớn cũ, quốc lộ 91, An Giang

1.1.2 Cầu BTCT được xây dựng từ 1954 đến 1975 : Đây là thời kỳ Miền Nam nằm trong tay của Đế quốc Mỹ và tay sai, các công trình cầu được xây dựng theo tiêu chuẩn AASHTO của Mỹ với các loại tải trọng HS 20 - 44,HS 25 - 44 Mặt cắt ngang dầm hình chữ T, khoảng cách giữa các dầm nhỏ từ 0.9 – 1.0m Chiều dài nhịp từ 12.5 – 24m Ví dụ : Cầu Hang, cầu Suối

Linh, quốc lộ 1, Đồng Nai – chiều dài nhịp : 24,7m, mặt cắt ngang gồm 23 dầm T

BTCT; các cầu trên quốc lộ 91, An Giang như :Sang Trắng gồm 3 nhịp 12,5m; Thốt

Nốt gồm nhịp 21,7m và 24,7m; , Bò Ót gồm nhịp 15,5m và 21,7m

1.1.3 Cầu BTCT được xây dựng từ 1975 đến nay :

Các cầu này do đất nước ta xây dựng thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 18-79, với các loại tải trọng H13, H18 – X60, H30 – XB 80, gồm có dạng bản và dầm sườn:

- Cầu bản : có chiều dài dưới 6m, thường có kết cấu nhịp giản đơn như : cầu

Cầu dài 4m trên quốc lộ 28 và cầu Suối Đá dài 6m trên quốc lộ 1, cùng với cầu bản có nhịp liên tục 2 nhịp, tận dụng kết cấu mố và trụ để làm cửa xả nước cho kênh thủy lợi Ví dụ điển hình là cầu Chinh Phụ và cầu Cây Hẹ trên quốc lộ 60, Trà Vinh.

Cầu dầm sườn BTCT có mặt cắt dầm chủ dạng chữ T, với chiều dài nhịp từ 9 đến 24m, có thể có hoặc không mở rộng bầu dầm Các dầm chủ thường được đổ bê tông tại chỗ, tuy nhiên, chất lượng đầm nén trong thi công không đạt yêu cầu, dẫn đến chất lượng bê tông đáy dầm không đảm bảo.

HỌC VIÊN : TRỊNH ĐÔNG PHƯƠNG CBHD : PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG kém, thường có lỗ rỗng Ví dụ : cầu Bà Bổn, cầu Gờ Dưa, cầu Hộ Phòng, quốc lộ 1,

Bạc Liêu ; cầu Cái Sậy, Tân Trường , quốc lộ 30, Đồng Tháp;

Các dạng hư hỏng kết cấu nhịp cầu BTCT

Các cầu bê tông cốt thép thường gặp phải các hình thức hư hỏng như xốp rỗ bề mặt do cacbonat hóa, vỡ bê tông, hở cốt thép và các vết nứt bê tông Để dễ dàng nhận biết và đánh giá mức độ nghiêm trọng của các hư hỏng này, cũng như đề xuất giải pháp sửa chữa hợp lý, chúng ta phân loại các loại hư hỏng thành các nhóm chính.

Hư hỏng loại 1 bao gồm các hư hỏng nhẹ, không ảnh hưởng đến cường độ chịu lực và tuổi thọ của kết cấu Những hư hỏng này thường là vết rỗ bề mặt nhỏ, các vết nứt có kích thước dưới 0,2mm, và các bong vỡ nhỏ mà chưa lộ cốt thép.

- Hư hỏng loại 2 : Các hư hỏng trung bình, có thể làm giảm tuổi thọ kết cấu :

Các vết nứt, vỡ bê tông và hở cốt thép, cùng với các vết rỗ mặt và ăn mòn bê tông, đều là những dấu hiệu cho thấy kết cấu đang bị suy giảm Đặc biệt, các vết nứt rộng hơn 0,2mm có thể dẫn đến việc các tác nhân ăn mòn tiếp xúc và xâm nhập sâu vào các lớp bê tông bên trong Điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của kết cấu mà còn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực do sự rỉ mục của cốt thép.

Hư hỏng loại 3 là các hư hỏng nặng làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, bao gồm vết nứt nghiêng trong sườn dầm, vết nứt nằm ngang tại chỗ tiếp giáp giữa sườn dầm và bản cánh, cùng với các vết nứt thẳng đứng ở đầu và giữa dầm Những hư hỏng này cho thấy sức chịu tải của kết cấu đã bị suy yếu, không đảm bảo khả năng chịu lực.

Hình 1.2 Các dạng hư hỏng kết cấu nhịp cầu BTCT

Tùy thuộc vào từng thời kỳ, các cầu được xây dựng có những đặc điểm khác nhau về tuổi thọ, thời gian khai thác, tình trạng khai thác, tải trọng và lưu lượng thiết kế Điều này dẫn đến mức độ hư hỏng của các loại cầu cũng khác nhau.

1.2.1 Các dạng hư hỏng kết cấu nhịp các cầu BTCT được xây dựng trước năm 1954 :

Trong giai đoạn này, các cầu được xây dựng đã trở thành mục tiêu bị tấn công và chịu tác động nặng nề từ bom đạn trong các cuộc chiến tranh của đất nước.

Tuổi thọ của các công trình cầu này có thể lên đến hơn 70 năm, nhưng hiện tại, lưu lượng và tải trọng khai thác đã vượt xa mức thiết kế ban đầu Hệ quả là nhiều cầu đã bị xuống cấp nghiêm trọng, với nhiều hư hỏng trên kết cấu nhịp, ảnh hưởng đến tuổi thọ và khả năng chịu tải, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ sụp đổ.

- Vỡ bê tông, hở cốt thép :

Bê tông bị vỡ mảng, làm lộ cốt thép chủ và cốt thép đai ở vị trí đáy, thân, đầu dầm chủ gần gối hoặc trên dầm ngang Nguyên nhân gây ra hiện tượng này cần được xác định rõ ràng.

+ Lớp bê tông bảo vệ bị phong hóa, không đảm bảo chất lượng hoặc không đủ chiều dày

+ Cốt thép bị rỉ, trương nở thể tích gây vỡ bê tông

+ Va chạm cơ học trong quá trình thi công, sử dụng

- Vỡ bê tông tại chỗ kê gối : Đầu dầm tại vị trí gối kê bị dập, vỡ bê tông , hở cốt thép Nguyên nhân:

+ Gối cầu bị hư hỏng, cập kênh, tạo ứng suất cục bộ lớn gây vỡ bê tông

+ Dầm chịu tải trọng quá lớn, tạo ra lực nén cục bộ vượt quá khả năng chịu đựng của bê tông

- Vỡ bê tông đầu dầm : Đầu dầm của hai nhịp kế tiếp nhau bị chèn khít làm vỡ bê tông

Nguyên nhân : Thi công không chuẩn xác chiều dài dầm hay khoảng cách giữa các mố, trụ

+ Gối cầu bị biến dạng gây xê dịch dầm

+ Va chạm khi thi công lắp đặt dầm

Các vết rạn nứt là những vết nứt nhỏ xuất hiện trên bề mặt bê tông theo nhiều phương khác nhau, thường do lão hóa hoặc tác động cơ học Những vết nứt này có thể dẫn đến việc bong tróc lớp bê tông bảo vệ, gây ra hiện tượng rỉ sét ở cốt thép bên trong.

- Vết nứt ngắn, xuất hiện bất kỳ : do hiện tượng co ngót của bê tông

Vết nứt dọc theo cốt thép dọc chủ xuất hiện do hiện tượng co ngót của bê tông hoặc do lớp bê tông bảo vệ không đủ độ dày Những vết nứt này có thể dẫn đến việc vỡ lớp bê tông bảo vệ, làm lộ ra và gây rỉ sét cho cốt thép bên trong.

- Vết nứt nằm ngang ở chỗ tiếp giáp phần sườn dầm với phần bản cánh ( nách dầm )

Vết nứt xiên góc 45 độ ở đầu dầm xảy ra do ứng suất kéo chủ của lực cắt, dẫn đến ứng suất cắt trượt lớn nhất tại các mặt nghiêng 45 độ Hiện tượng này vượt quá sức kháng cắt của cấu kiện, thường là do tải trọng gia tăng hoặc cốt đai không được bố trí đủ cường độ yêu cầu.

Vết nứt thẳng đứng đầu dầm tại vị trí gối dầm hoặc gối dầm đeo thường xuất hiện do lực cắt và lực tập trung cục bộ lớn Nguyên nhân chính là khi gối cầu bị hư hỏng hoặc tải trọng vượt quá mức cho phép, trong khi cốt thép đai không được bố trí đủ.

Vết nứt thẳng đứng giữa dầm xuất hiện do tác động của momen từ tải trọng vượt quá giới hạn cho phép, cùng với việc cốt thép chịu kéo không được bố trí đủ hoặc bị lão hóa.

Các cầu BTCT cũ xây dựng trong giai đoạn này thường gặp phải hư hỏng nghiêm trọng, có nguy cơ dẫn đến sụp đổ kết cấu Do đó, việc kiểm tra và sửa chữa định kỳ các hư hỏng là cần thiết để đảm bảo an toàn cho công trình.

1.2.2 Các dạng hư hỏng kết cấu nhịp các cầu BTCT được xây dựng từ năm 1954 - 1975:

So với giai đoạn trước, các cầu được xây dựng trong giai đoạn này ít bị ảnh hưởng bởi chiến tranh, với tuổi thọ từ 40 đến 70 năm Chúng có lưu lượng và tải trọng khai thác lớn, nhờ vào phương tiện thi công hiện đại do Mỹ cung cấp Hiện tại, nhiều cầu vẫn đang được sử dụng bình thường.

Các hư hỏng chủ yếu là các hư hỏng nhẹ và trung bình, các hư hỏng làm giảm khả

Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu BTCT

Sự hư hỏng và xuống cấp của cầu bê tông cốt thép do rất nhiều nguyên nhân khác nhau, được tổng hợp thành những nhóm nguyên nhân sau :

1.3.1.Nguyên nhân do quá trình phá huỷ vật liệu BTCT :

1.3.1.1 Vật liệu BTCT bị xuống cấp:

Vật liệu BTCT bị lão hóa, xuống cấp , ăn mòn do những tác nhân của môi trường xung quanh và tác động của quá trình khai thác :

- Lưu lượng và tải trọng khai thác ngày càng tăng cao

- Sự mài mòn, va đập, tải trọng trùng phục , va chạm, hỏa hoạn hay áp lực bom mìn gây ra

- Sự thay đổi nhiệt độ ngày đêm, giữa các mùa làm thay đổi tính chất chịu lực của vật liệu

- Sự phá hoại của các tác nhân lý hóa :

Nước đóng vai trò quan trọng trong việc hòa tan các thành phần hạt, từ đó làm tăng độ rỗng của bê tông Tuy nhiên, nước cũng có thể thấm vào bê tông hoặc tiếp xúc với cốt thép qua các vết nứt, dẫn đến hiện tượng rỉ sét cốt thép.

Khí cacbonic (CO₂) gây ra hiện tượng cacbonat hóa, làm hòa tan thành phần vôi trong bê tông, dẫn đến sự mủn xốp của bê tông và giảm tính kiềm, từ đó làm tăng nguy cơ rỉ sét cho cốt thép.

CaCO3↓+ CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 hòa tan + muối sunfat SO 4 2- : phản ứng với vôi trong kết cấu gây ra chất trương nở làm nứt vỡ bê tông

+ phản ứng giữa cốt liệu và chất kết dính tạo ra chất gây nổ quanh cốt liệu bị đứt gãy

1.3.1.2.Cốt thép bị ăn mòn:

Cốt thép trong bê tông được bảo vệ nhờ tính kiềm của xi măng Tuy nhiên, nếu độ kiềm của xi măng có pH < 11, cốt thép sẽ không được bảo vệ và dễ bị ăn mòn Hiện tượng ăn mòn bề mặt và cacbonat hóa làm giảm tính kiềm của bê tông, dẫn đến nguy cơ hư hỏng cốt thép.

Cốt thép có nguy cơ bị rỉ sét khi bê tông không đạt chất lượng, có độ rỗng lớn, chiều dày bảo vệ không đủ, hoặc khi xuất hiện các vết nứt trên bề mặt, tạo điều kiện cho thép tiếp xúc với nước.

, O2, các dung dịch muối, gây ra các phản ứng hóa học làm rỉ thép

Cốt thép bị ăn mòn và rỉ sắt phát triển dẫn đến hiện tượng trương nở thể tích, gây nứt vỡ bề mặt bê tông Điều này làm giảm tiết diện và cường độ chịu lực của thép, đồng thời giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép, ảnh hưởng đến khả năng cộng tác chịu lực của công trình.

1.3.2 Nguyên nhân do sai sót trong tính toán thiết kế cấu kiện :

Thường thể hiện ở các dạng sau đây :

Các giả thiết tính toán và mô hình lý thuyết không phản ánh đúng thực tế làm việc của cấu kiện, gây ra sai sót trong việc xác định nội lực của chúng.

Lựa chọn kết cấu không phù hợp với điều kiện làm việc của cấu kiện có thể dẫn đến va chạm, mài mòn và phát sinh nội lực lớn, gây hư hỏng cho cấu kiện.

- Sai sót trong quá trình tính toán , bố trí vật liệu, kiểm toán khả năng chịu tải

1.3.3 Nguyên nhân do sai sót khi thi công :

Các hư hỏng lớn và thường gặp trong cầu BTCT chủ yếu xuất phát từ quá trình thi công Những sai sót trong thi công là nguyên nhân chính làm giảm chất lượng kết cấu và tuổi thọ công trình, thể hiện qua nhiều khía cạnh khác nhau.

- Chất lượng bê tông không đạt yêu cầu do sử dụng vật liệu kém chất lượng, lẫn nhiều tạp chất

- Sản xuất bê tông không đúng thành phần cấp phối, trộn không đều , vận chuyển lâu, bị phân tầng

- Đổ bê tông : ván khuôn không sạch, không kín làm mất nước Đầm nén không đạt độ chặt yêu cầu, đặt thiếu cốt thép , sai vị trí

- Vận chuyển , cẩu lắp không cẩn thận gây va chạm làm nứt vỡ bê tông

1.3.4 Nguyên nhân do quá trình khai thác sử dụng :

- Lưu lượng và tải trọng gia tăng nhiều lần so với thiết kế, gây ra nội lực lớn vượt quá sưc kháng của vật liệu

- Đưa công trình vào khai thác sớm , khi các bộ phận còn chưa ổn định về cường độ

- Công tác duy tu, bảo dưỡng không kịp thời , không hợp lý làm hư hỏng phát triển ngày càng trầm trọng

- Sự thay đổi các tác nhân bên ngoài , điều kiện khí hậu – môi trường thay đổi khác so với thiết kế

Xác định nguyên nhân hư hỏng là một quá trình phức tạp và khó khăn, đòi hỏi nghiên cứu và chẩn đoán kỹ lưỡng để tránh những sai lầm và hiểu lầm.

Xác định nguyên nhân chính xác là cơ sở để đưa ra các giải pháp sửa chữa đúng đắn

, phù hợp, đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế của quá trình sửa chữa.

Các biện pháp sửa chữa, tăng cường cầu BTCT

Việc sửa chữa và tăng cường cầu cần phải đa dạng để phù hợp với nhiều thể loại cầu và các hư hỏng khác nhau Lựa chọn giải pháp sửa chữa hợp lý phải dựa trên nhiều yếu tố, nhằm đáp ứng tối đa các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật của công trình.

Giải pháp sửa chữa cần triệt tiêu hoặc hạn chế các hư hỏng theo mục đích và nhiệm vụ của công tác sửa chữa Các vật liệu gia cường phải hoạt động đồng bộ và phù hợp với kết cấu sửa chữa, đồng thời đảm bảo tính khả thi và biện pháp thi công đơn giản Việc tận dụng tối đa vật liệu sẵn có là rất quan trọng Cuối cùng, giải pháp được chọn phải mang lại hiệu quả sửa chữa tốt nhất với mức chi phí hợp lý.

Học viên Trịnh Đông Phương, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, đã nghiên cứu các phương pháp thi công hợp lý nhằm đảm bảo không gây gián đoạn và cản trở giao thông Dưới đây là một số phương pháp điển hình đã được áp dụng.

1.4.1 Các biện pháp sửa chữa cầu BTCT thường sử dụng :

Các biện pháp sửa chữa cho hư hỏng loại 1 và loại 2 bao gồm xử lý các vết nứt, vỡ bê tông, hở cốt thép, cũng như các vết rỗ mặt và ăn mòn bê tông Đặc biệt, cần chú ý đến các vết nứt rộng hơn 0,2mm để bảo vệ và duy trì tuổi thọ của kết cấu.

1.4.1.1.Sửa chữa hư hỏng bằng vật liệu xi măng pooclăng thông thường:

Sử dụng vữa xi măng pooclăng hoặc bê tông xi măng thông thường với cốt liệu nhỏ để lấp vá các vết nứt và vỡ bê tông, giúp phục hồi kết cấu về hình dạng ban đầu Phương pháp này không chỉ khôi phục tính toàn vẹn của bề mặt mà còn hạn chế sự phá hủy vật liệu do tác động từ môi trường.

- Ưu điểm : vật liệu và phương pháp thi công đơn giản, thích hợp với công tác duy tu, bảo dưỡng

Phương pháp này có hạn chế về hiệu quả, do sự co ngót và khả năng dính bám giữa bê tông cũ và mới không tốt Hơn nữa, vữa xi măng không thể thấm sâu để lấp đầy tất cả các vết nứt.

1.4.1.2.Sửa chữa hư hỏng bằng vật liệu bê tông Polyme và xi măng đặc biệt:

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp truyền thống, các vết nứt và vỡ bê tông được trám vá bằng vật liệu bê tông Polyme và xi măng đặc biệt, có cường độ bền kéo cao và khả năng dính bám tốt với bê tông cũ, đảm bảo tuổi thọ cao Thành phần của bê tông bao gồm xi măng khô, keo êpôxy, chất hoá dẻo, chất hoá rắn, và có thể thêm cát khô cùng đá dăm 1 x 2cm cho các vết vỡ lớn, như sản phẩm Monotop 615 HP.

- Ưu điểm: Các vết trám vá có cường độ cao, dính bám tốt với bê tông cũ

Thi công đơn giản không làm gián đoạn giao thông

- Nhược điểm : Giá thành vật liệu cao, chủ yếu là sửa chữa vết bong vỡ, tác dụng tăng cường chịu lực không đáng kể

1.4.1.3.Tiêm vữa xi măng hoặc keo epoxi :

Vữa xi măng hoặc keo epoxi được tiêm vào các vết nứt có độ rộng tối đa 3 mm bằng thiết bị tiêm chuyên dụng, giúp chúng thẩm thấu sâu vào vết nứt và lấp đầy hiệu quả.

HỌC VIÊN : TRỊNH ĐÔNG PHƯƠNG CBHD : PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG nứt Các đầu tiêm được khoan hoặc dán chặt vào kết cấu với khoảng cách ≤ 50 cm

Vết nứt giữ các vòi tiêm được bịt kín bề mặt bằng keo epoxy ( Ví dụ : sử dụng Sika

732 để bịt vết nứt và dán các đầu bơm, Sika 752 bơm lấp vết nứt )

- Ưu điểm: Các vết nứt nhỏ và sâu được lấp kín bằng vật liệu có cường độ cao, dính bám tốt với bê tông cũ

- Nhược điểm : Giá thành vật liệu cao, tác dụng tăng cường chịu lực không đáng kể

1.4.1.4.Biện pháp phun bê tông:

Bê tông phun là phương pháp sửa chữa hiệu quả cho các cấu kiện bê tông, giúp che phủ cốt thép lộ ra và khắc phục các vị trí bê tông bị bong vỡ hoặc cacbonat hóa Bê tông phun tạo ra một lớp áo dày bảo vệ kết cấu cũ, với tính chất tương tự như bê tông thông thường nhưng có khả năng bám dính tốt hơn nhờ được phun với áp lực cao Có hai phương pháp phun bê tông là phun khô và phun ướt, mỗi phương pháp đều có ứng dụng riêng trong việc cải thiện độ bền và tuổi thọ của công trình.

Phun bê tông khô là quá trình trộn các cốt liệu nhỏ với xi măng ở độ ẩm tự nhiên trong máy trộn, sau đó sử dụng áp lực khí nén để đưa hỗn hợp đến vòi phun Tại vòi phun, nước được dẫn đến và phun ra cùng với hỗn hợp bê tông Tốc độ phun đạt từ 80 đến 100 m/s, và vòi phun có thể được đặt cách xa máy bơm lên đến 500m theo chiều ngang và 150m theo chiều thẳng đứng.

Bê tông phun khô có cường độ và lực dính bám cao, giúp vật liệu thẩm thấu vào các vị trí cần thiết, đồng thời hạn chế hiện tượng co ngót và nứt Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần điều chỉnh lượng nước phun ra một cách hợp lý, đảm bảo đủ cho phản ứng thủy hóa mà không làm mất xi măng khô ở dạng bụi.

Phun bê tông ướt là quá trình trộn hỗn hợp bê tông trong máy trộn, sau đó chuyển vào máy bơm Hỗn hợp này được đẩy bằng khí nén đến đầu vòi phun và được phun ra với tốc độ cao.

Học viên Trịnh Đông Phương, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, nghiên cứu về việc phun bê tông với tốc độ chậm từ 10 đến 40 m/s Phương pháp này cho phép phun với lưu lượng lớn và thường sử dụng thêm các phụ gia hóa dẻo để cải thiện chất lượng bê tông.

Bê tông phun ướt có ưu điểm là được trộn đều và dễ dàng tạo độ dẻo cần thiết Tuy nhiên, tốc độ phun ướt chậm, khó phun sâu và có thể làm tăng độ co ngót của bê tông.

Vật liệu sửa chữa có thể gặp phải vấn đề nứt do co ngót, trong khi thiết bị kỹ thuật phun quy mô lớn và quy trình thi công chặt chẽ có thể dẫn đến hao hụt vật liệu lên đến 30% Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng công trình mà còn có thể gây tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh và làm gián đoạn giao thông trong quá trình thi công.

1.4.2 Các biện pháp tăng cường cầu BTCT thường sử dụng :

SỬA CHỮA - TĂNG CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM POLYME CỐT SỢİ CACBON ( CFRP )

Đặc tính của tấm Polyme cốt sợi cacbon ( CFRP )

Tùy thuộc vào phương pháp chế tạo và mục đích sử dụng, sản phẩm sợi carbon được chia thành hai loại chính: tấm sợi carbon ép đùn (Carbodur Plate) và tấm vải dệt bằng sợi carbon (Carbodur Wrap).

2.1.1 Đặc tính của tấm sợi cacbon ép đùn - Carbodur Plate :

CarboDur - Plates là tấm polyme được gia cố bằng nhiều sợi cacbon ép đùn dùng để gia cố bê tông, gỗ và kết cấu xây dựng

Các tấm cacbodur được kết nối vào kết cấu như một phần gia cố bên ngoài bằng chất kết dính epoxy Sikadur-30 trong điều kiện thường Đối với thi công ở nhiệt độ cao, loại kết dính được sử dụng là Sikadur-30LP.

CarboDur – Plate phân thành 3 loại chính, tùy thuộc vào Modul bền kéo đứt :

- CarboDur loại S : có E-Modulus bền kéo đứt 165÷ N/mm, gồm các kích cỡ tấm sợi theo bảng sau:

Bảng 2.1 Các loại tấm sợi CarboDur - S

- CarboDur loại M (tương đương thép) : E-Modulus bền kéo đứt 210÷

N/mm, gồm các kích cỡ tấm sợi :

Bảng 2.2 Các loại tấm sợi CarboDur - M

Chiều dày(mm) Chỗ giao nhau(mm2)

- CarboDur loại H: E-Modulus bền kéo đứt 300÷ N/mm, gồm các kích cỡ tấm sợi

Bảng 2.3 Các loại tấm sợi CarboDur - H

Chiều dày(mm) Chỗ giao nhau(mm2)

Hình 2.1 CarboDur S512 2.1.1.3 Thông số kỹ thuật :

Các tính chất vật lý của tấm sợi CarboDur – plate được nhà sản xuất tính toán , thực nghiệm kiểm tra và thống kê theo bảng sau :

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật các loại tấm sợi CarboDur

Thông số CarboDur S CarboDur M CarboDur H

Giá trị trung bình 165 000 210 000 300 000 Giá trị tối thiểu 160 000 >200 000 >290 000

95% độ gãy nứt 180 000 230 000 - Độ bền kéo đứt

Sức căng cho đến đứt

+ Sức căng cho đến đứt là giá trị đo thu được từ hướng kiểm tra dọc theo chiều dài sợi

Sức căng thiết kế là giá trị tối đa cho tấm CFRP, cần tuân thủ các quy định thiết kế địa phương Tùy thuộc vào kết cấu và tải trọng, các kỹ sư thiết kế có thể điều chỉnh giá trị này để phù hợp với yêu cầu và tiêu chuẩn kỹ thuật.

2.1.1.4.Các ứng dụng của tấm dán CarboDur:

Dùng để gia cường những cấu trúc sau:

- Gia tăng tải trọng cho :

+Sàn nền và dầm +Cầu để tương ứng với sự gia tăng tải trọng hướng trục +Sự lắp đặt thiết bị máy móc lớn

+Chống rung cho kết cấu +Thay đổi mục đích xây dựng

- Sửa chữa các hư hỏng của các hạng mục kết cấu :

+Hư hỏng của các vật liệu xây dựng ban đầu +Cốt thép bị ăn mòn

+Va chạm phương tiện +Cháy

- Cải tiến chất lượng sử dụng của công trình :

+Giảm bớt độ lệch +Giảm ứng suất cho cốt thép +Giảm nứt theo chiều ngang +Giảm độ mỏi

- Thay đổi các kết cấu cũ bằng kết cấu mới đơn giản và thẩm mỹ hơn:

+Không cần sử dụng tường và cột +Loại bỏ các hạng mục sàn cho lổ hổng

- Thay đổi chỉ tiêu kỹ thuật về thiết kế:

+Động đất +Quan điểm thiết kế thay đổi

- Sửa chữa các hư hỏng do sai sót trong thiết kế hoặc xây dựng :

+Không đầy đủ cốt thép +Không đủ chiều sâu kết cấu

2.1.1.5.Ưu điểm của tấm dán CarboDur:

+Không bị ăn mòn +Cường độ cao +Độ bền tuyệt hảo +Nhẹ

+Không giới hạn chiều dài, dễ chồng nối, điểm giao hay cắt ngang

HỌC VIÊN : TRỊNH ĐÔNG PHƯƠNG CBHD : PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG đơn giản

+Độ dày tổng thể thấp và có thể sơn chồng lên +Dễ vận chuyển (cuộn tròn lại)

+Kháng độ mỏi rất tốt +Dễ chuẩn bị tấm đỡ +Có sự kết hợp giữa cường độ cao và modun đàn hồi +Kháng kiềm rất cao

+Đạt yêu cầu sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới

2.1.1.6 Chất kết dính Epoxy Sikadur -30 :

Sikadur-30 là một chất kết dính hai phần không dung môi, có tính linh hoạt cao, được chế tạo từ hỗn hợp nhựa epoxy và cốt liệu đặc biệt Sản phẩm này được thiết kế để sử dụng hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ +8 °C đến +35 °C.

*.Ứng dụng : Chất kết dính gia cường cho việc lắp ghép kết cấu, đặc biệt trong các kết cấu:

+Dán CarboDur Plates với bê tông, gạch, gỗ

+Tấm thép với bê tông

+Dễ trộn và dễ thi công

+Không cần thi công lớp lót

+Khó bị vỡ vụn dưới tải trọng cao

+Kết dính rất tốt với bê tông, vữa xây, đá, sắt thép, gang, nhôm, gỗ và bản mỏng CarboDur Plates

+Quá trình đóng rắn không phụ thuộc nhiều vào khí hậu

+Tính linh động cao, không bị võng khi thi công trên mặt đứng và trần

+Không co ngót khi đóng rắn

+Hai thành phần có màu khác nhau (nhằm kiểm soát trong quá trình trộn)

+Khả năng kháng mài mịn và va đập cao

+Không cho chất lỏng và nước thấm qua

+Khả năng chịu tải trọng ban đầu và tải trọng cuối cùng cao

- Gốc hóa học : Nhựa epoxy

- Tỷ trọng 1.65 kg / l ± 0.1 kg / l (Hỗn hợp A + B)

- Độ chảy võng : Độ dày 3 - 5 mm không bị võng ở 35 0 C

- Khả năng cán mỏng : 4000 mm2 ở 15 0 C với 15 kg

- Độ dày lớp thi công : Dày tối đa là 30 mm

Khi thi công nhiều lớp, cần thực hiện tuần tự từng lớp mà không được trộn dư, vì điều này sẽ rút ngắn thời gian thi công cho sản phẩm.

- Sự thay đổi thể tích : Độ co ngót khoảng 0.04 %

- Hệ số giãn nở 2.5 x 10- 5/1 0 C (ở khoảng nhiệt độ từ -20 0 C đến +40 0 C)

Thời gian bảo dưỡng Nhiệt độ bảo dưỡng Nhiệt hóa dẻo

Bảng 2.6.Nhiệt biến dạng nóng

Thời gian bảo dưỡng Nhiệt độ bảo dưỡng HDT

- Nhiệt độ làm việc : Từ -40 0 C đến +45 0 C

Nhiệt độ bảo dưỡng Thời gian bảo dưỡng + 10 0 C + 35 0 C

Bảng2.8 Lực xé vỡ bê tông (~ 15 N/ mm2)

Nhiệt độ bảo dưỡng Thời gian bảo dưỡng + 15 0 C + 35 0 C

- Lực bám dính : Với bề mặt sắt : > 21 N/ mm2

Với bề mặt bê tông : > 4 N/ mm2, bê tông bị vỡ

- Modun ứng suất: Nén : 9600 N/ mm2 ở 23 0 C

Hình 2.2 Chất kết dính SikaDur 30 2.1.2 Đặc tính của tấm vải dệt bằng sợi Cacbon - Carbodur Wrap :

CarboDur Wrap là một loại tấm vải được dệt từ nhiều sợi cacbon đơn theo nhiều hướng, tạo thành một tấm sợi chắc chắn Nhờ vào cấu trúc này, tấm vải CarboDur Wrap có khả năng chịu lực kéo tốt theo cả một hoặc nhiều hướng, tùy thuộc vào cách đan sợi.

Tấm vải CarboDur Wrap được gắn kết vào kết cấu làm thành phần gia cố bên ngoài nhờ vào chất kết dính epoxy Sikadur -330

Vải Carbodur Wrap được thiết kế để đáp ứng nhiều loại tải trọng và phương pháp sản xuất khác nhau, với sự lựa chọn phù hợp cho các hình thức tăng cường và yêu cầu tải trọng cụ thể.

- Vải sợi Carbon không dệt :

Loại sợi này có khả năng liên kết tốt nhất mà không co dãn, rất quan trọng cho việc làm cứng trong các ứng dụng Sợi được sắp xếp không uốn giúp tối ưu hóa công suất độ cứng của sợi.

Hình 2.3 Tấm sợi carbon không dệt SikaWrap-200C NW

Loại này có các thuộc tính xử lý tốt nhất và rất dễ dính kết với Sikadur ® -

330.(Trọng lượng dày đặc lên đến 300 g/m2) hoặc Sikadur ® -300 (300 g/m2 trở lên) Vải dệt thoi gồm :

Vải một chiều chủ yếu có các sợi được sắp xếp theo một hướng, với vải SikaWrap là một ví dụ điển hình Loại vải này cho phép kết nối dễ dàng giữa các lớp và có thể được sử dụng linh hoạt theo nhiều hướng khác nhau.

Hình 2.4.Tấm sợi carbon dệt 1 chiều Hình 2.5.Tấm sợi carbon dệt đa chiều

+ Vải đa chiều : các sợi trong tấm vải được sắp xếp nhiều hướng

- Vải Lai : là sự kết hợp của các loại sợi khác nhau, thường đa chiều, có thể dệt hoặc không dệt

Hình 2.6 Tấm sợi carbon lai

2.1.2.3 Tính chất vật lý/ Cơ học:

* Hệ thống Sản phẩm Vải SikaWrap :

Bảng 2.10 Thông số kỹ thuật các loại vải CarboDur

Stt Tên sản phẩm Sức căng Độ cứng Mật độ Chiều dày (Mpa) (Gpa) (g/m2) (mm)

Thông số kỹ thuật tấm vải sợi SikaWrap - 230 C/45 :

Sức căng E-modulus : 234,000N/mm Độ giãn dài đến đứt : 1.8% (so với thông thường)

+ Tấm vải sợi : Độ dày tấm sợi : 1.0 mm cho 1 lớp ( tẩm với Sikadur -330 )

Tải trọng đầy đủ: 350 kN/m bề rộng cho lớp

Sức căng E-modulus : 25.0 kN/mm ( tính theo độ dày tấm vải sợi chuẩn 1.0 mm)

Khi thiết kế sức căng, giá trị tối đa được khuyến nghị là 0.6%, tuy nhiên, giá trị này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại tải trọng và cần được chấp nhận theo tiêu chuẩn thiết kế địa phương liên quan.

Với độ co giãn dài 0.4 % : 100 kN/ m bề rộng (0 kN/ 30 cm) (` kN/60 cm)

Với độ co giãn dài 0.6 % : 150 kN/ m bề rộng (E kN/ 30 cm) ( kN/60 cm)

- Gia cố cho kết cấu bê tông cốt thép, gạch, gỗ trong trường hợp chịu tải trượt và tải uốn nhờ vào:

+ Tăng chất lượng tường xây chống động đất

+ Thay thế thanh thép bị mất

- Gia cường và tính uốn của cột :

+ Gia tăng chịu tải của các phần kết cấu

+ Thay đổi tính tiện dụng trong xây dựng

- Các hư hỏng trong thiết kế kết cấu :

+ Sự dịch chuyển do động đất

+ Cải thiện dịch vụ sửa chữa

+ Nâng cấp cấu trúc phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành

+Được sản xuất với sợi ngang giữ được sự ổn định (Qui trình sản xuất gia nhiệt)

+ Ứng dụng đa năng phù hợp với nhiều loại gia cố

+ Thuận tiện cho nhiều bề mặt hình học (dầm,cột, ống khói, cọc, tường,xilô)

+ Có sẵn với nhiều kích thước thuận tiện cho tối ưu các ứng dụng

+ Tỷ trọng thấp không ảnh hưởng nhiều về khối lượng

+ Kinh tế hơn nếu so với các kỹ thuật cổ truyền

2.1.2.5 Chất kết dính Epoxy Sikadur -330 :

*.Mô tả : Sikadur-330 là sản phẩm gốc nhựa epoxy hai thành phần dung để thấm chèn, không có dung môi

+Nhựa dùng để thấm chèn cho lưới gia cường Carbodur – Wrap, thi công ở nơi khô ráo

+ Là lớp kết nối cho những nơi ẩm ướt

+Là chất kết dính để dán các bản mỏng CarboDur Plates với nhiều loại bề mặt khác nhau

+Dễ trộn và dễ thi công bằng bay, rulo

+ Sản phẩm được dùng để trám trét dễ dàng +Rất dễ thi công trên bề mặt đứng hoặc trần

+Kết dính rất tốt trên nhiều bề mặt (vật liệu) +Tính chất cơ học rất tốt

- Gốc hóa học: Nhựa epoxy

- Tỷ trọng: Hỗn hợp nhựa: 1.31kg/l (ở 23 o C)

- Độ nhớt: tỷ số cắt là 50/giây

- Hệ số giãn nở: 45 x 10¯ 6 cho 1 o C (-10 o C đến +40 o C )

- Tính ổn định: Biến dạng nhiệt nóng (DHT)

Bảng 2.12 Biến dạng nhiệt nóng

Thời gian bảo dưỡng Nhiệt độ ( o C) HDT ( o C)

- Nhiệt độ làm việc: -40 o C đến +50 o C

- Lực bám dính: Bề mặt bê tông (được làm nhám) bị bong tróc: > 1 ngày

Thiết kế sửa chữa , tăng cường cầu BTCT bằng tấm Polyme cốt sợi cacbon (CFRP)

2.2.1 Nguyên tắc gia cường bằng tấm polyme cốt sợi cacbon:

Tấm polyme cốt sợi cacbon được cấu tạo từ các sợi cacbon song song, mang lại khả năng chịu lực kéo cao theo hướng sợi Nhờ vào đặc tính này, tấm sợi cacbon được ứng dụng để nâng cao khả năng chịu kéo, uốn và chống cắt cho các cấu kiện bê tông.

Hình 2.7 Gia cường tấm sợi carbon

Để tăng cường khả năng chống uốn cho cấu kiện bê tông, việc dán tấm sợi cacbon vào vùng chịu kéo uốn là rất cần thiết Phương pháp này bổ sung thêm thành phần chịu kéo uốn, từ đó nâng cao sức kháng uốn và khả năng chịu lực của cấu kiện.

Để tăng cường khả năng chống cắt cho cấu kiện bê tông, việc dán tấm sợi cacbon vào vùng chịu cắt là rất hiệu quả Phương pháp này không chỉ bổ sung thêm thành phần chịu lực cắt mà còn nâng cao sức kháng cắt và khả năng chịu lực tổng thể của cấu kiện.

Thiết kế tăng cường chống uốn và chống cắt trong cấu kiện bê tông cốt thép tuân theo quy trình 22TCN 272-05, tương tự như tính toán cốt thép chịu uốn và chống cắt Để đảm bảo an toàn trong khai thác, hệ số gia cường được giới hạn.

M us ut Momen uốn cực đại của kết cấu sau và trước khi gia cường

Theo thực nghiệm kiểm tra, hệ số gia cường nên lấy từ 1,3÷1.5 toàn bộ kết cấu gia cường làm việc tốt

Cường độ bê tông cũ trong kết cấu được tăng cường cần đạt trên 20 Mpa để đảm bảo rằng trạng thái phá hoại xảy ra trong tấm polyme sợi cacbon, tránh tình trạng tấm sợi bị bong bật hoặc trượt ra khỏi kết cấu.

2.2.2 Tính toán chống uốn trong cấu kiện được gia cường bằng tấm polyme cốt sợi cacbon theo quy trình thiết kế cầu 22TCN 272-05 :

2.2.2.1 Các giả thiết tính toán :

- Ứng suất trong cốt thép phải dựa trên đường cong ứng suất - ứng biến đại diện của thép

- Bỏ qua sức kháng kéo của bê tông,

- Phân bố ứng suất theo hình chữ nhật :

Quan hệ giữa ứng suất bê tông chịu nén và ứng biến có thể được mô tả như một khối hình chữ nhật tương đương với cạnh bằng 0,85 f 'c Khối này phân bố trên một vùng giới hạn bởi mặt ngoài cùng chịu nén của mặt cắt và đường thẳng song song với trục trung hòa, cách thớ chịu nén ngoài cùng một khoảng cách a = 1 c.

+Khoảng cách c phải tính vuông góc với trục trung hoà

Hệ số chuyển đổi biểu đồ ứng suất $\beta_1$ được xác định là 0,85 cho bê tông có cường độ không vượt quá 28 MPa Đối với bê tông có cường độ lớn hơn 28 MPa, hệ số $\beta_1$ sẽ giảm 0,05 cho mỗi 7 MPa vượt quá 28 MPa, nhưng không được nhỏ hơn giá trị tối thiểu quy định.

2.2.2.2 Các thông số và mặt cắt tính toán :

Để tăng cường khả năng chịu lực cho cấu kiện dầm T BTCT, cần dán tấm polyme cốt sợi cacbon vào vùng chịu kéo Trước tiên, cần xác định các thông số liên quan đến mặt cắt của cấu kiện bê tông cũ.

- Cường độ chịu nén của bê tông : f ‘ c ( Mpa ) : xác định bằng phương pháp

HỌC VIÊN : TRỊNH ĐÔNG PHƯƠNG CBHD : PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG dùng súng bật nảy kết hợp siêu âm bê tông

+ b f = chiều rộng của bản cánh chịu nén (mm) + b w = chiều rộng của bản bụng (mm)

+ h f = chiều dày bản cánh chịu nén (mm) + h = chiều cao của tiết diện (mm)

- Bố trí cốt thép trong bê tông :

Diện tích cốt thép thường chịu kéo được ký hiệu là \$A_s\$ (mm²), trong khi diện tích cốt thép thường chịu nén được ký hiệu là \$A'_s\$ (mm²) Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo được ký hiệu là \$d_s\$ (mm).

+ d' s = khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu nén (mm)

+ f y = giới hạn chảy của cốt thép chịu kéo (MPa) + f ’ y = giới hạn chảy của cốt thép chịu nén (MPa) fy , f ’ y được xác định bằng siêu âm bê tông. ò 1 ò 1

Hình 2.8 Mặt cắt tính toán – trục trung hòa qua sườn dầm

- Đối với tấm sợi cacbon thiết kế :

+ Af = diện tích tấm sợi (mm 2 )

+ ff = cường độ chịu kéo tấm sợi (MPa)

+ df = khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm tấm sợi cacbon (mm)

2.2.2.3 Vị trí trục trung hòa :

- Lực tác dụng vào mặt cắt :

+ Lực kéo do cốt thép chịu kéo : As fy

+ Lực kéo do tấm sợi cacbon : A f f f + Lực nén do cốt thép chịu nén : A' s f ’ y + Lực nén do bê tông bản cánh : 0.85β 1 f ‘ c ( b f – b w )h f

Lực nén trong bê tông bản bụng được tính bằng công thức: \$0.85\beta_1 f'_{c} cb w\$, trong đó \$c\$ là khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trục trung hòa của mặt cắt Để cân bằng lực kéo và nén trong mặt cắt, ta có: \$f_{w}\$.

Hình 2.9 Mặt cắt tính toán – trục trung hòa qua cánh

Nếu c ≤ h f : trục trung hòa đi qua bản cánh , tính toán mặt cắt như hình chữ nhật b f 0,85 f A' f A f c A

2.2.2.4 Số lượng tấm dán tăng cường tối đa :

Số lượng tấm sợi cacbon dán tăng cường tối đa phải thõa mãn các điều kiện sau :

+ Các tấm sợi không được trượt khỏi bề mặt bê tông

+ Cốt thép không bị chảy dẻo trong kết cấu tăng cường

+ Tấm sợi không bị chảy dẻo trong kết cấu tăng cường

Cụ thể các điều kiện như sau :

- Các tấm sợi không được trượt khỏi bề mặt bê tông :

Xét tấm dán sợi cacbon chiều dài l f , bề rộng b f , chiều dày δ f dán tăng cường cho

+ Sức căng bề mặt bê tông được sửa chữa theo quy định của nhà sản xuất : ≥1.5N/mm 2 => lực dính của tấm sợi cac bon : F d = 1.5x l f x b f

+ Lực kéo do tấm sợi cacbon : F k = n x b f xδ f x f f n: số lượng tấm dán sợi cacbon tại 1 vị trí chồng lên nhau Để các tấm sợi cacbon không trượt khỏi bề mặt dán :

Cốt thép không bị chảy dẻo trong kết cấu tăng cường, với ứng biến của bê tông, cốt thép và tấm dán sợi cacbon trong mặt cắt cấu kiện được mô tả như hình dưới đây.

+ biến dạng của bê tông vùng chịu nén khi bê tông bị chảy dẻo là e

+ biến dạng của cốt thép khi bị chảy dẻo là :

Hình 2.10 Mặt cắt tính toán – biến dạng của vật liệu

Giả sử trục trung hòa đi qua bụng, ta có : w 1 c f w c

Nếu trục trung hòa đi qua cánh, ta có : b f 0,85 f A f A f c A

- Tấm sợi không bị chảy dẻo trong kết cấu tăng cường

+ biến dạng của tấm sợi khi bị chảy dẻo là :

  Biến đổi tương tự như trên, ta có:

Giả sử trục trung hòa đi qua bụng :

Giả sử trục trung hòa đi qua cánh : y s y s 1 c b A f A f f 0,85 f

Kết hợp điều kiện 1,2,3 và điều kiện hệ số gia cường lấy từ thực nghiệm ( tài liệu

Vật liệu mới – Gs Phạm Duy Hữu )

M K  us ut 1,31.5 để quyết định số lượng dán tối đa.

2.2.2.5 Số lượng tấm dán tăng cường tối thiểu :

Trong một mặt cắt của cấu kiện chịu uốn được sửa chữa, lượng cốt thép và các tấm sợi gia cường cần phải đủ để phát triển sức kháng uốn tính toán \$M_r\$, ít nhất bằng một trong hai giá trị sau, lấy giá trị nhỏ hơn.

+ 1,2 lần sức kháng nứt được xác định trên cơ sở phân bố ứng suất đàn hồi và cường độ chịu kéo khi uốn f r của bê tông :

Mcr = mô men nứt (N.mm) fr = cường độ chịu kéo khi uốn :

Bê tông có tỷ trọng thông thường : 0,63 f c 

Bê tông cát có tỷ trọng thấp : 0,52 f c 

Bê tông tỷ trọng thấp các loại : 0,45 f c  y t = khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo ngoài cùng (mm)

I g : mô men quán tính nguyên của mặt cắt

+ 1,33 lần mômen tính toán cần thiết dưới tổ hợp tải trọng - cường độ thích hợp theo quy định

+ Yêu cầu, nhiệm vụ của công tác sửa chữa

2.2.2.6 Sức kháng uốn của mặt cắt bê tông:

- Sức kháng uốn danh định :

Lấy tổng momen của các lực tại tâm vùng bê tông chịu nén bản bụng, ta có :

+ Mặt cắt hình chữ T : h bw) - (b

+ Mặt cắt hình chữ nhật : t g r cr y f I

Trong đó : a = c 1 : Chiều dày của khối ứng suất tương đương (mm)

- Sức kháng uốn tính toán :

Sức kháng tính toán, M r , phải lấy như sau :

Mn = sức kháng uốn danh định (N.mm)

 = hệ số sức kháng , lấy theo quy định :

+ Dùng cho uốn và kéo bê tông cốt thép : 0,90

+ Dùng cho cắt và xoắn : bê tông tỷ trọng thông thường : 0,90 bê tông tỷ trọng thấp : 0,70

2.2.3 Tính toán chống cắt trong cấu kiện được gia cường bằng tấm polyme cốt sợi cacbon theo quy trình thiết kế cầu 22TCN 272-05 :

2.2.3.1 Các quy định về cốt thép ngang :

- Vùng đòi hỏi cốt thép ngang trong cấu kiện :

Cốt thép ngang phải được đặt khi hoặc :

Vu = lực cắt tính toán (N)

Vc = sức kháng cắt danh định của bê tông (N)

 = hệ số sức kháng quy định

- Các loại cốt thép ngang :

Cốt thép ngang có thể bao gồm :

+ Cốt đai hợp thành một góc không nhỏ hơn 45 o với cốt thép dọc chịu kéo

Tấm lưới sợi thép hàn có các sợi đặt vuông góc với trục cấu kiện, với điều kiện các sợi ngang phải vượt quá 4% trên một tấm đai dài tối thiểu 100 mm, bao gồm ít nhất một sợi ngang.

Bó thép dự ứng lực được thiết kế và lắp đặt với mục đích giảm thiểu mất mát ép mặt, đồng thời được neo giữ chắc chắn Đặc biệt, các bó thép này cần được đặt với góc không nhỏ hơn 45 độ so với cốt thép dọc chịu kéo.

Cốt thép chịu xoắn cần bao gồm cả cốt thép ngang và dọc, trong đó cốt thép ngang phải là các cốt đai kín được đặt vuông góc với trục dọc của cấu kiện.

- Các mặt cắt nguy hiểm cần bố trí cốt đai :

Thi công tấm Polyme cốt sợi cacbon ( CFRP )

Để khôi phục và gia tăng khả năng chịu lực của kết cấu, các tấm polyme sợi carbon cần được dán chặt vào bề mặt và không bị bong, trượt trong quá trình làm việc Quá trình thi công phải được thực hiện cẩn thận và giám sát chặt chẽ theo đúng yêu cầu của nhà sản xuất Mỗi loại tấm polyme sợi carbon có phương pháp thi công riêng nhằm đảm bảo sự liên kết và điều kiện làm việc tối ưu với kết cấu.

2.3.1 Thi công tấm Carbodur Plate :

2.3.1.1 Điều kiện về bề mặt cấu kiện được dán :

Độ bằng phẳng của bề mặt không được sai lệch quá 0.5 mm so với ván khuôn Đối với chiều dài 2m, sai số tối đa cho phép là 10mm, trong khi với chiều dài 0.3m, sai số tối đa là 4mm Các yêu cầu về sai số này có thể thay đổi tùy thuộc vào quy định địa phương.

Cường độ mặt nền bê tông yêu cầu sức căng kết dính trung bình tối thiểu là 1.5 N/mm, lý tưởng là 2.0 N/mm Nếu sức căng không đạt yêu cầu, cần tiến hành gia cố bề mặt cấu kiện.

- Cách kiểm tra độ bám dính bề mặt kết cấu :

+ Tối thiểu tại 3 vị trí

+ Sử dụng miếng kim loại thử cú dạng hỡnh trụ trũn cú đường kớnh ỉ 50 mm, cao 30 mm

+ Khoan lỏi tròn vào bề mặt kết cấu sâu khoảng 5 mm

+ Cường độ bám dính tối thiểu : 1.5 N/mm2

Hình 2.11 kiểm tra độ bám dính bề mặt kết cấu

2.3.1.2 Chuẩn bị bề mặt thi công :

Bề mặt bê tông cần phải đặc, chắc chắn, khô ráo và sạch sẽ, không có vụn ximăng, nước đá, nước đọng, dầu, hay các lớp sơn cũ Tất cả các phần lỏng lẻo của mặt nền bê tông phải được loại bỏ, đảm bảo không còn vôi vữa vụn và bề mặt phải được làm thô để đạt được độ bám dính tốt.

Để sửa chữa và làm phẳng bề mặt, cần sử dụng vữa kết dính Sikadur -30 kết hợp với cát quartz theo tỷ lệ 1:1 Cần chú ý để tránh hiện tượng ngưng tụ nước trên bề mặt.

- Có thể làm lớp lót để tạm thời ngăn sự ăn mòn bằng Icosit-277 hoặc

Sikagard-63N, hoặc dùng Icosit-EG1 làm lớp chống ăn mòn vĩnh viễn

Bảng 2.13 Thời gian chờ khi thi công

1)Thời gian chờ tối đa giữa lúc thổi cát bề mặt thép và lớp lót

(hoặc Sikadur -30) Thi công không dùng lớp lót nếu có thể trong trường hợp không cần lớp bảo vệ ăn mòn

2) Thời gian chờ tối thiểu giữa lớp lóp và lớp Sikadur -30

(không chuẩn bị thêm lớp lót) 48h 24h 12h

3) Thời gian chờ tối đa giữa lớp lót và lớp Sikadur -30

(không chuẩn bị thêm lớp lót)

4) Thời gian chờ giữa lớp lót và Sikadur -30 (có chuẩn bị thêm lớp lót)*

Để chuẩn bị lớp lót cho công trình, cần thực hiện sớm trước ngày thi công Sau khi hoàn tất việc chuẩn bị lớp lót, bề mặt phải được làm sạch bằng máy hút.

- Bề mặt tấm Carbodur :Ngay trước khi thi công Sikadur -30,dùng dung môi

Sika Colma Cleaner quét trên bề mặt kết nối để loại bỏ sự nhiễm bẩn

- Nhiệt độ thi công : +10°C - Thời gian thi công :120 min

+35°C - Thời gian thi công : 40 min

- Độ ẩm mặt nền : Độ ẩm bề mặt tối đa là 4%

- Điểm sương : Cần phải thận trọng với hiện tượng ngưng tụ hơi nước Nhiệt độ bề mặt trong thời gian thi công phải cao hơn điểm sương ít nhất 3 0 C

2.3.1.4 Chuẩn bị chất kết dính :

- Chuẩn bị chất kết dính : Trộn riêng thành phần A, B rồi hòa trộn với nhau theo tỉ lệ (A:B = 3:1) theo khối lượng

Để trộn chất kết dính, hãy cho thành phần A vào thành phần B và sử dụng cần khoan điện với tốc độ thấp để trộn trong khoảng 3 phút Nên sử dụng cần trộn xoắn để tránh việc cuốn khí vào vật liệu.

Hình 2.12 trộn chất kết dính

- Mức độ tieõu thuù chất kết dớnh :

Bảng 2.14 Mức độ tiêu thụ chất kết dính

Chiều rộng tấm(mm ) Sikadur -30(kg/m 2 )

Tùy theo bề mặt, đặt tính và độ thô cũng như các chỗ cắt, hao hụt thì lượng chất kết dính có thể dùng nhiều hơn

- Đặt tấm CarboDur lên một mặt bàn và dùng giẻ màu trắng thấm Colma

Chùi sạch bề mặt không có nhãn, sau đó trộn đều và thi công cẩn thận chất kết dính Sikadur -30 bằng dao bay hình vòm lên tấm CarboDur để tạo thành một lớp mỏng.

- Trong khoảng thời gian cho phép thi công của chất kết dính, ép sát tấm

CarboDur đã được áp dụng lên bề mặt bê tông đã có sẵn Sikadur -30 Sử dụng lăn cao su Sika để ấn chất kết dính cho đến khi nó trồi ra hai bên của tấm Sau đó, loại bỏ phần dư thừa này.

- Chỗ giao nhau hay chồng nhiều lớp : Đối với những chỗ giao nhau, tấm

Trước khi phủ lớp chất kết dính lên CarboDur, cần phải chùi sạch bề mặt bằng Sika Colma Cleaner Nếu có nhiều tấm được đặt chồng lên nhau, cả hai mặt của các tấm cũng phải được làm sạch bằng Sika Colma Cleaner.

Để kiểm soát chất lượng về độ đông rắn và cường độ tại công trường, cần thực hiện các mẫu kiểm tra Giá trị chuẩn trung bình sau khi đông rắn 7 ngày ở nhiệt độ 23°C là rất quan trọng.

- Cường độ nén > 75 N/mm Độ bền uốn > 35N / mm

Những giá trị này có thể khác nhau đến 20 % tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể

2.3.1.7 Những yếu tố sau đây ảnh hưởng quan trọng đến tính cơ học :

Cuốn khí vào mẫu (đang lúc trộn hoặc đổ vào khuôn)

Nhiệt độ/ Thời gian xử lý

Chất kết dính bị nhiễm bẩn

Do đó cần phải chú ý tránh những trường hợp này

Tấm CarboDur có thể được bảo vệ bằng lớp chất liệu chống cháy nếu có yêu cầu về khả năng chống cháy Sau khi Sikadur -30 đã đóng rắn, cần kiểm tra các chỗ rỗng bằng cách gõ lên bề mặt tấm bằng vật kim loại hoặc sử dụng máy dò xung nhiệt.

- Lớp phủ: phần bề mặt lộ thiên có thể sơn phủ bằng Sikagard -550W Elastic hoặc Sikagard -ElastoColor W

2.3.1.9.Các dụng cụ thi công :

- Chất lau chùi Sika Colma Cleaner để vệ sinh tấm CarboDur trước khi kết dính,

- Con lăn cao su CarboDur : để ấn tấm CarboDur lên bề mặt

- Máy trộn Sika : để giảm thiểu sự cuốn khí

Vệ sinh ngay tất cả các dụng cụ và thiết bị thi công bằng SikaColma Cleaner sau khi sử dụng Nếu nguyên vật liệu đã đông cứng, hãy sử dụng lực cơ học để loại bỏ chúng.

2.3.1.10 Các chú ý trong quá trình thi công :

Người thiết kế cần phải là kỹ sư có chuyên môn cao, trong khi nhân công thi công vật liệu này phải là những người có kinh nghiệm và được đào tạo chuyên sâu.

- Chỉ thi công Sikadur -30 trong khoảng thời gian cho phép

- Tấm sợi cacbon và keo dính phải sạch , không nhiễm bẩn

- Trộn keo dính không được để cuốn khí vào mẫu (đang lúc trộn hoặc đổ vào khuôn), tránh tạo chỗ rỗng khi dán sợi

- Kiểm tra chất lượng ngay tại hiện trường phải được tiến hành, hoặc giám sát bởi tổ chức kiểm nghiệm độc lập

- Phải chú ý khi cắt các tấm Sử dụng các dụng cụ bảo hộ thích hợp như áo quần, găng tay, kính đeo mắt và mặt nạ phòng độc

- Hệ thống CarboDur phải được bảo vệ tránh ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp

- Nhiệt độ tối đa cho phép xấp xỉ +50 0 C Lưu ý: Khi sử dụng Sika

CarboHeater cùng với Sikadur -30 LP nhiệt độ có thể tăng lên đến tối đa +80 0 C

2.3.2 Thi công tấm CarboDur Wrap:

2.3.2.1 Điều kiện về bề mặt cấu kiện được dán :

Độ bằng phẳng của tấm sợi Carbodur Plate không được sai lệch quá 0.5 mm so với ván khuôn Đối với chiều dài 2m, sai số tối đa là 10mm, trong khi với chiều dài 0.3m, sai số tối đa là 4mm.

SỬ DỤNG TẤM POLYME CỐT SỢİ CACBON ( CFRP ) ĐỂ SỬA CHỮA , TĂNG CƯỜNG CẦU BTCT TRONG PHẠM VI QUẢN LÝ CỦA KHU QUẢN LÝ ĐƯỜNG BỘ VII

Tiêu đề	Sử dụng vật liệu tấm polyme cốt sợi cacbon (CFRP) trong sửa chữa và tăng cường cầu BTCT ở khu quản lý đường bộ VII
Tác giả	Trịnh Đông Phương
Người hướng dẫn	PGS.TS Nguyễn Ngọc Long
Trường học	Trường Đại học Giao thông Vận tải
Chuyên ngành	Xây dựng cầu hầm
Thể loại	Luận văn thạc sỹ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	TP Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	2,26 MB