Tấm chất dẻo sợi Carbon

Tấm chất dẻo sợi Carbon

Thông tin KHKT

Số 1-2001 Trờng Đại Học Giao Thông Vận Tải

Mục Nghiên cứu

nghiên cứu giải pháp tăng cờng cầu

bằng tấm polime cốt sợi các-bon (pcsc)

PGS.TS Phạm Duy Hữu

PGS.TS Nguyễn Viết Trung

TS Hoàng Hà

KS Mai Đình Lộc

KS Đào Văn Đông

KS Phạm Duy Anh

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc áp dụng tấm polime cốt sợi

các-bon (PCSC) cho việc tăng cờng khả năng chịu lực và chống nứt kết cấu cầu thay thế cho phơng pháp dán bản thép đã đợc sử dụng ở Việt nam Bài báo trình bày về nguyên tắc cấu tạo, vật liệu polime cốt sợi các-bon, các dạng h hỏng ở dầm cầu chịu tải trọng ôtô và các giải pháp thiết kế, công nghệ sửa chữa cầu này.

1 Đặt vấn đề

Tấm mỏng polime cốt sợi các-bon (PCSC) ngày càng thay thế tấm thép mỏng

để gia cờng cho kết cấu cầu bê tông cốt thép Việc thiết kế chống trợt và võng tuân thủ theo thiết kế kết cấu bê tông cốt thép truyền thống Phải xem xét tới độ biến dạng tới hạn riêng của thép và tấm mỏng Phơng pháp phân tích dàn ảo, mép của tấm mỏng phải đợc neo vào phía ngoài của bê tông theo hớng của các lực kéo Tấm gia cờng bằng PCSC có thể phá vỡ do sự phá vỡ của độ dính bám dọc cùng với sự dạn nứt của bê tông, nh đã đợc biết đến đối với các tấm thép Kiểm tra về độ bám dính đã chỉ ra rằng mô hình trớc đây về độ bám dính có thể thích ứng đợc cho tấm PCSC

ở Việt nam có rất nhiều cầu cũ và mới có nhiều vết nứt xuất hiện Khi sử dụng tấm PCSC để tăng cờng cầu ngoài khó khăn về giá thành cao;Các u điểm về chống ăn mòn, khả năng chịu lực cao, thi công nhanh sẽ tạo ra tính khả thi của giải pháp này

Việc gia cờng các kết cấu bê tông bằng cách dán tấm thép tại mặt ngoài là một công nghệ đã đợc kiểm chứng Bất lợi của công nghệ này là nguy cơ cốt thép bị

ăn mòn tại vùng tiếp giáp và kết cấu nặng nề Do vậy việc chống ăn mòn là cần

thiết Việc bốc dỡ các kết cấu thép nặng cũng khó khăn Vì những lý do này, các tấm PCSC mỏng, nhẹ và cờng độ cao ngày càng thay thế tấm thép Tấm PCSC có các tính chất tuyệt vời về nhiều phơng diện liên quan đến độ bền lâu, hiện tợng mỏi

và vấn đề ăn mòn

Tơng tự nh đối với tấm thép, đảm bảo độ bám dính cần thiết giữa bê tông và tấm thép thông qua các mối tiếp giáp bằng epoxy là một yêu cầu cần phải có đối với kết cấu đợc gia cờng Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc định vị các cạnh của tấm Để thiết kế, cần phải biết lực bám dính tối đa và kiểu rạn nứt Ngoài các kiểu rạn nứt nh đã quan sát thấy đối với tấm thép, tấm PCSC có thêm kiểu rạn nứt khác Việc kiểm định sâu rộng đã đợc thực hiện và mô hình về cờng độ bám dính đã đợc phát triển

2 Vật liệu

2.1 Tấm polime cốt sợi các-bon (PCSC) : Tấm này có cấu trúc nền là Epoxy và

cấu trúc sợi là sợi các-bon đặt chủ yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn, dệt và vuông

Tấm PCSC thơng phẩm có độ dày 1,0 - 1,5 mm và chiều rộng 50 - 100 mm Tấm này chứa 60 - 70% (theo thể tích) sợi các-bon với đờng kính khoảng 8àm đợc rải theo hớng nhất định trong thảm epoxy Sợi các-bon có mô-đun đàn hồi 240 - 900 MPa và cờng độ kéo 2.000 - 7.000 MPa

Tính chất cơ học của tấm theo chiều dọc hầu nh bị chi phối mạnh mẽ bởi các sợi các-bon Tấm PCSC có mô-đun đàn hồi 150 - 300 MPa và cờng độ kéo 2.000 - 3.000 MPa Tơng tự nh sợi các-bon, đờng biến thiên giữa ứng suất và độ biến dạng của các tấm là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá hủy Mặc dù vai trò của thảm epoxy đối với cờng độ của các tấm là không đáng kể, nhng cờng độ kéo khoảng 60 -

90 MPa cao hơn rất nhiều so với cờng độ bê tông là yếu tố phải có để truyền các ứng suất dính bám Độ biến dạng cực đại cao 3 - 5 % đảm bảo sức chịu của các sợi đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm

Cờng độ tức thời của tấm polime cốt sợi các-bon thích hợp cho việc chịu tải trọng của cầu Độ co giãn do trợt và đồng trục cũng nh độ nới lỏng là không đáng kể

2.2 Chất kết dính : Chất kết dính phần lớn là epoxy hai thành phần trộn với cốt

liệu Cờng độ kéo ≥ 30 MPa vợt hơn bê tông gấp 10 lần Chất kết dính epoxy có độ

co ngót và biến dạng mỏi thấp, cũng nh sức đề kháng hoá học và chịu nhiệt cao Các

chất keo dán cũng đã đợc thử nghiệm có kết quả và đợc bán kèm với tấm polime cốt sợi các-bon (PCSC)

3 Nguyên tắc của phơng pháp gia cờng

Khả năng chịu uốn của cấu kiện cầu bê tông đợc nâng lên bằng cách gia cờng thêm cốt thép tại vùng chịu nén Trong phân tích theo dàn ảo, bản chất của cấu kiện cầu bê tông cốt thép đã đợc gia cờng đợc mô tả khá tốt, tấm PCSC đại diện cho dây chịu kéo đàn hồi theo đờng chéo Để cân bằng, nó phải đợc nối với dây chịu nén bằng các thanh giằng chịu kéo, mà cho đến nay chỉ đợc thực hiện bởi các tấm tấm thép gắn vào bề mặt; tấm thép này ôm chặt vào tấm PCSC và đợc định vị tại vùng chịu nén

Vì tấm PCSC thờng trải dài đến trớc trụ đỡ nên tại các trụ đỡ lực kéo của tấm tại điểm cuối của chiều dài phải đợc neo chặt vào vùng kéo

Việc thiết kế để chịu uốn đợc tiến hành nh đối với bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống có nhiều lớp cốt thép với giả thiết biến dạng phẳng (Hình 1) Để ngăn chặn sự phân tách của tấm với bê tông tại các vết nứt uốn và để tránh trạng thái tới hạn của cốt thép dới tải trọng khai thác, biến dạng của tấm cho phép tại trạng thái giới hạn cực đại không đợc phép vợt quá mức Các phép thử uốn và thử thẳng trục của tấm PCSC để gia cờng các mẫu BTCT cũng nh việc xem xét lý thuyết đã dẫn

đến các đề nghị sau đây về độ biến dạng cực đại của tấm :

εluεsy

εluεcu/2

trong đó :

εlu : biến dạng cực đại đối với thiết kế chịu uốn

εsy : biến dạng tới hạn của cốt thép trong

εcu : biến dạng kéo cực đại của vật liệu composit PCSC

Giá trị thấp hơn đợc áp dụng

Để duy trì yếu tố an toàn khu vực  = 1,0 trong trờng hợp tấm bị phá hủy do cháy, độ gia cờng Rs đợc giới hạn nh sau :

Rs = Muv/Muo 2

trong đó :

Muv : Momen uốn cực đại của thành phần đợc gia cờng

Muo : Momen uốn cực đại của thành phần không đợc gia cờng

Hình 1 : Biến dạng và lực của dầm BTCT đợc gia cờng bằng tấm PCSC

Thiết kế chống trợt cũng đợc tiến hành nh đối với thiết kế bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống, cụ thể là áp lực trợt cho phép phải đợc tính đến và cốt thép chống trợt phải đúng kích cỡ Cốt thép chống trợt ở ngoài phải ôm chặt vào tấm và phải đợc neo vào phần chịu nén (Hình 1) Do các nguyên nhân cân bằng trong mô hình kèo, cốt thép chống trợt ngoài là cần thiết, kể cả khi cốt thép chống trợt trong

đủ mạnh đối với các lực trợt tác động lên sau khi gia cờng Theo đó, việc thiết kế chống trợt phải đáp ứng hai yêu cầu sau:

1. Toàn bộ cốt thép trong và ngoài phải đủ số lợng và đúng kích cỡ để chống lại lực trợt ở trạng thái đã gia cờng

2. Cốt thép chống trợt ngoài phải đủ số lợng và đúng kích cỡ cho thành phần V1 của toàn bộ lực trợt, nó tơng đơng với phần hấp phụ lực kéo của tấm PCSC

4.Thiết kế để neo tại phần cuối tấm PCSC

4.1 Mô tả vấn đề

Lực kéo của tấm (PCSC) tuân theo lực kéo nh trong phép ngoại suy vì kèo (TA) Phân chia lực kéo của tấm trong toàn bộ lực kéo đợc xác định bằng tỷ lệ độ cứng-kéo giữa cốt thép trong và ngoài Tại các trụ cuối, tấm chạy dài cho đến trớc trụ đỡ, cụ thể là trong vùng kéo

4.2 Mô hình kỹ thuật của lực bám dính

Mô hình kỹ thuật của lực bám dính giữa cốt gắn kết và cấu kiện bê tông (của Holzempfer) đợc phát triển giành cho vật liệu tấm đàn hồi tự do (Holzenkampfer, 1994) Mô hình này đã chứng tỏ khả năng dự đoán đợc lực gắn kết cực đại của tấm

thép gắn vào bê tông Khả năng ứng dụng cho các tấm PCSC đã đợc khảo sát bằng phép thử độ gắn kết trong các mẫu gối kép Phép thử này biểu thị tơng đối tốt các

điều kiện truyền lực trong vùng neo các tấm PCSC Hình 2 cho thấy cách bố trí phép thử liên quan đến vùng neo

Hình 2: Neo tấm và bố trí phép thử độ bám dính

Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở phơng pháp cơ học phá hủy cho hiện t-ợng phá huỷ bê tông dòn kiểu II, với phơng trình vi phân về độ bám dính trợt là điều kiện tơng thích:

Với: s1: độ trợt khu trú giữa tấm và bê tông

K: hệ số liên quan đến tỷ lệ độ cứng của tấm/bê tông

E1: mođun đàn hồi của tấm

t1: độ dày của tấm

1(s1): áp suất bám dính là hàm số của s1

x: toạ độ

Phơng trình bám dính 1(s1) trong hình 3 mô tả hiện tợng trợt-bám dính tro hệ tấm-keo-bê tông; cạnh chéo lên biểu thị độ bám dính đàn hồi, cạnh dốc xuống biểu thị độ bám dính dẻo trong vết nứt tại nơi gắn kết trong bê tông Diện tích của tam giác biểu thị năng lợng gãy GF, cần thiết để làm bong các tấm gắn kết tại số khu vực

và ảnh hởng đến cờng độ bám dính Điều quan trọng cần ghi nhớ là 11, s11, s10 và GF

(4)

0

) s ( t E

K

dx

s

d

1 1 1 2

1

2

= τ

−

không phụ thuộc vào chiều dài bám dính l1 nếu nh chiều dài bám dính không nhỏ hơn giá trị cực đại lmax

Hình 3: Qui luật bám dính lý tởng của Holzenkampfer

Trong giả thiết mô hình Morh - Coulomb cho phá hủy bám dính, giá trị 1 đợc biểu thị bởi hàm số của cờng độ kéo fctm tại bề mặt của bê tông Độ trợt s11 và s10 đợc dẫn giải từ sự biến dạng thể tích của vùng bám dính Các kiểm tra cho thấy lực bám dính cực đại tăng cùng với độ dài bám dính mặc dù vậy sau độ dài bám dính riêng

lt,max, không có việc tăng nào đạt quá lực bám dính cực đại Tmax ( hình 3) Có thể suy luận nh sau :

GF = CF.fctm [Nmm/mm2]

Bằng cách nhân các hệ số kb và kc, các ảnh hởng của chiều rộng tấm liên quan tới chiều rộng của kết cấu bê tông và điều kiện mặt bê tông đợc xem xét đến Tích kbkc thờng vào khoảng 1,0

5 thiết kế gia cố sửa chữa dầm cầu chịu tải trọng ôtô 5.1 Giới thiệu chung:

Dầm BTCT tiết diện thay đổi, chịu 3 lực tập trung P1 = P2 = P3 = 110T

Cầu đã đợc xây dựng với tiêu chuẩn gia cố vĩnh cữu và các thông số kỹ thuật chủ yếu nh sau:

+ Khổ cầu: Phần cho ôtô là 7 m + 2x0.35 m

] N [ f

t E b k k 4 , 0

Tmax = b c 1 1 1 ctm

[mm]

f

4

E l

ctm

1 max

,

+ Tải trọng thiết kế : Đoàn xe H18 xe xích X60,ngời đi bộ 300kg/m2.

Phần dầm dài 17.4m,có chiều cao 2.1m dùng bê tông mác 300

Cầu đợc xây dựng từ cuối năm 1999 đến nay đã hoàn thành Tuy nhiên, tại các dầm đã xuất hiện các vết nứt thẳng đứng và các vết nứt xiên có chiều rộng từ 0,15 đến 0,5 mm có chiều sâu từ 7 đến 13 cm, dới tác dụng của tĩnh tải và tải trọng thi công ( Hình 4)

Theo yêu cầu của Bộ Giao thông Vận tải, chúng tôi đã lập giải pháp sử dụng tấm polime cốt sợi các-bon (PCSC) để sửa chữa nh sau :

5.2 Giải pháp kỹ thuật:

Các căn cứ:

+ ý kiến của các chuyên gia trong ngành cầu về nguyên nhân xuất hiện các vết nứt trên các dầm xà mũ trụ

+ Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của Trung tâm NCTV và TNCT

về ứng dụng vật liệu mới để tăng cờng và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép

Các giải pháp kỹ thuật:

Theo các căn cứ trên,đề nghị các các giải pháp kỹ thuật nh sau:

+ Hạn chế sự tiếp tục phát triển của các vết nứt bằng cách ở mỗi mặt bên của dầm xà mũ trụ tiến hành:

- Dán hai băng tấm sợi các bon có kích thớc 60 x 1.4mm (Sika Carbodur 614) chạy suốt mặt bên bản bụng (dài 17.4m)

- Dán hai băng tấm sợi các bon có kích thớc 60 x 1.4mm (Sika Carbodur 614) chạy hết mặt bên trong phạm vi phần vuốt của bụng dầm(dài 7.5m)

- Dán bốn băng tấm sợi các bon có kích thớc 60 x 1.4mm (Sika Carbodur 614) ở mặt bên chạy song song cạnh vuốt của bụng dầm(dài 2.5m)

- Trát phủ lên toàn bộ các tấm sợi cac bon một lớp phủ Sika Mono Top

610 để bảo vệ các tấm sợi khỏi ảnh hởng của ánh nắng mặt trời ( Hình 5)

+ Bảo vệ vật liệu bê tông và cốt thép chống xâm thực của môi trờng bằng cách:

- Bơm keo Epoxy biến tính bịt kín các vết nứt ,vị trí các lỗ bơm cách nhau 20 cm dọc theo chiều dài vết nứt

- Quét phủ toàn bộ bề mặt dầm xà mũ trụ bằng một lớp Sika Mono Top 610 có chiều dày 1.5 mm

+ Tiếp tục theo dõi sự biến đổi của các vết nứt sau khi sửa chữa trong

5.3 Quy trình công nghệ thi công

Công nghệ thi công tiến hành theo các bớc nh sau:

Bớc 1: Đục bê tông tạo dải trên bề mặt bụng dầm theo kích thớc

65x2.5mm (rộng x sâu)

Bớc 2: Tạo phẳng bề mặt đáy rãnh,vệ sinh khô sạch sẽ

Bớc 3: Phủ lớp dính kết bằng Sikadur - 30 lên đáy rãnh,tạo phẳng Theo

đúng hớng dẫn sử dụng của sản phẩm

Bớc 4: Dán lớp tăng cờng Sika CarboDur 614.Theo đúng hớng dẫn sử

dụng của sản phẩm

Bớc 5: Trát phủ lấp đầy rãnh tạo phẳng mặt ngoài dầm và bảo vệ tấm Sika

CarboDur 614 bằng Sika Mono Top 610 Theo đúng hớng dẫn sử dụng của sản phẩm

Bớc 6: Vệ sinh sạch sẽ toàn bộ bề mặt dầm,quét phủ toàn bộ bề mặt dầm

bằng Sika Mono Top 610.Theo đúng hớng dẫn sử dụng của sản

phẩm

Bớc 7: Bảo dỡng và hoàn thiện

Dây chuyền công nghệ nói trên đợc thực hiện đối với từng mặt bên của dầm.Trong qúa trình thi công của 1 dây chuyền công nghệ hạn chế các loại xe ôtô qua cầu

kết luận

1. Tăng cờng cầu bằng tấm polime cốt sợi các-bon đảm bảo về cờng độ, độ dính bám và an toàn chống ăn mòn cho cầu BTCT

2 Biện pháp này là một biện pháp có triển vọng nên áp dụng

Tài liệu tham khảo

1. Thiết kế kết cấu bê tông đợc gia cờng mặt ngoài bằng tấm polime cốt sợi các-bon (PCSC).

2. Hội thảo khoa học về polime cốt sợi các-bon sửa chữa cầu - Hà nội 2000.

3. Hồ sơ thiết kế sửa chữa cầu chịu tải trọng ôtô bằng tấm polime cốt sợi các-bon (TTV-2001- Hà nội).

4. Phạm Duy Hữu - Tổng kết đề tài nghiên cứu dán bản thép tăng cờng cầu đờng sắt

ĐHGT - Hà nội - 1997.