Ts phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi viết trình bμy về hiệu quả gia cường vμ thiết kế gia cường kết cấu BTCT được gia cường bằng hệ Polime sợi các bon vμ ứng
Trang 1tấm polyme sợi các bon (PCSC) vμ ứng dụng
pgs Ts phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi viết trình bμy về hiệu quả gia cường vμ thiết kế gia cường kết cấu BTCT
được gia cường bằng hệ Polime sợi các bon vμ ứng dụng
Summary: Efficient Srtengthening an Design Aspects of concrete Structure Strengthened
with Externaly Bonded Polime Carbondur (PCSC) and application
1 Tổng quát về Polime sợi các bon
tăng cường kết cấu BTCT
Các kết cấu cầu, cảng, hầm BTCT sau
thời gian khai thác có thể bị hư hỏng hoặc
không phù hợp với yêu cầu sử dụng về khả
năng chịu lực, về quy mô Khi đó cần sửa
chữa, nâng cấp và cải tạo lại cho phù hợp
Những công trình suy giảm khả năng chịu
lực cần sử dụng các giải pháp về kết cấu: dự
ứng lực ngoài, tăng cường cốt thép, tăng
cường bằng hệ Polime - bản thép Các giải
pháp này đâ được sử dụng rộng rãi ở Việt
Nam và có hiệu quả
Tuy nhiên các giải pháp trên thường yêu
cầu thời gian thi công kéo dài và vấn đề quan
trọng nhất là phải bảo vệ các vật liệu thép mới
gia cường sẽ rất khó khăn
Hiện nay trên thế giới đang sử dụng giải
pháp gia cường kết cấu BTCT bằng hệ Polime
sợi các bon (PCSC) có hiệu quả
Tấm mỏng Polime cốt sợi các bon ngày
càng thay thế tấm mỏng để gia cường cho kết
cấu bê tông Theo phép phân tích kết cấu bê
tông,kiểu dàn, mép của tấm PCSC phải được
neo vào khu vực chịu nén của bê tông theo
hướng của các lực kéo Tấm gia cường bằng
PCSC có thể bị phá vỡ do sự phá vỡ của đô
bám dích dọc cùng với sự rạn nứt của bê tông
Kiểm tra về độ dính bám đã chỉ ra rằng mô hình trước đây về độ dính của thép với bê tông
có thể thích ứng được cho tấm PCSC
Trong 10 năm qua việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Polime sợi các bon để gia cường kết cấu BTCT đã được triển khai ở Châu Âu, Mỹ, Nhật và Châu á Vào năm 2001
đã được nghiên cứu tại Việt Nam do nhóm nghiên cứu của trường Đại học Giao thông vận tải thực hiện
Việc gia cường các kết cấu bê tông bằng cách dán tấm thép tại mặt ngoài là một công nghệ đã được áp dụng ở Việt Nam Bất lợi của công nghệ là nguy cơ tấm thép có thể bị ăn mòn tại vùng tiếp giáp và trọng lượng các tấm thép còn nặng khi thi công khó ép chặt tấm thép vào mặt bê tông Các tấm PCSC mỏng, nhẹ và cường độ cao có ưu thế hơn tấm thép Tấm PCSC có tính chất hợp lý về độ bền lâu, mỏi và ăn mòn
Về nguyên tắc đảm bảo độ bám dính cần thiết giữa bê tông và tấm gia cường sợi các bon được thông qua các mối tiếp giáp bằng epoxy là yêu cầu bắt buộc đối với kết cấu
được gia cường Để thiết kế, cần phải biết lực bám dính tối đa và kiểm rạn nứt Ngoài các kiểu rạn nứt như đã quan sát thấy đối với tấm thép, tấm PCSC có thêm kiểu rạn nứt khác, mô hình về cường độ dính bám giữa bê tông với PCSC đã được xác định [1]
Trang 2Các kiểm tra gần đây do EMPA (Viện
kiểm định và nghiên cứu vật liệu Liên bang
Thụy Sỹ) tiến hành đã đưa ra kết quả về khả
năng gia cường kết cấu và tăng cường chống
trượt bằng tấm Polime cốt sợi các bon hình
chữ L [2]
2 Tấm Polime sợi các bon (PCSC)
2.1 Tấm PCSC
Tấm PCSC được chế tạo theo phương
pháp keo tẩm Theo phương pháp này sợi các
bon được chạy qua bể keo êpoxy và qua các
lò hấp để làm cứng
Cấu trúc PCSC gồm 2 phần: cấu trúc
nền và cấu trúc sợi
- Nền là êpoxy - Sợi là sợi các bon
- Sợi các bon có E = 240 - 900 MPa
- Cường độ kéo khoảng 3000 - 4000 MPa
khi kéo dọc sợi
Các sợi các bon được đặt chủ yếu theo
chiều dọc trên nền êpoxy, các sợi ngang ít
hơn tạo thành thảm dệt ô vuông Các sợi các
bon này tạo ra sức kéo của tấm PCSC theo
chiều dọc rất tốt còn cường độ kéo ngang của
tấm PCSC rất yếu
Tấm PCSC có độ dày 1,2 - 1,4, chiều
rộng 50 - 120 mm Chứa 60 - 70 % (theo thể
tích) sợi các bon với đường kính khoảng
1/5000 mm được dải theo hướng nhất định
trong thảm êpoxy Số lượng sợi các bon từ
1,3 - 2 triệu sợi trong 1 tấm, chiều dài cuộn
PCSC từ 250 – 500 m
Tấm PCSC có mô đun đàn hồi 150 – 230
MPa, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là
tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá huỷ
Trong khi thiết kế mặc dù vai trò của cường độ
nền êpoxy đối với cường độ tấm là không
đáng kể nhưng cường độ kéo khoảng 60 - 90
MPa, cao hơn rất nhiều so với cường độ bê
tông, đảm bảo để chuyển tải các ứng suất
bám dính Nền êpoxy phải có độ biến dạng cực đại cao để đảm bảo sức chịu tải của sợi
đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm
Đặc tính của PCSC xem ở bảng1
Bảng 1
Đặc tính của tấm Polime sợi cacbon
S M H
Dur S
Carbo Dur M
Carbo Dur H Môđun đàn hồi,
Cường độ kéo,
Độ biến dạng tại
Giá thành, đ/m dài 325.000 620.000 420.000
2.2 Keo dính kết
Phần lớn keo dính là êpoxy hai thành phần trộn với cốt liệu, cường độ kéo lớn hơn
30 MPa vượt hơn bê tông gấp 10 lần Chất kết dính này có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp, sức đề kháng hoá học tốt và chịu được nhiệt
độ cao Chất kết dính êpoxy với các tính năng trên thích hợp cho việc gắn kết tấm PCSC với mặt ngoài bê tông nhờ lực dính vật lý
Lực dính vật lý được tạo ra bởi sức hút phân tử giữa keo và vật liệu bê tông Cường
độ của các lực này phụ thuộc vào độ sạch và nhám của bề mặt bê tông Bề mặt bê tông
được làm sạch lại bằng nước nóng và axêtôn Bằng cách làm nhám bề mặt có thể đạt được các chốt dính cơ học giữa chất keo và vật gắn kết
Hiện nay thông thường sử dụng keo êpoxy hai thành phần (Sikadur 30 – 33) và rắn chắc tốt ở vùng không nắng, nhiệt độ từ
25 – 30oC Qua nghiên cứu cho thấy ở Việt Nam nhiệt độ từ 15oC đến 35oC là nhiệt độ lý tưởng cho việc thi công [3]
Trang 33 Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu
BTCT gia cường cường bằng
Polime sợi các bon (PCSC)
3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là để
quan sát dạng phá hoại kết cấu đã gia cường
sợi các bon, chiều dài của tấm Polime sợi các
bon, khả năng chịu lực của kết cấu được xét
thông qua hệ số tăng cường:
0
g B
P
P
K = , trong đó:
Pg – lực gây mô men có tăng cường bằng
PCSC;
Po – lực gây mô men ở mẫu không gia
cường
Hệ số tăng cường về độ võng:
0
g v
f
f
K = ,
trong đó: fg, fo - độ võng ở trạng thái 0 và trạng
thái có tăng cường
Hệ số tăng cương về ứng suất:
0
g
K σ
σ
=
σ ,
trong đó:
σg - ứng suất của mẫu có gia cường;
σo - ứng suất của mẫu không gia cường
3.2 Thực nghiệm
Mẫu thử là dầm BTCT với bê tông M30
tuổi 28 ngày với kích thước mẫu 10x10x60 cm
(mẫu chuẩn theo TCVN và Quốc tế) Mộu có
cốt thép 4Φ10 và cốt thép đai Φ6 với a = 10
cm
Xi măng Hoàng Thạch PC40 cốtl iệu đã
kiểm tra phù hợp với tiêu chuẩn TCVN
Tấm Polime sợi các bon: loại M; b = 6 cm; h = 1,4 mm (M614)
Keo liên kết: Sikadur30 Tấm Polime được dán với chiều dài tấm Polime sợi các bon là 25; 40; 51 cm
Tốc độ đặt tải từ 0 – 100 KN và thay 10
KN 1 đợt Sau khi thí nghiệm trên 40 mẫu thử tại phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng - Đại học GTVT Việt Nam
Căn cứ vào quan hệ giữa tải trọng và độ võng, quan hệ giữa tải trọng và biến dạng với chiều dài lớp PCSC, có thể xác định các hệ số
Kb,Kv,Kσ theo kết quả ghi ở bảng sau:
Bảng 2
Hệ số tăng cường kết cấu
Hệ số
0
1
2
3
Không dán
1 1,1 1,4 1,6
1 0,88 0,66 0,625
-
1 1,2 1,33
Như vậy khi chiều dài của tấm PCSC tăng thì hệ số tăng cường đạt tối đa 1,6 về lực
và 1,33 về ứng suất và biến dạng
Về trị số ứng suất khi lớp dưới của bê tông đã xuất hiện ứng suất kéo max σKmax = 50 daN/cm2 thì ứng suất đo được trong bản PCSC chỉ đạt tối đa khoảng 80 MPa, tức là chỉ
đạt khoảng 5 – 7% ứng suất kéo tối đa của PCSC
Các dạng phá hoại mẫu thử thường tập trung ở ba hiện tượng sau:
* Vết nứt: Vết nứt xuất hiện thường ở phạm vi ngoài vùng tăng cường tấm Polime sợi các bon Sau đó phát triển thẳng lên và có
xu hướng làm bật lớp bê tông ở phía dưới tấm Polime sợi các bon
Trang 4* Bê tông ở vùng chịu nén dưới điểm đặt
tải thường bị phá hoại sau khi xuất hiện vết
nứt ở vùng kéo, tấm Polime sợi các bon không
bị bong ra
* Trạng thái phá hoại cuối cùng là dầm bị
phá hoại theo mặt nghiêng ở vị trí gối kê hoặc
ở ngoài vùng có dán tấm Polime cốt sợi Điều
này chứng tỏ việc gia cường là có hiệu quả
đến dạng phá hoại
4 Nhận xét về kết quả thực nghiệm
vμ kiến nghị về thiết kế kết cấu
Qua nghiên cứu thực nghiệm cho thấy
rằng:
* Hệ số Kb nên chọn từ 1,3 – 1,4 để đảm
bảo có thể tăng cường khả năng chịu kéo mà
phần chịu nén chính bị phá hoại
* Tấm bản Polime sợi các bon có độ dính
bám cao với bê tông và làm việc chung với bê
tông tốt
* Do hiện tượng phá hoại bật lớp bê tông
ở dưới tấm PCSC nên các kết cấu đặc biệt để
chống việc này vẫn còn cần nghiên cứu tiếp
tục
* ứng suất ở trong bê tông vùng nén và
vùng kéo (giả định) phù hợp với ứng suất đo
được trong bê tông
Vì lớp Polime sợi các bon có cường độ
quá cao, nên ứng suất sử dụng trong tấm
thường là thấp, R = 70 – 80 MPa chiếm 3,5%o
– 5%o so với ứng suất phá hoại của tấm
Polime Trong các thiết kế kết cấu theo chiều
ngang nên bố trí các tấm có khoảng cách nhất
định: khoảng cách này ít nhất là 2b (b – bề
rộng của tấm) và thông thường có thể đến 15
– 20 cm để khai thác hết khả năng chịu lực
của tấm Polime sợi các bon và đảm bảo tính
kinh tế cho giải pháp gia cường
Theo chiều dài kết cấu các tấm: tăng cường nên bố trí theo chiều dài của kết cấu vì nếu không các vết nứt có thể thay đổi vị trí ra ngoài phần đã gia cường Trong trường hợp là kết cấu dầm khoảng 40 – 50 cm nên bố trí một nẹp để tăng cường khả năng dính bám của tấm PCSC với dầm bê tông Còn với kết cấu bản thì không cần bố trí
5 Kết luận
Từ nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng:
* Hệ số tăng cường có thể đạt từ 1,3 - 1,5
* Các khu vực phá hoại nằm ở ngoài phạm vi gia cường bằng tấm Polime sợi các bon
* Về phương diện thiết kế có thể áp dụng các giả thiết và phương pháp tính của kết cấu
bê tông Vì cường độ của tấm Polime sợi các bon rất cao nên bố trí thành các dải cách nhau ít nhất là 2b để giảm giá thành gia cường
* Có thể sử dụng Polime sợi các bon gia cường bản và dầm BTCT
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu ứng dụng Polime sợi các bon
sửa chữa cầu Báo cáo đề tài NCKH 2001 – Bộ Giáo dục và Đào tạo
[2] Các nghiên cứu và phát triển mới nhất về gia cường kết cấu bằng công nghệ gắn kết tấm Polime sợi các bon (PCSC) (The latesr R and D
in Structural Strengthening with Bonded CFRP Plates)
[3] Phương diện thiết kế kết cấu bê tông được gia cường mặt ngoài bằng tấm Polime sợi các bon (tấm PCSC) (Design Aspects of Concrete Struture Strengthened with Externally Bonded CFRP Plates) Ă