Phân tích các hiện tượng vết nứt kết cấu nhịp cầu bêtông cốt thép và nghiên cứu các giải pháp xử lý bằng chất dẻo có cốt sợi

Sự cần thiết của Đề tài được thể hiện qua các luận điểm sau đây: - Phân tích các hiện tượng vết nứt kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép để có thể dùng các biện pháp thích hợp tương ứng vớ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN MINH KHÁNH

PHÂN TÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG VẾT NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI

PHÁP XỬ LÝ BẰNG CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI

CHUYÊN NGÀNH: CẦU, TUYNEL VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

KHÁC TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT MÃ SỐ NGÀNH: 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2003

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Người hướng dẫn khoa học 1:

TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

Người hướng dẫn khoa học 2:

TS BÙI ĐỨC TÂN

Người chấm phản biện 1 :

Người chấm phản biện 2 :

Luận văn được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày …… tháng …… năm …………

Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH KHÁNH

Ngày sinh: 26/8/1975

Nơi sinh: Nam Định

Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình xây dựng khác trên đường ôtô và

đường sắt

1 TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG VẾT NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ BẰNG CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

6 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS BÙI ĐỨC TÂN

7 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 :

8 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2 :

Nội dung và đề cương của Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

TS LÊ VĂN NAM

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin được bày tỏ sự biết ơn thầy cô hướng dẫn là TS Bùi Đức Tân và TS Lê Thị Bích Thuỷ người đã chắp cánh giúp tôi lựa chọn và thực hiện ý tưởng đề tài Những lời khuyên quý báu và sự hướng dẫn tận tình của thầy cô đã giúp tôi thực hiện luận văn này Mặc dù có gặp khó khăn trong quá trình lựa chọn và thực hiện đề tài, nhưng sự động viên và hướng dẫn của thầy cô đã góp phần rất lớn giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại Học, Khoa Xây Dựng, các thầy, các cô đã tổ chức chương trình đào tạo sau đại học và trực tiếp tham gia giảng dạy Tôi cũng xin chân thành cám ơn thầy PGS.TS Nguyễn Xuân Vinh, TS Lê Văn Nam và PGS.TS

Nguyễn Viết Trung đã cho tôi những lời khuyên quý báu

Chương trình đào tạo và những lời khuyên quý báu đó đã giúp tôi tiếp thu được những kiến thức mới góp phần cho tôi hoàn thành luận văn này

Đồng thời, tôi xin cám ơn các thầy cô, các bạn đồng nghiệp của Khu Quản lý giao thông đô thị, các bạn trong ngành đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi trong quá trình thực hiện luận văn Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình tôi đã hỗ trợ rất nhiều cho tôi khi thực hiện luận văn này

Kính gửi đến Quí Thầy Cô lời chúc sức khỏe và hạnh phúc

Học viên cao học

Nguyễn Minh Khánh

SUMMARY OF THE THESIS

TITLE: ANALYSING PHENOMENA OF CRACKS IN REINFORCED CONCRETE

SPAN STRUCTURES OF BRIDGE AND RESEARCHING METHODS TO TREAT WITH FIBER REINFORCED POLYMERS

ASTRACT:

Cracks always exist in every reinforced concrete structure with various states

It badly affects serviceability and longevity of structures, especially bridges due to the bridges are often outside, directly acted by trucks, raining, shining and chemicals Researching well the cracks’ state and cause allows to reach the best treating-crack method

The cracks exist due to concrete’s low tensile stress On the other hand, fiber reinforced polymers’ tensile stress is very high So, we could apply fiber reinforced polymer to strengthen reinforced concrete structures for stressing tension

The fiber reinforced polymers have advantages that other materials couldn’t reach, such as very high tensile stresses (about more ten times of conventional steels’stress), low self–weight , unlimited dimentions, short time of installing, unreduced clearance, high longevity However, cost of the installing is little high This is easy to understand, because fiber reinforced polymers haven’t been manufactured and popular in Viet nam

If a crack is not due to load (the self- weight, trucks, …), need to treat by conventional equipment and adhesive to rehabilitate concrete’s strength, protect steel and solidify the structures The kind of this treatment is called treating substrate

of the concrete

For caused-by-load cracks, the structures is firstly treated by treating substrate

of the concrete Then we carry out to work fiber reinforced polymer (with pre-stress

or without pre-stress, depending on the situation of cracks) after finishing caculating treatment with fiber reinforced polymers

There are maybe some of the caculation methods of steel bolt-plate anchors for applying fiber reinforced polymers, that the author haven’t approached Therefore, the author offer a caculation methods of steel bolt-plate anchors However, the friction factor  between the anchor’steel plates and the fiber reinforced polymers haven’t been determined, because conditions of time and finance are limited

Finally, the author proposal that installing of the fiber reinforced polymers should be carry out for a certain bridge in Ho Chi Minh city after finishing caculating technical-economic data of the repair work

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1

A TÌNH HÌNH GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ Ở VIỆT NAM 1

I Đặc điểm điều kiện tự nhiên của Việt nam 1

1.Về vị trí địa lý: 1

2.Về khí hậu: 1

II Hiện trạng và phương hướng phát triển mạng lưới giao thông vận tải đường bộ của Việt nam: 1

III Bối cảnh các công trình cầu hiện có trên đường bộ của Việt nam: 2

B LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3

1.Trạng thái giới hạn cường độ và ổn định: . 3

2.Trạng thái giới hạn sử dụng: . 3

3.Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại dòn: . 3

4.Trạng thái giới hạn đặc biệt: . 3

C SỰ CẦN THIẾT CỦA VIỆC PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ XỬ LÝ VẾT NỨT BẰNG CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI 3

I Vết nứt- vấn đề luôn tồn tại của mọi kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép 3

II Sự cần thiết của đề tài 4

III Các nghiên cứu và ứng dụng về xử lý vết nứt kết cấu nhịp bê tông cốt thép đã có ở nước ta 5

IV Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

CHƯƠNG II : CÁC LOẠI VẾT NỨT VÀ NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 7

I SƠ LƯỢC VỀ BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP 7

1 Đặc điểm, tính chất của vật liệu bê tông: 7

a) Khi ở trạng thái pha dẻo 7

b) Khi ở trạng thái pha đang cứng 8

c) Khi ở trạng thái pha đã cứng 8

2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu thép: 9

a) Thành phần hoá học, cấu tạo của cốt thép 9

b) Sự ăn mòn cốt thép 9

c) Các giai đoạn làm việc của cốt thép chịu lực 10

3 Sự làm việc đồng thời của bê tông và thép: 10

a) Nguyên lý làm việc tương hỗ của kết cấu BTCT chịu lực: 10

b) Sự bảo vệ cốt thép của bê tông 11

II CÁC LOẠI VẾT NỨT VÀ NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH TRONG KẾT CẤU NHỊP BTCT: 11

A Các hình minh hoạ một số loại vết nứt: 11

B Phân loại vết nứt theo phương diện hình học- vị trí: 13

1 Vết nứt ngang kết cấu nhịp cầu 13

2 Vết nứt dọc kết cấu nhịp cầu 13

3 Vết nứt theo chiều đứng kết cấu nhịp cầu 14

4 Vết nứt chéo kết cấu nhịp cầu 14

5 Vết nứt góc kết cấu nhịp cầu 14

6 Vết nứt mép kết cấu nhịp cầu 14

C Phân loại vết nứt theo phương diện lực gây ra 14

1 Vết nứt do moment uốn ở kết cấu nhịp cầu 14

2 Vết nứt do lực cắt ở kết cấu nhịp cầu 15

3 Vết nứt do moment xoắn ở kết cấu nhịp cầu 15

4 Vết nứt do lực kéo hoặc nén ở kết cấu nhịp cầu 15

D Phân loại vết nứt theo các tác nhân khác gây ra 15

1 Vết nứt do sự co rút dẻo của bê tông ở kết cấu nhịp cầu 15

2 Vết nứt do sự lún dẻo, chảy dẻo của bê tông mới thi công ở kết cấu nhịp cầu 15

3 Vết nứt do sự lún không đều của hệ đỡ 16

4 Vết nứt do sự dịch chuyển bê tông bởi sự chênh lệch nhiệt độ phản ứng hoá học của bê tông ở kết cấu nhịp cầu 16

5 Vết nứt do sự quá tải ở kết cấu nhịp cầu 16

6 Vết nứt do thiết kế không đủ chịu lực ở kết cấu nhịp cầu 16

7 Vết nứt do quá trình thi công có sai sót 16

8 Vết nứt do sự phân bố cốt thép không hợp lý ở kết cấu nhịp cầu 17

9 Vết nứt do nhóm Sunfat có tác động xấu trở lại đối với ximăng ở kết cấu nhịp cầu.17 10 Vết nứt do cốt thép bị gỉ 17

11 Vết nứt do sử dụng vật liệu không đúng theo tiêu chuẩn thiết kế đề ra 17

12 Vết nứt do thời tiết tác động lên kết cấu nhịp cầu 17

E Phân loại vết nứt theo trạng thái của nó 18

1 Vết nứt cố định 18

2 Vết nứt hoạt động 18

F Phân loại vết nứt theo kích thước 18

1 Vết nứt nhỏ 18

2 Vết nứt vừa 18

3 Vết nứt rộng 19

4 Vết nứt rất rộng 19

G Phân loại vết nứt theo mức độ xuyên theo chiều sâu 19

1 Vết nứt xuyên qua kết cấu 19

2 Vết nứt xuyên lưng chừng kết cấu 19

CHƯƠNG III : VẬT LIỆU CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI 20

I Giới thiệu chung 20

II Vật liệu chất dẻo có cốt sợi 20

1 Giới thiệu về vật liệu chất dẻo có cốt sợi 20

1.1 Khái quát về vật liệu chất dẻo có cốt sợi 20

1.2 Vật liệu chất dẻo có cốt sợi 21

1.3 Các dạng lực tác động lên vật liệu CDCCS 22

2 Các nhóm chất liệu được sử dụng trong vật liệu CDCCS 23

2.1 Nhóm chất liệu cốt sợi chịu lực 24

2.2 Nhóm chất liệu nhựa 26

2.3 Nhóm vật liệu độn 30

2.4 Nhóm vật liệu phụ gia 31

2.5 Nhóm vật liệu keo dán 32

2.6 Nhóm vật liệu phủ ngoài 31

3 Các tính chất cơ bản của vật liệu tấm CDCCS 32

3.1 Tính chất cơ học của sợi trong tấm 33

3.2 Hướng sợi trong tấm CDCCS 34

4 Các dạng vật liệu CDCCS 37

4.1 Dạng tấm hoặc dải CDCCS 38

4.2 Dạng miếng CDCCS 39

4.3 Dạng băng CDCCS 39

4.4 Dạng thanh nẹp CDCCS 39

4.5 Dạng thanh dài CDCCS 40

5 Một số dụng cụ được sử dụng trong phương pháp thi công gia cố, sửa chữa bằng CDCCS 41

6 Một số loại vật liệu tấm CDCCS dùng trong gia cố, sửa chữa công trình bê

tông cốt thép 42

6.1 Nhóm vật liệu tấm CDCCS MbraceTM 42

6.2 Nhóm tấm vật liệu CDCCS Replark 42

6.3 Nhóm tấm vật liệu CDCCS Sika 43

6.4 Nhóm tấm vật liệu CDCCS Tyfo 44

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ TIẾN HÀNH XỬ LÝ VẾT NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT BẰNG CDCCS 45

A.TÍNH TOÁN XỬ LÝ 45

I Giới thiệu chung 45

II Các mô hình phá hoại 45

1 Các mô hình phá hoại uốn của dầm BTCT gia cố bằng CDCCS 45

2 Các mô hình phá hoại cắt của dầm BTCT gia cố bằng CDCCS 48

Các ký hiệu sử dụng trong các công thức tính toán trong chương này 51

III Tính toán tăng cường khả năng chịu uốn cho dầm BTCT gia cố bằng CDCCS .54

1 Tổng quan 54

2 Các giả thiết và yêu cầu khi tính toán khả năng chịu uốn dầm gia cố bằng CDCCS .55

2.1 Các giả thiết khi tính toán thiết kế khả năng chịu uốn dầm gia cố bằng CDCCS 55

2.2 Các yêu cầu khi khi tính toán thiết kế khả năng chịu uốn dầm gia cố bằng CDCCS .55

3 Khả năng chịu uốn của dầm BTCT gia cố bằng CDCCS theo BS 8110 (1997) 56

4 Khả năng chịu uốn của dầm BTCT gia cố bằng CDCCS theo ACI 318-95 (1999) 59

5 Tính toán kiểm tra lực liên kết và chiều dài đoạn liên kết neo của dải dán CDCCS .63

5.1 Tính toán kiểm tra lực liên kết của dải dán CDCCS 63

5.2 Chiều dài đoạn liên kết neo của dải CDCCS 63

6 Tính toán liên kết neo trong việc tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách dán CDCCS UST 64

IV Tính toán tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm BTCT gia cố bằng CDCCS 68

1 Tổng quan 68

2 Tính toán khả năng chịu cắt của dầm BTCT gia cố bằng CDCCS theo tiêu chuẩn Anh BS 8110 (1997) 69

3 Khả năng chịu cắt dầm BTCT gia cố bằng CDCCS theo ACI 318-95 (1999) 71

4 Khả năng chịu cắt dầm BTCT gia cố bằng CDCCS theo EuroCode 2 (hệ Châu Aâu) 72

5 Tính toán chiều dài mối nối của dải CDCCS 73

B TIẾN HÀNH XỬ LÝ VẾT NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT BẰNG DẢI CDCCS 74

I Bước nền 74

1 Chuẩn bị vật liệu 74

2 Thao tác xử lý 75

II Bước gia cường 78

1 Giới thiệu chung 78

2 Thi công vật liệu CDCCS 80

3 Neo dải, tấm CDCCS 88

III Bước hoàn thiện 91

C SO SÁNH SƠ BỘ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT BẰNG CDCCS VỚI BẢN THÉP VÀ CÁP UST CĂNG NGOÀI 92

I Ví dụ tính toán sơ bộ đối với từng phương pháp 92

1 Ví dụ tính toán gia cố dầm cầu BTCT bằng CDCCS dán 92

2 Ví dụ tính toán gia cố dầm cầu BTCT bằng bản thép dán 94

3 Ví dụ tính toán gia cố dầm cầu BTCT bằng cáp UST căng ngoài 95

II So sánh sơ bộ hiệu quả của các phương pháp 95

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 97

PHỤ LỤC 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG.

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

A TÌNH HÌNH GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ Ở VIỆT NAM

I Đặc điểm điều kiện tự nhiên của Việt nam

1 Về vị trí địa lý:

Lãnh thổ Việt nam trải dài từ phía Nam của Trung quốc đến vịnh Thái lan, nằm trong khu vực Châu Á- Thái Bình Dương, là một trong những khu vực phát triển năng động nhất thế giới, trên các tuyến giao thông quốc tế quan trọng Dọc theo lãnh thổ, phía Đông là biển, phía Tây giáp Lào và Cămpuchia Việt nam có nhiều đồi núi, đặc biệt là vùng phía Tây Bắc Do đó vùng này có số trận động hoặc địa chấn xảy ra nhiều hơn các vùng khác của Đất nước, dễ gây hư hỏng nứt nẻ kết cấu nhịp cũng như các kết cấu khác của cầu Lãnh thổ Việt nam là một phần địa lý mà tuyến đường Xuyên Á sẽ đi qua; tuyến đường này nhằm quốc tế hoá, phát triển kinh tế- văn hoá- xã hội của khu vực cũng như toàn thế giới

Nằm trong vùng nhiệt đới,độ ẩm cao và có bờ biển dài dọc suất chiều dài Đất nước, nên các công trình nói chung, đặc biệt là các công trình cầu tiếp xúc trực tiếp với môi trường tự nhiên dễ bị xâm thực, ăn mòn cốt thép với mức độ cao gây nứt nẻ, phá hoại công trình Do đặc điểm này, cần xem xét các biện pháp để khai thác và bảo vệ công trình sao cho có hiệu quả cao nhất

2 Về khí hậu:

Miền Bắc có bốn mùa: mùa xuân, mùa hạ, mùa thu và mùa đông Thường thường, nhiệt độ rất nóng vào mùa hạ, lạnh vào mùa đông Do đó khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai mùa là tưong đối lớn Điều này ảnh hưởng ít nhiều đến tuổi thọ công trình cũng như công tác duy tu bảo dưỡng và gia cố công trình cầu

Miền Nam có hai mùa rõ rệt: mùa nắng và mùa mưa Trong mùa mưa nhiệt độ có thể khá cao, song các cơn mưa bất chợt thường ập tới rất nhanh chóng Sự chênh lệch nhiệt độ khá lớn chỉ trong thời gian ngắn thường phát sinh ứng suất trong kết cấu cầu, đặc biệt là kết cấu nhịp chịu tác động trực tiếp của các tác nhân mưa nắng

Do đó đây là một trong những nguyên nhân gây ra các vết nứt có thể xuất hiện trên kết cấu nhịp cầu

Hai nửa miền Trung giáp hai miền Nam-Bắc chịu ảnh hưởng trực tiếp về đặc điểm khí hậu của hai miền đó Mặt khác, miền Trung có mật độ diện tích đất liền tiếp xúc với biển là lớn hơn cả hai hai miền Bắc và Nam, nên chịu tác động của ăn mòn lơn hơn cả

II Hiện trạng và phương hướng phát triển mạng lưới giao thông vận tải đường

bộ của Việt nam:

Hiện nay, nước ta có khoảng 18000km cầu đường các cấp, chưa kể một số loại đường chuyên dụng như đường khu công nghiệp, đường lâm nghiệp, …; riêng thành phố Hồ Chí Minh có tới 1702km cầu đường Do vị trí lãnh thổ nằm dọc bờ biển nên các công trình cầu có mật độ tương đối lớn về giao thông so với các nước khác trong khu vực Đặc biệt, phía Nam có hệ thống kênh rạch chằng chịt, nên có tỷ trọng về số công trình cầu trên diện tích là lớn nhất trong nước, cụ thể thành phố Hồ Chí Minh có tới khoảng 17km cầu, chưa kể hàng loạt cầu đang được xây dựng Những năm gần đây, tốc độ đầu tư và xây dựng cơ sở hạ tầng của nước ta đang diễn ra rất nhanh Số vốn đầu tư theo số liệu thống kê chiếm khoảng 40 – 45% ngân sách của nhà nước Điều đó nói lên sự quan tâm của nhà nước đối với việc xây dựng

cơ bản, đồng thời đề ra trách nhiệm nặng nề đối với những người làm công tác thiết kế nói riêng và thi công xây dựng công trình nói chung nhất là đối với xây dựng các công trình cầu đường là một bộ phận mà lượng vốn đầu tư xây dựng chiếm tỉ trọng lớn Hàng loạt dự án lớn đã, đang và sẽ triển khai như Dự án đường Hồ Chí Minh, Dự án đường xuyên Á, đường 5 Hà Nội – Hải Phòng, Quốc lộ 51, đường cao tốc thành phố Hồ Chí Minh – Cần thơ, đường cao tốc Bắc – Nam, đường cao tốc Sài gòn – Long thành – Giầu dây, các dự án đường vành đai của thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, …

Nhà nước ta đã xác định, giao thông vận tải là động lực phát triễn không thể thiếu của đất nước, nó ảnh hưỏng mạnh mẽ đến mọi mặt đời sống của đất nước cũng như trong khu vực Tuy nhiên, trong điều kiện nền kinh tế của Đất nước còn đang khó khăn, việc sử dụng hiệu quả đồng vốn có ý nghĩa hết sức to lớn, do đó ngoài việc tính toán qui hoạch tối ưu, cần phải sử dụng và khai thác tối đa những điều kiện hiện có Việc xử lý tốt vết nứt của kết cấu nhịp sẽ góp phần thực hiện yêu cầu trên

III Bối cảnh các công trình cầu hiện có trên đường bộ của Việt nam:

Đa số các công trình cầu được xây dựng từ nhiều năm trước, nên chất lượng bị xuống cấp, không đảm bảo; nó thường bị quá tải trong điều kiện giao thông vận tải đường bộ phát triển với tốc độ rất nhanh như hiện nay; trong đó phải kể tới số lượng phương tiện vận tải với tải trọng lớn ngày càng nhiều Do đó, nhiều công trình cầu mặc dù được xây dựng chỉ vài năm về trước thì nay đã xuất hiện các sự cố, chẳng hạn như xuất hiện các vết nứt ở kết cấu nhịp, bong nổ bê tông, …bên cạnh đó có thể kể đến công nghệ và trình độ thi công chưa cao đã ảnh hưỏng phần nào đó đến chất lượng công trình cầu mà đặc biệt là kết cấu nhịp, một hạng mục đòi hỏi kỹ thuật cao hơn cả

Trong điều kiện nền kinh tế của Đất nước còn đang khó khăn thì việc sử dụng hiệu quả đồng vốn có ý nghĩa hết sức to lớn Do đó, việc sửa chữa gia cố cầu, trong đó có kết cấu nhịp là việc làm rất cần thiết

B LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

Các kết cấu bê tông cốt thép thường được tính theo các trạng thái giới hạn sau đây:

1 Trạng thái giới hạn cường độ và ổn định:

Trạng thái giới hạn cường độ và ổn định là trạng thái được xét đến để đảm bảo cường độ và sự ổn định cục bộ cũng như ổn định tổng thể được dự phòng để chịu các tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kê được định ra để kết cấu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết kế của nó

2 Trạng thái giới hạn sử dụng:

Trạng thái giới hạn sử dụng là trạng thái được xét đến để hạn chế ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

3 Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại dòn:

Trạng thái giới hạn mỏi được xét đến nhằm hạn chế về biên độ ứng suất do tải trọng động thiết kế gây ra với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến Trạng thái giới hạnø phá hoại dòn được xét đến để đưa ra một số yêu cầu về tính bền của vật liệu theo tiêu chuẩn vật liệu

4 Trạng thái giới hạn đặc biệt:

Trạng thái giới hạn được xét đến nhằm đảm bảo sự tồn tại của kết cấu trong trận động đất, lũ lớn, va đập mạnh

C SỰ CẦN THIẾT CỦA VIỆC PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG NỨT KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ XỬ LÝ VẾT NỨT BẰNG CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI

I Vết nứt- vấn đề luôn tồn tại của mọi kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép

- Bê tông là một hỗn hợp có nhiều hợp chất hoá học hoạt động tạo nên phản ứng hoá học Các phản ứng này gây ra sự thay đổi thể tích của bê tông do các nguyên nhân: nhiệt phản ứng khác nhau ở các thời điểm khác nhau; số phân tử trong hỗn hợp thay đổi trong quá trình phản ứng Chính sự thay đổi thể tích này làm xuất hiện các vết nứt ở bê tông

- Mặt khác, sự bay hơi nước đi khỏi bê tông sẽ gây hiện tượng nứt bê tông, mức độ nứt tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể (nhiệt độ, tốc độ gió, phụ gia, … )

- Ngoài ra, còn phải kể đến việc thi công không thể tuân thủ một cách tuyệt đối mọi nguyên tắc xây dựng đề ra, sẽ gây ra vết nứt trong bê tông (nguyên tắc bảo dưỡng, hệ đỡ, … )

- Do cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn nhiều lần cường độ chịu kéo của thép và do bê tông không có giai đoạn chảy trước khi bị phá hoại, nên trong các vùng thép chịu kéo thì thường xuất hiện vết nứt của bê tông Trong kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép chịu uốn thông thường với 30% ~ 40% tải trọng thiết kế là đã có vết nứt trong khi đó ứng suất của cốt thép chịu kéo chỉ là 1/14 ~ 1/10 cường độ thiết kế của cốt thép

II Sự cần thiết của đề tài

Trong bất kỳ thời kỳ nào, việc xử lý tốt các vết nứt của kết cấu nhịp để góp phần phát huy tối đa hiệu quả khai thác công trình cầu là công việc luôn luôn cần thiết Sự cần thiết của Đề tài được thể hiện qua các luận điểm sau đây:

- Phân tích các hiện tượng vết nứt kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép để có thể dùng các biện pháp thích hợp tương ứng với mỗi hiện tượng nứt, đồng thời ngăn ngừa vết nứt xuất hiện trở lại

- Do cường độ chịu kéo của bê tông rất nhỏ so với cưòng độ của thép, nên trong bất cứ kết cấu nhịp bê tông cốt thép nào đều có thể xuất hiện các vết nứt Đó cũng là một nhược điểm của bê tông mà Đề tài cần được nghiên cứu để khắc phục các hiện tượng về nứt của kết cấu nhịp Vết nứt có thể là lớn hay nhỏ, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, song chúng đều làm giảm hoặc mất hẳn chức năng bảo vệ thép hay tham gia chịu lực vào kết cấu nhịp; thậm chí nó có thể gây ra sự sụp đổ công trình

- Kết cấu nhịp là một hạng mục đòi hỏi kỹ thuật cao hơn so với kết cấu hạ tầng Tuy nhiên, công nghệ và trình độ thi công của các đơn vị thi công chưa cao, dễ dẫn đến các vết nứt xuất hiện ở các kết cấu nhịp Ngoài ra, kết cấu nhịp thường có độ mảnh lớn, chịu tác động trực tiếp của tải trọng tĩnh và động, nên có thể gây biến dạng (độ võng) lớn, đặc biệt là dao động do tải trọng động gây ra Biến dạng (độ võng) này sẽ gây ra hiện tượng nứt bê tông trong kết cấu nhịp Cần phải xử lý kịp thời các vết nứt này

- Trong các kết cấu nhịp của các cầu đã được xây dựng các năm trước đây đã xuất hiện rất nhiều vết nứt do sự phát triển ngoài dự tính của giao thông vận tải về cả lưu lượng và tải trọng

- Đặc biệt, kết cấu nhịp dầm đơn giản hoặc liên tục mà không có ứng suất trước thì số lượng và chiều rộng các vết nứt là rất lớn Điều này dẫn đến mức độ phá hoại kết cấu nhịp là lớn hơn, nhanh chóng hơn

- Khí hậu Việt nam có đặc điểm là độ ẩm và nhiệt độ lớn Do đó, khi có vết nứt thì thép có nguy cơ bị ăn mòn phá hoại cao Ngoài ra, theo đặc điểm địa hình đã nêu ở trên, lãnh thổ Việt nam bám dọc theo biển nên gió và bụi có chứa muối tác động rất lớn đến các vết nứt này

- Hiện nay có thể nói sự phát triển của công nghệ chất dẻo đã đạt được những thành tích nổi bật, vượt hơn hẳn các chất liệu khác trong lĩnh vực xây dựng Việc tìm hiểu và nghiên cứu ứng dụng chất dẻo có cốt sợi vào lĩnh vực xử lý các vết nứt của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép ở nước ta là một cơ hội tốt, đồng thời là hưóng đi mới rất hữu hiệu trong một số trường hợp mà vật liệu khác không có được

- Với khả năng làm giảm chi phí vật liệu, tiết kiệm chi phí nhân công, khối lượng gia cố thêm thấp, lắp đặt thi công đơn giản, khả năng chống ăn mòn cao và chiều dài vật liệu không giới hạn đã làm cho vật liệu chất dẻo có cốt sợi (CDCCS) trở thành một giải pháp hấp dẫn cho quá trình chọn phương pháp gia cố, sửa chữa

hư hỏng công trình Theo đặc điểm của khí hậu Việt nam nêu trên, vật liệu CDCCS đáp ứng tốt hơn hẳn bê tông cốt thép về khả năng chống ăn mòn

- Vật liệu CDCCS có khả năng chịu lực kéo theo hướng đặc biệt cao, nên rất thích hợp với việc xử lý kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép, thậm chí liên tục suốt cả chiều dài nhịp Việc phát huy khả năng chịu nén của nó trong kết cấu nhịp là không hiệu quả, tức là tính chất chịu lực của nó ngược lại với bê tông Do đó, nó khắc phục những điểm yếu của bê tông khi nó bọc (dán) ngoài bê tông, đồng thời nó có trọng lượng nhẹ hơn thép, tỉ lệ giữa khả năng chịu lực và trọng lượng cao, có khả năng chống ăn mòn, chịu được phá hoại của môi trường tốt hơn so với bản thép Như vậy, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu CDCCS vào vấn đề xử lý vết nứt kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép (BTCT) sẽ có hiệu quả cao

- Tuy nhiên, sự phá hoại liên kết giữa CDCCS và bê tông thường là một yếu điểm của kết cấu có sử dụng CDCCS chịu ứng suất kéo lớn Do vậy, ngoài việc nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu CDCCS khá mới này vào Việt nam, Đề tài còn nghiên cứu đưa ra giải pháp tính toán liên kết giữa CDCCS với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép Có hai loại liên kết này được đưa ra trong Đề tài (liên kết bulon- bản thép loại 1 và liên kết bulon- bản thép loại 2) mà sẽ được trình bày dưới đây, dùng loại nào là tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của kết cấu nhịp Các liên kết bulon- bản thép này sẽ khắc phục khuyết điểm quan trọng của việc ứng dụng CDCCS vào gia cường khả năng chịu lực của kết cấu nhịp, đặc biệt là việc gia cường có dùng phương pháp tạo ứng suất trước

Trong điều kiện nền kinh tế của Đất nước còn đang khó khăn thì việc sử dụng hiệu quả đồng vốn có ý nghĩa hết sức to lớn Do đó, việc gia cố để sử dụng tốt và lâu dài kết cấu nhịp cầu theo hướng mới của Đề tài sẽ có ý nghĩa quan trọng đáng kể

III Các nghiên cứu và ứng dụng về xử lý vết nứt kết cấu nhịp bê tông cốt thép đã có ở nước ta

Vết nứt của công trình nói chung, của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép nói riêng đã được nghiên cứu xử lý khá nhiều Chẳng hạn, một số cầu lớn: cầu Rào (Hải Phòng), cầu Sài Gòn, cầu Đồng Nai, và một số cầu nhỏ đã được nghiên cứu xử lý vết nứt cũng như gia cường kết cấu nhịp Các biện pháp liên quan đến việc xử lý vết nứt cho các cầu này chủ yếu là: tạo ứng suất trước bằng cách căng cáp thép cường độ cao; dùng hoá chất thông thường (epoxy, vinylester, urethan, …) để phun và trám Ơû Việt nam, việc xử lý vết nứt bằng cách dán bít vết nứt bởi tấm chất dẻo có cốt sợi, hoặc kết hợp với các hoá chất thông thường (epoxy, vinylester, urethan, …), hoặc tạo ứng suất trước bằng cách căng và dán tấm chất dẻo có cốt sợi là đều chưa được quan tâm tính toán và ứng dụng cho các kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép

IV Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài nhằm phân tích và nghiên cứu xử lý các vết nứt đã từng có và có thể có

ở các kết cấu nhịp đã nêu trên

Kết cấu nhịp là hạng mục quan trọng của công trình cầu, chịu tác động trực tiếp của tải trọng động và môi trường nên thường dễ xuất hiện các vết nứt tại những vị

trí có ứng suất lớn trên kết cấu Do vậy, vết nứt của kết cấu nhịp được chọn để nghiên cứu ở đây

Kết cấu nhịp có thể của cầu đường bộ, có thể của cầu đường sắt

Do tính phức tạp nhưng ưu việt và thông dụng của cầu bê tông cốt thép, nên loại kết cấu nhịp bê tông cốt thép đựơc chọn để nghiên cứu

Vật liệu để xử lý vết nứt kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép trong Đề tài này chủ yếu được dùng là tấm chất dẻo có cốt sợi, các hoá chất xử lý thông thường (epoxy, vinylester, urethan,…) và thép dùng trong liên kết bulon- bản thép

Việc tính toán neo liên kết bulon- bản thép được xem xét nghiên cứu đưa ra ứng dụng để khai thác, phát huy ưu điểm đồng thời khắc phục yếu điểm của CDCCS Tuy nhiên, hệ số ma sát giữa CDCCS với bản thép cần được xem xét nghiên cứu xác định cụ thể bằng thực nghiệm sau này

CHƯƠNG II

CÁC LOẠI VẾT NỨT VÀ NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH VẾT NỨT

TRONG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT)

I SƠ LƯỢC VỀ BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP:

1 Đặc điểm, tính chất của vật liệu bê tông:

a) Khi ở trạng thái pha dẻo (từ lúc kết thúc thi công bê tông cho đến 0,5 6,0 giờ sau đó)

Ngay sau khi khối bê tông được hình thành, các quá trình vật lý và hoá học diễn ra rất phức tạp Song, có thể nêu ra nội dung chủ yếu sau:

- Các quá trình vật lý là sự thay đổi nhiệt độ, sự rỉ nước lên bề mặt, sự lún dẻo, sự bay hơi nước và thậm chí có sự hình thành các vết nứt đáng kể nếu không có biện pháp thi công thích hợp

Sự thay đổi nhiệt độ của bê tông là do số lượng, cơ cấu của các thành phần tham gia phản ứng khác nhau ở các thời điểm khác nhau, chúng sinh ra các nhiệt lượng khác nhau

Sự rỉ nước lên bề mặt bê tông do đồng thời các quá trình sau:

Thứ nhất là do phản ứng hoá học giữa Ca(OH)2 có từ xi-măng và CO2 có trong không khí (CO2 xâm nhập vào bê tông có thể bằng nhiều nguyên nhân tuỳ điều kiện thi công; song, trong đó có sự xâm nhập trong quá trình phun đổ bê tông), phản ứng này sinh ra nước:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H 2O , Thứ hai là do trọng lượng bản thân của khối vữa bê tông (đặc biệt, đối với các dầm có chiều cao lớn sẽ có trọng lượng trên đơn vị chiều dài là lớn) sẽ ép lượng nước có được từ phản ứng trên lên phía trên mặt thoáng

Tiếp theo sự rỉ nước lên bề mặt bê tông là sự lún dẻo của bê tông do bê tông chèn vào khoảng trống của nước đã thoát đi, sự lún dẻo này có thể là một trong những nguyên nhân gây ra vết nứt nứt trong bê tông

- Các quá trình hoá học là các phản ứng hoá học chủ yếu do xi măng và phụ gia tham gia Các phản ứng bao gồm sự tác dụng nhanh của alit (3CaO.SiO2 ) với nước tạo ra hydrosiliccate canxi và hydroxite canxi:

2(3CaO.SiO2 ) + 6H2 O = 3CaO.2SiO2 .3H2 O + 3Ca(OH)2 hợp chất belit (2CaO.SiO2 ) có tính hoạt động yếu hơn alit (3CaO.SiO2 ), nên nó xảy ra chậm hơn, số phân tử Ca(OH)2 tách ra ít hơn:

2(2CaO.SiO2 ) + 4H2 O = 3CaO.2SiO2 .3H2 O + Ca(OH)2 Nhóm hợp chất tiếp theo có trong xi măng là nhóm alumo mà chủ yếu là hợp chất hoạt động mạnh nhất aluminate tricanxi 3CaO.Al2O3 Chất này phản ứng nhanh với nước tạo thành tinh thể hình lập phương (3CaO.Al2O3.6H2O):

3CaO.Al2O3+ 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

Do độ tan của 3CaO.Al2O3.6H2O và Ca(OH)2 không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch vữa bê tông nhanh chóng chở nên quá bão hoà

Để làm chậm thời gian ninh kết của xi măng, trong xi măng còn có một lượng đá thạch cao CaSO4.2H2O (thường là 3 - 5% khối lượng) Hợp chất này tác dụng với 3CaO.Al2O3 ngay từ ban đầu tạo thành sunphoaluminat canxi ngậm nước 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (khoáng etringit)

3(CaSO4.2H2O)+ 3CaO.Al2O3 + 26H2O= 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2, hợp chất 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O tách

ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al2O3 làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian đông kết của xi măng

Trong dung dịch bão hoà, các sản phẩm mới Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O và 3CaO.2SiO2 3H2 O vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán Nước tiếp tục mất đi do phản ứng của xi măng và do bay hơi, các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành Hỗn hợp bê tông mất dần tính dẻo và ở thể ngưng keo Quá trình vẫn tiếp tục cho đến khi chúng chuyển sang thể liên tinh thể làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng dần

b) Khi ở trạng thái pha đang cứng (3 đến 4 tuần đầu)

Màu của bê tông vẫn còn xanh, bắt đầu chuyển sang màu trắng Cường độ của bê tông ở trạng thái này đã đạt gần đến cường độ đích thực của nó (80 90)%, tốc độ tăng cường độ rất nhỏ Nói chung, mọi quá trình diễn ra thay đổi rất chậm, các phản ứng diễn ra ít, sự bay hơi nước rất nhỏ Sự tăng cường độ bê tông theo thời gian được B.G Xrantaep xác định bằng thực nghiệm bằng đồ thị Hình 2.1a và công thức như sau:

Rt = 0,7.R28lgt, t =728 ngày

c) Khi ở trạng thái pha đã cứng (sau 28 ngày)

Bê tông ở trạng thái này đã có màu trắng, các phản ứng trong bê tông và sự bay hơi của nước là không đáng kể Sự co ngót do các nguyên nhân khác nhau là cũng rất nhỏ Cường độ của bê tông thường đạt trên 90% ở giai đoạn này

Ơû cả ba trạng thái trên, có thể xảy ra sự ăn mòn bê tông do sự tan ra của Ca(OH)2bởi nước mưa, nước ngưng tụ; sự ăn mòn do nước và khí có chứa CO2 làm vỡ màng cacbonat để tạo thành bicacbonat axit canxi:









CaCO3 +CO2 +H2O = Ca(HCO3)2

Ngoài ra, còn có thể xảy ra sự ăn mòn bê tông do nước biển có chứa hợp chất của manhe tạo ra chất dễ tan CaCl2, CaSO4.2H2O:

MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2

MgSO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 2H2O + Mg(OH)2

Trong xi măng luôn chứa một lượng kiềm nhất định và các cốt liệu của bê tông mà đặc biệt là cát mỏ và cát đồi thường chứa các hợp chất silic vô định hình Hợp chất silic vô định hình này tác dụng với lượng kiềm nói trên ngay ở nhiệt độ thường làm cho bề hạt cốt thép liệu nở ra có thể gây nên một hệ thống vết nứt Vết nứt loại này

có thể xảy ra sau khi kết thúc xây dựng 10- 15 năm

2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu thép:

a Thành phần hoá học, cấu tạo của cốt thép

Cốt thép trong kết cấu BTCT có thành phần chủ yếu là sắt (Fe), ngoài ra có một số nguyên tố khác như cacbon C, mangan Mn, silic Si, … Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm sáu của hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoá học Nó có khối lượng nguyên tử là

56, nhiệt độ nóng chảy 15390C Sắt nguyên chất (99,8- 99,9%) có giới hạn bền kéo 2500kG/cm2, giới hạn chảy 1200kG/cm2, độ giãn dài tương đối 50% Sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương thể tâm và lập phương diện tâm

Mạng tinh thể lập phương thể tâm tồn tại ở hai khoảng nhiệt độ: dưới 9100C với dạng thù hình Fe và dưới 7680C với dạng thù hình Fe Ở kiểu mạng này, các nguyên tử hình cầu Fe nằm ở các đỉnh và tâm của hình khối lập phương Các nguyên tử hình cầu Fe ở các đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau nhưng cùng tiếp xúc với nguyên tử nằm ở tâm của mạng Như vậy các nguyên tử tiếp xúc với nhau theo đường chéo của hình lập phương, còn theo các cạnh và theo đường chéo của các mặt của hình lập phương thì chúng không tiếp xúc với nhau

Mạng tinh thể lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng nhiệt độ 910- 1392 0C Mạng này có các nguyên tử hình cầu Fe nằm ở các đỉnh và tâm của các mặt của hình khối lập phương Các nguyên tử hình cầu Fe ở các đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau nhưng cùng tiếp xúc với nguyên tử nằm ở tâm của các mặt của mạng hình lập phương

Dựa theo thành phần hoá học và hàm lượng của chúng, trong xây dựng có hai loại thép là: thép cacbon và thép hợp kim

Thép cacbon có thành phần hoá học gồm chủ yếu Fe, ham lượng cacbon C < 2%,

Mn< 0,8%, Si< 0,5%; P,S < 0,05%; còn lại rất ít Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti (0,1- 0,2%)

Trong đó, Mn và Si có tác dụng nâng cao cơ tính của thép cacbon; P,S nâng cao tính dòn nguội của thép, tạo tính dễ cắt gọt nhưng làm giảm chất lượng thép

Thép hợp kim có cơ tính cao hơn thép cacbon, chịu được nhiệt độ cao hơn, có những

tính chất vật lý và hoá học đặc biệt Ngoài Fe và C, người ta còn đưa vào các nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, V, B, Cu, W, Mo, Ti Lượng hợp kim trong thép hợp kim trong khoảng sau: Mn 0,8- 0,10%, Ni 0,2- 0,6%, Si 0,5- 0,8%, W 0,1- 0,5%, Cr 0,2- 0,8%, Mo 0,05- 0,2%, Ti >0,1%, Cu>0,1%, B >0,002%

b Sự ăn mòn cốt thép

Sự ăn mòn cốt thép là do tác dụng hoá học của môi trường trên bề mặt cốt thép Có hai loại ăn mòn cốt thép: ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá

Aên mòn hoá học là sự phá huỷ do tác dụng hoá học trực tiếp giữa kim loại và môi trường xung quanh, không phát sinh dòng điện Loại ăn mòn này chỉ xảy ra trong môi trường không điện ly Cốt thép trong kết cấu BTCT thường không gặp loại ăn mòn này

Aên mòn điện hoá là loại ăn mòn xảy ra trong môi trường điện ly và có phát sinh dòng điện Đây là loại ăn mòn phổ biến Khi cốt thép tiếp xúc với các môi trường không khí, nước, bazơ, muối thì có thể bị gỉ do tác dụng của loại ăn mòn này Bản chất của sự ăn mòn này là các Ion của môi trường điện ly tác dụng với các Ion của cốt thép Các Ion của cốt thép bị chuyển vào môi trường điện ly và để lại trong cốt thép những điện tử thừa Do đó, cốt thép trở nên tích điện âm, còn môi trường tích điện dương Trong không khí luôn có hơi nước nên nếu cốt thép tiếp xúc với không khí thì bề mặt cốt thép sẽ có màng nước mỏng Khí CO2 và có thể có các khí thải công nghiệp (SO2 , H2S, …) sẽ hoà tan trong màng nước đó tạo nên môi trường điện ly và ăn mòn cốt thép Mức độï hay tốc độ ăn mòn cốt thép lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào mức độ tiếp xúc của cốt thép với môi trường điện ly, tuỳ thuộc vào nồng độ Ion trong môi trường điện ly và các tác nhân khác (nhiệt độ, xúc tác, …)

Để không xảy ra sự ăn mòn cốt thép thì cần dùng các biện pháp để cách ly hay tránh tiếp xúc trực tiếp cốt thép với môi trường điện ly

c Các giai đoạn làm việc của cốt thép chịu lực

Quá trình cốt thép chịu lực được chia thành ba giai đoạn: đàn hồi, dẻo và phá hoại Khi cho ứng suất trong cốt thép tăng dần từ giá trị 0 đến e nào đó, tương ứng biến dạng cũng tăng dần theo quan hệ tỷ lệ thuận Đây là giai đoạn đàn hồi của cốt thép Nếu tại một giá trị p lân cận sau giá trị e , ứng suất không quan hệ với biến dạng theo tỷ lệ thuận mà ứng suất không tăng trong khi biến dạng vẫn cứ tăng, thì e được gọi là ứng suất đàn hồi, p là ứng suất chảy dẻo Giai đoạn này gọi là giai đoạn chảy dẻo Nếu vẫn tiếp tục tăng ngoại lực tác dụng lên cốt thép cho đến khi ứng suất trong cốt thép lại tăng lên cao nhất c và bị phá hoại Giai đoạn này gọi là giai đoạn phá hoại, c là ứng suất phá hoại hay ứng suất bền

Biểu đồ minh hoạ các giai đoạn được thể hiện Hình 2.1b

Giới hạn của các giai đoạn trên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: phương pháp chế tạo, thành phần hoá học của các nguyên tố có trong thép, … Nói tóm lại, nó phụ thuộc vào nhóm và mác thép Thép cường độ cao có giai đoạn chảy dẻo rất ít, còn thép mác thấp có giai đoạn chảy dẻo nhiều

3 Sự làm việc đồng thời của bê tông và thép:

a) Nguyên lý làm việc tương hỗ của kết cấu BTCT chịu lực:

Xi măng trong bê tông có tác dụng như một loại hồ dán cốt thép vào bê tông, đặc biệt đối với cốt thép có gờ, phần bê tông nằm xung quanh gờ chống lại sự trượt của cốt thép Khi bê tông ở trạng thái khô cứng, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt lấy cốt thép, tạo nên lực ma sát giữa chúng Nhờ có lực dính mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng của vết nứt trong vùng chịu kéo mới được hạn chế

Do đó, cần thiết phải tăng cường lực dính giữa bê tông và cốt thép

Như vậy, khi cả bê tông và cốt thép đều đảm bảo tuân thủ tốt tiêu chuẩn chất lượng vật liệu, thì chúng không xảy phản ứng hoá học với nhau; hơn nữa, bê tông còn

bao bọc cốt thép và bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mòn của môi trường, hạn chế vết nứt cho chính bê tông

Một đặc tính chung rất quan trọng giúp chúng có thể tồn tại với nhau ngay cả khi nhiệt độ môi trường không ổn định là cốt thép và bê tông có hệ số giản nở nhiệt  gần như nhau:

đối với bê tông:  0,000010 0,000015

đối với thép:  0,000012

(trong điều kiện khí hậu Việt nam)

Do đó, khi nhiệt độ thay đổi trong điều kiện thông thường ở Việt nam, kết cấu nhịp cầu BTCT không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt thép

Mặt khác, bê tông là loại vật liệu chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo rất kém (gấp nhau hơn 10 lần) Sự có mặt của cốt thép trong bê tông có thể khắc phục được nhược điểm chịu kéo kém của bê tông và phát huy được đặc tính chịu nén tốt của bê tông trong các kết cấu chịu uốn Có thể nói, kết cấu BTCT là một loại tổ hợp vật liệu rất hoàn hảo

b) Sự bảo vệ cốt thép của bê tông

Như đã phân tích ở trên, cốt thép có vai trò quan trọng trong kết cấu BTCT Nếu trọng tâm của tiết diện cốt thép càng cách xa trục trung hoà thì kết cấu có khả năng chịu lực càng tốt Song, cốt thép dễ dàng bị phá huỷ hơn nhiều so với bê tông bởi tác động của môi trường Do đó, cần phải có lớp bê tông hợp lý để bảo vệ cốt thép Lớp bảo vệ này được tính từ mép ngoài bê tông đến mép ngoài gần nhất của cốt thép, nó không cần quá dày Nếu quá dày sẽ không tận dụng được khả năng chịu của bê tông, tải trọng tĩnh bị tăng, trong khi đó vết nứt vẫn xuất hiện nếu không có giải pháp xử lý Chiều dày này là bao nhiêu thì hợp lý Nó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, như: độ ẩm, mức độ xâm thực của môi trường xung quanh, thành phần bê tông, … Trong lớp bê tông bảo vệ cốt thép, phải đảm bảo bề rộng khe nứt đủ nhỏ để sự tiếp xúc trực tiếp giữa cốt thép và môi trường là nhỏ hơn trị số cho phép

Theo kinh nghiệm đã có ở điều kiện Việt nam, khi trong môi trường khô ráo và không có sự xâm thực đáng kể thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ này là 1 đến 2cm; khi trong môi trường ẩm ướt thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ này có thể từ 2 đến 7cm; khi trong môi trường xâm thực mạnh thì tuỳ mức độ mà đề ra chiều dày hợp lý và các giải pháp thích hợp

II CÁC LOẠI VẾT NỨT VÀ NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH TRONG KẾT CẤU NHỊP BTCT:

A Các hình minh hoạ một số loại vết nứt:

MẶT ĐỨNG KẾT CẤU NHỊP

7

9

2 8

A

5

6 4

A - A

1 11

6 4 10

Hình 2.2: Một số loại vết nứt trong dầm BTCT tổng quát

8 8

Hình 2.3: Vết nứt do lực cắt

14

3

2 16

Hình 2.4: Một số loại vết nứt trong dầm BTCT chữ T

neo cáp

MẶT BẰNG KẾT CẤU NHỊP

MẶT ĐỨNG KẾT CẤU NHỊP

B Phân loại vết nứt theo phương diện hình học- vị trí:

1 Vết nứt ngang kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 1; Hình 2.2):

Vết nứt này thường có trong kết cấu nhịp cầu BTCT, chủ yếu do môment uốn gây

ra Vết nứt này nằm ở đáy trên hoặc đáy dưới của kết cấu nhịp và thường kéo dài đến hết chiều rộng kết cấu nhịp Đặc biệt đối với những kết cấu nhịp có độ mảnh lớn, chiều sâu của vết nứt ngang có thể rất lớn thậm chí xuyên qua cả chiều dày kết cấu Ngoài ra, hiện tượng co rút dẻo, lún dẻo, … có thể gây xuất hiện vết nứt ngang một cách ngẫu nhiên Chiều rộng của vết nứt ngang do các hiện tượng này thường không lớn, có trị số giới hạn nhất định; trong khi đó, chiều rộng của vết nứt ngang do moment uốn có thể rất lớn nếu tải trọng thực tế vựot xa tải trọng thiết kế

2 Vết nứt dọc kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 2, 16, 14, 18, 19; Hình 2.2, Hình 2.4, Hình 2.5, Hình 2.6):

Vết nứt này kéo dài theo chiều dài kết cấu nhịp, thường xuất hiện do các phần kết cấu liên kết dọc với nhau không đảm bảo (vị trí cốt thép không đúng, không đủ hàm lượng côt thép tại mặt cắt dọc theo vết nứt, chiều dày không đủ,…) Đối với kết cấu nhịp dầm chữ I hoặc chữ T, khi không có dầm ngang hoặc khoảng cách giữa các dầm ngang quá lớn thì cũng có thể gây ra vết nứt ở bản mặt cầu dọc theo các dầm Ngoài ra, hiện tượng co rút dẻo, lún dẻo, … có thể gây xuất hiện vết nứt dọc một cách ngẫu nhiên Trong trường hợp ngẫu nhiên này, vết nứt dọc thường có chiều dài không lớn

3 Vết nứt theo chiều đứng kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 3; Hình 2.2, Hình 2.4):

Vết nứt này xuất hiện theo phương thẳng đứng, có thể do giá trị môment uốn thực tế tăng vượt xa giá trị môment thiết kế, gây ra hiện tượng vết nứt ngang ở đáy dầm phát triển cao theo phương đứng Trường hợp mới thi công các dầm kết cấu nhịp xong, phát hiện vết nứt ngang và vết nứt đứng nằm trong cùng một tiết diện, thì nguyên nhân thường là do sự lún không đều của hệ đỡ (ván khuôn, dàn dáo, …) Ngoài ra, hiện tượng co rút dẻo, lún dẻo, … có thể gây xuất hiện vết nứt theo chiều đứng một cách ngẫu nhiên

4 Vết nứt chéo kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 4, 9; Hình 2.2):

Vết nứt này thường do môment xoắn gây ra; tuy nhiên, vết nứt chéo do môment xoắn gây ra rất ít khi xuất hiện, trừ trường hợp lún không đều của hệ đỡ (ván khuôn, dàn dáo, …) gây moment khi mới đúc xong; kết cấu nhịp cong có cấu tạo không hợp lý Ngoài ra, hiện tượng co rút dẻo, lún dẻo, … có thể gây xuất hiện vết nứt ngang một cách ngẫu nhiên

5 Vết nứt góc kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 5; Hình 2.2): thường do va đập góc đầu dầm vào các vật cứng khác

6 Vết nứt mép kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 6; Hình 2.2):

Trường hợp này thường phản ánh chất lượng thi công cũng như chất lượng vật tư được đưa vào sử dụng cho các dầm kết cấu nhịp Cốt thép bị dính, bị bao bọc bởi hoá chất nào đó hoặc bị han rỉ mà không được gia công tẩy sạch, sẽ dễ dàng gây nứt phần bê tông mép dọc theo cốt thép dọc của dầm Các nguyên nhân khác gây

ra vết nứt mép cũng có thể được kể đến như co rút dẻo, lún dẻo, …

C Phân loại vết nứt theo phương diện lực gây ra

1 Vết nứt do moment uốn ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 7, 14; Hình 2.2, Hình 2.4):

Vết nứt này thường có ở hầu hết các dầm chịu uốn tại các điểm chịu uốn của dầm ngang cũng như dầm dọc Ơû các kết cấu BTCT chịu uốn, có hai phần bê tông chịu kéo và nén ở hai phía của trục trung hoà Phần bê tông chịu kéo nhanh chóng bị nứt do cường độ chịu kéo của bê tông rất nhỏ Đối với bê tông từ phần mép chịu kéo đến cốt thép dọc gần nhất của dầm, chiều rộng vết nứt là lớn nhất; phần bê

tông còn lại về phía tâm dầm, vết nứt có chiều rộng nhỏ hơn nhiều, do lực kéo được truyền hoàn toàn vào cốt thép Khi ứng suất trong cốt thép nằm trong khoảng giới hạn đàn hồi, chiều rộng vết nứt gần như tỷ lệ thuận với ứng suất kéo Khi chiều rộng vết nứt loại này lớn hơn trị số cho phép, cần phải tính toán gia cường kết cấu nhịp; nếu chiều rộng này nhỏ hơn trị số cho phép nhưng môi trường có tính xâm thực mạnh thì cần phải xử lý kịp thời

2 Vết nứt do lực cắt ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 8; Hình 2.3):

Vết nứt này thường có phương tạo với phương nằm ngang góc khoảng 45o , tại vị trí gần gối tựa của dầm dọc, dầm ngang của kết cấu nhịp Nguyên nhân xuất hiện vết nứt này là do không đủ cốt thép đai, cốt thép xiên hoặc bố trí cốt thép không hợp lý tại khu vực gần gối tựa các dầm Cũng như vết nứt do moment uốn, vết nứt do lực cắt rất phổ biến, đòi hỏi phải có giải pháp gia cường thích hợp khi cần thiết (chiều rộng lớn, môi trưòng xâm thực mạnh, …)

3 Vết nứt do moment xoắn ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 4, 9; Hình 2.2): Vết nứt do môment xoắn ít khi xuất hiện, trừ một số trường hợp đặc biệt như: lún không đều của hệ đỡ (ván khuôn, dàn dáo, …) gây moment khi mới đúc xong; kết cấu nhịp cong có cấu tạo không hợp lý

4 Vết nứt do lực kéo hoặc nén ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 17, 18, 19; Hình 2.5, Hình 2.6):

Lực kéo hoặc nén ở đây được hiểu theo nghĩa thuần tuý: nén thuần tuý, kéo thuần tuý Vết nứt này thường có ở dầm ứng suất trước căng trước và căng sau Vết nứt số 19 xuất hiện do lực kéo khi căng cáp, cáp có xu hướng ép bê tông để trở về dạng thẳng của nó Vết nứt số 17, 18 xuất hiện do lực nén cục bộ của neo vào vùng bê tông đặt neo mà thiếu hoặc không có thép gia cường bê tông vùng neo Đối với kết cấu nhịp BTCT dạng vòm, vết nứt do nén thường ít xuất hiện bởi vì trong dạng vòm thường chỉ có lực nén mà hầu như không có lực kéo- uốn; mặt khác khả năng chịu nén của kết cấu BTCT rất cao

D Phân loại vết nứt theo các tác nhân khác gây ra

1 Vết nứt do sự co rút dẻo của bê tông ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 11; Hình 2.2):

Chiều rộng của các vết nứt loại này thường không lớn, thậm chí rất nhỏ không nhìn thấy được bằng mằt thường.Vết nứt loại này thường có số lượng lớn, chúng phân bố một cách ngẫu nhiên, không theo qui luật nhất định Hình thành các vết nứt loại này có thể do các nguyên nhân sau: thứ nhất, số các phân tử sau khi phản ứng hoá hợp xảy ra trong bê tông bị giảm đi, do đó thể tích bê tông bị nhỏ lại; thứ hai, phản ứng trung hòa có sinh ra nước, nước sẽ bị các hạt cốt liệu chèn đẩy lên phía trên và thể tích bê tông cũng bị nhỏ lại; thứ ba, phản ứng toả nhiệt gây bốc hơi nước; thứ

tư, nhiệt độ môi trường và gió làm nước của bê tông bay đi

2 Vết nứt do sự lún dẻo, chảy dẻo của bê tông mới thi công ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 12; Hình 2.7):

Do có sự co rút dẻo của bê tông như đã vừa nêu ở trên, nên dưới tác dụng của trọng lực, nước bị ép đẩy lên phía trên, đồng thời bê tông bị dịch chuyển xuống phía dưới cho đến khi ổn định, các khe hở bị thu nhỏ tới mức tối đa Trong khi đó, cốt thép trong bê tông mới này đã được cố định vị trí, không dịch chuyển Như vậy,

sẽ hình thành vết nứt dọc theo phía mặt trên của cốt thép (Hình 2.7) Thậm chí phía

dưới của cốt thép có khoảng hở làm giảm sự dính bám giữa bê tông và cốt thép

Do sự dính bám giảm, bê tông có thể dễ dàng co rút tự do hơn, vết nứt có thể rộng hơn và số lượng vết nứt sẽ tăng

3 Vết nứt do sự lún không đều của hệ đỡ (ván khuôn, dàn dáo, …) kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 15, 16; Hình 2.4):

Khi dàn dáo, ván khuôn, cây chống được đặt trên nền không đảm bảo ổn định, có thể sẽ gây ra hiện tượng lún không đều Điều này làm cho các vùng bê tông vừa mới thi công xong dịch chuyển tương đối với nhau và vết nứt xuất hiện Vết nứt còn có thể xuất hiện trong loại nguyên nhân này đối với các dàn dáo có độ mảnh khá lớn bởi độ võng, độ biến dạng của dàn dáo sẽ bị thay đổi đáng kể khi máy móc thiết bị và con người di rời khỏi dàn dáo (tức là dỡ một phần tải)

4 Vết nứt do sự dịch chuyển bê tông bởi sự chênh lệch nhiệt độ phản ứng hoá học của bê tông ở kết cấu nhịp cầu (vết nứt số 10; Hình 2.2):

Trong một số trường hợp, lượng phụ gia đông cứng nhanh và tăng tốc độ phản ứng được đưa vào hỗn hợp bê tông mà lượng phụ gia đó khác nhau nhiều trong mỗi mẻ trộn sẽ tạo ra các vùng nhiệt độ khác nhau tướng ứng với mỗi mẻ trộn Ngoài

ra, tại một số vùng có khối lượng bê tông tập trung quá lớn (chẳng hạn, tại vùng ngàm cánh dầm với trụ cầu của cầu khung T ) có thể sẽ phát sinh nhiệt độ khá cao; vết nứt dễ dàng xuất hiện khi không có cấu tạo hợp lý tại vùng này

5 Vết nứt do sự quá tải ở kết cấu nhịp cầu:

Sự quá tải ở đây có thể được hiểu theo hai loại sau:

Thứ nhất, kết cấu nhịp bị xuống cấp tới mức không thể đáp ứng tải trọng thiết kế ban đầu Do đó, vết nứt xuất hiện tại các vị trí có ứng suất vựơt quá ứng suất theo thiết kế tính toán hoặc thiết kế cấu tạo của kết cấu

Thứ hai, tải trọng và lưu lượng của các phương tiện giao thông vượt xa so với thiết kế ban đầu, mặc dù kết cấu nhịp chưa bị xuống cấp

Hiện nay đa số công trình cầu BTCT ở nước ta đều thuộc hai loại trên Nếu có trường hợp kết cấu nhịp bị xuống cấp tới mức không thể đáp ứng tải trọng thiết kế ban đầu, đồng thời tải trọng và lưu lượng của các phương tiện giao thông vượt xa so với thiết kế ban đầu, thì sẽ rất nguy hiểm Do đó, cần phải kịp thời đánh giá và có biện pháp khắc phục

6 Vết nứt do thiết kế không đủ chịu lực ở kết cấu nhịp cầu:

Thực chất đây là sai sót của công tác thiết kế; bên cạnh đó nếu đồng thời xảy

ra sự quá tải như đã nêu ở trên thì có thể dẫn đến công trình bị sụp đổ mà triệu chứng là vết nứt có thể phát triển rất nhanh về số lượng cũng như độ mở rộng Thiết kế không đủ chịu lực ở kết cấu nhịp cầu có thể do đồng thời hoặc do một trong những yếu tố sau: khả năng chịu uốn, khả năng chịu cắt

7 Vết nứt do quá trình thi công có sai sót:

Trong quá trình thi công thường có sai sót nhất định; song, nếu khống chế những sai sót đến mức thấp nhất và không ảnh hưởng đáng kể thì có thể ngăn ngừa được vết nứt trong trường hợp nguyên nhân này Các vấn đề chủ yếu cần quan tâm để ngăn ngừa xuất hiện vết nứt là: những va đập hay chấn động mạnh phần bê tông mới thi công xong; mối nối thi công không đảm bảo chất lượng (không tạo ẩm giữa bê tông mới và cũ, không đục tạo nhám ở bê mặt bê tông cũ, …), cốt thép chủ cũng như cốt thép cấu tạo được đặt không đúng vị trí cần thiết của nó

8 Vết nứt do sự phân bố cốt thép không hợp lý ở kết cấu nhịp cầu:

Trong kết cấu BTCT thường có vết nứt với các mức độ khác nhau, mà phổ biến là vết nứt do co ngót Vết nứt ở mức độ nào, tùy thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có sự phân bố cốt thép có hợp lý hay không Sự không hợp lý này có thể được thể hiện qua các vấn đề sau: không đủ hoặc thiếu các vị trí thép cấu tạo, hàm lượng thép nhỏ hơn hàm lượng thép tối thiểu, đặt không đúng vị trí, không bố trí hoặc bố trí không đúng khe co giãn, …

9 Vết nứt do nhóm Sunfat có tác động xấu trở lại đối với ximăng ở kết cấu nhịp cầu Một số chất có sẵn trong ximăng phản ứng hóa học với nhau như nhóm muối sunfat tác dụng với carbonnat canxi, nhôm tạo ra chất trương nở bê tông, có thể dẫn đến nứt vỡ bê tông

10 Vết nứt do cốt thép bị gỉ:

Cốt thép bị gỉ, nghĩa là cốt thép bị các chất hóa học tác dụng Các chất được tạo thành sau phản ứng thường có sự trương nở thể tích so với cốt thép ban đầu, đồng thời chúng có tính chất cơ học rất kém so với cốt thép Do đó, chúng không những làm giảm tính liên kết dính bám giữa bê tông với cốt thép, mà còn có xu hướng đẩy bê tông ra khỏi cốt thép trong liên kết dính bám này Chất hóa học nêu trên chủ yếu là các chất thuộc nhóm Clorua và nhóm Cacbonnat Sự có mặt của các nhóm này một phần là do có sẵn trong xi măng, một phần là do tác động từ môi trường Như đã đề cập ở phần trước, do đặc điểm địa hình Việt nam có bờ biển chạy dài suốt chiều dài đất nước, nên các công trình ngoài trời như công trình cầu dễ bị xâm thực bởi một số nhóm muối, đặc biệt là nhóm Clorua

Khi vết nứt xuất hiện, oxi sẽ tiếp xúc trực tiếp với cốt thép và oxi hoá cốt thép;

do đó tốc độ phát triển vết nứt càng lớn

11 Vết nứt do sử dụng vật liệu không đúng theo tiêu chuẩn thiết kế đề ra: Vật liệu không đúng theo tiêu chuẩn thiết kế để có thể gây ra vết nứt sẽ được xem xét theo nhiều khía cạnh

Thứ nhất, cường độ của cốt liệu, thành phần cấp phối và độ bẩn của chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực tổng thể của dầm kết cấu nhịp làm cho dầm không đáp ứng được tải trọng thiết kế và do đó vết nứt xuất hiện

Thứ hai, vật liệu đưa vào sử dụng có chứa các chất hóa học gây gỉ cốt thép và sẽ xuất hiện vết nứt như đã nêu ở loại trên kế đây

Có thể liệt kê sơ qua sự không tuân thủ thiết kế của vật liệu như sử dụng nước có nồng độ muối clorua không thích đáng; cốt thép không đúng kích thước, không đủ cường độ thiết kế, không bảo quản kỹ, bị rỉ sét nhiều; hàm lượng tạp bẩn trong cát

và đá vượt mức cho phép; hàm lượng hạt dẹt của đá quá lớn và cường độ của đá quá nhỏ …

12 Vết nứt do thời tiết tác động lên kết cấu nhịp cầu:

Tác động của thời tiết chủ yếu là hiện tượng mưa nắng đột ngột dẫn đến sự co rút cục bộ của một vùng bê tông nào đó so với vùng lân cận Do vậy, vết nứt xuất hiện

ở biên ranh giới giữa các vùng đó với nhau Mặc dù vậy, vết nứt trong trường hợp này thường được đánh giá là rất nhỏ và có số lượng ít trong thực tế Hơn nữa, hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông là rất thấp ( 0,000010 0,000015)

E Phân loại vết nứt theo trạng thái của nó

1 Vết nứt cố định:

Vết nứt cố định là vết nứt có kích thước không thay đối, hoặc thay đổi không đáng kể Chúng thường có ở các kết cấu bê tông đã được ổn định về mặt cường độ và chịu ảnh hưởng tác động không đáng kể của tải trọng động; hoặc kết cấu chịu tĩnh tải là chủ yếu

Loại vết nứt này do nhiều nguyên nhân, bao gồm: sự co rút trong giai đoạn hình thành cường độ cũng như trong quá trình khai thác; mối nối thi công không hợp lý; sự phân bố cốt thép không hợp lý ở kết cấu nhịp cầu (không đủ hoặc thiếu các vị trí thép cấu tạo, hàm lượng thép nhỏ hơn hàm lượng thép tối thiểu, đặt không đúng

vị trí)

2 Vết nứt hoạt động:

Vết nứt hoạt động là vết nứt có kích thước thay đối trong quá trình hình thành cường độ của bê tông cũng như trong quá trình khai thác Loại vết nứt này do nhiều nguyên nhân, bao gồm: nhiệt độ môi trường dao động trong khoảng đáng kể; tải trọng động tác động đáng kể, có thể gây dao động

F Phân loại vết nứt theo kích thước:

1 Vết nứt nhỏ:

Vết nứt này có chiều rộng dưới 0,3mm; chiều sâu của nó thường nhỏ nhưng chiều dài có thể kéo dài hết phạm vi chiều rộng của dầm, tùy thuộc vào tác nhân gây nứt Loại vết nứt nhỏ này có hầu hết ở các dầm nhịp BTCT, chủ yếu do co ngót bê tông gây ra; nếu do co ngót, nó thường có hình dạng ngẫu nhiên và phân bố một cách lung tung bởi nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố; nếu vết nứt nhỏ do tải trọng gây ra, thì nó nằm trong giới hạn cho phép Vết nứt nhỏ không biểu thị sự tổn hao ứng suất trong kết cấu, không đòi hỏi phải xử lý cấp bách nhưng nên khống chế về số lượng cũng như chiều rộng vết nứt

2 Vết nứt vừa:

Vết nứt vừa có chiều rộng 0,3 ~ 0,5mm, chiều sâu có thể lớn và chiều dài có thể dài hơn chiều dài của các vết nứt nhỏ Nó báo hiệu có thể giảm hoặc mất khả năng chịu lực của kết cấu trong tương lai, không gây ra sự sụp đổ công trình ngay lập tức; song, cần phải có biện pháp xử lý kịp thời Vết nứt vừa có chiều rộng

không nằm trong giới hạn cho phép; với chiều rộng như thế, nó có thể khá dễ dàng để các tác nhân hóa học xâm nhập vào trong lòng bê tông cũng như cốt thép Với kết cấu nhịp cầu BTCT, nguyên nhân để gây ra vết nứt này thường là do tải trọng tác động

3 Vết nứt rộng:

Vết nứt rộng có chiều rộng 0,5 ~ 1,0mm Nó cho biết kết cấu có thể bị mất khả năng chịu lực, cần phải có biện pháp xử lý gấp Với kết cấu nhịp cầu BTCT, nguyên nhân để gây ra vết nứt này thường là do yếu tố về tải trọng tác động, thậm chí có thể do va đụng mà hiếm khi do các nguyên nhân khác như co ngót, nhiệt độ,

… Trong trường hợp vết nứt này, mức quá tải hoặc sự xuống cấp của công trình cầu là rất lớn

4 Vết nứt rất rộng:

Vết nứt này có chiều rộng lớn hơn 1,0mm Cũng như loại vết nứt kế trên đây với kết cấu nhịp cầu BTCT, nguyên nhân để gây ra vết nứt này thường là do yếu tố về tải trọng tác động, thậm chí có thể do va đụng Cần thiết phải ngưng lưu thông trên cầu để sửa chữa xử lý để có thể đáp ứng được tải trọng yêu cầu

Để xác định chiều rộng các loại vết nứt nêu trên, có nhiều công cụ và phương pháp Nếu dùng phương pháp thủ công, thì dùng các loại thước nhựa có các độ chính xác khác nhau tùy vào chiều rộng vết nứt và tùy vào độ chính xác yêu cầu; ngoài ra, còn kèm theo kính núp để đọc chính xác và đánh dấu chiều dài vết nứt Rất nhiều nước sản xuất các loại thước này, như Anh quốc, Nhật, Thụy Điển, … trong đó sản phẩm của Thụy Điển là hiện nay được ưu chuộng hơn cả Nếu dùng phương pháp bằng máy thì loại ưa chuộng hiện nay là loại kỹ thuật số EL 35-2520 (Digital Crack Measuring) của hãng EL (Anh quôc); loại này cho phép hiện thị giá trị chiều rộng vết nứt bằng số điện tử trên màn hình trực tiếp của máy

G Phân loại vết nứt theo mức độ xuyên theo chiều sâu:

1 Vết nứt xuyên qua kết cấu:

Tùy theo chiều dày của kết cấu mà chiều sâu của vết nứt là lớn hay nhỏ; tuy vậy, loại vết này cho biết tình trạng chịu lực không tốt của kết cấu Sự xuất hiện của vết nứt này có thể là do nhiều nguyên nhân: cốt thép cấu tạo không hợp lý (hàm lượng thép quá ít, phân bố không hợp lý, …); mức quá tải hoặc sự xuống cấp của công trình cầu là rất lớn Như vậy, nguyên nhân nói chung của vết nứt xuyên qua kết cấu thường do yếu tố về tải trọng gây ra Vết nứt này cho biết kết cấu có thể bị mất khả năng chịu lực, cần phải có biện pháp xử lý gấp

2 Vết nứt xuyên lưng chừng kết cấu:

Sự xuất hiện của vết nứt này có thể là do nhiều nguyên nhân: do yếu tố về tải trọng, vật liệu, nhiệt độ, co ngót hoặc các nguyên nhân khác gây ra Tình trạng chịu lực của kết cấu trong trường hợp này tốt hơn trường hợp nêu kế trên

CHƯƠNG III:

CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI

I Giới thiệu chung:

Việc sử dụng vật liệu chất dẻo có cốt sợi (CDCCS) để gia cố ngoài cho kết cấu cầu bắt đầu vào những năm 1980, áp dụng cho việc nâng cao khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với tấm CDCCS tại phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu Thụy Sĩ (EMPA) với dầm bê tông cốt thép được dán tấm CDCCS ở đáy, lần đầu tiên thay thế cho tấm thép dán và sau đó thay thế cho vỏ bọc thép trong cột

Kỹ thuật gia cố ngoài này được phát triển lần đầu tiên ở Nhật Bản với tấm bọc CDCCS và ở một số nước Châu Âu với dải dán CDCCS Sau đó nó được phát triển ở rất nhiều nước trên thế giới như Thái lan, Hy lạp, Thụy điển, Trung quốc, … Đến nay có đến hơn một ngàn dầm cầu ở Nhật Bản đã được gia cố bằng phương pháp dán CDCCS Tương tự, hàng ngàn trụ cầu đã được nâng cấp với vật liệu cùng loại Hiện nay, Mỹ cũng đã áp dụng phương pháp dán CDCCS trong nhiều trường hợp sửa chữa gia cố dầm và các kết cấu khác Việc phát triển không ngừng của kỹ thuật sản xuất vật liệu tổng hợp CDCCS đã mang lại hiệu quả kinh tế cao làm cho vật liệu này ngày càng có vị trí trong ngành công nghiệp xây dựng Với khả năng làm giảm chi phí vật liệu, tiết kiệm chi phí nhân công, khối lượng gia cố thêm thấp, lắp đặt thi công đơn giản, khả năng chống ăn mòn cao và chiều dài vật liệu không giới hạn đã làm cho vật liệu CDCCS trở thành một giải pháp hấp dẫn cho quá trình chọn phương pháp gia cố, sửa chữa hư hỏng công trình

Nguyên lý của phương pháp gia cố ngoài bằng phương pháp dán dải CDCCS hoặc bọc tấm CDCCS áp dụng cho kết cấu bê tông thì rất gần với nguyên lý đã sử dụng cho phương pháp dán tấm thép Nói chung, các phần tử chịu uốn, chịu kéo hoặc chịu nén trong phương pháp gia cố trên đã tăng cường khả năng chịu lực dựa vào khả năng chịu kéo rất cao của vật liệu CDCCS

Phạm vi áp dụng của phương pháp gia cố dán CDCCS rất lớn, chúng ta có thể sử dụng CDCCS không những để tăng cường khả năng chịu lực đối với các kết cấu chịu uốn, chịu cắt, chịu nén, chịu nén uốn mà còn áp dụng trong các trường hợp tăng cường khả năng kháng động, sửa chữa bảo vệ các kết cấu trong môi trường dễ ăn mòn, dùng sửa chữa vết nứt, gia cường cho các lỗ mở mới trong kết cấu sàn …

II Vật liệu chất dẻo có cốt sợi:

1 Giới thiệu về vật liệu chất dẻo có cốt sợi:

1.1 Khái quát về vật liệu chất dẻo có cốt sợi:

Dạng cơ bản nhất của vật liệu chất dẻo có cốt sợi chính là loại vật liệu được kết hợp bởi ít nhất hai loại phần tử khác nhau để tạo nên các đặc tính của vật liệu, mà những đặc tính này thì hoàn toàn khác với những đặc tính của bản thân từng loại phần tử Các phần tử này là phần chất nền và phần cốt chịu lực; chúng chủ yếu để tăng khả năng chịu lực và độ độ cứng cho phần chất nền Phần cốt chịu lực ở dạng sợi và được làm từ nhiều loại sợi như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi aramid Chất nền là các loại nhựa gốc polymer

1.2 Vật liệu chất dẻo có cốt sợi:

Vật liệu CDCCS là một loại vật liệu hợp chất có chất nền là polymer dạng nhiệt dẻo hoặc nhiệt cứng, còn phần cốt chịu lực là một hay nhiều loại vật liệu sợi có tỷ lệ bề mặt (chiều dài so với các chiều còn lại) lớn đảm bảo giữ vai trò làm cốt chịu lực theo một hoặc nhiều hướng Khác với những loại vật liệu xây dựng truyền thống khác như thép hoặc nhôm, CDCCS là một loại vật liệu không đẳng hướng (tính chất chỉ thể hiện theo hướng tải trọng tác dụng), không giống như thép và nhôm là vật liệu đẳng hướng (tính chất thể hiện ở mọi hướng, không phụ thuộc vào tải trọng tác dụng) Vì vậy, tính chất của CDCCS theo hướng, tức là những tính chất cơ học tốt nhất của vật liệu chỉ thể hiện theo hướng đặt sợi CDCCS tương tự như bê tông cốt thép với các thanh thép được đặt trong bê tông

Nhiều tên gọi được sử dụng để chỉ vật liệu CDCCS, như CDCCS thủy tinh, CDCCS carbon, CDCCS aramid

Các loại nhựa (chất nền) như epoxy và polyester được sử dụng giới hạn do cấu trúc của chúng, tính chất cơ học của chúng không cao khi so sánh với các loại vật liệu khác Tuy nhiên, chúng có những tính chất đặc biệt mà ưu việt nhất là khả năng dễ dàng tạo hình

Các loại vật liệu như thủy tinh, aramid, carbon có khả năng chịu kéo và nén rất cao nhưng những đặc tính này lại không thể đạt được ở “dạng khối” Điều này là do khi chịu lực tác động, thường bề mặt vật liệu bị rạn nứt và bị phá hoại hoàn toàn trước khi đạt đến điểm phá hoại lý thuyết Để khắc phục vấn đề này người ta sản xuất vật liệu ở dạng sợi, nhờ đó sẽ giúp cho vật liệu có thể đạt được cường độ theo lý thuyết

Do đó một bó sợi sẽ phản ánh chính xác hơn khả năng tối ưu của vật liệu Tuy nhiên, những sợi đơn lẻ chỉ có thể biểu hiện khả năng chịu kéo dọc theo chiều dài sợi tương tự như những sợi ở dạng cáp Chỉ đến khi hệ thống nhựa được kết hợp với các loại sợi đã được gia cường như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi aramid thì vật liệu hỗn hợp sợi- nhựa mới có được những đặc tính vượt trội Chất nền nhựa phân bố lực trong vật liệu CDCCS giữa mỗi sợi riêng lẽ đồng thời bảo vệ các sợi này khỏi những phá hoại gây

ra sự trầy xước và những tác động bên ngoài Nhờ có khả năng chịu lực và độ cứng cao, khả năng dễ đúc khuôn tạo hình, khả năng chống chịu môi trường cao và trọng lượng thấp mà vật liệu CDCCS chiếm ưu thế hoàn toàn so với kim loại trong nhiều ứng dụng

Do vật liệu CDCCS được kết hợp từ nhựa và sợi, đặc tính của vật liệu CDCCS sẽ bao gồm một số đặc tính của nhựa và một số đặc tính của sợi Tổng quát đặc tính của

vật liệu CDCCS được quyết định bởi: đặc tính của sợi, đặc tính của nhựa, tỷ lệ của sợi

so với nhựa trong vật liệu, hình dạng và hướng của sợi

Vật liệu CDCCS có nhiều ưu điểm để chọn lựa và sử dụng Việc chọn lựa vật liệu phụ thuộc vào đặc điểm và mục đích sử dụng của sản phẩm Cần phải hiểu rõ môi trường làm việc, đặc điểm của tải trọng, những yêu cầu lâu dài của sản phẩm Vật liệu CDCCS có những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, tỉ lệ giữa khả năng chịu lực và trọng lượng cao, khả năng chịu lực theo hướng, có khả năng chống ăn mòn, chịu được phá hoại của môi trường, kích thước ổn định, không dẫn từ, khả năng cách điện tốt, có khả năng chịu va đập tốt, có kích thước không giới hạn, thời gian sử dụng lâu dài …

1.3 Các dạng lực tác động lên vật liệu CDCCS:

Có bốn dạng tác động trực tiếp lên cấu trúc của vật liệu : lực kéo, lực nén, lực cắt và uốn

Kéo: ứng xử của vật liệu CDCCS đối với lực kéo dọc theo hướng sợi phụ thuộc

rất nhiều vào độ cứng và khả năng chịu kéo của sợi được gia cường, bởi các đặc tính này của sợi cao hơn rất nhiều so với nhựa trong cấu trúc vật liệu

(Hình 3.2a) Vật liệu CDCCS chịu kéo

Nén: khi chịu lực nén dọc theo hướng sợi thì các đặc tính về độ cứng và tính kết

dính của nhựa sẽ trở nên rất quan trọng, bởi vì vai trò của nhựa là đảm bảo cho sợi luôn giữ thẳng hướng và ngăn không cho chúng bị chùng lại

(Hình 3.1)

So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng giữa vật liệu CDCCS với sợi

và nhựa

Vật liệu CDCCS

Cắt: lực cắt làm cho các lớp sợi bị tách ra khỏi nhau Dưới tác động của lực cắt, nhựa

sẽ đóng vai trò chính trong việc truyền ứng suất trong vật liệu CDCCS Vật liệu CDCCS muốn có khả năng chịu lực cắt tốt thì chất nền nhựa bắt buộc phải có không chỉ đặc tính cơ học tốt mà còn phải có khả năng kết dính cao đối với sợi gia cường Khả năng chịu cắt giữa các lớp ghép thường được sử dụng để chỉ đặc tính này trong vật liệu CDCCS nhiều lớp

(Hình 3.2c) Vật liệu CDCCS chịu cắt

Uốn: uốn thực sự là do kết hợp của lực kéo, lực nén và lực cắt Khi chịu uốn, mặt

trên của vật liệu sẽ phải làm việc chịu nén, mặt dưới của vật liệu chịu lực kéo và phần giữa của vật liệu chịu lực cắt

(Hình 3.2c) Vật liệu CDCCS chịu uốn

2 Các nhóm chất liệu được sử dụng trong vật liệu CDCCS:

Vật liệu CDCCS là sự kết hợp giữa các chất liệu: cốt chịu lực, nhựa, chất độn và phụ gia Mỗi chất liệu đều giữ một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu CDCCS Nhựa là chất “keo” liên kết các thành phần với nhau và ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu CDCCS Cốt chịu lực giữ vai trò xác định các tính chất cơ học của vật liệu Chất độn và chất phụ gia được sử dụng để giảm giá thành hoặc nâng cao các tính chất đặc biệt của vật liệu CDCCS

(Hình 3.2b) Vật liệu CDCCS chịu nén

(Hình 3.3)

Cuộn sợi carbon

Các tính chất cơ học và thành phần của vật liệu CDCCS có thể được biến đổi tùy theo mục đích sử dụng Tính chất và đặc điểm cơ học của vật liệu CDCCS do loại và chất lượng của chất liệu được chọn để sản xuất quyết định Khi chọn vật liệu CDCCS để sử dụng ta cần chú ý đến các tính chất loại sợi chịu lực, tỉ lệ sợi hoặc thể tích sợi, hướng sợi (0o, 90o, 45o hoặc đa hướng), loại nhựa, giá thành sản phẩm, quá trình sản xuất sản phẩm, thể tích của sản phẩm (giúp xác định phương pháp sản xuất tốt nhất), điều kiện môi trường sử dụng

2.1 Nhóm chất liệu cốt sợi chịu lực:

Sợi chiếm không nhiều hơn 60% thể tích của vật liệu FRP và là thành phần chính chịu lực Sợi làm việc chủ yếu là chịu kéo theo dọc trục và có cường độ kém theo phương ngang Có bốn tác nhân chính ảnh hưởng đến tính chất của sợi Đó là những tính chất cơ học của bản thân sợi, tác dụng bề mặt của sợi và nhựa, tỉ lệ sợi trong thành phần vật liệu composite, hướng của sợi trong vật liệu composite Ba dạng sợi thường dùng trong vật liệu FRP là sợi carbon, sợi thủy tinh và sợi aramid

Sợi carbon:

Sợi carbon xuất hiện từ năm 1959 Sợi carbon được tạo

thành từ PAN (Polyacrylonitrile), nhựa đường (sản phẩm

phụ từ quá trình hóa dầu) Từng sợi riêng biệt được tạo

thành bằng cách tách hydro và các nhóm liên kết C – C

của polymer dưới tác động của áp lực và kết quả là chất

nền carbon được tạo thành Những nhóm nitro N và nguyên

tử hydro H này được tách bỏ bằng cách nung nóng những

chất này ở nhiệt độ rất cao (thường lên đến 3000oC) trong

môi trường chân không Áp lực thường được cung cấp để

định dạng các chuỗi tiền polymer, sau đó trong quá trình

sản xuất thì áp lực được sử dụng để định hướng các tấm

tinh thể song song với trục của sợi Điều này đã tạo nên sự liên kết tối ưu cho các tấm tinh thể Trên lý thuyết, sợi carbon có thể đạt đến khả năng chịu kéo là 100GPa và mô đun đàn hồi là 1000GPa nếu như cấu trúc tinh thể được định hướng chính xác Nếu chuỗi polymer bị gập lại trong một giai đoạn nào đó của quá trình tạo thành tinh thể thì cả khả năng chịu lực lẫn mô đun đàn hồi đều không thể đạt đến giá trị tối đa Sợi carbon có khả năng chịu kéo khoảng 5500MPa, mô đun đàn hồi khoảng 103GPa và biến dạng dọc 0,8 ~ 2,0%

Hầu hết sợi carbon đều trơ trong các dung môi, kiềm và axít thông thường Đặc biệt sợi carbon chống nhiệt rất tốt Tấm dán carbon/epoxy có tính chống chịu tốt, không bị dùn, đứt, có khả năng chống ăn mòn Carbon hoạt động như một kim loại quí và có thể tạo thành những ô điện tử nếu như không có sự cách điện với các kim loại thường dùng trong xây dựng Thép và nhôm sẽ bị ăn mòn nếu tiếp xúc trực tiếp với sợi carbon Do đó, cần phải chú ý các thiết kế có kim loại và sợi carbon có khả năng tiếp xúc trực tiếp với nhau, trong trường hợp này người ta thường ưu tiên sử dụng E – glass làm lớp cách điện Phần lớn sợi thủy tinh có kích thước từ 5 ~ 7m, có khả năng chịu nén và kéo rất cao nhưng lại chịu ca đập kém hơn sợi thủy tinh và sợi aramid

Sợi thủy tinh:

Sợi thủy tinh xuất hiện trên thị trường vào năm 1939

Dung dịch thủy tinh được tạo thành bằng cách trộn và nung

nóng đến 1600oC các sản phảm từ mỏ (cát, kaolin, limestone,

colemanic) Dung dịch thủy tinh sẽ được cho qua một ống

thổi và đồng thời được làm nguội để tạo ra những sợi thủy

tinh có đường kính từ 5 ~ 24m Những sợi này sẽ được kéo

thành những sợi se (liên kết chặt) hoặc sợi thô (liên kết lỏng),

sau đó sợi sẽ được tráng phủ nhằm tạo cho sợi được suôn

thẳng và bảo vệ sợi thủy tinh không bị trầy xước

Tùy vào sự khác nhau giữa các thành phần hợp chất được

sử dụng ta có thể sản xuất ra nhiều loại thủy tinh khác nhau

Có sáu loại sợi thủy tinh, mỗi loại có những tính chất và ứng

dụng riêng:

A – glass: thủy tinh sodalime silica, dùng làm chai lọ đựng thức ăn nước giải khát …

AR – glass: thủy tinh zirconia, dùng cho cấu trúc dát mỏng chống ăn mòn của kiềm, nguồn cung cấp giới hạn

C – glass: thủy tinh sodium borossilicate, là dạng thủy tinh có khả năng chống ăn mòn của hóa chất rất tốt

E – glass: thủy tinh alumino borosilicate, là dạng thủy tinh cách điện tốt, có khả năng chịu kéo và nén tốt, giá thành thấp nhưng khả năng chịu va đập kém E – glass là

loại thủy tinh được dùng phổ biến làm sợi chịu lực trong vật liệu FRP

S – glass: thủy tinh magnesium alumino silicate, cường độ và mô đun đàn hồi của loại thủy tinh này lớn hơn, được dùng trong những ứng dụng đặc biệt trong lãnh vực hàng không

D – glass: thủy tinh điện môi thấp

Hai loại sợi thủy tinh được dùng phổ biến biến nhất trong các ứng dụng trong kết cấu là sợi S – glass và sợi E – glass, với sợi E – glass được dùng nhiều hơn trong công nghiệp Đặc điểm của hai loại sợi trên như sau:

Độ co giãn do nhiệt 5,0mm/mm/oC 5,6mm/mm/oC

(Hình 3.4)

Cuộn sợi thủy tinh

của sợi aramid sẽ bị giảm trong môi trường quá nóng hoặc

quá ẩm

Một số loại sợi aramid (đặc biệt là loại sợi có tính bền

cao) có thể đạt được khả năng chịu kéo lên đến 3400MPa,

mô đun đàn hồi 124GPa, loại sợi đặc biệt có thể có mô đun

đàn hồi đạt đến giá trị 210GPa

2.2 Nhóm chất liệu nhựa:

Nhiệm vụ chính của nhựa là truyền ứng suất giữa các sợi

chịu lực, đóng vai trò như một lớp keo để liên kết các sợi lẫn

nhau, bảo vệ sợi tránh khỏi các tác nhân phá hoại cơ học hoặc môi trường Lớp nhựa được chia làm hai nhóm chính là nhóm nhựa nhiệt cứng và nhóm nhựa nhiệt dẻo Nhóm nhựa nhiệt dẻo sẽ trở nên mềm đi khi gặp nhiệt, do đó có thể định hình hoặc đúc khuôn ở giai đoạn nhiệt nóng chảy và sẽ trở nên cứng lại khi được làm nguội đi Ngược lại, nhóm nhựa nhiệt cứng thì thường hóa lỏng hoặc đông đặc ở điểm nóng chảy thấp Khi được sử dụng để sản xuất ra thành phẩm, nhóm nhựa nhiệt cứng này sẽ được xử lý bằng chất xúc tác, bằng nhiệt, hoặc kết hợp cả hai phương pháp Một khi đã được xử lý, nhóm nhựa nhiệt cứng không thể trở lại trạng thái lỏng ban đầu Không giống như nhóm nhựa nhiệt dẻo, nhóm nhựa nhiệt cứng đã được xử lý sẽ không bị chảy ra nhưng sẽ trở nên mềm đi khi gặp nhiệt (giảm bớt độ cứng); đồng thời một khi đã được tạo hình thì nhóm nhựa này sẽ không thể được định hình trở lại Nhiệt độ chảy và nhiệt độ hóa gương được dùng để định lượng độ mềm hóa của nhựa đã được xử lý

Nhựa sử dụng trong vật liệu CDCCS cần phải có tính chất cơ học cao, dính kết tốt, tính dai và khả năng chống chịu phá hoại của môi trường

Những loại nhựa nhiệt dẻo và nhiệt cứng được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp CDCCS là những nhóm nhựa có nhóm polyester, epoxy và vinylester chưa bão hòa Cần phải hiểu rõ những khác biệt giữa các nhóm nhựa này để có thể sử dụng đúng loại nguyên liệu cho một ứng dụng cụ thể nào đó Ưu điểm và nhược điểm của các loại nhựa polyester, epoxy và vinylester như sau :

Nhựa polyester: là loại nhựa không bão hòa trùng hợp của các ester, được sử dụng

chiếm khoảng 75% tổng số các loại nhựa đang sử dụng trong công nghiệp CDCCS Nhựa polyester được chế tạo bằng cách polymer hoá hoá đặc của các axit mà chứa hai nhóm “–COOH” và các rượu hai chức năng glycol CnH2n(OH)2 Ngoài ra, nó còn chứa một axít chưa bão hòa như axit maleic anhydride C4H2O3 hoặc axit fumaric C4H4O4, làmột phần hợp thành của axit chứa hai nhóm “–COOH” Polymer cuối cùng được hoà tan trong các đơn phân tử hoạt động để trở thành dung dịch có độ nhớt thấp Khi nhựa được bảo dưỡng, các đơn phân tử hoạt động tác dụng với các phần chưa bão hòa của polymer biến đổi thành cấu trúc rắn

Các tính chất của nhựa polyester:

Khả năng chịu kéo: 35 ~ 104MPa

Mô đun đàn hồi kéo: 2,1 ~ 4,1GPa

Độ dãn dài: < 5,0

Tỷ trọng: 1,10 ~ 1,46g/cc

Nhựa vinylester: là loại nhựa phát triển dựa trên sự kết hợp giữa những ưu điểm

của nhựa epoxy với đặc tính thuận lợi (thao tác bằng tay dễ hơn, bảo dưỡng nhanh hơn) của loại nhựa polyester chưa bão hòa Do đó, loại nhựa này có khả năng xử lý nhanh và tốt hơn các loại nhựa khác Nhựa vinylester được sản xuất bằng cách cho nhựa epoxy phản ứng với axít acrylic C3H4O2 hoặc axít methacrylic C4H6O2 Phản ứng này cung cấp cho nhựa một gốc chưa bão hòa, rất giống với việc sử dụng maleic anhydride C4H2O3 trong quá trình sản xuất nhựa polyester Vật liệu tạo thành được làm tan trong dung dịch styrene C17H35(COO)3C3H5 để có được một chất lỏng tương tự như nhựa polyester Vinylester có tính bền cơ học cao và khả năng chống co rất tốt Những đặc tính này có thể đạt được mà không cần phải thông qua quy trình xử lý phức tạp giống như thường phải làm đối với nhựa epoxy Nhựa vinylester thường được sử dụng trong các vật liệu đòi hỏi có tính bền cao hoặc tính chống hóa chất cao

Tuy nhiên, loại nhựa này không có khả năng chịu mỏi cao như nhựa epoxy Bởi vì vinylester có một phần tính chất giống như polyester, cho nên vinylester cũng có vấn đề về mùi

Các tính chất của nhựa vinylester:

(Hình 3.6) Cấu trúc hóa học nhựa polyester

Khả năng chịu kéo: 73 ~ 81MPa

Mô đun đàn hồi kéo: 3,0 ~ 3,5GPa

Độ dãn dài: 3,5 ~ 5,5

Tỷ trọng: 1,12 ~ 1,32g/cc

Nhựa epoxy: là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng của vật liệu

CDCCS, trong sửa chữa kết cấu bê tông Cấu trúc của nhựa có thể được điều chỉnh khi sản xuất để có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau với nhiều cấp độ thể hiện khác nhau Lợi ích chính của nhựa epoxy so với các loại nhựa gốc polyester chưa bão hòa đó là có độ co thấp (1 ~ 5%) Nhựa epoxy còn có thể được pha trộn với những loại vật liệu hoặc các loại nhựa khác để đạt được những tính chất đặc biệt theo yêu cầu Chúng ta có thể điều chỉnh thời gian đông cứng của nhựa epoxy bằng sử dụng hợp lý loại chất xúc tác hoặc chất làm cứng Thông thường, nhựa epoxy được xử lý bằng cách cho thêm một trong hai loại chất anhydride hoặc chất làm cứng amine Với mỗi loại chất làm cứng khác nhau, với lượng chất làm cứng cho vào khác nhau, ta sẽ có các sản phẩm CDCCS có đặc tính khác nhau

Nhựa epoxy được sử dụng chủ yếu trong việc chế tạo CDCCS chất lượng cao với các tính năng cơ học cao, khả năng chống hóa chất ăn mòn và chống chịu tác động của môi trường, cách điện tốt, chịu được nhiệt độ cao, kết dính tốt với phần nền … Tuy nhiên nhựa epoxy không có khả năng chống tia cực tím tốt Bởi vì độ nhớt của nhựa epoxy thì cao hơn rất nhiều so với các loại nhựa polyester, do đó nó đòi hỏi phải có quá trình hậu xử lý (ở nhiệt độ cao) để đạt được những đặc tính cơ học cuối cùng Điều này làm cho nhựa epoxy khó sử dụng hơn Tuy nhiên, nhựa epoxy để lại ít mùi hơn so với các loại nhựa polyester

Các tính chất của nhựa epoxy:

Khả năng chịu kéo: 55 ~ 130MPa

Mô đun đàn hồi kéo: 2,8 ~ 4,1GPa

Độ dãn dài: 3,0 ~ 10,0

Tỷ trọng: 1,2 ~ 1,3g/cc

(Hình 3.7) Cấu trúc hóa học nhựa Vinylester