Phân tích hiện tượng hư hỏng mố, trụ cầu và để xuất giải pháp gia cường kết cấu trụ cầu bằng tấm sợi composite tại tỉnh trà vinh

GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH Học viên: Nguyễn Phú Thọ, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHÚ THỌ

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU

VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHÚ THỌ

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU

VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Đà Nẵng, Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Phú Thọ

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT

GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI

COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH

Học viên: Nguyễn Phú Thọ, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Tấm sợi Composite cho thấy phương pháp gia cường đơn giản, có thể thực hiện

nhanh chóng với chi phí tương đối thấp và không làm tăng kích thước cấu kiện, làm tăng khả năng chịu cắt của kết cấu bê tông cốt thép, đồng thời làm tăng độ cứng và độ dẻo của kết cấu

bê tông cốt thép

Việc nghiên cứu của đề tài giúp thêm thông tin hữu ích về vật liệu Composite, các công thức tính toán kết cấu bê tông cốt thép được dán tấm Composite theo tiêu chuẩn của ACI Kết quả tính toán sức lực dọc của kết cấu:

Hiệu quả tăng cường chịu nén uốn đồng thời tại điểm A tăng 25%, điểm B tăng 22%, điểm C tăng 15%

Vì vậy, có thể thấy rằng sử dụng tấm sợi Composite tăng cường cho kết cấu bê tông cốt thép cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cột

Từ khóa – tấm sợi Composite; cột bê tông cốt thép; Vật liệu Composite; tăng cường chịu lực;

nghiên cứu thiết kế

ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF DAMAGES, BRIDGE AND PROPOSAL SOLUTIONS TO STRENGTHEN BRIDGE STRUCTURE BY FIBER PLATE

COMPOSITE IN TRA VINH PROVINCE Abstract -Composite fiber sheet show simple reinforcement methods that can be

implemented quickly at relatively low cost and do not increase the size of the structure, increase the cutting resistance of the reinforced concrete structure Increases the hardness and ductility of the reinforced concrete structure

The study of the topic gives more useful information about Composite materials, reinforced concrete formula formulas that are pasted with Composite -compliant Composite sheets Results of calculating the vertical strength of the structure:

At the same time, the bending efficiency of bending at bending increased by 25%, B increased

by 22% and C by 15%

Therefore, it can be seen that the use of reinforced Composite fiber sheet for reinforced concrete structures significantly improves the bearing strength of the columns

Key words – Composite fiber sheet; reinforced concrete column; Composite materials;

intensify to force; desıgn study

PHỤ LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN

LỜİ CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HİỆU, CÁC CHỮ VİẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1) TÍNH CẤP THİẾT CỦA ĐỀ TÀİ 1

2) MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU ĐỀ TÀİ 2

3) ĐỐİ TƯỢNG VÀ PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU 2

4) PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU 3

5) CẤU TRÚC LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BTCT VÀ VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE, CÁC PHƯƠNG PHÁP GİA CƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM SỢI COMPOSITE 4

1.1 BÊTÔNG 4

1.1.1 Vật liệu cấu thành bê tông 4

1.1.2 Tính chất của bê tông 6

1.2 QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 6

1.2.1 Các quá trình xuống cấp 6

1.2.2 Ăn mòn sun phát 7

1.2.3 Phản ứng kiềm – silica 8

1.2.4 Các dạng phá hoại khác 8

1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 9

1.3.1 Bêtông bị rỗ 9

1.3.2 Bêtông bị rỗng 9

1.3.3 Bêtông bị nứt nẻ 10

a) Vết nứt do co ngót 10

b) Vết nứt nghiêng 10

c) Vết nứt dọc 10

d) Vết nứt ngang trong bản mặt cầu 10

1.3.4 Bêtông bị vỡ lở 10

1.3.5 Bêtông quá khô 10

1.3.6 Suy thoái của bê tông 11

1.3.7 Sự làm việc mỏi của bê tông cốt thép thường 11

a) Bêtông chịu lực mỏi 11

b) Cốt thép chịu lực mỏi 12

c) Bê tông cốt thép thường chịu lực mỏi 12

1.4 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER - FRP) VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 12

1.5 CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER – FRP) 15

1.5.1 Cấu trúc vật liệu sợi Composite 15

a) Sợi carbon (CFRP) 16

b) Sợi aramid (AFRP) 18

c) Sợi thủy tinh (GFRP) 18

1.5.2 Các đặc trưng cơ học của vật liệu Composite 20

a) Mô đun đàn hồi 21

b) Cường độ 22

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU MỐ, TRỤ CẦU, MÓNG CỌC 22

1.6.1 Tổng quan về các dạng hư hỏng mố, trụ cầu 22

1.6.2 Sửa chữa hư hỏng kết cấu mố, trụ cầu 24

1.6.3 Tăng cường khả năng chịu lực của mố cầu 24

1.6.4 Tăng cường khả năng chịu lực của trụ cầu 25

a) Tăng cường khả năng chịu lực của thân trụ 25

b) Tăng cường khả năng chịu lực của xà mũ trụ 27

1.7 ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU 31

1.8 CÔNG NGHỆ DÁN TẤM VẬT LİỆU SỢİ COMPOSİTE 31

1.9 THİẾT BỊ THİ CÔNG 37

1.9.1 Thiết bị doa và mài bo tròn các góc cạnh của bêtông 37

1.9.2 Thiết bị sửa, đục bỏ và cắt bề mặt bêtông kém chất lượng, sứt vỡ 37

1.9.3 Thiết bị bơm keo Epoxy chám vá vết nứt (áp lực tối thiểu 2 bar) 37

1.9.4 Thiết bị làm sạch bề mặt bằng thủy lực 38

1.9.5 Thiết bị thổi bụi khô cầm tay 38

1.9.6 Thiết bị tẩm keo và dán tấm sợi Composite 38

1.9.7 Bảo hộ lao động bao gồm 39

1.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE 40

2.1 NGHİÊN CỨU LÝ THUYẾT 40

2.1.1 khoản cách các dải vật liệu FRP trong tăng cường chịu cắt 40

2.1.2 Gia cường sức kháng cắt của kết cấu cột, trụ BTCT bằng tấm vật liệu Composite 40

2.1.3 Gia cường khả năng chịu lực dọc trục và dọc trục kết hợp với sức kháng uốn của kết cấu cột, trụ BTCT bằng tấm sợi Compoite 40

2.1.4 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén dọc trục thuần túy bằng vật liệu Composite 41

2.1.5 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén với tiết diện hình tròn bằng vật liệu Composite 45

2.1.6 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén với các tiết diện khác bằng vật liệu Composite 45

2.1.7 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT khả năng chịu nén có xét đến trạng thái giới hạn sử dụng bằng vật liệu Composite 47

2.1.8 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén, uốn đồng thời bằng vật liệu Composite 47

2.1.9 Nâng cao tính dẻo cho kết cấu dầm, cột được gia cường bằng vật liệu Composite 48

2.1.10 Với mặt cắt tiết diện tròn 49

2.2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU CỘT, TRỤ BTCT BẰNG TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE 49

2.2.1 Vật liệu bê tông cốt thép 49

2.2.2 Xây dựng đường cong quan hệ tương tác P-M 49

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT TRỤ CẦU CỒN TÀU ĐƯỜNG TỈNH LỘ TL.913, HUYỆN DUYÊN HẢI, TỈNH TRÀ VINH 54

3.1 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH, THỬ TẢI VÀ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA TRỤ CẦU 54

3.1.1 Vị trí xây dựng 54

3.1.2 Quy mô công trình 55

3.1.3 Đánh giá sơ bộ hiện trạng mố trụ cầu 55

3.1.4 Nguyên nhân dẫn đến nứt trụ cầu 56

3.1.5 Xác định cường độ bê tông và cốt thép 56

3.1.6 Xác định chiều dày lớp bê tông bảo vệ và kích thươc cốt thép chịu lực chính 57

3.1.7 Thử tải động kết cấu mố trụ 58

3.1.8 Kết luận và kiến nghị 58

3.2 TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG TRỤ T1 BẰNG TẤM SỢI CARBON 59

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68

KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 69

1 KẾT LUẬN 69

2 KİẾN NGHỊ 69

3 HƯỚNG NGHİÊN CỨU TİẾP THEO 69 TÀİ LİỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ac - Diện tích mặt cắt ngang của phần bê tông chịu nén (mm2)

Ae - Diện tích mặt cắt ngang của phần bê tông bị kìm chế biến dạng nở hông có hiệu (mm2)

Af - Diện tích của vật liệu FRP gia cố bên ngoài (mm2)

Ag - Tổng diện tích của mặt cắt bê tông (mm2)

Afv - Diện tích vật liệu FRP tăng cường chịu cắt với khoảng cách s (mm2)

As - Diện tích của cốt thép thường (mm2)

Asi - Diện tích cốt thép lớp thứ i theo chiều dọc (mm2)

Ast - Tổng diện tích cốt thép gia cố theo chiều dọc (mm2)

b - Bề rộng mặt chịu nén của cấu kiện (mm)

h - Bề dày hoặc chiều cao một cấu kiện (mm)

D - Đường kính mặt cắt ngang hình tròn của cấu kiện chịu nén (mm)

Ec - Mô đun đàn hồi của bê tông (MPa)

Ef - Mô đun kéo đàn hồi vật liệu FRP (MPa)

Es - Mô đun đàn hồi của thép (MPa)

f’c - Cường độ nén quy định của bê tông (MPa)

fc - Ứng suất nén của bê tông (MPa)

f’cc - Cường độ nén của bê tông bị kìm chế biến dạng nở hông (MPa)

f’co - Cường độ nén của bê tông không bị kìm chế biến dạng nở hông tương đương với giá trị 0,85f’c (MPa)

fy - Giới hạn chảy của cốt thép thường (MPa)

Pn - Lực nén danh định đúng tâm tại mặt cắt bê tông (N)

rc – Bán kính của đường biên mặt cắt lăng trụ bị bọc bởi FRP (mm)

BTCT - Bêtông cốt thép

BTCTDƯL - Bêtông cốt thép dự ứng lực

DƯL - Dự ứng lực

TCN - Tiêu chuẩn ngành

FRP - Fiber Reinforced Polymer

AFRP - Aramid Fiber Reinforced Polymer

GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymer

CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer

ACI - American Concrete Institu

ACMA - American Composites Manufactures Association

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1 Các đặc trưng loại sợi Carbon khác nhau 17 1.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau 18

1.4 Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền 20 1.5 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi Composite 20 1.6 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu Composite 21

3.3 Kết quả tần số và chu kỳ của kết cấu mố M1 và trụ T1 58 3.4 Kết quả chuyển vị động của kết cấu mố M1 và trụ T1 58 3.5 Thông số kỹ thuật của trụ cần tăng cường 61

3.6 Tổng hợp sức kháng danh định dọc trục và uốn (không có gia cố)

với vị trí A, B, và C Vị trí này được hiển thị trên hình bên dưới 68

1.8 Hiện tượng hư hỏng trụ cầu do bị ăn mòn 24 1.9 Tăng cường mố bằng biện pháp thay đất bằng đá dăm, đá hộc 25

1.10 Tăng cường mố bằng cách làm thêm thanh chống và ụ chắn trước

Sửa chữa trụ cầu Phú mỹ ngập trong nước bằng phương pháp sử

dụng vật liệu CFRP chế tạo sẵn và thí nghiệm độ bám dính của

vật liệu

30

1.16 Sửa chữa dầm,mố trụ cầu Ô Chát bằng phương pháp dự ứng lực

ngoài kết hợp sử dụng tấm FRP chế tạo sẵn 30

1.17 Sửa chữa trụ cầu Thanh Trì bằng phương pháp vỏ thép bao bọc 31 1.18 Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng kém 32 1.19 Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm bằng keo chuyên dụng 32 1.20 Công tác bo tròn cạnh với bán kính tối thiểu 20mm 33

1.22 Quy trình thi công quét keo lên bề mặt kết cấu 34

1.24 Công tác dán tấm sợi carbon cho dầm và cột 35 1.25 Một số dạng gia cường dầm BTCT bằng tấm sợi Composite 35

1.27 Thiết bị doa và mài bo tròn các góc, cạnh kết cấu bêtông 37 1.28 Thiết bị sửa, đục bỏ và cắt kết cấu bêtông 37 1.29 Thiết bị bơm keo tram vết nứt kết cấu bêtông 37 1.30 Thiết bị làm sạch bằng thủy lực kết cấu bêtông 38

2.1 Mối quan hệ ứng suất – Biến dạng trong kết cấu bê tông chịu nén

có tăng cường và không tăng cường vật liệu FRP 41

2.2 Biểu đồ ứng suất – biến dạng cho cột bê tông cốt thép bọc và

2.4 Mô hình ứng suất – biến dạng do bê tông bị vật liệu FRP kìm chế

2.5 Biến đổi tương đương về mặt cắt dạng tròn 46

2.7 Mô hình biến dạng của quan hệ tương tức P – M trên mặt cắt tại

2.8 Mô hình biến dạng của quan hệ tương tức P – M trên mặt cắt tại

2.9 Sơ đồ khối thể hiện quá trình tính toán P –M tại các điểm A, B, C 52

3.3 Đã xuất hiện nhiều vết nứt trên thân trụ 56

3.4 Đo cường độ bêtông bằng súng bật nẩy-siêu âm và dò cốt thép

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói chung

và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng Sự xâm thực mạnh của môi trường gây ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép Trong kết cấu công trình giao thông và thủy lợi, sự xâm thực đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép như các mố trụ cầu ngập trong nước xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế Ngoài

ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng thường có xu hướng bất lợi đối với kết cấu công trình hiện hữu đòi hỏi việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp hoặc thậm chí thay mới kết cấu công trình Khi đó, sửa chữa và nâng cấp thường là giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới hàng loạt công trình đòi hỏi khoản tài chính rất lớn, khó có thể đáp ứng được Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì

và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết

- Trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển đất nước, nền kinh tế nước

ta có những bước phát triển rất nhanh trong những năm gần đây Đi kèm với sự phát triển dân số ngày càng tăng dẫn đến các công trình giao thông ngày càng được xây dựng nhiều Nhu cầu xây mới ngày càng nhiều, nhưng ngân sách địa phương có hạn, cho nên việc nâng cấp, cải tạo nhằm nâng cao năng lực hoạt động, kéo dài tuổi thọ các công trình giao thông, dân dụng và thủy lợi trở nên rất cần thiết Ngoài yêu cầu về việc đảm bảo chất lượng, còn phải yêu cầu về tính thẩm mỹ, tạo vẽ mỹ quan cho đô thị là nhiệm vụ hết sức cấp bách

- Gần đây, ở nước ta bắt đầu tiếp cận một giải pháp gia cường kết cấu công trình bê tông cốt thép bằng vật liệu composite sợi các bon, thủy tinh và aramid (từ đây trở đi để tiện cho việc trình bày sẽ gọi ngắn gọn là vật liệu composite) Tuy nhiên, việc nghiên cứu về giải pháp gia cường: dùng loại vật liệu nào, dán bao nhiêu lớp, dán theo phương pháp nào, kích thước bao nhiêu là phụ thuộc vào tình trạng chịu lực, tình trạng phá hủy của kết cấu Nghiên cứu về ứng xử của kết cấu sau khi gia cường vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là về các trạng thái phá hủy của kết cấu mới thường đột ngột (phá hoại giòn do phá hoại lớp keo dính bám hoặc bóc tách lớp bê tông bảo vệ) nên việc kiểm soát ứng xử của kết cấu vẫn còn là một thách thức Để đánh giá hiệu quả của

việc gia cường, các thông số như vật liệu, trạng thái chịu lực trước khi gia cường cần được phân tích kỹ lưỡng, nhất là việc xem xét tới ảnh hưởng của đoạn không gia cường, mức độ gia cường (số lớp và loại vật liệu gia cường) đến dạng phá hoại và sức chịu tải giới hạn của kết cấu Vì phương pháp dán lớp vật liệu gia cường composite thường được áp dụng ở bề mặt cấu kiện chịu kéo, nên việc này cũng đã làm gia tăng mật độ vật liệu chịu kéo nhiều hơn, dẫn tới việc phân bố lại ứng suất biến dạng trong mặt cắt cấu kiện, và cụ thể là bê tông vùng chịu nén có thể bị phá hoại giòn nếu số lớp vật liệu gia cường đủ dày Do vậy, việc xác định ứng xử của hệ thống kết cấu trước và sau khi gia cường dưới tác dụng của tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn mức độ và phương án gia cường

mà còn giúp việc quản lý khai thác được hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế

- Vật liệu Composite (vật liệu tổng hợp) là một loại vật liệu mới có nhiều ửu điểm về cường độ, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu ăn mòn trong môi trường nhiễm mặn, tiết kiệm chi phí cho việc sữa chửa, cải tạo các công trình cũ, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao

- Vì vậy, vật liệu Composite cho thấy phương pháp gia cường đơn giản, có thể thực hiện nhanh chống với chi phí tương đối thấp và không làm tăng kích thước cấu kiện, làm tăng khả năng chịu cắt của kết cấu bê tông cốt thép, đồng thời làm tăng độ cứng

và độ dẻo của cấu kiện bê tông cốt thép Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “ Phân tích hiện tượng hư hỏng mố trụ cầu và đề xuất giải pháp gia cường kết cấu trụ cầu bằng tấm sợi Composite tại tỉnh Trà Vinh” nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ này ở Việt Nam

2 MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀİ

- Nghiên cứu hiện tượng xuống cấp, hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép (mố, trụ cầu)

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình giao thông và thủy lợi

Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm Composite

- Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của vật liêu cường độ cao tấm sợi Composite

- Đánh giá về công nghệ dán tấm sợi Composite trong sửa chữa và tăng cường kết cấu

bê tông cốt thép (trụ cầu) và khả năng áp dụng công nghệ này ở nước ta

3 ĐỐİ TƯỢNG VÀ PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU

- Đối tương nghiên cứu: Các cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết tăng cường cho kết cấu bê tông cốt thép bằng công nghệ dán tấm sợi Composite

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán tấm sợi Composite để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông cốt thép (trụ cầu)

4 PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính toán dựa trên mô hình lý thuyết

- Tính toán hiệu quả tăng cường thông qua lý thuyết tính toán

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát chung về bê tông cốt thép trong quá trình khai thác sử dụng và một số biện pháp sửa chữa, cải tạo và gia cường các cấu kiện đã bị hư hỏng, xuống cấp để khôi phục lại khả năng làm việc của công trình

- Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt thép và vật liệu sợi Composite, các phương pháp gia cường và công nghệ thi công dán tấm sợi Composite

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết, tính toán gia cường kết cấu bê tông cốt thép (trụ cầu) bằng tấm sợi Composite

- Chương 3: Tính toán gia cường kết cấu trụ cầu Cồn Tàu đường tỉnh lộ TL.913, huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh

- Cuối cùng là những kết luận và kiến nghị của đề tài

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ VẬT LIỆU SỢI

COMPOSITE, CÁC PHƯƠNG PHÁP GİA CƯỜNG VÀ CÔNG

NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM SỢI COMPOSITE

Chương này trình bày tổng quan về hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép trong công trình giao thông ở nước ta và tổng quan về vật liệu sợi Composite, đồng thời giới thiệu về một số giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép trong đó tập trung vào phương pháp dán lớp vật liệu tấm sợi Composite cường độ cao Những tiến

bộ trong nghiên cứu về ứng xử của kết cấu gia cường, trong đó trọng tâm là sự làm việc chung giữa các lớp vật liệu cũ và vật liệu gia cường đã được thực hiện trong và ngoài nước

1.1 BÊTÔNG

1.1.1 Vật liệu cấu thành bê tông

Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế tạo từ các loại vật liệu rời, chất kết dính và phụ gia nếu có

+ Cốt liệu rời (cát, sỏi, đá dăm…)

- Cát – cốt liệu liệu bé : Có kích thước (1-:- 5)mm

- Sỏi, đá dăm – cốt liệu lớn : Có kích thước (5 -:- 40)mm

+ Chất kết dính: Chất kết dính thông thường là vữa xi măng Vữa xi măng là hỗn hợp của xi măng và nước phản ứng với nhau tạo nên sản phẩm thủy hóa và các lỗ rỗng chứa nước Sản phẩm thủy hóa chủ yếu là các gel canxi silicat thủy hóa

vô định hình và canxi hydroxit Rất nhiều các sản phẩm nhỏ khác cũng hình thành, đáng kể như các pha của khoáng aluminat (Taylor, 1997) Có rất nhiều loại ximăng, phổ biến nhất là xi măng Portland thường (OPC) được sản xuất bởi đốt nóng các nguyên liệu thô chứa canxi và silica đến nhiệt độ cao và nghiền mịn clinker.Tro bay từ các nhà máy điện và xỉ của các nhà máy luyện thép cũng có tính chất xi măng

và tro nhiên liệu nghiền (PFA) hay xỉ lò cao (GGBS) có thể dùng để thay thế xi măng Portland trong bêtông Điển hình như trong xi măng có thể chứa đến 35% PFA hay 70% GGBS Các hạt silica siêu mịn và metakaolin là những vật liệu có tính chất xi măng khác cũng có thể được trộn với Portland xi măng với hàm lượng nhỏ hơn

Những xi măng hỗn hợp như vậy được dùng nhằm cải thiện các tính chất của bêtông

và đôi khi hạ giá thành sản xuất

+ Phụ gia: Cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong quá trình sử dụng như lượng nước nhào trộn, độ ninh kết, lưu động, cường độ bê tông, chống ăn mòn, chống thấm…

- Có thể ví dụ như các phụ gia siêu dẻo, các phụ gia chống thấm, phụ gia cuốn khí và các chất làm chậm hay tăng tốc quá trình thủy hóa của xi măng Phụ gia siêu dẻo cải thiện tính công tác của bêtông, vì thế cho phép giảm lượng nước nhào trộn đến 20% Phụ gia cuốn khí dùng để cải thiện khả năng chống sự xuống cấp của bêtông do quá trình đóng tan băng Bêtông phải duy trì tính công tác trong khi đổ vào ván khuôn Các phụ gia kiềm hãm quá trình thủy hóa có thể được dùng nhằm kéo dài thời gian ninh kết, trong khi các phụ gia đóng rắn nhanh có tác dụng rút ngắn thời gian ninh kết, nhanh chóng đạt được cường độ sau khi đổ bêtông

- Nguyên lý chế tạo bê tông: Là các cốt liệu lớn làm bộ xương, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống, chất kết dính có tác dụng liên kết các cốt liệu lại với nhau tạo nên thể đặc chắc có khả năng chống lại biến dạng

Hình 1.1 Mặt cắt bêtông

1.1.2 Tính chất của bê tông

- Bêtông là vật liệu cường độ chịu nén cao, phát triển cường độ nén rất nhanh Chất lượng bêtông hợp lý có thể đạt cường độ lớn hơn 40 MPa Bê tông có khả năng chịu nén khá tốt Nhưng có khả năng chịu kéo lại rất kém (kém từ 8 - 15 lần so với khả năng chịu nén)

- Cốt thép (CT) được dùng trong bêtông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo của bêtông

- Bêtông có các lỗ rỗng và chúng có ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của bêtông Canxi-silicat thủy hóa, sản phẩm chính của quá trình thủy hóa, có độ rỗng khoảng 28% (lỗ rỗng gel) Nước dư thừa sẽ chiếm chỗ trong bêtông, dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng mao dẫn Trong bêtông cũng có chứa không khí và các lỗ rỗng khác Các lỗ rỗng mao dẫn có đường kính đến 1µm, trong khi các lỗ rỗng gel có đường kính vài nm Những bọt túi cuốn khí điển hình có đường kính 0.1mm và được phân bố khắp nơi trong vữa xi măng Những khuyết tật khác cũng có thể tồn tại như các vết nứt bên trong, các lỗ rỗng bên dưới các hạt cốt liệu, và rỗ “tổ ong” (Glass and Buenfeld, 2000a) Các chất dẫn điện thường xuất hiện trong các lỗ rỗng và các khuyết tật lớn hơn trong bêtông Nó chứa các ion như Na+, K+, Ca2+, OH- và SO42-, cũng như oxy hòa tan Điểm đáng chú ý của xi măng thủy hóa là các pha chứa nước nhanh chóng đạt được pH cao Hơn nữa, vật liệu có phần lưu trữ kiềm lớn dưới dạng các sản phẩm thủy hóa hòa tan chống lại sự giảm pH ở các giá trị trên 10 Dung dịch

có tính kiềm trong các lỗ rỗng của bêtông tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt thép Lớp thụ động được hình thành từ các oxit không hòa tan, sản phẩm của các phản ứng nhiệt động học giữa thép, nước và oxy trong môi trường có pH cao Màng thụ động đóng vai trò lớp rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép Sự xâm nhập của các chất độc hại có thể diễn ra trong bêtông qua hệ thống

lỗ rỗng, thường chủ yếu qua các lỗ rỗng mao dẫn Vết nứt sẽ phát triển ở những nơi bêtông chịu ứng suất kéo và cốt thép chịu tải trọng, do đó sẽ làm giảm chức năng bảo

vệ của lớp bêtông bảo vệ Cũng có rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây co ngót của bêtông có thể gây ra các vết nứt trong bêtông (Neville, 1996)

1.2 QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.2.1 Các quá trình xuống cấp

- Những tác nhân dẫn đến xuống cấp và hư hỏng của bê tông cốt thép thường gặp

Hình 1.2 Quá trình xuống cấp của bêtông và ăn mòn cốt thép

- Có rất nhiều quá trình làm giảm chất lượng khai thác của các công trình bêtông cốt thép, bao gồm quá trình xuống cấp của chính vật liệu bêtông và quá trình ăn mòn cốt thép (Hình 1.2) (ENV 1504-9, 1997)

1.2.2 Ăn mòn sun phát

- Ăn mòn sun phát do quá trình phản ứng hóa học giữa sun phát hòa tan và các thành phần trong xi măng Các sản phẩm hình thành chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều so với các chất mà chúng đã thay thế và làm cho vữa xi măng bị phá hoại; do đó gây giãn

nở và phá hoại bêtông Sự phá hoại do sun phát có thể bao gồm sự hình thành ettringite, quá trình ettringite muộn và sự hình thành thaumasite (Hobbs, 2001)

- Ettringite hay Canxi aluminum sun phát hydroxit thủy hóa (Ca6Al2(SO4)3 (OH)12 26H2O) được hình thành từ phản ứng giữa ion sun phát và các pha aluminat trong

xi măng Nó được hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng khi canxi sun phát được trộn vào trong bêtông để kiểm soát quá trình thủy hóa Nó là chất có tính giãn

nỡ nhưng chỉ có tác dụng phá hoại khi hình thành sau khi xi măng đã hóa cứng.Trường hợp phổ biến của quá trình ăn mòn sun phát là quá trình xâm thực sun phát từ môi trường bên ngoài vào trong bêtông và tạo ra ettringite Các góc cạnh đặc biệt rất dễ bị ảnh hưởng và kết quả là bề mặt bêtông dễ bị phá vỡ, xem Hình 1.3

- Thaumasite hay Canxi silicat cacbonat sun phát thủy hóa (Ca3Si(OH)6 CO3SO4 12H2O) được hình thành do sun phát xâm nhập vào bêtông hay vữa Nó thường bắt gặp ở môi trường ẩm và lạnh như các công trình ngầm với các điều kiện có sẵn sun phát, cacbonat và nước Bêtông sử dụng cốt liệu đá vôi thường bị ảnh hưởng của thaumasite, bởi chúng là nguồn cung cấp ion cacbonat Thaumasite trương nở và tác động đến cả hồ xi măng và cốt liệu

1.2.3 Phản ứng kiềm-silica

- Phản ứng kiềm-silica là phản ứng hóa học giữa các khoáng silic trong cốt liệu với kiềm trong bêtông Phản ứng tạo ra gel trương nở sau khi xi măng hình thành cường

độ, gây ứng suất bên trong dẫn đến giãn nở và nứt bêtông

- Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và mức độ giãn nở gồm hàm lượng kiềm, lượng cốt liệu hoạt tính và kích thước hạt, độ ẩm của bêtông, sự chênh lệch độ ẩm, nhiệt

độ và tính xuyên thấm của bêtông Hàm lượng kiềm (đo bằng hàm lượng Natri và Kali trong dung dịch pH cao chứa trong lỗ rỗng bêtông) phụ thuộc vào loại xi măng

1.2.4 Các dạng phá hoại khác

- Ngoài phá hoại trên các dạng suy giảm chất lượng bêtông khác ít phổ biến như sau

- Ảnh hưởng của các chất hóa học tác động đến bê tông là chúng phá hủy hồ xi măng, làm suy yếu bêtông Trong nhiều trường hợp, khả năng kháng của bêtông đối với các dạng phá hoại trên được xác định chủ yếu bởi khả năng chống xuyên thấm của các nhân tố gây hại

- Sự phá hoại của nước biển do phản ứng hóa học của sun phát trong nước biển cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong lỗ rỗng Bởi vì quá trình kết tinh của muối xảy ra do sự bay hơi của nước, do đó những phần bêtông ở vùng mực nước thay đổi thì sự phá hủy này diễn ra rất mạnh mẽ

- Tác động chủ yếu của lửa là gây ra biên độ thay đổi nhiệt độ rất lớn trong bêtông Sự khác nhau về sự giãn nở nhiệt làm bong vỡ lớp phủ bề mặt và giảm cường độ Ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ đến cường độ của bêtông là nhỏ Sự mất độ ẩm khi nhiệt

độ cao có thể dẫn đến sự suy giảm cường độ và tính đàn hồi

1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.3.1 Bê tông bị rỗ

Hiện tượng này khá phổ biến trong quá trình đúc bêtông làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu và kết cấu dễ bị xâm thực từ môi trường ngoài gây nên hư hỏng và sập đổ công trình, có 3 loại rỗ như sau:

- Rỗ mặt hay rỗ tổ ong, các lỗ rỗ này chỉ có độ sâu từ 1-2cm, thành từng mảng trên mặt kết cấu;

- Rỗ sâu, với loại rỗ này người ta có thể dùng thanh sắt bẩy rời các viên cốt liệu không được vữa xi măng liên kết chặt, cho đến khi gặp lớp bêtông quánh chắc bên trong, thì

đã hình thành một lỗ sâu trong bêtông để lộ cốt thép ra ngoài;

- Rỗ thấu suốt là loại rỗ ăn thông qua 2 mặt của kết cấu BTCT

Những nguyên nhân gây ra hiện tượng rỗ:

- Bêtông bị phân tầng khi chiều cao rơi bêtông không đảm bảo yêu cầu;

- Công tác thi công đầm không tốt;

- Bêtông bị mất nước xi măng hoặc độ sụt không đạt yêu cầu;

- Thành phần cấp phối bêtông không hợp lý;

- Cự ly cốt thép không đúng quy định

1.3.2 Bê tông bị rỗng

Hiện tượng bêtông trong kết cấu bị rỗng là vì vữa bêtông trong khi đổ bị ngăn chặn

ở một đoạn nào đó và thường xuất hiện ở những vị trí như sau:

- Ở mặt dưới của các dầm bêtông, cốt thép hầu như lộ hẳn ra ngoài, hoàn toàn không

có lớp bảo vệ, sở dĩ có hiện tượng này vì khi đổ bêtông lượng cốt thép bố trí quá dày nên hỗn hợp bêtông không thể xuống đến dưới mà chỉ có vữa ximăng xuống cốt liệu lớn đã bị cốt thép giữ lại;

- Ở các góc nối giữa dầm với cột, nơi bêtông cột co ngót bị cản trở bởi bêtông dầm vẫn được chống đỡ căng bên dưới, cốt thép đầu cột thường bị trơ trụi ra, phần bêtông tựa của dầm lên cột hoàn toàn như không có;

- Ở các nơi có bản thép chôn sẵn để hàn liên kết các kết cấu với nhau, khi đúc bêtông, vữa không chui xuống được dưới các bản thép đó, nên hình thành khoan trống rỗng bên dưới

1.3.3 Bê tông bị nứt nẻ

Hiện tượng bêtông bị nứt nẻ là triệu chứng bêtông chịu ứng suất và biến dạng, có những ứng suất tự bản thân bêtông gây ra trước khi chịu tải do co ngót trương nở hoặc phản ứng phát nhiệt trong bêtông

d) Vết nứt ngang trong bản mặt cầu

Nguyên nhân do mô men uốn tạo ra quá lớn lúc cẩu dầm để lắp ghép, hoặc do dự ứng lực nén quá mạnh

1.3.4 Bê tông bị vỡ lở

Bêtông bị vỡ lở thành từng mảng thường xảy ra ở các góc, mép cạnh kết cấu và cả trên mặt tấm bêtông Nguyên nhân lở vỡ bêtông là do:

- Sử dụng cốt liệu kém phẩm chất;

- Sỏi đá chưa rửa sạch, còn lẫn nhiều đất bẩn

1.3.5 Bê tông quá khô

Do bêtông không được bảo dưỡng tốt, không được tưới nước thường xuyên, bị mất nước nhanh bêtông không đủ nước để thủy hóa xi măng dẫn đến cường độ bêtông giảm đi rõ rệt

1.3.6 Suy thoái của bê tông

- Bêtông là loại vật liệu dễ nứt, các vết nứt làm giảm độ cứng của tiết diện, làm môi trường vật liệu bị đứt đoạn và là triệu chứng của sự phân bố lại nội lực giữa bêtông và cốt thép;

- Bêtông có độ rỗng xốp lớn có thể lên tới 40% thể tích; dù bêtông có chất lượng tốt thì độ rỗng xốp xấp xỉ 10% thể tích của bêtông Và các lổ rỗng này sẽ thấm nước là nguyên nhân gây suy thoái chất lượng bêtông;

- Sự lão hóa của bêtông bắt đầu bởi các khe nứt trong quá trình thi công hoặc quá trình khai thác, các chất nguy hại cho bêtông và cốt thép sẽ xâm thực bêtông và cốt thép

1.3.7 Sự làm việc mỏi của bê tông cốt thép thường

Mỏi là một quá trình thay đổi lâu dài cấu trúc bên trong vật liệu, phụ thuộc vào tải trọng lặp Trong bê tông, những thay đổi này liên quan mật thiết đến sự hình thành và phát triển của các vết nứt nhỏ bên trong, và sự phá vỡ lực dính Từ đó có thể dẫn đến

sự hư hỏng nhanh của bê tông cốt thép và tiếp theo là hư hỏng của kết cấu công trình

a) Bêtông chịu lực mỏi

- Cơ học của sự nứt mỏi trong bêtông hoặc vữa có thể chia thành ba giai đoạn Giai đoạn thứ nhất từ những vùng bị yếu trong bêtông hoặc vữa và được coi là sự mở đầu cho những vết nứt Giai đoạn thứ hai là sự hình thành chậm các vết nứt với kích thước nói chung nhỏ Còn giai đoạn thứ ba diễn ra khi có sự hình thành đủ các vết nứt gây mất ổn định hoặc kích thước các vết nứt tăng lên làm thu hẹp diện tích mặt cắt của kết cấu, nên kết cấu không còn đủ khả năng chịu tải như khi tính toán dẫn đến hư hỏng

- Ở giai đoạn đầu, bêtông thường chịu nén có điều chỉnh lực hoặc chịu lực kéo mỏi có ứng suất tăng mạnh một thời gian ngắn, sau đó đều đặn tăng nhẹ trong giai đoạn hai và ở giai đoạn cuối thì ứng suất tăng trở lại một cách đáng kể trước khi mẫu bị phá hoại Modun đàn hồi của bêtông giảm đáng kể trong suốt thời gian thí nghiệm do sự hình thành vết nứt rất nhỏ

- Dưới lực nén dọc trục, có sự rạn nứt nhỏ trong giai đoạn cuối này Các vết nứt xuất hiện thêm và nối lại, song song với hướng lực tác dụng trên bề mặt của mẫu dẫn đến

hư hỏng tiếp theo Bêtông chịu ứng suất đổi chiều bị hư hỏng nhanh hơn, có thể giải

thích do sự tương tác giữa các vết nứt nhỏ có hướng khác nhau do lực nén và lực kéo gây ra

b) Cốt thép chịu lực mỏi

Tuổi thọ mỏi của cốt thép có thể được chia thành pha rạn nứt đầu tiên, pha lan truyền vết nứt một cách đều đặn và pha gãy dòn của phần tiết diện còn lại Vết nứt ban đầu ở thanh thép có gờ thường bắt đầu ở góc các gờ nơi mà có ứng suất tập trung

c) BTCT thường chịu lực mỏi

- Mỏi do uốn: Lực mỏi gây ra sự phá hoại dần lực dính giữa bêtông và cốt thép Bề rộng vết nứt sẽ lớn hơn và phần bêtông chịu kéo sẽ nhỏ hơn kết quả là độ võng lớn hơn Sự hư hỏng thường xảy ra do cốt thép chịu kéo hư hỏng mỏi Một dạng hư hỏng

cơ học khác là do bêtông vùng nén bị ép vỡ;

- Mỏi do cắt: Dầm không có cốt thép chịu cắt phát triển vết nứt sau vài chu kỳ đầu tiên, biến dạng chỉ tăng ít Vết nứt cắt tới hạn xuất hiện xuyên qua các vết nứt uốn Chiều rộng của vết nứt này không theo sự thay đổi ứng suất nào và kết quả là các dầm

bị hư do mỏi của các thanh nén chống (mép trên dầm) Các dầm có cốt thép chịu cắt xuất hiện hư hỏng mỏi của cốt đai hoặc phá vỡ bêtông chung quanh

1.4 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER

cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu Composite có rất nhiều ưu điểm như: thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, công trình vẫn được khai thác kể cả khi đang tiến hành sửa chữa, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, công trình sau khi gia cố vẫn có tính thẩm mỹ cao, đặc biệt với các công trình đòi hỏi khả năng chống thấm và ăn mòn

- Các dạng Composite dùng trong xây dựng thường có các dạng như: dạng tấm; dạng thanh, dạng cáp, dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải (Hình 1.3)

- Vật liệu Composite là một dạng vật liệu được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có

ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là: sợi carbon (CFRP), sợi thuỷ tinh (GFRP)

và sợi aramid (AFRP) Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, môđun đàn hồi rất lớn, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt đều tốt, bền theo thời gian

+ Sợi Carbon được cấu tạo gồm nhiều sợi cực mỏng khoảng 0,005-0,010mm đường

kính và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử carbon được liên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi Sợi carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi carbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải Sợi carbon có độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp vũ trụ, công trình dân dụng, quân

sự, và ô tô thể thao Sợi carbon bắt đầu thử nghiệm từ cuối những năm 1950 và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp Anh từ đầu những năm 1960 Sợi carbon được

sử dụng cho các yêu cầu cần tăng cường đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và thể thao…

+ Sợi thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 - 10 micromet

Sợi thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao Sợi thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợi khác như polymer và sợi carbon Sợi thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc… Sợi thủy tinh đã được thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối Chiến tranh Thế giới II Cho đến nay sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu

+ Sợi Aramid xuất hiện đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng

dụng cùng thời điểm với sợi Carbon Sợi Aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao

- Lịch sử phát triển về những vật liệu Composite đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điển hình về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

- Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tưởng

- Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông

- Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở

Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite"

- Năm 1987 Giáo sư Urs Meier làm việc tại EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Thụy Sỹ) lần đầu tiên đã đưa ra cách gia cường kết cấu bằng cách gắn kết polyme cốt sợi carbon Năm 1991 để tăng cường sức chịu uốn cho các kết cấu cầu Ibanh ở Thụy Sỹ bằng các tấm polime cốt sợi carbon Cây cầu bị hỏng đã được phục hồi về trạng thái ban đầu sau 2 ngày

- Vật liệu Composite (FRP) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện nhiều ở các nước Đông Nam Á

Hình 1.4 Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit trên thế giới từ năm

1991 đến 2000

1.5 CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER - FRP)

1.5.1 Cấu trúc vật liệu sợi Composite

- Vật liệu Composite do sự kết hợp của hai thành phần là cốt sợi và chất dẻo nền tạo nên

- Vật liệu Composite có 2 thành phần: Cấu trúc nền và cấu trúc sợi Cấu trúc vật liệu Composite được thể hiện trên (Hình 1.5)

Hình 1.5 Cấu trúc của vật liệu Composite (Fiber Reinforced Polymer - FRP)

❖ Cốt sợi

Trong vật liệu Composite chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu Composite phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Mô đun đàn hồi cao;

- Cường độ tới hạn cao;

- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn;

- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển và;

- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất

Vật liệu Composite được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid

a) Sợi Carbon (CFRP)

- Sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi carbon Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau

- Để phân loại các loại sợi carbon khác nhau, dựa vào mô đun đàn hồi và ứng xử nhiệt

như sau:

+ Phân loại dựa vào mô đun đàn hồi:

- Mô đuyn đàn hồi rất cao: loại sợi cacbon có mô đun >450Gpa;

- Mô đuyn đàn hồi cao: loại sợi carbon có mô đun từ 325-450 Gpa

- Mô đuyn đàn hồi trung bình: loại sợi carbon có mô đun từ 200 đến 325Gpa;

- Mô đuyn đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp: loại sợi carbon có mô đun <100 Gpa và cường độ chịu kéo >3 Gpa

+ Phân loại dựa vào ứng xử với nhiệt độ:

- Loại I (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ cao): Kết hợp với mô đun đàn hồi cao (>20000C);

- Loại II (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ trung bình: Kết hợp với cường độ cao (>15000C và <20000C) và;

- Loại III (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ thấp): Kết hợp với cường cường độ và mô đun đàn hồi thấp (<10000C)

Hiện nay, sợi carbon ngày càng sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng do chúng có các ưu điểm như cường độ cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao xem (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các đặc trưng loại sợi carbon khác nhau (Ameteau, 2003)

Các loại

sợi cac

bon

Mô đun đàn hồi kéo (ksi)

Cường độ chịu kéo (ksi)

Nước sản xuất Giá thành

b) Sợi aramid (AFRP)

Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh Chúng cũng có

tính mỏi và từ biến tốt Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm Sợi aramid có mô đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh Sợi aramid có

3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R

c) Sợi thủy tinh (GFRP)

Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi thủy tinh có môđun đàn hồi

và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass, xem (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau

Loại sợi

thủy tinh

Tỷ trọng (g/cm3)

Cường độ chịu kéo (ksi)

Mô đun đàn hồi (ksi)

Biến dạng dài (%)

Cường độ chịu nén Rất tốt Không tốt Tốt

Mô đun đàn hồi Rất tốt Tốt Trung bình

Trong đó sợi carbon có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid,

giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh Sợi carbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ số giãn nở nhiệt thấp

❖ Chất dẻo nền

Trong vật liệu Composite chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền :

- Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;

- Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;

- Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường;

- Kết dính các sợi với nhau;

- Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu Composite;

- Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi;

Trong vật liệu Composite thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu Composite thường sử dụng là Vinylester, epoxy, polyethylen

+ Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi

Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit

- Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc

- Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn

+ Vinylester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester

- Ưu điểm của Vinylester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao

- Nhược điểm của Vinylester là có giá thành cao

+ Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny ester Những ưu điểm chính

của epoxy bao gồm:

- Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;

- Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học và;

- Dính bám với cốt sợi rất tốt

Bảng 1.4 Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền (Coker2003)

Đặc trưng Epoxy Vinylester Polyester

Tỷ trọng (Ib/in3) 0.04-0.047 0.038-0.04

0.036-0.052

Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490

Cường độ chịu kéo (ksi) 8-15 11.8-13 6-12

Cường độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17

Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490

1.5.2 Các đặc trưng cơ học của vật liệu Composite

- Vật liệu Composite có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của Composite phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

- Đặc trưng cơ học của Composite phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

+ Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);

+ Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester);

+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc Composite (FRP) và;

+ Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Bảng 1.5 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi Composite (Tyfo và SiKa)

Hệ thống FRP Loại sợi

Trọng lượng (g/m2)

Chiều dày thiết kế (mm)

Cường độ chịu kéo (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Tấm Carbodur H Cacbon 2.240 1,2 1.300 300 Tấm MbraceEG900 Thủy tinh 900 0,37 1.517 72,4

Bảng 1.6 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu Composite (Mallic 1998)

Vật liệu Hệ số giãn nở nhiệt (10

-6/0C) Theo phương dọc Theo phương ngang

Hình 1.6 Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu Composite (FRP)

a) Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi của vật liệu Composite E frpđược thể hiện qua các mô đun đàn hồi của

các vật liệu hợp thành theo phương trình (2.1)

( f m) f m

f f m m

+ Khi biến dạng của phá hoại của chất nền nhỏ hơn biến dạng phá hoại của cốt sợi

- Ăn mòn do hiện tượng phong hóa: Bề mặt bị bào mòn, trơ đá hoặc sỏi Những trụ có xây ốp bên ngoài thì mạch vữa xây bị rời rã

- Sụt lở do va xô của tàu thuyền: Do bê tông đã bị phong hóa, những trụ không có công trình chống và dễ bị lở khi có tác động không lớn của tàu thuyền

- Các dạng vết nứt xuất hiện trên thân mố, thân trụ: Các vết nứt xuất hiện trên bề mặt - các vết nứt này thường là vết ngang theo mối nối thi công, tại những vị trí tiếp giáp bệ

và thân trụ, thân trụ và xà mũ, đá kê và mặt xà mũ trụ Các vết nứt dọc và sâu do tác dụng của tải trọng, những vết nứt này thường xuất phát từ vị trí đá kê gối phát triển sâu

xuống phía dưới thân trụ, có thể thông qua chiều dày thân trụ Đây là dạng hư hỏng thường gặp nhất ở mố trụ cũ cầu đường sắt

- Vỡ bê tông mố trụ: Vật liệu làm mố trụ bị giảm đi cường độ ban đầu, dẫn đến nứt vỡ phần bên ngoài Nếu là kết cấu bê tông cốt thép, phần bê tông bảo vệ bị vỡ gây ra tình trạng lộ và gỉ cốt thép, mặt cắt bị giảm yếu

- Sụt lở đá xây phần tứ nón: Xuất hiện do tác động của mưa lũ hoặc công tác thi công không đảm bảo yêu cầu kĩ thuật

- Những hư hỏng đối với móng: Bao gồm xói cục bộ; vỡ và gãy cọc; nứt vỡ thành giếng chìm, xói lở cục bộ bởi mưa lũ, phát triển tải trọng, sự xuất hiện cung trượt, hư hỏng của móng

- Hư hỏng do chuyển vị:

 Xói quá sâu ở móng mố trụ

 Khả năng chịu lực của đất nền không đủ

 Áp lực ngang của đất tăng lên

 Hiện tượng trượt sâu

 Hư hỏng do sự xê dịch của gối di động, sự mở rộng hay co hẹp lại của khe hỡ giữa đầu kết cấu nhịp với mố để phát triển các chuyển vị quá mức Nếu phát hiện được và nghi ngờ cần phải tiến hành đo đạc chi tiết

 Hư hỏng phần nối tiếp cầu với đường Nếu mái dốc nón mố quá dốc thì dễ xãy ra sụt

lở, lún tà vẹt, lún ray, biến dạng và ứng suất trong ray tăng tăng lên có thể đến mức nguy hiểm

❖ Một số hiện tượng hư hỏng thường gặp

Hình 1.7 Hiện tượng hư hỏng trụ cầu

Hình 1.8 Hiện tượng hư hỏng trụ cầu do bị ăn mòn

1.6.2 Sửa chữa hư hỏng kết cấu mố, trụ cầu

Phải căn cứ vào từng loại kết cấu cụ thể, mức độ hư hỏng để lựa chọn các giải pháp công nghệ sữa chữa phù hợp Một số giải pháp công nghệ có thể áp dụng:

 Làm lại mạch vữa

 Kê đệm lại gối

 Đục phá làm mới lại cục bộ phần hư hỏng

 Phun vữa xi măng áp lực cao

 Phun vữa xi măng gốc eepoxy áp lực cao

 Thay đá, thay bê tông bằng bê tông cốt thép

 Bao bọc bê tông cốt thép

 Các phương pháp gia cường đất nền móng

 Đóng, khoan hạ thêm cọc, mở rộng móng

 Thay đất bằng đá (giảm áp lực sau mố)

 Gia cố chống xói mòn mố, trụ cầu

1.6.3 Tăng cường khả năng chịu lực của mố cầu

Các phương pháp thông dụng để tăng cường mố cầu là:

+ Thay đất đắp cũ sau mố bằng đá dăm, đá hộc để giảm áp lực đẩy ngang của lăng thể trượt sau mố (xem Hình 1.9)

Hình 1.9 Tăng cường mố bằng biện pháp thay đất bằng đá dăm, đá hộc

1 Bản giảm tải, 2 Đá dăm, đá hộc, 3 Thân mố và 4 Dầm cầu

+ Làm thêm kết cấu chống lực đẩy ngang ở phía trước mố tại cao độ móng mố (xem Hình 1.10)

Hình 1.10 Tăng cường mố bằng cách làm thêm: a) Thanh chống, b) và

Việc tăng cường móng mố cũng có thể áp dụng các biện pháp tương tự như khi tăng cường móng trụ Biện pháp đơn giản nhất là đóng các cọc bổ sung rồi làm bệ cọc mới

1.6.4 Tăng cường khả năng chịu lực của trụ cầu

a) Tăng cường khả năng chịu lực của thân trụ

 Phương pháp bao bọc bê tông:

- Phương pháp này là tạo ra lớp áo bê tông cốt thép dày 10 ÷ 15 cm bao quanh thân trụ cũ trên suốt chiều cao thân trụ để tăng diện tích chịu lực cho thân trụ

- Ưu điểm: Thi công đơn giản, lớp bê tông cốt thép thêm mới liên kết tương đối tốt đối với lớp bê tông cũ, chống thấm tốt, khắc phục được các khiếm khuyết hư hại của lớp

bê tông bảo vệ của cấu kiện chịu lực, tuổi thọ cao, hiệu quả kỹ thuật cao đối với việc gia cường vùng bê tông chịu nén

- Nhược điểm: Thời gian thi công lâu, bắt buộc phải thi công đổ tại chỗ, việc thi công

dễ gây tác động tới môi trường, đòi hỏi nhiều lao động và máy móc, làm giatăng tải trọng bản thân của kết cấu chịu lực; đối với các công trình liên quan tới tĩnh không và thoát nước thì phương pháp này thường làm thu hẹp mặt cắt thoáng cũng như làm giảm khả năng thoát nước của công trình

 Phương pháp sử dụng võ thép bao bọc:

- Tăng khả năng chịu lực của thân trụ bằng võ thép bao bọc xung quanh thân trụ

- Ưu điểm: Thích hợp cho việc gia cường kết cấu chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao, không làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu, không làm thu hẹp tĩnh không của công trình

- Nhược điểm: Việc thi công phức tạp, lớp thép bên ngoài dễ bị rỉ và những tổn hại khác do tác động của môi trường dẫn tới tuổi thọ khai thác có thể giảm nhanh

 Phương pháp sử dụng vật liệu cường độ cao tấm sợi Composite:

- Phương pháp này sử dụng vật liệu cường độ cao sợi Composite bao bọc xung quanh thân trụ theo phương thẳng đứng và phương ngang để tăng khả năng chịu lực của bê tông thân trụ Tăng cường kết cấu sử dụng vật liệu sợi Composite dán bên ngoài là một biện pháp thay thế cho phương pháp nêu trên là dán bản thép ngoài cũng như dự ứng lực ngoài Việc tăng cường được tiến hành bằng vật liệu sợi Composite dính kết