NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT VÀ SỨC KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE
Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, lại có một hệ thống lớn các kết cấu bê tông cốt thép được xây dựng cách đây nhiều năm. Hệ thống lớn các kết cấu đó đã bị xuống cấp do tác động của môi trường, do nhiều năm chúng ta không có điều kiện duy tu bảo dưỡng thường xuyên. Hiện nay theo thống kê cho thấy có tới hàng trăm cầu, kết cấu bê tông cốt thép cũ đang cần sửa chữa làm mới ngay. Tuy nhiên, không thể có đủ nguồn kinh phí để cùng xây dựng hàng loạt cầu mới. Vì vậy phương án sửa chữa tăng cường các cầu, kết cấu bê tông cốt thép để duy trì sự làm việc thêm nhiều thời gian nữa là cần thiết. Đã có nhiều biện pháp sửa chữa, tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu đã được áp dụng tùy thuộc vào tình hình làm việc thực tế của kết cấu. Một trong các công nghệ đã và đang được áp dụng là gia cường kết cấu bằng tấm composite. Với những ưu điểm chính: cường độ chịu kéo rất cao; bền và không han gỉ, ít chịu ảnh hưởng của môi trường; sức chịu mỏi tốt hơn thép; nhẹ, dễ vận chuyển, lắp đặt, thi công ở công trường; giảm chi phí bảo trì trong suốt thời gian khai thác sử dụng; tăng tải trọng khai thác và tuổi thọ của kết cấu.
Việc nghiên cứu tính toán để gia cường tấm composite theo các phương pháp thông thường thì rất phức tạp và mất nhiều thời gian. Nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ này ở Việt Nam, việc nghiên cứu thực nghiệm đưa ra những kết quả chính xác, gắn liền với thực tiễn là hết sức cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm gia cường sức kháng cắt và sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép bằng tấm vật liệu composite” được thực hiện trong luận văn này nhằm giải quyết các vấn đề trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
– Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của kết cấu bê tông cốt thép gia cường tấm composite.
– Khảo sát, phân tích ảnh hưởng của tải trọng đến kết cấu bê tông cốt thép gia cường tấm composite.
– Kết hợp so sánh với thực nghiệm để đưa ra kết luận và lựa chọn phương án gia cường hợp lí.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
– Các cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán kết cấu BTCT gia cường tấm composite.
– Dầm và các kết cấu bê tông cốt thép gia cường tấm composite.
– Ứng dụng tính toán gia cường cho một số kết cấu BTCT tại Việt Nam.
– Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
– Phương pháp thực nghiệm.
5. Bố cục đề tài
Nội dung đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu, 3 chương và kết luận.
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt thép và các phương pháp gia cường kết cấu btct.
Chương 2 : Giới thiệu sơ lược về vật liệu composite và các cơ sở lý thuyết, tính toán của nó trong sửa chữa và tăng cường kết cấu btct.
Chương 3: Thí nghiệm thực nghiệm với dầm btct gia cường tấm vật liệu composite và triển vọng áp dụng công nghệ này ở nước ta.
Kết luận
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu bao gồm những sách, báo, đề tài về gia cường kết cấu BTCT đã được thực hiện trong và ngoài nước. Các websites hỗ trợ cho việc tìm kiếm thông tin cần thiết.
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
1.1.1. Vật liệu cấu thành bêtông
Bêtông bao gồm hỗn hợp của đá và cát (cốt liệu thô và mịn) trong vữa hồ 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).
Hình 1.1 mô tả hình ảnh thu được từ máy quét siêu điện tử của mặt cắt thép trong bê tông ximăng Portland cho thấy sự hình thành các pha chính. Sự khác nhau của gam màu xám trong các ảnh này phụ thuộc vào mật độ electron của vật liệu. Các pha chính được phân loại theo độ sáng, chẳng hạn như thép (sáng nhất) > các hạt ximăng chưa thủy hóa > Canxi hydroxit (CH) > gel (chủ yếu là canxi silicat thủy hóa C-S-H) ~ các sản phẩm aluminat ~ cốt liệu) > lỗ rỗng (tối nhất) (Glass et al., 2001b).
GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT VÀ SỨC
KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
BẰNG TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE
Bêtông là vật liệu cường độ chịu nén cao, phát triển cường độ nén rất nhanh. Mặc dù chịu nén tốt, nhưng bêtông chịu kéo rất kém. Thông thường cường độ chịu kéo chỉ bằng 10% cường độ chịu nén. Cốt thép được dùng trong bêtông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo của bêtông. Bêtông có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ so với thép, và do vậy chúng có thể cùng làm việc tốt với nhau khi nhiệt độ thay đổi.
1.2. QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT
1.2.1. Các quá trình xuống cấp
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). Khi kiểm tra, đánh giá quá trình phá hoại hay làm suy giảm chất lượng và đưa ra các giải pháp có thể, việc phân biệt các vấn đề có liên quan đến ăn mòn thép trong bêtông và các vấn đề về sự xuống cấp của bêtông rất quan trọng. Quá trình suy thoái của bêtông có thể do các hiện tượng vật lý hoặc hóa học trong tự nhiên. Chẳng hạn như, thời tiết, nhiệt độ quá cao hay thấp, sự ảnh hưởng của tự nhiên hay các chất thải công nghiệp và phản ứng tương tác giữa cốt liệu và kiềm có thể dẫn đến sự xuống cấp của bêtông (Creegan et al., 1994).
Sự tác động của các chất hóa học đến vữa xi măng làm suy yếu tính chất của bêtông. Trong môi trường không khí hay nước có chứa chất axit, bêtông có thể bị phá hoại bởi các chất có tính axit và trong nước biển sự phá hoại bêtông có thể do các phản ứng hóa học của sun phát, cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong các lỗ rỗng. Trong nhiều trường hợp, khả năng chống thâm nhập của các chất nguy hiểm quyết định khả năng của bêtông chống lại các sự tác động này.
Ngoài phá hoại do phản ứng kiềm-silica, ăn mòn sun phát, các dạng suy giảm chất lượng bêtông khác ít phổ biến gồm ảnh hưởng của axit, sự kết tinh của muối, mài mòn và hư hỏng vật lý, và phá hủy do cháy.
Trong thực tế chỉ có một phần nhỏ các công trình bêtông sử dụng tiếp xúc với các chất hóa học độc hại từ môi trường. Ảnh hưởng của các chất hóa học 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. Ngoài ra còn chịu tác động của sóng biển, mài mòn.
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. Cần chú ý rằng, khi chịu ảnh hưởng của lửa, toàn bộ kết cấu bêtông có độ bền cao hơn so với thép. Trong các hình 1.3 và 1.4 giới thiệu các biểu hiện của sự xuống cấp, hư hỏng kết cấu BTCT.
Hình 1.3. Sự xuống cấp của kết cấu bêtông
Hình 1.4. Phá vỡ lớp bêtông bảo vệ
1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT
Hiện tượng này khá phổ biến trong quá trình đúc bêtông, 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:
– Do bêtông bị phân tầng khi chiều cao rơi bêtông không đảm bảo yêu cầu;
– Do công tác thi công đầm không tốt;
– Do bêtông bị mất nước xi măng hoặc độ sụt không đạt yêu cầu;
– Do thành phần cấp phối bêtông không hợp lý;
– Cự ly cốt thép không đúng quy định.
Các hiện tượng rỗ đều nguy hiểm, 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.
Hiện tượng bêtông trong kết cấu bị rỗng là vì vữa bêtông trong khi đổ bị ngăn chặn ở một đoạn nào đó. Kích thước khoang rỗng thường rất lớn, cốt thép lòi trơ ra mất tính toàn khối của kết cấu.
Hiện tượng rỗng 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;
– Trong các kết cấu bêtông cốt thép mỏng có hai hàng lưới cốt thép cũng dễ hình thành khoảng trống rỗng không có bêtông.
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.
Trong thời gian khô rắn, bêtông co ngót. Sự co ngót của đá xi măng bị bộ khung cốt liệu cứng ngăn cản nên bêtông bị nứt nẻ, các vết nứt đều nhau, nhỏ như sợi tóc, chạy lộn xộn gọi là các vết nứt co ngót.
Sự thủy hóa của xi măng trong khối bêtông phát sinh nhiệt. Nếu mặt bêtông bên ngoài không được bảo dưỡng cẩn thận thì sẽ phát sinh chênh lệch nhiệt độ bên ngoài và bên trong khối bêtông gây nứt nẻ bêtông.
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.
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.
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.
Qua thời gian sử dụng thì lực dích kết của bêtông bắt đầu suy giảm dần nên cường độ bêtông bị ảnh hưởng có thể đến 20%-30% cường độ bêtông chịu nén ban đầu.
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 BTCT thường
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. Môđun 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. Sự làm việc của bêtông dưới tác dụng của lực kéo mỏi cũng bị chi phối bởi sự lan truyền vết nứt nhỏ ở thời kỳ đầu một cách đều đặn và vuông góc với hướng tải trọng, cho đến khi các vết nứt làm mẫu bị đứt. 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. Những mối hàn, chỗ uốn cong của những thanh thép và chỗ bị ăn mòn cũng thường gây ra vết nứt đầu tiên dẫn đến cường độ mỏi thấp.
c. BTCT thường chịu 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 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. GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM DÁN FRP
Sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng các tấm vật liệu composite FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một phương pháp mới đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nước tiên tiến từ những năm 90 của thế kỷ trước. Phương pháp này tận dụng được khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp tốt rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố nâng cấp cải tạo các công trình bêtông cốt thép. Tuy có hạn chế về mặt giá thành, nhưng phương pháp sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP 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, đảm bảo giữa 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.
1.4.1. Sơ lược về vật liệu FRP
– Vật liệu FRP là một dạng vật liệu Composite 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…
– Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm; FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP 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 1.5, hình 1.6).
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT VÀ SỨC KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\NGUYEN THI THAO
