Đặt vấn đề-Mục tiêu-Ý nghĩa giờ còn lại. Qúa trình thí nghiệm nhân tạo này kéo dài cho đến 6 tháng. Các yếu tố khảo sát chủ đạo gồm nhiệt độ môi trường, độ ẩm, nồng độ muối và nồng độ kiềm; 2. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố môi trường nêu trên đến kiểu phá hoại của mặt liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông; khả năng biến dạng và độ bền theo thời gian của mặt liên kết này; 3.
Xây dựng quan hệ giữa cường độ bám dính của lưới sợi CFRP và bê tông cho các điều kiện môi trường khác nhau; 4. Đề xuất các hệ số chiết giảm cường độ bám dính của lưới sợi CFRP và bêtông phục vụ cho công tác phân tích và thiết kế gia cường trong thực tiễn; Trang 6 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Sơ lược về vật liệu FRP FRP là vật liệu tổng hợp (composite) cấu tạo từ 2 phần chính là vật liệu nền (chất nền – polymer) và vật liệu cốt (sợi – fiber). Chất nền có chức năng liên kết các sợi, phân phối lực đồng đều giữa các sợi và bảo vệ các sợi khỏi sự xâm thực của các tác động bất lợi từ môi trường. Sợi có chức năng gia cường, là phần chịu lực chính của vật liệu FRP.
Nhựa Cốt nền Sợi gia chính: FRP cố Nhựa Nhựa Polyeste Sợi thuỷ tinh FRP Epoxy Sợi Carbon Vinylester Sợi Aramid Nhựa nhiệt rắn Nhựa phenol formaldehyde Sợi cường độ cao Chất nền polyme Hình 2-1 Thành phần cấu tạo của FRP Vật liệu sợi gồm hàng ngàn sợi nhỏ (đường kính khoảng vài m); các sợi liên tục với chiều dài không giới hạn thường dùng trong kết cấu xây dựng còn các sợi ngắn (chiều dài 10-50mm) thường dùng để phủ lên tàu thủy. Sợi chiếm tỷ lệ lớn về khối lượng trong FRP hơn so với vật liệu nền (khoảng 60~70%). Các tính chất cơ học đặc trưng của sợi đều tốt hơn chất nền. Tuy nhiên, sợi không thể sử dụng độc lập được mà phải sử dụng chung với chất nền để có thể phát huy các đặc tính tốt của nó.
Vật liệu sợi gồm 3 loại Trang 7 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu chính: sợi thủy tinh; sợi các-bon; và sợi aramid. Ngoài ra, còn có các loại sợi khác như UHMW (ultrahigh-molecular-weight), PVA (polyvinyl alcohol). Hình 2-2 Sợi so với tóc người (www.org) Sợi thủy tinh có thành phần chủ yếu là SiO2 (chiếm 50%-70% về khối lượng của FRP) gồm các loại sợi: E (dẫn điện tốt), D (cách điện tốt), A (hàm lượng kiềm cao), C (độ bền hóa học cao),R, S (độ bền cơ học cao) có đường kính =3-24 m (thường là 17 m) với các tính chất vật lý như có màu trắng sáng hoặc màu mắt rắn; được sản xuất ở nhiệt độ khoảng 1400oC với một lớp bề mặt (gọi là sizing); sợi thủy tinh cách điện, cách nhiệt rất tốt, không quá đắt; tuy nhiên có một số nhược điểm như bị xâm thực trong môi trường muối, kiềm; bị mỏi khi tải trọng đạt ≥60% tải trọng tới hạn. Về tính chất cơ học, sợi thủy tinh là vật liệu đẳng hướng.
Tính chất cơ học của sợi được tổng hợp trong Bảng 2-1 (Lawrence 2006). Bảng 2-1 Tính chất cơ lý của các lớp sợi thủy tinh Loại sợi thủy Khối lượng Module đàn Cường độ chịu Biến dạng tối tinh riêng (g/cm3) hồi kéo (GPa) kéo (MPa) đa (%) E 2.47 88 4600 3 Sợi các-bon thường được dùng trong các ứng dụng của kỹ thuật công trình dưới dạng là các tấm đan, dệt, các dãy, dây gân gồm các lớp sợi: SM (standard modulus), IM Trang 8 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu (intermediate modulus), HS (high strength), UHM (ultrahigh modulus) có đường kính =5 – 10 µm với các tính chất vật lý như có màu đen; được sản xuất ở nhiệt độ cao khoảng 1200-2400 OC cũng có một lớp bề mặt như sợi thủy tinh; sợi các-bon không bị xâm thực bởi môi trường; có hệ số giản nở do nhiệt theo chiều dọc rất thấp, hầu như không có; tuy nhiên có một số nhược điểm như sợi các-bon dẫn điện và dẫn nhiệt; đồng thời giá thành cao. Tính chất cơ học của sợi được tổng hợp trong Bảng 2-2 (Lawrence 2006). Bảng 2-2 Tính chất cơ lý của các lớp sợi các-bon Khối lượng Module đàn Cường độ chịu Biến dạng tối Loại sợi các- riêng hồi kéo kéo đa bon (g/cm3) (GPa) (MPa) (%) Standard 1.2 modulus Sợi Aramid được dùng để quấn cột, hoặc tạo thành lớp áo ở bên ngoài kết cấu với các tính chất vật lý như có màu vàng; hệ số giản nở do nhiệt theo chiều dọc hầu như không có; khá nhẹ với khối lượng riêng 1.4 g/cm3 tuy nhiên sợi Aramid có một số nhược điểm như nhiệt độ nóng chảy thấp (khoảng 425 oC); giá thành cao; độ hút ẩm cao (khoảng 6% về trọng lượng).
Về tính chất cơ học, sợi Aramid rất bền, phụ thuộc vào loại của sợi thì cường độ khoảng 3400-4100 (MPa) với module đàn hồi khoảng 70-125 (Gpa). Bảng 2-3 Tính chất cơ lý của chất nền Khối lượng Module đàn Cường độ chịu Biến dạng tối Chất nền riêng hồi kéo kéo đa g cm3 GPa MPa % Polyester 1.9 Trang 9 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Bảng 2-4 Bảng so sánh cường độ kéo, modul kéo giữa FRP và thép Vật liệu Cường độ kéo(MPa) Modul kéo (MPa) Carbon-Epoxy strip(SM) 2.000 Carbon-Epoxy strip(HM) 1.000 Glass-Epoxy strip 900 41.000 Carbon tow sheet(SM) 3.00 Carbon tow sheet(HM) 3.000 Hình 2-3 Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của vật liệu FRP và thép Để tạo ra vật liệu FRP có hai phương pháp chính: phương pháp Pultrusion sản xuất tại nhà máy và phương pháp Hand layup sản xuất tại công trình. Với phương pháp Pultrusion, sản xuất ra các sản phẩm FRP dạng thanh, dãy, bar, sợi. Với phương pháp Hand Layup, sợi khô sẽ được tẩm keo rồi dán lên bề mặt kết cấu; lúc đó keo vừa là chất nền trong FRP vừa là chất kết dính FRP và bề mặt kết cấu.
Trang 10 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu a b c d e Hình 2-4 Các dạng FRP được sử dụng hiện nay: (a) tấm; (b) cuộn; (c) thanh; (d) dạng chế tạo sẵn; (e) dạng băng Tổng quan mô hình bám dính (bond stress-slip relationship) Bám dính là thuật ngữ dùng để chỉ sự tương tác và chuyển giao lực giữa tấm FRP và bê tông, là yếu tố cơ bản đảm bảo sự làm việc chung giữa bê tông và tấm FRP. Nhờ nó ứng suất có thể truyền qua lại giữa bê tông và FRP, đồng thời làm cho chúng làm việc cùng nhau. Lực bám dính giữa bê tông và tấm FRP quyết định đến hiệu quả gia cường của tấm FRP và vì vậy ảnh hưởng mạnh đến ứng xử và khả năng chịu lực của kết cấu. Sự làm việc chung giữa tấm FRP và bê tông có thể miêu tả qua Hình 2-5.
Hình 2-5 Mô hình bám dính trượt Trang 11 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Khả năng bám dính của tấm FRP và bê tông phụ thuộc vào loại tấm; cường độ bê tông; hàm lượng tấm; chiều dài và bề mặt bám dính. Ngoài ra các yếu tố môi trường xâm thực (nhiệt độ,chu kỳ khô ẩm, nồng độ muối, nồng độ kiềm,.) cũng ảnh hưởng đến đặc tính của sợi và chất nền làm thay đổi khả năng bám dính của tấm FRP và bê tông. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 2.1 Nghiên cứu về độ bền của liên kết bám dính của tấm FRP gia cường cho các cấu kiện trong các môi trường xâm thực: Những nghiên cứu về độ bền của liên kết bám dính gia cường cho các cấu kiện dầm cột trong các môi trường xâm thực đã được nhiều tác giả thực hiện , cụ thể: (Chajes et al. 1995) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của môi trường đông / tan và khô / ướt theo chu kỳ sử dụng dung dịch calcium chloride.
Chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 60 dầm kích thước nhỏ gồm 48 dầm gia cường và 12 dầm đối chứng. Các dầm được thí nghiệm theo sơ đồ dầm đơn giản chịu uốn 4 điểm. Lưới sợi gia cường được sử dụng 3 loại: sơi các-bon, sợi thủy tinh và sợi aramid. Kết quả cho thấy sự phơi nhiễm chloride trong cả hai môi trường đã nêu đều làm giảm độ bền bám dính giữa lưới sợi FRP và bê tông, và làm giảm khả năng kháng uốn của dầm.
môi trường khô / ướt có ảnh hưởng mạnh hơn so với môi trường đông / tan băng. Dầm gia cường lưới sợi các- bon bị ảnh hưởng ít nhất. Sau 100 chu kỳ phơi nhiễm, khả năng kháng uốn của dầm giảm xấp xỉ 15%. (Toutanji & Gmezb 1997) nghiên cứu thực nghiệm độ bền của 13 dầm bê tông thuần túy kích thước bé, gia cường kháng uốn bằng vật liệu FRP.
Các thông số khảo sát gồm: loại lưới sợi các-bon và thủy tinh; loại chất nền epoxy; và môi trường (môi trường bình thường và môi trường ướt / khô thay đổi theo 300 chu kỳ). Các dầm được gia tải theo kiểu uốn bốn điểm. Các tác giả kết luận rằng ảnh hưởng của môi trường ướt / khô làm giảm hiệu quả gia cường. Các dầm bị phá hoại do bong tách tấm tại bề mặt tiếp xúc giữa lưới sợi và bê tông.
Keo nền đóng vai trò quan trọng đến độ bền của lưới sợi gia cường đặc biệt trong môi trường biển. Trang 12 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu (Sen et al. 1999) thực hiện nghiên cứu kéo dài trong hai năm nhằm đánh giá độ bền của mặt liên kết giữa tấm CFRP và bê tông. Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 24 mẫu sàn một phương.
Các tham số khảo sát gồm: hệ keo nền (5 loại) và môi trường (4 loại : môi trường bình thường; môi trường ướt / khô theo chu kỳ sử dụng dung dịch nước muối; môi trường ướt / khô kết hợp với nhiệt theo chu kỳ sử dụng dung dịch nước muối; và môi trường tự nhiên). Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng ảnh hưởng của môi trường rất rỏ nét đến độ bền của lưới sợi các-bon và bê tông, đặc biệt là với môi trường ướt / khô theo chu kỳ. Ellynin 2000) đánh giá ảnh hưởng của môi trường đến khả năng biến dạng của tấm CFRP. Các mẫu thí nghiệm được đặt trong môi trường nhiệt độ phòng và trong nước với nhiệt độ 90oC.
Các tác giả kết luận rằng, mức độ hư hỏng của tấm CFRP được quyết định bởi nhiệt độ của môi trường nước. Các mẫu ngâm trong nước có nhiệt độ cao, các sợi thủy tinh có xu hướng bị giòn hóa, làm giảm trị biến dạng kháng nứt của tấm CFRP. (Kajorncheappunngam et al. 2002) khảo sát thực nghiệm trong thời gian 5 tháng ảnh hưởng của môi trường và nhiệt độ đến độ bền của tấm FRP.