CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Tình hình sử dụng TRC để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT trên thế giới Trong nhiều thế kỷ qua, con người luôn tìm kiếm, phát triển các vật liệu xây dựng thỏa mãn các yêu cầu về sử dụng, chịu lực, độ bền và hiệu quả kinh tế. BTCT là loại vật liệu tổ hợp được tạo ra nhằm tận dụng các ưu điểm, đồng thời khắc phục các nhược điểm của từng vật liệu thành phần. Bê tông có khả năng chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém nên việc đặt thép, vật liệu có khả năng chịu kéo tốt, vào trong bê tông hình thành vật liệu có khả năng chịu kéo và nén đều tốt. Mặt khác, thép được bê tông bảo vệ nên khả năng chống ăn mòn và chống cháy tăng đáng kể.
Tuy nhiên, để bảo vệ chống gỉ cho cốt thép, cần phải có một lớp bê tông bảo vệ. Trong một số trường hợp, yêu cầu về chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ sẽ khống chế kích thước của cấu kiện BTCT, mặc dù các kích thước này có thể nhỏ hơn nếu xét trên góc độ chịu lực. Có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với mục tiêu cải thiện độ bền và tính chất cơ học của bê tông ([4], [1], [48]). Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng sợi ngắn sản xuất từ thép, thủy tinh, basalt, sợi nhân tạo v.
trong bê tông tính năng siêu cao (UHPC). Sự có mặt của sợi được đặt phân tán sẽ làm tăng tính dẻo và dai của UHPC, hấp thụ năng lượng do các tải trọng tác động và góp phần tham gia chịu kéo sau khi xuất hiện các vết nứt. Những vật liệu này không cần bảo vệ bởi môi trường kiềm và yêu cầu lớp bảo vệ nhỏ để đảm bảo tính liên hợp với bê tông. Việc đưa cốt sợi ngắn vào bê tông là sẽ phân tán các điểm ứng suất tập trung trên nền sang cho cốt, từ đó làm tăng khả năng chịu lực của vật liệu.
Một trong những phát minh mới nhất lĩnh vực kết cấu bê tông là vật liệu bê tông cốt lưới dệt (TRC- Textile-Reinforced Concrete), được phát triển đầu tiên tại Đức bởi hai trung tâm nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Dresden và trường Đại học Kỹ thuật RWTH Aachen từ cuối những năm 1990 [48]. TRC là vật liệu được cấu thành từ hai thành phần chính là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn (Hình 1. Khác với bê tông cốt sợi phân tán, các bó sợi trong TRC được đặt có định hướng theo phương chịu lực chính của kết cấu, làm tăng hiệu quả sử dụng cốt chịu lực [20]. Vật liệu này đem lại khả năng thiết kế các kết cấu 7 bê tông có dạng thành mỏng có cường độ cao ở cả vùng chịu nén cũng như chịu kéo.
Đồng thời, kết cấu sử dụng TRC có độ bền môi trường rất cao nhờ việc sử dụng cốt chịu lực không bị ăn mòn, bê tông hạt mịn có độ đặc cao và cường độ cao, kết cấu có bề rộng vết nứt nhỏ v.1 Thành phần của bê tông cốt lưới dệt TRC được xem vật liệu phù hợp để sửa chữa và tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT nhờ các ưu điểm vượt trội như: - TRC có cường độ cao, với cường độ chịu kéo của lưới sợi có thể lên đến 3000 MPa, cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn lên đến hơn 60 MPa. - Bê tông hạt mịn có cấu trúc đặc, cho nên TRC có khả năng chống thấm tốt, làm tăng khả năng bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn. - Sau khi tăng cường, lớp bê tông hạt mịn có tính chất tương tự như bê tông của kết cấu được tăng cường nên TRC không che khuất các vết nứt hay hư hỏng (nếu có) xuất hiện trong quá trình chịu lực. Kết cấu được tăng cường, do đó, có thể được khai thác an toàn và tin cậy.
- TRC có khả năng chịu các tác động ăn mòn, hoá học cũng như tia UV khi bị phơi sáng dưới ánh sáng mặt trời. Có thể chịu nhiệt và chống cháy trong thời gian tương đối dài. Kết cấu BTCT được tăng cường bằng TRC phù hợp với cấp kháng lửa F60 đối với sợi các bon và cấp F30 đối với sợi thủy tinh theo tiêu chuẩn của Đức [65]. - TRC dễ dàng thi công với phương pháp “trát” truyền thống hoặc phương pháp phun bê tông hạt mịn.
Các phương pháp thi công công nghiệp cũng đang được nghiên cứu phát triển. Với nhiều ưu điểm về mặt đặc tính cơ học, bê tông cốt lưới dệt đã và đang được sử dụng như một giải pháp hữu hiệu để tăng cường, sửa chữa các công trình cũ, nhất là các công trình yêu cầu cao về chống ăn mòn, hoặc sử dụng trong môi trương khắc nghiệt. Hiện nay, 8 TRC đã được sử dụng để tăng cường cho rất nhiều công trình BTCT trên thế giới. Sân vận động Meazza tại Milan (Ý) được xây dựng từ năm 1925, sử dụng hệ kết cấu khung BTCT [61].
Sau nhiều năm sử dụng, kết cấu chịu lực đã xuống cấp nghiêm trọng, và đã được sửa chữa và tăng cường bằng TRC vào năm 2002. Trong dự án này, lưới sợi carbon có cường độ chịu kéo 3400 MPa, mô đun đàn hồi 227 GPa, được trát theo tiết diện chữ U để tăng cường sức kháng cắt (Hình 1. Đây được xem là dự án sửa chữa, tăng cường bằng TRC đầu tiên trên thế giới.2 Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT ở Milan (Ý) Năm 2013, kết cấu dầm và sàn BTCT của một công trình nhà cao tầng ở Ehrendingen (Thụy Sỹ) được sửa chữa, tăng cường bằng TRC do một vụ cháy kèm theo nổ xe ô tô làm hư hỏng nghiêm trọng trần tầng hầm (Hình 1. Do đặc thù của dự án này là công trình nhà cao tầng cho nên TRC được lựa chọn thay vì sử dụng vật liệu FRP dán ngoài, bởi TRC có khả năng chịu nhiệt và chịu lửa tương đối tốt, cũng như không phát tán khí độc khi xảy ra cháy như đối với FRP [56].3 Sửa chữa, tăng cường dầm và sàn tầng hầm bị hư hỏng do hỏa hoạn (Thụy Sỹ) [56] Năm 2009, kết cấu dầm và sàn BTCT của tòa nhà văn phỏng cao tầng ở thủ đô Prague (Cộng hòa Czech) có kích thước lớn (12,8 × 13,1 m) được tăng cường khả năng chịu lực bằng TRC (Hình 1.
Sàn được tăng cường bằng bốn lớp lưới sợi các bon, trong đó từng lớp được phun bê tông hạt hạt mịn có chiều dày 3 mm.4 Tăng cường dầm, sàn BTCT công trình nhà cao tầng bằng TRC Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Giao thông vận tải, trong đó có nghiên cứu sinh, là đơn vị đầu tiên nghiên cứu và triển khai áp dụng TRC. Năm 2018, nhóm này đã sử dụng TRC sợi thủy tinh để sửa chữa và tăng cường cho kết cấu sàn BTCT tại nhà xưởng công nghiệp EXEDY, khu công nghiệp Khai Quang, Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc ( Hình 1. Đây là lần đầu tiên TRC được ứng dụng thành công vào một công trình thực tế ở Việt Nam, với diện tích sàn BTCT được tăng cường xấp xỉ 100 m 2.5 Sửa chữa, tăng cường cho kết cấu sàn BTCT bằng TRC sợi thủy tinh tại nhà xưởng công nghiệp EXEDY (Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc) 1.2 Các nghiên cứu về đặc tính cơ học của bê tông cốt lưới dệt TRC được xem là một loại vật liệu mới, có tiềm năng ứng dụng trong các công trình xây dựng nhờ việc khai thác hiệu quả khả năng chịu kéo cao của cốt lưới dệt (Brameshuber et al. Do đó, TRC đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu trong hơn một thập kỷ qua, tập trung vào những vấn đề như cường độ, độ bền, ứng xử dính bám và phương pháp thiết kế v.
Hiện nay, một số hiệp hội chuyên ngành đang xây dựng các chỉ dẫn kỹ thuật về thiết kế, thi công kết cấu sử dụng bê tông cốt lưới dệt, với mục tiêu đẩy nhanh việc ứng dụng vật liệu này trong thực tế xây dựng.4R-13 [12] của Hiệp hội Bê tông Mỹ 10 ACI được xem là tài liệu dạng chỉ dẫn kỹ thuật đầu tiên được công bố về ứng dụng TRC trong tăng cường kết cấu bê tông và kết cấu gạch. Năm 2018, Liên hiệp quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia vật liệu (RILEM) cũng đã đưa ra một số hướng dẫn về quy trình thí nghiệm xác định tính chất cơ học của TRC ([55], [54]). Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề liên quan đến các tính chất của cốt lưới dệt chưa được nghiên cứu một cách thấu đáo, được Hegger [37] liệt kê như sau: đường kính sợi cơ bản, các hư hỏng nứt gãy trong quá trình sản xuất sợi, đặc tính dính bám giữa các sợi cơ bản và giữa chất nền với bó sợi, sự phân bố và hướng của sợi v.1 Cốt lưới dệt Cốt lưới dệt là một dạng vật liệu tổ hợp có cấu trúc không đồng nhất, thường được chia ở 3 cấp độ kết cấu, bao gồm: sợi cơ bản, bó sợi và lưới sợi.6 thể hiện các cấp độ kết cấu của lưới sợi nằm trong bê tông, từ vi mô đến vĩ mô. Lưới sợi dệt được sản xuất từ những sợi nhỏ (sợi cơ bản) có chiều dài, về lý thuyết là, không giới hạn.
Nghiên cứu của Brameshuber [20] cho thấy, sợi cơ bản có kích thước từ 7 ÷ 27 µm, tùy thuộc vào loại vật liệu làm sợi. Các sợi cơ bản được tập hợp thành bó được gọi là bó sợi (roving), dệt thành tấm lưới. Mỗi bó sợi gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn sợi cơ bản nằm song song hoặc xoắn lại với nhau, có đường kính từ 0,5 tới 1,5 mm. Diện tích của bó sợi được xác định thông qua độ mịn, tex (1 tex = 1g / 1000 m), và trọng lượng riêng của sợi.
Độ mịn của bó sợi phụ thuộc vào số lượng sợi cơ bản, đường kính trung bình của sợi và trọng lượng của sợi. Số lượng sợi cơ bản trong mỗi bó sợi được lựa chọn tùy thuộc vào khả năng chịu kéo, loại ứng dụng và chiều dày mong muốn. Trong một số loại lưới sợi có diện tích tiết diện lớn, số lượng sợi trong mỗi bó có thể lên đến 24000 sợi cơ bản, với khối lượng riêng của sợi dao động trong khoảng 1,77 g/cm3 đối với sợi các bon đến 2,68 g/ cm3 với sợi thuỷ tinh. a) Sợi cơ bản b) Bó sợi trong bê tông hạt mịn c) Lưới sợi dệt Hình 1.
