Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn tại các công trình dân dụng và công nghiệp luôn là thảm họa nghiêm trọng gây tổn thất nặng nề về tính mạng và tài sản. Điển hình như thảm họa cháy tòa nhà Trung tâm Thương mại Quốc tế tại Thành phố Hồ Chí Minh năm 2002 làm 60 người thiệt mạng, 70 người bị thương và thiệt hại vật chất vượt 32 tỷ đồng; hay vụ cháy chung cư cao 24 tầng tại Luân Đôn năm 2017 cướp đi sinh mạng của 80 người. Khi nhiệt độ đám cháy vượt ngưỡng 250°C đến 600°C, cường độ chịu kéo của cốt thép và cường độ chịu nén của bê tông suy giảm từ 20% đến hơn 50%, dẫn đến suy thoái nghiêm trọng khả năng chịu lực tổng thể của hệ khung kết cấu.

Trước thực trạng đó, việc đánh giá chính xác mức độ tổn thương và tìm kiếm giải pháp phục hồi kết cấu sau cháy thay vì phá dỡ xây mới là bài toán cấp thiết. Nghiên cứu thực nghiệm này được thực hiện nhằm khảo sát ứng xử cơ học của hệ khung bê tông cốt thép tỷ lệ thực chịu tác động nhiệt theo tiêu chuẩn ISO 834, đồng thời đánh giá hiệu quả phục hồi khả năng chịu tải ngang của giải pháp gia cường kết hợp kháng uốn và kháng nở hông bằng vật liệu polyme cốt sợi carbon.

Nghiên cứu được triển khai tại Phường 2, Thành phố Vĩnh Long, Tỉnh Vĩnh Long trong mốc thời gian từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 08 năm 2020. Kết quả thực nghiệm cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng giá trị cao, chứng minh giải pháp dán composite sợi carbon giúp công trình phục hồi trên 88% khả năng chịu tải ngang, tiết kiệm khoảng 45% đến 60% chi phí xử lý sự cố so với biện pháp đập bỏ xây dựng lại và rút ngắn hơn 70% thời gian gián đoạn sử dụng công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép chịu nhiệt độ cao và lý thuyết gia cường kết cấu bằng vật liệu polyme cốt sợi dán ngoài. Dưới tác động nhiệt của ngọn lửa tiêu chuẩn, sự mất nước trong mạng tinh thể gel xi măng cùng sự chênh lệch giãn nở nhiệt giữa cốt liệu và vữa xi măng gây ra hiện tượng rạn nứt vi mô, suy giảm mô đun đàn hồi và bong tách lớp bê tông bảo vệ. Khi nhiệt độ vượt quá 500°C, liên kết giữa cốt thép và bê tông suy giảm trên 40%, làm giảm mạnh khả năng kháng uốn và kháng cắt của dầm, cột.

Khung lý thuyết gia cường composite áp dụng cơ chế bó hông chủ động và cơ chế kháng uốn bổ sung. Theo đó, các khái niệm then chốt bao gồm: hiệu ứng bó hông giúp tạo ứng suất nén tam phương nhằm nâng cao độ dẻo và khả năng chịu nén của lõi bê tông; cơ chế truyền ứng suất cắt qua màng keo dán chuyên dụng; và chỉ số chuyển vị dẻo phản ánh khả năng tiêu tán năng lượng của khung dưới tải trọng ngang.

                    +------------------------------------------+
                    |   Hỏa hoạn nhiệt độ cao (ISO 834)        |
                    |   - Mất nước gel xi măng                 |
                    |   - Rạn nứt, bong tróc lớp bảo vệ        |
                    |   - Giảm cường độ thép & bê tông > 40%   |
                    +------------------------------------------+
                                         |
                                         v
                    +------------------------------------------+
                    |   Hư hại kết cấu khung dầm - cột         |
                    |   - Suy giảm độ cứng ban đầu             |
                    |   - Giảm khả năng chịu tải ngang         |
                    +------------------------------------------+
                                         |
                                         v
                    +------------------------------------------+
                    |   Giải pháp gia cường CFRP kết hợp       |
                    |   - 01 lớp dọc: Kháng uốn mô men         |
                    |   - 01 lớp vòng: Kháng nở hông (bó cốt)  |
                    |   - Keo kết dính epoxy chuyên dụng       |
                    +------------------------------------------+
                                         |
                                         v
                    +------------------------------------------+
                    |   Phục hồi ứng xử cơ học                 |
                    |   - Khôi phục 88% - 94% tải trọng ngang  |
                    |   - Tăng 25% - 40% độ dẻo chuyển vị      |
                    |   - Ngăn ngừa phá hoại giòn đột ngột     |
                    +------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm hiện trường trên mô hình kết cấu kích thước thực nhằm loại bỏ triệt để sai số hiệu ứng tỷ lệ hình học vốn tồn tại phổ biến trong các thí nghiệm mẫu thu nhỏ trong phòng lab. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 03 khung bê tông cốt thép toàn khối có kích thước phủ bì 3500 × 3340 mm, tiết diện cột 200 × 250 mm và tiết diện dầm trên 200 × 220 mm. Phương pháp chọn mẫu là chế tạo đồng loạt 03 khung trong cùng một đợt đổ bê tông mác M250 có cường độ nén 28 ngày đạt 24,8 MPa theo tiêu chuẩn ASTM C39/C39M, sử dụng cốt thép Miền Nam CB300-V với giới hạn chảy thực tế 335,7 MPa.

Nhóm mẫu được phân chia rõ ràng: 01 khung đối chứng không bị cháy, 01 khung bị đốt cháy trong 45 phút và 01 khung bị đốt cháy trong 75 phút trong bể chứa dầu kích thước 4600 × 4900 mm có vách tôn cao 2000 mm bao che chắn gió. Sau quá trình cháy, 02 khung bị hư hại nhiệt được làm nguội tự nhiên và gia cường bằng vải sợi carbon Carbotex UD230 (định lượng 230 g/m², cường độ kéo 4900 N/mm², mô đun đàn hồi 240 GPa, chiều dày 0,167 mm) kết hợp keo kết dính epoxy Carbotex Impreg gồm hai thành phần.

Lý do lựa chọn phương pháp gia tải ngang tĩnh cưỡng bức chuyển vị bằng kích thủy lực 30 tấn và hệ thống đồng hồ đo chuyển vị độ chính xác 0,001 mm là để ghi nhận toàn diện quan hệ lực - chuyển vị và quy luật hình thành vết nứt tại các nút dầm cột. Toàn bộ chu trình thực nghiệm được triển khai chặt chẽ theo dòng thời gian kéo dài 12 tháng từ khâu định vị móng, thi công dầm chống lật 300 × 300 × 5300 mm, dưỡng hộ bê tông 28 ngày, thí nghiệm cháy và gia tải phá hoại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã thu thập dữ liệu chi tiết và chỉ ra các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, mức độ suy thoái nhiệt phụ thuộc trực tiếp vào thời gian tiếp xúc lửa. Sau 45 phút cháy, nhiệt độ bề mặt đo bằng súng hồng ngoại đạt từ 550°C đến 650°C, làm bê tông đổi sang màu hồng xám và xuất hiện các vết nứt chân chim rộng từ 0,2 mm đến 0,5 mm. Ở khung cháy 75 phút, nhiệt độ vượt 800°C, lớp bê tông bảo vệ dày 25 mm bị bong tróc từng mảng lớn, làm lộ cốt thép đai và suy giảm khoảng 38% độ cứng uốn ban đầu của dầm và chân cột.

Thứ hai, giải pháp gia cường kết hợp 01 lớp sợi carbon kháng uốn dọc thớ và 01 lớp bó hông quanh chu vi mang lại hiệu quả khôi phục khả năng chịu lực vượt trội. Khung cháy 45 phút sau khi dán composite đạt tải trọng phá hoại tương đương 94% tải trọng của khung đối chứng nguyên vẹn. Đối với khung chịu nhiệt nghiêm trọng trong 75 phút, khả năng chịu lực ngang phục hồi đạt mức 88,5% so với khung chuẩn.

Thứ ba, sự phá hoại của khung gia cường không bắt nguồn từ việc đứt sợi hay bong tách lớp composite sợi carbon mà chuyển dịch có quy luật về các liên kết nút khung dầm - cột và tiết diện chân cột. Màng keo Carbotex Impreg duy trì độ bám dính hoàn hảo trên bề mặt bê tông đã được làm sạch, biến lớp composite thành một thể thống nhất với lõi kết cấu.

Thứ tư, độ dẻo chuyển vị ngang của khung được cải thiện rõ rệt. Khung sau khi bọc composite sợi carbon có khả năng biến dạng dẻo tăng từ 25% đến 40% so với mẫu hư hỏng chưa gia cố, giúp kết cấu hấp thụ năng lượng động đất hoặc tải trọng gió giật hiệu quả mà không bị sụp đổ giòn bất ngờ.

Ký hiệu mẫu khung Thời gian cháy (phút) Giải pháp gia cường CFRP Khả năng chịu tải ngang cực hạn (kN) Tỷ lệ phục hồi cường độ (%) Độ dẻo chuyển vị tương đối Vị trí phá hoại chủ yếu
F-0 0 Không gia cường (đối chứng) 100,0 (mốc chuẩn) 100,0% 1,00 (chuẩn) Nứt dầm, chân cột
F-45-5 45 01 lớp kháng uốn + 01 lớp bó hông Khoảng 94,0 94,0% 1,35 Khớp dẻo nút khung, chân cột
F-75-5 75 01 lớp kháng uốn + 01 lớp bó hông Khoảng 88,5 88,5% 1,28 Bê tông chân cột ngoài vùng dán

Thảo luận kết quả

Cơ chế phục hồi vượt trội của khung kết cấu bắt nguồn từ sự tương hỗ giữa lớp sợi carbon dọc và lớp sợi bọc vòng. Sợi Carbotex UD230 có cường độ kéo danh định lên tới 4900 MPa, cao gấp hơn 14 lần cường độ chịu kéo của cốt thép CB300-V. Lớp dán dọc đóng vai trò như cốt thép ngoài chịu toàn bộ mô men uốn kéo bổ sung tại các vị trí mép dầm và cột bị nứt sau cháy. Đồng thời, lớp sợi bọc vòng tạo ra hiệu ứng giam hãm ngang liên tục, nâng cao khả năng chịu nén của phần bê tông bị suy thoái nhiệt, ức chế sự phình ngang và hạn chế sự phát triển của các vết nứt xiên.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của các nhóm tác giả chuyên ngành khi khẳng định rằng vật liệu composite sợi carbon có thể khôi phục từ 85% đến 100% cường độ nén và độ dẻo của cột bê tông cốt thép bị phá hủy nhiệt. Điểm vượt trội của đề tài là đã chứng minh được quy luật làm việc liên hợp trong hệ khung hoàn chỉnh dưới tải trọng ngang đơn tĩnh, thay vì chỉ dừng lại ở các cấu kiện cột đơn lẻ chịu nén đúng tâm.

Các dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được trực quan hóa thông qua hệ thống đồ thị quan hệ lực - chuyển vị nằm ngang và biểu đồ phân bố biến dạng cốt thép dọc thân cột. Trên biểu đồ lực - chuyển vị, nhánh làm việc của khung gia cường thể hiện rõ tính chất song tuyến tính với giai đoạn đàn hồi kéo dài và nhánh dẻo có độ dốc suy giảm êm dịu, minh chứng cho sự cải thiện độ dẻo dai của kết cấu sau khi được xử lý bằng composite sợi carbon.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp ứng dụng kỹ thuật đồng bộ:

  • Quy chuẩn hóa quy trình kiểm định tổn thương nhiệt: Ban hành hướng dẫn khảo sát hư hại công trình sau cháy gồm 4 bước bắt buộc (đo nhiệt độ bằng súng hồng ngoại, siêu âm xung vận tốc sóng, khoan lõi thí nghiệm cường độ nén và xác định chiều sâu carbon hóa bằng dung dịch phenolphthalein). Quy trình cần được các đơn vị kiểm định độc lập thực hiện trong vòng 3 đến 5 ngày sau khi hỏa hoạn kết thúc nhằm khoanh vùng chính xác các cấu kiện cần gia cố.
  • Áp dụng thiết kế gia cường kết hợp kháng uốn và bó hông: Thiết kế tối ưu hệ composite sợi carbon cho khung chịu lực sau cháy với định lượng tối thiểu 01 lớp sợi carbon dọc có cường độ chịu kéo không thấp hơn 4000 MPa và 01 lớp sợi bọc chu vi với chiều dài neo tối thiểu 150 mm. Giải pháp này giúp các công ty tư vấn thiết kế phục hồi từ 90% đến 95% khả năng chịu tải ban đầu của các công trình công cộng trong thời gian thi công thực tế từ 7 đến 10 ngày.
  • Bổ sung lớp phủ bảo vệ nhiệt thứ cấp: Thi công lớp vữa chống cháy chuyên dụng gốc thạch cao hoặc xi măng nhẹ có chiều dày từ 25 mm đến 30 mm phủ kín mặt ngoài lớp composite sợi carbon đã dán keo Carbotex Impreg. Lớp phủ này bảo đảm nhiệt độ bề mặt của màng polyme không vượt quá nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh (khoảng 60°C đến 80°C) nếu xảy ra nguy cơ hỏa hoạn thứ phát, nâng thời gian chịu lửa của kết cấu lên trên 120 phút.
  • Hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia: Đề nghị Bộ Xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng chủ trì xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật quốc gia về tính toán, thi công và nghiệm thu gia cường kết cấu bê tông cốt thép sau cháy bằng vật liệu polyme cốt sợi trong giai đoạn 2024 - 2026, làm căn cứ pháp lý minh bạch cho các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và chuyên gia kiểm định: Tiếp cận phương pháp luận tính toán định lượng khả năng chịu lực còn lại của khung bê tông cốt thép sau hỏa hoạn và quy trình thiết kế lớp vải sợi carbon kháng uốn kết hợp bó hông để lập phương án sửa chữa khả thi cho các dự án thực tế.
  • Chỉ huy trưởng và đơn vị thi công cải tạo công trình: Nắm bắt các chỉ dẫn kỹ thuật chi tiết về vệ sinh bề mặt bê tông bong tróc, quy trình pha trộn keo epoxy 2 thành phần Carbotex Impreg và kỹ thuật dán ép vải Carbotex UD230 nhằm đảm bảo tỷ lệ bám dính đạt chuẩn 100%.
  • Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Xây dựng: Khai thác nguồn số liệu thực nghiệm tỷ lệ 1:1 phong phú để hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình số phân tích phần tử hữu hạn trên các phần mềm chuyên dụng như Abaqus, ANSYS hoặc SAFIR.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án: Sử dụng dữ liệu khoa học để thẩm định phương án kinh tế - kỹ thuật trong công tác phục hồi trụ sở, trung tâm thương mại hoặc chung cư sau sự cố cháy nổ, tránh lãng phí ngân sách do quyết định phá dỡ thiếu cơ sở khoa học.

Câu hỏi thường gặp

Giải pháp dán composite sợi carbon có khôi phục hoàn toàn 100% cường độ ban đầu của khung bê tông sau cháy không?

Khả năng phục hồi phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ đám cháy. Với khung chịu nhiệt 45 phút, giải pháp kết hợp 1 lớp sợi carbon uốn và 1 lớp bó hông khôi phục khoảng 94% khả năng chịu tải ban đầu; đối với khung cháy 75 phút ở nhiệt độ trên 800°C, mức phục hồi đạt khoảng 88,5%, đáp ứng an toàn cho kết cấu chịu lực tiếp tục vận hành.

Tại sao bắt buộc phải kết hợp cả lớp dán kháng uốn và lớp dán kháng nở hông?

Lớp sợi carbon dán dọc theo trục cấu kiện chỉ có tác dụng bổ sung khả năng chịu mô men uốn kéo. Khi bê tông bị nung nóng, lõi chịu nén bị rạn nứt vi mô nghiêm trọng; việc bổ sung lớp bọc vòng quanh chu vi sẽ tạo áp lực hông tam phương, giúp lõi bê tông tăng cường độ chịu nén và chống vỡ vụn khi chịu tải trọng ngang lớn.

Keo dán epoxy chuyên dụng đóng vai trò như thế nào trong hiệu quả làm việc của hệ gia cường?

Keo dán đóng vai trò môi chất truyền ứng suất cắt giữa bề mặt bê tông cũ và tấm sợi carbon có cường độ kéo 4900 N/mm². Nếu chất lượng keo không đạt hoặc thi công sai kỹ thuật, hiện tượng trượt hoặc tách lớp sẽ xảy ra trước khi sợi carbon phát huy được khả năng chịu kéo cực hạn.

Nhiệt độ cháy tác động đến mức độ hư hỏng của bê tông mác M250 như thế nào?

Khi nhiệt độ đạt 300°C đến 500°C, nước tự do và nước liên kết trong tinh thể xi măng thoát ra làm bê tông giảm 20% đến 30% cường độ. Khi nhiệt độ vượt 800°C sau 75 phút cháy, canxi hydroxit bị phân hủy hoàn toàn, làm lớp bê tông ngoài dày 25 mm mất liên kết, nứt toác và bong tróc khỏi cốt thép.

So với phương pháp phá dỡ xây mới, giải pháp dán composite sợi carbon mang lại lợi ích kinh tế gì?

Gia cường bằng composite sợi carbon giúp tiết kiệm từ 45% đến 60% tổng chi phí đầu tư so với phá dỡ và tái thiết toàn bộ hệ khung. Đồng thời, giải pháp này không đòi hỏi máy móc thi công cồng kềnh, giảm hơn 70% thời gian đóng cửa công trình và không làm thay đổi diện tích sử dụng của mặt bằng kiến trúc.

Kết luận

  • Đề tài đã hoàn thành xuất sắc chương trình thực nghiệm trên 03 hệ khung bê tông cốt thép tỷ lệ thực kích thước 3500 × 3340 mm, mang lại các dữ liệu định lượng chính xác về ứng xử kết cấu sau khi tiếp xúc nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn ISO 834.
  • Khẳng định tính hiệu quả vượt trội của giải pháp kết hợp 01 lớp sợi carbon Carbotex UD230 kháng uốn và 01 lớp kháng nở hông, giúp khôi phục từ 88,5% đến 94% khả năng chịu tải ngang của khung dầm - cột bị cháy.
  • Xác định rõ cơ chế chuyển dịch vùng phá hoại từ thân cấu kiện về các nút dẻo dầm - cột, đồng thời làm tăng từ 25% đến 40% độ dẻo biến dạng của kết cấu.
  • Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy giúp các kỹ sư kết cấu xây dựng quy trình kiểm định, tính toán và thi công sửa chữa công trình sau hỏa hoạn với chi phí tối ưu và tiến độ thi công rút ngắn đáng kể.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung mở rộng mô hình hóa số phần tử hữu hạn 3D và thử nghiệm các giải pháp lớp phủ chống cháy bảo vệ lớp keo dán polyme trong lộ trình 2024 - 2026.

Hãy tham khảo và chia sẻ tài liệu luận văn thạc sĩ chuyên sâu này để cập nhật ngay giải pháp khoa học tiên tiến nhất trong lĩnh vực gia cường và phục hồi kết cấu công trình sau hỏa hoạn!