Tổng quan luận án

Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa phức tạp, tạo môi trường bất lợi đối với các công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép. Môi trường xâm thực mạnh thúc đẩy nhanh quá trình rỉ cốt thép, làm nứt vỡ, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và suy giảm nghiêm trọng khả năng chịu lực của kết cấu. Trong hệ thống hạ tầng thủy lợi, cả nước hiện có khoảng 7.000 hồ chứa nước thủy lợi và thủy điện; trong đó, khoảng 80% công trình được xây dựng từ 20 đến 30 năm trước. Hầu hết các công trình cống dưới đập, cống dưới đê, cầu máng dẫn nước, tràn xả lũ đã và đang xuất hiện hư hỏng ở các mức độ khác nhau. Đồng thời, yêu cầu nâng cấp tải trọng, mở rộng mặt đê kết hợp giao thông, hoặc nâng cao trình đập để tăng dung tích trữ nước đòi hỏi phải có giải pháp xử lý kết cấu hiện hữu. Việc phá dỡ để xây mới đồng loạt đòi hỏi kinh phí rất lớn và làm gián đoạn vận hành khai thác, do đó việc nghiên cứu các giải pháp sửa chữa, gia cường nhằm phục hồi và nâng cao sức chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi là một đòi hỏi cấp thiết từ thực tiễn.

Gần đây, giải pháp dán tấm composite từ cốt sợi cường độ cao (sợi các-bon CFRP, sợi thủy tinh GFRP, sợi aramid AFRP) liên kết bằng keo epoxy bắt đầu được áp dụng. Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn rỉ sét, cường độ chịu kéo rất cao, thi công nhanh trên nhiều dạng bề mặt hình học, không làm tăng kích thước mặt cắt tĩnh không và tải trọng bản thân kết cấu. Tuy nhiên, ứng xử của kết cấu sau khi gia cường rất phức tạp do tính chất làm việc liên hợp giữa vật liệu cũ đã suy thoái và vật liệu mới. Nguy cơ phá hoại giòn đột ngột (do bong tách lớp keo dán hoặc bóc tách lớp bê tông bảo vệ) luôn tiềm ẩn nếu việc lựa chọn mức độ gia cường, số lớp dán và phạm vi dán không phù hợp. Trong lĩnh vực công trình thủy lợi, kết cấu thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với nước, độ ẩm bề mặt lên tới 100%, cường độ bê tông ban đầu thấp (mác 200–300, tương đương 20–40 MPa), cốt thép cũ có giới hạn chảy thấp (khoảng 300 MPa) và chịu tải trọng phân bố lớn từ đất và nước. Trước khi luận án được thực hiện, chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện về ứng xử chịu tải, độ bền bám dính trong môi trường ẩm ướt và khả năng kháng cắt của kết cấu dạng bản khi được gia cường bằng tấm composite.

Mục đích nghiên cứu của đề tài là:

  1. 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 thủy lợi.
  2. Đề xuất cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.

Văn bản luận án xác định cụ thể 11 vấn đề khoa học cần làm rõ (ký hiệu từ a đến k):

  • (a) Làm rõ ứng xử chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép sau khi gia cường về phân bố ứng suất, biến dạng và sự phát triển vết nứt chính gây phá hoại.
  • (b) Đánh giá khả năng bám dính trong môi trường ẩm ướt và độ bền lâu của lớp kết dính giữa bê tông và vật liệu gia cường.
  • (c) Xác định tính khả thi của công tác thi công dán tấm composite trong môi trường có độ ẩm cao hoặc ngập nước.
  • (d) Đánh giá hiệu quả chịu lực và độ bền khai thác lâu dài của công trình thủy lợi sau khi gia cường.
  • (e) Khảo sát khả năng ứng dụng phương pháp đối với các đặc thù tải trọng của công trình thủy lợi (tải trọng phân bố, hoạt tải chiếm tỷ trọng trên 50% tổng tải trọng).
  • (f) Xác định mức độ ảnh hưởng của cường độ bê tông hiện hữu ($f'_c$) đến hiệu quả gia cường.
  • (g) Xác định mức độ ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép thường ($\rho$) trong kết cấu cũ đến khả năng huy động sức kháng của lớp composite.
  • (h) Xác định mức độ ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ ($c$) đối với cấu kiện dạng bản mỏng.
  • (i) Khảo sát khả năng gia cường và cơ chế biến đổi sức kháng cắt của kết cấu dạng bản bê tông cốt thép không có cốt đai khi được dán composite chịu uốn.
  • (j) Xác định ảnh hưởng của chủng loại vật liệu và số lớp gia cường ($n$) đến ứng xử phá hoại và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.
  • (k) Kiểm chứng mức độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến trong việc mô phỏng ứng xử kết cấu bê tông cốt thép trước và sau gia cường.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Cấu kiện dầm và tấm bản bê tông cốt thép trong các công trình thủy lợi (cống dưới đê, đập; thành và bản đáy cầu máng dẫn nước; sàn cầu công tác).
  • Vật liệu bê tông và thép: Bê tông có cường độ chịu nén trung bình từ 20 MPa đến 40 MPa; cốt thép thường nhóm A-I và A-II có giới hạn chảy thấp (khoảng 300 MPa).
  • Vật liệu gia cường: Tấm composite sợi thủy tinh chủng loại SEH-25A do công ty Fyfe sản xuất, có bề dày danh định một lớp $t = 0,635$ mm, cường độ chịu kéo thiết kế 521 MPa, mô đun đàn hồi $E_f = 26,1$ GPa, độ dãn dài cực hạn 2%. Chất kết dính là keo epoxy với cường độ chịu kéo 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài cực hạn 5,0%.
  • Phạm vi ứng dụng thực tế: Khảo sát, tính toán và thi công thử nghiệm trên cống ngầm dưới đập hồ chứa nước Liệt Sơn (tỉnh Quảng Ngãi) và phân tích biến dạng, nứt nẻ tại công trình cầu máng khẩu độ lớn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được xây dựng dựa trên 87 công trình khoa học (10 tài liệu tiếng Việt và 77 tài liệu tiếng Anh). Tác giả đã phân loại các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước như sau:

Về nghiên cứu quốc tế:

  • Các mô hình ứng xử phi tuyến của vật liệu bê tông chịu kéo và cơ chế phá hủy nứt nẻ nén kiềm chế: Hillerborg (1983) đã đề xuất mô hình dải nứt giả định dựa trên năng lượng phá hủy $G_F$ của bê tông.
  • Hướng dẫn thiết kế và giới hạn biến dạng: Tiêu chuẩn của Viện Bê tông Hoa Kỳ ACI 440.2R-08 tổng hợp cơ sở tính toán cấu kiện gia cường vật liệu sợi composite (FRP). Tiêu chuẩn này tích hợp các kết quả thực nghiệm của Hassan và Rizkalla (2003), De Lorenzis (2004), Kotynia (2005) để quy định biến dạng giới hạn của tấm gia cường nhằm tránh phá hoại bóc tách ($\varepsilon_{fd} \le 0,7\varepsilon_{fu}$).
  • Nghiên cứu cơ chế bóc tách bề mặt tiếp xúc (debonding) giữa bê tông và composite: Các tác giả sử dụng cơ học phá hủy và mô hình liên kết giao diện như công trình của tài liệu [15], [23]; nghiên cứu dính bám của tấm thép và composite sợi của tài liệu [22]; các thí nghiệm kéo tuột xác định ứng xử liên kết của tài liệu [31]. Marfia, Sacco và Toti (2011) [47] đã xây dựng mô hình kết hợp các dạng phá hoại khác nhau; Panigrahi (2010) [65] sử dụng phần tử hữu hạn 3 chiều mô phỏng lớp keo liên kết dính bám.
  • Nghiên cứu hiệu ứng chịu kéo kết hợp (tension stiffening) và mô hình hóa phi tuyến: Ebead và Marzouk (2005) [33] đã sử dụng phần mềm ABAQUS mô phỏng lại các thí nghiệm tấm bản bê tông cốt thép gia cường bằng FRP, từ đó đề xuất quan hệ ứng suất - biến dạng dạng hai lần tuyến tính cho vùng bê tông chịu nén.
  • Nghiên cứu gia cường cột chịu nén bằng hiệu ứng bó kiềm chế [58], nghiên cứu độ bền mỏi dưới tải trọng lặp [82], và các nghiên cứu về ảnh hưởng dài hạn của từ biến, co ngót của keo dính [25].

Về nghiên cứu trong nước:

  • Các nghiên cứu ban đầu về dán bản thép và vật liệu sợi tổng hợp chủ yếu dừng lại ở mức độ giới thiệu kỹ thuật và chuyển giao thông tin từ nước ngoài [2, 3, 4, 7, 9, 10].
  • Nguyễn Việt Hùng và Lưu Quang Thìn [5] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích kết cấu bê tông cốt thép gia cường bản thép, nhưng chỉ thực hiện ở giai đoạn đàn hồi tuyến tính nên chưa phản ánh đúng bản chất làm việc phi tuyến khi nứt.
  • Nguyễn Chí Thanh [6] trong nghiên cứu thực nghiệm thăm dò bước đầu đã ghi nhận khả năng tăng sức kháng uốn của dầm và bản bê tông cốt thép lên từ 2 đến 3 lần khi dán vật liệu sợi composite.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù số lượng công trình nghiên cứu trên thế giới về gia cường FRP cho kết cấu cầu và công trình dân dụng rất phong phú, nhưng việc áp dụng cho công trình thủy lợi hầu như chưa được khảo sát thấu đáo. Các nghiên cứu thực nghiệm quốc tế chủ yếu thực hiện trên dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung một hoặc hai điểm trong điều kiện khô ráo. Trong khi đó, các kết cấu thủy lợi (như cống dưới đập, thành cầu máng) chủ yếu chịu tải trọng phân bố đều từ áp lực đất và áp lực nước. Sự phân bố mô men và lực cắt dưới tải trọng phân bố hoàn toàn khác biệt so với tải trọng tập trung, dẫn đến sự khác nhau về chiều cao vùng bê tông chịu nén và trạng thái phá hoại. Mặt khác, các kết cấu dạng tấm bản trong công trình cống hộp không có cốt đai chịu cắt; khi dán composite để tăng cường sức kháng uốn ở mặt trong lòng cống, sự gia tăng tải trọng khai thác sẽ làm gia tăng lực cắt ở các tiết diện gối, đẩy kết cấu vào tình trạng nguy hiểm do phá hoại cắt giòn. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp thực nghiệm vật lý, mô phỏng số phi tuyến và thử nghiệm hiện trường trong môi trường ẩm ướt đặc thù của công trình thủy lợi Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên lý thuyết cơ học kết cấu bê tông cốt thép phi tuyến, cơ học phá hủy và lý thuyết biến dạng dính bám liên hợp.

Khái niệm và khung phân tích:

  • Sức kháng uốn và sức kháng cắt: Khả năng tiếp nhận mô men uốn lớn nhất và lực cắt lớn nhất của mặt cắt trước khi đạt tới trạng thái giới hạn về cường độ hoặc trạng thái giới hạn sử dụng.
  • Hàm lượng cốt thép có hiệu ($\rho'$): Đại lượng đặc trưng cho sự tham gia chịu lực đồng thời của cốt thép dọc nguyên bản và diện tích quy đổi của lớp tấm composite dán ngoài.
  • Biến dạng giới hạn thiết kế của lớp gia cường ($\varepsilon_{fd}$): Giá trị biến dạng được khống chế để ngăn ngừa phá hoại bóc tách giòn do vết nứt uốn hoặc vết nứt xiên, được tính theo chỉ dẫn ACI 440.2R-08: $$\varepsilon_{fd} = 0,41 \sqrt{\frac{f'c}{n E_f t}} \le 0,9 \varepsilon{fu}$$ Trong đó $f'c$ là cường độ chịu nén lăng trụ của bê tông, $n$ là số lớp gia cường, $E_f$ là mô đun đàn hồi của vật liệu composite, $t$ là chiều dày một lớp, và $\varepsilon{fu}$ là biến dạng phá hoại của vật liệu composite. Thiết kế khuyến cáo $\varepsilon_{fd} \le 0,7 \varepsilon_{fu}$.
  • Các dạng phá hoại chính được phân tích: Bê tông vùng nén bị nghiền nát trước khi cốt thép chảy; cốt thép chảy sau đó tấm gia cường bị đứt; cốt thép chảy sau khi bê tông vùng nén bị vỡ; bóc tách lớp bê tông bảo vệ; bóc tách lớp keo dán khỏi bề mặt bê tông.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm bốn hợp phần:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tài liệu: Tổng hợp các tiêu chuẩn hiện hành (ACI, ASTM) và các công trình khoa học quốc tế để thiết lập hệ thống phương trình cân bằng và mô hình ứng xử vật liệu.
  2. Phương pháp mô hình vật lý (thực nghiệm phòng thí nghiệm):
    • Thí nghiệm uốn 6 dầm bê tông cốt thép (ký hiệu DO1 đến DO6), kích thước mặt cắt $b \times h = 150 \times 250$ mm, chiều dài nhịp tính toán $L = 3.000$ mm, thí nghiệm chịu tải uốn theo sơ đồ 4 điểm (tải trọng tập trung tại hai điểm đối xứng). Các dầm được chế tạo với các mức độ gia cường khác nhau: dầm đối chứng không gia cường (DO1), dầm gia cường 1 lớp composite (DO2), và dầm gia cường lên đến 4 lớp composite (DO5).
    • Thí nghiệm uốn tấm bản bê tông cốt thép (ký hiệu BO1 đến BO4), kích thước $a \times b \times h = 600 \times 1.000 \times 60$ mm nhằm mô phỏng kết cấu thành cống, bản đáy cống và đáy máng dẫn nước.
    • Các thí nghiệm phụ trợ: Nén mẫu lăng trụ và lập phương để xác định cường độ nén $f'c$ và mô đun đàn hồi $E_c$; kéo các thanh cốt thép mẫu chiều dài tự do 750 mm để xác định giới hạn chảy và mô đun đàn hồi $E_s$; kéo mẫu composite để xác định $f{fu}$ và $E_f$; thí nghiệm cắt dính bám giữa hai khối bê tông liên kết bằng keo epoxy và sợi thủy tinh.
  3. Phương pháp mô hình toán (mô phỏng số phần tử hữu hạn):
    • Sử dụng bộ phần mềm phân tích phi tuyến ATENA 2D và ATENA 3D do Cervenka Consulting phát triển, kết hợp tham chiếu phần mềm ABAQUS.
    • Vật liệu bê tông được mô phỏng theo mô hình vết nứt phân tán (smeared crack model), ứng xử nén phi tuyến có xét đến nở ngang và hiệu ứng nén kiềm chế, năng lượng phá hủy chịu kéo $G_F$ theo mô hình Hillerborg. Cốt thép được mô hình hóa theo dạng phần tử thanh rời rạc dính bám với bê tông. Tấm composite được mô hình hóa bằng phần tử màng hoặc thanh đàn hồi tuyến tính. Lớp tiếp xúc keo dán được mô phỏng thông qua phần tử giao diện (interface element).
    • Kiểm định mô hình số với các bài toán thực nghiệm đối chứng: dầm chịu uốn 4 điểm, dầm chịu tải trọng phân bố đều, và dầm có kích thước lớn chiều cao $h = 4,0$ m chịu tải trọng tập trung.
  4. Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
    • Thi công gia cường thử nghiệm trên công trình cống lấy nước dưới đập hồ Liệt Sơn (tỉnh Quảng Ngãi) trong điều kiện ẩm ướt cao, rò rỉ nước. Lắp đặt hệ thống cảm biến đo biến dạng (strain gauge) tại các thớ chịu kéo và chịu nén để đo đạc ứng suất thực tế trước và sau khi gia cường.
    • Khảo sát, đo đạc hiện trạng nứt thẳng đứng của dầm chủ cầu máng bê tông cốt thép khẩu độ lớn (cầu máng kênh tưới hồ Tà Keo - Lạng Sơn và hồ Định Bình - Bình Định), xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D kiểm tra các bước tải trọng thi công và đề xuất giải pháp gia cường.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên 6 mẫu dầm và các mẫu bản của tác giả (trình bày tại Phụ lục A).
  • Ngân hàng dữ liệu thực nghiệm gồm các kết quả thí nghiệm dầm chịu cắt gia cường bằng FRP được tổng hợp từ các công bố quốc tế (trình bày tại Phụ lục B).
  • Các số liệu hình học, tải trọng địa chất và kết quả đo đạc biến dạng tại công trình cống hồ Liệt Sơn và công trình cầu máng (Chương 4 và Phụ lục C).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite

Chương 1 hệ thống hóa hiện trạng kỹ thuật của công trình thủy lợi tại Việt Nam. Kết cấu bê tông cốt thép thường gặp bao gồm hai nhóm: kết cấu bản thuần túy (chiều dày 8–15 cm đối với cầu máng nhỏ và vừa, 40–60 cm đối với cầu máng nhịp 15–20 m; mác bê tông 200–300, thép nhóm A-I, A-II) và kết cấu dầm thuần túy (dầm dàn van, dầm cầu công tác nhịp 7–9 m, cốt thép dọc đường kính 10–25 mm). Hư hỏng điển hình là ăn mòn cốt thép, nứt nẻ do co ngót, bào mòn do dòng chảy, hiện tượng nhũ vôi và đùn rỉ thép qua bề mặt bê tông (như tại cống Cổ Tiêu, cống hồ Liệt Sơn, cầu máng hồ Tà Keo).

Tác giả so sánh các phương pháp gia cường kết cấu hiện có qua Bảng 1.1 trong luận án:

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
Bổ sung thêm lớp bê tông cốt thép Thi công đơn giản, liên kết tốt với lớp cũ, chống thấm tốt, khắc phục khiếm khuyết lớp bảo vệ, tăng khả năng chịu nén, tuổi thọ cao. Thời gian thi công lâu, phải đổ tại chỗ, gây ô nhiễm môi trường, tốn nhân công, làm tăng tĩnh tải bản thân, thu hẹp tĩnh không thoát nước.
Dự ứng lực ngoài Hiệu quả kỹ thuật rất cao, đặc biệt thích hợp cho vùng chịu kéo của kết cấu nhịp lớn. Đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao, tính toán phức tạp, cáp phải bảo vệ chống ăn mòn, khó khăn trong cấu tạo ụ neo và ụ chuyển hướng.
Dán bản thép Hiệu quả tăng kháng uốn cao, không làm tăng chiều cao kiến trúc, giữ nguyên tĩnh không công trình. Thi công nặng nhọc, thép ngoài dễ bị rỉ do môi trường ẩm ướt, lực dính bám suy giảm nhanh theo thời gian khai thác.
Dán tấm composite Trọng lượng nhẹ, cường độ chịu kéo rất cao, không bị ăn mòn rỉ sét, thi công linh hoạt uốn theo bề mặt, tĩnh tải tăng không đáng kể. Giá thành vật liệu cao, đòi hỏi kỹ thuật dán nghiêm ngặt, nhạy cảm với nhiệt độ cao do keo dán giảm tính chất khi đạt nhiệt độ $T_g$.

Chương này cũng tổng hợp đặc tính vật lý và cơ học của các loại vật liệu composite:

  • Khối lượng riêng của vật liệu composite (Bảng 1.2): Thép đạt 7,9 g/cm³; trong khi cốt sợi thủy tinh GFRP từ 1,2 đến 2,1 g/cm³; cốt sợi các-bon CFRP từ 1,5 đến 1,6 g/cm³; cốt sợi aramid AFRP từ 1,2 đến 1,5 g/cm³.
  • Hệ số dãn nở nhiệt (Bảng 1.3): Theo phương dọc sợi, thép là $12 \times 10^{-6}$/°C; GFRP là $(6 \div 10) \times 10^{-6}$/°C; CFRP là $(-1 \div 0) \times 10^{-6}$/°C (hệ số dãn nở âm); AFRP là $(-6 \div -2) \times 10^{-6}$/°C. Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của keo dính $T_g$ dao động từ 60°C đến 82°C.

Chương 2: Cơ sở khoa học của việc gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết cho việc tính toán kết cấu bê tông cốt thép bằng phương pháp số phi tuyến. Tác giả trình bày các quy luật ứng xử vật liệu:

  • Bê tông: Mô hình hóa trạng thái chịu kéo một chiều theo quan hệ làm mềm sau nứt của Hillerborg (1983); trạng thái ứng suất chịu nén một trục, hai trục và ba trục có xét đến hiện tượng nở hông và sự gia tăng cường độ nén kiềm chế.
  • Cốt thép: Làm việc theo mô hình đàn dẻo lý tưởng; quan hệ dính bám - trượt giữa bê tông và cốt thép được mô tả qua quy luật ứng suất tiếp xúc phụ thuộc biến dạng trượt tương đối.
  • Tấm composite: Ứng xử đàn hồi tuyến tính tuyệt đối cho đến khi đứt giòn; liên kết mặt tiếp xúc với bê tông được khống chế bởi năng lượng dính bám chống bóc tách.

Tác giả lựa chọn phần mềm ATENA (gồm module ATENA 2D và ATENA 3D) để thực hiện tính toán phần tử hữu hạn phi tuyến. Để chứng minh tính đúng đắn của công cụ số trước khi áp dụng cho bài toán phức tạp, luận án tiến hành kiểm định đối chứng với các dữ liệu thực nghiệm:

  1. Đối chứng dầm chịu tải trọng phân bố: Kết quả tính toán bằng ATENA mô phỏng chính xác sự xuất hiện và mở rộng của các vết nứt thẳng đứng ở giữa nhịp và vết nứt xiên gần gối tựa.
  2. Đối chứng dầm kích thước lớn chịu tải trọng tập trung: Mô phỏng dầm có chiều cao lên tới $h = 4,0$ m (Bảng 2.3). Kết quả cho thấy tải trọng giới hạn và quy luật phân bố ứng suất, độ võng tính toán theo mô hình phần tử hữu hạn rất sát với kết quả thí nghiệm thực tế, sai lệch nhỏ hơn 5%.

Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite

Chương 3 là trọng tâm nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số của luận án.

Phần thực nghiệm vật lý:

  • Thí nghiệm dầm: 6 mẫu dầm DO1–DO6 ($150 \times 250 \times 3.000$ mm) chịu uốn theo sơ đồ 4 điểm. Dầm DO1 (không gia cường) bị phá hoại dẻo khi cốt thép chảy trước, sau đó bê tông vùng nén bị vỡ. Dầm DO2 (dán 1 lớp composite) sức chịu tải tăng đáng kể, bề rộng vết nứt giảm. Dầm DO5 (dán 4 lớp composite) sức chịu tải tăng hơn 2 lần so với dầm DO1; tuy nhiên, dạng phá hoại chuyển sang phá hoại bóc tách lớp bê tông bảo vệ ở đầu mút tấm gia cường kết hợp nứt xiên, độ dẻo của kết cấu giảm xuống rõ rệt.
  • Thí nghiệm bản: Các tấm bản BO1–BO4 ($600 \times 1.000 \times 60$ mm) cho thấy việc dán tấm composite ở mặt dưới chịu kéo làm tăng độ cứng chống uốn, độ võng giữa bản tại cùng một cấp tải giảm từ 40% đến 60% so với bản không gia cường.

Phần nghiên cứu tham số bằng mô phỏng số (phần mềm ATENA): Tác giả đã lập mô hình và khảo sát hàng loạt tham số ảnh hưởng:

  • Mức độ gia cường: Khảo sát các dải độ cứng của lớp composite từ $E_1$ đến $E_5$. Khi tăng số lớp dán, sức chịu tải cực hạn tăng dần nhưng tiệm cận một giới hạn nhất định. Nếu tiếp tục tăng số lớp, kết cấu không tăng thêm khả năng chịu lực do bị phá hoại giòn sớm ở vùng bê tông nén hoặc bóc tách liên kết.
  • Cường độ bê tông ($f'_c$): Khi $f'_c$ tăng từ 20 MPa lên 40 MPa, hiệu quả huy động ứng suất của tấm composite tăng tuyến tính, do liên kết dính bám của bề mặt bê tông được cải thiện và khả năng chịu nén của thớ trên tăng lên.
  • Hàm lượng cốt thép dọc ban đầu ($\rho$): Kết cấu có hàm lượng cốt thép thường thấp sẽ đạt được tỷ lệ tăng sức chịu tải sau gia cường cao hơn nhiều so với kết cấu đã có hàm lượng cốt thép cao.
  • Chiều dày lớp bê tông bảo vệ ($c$): Chiều dày lớp bảo vệ càng lớn thì nguy cơ nứt tách lớp bê tông bảo vệ tại cao độ cốt thép dọc càng dễ xảy ra, làm giảm hiệu quả bám dính của tấm composite dán ngoài.

Đề xuất công thức tính sức kháng cắt mới cho kết cấu dạng tấm bản: Khi dán composite tăng cường uốn cho tấm bản không có cốt đai, sự gia tăng lực uốn cho phép kết cấu tiếp nhận tải trọng lớn hơn, kéo theo lực cắt tại tiết diện tới hạn tăng cao. Đồng thời, tại vị trí mút kết thúc của tấm composite cách gối tựa một khoảng $a - L_e$ (đoạn không gia cường), tập trung ứng suất cắt và kéo lớn làm xuất hiện vết nứt xiên nguy hiểm. Tác giả đã thiết lập công thức tính toán sức kháng cắt có xét đến tỷ số $a/L_e$: $$V_n = V_c + V_f$$ Trong đó sức kháng cắt của bê tông và cốt thép có xét hệ số hiệu chỉnh theo khoảng cách đoạn không gia cường. Đánh giá độ tin cậy của công thức trên ngân hàng dữ liệu thực nghiệm quốc tế (Bảng 3.5 và Phụ lục B) cho thấy sai số mô hình $\eta = V_{tn}/V_{tt}$ có giá trị trung bình xấp xỉ 1,02, độ lệch chuẩn $\sigma_\eta = 0,11$ và hệ số biến thiên $\delta_\eta = 10,8%$, có độ chính xác cao hơn so với một số công thức hiện hành.

Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán cho công trình thực tế

Chương 4 ứng dụng các kết quả khoa học để giải quyết hai bài toán công trình thủy lợi cụ thể:

  1. Công trình cống lấy nước dưới đập hồ chứa nước Liệt Sơn (Quảng Ngãi):
  • Đặc điểm và hiện trạng: Cống chịu tải trọng phân bố lớn của khối đất đắp thân đập và áp lực nước ngầm. Thân cống bị rỗ bề mặt, nhũ vôi dày đặc, cốt thép bị đùn rỉ, cường độ bê tông thực tế suy giảm chỉ còn khoảng 18–20 MPa, độ ẩm bề mặt cống luôn bão hòa nước.
  • Mô hình hóa và tính toán: Tác giả lập mô hình phần tử hữu hạn cống dạng hộp kín chịu tải trọng đất ($P_i, \gamma, Z_i$) và tải trọng nước ($q, p$). Kết quả tính toán trước gia cường cho thấy ứng suất trong cốt thép vượt giới hạn đàn hồi, vết nứt mở rộng lớn hơn 0,4 mm.
  • Giải pháp thi công gia cường: Sử dụng tấm sợi thủy tinh SEH-25A kết hợp keo epoxy đặc chủng có khả năng đông cứng và bám dính tốt trong môi trường nước và độ ẩm cao. Tấm composite được dán ở mặt trong lòng cống tại các vùng chịu kéo của thành bên và trần cống.
  • Kết quả kiểm chứng thực tế (Bảng 4.2): Số liệu quan trắc từ các cảm biến đo biến dạng gắn tại hiện trường sau khi gia cường cho thấy biến dạng kéo của cốt thép giảm từ 35% đến 48%, bề rộng vết nứt được khống chế dưới 0,15 mm, đáp ứng hoàn toàn điều kiện khai thác an toàn. Kết quả đo thực tế rất phù hợp với kết quả tính toán mô phỏng trên phần mềm ATENA.
  1. Công trình cầu máng khẩu độ lớn:
  • Phân tích sự cố: Cầu máng dẫn nước mặt cắt chữ U/chữ nhật khẩu độ lớn xuất hiện các vết nứt thẳng đứng phát triển từ đáy lên thành máng ngay trong giai đoạn thi công và thử nước (ví dụ tại cầu máng K18+206 kênh chính Văn Phong và cầu máng hồ Tà Keo).
  • Phân tích số: Luận án xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D và 2D mô phỏng kết cấu theo các bước tải trọng thi công (bước dỡ ván khuôn, bước tích nước thử tải). Kết quả cho thấy vết nứt hình thành do ứng suất kéo cục bộ kết hợp giữa hiệu ứng nhiệt, co ngót và phân bố lại mô men uốn khi thành máng tham gia chịu lực cùng dầm đáy.
  • Giải pháp đề xuất: Tính toán phương án gia cường dán tấm composite sợi các-bon cường độ cao tại đáy dầm chủ và kéo dài lên thành biên theo sơ đồ tối ưu, giúp triệt tiêu nguy cơ mở rộng vết nứt và nâng cao sức kháng chịu tải trong giai đoạn khai thác lâu dài.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án được tổng hợp từ nội dung nghiên cứu và phần "Những đóng góp mới":

  1. Thiết lập quan hệ định lượng giữa khả năng chịu lực của kết cấu (tải trọng cực hạn, độ võng, bề rộng vết nứt) với mức độ gia cường (số lớp composite và độ cứng vật liệu). Đồng thời, luận án đã xác định quy luật tương tác giữa hiệu quả gia cường với các tham số cơ lý cơ bản: cường độ bê tông chịu nén ($f'_c$), hàm lượng cốt thép dọc hiện hữu ($\rho$), và chiều dày lớp bê tông bảo vệ ($c$).
  2. Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cho kết cấu dạng tấm bản bê tông cốt thép không có cốt đai được gia cường chịu uốn bằng composite. Công thức mới tích hợp ảnh hưởng của khoảng cách đoạn không gia cường ($a/L_e$), cho phép kỹ sư xác định phạm vi dán lớp gia cường một cách nhanh chóng, bảo đảm an toàn chống phá hoại cắt giòn mà không cần qua các bước lặp số phức tạp.
  3. Ứng dụng thành công giải pháp công nghệ gia cường bằng composite tại cống dưới đập hồ Liệt Sơn trong điều kiện bề mặt ẩm ướt bão hòa và bê tông có cường độ thấp; giải quyết bài toán phân tích nứt nẻ và gia cường cho dầm chủ cầu máng khẩu độ lớn. Luận án đã đề xuất hệ thống khuyến cáo kỹ thuật làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng composite trong ngành thủy lợi Việt Nam.

Kiến nghị kỹ thuật từ kết quả nghiên cứu:

  • Khi tính toán thiết kế gia cường cho kết cấu thủy lợi cũ, phải khống chế biến dạng của tấm composite theo ngưỡng bóc tách $\varepsilon_{fd} \le 0,7 \varepsilon_{fu}$ hoặc theo chỉ dẫn ACI 440.2R-08, tuyệt đối không lấy theo biến dạng đứt kéo tối đa của vật liệu.
  • Phải kiểm tra đồng thời sức kháng cắt tại tiết diện đầu mút của tấm composite để tránh chuyển dạng phá hoại từ uốn dẻo sang cắt giòn.
  • Đối với môi trường độ ẩm cao và ngập nước, bắt buộc phải sử dụng hệ chất kết dính epoxy tương thích với độ ẩm đã được kiểm nghiệm thực tế tại hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Chương trình thực nghiệm trong phòng mới chỉ tiến hành trên các mẫu dầm và bản chịu tải trọng tập trung (sơ đồ 4 điểm), chưa thực hiện được thí nghiệm vật lý đối với dầm/bản chịu tải trọng phân bố đều hoàn toàn do sự phức tạp và kinh phí lớn của hệ thống gia tải bao khí nén; việc phân tích tải trọng phân bố chủ yếu thực hiện qua mô phỏng số và dữ liệu đối chứng quốc tế.
  • Số lượng mẫu thí nghiệm uốn dầm trong phòng dừng lại ở 6 dầm và các tấm bản mỏng kích thước trung bình; chưa có điều kiện thí nghiệm vật lý phá hoại trên các cấu kiện kích thước thực tế lớn như cống hộp hay khung cầu máng trọn vẹn.
  • Nghiên cứu dính bám trong môi trường ẩm ướt tại cống hồ Liệt Sơn được theo dõi trong giai đoạn thực nghiệm của đề tài, nhưng các yếu tố suy thoái dài hạn do từ biến, độ mỏi và lão hóa của lớp keo dán dưới áp lực nước ngầm liên tục qua nhiều thập kỷ cần tiếp tục được quan trắc.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục duy trì hệ thống quan trắc dài hạn biến dạng và độ bám dính của lớp vật liệu composite tại cống hồ Liệt Sơn và các công trình thủy lợi khác để đánh giá tuổi thọ thực tế của lớp keo.
  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình tính toán cho kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng phân bố phức tạp kết hợp tải trọng động (dòng chảy xung áp, xâm thực thủy lực, chấn động khi đóng mở van).
  • Biên soạn dự thảo Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia hoặc Hướng dẫn kỹ thuật ngành về tính toán thiết kế và thi công sửa chữa, gia cường kết cấu công trình thủy lợi bằng vật liệu composite dán ngoài.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Công trình biển, Kỹ thuật kết cấu: Có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa thực nghiệm vật lý và mô phỏng số phi tuyến bằng phần mềm ATENA 2D/3D; mô hình hóa vết nứt phân tán và liên kết bề mặt tiếp xúc bê tông - FRP.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn kiểm định và thẩm tra công trình: Có thể áp dụng trực tiếp quy trình tính toán gia cường tại Chương 4, công thức tính toán sức kháng cắt cho tấm bản không có cốt đai tại Chương 3, và các thông số giới hạn biến dạng vật liệu nhằm tránh phá hoại bóc tách.
  • Cơ quan quản lý khai thác công trình thủy lợi, chủ đầu tư các dự án hồ chứa, đê đập: Tài liệu cung cấp cơ sở kỹ thuật và giải pháp công nghệ để lập dự án sửa chữa, gia cường các cống dưới đập, cầu máng bị rỉ sét, xuống cấp mà không cần tháo dỡ công trình, giúp tiết kiệm kinh phí và rút ngắn thời gian xử lý.

Các phần đáng tham khảo nhất trong luận án gồm: Chương 2 (mô hình vật liệu phi tuyến và kiểm định ATENA), Mục 3.3 (công thức sức kháng cắt cấu kiện bản), và Mục 4.3 (toàn bộ bài toán tính toán, quy trình dán composite và số liệu kiểm nghiệm hiện trường cống Liệt Sơn).

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số cơ lý danh định của tấm composite và chất kết dính được tác giả sử dụng trong nghiên cứu là gì? Tác giả sử dụng tấm composite sợi thủy tinh chủng loại SEH-25A của hãng Fyfe với chiều dày một lớp $t = 0,635$ mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi $E_f = 26,1$ GPa và độ dãn dài cực hạn 2%. Keo dán dính bám bề mặt có cường độ chịu kéo 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài cực hạn 5,0%.

2. Quy mô chương trình thí nghiệm vật lý của nghiên cứu sinh được thiết lập như thế nào? Chương trình thí nghiệm vật lý trong phòng gồm: 6 mẫu dầm bê tông cốt thép kích thước $150 \times 250 \times 3.000$ mm (ký hiệu DO1 đến DO6) chịu uốn theo sơ đồ 4 điểm với các mức độ gia cường từ 1 đến 4 lớp composite; các tấm bản bê tông cốt thép kích thước $600 \times 1.000 \times 60$ mm (BO1 đến BO4); cùng các mẫu thử nén bê tông, mẫu kéo thép tự do dài 750 mm và mẫu thí nghiệm cắt dính bám keo epoxy giữa hai khối bê tông.

3. Tại sao việc gia cường tăng khả năng chịu uốn cho kết cấu dạng tấm bản lại làm gia tăng nguy cơ phá hoại cắt? Các cấu kiện dạng tấm bản trong công trình cống hộp hoặc cầu máng mỏng không được bố trí cốt đai chịu cắt. Khi dán tấm composite ở thớ kéo, khả năng chịu mô men uốn tăng lên giúp kết cấu chịu được tải trọng ngoài lớn hơn, kéo theo lực cắt tại các tiết diện gần gối tựa hoặc tại vị trí kết thúc tấm gia cường tăng cao. Sức kháng cắt của bản không tăng tương ứng với mức tăng sức kháng uốn, khiến kết cấu dễ bị chuyển từ dạng phá hoại dẻo sang phá hoại cắt giòn đột ngột.

4. Hai công trình thủy lợi thực tế nào đã được lựa chọn để phân tích và kiểm chứng trong luận án? Luận án áp dụng kết quả nghiên cứu vào hai công trình: cống lấy nước dưới đập hồ chứa nước Liệt Sơn (tỉnh Quảng Ngãi) – được tính toán thiết kế, thi công dán tấm composite trong điều kiện ẩm ướt và đo đạc biến dạng thực tế; và công trình cầu máng khẩu độ lớn (trên kênh tưới hồ Tà Keo - Lạng Sơn và kênh chính Văn Phong - Bình Định) – được mô phỏng số 3D phân tích nguyên nhân xuất hiện vết nứt thẳng đứng trong giai đoạn thi công và đề xuất phương án gia cường dầm chủ.

5. Công thức khống chế biến dạng giới hạn của tấm composite chống bóc tách theo ACI 440.2R-08 được nêu trong luận án là gì? Để tránh phá hoại giòn do bóc tách lớp bê tông bảo vệ hoặc bong lớp keo dán, biến dạng thiết kế của tấm gia cường phải thỏa mãn: $\varepsilon_{fd} = 0,41 \sqrt{\frac{f'c}{n E_f t}} \le 0,9 \varepsilon{fu}$ (công thức 1.1 trong văn bản); đồng thời trong tính toán thực hành thường khống chế không vượt quá $0,7 \varepsilon_{fu}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Chí Thanh đã giải quyết vấn đề cơ sở khoa học và thực tiễn của việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi bằng tấm composite sợi cường độ cao. Tác giả đã kết hợp phương pháp nghiên cứu thực nghiệm phòng thí nghiệm, mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến trên phần mềm ATENA và thử nghiệm kiểm chứng trực tiếp trên công trình cống hồ Liệt Sơn và dầm cầu máng. Công trình đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải, đề xuất công thức xác định sức kháng cắt cho tấm bản không cốt đai có xét khoảng cách đoạn không gia cường, và chứng minh tính khả thi của công nghệ dán composite trong môi trường ẩm ướt đặc thù của công trình thủy lợi Việt Nam. Các kết quả này cung cấp luận cứ khoa học tin cậy cho công tác đánh giá, thiết kế và thi công sửa chữa, nâng cấp hệ thống kết cấu hạ tầng thủy lợi hiện hữu.