CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP Kết cấu bê tông thường được tăng cường bằng cốt thép thường và thép dự ứng lực. Cốt thép được bảo vệ chống ăn mòn bởi tính kiềm của bê tông, giúp công trình có độ bền và sử dụng được lâu dài. Đối với nhiều công trình chịu môi trường khắc nghiệt, như công trình biển, công trình cầu đường, và gara để xe tiếp xúc với muối cho thấy, sự kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ và clorua làm giảm tính kiềm của bê tông dẫn đến sự ăn mòn cốt thép [8]. Quá trình ăn mòn này gây ra sự suy giảm cường độ của bê tông và dẫn đến mất khả năng sử dụng.
Thanh polyme cốt sợi FRP (Fiber-reinforced polymer) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh (GFRP), sợi cacbon (CFRP), sợi bazan (BFRP) hay sợi aramid liên tục (AFRP), được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực. Thanh FRP được biết đến như là một sự thay thế cho cốt thép cho kết cấu bê tông [8]. Các loại cốt FRP khác nhau được thể hiện trong hình 1.1 Các loại thanh FRP [8] 1.1 Đặc tính của các loại cốt FRP Thanh polyme cốt sợi (FRP) thường có các tính chất cơ học khác với thanh thép gai truyền thống. Cấu tạo của các loại FRP khác nhau được mô tả như dưới đây: 1.1 Sợi Bazan Sợi bazan là một loại vật liệu, được sản xuất bởi sự tan chảy của đá bazan 6 quarried [45].
Đá nóng chảy sau đó được đùn ép qua các đầu phun nhỏ để tạo ra các sợi bazan liên tục. Các sợi bazan không yêu cầu bất kỳ chất phụ gia nào khác trong quá trình sản xuất, nên tiết kiệm chi phí bổ sung. Sợi bazan có cường độ chịu kéo cao hơn so với sợi thủy tinh loại E, và có biến dạng cực hạn lớn hơn sợi carbon. Chúng cũng có khả năng chống chịu hóa chất tốt, chịu tải va đập và chống cháy tốt, với mức độ độc hại thấp hơn.2 Sợi Carbon Sợi carbon có thể được phân loại thành sợi polyacrylonitrile (PAN) và sợi gốc.
Sợi PAN có các đặc trưng là có cường độ cao (2500÷4000 MPa) và mô đun đàn hồi lớn (350÷650 GPa). Sợi gốc được làm từ than đá hoặc dầu mỏ. Chúng rẻ hơn so với sợi PAN, với độ bền và mô đun thấp hơn. Có hai loại sợi Pitch, loại mô đun đàn hồi bình thường và loại mô đun cao.
Sợi tổng hợp carbon rất đắt tiền và nhạy cảm với các điều kiện xử lý như chịu kéo và nhiệt độ trong quá trình sản xuất, và giòn hơn so với sợi thủy tinh và sợi aramid.3 Sợi Aramid Sợi aramid (polyimide thơm) được sản xuất đầu tiên ở Đức dưới tên Kevlar. Sợi Aramid cung cấp khả năng chống va chạm tuyệt vời, cường độ chịu kéo cao (hình 1.2) và mô đun cao hơn khoảng 50% so với sợi thủy tinh. Mật độ sợi aramid rất thấp so với sợi carbon và sợi thủy tinh. Hơn nữa, sợi aramid là vật liệu cách điện và cách nhiệt rất tốt.
Tuy vậy, cường độ chịu nén của sợi aramid lại rất thấp.4 Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh loại E, loại Z, loại A, loại C và loại S là các loại sợi thủy tinh phổ biến nhất [21]. Sợi thủy tinh là vật liệu cách điện và cách nhiệt. Sợi thủy tinh thường có giá thành thấp, cường độ chịu kéo cao (xem hình 1. Do đặc tính kinh tế của quá trình sản xuất sợi thủy tinh, sản phẩm này là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trong các loại FRP.
Đây cũng chính là lý do đề tài chọn loại thanh làm từ cốt sợi thủy tinh để nghiên cứu. 7 3000 CFRP AFRP S-GFRP Thép 2000 E-GFRP 1000 Keo epoxy 0 1 2 3 4 5 6 Hình 1.2 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại sợi và cốt thép [52] 1.1 Khối lượng riêng Thanh FRP có khối lượng riêng từ 1,25 đến 2,1 g/cm3, tức là khoảng 1/6÷1/4 khối lượng riêng của thép (xem bảng 1. Trọng lượng nhỏ làm giảm chi phí vận chuyển và làm thao tác bốc xếp trên công trường được dễ dàng. Khối lượng riêng điển hình của thanh thép và thanh FRP (g/cm3) [8] Thép GFRP CFRP AFRP 7,90 1,25 đến 2,10 1,50 đến 1,60 1,25 đến 1,40 1.2 Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP biến đổi theo phương dọc và phương ngang, tùy thuộc loại sợi, nhựa và tỉ phần thể tích sợi.
Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc thì được quyết định bởi tính chất của các sợi trong khi hệ số theo phương ngang quyết định bởi nhựa.2 liệt kê các hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP điển hình và của cốt thép [8].2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình [8] Hệ số giãn nở nhiệt 106 0C Phương Thép GFRP CFRP AFRP Bê tông Dọc, L 11,7 6,0 đến 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2 7,2 đến 10,8 Ngang, T 11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0 60,0 đến 80,0 7,2 đến 10,8 Lưu ý là hệ số giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng nhiệt độ và 8 giãn ra khi giảm nhiệt độ. Để tham khảo, bêtông có hệ số giãn nở nhiệt biến đổi từ 7,2106 đến 10,8106 0C và thường được giả thiết là đẳng hướng.3 Sự làm việc chịu kéo: Khi chịu lực kéo, thanh FRP không có thềm chảy trước khi đứt. Ứng xử kéo của thanh FRP gồm một loại sợi là được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất biến dạng đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy. Tính chất chịu kéo của một số loại thanh FRP trên thị trường được tóm tắt trong bảng 1.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP [8] Thép GFRP CFRP AFRP Ứng suất chảy, MPa 276 ÷ 517 - - - Cường độ kéo, MPa 483 ÷ 690 483 ÷ 1600 600 ÷ 3690 1720 ÷ 2540 Mô đun đàn hồi, GPa 200 35 ÷ 51 120 ÷ 580 41 ÷ 125 Biến dạng chảy, % 0,14 ÷ 0,25 - - - Biến dạng kéo đứt, % 6,0 ÷ 12,0 1,2 ÷ 3,1 0,5 ÷ 1,7 1,9 ÷ 4,4 Vì các vật liệu FRP không có từ tính và không ăn mòn, nên các vấn đề về nhiễu điện từ và ăn mòn có thể tránh được khi sử dụng cốt FRP.
Ngoài ra, vật liệu FRP còn có một số tính chất, ví dụ như độ bền kéo cao, làm cho chúng thích hợp cho việc sử dụng làm cốt dọc chịu lực trong kết cấu.3 Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP Sự phát triển vật liệu cốt sợi polyme được bắt nguồn từ việc sử dụng rộng rãi các vật liệu composite sau chiến tranh thế giới II vào những năm 1940 [8]. Tuy vậy, phải đến những năm 1960, những vật liệu này đã được xem xét nghiêm túc để sử dụng làm cốt trong bê tông. Việc mở rộng hệ thống đường cao tốc quốc gia của Hoa Kỳ vào những năm 1950 đã làm tăng nhu cầu bảo trì quanh năm. Việc rải muối để làm tan băng trên các cây cầu của đường cao tốc đã trở nên phổ biến.
Hậu quả là, cốt thép trong các kết cấu này đã bị ăn mòn bởi các lớp muối biển, do đó chúng trở thành mối lo ngại lớn và làm tăng chi phí bảo trì. Nhiều giải pháp khác nhau đã được thực thi bao gồm sử dụng cốt thép mạ kẽm, sơn tĩnh điện, sơn tĩnh điện polyme, chất phủ epoxy và thanh polyme cốt sợi FRP. Trong số các lựa chọn này, cốt thép tráng phủ epoxy dường như là giải pháp tốt nhất và được thực hiện trong môi trường ăn mòn mạnh. Tuy nhiên, đến những năm 1970, việc phát hiện sự ăn 9 mòn trong các thanh thép phủ epoxy khiến cho việc sử dụng cốt FRP bắt đầu được xem như một giải pháp chung để giải quyết các vấn đề về ăn mòn trong các bản mặt cầu và các kết cấu khác.
Nhu cầu lớn nhất về cốt thép không dẫn điện là để phục vụ cho các cơ sở thiết bị y tế sử dụng máy chụp cộng hưởng từ MRI, với tính chất không dẫn điện của mình, cốt FRP đã trở thành vật liệu mẫu trong loại công trình này. Các ứng dụng khác cũng được phát triển, lợi ích của cốt FRP ngày càng được biết đến và ưa chuộng, đặc biệt trong xây dựng đê biển, móng lò phản ứng, sân bay và các phòng thí nghiệm điện tử. Ở Hoa Kỳ, các chỉ dẫn về vật liệu và thiết kế được phát triển lần đầu tiên vào năm 2001 để hướng dẫn thiết kế và xây dựng kết cấu bê tông cốt thanh FRP theo tiêu chuẩn ACI 440. Các quốc gia và khu vực khác cũng công bố tài liệu liên quan, như Nhật Bản (Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng, 1997b) [31], Canada (CAN/CSA-S6-06 [15], CAN/CSA-S806-12 [16]), Nga [57] và Châu Âu (FIB 2007 [19], FIB 2010 [20]).
Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP. Các ứng dụng thành công trên toàn thế giới bằng cách sử dụng thanh polyme cốt sợi FRP trong vài thập kỷ qua đã chứng minh rằng tính khả thi và có thể thành công khi sử dụng. Các nghiên cứu và thực nghiệm tại hiện trường đang được tiếp tục tiến hành và các đề xuất thiết kế ngày càng được bổ sung, hoàn thiện. Sự làm việc của kết cấu bê tông cốt FRP khác với sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép thông thường.
Vật liệu FRP là không đẳng hướng, chỉ có cường độ chịu kéo lớn theo phương của các sợi. Tính không đẳng hướng này ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt và cả độ dính kết của cốt. Ngoài ra vật liệu FRP khi chịu lực không có sự chảy và luôn luôn làm việc đàn hồi cho đến khi phá hoại. Tất cả sự khác biệt đó làm thay đổi lí luận và tư duy thiết kế so với bê tông cốt thép thông thường.
Có thể thấy sự khác biệt đấy qua bảng 1.4 so sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4].4 So sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4] Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP Hệ số giảm cường độ Cốt thép : 1 Cốt GFRP : 0,7; 0,8 10 Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP Cường độ chịu kéo Cốt thép: 300690 MPa Cốt GFRP 4831600 MPa Mô đun đàn hồi Es = 200.
